JP2016102456A

JP2016102456A - 内燃機関の冷却システム

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Publication number: JP2016102456A
Application number: JP2014241483A
Authority: JP
Inventors: 亮道川内; Akira Michikawauchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN107002546A; CN107002546B; WO2016084386A1; JP6210054B2; EP3224461B1; US20170321597A1; EP3224461A1; US10677141B2

Abstract

【課題】内燃機関の冷却水の流量を適正化する。【解決手段】冷却水の温度が閾値以上の場合にはラジエータをバイパスする通路及びラジエータに冷却水を流通させ、冷却水の温度が閾値未満の場合にはラジエータをバイパスする通路に冷却水を流通させるがラジエータには冷却水を流通させない切換装置を備え、内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合には、冷却水の温度が閾値以上で且つ規定温度未満となるように、ラジエータにおける冷却水からの放熱量を調整し、内燃機関の負荷が所定負荷未満の場合には、内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合よりも、ラジエータにおける冷却水からの放熱量が多くなるようにラジエータにおける冷却水からの放熱量を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の冷却システムに関する。

内燃機関の冷却水から熱を放出させるラジエータと、該ラジエータへの空気の流れを遮断するグリルシャッタと、を備え、冷却水の温度が設定温度を超えている場合にはグリルシャッタを開いてラジエータへ空気を流すことが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００８−００６８５５号公報特開２００２−０３８９４９号公報特開平０８−１９７９６５号公報特開２０１０−１４９６９１号公報

ここで、内燃機関の高負荷運転時には、燃焼室の温度が高くなるためにノッキングが発生し易くなる。ノッキングの発生を抑制するためには、燃焼室を冷却している冷却水の流量を増加させることが有効である。しかし、グリルシャッタ等により内燃機関の高負荷運転時に冷却水の温度を低下させるような制御が行われると、サーモスタットが閉じてしまう。サーモスタットが閉じると、冷却水がラジエータを流通することができなくなるため、その分、内燃機関を循環する冷却水の量が減少してしまう。ここで、冷却水の流量が多ければ、より多くの熱を燃焼室から奪うことができる。したがって、サーモスタットが閉じることにより冷却水の流量が減少すると、燃焼室の温度低下の効果が小さくなる。一方、内燃機関の低負荷運転時には、燃焼室の温度が低いためにノッキングが発生し難くなる。したがって、内燃機関の低負荷運転時には、冷却水の流量を多くする必要はない。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の冷却水の流量を適正化することにある。

上記課題を達成するために本発明は、内燃機関の冷却水から熱を放出させるラジエータと、前記ラジエータと前記内燃機関とに冷却水を循環させるラジエータ側冷却水経路と、前記ラジエータを迂回して内燃機関に冷却水を循環させるバイパス側冷却水経路と、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値以上の場合には前記ラジエータ側冷却水経路及び前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値未満の場合には前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ且つ前記ラジエータ側冷却水経路を介して冷却水を流通させない切換装置と、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量を可変とする放熱量可変装置と、前記内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合には、前記冷却水の温度が前記閾値以上で且つ規定温度未満となるように前記放熱量可変装置を制御し、前記内燃機関の負荷が前記所定負荷未満の場合には、前記内燃機関の負荷が前記所定負荷以上の場合よりも、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量が多くなるように前記放熱量可変装置を制御する制御装置と、を備える。

内燃機関の冷却水温度が閾値以上の場合であって、ラジエータにおける冷却水からの放
熱量が多い場合に、ラジエータ側冷却水経路へ冷却水を流通させれば、冷却水の温度を下降させることができる。一方、内燃機関の冷却水温度が閾値未満の場合に、ラジエータ側冷却水経路へ冷却水を流通させなければ、冷却水の温度を上昇させることができる。さらに、内燃機関の冷却水温度が閾値以上の場合であって、ラジエータにおける冷却水からの放熱量が少ない場合には、ラジエータ側冷却水経路へ冷却水を流通させたとしても、すなわち、ラジエータに冷却水を流通させたとしても、冷却水の温度は上昇する。

ここで、バイパス側冷却水経路のみに冷却水を流通させるよりも、ラジエータ側冷却水経路及びバイパス側冷却水経路の両方に冷却水を流通させるほうが、内燃機関における冷却水流量が多くなる。そして、冷却水流量が増加することにより、内燃機関からより多くの熱を奪うことができるため、内燃機関の温度をより低下させることができる。しかし、ラジエータに冷却水が流通して冷却水の温度が低下すると、バイパス側冷却水経路のみに冷却水が流通するように、切換装置が経路を切り換えるため、冷却水流量が減少してしまう。これに対し、放熱量可変装置によりラジエータにおける放熱量を減少させることで、冷却水の温度が低下することを抑制できる。これにより、切換装置は、ラジエータ側冷却水経路及びバイパス側冷却水経路の両方に冷却水を流通させるため、内燃機関における冷却水の流量をより多くすることができる。

しかし、ラジエータにおける放熱量を減少させると、冷却水温度が過剰に高くなり、内燃機関が過熱する虞がある。これに対し、冷却水の温度が規定温度未満となるように放熱量可変装置を制御することで、冷却水の温度が過剰に高くなることを抑制できる。

ここで、閾値は、内燃機関の負荷が所定負荷未満のとき（内燃機関の低負荷運転時）において、冷却水の温度が要求される温度となるように設定される。また、規定温度は、閾値よりも大きな値であって、内燃機関が過熱する虞のある冷却水の温度、または、内燃機関が過熱する冷却水の温度とすることができる。内燃機関の負荷が所定負荷未満の場合のラジエータにおける冷却水からの放熱量は、該ラジエータを冷却水が流通したときに冷却水の温度が閾値未満となる放熱量といえる。

内燃機関の負荷が所定負荷未満の場合には、冷却水流量を増加させなくてもノッキングの発生は抑制される。このため、冷却水の流量を増加させる必要がない。さらに、内燃機関の負荷が所定負荷未満の場合には、燃焼室の温度を上昇させて摩擦損失や冷却損失を低減させた方が、燃費を向上させることができる。すなわち、低負荷運転時には、高負荷運転時よりも冷却水流量を低下させることにより燃焼室の温度を高く維持すれば、燃費を向上させることができる。ここで、内燃機関の負荷が所定負荷未満の場合には、ラジエータにおける冷却水からの放熱量を多くすることで、内燃機関の冷却水の温度が閾値未満となる。これにより、ラジエータ側冷却水経路を介して冷却水が流通しなくなるため、冷却水の温度が閾値以上まで上昇する。そうすると、今度はラジエータ側冷却水経路を介して冷却水が流れるようになるため、冷却水の温度が低下する。このようなことが繰り返し行われることにより、内燃機関の負荷が所定負荷未満の場合には、内燃機関の冷却水の温度が要求される温度付近に維持される。

また、前記放熱量可変装置は、空気が前記ラジエータを通過するときの空気の流路上で開閉するシャッタであってもよい。

このシャッタによれば、シャッタの開度を大きくするほど、ラジエータを通過する空気の量が増加するため、冷却水からより多くの熱を奪うことができる。したがって、シャッタの開度を調整することにより、冷却水の温度を調整することができる。なお、シャッタは、全開及び全閉が可能で何れか一方の状態のみを維持するものであってもよく、任意の開度を維持可能なものであってもよい。

また、前記切換装置は、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値以上の場合に、前記ラジエータ側冷却水経路及び前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値未満の場合に、前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ且つ前記ラジエータ側冷却水経路を介して冷却水を流通させないサーモスタットであってもよい。

このサーモスタットは、ラジエータ側冷却水経路において温度に応じて自動的に開閉する。このようなサーモスタットを備える場合には、冷却水の温度が閾値未満になると、自動的にラジエータに冷却水が流通しなくなるため、冷却水流量が減少してしまう。これに対し、ラジエータにおける冷却水からの放熱量を調整することで、冷却水の温度低下を抑制できるため、サーモスタットが閉じることを抑制できる。したがって、冷却水流量が減少することを抑制できる。

また、前記制御装置は、前記冷却水の温度が前記規定温度以上の場合には、前記冷却水の温度が前記規定温度未満の場合よりも、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量が多くなるように前記放熱量可変装置を制御することができる。

冷却水の温度が規定温度以上になると、ラジエータ側冷却水経路及びバイパス側冷却水経路に冷却水を流通させて冷却水流量を増加させたとしても、内燃機関が過熱する虞がある。これに対し、ラジエータにおける冷却水からの放熱量を多くすることで、冷却水温度を低下させることができるため、内燃機関が過熱することを抑制できる。

本発明によれば、内燃機関の冷却水の流量を適正化することができる。

実施例に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。実施例１に係るシャッタの制御フローを示したフローチャートである。機関負荷、シャッタの開度、ラジエータの出口における冷却水温度（ラジエータ出口水温）、内燃機関の入口における冷却水温度（機関入口水温）、内燃機関の出口における冷却水温度（機関出口水温）、サーモスタットの開度、内燃機関１に流入する冷却水の流量（冷却水流量）、燃焼室壁温の推移を概念的に示したタイムチャートである。冷却水の流量と内燃機関における熱効率との関係を示した図である。冷却水の流量と燃焼室壁温との関係を示した図である。実施例２に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。実施例３に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の内燃機関である。内燃機関１は、例えば車両に搭載される。

内燃機関１の内部には冷却水を循環させるためのウォータジャケット２が形成されている。ウォータジャケット２は、少なくとも燃焼室の周辺に形成されている。また、内燃機
関１には、第一冷却水通路１１及び第二冷却水通路１２が接続されている。この、第一冷却水通路１１及び第二冷却水通路１２には、ラジエータ１３及びバイパス通路１４が接続されている。

第一冷却水通路１１は、ウォータジャケット２の出口側とラジエータ１３の入口側とを接続している。すなわち、第一冷却水通路１１は、ウォータジャケット２から冷却水を排出するための通路である。また、第二冷却水通路１２は、ラジエータ１３の出口側とウォータジャケット２の入口側とを接続している。すなわち、第二冷却水通路１２は、ウォータジャケット２へ冷却水を供給するための通路である。

第二冷却水通路１２の下流端（ウォータジャケット２の入口側としてもよい。）には、第二冷却水通路１２側からウォータジャケット２側へ冷却水を吐出するウォータポンプ３が設けられている。

バイパス通路１４は、第一冷却水通路１１と第二冷却水通路１２とを連通することで、ラジエータ１３をバイパスしている。なお、本実施例では、ラジエータ１３、第一冷却水通路１１、第二冷却水通路１２、ウォータジャケット２が、本発明におけるラジエータ側冷却水経路に相当する。また、バイパス通路１４、ウォータジャケット２からバイパス通路１４までの第一冷却水通路１１、バイパス通路１４からウォータジャケット２までの第二冷却水通路１２、ウォータジャケット２が、本発明におけるバイパス側冷却水経路に相当する。

ラジエータ１３は、内燃機関１の冷却水と、空気と、で熱交換を行うことにより、冷却水から熱を奪う。ラジエータ１３を通過する空気の流れ方向でラジエータ１３の上流側（車両の前方側）には、空気を流すように開くか又は空気の流れを遮断するように閉じるシャッタ１６が設けられている。シャッタ１６は、例えばグリルに設けられる。シャッタ１６が開いているときには、空気がラジエータ１３を通過する。一方、シャッタ１６が閉じていると、ラジエータ１３を通過する空気の量が少なくなり、冷却水からの放熱量が著しく減少する。なお、シャッタ１６は、全開及び全閉が可能で何れか一方の状態のみを維持するものであってもよく、任意の開度を維持可能なものであってもよい。本実施例では、シャッタ１６は、全開及び全閉が可能で、何れか一方の状態を維持するものとして説明する。本実施例においてはシャッタ１６が、本発明における放熱量可変装置に相当する。

バイパス通路１４の下流端、すなわち、バイパス通路１４が第二冷却水通路１２に接続される箇所には、サーモスタット１５が設けられている。サーモスタット１５には、バイパス通路１４を流通する冷却水が常に流れ込んでいる。そして、サーモスタット１５は、冷却水の温度が閾値に達すると例えば内蔵されたワックス又はバイメタルの熱膨張により自動的に開弁する。サーモスタット１５が閉じているときには、第二冷却水通路１２における冷却水の流れが遮断される。サーモスタット１５が開いているときには、第二冷却水通路１２を冷却水が流通する。なお、本実施例においてはサーモスタット１５が、本発明における切換装置に相当する。

サーモスタット１５が閉じているときには、ラジエータ１３からの冷却水の流れを遮断するため、ウォータジャケット２から第一冷却水通路１１へ流出した冷却水が、バイパス通路１４を経由して再びウォータジャケット２に送られる。こうした冷却水の循環によって冷却水が徐々に暖められ、内燃機関１の暖機が促進される。一方、サーモスタット１５が開いているときには、ラジエータ１３及びバイパス通路１４を経由して冷却水が循環される。サーモスタット１５は、冷却水の温度が例えば８２℃で開き始め、例えば８８℃で全開となる。これにより、シャッタ１６が開いている場合には、冷却水の温度が例えば８５℃程度に維持される。なお、サーモスタット１５の状態に関わらず、ラジエータ１３及
びバイパス通路１４以外の部位にも冷却水は循環するが、図１ではこれらの部位を省略している。

また、第一冷却水通路１１には、ウォータジャケット２から流出する冷却水の温度を測定する温度センサ３１が取り付けられている。温度センサ３１は、バイパス通路１４が接続されている箇所よりもウォータジャケット２側の第一冷却水通路１１に取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ３０が併設されている。このＥＣＵ３０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。なお、本実施例においてはＥＣＵ３０が、本発明における制御装置に相当する。

また、ＥＣＵ３０には、上記センサの他、アクセル開度に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出するアクセル開度センサ３３、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ３４が電気配線を介して接続さている。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ３０に入力される。一方、ＥＣＵ３０には、シャッタ１６が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ３０はこのシャッタ１６を制御する。

ＥＣＵ３０は、内燃機関１の高負荷運転時において、ウォータジャケット２を流通する冷却水の量が増加するように、シャッタ１６を操作する。ここで、内燃機関１の高負荷運転時には、内燃機関１で発生する熱が増加するために、冷却水の温度が上昇する。そして、冷却水の温度が閾値以上になると、サーモスタット１５が開いて、冷却水がラジエータ１３を流れる。しかし、冷却水がラジエータ１３を流れたときにシャッタ１６が開いていると、ラジエータ１３の出口側の冷却水の温度は閾値未満となる。なお、閾値は、サーモスタット１５が開き始める温度としてもよい。

このように、シャッタ１６が開いている場合には、ラジエータ１３において冷却水からの放熱量が多いために、冷却水の温度が低下して、サーモスタット１５が閉じる場合がある。サーモスタット１５が完全に閉じると、バイパス通路１４のみを冷却水が流れるため、ラジエータ１３に冷却水を流れる場合と比較して、圧力損失が大きくなる。このため、サーモスタット１５が閉じている場合には、開いている場合よりも、ウォータジャケット２における冷却水の流量が減少する。

ここで、内燃機関１の高負荷運転時には、燃焼室が高温となるためノッキングが発生する虞がある。そして、サーモスタット１５が閉じているためにウォータジャケット２における冷却水の流量が減少していると、燃焼室の冷却が不十分となる虞がある。一般に、冷却水の流量が大きいほど熱伝達率が高くなるため、燃焼室の温度を低下させる効果が高くなる。このため、閾値程度の温度の冷却水がバイパス通路１４のみ流通しているよりも、閾値よりも高い温度の冷却水がバイパス通路１４及びラジエータ１３を流通しているほうが、燃焼室からより多くの熱を奪うことができる場合がある。

そこで本実施例では、内燃機関１の高負荷運転時（機関負荷が所定負荷以上のとき）において、シャッタ１６を閉じている。シャッタ１６を閉じることにより、ラジエータ１３では冷却水の温度が低下し難くなるため、冷却水の温度が閾値よりも高いまま維持され、サーモスタット１５が開いたままとなる。これにより、ラジエータ１３に冷却水が継続して流れるため、ウォータジャケット２における冷却水流量を常に多くすることができる。なお、冷却水の温度が高くなりすぎると、内燃機関１が過熱する虞があるため、規定値温度未満の場合に限りシャッタ１６を閉じる。

一方、内燃機関１の低負荷運転時（機関負荷が所定負荷未満のとき）には、シャッタ１６を開いている。すなわち、機関負荷が所定負荷未満の場合には、内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合よりも、ラジエータ１３における冷却水からの放熱量が多くなるようにシャッタ１６を制御している。そうすると、サーモスタット１５により、冷却水の温度が要求される温度に自動的に維持される。低負荷運転時には、燃焼室の温度が低いためにノッキングが発生し難いため、冷却水の流量が減少したとしてもノッキングの発生は抑制できる。さらに、低負荷運転時には、燃焼室の温度が低下し易いため、摩擦損失や冷却損失が増加し易くなるが、冷却水の流量が減少することにより、燃焼室の温度が低下することを抑制できる。

図２は、本実施例に係るシャッタ１６の制御フローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ３０により所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、機関負荷が所定負荷以上であるか否か判定される。本ステップでは、内燃機関１の高負荷運転時であるか否か判定している。所定負荷は、高負荷といえる負荷であって、ラジエータ１３に冷却水を流通させない場合で且つバイパス通路１４に冷却水を流通させる場合に、内燃機関１においてノッキングが発生する負荷、又は、ノッキングが発生する虞のある負荷とすることができる。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進んでシャッタ１６が開かれる。ここで、機関負荷が所定負荷未満の場合には、シャッタ１６を開くことにより、冷却水温度を閾値近傍に維持することで、燃費を向上させる。

ステップＳ１０２では、冷却水温度が規定温度未満であるか否か判定される。規定温度は、内燃機関１が過熱する温度又は過熱する虞のある温度である。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進んでシャッタ１６が開かれる。ここで、冷却水温度が規定温度以上の場合には、シャッタ１６を開くことにより、冷却水温度を低下させることできるため、内燃機関１が過熱することを抑制できる。

ステップＳ１０３では、シャッタ１６が閉じられる。すなわち、ノッキングが発生する虞があるため、シャッタ１６を閉じることで、冷却水の温度を閾値以上として、サーモスタット１５を開かせる。これにより、ウォータジャケット２における冷却水の流量が多い状態を維持することができるため、燃焼室の温度上昇を抑制することができる。したがって、ノッキングの発生を抑制できる。

このように、機関負荷が所定負荷以上で且つ冷却水温度が規定温度未満の場合には、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３が繰り返し実行される。これにより、冷却水の温度を閾値以上に維持することができる。したがって、サーモスタット１５が開いた状態を維持することができるので、高負荷運転状態であっても、燃焼室を継続して冷却することができる。すなわち、機関負荷が高い状態であっても、あえて冷却水からの放熱量を減少させて、冷却水の流量を低下させないようにすることで、内燃機関１を好適に冷却することができる。

しかし、シャッタ１６が閉じられている間は冷却水の温度低下が抑制されるため、冷却水の温度が規定温度以上まで上昇する場合もある。このような場合には、ステップＳ１０２において否定判定がなされるため、ステップＳ１０４へ進んでシャッタ１６が開かれる。シャッタ１６が開かれることにより、ラジエータ１３における冷却水からの放熱量が増加するため、冷却水の温度を低下させることができる。冷却水の温度が規定温度未満まで低下すれば、ステップＳ１０２で肯定判定がなされてステップＳ１０３へ進み、シャッタ
１６が再度閉じられる。これにより、サーモスタット１５は、開いたまま維持される。このように、冷却水の温度が規定温度以上となることを抑制しつつ、冷却水の温度を閾値以上に維持することができる。

また、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３が繰り返し実行される途中で、機関負荷が所定負荷未満となる場合もある。このような場合には、ステップＳ１０１において否定判定がなされるため、ステップＳ１０４へ進んでシャッタ１６が開かれる。シャッタ１６が開かれることにより、冷却水の温度が低下する。そして、サーモスタット１５の働きにより、冷却水の温度が閾値近傍に維持されると共に、冷却水の流量が減少するので、燃焼室の温度低下を抑制できる。これにより、摩擦損失や冷却損失が増加することを抑制できる。

図３は、機関負荷、シャッタ１６の開度、ラジエータ１３の出口における冷却水温度（ラジエータ出口水温）、内燃機関１の入口における冷却水温度（機関入口水温）、内燃機関１の出口における冷却水温度（機関出口水温）、サーモスタット１５の開度、内燃機関１に流入する冷却水の流量（冷却水流量）、燃焼室壁温の推移を概念的に示したタイムチャートである。機関出口水温は、ラジエータ１３の入口における冷却水温度（ラジエータ入口水温）と略等しい。

Ｔ１で示す時点において、機関負荷が上昇を始める。このときには、シャッタ１６は全開になっている。Ｔ２で示す時点において機関負荷が所定負荷まで増加している。Ｔ２で示す時点よりも前では、シャッタ１６が開かれているためにラジエータ１３における冷却水の冷却能力が十分に高い。また、Ｔ２で示す時点よりも前では機関負荷も低いので、サーモスタット１５の開度が小さくても機関入口水温は一定に維持される。なお、Ｔ２で示す時点よりも前には、サーモスタット１５の開度が比較的小さい開度で一定となっている。そして、Ｔ２で示す時点において機関負荷が所定負荷まで増加すると、ＥＣＵ３０によりシャッタ１６が閉じられる。そうすると、ラジエータ１３において熱が放出され難くなるため、ラジエータ出口水温及び機関入口水温が上昇を始め、このラジエータ出口水温及び機関入口水温の上昇にしたがって、サーモスタット１５の開度が大きくなる。そして、サーモスタット１５の開度が大きくなるにしたがって、ラジエータ１３を通過する冷却水流量が多くなることから内燃機関１に流入する冷却水流量が多くなり、これにより、燃焼室壁温が低下を始める。

Ｔ３で示す時点において機関負荷の上昇が終わって機関負荷が一定となるが、このときには機関負荷は所定負荷以上であることからシャッタ１６は閉じたまま維持されるため、ラジエータ出口水温は上昇を続ける。これにより、サーモスタット１５の開度もさらに大きくなり、内燃機関１に流入する冷却水流量も増加を続ける。このため、燃焼室壁温をさらに低下させることができる。Ｔ４で示す時点においてラジエータ出口水温度が一定となる。ここで、シャッタ１６を閉じているといっても、ラジエータ１３からの放熱を完全に遮断することは困難である。ラジエータ１３から放出される熱と、内燃機関１から受ける熱と、が釣り合うようなサーモスタット１５の開度になると、サーモスタット１５の開度が一定となる。すなわち、シャッタ１６を閉じていても、ラジエータ１３からの放熱によりラジエータ出口水温が一定となる。さらに、サーモスタット１５の開度が一定となることにより、冷却水流量が一定となり、燃焼室壁温も一定となる。Ｔ２からＴ４の期間において機関入口水温が上昇するが、このときにはサーモスタット１５の開度が大きくなることにより、冷却水流も増加する。このため、内燃機関１の内部で単位体積当たりの冷却水が受ける熱の量が相対的に低下するために冷却水温度の上昇が抑制されるので、機関出口水温は一定となる。

Ｔ５で示す時点から機関負荷が下降を始める。なお、機関負荷が下降を始めただけでは
、シャッタ１６は開かない。Ｔ６で示す時点において、機関負荷が所定負荷まで減少すると、シャッタ１６が開かれる。これにより、ラジエータ出口水温が下降を始めるため、サーモスタット１５の開度も減少する。サーモスタット１５の開度の減少により、冷却水流量が減少するため、燃焼室壁温が上昇を始める。

Ｔ７で示す時点において機関負荷の下降が終了するが、この時には、ラジエータ出口水温がまだ高いため、サーモスタット１５は閉じる途中である。そして、Ｔ８で示す時点においてラジエータ１３から放出される熱と、内燃機関１から受ける熱と、が釣り合うようなサーモスタット１５の開度になり、Ｔ８で示す時点以降では、サーモスタット１５の開度が一定となる。これにより、ラジエータ出口温度、冷却水流量、燃焼室壁温が一定となる。Ｔ６からＴ８の期間において機関入口水温が下降するが、このときにはサーモスタット１５の開度が小さくなることにより、冷却水流も減少する。このため、内燃機関１の内部で単位体積当たりの冷却水が受ける熱の量が相対的に増加するために冷却水温度の下降が抑制されるので、機関出口水温は一定となる。

以上説明したように、本実施例によれば、車両の速度にかかわらず、機関負荷が所定負荷以上の場合にシャッタ１６を閉じることにより、冷却水流量を増加させることができる。これにより、燃焼室の温度を低下させることができるため、ノッキングが発生することを抑制できる。また、冷却水の温度が規定温度以上の場合には、シャッタ１６を開くことにより、冷却水の温度を低下させることができるため、内燃機関１が過熱することを抑制できる。すなわち、内燃機関１の負荷が所定負荷以上の場合において、冷却水の温度が閾値以上で且つ規定温度未満となるようにシャッタ１６を制御することで、内燃機関１の過熱の抑制、ノッキングの発生、及び、燃費の向上を図ることができる。さらに、機関負荷が所定負荷未満の場合には、シャッタ１６を開くことにより、冷却水流量を減少させるので、燃焼室の温度を高いまま維持することができる。このため、摩擦損失及び冷却損失を低減することができるので、燃費を向上させることができる。

なお、本実施例では、シャッタ１６を閉じるときに該シャッタ１６を全閉にするものとして説明したが、これに代えて、シャッタ１６を閉じるときには該シャッタ１６を全開よりも小さく且つ全閉よりも大きな開度にしてもよい。さらに、本実施例では、シャッタ１６を閉じるときに該シャッタ１６を全閉にするものに代えて、内燃機関１の負荷に応じてシャッタ１６の開度を変化させることで、サーモスタット１５の開度を調整し、ウォータジャケット２における冷却水の流量を変化させてもよい。これらの場合には、任意の開度で維持可能なシャッタ１６を用いる。

ここで、図４は、冷却水の流量と内燃機関における熱効率との関係を示した図である。また、図５は、冷却水の流量と燃焼室壁温との関係を示した図である。図５に示した燃焼室壁温だけを見ると、冷却水の流量が多いほど、燃焼室壁温が低くなる。しかし、図４に示されるように、熱効率には極大値が存在する。ここで、冷却水の流量を多くしていくと、ノッキングの発生が抑制されるために、熱効率が高くなる。しかし、冷却水の流量がある程度多くなると、冷却損失や摩擦の影響が大きくなるため、熱効率が低下する。したがって、冷却損失や摩擦損失による影響が大きくなり始める冷却水の流量において、熱効率が極大値になる。

なお、熱効率が最も高くなるときの冷却水の流量は、機関負荷によって変化する。機関負荷が高いほど、ノッキングが発生し易いために、冷却水流量を多くするとノッキングを抑制する効果が大きくなる。このため、機関負荷が高いほど、熱効率の極大値が、高流量側に移動する。

そこで本実施例では、機関負荷に応じてシャッタ１６の開度を変化させることで、サー
モスタット１５の開度を変化させて、冷却水の流量を変化させてもよい。

具体的には、上記ステップＳ１０３において、シャッタ１６を閉じるときには全閉にするのではなく、現時点での機関負荷が高いほど、シャッタ１６の開度を小さくする。シャッタ１６の開度が小さいほど、ラジエータ１３における放熱量を減少させることができるため、冷却水の温度が高くなる。したがって、サーモスタット１５の開度がより大きくなるため、ラジエータ１３を流通する冷却水の量を増加させることができる。これにより、ウォータジャケット２を流通する冷却水の量を増加させることができる。機関負荷とシャッタ１６の開度との関係は予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。

（実施例２）
本実施例では、サーモスタット１５の代わりに、電動モータ等により開閉する開閉弁を備え、該開閉弁を開閉させることで冷却水の流路を変更する。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。

図６は、本実施例に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。第二冷却水通路１２とバイパス通路１４との接続部に、開閉弁２１が設けられている。開閉弁２１は、ＥＣＵ３０からの信号により開閉する。ＥＣＵ３０は、温度センサ３１により検出される冷却水の温度が、閾値以上の場合に開閉弁２１を開き、閾値未満の場合に開閉弁２１を閉じる。なお、本実施例においては開閉弁２１が、本発明における切換装置に相当する。

開閉弁２１が閉じているときには、ウォータジャケット２から第一冷却水通路１１へ流出した冷却水は、バイパス通路１４を経由して再びウォータジャケット２に送られる。一方、開閉弁２１が開いているときには、ラジエータ１３及びバイパス通路１４を経由して冷却水が循環される。

このように、冷却水の温度に応じて開閉弁２１を開閉させる場合であっても、上記実施例のサーモスタット１５と同様の冷却水温度の制御を行うことができる。そして、機関負荷が所定負荷以上のときにシャッタ１６を閉じれば、冷却水温度が閾値以上となるため、ＥＣＵ３０は、開閉弁２１を開く。これにより、冷却水流量が増加するため、燃焼室の温度を低下させることができる。これにより、ノッキングの発生を抑制できる。

（実施例３）
図７は、本実施例に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。本実施例では、シャッタ１６を備えていない。一方、ラジエータ１３と並列に、第二ラジエータ４１を備えている。また、第二ラジエータ４１の入り口側の第一冷却水通路１１には、ＥＣＵ３０からの信号により開閉する開閉弁４２が設けられている。なお、本実施例においては開閉弁４２が、本発明における放熱量可変装置に相当する。

ここで、サーモスタット１５が開いているときに開閉弁４２を開くと、ラジエータ１３及び第二ラジエータ４１に冷却水が流通するため、冷却水からより多くの熱を奪うことができる。すなわち、開閉弁４２を開くと、シャッタ１６を開くのと同様の効果を得ることができる。一方、サーモスタット１５が開いているときに開閉弁４２を閉じると、第二ラジエータ４１には冷却水が流通せず、ラジエータ１３のみに冷却水が流通する。このため、開閉弁４２を閉じているときには、開閉弁４２を開いているときよりも、冷却水から奪う熱が少なくなる。すなわち、開閉弁４２を閉じると、シャッタ１６を閉じるのと同様の効果を得ることができる。

したがって、機関負荷が所定負荷以上のときにＥＣＵ３０が開閉弁４２を閉じれば、冷却水温度が閾値以上となる。これにより、冷却水流量が増加するため、燃焼室の温度を低下させることができる。これにより、ノッキングの発生を抑制できる。

１内燃機関
２ウォータジャケット
３ウォータポンプ
１１第一冷却水通路
１２第二冷却水通路
１３ラジエータ
１４バイパス通路
１５サーモスタット
１６シャッタ
２１開閉弁
３０ＥＣＵ
３１温度センサ
３３アクセル開度センサ
３４クランクポジションセンサ
４１第二ラジエータ
４２開閉弁

ここで、内燃機関の高負荷運転時には、燃焼室の温度が高くなるためにノッキングが発生し易くなる。ノッキングの発生を抑制するためには、燃焼室を冷却している冷却水の流量を増加させることが有効である。しかし、グリルシャッタ等により内燃機関の高負荷運転時に冷却水の温度を低下させるような制御が行われると、サーモスタットが閉じてしまう。ここで、サーモスタットが開いていると、ラジエータをバイパスする通路及びラジエータに冷却水が流通し、サーモスタットが閉じているとバイパス通路のみを冷却水が流通する。したがって、サーモスタットが閉じると、冷却水がラジエータを流通することができなくなるため、その分、圧力損失が大きくなり、内燃機関を循環する冷却水の量が減少してしまう。ここで、冷却水の流量が多ければ、より多くの熱を燃焼室から奪うことができる。したがって、サーモスタットが閉じることにより冷却水の流量が減少すると、燃焼室の温度低下の効果が小さくなる。一方、内燃機関の低負荷運転時には、燃焼室の温度が低いためにノッキングが発生し難くなる。したがって、内燃機関の低負荷運転時には、冷却水の流量を多くする必要はない。

上記課題を達成するために本発明は、内燃機関の冷却水から熱を放出させるラジエータと、前記ラジエータと前記内燃機関とに冷却水を循環させるラジエータ側冷却水経路と、前記ラジエータを迂回して内燃機関に冷却水を循環させるバイパス側冷却水経路と、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値以上の場合には前記ラジエータ側冷却水経路及び前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値未満の場合には前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ且つ前記ラジエータ側冷却水経路を介して冷却水を流通させない切換装置と、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量を可変とする放熱量可変装置と、前記内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合には、前記冷却水の温度が前記閾値よりも高い温度である規定温度未満となるように前記放熱量可変装置を制御し、前記内燃機関の負荷が前記所定負荷未満の場合には、前記内燃機関の負荷が前記所定負荷以上の場合よりも、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量が多くなるように前記放熱量可変装置を制御する制御装置と、を備える。

そこで本実施例では、内燃機関１の高負荷運転時（機関負荷が所定負荷以上のとき）において、シャッタ１６を閉じている。シャッタ１６を閉じることにより、ラジエータ１３では冷却水の温度が低下し難くなるため、冷却水の温度が閾値よりも高いまま維持され、サーモスタット１５が開いたままとなる。これにより、ラジエータ１３に冷却水が継続して流れるため、ウォータジャケット２における冷却水流量を常に多くすることができる。なお、冷却水の温度が高くなりすぎると、内燃機関１が過熱する虞があるため、規定温度未満の場合に限りシャッタ１６を閉じる。

一方、内燃機関１の低負荷運転時（機関負荷が所定負荷未満のとき）には、シャッタ１６を開いている。すなわち、機関負荷が所定負荷未満の場合には、内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合よりも、ラジエータ１３における冷却水からの放熱量が多くなるようにシャッタ１６を制御している。そうすると、サーモスタット１５により、冷却水の温度が要求される温度に自動的に維持される。低負荷運転時には、燃焼室の温度が低いためにノッキングが発生し難いため、ラジエータ１３における放熱量が多くなり冷却水温度が低下し、サーモスタット１５が閉じて冷却水の流量が減少したとしてもノッキングの発生は抑制できる。さらに、低負荷運転時には、燃焼室の温度が低下し易いため、摩擦損失や冷却損失が増加し易くなるが、冷却水の流量が減少することにより、燃焼室の温度が低下することを抑制できる。

Ｔ３で示す時点において機関負荷の上昇が終わって機関負荷が一定となるが、このときには機関負荷は所定負荷以上であることからシャッタ１６は閉じたまま維持されるため、ラジエータ出口水温は上昇を続ける。これにより、サーモスタット１５の開度もさらに大きくなり、内燃機関１に流入する冷却水流量も増加を続ける。このため、燃焼室壁温をさらに低下させることができる。Ｔ４で示す時点においてラジエータ出口水温が一定となる。ここで、シャッタ１６を閉じているといっても、ラジエータ１３からの放熱を完全に遮断することは困難である。ラジエータ１３から放出される熱と、内燃機関１から受ける熱と、が釣り合うようなサーモスタット１５の開度になると、サーモスタット１５の開度が一定となる。すなわち、シャッタ１６を閉じていても、ラジエータ１３からの放熱によりラジエータ出口水温が一定となる。さらに、サーモスタット１５の開度が一定となることにより、冷却水流量が一定となり、燃焼室壁温も一定となる。Ｔ２からＴ４の期間において機関入口水温が上昇するが、このときにはサーモスタット１５の開度が大きくなることにより、冷却水流量も増加する。このため、内燃機関１の内部で単位体積当たりの冷却水が受ける熱の量が相対的に低下するために冷却水温度の上昇が抑制されるので、機関出口水温は一定となる。

Ｔ７で示す時点において機関負荷の下降が終了するが、この時には、ラジエータ出口水温がまだ高いため、サーモスタット１５は閉じる途中である。そして、Ｔ８で示す時点においてラジエータ１３から放出される熱と、内燃機関１から受ける熱と、が釣り合うようなサーモスタット１５の開度になり、Ｔ８で示す時点以降では、サーモスタット１５の開度が一定となる。これにより、ラジエータ出口水温、冷却水流量、燃焼室壁温が一定となる。Ｔ６からＴ８の期間において機関入口水温が下降するが、このときにはサーモスタット１５の開度が小さくなることにより、冷却水流量も減少する。このため、内燃機関１の内部で単位体積当たりの冷却水が受ける熱の量が相対的に増加するために冷却水温度の下降が抑制されるので、機関出口水温は一定となる。

以上説明したように、本実施例によれば、車両の速度にかかわらず、機関負荷が所定負荷以上の場合にシャッタ１６を閉じることにより、冷却水流量を増加させることができる。これにより、燃焼室の温度を低下させることができるため、ノッキングが発生することを抑制できる。また、冷却水の温度が規定温度以上の場合には、シャッタ１６を開くことにより、冷却水の温度を低下させることができるため、内燃機関１が過熱することを抑制できる。すなわち、内燃機関１の負荷が所定負荷以上の場合において、冷却水の温度が閾値以上で且つ規定温度未満となるようにシャッタ１６を制御することで、内燃機関１の過熱の抑制、ノッキングの発生の抑制、及び、燃費の向上を図ることができる。さらに、機関負荷が所定負荷未満の場合には、シャッタ１６を開くことにより、冷却水流量を減少させるので、燃焼室の温度を高いまま維持することができる。このため、摩擦損失及び冷却損失を低減することができるので、燃費を向上させることができる。

ここで、図４は、冷却水の流量と内燃機関における熱効率との関係を示した図である。また、図５は、冷却水の流量と燃焼室壁温との関係を示した図である。図５に示した燃焼室壁温だけを見ると、冷却水の流量が多いほど、燃焼室壁温が低くなる。しかし、図４に示されるように、熱効率には極大値が存在する。ここで、冷却水の流量を多くしていくと、ノッキングの発生が抑制されるために、熱効率が高くなる。しかし、冷却水の流量がある程度多くなると、冷却損失や摩擦損失の影響が大きくなるため、熱効率が低下する。したがって、冷却損失や摩擦損失による影響が大きくなり始める冷却水の流量において、熱効率が極大値になる。

Claims

内燃機関の冷却水から熱を放出させるラジエータと、
前記ラジエータと前記内燃機関とに冷却水を循環させるラジエータ側冷却水経路と、
前記ラジエータを迂回して内燃機関に冷却水を循環させるバイパス側冷却水経路と、
前記内燃機関の冷却水の温度が閾値以上の場合には前記ラジエータ側冷却水経路及び前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値未満の場合には前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ且つ前記ラジエータ側冷却水経路を介して冷却水を流通させない切換装置と、
前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量を可変とする放熱量可変装置と、
前記内燃機関の負荷が所定負荷以上の場合には、前記冷却水の温度が前記閾値以上で且つ規定温度未満となるように前記放熱量可変装置を制御し、前記内燃機関の負荷が前記所定負荷未満の場合には、前記内燃機関の負荷が前記所定負荷以上の場合よりも、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量が多くなるように前記放熱量可変装置を制御する制御装置と、
を備える内燃機関の冷却システム。
前記放熱量可変装置は、空気が前記ラジエータを通過するときの空気の流路上で開閉するシャッタである請求項１に記載の内燃機関の冷却システム。
前記切換装置は、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値以上の場合に、前記ラジエータ側冷却水経路及び前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ、前記内燃機関の冷却水の温度が閾値未満の場合に、前記バイパス側冷却水経路を介して冷却水を流通させ且つ前記ラジエータ側冷却水経路を介して冷却水を流通させないサーモスタットである請求項１または２に記載の内燃機関の冷却システム。
前記制御装置は、前記冷却水の温度が前記規定温度以上の場合には、前記冷却水の温度が前記規定温度未満の場合よりも、前記ラジエータにおける冷却水からの放熱量が多くなるように前記放熱量可変装置を制御する請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の冷却システム。