JP2011169237A

JP2011169237A - 内燃機関の冷却制御システム

Info

Publication number: JP2011169237A
Application number: JP2010033872A
Authority: JP
Inventors: Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP5504958B2

Abstract

【課題】サーモスタットが不要になり、燃費の向上が図れる内燃機関の冷却制御システムを提供する。
【解決手段】内燃機関Ｅに第１循環通路３を介して接続され、該第１循環通路３を介して冷却水を循環させることにより内燃機関Ｅに発生する熱を放熱する第１熱交換器Ｒと、前記内燃機関Ｅに第２循環通路６を介して接続され、該第２循環通路６を介して冷却水を循環させることにより内燃機関Ｅに発生する熱を放熱する車室暖房用の第２熱交換器Ｈと、前記第１循環通路３に設けられ、冷却水を循環させる第１ポンプ５と、前記内燃機関Ｅ内の冷却水の温度を検出する温度検出手段７と、該温度検出手段７により検出される温度に基いて前記内燃機関Ｅ内の冷却水の温度が所定の温度になるように前記第１ポンプ５の回転数を制御する制御手段ＥＣＵと、前記第２循環通路６に設けられ、前記冷却水の温度が所定の温度よりも低い時に車室暖房を行う場合に冷却水を循環させるための第２ポンプ９とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等に使用される内燃機関の冷却制御システムに係り、特に冷却水の温度制御手段であるサーモスタットを使用しない内燃機関の冷却制御システムに関するものである。

図４に示すように、自動車に使用される内燃機関（以下、エンジンともいう。）Ｅにおいては、発生する熱を冷却するための第１の熱交換器であるラジエータＲを有する水冷式の冷却制御システムＢが使用されている（特許文献１参照）。この冷却制御システムＢにおいては、冷却水の温度を制御する温度制御手段としてサーモスタット（サーモスタットバルブともいう。）５０が使用されている。冷却水が所定温度よりも低い場合には、サーモスタット５０が閉じて冷却水はラジエータＲ内を流れず、バイパス通路５１を循環する。冷却水が所定温度よりも高くなった場合には、サーモスタット５０が開いて冷却水はラジエータＲ内を通って循環する。

従来の内燃機関用冷却制御システムＢにおいては、シリンダヘッド１０ａとシリンダブロック１０ｂとから構成されるエンジンＥの内部に矢印で示すように冷却水が流れる冷却水通路２０が形成されており、エンジンＥとラジエータＲとの間に冷却水を循環させる第１循環通路３０が設けられている。

この第１循環通路３０は、エンジンＥの上部（シリンダヘッド）の冷却水流出部とラジエータＲの流入部とを接続する流出通路３０ａと、ラジエータＲの流出部とエンジンＥの下部（シリンダブロック）の冷却水流入部とを接続する流入通路３０ｂと、冷却水流出部と冷却水流入部とを直接接続するバイパス通路５１とを備えている。そして、流出通路３０ａとバイパス通路５１との分岐部にサーモスタット５０が設けられている。

このサーモスタット５０は、熱変化により膨張又は収縮するワックス等の熱膨張体をその内部に内蔵しており、冷却水温が高い場合には、内部の熱膨張体の膨張によってバルブが開き、冷却水がエンジンＥの冷却水流出部から流出通路３０ａを通ってラジエータＲに流入する。そして、ラジエータＲによって放熱され、温度の低下した冷却水は流入通路３０ｂを通ってエンジンＥの冷却水流入部からエンジンＥの冷却水通路２０に流入するようになっている。これによりエンジンＥの過加熱が防止されている。

一方、冷却水温が所定温度よりも低い場合には、サーモスタット５０の熱膨張体の収縮によってバルブが閉じ、エンジンＥの冷却水流出部から流出した冷却水がバイパス通路５１を通ってエンジンＥの冷却水流入部から直接エンジン内の冷却水通路２０に流れ込むようになっている。これによりエンジンの過冷却が防止されている。

エンジンＥの冷却水流入部にはウォータポンプ５２が設けられ、図示しないクランク軸によりウォータポンプ５２が駆動され、冷却水が強制的に循環されるようになっている。また、ラジエータＲには強制的に冷却風を取り入れるための冷却ファン４０が配置されている。

また、内燃機関の冷却制御システムＢは、車室暖房用の第２熱交換器であるヒータコアＨを備えており、エンジンＥとヒータコアＨとの間に冷却水を循環させる第２循環通路６０が設けられている。この第２循環通路６０は、エンジンＥの上部のもう一つの冷却水流出部に設けられたコントロールバルブ７０とヒータコアＨの流入部とを接続する流出通路６０ａと、ヒータコアＨの流出部とエンジンＥの前記冷却水流入部とを接続する流入通路６０ｂとを備えている。また、ヒータコアＨにはこれより放熱される熱を車室内に送風するためのブロワファン８０が設けられている。

特表２００３−５０６６１６号公報

ところで、前記内燃機関の冷却制御システムＢにおいては、前記サーモスタット５０の通水抵抗が非常に高く、内燃機関全体の通水抵抗の２５％を占めている。このため、前記ウォータポンプ５２の駆動力が大きくなり、燃費の悪化を招いている。

本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、サーモスタットが不要になり、燃費の向上が図れる内燃機関の冷却制御システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関に第１循環通路を介して接続され、該第１循環通路内に冷却水を循環させることにより内燃機関に発生する熱を放熱する第１熱交換器と、前記内燃機関に第２循環通路を介して接続され、該第２循環通路内に冷却水を循環させることにより内燃機関に発生する熱を放熱する車室暖房用の第２熱交換器と、前記第１循環通路に設けられ、冷却水を循環させる第１ポンプと、前記内燃機関内の冷却水の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段により検出される温度に基いて前記内燃機関内の冷却水の温度が所定の温度になるように前記第１ポンプの回転数を制御する制御手段と、前記第２循環通路に設けられ、前記冷却水の温度が低い時に車室暖房を行う場合に冷却水を循環させるための第２ポンプとを備えたことを特徴とする。

前記制御手段が、前記冷却水の温度が低い時に車室暖房を行う場合に前記第１熱交換器を冷却水が逆流しないように前記第１ポンプを僅かに回転させることが好ましい。

本発明によれば、サーモスタットが不要になり、燃費の向上が図れる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の冷却制御システムを概略的に示す図である。ヒートバランスの計算例を示すグラフである。内燃機関の負荷が低い時にヒータを使用した場合のメインポンプの回転数とヒータ及びラジエータの水流量の関係を示すグラフである。従来の内燃機関の冷却制御システムを概略的に示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。

図１に示すように、本実施形態における内燃機関の冷却制御システムＡにおいては、内燃機関である自動車用のエンジンＥに第１循環通路３を介して接続され、この第１循環通路３を介して冷却媒体である冷却水（冷却液）を循環させることによりエンジンＥに発生する熱を放熱する第１熱交換器であるラジエータＲと、前記エンジンＥに第２循環通路６を介して接続され、この第２循環通路６内に冷却水を循環させることによりエンジンＥに発生する熱を放熱する車室暖房用の第２熱交換器であるヒータコアＨとを備えている。

前記エンジンＥは、シリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂとから主に構成されており、エンジンＥ内には矢印で示すように冷却水を循環させる冷却水通路２が形成されている。

前記第１循環通路３は、エンジンＥの上部（シリンダヘッド）の冷却水流出部とラジエータＲの流入部とを接続する流出通路３ａと、ラジエータＲの流出部とエンジンＥの下部（シリンダブロック）の冷却水流入部とを接続する流入通路３ｂとを備えている。なお、エンジンＥの冷却水流入部にはウォータポンプが設けられていない。

前記ラジエータＲには強制的に冷却風を取り入れるための冷却ファン４が配置されている。この冷却ファン４は、モータ４ａによって駆動される電動ファンからなっている。

前記第２循環通路６は、エンジンＥの上部（シリンダヘッド）のもう一つの冷却水流出部とヒータコアＨの流入部とを接続する流出通路６ａと、ヒータコアＨの流出部と前記第１循環通路３の流入通路３ｂとを接続する流入通路６ｂとを備えている。なお、エンジンＥのもう一つの冷却水流出部にはコントロールバルブが設けられていない。また、第２循環通路６の流入通路６ｂは、エンジンＥの冷却水流入部に直接接続されていてもよい。

前記ヒータコアＨにはこれより放熱される熱を車室内に送風するためのブロワファン８が設けられている。このブロワファン８は、モータによって駆動される電動ファンからなっている。

前記第１循環通路３の流入通路３ｂには冷却水を循環させる第１ポンプ５が設けられている。この第１ポンプ５は電動ウォータポンプからなっている。エンジンＥにはエンジン内の冷却水の温度を検出する温度検出手段である温度センサ７が設けられ、この温度センサ７により検出される温度に基いて前記冷却水の温度が所定の温度（設定温度、例えば９０℃）になるように前記第１ポンプ５の回転数を制御する制御手段であるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１００が設けられている。

また、前記第２循環通路６の流出通路６ａには、冷却水の温度が所定の温度よりも低い時に車室暖房を行う場合に冷却水を循環させるための第２ポンプ９が設けられている。この第２ポンプ９は電動ウォータポンプからなっている。この第２ポンプ９もＥＣＵ１００により制御されるように構成されている。

前記ＥＣＵは、前記冷却水の温度が所定の温度よりも低い時に車室暖房を行う場合に前記ラジエータＲに冷却水が逆流しないように前記第１ポンプ５を僅かに（例えば図３に示すように１７５ｒｐｍで）回転させるように設定されている。

次に、以上の構成からなる内燃機関の冷却制御システムＡの作用を説明する。本実施形態では、過冷却や過加熱を起こさないように、第１ポンプ５を用いてシリンダヘッド１ａ内の冷却水温度を所定の温度（例えば９０℃）に保つように第１ポンプ５の回転数を制御する。冷却水の温度が所定の温度よりも低い場合（エンジン負荷が低い場合）には第１ポンプ５の回転数を下げて水流量を減らし、冷却水の温度が所定の温度よりも高い場合（エンジン負荷が高い場合）には第１ポンプ５の回転数を上げて水流量を増やして冷却水の温度を一定に保つ。

ここで、第１ポンプ５の回転数の制御で冷却水の温度を一定に保つことができる理由を説明する。エンジンＥの冷却水の放熱量は燃料流量で一義的に決まる。つまり、エンジンＥの冷却水の放熱量はエンジン負荷で一義的に決まる。更に、ラジエータＲの放熱量は冷却水流量で一義的に決まる。よって、第１ポンプ５の回転数の制御（流量の制御）を行うことにより、冷却水温を一定に保つことが可能となる。

このようなヒートバランスの計算例を示すと、図２に示すようにラジエータの放熱量は、冷却水流量で一義的に決まっている。それぞれの負荷での放熱量は、点線、一点鎖線、二点鎖線で示すように冷却水流量には関係せずにエンジン負荷のみで一義的に決まっている。そして、それぞれのエンジン負荷において、丸印のポイント（冷却水流量）で、内燃機関の冷却水放熱量とラジエータ放熱量が釣り合うことが分かる。また、エンジン内部はサブクール沸騰冷却となっているため、内部の部品温度や水温は、冷却水流量（流速）の影響を受けないので、第１ポンプ５の回転数の制御（流量の制御）を行って水流量が減っても、エンジン内部温度が上がって破損や焼き付きに至ることはない。

ＥＣＵ１００によりシリンダヘッド１ａ内の冷却水温度が一定（所定値）になるように第１ポンプ５の回転数を制御する。エンジン負荷が低い時に車室暖房を行う場合、第１ポンプ５の回転数が低いため、ヒータコアＨへの流量が不足する可能性がある。しかしながら、第２循環通路６に第２ポンプ９を備えているため、ヒータコアＨへの流量不足を防止することができる。

また、エンジン負荷が低い時に車室暖房を行う場合、第１ポンプ５を僅かに回転させることにより、ラジエータＲにおける水流量をゼロにする。これにより、ヒータコアＨを通過した冷却水がラジエータＲで冷やされることを防止することができる。

この計算結果は図３に示すように、第１ポンプ５の回転数を徐々に上げていくことでヒータコアＨへの水流量を変えずにラジエータＲでの水流量がゼロになることが分かる。なお、図３において、ラジエータＲでの水流量がマイナスになっているのは、ラジエータＲに対して冷却水が逆向き（図１のラジエータＲにおける矢印とは逆の方向）に流れているからである。また、エンジン負荷が高く且つ車室暖房を行わない場合には、冷却水がエンジンＥを通過するだけでなく、第２循環通路６を逆流する虞があるが、この逆流も第２ポンプ９の駆動により容易に回避することができる。

本実施形態によれば、第１ポンプ５及び第２ポンプ９により温度制御を行うことができるため、サーモスタットが不要になり、サーモスタットを廃止することができる。その結果、エンジンＥの通水抵抗を２５％削減でき、燃費の向上が図れる。また、冷却水温のオーバーシュートやハンチングを防止でき、エンジンＥの耐久性の向上が図れる。更に、冷却水の給水時のエア抜けがよく、エンジンＥの整備性の向上が図れる。また、従来のウォータポンプ、バイパス通路及びコントロールバルブが不要になり、構造の簡素化が図れる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。例えば、第１ポンプ５、第２ポンプ９は、電動ウォータポンプからなっていることが好ましいが、電磁クラッチを用いた機械駆動方式例えばベルト駆動方式のウォータポンプからなっていてもよく、要はＥＣＵで回転数を制御できるポンプであれば駆動方式を問わない。また、冷却ファン４は、モータ駆動ではなく、エンジンによりベルト等を介して駆動されるように構成されていてもよい。

Ｅエンジン（内燃機関）
Ａエンジンの冷却制御システム
Ｒラジエータ（第１熱交換器）
Ｈヒータコア（第２熱交換器）
３第１循環通路
５第１ポンプ
６第２循環通路
７温度センサ（温度検出手段）
９第２ポンプ
１００ＥＣＵ（制御手段）

Claims

内燃機関に第１循環通路を介して接続され、該第１循環通路を介して冷却水を循環させることにより内燃機関に発生する熱を放熱する第１熱交換器と、前記内燃機関に第２循環通路を介して接続され、該第２循環通路を介して冷却水を循環させることにより内燃機関に発生する熱を放熱する車室暖房用の第２熱交換器と、前記第１循環通路に設けられ、冷却水を循環させる第１ポンプと、前記内燃機関内の冷却水の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段により検出される温度に基いて前記内燃機関内の冷却水の温度が所定の温度になるように前記第１ポンプの回転数を制御する制御手段と、前記第２循環通路に設けられ、前記冷却水の温度が所定の温度よりも低い時に車室暖房を行う場合に冷却水を循環させるための第２ポンプとを備えたことを特徴とする内燃機関の冷却制御システム。
前記制御手段が、前記冷却水の温度が所定の温度よりも低い時に車室暖房を行う場合に前記第１熱交換器を冷却水が逆流しないように前記第１ポンプを僅かに回転させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の冷却制御システム。