JP2004204823A - 内燃機関の冷却水循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、既に有る電動式ウォータポンプを活用して、エンジンの暖機運転の促進が図れるようにした内燃機関の冷却水循環装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の冷却水循環装置は、エンジン１の冷却水の一部を空調用ヒータ１２へ流入させる電動式ウォータポンプ１３を、冷却水が所定温度値以下となるエンジン１の暖機運転時に逆転運転させて、機関駆動式ウォータポンプ５による空調用ヒータ１２へ向かう冷却水の供給流に対し、電動式ウォータポンプ１３からの吐出流を衝突させて、エンジン１から空調用ヒータ１２へ向かう冷却水の流れを減少させ、空調用ヒータ１２から熱が逃げるのを防ぐようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の軸出力で駆動される機関駆動式ウォータポンプと電動式ウォータポンプとを有して構成される内燃機関の冷却水循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンといった水冷式のエンジン（内燃機関）を搭載した車両では、エンジンの軸出力で駆動、例えば無端状のベルトなどでクランク軸の回転を受けて駆動されるウォータポンプを用いて、冷却水をエンジンへ供給してエンジン本体を冷却するほか、車室内の暖房のために、エンジン本体と熱交換した冷却水の一部を車両用空気調和機のヒータ（空調用ヒータ）へ導くようにした冷却水循環装置が装備されている（例えば引用文献１を参照）。
【０００３】
一方、排ガスの排出を抑えるために、エンジンのアイドリング運転時、エンジンの運転をストップさせるアイドリングストップ機能が付いた車両もある。
【０００４】
ところが、ウォータポンプとエンジンのクランク軸とは直結されているためにアイドリングストップ機能が付いた車両は、アイドルストップ機能によりエンジンの運転が停止するとウォータポンプも停止する。このため、車両が暖房中であれば、エンジンの運転停止により、冷却水がヒータへ供給されなくなり、エンジンの排熱を用いた暖房が行えなくなる。
【０００５】
そのため、アイドリングストップのような運転の途中で一時的にエンジンの運転停止制御が行われる車両では、暖房能力の低下を防ぐために、エンジン本体からヒータへ冷却水を流入させるヒータ用導入路に、別途、電動式ウォータポンプを設けて、エンジンが停止した期間のヒータ性能を確保する技術が提案されている。これは、車室内の暖房中、例えばアイドルストップにより、エンジンが停止すると、止まるウォータポンプの代わりに電動式ウォータポンプを運転させて、エンジン排熱による暖房を続けようとする技術である（例えば引用文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１７９３３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アイドリングストップ機能が付いたエンジンでも、他の車両のエンジンと同様、暖機運転の際は、早期に暖機が終えることが求められる。
【０００８】
ところが、冷態始動時、暖まるエンジン内部の冷却水は、エンジンの始動に追従して始まるウォータポンプの運転によりヒータへ流入してしまう。このため、暖機のための熱がヒータから逃げて、暖機が効果的に進まない傾向にある。特に冷却水温が極低温のときは、かなり暖機の時間を費やしやすい。こうした問題は、アイドルストップ機能を有する車両だけでなく、エンジンの運転の一時的な停止が求められるエンジンとモータとを組合わせたハイブリッド車両などでも同様に起こりうる。
【０００９】
そこで、この対策として、ヒータ用導入路に例えば電磁弁など、別途、開閉弁を設けて、ヒータへ冷却水が流れないようにする手段を講じることが考えられるが、電動式ウォータポンプに加え、別途、開閉弁を設置するために、かなりコスト的な負担が強いられる。
【００１０】
そのため、本発明の目的は、既に有る電動式ウォータポンプを活用して、エンジンの暖機運転の促進が図れるようにした内燃機関の冷却水循環装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、内燃機関の冷却水の一部を空調用ヒータへ流出させる電動式ウォータポンプを、冷却水が所定温度値以下となる内燃機関の暖機運転時、内燃機関から空調用ヒータへ流出する冷却水が抑制されるよう、逆向きに運転させるようにした。
【００１２】
同構成により、暖機運転時は、機関駆動式ウォータポンプの作動により空調用ヒータへ向かう冷却水の供給流に対し、逆向きの運転、すなわち逆転運転により反対の内燃機関に向きへ吐出する電動式ウォータポンプからの吐出流が衝突する。これにより、内燃機関から空調用ヒータへ向かう冷却水の流れは減少または０となり、暖機の熱が空調用ヒータから逃げるのを抑制する。しかも、既存の電動式ウォータポンプを逆転運転するという、電動式ウォータポンプを活用して、空調用ヒータへの冷却水の流出を抑えるので、コスト的にも安価ですむ。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、上記目的に加え、さらに効果的に暖機が行われるよう、冷却水流通手段には、内燃機関で熱交換をした冷却水を、所定温度を上回るときはラジエータを通じて機関駆動式ウォータポンプの吸込部へ戻し、所定温度以下のときはラジエータを通らずに機関駆動式ウォータポンプの吸込部へバイパスさせて戻す複数の系統を有する構造を用いて、内燃機関の暖機運転時、ラジエータを通らない経路も活用して、暖機性能を高めるようにした。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、上記目的に加え、キャビテーションの発生を防ぐよう、電動式ウォータポンプの逆転運転時、内燃機関が所定回転数以上になるとき、電動式ウォータポンプの運転を停止させるようにした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１および図３に示す一実施形態にもとづいて説明する。
【００１６】
図１は、水冷式の内燃機関、例えばアイドルストップ機能が付いた車両に搭載される走行用の水冷式エンジン１（以下、単にエンジン１という）の冷却水循環装置を示していて、図中１ａはエンジン１のエンジン本体を示している。
【００１７】
ここで、例えばエンジン本体１には、ウォータジャケット２で周囲が囲まれた例えば直列に並んだ３つの気筒３ａ〜３ｃを有した構造が用いてある。すなわち、例えば各気筒３ａ〜３ｃには、ピストン（図示しない）が往復可能に収めてある。また例えば各気筒３ａ〜３ｃの上部には、気筒毎に例えばインジェクタ、点火プラグ、吸気弁が付いた吸気ポート、排気弁が付いた排気ポート（いずれも図示しない）が設けてあり、気筒毎に所定のタイミングで、吸・排動作、燃料の噴射動作、点火動作が行われると、各気筒３ａ〜３ｃで、所定の燃焼サイクル、例えば吸気、圧縮、爆発燃焼、排気の工程が繰り返されるようにしてある。
【００１８】
エンジン本体１の前・後端部の一方には、ウォータジャケット２がなす水路の入口部４ａが形成してある。また他方には、同じく出口部４ｂが形成してある。このうち入口部４ａには、エンジン本体１のクランク出力で駆動される機関駆動式ウォータポンプ５（以下、単にウォータポンプ５という）が取付けてある。ウォータポンプ５には、エンジン１と直結した構造、例えばエンジン本体１のクランク軸からの回転力を無端状のベルトを介して受けて回転する羽根車（いずれも図示しない）を有した構造が用いてある。このウォータポンプ５の吐出部５ａが水路（ウォータジャケット２）の入口部４ａに接続してある。これにより、ウォータポンプ５の羽根車が回転すると、冷却水がエンジン本体１の内部、すなわちウォータジャケット２内を流れる構造にしてある（本願の冷却水流通手段に相当）。また水路（ウォータジャケット２）の出口部４ｂには、冷却水の温度に応じて流路を切換える切換部、例えばサーモスタット６が据付けてある。サーモスタット６は、例えば２つの入口部６ａ，６ｂと、１つの出口部６ｃとを有した構造が用いてある。またサーモスタット６は、例えば冷却水の温度に応じて膨張・伸縮するワックスで弁体を作動させる構造を有していて、冷却水が所定温度（例えば５０℃〜８０℃位）を上回るときは、入口部６ｂと出口部６ｃとの間を連通させ、該所定温度以下のときは、入口部６ａと出口部６ｃとの間を連通させるようにしてある。そして、入口部６ａが出口部４ｂに接続される。また入口部６ｂは、例えばウォータジャケット２がなす水路の出口側部分から分岐されたラジエータ用戻り路７（以下、単に戻り路７という）の端部が接続してある。この戻り路７の途中にラジエータ８が設けてある。また出口部６ｃは、バイパス用戻り路９（以下、単に戻り路９という）を介して、ウォータポンプ５の吸込部５ｂに接続してある。すなわち、サーモスタット６の切換動作により、エンジン１と熱交換した冷却水が所定温度を上回るときは、該冷却水をラジエータ８を通じてウォータポンプ５へ戻し、所定温度以下のときは、ラジエータ８を通らずにバイパスさせて、ウォータポンプ５へ戻せるようにしている。つまり、図２中の一点鎖線の矢印Ａで示されるようにエンジン１の暖機を終えるまでは、ラジエータ８をバイパスするバイパス系統で冷却水を循環させ、暖機を終えると、図１中の実線の矢印Ｂで示されるようにラジエータ８を通るラジエータ系統で循環させるという、２系統の経路（複数系統の戻り経路）で冷却水が流れるようにしている。
【００１９】
またウォータジャケット２がなす水路の出口側部分からは、ヒータ用導入路１０が分岐している。またウォータポンプ５の吸込側の流路部分、例えば戻り路９の途中からは、ヒータ用導出路１１が分岐している。これら各導入・出路１０，１１の端部は、車両用空調機１６に内蔵されているヒータ１２（熱交換器で構成されるもので、本願の空調用ヒータに相当）の入口部１２ａ，出口部１２ｂに接続してある。これにより、ウォータポンプ５の作動を利用して、熱交換した冷却水の一部がヒータ１２へ導入、すなわち循環されるようにしてある。またヒータ導入路１０には、電動式ウォータポンプ１３が設けてある。電動式ウォータポンプ１３は、例えば電動モータに、羽根車内蔵のポンプ部（いずれも図示しない）を直結した構造が用いられる。また同ポンプ１３のポンプ部には、例えば電動モータが正転方向に作動すると、エンジン１からの冷却水がヒータ１２へ向かって吐出され、電動モータが逆転方向に作動すると反対にヒータ１２からの冷却水がエンジン１へ向かって吐出されるという、吐出方向が羽根車の回転方向の変化（正・逆回転）で切換わる構造が用いてある。
【００２０】
一方、１４はＥＣＵ（例えばマイクロコンピュータで構成されるもの）である。このＥＣＵ１４には、電動式ウォータポンプ１３が接続されている。ＥＣＵ１４には、この他、エンジン１の運転状態を検出する各種センサとして、例えばエンジン１のサーモスタット６に設けてある水温センサ１５（エンジン１の出口水温を検出するセンサ）、ブレーキの有無を検出するブレーキセンサ（図示しない）、シフトレバーのシフトポジションを検出するシフトセンサ（図示しない）、車速を検出する車速センサ（図示しない）が接続してある。さらにＥＣＵ１４には、例えば空調信号を入力するために空調操作パネルのスイッチ類が接続してある。
【００２１】
またＥＣＵ１４には、例えばアイドルストップの機能として、車両運転中、アイドリング運転に入る状況、例えば車速がゼロ、シフトポジションがニュートラル位置、ブレーキがオンになるときにエンジン１の運転を停止する機能と、走行体制に入る状況、例えばシフトポジションが走行ポジション、例えばＤレンジ位置、ブレーキがオフになるときにエンジン１を始動する機能とが設定してある。さらにＥＣＵ１４には、アイドルストップが実行される時点で、ヒータ１２の作動が求められる空調状態時（ヒータ１２の作動要求時）、例えば暖房時には、停止するウォータポンプ５の代わりに電動式ウォータポンプ１３を作動（正転回転）させる機能が設定してある。これにより、暖房が求められるアイドルストップ時は、電動式ウォータポンプ１３の運転により、図１中の破線で示す矢印Ｃに示されるようにエンジン１の熱で暖まった冷却水がヒータ１２を流れるようにしている。つまり、ウォータポンプ５の代わりに稼動する電動式ウォータポンプ１３により、エンジン１が停止しているアイドルストップ期間、暖房能力が確保されるようにしている。
【００２２】
加えてＥＣＵ１４には、例えばエンジン１を冷態で始動するときなど、エンジン１の暖機が要求される暖機運転時、電動式ウォータポンプ１３を逆向きに運転、すなわち逆転運転させる機能が設定してある。これには、例えばイグニションキー信号からエンジン始動時であることが検出され、水温センサ１５から冷却水温（エンジン出口水温）が所定温度値以下、例えば５０℃以下であることが検出されると、電動式ウォータポンプ１３のモータを逆回転で運転する機能と、例えば同モータを予め設定されたポンプ吐出性能にしたがって制御する機能とが用いられる。なお、ポンプ吐出性能には、例えばヒータ１３へ向かう冷却水の供給流（ウォータポンプ５による）と対抗する吐出流を発生させるのに必要な特性が与えられる。これにより、エンジン１の冷態始動時、冷却水が５０℃を超えるまでは、電動式ウォータポンプ１３からの吐出流とウォータポンプ５からの供給流との衝突から、ヒータ１２へ流入する冷却水の流れが抑えられるようにしてある。なお、冷却水が所定温度、例えば５０℃を上回ると、電動式ウォータポンプ１３の逆転運転が停止するようにしてある。さらにＥＣＵ１４には、暖機運転時、エンジン１の回転数が所定回転数以上、すなわちキャビテーションが起こりうる冷却水の流れが発生するおそれがあるエンジン回転数値以上になるとき、電動ウォータポンプ１３の運転を止める機能が設定してある。
【００２３】
こうした電動式ウォータポンプ１３の逆転運転制御がもたらすエンジン１の暖機性能について、図３に示すフローチャートに基づき説明すれば、今、ステップＳ１に示されるように例えば冷却水温が摂氏零度以下となる冷態状態から、イグニションキー操作でエンジン１を始動したとする。すると、エンジン１のクランク軸に接続されているウォータポンプ５が運転を始める。
【００２４】
ここで、サーモスタット６は、冷却水温が５０℃以下と低いので、ステップＳ２の判断により、バイパス側の経路に切換わる。これにより、冷却水温がサーモスタット６の流路を切換える温度に上昇するまでは、暖機に備えるべく図２中の一点鎖線の矢印Ａに示されるようにエンジン１の冷却水は、ラジエータ８をバイパスする経路、すなわちウォータポンプ５、エンジン１のウォータジャケット２、サーモスタット５、バイパス用戻り路９を通る経路を循環する。このとき、エンジン内部を流れる、エンジン１の熱で暖められた冷却水の一部が、ヒータ用導入路１１からヒータ１２へ向かう。
【００２５】
一方、このとき冷却水温は所定温度値以下、例えば５０℃以下で、エンジン１の回転数はキャビテーションの発生の無いしきい回転数なので、ステップＳ２およびステップＳ３に示されるように電動式ウォータポンプ１３はエンジン１の始動に伴い逆回転で作動する。すると、電動式ウォータポンプ１３は逆向き運転、すなわち正転のときとは逆にヒータ用導入路１０へ冷却水を吐出させる運転を始める。これにより、図２に示されるようにヒータ用導入路１０上で、ウォータポンプ５がもたらす冷却水の供給流（破線で示す矢印Ｃ）に対し、電動式ウォータポンプ１２から吐出される吐出流（二点鎖線Ｄで示す矢印）が衝突する。このとき、吐出性能の制御により電動式ウォータポンプ１２からは、供給流の勢いを打ち消しあうのに適した勢いの吐出流が吐出されるから、衝突の挙動により、エンジン１からヒータ１２へ向かう冷却水の流れは減少（含む停滞）する。この暖機運転が、冷却水温が所定温度、例えば５０℃を上回るまで続く。
【００２６】
これにより、暖機運転中は、アイドルストップで使用される電動式ウォータポンプ５を活用して、暖機の熱がヒータ１２から外部へ逃げるのを防ぐことができる。それ故、安価なコストでエンジン１の暖機の促進を図ることができる。
【００２７】
しかも、ラジエータ８をバイパスさせる経路でエンジン１を暖機する構造だと、ヒータ１２へ流出する冷却水の減少でエンジン１の内部を流通する冷却水の流れが遅くなる挙動を利用して、一層、効果的に暖機を行うことができる。
【００２８】
そのうえ、エンジン１がキャビテーションが発生するしきい値となる設定回転数以上になると、電動式ウォータポンプ１２の運転が停止するようにしてあるので、流れが速くなる（通水抵抗の低減）ことによるキャビテーションの発生を回避することができ、エンジン１の損傷を回避することができる。すなわち、暖機運転時、ヒータ１２へ流出する冷却水を減少させると、ウォータポンプ５へ戻る冷却水の流れが遅くなる。このため、エンジン１の運転状態（例えば暖機中、車両を走行させるなど）によっては、機関駆動式ウォータポンプ５の流れが速まり、ウォータポンプ前圧力が低下してキャビテーションを引き起こすことがある。そのため、キャビテーション発生のおそれのある流れをもたらすエンジン１の回転数値以上のときは、ステップＳ３の判断により電動式ウォータポンプ１２の運転を停止させて、冷却水の流れを遅くした。
【００２９】
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば一実施形態では、本発明をアイドルストップ機能が付いた車両に適用したが、これに限らず、エンジンの運転の一時的な停止が求められるエンジンとモータとを組合わせたハイブリッド車両やアイドル付近でヒータ流量が確保できないときに電動式ウォータポンプの運転によってアシストする構成等でもよく、要は電動式ウォータポンプを用いてエンジン停止時にヒータ性能を確保するようにした構造であればよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、暖機運転時、電動式ウォータポンプの逆転運転により、空調用ヒータへ向かう機関駆動式ウォータポンプからの冷却水の供給流に、電動式ウォータポンプからの吐出流を衝突させて、内燃機関から空調用ヒータへ向かう冷却水を減少させることができ、暖機の熱が空調用ヒータから逃げるのを防ぐことができる。
【００３１】
それ故、エンジンの暖機の促進を図ることができる。しかも、暖機の促進には、別途、開閉弁を設けるのではなく、ヒータ性能を確保するのに用いられる電動式ウォータポンプをそのまま活用するので、コスト的にも安価である。
【００３２】
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加え、空調用ヒータへ流出する冷却水が減少すると内燃機関内を流れる冷却水の流れを遅くなることを利用して、一層、効果的に暖機を行うことができる。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加え、冷却水の流れが速くなる（通水抵抗の低減）ことを要因としたキャビテーションの発生を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の冷却水循環装置の構成を示す図。
【図２】同装置における冷態始動時の冷却水の流れを示す図。
【図３】同冷態始動時における電動式ウォータポンプの制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、５…機関駆動式ウォータポンプ、６…サーモスタット、７…ラジエータ用戻り路、８…ラジエータ、９…バイパス用戻り路、１０…ヒータ用導入路、１１…ヒータ用導出路、１２…ヒータ、１３…電動式ウォータポンプ、１４…ＥＣＵ（逆転運転手段）、１５…水温センサ。

Claims (3)

1. 内燃機関の軸出力で駆動される機関駆動式ウォータポンプにより冷却水を当該内燃機関内へ流通させて該内燃機関と熱交換させる冷却水流通手段と、
   前記内燃機関で熱交換した冷却水の一部を空調用ヒータへ導くヒータ用導入路と、
   前記ヒータ用導入路に設けられ、前記内燃機関の停止時、前記空調用ヒータの作動要求時において、前記機関駆動式ウォータポンプの代わりに前記空調用ヒータへ冷却水を流入させる電動式ウォータポンプと、
   前記冷却水が所定温度値以下となる前記内燃機関の暖機運転時、前記内燃機関から前記空調用ヒータへ流出する冷却水が抑制されるように、前記電動式ウォータポンプを逆向きに運転させる逆転運転手段と
   を具備することを特徴とする内燃機関の冷却水循環装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の冷却水循環装置において、前記冷却水流通手段は、前記内燃機関で熱交換した冷却水を、所定温度を上回るときはラジエータを通じて前記機関駆動式ウォータポンプの吸込部へ戻し、所定温度以下のときは前記ラジエータを通らずに前記機関駆動式ウォータポンプの吸込部へバイパスさせて戻す複数の系統を有して構成してあることを特徴とする内燃機関の冷却水循環装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関の冷却水循環装置において、前記逆転運転手段は、さらに前記電動式ウォータポンプの逆転運転時、前記内燃機関が所定回転数以上になるとき、該電動式ウォータポンプの運転を停止するように構成してあることを特徴とする内燃機関の冷却水循環装置。

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