JP2018091163A - 多気筒エンジン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多気筒エンジンの熱バランスを改善するように冷却する。
【解決手段】シリンダヘッド１１Ｂを有するエンジンに冷却水を循環させて冷却する多気筒エンジン冷却装置２０は、シリンダヘッド１１Ｂについての複数の排気管３２が配列される排気側に延在するように独立して形成された排気側冷却路２４と、シリンダヘッド１１Ｂについての複数の吸気管３１が配列される吸気側に延在するように独立して形成された吸気側冷却路２７と、排気側冷却路２４を通過した後の冷却水が循環のために流れる第一下流側冷却水路３０と、排気側冷却路２４から更に吸気側冷却路２７を通過した後の冷却水を第一下流側冷却水路３０の途中へ流す第二下流側冷却水路２８と、排気側冷却路２４から排出された冷却水の流路を、吸気側冷却路２７と第一下流側冷却水路３０との間で切り替える切替バルブ２５と、を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、多気筒エンジンを冷却する装置に関する。

多気筒エンジンは、複数のシリンダが形成されたエンジン本体を有する。そして、たとえば自動車といった車両において動力源として用いられる。多気筒エンジンでは、シリンダに燃料および空気を供給し、この混合気を圧縮燃焼させることによりピストンを押し下げ、動力を得る。シリンダに供給する燃料（または混合気）の量を増減することにより、エンジン出力を増減することができる。
ところで、このような多気筒エンジンでは、シリンダにおいて燃料（または混合気）が燃焼することにより熱が発生する。このため、エンジンに冷却水を供給し、エンジンを冷却する必要がある。
特許文献１では、エンジン本体のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの排気側部分に、冷却水を流す冷却路を形成している。

特開平０８−２２６３２２号公報

ところで、特許文献１にあるようにシリンダヘッドの排気側のみを冷却水で冷却することにより、たとえばシリンダヘッドの排気側とともに吸気側を冷却した冷却水よりも高い温度の冷却水を生成することができる。この高い温度の冷却水をたとえば熱交換器といった熱回収器へ供給することにより、熱回収効率を高めることを期待できる。
しかしながら、シリンダヘッドは、その排気側のみだけでなく、吸気側についても熱せられる。その全体が熱せられる。その結果、シリンダヘッドの排気側のみを冷却した場合には、シリンダヘッドの吸気側の温度が段々と高くなってゆく可能性がある。

このように多気筒エンジンでは、吸気側の冷却を疎かにすることなく、高い熱回収効率を実現することが求められている。

本発明に係る多気筒エンジン冷却装置は、複数のシリンダの配置に基づいて複数組の吸気管および排気管が連結されたシリンダヘッドを有するエンジンに冷却水を循環させて冷却する多気筒エンジン冷却装置であって、前記シリンダヘッドについての複数の排気管が配列される排気側に延在するように独立して形成された排気側冷却路と、前記シリンダヘッドについての複数の吸気管が配列される吸気側に延在するように独立して形成された吸気側冷却路と、前記排気側冷却路を通過した後の冷却水が循環のために流れる第一下流側冷却水路と、前記排気側冷却路から更に前記吸気側冷却路を通過した後の冷却水を前記第一下流側冷却水路の途中へ流す第二下流側冷却水路と、前記排気側冷却路から排出された冷却水の流路を、前記吸気側冷却路と前記第一下流側冷却水路との間で切り替える切替バルブと、を有する。

好適には、前記第一下流側冷却水路に設けられた熱回収器、を有し、前記第二下流側冷却水路は、前記熱回収器をバイパスするように前記熱回収器より下流側で第一下流側冷却水路と連結される、とよい。

好適には、前記冷却水の循環を制御する制御部、を有し、前記制御部は、エンジン始動直後には、前記排気側冷却路から排出された冷却水を、前記吸気側冷却路へ流すように切替バルブを切り替える、とよい。

好適には、前記制御部は、エンジン始動直後の冷態時に熱交換を必要とする場合、前記排気側冷却路から排出された冷却水を前記熱回収器へ供給するために、前記第一下流側冷却水路へ流すように切替バルブを切り替える、とよい。

好適には、前記制御部は、エンジンの高負荷時には、前記排気側冷却路から排出された冷却水を、前記第一下流側冷却水路へ流すように切替バルブを切り替える、とよい。

好適には、前記切替バルブには、前記排気側冷却路、前記吸気側冷却路、および前記第一下流側冷却水路が接続されている、とよい。

本発明では、シリンダヘッドの排気側と吸気側とには、排気側冷却路と吸気側冷却路とが互いに独立して形成される。そして、冷却水の循環経路は、排気側冷却路を通過した後の冷却水が循環のために流れる第一下流側冷却水路と、排気側冷却路から更に吸気側冷却路を通過した後の冷却水を第一下流側冷却水路の途中へ流す第二下流側冷却水路と、を有し、切替バルブにより、排気側冷却路から排出された冷却水の流路を、吸気側冷却路と第一下流側冷却水路との間で切り替える。
したがって、排気側冷却路から排出された冷却水の流路を、吸気側冷却路へ切り替えることにより、シリンダヘッドの吸気側に冷却水を流し、シリンダヘッドの吸気側を冷却することができる。シリンダヘッドは、その排気側および吸気側が冷却され、排気側および吸気側のそれぞれの熱バランスに安定し得る。
また、排気側冷却路から排出された冷却水の流路を、第一下流側冷却水路へ切り替えることにより、シリンダヘッドについての高温側となる排気側のみを冷却したことにより高温になった冷却水を、第一下流側冷却水路へ流すことができる。そして、この第一下流側冷却水路にたとえば熱回収器を設けることにより、高温の冷却水から効率良く熱を回収することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置を用いた自動車の説明図である。 図２は、図１の多気筒エンジンの模式的な縦断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置の構成図である。 図４は、冷却水の循環経路の切り替え制御の説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置２０を用いた自動車１の説明図である。

図１の自動車１は、車体２を有する。車体２の車幅方向両側には、車輪３が配置される。また、車体２の前部には、多気筒エンジン４、ラジエタ２１、などが配置される。
自動車１は、乗員室のシート６に着座した運転手による手動運転操作により、またはナビゲーション装置５１の生成経路などに基づく自動運転装置５２による自動運転制御により走行する。また、手動運転中には、自動運転装置５２は、運転支援制御を実施する。

図２は、図１の多気筒エンジン４の模式的な縦断面図である。図２には、この他にもエンジン制御部１８が図示されている。

図２の多気筒エンジン４は、シリンダブロック１１Ａおよびシリンダヘッド１１Ｂを有するエンジン本体１１、シリンダブロック１１Ａに一列に並べて形成される４つのシリンダ１２、各シリンダ１２内に配置される４つのピストン１３、４つのフライホイール１４を有する出力軸１５、各ピストン１３とフライホイール１４とを連結する４つのコンロッド１６、を有する。シリンダヘッド１１Ｂは、シリンダ１２の頭部に燃焼室を形成するように、シリンダブロック１１Ａに重ねられる。シリンダヘッド１１Ｂには、燃焼室に露出するようにインジェクタ１７が配置される。各シリンダ１２では、インジェクタ１７が噴射した燃料と空気との混合気をピストン１３の上昇で圧縮し、図示外のプラグで燃焼させ、燃焼気体の圧力によりピストン１３を押し下げる。このピストン１３を押し下げる力は、コンロッド１６およびフライホイール１４を通じて出力軸１５を回転させる。そして、基本的には、インジェクタ１７から噴射する燃料の量を増やすと出力軸１５の回転トルクおよび回転速度が上昇し、減らすと出力軸１５の回転トルクおよび回転速度が降下する。
エンジン制御部１８は、インジェクタ１７から噴射する燃料の量を制御することにより、エンジン出力を制御する。
また、エンジン制御部１８は、４つのインジェクタ１７から同じ量の燃料を噴射させるのではなく、４つのインジェクタ１７から異なる量の燃料を噴射させることもできる。具体的にはたとえば、４つのインジェクタ１７の一部から燃料を噴射させるとともに、残りのインジェクタ１７からの燃料噴射を休止させる。これにより、燃料の総噴出量を抑えて、燃費を向上させることができる。燃料を噴出しないインジェクタ１７が設けられたシリンダ１２は、燃焼をしない休止状態となる。これに対し、燃料が噴出されるインジェクタ１７が設けられたシリンダ１２は、燃焼をする連続稼働状態となる。

ところで、このような多気筒エンジン４では、シリンダヘッド１１Ｂの排気側のみを冷却水で冷却することにより、たとえばシリンダヘッド１１Ｂの排気側とともに吸気側を冷却した冷却水よりも高い温度の冷却水を生成することができる。この高い温度の冷却水をたとえば熱交換器２６といった熱回収器へ供給することにより、熱回収効率を高めることを期待できる。
しかしながら、シリンダヘッド１１Ｂは、その排気側のみだけでなく、吸気側についても熱せられる。その全体が熱せられる。その結果、シリンダヘッド１１Ｂの排気側のみを冷却した場合には、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側の温度が段々と高くなってゆく可能性がある。
このように多気筒エンジン４では、吸気側の冷却を疎かにすることなく、高い熱回収効率を実現することが求められている。

図３は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置２０の構成図である。

図３の多気筒エンジン冷却装置２０は、複数のシリンダ１２が形成されたエンジン本体１１の特にシリンダヘッド１１Ｂを冷却するものである。図３には、エンジン本体１１のシリンダヘッド１１Ｂが図示されている。また、シリンダヘッド１１Ｂには、複数のシリンダ１２の配置に基づいて複数組の吸気管３１および排気管３２が連結されている。
多気筒エンジン冷却装置２０は、ラジエタ２１、上流側冷却水路２２、ポンプ２３、排気側冷却路２４、切替バルブ２５、熱交換器２６、吸気側冷却路２７、第二下流側冷却水路２８、冷却系制御部２９、第一下流側冷却水路３０、を有する。

ラジエタ２１は、図１に示すように、車体２の最前部に配置される。ラジエタ２１は、外気により冷却水を冷却する。

上流側冷却水路２２は、ラジエタ２１とエンジン本体１１とを連結する。
ポンプ２３は、上流側冷却水路２２に設けられ、ラジエタ２１の冷却水をエンジン本体１１へ供給する。

排気側冷却路２４および吸気側冷却路２７は、エンジン本体１１のシリンダヘッド１１Ｂにおいて、複数のシリンダ１２の配列方向に沿って延在して形成される。排気側冷却路２４は、シリンダヘッド１１Ｂについての複数の排気管３２の側に形成される。吸気側冷却路２７は、シリンダヘッド１１Ｂについての複数の吸気管３１の側に形成される。
なお、図面上、排気側冷却路２４および吸気側冷却路２７の各々は線で示しているが、実際には、シリンダヘッド１１Ｂ内でその構造に応じた流路幅に適宜形成されてよい。
また、同図では、排気側冷却路２４および吸気側冷却路２７の各々はシリンダヘッド１１Ｂを貫通して完全に独立したものとして図示しているが、シリンダヘッド１１Ｂの端部において互いに連結していてもよい。たとえば切替バルブ２５がシリンダヘッド１１Ｂに内蔵される場合、切替バルブ２５から熱交換器２６までの流路の一部がシリンダヘッド１１Ｂ内に形成されることになる。この場合、排気側冷却路２４と吸気側冷却路２７とは、シリンダヘッド１１Ｂの端部において互いに連結されることになる。

切替バルブ２５は、流入する冷却水についての供給先を切り替える。

熱交換器２６は、冷却水から熱を回収する。

そして、上流側冷却水路２２は、排気側冷却路２４の一端に接続される。排気側冷却路２４の他端には、切替バルブ２５が接続される。切替バルブ２５には、この他にも吸気側冷却路２７の一端と、第一下流側冷却水路３０とが接続される。熱交換器２６は、第一下流側冷却水路３０の途中に設けられる。第一下流側冷却水路３０の他端は、ラジエタ２１に接続される。これにより、シリンダヘッド１１Ｂの排気側のみを冷却した冷却水のみを熱交換器２６へ循環させる循環経路が形成される。冷却水は、ポンプ２３の送りにより、上流側冷却水路２２から排気側冷却路２４、切替バルブ２５、第一下流側冷却水路３０、熱交換器２６へ順番に流れ、ラジエタ２１へ戻る。
また、吸気側冷却路２７の他端は、第二下流側冷却水路２８の一端が接続される。第二下流側冷却水路２８の他端は、第一下流側冷却水路３０の途中に接続される。第二下流側冷却水路２８は、熱交換器２６より下流側において第一下流側冷却水路３０に接続される。これにより、シリンダヘッド１１Ｂの排気側および吸気側へ冷却水を循環させる経路が形成される。冷却水は、ポンプ２３の送りにより、上流側冷却水路２２から排気側冷却路２４、切替バルブ２５、吸気側冷却路２７、第二下流側冷却水路２８、第一下流側冷却水路３０へ順番に流れ、ラジエタ２１へ戻る。

冷却系制御部２９は、エンジン制御部１８、ナビゲーション装置５１、自動運転装置５２、乗員室を加熱または冷却する空調装置５３、シリンダ別温度センサ５４、冷却路別温度センサ５５、熱交換器温度センサ５６、タイマ５７が接続される。
そして、冷却系制御部２９は、これら各部からの情報に基づいて、循環経路での冷却水の循環を制御する。たとえば切替バルブ２５を切替え制御する。

シリンダ別温度センサ５４は、多気筒エンジン４のエンジン本体１１において、各シリンダ１２の近くに配置される。これにより、シリンダ別温度センサ５４は、シリンダ１２毎の温度を検出する。

冷却路別温度センサ５５は、たとえば排気側冷却路２４、吸気側冷却路２７に設けられる。これにより、冷却路別温度センサ５５は、排気側冷却路２４や吸気側冷却路２７に流れる冷却水の温度を検出する。

熱交換器温度センサ５６は、熱交換器２６に設けられる。これにより、熱交換器温度センサ５６は、熱交換器２６のたとえば触媒の温度または熱交換器２６を流れた後の冷却水の温度を検出する。

タイマ５７は、たとえば経過期間などの時間を計測する。

図４は、冷却水の循環経路の切り替え制御の説明図である。
冷却系制御部２９は、エンジン制御部１８などからの情報に基づいて、冷却水の循環経路を切り替える制御を実行する。

たとえば多気筒エンジン４を始動した直後の冷態時には、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側を暖めることが望ましい。
この場合、冷却系制御部２９は、図４（Ａ）に示すように、切替バルブ２５に吸気側冷却路２７を選択させる。切替バルブ２５は、吸気側冷却路２７への流路を開き、第一下流側冷却水路３０への流路を閉じる。
冷却水は、ポンプ２３の動力により、排気側冷却路２４、切替バルブ２５、吸気側冷却路２７、第二下流側冷却水路２８をその順番で流れ、ラジエタ２１へ供給される。冷却水は、エンジン本体１１のシリンダヘッド１１Ｂの排気側および吸気側を流れる。シリンダヘッド１１Ｂの排気側の熱により暖められた冷却水は、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側を流れ、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側を暖めることができる。また、シリンダヘッド１１Ｂを冷却することにより暖められた冷却水は、第二下流側冷却水路２８を通じて、ラジエタ２１へ戻される。
なお、この他にもたとえば、多気筒エンジン４の通常運転時には、図４（Ａ）に示す状態に制御して、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側を冷却することが望ましい。エンジンの通常運転時には、比較的高温になる排気側、比較的低温の吸気側の双方をその温度の高低に応じて冷却することで、エンジン本体１１を効率よく冷却することができる。

また、寒冷時期において乗員室が低温である場合、できる限り早期に乗員室内を暖めるのが望ましい。エンジン始動直後の冷態時であっても、熱交換器２６へ高い温度の冷却水を供給し、高い熱回収効率で熱交換器２６を動作させるのが望ましい。
この場合、冷却系制御部２９は、図４（Ｂ）に示すように、切替バルブ２５に熱交換器２６を選択させる。切替バルブ２５は、第一下流側冷却水路３０への流路を開き、吸気側冷却路２７への流路を閉じる。
冷却水は、ポンプ２３の動力により、排気側冷却路２４、切替バルブ２５、第一下流側冷却水路３０の熱交換器２６をその順番で流れ、ラジエタ２１へ供給される。冷却水は、エンジン本体１１のシリンダヘッド１１Ｂの排気側のみを流れる。シリンダヘッド１１Ｂの排気側のみの熱により暖められた冷却水は、熱交換器２６へ直接供給される。また、熱交換器２６において熱の一部が回収された冷却水は、ラジエタ２１へ戻される。
これにより、排気側冷却路２４を通過することにより暖められた直後の冷却水を、冷却の必要性の薄い吸気側を経由せず、熱交換器２６へ供給することかできる。熱交換器２６は、高い温度の冷却水に基づいて、必要とされている熱を効率よく回収することができる。
なお、この他にもたとえば、エンジンが温まった通常運転時であっても、エンジンが高負荷状態となる場合には、切替バルブ２５から熱交換器２６へ冷却水を供給させるとよい。これにより、高負荷状態のエンジン本体１１により非常に高い温度に加熱された冷却水の熱の一部が、エンジン本体１１へ戻らないようにできる。

以上のように、本実施形態では、シリンダヘッド１１Ｂの排気側と吸気側とには、排気側冷却路２４と吸気側冷却路２７とが互いに独立して形成される。そして、冷却水の循環経路は、排気側冷却路２４を通過した後の冷却水が循環のために流れる第一下流側冷却水路３０と、排気側冷却路２４から更に吸気側冷却路２７を通過した後の冷却水を第一下流側冷却水路３０の途中へ流す第二下流側冷却水路２８と、を有し、切替バルブ２５により、排気側冷却路２４から排出された冷却水の流路を、吸気側冷却路２７と第一下流側冷却水路３０との間で切り替える。
したがって、排気側冷却路２４から排出された冷却水の流路を、吸気側冷却路２７へ切り替えることにより、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側に冷却水を流し、シリンダヘッド１１Ｂの吸気側を冷却することができる。シリンダヘッド１１Ｂは、その排気側および吸気側が冷却され、排気側および吸気側のそれぞれの熱バランスに安定し得る。
また、排気側冷却路２４から排出された冷却水の流路を、第一下流側冷却水路３０へ切り替えることにより、シリンダヘッド１１Ｂについての高温側となる排気側のみを冷却したことにより高温になった冷却水を、第一下流側冷却水路３０へ流すことができる。そして、この第一下流側冷却水路３０に設けられた熱回収器２５は、高温の冷却水から効率良く熱を回収することができる。

本実施形態では、制御部は、エンジン始動直後には、排気側冷却路２４から排出された冷却水を吸気側冷却路２７へ流すように切替バルブ２５を切り替える。よって、エンジン始動直後にシリンダヘッド１１Ｂの全体を効率よく暖めることができる。

本実施形態では、第一下流側冷却水路３０に設けられた熱交換器２６、を有し、第二下流側冷却水路２８は、熱交換器２６をバイパスするように熱交換器２６より下流側で第一下流側冷却水路３０と連結される。よって、熱交換器２６には、排気側の熱により暖められた高い温度の冷却水を供給できる。熱交換器２６での熱交換効率を向上できる。

本実施形態では、エンジン始動直後の冷態時に熱交換を必要とする場合、排気側冷却路２４から排出された冷却水を第一下流側冷却水路３０へ流すように切替バルブ２５を切り替える。よって、エンジン始動直後の冷態時であっても、高い温度の冷却水を熱交換器２６へ供給し、高い効率で熱交換を実施することができる。

本実施形態では、エンジンの通常運転時には、排気側冷却路２４から排出された冷却水を吸気側冷却路２７へ流すように切替バルブ２５を切り替える。よって、エンジンの通常運転時には、比較的高温になる排気側、比較的低温の吸気側の双方をその温度の高低に応じて冷却することで、エンジン本体１１を効率よく冷却することができる。

以上の実施形態は、本発明の好適な実施形態の例であるが、本発明は、これに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形または変更が可能である。

上記実施形態では、切替バルブ２５には、排気側冷却路２４、吸気側冷却路２７、および第一下流側冷却水路３０が接続されている。
この他にもたとえば切替バルブ２５は、図示する位置よりも下流側に、すなわち吸気側冷却路２７および第二下流側冷却水路２８による流路の途中に設けられてもよい。この場合でも、同様の流路の切り替えが可能である。

１…自動車（車両）
２…車体
３…車輪
４…多気筒エンジン
６…シート
１１…エンジン本体
１１Ａ…シリンダブロック
１１Ｂ…シリンダヘッド
１２…シリンダ
１３…ピストン
１４…フライホイール
１５…出力軸
１６…コンロッド
１７…インジェクタ
１８…エンジン制御部
２０…多気筒エンジン冷却装置
２１…ラジエタ
２２…上流側冷却水路
２３…ポンプ
２４…排気側冷却路
２５…切替バルブ
２６…熱交換器
２７…吸気側冷却路
２８…第二下流側冷却水路
２９…冷却系制御部
３０…第一下流側冷却水路
３１…吸気管
３２…排気管
５１…ナビゲーション装置
５２…自動運転装置
５３…空調装置
５４…シリンダ別温度センサ
５５…冷却路別温度センサ
５６…熱交換器温度センサ
５７…タイマ

Claims (6)

1. 複数のシリンダの配置に基づいて複数組の吸気管および排気管が連結されたシリンダヘッドを有するエンジンに冷却水を循環させて冷却する多気筒エンジン冷却装置であって、
   前記シリンダヘッドについての複数の排気管が配列される排気側に延在するように独立して形成された排気側冷却路と、
   前記シリンダヘッドについての複数の吸気管が配列される吸気側に延在するように独立して形成された吸気側冷却路と、
   前記排気側冷却路を通過した後の冷却水が循環のために流れる第一下流側冷却水路と、
   前記排気側冷却路から更に前記吸気側冷却路を通過した後の冷却水を前記第一下流側冷却水路の途中へ流す第二下流側冷却水路と、
   前記排気側冷却路から排出された冷却水の流路を、前記吸気側冷却路と前記第一下流側冷却水路との間で切り替える切替バルブと、
   を有する多気筒エンジン冷却装置。
2. 前記第一下流側冷却水路に設けられた熱回収器、を有し、
   前記第二下流側冷却水路は、前記熱回収器をバイパスするように前記熱回収器より下流側で第一下流側冷却水路と連結される、
   請求項１記載の多気筒エンジン冷却装置。
3. 前記冷却水の循環を制御する制御部、を有し、
   前記制御部は、エンジン始動直後には、前記排気側冷却路から排出された冷却水を、前記吸気側冷却路へ流すように切替バルブを切り替える、
   請求項２記載の多気筒エンジン冷却装置。
4. 前記制御部は、エンジン始動直後の冷態時に熱交換を必要とする場合、前記排気側冷却路から排出された冷却水を前記熱回収器へ供給するために、前記第一下流側冷却水路へ流すように切替バルブを切り替える、
   請求項２または３記載の多気筒エンジン冷却装置。
5. 前記制御部は、エンジンの高負荷時には、前記排気側冷却路から排出された冷却水を、前記第一下流側冷却水路へ流すように切替バルブを切り替える、
   請求項２から４のいずれか一項記載の多気筒エンジン冷却装置。
6. 前記切替バルブには、前記排気側冷却路、前記吸気側冷却路、および前記第一下流側冷却水路が接続されている、
   請求項１から５のいずれか一項記載の多気筒エンジン冷却装置。

Images