JP4748103B2

JP4748103B2 - 内燃機関の冷却装置

Info

Publication number: JP4748103B2
Application number: JP2007129684A
Authority: JP
Inventors: 泰志伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008286029A

Description

本発明は、内燃機関の冷却系の暖機性向上を図る内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関の冷却装置として、内燃機関の暖機効果を向上させるための蓄熱装置を設け、内燃機関の始動前に蓄熱装置で暖められた冷却媒体を内燃機関に供給して予熱を行うとともに、内燃機関の始動後暖機完了前にラジエータを迂回させて冷却媒体を供給するものが知られている。
また、内燃機関であるエンジンの冷却系は、暖機課程では熱損失を低減して、早期に暖機を実現する必要があるが、冷却媒体である冷却水からエンジンの各部に熱伝達や熱放射によって熱が奪われ、暖機が遅くなってしまう。

また、アイドリング等のウォーターポンプの吐出量が少ない時には、各部への十分な水量が得られず、且つ温度上昇が必要な部分に到達するまでの時間がかかるので、配管でより多くの熱が奪われる。これはヒータの効きや、変速機ウォーマー、スロットルボディの凍結防止用配管等の早期に温水を供給する必要がある部分においては、特に大きな問題となる。

また、暖機後の特に高負荷においては、十分な水量が必要となり、その為に、ウォーターポンプの吐出能力が設定されているので、水量が必要ない場合でも、その駆動に要する動力によって、燃費が悪化するような問題もある。

ところで、従来においては、冷却装置のウォータージャケットの内部やエンジンとラジエータとの間の樹脂配管や、ＥＧＲ冷却通路等において、撥水性の樹脂を設け、熱歪みの抑制、耐熱性、腐食防止を図ることが提案されている（特許文献１〜３参照）。
また、エンジンのウォーターポンプ装置において、ポンプハウジング内壁に撥水性の合成樹脂を被覆することで、ベアリング部への冷却水の侵入を防止することが提案されている（特許文献４参照）。

特開２００３−１１３７３７号公報特開２００３−１７６７２１号公報特開２００２−４９５３号公報実公昭６３−２９１９６号公報

しかしながら、前記いずれの提案においても、例えばヒータ等の機能部品の早期暖機を図るためのものではなく、早期のヒータ温度上昇、変速機等の伝達率向上、スロットルの凍結解除による信頼性の向上を図ることについて対策がなされていない。

すなわち、エンジンの冷却系の暖機性向上の為の水量制限と、ヒータ等の機能部品の早期暖機や暖機後の水量確保とが相反する要求であること、また冷却水の接するエンジンの各部が強度確保の為に、主に金属で構成されており、放熱しやすいので、早期暖機の対策が切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、内燃機関の冷却系の暖機性向上を図る内燃機関の冷却装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の内燃機関の冷却装置の発明は、冷却媒体を内燃機関に循環して冷却する主冷却媒体経路と、内燃機関から排出された冷却媒体の一部を熱交換手段により熱交換を行ってから内燃機関に供給する副冷却媒体経路と、冷却媒体を圧送するウォーターポンプとを備えた内燃機関の冷却装置において、副冷却媒体経路の内面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けてなることを特徴とする。

また、第２の内燃機関の冷却装置の発明は、第１の発明において、前記冷却媒体の熱交換手段が、ヒータ、変速機ウォーマー又はスロットルボディであると共に、前記副冷却媒体経路が、ヒータ通路、変速機ウォーマー通路又はスロットルボディ通路であることを特徴とする。

また、第３の内燃機関の冷却装置の発明は、第１の発明において、前記冷却媒体の経路の内面が、ウォーターポンプの内部であることを特徴とする。

また、第４の内燃機関の冷却装置の発明は、第４の発明において、前記ウォーターポンプの内部が、インペラ表面又はポンプケーシング内壁面のいずれか一方又は両方であることを特徴とする。

また、第５の内燃機関の冷却装置の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記流体抵抗軽減皮膜が、フッ素系樹脂材料からなることを特徴とする。

本発明によれば、副冷却媒体経路の内面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けてなるので、経路内壁と冷却媒体との間に空気層が形成しやすくなり、この結果冷却媒体の流体抵抗の低減を図り、早期暖機を狙う機能部品等への水量が増量することとなる。また、空気層により冷却媒体から壁面への熱伝達が妨げられて、放熱が少なくなり、高い温度での機能部品の暖機が可能となる。
この結果、早期のヒータ温度上昇、変速機等の伝達率向上、スロットルの凍結解除による信頼性の向上を図ることができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の冷却装置を適用した内燃機関の冷却系の全体構成を示している。内燃機関１１はシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１３とを有し、シリンダブロック１３には複数（本実施形態では４個）の気筒１４が一列に並べられて形成されている。内燃機関１１には、内燃機関１１に冷却水を循環させる冷却装置２０が設けられている。

冷却装置２０は、内燃機関１１のクランク軸（不図示）の回転トルクにて駆動され、冷却媒体である冷却水を内燃機関１１に圧送するウォーターポンプ２１と、ウォーターポンプ２１にて圧送された冷却水を所定の経路でシリンダヘッド１２まで導いてシリンダヘッド１２及びシリンダブロック１３をそれぞれ冷却する主冷却媒体経路である冷却水路２４と、シリンダヘッド１２から排出された冷却水をラジエータ２２の入口２２ａに導くリターン水路２５と、ラジエータ２２の出口２２ｂから排出された冷却水をサーモスタット弁２８によりウォーターポンプ２１に導くラジエータ出口水路２６と、シリンダヘッド１２から排出された冷却水に対しラジエータ２２を迂回させてサーモスタット弁２８を介してウォーターポンプ２１に導くバイパス水路２７と、を有している。

更に、冷却装置２０は、ヒータ等の熱源を利用して加熱した冷却水を内燃機関１１へ供給する熱交換手段であるヒータコア３０を有している。ヒータコア３０は、冷却水をヒータ３１ａ等の熱源により加熱して蓄える蓄熱容器３１と、シリンダヘッド１２から排出された冷却水を蓄熱容器３１に導く導入水路３２ａと、蓄熱容器３１に蓄えられた冷却水をサーモスタット弁２８によりウォーターポンプ２１へ導く供給水路３２ｂと、を備える。導入水路３２ａと供給水路３２ｂとで副冷却媒体経路であるヒータ通路３２を構成している。

サーモスタット弁２８は、冷却水温が設定温度以下である場合には、ラジエータ出口水路２６からウォーターポンプ２１への冷却水の導通を遮断すると同時に、バイパス水路２７及び供給水路３２ｂのそれぞれからウォーターポンプ２１への冷却水の導通を許容する。一方、冷却水温が設定温度を超えた場合には、サーモスタット弁２８は、バイパス水路２７及び供給水路３２ｂのそれぞれからウォーターポンプ２１への冷却水の導通を遮断すると同時にラジエータ出口水路２６からウォーターポンプ２１への冷却水の導通を許容する。

これにより、冷却水温が設定温度以下である場合には、ウォーターポンプ２１→冷却水路２４→バイパス水路２７→ウォーターポンプ２１の経路で冷却水が循環する循環経路と、ウォーターポンプ２１→冷却水路２４→ヒータコア３０→ウォーターポンプ２１の経路で冷却水が循環する循環経路とが形成される。
また一方、冷却水温が設定温度を超えた場合には、ウォーターポンプ２１→冷却水路２４→ラジエータ２２→ウォーターポンプ２１の経路で循環する循環経路が形成される。

また、その他の副冷却媒体経路としては、例えば変速機（ＣＶＴ用、ＡＴ用等）ウォーマー４０に冷却媒体を循環させるべく設けられた変速機ウォーマー通路４１及びスロットルボディ４２周辺に冷却媒体を循環させるべく設けられたストットルボディ通路４３が設けられている。なお、本発明は熱交換手段として前記変速機（ＣＶＴ用、ＡＴ用等）ウォーマー４０等に限定されるものではなく、早期暖機のための機能部品に冷却媒体を供給する経路であればいずれであってもよい。

ここで、変速機ウォーマー通路４１は、ウォーマーに冷却水を導く導水通路４１ａと、冷却水をサーモスタット弁２８によりウォーターポンプ２１へ導く供給水路４１ｂとから構成され、冷却媒体により、粘性抵抗を減じたり、劣化を防止してその特性を十分に発揮させるようにしている。

また、スロットルボディ通路４３は、スロットルボディ４２の周辺に冷却水を導く導水通路４３ａと、冷却水をサーモスタット弁２８によりウォーターポンプ２１へ導く供給水路４３ｂとから構成され、冷却媒体により、寒冷時の凍結を防止するようにしている。

本実施形態では、前記ヒータ通路３２、変速機ウォーマー通路４１及びスロットルボディ通路４３等の副冷却媒体経路の内面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けてなるものである。
ここで、流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造とは、いわゆる撥水性処理を施したものであり、例えば撥水性樹脂を塗布、又は撥水性微細構造等を施してなるものである。

ここで、撥水性樹脂としては、一般に撥水性といわれている、固体と液体(水)との接触角θが９０°以上である樹脂が使用される。例えば、水との接触角θが約９０〜１１０°のシリコーン樹脂や、水との接触角θが約１１０°であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等を使用することができるが、本発明はこれに限定されるものではない。

この流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けてなるので、内壁面と冷却媒体である水流との間に空気層が形成しやすくなる。この結果、内壁面と水との間の流体抵抗を軽減することとなり、早期暖機を狙う機能部品であるヒータ等への水量が増加することとなる。

そして、空気層の剪断力は水の剪断力より格段に小さい。また空気層により水からの壁面への熱伝達が妨げられて、放熱が少なくなり、この結果、高い温度を維持したまま機能部品の暖機が可能となる。
これにより早期のヒータ温度上昇、変速機の伝達効率向上、スロットルボディの凍結解除による信頼性の向上を図ることができる。

また、撥水性微細構造としては、例えば数μｍ〜数１０μｍ程度の微細な突起を内壁面に形成してなり、冷却媒体の流体抵抗の低減を図るような構造であれば特に限定されるものではない。

また、本実施形態では、早期に暖機するために副冷却媒体経路内に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けているが、リターン水路２５、ラジエータ出口水路２６及びバイパス水路２７内の内面にも副冷却媒体経路内に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設け、冷却媒体が高温の際における冷却媒体の循環効率を向上させ、冷却効果の向上を図るようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図２は第２の実施形態に係るウォーターポンプの概略図である。
図２に示すように、本実施形態のウォーターポンプ５０は、冷却媒体を冷却通路内に強制的に循環させるものであり、そのポンプケーシング本体５１で冷却媒体を圧送するウォーターポンプのインペラ５２の表面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造６０を設けてなるものである。
なお、図中符号５３はプーリー、５４はベアリング、５５はベルト及び５６は蒸気穴を各々図示する。

冷却系の中でも、ウォーターポンプ５０内では、冷却媒体の流速が最も早い部分であり、それによる流体抵抗と壁面熱伝達による温度低下が大きいものとなる。そこで、このインペラ５２の表面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造６０を設けることにより、冷却媒体との接触による抵抗の軽減を図るようにしている。

さらに、図３に示すように、図２に示すようなインペラ５２の表面のみならず、ポンプケーシング本体５１の内壁面面５１ａにも流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造６０を設けるようにすることで、流体抵抗と熱伝達とを大幅に低減して、ウォーターポンプ駆動損失を低減し、かつ暖機過程での水からの放熱を抑制でき、エンジンの早期暖気を可能とすることができる。

この結果、燃費とエミッションの向上を図ることができるものとなる。
なお、本実施形態ではインペラ５２表面とポンプケーシング内壁面５１ａの両方に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造６０を設けるようにしたが、ポンプケーシング内壁面面５１ａのみに流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造６０を設けるようにしてもよい。

また、第１の実施形態と第２の実施形態とを組み合わせて、さらに内燃機関の冷却系の暖機性向上を図り、内燃機関の冷却効率の向上を図るようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る内燃機関の冷却構造は冷却媒体の経路の内面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けるようにしたので、内燃機関の冷却系の暖機性向上を図ることができ、内燃機関の冷却に用いて適している。

実施形態１に係る内燃機関の冷却装置の概略図である。実施形態２に係るウォーターポンプの概略図である。実施形態２に係る他のウォーターポンプの概略図である。

符号の説明

１１内燃機関
１２シリンダヘッド
１３シリンダブロック
１４気筒
２０冷却装置
２１ウォーターポンプ
２２ラジエータ
２５リターン水路
２６ラジエータ出口水路
２７バイパス水路
２８サーモスタット弁
３０ヒータコア
３１蓄熱容器
３２ヒータ通路
４０変速機（ＣＶＴ用、ＡＴ用等）ウォーマー
４１変速機ウォーマー通路
４２スロットルボディ
４３スロットルボディ通路

Claims

冷却媒体を内燃機関に循環して冷却する主冷却媒体経路と、
内燃機関から排出された冷却媒体の一部を熱交換手段により熱交換を行ってから内燃機関に供給する副冷却媒体経路と、
冷却媒体を圧送するウォーターポンプとを備えた内燃機関の冷却装置において、
副冷却媒体経路の内面に流体抵抗軽減皮膜又は流体抵抗軽減構造を設けてなることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
請求項１において、
前記冷却媒体の熱交換手段が、ヒータ、変速機ウォーマー又はスロットルボディであると共に、
前記副冷却媒体経路が、ヒータ通路、変速機ウォーマー通路又はスロットルボディ通路であることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
請求項１において、
前記冷却媒体の経路の内面が、ウォーターポンプの内部であることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
請求項３において、
前記ウォーターポンプの内部が、インペラ表面又はポンプケーシング内壁面のいずれか一方又は両方であることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記流体抵抗軽減皮膜が、フッ素系樹脂材料からなることを特徴とする内燃機関の冷却装置。