JP2017089586A - 車両の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態に応じた適切な冷却を実現する。【解決手段】シリンダヘッド２の排気ポート周囲に形成された第１ウォータジャケット４と、シリンダヘッド２の吸気ポート周囲に形成された第２ウォータジャケット５と、シリンダブロック３に形成された第３ウォータジャケット１０は、冷却水が循環する循環経路１２内に、互いの関係が並列となるよう配置されている。そして、第１ウォータジャケット４、第２ウォータジャケット５及び第３ウォータジャケット１０毎に冷却水の供給量が設定されている。これによって、運転状態に応じた適切な冷却水の制御が可能となり、更なる燃費の向上を図ることができる【選択図】図１

Description

本発明は、車両の冷却装置に関する。

例えば、特許文献１には、シリンダヘッド内の吸気ポート周囲に設けられる吸気ポート冷却水通路を含む第１冷却水回路と、シリンダブロックに設けられるシリンダブロック冷却水通路とシリンダヘッド内の排気ポート周囲に設けられる排気ポート冷却水通路とを含み、第１冷却水回路とは独立に形成される第２冷却水回路と、を備えた内燃機関の冷却構造が開示されている。

この特許文献１においては、吸気ポートの周囲の冷却と排気ポートの周囲の冷却とを独立して制御することができ、エンジンの暖機を促進しつつ、吸気温度の低く保ちノッキングを抑制することができる。

ここで、内燃機関の燃費性能は、燃焼室の温度や内燃機関のフリクションの影響を受ける。そのため、冷却水で内燃機関を冷却するにあたっては、運転状態に応じて内燃機関各部位への冷却水の供給量を制御することでさらなる燃費向上を図れる可能性がある。

特開２０１３−１３３７４６号公報

しかしながら、特許文献１において、第２冷却水回路は、シリンダブロック冷却水通路を流れた冷却水が排気ポート冷却水通路に流れ込む構成となっている。従って、シリンダブロックを冷却しようとすると排気ポートも冷却され、排気ポートを冷却しようとするとシリンダブロックも冷却される。つまり、排気ポートの冷却をシリンダブロックの冷却と独立して行うことができない。

そのため、内燃機関の冷却が必ずしも最適化されているとは言えず、燃費向上を図る上で更なる改善の余地がある。

本発明の車両の冷却装置は、シリンダヘッドの排気ポート周囲に形成された第１ウォータジャケットと、上記シリンダヘッドの吸気ポート周囲に形成された第２ウォータジャケットと、シリンダブロックに形成された第３ウォータジャケットと、が循環経路内に互いの関係が並列となるよう配置されているとともに、運転状態に応じて上記ウォータジャケット毎に冷却水の供給量を設定することを特徴としている。

本発明によれば、運転状態に応じた適切な冷却水の制御が可能となり、内燃機関の燃費の更なる向上を図ることが可能となる。

本発明に係る車両の冷却装置の概略を模式的に示した説明図。 本発明に係る車両の冷却装置における冷却水の循環経路の概略を模式的に示した説明図。 本発明に係る車両の冷却装置のシリンダヘッドの概略を模式的に示した説明図。 流路切替弁の概略を模式的に示した説明図であって、（ａ）は全閉状態、（ｂ）はヒータにのみ冷却水が供給された状態、（ｃ）はヒータ及びオイルクーラに冷却水が供給された状態、（ｄ）はヒータ、オイルクーラ及びラジエータに冷却水が供給された状態、（ｅ）は全開状態を示す。 内燃機関始動後の各種温度と各種燃費効果の変化を示したタイミングチャート。 冷却水の冷機始動時からの温度上昇の傾向を示した特性図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る車両の冷却装置の概略を模式的に示した説明図である。図２は、本発明に係る車両の冷却装置のおける冷却水の循環経路１２の概略を模式的に示した説明図である。図３は、本発明が適用された内燃機関１のシリンダヘッド２の概略を模式的に示した説明図である。

図１及び図２に示すように、内燃機関１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３を有している。

シリンダヘッド２は、アルミニウム合金等の金属材料からなり、内部に当該シリンダヘッド２を冷却するための第１ウォータジャケット４及び第２ウォータジャケット５が互いに独立するよう形成される。

第１ウォータジャケット４は、図３に示すように、シリンダヘッド２の排気ポート６の周囲に形成される。本実施例におけるシリンダヘッド２は、各気筒７の排気を集合させる排気マニホールド部８を一体に鋳造したものであって、第１ウォータジャケット４が排気マニホールド部８の周囲にも形成されている。なお、図３は、一例として内燃機関１が直列３気筒の場合のシリンダヘッド２を示している。

第２ウォータジャケット５は、図３に示すように、シリンダヘッド２の吸気ポート９の周囲に形成される。

第１、第２ウォータジャケット４、５には、図３に矢示する方向に冷却水が通流する。

シリンダブロック３は、アルミニウム合金等の金属材料からなり、内部に当該シリンダブロック３を冷却するための第３ウォータジャケット１０が形成されている。第３ウォータジャケット１０は、シリンダブロック３のシリンダボア（図示せず）の周囲に形成される。

シリンダブロック３には、内燃機関１により駆動されるウォータポンプ１１が取り付けられている。第１〜第３ウォータジャケット４、５、１０に供給される冷却水は、第１〜第３ウォータジャケット４、５、１０を含む循環経路１２内を循環する。第１〜第３ウォータジャケット４、５、１０は、循環経路１２内に互いの関係が並列となるように配置されている。

循環経路１２は、図２に示すように、ウォータポンプ１１から吐出した冷却水が流入するウォータインレット１３と、冷却水の流れ方向でみてウォータインレット１３の下流側に位置して互いの関係が並列となる第１、第２、第３冷却水通路１４、１５、１６と、第１冷却水通路１４に配置した第１ウォータジャケット４及び第１制御弁としての流量制御弁１７と、第２冷却水通路１５に配置した第２ウォータジャケット５と、第３冷却水通路１６に配置した第３ウォータジャケット１０と、第１〜第３冷却水通路１４、１５、１６が合流する合流部としてのウォータアウトレット１８と、ウォータアウトレット１８に取り付けた第２制御弁としての流路切替弁１９と、一端を流路切替弁１９を介してウォータアウトレットに接続した第４、第５、第６冷却水通路２０、２１、２２と、一端をウォータアウトレット１８に直接接続し、他端を第６冷却水通路２２に接続した第７冷却水通路２３と、第４冷却水通路２０に互いの関係が並列となるよう配置したオイルクーラ２４ａ、２４ｂと、第５冷却水通路２１に配置したラジエータ２５と、第６冷却水通路２２に互いの関係が直列となるよう配置したヒータ２６及びＥＧＲクーラ２７と、第７冷却水通路２３に配置したスロットル弁２８と、を有している。

ウォータインレット１３は、シリンダブロック３に形成される。

第１冷却水通路１４は、一端をウォータインレット１３に接続し、他端を第１ウォータジャケット４の気筒列方向の一端側に接続した第１ウォータジャケット入口側通路３１と、一端を第１ウォータジャケット４の気筒列方向の他端側に接続し、他端をウォータアウトレット１８に接続した第１ウォータジャケット出口側通路３２と、を有している。

第１制御弁としての流量制御弁１７は、第１ウォータジャケット出口側通路３２に設けられている。流量制御弁１７は、例えば電子制御式の電磁弁であり、連続的あるいは段階的に開度を調整することができる。

第２冷却水通路１５は、一端をウォータインレット１３に接続し、他端を第２ウォータジャケット５の気筒列方向の一端側に接続した第２ウォータジャケット入口側通路３４と、一端を第２ウォータジャケット５の気筒列方向の他端側に接続し、他端をウォータアウトレット１８に接続した第２ウォータジャケット出口側通路３５と、を有している。

第３冷却水通路１６は、一端をウォータインレット１３に接続し、他端を第３ウォータジャケット１０の気筒列方向の一端側に接続した第３ウォータジャケット入口側通路３６と、サーモスタット３８を介して一端を第３ウォータジャケット１０の気筒列方向の他端側に接続し、他端をウォータアウトレット１８に接続した第３ウォータジャケット出口側通路３７と、を有している。サーモスタット３８は、冷却水の温度に応じて作動するものであり、冷却水の温度が所定温度以上になると開弁して第３ウォータジャケット１０を冷却水が通流する。

第１、第２冷却水通路１４、１５は、例えばシリンダブロック３及びシリンダヘッド２の内部に形成されている。第３冷却水通路１６は、例えば第３ウォータジャケット入口側通路３６がシリンダブロック３の内部に形成され、第３ウォータジャケット出口側通路３７が内燃機関１の外側にシリンダブロック３やシリンダヘッド２とは別体の金属製のパイプ等によって形成される。

ウォータアウトレット１８は、例えばシリンダヘッド２に取り付けられた金属製のウォータアウトレットハウジング３９内に形成される。

流路切替弁１９は、例えば電子制御式の電磁弁であり、図４に示すように、断面円弧形状の弁体４１の回転に伴い、ヒータ２６、オイルクーラ２４ａ、２４ｂ及びラジエータ２５へ冷却水を順次供給するものである。つまり、流路切替弁１９は、第４〜第６冷却通路２０、２１、２２に対して選択的に冷却水を供給可能なものである。

図４の例では、ヒータ２６、オイルクーラ２４ａ、２４ｂ及びラジエータ２５への冷却水の流れを全て遮断した状態（図４ａ）から弁体４１が図４ａにおける時計方向に回転すると、ヒータ２６に冷却水が供給され、オイルクーラ２４ａ、２４ｂ及びラジエータ２５への冷却水の流れが遮断された状態（図４ｂ）となる。図４ａは、流路切替弁１９が全閉となった状態である。図４ｂの状態から弁体４１が図４ｂにおける時計方向に回転すると、ヒータ２６及びオイルクーラ２４ａ、２４ｂに冷却水が供給され、ラジエータ２５への冷却水の流れが遮断された状態（図４ｃ）となる。図４ｃの状態から弁体４１が図４ｃにおける時計方向に回転すると、ヒータ２６、オイルクーラ２４ａ、２４ｂ及びラジエータ２５に冷却水が供給された状態（図４ｄ）となる。ここで、ヒータ２６、オイルクーラ２４ａ、２４ｂ及びラジエータ２５に冷却水が供給された状態で、弁体４１の回転量を調整すれば、ラジエータ２５への冷却水の供給量を制御することが可能となる。図４ｅは、流路切替弁１９が全開となった状態であり、弁体４１によってヒータ２６、オイルクーラ２４ａ、２４ｂ、及びラジエータ２５に冷却水の供給が何ら妨げられない状態である。

第４〜第６冷却水通路２０、２１、２２は、他端側がウォータポンプ１１の吸入側に接続されている。第７冷却水通路２３は、他端側が第６冷却水通路２２のヒータ２６とＥＧＲクーラ２７との間の位置に接続されている。

オイルクーラ２４ａはエンジンオイルを冷却するオイルクーラであり、オイルクーラ２４ｂは車両に搭載された図示せぬトランスミッションである無段変速機（ＣＶＴ）の作動油を冷却するオイルクーラである。

ラジエータ２５は、高温となった冷却水の熱を大気に放散するものである。

ヒータ２６は、内燃機関１が搭載される車両の車室内の空調装置の構成要素である。

ＥＧＲクーラ２７には、ヒータ２６を通過した冷却水と、第７冷却水通路２３を流れた冷却水が供給される。

なお、第７冷却水通路２３は流路切替弁１９を介さずにウォータアウトレット１８に接続されているので、スロットル弁２８には、ウォータポンプ１１が駆動すると氷結防止等のための冷却水がウォータアウトレット１８からを常に供給される。

本実施例においては、例えば表１に示すように、運転状態に応じて第１〜第３ウォータジャケット４、５、１０毎に冷却水の供給量を設定する。なお、本実施例では、内燃機関１が始動してウォータポンプ１１が駆動されていれば、第２ウォータジャケット５に内燃機関１の回転数に応じた流量の冷却水が通流する。

内燃機関１の始動時（例えば始動後２０秒まで）は、第１冷却水通路１４の流量制御弁１７を閉弁し第１ウォータジャケット４における冷却水の流れを停止する。また、内燃機関１の始動時（例えば始動後２０秒まで）は、冷却水温度が低くサーモスタット３８が開弁していないため、第３ウォータジャケット１０における冷却水の流れは停止している。

暖機運転を短期間で終了させるためにアイドル回転数を上昇させたファーストアイドル時は、冷却水の温度上昇促進のために、第１冷却水通路１４の流量制御弁１７を閉弁し第１ウォータジャケット４における冷却水の流れを停止する。また、ファーストアイドル時は、冷却水温度が低くサーモスタット３８が開弁していないため、第３ウォータジャケット１０における冷却水の流れは停止している。

暖機後、空燃比が理論空燃比よりもリーンとなる運転領域（リーン運転領域）では、排気通路に設けられた排気浄化用の触媒（図示せず）の昇温のために、第１冷却水通路１４の流量制御弁１７の開度を小さくし、第１ウォータジャケット４を流れる冷却水の流量を小とする。また、暖機後のリーン運転領域では、サーモスタット３８の開弁温度に応じて、第３ウォータジャケット１０における冷却水の流量が制御される。つまり、冷却水の温度がサーモスタット３８の開弁温度以上となると、第３ウォータジャケット１０を冷却水が通流する。

暖機後の低速高負荷運転領域では、第１冷却水通路１４の流量制御弁１７の開度を大きくし第１ウォータジャケット４を流れる冷却水の流量を大としてノッキングを抑制することで、空燃比の相対的なリーン化（必ずしも理論空燃比よりリーンではない）を図る。これは、燃費向上やエミッション低減のためである。また、暖機後の低速高負荷運転領域では、サーモスタット３８の開弁温度に応じて、第３ウォータジャケット１０における冷却水の流量が制御される。

暖機後の高速高負荷運転領域では、第１冷却水通路１４の流量制御弁１７の開度を大きくし第１ウォータジャケット４を流れる冷却水の流量を大としてノッキングを抑制することで、空燃比の相対的なリーン化（必ずしも理論空燃比よりリーンではない）を図る。これは、燃費向上やエミッション低減のためである。また、暖機後の高速高負荷運転領域では、サーモスタット３８の開弁温度に応じて、第３ウォータジャケット１０における冷却水の流量が制御される。

このように、本実施例における車両の冷却装置においては、運転状態に応じた適切な冷却水の制御が可能となり、内燃機関１の燃費の更なる向上を図ることが可能となる。

内燃機関１の燃費は、内燃機関１の燃焼室温度、内燃機関１のフリクション、上記無段変速機のフリクション等の影響を受ける。内燃機関１の燃焼室温度を決める因子としては、未燃燃料の量、内燃機関１の冷却損失、減速時の燃料カット等がある。内燃機関１のフリクションを決める因子としては、エンジンオイルの油温がある。上記無段変速機のフリクションを決める因子としては、当該無段変速機の作動油の油温がある。

図５は、内燃機関１始動後の各種温度と各種燃費効果の変化を示したタイミングチャートである。

特性線Ａ（実線）は冷却水温度、特性線Ｂ（破線）はエンジンオイルの油温、特性線Ｃ（一点鎖線）は上記無段変速機の作動油の油温を示しており、いずれも内燃機関１が始動すると温度が上昇する。

また特性線Ｄ（実線）は燃焼室温度を高くすることによる燃費効果、特性線Ｅ（破線）は内燃機関１のフリクションを低くすることによる燃費効果、特性線Ｆ（一点鎖線）は上記無段変速機のフリクションを低くすることによる燃費効果をそれぞれ示している。これらの燃費効果は値が大きいほど燃費に対する影響が大きく、これらの燃費効果のうち相対的に値が大きいものの燃費効果が得られるようにすることで、内燃機関１の燃費を総じて向上させることが可能となる。

そこで、上述した実施例では、相対的に燃費に対する影響の大きい燃費効果が他の燃費効果に切り替わるタイミングで流量制御弁１７の開度を変更する。

例えば、燃費に対して燃焼室温度を高くすることによる燃費効果が相対的に大きい状態から、燃費に対して内燃機関１のフリクションを低くすることによる燃費効果が相対的に大きい状態に運転状態が変化するタイミングや、燃費に対して内燃機関１のフリクションを低くすることによる燃費効果が相対的に大きい状態から燃費に対して燃焼室温度を高くすることによる燃費効果が相対的に大きい状態に運転状態が変化するタイミング等で、流量制御弁１７の開度を変更する。

換言すると、相対的に燃費に対する影響の大きい燃費効果が他の燃費効果と入れ替わるタイミングに相当する冷却水温度を切替温度（所定温度）として実機による適合で予め求めておき、この切替温度と冷却水温度とを用いて流量制御弁１７の開度を変更する。

図５においては、内燃機関１の始動から時刻ｔまで燃費に対して燃焼室温度が高くなることによる燃費効果が相対的に大きく、時刻ｔ以降は燃費に対して内燃機関１のフリクションが低くなることによる燃費効果または上記無段変速機のフリクションが低くなることによる燃費効果が相対的に大きくなっている。

そこで、燃費に対して燃焼室温度による燃費効果が相対的に小さくなるタイミング、すなわち燃焼室温度が高くなることによる燃費効果と内燃機関１のフリクションが低くなることによる燃費効果が逆転する時刻ｔまでは、流量制御弁１７を閉弁して第１ウォータジャケット４における冷却水の流れを停止する。時刻ｔ以降は、フリクションが低くなることによる燃費効果が相対的に大きくなるので、流量制御弁１７を開弁して第１ウォータジャケット４へ冷却水を流すとともに、オイルクーラ２４ａ、２４ｂに対して冷却水が流れるように流路切替弁１９を制御する。

換言すれば、燃焼室温度が高くなることによる燃費効果と内燃機関１のフリクションが低くなることによる燃費効果が逆転する時の冷却水温度である切替温度（所定温度）を実機による適合で予め求めておき、冷却水温度がこの切替温度よりも低ければ、燃費に対して燃焼室温度が高くなることによる燃費効果が相対的に大きい運転領域と判断して流量制御弁１７を閉弁する。冷却水温度が上記切替温度以上であれば、燃費に対してフリクションが低くなることによる燃費効果が相対的に大きい運転領域と判断し、流量制御弁１７を開弁するとともに、オイルクーラ２４ａ、２４ｂに対して冷却水が流れるように流路切替弁１９を制御する。

これによって、燃焼室温度が高くなることによる燃費効果が相対的に大きくなる運転状態では、冷却水によるシリンダヘッド２の冷却が抑制され、燃焼室温度の上昇が促進される。そのため、冷機時においては内燃機関１の暖機が促進されて未燃燃料が低減するとともに、燃料噴射を停止する減速時においては燃料カット領域が拡大し、総じて内燃機関１の燃費向上を図ることができる。

また、フリクションが低くなることによる燃費効果が相対的に大きくなる運転状態では、オイルクーラ２４ａ、２４ｂに供給される冷却水の流量が相対的に増大し、相対的に温度の高い冷却水によりエンジンオイルや上記無段変速機の作動油の温度上昇が促進される。そのため、内燃機関１及び上記無段変速機のフリクション低減が促進され、総じて内燃機関１の燃費を向上させることができる。

図６は、上述した実施例における冷却水の冷機始動時からの温度上昇の傾向を示した特性図である。

図６中に実線で示す特性線Ｇは、流量制御弁１７を閉弁して第１ウォータジャケット４に冷却水を通流させない場合の冷却水の温度変化を示している。図６中に破線で示す特性線Ｈは、流量制御弁１７を開弁して第１ウォータジャケット４に冷却水を通流させた場合の冷却水の温度変化を示している。

図６に示すように、冷却水の温度は、流量制御弁１７を開弁することによって、速やかに上昇する。

つまり、冷却水の水温特性への影響が大きい第１ウォータジャケット４への冷却水の通流を運転状態に応じて制御すれば、空燃比が理論空燃比よりもリーンとなる運転領域（リーン領域）では、排気温度制御により排気通路に設けられた排気浄化用の触媒の排気の処理能力低下を抑制できる。また、高負荷運転領域（高負荷領域）では、排気温度制御による空燃比の相対的なリッチ化を抑制（空燃比の相対的なリーンを促進）することができる。

なお、上述した実施例の内燃機関１は、シリンダヘッド２に排気マニホールド部８が一体に鋳造されているが、シリンダヘッド２に対して別体の排気マニホールドが取り付けられる内燃機関に対しても本発明は適用可能である。すなわち、第１ウォータジャケット４がシリンダヘッド２の各気筒７の排気ポート６の周囲にのみ形成された内燃機関に対しても、本発明は適用可能である。但し、上述した実施例のように、第１ウォータジャケット４がシリンダヘッド２の各気筒７の排気ポート６の周囲及び排気マニホールド部８の周囲に形成されていれば、第１ウォータジャケット４がシリンダヘッド２の各気筒７の排気ポート６の周囲にのみ形成されている場合に比べ、第１ウォータジャケット４における冷却水と排気との間の熱交換が一層促進される。

１…内燃機関
２…シリンダヘッド
３…シリンダブロック
４…第１ウォータジャケット
５…第２ウォータジャケット
６…排気ポート
８…排気マニホールド部
９…吸気ポート
１０…第３ウォータジャケット
１１…ウォータポンプ
１２…循環経路
１４…第１冷却水通路
１５…第２冷却水通路
１６…第３冷却水通路
１７…流量制御弁
１９…流路切替弁
２４ａ…オイルクーラ
２４ｂ…オイルクーラ

Claims (8)

1. 冷却水が循環する循環経路内に、内燃機関のシリンダヘッドの排気ポート周囲に形成された第１ウォータジャケットと、上記シリンダヘッドの吸気ポート周囲に形成された第２ウォータジャケットと、上記内燃機関のシリンダブロックに形成された第３ウォータジャケットと、を配置した車両の冷却装置において、
   上記各ウォータジャケットは、上記循環経路に互いの関係が並列となるよう配置され、
   運転状態に応じて上記ウォータジャケット毎に冷却水の供給量を設定することを特徴とする車両の冷却装置。
2. 上記循環経路は、互いの関係が並列となる第１冷却水通路、第２冷却水通路及び第３冷却水通路を有し、
   上記第１冷却水通路に上記第１ウォータジャケット、上記第２冷却水通路に上記第２ウォータジャケット、上記第３冷却水通路に上記第３ウォータジャケットをそれぞれ配置し、
   上記第１冷却水通路に上記第１ウォータジャケットを流れる冷却水の流量を制御する第１制御弁を設けることを特徴とする請求項１に記載の車両の冷却装置。
3. 燃費に対して上記内燃機関の燃焼室温度の影響が相対的に大きい運転領域では、上記第１制御弁を閉じて上記第１ウォータジャケットへの冷却水の流れを停止することを特徴とする請求項２に記載の車両の冷却装置。
4. 燃費に対して内燃機関のフリクションの影響が相対的に大きい運転領域では、上記各ウォータジャケットの下流側に位置するオイルクーラに冷却水を流すとともに、上記第１制御弁を開いて上記第１ウォータジャケットへ冷却水を流すことを特徴とする請求項２または３に記載の車両の冷却装置。
5. 上記第１制御弁は、冷却水温度が所定温度以上になると開弁するよう制御され、
   上記所定温度は、燃費に対して燃焼室温度の影響が相対的に大きい運転領域から燃費に対して内燃機関のフリクションの影響が相対的に大きい運転領域に切り替わる際の冷却水温度であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の車両の冷却装置。
6. 上記第１制御弁は、冷却水温度が上記所定温度より低くなると閉弁することを特徴とする請求項５に記載の車両の冷却装置。
7. 上記循環経路内に、上記第１冷却水通路、第２冷却水通路及び第３冷却水通路を通過した冷却水が合流する集合部と、上記集合部の下流側の各種ユニットへの冷却水の流れを遮断可能で、かつ上記各種ユニットに対して選択的に冷却水を供給可能な第２制御弁と、を有し、
   冷却水温度が上記所定温度よりも高くなると、上記各種ユニットの一つであるオイルクーラに冷却水が流れるよう上記第２制御弁を制御することを特徴とする請求項５または６に記載の車両の冷却装置。
8. 上記シリンダヘッドは、各気筒の排気を集合させる排気マニホールド部が一体に鋳造されたものであって、上記第１ウォータジャケットを上記排気マニホールド部の周囲にも形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の車両の冷却装置。

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