JP2016191312A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関と補機用熱交換器との間での冷却液の流通量を可変する流量可変機構を小型化できる内燃機関の冷却装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の冷却装置１Ａは、エンジン２（内燃機関）と室内用のヒータ４（補機用熱交換器）との間に冷却液Ｃを循環させて、エンジン２からの熱の吸収と、ヒータ４を介した車室内への放熱とを行う。内燃機関の冷却装置１Ａは、電動ポンプ５と、流量可変機構４３と、ポンプ制御部５０と、流量制御部４４とを備える。電動ポンプ５は、冷却液Ｃを循環させる。流量可変機構４３は、エンジン２とヒータ４との間での冷却液Ｃの流通量を可変する。ポンプ制御部５０は、ヒータ４への冷却液の流通を阻止する際に、電動ポンプ５を一時的に停止させる。流量制御部４４は、電動ポンプ５の停止に連動して流量可変機構４３により冷却液Ｃの流通量を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関と補機用熱交換器との間に冷却液を循環させて、内燃機関からの熱の吸収と、補機用熱交換器を介した放熱とを行う内燃機関の冷却装置に関する。特に、内燃機関と補機用熱交換器との間での冷却液の流通量を可変する流量可変機構を小型化できる内燃機関の冷却装置に関する。

自動車には、内燃機関（エンジン）とラジエターとの間に冷却液を循環させて、内燃機関からの熱の吸収と、その熱のラジエターを介した大気中への放熱とを行うことで、内燃機関を冷却する内燃機関の冷却装置が設けられている。この内燃機関の冷却装置は、冷却液の一部を室内の暖房のための熱源に利用している（例えば、特許文献１）。

特許文献１の内燃機関の冷却装置は、ウォータポンプにより内燃機関と室内用ヒータコアとの間に冷却水を循環させて、内燃機関で吸収した熱を室内用ヒータコアを介して室内へ放熱している。内燃機関から室内用ヒータコアへ冷却液を流通させるヒータコア行き連絡通路の途中には、冷却水の温度が所定温度以下の場合、冷却水の室内用ヒータコアへの流通量を制限する流量制御弁（流量可変機構）が設けられている。

特開平１１−１１７７３９号公報

内燃機関とヒータなどの補機用熱交換器との間での冷却液の流通量を可変する流量可変機構の更なる小型化が望まれている。流量可変機構による冷却液のヒータへの流通量の制限は、ウォータポンプにより冷却液を流通させた状態で冷却液の流通路を閉鎖することで行われるため、抗力が大きくて流量可変機構を小さくすることが難しかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、内燃機関と補機用熱交換器との間での冷却液の流通量を可変する流量可変機構を小型化できる内燃機関の冷却装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る内燃機関の冷却装置は、内燃機関と補機用熱交換器との間に冷却液を循環させて、内燃機関からの熱の吸収と、補機用熱交換器を介した放熱とを行う。この内燃機関の冷却装置は、電動ポンプと、流量可変機構と、ポンプ制御部と、流量制御部とを備える。電動ポンプは、冷却液を循環させる。流量可変機構は、内燃機関と補機用熱交換器との間での前記冷却液の流通量を可変する。ポンプ制御部は、補機用熱交換器への冷却液の流通を阻止する際に、電動ポンプを一時的に停止させる。流量制御部は、電動ポンプの停止に連動して流量可変機構により冷却液の流通量を制限する。

上記の内燃機関の冷却装置は、流量可変機構を小型化できる。補機用熱交換器への冷却液の流通を阻止する際に、内燃機関と補機用熱交換器との間での冷却液の流通量の制限を、ポンプ制御部により電動ポンプを停止した後、流量制御部により流量可変機構を制御して行うことで、流量可変機構への冷却液の抗力を実質的に排除できるからである。この流量可変機構の小型化により、（ａ）流量可変機構の消費電力を小さくできて燃費の向上に寄与する、（ｂ）軽量化に寄与する、（ｃ）コストの低減に寄与する、（ｄ）ウォータハンマーによる異音の発生を抑制し易い。

実施形態１に係る内燃機関の冷却装置を示す概略構成図である。

本発明の内燃機関の冷却装置の実施形態を、以下に説明する。

《実施形態１》
〔内燃機関の冷却装置〕
図１を参照して、実施形態１に係る内燃機関の冷却装置１Ａを説明する。内燃機関の冷却装置１Ａは、内燃機関（エンジン２）とラジエター３との間に冷却液Ｃを循環させて、エンジン２からの熱の吸収と、その熱のラジエター３を介した大気中への放熱とを行うことでエンジン２を冷却する。また、内燃機関の冷却装置１Ａは、内燃機関（エンジン２）と補機用熱交換器との間に冷却液Ｃを循環させて、エンジン２からの熱の吸収と、補機用熱交換器を介した放熱とを行う。内燃機関の冷却装置１Ａの主たる特徴とするところは、補機用熱交換器への冷却液Ｃの流通を阻止する際に、エンジン２から補機用熱交換器への冷却液Ｃの流通量の制限を、冷却液Ｃを循環させる電動ポンプ５を停止した後に行う点にある。以下、内燃機関の冷却装置１Ａの各構成を説明した後、補機用熱交換器への冷却液Ｃの流通を阻止する際における内燃機関の冷却装置１Ａの動作の制御手順を説明する。ここでは、内燃機関の冷却装置１Ａは、補機用熱交換器を車室内用のヒータ４で構成して、冷却液Ｃで吸収したエンジン２の熱を車室内の暖房の熱源に利用する形態を例に説明する。図１は、冷却液Ｃの流通方向を黒塗り矢印で示しており、暖機運転中でかつヒータ４の稼働時の冷却液Ｃの流通状態を示す。

（冷却液）
冷却液Ｃは、エンジン２（内燃機関）の熱を吸収してエンジン２を冷却する。冷却液Ｃによるエンジン２の熱の吸収は、冷却液Ｃをエンジン２のウォータジャケット２１１，２２１（後述）に流通させることで行える。エンジン２の熱を吸収した冷却液Ｃは、その熱をラジエター３を介して大気中に放熱することで冷却されたり、ヒータ４を介して車室内へ放熱されたりする。エンジン２とラジエター３との間、及びエンジン２とヒータ４との間のそれぞれでの冷却液Ｃの循環は、電動ポンプ５を用いて、ラジエター側循環路３０とラジエターバイパス路６、及びヒータ側循環路４０とラジエターバイパス路６のそれぞれを流通させることで行える（いずれも後述）。この電動ポンプ５による冷却液Ｃの循環経路は、電動ポンプ５→エンジン２内（シリンダブロック２１のウォータジャケット２１１→シリンダヘッド２２のウォータジャケット２２１）→ラジエター３やヒータ４→電動ポンプ５である。冷却液Ｃには、不凍液やＬＬＣ（ロングライフクーラント）などを含むものを好適に利用できる。

（ウォータジャケット）
ウォータジャケット２１１，２２１は、冷却液Ｃの流通経路である。ウォータジャケット２１１，２２１は、エンジン２のシリンダブロック２１及びシリンダヘッド２２のそれぞれに設けられる。

（電動ポンプ）
電動ポンプ５は、冷却液Ｃを循環させる。この電動ポンプ５により冷却液Ｃは圧送される。ここでは、電動ポンプ５の出口は、シリンダブロック２１のウォータジャケット２１１に連通している。この電動ポンプ５の入口には、後述のラジエターバイパス路６の出口が連通しており、ラジエター３やヒータ４を流通した冷却液Ｃがラジエターバイパス路６を介して電動ポンプ５に戻される。ここでいう「入口」と「出口」とは、冷却液Ｃの「入」と「出」とを基準に説明している。この「入口」と「出口」は、以降の説明でも同様である。電動ポンプ５は、エンジン２の回転により駆動せず、モータ（図示略）で駆動する。そのため、電動ポンプ５の稼動や停止の制御をエンジン２の回転数によらず自在に行える。電動ポンプ５の稼動や停止の制御は、ポンプ制御部５０により行われる。

（ポンプ制御部）
ポンプ制御部５０は、電動ポンプ５の稼動と停止とを制御する。ポンプ制御部５０による電動ポンプ５の稼動のタイミングは、例えば、エンジン２の始動に合わせたり、エンジン２の始動後、エンジン２の温度が所定の温度以上になったときに合わせたりすることが挙げられる。後述のようにエンジン２の稼動時においてポンプ制御部５０により電動ポンプ５を一時的に停止させた場合、ポンプ制御部５０による電動ポンプ５の稼動（再稼動）のタイミングは、後述の流量制御部４４による流量可変機構４３の閉鎖が完了してヒータ側循環路４０が不通になったときに合わせる。

一方、ポンプ制御部５０による電動ポンプ５の停止のタイミングは、ヒータ４への冷却液Ｃの流通を阻止する際に連動させることが挙げられる。この停止のタイミングは、例えば、冷却液Ｃが所定温度以下（低温度）のときのヒータ４の停止に連動させることが挙げられる。この連動と、後述するように、流量制御部４４による流量可変機構４３の閉鎖を電動ポンプ５の停止後に行うこととで、ヒータ４の停止→電動ポンプ５の停止→流量可変機構４３の閉鎖、の順に制御が行われる。ポンプ制御部５０による電動ポンプ５の停止のタイミングは、エンジン２の停止にも合わせる。このポンプ制御部５０は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）で制御される。この点は、後述の流量制御部４４も同様である。

（ヒータ）
ヒータ４は、エンジン２の熱を吸収した冷却液Ｃを流通させて、その熱を車室内に放熱することで車室内を暖める。ヒータ４は、冷却液Ｃの熱を放熱するため、冷却液Ｃの冷却をも行う。ヒータ４は、冷却液Ｃが流通するヒータコア（熱交換器：図示略）を備える。ヒータ４による冷却液Ｃの放熱・冷却は、このヒータコアに冷却液Ｃが流通することで行われる。

（ヒータ側循環路）
ヒータ側循環路４０は、エンジン２からヒータ４へ冷却液Ｃを流通させるヒータ側供給路４１と、ヒータ４内を流通して放熱して冷却された冷媒液Ｃを排出するヒータ側排出路４２とを備える。ヒータ側供給路４１の入口は、シリンダヘッド２２のウォータジャケット２２１に連通（開口）し、出口は、ヒータ４に連通（開口）する。ヒータ側排出路４２の入口は、ヒータ４に連通し、出口は、後述のラジエターバイパス路６に連通する。ヒータ側循環路４０には流量可変機構４３が設けられている。

（流量可変機構）
流量可変機構４３は、エンジン２とヒータ４との間での冷却液Ｃの流通量を可変する。流量可変機構４３の上記可変は、後述の流量制御部４４の指示により行われる。流量可変機構４３は、ヒータ側循環路４０を開放・閉鎖する適当なバルブが挙げられ、ここでは電磁バルブとしている。流量可変機構４３の設置箇所は、ヒータ側供給路４１とヒータ側排出路４２の途中のどちらでもよく、ここではヒータ側供給路４１の途中としている。この流量可変機構４３は、例えば、エンジン２の始動時や上述のヒータ４の停止に連動したポンプの停止後に閉鎖していてヒータ側供給路４１を不通にし、冷却液Ｃが所定温度以上（高温時）のときに開放していてヒータ側供給路４１を開通する。

（流量制御部）
流量制御部４４は、流量可変機構４３の開閉を制御する。それにより、ヒータ側供給路４１を開通・不通にする。流量制御部４４の上記制御は、例えば、冷却液Ｃの温度とヒータ４の稼動及び停止とに基づいて行うことが挙げられる。流量制御部４４による流量可変機構４３の開放のタイミングは、冷却液Ｃが高温度になったときに連動させることが挙げられる。一方、流量制御部４４による流量可変機構４３の閉鎖のタイミングは、上述のようにヒータ４の停止への切り替えに連動した電動ポンプ５の停止直後とする。そうすれば、流量可変機構４３の閉鎖を容易に行える。電動ポンプ５を停止すると、ヒータ側循環路４０を流通する冷却液Ｃによる流量可変機構４３への抗力を実質的に排除できるためである。流量制御部４４による流量可変機構４３の閉鎖のタイミングは、ヒータ４の停止中に冷却液Ｃが低温度になったときや、エンジン２の始動直後に冷却液Ｃの温度が低温度の場合にも合わせる。

（ラジエター）
ラジエター３は、エンジン２の熱を吸収した冷却液Ｃを流通させて、その熱を大気中に放熱することで冷却液Ｃを冷却する。

（ラジエター循環路）
ラジエター循環路３０は、エンジン２からラジエター３に冷却液Ｃを供給するラジエター供給路３１と、ラジエター３内を流通して冷却した冷却液Ｃをラジエター３から排出するラジエター排出路３２とを備える。ラジエター供給路３１の入口は、シリンダヘッド２２のウォータジャケット２２１に連通し、出口は、ラジエター３に連通する。ラジエター排出路３２の入口は、ラジエター３に連通し、出口は、ラジエターバイパス路６に連通する。

（ラジエターバイパス路）
ラジエターバイパス路６は、冷却液Ｃが所定温度未満の場合、冷却液Ｃのラジエター３への流通をバイパスさせて電動ポンプ５へ戻す。冷却液Ｃがラジエター３をバイパスすることで、冷却液Ｃの所定温度以上への調整を迅速に行ない易い。ラジエターバイパス路６の入口は、ヒータ側排出路４２の出口やラジエター側排出路３２の出口が連通しており、ラジエターバイパス路６の出口は、電動ポンプ５に連通している。ラジエターバイパス路６には、冷却液Ｃのラジエター３への流通と、冷却液Ｃをラジエター３に流通させずに冷却液Ｃのラジエターバイパス路６への流通とを調整するサーモスタット７が設けられている。

（サーモスタット）
サーモスタット７は、冷却液Ｃの温度を調整する。サーモスタット７は、冷却液Ｃの温度が所定温度未満の場合、ラジエター側循環路３０を冷却液Ｃが流通しないようにラジエター側循環路３０を閉鎖し、冷却液Ｃの温度が所定温度以上の場合、ラジエター側循環路３０を冷却液Ｃが流通するようにラジエター側循環路３０を開放する。サーモスタット７によるラジエター側循環路３０の開閉は、エンジン２の暖機前後で行うことが挙げられる。即ち、エンジン２の暖機前にはラジエター側循環路３０を不通にし、暖機後にはラジエター側循環路３０を開通することが挙げられる。サーモスタット７の配置箇所は、ラジエター供給路３１の入口やラジエター排出路３２の出口が挙げられ、ここではラジエター排出路３２の出口としている。

（その他）
内燃機関の冷却装置１Ａは、ラジエター３やヒータ４の他、例えば、エンジン２とスロットルボディ８との間や、エンジン２とＥＧＲバルブ９との間などで、冷却液Ｃを循環することもできる。スロットルボディ８は、スロットルバルブ（図示略）を収納する。ＥＧＲバルブ９は、ＥＧＲ（排気ガス再循環装置：図示略）において、エンジン２の気筒の吸気ポート（図示略）に還流させる排気ガスの流量を調整する。エンジン２とスロットルボディ８との間での冷却液Ｃの循環により、暖機運転時にアイドリング回転数を高めたり、スロットルバルブ（バタフライ：図示略）の凍結を防止したりすることができる。エンジン２とＥＧＲバルブ９との間での冷却液Ｃの循環により、ＥＧＲバルブ９の冷却を行える。

エンジン２とスロットルボディ８との間での冷却液Ｃの循環は、エンジン２からスロットルボディ８へ冷却液Ｃを供給するスロットル側供給路８１と、スロットルボディ８内を流通した冷却液Ｃをスロットルボディ８から排出するスロットル側排出路８２とで行える。スロットル側供給路８１の入口は、ヒータ側供給路４１の途中に連通し、出口はスロットルボディ８に連通している。スロットル側供給路８１の入口の連通箇所は、ここではヒータ側供給路４２における流通可変機構４３の上流側としている。流量可変機構４３の開閉によらず、冷却液Ｃをスロットルボディ８へ流通できる。一方、スロットル側排出路８２の入口はスロットルボディ８に連通し、出口はヒータ側排出路４２の途中に連通している。スロットル側排出路８２の出口の連通箇所は、ここではＥＧＲバルブ側排出路９２の出口よりも上流側としている。

エンジン２とＥＧＲバルブ９との間での冷却液Ｃの循環は、エンジン２からＥＧＲバルブ９へ冷却液Ｃを供給するＥＧＲ側供給路９１と、ＥＧＲバルブ９内を流通した冷却液ＣをＥＧＲバルブ９から排出するＥＧＲ側排出路９２とで行える。ＥＧＲ側供給路９１の入口は、シリンダヘッド２２のウォータジャケット２２１に連通し、出口は、ＲＧＲバルブ９に連通している。ＥＧＲ側排出路９２の入口は、ＥＧＲバルブ９におけるＥＧＲ側供給路９１の出口とは異なる箇所に連通し、出口は、ヒータ側排出路４２の途中に連通している。ＥＧＲ側排出路９２の出口の連通箇所は、ここではヒータ側排出路４２におけるスロットル側排出路８２の出口よりも下流側としている。

（制御手順）
暖機運転中のヒータ４の停止時における内燃機関の冷却装置１Ａの動作の制御手順を説明する。ヒータ４の稼働時における内燃機関の冷却装置１Ａの動作状態を説明した後、ヒータ４を停止したときの制御手順を説明する。

ヒータ４の稼働時、流量制御部４４により流量可変機構４３は開放されていて、ヒータ側循環路４０は開通している。このとき、電動ポンプ５は稼動しているため、エンジン２とヒータ４との間での冷却液Ｃの循環経路は、電動ポンプ５→エンジン２→ヒータ側供給路４１→ヒータ４→ヒータ側排出路４２→ラジエターバイパス路６→電動ポンプ５である。

この状態で車両の乗員がヒータ４を停止したら、その停止に連動してポンプ制御部５０が電動ポンプ５を停止する。このとき、冷却液Ｃの循環が直ちに停止し、冷却液Ｃによる流量可変機構４３への抗力が実質的に排除される。流量制御部４４は、電動ポンプ５が停止したら、流量可変機構４３を閉鎖する。この流量可変機構４３の閉鎖が完了したら、ヒータ側供給路４１が不通になる。ポンプ制御部５０は、流量可変機構４３の閉鎖の完了に伴って、電動ポンプ５を再稼動させる。ポンプ制御部５０による電動ポンプ５の停止後、再稼動までの時間（停止時間）は、流量可変機構４３の閉鎖の完了までの短時間であるため、エンジン２の冷却性能への影響は実質的に無いと考えられる。

その後、ヒータ４を再稼動させた場合、ポンプ制御部５０が電動ポンプ５を停止することなく稼動した状態のまま、流量制御部４４は流量可変機構４３を開放する。冷却液Ｃの流通時における流量制御部４４による流量可変機構４３の開放は、閉鎖時と異なり、冷却液Ｃによる抗力が作用することがないからである。

〔作用効果〕
以上説明した内燃機関の冷却装置１Ａは、ヒータ４を停止した際、この停止に連動してポンプ制御部５０により電動ポンプ５を停止した後に、流量制御部４４により流量可変機構４３を閉鎖できる。そのため、ヒータ４の停止時に、流量可変機構４３への冷却液Ｃの抗力を実質的に排除できる。これに伴い、流量可変機構４３を小型化できるため、（ａ）流量可変機構４３の消費電力を小さくできて燃費の向上に寄与する、（ｂ）軽量化に寄与する、（ｃ）コストの低減に寄与する、（ｄ）ウォータハンマーによる異音の発生を抑制し易い。

本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、補機用熱交換器は、トランスミッション用ウォーマ、ＥＧＲクーラ、サブラジエターなどとすることができる。

本発明の内燃機関の冷却装置は、自動車のエンジンを冷却する冷却装置に好適に利用できる。

１Ａ 内燃機関の冷却装置
Ｃ 冷却液
２ エンジン（内燃機関）
２１ シリンダブロック ２２ シリンダヘッド
２１１，２２１ ウォータジャケット
３ ラジエター
３０ ラジエター側循環路 ３１ ラジエター側供給路 ３２ ラジエター側排出路
４ ヒータ（補機用熱交換器）
４０ ヒータ側循環路 ４１ ヒータ側供給路 ４２ ヒータ側排出路
４３ 流量可変機構 ４４流量制御部
５ 電動ポンプ ５０ ポンプ制御部
６ ラジエターバイパス路
７ サーモスタット
８ スロットルボディ ８１ スロットル側供給路 ８２ スロットル側排出路
９ ＥＧＲバルブ ９１ ＥＧＲ側供給路 ９２ ＥＧＲ側排出路

Claims (1)

1. 内燃機関と補機用熱交換器との間に冷却液を循環させて、前記内燃機関からの熱の吸収と、前記補機用熱交換器を介した放熱とを行う内燃機関の冷却装置であって、
   前記冷却液を循環させる電動ポンプと、
   前記内燃機関と前記補機用熱交換器との間での前記冷却液の流通量を可変する流量可変機構と、
   前記補機用熱交換器への前記冷却液の流通を阻止する際に、前記電動ポンプを一時的に停止させるポンプ制御部と、
   前記電動ポンプの停止に連動して前記流量可変機構により前記冷却液の流通量を制限する流量制御部とを備える内燃機関の冷却装置。

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