JP2016217177A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に流入する吸気の冷却要求の変化に対して応答よく対処することのできる内燃機関の冷却装置を提供する。【解決手段】低温冷却水流路に低温冷却水を循環させる低温冷却水循環回路と、高温冷却水流路に高温冷却水を循環させる高温冷却水循環回路と、シリンダブロックに設けられたシリンダに対して排気側の上部に位置し、シリンダに沿って設けられた排気側上部ウォータジャケットと、低温冷却水を排気側上部ウォータジャケットに流通させる第１流路形態と、高温冷却水を排気側上部ウォータジャケットに流通させる第２流路形態と、を切り替え可能に構成された切替弁と、制御装置と、を備える。制御装置は、現在の運転領域が吸気冷却が必要な運転領域に属する場合には第１流路形態となるように切替弁を操作し、吸気冷却が不要な運転領域に属する場合には第２流路形態となるように切替弁を操作する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関のシリンダヘッドには、冷却水が流れる流路が形成されている。特許文献１には、吸気ポート内の空気を冷却するために、シリンダヘッド内の吸気ポート周辺を冷却する冷却水が循環する第１冷却水回路を、シリンダブロック及びシリンダヘッド内の排気ポート周辺を冷却する冷却水が循環する第２冷却水回路とは独立して設けることが開示されている。

特開２０１３−１３３７４７号公報 特開２００７−２４７５４５号公報

内燃機関の運転領域は、エンジントルクとエンジン回転速度とによって特定することができる。良好な燃焼のために適切な吸気の温度（要求吸気温度）は運転領域によって異なる。これに伴い、吸気を冷却するための冷却水の温度についても、良好な燃焼のために要求される値は運転領域によって異なるものとなる。エンジン運転中には、運転領域が時々刻々と変化する。このため、運転領域の変化に伴って要求吸気温度が頻繁に変化し得る。しかしながら、冷却水の温度調整には時間を要するため、冷却水の温度調整によって要求吸気温度の変化に対処しようとすると、応答遅れが問題となる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、燃焼室内に流入する吸気の冷却要求の変化に対して応答よく対処することのできる内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の冷却装置であって、
冷却水の温度が異なる２系統の冷却水循環回路のうちの１つであって、内燃機関に形成された低温冷却水流路に低温冷却水を循環させる低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、前記内燃機関に形成された高温冷却水流路に高温冷却水を循環させる高温冷却水循環回路と、
シリンダブロックに設けられたシリンダに対して排気側の上部に位置し、前記シリンダに沿って設けられた排気側上部ウォータジャケットと、
前記低温冷却水循環回路を流れる低温冷却水を前記排気側上部ウォータジャケットに流通させる第１流路形態と、前記高温冷却水循環回路を流れる高温冷却水を前記排気側上部ウォータジャケットに流通させる第２流路形態と、を切り替え可能に構成された切替弁と、
前記内燃機関の回転速度と負荷から定められる運転領域に基づいて、前記切替弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、現在の運転領域が吸気冷却が必要な運転領域に属する場合には前記第１流路形態となるように前記切替弁を操作し、吸気冷却が不要な運転領域に属する場合には前記第２流路形態となるように前記切替弁を操作することを特徴としている。

第１の発明によれば、冷却装置は、低温冷却水循環回路を流れる低温冷却水を排気側上部ウォータジャケットに流通させる第１流路形態と、高温冷却水循環回路を流れる高温冷却水を排気側上部ウォータジャケットに流通させる第２流路形態と、を切り替え可能に構成された切替弁を備えている。そして、制御装置は、現在の運転領域が吸気冷却が必要な運転領域に属する場合には第１流路形態となるように切替弁を操作し、吸気冷却が不要な運転領域に属する場合には第２流路形態となるように前記切替弁を操作する。排気側上部ウォータジャケットは、吸気行程において燃焼室内へ流入する吸気が当たる位置を含むように設けられている。このため、本発明によれば、吸気冷却要否に応じて排気側上部ウォータジャケットに流通する冷却水を低温冷却水と高温冷却水の間で切り替えることにより、吸気冷却要否に対して応答よく対処することができる。

本発明の実施の形態の冷却装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態のシリンダブロックの吸気ポートを通る長手方向に垂直な断面を示す断面図である。 本発明の実施の形態の切替弁の内部構成を説明するための図である。 エンジンの各運転領域に対する要求を説明するための図である。

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。

実施の形態１．
１．冷却装置の構成
本実施の形態の内燃機関は冷却水によって冷却される水冷式エンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンを冷却するための冷却水は、エンジンとラジエータとの間を冷却水循環回路によって循環させられる。冷却水の供給は、エンジンの本体を構成するシリンダブロックとシリンダヘッドの両方に対して行われる。以下、本実施の形態のエンジンの冷却装置の構成について説明する。

図１は、本実施の形態の冷却装置の構成を示す図である。本実施の形態の冷却装置は、エンジン２に冷却水を供給する冷却水循環回路１０，３０を２系統備える。冷却水の供給は、エンジン２のシリンダブロック６とシリンダヘッド４の両方に対して行われる。２系統の冷却水循環回路１０，３０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１０をＬＴ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３０をＨＴ冷却水循環回路と称する。また、ＬＴ冷却水循環回路１０を循環する冷却水（低温冷却水）をＬＴ冷却水と称し、ＨＴ冷却水循環回路３０を循環する冷却水（高温冷却水）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１０は、シリンダヘッド４の内部に形成されたＬＴ冷却水流路１２を含む。ＬＴ冷却水流路１２は吸気ポート８の近傍に設けられている。図１には、４気筒分の４つの吸気ポート８が描かれている。ＬＴ冷却水流路１２は、各気筒の吸気ポート８の下面に沿って、エンジン２のクランク軸方向に延びている。

シリンダヘッド４にはＬＴ冷却水流路１２に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダヘッド４の冷却水入口は冷却水導入管１６によってＬＴラジエータ２０の冷却水出口に接続され、シリンダヘッド４の冷却水出口は冷却水排出管１８によってＬＴラジエータ２０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管１６の途中には、ＬＴ冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ２４が設けられている。電動ウォータポンプ２４の吐出量は、モータの出力を調整することによって任意に変更することができる。なお、電動ウォータポンプ２４はエンジン２のクランクシャフトにベルトを介して連結された機械式ウォータポンプとして構成されていてもよい。

ＨＴ冷却水循環回路３０は、シリンダブロック６の内部に形成されたＨＴ冷却水流路３２を含む。ＨＴ冷却水流路３２の構成については詳細を後述する。シリンダブロック６にはＨＴ冷却水流路３２に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダブロック６の冷却水入口は冷却水導入管３４によってＨＴラジエータ４０の冷却水出口に接続され、シリンダヘッド４の冷却水出口は冷却水排出管３６によってＨＴラジエータ４０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管３４の途中には、ＨＴ冷却水を循環させるための機械式のウォータポンプ３８が設けられている。ウォータポンプ３８はエンジン２のクランクシャフトにベルトを介して連結されている。なお、ウォータポンプ３８は、モータの出力を調整することによって吐出量を任意に変更することができる電動ウォータポンプとして構成されていてもよい。また、冷却水排出管３６の途中には、ＨＴ冷却水との間で熱交換を行うためのヒータ４２が設けられている。

本実施の形態の冷却装置は、シリンダブロック６の内部に形成されたブロック内冷却水流路４４を備えている。ブロック内冷却水流路４４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。以下、図２を参照してさらに詳しく説明する。

図２は、シリンダブロック６の前端の側から見た長手方向に垂直な断面のうち、シリンダブロック６にシリンダヘッド４を組み付けたときに吸気ポート８が含まれることになる断面を示す断面図である。図２には、二点鎖線でシリンダヘッド４とピストン７０が描かれている。シリンダヘッド４はペントルーフ形状の燃焼室７２を備え、燃焼室７２には吸気ポート８及び排気ポート７４がつながっている。吸気ポート８は、燃焼室７２に向かってほぼ真っ直ぐに延びるストレートポートであって、タンブル流を生成することのできるタンブル流生成ポートとして構成されている。図２には、タンブル流７６のイメージが矢印線で描かれている。

図２に示す断面において、シリンダヘッド４に対して吸気側には、上述したＨＴ冷却水流路３２が形成されている。より詳しくは、ＨＴ冷却水流路３２は、シリンダヘッド４の吸気側の壁面６ａ及び排気側の下部の壁面６ｃを覆うウォータジャケットとして構成されている。また、シリンダヘッド４に対して排気側には、上述のブロック内冷却水流路４４が形成されている。より詳しくは、ブロック内冷却水流路４４は、シリンダ７８に対して排気側の上部の壁面６ｂを覆うウォータジャケットとして構成されている。なお、ブロック内冷却水流路４４は、シリンダブロック６の内部において上述したＨＴ冷却水流路３２とは独立している。空気は、吸気ポート８の上面に張り付くように流れながらシリンダ７８に入り、シリンダ７８の排気側の壁面６ｂにあたって縦に旋回し、タンブル流７６を形成する。ブロック内冷却水流路４４は、このタンブル流があたる壁面６ｂを冷やすように設けられている。このように、ブロック内冷却水流路４４はシリンダの局所的な部位を囲むウォータジャケットを構成しているのに対し、ＨＴ冷却水流路３２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。

再び図１に戻り、本実施の形態の冷却装置は、切替弁５２を備えている。切替弁５２は主入口“FROM”につながる２つの出口“OUT1”及び“OUT2”と、主出口“TO”につながる２つの入口“IN1”及び“IN2”を、それぞれ切り替え可能に構成されている。

シリンダブロック６にはブロック内冷却水流路４４に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。この冷却水入口は冷却水導入管５４によって切替弁５２の主入口“FROM”に接続され、この冷却水出口は冷却水排出管５６によって切替弁５２の主出口“TO”に接続されている。切替弁５２の入口“IN1”は、配管５８によって冷却水導入管１６における電動ウォータポンプ２４の下流側に接続されている。切替弁５２の出口“OUT1”は、配管６０によって冷却水排出管１８の途中に接続されている。また、切替弁５２の入口“IN2”は、配管６０によって冷却水導入管３４におけるウォータポンプ３８の下流側に接続されている。さらに、切替弁５２の出口“OUT2”は、配管６２によって冷却水排出管３６におけるヒータ４２の下流側に接続されている。

切替弁５２の操作は、制御装置５０により行われる。制御装置５０は、冷却装置の制御装置であると同時にエンジン２の運転を制御する制御装置でもある。制御装置５０は１又は複数のＣＰＵとメモリを含むＥＣＵ（Electronic Control Unit）を主体として構成されている。制御装置５０には、エンジン２の運転状態を取得するためのセンサの信号として、吸入空気量を計測するエアフローメータ（図示せず）や、エンジン回転速度を取得するためのクランク角センサ（図示せず）からの信号が入力される。制御装置５０は、入力された信号に基づいてエンジン２の運転領域を特定し、切替弁５２を制御する。

２．切替弁の内部構成
切替弁５２は、例えば、図３に示すように構成することができる。図３は、切替弁５２の内部構成を説明するための図である。切替弁５２は、内部の弁体を回転操作することにより図３中の（Ａ）に示す第１流路形態と、図３中の（Ｂ）に示す第２流路形態とを切り替え可能に構成されている。図３中の（Ａ）に示す第１流路形態では、切替弁５２の主入口“FROM”と出口“OUT1”及び主出口“TO”と入口“IN1”とがそれぞれ連通されるとともに、入口“IN2”と出口“OUT2”がそれぞれ閉塞される。その結果、冷却水導入管１６を流通するＬＴ冷却水の一部が配管５８、切替弁５２、冷却水導入管５４、ブロック内冷却水流路４４、及び冷却水排出管５６、切替弁５２、及び配管６０を流通して冷却水排出管１８に合流する。これにより、ブロック内冷却水流路４４にはＬＴ冷却水が流通する。

一方、図３中の（Ｂ）に示す第２流路形態では、切替弁５２の主入口“FROM”と出口“OUT2”及び主出口“TO”と入口“IN2”がそれぞれ連通されるとともに、入口“IN1”と出口“OUT1”とがそれぞれ閉塞される。その結果、冷却水導入管３４を流通するＨＴ冷却水の一部が配管６２、切替弁５２、冷却水導入管５４、ブロック内冷却水流路４４、及び冷却水排出管５６、切替弁５２、及び配管６４を流通して冷却水排出管３６に合流する。これにより、ブロック内冷却水流路４４にはＨＴ冷却水が流通する。

３．運転領域に応じた切替弁の切り替え動作
上述したように、切替弁５２は、ブロック内冷却水流路４４に流れる冷却水をＬＴ冷却水とＨＴ冷却水都の間で切り替える切替弁として機能する。ブロック内冷却水流路４４にＬＴ冷却水が流通すると、吸気ポート８から吸入された空気のシリンダ７８の壁面６ｂからの受熱を効率よく抑えて吸気冷却能力を高めることができる。

また、一方において、ブロック内冷却水流路４４にＨＴ冷却水が流通すると、ＬＴ冷却水が流通していた場合よりも吸気冷却能力を低下させることができる。このように、本実施の形態の冷却装置によれば、応答よく動作させることが可能な切替弁５２を操作することにより、吸気冷却能力を応答よく変化させることが可能となる。

ここで、吸気冷却要求は、エンジン２の運転領域によって変化する。図４は、吸気冷却要求の観点からエンジン運転領域を表した図である。なお、図４中に示す運転領域は、エンジントルクとエンジン回転速度とによって特定されている。以下に説明する要求があるエンジンとしては、例えば、エンジン２を含めて理論空燃比の下で運転が行われるエンジンが該当する。

図４中にハッチングを付して示す領域は、吸気冷却要求のある運転領域を示している。この領域は、領域Ｒ１と領域Ｒ２とを含む。領域Ｒ１は、ノックの発生が懸念される高負荷側の運転領域（特に低回転高負荷領域）であり、領域Ｒ１では、ノック発生の抑制のために吸気冷却が必要とされる。領域Ｒ２は、燃焼安定性の確保のために吸気冷却が不可となる運転領域に相当する。一方、図４においてハッチングが付されていない領域Ｒ３は、非ノック領域であって、吸気冷却が不要な（より具体的には、吸気冷却の要否が不問とされる）運転領域である。

本実施の形態の冷却装置では、制御装置５０は、領域Ｒ１については第１流路形態を実現し、領域Ｒ２及び領域Ｒ３では第２流路形態を実現するように、切替弁５２を操作する。なお、切替弁５２の動作を決定するための現在の運転領域の取得は、例えば、エアフローメータにより計測される吸入空気流量に基づいて算出されるエンジントルクと、クランク角センサの検出値に基づいて算出されるエンジン回転速度とを用いて行うことができる。

エンジンの運転中には、エンジン運転領域が時々刻々と変化する。このため、運転中には、吸気冷却要求の有無が頻繁に変更され得る。しかしながら、吸気冷却要求の有無の変更に関してＬＴ冷却水の温度を変化させて対処しようとすると、応答遅れが問題となる。運転領域が過渡的に変化する際に吸気の温度を応答良く制御することができないと、例えば、ノックの発生を抑制するために点火時期を遅角側に設定することが必要とされる。このことは、エンジンの燃費の悪化要因になり、また、加速時のエンジントルクが低下し、加速に要する時間を長くする要因となる。

これに対し、本実施形態の構成によれば、切替弁５２によって第１流路形態が実現された状態では、ブロック内冷却水流路４４を流れる低温のＬＴ冷却水によって吸気受熱を効率よく抑えて吸気冷却能力を高めることができる。一方、切替弁５２によって第２流路形態が実現された状態では、ブロック内冷却水流路４４を流れる高温のＨＴ冷却水によって、過剰な冷却を抑制してエンジンの摺動部分のフリクションの増大や冷却損失の増大を抑制することができ、また、吸気冷却を不可とする要求にも対応できるようになる。

このように、本実施の形態の冷却装置によれば、ＬＴ冷却水の温度調整に頼ることなく、吸気冷却要求の有無の頻繁な変化に応答よく対処することができる。その結果、運転領域が過渡的に変化する際においても、例えば、点火時期の遅角の抑制によって燃焼をより適切なものとすることができるので、燃費向上および加速時間の短縮を図ることができる。

なお、上述した実施の形態１の制御装置では、ＬＴ冷却水流路１２が第１の発明の「低温冷却水流路」に相当し、ＬＴ冷却水循環回路１０が第１の発明の「低温冷却水循環回路」に相当し、ＨＴ冷却水流路３２が第１の発明の「高温冷却水流路」に相当し、ＨＴ冷却水循環回路３０が第１の発明の「高温冷却水循環回路」に相当し、ブロック内冷却水流路４４が第１の発明の「排気側上部ウォータジャケット」に相当している。

２ エンジン
４ シリンダヘッド
６ シリンダブロック
６ａ 壁面
６ｂ 壁面
６ｃ 壁面
８ 吸気ポート
１０ ＬＴ冷却水循環回路
１２ ＬＴ冷却水流路
１６ 冷却水導入管
１８ 冷却水排出管
２０ ＬＴラジエータ
２４ 電動ウォータポンプ
３０ ＨＴ冷却水循環回路
３２ ＨＴ冷却水流路
３４ 冷却水導入管
３６ 冷却水排出管
３８ ウォータポンプ
４０ ＨＴラジエータ
４２ ヒータ
４４ ブロック内冷却水流路
５０ 制御装置
５２ 切替弁
５４ 冷却水導入管
５６ 冷却水排出管
５８，６０，６２，６４ 配管

Claims (1)

1. 冷却水の温度が異なる２系統の冷却水循環回路のうちの１つであって、内燃機関に形成された低温冷却水流路に低温冷却水を循環させる低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、前記内燃機関に形成された高温冷却水流路に高温冷却水を循環させる高温冷却水循環回路と、
   シリンダブロックに設けられたシリンダに対して排気側の上部に位置し、前記シリンダに沿って設けられた排気側上部ウォータジャケットと、
   前記低温冷却水循環回路を流れる低温冷却水を前記排気側上部ウォータジャケットに流通させる第１流路形態と、前記高温冷却水循環回路を流れる高温冷却水を前記排気側上部ウォータジャケットに流通させる第２流路形態と、を切り替え可能に構成された切替弁と、
   前記内燃機関の回転速度と負荷から定められる運転領域に基づいて、前記切替弁を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、現在の運転領域が吸気冷却が必要な運転領域に属する場合には前記第１流路形態となるように前記切替弁を操作し、吸気冷却が不要な運転領域に属する場合には前記第２流路形態となるように前記切替弁を操作することを特徴とする内燃機関の冷却装置。

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