JP7090021B2 - 自動車用内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、水冷式の排気ターボ過給機を備えた自動車用内燃機関に関するものである。

多くの自動車用内燃機関で、排気ターボ過給機が使用されている。この排気ターボ過給機は、高温の排気ガスに晒される。そこで、熱害を抑制するため、排気ターボ過給機に冷却水ジャケットを設けて水冷式とすることが提案されており、その例が特許文献１に開示されている。

他方、内燃機関は、付属装置としてラジエータを備えており、冷却水は、冷却水の水温によって弁体が開閉するサーモ弁の働きにより、所定温度になるまではラジエータを経由せずにウォータポンプに戻って、所定温度に至るとラジエータへの通水が開始されるように、自動的に制御されている。

サーモ弁は、ラジエータへの冷却水の送り通路に設ける場合と、ラジエータとウォータポンプとの間の戻り通路に設ける場合とがあるが、特許文献１では、サーモ弁はラジエータへの冷却水送り通路に設けており、排気ターボ過給機を経由した冷却水が流れる戻り通路の終端を、ラジエータからの送り通路に接続している。

従って、特許文献１では、水温が低くてラジエータに冷却水が流れない暖機状態では、排気ターボ過給機への冷却水も流れは停止しており、水温が上昇してラジエータへの通水が開始されると、排気ターボ過給機への通水も開始される。すなわち、特許文献１では、ラジエータへの冷却水の流れと排気ターボ過給機への流れとが連動している。

なお、特許文献１では、冷却水を排気ターボ過給機に送る送り通路に流量制御バルブを設けており、冷却水がラジエータに流れる通常状態において、排気ターボ過給機に流れる冷却水の水量を調節できるようになっている。

特開昭６０－１９２８２８号公報

さて、排気ターボ過給機における冷却対象箇所は、一般には、タービンハウジングと軸受部（センターハウジング）とに分けられる。そして、特許文献１は軸受部を水冷構造としているが、軸受部については、暖機運転時に冷却するとオイルの粘度低下を招くため、特許文献１のように暖機運転時に通水しないことは合理的であると云える。

他方、タービンハウジングは高温の排気ガスに晒されるため、暖機運転時においても高温になる。従って、タービンハウジングは、暖機運転時にも冷却する必要性が生じやすい。特に、軽量化のためにハウジングをアルミ製にした場合は、アルミは耐熱性が低いため、タービンハウジングの冷却の必要性が高くなる。

従って、特許文献１のように、排気ターボ過給機への通水とラジエータへの通水とを連動させた構造では、暖機運転時にタービンハウジングを熱害から保護し難い場合が生じることが懸念される。

また、近年の自動車（乗用車）において、変速装置として搭載されているＣＶＴでは、オイルの粘度を低くして伝動効率を高めるため、シリンダヘッドを経由した冷却水でオイルを加温するＣＶＴウォーマを設けているが、暖機運転時においては、オイルの更なる早期昇温が望まれる。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「内部にウォータジャケットが形成されたシリンダヘッドと、タービンハウジングにウォータジャケットが形成された排気ターボ過給機と、ＣＶＴのオイルを加温するＣＶＴウォーマと、冷却水を冷却するラジエータとを備えており、
前記排気ターボ過給機におけるウォータジャケットの冷却水出口に、前記ラジエータに至る戻り通路が接続されていて、サーモ弁が閉じている暖機状態では、前記排気ターボ過給機のウォータジャケットを通過した冷却水は前記戻り通路には流れずに、前記サーモ弁が開いた通常状態では、前記排気ターボ過給機のウォータジャケットを通過した冷却水は前記戻り通路からラジエータに流れるようになっている」
という基本構成になっている。

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、
「前記暖機状態においても冷却水を前記排気ターボ過給機のウォータジャケットに流すための戻りバイパス通路を設けており、
かつ、前記戻りバイパス通路から流出した冷却水がＣＶＴウォーマへの通水通路に流入しやすくなるように、前記戻りバイパス通路の出口を前記ＣＶＴウォーマへの通水通路の入り口の近傍に配置している」
という特徴的な構成が付加されている。

また、請求項２の発明は、請求項１において、
「前記戻りバイパス通路に流量制御バルブを設けている」
という構成になっている。この場合は、流量制御バルブには、全閉状態と全開状態とに切替えられるタイプと、流量を段階的又は無段階的に調節できるタイプとの両方を含んでいる。

本願発明では、戻りバイパス通路を設けたことにより、暖機状態においても、排気ターボ過給機のタービンハウジングを冷却水で冷却できる。従って、タービンハウジングを軽量化のためにアルミ製としたり薄肉化したりした場合であっても、タービンハウジングを熱害から保護することができる。従って、排気ターボ過給機を、排気ガスによる損傷などの弊害を防止しつつ軽量化することが容易になる。

また、冷却水の温度が所定温度に上昇してラジエータに通水している通常状態では、排気ターボ過給機のタービンハウジングを通過した冷却水は、ラジエータに向かう部分と戻りバイパス通路に向かう部分とに分かれるが、冷却水がバイパス通路にも流れることにより、排気ターボ過給機のタービンハウジングを通過する冷却水の流れ抵抗は低くなるため、通常状態において排気ターボ過給機への通水量を増大できる。

従って、排気ターボ過給機のタービンハウジングを冷却する必要性が高くなる通常状態においても、排気ターボ過給機のタービンハウジングを的確に冷却することができる。なお、サーモ弁が開いている通常状態では、バイパス通路に流入した冷却水は、ラジエータ送り通路に戻すことができるため、バイパス通路を設けたことに起因して冷却水の冷却性が悪化するような不具合は生じない。

本願発明は、戻りバイパス通路から流出した冷却水がＣＶＴウォーマへの通水通路に流入しやすくなっている点も特徴にしており、この特徴により、排気ターボ過給機のタービンハウジングを通過して昇温した冷却水によって、ＣＶＴのオイルが加温される。従って、ＣＶＴのオイルの早期昇温を促進して、ＣＶＴの動力伝達効率向上に貢献できる。

そして、内燃機関（ガソリン機関）は排気ガスの浄化のために触媒を備えているが、請求項２の発明では、戻りバイパス通路に流量制御バルブを設けているため、例えば、始動後でまだ触媒が活性温度に至っていない状態では、タービンハウジングへの冷却水の流れを停止又は抑制することにより、触媒に向かう排気ガスの温度低下を抑制して触媒の早期活性化を図ることができる。或いは、サーモ弁が開いている通常状態において、回転数に応じてタービンハウジングに流れる水量を増大させることにより、タービンハウジングを的確に冷却することが出来る。なお、ＣＶＴウォーマへの通水通路に流入した冷却水が車内暖房用のヒータコアにも流れる構成になっている場合は、ヒータコアの早期昇温にも貢献して、暖房の効きを良くすることもできる。

実施形態の概念図である。 暖機状態での概念図である。 通常状態での概念図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、それぞれウォータジャケットが形成されている。便宜的に、シリンダブロック１のウォータジャケットはブロックジャケットと呼んで符号３で示し、シリンダヘッド２のウォータジャケットはヘッドジャケットと呼んで符号４で示す。

シリンダブロック１（或いは図示しないフロントカバー）に、クランク軸で駆動されるウォータポンプ５を設けており、ウォータポンプ５の吐出口とブロックジャケット３の一端部とが、吐出通路６を介して連通している。ブロックジャケット３に流入した冷却水は、一端から他端方向に流れつつ（或いは、気筒群を略１周するように流れつつ）、シリンダヘッド２に形成された連通穴７を介してヘッドジャケット４に流入していく。

ヘッドジャケット４では、冷却水は、一端から他端に向けて（フロントカバーを設けている前部）から（ミッション８を設けている後部に向けて）流れるようになっている。シリンダヘッド２及びシリンダブロック１の他端部に、シリンダヘッド２を通過した冷却水が流入する冷却水制御部９を設けている。冷却水制御部９は、図では、シリンダヘッド２とシリンダブロック１とに跨がった状態に表示しているが、一般には、シリンダヘッド２の箇所のみに形成することが多い。

内燃機関は、付属装置として、排気ターボ過給機１０とスロットルバルブ１１、ラジエータ１２を備えており、スロットルバルブ１１には、加温された冷却水が通るスロットルウォーマ１３を設けて、既述のミッション８には、ＣＶＴ作動油を加温するＣＶＴウォーマ１４が内蔵されている。また、自動車には、車内暖房のためのヒータコア１５を設けている。

まず、冷却水の基本的な流れについて述べると、冷却水制御部９は、差圧弁１７によって区画された送り室１８と逃がし室１９とに区分されており、逃がし室１９とウォータポンプ５（の流入口）とがメイン戻り通路２０によって接続されている。また、逃がし室１９とラジエータ戻り通路２１とが、サーモ弁２２を介して接続されている。メイン戻り通路２０はシリンダブロック１に内蔵されたような状態に表示しているが、パイプで構成することもあるし、シリンダヘッド２に内蔵することもある。

ラジエータ１２の入り口に接続されたラジエータ送り通路２３の始端は、ヘッドジャケット４の一端部に接続されている。但し、図の表示は便宜的なものであり、実際には、冷却水制御部９を通過した冷却水がラジエータ送り通路２３に流入する。従って、ラジエータ送り通路２３の始端は、点線で付加した線２３ａで示すように、冷却水制御部９の送り室１８に接続されているのに等しい。

(2).細部の説明
排気ターボ過給機１０は、排気ガスで駆動されるタービン翼２４と吸気を圧縮するコンプレッサ翼２５とを備えており、タービン翼２４を囲うタービンハウジング２６に、ウォータジャケット２７を設けている。便宜的に、このウォータジャケット２７を、タービンジャケットと呼ぶ。

排気ターボ過給機１０は、既述のタービンハウジング２６と、圧縮通路が形成されたコンプレッサハウジング、セミフローテング軸受を設けたセンターハウジングを備えており、各ハウジングはアルミ製になっている。この場合、タービンハウジング２６とセンターハウジングとは一体品とすることができる。

タービンジャケット２７に冷却水を送る過給機送り通路２８は、ブロックジャケット３の一端部に接続されている。従って、タービンジャケット２７には温度が低い冷却水が流入する。但し、図示の態様は例示であり、過給機送り通路２８は、ヘッドジャケット４の適宜部位に接続することも可能である。

タービンジャケット２７を通過した冷却水が排出される過給機戻り通路２９は、ラジエータ送り通路２３の中途部に接続されているが、タービンジャケット２７を通過した冷却水の戻し手段として、過給機戻り通路２９とは別に、冷却水制御部９に接続された過給機戻りバイパス通路３０を設けており、この戻りバイパス通路３０に、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）で制御される流量制御バルブＦを設けている。

なお、過給機戻りバイパス通路３０も戻り通路であるので、符号２９で示すものを過給機第１戻り通路と呼び、符号３０で示すものを過給機第２戻り通路と呼ぶことも可能である。

スロットルウォーマ１３とＣＶＴウォーマ１４とヒータコア１５には、冷却水制御部９の送り室１８に接続された１本の共通送り通路３２から、三方弁３３を介して送水されている。すなわち、共通送り通路３２に、スロットルウォーマ送り通路３４と、ＣＶＴウォーマ送り通路３５と、ヒータコア送り通路３６とが三方弁３３を介して接続されている。三方弁３３はサーモ方式の自動弁であってもよいし、冷却水温度等に関連してＥＣＵによって遠隔的に制御される弁であってもよい。

スロットルウォーマ１３とＣＶＴウォーマ１４とヒータコア１５とは、三方弁３３を介することなく、共通送り通路３２から単純に分岐させてもよい。また、スロットルウォーマ送り通路３４とＣＶＴウォーマ送り通路３５とヒータコア送り通路３６とは、それぞれ独立して冷却水制御部９の送り室１８に接続してもよい。更に、ヒータコア１５には常に通水させても差し支えないので、スロットルウォーマ１３とＣＶＴウォーマ１４とのうち一方又は両方のみの流れを弁で制御することも可能である。

スロットルウォーマ戻り通路３７とヒータコア戻り通路３８とは、共通戻り通路３９を介して冷却水制御部９の送り室１８に接続されている。敢えて述べるまでもないが、スロットルウォーマ戻り通路３７とヒータコア戻り通路３８とは、個別に冷却水制御部９に接続してもよい。

過給機戻りバイパス通路３０の終端と共通送り通路３２の始端とは、冷却水制御部９の送り室１８に設けた小室１８ａに開口している。すなわち、小室１８ａは、送り室１８の一部に仕切り４０を設けることによって袋状に形成されており、小室１８ａにおいて、過給機戻りバイパス通路３０の終端と共通送り通路３２の始端とを近接させている。

従って、過給機戻りバイパス通路３０から排出された冷却水を、共通送り通路３２に効率よく流入させることができる。過給機戻りバイパス通路３０の開口方向と共通送り通路３２の開口方向とを略一致させると、過給機戻りバイパス通路３０から共通送り通路３２への冷却水の流れ込みをより確実化できて好適である。

ＣＶＴウォーマ戻り通路４１は、メイン戻り通路２０に接続されている。但し、符号４２を付した点線で示すように、冷却水制御部９の送り室１８に接続することも可能である。ＣＶＴウォーマ１４は、ＣＶＴオイルの油温がある程度の温度を越えるとＣＶＴクーラとして機能するが、この場合は、ＣＶＴウォーマ１４を経由した冷却水はラジエータ１２によって冷却するのが好ましいので、点線４２に示す配管は合理的であるともいえる。

(3).制御態様
冷却水の温度が所定値よりも低い暖機状態では、図２に示すように、サーモ弁２２は閉じて差圧１７が開いている。従って、ラジエータ１２には通水されないが、過給機戻りバイパス通路３０の存在により、排気ターボ過給機１０のタービンジャケット２７には冷却水が流れる（循環する）。従って、排気ターボ過給機をアルミ製として軽量化しつつ、焼き付けや焼損のような問題を防止できる。

さて、内燃機関は排気ガスを浄化する触媒（三元触媒）を備えているが、触媒は、ある程度の温度に昇温しないと活性化せずに浄化効率が悪いという性質がある。そこで、機関を始動してから触媒が活性化するまでの間は、タービンジャケット２７への通水を停止することにより、排気ガスの温度低下を防止して触媒の早期活性化を促進することができる。

タービンジャケット２７への通水の停止時間は、始動してから何秒というように時間で設定しておいてもよいし、触媒ケースに設けた温度センサと連動させて、触媒ケース内の雰囲気温度が予め設定した値になるまでというように設定してもよい。或いは、触媒ケース内の雰囲気温度が予め設定した値になってから何秒経過後まで停止する、というような設定も可能である。

更に、流量制御バルブＦは、全開と全閉との切替え方式と、流量を無段階又は段階的に制御できる調節方式とのいずれも採用できる。切替え方式の場合は、電磁ソレノイド駆動タイプを採用したらよいし、調節方式の場合はモータ駆動タイプを採用したらよい。

調節方式を採用した場合は、例えば、機関が始動してから所定時間の間、流量を徐々に増加させていく、といった制御が可能である。冷却水の温度やオイルの温度、触媒ケース内の雰囲気温度などに応じて流量制御バルブＦの回動を調節することも可能である。

スロットルウォーマ１３とＣＶＴウォーマ１４とヒータコア１５とには、暖機状態でも、共通送り通路３２を介して、シリンダヘッド２で加温された冷却水が送水される。従って、車内の暖房や、スロットルバルブの動きの円滑化（凍結防止）、ＣＶＴオイルの加温を行うことができる。

そして、本実施形態では、排気ターボ過給機１０のタービンジャケット２７で加温された冷却水が、冷却水制御部９における送り室１８の小室１８ａを介して共通送り通路３２に流れ込むため、ヒータの効きを良くしたり、ＣＶＴオイルの早期昇温を促進して動力伝動効率の向上に貢献したり、スロットルバルブ１１の動きの円滑に貢献できる。

冷却水の温度が所定値よりも高くなった通常状態では、図３に示すように、サーモ弁２２は開いて差圧弁１７は閉じている。従って、排気ターボ過給機１０を冷却した冷却水のうちの一部は、過給機戻り通路２９及びラジエータ戻り通路２１を介してラジエータ１２に至り、残りは、過給機戻りバイパス通路３０を介して冷却水制御部９における送り室１８の小室１８ａに至る。

そして、サーモ弁２２が開いていても、スロットルウォーマ１３とＣＶＴウォーマ１４とヒータコア１５とには冷却水制御部９の送り室１８から通水されるが、共通戻り通路３９から排出された冷却水は、既述のようにラジエータ送り通路２３に送られて、ラジエータ１２で冷却される。他方、ＣＶＴウォーマ１４を通過した冷却水は、ＣＶＴウォーマ戻り通路４１及びメイン戻り２０を介してウォータポンプ５に吸引される（ＣＶＴウォーマ１４を経由した冷却水をラジエータ１２に流してもよいことは、既に述べたとおりである。）。

サーモ弁２２が開いている通常状態では、排気ターボ過給機１０を通過し冷却水は、過給機戻り通路２９と過給機戻りバイパス通路３０とに流入するが、過給機戻り通路２９しかない場合に比べて、タービンジャケット２７を通る冷却水の流れ抵抗は小さくなるため、内燃機関が高回転域にあって排気ターボ過給機１０が高速回転している場合でも、タービンハウジング２６を的確に冷却できる。

本実施形態では、通常状態においても、流量制御バルブＦを制御して戻りバイパス通路３０の流量を制御することにより、好適な運転状態を実現可能である。例えば、機関の回転数が高くなるとタービンハウジング２６が受ける熱量も増大するため、機関の回転数に比例させて流量制御バルブＦの開度を調節することにより、タービンハウジング２６を的確に冷却することができる。

この場合、タービンハウジング２６の温度がいったん上昇すると、機関の回転数が低下してもタービンハウジング２６の温度は急には低下しないため、流量制御バルブＦの閉じ制御は、ある程度のタイムラグをおいて行うのが好ましい。より正確な制御のためには、タービンハウジング２６の温度を検知する温度センサを設けて、タービンハウジング２６の温度が予め設定した安全温度以下になるように制御するのが好ましい。

サーモ弁２２が開いている通常状態でも、アイドリング回転域では流量制御バルブＦの開度をゼロにするか又は抑制することにより、ウォータポンプ５の負担を軽減することが可能である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、流量制御バルブＦを備えていない構成も採用可能である。

本願発明は、自動車用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ブロックジャケット（シリンダブロックのウォータジャケット）
４ ヘッドジャケット（シリンダヘッドのウォータジャケット）
５ ウォータポンプ
８ ミッション
９ 冷却水制御部
１０ 排気ターボ過給機
１２ ラジエータ
１４ ＣＶＴウォーマ
１９ 逃がし室
２２ サーモ弁
２３ ラジエータ送り通路
２６ タービンハウジング
２７ タービンジャケット（タービンハウジングのウォータジャケット）
２８ 過給機送り通路
２９ 過給機戻り通路
３０ 過給機戻りバイパス通路
３２ 共通送り通路
３５ ＣＶＴウォーマ送り通路
３９ 共通戻り通路
４１ ＣＶＴウォーマ戻り通路
Ｆ 流量制御バルブ

Claims (2)

1. 内部にウォータジャケットが形成されたシリンダヘッドと、タービンハウジングにウォータジャケットが形成された排気ターボ過給機と、ＣＶＴのオイルを加温するＣＶＴウォーマと、冷却水を冷却するラジエータとを備えており、
   前記排気ターボ過給機におけるウォータジャケットの冷却水出口に、前記ラジエータに至る戻り通路が接続されていて、サーモ弁が閉じている暖機状態では、前記排気ターボ過給機のウォータジャケットを通過した冷却水は前記戻り通路には流れずに、前記サーモ弁が開いた通常状態では、前記排気ターボ過給機のウォータジャケットを通過した冷却水は前記戻り通路からラジエータに流れるようになっている構成であって、
   前記暖機状態においても冷却水を前記排気ターボ過給機のウォータジャケットに流すための戻りバイパス通路を設けており、
   かつ、前記戻りバイパス通路から流出した冷却水がＣＶＴウォーマへの通水通路に流入しやすくなるように、前記戻りバイパス通路の出口を前記ＣＶＴウォーマへの通水通路の入り口の近傍に配置している、
   自動車用内燃機関。
2. 前記戻りバイパス通路に流量制御バルブを設けている、
   請求項１に記載した自動車用内燃機関。

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