JP2016211461A - 車両用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷間始動時、流入する冷却水の温度と表面温度との温度差によるヒートショックによって低温ラジエータが破損してしまうことを回避することができる車両用冷却装置を提供する。【解決手段】内燃機関が冷間始動する場合、低温冷却水循環回路を流れる冷却水の低温ラジエータへの通水を禁止するとともに、冷却ファンを逆回転させて高温ラジエータで熱せられた空気を低温ラジエータへ供給する。そして、高温ラジエータから与えられた熱によって低温ラジエータの表面温度が上昇し、低温ラジエータの表面温度と低温冷却水循環回路を流れる冷却水の温度との温度差が所定温度以下になったとき、低温冷却水循環回路を流れる冷却水の低温ラジエータへの通水を許可する。【選択図】図２

Description

本発明は、車両用冷却装置に関し、特に、内燃機関を冷却する冷却水が流れる冷却水循環回路を２系統有する車両用冷却装置に関する。

下記の特許文献１には、車両の走行風の上流側から順に、水冷インタークーラを冷却する冷却水が流れる低温ラジエータ、内燃機関を冷却する冷却水が流れる高温ラジエータ、冷却ファン、そして、内燃機関が配置された構成が開示されている。

特開２０１５−００４３３２号公報 特開２００６−３４１７８４号公報

ところで、本特許出願に係る発明者らは、内燃機関を冷却する冷却水が流れる冷却水循環回路を２系統有する車両用冷却装置を設けることについて検討している。具体的には、シリンダブロック及びシリンダヘッドの全体を冷却する高温冷却水循環回路と、吸気ポート等の吸気の温度への影響が特に大きい部位を局所的に冷却する低温冷却水循環回路とを設けることを検討している。この構成によれば、内燃機関の全体を過度に冷却せずに、吸気の温度への影響が特に大きい部位に限定して局所的に冷却を強めることができる。ゆえに、この構成によれば、フリクションを増大させることなく吸気の温度を低下させて異常燃焼の発生を効果的に抑制することができ、また、吸気の充填効率を向上させることもできるものと期待される。

ただし、上記の検討中の技術（この技術は本特許出願の出願時点では未公知である）には解決すべき課題がある。内燃機関の冷間始動時は、暖機を促進するために冷却水のラジエータへの通水、特に、低温ラジエータへの通水は禁止される。内燃機関の内部を通過する低温冷却水循環回路の冷却水は内燃機関からの受熱によって温度が上昇していくが、その冷却水は低温ラジエータには流れないため、内燃機関の暖機が進んでも低温ラジエータの表面温度は低いままとなる。その結果、低温冷却水循環回路を流れる冷却水と低温ラジエータの表面温度との間に大きな温度差が生じる。やがて、低温ラジエータへの通水が開始されたとき、低温ラジエータの表面温度との温度差が大きい冷却水が流れ込むことによってヒートショックが発生し、低温ラジエータが破損してしまうおそれがある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の冷間始動時、流入する冷却水の温度と表面温度との温度差によるヒートショックによって低温ラジエータが破損してしまうことを回避することができる車両用冷却装置を提供する。

本発明に係る車両用冷却装置は、上記目的を達成するため、
内燃機関を冷却する冷却水が流れる２系統の冷却水循環回路のうちの１つであって、相対的に高温の冷却水を循環させる高温冷却水循環回路と、
前記２系統の冷却水循環回路のうちの１つであって、相対的に低温の冷却水を循環させる低温冷却水循環回路と、
前記高温冷却水循環回路を流れる冷却水を冷却する高温ラジエータと、
前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水を冷却する低温ラジエータと、
前記高温ラジエータ及び前記低温ラジエータに冷却のための空気を流す冷却ファンと、を備え、前記冷却ファンの正回転時の空気の流れの方向の上流側に前記低温ラジエータが配置され、下流側に前記高温ラジエータが配置されている車両用冷却装置において、
前記内燃機関が冷間始動する場合、前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水の前記低温ラジエータへの通水を禁止しつつ前記冷却ファンを逆回転させ、前記低温ラジエータの表面温度が上昇して前記低温ラジエータの表面温度と前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水の温度との温度差が所定温度以下になったとき、前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水の前記低温ラジエータへの通水を許可することを特徴とする。

本発明に係る車両用冷却装置によれば、内燃機関の冷間始動時、低温ラジエータへの冷却水の通水を禁止しつつ、冷却ファンを逆回転させ冷却ファンが起こす風によって高温ラジエータから低温ラジエータへ熱を供給することにより、低温ラジエータの表面温度を速やかに上昇させることができる。そして、低温ラジエータへの冷却水の通水が許可されるのは、低温ラジエータの表面温度と低温冷却水循環回路を流れる冷却水の温度との温度差が小さくなってからであるので、ヒートショックよって低温ラジエータが破損してしまうことを回避することができる。

実施の形態の車両用冷却装置の構成を示す図である。 実施の形態の車両用冷却装置の動作を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

図１は、本実施の形態の車両用冷却装置の構成を示す図である。本実施の形態の車両用冷却装置は、内燃機関（以下、エンジン）２０に冷却水を供給する冷却水循環回路７，１２を２系統備える。冷却水の供給は、エンジン２０のシリンダブロック１とシリンダヘッド２の両方に対して行われる。２系統の冷却水循環回路７，１２はともに独立した閉ループであり、循環する冷却水の温度を異ならせることができる。以下、相対的に低温の冷却水が循環する冷却水循環回路１２をＬＴ冷却水循環回路（低温冷却水循環回路）と称し、相対的に高温の冷却水が循環する冷却水循環回路７をＨＴ冷却水循環回路（高温冷却水循環回路）と称する。また、ＬＴ冷却水循環回路１２を循環する冷却水をＬＴ冷却水と称し、ＨＴ冷却水循環回路７を循環する冷却水をＨＴ冷却水と称する。なお、ＬＴはLow Temperatureの略であり、ＨＴはHigh Temperatureの略である。

ＬＴ冷却水循環回路１２は、シリンダヘッド２の内部に形成されたヘッド内ＬＴ冷却水流路（図示略）と、シリンダブロック１の内部に形成されたブロック内ＬＴ冷却水流路（図示略）とを含む。ヘッド内ＬＴ冷却水流路は吸気ポートの近傍に設けられている。ブロック内ＬＴ冷却水流路はシリンダ上部の特に吸気流があたりやすい部分を囲むように設けられている。吸気ポートの温度やシリンダ上部の壁面温度はノッキングに対する感度が高い。よって、これらをＬＴ冷却水によって重点的に冷却することにより、高負荷域でのノッキングの発生を効果的に抑えることができる。

ＬＴ冷却水循環回路１２には、低温ラジエータであるＬＴラジエータ４と、ＬＴラジエータ４をバイパスするバイパス通路（ＬＴバイパス通路）１５とが設けられている。ＬＴバイパス通路１５の分岐部には、３方弁（ＬＴ３方弁）１４が設けられている。ＬＴ３方弁１４は、ＬＴラジエータ４に流すＬＴ冷却水の流量とＬＴバイパス通路１５に流すＬＴ冷却水の流量との比率を変更することができる。ＬＴ３方弁１４が全開ではＬＴラジエータ４に全てのＬＴ冷却水が流れ、全閉ではＬＴバイパス通路１５に全てのＬＴ冷却水が流れ、途中開度ではその開度に応じた比率でＬＴラジエータ４とＬＴバイパス通路１５の両方にＬＴ冷却水が流れる。ＬＴ冷却水循環回路１２におけるＬＴバイパス通路１５の合流部の下流には、ＬＴ冷却水を循環させるための電動式のウォータポンプ（ＬＴウォータポンプ）１３が設けられている。

ＬＴ冷却水循環回路１２におけるＬＴ３方弁１４の上流には、エンジン２０内を通過したＬＴ冷却水の温度を計測するための温度センサであるＬＴ水温センサ１６が取り付けられている。本実施の形態においては、ＬＴ冷却水の温度（以下、ＬＴ水温）とは、ＬＴ水温センサ１６により計測されるＬＴ冷却水の出口温度を意味するものとする。また、ＬＴラジエータ４の表面には、その表面温度を計測するための温度センサであるＬＴラジエータ表面温度センサ１８が取り付けられている。

ＨＴ冷却水循環回路７は、シリンダブロック１の内部に形成されたブロック内ＨＴ冷却水流路（図示略）と、シリンダヘッド２の内部に形成されたヘッド内ＨＴ冷却水流路（図示略）とを含む。前述のブロック内ＬＴ冷却水流路が局所的に設けられたものであるのに対し、ブロック内ＨＴ冷却水流路はシリンダの周囲を囲むウォータジャケットの主要部を構成している。ヘッド内ＨＴ冷却水流路は排気ポート近傍から吸気ポート近傍にかけて設けられている。

ＨＴ冷却水循環回路７には、高温ラジエータであるＨＴラジエータ３と、ＨＴラジエータ３をバイパスするバイパス通路（ＨＴバイパス通路）１０とが設けられている。ＨＴバイパス通路１０の合流部には、サーモスタット（ＨＴサーモスタット）９が設けられている。ＨＴサーモスタット９が全閉のときにはＨＴラジエータ３にはＨＴ冷却水が流れず、ＨＴサーモスタット９の開度が大きくなるにつれてＨＴラジエータ３を通るＨＴ冷却水の比率が大きくなっていき、ＨＴサーモスタット９が全開になると全てのＨＴ冷却水がＨＴラジエータ３を通るようになる。ＨＴ冷却水循環回路７におけるＨＴサーモスタット９の下流には、ＨＴ冷却水を循環させるためのエンジン駆動式或いは電動式のウォータポンプ（ＨＴウォータポンプ）８が設けられている。

ＨＴ冷却水循環回路７におけるＨＴバイパス通路１０の分岐部の上流には、エンジン２０内を通過したＨＴ冷却水の温度を計測するための温度センサであるＨＴ水温センサ１１が取り付けられている。本実施の形態においては、ＨＴ冷却水の温度（以下、ＨＴ水温）とは、ＨＴ水温センサ１１により計測されるＨＴ冷却水の出口温度を意味するものとする。また、ＨＴラジエータ３の表面には、その表面温度を計測するための温度センサであるＨＴラジエータ表面温度センサ１７が取り付けられている。

本実施の形態の車両用冷却装置は、ＨＴラジエータ３及びＬＴラジエータ４に強制的に冷却風を通すための冷却ファン６と、走行風がＨＴラジエータ３及びＬＴラジエータ４を通ることを防ぐためのラジエータシャッタ５とを備える。ラジエータシャッタ５、ＬＴラジエータ４、ＨＴラジエータ３、及び、冷却ファン６は、何れもエンジン２０に対して車両の走行風の流れの方向の上流に位置している。車両の走行風の流れの方向の最上流にラジエータシャッタ５が位置し、走行風の流れの方向に沿って順にＬＴラジエータ４、ＨＴラジエータ３、冷却ファン６が配置されている。なお、車両の走行風の流れの方向は、冷却ファン６の正回転時の空気の流れの方向に一致している。

本実施の形態の車両用冷却装置は、その運転を制御するための制御装置３０を備える。制御装置３０は、少なくともＨＴ水温センサ１１、ＬＴ水温センサ１６、ＨＴラジエータ表面温度センサ１７、ＬＴラジエータ表面温度センサ１８からセンサ信号を受信し、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、少なくともラジエータシャッタ５、冷却ファン６、ＬＴウォータポンプ１３、ＬＴ３方弁１４を操作する。制御装置３０により実行される制御プログラムには、エンジン２０の冷間始動時に実行される始動時制御のプログラムが含まれる。以下、始動時制御の内容について、それが実行されたときの車両用冷却装置の動作を示すタイムチャートを参照して説明する。

図２は、始動時制御を実行したときの車両用冷却装置の動作を示すタイムチャートである。図２の１段目のチャートはラジエータシャッタ５の開閉状態を示し、２段目のチャートはＬＴ３方弁１４の開閉状態を示し、３段目のチャートは冷却ファン６の逆回転方向への動作状態を示し、４段目のチャートは冷却ファン６の正回転方向への動作状態を示し、５段目のチャートはＨＴサーモスタット９の開度を示している。そして、最下段のチャートは、ＨＴ水温、ＬＴ水温、ＨＴラジエータ表面温度、及び、ＬＴラジエータ表面温度を示している。

図２のタイムチャートでは、時刻t0においてエンジン２０が始動する。エンジン２０の始動の時点ではラジエータシャッタ５は閉じられ、ＬＴ３方弁１４は閉じられ、冷却ファン６は停止され、ＨＴサーモスタット９は閉じている。そして、この状態でのＨＴ水温、ＬＴ水温、ＨＴラジエータ表面温度、及び、ＬＴラジエータ表面温度は、何れも外気温に等しくなっている。

エンジン２０が始動すると、ＨＴウォータポンプ８は、それがエンジン駆動式の場合はエンジン２０に駆動されて作動し、それが電動式の場合は制御装置３０からの指令によって作動し、ＨＴ冷却水循環回路７のＨＴ冷却水を循環させる。このときＨＴサーモスタット９は閉じているので、ＨＴラジエータ３にはＨＴ冷却水は流れない。また、ＬＴウォータポンプ１３は制御装置３０からの指令によって作動し、ＬＴ冷却水循環回路１２のＬＴ冷却水を循環させる。このとき、制御装置３０はＬＴ３方弁１４を閉じており、ＬＴラジエータ４へのＬＴ冷却水の通水は禁止されている。

エンジン２０の始動後、ＨＴ冷却水循環回路７を循環するＨＴ冷却水はエンジン２０が発する熱によって暖められる。同様に、ＬＴ冷却水循環回路１２を循環するＬＴ冷却水もエンジン２０が発する熱によって暖められる。これにより、ＨＴ水温とＬＴ水温はともに次第に上昇していく。

ＨＴ水温が設定温度に達するとＨＴサーモスタット９が開き始める（時刻t1）。ＨＴサーモスタット９が開くことでＨＴラジエータ３にもエンジン２０で暖められたＨＴ冷却水が流れ、ＨＴラジエータ表面温度はＨＴ水温に追従して上昇していく。

やがて、ＨＴラジエータ表面温度が所定のファン逆転開始温度ＴＬｆまで上昇したとき（時刻t2）、制御装置３０は冷却ファン６を逆回転させることを開始する。冷却ファン６の逆回転によってＨＴラジエータ３からＬＴラジエータ４への空気の流れができ、ＨＴラジエータ３の表面の熱がＬＴラジエータ４の表面へ与えられるようになる。このときラジエータシャッタ５は閉じられたままであるので、ＬＴラジエータ４の周辺に熱がこもり、周囲の高温の空気とＬＴラジエータ４の表面との間で熱交換が進む。これにより、ＬＴラジエータ表面温度はＨＴラジエータ表面温度に追従するように上昇していく。

参考までに、最下段のチャートには、冷却ファン６を逆回転させなかった場合のＬＴラジエータ表面温度の推移が破線で示されている。この場合、ＬＴラジエータ４は熱を与えられることがないため、いつまで経ってもＬＴラジエータ表面温度は上昇しない。

そして、ＬＴラジエータ表面温度が上昇し、ＬＴ水温とＬＴラジエータ表面温度との温度差が所定温度ΔＴ２以下になったとき（時刻t3）、制御装置３０はＬＴ３方弁１４を開き始める。これにより、禁止されていたＬＴラジエータ４へのＬＴ冷却水の通水が許可され、ＬＴ冷却水循環回路１２を循環するＬＴ冷却水の一部がＬＴラジエータ４へ流れるようになる。上記の所定温度ΔＴ２は、ヒートショックによるＬＴラジエータ４の破損が生じないことが確実な温度に設定されている。なお、ＬＴラジエータ４の表面の温度にはばらつきがあり、また、材料強度にもばらつきがある。制御装置３０は、ＬＴ３方弁１４をいきなり全開にするのではなく、時間をかけて徐々に開くことによって、それらばらつきに左右されずにヒートショックを確実に防ぐことができるようにしている。ＬＴ３方弁１４が開かれることで、ＬＴ冷却水はエンジン２０とＬＴラジエータ４との間を循環するようになる。

参考までに、最下段のチャートには、冷却ファン６を逆回転させなかった場合の、時刻t3におけるＬＴ水温とＬＴラジエータ表面温度との温度差をΔＴ１で示している。ΔＴ１は所定温度ΔＴ２よりも明らかに大きいため、仮にこのような温度差のもとでＬＴ３方弁１４を開いた場合、ＬＴ冷却水がＬＴラジエータ４に流れたときにヒートショックによるＬＴラジエータ４の破損が生じるおそれがある。

エンジン２０の暖機が進むにつれてＨＴ水温とＬＴ水温は益々上昇していく。そして、ＨＴ水温が閾値温度ＴＨｓに達し、また、ＬＴ水温が閾値温度ＴＬｓに達したとき（時刻t4）、制御装置３０は、ラジエータシャッタ５を開くとともに、冷却ファン６の逆回転を停止して正回転を開始する。冷却ファン６が正回転することによりエンジンルーム内に低温の外気が取り込まれ、ＬＴラジエータ４とＨＴラジエータ３の各表面が外気で冷やされるようになる。これにより、ＨＴラジエータ３とＬＴラジエータ４からの放熱が促進され、ＨＴ水温及びＬＴ水温の過上昇は防止される。

以上説明した車両用冷却装置の始動時制御によれば、ＬＴラジエータ４へのＬＴ冷却水の通水が許可されるのは、ＬＴラジエータ４の表面温度とＬＴ温度との温度差が小さくなってからであるので、ヒートショックよってＬＴラジエータ４が破損してしまうことを回避することができる。

また、上記の始動時制御によれば、ＬＴ冷却水のＬＴラジエータ４への通水を禁止しつつ、ラジエータシャッタ５を閉じた状態で冷却ファン６を逆回転させることにより、ＬＴラジエータ４の表面温度を速やかに上昇させることができる。これにより、ＬＴラジエータ４への通水を早期に許可して、ＬＴラジエータ４によるＬＴ冷却水の冷却の開始時期を早めることができる。ＬＴ冷却水は吸気ポート等の吸気の温度への影響が特に大きい部位を局所的に冷却しているので、ＬＴ冷却水の冷却を早期に開始することができれば、吸気の温度を低下させて燃費を向上させることができる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ＨＴラジエータ
４ ＬＴラジエータ
５ ラジエータシャッタ
６ 冷却ファン
７ ＨＴ冷却水循環回路
８ ＨＴウォータポンプ
９ ＨＴサーモスタット
１０ ＨＴバイパス通路
１１ ＨＴ水温センサ
１２ ＬＴ冷却水循環回路
１３ ＬＴウォータポンプ
１４ ＬＴ３方弁
１５ ＬＴバイパス通路
１６ ＬＴ水温センサ
１７ ＨＴラジエータ表面温度センサ
１８ ＬＴラジエータ表面温度センサ
２０ エンジン
３０ 制御装置

Claims (1)

1. 内燃機関を冷却する冷却水が流れる２系統の冷却水循環回路のうちの１つであって、相対的に高温の冷却水を循環させる高温冷却水循環回路と、
   前記２系統の冷却水循環回路のうちの１つであって、相対的に低温の冷却水を循環させる低温冷却水循環回路と、
   前記高温冷却水循環回路を流れる冷却水を冷却する高温ラジエータと、
   前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水を冷却する低温ラジエータと、
   前記高温ラジエータ及び前記低温ラジエータに冷却のための空気を流す冷却ファンと、を備え、前記冷却ファンの正回転時の空気の流れの方向の上流側に前記低温ラジエータが配置され、下流側に前記高温ラジエータが配置されている車両用冷却装置において、
   前記内燃機関が冷間始動する場合、前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水の前記低温ラジエータへの通水を禁止するとともに前記冷却ファンを逆回転させ、前記低温ラジエータの表面温度が上昇して前記低温ラジエータの表面温度と前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水の温度との温度差が所定温度以下になったとき、前記低温冷却水循環回路を流れる冷却水の前記低温ラジエータへの通水を許可することを特徴とする車両用冷却装置。

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