JP7184457B2 - 内燃機関の冷却水系統の構造 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される水冷式内燃機関の冷却水系統に関する。

内燃機関が搭載されている車両の車室内の空調、特に暖房には、温熱源として内燃機関の冷却水を利用することが通例である。即ち、内燃機関からヒータコアに熱せられた冷却水を導入し、ヒータコアにおいて空気との間で熱交換を行うことで、暖かい空気を車室内に供給する。

加えて、近時の車両では、内燃機関の冷却水系統に、変速機に用いられるフルード（いわゆるＡＴＦまたはＣＶＴＦ）との間で熱交換を行う熱交換器が設けられるようになっている（例えば、下記特許文献を参照）。この熱交換器は、冷間始動時にフルードを早期に昇温させ、変速機における機械的損失（フリクションロスを含む）を低減させる作用を営む。

特開２００２－３４０１６１号公報

フルード用の熱交換器を流通する冷却水が流れる流路上には、当該熱交換器に冷却水を流入させるか否かの切り換えを行うために、ワックスペレットサーモスタット、ベローズサーモスタット、バイメタルサーモスタット、または形状記憶合金サーモスタットが設置される。この種のサーモスタットは、部品点数が多いが機能は単純であり、冷却水温が設定値よりも高くなったら開弁しさもなくば閉弁するのみであって、費用対効果が低い。

また、既存のシステムは、内燃機関からヒータコアへの冷却水の流入を全く制御しないものが多く、冷却水ポンプが稼働している限り冷却水がヒータコアを循環し続ける。冷間始動時には、可及的速やかに内燃機関を暖機して内燃機関における機械的損失を低減させることが望ましいが、ヒータコアにおいて熱が奪われるために暖機が遅れ、燃費性能面での不利を招く。

本発明は、簡易な構成により低コストで車両の燃費性能の向上を実現しようとするものである。

本発明では、車両に搭載される水冷式内燃機関の冷却水系統において、車室内の空気との間で熱交換を行うヒータコアを流通する冷却水、及び車両の駆動系の変速機に用いられるフルードとの間で熱交換を行う熱交換器を流通する冷却水がともに流れる流路上に、現在の冷却水の温度によらず任意に開閉操作が可能な一個のバルブを設け、このバルブにより前記ヒータコア及び前記熱交換器に冷却水を流通させるか否かを制御することとした。より具体的には、外気温が所定値未満の低温である環境下では冷却水の温度やフルードの温度如何によらず前記バルブを開弁し、並びに、冷却水温が所定値以上に高いときには前記バルブを開弁する。

本発明によれば、簡易な構成により低コストで車両の燃費性能の向上を実現し得る。

本発明の一実施形態において車両に搭載される内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の冷却水系統の構成を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の内容を説明する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、車両に搭載される水冷式内燃機関の概要を示す。図示例の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

車両の駆動源となる内燃機関と、車両の車軸及び駆動輪とを繋ぐ駆動系には、変速機が実装される。変速機は、例えば既知のトルクコンバータ及び自動変速機６である。自動変速機６は、無段変速機の一種であるベルト式ＣＶＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）であることがある。その場合、トルクコンバータとベルト式ＣＶＴとの間には、遊星歯車機構を利用した前後進切換装置が介在する。

そして、トルクコンバータ、前後進切換装置及びベルト式ＣＶＴには、共通のトランスミッションフルード（ＣＶＴＦ）が用いられる。このフルードは、駆動力の伝達、クラッチの締結圧力の供給、ベルトの挟圧力の供給、潤滑等を担う。フルードを吸込んで吐出するオイルポンプは、トルクコンバータと前後進切換装置との間に所在し、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから駆動力の伝達を受けて稼働する。

図２に、本実施形態における内燃機関の冷却水系統を示す。冷却水を吸込んで吐出する冷却水ポンプ５１は、内燃機関のクランクシャフトからトルクの伝達を受けて稼働する。尤も、冷却水ポンプ５１として電動ポンプを採用してもよいことは言うまでもない。冷却水ポンプ５１が吐出した冷却水は、まず内燃機関のシリンダブロック５２に流入し、次いでシリンダヘッド５３に流入する。そして、シリンダヘッド５３から、ＣＶＴＦウォーマ５５、ヒータコア５４、ＥＧＲクーラ２２、スロットルバルブ３２を内包するスロットルボディ３２０、ＥＧＲバルブ２３を内包するバルブハウジング２３０、ラジエータ５６といった各所に向けて送り出される。

ＣＶＴＦウォーマ５５は、内燃機関の冷却水と、トルクコンバータ及び自動変速機６に用いられるフルードとの間で熱交換を行う熱交換器である。ＣＶＴＦウォーマ５５は、冷間始動時にフルードを早期に昇温させるとともに、フルードが過剰な高温、例えば１００℃以上となることを抑制する。

ヒータコア５４は、冷却水と車室内の空気との間で熱交換を行い、車室内の空調、特に暖房のために働く。

ＥＧＲクーラ２２は、冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行い、吸気通路３に流入するＥＧＲガスの温度を低下させる。

スロットルボディ３２０及びバルブハウジング２３０に冷却水を供給するのは、冷間始動時に各バルブ３２、２３を早期に昇温させ、またバルブ３２、２３の凍結を防止する意図である。

シリンダヘッド５３からＣＶＴＦウォーマ５５及びヒータコア５４に向かう冷却水は当初同一の流路を流れており、後に分岐してＣＶＴＦウォーマ５５及びヒータコア５４の各々に流入する。本実施形態では、ＣＶＴＦウォーマ５５に流入する冷却水とヒータコア５４に流入する冷却水とが合流している流路上に、当該流路を開閉するためのＦＳＶ（Ｆｌｏｗ Ｓｈｕｔ Ｖａｌｖｅ、またはＦｌｏｗ Ｓｈｕｔｔｅｒ Ｖａｌｖｅ）５７を設置している。ＦＳＶ５７は、制御信号ｍを受けて開閉する開閉弁、またはその開度を変化させる流量制御弁であって、例えばソレノイドバルブである。図示例では、ＦＳＶ５７を、ＣＶＴＦウォーマ５５及びヒータコア５４の上流、即ちＣＶＴＦウォーマ５５に流入する冷却水とヒータコア５４に流入する冷却水とが分岐する前に合流している流路上に設けている。が、ＦＳＶ５７を、ＣＶＴＦウォーマ５５及びヒータコア５４の下流、即ちＣＶＴＦウォーマ５５を通過した冷却水とヒータコア５４を通過した冷却水とが再合流する流路上に設けてもよいことは言うまでもない。

ＣＶＴＦウォーマ５５を流通した冷却水及びヒータコア５４を流通した冷却水は再び合流し、ＥＧＲクーラ２２へと向かう。さらに、スロットルボディ３２０及びバルブハウジング２３０を流通した冷却水が、その流れに加わる。ＥＧＲクーラ２２を流通した冷却水は、シリンダブロック５２に向けて流下し、再び冷却水ポンプ５１に吸込まれる。

ラジエータ５６は、冷却水を自然空冷または強制空冷してその温度を低下させる放熱器である。ラジエータ５６とシリンダブロック５２とを連絡する冷却水還流路上には、当該還流路を開閉するためのサーモスタット５８を設置する。サーモスタット５８は、冷却水の温度が設定値以上の高温となったときに開弁し、それ未満の温度であるときには閉弁する。

本実施形態における制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラがＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関のクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、外気の温度を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、トランスミッションフルードの温度を検出する液温センサから出力されるフルード温信号ｇ、内燃機関の吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＦＳＶ５７に対して開閉制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、トルクコンバータのロックアップを行うか否か、自動変速機の変速比、ＦＳＶ５７の開閉またはその開度、等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

しかして、ＥＣＵ０は、現在の内燃機関の冷却水温、外気温、及びトランスミッションフルードの温度に応じて、ヒータコア５４及びＣＶＴＦウォーマ５５に冷却水を流通させるか否かを決定し、ＦＳＶ５７を開閉操作する。

上述の通り、本実施形態では、内燃機関の冷却水系統に随時操作可能な一個のＦＳＶ５７を設置しており、このＦＳＶ５７によりヒータコア５４への冷却水の流入及びＣＶＴＦウォーマ５５への冷却水の流入の双方を制御することができる。言うまでもなく、ＦＳＶ５７を開弁すればヒータコア５４及びＣＶＴＦウォーマ５５に冷却水が流入し、ＦＳＶ５７を閉弁すればヒータコア５４及びＣＶＴＦウォーマ５５に冷却水が流入しなくなる。

図３に、ＥＣＵ０によるＦＳＶ５７の開閉のパターンを示している。図中、網点を付して表している領域がＦＳＶ５７を閉弁する領域であり、それ以外の領域がＦＳＶ５７を開弁する領域である。原則として、ＥＣＵ０は、外気温がβ未満の低温である環境下では、冷却水温やフルード温如何によらず、ＦＳＶ５７を開弁して内燃機関の冷却水をヒータコア５４に流入させる。これは、車室内の暖房性能を維持するためである。

並びに、冷却水温がα以上に高いときには、ＦＳＶ５７を開弁して冷却水をＣＶＴＦウォーマ５５に流入させる。これは、既に内燃機関がある程度以上暖機されており、ＦＳＶ５７を閉弁して内燃機関の昇温を促進する必要がなく、寧ろトランスミッションフルードを昇温させることが求められるからである。

また、フルード温がγを超えて過剰に高温化しているときには、ＦＳＶ５７を開弁して冷却水をＣＶＴＦウォーマ５５に流入させる。これは、トランスミッションフルードのそれ以上の昇温を抑止し、さらにはフルードの温度降下を促すためである。

外気温がβ以上、フルード温がγ以下であり、冷却水温がαよりも低いときには、基本的には、ＦＳＶ５７を閉弁して冷却水のヒータコア５４及びＣＶＴＦウォーマ５５への流入を停止してよい。典型的には、寒冷環境下以外での冷間始動の直後の時期がこれに該当するが、ＦＳＶ５７を閉弁することでヒータコア５４及びＣＶＴＦウォーマ５５に温熱が奪われることがなくなり、内燃機関の暖機を早めることができる。

但し、冷却水温がα以下かつフルード温がγ以下であって、冷却水の温度もトランスミッションフルードの温度も低い状況においては、ＦＳＶ５７を閉弁することで冷却水温が高まる代わりにフルード温が上昇せず、ＦＳＶ５７を開弁することでフルード温が上昇する分だけ冷却水から熱が奪われるというトレードオフが存在する。冷却水温の上昇とフルード温の上昇とのどちらを優先するべきかは、一意には決定できない。

一例として、（外気温がβ以上であることを前提として）冷却水温がα以下かつフルード温がγ以下の状況では、冷却水温が所定未満の低温である場合には内燃機関の暖機を優先してＦＳＶ５７を閉弁する一方、冷却水温がそれ以上である場合にはフルード温が閾値よりも低いことを条件としてＦＳＶ５７を開弁することとし、その閾値を現在の冷却水温が高いほど引き上げる（冷却水温が低いほど引き下げる）ことが考えられる。

本実施形態では、車両に搭載される水冷式内燃機関の冷却水系統において、車室内の空気との間で熱交換を行うヒータコア５４を流通する冷却水、及び車両の駆動系の変速機に用いられるフルードとの間で熱交換を行う熱交換器５５を流通する冷却水がともに流れる流路上に、現在の冷却水の温度によらず任意に開閉操作が可能な一個のバルブ５７を設け、このバルブ５７により前記ヒータコア５４及び前記熱交換器５５に冷却水を流通させるか否かを制御することとした。

本実施形態によれば、簡易な構成により車両の燃費性能の向上を実現し得る。サーモスタットと異なり、制御バルブ５７は柔軟に開閉操作することができ、現在の冷却水温、外気温及びフルード温に応じたきめ細かな制御を実現することが可能である。しかも、本実施形態の冷却水系統の構造では、制御バルブ５７の個数を徒に増やす必要がなく、コスト増を招かずに済む。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、制御バルブたるＦＳＶ５７は、電磁ソレノイドバルブに限定されない。制御装置たるＥＣＵ０が適時開閉操作できるものであればよく、液圧回路を通じて作動液圧を供給することにより開閉駆動する態様のバルブを採用しても構わない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される水冷式内燃機関の冷却水系統及びその制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
５４…ヒータコア
５５…熱交換器（ＣＶＴＦウォーマ）
５７…制御バルブ（ＦＳＶ）
ｄ…外気温信号
ｆ…冷却水温信号
ｇ…フルード温信号
ｍ…バルブの開閉制御信号

Claims (1)

1. 車両に搭載される水冷式内燃機関の冷却水系統において、
   車室内の空気との間で熱交換を行うヒータコアを流通する冷却水、及び車両の駆動系の変速機に用いられるフルードとの間で熱交換を行う熱交換器を流通する冷却水がともに流れる流路上に、現在の冷却水の温度によらず任意に開閉操作が可能な一個のバルブを設け、このバルブにより前記ヒータコア及び前記熱交換器に冷却水を流通させるか否かを制御するものとし、
   外気温が所定値未満の低温である環境下では冷却水の温度やフルードの温度如何によらず前記バルブを開弁し、
   並びに、冷却水温が所定値以上に高いときには前記バルブを開弁する冷却水系統の構造。

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