JP2013072350A

JP2013072350A - エンジンの冷却装置

Info

Publication number: JP2013072350A
Application number: JP2011211856A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinohara; 広幸篠原
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-04-22

Abstract

【課題】冷機状態のエンジンを始動した後、サーモスタット弁が開弁するまでの間、冷却水の温度に応じてヒータコアへ流れる冷却水の流量を低減させることが可能な内燃機関の冷却装置を提供すること。
【解決手段】ヒータコアに対する冷却水流入出通路間にヒータコアバイパス通路３１が設を設け、ヒータコアバイパス通路内に、冷却水流入出通路間の差圧を利用してバイパス流量を可変とする差圧型サーモ制御弁３２を設ける。この差圧型サーモ制御弁３２は、冷却水温が第１冷却水温Ｔ１より低い所定の第２冷却水温Ｔ２以下である場合は、エンジンが自立運転している限り常に開弁し、冷却水温が前記第２冷却水温Ｔ２より高く前記第１冷却水温Ｔ１より低い所定の第３冷却水温Ｔ３以上である場合は、実際のエンジン回転数にかかわらず常に全閉し、冷却水温が第２冷却水温Ｔ２より高く第３冷却水温Ｔ３より低い場合は、冷却水温が低いほどバイパス流量を増大させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの冷却装置に関し、特に、冷機時の冷却水の昇温を促進させるための技術に関する。

従来より、自動車のエンジンを冷却するために、ウォータポンプによってエンジン内のウォータジャケットとラジエータとの間で冷却水を循環させる、エンジンの冷却装置が採用されている。

図６に上記エンジンの冷却装置の一例を示す。同図に示すエンジンの冷却装置４０では、冷却水は、同図中の矢印に示すように、エンジン５０の動力によって駆動されるウォータポンプ４１により循環される。冷却水が所定温度以上（例えば８４℃以上）のとき、ウォータポンプ４１から吐出される冷却水は、図６（ａ）に示すように、シリンダブロックおよびシリンダヘッドにそれぞれ形成されたウォータジャケット５１，５２内を流れ、シリンダヘッドのウォータジャケット５２に接続されたアウトレットパイプ４２，４３を通じてラジエータ４４、ヒータコア４５にそれぞれ循環供給される。ラジエータ４４、ヒータコア４５に供給された冷却水は、ラジエータ４４、ヒータコア４５内で放熱した後に、リターンパイプ４７，４８等の戻り水路を通じてウォータポンプ４１の吸入側に還流する。

ただし、冷却水が所定温度未満（例えば８４℃未満）のとき、図６（ｂ）に示すように、ラジエータ４４に冷却水を供給するアウトレットパイプ４２の上流端に設けられたサーモスタット弁４６が閉弁し、ラジエータ４４への冷却水の循環が停止される。一方、アプトレットパイプ４３にはサーモスタット弁が設けられていないため、冷却水温にかかわらず、ヒータコア４５には冷却水が常に循環供給される。

特許文献１に開示されているエンジンの冷却装置では、ヒータコアへ冷却水を流入させる冷却水流入通路と、ヒータコアから冷却水を流出させる冷却水流出通路とを連通するヒータコアバイパス通路が設けられている。このヒータコアバイパス通路には、差圧弁が設けられている。この差圧弁は、上記冷却水流入通路内と上記冷却水流出通路内の差圧が開弁圧以上になったときに開弁して、ヒータコアバイパス通路内に冷却水を流すようになっている。ヒータコアへの冷却水の流量が増加すると、ヒータコアでの圧損の影響により上記差圧も大きくなることから、ヒータコアを流れる冷却水の流量が所定流量以上になる前に、冷却水の一部がヒータコアをバイパスして流れるようになる。この結果、ヒータコアにおいて発生する冷却水の流入音が抑制され、車室内へ伝達される異音も抑制される。

特許文献２には、ヒータコアを流れる冷却水の流量を流量調整弁により制御する温水循環式暖房装置が開示されている。この流量制御弁は、ヒータコアの冷却水入口側と冷却水出口側との差圧の影響を無くした上でソレノイド駆動により制御される。

特開２００９−２９３５４８号公報特開平７−２３２５４１号公報

ところで、図６に基づき説明したエンジンの冷却装置４０においては、冷機状態のエンジンを始動した後、冷却水温が上昇してサーモスタット弁４６が開弁するまでの間、オートエアコンの暖房機能が作動しているか否かにかかわらず、ウォータポンプが送給する冷却水の全流量がヒータコア４５に循環供給される。このため、冷却水の熱がヒータコア４５において放熱してしまい、エンジンの暖機完了までに多くの時間が掛かってしまう。その結果、（１）エンジンのフリクションロスが大きくなる、（２）冷却水温を制御実行条件とする各種の制御（例えば、ロックアップ制御、アイドルストップ制御等）が実行されない、などの不都合が生じていた。

特許文献１に開示されているエンジンの冷却装置に設けられた差圧弁は、ヒータコアへの過剰な流量による流水音を防止するためのリリーフ弁である。このため、同装置でも、ヒータコアへの流量が過剰となるエンジン高回転状態を除き、同様に、冷機状態のエンジンを始動した後、サーモスタット弁が開弁するまでの間、エアコンの暖房機能が作動しているか否かにかかわらず、ウォータポンプが送給する冷却水の全流量がヒータコアに循環供給され、冷却水の熱がヒータコアにおいて放熱してしまう。

特許文献２に開示されている装置の流量調整弁は、ヒータコアへの冷却水の流量を制御するものであるが、冷機状態のエンジンを始動した後、サーモスタット弁が開弁するまでの間、ヒータコアへの冷却水流量を絞るものではない。このため、既述の装置と同様の問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みて創案されたものであり、少なくとも、冷機状態のエンジンを始動した後、サーモスタット弁が開弁するまでの間、冷却水の温度に応じてヒータコアへ流れる冷却水の流量を低減させることが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。

本発明のエンジンの冷却装置は、エンジンで駆動されるウォータポンプと、該ウォータポンプにより送給される冷却水をエンジンからラジエータおよびヒータコアを介してエンジンに戻す水循環経路と、所定の第１冷却水温以下で前記ラジエータへの冷却水の循環を停止させる開閉弁と、を備えるものを前提としており、前記ヒータコアに対する冷却水流入通路および冷却水流出通路の間にヒータコアバイパス通路が設けられ、前記ヒータコアバイパス通路内に、前記冷却水流入通路側と前記冷却水流出通路側との差圧を利用してバイパス流量を可変とする差圧型サーモ制御弁が設けられている。そして、前記差圧型サーモ制御弁は、サーモワックスとばね力とを利用した開弁制御により、冷却水温が前記第１冷却水温より低い所定の第２冷却水温以下である場合は、エンジンが自立運転している限り常に開弁し、冷却水温が前記第２冷却水温より高く前記第１冷却水温より低い所定の第３冷却水温以上である場合は、実際のエンジン回転数にかかわらず常に全閉し、冷却水温が前記第２冷却水温より高く前記第３冷却水温より低い場合は、冷却水温が低いほどバイパス流量を増大させるように開閉動作するものである。

かかる構成を備えるエンジンの冷却装置によれば、冷却水温が比較的低い第２冷却水温未満であるとき、常に差圧型サーモ制御弁を開弁して、冷却水の一部をヒータコアをバイパスして循環させるので、常にヒータコアにおける放熱量を低減させることができる。また、冷却水温が第２冷却水温以上であって第３冷却水温未満であるとき、差圧型サーモ制御弁は、冷却水温が低いほどバイパス流量を増大させるように開閉動作するので、冷却水温が低いほどヒータコアにおける放熱量が低減し易くなる。また、冷却水温が第３冷却水温以上であるとき、常に差圧型サーモ制御弁を閉弁して、ヒータコアバイパス通路を閉塞するので、ヒータコアにおける放熱が従来通り行われる。

本発明によれば、少なくとも、冷機状態のエンジンを始動した後、サーモスタットが開弁するまでの間、冷却水の温度に応じてヒータコアへ流れる冷却水の流量を低減させて、ヒータコアにおける放熱量を低減させることができる。

本発明の実施の形態に係るエンジンの冷却装置の冷却水循環回路図である。差圧型サーモ制御弁の具体例を示す図であって、比較的開弁圧が低いときの状態を示すものである。差圧型サーモ制御弁の具体例を示す図であって、比較的開弁圧が高いときの状態を示すものである。差圧型サーモ制御弁の開弁圧と冷却水温との関係を示すグラフである。ヒータコア内の冷却水の流量と、ヒータコアの冷却水流出入通路の差圧との関係を示すグラフである。従来例に係るエンジンの冷却装置の冷却水循環回路図である。（ａ）はサーモスタット弁が開弁しているときの状態を示し、（ｂ）はサーモスタット弁が閉弁しているときの状態を示す。

以下、本発明の実施の形態に係るエンジンの冷却装置について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、エンジンの冷却装置１０は、ウォータポンプ１１、シリンダブロックのウォータジャケット２１、シリンダヘッドのウォータジャケット２２、第１および第２アウトレットパイプ１２，１３、ラジエータ１４、ヒータコア１５、サーモスタット弁１６、第１および第２リターンパイプ１７，１８、ヒータコアバイパス通路３１、差圧型サーモ制御弁３２などで構成されている。

ウォータポンプ１１は、エンジン２０の回転動力によって駆動されるタイプのものであり、そのポンプ回転数Ｎｐは、エンジン回転数Ｎｅに比例して増減する。

第１アウトレットパイプ１２は、その上流端部がシリンダヘッドのウォータジャケット２２の冷却水出口に接続され、その下流側がラジエータ１４の冷却水入口に接続されている。第２アウトレットパイプ１３は、その上流端部がシリンダヘッドのウォータジャケット２２の冷却水出口に接続され、その下流側がヒータコア１５の冷却水入口に接続されている。

ラジエータ１４およびヒータコア１５は、周知のとおり、内部を流れる冷却水と外気との間で熱交換を行う熱交換器である。

第１リターンパイプ１７は、その上流端部がラジエータ１４の冷却水出口に接続され、その下流端部がウォータポンプ１１への戻り通路１９へ接続されている。第２リターンパイプ１８は、その上流端部がヒータコア１５の冷却水出口に接続され、その下流側がウォータポンプ１１への戻り通路１９へ接続されている。

第１リターンパイプ１７の下流端部には、冷却水温に応じて弁を開閉させる、サーモスタット弁１６（開閉弁）が設置されている。このサーモスタット弁１６は、冷却水温が所定の第１冷却水温Ｔ１（例えば８５℃）以下で閉弁し、第１リターンパイプ１７内の冷却水路を閉塞する。これにより、ラジエータ１４への冷却水循環供給が停止される。一方、サーモスタット弁１６は、冷却水温が第１冷却水温Ｔ１を超えると開弁して第１リターンパイプ１７内の冷却水路を開放し、ラジエータ１４への冷却水循環供給を許容する。なお、既述のアウトレットパイプ１２，１３、リターンパイプ１７，１８およびウォータポンプへの戻り通路１９等により水循環経路が構成されている。

ヒータコアバイパス通路３１は、ヒータコア１５に対する冷却水流入通路および冷却水流出通路の間に設けられている。なお、冷却水流入通路は、第２アウトレットパイプ１３内に形成され、冷却水流出通路は、第２リターンパイプ１８内に形成されている。

差圧型サーモ制御弁３２は、ヒータコアバイパス通路３１に設けられており、ヒータコア１５に対する冷却水流入通路側と冷却水流出通路側との差圧を利用してバイパス流量を可変とする。この差圧型サーモ制御弁３２は、サーモワックスとばね力とを利用した開弁制御により、第２冷却水温Ｔ２（例えば５０℃）から第３冷却水温Ｔ３（例えば６３℃）の範囲内で、冷却水温の低下とともにヒータコアバイパス通路３１内を流れる冷却水の流量（バイパス流量）を増大させるようにその弁体を開閉動作させる。なお、第２冷却水温Ｔ２および第３冷却水温Ｔ３は何れも第１冷却水温Ｔ１より低い水温である。

図２および図３は、図１のＡ部における上記差圧型サーモ制御弁３２の具体例を表した図である。同図において、１３ａは第２アウトレットパイプ１３の一部を構成する冷却水流入側配管であり、１８ａは第２リターンパイプ１８の一部を構成する冷却水流出側配管である。ヒータコアバイパス通路３１は、冷却水流入側配管１３ａと冷却水流出側配管１８ａとを連通する連通管３１ａ内に形成されている。連通管３１ａ内には、更に、差圧型サーモ制御弁３２の第２弁体３２ａが着座する弁座３３も設けられている。

図２および図３に示す差圧型サーモ制御弁３２としては、周知のボトムバイパス型サーモスタット弁が採用されている。このボトムバイパス型サーモスタット弁（差圧型サーモ制御弁３２）は、感温部３２ｂ、第１および第２弁体３２ｃ，３２ａ、第１および第２コイルばね３２ｄ，３２ｅ、第２弁体軸３２ｆ、ピストンガイド３２ｇ、ピストン３２ｉ、支持枠３２ｊ、スプリングリテーナ３２ｋ等で構成されている。

上記感温部３２ｂは、主に、ワックスケースと、そのワックスケース内部に充填されたサーモワックスとで構成されている。上記第１弁体３２ｃは、感温部３２ｂのワックスケースと一体に設けられたピストンガイド３２ｇの外周に固設されており、第１コイルばね３２ｄによって、閉位置側に付勢されている。上記第２弁体３２ａは、感温部３２ｂのワックスケースと一体に設けられた第２弁体軸３２ｆに沿って摺動自在に設けられている。この第２弁体３２ａは第２コイルばね３２ｅによって閉位置側（弁座３３側）に付勢されている。上記ピストン３２ｉは、ピストンガイド３２ｇ内に挿通されており、基端部が感温部３２ｂ内のサーモワックス内に配置され、先端部が支持枠３２ｊに当接している。支持枠３２ｊはスプリングリテーナ３２ｋとともに冷却水流出側配管１８ａに固定されている。

この差圧型サーモ制御弁３２では、冷却水温Ｔが高くなると感温部３２ｂのサーモワックスが膨張してピストン３２ｉがピストンガイド３２ｇから延出する。これにより、互いに一体となったピストンガイド３２ｇ、感温部３２ｂおよび第２弁体軸３２ｆが、図３に示すように、第１および第２コイルばね３２ｄ，３２ｅの付勢力に抗して、弁座３３側（図中右側）へ移動する。ピストン３２ｉの延出量が多くなるほど、第２弁体３２ａに対する弁座３３側への付勢力が強まり、第２弁体３２ａの開弁に必要な差圧Ｐｖ（以下「開弁圧Ｐｖ」ともいう。）が高くなる。ここで、開弁圧Ｐｖは、第２弁体３２ａを少しでも開かせるのに必要な差圧ΔＰ（ヒータコア１５への冷却水流入通路側の水圧と、ヒータコア１５からの冷却水流出通路側の水圧との差圧ΔＰ）に等しい。

図４は、このような差圧型サーモ制御弁３２の開弁圧Ｐｖと、冷却水温Ｔとの関係を示すグラフである。所定の冷却水温の範囲（第２冷却水温Ｔ２〜第３冷却水温Ｔ３）では、冷却水温Ｔが高くなるほど、第２弁体３２ａの開弁圧Ｐｖは大きくなる。これは、既述したように、冷却水温Ｔが高くなるほど第２弁体３２ａに対する弁座３３側への付勢力が強くなるためである。ただし、冷却水温Ｔが第２冷却水温Ｔ２以下のときは、開弁圧Ｐｖは一定値Ｐｖ２となる。これは、冷却水温Ｔが第２冷却水温Ｔ２以下になると、ピストン３２ｉの延出量が最少値をとって、それ以上縮退不能となり、コイルばね３２ｄ，３２ｅの撓み量が最少値で一定となるためである。また、冷却水温Ｔが第３水温Ｔ３以上のときは、開弁圧Ｐｖは一定値Ｐｖ３となる。これは、ピストン３２ｉの延出量が最大値に達し、それ以上延出不能となるためである。本実施形態では、第２冷却水温Ｔ２をオートエアコンの暖房機能の作動開始条件となる冷却水温（例えば５０℃）とし、第３冷却水温Ｔ３を第２冷却水温Ｔ２より所定温度Ｔａ（例えば１３℃）だけ高い温度とする。

図５は、横軸に、ヒータコア１５への冷却水流入通路側の水圧と、ヒータコア１５からの冷却水流出通路側の水圧との差圧ΔＰ（以下単に「差圧ΔＰ」ともいう。）を示し、縦軸に、ヒータコア１５での冷却水流量Ｑを示すものである。但し、同図は、ヒータコアバイパス通路３１が閉塞していると仮定した場合を前提としている。上記差圧ΔＰは、冷却水がヒータコア１５を通過する際の圧力損失により生じるため、グラフに示すように、差圧ΔＰは、上記冷却水流量Ｑとともに増減する。

暖機運転時（サーモスタット弁１６が閉弁状態での走行時）にエンジン回転数Ｎがとり得る範囲、つまり、エンジンが自立運転可能な最少エンジン回転数Ｎｍｉｎ（例えば１０００ｒｐｍ）から最大エンジン回転数Ｎｍａｘ（例えば７０００ｒｐｍ）までの範囲の特定の回転数をＮ０（例えばその範囲の平均値４０００ｒｐｍ）とする。また、エンジン回転数が最少エンジン回転数Ｎｍｉｎのときに、ウォータポンプ１１によってヒータコア１５内に供給される冷却水流量Ｑを流量Ｑ２とし、エンジン回転数が特定の回転数Ｎ０のときに、ウォータポンプ１１によってヒータコア１５内に供給される冷却水流量Ｑを流量Ｑ０とし、エンジン回転数が最大エンジン回転数Ｎｍａｘのときに、ウォータポンプ１１によってヒータコア１５内に供給される冷却水流量Ｑを流量Ｑ３とする。そうすると、図５のグラフから、ヒータコア１５内に供給される冷却水流量Ｑが流量Ｑ２、流量Ｑ０、流量Ｑ３のときに生じる差圧ΔＰは、それぞれ、ΔＰ２、ΔＰ０、ΔＰ３となる。本実施形態では、上記開弁圧Ｐｖ２が上記差圧ΔＰ２と等しく、上記開弁圧Ｐｖ３が上記差圧ΔＰ３と等しくなるよう、差圧型サーモ制御弁３２のコイルばね３２ｄ，３２ｅ、サーモワックス等が設定されている。

このように、設定された差圧型サーモ制御弁３２によれば、冷却水の水温Ｔが第２冷却水温Ｔ２以下の状態で、エンジン２０（冷機状態のエンジン）を始動させると、エンジン２０が自立運転している限り（つまりエンジン回転数が最低エンジン回転数Ｎｍｉｎ以上である限り）差圧型サーモ制御弁３２の第２弁体３２ａは常に開弁してヒータコアバイパス通路３１を開放する。これにより、ウォータポンプ１１から供給される冷却水の一部がヒータコア１５を迂回してヒータコアバイパス通路３１を通過し、ヒータコア１５を流れる冷却水の流量が減少するので、ヒータコア１５において冷却水から放熱される熱量が減少し、冷却水の昇温が促進される。なお、ヒータコアに流れる冷却水の全量をバイパスさせずに、冷却水の一部だけをバイパスするようにしているのは、冷却水温Ｔが第２冷却水温Ｔ２以下であってもデフロスターを作動させる場合があるからである。

その後、冷却水温ＴがＴ２＜Ｔ＜Ｔ３の範囲で上昇する過程では、感温部３２ｂ内のサーモワックスの膨張作用により、図４に示すように、開弁圧ＰｖがＰｖ２〜Ｐｖ３の範囲で大きくなる。開弁圧Ｐｖが差圧ΔＰより低い場合は、差圧型サーモ制御弁３２の第２弁体３２ａは、冷却水温ＴがＴ２＜Ｔ＜Ｔ３の範囲で上昇する際、感温部３２ｂ内のサーモワックスの膨張作用により、弁座３３に近づくため、弁の開度は次第に小さくなる。つまり、上記条件下では、冷却水温が高くなるほど、ヒータコアバイパス通路３１を流れる冷却水の流量が次第に絞られ、ヒータコア１５に流れる冷却水の流量が次第に増加する。一方、冷却水温ＴがＴ２＜Ｔ＜Ｔ３の範囲で上昇する過程であっても、開弁圧Ｐｖが差圧Ｐ０以上になると、差圧型サーモ制御弁３２の第２弁体３２ａは、冷却水温にかかわらず、閉弁し、第２アウトレットパイプ１３を流れる冷却水の全量がヒータコア１５を循環するようになる。

その後、更に冷却水温Ｔが上昇し、第３冷却水温Ｔ３以上になると、エンジン回転数にかかわらず、第２弁体３２ａは閉弁してヒータコアバイパス通路３１を閉塞する。これは、エンジン回転数が最大エンジン回転数Ｎｍａｘであったとしても、そのときの差圧ΔＰが開弁圧Ｐｖ３より大きくなることがないからである。これにより、第２アウトレットパイプ１３を流れる冷却水の全量がヒータコア１５を循環するようになる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るエンジンの冷却装置１０によれば、冷却水温が比較的低い第２冷却水温Ｔ２未満であるとき、常に差圧型サーモ制御弁３２を開弁して、冷却水の一部をヒータコア１５をバイパスして循環させるので、常にヒータコア１５における放熱量を低減させることができ、冷却水の昇温を促進させることができる。この結果、例えば、エンジンのフリクションロス低減、冷却水温を制御実行条件とする各種の制御（例えば、ロックアップ制御、アイドルストップ制御等）の早期実行、などが可能となる。

また、冷却水温Ｔが第２冷却水温Ｔ２〜第３冷却水温Ｔ３のとき、差圧型サーモ制御弁３２は、冷却水温Ｔが低いほどバイパス流量を増大させるように開閉動作するので、冷却水温Ｔが低いほどヒータコアにおける放熱量が低減し易くなる。また、冷却水温Ｔが第３冷却水温Ｔ３以上であるとき、常に差圧型サーモ制御弁３２は閉弁して、ヒータコアバイパス通路３１を閉塞するので、ヒータコア１５における熱回収を従来通り行うことができる。

また、貨物自動車などのように、エンジンとヒータコアとが比較的離れており、それらの間の配管（第２アウトレットパイプ１３、第２リターンパイプ１８）が長いことから、冷却水の放熱量が多くなる車種については、ヒータコアバイパス通路３１をできるだけエンジン側に近づけて設けることにより、一層の暖機促進効果が期待できる。

本発明は、例えば、自動車に搭載されるエンジンの冷却装置に適用することができる。

１０エンジンの冷却装置
１１ウォータポンプ
１４ラジエータ
１５ヒータコア
１２第１アウトレットパイプ（水循環経路）
１３第２アウトレットパイプ（水循環経路）
１７第１リターンパイプ（水循環経路）
１８第２リターンパイプ（水循環経路）
１９ウォータポンプへの戻り通路（水循環経路）
２０エンジン
３１ヒータコアバイパス通路
３２差圧型サーモ制御弁

Claims

エンジンで駆動されるウォータポンプと、該ウォータポンプにより送給される冷却水をエンジンからラジエータおよびヒータコアを介してエンジンに戻す水循環経路と、所定の第１冷却水温以下で前記ラジエータへの冷却水の循環を停止させる開閉弁と、を備えるエンジンの冷却装置において、
前記ヒータコアに対する冷却水流入通路および冷却水流出通路の間にヒータコアバイパス通路が設けられ、
前記ヒータコアバイパス通路内に、前記冷却水流入通路側と前記冷却水流出通路側との差圧を利用してバイパス流量を可変とする差圧型サーモ制御弁が設けられており、
前記差圧型サーモ制御弁は、サーモワックスとばね力とを利用した開弁制御により、冷却水温が前記第１冷却水温より低い所定の第２冷却水温以下である場合は、エンジンが自立運転している限り常に開弁し、冷却水温が前記第２冷却水温より高く前記第１冷却水温より低い所定の第３冷却水温以上である場合は、実際のエンジン回転数にかかわらず常に全閉し、冷却水温が前記第２冷却水温より高く前記第３冷却水温より低い場合は、冷却水温が低いほどバイパス流量を増大させるように開閉動作するものである、ことを特徴とするエンジンの冷却装置。