JP5848879B2

JP5848879B2 - エンジンの冷却システム

Info

Publication number: JP5848879B2
Application number: JP2011051855A
Authority: JP
Inventors: 坂本　繁; 繁坂本; 宏之岩上; 祥吾吉見
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: JP2012188965A

Description

本発明は、冷態時にラジエータへの冷却水の循環を禁止または制限して暖機を促進するエンジンの冷却システムに関する。

一般に、車両用のディーゼルエンジン又はガソリンエンジンの冷却システムでは、冷態始動時におけるエンジンの暖機を促進するため、冷却水をラジエータに循環する冷却水通路を遮断するサーモスタットバルブが設けられている。また、この種の冷却システムでは、サーモスタットバルブによる冷却通路の遮断時に、ウォータポンプからウォータジャケットに圧送される冷却水を内部循環させるためのバイパス通路が設けられている。

さらに、この種の冷却システムでは、エンジンの暖機中においてもＥＧＲクーラ等の補機類を有効に冷却するため、バイパス通路上に補機類を配設した技術や、サーモスタットバルブの閉時においても冷却水を循環可能な副通路を別途設け、当該副通路上に補機類を配設した技術等が数多く提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２６３０３４号公報

ところで、近年においては、エンジンの燃費向上を高いレベルで実現することが求められており、そのためには冷態始動時の暖機を効率的に促進して早期にフリクションロスを低減する必要がある。

これに対し、例えば、エンジンの出力軸とウォータポンプとの間にクラッチ等を介在させ、エンジンの冷態始動時にウォータポンプを適宜停止させることにより、冷却水の内部循環を停止させて暖機を促進することも考えられる。

しかしながら、上述のようにエンジンの出力軸とウォータポンプとの間にクラッチ等を介在させることは、構造の複雑化やウォータポンプの動作信頼性の低下等を招く虞がある。さらに、ウォータポンプを停止させた場合、温度上昇が比較的早い補機類に対する冷却性能を十分に確保することが困難となる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、補機類の冷却性能を確保しつつ、冷態時のフリクションロスによる燃費の悪化を早期に解消することができるエンジンの冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様によるエンジンの冷却システムは、エンジン本体の内部に形成されたウォータジャケットと、前記ウォータジャケット内の冷却水をラジエータに循環させる冷却通路と、前記冷却通路に介装されて前記ウォータジャケットに冷却水を圧送するウォータポンプと、冷態時に前記冷却通路を遮断して前記ウォータジャケットと前記ラジエータとの間の冷却水の循環を禁止するサーモスタットバルブと、を備えたエンジンの冷却システムにおいて、前記ウォータポンプの上流側と下流側とを連通して常時冷却を必要とする補機類への冷却水を循環する副通路と、前記ウォータジャケット内の冷却水を内部循環させ、前記補機類をバイパスし、前記冷却通路および前記副通路とは別系統のバイパス通路と、前記バイパス通路を開閉するバルブと、前記ウォータジャケットの冷却水温を検出する水温検出手段と、前記ウォータジャケット側と前記副通路側との冷却水温の温度差を検出する温度差検出手段と、前記冷却水温および前記冷却水温の温度差に基づいて前記バルブを制御するバルブ制御手段と、を備え、前記バルブ制御手段は、前記ウォータジャケットの冷却水温が設定閾値以下であって前記温度差が所定閾値以下である場合は前記バルブを閉制御するとともに、前記ウォータジャケットの冷却水温が設定閾値以下であっても前記温度差が所定閾値以上である場合は前記バルブを開制御するものである。

本発明のエンジンの冷却システムによれば、簡単な構成により、補機類の冷却性能を確保しつつ、冷態時のフリクションロスによる燃費の悪化を早期に解消することができる。

エンジンの冷却システムを示す概略構成図バルブ制御ルーチンを示すフローチャートエンジンの冷態時における冷却水の循環状態を示す説明図エンジンの冷態時であって高負荷運転時における冷却水の循環状態を示す説明図エンジンの暖機後の冷却水の循環状態を示す説明図（ａ）は電磁バルブを閉じた状態で暖機したときの油温及び冷却水温の推移を示す説明図であって（ｂ）は電磁バルブを開いて暖機したときの油温及び冷却水温の推移を示す説明図エンジン本体とオイルクーラを示す分解斜視図エンジン本体に取り付けられたオイルクーラの要部断面図

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１はエンジンの冷却システムを示す概略構成図、図２はバルブ制御ルーチンを示すフローチャート、図３はエンジンの冷態時における冷却水の循環状態を示す説明図、図４はエンジンの冷態時であって高負荷運転時における冷却水の循環状態を示す説明図、図５はエンジンの暖機後の冷却水の循環状態を示す説明図、図６（ａ）は電磁バルブを閉じた状態で暖機したときの油温及び冷却水温の推移を示す説明図であって（ｂ）は電磁バルブを開いて暖機したときの油温及び冷却水温の推移を示す説明図、図７はエンジン本体とオイルクーラを示す分解斜視図、図８はエンジン本体に取り付けられたオイルクーラの要部断面図である。

図１において符号１は自動車等の車両に搭載される水冷式エンジンであり、本実施形態においては水平対向ディーゼルエンジンである。このエンジン１のエンジン本体５を構成するシリンダブロック６及び左右バンクのシリンダヘッド７にはウォータジャケット８が形成され、このウォータジャケット８の冷却水入口には、エンジン駆動式のウォータポンプ１０の吐出側が接続されている。また、ウォータポンプ１０の吸入側にサーモスタットバルブ１１が配設され、このサーモスタットバルブ１１の入口側が冷却通路１２を介してラジエータ１３に接続されている。

一方、左右のバンク内に形成されたウォータジャケット８の下流側は、エンジン本体５の上方に配設された合流通路１５を介して互いに連通され、この合流通路１５が冷却通路１６を介してラジエータ１３に接続されている。

また、合流通路１５にはバイパス通路１７を介してウォータポンプ１０の吸込側が接続され、バイパス通路１７にはエアコン用のヒートコア１８が並列に接続されている。さらに、バイパス通路１７の中途には、当該バイパス通路を開閉するバルブとしての電磁バルブ１９が介装されている。

また、ウォータポンプ１０の上流側（吐出側）には、当該ウォータポンプ１０の下流側（吸入側）が副通路２０を介して連通されている。この副通路２０は、ウォータポンプ１０の駆動中（すなわち、エンジン１の駆動中）は常に冷却水を循環するためのもので、この副通路２０の中途には、冷却を必要とする補機類として、例えば、ターボ過給機２１、ＥＧＲクーラ２２、及び、オイルクーラ２３が介装されている。

このような回路構成による本実施形態の冷却システムにおいて、サーモスタットバルブ１１は、冷却水温に応じて機械的に開閉するもので、例えば、８０〜８５［℃］で開弁を開始し、９５〜１００［℃］で全開する。

一方、電磁バルブ１９は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３０によって開閉制御される。この電磁バルブ１９の開閉制御を行うため、ＥＣＵ３０には、例えば、ウォータジャケット８の冷却水温Ｔｗを検出する水温検出手段としての水温センサ３１と、ウォータジャケット８側と副通路２０側の冷却水温の温度差を電流値Ｉとして検出する熱電素子３２とが接続されている。

本実施形態において、図１に示すように、水温センサ３１は、例えば、合流通路１５上に配設され、当該合流通路１５内の冷却水温をウォータジャケット８の冷却水温Ｔｗとして検出する。すなわち、本実施形態において、水温センサ３１は、左右のウォータジャケット８の下流側を連通する合流通路１５上に配設されることで、ウォータジャケット８内での冷却水の熱対流或いは循環等によって所定に平滑化された冷却水の温度を冷却水温Ｔｗとして検出する。

また、本実施形態において、熱電素子３２は、例えば、エンジン本体５上でウォータジャケット８と副通路２０とが接近する部位に配設されている。具体的説明すると、例えば、図７，８に示すように、シリンダブロック６の上部においてシリンダヘッド７に近接する部位には、副通路２０の中途に形成されたバスタブ状の回路室２０ａが開口されている。また、エンジン本体５のデッキ面において、回路室２０ａを閉塞する位置にはオイルクーラ２３が液密に固設され、このオイルクーラ２３の下部に突設された冷却回路２３ａが回路室２０ａ内に収容されている。この回路室２０ａの底部は、燃焼室９ａの近傍でシリンダライナ９の外周に沿って形成されたウォータジャケット８の一部に接近して配置され、回路室２０ａの底部に開口する連通孔６ａを介してウォータジャケット８に連通されている。また、連通孔６ａには板状の熱電素子３２が配設され、この熱電素子３２に周設されたＯリング３２ａを介して、連通孔６ａが液密に閉塞されている。これにより、熱電素子３２は、一方の面が、ウォータジャケット８内において燃焼熱の影響を顕著に受けやすい部位に臨まされ、他方の面が副通路２０の中途である回路室２０ａ内に臨まされている。そして、熱電素子３２は、ウォータジャケット８側と副通路２０側の冷却水温の温度差に応じた電流Ｉを発生させる。すなわち、本実施形態において、熱電素子３２は、ウォータジャケット８内で局所的に高温となり得る燃焼室９ａ直近傍の冷却水温と副通路２０内の冷却水温との温度差が高くなる程、高い電流Ｉを発生させる。

電磁バルブ１９に対する制御として、ＥＣＵ３０は、冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ１よりも低いエンジン１（エンジン本体５）の冷態時には、電磁バルブ１９を閉制御してウォータジャケット８内の冷却水の循環を禁止することにより、ウォータジャケット８内の冷却水とエンジン本体５側との熱交換を抑制して暖機を促進する。一方で、冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ１以上となると、ＥＣＵ３０は、暖機の完了を判定して電磁バルブ１９を開制御する。但し、暖機の完了を判定する前の冷態時であっても、熱電素子３２で発生した電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ１以上となり、エンジン１が高負荷運転となったことを判定すると、ＥＣＵ３０は、局所的な過熱によるエンジン本体５の焼付け等を防止するため、電磁バルブ１９を開制御してウォータジャケット８内に冷却水を流通させる。このように、本実施形態において、ＥＣＵ３０は、バルブ制御手段としての機能を有する。

次に、ＥＣＵ３０で実行される電磁バルブ１９の開閉制御について、図２に示すバルブ制御ルーチンのフローチャートに従って説明する。このルーチンは、設定時間毎に繰り返し実行されるもので、ルーチンがスタートすると、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０１において、現在、電磁バルブ１９が閉状態にあるか否かを調べる。

そして、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０１において、電磁バルブ１９が閉状態にあると判定した場合にはステップＳ１０２に進み、開状態にあると判定した場合にはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０１からステップＳ１０２に進むと、ＥＣＵ３０は、水温センサ３１で検出された冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ１以上であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０２において、冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ１以上である場合、ＥＣＵ３０は、エンジン本体５の暖機が十分に促進されたと判定して、ステップＳ１０４に進む。

一方、ステップＳ１０２において、冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ１未満である場合、ＥＣＵ３０は、エンジン本体５の暖機が未だ十分でなく摺動部等のフリクションが高い状態にあると判定して、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０２からステップＳ１０３に進むと、ＥＣＵ３０は、熱電素子３２で発生した電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ１以上であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０３において、電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ１未満である場合、ＥＣＵ３０は、副通路２０内の冷却水温とウォータジャケット８内の冷却水温との温度差が所定範囲内にあり、エンジン本体５内の温度が異常上昇している可能性は低いと判定して、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０３において、電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ１以上である場合、ＥＣＵ３０は、副通路２０内の冷却水温に比べてウォータジャケット８内の燃焼室９ａ近傍の冷却水温が所定以上高く、エンジン１の高負荷運転によってエンジン本体５内の温度が局所的に異常上昇している可能性が高いと判断して、ステップＳ１０４に進む。

そして、ステップＳ１０２或いはステップＳ１０３からステップＳ１０４に進むと、ＥＣＵ３０は、電磁バルブ１９を開制御し、ウォータジャケット８内の冷却水の内部循環を開始させた後、ルーチンを抜ける。

また、ステップＳ１０１からステップＳ１０５に進むと、ＥＣＵ３０は、水温センサ３１で検出された冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ２以下であるか否かを調べる。ここで、設定閾値Ｔｔｈ２は、設定閾値Ｔｔｈ１と等しい値に設定することも可能であるが、制御ハンチングを防止するため、設定閾値Ｔｔｈ１よりも所定に低い値に設定されている。

そして、ステップＳ１０５において、冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ２よりも高い場合、ＥＣＵ３０は、エンジン本体５が十分な暖機状態にあると判定して、そのままルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０５において、冷却水温Ｔｗが設定閾値Ｔｔｈ２以下である場合、ＥＣＵ３０は、エンジン本体５が十分な暖機状態にないと判定して、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０５からステップＳ１０６に進むと、ＥＣＵ３０は、熱電素子３２で検出された電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ２以下であるか否かを調べる。ここで、設定閾値Ｉｔｈ２は、設定閾値Ｉｔｈ１と等しい値に設定することも可能であるが、制御ハンチングを防止するため、設定閾値Ｉｔｈ１よりも所定に低い値に設定されている。

そして、ステップＳ１０６において、電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ２よりも高い場合、ＥＣＵ３０は、エンジン１の高負荷運転によってエンジン本体５内の温度が局所的に異常上昇している可能性が高いと判断して、そのままルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０６において、電流値Ｉが設定閾値Ｉｔｈ２以下である場合、ＥＣＵ３０は、エンジン本体５が十分な暖機状態になく、且つ、エンジン本体５の温度の局所的な異常上昇は解消されていると判断してステップＳ１０７に進む。

そして、ステップＳ１０６からステップＳ１０７に進むと、ＥＣＵ３０は、電磁バルブ１９を閉制御し、ウォータジャケット８内の冷却水の内部循環を禁止した後、ルーチンを抜ける。

このような制御により、例えば、図３中にハッチングで示すように、エンジン１の冷態時には、基本的に、副通路２０にのみ冷却水が循環される。すなわち、エンジン１の冷態時には、サーモスタットバルブ１１は閉状態にあり、ラジエータ１３への冷却水の循環は遮断されている。また、上述の制御により、電磁バルブ１９は閉制御されているため、ウォータジャケット８内の冷却水の内部循環も禁止され、副通路２０にのみ冷却水が循環される。そして、ウォータジャケット８内の冷却水の循環が禁止されることにより、エンジン本体５内での冷却水に対する燃焼熱の伝達が抑制される。その分、燃焼熱の多くはエンジン本体５自身に伝達され、エンジン本体５の暖機が効率的に促進される。すなわち、ウォータジャケット８内の冷却水の循環を禁止することにより、例えば、図６（ａ）に示すように、ウォータジャケット８内の冷却水温Ｔｗよりも、エンジン本体５内を潤滑するオイルの油温Ｔｏが相対的に早く昇温し、冷態始動時のフリクションロスによる燃費の悪化を早期に解消することができる。なお、冷態始動時にウォータジャケット８内の冷却水を内部循環させたときの冷却水温Ｔｗと油温Ｔｏの温度推移を、比較例として図６（ｂ）に示す。

この場合において、ウォータジャケット８の冷却水を内部循環させるバイパス通路１７とは別系統の副通路２０を設け、この副通路２０内に冷却水を常に循環させるとともに、この副通路２０上に冷却を必要とする補機類を配設したことにより、補機類の冷却性能を的確に確保することができる。

しかも、常に冷却水が循環する副通路２０を有することにより、ウォータジャケット８内の冷却水の内部循環を禁止する際にもウォータポンプ１０を停止する必要がなく、エンジン１の出力軸とウォータポンプ１０との間にクラッチ等の機構を追加する必要がないため、構造の簡素化を図ることができる。

その一方で、例えば、図５中にハッチングで示すように、エンジン本体５の暖機が進み、ウォータジャケット８内の冷却水温Ｔｗが熱拡散による対流等によって上昇すると、ウォータジャケット８内の冷却水は主としてラジエータ１３との間で循環する。すなわち、エンジン本体５の暖機が進むと、冷却水温Ｔｗの上昇に伴って電磁バルブ１９が開制御される。そして、昇温された冷却水の内部循環に伴い、サーモスタットバルブ１１が温められて開弁すると、ウォータジャケット８内の冷却水は、主としてラジエータ１３との間で循環する。

また、例えば、図４中にハッチングで示すように、暖機中におけるエンジン１の高負荷運転等に起因してエンジン本体５内の温度が局所的に異常上昇すると、ウォータジャケット８内の冷却水がバイパス通路１７を通じて内部循環される。すなわち、エンジン本体５内の温度が局所的に異常上昇すると、副通路２０側との温度差が増大して熱電素子３２で発生する電流Ｉが増加し、電磁バルブ１９が開制御される。これにより、ウォータジャケット８内の冷却水はバイパス通路１７を通じて内部循環され、この冷却水の内部循環によってエンジン本体５内の局所的な過熱を解消することができる。

このような実施形態によれば、ウォータジャケット８内の冷却水を内部循環させるバイパス通路１７と、ウォータポンプ１０の上流側と下流側とを連通して補機類への冷却水を循環する副通路２０と、バイパス通路１７を開閉する電磁バルブ１９とを備え、冷態時において、エンジン本体５内の温度が局所的に異常上昇していない場合にはウォータジャケット８内の冷却水の内部循環を禁止して効率的に暖機を促進させることができる。一方で、冷態時にエンジン本体５内の温度が局所的に異常上昇した場合には、ウォータジャケット８内の冷却水を内部循環させてエンジン本体５内の温度を平滑化させることにより、サーモスタットバルブ１１を開弁する等して冷却水を過剰に冷却することなく、エンジン本体５の熱害等にも対処することができる。

しかも、冷態時における電磁バルブ１９の制御は、エンジン本体５に熱電素子３２を追加し、ウォータジャケット８側と副通路２０側との冷却水温の温度差に応じて発生する電流Ｉに基づいて行うことにより、簡単な構成且つ簡単な制御によって冷態時の暖機の促進と高負荷運転時の熱害対策とを両立することができる。

この場合において、エンジン本体５の燃焼室９ａの近傍でウォータジャケット８の一部に対して副通路２０の一部を近接して配置し、これら近接するウォータジャケット８と副通路２０との間に熱電素子３２を介在させることにより、高負荷運転時における発熱量の変化を電磁バルブ１９の制御にダイレクトに反映させることができる。

さらに、熱電素子３２が取り付けられる副通路２０上の領域にオイルクーラ２３の冷却回路２３ａを収容する回路室２０ａを開口することにより、熱電素子３２の取付作業性等を向上することができる。

なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。

例えば、上述の実施形態においては、熱電素子３２で発生する電流Ｉに基づいてエンジン本体５が局所的に過熱されていることを判定し、電磁バルブ１９の開閉制御を行う一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、エンジン１の吸入空気量等からエンジン負荷を推定し、推定したエンジン負荷に基づいて、間接的にエンジン本体５が局所的に過熱されているか否かを判定することも可能である。

また、補機類としてのターボ過給機、ＥＧＲクーラ、オイルクーラの配置は適宜変更することができ、その他の補機類を適宜追加することすることも可能である。

また、本実施例においては水平対向ディーゼルエンジンについて説明したが、Ｖ型、直列型のディーゼルエンジン、及びガソリンエンジンに適用することも可能である。

さらに、バイパス通路を開閉するバルブとして電磁バルブを例として説明したが、電動的に駆動させる種々の制御バルブを使用するも可能である。

１ … エンジン
５ … エンジン本体
６ … シリンダブロック
６ａ … 連通孔
７ … シリンダヘッド
８ … ウォータジャケット
９ … シリンダライナ
９ａ … 燃焼室
１０ … ウォータポンプ
１１ … サーモスタットバルブ
１２ … 冷却通路
１３ … ラジエータ
１５ … 合流通路
１６ … 冷却通路
１７ … バイパス通路
１８ … ヒートコア
１９ … 電磁バルブ
２０ … 副通路
２０ａ … 回路室
２１ … ターボ過給機（補機類）
２２ … ＥＧＲクーラ（補機類）
２３ … オイルクーラ（補機類）
２３ａ … 冷却回路
３０ … エンジン制御ユニット（バルブ制御手段）
３１ … 水温センサ（水温検出手段）
３２ … 熱電素子
３２ａ … Ｏリング

Claims

エンジン本体の内部に形成されたウォータジャケットと、前記ウォータジャケット内の冷却水をラジエータに循環させる冷却通路と、前記冷却通路に介装されて前記ウォータジャケットに冷却水を圧送するウォータポンプと、冷態時に前記冷却通路を遮断して前記ウォータジャケットと前記ラジエータとの間の冷却水の循環を禁止するサーモスタットバルブと、を備えたエンジンの冷却システムにおいて、
前記ウォータポンプの上流側と下流側とを連通して常時冷却を必要とする補機類への冷却水を循環する副通路と、
前記ウォータジャケット内の冷却水を内部循環させ、前記補機類をバイパスし、前記冷却通路および前記副通路とは別系統のバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するバルブと、
前記ウォータジャケットの冷却水温を検出する水温検出手段と、
前記ウォータジャケット側と前記副通路側との冷却水温の温度差を検出する温度差検出手段と、
前記冷却水温および前記冷却水温の温度差に基づいて前記バルブを制御するバルブ制御手段と、を備え、
前記バルブ制御手段は、前記ウォータジャケットの冷却水温が設定閾値以下であって前記温度差が所定閾値以下である場合は前記バルブを閉制御するとともに、前記ウォータジャケットの冷却水温が設定閾値以下であっても前記温度差が所定閾値以上である場合は前記バルブを開制御することを特徴とするエンジンの冷却システム。