JP6572879B2

JP6572879B2 - 内燃機関の冷却装置

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Publication number: JP6572879B2
Application number: JP2016250944A
Authority: JP
Inventors: 慶遠藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2036-12-26
Also published as: CN108361100A; JP2018105184A; US20180179944A1

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、エンジン（内燃機関）の冷却装置は、ウォータポンプ、ラジエータ、サーモスタット装置等を有する冷却水循環回路を備えている。そして、エンジンの冷間始動時には、サーモスタット装置のバルブ（ラジエータからのリターン通路を開閉するバルブ）を閉鎖してラジエータでの冷却水の流通を停止する。つまり、ラジエータをバイパスして冷却水を循環させることによりエンジンの暖機を図る。エンジンの暖機完了後には、サーモスタット装置のバルブを開放し、エンジンのウォータジャケットから流出した冷却水をラジエータに流すことで、冷却水がエンジンから回収した熱を大気中に放出し、エンジンのオーバヒートを抑制する。

特開２００９−５２５０６号公報

ここで、燃料消費率の改善を図るために、エンジンの冷間始動後における早期暖機が望まれる一方、暖機完了後においてはオーバヒートを抑制する必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、早期暖機を図りながら、オーバヒートを抑制することが可能な内燃機関の冷却装置を提供することである。

本発明による内燃機関の冷却装置は、電動ウォータポンプによって循環される内燃機関の冷却水の流れを切り替えるサーモスタット装置を備える。サーモスタット装置は、ラジエータからの冷却水が流入する第１流入口と、ラジエータをバイパスした冷却水が流入する第２流入口と、ラジエータからの冷却水の流量を調整するバルブと、バルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、冷却水の温度に応じてバルブを開閉するためのサーモエレメントと、冷却水を流出する流出部とを含む。流出部には、スプリングを支持するスプリング受けフレームが配置されている。内燃機関の冷却装置は、第２流入口から流入する冷却水をサーモエレメントに向けてガイドするガイド部と、スプリング受けフレームに形成されたスリットとを備える。スリットは、ガイド部とサーモエレメントとの間に配置され、スプリング受けフレームの板厚方向に貫通するように形成されている。

このように構成することによって、暖機時に電動ウォータポンプの吐出流量を低くして冷却水の勢いを弱くすることにより、第２流入口から流入する冷却水がサーモエレメントに到達する前に、その冷却水をスリットから流出させることができる。これにより、暖機時に、温められた冷却水がサーモエレメントに当たってバルブが開くのを抑制することができるので、早期暖機を図ることができる。また、暖機完了後に電動ウォータポンプの吐出流量を高くして冷却水の勢いを強くすることにより、第２流入口から流入する冷却水をガイド部によってサーモエレメントに到達させることができるので、温められた冷却水をサーモエレメントに当てることができる。これにより、暖機完了後に、応答性よくバルブを開くことができるので、オーバヒートを抑制することができる。

上記内燃機関の冷却装置において、電動ウォータポンプには、サーモスタット装置の流出部から冷却水が流入するように構成されていてもよい。

このように構成すれば、電動ウォータポンプの負圧により、スリットからの冷却水の流出が促されるので、暖機時に温められた冷却水がサーモエレメントにより当たりにくくすることができる。

本発明の内燃機関の冷却装置によれば、早期暖機を図りながら、オーバヒートを抑制することができる。

実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す図である。サーモスタット装置の内部構造を示す断面図である。サーモスタット装置の下面図である。サーモスタット装置の暖機用流入口から流入する冷却水の高流量時および低流量時の流れを説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用エンジンの冷却装置として本発明を適用した場合について説明する。

−冷却装置の概略構成−
図１は、本実施形態に係る冷却装置１の概略構成を示す図である。この図１に示すように、冷却装置１は冷却水循環回路１０を備えている。この冷却水循環回路１０は、冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ２と、循環する冷却水を冷却するラジエータ３と、前記電動ウォータポンプ２の上部に直接的に取り付けられたサーモスタット装置４とを備えている。そして、電動ウォータポンプ２の作動によって冷却水循環回路１０で冷却水を循環させ、この冷却水によってエンジン（内燃機関）５を冷却するよう構成されている。

エンジン５は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン等であり、シリンダヘッド５１およびシリンダブロック５２を備えている。シリンダヘッド５１の内部にはヘッド側ウォータジャケット５１ａが形成され、シリンダブロック５２の内部にはブロック側ウォータジャケット５２ａが形成されている。本実施形態におけるエンジン５は、ヘッド側ウォータジャケット５１ａとブロック側ウォータジャケット５２ａとが連通されている。

冷却水循環回路１０に備えられた各機器を接続する冷却水通路としては、ポンプ吐出通路１１、エンジン流出通路１２、ラジエータリターン通路１３、および、暖機用リターン通路１４を備えている。

前記ポンプ吐出通路１１は、電動ウォータポンプ２の吐出口２１とエンジン５のブロック側ウォータジャケット５２ａとを接続している。エンジン流出通路１２は、エンジン５のヘッド側ウォータジャケット５１ａとラジエータ３のアッパタンク３１とを接続している。ラジエータリターン通路１３は、ラジエータ３のロアタンク３２とサーモスタット装置４のラジエータ側流入口４１とを接続している。暖機用リターン通路１４は、前記エンジン流出通路１２とサーモスタット装置４の暖機用流入口４２とを接続している。前記ラジエータ側流入口４１が本発明でいう第１流入口（ラジエータからの冷却水が流入する第１流入口）に相当する。また、前記暖機用流入口４２が本発明でいう第２流入口（ラジエータをバイパスした冷却水が流入する第２流入口）に相当する。

電動ウォータポンプ２は、冷却水循環回路１０において冷却水を循環させるための水流を発生させる。この電動ウォータポンプ２は、バッテリ（図示省略）からの電力によって作動するモータ（図示省略）を有しており、そのモータの回転速度を制御することにより冷却水の吐出流量（単位時間当たりの吐出流量）が可変となっている。つまり、この電動ウォータポンプ２は、ＥＣＵ１００からのポンプ回転速度指令信号に応じて回転速度が制御され、これにより吐出流量が調整される。ＥＣＵ１００は、冷却水循環回路１０を循環する冷却水の温度に応じたポンプ回転速度指令信号を出力することにより電動ウォータポンプ２の回転速度を制御する。この電動ウォータポンプ２の回転速度の制御については後述する。

ラジエータ３は、例えばダウンフロータイプのものであり、前記アッパタンク３１とロアタンク３２との間にラジエータコア３３が配設されている。このラジエータ３は、アッパタンク３１に回収された冷却水がロアタンク３２に向けてラジエータコア３３の内部を流下する際に、冷却水と外気との間で熱交換を行うことにより、冷却水の熱を大気中に放出するよう構成されている。

サーモスタット装置４は、図２（サーモスタット装置４の内部構造を示す断面図）に示すように、合成樹脂により成形されたハウジング４３の内部の中央にサーモエレメントユニット４４が組み込まれた構成となっている。

前記ハウジング４３の上端部近傍の側面（図２における奥側の側面）には前記ラジエータ側流入口４１が形成されており、このラジエータ側流入口４１に、前記ラジエータリターン通路１３を形成するラジエータリターンパイプ１３Ａが接続されている。

図３（サーモスタット装置４の下面図）に示すように、前記ハウジング４３の下端部には、サーモスタット装置４の内部を流れた冷却水を電動ウォータポンプ２に向けて流出するための流出部４５が設けられている。この流出部４５の中央には冷却水を流出する開口４５ａが形成されている。この開口４５ａの外周側には電動ウォータポンプ２の上端部に連結されるフランジ４５ｂ，４５ｂが形成されている。このフランジ４５ｂ，４５ｂにはボルト挿入孔４５ｃ，４５ｃが設けられている。つまり、このフランジ４５ｂ，４５ｂの下側に電動ウォータポンプ２の上端部が重ね合わされ、これら両者がボルト締結によって一体的に組み付けられることで、サーモスタット装置４の流出部４５の開口４５ａと電動ウォータポンプ２の吸入口とが連通されており、サーモスタット装置４の内部を流れた冷却水が開口４５ａを経て電動ウォータポンプ２に流れ込むようになっている。

このため、前記ラジエータリターン通路１３を経てラジエータ側流入口４１からサーモスタット装置４の内部に冷却水が流入する場合には、この冷却水は、サーモスタット装置４の内部を上側から下側に向かって流れ、流出部４５の開口４５ａから電動ウォータポンプ２に向けて流出されることになる。

また、前記ハウジング４３の下端部近傍の側面（図２における左側の側面）には前記暖機用流入口４２が形成されており、この暖機用流入口４２に、前記暖機用リターン通路１４を形成する暖機用リターンパイプ１４Ａが接続されている。

このため、前記暖機用リターン通路１４を経て暖機用流入口４２からサーモスタット装置４の内部に流入した冷却水は、サーモスタット装置４の内部の下側部分を流れ、流出部４５の開口４５ａから電動ウォータポンプ２に流出されることになる。

前記サーモエレメントユニット４４には、冷却水の温度に反応して膨張・収縮する熱膨張体（サーモワックス）を内蔵するサーモエレメント４４ａが備えられており、前記熱膨張体の膨張によりピストン４４ｂが前進移動（サーモエレメント４４ａに対して相対的に上側に移動）するよう構成されている。前記ピストン４４ｂの上端部は、ハウジング４３の上部内面が突出されて成るピストン支持部４３ａに固定されている。このため、ピストン４４ｂの前進移動に伴いサーモエレメント４４ａが下方に移動することになる。

また、前記サーモエレメント４４ａには円板状のバルブ４４ｃが取り付けられている。このバルブ４４ｃは、ハウジング４３の内面が小径とされることで形成された弁座４３ｂに当接することで閉弁状態にされる。バルブ４４ｃは、ラジエータ３からの冷却水の流量を調整するために設けられている。

また、サーモエレメントユニット４４には、前記バルブ４４ｃを閉弁方向に付勢するコイルスプリング４４ｄが備えられている。このコイルスプリング４４ｄの上端部はバルブ４４ｃの下面に当接している。また、このコイルスプリング４４ｄの下端部は、前記流出部４５に設けられたスプリング受けフレーム６によって支持されている。コイルスプリング４４ｄは、バルブ４４ｃとスプリング受けフレーム６との間で圧縮された状態で配設されており、これにより、バルブ４４ｃに対して閉弁方向（上向き方向）の付勢力を与えている。

前記スプリング受けフレーム６は、図３に示すように、その外周部分であって、周方向に１８０°の位相差を存した２箇所に係止片６１，６１が設けられている。これら係止片６１，６１は、外周側に向けて突出された形状となっており、前記ハウジング４３の内周面に形成された支持突起４３ｃ，４３ｃに回り止めされた状態で支持されている。一方の係止片６１は暖機用リターンパイプ１４Ａの配設位置側（図３における左側）に配置され、他方の係止片６１は暖機用リターンパイプ１４Ａの配設位置側とは反対側（図３における右側）に配置されている。

前記サーモエレメント４４ａの下端部は、スプリング受けフレーム６の中央に形成された開口６３に挿入されている。このため、前記サーモエレメントユニット４４は、前記ピストン４４ｂの上端部がピストン支持部４３ａに固定され、且つコイルスプリング４４ｄおよびサーモエレメント４４ａの下端部がスプリング受けフレーム６に支持されていることで、ハウジング４３の内部に組み込まれている。

このスプリング受けフレーム６において、係止片６１，６１が形成されている部分以外の外径寸法は前記開口４５ａの内径寸法よりも小さく設定されている。このため、この開口４５ａの内縁とスプリング受けフレーム６の外縁との間に周方向に延びる隙間Ｓ，Ｓが形成されている。また、前記スプリング受けフレーム６の係止片６１，６１には、その板厚方向に沿って貫通するスリット６２，６２が形成されている。このスリット６２，６２は、周方向に延びるように長孔状に形成されている。このため、流出部４５において、前記隙間Ｓ，Ｓおよび前記スリット６２，６２が、サーモスタット装置４の内部と電動ウォータポンプ２との間を連通させる冷却水の流路として形成されている。

このようにしてサーモスタット装置４が構成されているため、サーモスタット装置４内部に流入する冷却水の温度が低い場合には、サーモエレメント４４ａに内蔵された熱膨張体が収縮して、前記ピストン４４ｂが後退移動（サーモエレメント４４ａに対して相対的に下側に移動）する。これによりサーモエレメント４４ａに取り付けられたバルブ４４ｃが相対的に上側に移動して弁座４３ｂに当接し、コイルスプリング４４ｄの付勢力を受けて閉弁するように作動する。この閉弁状態にあっては、ラジエータリターン通路１３からの冷却水の流入が遮断される。一方、サーモスタット装置４内部に流入する冷却水の温度が上昇すると、サーモエレメント４４ａに内蔵された熱膨張体が膨張して、前記ピストン４４ｂが前進移動（サーモエレメント４４ａに対して相対的に上側に移動）する。これによりサーモエレメント４４ａに取り付けられたバルブ４４ｃがコイルスプリング４４ｄの付勢力に抗して相対的に下側に移動して弁座４３ｂから離れ、開弁するように作動する。この開弁状態になると、ラジエータリターン通路１３からの冷却水の流入が許容される。

前記ＥＣＵ１００は、前述したように、冷却水の温度に応じたポンプ回転速度指令信号を出力して電動ウォータポンプ２の回転速度を制御する。

このＥＣＵ１００には、冷却水の温度を検出する水温センサ１０１および電動ウォータポンプ２の回転速度を検出するポンプ回転速度センサ１０２等が接続されており、各センサ１０１，１０２からの出力信号が入力されている。水温センサ１０１は、例えばサーモスタット装置４の出口側に配設されている。水温センサ１０１の配設位置としてはこれに限定されるものではない。また、ポンプ回転速度センサ１０２は電動ウォータポンプ２に配設されている。

例えば、電動ウォータポンプ２の回転速度制御としては、エンジン５の暖機運転中には電動ウォータポンプ２の回転速度を低く設定して吐出流量を低くする。一方、エンジン５の暖機完了後には電動ウォータポンプ２の回転速度を高く設定して吐出流量を高くする。すなわち、暖機時には、暖機完了後に比べて電動ウォータポンプ２の吐出流量を低くし、暖機完了後には、暖機時に比べて電動ウォータポンプ２の吐出流量を高くする。

以下、本実施形態の特徴とする構成について説明する。

図２に示すように、暖機用流入口４２は、水平方向（図２における左方向）に開放された開口で成っている。また、前記暖機用リターンパイプ１４Ａは、サーモスタット装置４の側方において上下方向に沿って延びており、その下端位置がサーモスタット装置４の側面の下端位置近傍に設定されている。そして、この暖機用リターンパイプ１４Ａの側面が接するハウジング４３に前記暖機用流入口４２が形成されている。このため、暖機用リターンパイプ１４Ａの内部である暖機用リターン通路１４を流れてきた冷却水の流線の方向は、この暖機用リターン通路１４の下流端部分において図中の下向き方向から右側方向（サーモスタット装置４の内部に向かう方向）に変化するようになっている。

そして、前記暖機用リターンパイプ１４Ａには、暖機用リターン通路１４を流れてきた冷却水をサーモエレメント４４ａに向けて案内するためのガイド機能が備えられている。

具体的には、暖機用リターンパイプ１４Ａの内壁面のうち、その下端部においてサーモスタット装置４から遠い側の内壁面（図２において左側に位置する内壁面）は、下側に向かってサーモスタット装置４に向かう方向に傾斜する傾斜面１４ａで形成されている。これにより、流速の低下を抑制しながらも、前述した冷却水の流線の方向を変化（下向き方向からサーモスタット装置４の内部に向かう方向へ変化）させることができるようにしている。

また、もう一つのガイド機能として、前記傾斜面１４ａの下端縁に連続して水平方向に延びる水平面１４ｂを有している暖機用リターンパイプ１４Ａの底板１４ｃは、サーモスタット装置４の内部に向かって延びるガイド部１４ｄを備えている。このガイド部１４ｄの水平方向の寸法（サーモスタット装置４の内部に向けて突出する寸法）は、前記電動ウォータポンプ２の吐出流量を高くした場合に、暖機用リターン通路１４を流れてきた冷却水をサーモエレメント４４ａに到達させることができるものとして実験またはシミュレーションによって設定されている。

また、一方の係止片６１は暖機用リターンパイプ１４Ａの配設位置側に配置されているため、この係止片６１に形成されているスリット６２も暖機用リターンパイプ１４Ａの配設位置側に配置されている。すなわち、このスリット６２は、ガイド部１４ｄとサーモエレメント４４ａとの間に配置されるとともに、前記暖機用流入口４２の下側に配置されている。つまり、このスリット６２の寸法および配置位置は、前記電動ウォータポンプ２の吐出流量を低くした場合に、暖機用リターン通路１４を流れてきた冷却水がサーモエレメント４４ａに到達する前に、その冷却水をスリット６２から排出させることができるものとして実験またはシミュレーションによって設定されている。

−冷却水の循環動作−
次に、冷却水循環回路１０における冷却水の循環動作について説明する。

＜暖機運転＞
先ず、エンジン５の冷間始動時には、冷却水の温度が低いことにより、サーモエレメント４４ａの熱膨張体が収縮しており、サーモスタット装置４のバルブ４４ｃは閉弁している。

そして、電動ウォータポンプ２が作動されることにより、図１に実線の矢印で示すように、電動ウォータポンプ２、ポンプ吐出通路１１、ブロック側ウォータジャケット５２ａ、ヘッド側ウォータジャケット５１ａ、エンジン流出通路１２、暖機用リターン通路１４、サーモスタット装置４および電動ウォータポンプ２の順で冷却水が循環される。

これにより、循環する冷却水がラジエータ３をバイパス（迂回）することから、冷却水がラジエータ３において冷却されないため、エンジン５の暖機が行われる。

このとき、電動ウォータポンプ２の制御としては、前述したように、電動ウォータポンプ２の回転速度を低く設定して吐出流量を低くする。このような低流量時には、冷却水の勢いが弱くなることにより、図４の白抜き矢印ＬＦに示すように、サーモスタット装置４の暖機用流入口４２から流入する冷却水は、サーモエレメント４４ａに到達する前にスリット６２から流出される。すなわち、低流量時には、暖機用流入口４２からの冷却水は、ガイド部１４ｄの先端から流下してスリット６２に向かうようになっている。さらに、サーモスタット装置４の流出部４５と電動ウォータポンプ２の吸入口とが接続されているため、電動ウォータポンプ２の負圧により、スリット６２からの冷却水の流出が促される。したがって、エンジン５によって温められた冷却水がサーモエレメント４４ａに当たるのが抑制され、バルブ４４ｃが不必要に開くのを抑制することが可能である。

＜暖機完了後＞
そして、前記水温センサ１０１からの出力信号に基づいて検出される冷却水温度が高くなり、その冷却水温度が暖機完了温度に達すると、暖機完了後の電動ウォータポンプ２の制御としては、前述したように、電動ウォータポンプ２の回転速度を高く設定して吐出流量を高くする。このような高流量時には、冷却水の勢いが強くなることにより、図４の白抜き矢印ＨＦに示すように、サーモスタット装置４の暖機用流入口４２から流入する冷却水は、ガイド部１４ｄによってガイドされてサーモエレメント４４ａに到達される。すなわち、エンジン５によって温められた冷却水をサーモエレメント４４ａに当てることができるので、応答性よくバルブ４４ｃを開くことが可能である。

この場合、図１に実線の矢印で示した冷却水の循環に加えて、図１に一点鎖線の矢印で示した冷却水の循環も行われることになる。つまり、電動ウォータポンプ２、ポンプ吐出通路１１、ブロック側ウォータジャケット５２ａ、ヘッド側ウォータジャケット５１ａ、エンジン流出通路１２、ラジエータ３、ラジエータリターン通路１３、サーモスタット装置４および電動ウォータポンプ２の順に流れる冷却水の循環も行われることになる。このため、暖機用リターン通路１４を流れた冷却水およびラジエータリターン通路１３を流れた冷却水が共にサーモスタット装置４に流入することになる。そして、冷却水の一部がラジエータ３を流れるようになり、冷却水の熱が大気中に放出される。

−効果−
本実施形態では、上記のように、暖機用流入口４２から流入する冷却水をサーモエレメント４４ａに向けてガイドするガイド部１４ｄと、ガイド部１４ｄとサーモエレメント４４ａとの間に配置され、流出部４５に設けられたスリット６２とを備えている。このように構成することによって、暖機時に電動ウォータポンプ２の吐出流量を低くして冷却水の勢いを弱くすることにより、暖機用流入口４２から流入する冷却水がサーモエレメント４４ａに到達する前に、その冷却水をスリット６２から流出させることができる。これにより、暖機時に、温められた冷却水がサーモエレメント４４ａに当たってバルブ４４ｃが開くのを抑制することができるので、早期暖機を図ることができる。したがって、燃料消費率の改善を図ることができる。また、暖機完了後に電動ウォータポンプ２の吐出流量を高くして冷却水の勢いを強くすることにより、暖機用流入口４２から流入する冷却水をガイド部１４ｄによってサーモエレメント４４ａに到達させることができるので、温められた冷却水をサーモエレメント４４ａに当てることができる。これにより、暖機完了後に、応答性よくバルブ４４ｃを開くことができるので、オーバヒートを抑制することができる。その結果、早期暖機を図りながら、オーバヒートを抑制することができる。

また、本実施形態では、電動ウォータポンプ２にサーモスタット装置４の流出部４５から冷却水が流入することによって、電動ウォータポンプ２の負圧により、スリット６２からの冷却水の流出が促されるので、暖機時に温められた冷却水がサーモエレメント４４ａにより当たりにくくすることができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、本実施形態では、自動車用エンジンの冷却装置として本発明を適用した場合について説明したが、自動車用エンジン以外の冷却装置としても本発明は適用可能である。

また、本実施形態において、ヒータコアなどのその他の機器が冷却水循環回路１０に設けられていてもよい。

本発明は、電動ウォータポンプによって循環される内燃機関の冷却水の流れを切り替えるサーモスタット装置を備える内燃機関の冷却装置に利用可能である。

１冷却装置（内燃機関の冷却装置）
２電動ウォータポンプ
３ラジエータ
４サーモスタット装置
５エンジン（内燃機関）
１４ｄガイド部
４１ラジエータ側流入口（第１流入口）
４２暖機用流入口（第２流入口）
４４ａサーモエレメント
４４ｃバルブ
４５流出部
６２スリット

Claims

電動ウォータポンプによって循環される内燃機関の冷却水の流れを切り替えるサーモスタット装置を備える内燃機関の冷却装置において、
前記サーモスタット装置は、ラジエータからの冷却水が流入する第１流入口と、前記ラジエータをバイパスした冷却水が流入する第２流入口と、前記ラジエータからの冷却水の流量を調整するバルブと、前記バルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、冷却水の温度に応じて前記バルブを開閉するためのサーモエレメントと、冷却水を流出する流出部とを含み、
前記流出部には、前記スプリングを支持するスプリング受けフレームが配置され、
前記第２流入口から流入する冷却水を前記サーモエレメントに向けてガイドするガイド部と、
前記スプリング受けフレームに形成されたスリットとを備え、
前記スリットは、前記ガイド部と前記サーモエレメントとの間に配置され、前記スプリング受けフレームの板厚方向に貫通するように形成されていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
請求項１に記載の内燃機関の冷却装置において、
前記電動ウォータポンプには、前記サーモスタット装置の流出部から冷却水が流入するように構成されていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。