JP5359284B2

JP5359284B2 - エンジン冷却装置

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Publication number: JP5359284B2
Application number: JP2009001499A
Authority: JP
Inventors: 弘和伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP2010159665A

Description

本発明は、エンジン冷却装置に係り、特に、一列に並んだ複数の気筒を有すると共に、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心軸から特定の方向に或る距離離れた位置に設けられているエンジン用のエンジン冷却装置に関する。

エンジンの中には、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心と一致しない場所に設けられたものが存在しているが、そのようなエンジンでは、冷間始動時に、気筒（燃焼室）壁面の、燃料噴射弁との間の距離が短い部分に、他の部分よりも多く燃料が付着してしまうことになる。そして、その結果として、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心と一致しない場所に設けられている既存のエンジンは、冷間始動時に、比較的に多量の未燃ＨＣ（未燃炭化水素）が含まれるものとなっている。

特開２００６−３４８７９１号公報特開２００５−０１６４３５号公報特開２００４−０３６５９０号公報特開平０８−１００６１９号公報特開平０６−０２３２３３号公報

そこで、本発明の課題は、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心と一致しない場所に設けられているエンジンの冷間始動時における未燃ＨＣ排出量を低減できるエンジン冷却装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の、一列に並んだ複数の気筒を有すると共に、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心軸から特定の方向に或る距離離れた位置に設けられているエンジンであって、特定の気筒へ供給されるＥＧＲガス量が、前記エンジンが備える吸気マニホールドへのＥＧＲ通路の取り付け位置に起因して、他の気筒へ供給されるＥＧＲガス量よりも多くなるＥＧＲ装置を備えたエンジン用のエンジン冷却装置は、前記エンジンの各気筒の周囲に冷却水を流すための、導入口及び排出口を有し、前記特定の気筒が前記導入口に最も近い気筒となるように形状が定められている冷却水流路であって、前記導入口から導入された冷却水が、前記エンジンの各気筒の側面の前記燃料噴射弁が近い側の部分の傍を通過してから各気筒の側面の残りの部分の傍を通過し、その後、前記排出口から排出される形状を有する冷却水流路と、冷却水を循環させるための冷却水循環手段であって、前記冷却水流路及び自手段内で冷却水を循環させるための冷却水循環手段と、前記冷却水循環手段により循環される冷却水を加熱するための加熱手段と、前記エンジンの冷間始動時に、前記冷却水流路内に前記導入口から冷却水が供給されるように前記冷却水循環手段を制御すると共に、前記冷却水循環手段により循環される冷却水が加熱されるように前記加熱手段を制御する制御手段とを備える。

すなわち、本発明のエンジン冷却装置は、“一列に並んだ複数の気筒を有すると共に、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心軸から特定の方向に或る距離離れた位置に設けられているエンジン”の冷間始動時に、当該エンジンの各気筒の燃料が付着しやすい部分を優先的に暖める構成を有している。従って、このエンジン冷却装置を用いておけば、燃料噴射弁が各気筒の中心と一致しない場所に設けられているエンジンの冷間始動時における未燃ＨＣ排出量を低減できることになる。

本発明のエンジン冷却装置を実現するに際しては、制御手段として、前記エンジンの暖機が所定レベルまで進んだときに、前記冷却水流路内の冷却水の流れ方向が逆転するように前記冷却水循環手段を制御する手段を採用しておくことが望ましい。何故ならば、冷却水の流れ方向をエンジンの暖機が所定レベルまで進んだとき（エンジンの暖機完了前）に逆転させれば、各気筒の各部の温度を、冷却水の流れ方向を逆転させない場合よりも短時間で所望温度以上とすることが出来ることになるからである。

なお、上記のような制御手段としては、始動後の経過時間により、エンジンの暖機が所定レベルまで進んだか否かを判断する手段や、エンジンの特定の部分の温度から、エンジンの暖機が所定レベルまで進んだか否かを判断する手段を採用することが出来る。

また、本発明のエンジン冷却装置を、“一列に並んだ複数の気筒を有すると共に、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心軸から特定の方向に或る距離離れた位置に設けられているエンジンであって、特定の気筒へ供給されるＥＧＲガス量が、前記エンジンが備える吸気マニホールドへのＥＧＲ通路の取り付け位置に起因して、他の気筒へ供給されるＥＧＲガス量よりも多くなるＥＧＲ装置を備えたエンジン”であると共に、“各気筒の燃焼室が、その径が気筒径よりも小さく、かつ、その中心が、気筒の中心軸から前記特定の方向に或る距離離れた箇所に位置しているエンジン”に用いた場合、各燃焼室の近傍を、冷却水流路に導入された直後の冷却水（さほど温度が下がっていない冷却水）が通ることになるため、各燃焼室の温度が比較的に早く上昇することになる。そして、燃焼室の温度が高い方がＥＧＲガスを導入しても燃焼が不安定になりにくいのであるから、本発明のエンジン冷却装置を、上記エンジンに用いておけば、冷間始動時に、各気筒により多くのＥＧＲガスを供給できることになる。そして、その結果として、上記エンジンの冷間始動時におけるＮＯｘ排出量を低減できることになる。

また、本発明のエンジン冷却装置を、特定の気筒へ供給されるＥＧＲガス量が、エンジンが備える吸気マニホールドへのＥＧＲ通路の取り付け位置に起因して、他の気筒へ供給されるＥＧＲガス量よりも多くなるＥＧＲ装置を備えたエンジン用のものとして実現する
場合には、冷却水流路の形状を、当該特定の気筒が導入口に最も近い気筒となるように定めておくことにより、ＥＧＲガスの導入量が多い気筒（燃焼が安定しにくい気筒）が優先的に暖められるようにしておくことが望ましい。

本発明のエンジン冷却装置によれば、燃料噴射弁が各気筒の中心と一致しない場所に設けられているエンジンの冷間始動時における未燃ＨＣ排出量を低減できる。

実施形態に係るエンジン冷却装置を備えた内燃機関システムの概略構成図である。内燃機関システムの吸・排気系の構成図である。内燃機関システムに用いられている熱交換器の説明図である。内燃機関システムのオイル循環系、冷却水循環系の説明図である。内燃機関システムの制御装置が実行する処理の流れ図である。始動時用制御処理時における内燃機関システム内でのオイル、冷却水の流れ方の説明図である。始動時用制御処理時における内燃機関システム内でのオイル、冷却水の流れ方の説明図である。通常制御処理時における内燃機関システム内でのオイル、冷却水の流れ方の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るエンジン冷却装置を備えた内燃機関システム１の概略構成を示す。図示してあるように、内燃機関システム１は、エンジン１０、冷却水系１８及び制御装置２０を備えている。

エンジン１０は、一列に並んだ４つの気筒１１、各気筒１１の燃焼室１２内に直接燃料を噴射するためのインジェクタ１３、ウォータジャケット１５等を有するディーゼルエンジンである。

図示してあるように、このエンジン１０の各燃焼室１２は、気筒１１よりも内径が小さいものである。また、各燃焼室１２は、各気筒１１の中心軸から所定方向（図１における下方向）に或る距離離れた箇所に、その中心が位置しているものとなっている。

そして、エンジン１０は、各インジェクタ１３が、各燃焼室１２の中心軸から上記所定方向に或る距離離れた箇所に設けられているものとなっている。

ウォータジャケット１５（本発明の冷却水流路に相当）は、エンジン１０の製造時に、エンジン１０内（エンジン１０を構成する各ブロック内）に鋳造で形成されている水路である。

このウォータジャケット１５は、第１冷却水口から冷却水を供給した場合には、冷却水が、各気筒１１の側面の半分（図１における下側部分）の近傍を通過してから各気筒１１の側面の残りの半分の近傍を通過し（矢印Ａ参照。）、その後、第２冷却水口から排出されることになる形状を有している。換言すれば、ウォータジャケット１５は、第１、第２冷却水口側のエンジン１０の側壁面と当該側壁面に最も近い気筒１１（以下、第１気筒１１と表記する）の間や、隣接する２つの気筒１１間（通常のウォータジャケットでは冷却水が行き来できる部分）に、壁１５ａ（冷却水が行き来できない部分）が残るように形成されたものとなっている。

エンジン１０には、第１気筒１１の温度（本実施形態では、第１気筒１１の図１における下側側面近傍の温度；以下、第１気筒温度と表記する）を測定するための温度センサ１６が、取り付けられている。

また、エンジン１０には、図２に模式的に示してあるように、吸気通路２８、排気通路２９、排気通路２９内の排気ガスの一部を吸気通路２８に戻すためのＥＧＲ(Exhaust Gas
Recirculation)装置１７が取り付けられている。

エンジン１０に取り付けられているＥＧＲ装置１７は、ＥＧＲ通路の吸気マニホールドへの取り付け位置に起因して、図１における左端の気筒１１（上記した第１気筒１１）へのＥＧＲガスの供給量が、他の各気筒１１へのＥＧＲガスの供給量よりも多くなる装置となっている。そして、上記したウォータジャケット１５は、そのＥＧＲガスの供給量が多くなる気筒１１側に、第１、第２冷却水口が位置するように形成されたものとなっている。

吸気通路２８（図２）の途中には、空気を圧縮してエンジン１０内に送り込むためのコンプレッサハウジング２３が設けられている。

排気通路２９の上流側には、コンプレッサハウジング２３の駆動源であるタービンハウジング２４やタービンハウジング２４通過後の排気ガス中の未燃ＨＣ等を酸化するための酸化触媒２５が設けられている。また、排気通路２９には、酸化触媒２５通過後の排気ガスで冷却水及びオイルを暖めるための熱交換器２１（詳細は後述）が設けられている。

排気通路２９の熱交換器２１よりも下流の部分には、排気ガス中のＮＯｘを還元するためのＮＯｘ触媒２６が設けられている。また、排気通路２９には、酸化触媒２５側からの排気ガスの一部或いは全てを熱交換器２１を通すことなくＮＯｘ触媒２６へ供給するためのバイパス路２９ａ、バイパス路２９ａ側に流す排気ガス量と熱交換器２１側に流す排気ガス量の比率を調整（変更）するための排気分配バルブ３２が、設けられている。

内燃機関システム１（図１）が備える冷却水系１８（本発明の冷却水循環手段及び加熱手段に相当）は、エンジン１０のウォータジャケット１５に冷却水（温水）を流すためのユニット（システム）である。

図示してあるように、冷却水系１８は、ウォータジャケット１５の第１、第２冷却水口と各端部が接続された冷却水流路４５を備えている。この冷却水流路４５は、熱交換器２１内を通過しており、冷却水流路４５中の冷却水は、熱交換器２１内で排気ガス（図２参照）により暖められる。

冷却水流路４５の途中には、自流路内の冷却水を移動させる（冷却水を冷却水系１８及びウォータジャケット１５内で循環させる）ための副冷却水ポンプ４１が設けられている。

冷却水系１８は、ウォータジャケット１５の第１、第２冷却水口と各端部が接続された冷却水流路４６、及び、冷却水流路４６内を流れる冷却水を空気（走行風）で冷却するためのラジエター２２も備えている。また、冷却水系１８は、冷却水流路４６内の冷却水の流れをＯＮ／ＯＦＦするための冷却水バルブ３１、冷却水流路４６内の冷却水を冷却水バルブ３１側へ送るための主冷却水ポンプ４２も備えている。

既に説明したように、熱交換器２１は、排気ガスで冷却水及びオイルを暖めるための機器であるが、本実施形態に係る熱交換器２１は、図３に模式的に示してあるように、オイルとの熱交換を行う部分が上流側に設けられているものとなっている。

そして、内燃機関システム１は、図４に模式的に示してあるように、オイルポンプ４３からのオイルが熱交換器２１によって温められてから、エンジン１０内の各部へ潤滑（及び冷却）のために供給されるものとなっている。

なお、この図４に示してあるオイル分配バルブ３３は、熱交換器２１側からのオイルを、オイルクーラー２７が設けられている流路側とオイルクーラー２７が設けられている流路側とに、任意の分配比で分配できるバルブである。すなわち、内燃機関システム１は、オイル分配バルブ３３を調整／制御すれば、エンジン１０の各部に供給されるオイルの温度を調節できるものとなっている。また、各図への表記は省略してあるが、内燃機関システム１は、エンジン１０の各部に供給されるオイルの温度を計測するためのオイル温度センサ、主冷却水ポンプ４２によって循環される冷却水の温度を計測するための冷却水温度センサ、クランクポジションセンサ、アクセル開度センサ、イグニッションキー用センサ等も備えたシステムとなっている。

制御装置２０（図１；本発明の制御手段に相当）は、内燃機関システム１の各部を統合的に制御することによりエンジン１０を動作させる、いわゆるＥＣＵ（electronic control unit）である。

この制御装置２０は、上記した各種センサ（各種温度センサ、クランクポジションセンサ、アクセル開度センサ、イグニッションキー用センサ等）と電気的に接続されている。
そして、制御装置２０は、それらのセンサの出力に基づき、内燃機関システム１（エンジン１０）を図５に示した手順で始動するように、プログラミングされた装置となっている。

すなわち、制御装置２０は、内燃機関システム１の始動時には、まず、始動時用制御処理を開始する（ステップＳ１０１）。

制御装置２０が実行する始動時用制御処理は、すべての排気ガスが熱交換器２１を通り、かつ、冷却水及びオイルが図６に示したような形で循環され、かつ、各気筒１１に比較的に少量のＥＧＲガスが供給される状態で動作するように、内燃機関システム１を制御する処理である。

すなわち、始動時用制御処理時、排気分配バルブ３２（図２参照）は、酸化触媒２５側からの排気ガスをすべて熱交換器２１側へ供給する（バイパス路２９ａ側に排気ガスを全く流さない）ように制御される。また、冷却水バルブ３１（図６、図１参照）は閉じられ、副冷却水ポンプ４１が、第１冷却水口側へ冷却水を送り出すように（正回転するように）制御される。そして、気筒１１の温度が低い状態でも燃焼が安定する量（詳細は後述）のＥＧＲガスが各気筒１１内に供給されるように、ＥＧＲ装置１７（ＥＧＲ装置１７のＥＧＲ弁の開度；図２参照）が制御される。

そのような始動時用制御処理を開始した制御装置２０は、始動時用制御処理を行いながら、ステップＳ１０２にて、第１気筒温度（温度センサ１６により計測される温度）が規定温度（例えば、６０度）以上となるのを監視している状態となる。

第１気筒温度が規定温度以上となったことを検出した場合（ステップ１０２：ＹＥＳ）、制御装置２０は、副冷却水ポンプ４１の回転方向を反転させる処理（ステップＳ１０３）を行う。なお、この処理により、内燃機関システム１の状態は、図７に示したものに変わることになる。

ステップＳ１０３の処理を終えた制御装置２０は、始動時用制御処理（副冷却水ポンプ４１を逆回転させるもの）を行いながら、エンジン１０の暖気が完了するのを待機する（ステップＳ１０４）。

制御装置２０がこのステップＳ１０４で実際に実行する処理は、“冷却水温度≧冷却水温度閾値 and オイル温度≧オイル温度閾値”が成立するか否かを判断する処理である。
ここで、冷却水温度、オイル温度とは、それぞれ、上記した冷却水温度センサ、オイル温度センサにより測定された温度のことである。また、冷却水温度閾値、オイル温度閾値とは、それぞれ、暖気完了時の冷却水温度、暖気完了時のオイル温度として予め定められている値のことである。

制御装置２０は、暖気が完了したと判断した場合（ステップ１０４：ＹＥＳ）には、始動時用制御処理を終了する（通常制御処理を開始する）ために、冷却水バルブ３１を開けると共に主冷却水ポンプ４２の回転を開始させる処理（ステップＳ１０５）を行う。

そして、ステップＳ１０５の処理を終えた制御装置２０は、通常制御処理を開始する。既に説明した内燃機関システム１の構成から明らかなように、制御装置２０が実行する通常制御処理は、排気分配バルブ３２の制御（排気分配バルブ３２による排気ガスの分配比の調節）により冷却水温度を適温に維持する処理であると共に、オイル分配バルブ３３の制御によりオイル温度を適温に維持する処理となっている。すなわち、通常制御処理は、オイル温度のみの調節が必要となった場合、排気分配バルブ３２の制御は行わず、図８に
模式的に示したように、オイル分配バルブ３３の制御（オイルクーラー２７を通すオイル量、オイルクーラー２７を通さないオイル量の割合調整）を行うことにより、オイル温度を適温に調整する処理となっている。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係るエンジン冷却装置（ウォータジャケット１５、冷却水系１８、制御装置２０からなる装置）は、エンジン１０内の各気筒１１（燃焼室１２）の側面の、インジェクタ１３との間の距離が短い側の部分（図１における下側の部分）を優先的に暖める構成を有している。そして、燃料が付着し得る部分の温度が高い方が、燃料が付着しにくくなるのであるから、このエンジン冷却装置を用いておけば、エンジン１０のような、燃料噴射弁（インジェクタ１３）が各気筒の中心と一致しない場所に設けられているエンジンの冷間始動時における未燃ＨＣ排出量を低減できることになる。

また、ウォータジャケット１５内の冷却水の流れ方向を一定方向に維持した場合、第１気筒１１の図１における上側の側面温度が所望温度以上となるのに時間がかかることになる。しかしながら、本実施形態に係るエンジン冷却装置は、エンジン１０の暖機が或る程度進んだときに（図５：ステップＳ１０２；ＹＥＳ）ときに、ウォータジャケット１５内の冷却水の流れ方向を逆転させるものとなっている。従って、本実施形態に係るエンジン冷却装置を用いておけば、ウォータジャケット１５内の冷却水の流れ方向を一定方向に維持するエンジン冷却装置を用いた場合よりも、各気筒１１の各部の温度を短時間で所望温度以上とすることが出来ることになる。

さらに、エンジン１０（図１）は、気筒１１よりも小サイズの（径が小さな）、その中心が気筒１１の中心と一致していない燃焼室１２を備えている。そして、エンジン１０の各燃焼室１２は、ウォータジャケット１５の第１冷却水口側（図１における下側）に近い場所に位置している。そのため、各燃焼室１２の近傍を、ウォータジャケット１５に第１冷却水口から導入された直後の冷却水（さほど温度が下がっていない冷却水）が通ることになり、その結果として、各燃焼室１２の温度が比較的に早く上昇することになる。

このように、内燃機関システム１は、各燃焼室１２の温度が比較的に早く上昇するものとなっている。そして、燃焼室１２の温度が高い方がＥＧＲガスを導入しても燃焼が不安定になりにくい。このため、本実施形態に係る制御装置２０が実行する上記した始動時用制御処理は、通常よりも（他の冷却装置が用いられている場合よりも）多量のＥＧＲガスを各気筒１１内に供給する処理とされている。

また、実施形態に係るエンジン冷却装置は、ＥＧＲガスの導入量が多い第１気筒１１を最初に暖める装置（第１冷却水口が第１気筒１１側に位置しているウォータジャケット１５を有する装置）となっている。従って、このエンジン冷却装置は、図１における右端の気筒１１を最初に暖めるエンジン冷却装置よりも、冷間始動時におけるＥＧＲガスの供給量を多くできる装置／冷間始動時にＥＧＲガスを供給しても燃焼が不安定になりにくい装置となっていることにもなる。

《変形形態》
上記したエンジン冷却装置は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、エンジン冷却装置を、図５のステップＳ１０２、Ｓ１０４にて、上記したものとは具体的な内容の異なる判断が行われる装置（例えば、経過時間で、冷却水の循環方向の変更タイミングや暖機の完了タイミングを把握する装置）に変形することが出来る。また、燃焼室壁面の一部に燃料が多く付着するという現象は、燃焼室径と気筒径が同じエンジンでも起きることである。従って、エンジン冷却装置を、燃焼室径と気筒径が同じエンジン用のものに変形することが出来る。また、エンジン冷却装置を、ウォータジャケット１５相当の、エンジン１
０とは独立したもの（エンジン１０の外側に溶接等されるもの）を有する装置や、Ｖ字型のエンジン用の装置に変形しても良いことなどは当然のことである。

１・・・内燃機関システム
１０・・・エンジン
１１・・・気筒
１２・・・燃焼室
１３・・・インジェクタ
１５・・・ウォータジャケット
１５ａ・・・壁
１６・・・温度センサ
１７・・・ＥＧＲ装置
１８・・・冷却水系
２０・・・制御装置
２１・・・熱交換器
２３・・・コンプレッサハウジング
２４・・・タービンハウジング
２５・・・酸化触媒
２６・・・ＮＯｘ触媒
２８・・・吸気通路
２９・・・排気通路
２９ａ・・・バイパス路
３１・・・冷却水バルブ
３２・・・排気分配バルブ
３３・・・オイル分配バルブ
４１・・・副冷却水ポンプ
４２・・・主冷却水ポンプ
４３・・・オイルポンプ
４５、４６・・・冷却水流路

Claims

一列に並んだ複数の気筒を有すると共に、各気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁が各気筒の中心軸から特定の方向に或る距離離れた位置に設けられているエンジンであって、特定の気筒へ供給されるＥＧＲガス量が、前記エンジンが備える吸気マニホールドへのＥＧＲ通路の取り付け位置に起因して、他の気筒へ供給されるＥＧＲガス量よりも多くなるＥＧＲ装置を備えたエンジン用のエンジン冷却装置において、
前記エンジンの各気筒の周囲に冷却水を流すための、導入口及び排出口を有し、前記特定の気筒が前記導入口に最も近い気筒となるように形状が定められている冷却水流路であって、前記導入口から導入された冷却水が、前記エンジンの各気筒の側面の前記燃料噴射弁が近い側の部分の傍を通過してから各気筒の側面の残りの部分の傍を通過し、その後、前記排出口から排出される形状を有する冷却水流路と、
冷却水を循環させるための冷却水循環手段であって、前記冷却水流路及び自手段内で冷却水を循環させるための冷却水循環手段と、
前記冷却水循環手段により循環される冷却水を加熱するための加熱手段と、
前記エンジンの冷間始動時に、前記冷却水流路内に前記導入口から冷却水が供給されるように前記冷却水循環手段を制御すると共に、前記冷却水循環手段により循環される冷却水が加熱されるように前記加熱手段を制御する制御手段と
を備えることを特徴とするエンジン冷却装置。
前記制御手段が、
前記エンジンの暖機が所定レベルまで進んだときに、前記冷却水流路内の冷却水の流れ方向が逆転するように前記冷却水循環手段を制御する手段である
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン冷却装置。
前記各気筒の燃焼室が、その径が気筒径よりも小さく、かつ、その中心が、気筒の中心軸から前記特定の方向に或る距離離れた箇所に位置している
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン冷却装置。