JP2006132376A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の状態に応じて冷却水の配分状態を変化させることにより、効率的な熱交換を実現可能な内燃機関の冷却装置を提供する。
【解決手段】 本発明の冷却装置１０は、内燃機関１のシリンダヘッド２に設けられたヘッド側冷却水路２５と、シリンダブロック３に設けられ、複数の気筒４の周囲を一回りするブロック側冷却水路２６と、互いに隣接し、かつブロック側冷却水路２６に連通するようにしてシリンダブロック３に設けられた冷却水入口部２８及び冷却水出口部２９と、ヘッド側冷却水路２５と冷却水出口部２９とを結ぶ連通水路２７と、冷却水入口部２８へ冷却水を圧送するウォーターポンプ１１と、シリンダブロック３の冷却水入口部２８から冷却水出口部へ至る長経路２６ａ及び短経路２６ｂのそれぞれに配分される冷却水の配分状態を変化させる配分調整装置３０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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水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水を供給するものが知られている（特許文献１）。また、シリンダブロックの冷却水路を、シリンダブロックの長手方向一端から他端まで延ばし、そこでＵターンさせて長手方向一端まで戻すように形成してシリンダブロックを冷却するいわゆるＵターン冷却が知られている。このＵターン冷却を採用した冷却装置としては、内燃機関のシリンダヘッド及びシリンダブロックのそれぞれに形成された冷却水路を連通する連通路を設け、暖機効果を向上させるものや（特許文献２）、連通路とシリンダブロックの流路を流れる冷却水の水路入口との間にガイド部材を設けてブロック流路内の流れを一方向に整流して、シリンダボアに発生する直径方向の熱歪を低減するもの（特許文献３）が存在する。

特開２００２−２１５６０号公報 特開平７−２２４６５１号公報 特開平４−２１４９５１号公報

これらの冷却装置では、シリンダブロックにおける冷却水の配分を、例えば冷却水温の状態、つまり内燃機関の暖機状態に応じて変化させることができない。特に、Ｕターン冷却を採用した特許文献２又は特許文献３の装置では、暖機完了前、暖機完了後を問わず、冷却水がシリンダブロックをＵターンしてからシリンダヘッドに導かれるため、内燃機関の早期暖機には寄与するものの、暖機完了後においては、シリンダブロックにて昇温された冷却水が導かれるのでシリンダヘッドの冷却が不十分になるおそれがある。従って、内燃機関の状態によって非効率な熱交換となる領域が存在する。

そこで、本発明は、内燃機関の状態に応じて冷却水の配分状態を変化させることにより、効率的な熱交換を実現可能な内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の冷却装置は、内燃機関のシリンダヘッドに設けられたヘッド側冷却水路と、内燃機関のシリンダブロックに設けられ、前記シリンダブロックに形成された複数の気筒の周囲を一回りするブロック側冷却水路と、互いに隣接し、かつ前記ブロック側冷却水路に連通するようにして前記シリンダブロックに設けられた冷却水入口部及び冷却水出口部と、前記ヘッド側冷却水路と前記冷却水出口部とを結ぶ連通水路と、前記冷却水入口部へ冷却水を圧送する冷却水圧送手段と、を備え、前記冷却水圧送手段にて圧送された冷却水を前記ヘッド側冷却水路まで導いてから前記冷却水圧送手段に戻して冷却水を循環させる内燃機関の冷却装置において、前記ブロック側冷却水路を前記冷却水入口部から前記冷却水出口部へ至る第１の経路及び前記第１の経路よりも短い第２の経路にそれぞれ区分するとともに、前記第１の経路及び前記第２の経路のそれぞれに配分される冷却水の配分状態を変化させる配分状態変更手段を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この冷却装置によれば、ブロック側冷却水路を長短二つの経路に区分し、これらの経路への冷却水の配分状態を内燃機関の状態に応じて変化させることができる。例えば、シリンダブロックへ冷却水を優先的に導く必要があれば、長い経路（第１の経路）の配分を大きく、短い経路（第２の経路）の配分を小さくできるし、逆に、シリンダヘッドへ冷却水を優先的に導く必要があれば、短い経路（第２の経路）の冷却水の配分を大きく、長い経路（第１の経路）の冷却水の配分を小さくできる。従って、状況に応じた冷却水の配分状態の変更が可能なため、冷却装置による効率的な熱交換が実現される。

本発明の冷却装置において、前記配分状態変更手段は、冷却水温が設定温度以下のときの方が前記設定温度を超えるときよりも前記第１の経路への冷却水の配分が大きくなるように前記冷却水の配分状態を変化させてもよい（請求項２）。この場合は、冷却水温が設定温度以下のときには、設定温度を超えるときよりも優先的に第１の経路に冷却水が導かれる。設定温度は適宜に設定すればよく、例えば、設定温度を暖機完了時の冷却水温に設定することもできる。設定温度をこのように設定した場合には、暖機完了前、即ち設定温度以下の期間ではシリンダヘッドにて昇温された冷却水がシリンダブロックに導かれるように冷却水が循環するので、シリンダヘッドとシリンダブロックとがバランスよく暖機され内燃機関の早期暖機を実現できる。そして、暖機完了後、即ち設定温度を超えた期間においては、暖機完了前よりも第１の経路に導かれる冷却水の配分が小さくなるので、シリンダブロックの過冷却が防止されるとともに、シリンダブロックにて昇温後の冷却水がシリンダヘッドへ導かれることが制限される。従って、シリンダブロックの過冷却によるフリクションロスの悪化を抑えつつ、シリンダヘッドを効率的に冷却できる。なお、本発明の実施にあたり、冷却水温の取得は適宜に行ってよい。冷却水温を直接検出してもよいし、冷却水温と相関する物理量を検出して冷却水温を推定してもよい。冷却水温は内燃機関の始動後からの時間や、運転状態から推定することもできる。

本発明の配分状態変更手段は適宜の形態で実現してよいが、例えば、前記配分状態変更手段として、前記冷却水入口部と前記冷却水出口部との間に配置されて前記ブロック側冷却水路を開閉する弁体と、冷却水温が設定温度以下のときの方が前記設定温度を超えるときよりも前記第１の経路への冷却水の配分が大きくなるように前記弁体の動作を制御するサーモスタットとを備えた配分調整装置を設けてもよいし（請求項３）、前記配分状態変更手段として、前記冷却水入口部と前記冷却水出口部との間に配置されて前記ブロック側冷却水路を開閉する弁体が設けられており、かつ、前記弁体が、冷却水温が設定温度以下のときの方が前記設定温度を超えるときよりも前記第１の経路への冷却水の配分が大きくなるように形状が記憶された形状記憶物質で構成されていてもよい（請求項４）。これらの形態によれば、冷却水温を検出する手段や、冷却水温に基づいて制御対象を制御するコンピュータ等の制御手段を別途設ける必要がないので、部品点数の削減、組み立て工数の削減等が実現できコストを低減できる。

本発明の冷却装置において、冷却水を加熱して蓄える蓄熱容器と、前記ヘッド側冷却水路から排出された冷却水を前記蓄熱容器に導く導入水路と、前記蓄熱容器内に蓄えられた冷却水を前記冷却水圧送手段に導く供給水路と、を有する蓄熱装置を更に備えてもよい（請求項５）。この形態によれば、蓄熱装置で暖められた冷却水をシリンダブロック及びシリンダヘッドに供給できる。この場合においては、設定温度よりも冷却水温が低い期間では蓄熱装置で暖められた冷却水がシリンダブロックに優先的に供給されてシリンダブロックの暖機効果を向上できる。しかも、冷却水温が設定温度を超えた期間では蓄熱装置で暖められた冷却水のシリンダブロックへの供給が制限されるので、無駄な暖機が抑制されてシリンダヘッドの暖機効果を高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、シリンダブロックに導かれた冷却水の配分状態を内燃機関の状態に応じて変化させることができるので、冷却装置による効率的な熱交換が実現される。

（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１はシリンダヘッド２と、シリンダブロック３とを有し、シリンダブロック３には複数（図１では４個）の気筒４が一列に並べられて形成されている。内燃機関１には、内燃機関１に冷却水を循環させる冷却装置１０が設けられている。

冷却装置１０は、内燃機関１のクランク軸（不図示）の回転トルクにて駆動され、冷却水を内燃機関１に圧送するウォーターポンプ１１と、ウォーターポンプ１１にて圧送された冷却水を所定の経路でシリンダヘッド２まで導いてシリンダヘッド２及びシリンダブロック３をそれぞれ冷却する冷却水路１４と、シリンダヘッド２から排出された冷却水をラジエータ１２の入口１２ａに導くリターン水路１５と、ラジエータ１２の出口１２ｂから排出された冷却水をサーモスタット弁１８を介してウォーターポンプ１１に導くラジエータ出口水路１６と、シリンダヘッド２から排出された冷却水をラジエータ１２を迂回させてサーモスタット弁１８を介してウォーターポンプ１１に導くバイパス水路１７と、を有している。

更に、冷却装置１０は、ヒータ２４等の熱源を利用して加熱した冷却水を内燃機関１へ供給する蓄熱装置２０を有している。蓄熱装置２０は、冷却水をヒータ２１ａ等の熱源により加熱して蓄える蓄熱容器２１と、シリンダヘッド２から排出された冷却水を蓄熱容器２１に導く導入水路２２と、蓄熱容器２１に蓄えられた冷却水をサーモスタット弁１８を介してウォーターポンプ１１へ導く供給水路２３と、を備える。なお、導入路２２に電動式のウォーターポンプ（不図示）を設けてもよい。電動式のウォーターポンプは、内燃機関１の運転状態に依存せずに作動できるので、蓄熱装置２０を内燃機関の始動前の予熱等に利用することもできる。なお、電動式のウォーターポンプの動作制御は、内燃機関１に搭載されて内燃機関１の運転状態を適正に制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を利用して行ってもよい。

サーモスタット弁１８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１６からウォーターポンプ１１への冷却水の導通を遮断すると同時に、バイパス水路１７及び供給水路２３のそれぞれからウォーターポンプ１１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１８は、バイパス水路１７及び供給水路２３のそれぞれからウォーターポンプ１１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１６からウォーターポンプ１１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１１→冷却水路１４→バイパス水路１７→ウォーターポンプ１１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１１→冷却水路１４→蓄熱装置２０→ウォーターポンプ１１の経路で冷却水が循環する循環経路とが形成され、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１１→冷却水路１４→ラジエータ１２→ウォーターポンプ１１の経路で循環する循環経路が形成される。

冷却水路１４は、図２にも示したように、シリンダヘッド２に設けられたヘッド側冷却水路２５と、４つの気筒４の周囲を一回りするブロック側冷却水路２６と、ブロック側冷却水路２６とヘッド側冷却水路とを連通する連通水路２７と、を含んで構成される。ヘッド側冷却水路２５は、リターン水路１５、バイパス水路１７、及び導入水路２２のそれぞれと接続され、シリンダヘッド２から排出された冷却水がこれらの水路に導かれてウォーターポンプ１１に戻される。ブロック側冷却水路２６は、シリンダブロック３の長手方向一端３ａから吸気側ＩＮに沿ってシリンダブロック３の長手方向他端３ｂまで延び、そこでＵターンして排気側ＥＸに沿って長手方向一端３ａまで戻るように形成されている。シリンダブロック３の長手方向一端３ａ側のブロック側冷却水路２６には、冷却水入口部２８と冷却水出口部２９とが互いに隣接して設けられている。冷却水入口部２８はウォーターポンプ１１の吐出口と接続され、ウォーターポンプ１１にて圧送された冷却水が導かれる。

冷却水入口部２８と冷却水出口部２９との間には、本発明の配分状態変更手段として機能する配分調整装置３０が設けられている。配分調整装置３０は、シリンダブロック３の長手方向一端３ａ側に取り付けられており、冷却水入口部２８からシリンダブロック３の長手方向他端３ｂ側を経由して冷却水出口部２９に至る長経路（第１の経路）２６ａと冷却水入口部２８からシリンダブロック３の長手方向一端３ａ側を経由して冷却水出口部２９に至る短経路（第２の経路）２６ｂとにブロック側冷却水路２６を区分するとともに、これらの経路２６ａ，２６ｂのそれぞれに配分される冷却水の配分状態を変化させる。図３に詳しく示したように、配分調整装置３０は、ブロック側冷却水路２６を開閉する板状弁（弁体）３１と、板状弁３１を気筒４の中心線と平行に設定された回転軸線に関して回転可能に支持する支持部材３２と、支持部材３２に設けられて板状弁３１を開閉動作させるサーモスタット３３と、を備えている。板状弁３１の回転軸線方向の寸法は、ブロック側冷却水路２６に合わせて適宜に設定されている。サーモスタット３３としては周知のものを用いればよいが、例えばペレット内に合成ゴムとワックスとを封入し、ペレット内に配置したピストンを温度によるワックスの状態変化を利用して上下動させるワックスペレット型のものを使用できる。

サーモスタット３３は、ブロック側冷却水路２６を流れる冷却水に曝されるようにして配置されており、冷却水温の設定範囲（本実施形態では６０〜８０°Ｃ）内で伸縮動作する。従って、配分調整装置３０により、冷却水温が設定範囲の下限値以下の場合にはブロック側冷却水路２６が全閉状態にされ（図３の実線）、冷却水温が昇温して設定範囲の下限値（設定温度）を超えるとサーモスタット３３が板状弁３１の一端３１ａの変位を開始させてブロック側冷却水路２６を全閉状態から開状態へ徐々に変化させる。そして、温度範囲の上限値に至る際にはブロック側冷却水路２６が全開状態にされる（図３の想像線）。なお、図３では詳細を省略したが、板状弁３１とサーモスタット３３とはこれらを回転可能に連結する連結手段にて連結されている。以上の配分調整装置３０によって、長経路２６ａ及び短経路２６ｂのそれぞれへの冷却水の配分状態を冷却水温に応じて変化させることができる。

図４は冷却水温に応じた冷却水の配分状態の変化の一例を示した説明図である。この図から明らかなように、冷却水温が設定範囲の下限値以下の場合には、長経路２６ａの配分が略１００％で、短経路２６ｂの配分が略０％である。即ち、短経路２６ｂが遮断され、冷却水入口部２８に導かれた冷却水の殆どが長経路２６ａに配分される。冷却水温が下限値を超えてからは、長経路２６ａの配分が徐々に下がり始める一方で短経路２６ｂの配分が徐々に上がり始める。そして、設定範囲の上限値の手前で長経路２６ａの配分と短経路２６ｂの配分が逆転し、更に冷却水温が上限値以上になると長経路２６ａの配分が略３０％で、短経路２６ｂの配分が略７０％になる。つまり、冷却水温が下限値以下のときの方が下限値を超えるときよりも長経路２６ａへの冷却水の配分が大きくなるように配分状態が変化する。

以上の冷却装置１０により、冷却水温が設定温度よりも低い期間には、シリンダヘッド２で温められた冷却水がシリンダブロック３に優先的に導かれるので、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とがバランスよく暖機され効率的な熱交換が実現される。そして、冷却水温が上昇して、設定範囲の上限を超えた後にはラジエータ１２にて冷やされた冷却水がシリンダヘッド２に優先的に導かれるとともに、シリンダブロック３への冷却水の供給が必要量に制限されるので、シリンダヘッド２の温度上昇を抑えつつ、シリンダブロック３の過冷却によるフリクションロスの増大を抑えることができる。更に、冷却装置１０は蓄熱装置２０を備えているので、内燃機関１の早期暖機をより向上できる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態について説明する。この形態は、本発明の配分状態変更手段の実施形態が第１の実施形態と相違するもので、図５及び図６に詳細が示されている。その他の構成は特に言及しない限り第１実施形態と同一であるので重複する説明は省略する。図５に示したように、シリンダブロック３には、ブロック側冷却水路２６内にスペーサ４１が挿入され、スペーサ４１に本発明の配分状態変更として機能する形状記憶弁（弁体）４０が設けられている。スペーサ４１はいわゆるウォータージャケットスペーサと称される公知の部品である。スペーサ４１の高さ方向（図５の紙面と直交する方向）に関する断面積を適宜に変化させる、又は高さ方向の寸法を適宜に設定することで、ブロック側冷却水路２６内を流れる冷却水のシリンダブロック３の高さ方向に関する流量分布を調整できる。このため、シリンダブロック３の高さ方向の温度分布を均一化でき、燃費が向上する。

図６にも示したように、形状記憶弁４０は、スペーサ４１をブロック側冷却水路２６に挿入した際に冷却水入口部２８と冷却水出口部２９との間に配置されるスペーサ４１の適所に設けられる。スペーサ４１への形状記憶弁４０の設置方法は特に制限されないが、形状記憶弁４０を接着剤等の固定手段を介してスペーサ４１に取り付けてもよいし、形状記憶弁４０とスペーサ４１とを互いに噛み合わせるようにして、形状記憶弁４０をスペーサ４１に嵌め込んでもよい。形状記憶弁４０は、形状記憶樹脂等の形状記憶物質で構成されており、冷却水温が設定温度（例えば６０°Ｃ）以下のときの方が設定温度を超えるときよりも長経路２６ａへの冷却水の配分が大きくなるように形状記憶弁４０の形状が記憶されている。この形態においては、図５に示したように、冷却水温が設定温度以下の場合にはブロック側冷却水路２６が全閉状態とされ、設定温度を超えた場合にはブロック側冷却水路２６が開状態とされるように構成されている。この形態によれば、サーモスタット等の弁体の駆動手段が必要ないので部品点数の削減及び組み立て工数の削減を実現できる。更に、形状記憶弁４０を設けたことにより、スペーサ４１による効果（温度分布の均一化）を向上できるので、更なる燃費向上が期待できる。

本発明は以上の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態で実施してよい。本発明を適用する内燃機関の形式は特に制限されず、レシプロ式の内燃機関であれば、ガソリンエンジンでもディーゼルエンジンでもよい。配分状態変更手段の構成は上述した形態に限られず、例えば、第１実施形態の板状弁３１等の弁体を駆動する弁体駆動手段と、弁体駆動手段の動作制御をする弁体制御手段とを設け、弁体制御手段が内燃機関１に設けられた水温センサ等の水温検出手段の入力信号に基づいて、上述した冷却水の配分状態が変化するように弁体駆動手段を制御してもよい。この場合、上述したＥＣＵを弁体制御手段として機能させてもよい。例えば、冷却水温に応じた冷却水の配分状態の変更を実現するための制御ルーチンを記述したプログラムをＥＣＵのＲＯＭ等の記憶手段に格納させておき、ＥＣＵが適宜の時期に当該プログラムに基づいて弁体を制御するように構成できる。このような形態によれば、内燃機関１の運転状態に応じたより緻密な制御を実現できる。

また、形状記憶弁４０の取り付け箇所はシリンダブロック３でもよく、スペーサ４１を省略しても構わない。更に形状記憶弁４０に代えて、温度が高くなるにつれて柔軟性が増す樹脂等の物質で構成された弁（不図示）を設け、設定温度を超えた場合に冷却水入口部２８に導かれた冷却水の流圧により、設定温度以下の場合に弁にて閉じられていたブロック側冷却水路２６を開くように構成してもよい。

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た図。 ブロック側冷却水路の構成を模式的に示した上面図。 配分調整装置の構成を模式的に示した図。 冷却水温に応じた冷却水の配分状態の変化の一例を示した説明図。 第２の実施形態に係るブロック側冷却水路の詳細を模式的に示した上面図。 形状記憶弁の取付状態を拡大して概略的に示した拡大斜視図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ 気筒
１０ 冷却装置
１１ ウォーターポンプ（冷却水圧送手段）
２０ 蓄熱装置
２１ 蓄熱容器
２２ 導入水路
２３ 供給水路
２５ ヘッド側冷却水路
２６ ブロック側冷却水路
２６ａ 長経路（第１の経路）
２６ｂ 短経路（第２の経路）
２７ 連通水路
２８ 冷却水入口部
２９ 冷却水出口部
３０ 配分調整装置（配分状態変更手段）
３１ 板状弁（弁体）
３３ サーモスタット
４０ 形状記憶弁（弁体、配分状態変更手段）

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダヘッドに設けられたヘッド側冷却水路と、内燃機関のシリンダブロックに設けられ、前記シリンダブロックに形成された複数の気筒の周囲を一回りするブロック側冷却水路と、互いに隣接し、かつ前記ブロック側冷却水路に連通するようにして前記シリンダブロックに設けられた冷却水入口部及び冷却水出口部と、前記ヘッド側冷却水路と前記冷却水出口部とを結ぶ連通水路と、前記冷却水入口部へ冷却水を圧送する冷却水圧送手段と、を備え、前記冷却水圧送手段にて圧送された冷却水を前記ヘッド側冷却水路まで導いてから前記冷却水圧送手段に戻して冷却水を循環させる内燃機関の冷却装置において、
   前記ブロック側冷却水路を前記冷却水入口部から前記冷却水出口部へ至る第１の経路及び前記第１の経路よりも短い第２の経路にそれぞれ区分するとともに、前記第１の経路及び前記第２の経路のそれぞれに配分される冷却水の配分状態を変化させる配分状態変更手段を備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記配分状態変更手段は、冷却水温が設定温度以下のときの方が前記設定温度を超えるときよりも前記第１の経路への冷却水の配分が大きくなるように前記冷却水の配分状態を変化させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 前記配分状態変更手段として、前記冷却水入口部と前記冷却水出口部との間に配置されて前記ブロック側冷却水路を開閉する弁体と、冷却水温が設定温度以下のときの方が前記設定温度を超えるときよりも前記第１の経路への冷却水の配分が大きくなるように前記弁体の動作を制御するサーモスタットとを備えた配分調整装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
4. 前記配分状態変更手段として、前記冷却水入口部と前記冷却水出口部との間に配置されて前記ブロック側冷却水路を開閉する弁体が設けられており、かつ、前記弁体が、冷却水温が設定温度以下のときの方が前記設定温度を超えるときよりも前記第１の経路への冷却水の配分が大きくなるように形状が記憶された形状記憶物質で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
5. 冷却水を加熱して蓄える蓄熱容器と、前記ヘッド側冷却水路から排出された冷却水を前記蓄熱容器に導く導入水路と、前記蓄熱容器内に蓄えられた冷却水を前記冷却水圧送手段に導く供給水路と、を有する蓄熱装置を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
   

Images