JP7131014B2

JP7131014B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP7131014B2
Application number: JP2018058855A
Authority: JP
Inventors: 慶遠藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: JP2019173564A

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来、冷却水を流通させる冷却水流路に電磁弁を設けた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－３１９１０号公報

電磁弁は、通電を入り切りすることで、弁体の開閉状態を切り替える。ところが、通電を切ったときに、弁体に表面張力や残留磁力が作用していることがあり、弁体が即座に所望の状態に移行することができない場合がある。

そこで、本明細書開示の内燃機関は、電磁弁が備える弁体を即座に所望の状態とすることを課題とする。

本明細書に開示された内燃機関は、内燃機関内を流れる流体が流通する流路に設けられ、前記流体の流通状態を制御する弁体を有する電磁弁と、前記電磁弁を前記内燃機関から所定距離だけ離間させた状態で固定する取付部材と、を備え、前記所定距離は、前記内燃機関の振動が大きくなる周波数領域を考慮して、前記電磁弁が前記内燃機関の振動が大きくなる周波数域と同期して振動する距離に設定されている。

本明細書開示の内燃機関によれば、電磁弁が備える弁体を即座に所望の状態とすることができる。

図１は実施形態の内燃機関を模式的に示す説明図である。図２（Ａ）は実施形態のＦＳＶの閉弁状態を模式的に示し、図２（Ｂ）は実施形態のＦＳＶの開弁状態を模式的に示す説明図である。図３は実施形態の内燃機関の正面図である。図４は実施形態の内燃機関の側面図である。図５は実施形態のＦＳＶを固定部材に保持させた状態を示す正面図である。図６は実施形態のＦＳＶを固定部材に保持させた状態を示す側面図である。図７は実施形態のＦＳＶを固定部材に保持させた状態を示す底面図である。図８（Ａ）は内燃機関の上下方向の振動の一例を示すグラフであり、図８（Ｂ）は内燃機関の左右方向の振動の一例を示すグラフであり、図８（Ｃ）は内燃機関の前後方向の振動の一例を示すグラフである。図９は振動が加わることで弁体が開く様子を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
図１を参照すると、内燃機関１０１には、内燃機関冷却装置１００が組み込まれている。本実施形態の内燃機関１０１は、直列４気筒内燃機関である。内燃機関１０１は、図示しない車両に搭載されており、内燃機関冷却装置１００により、冷却水を供給され、冷却される。内燃機関冷却装置１００は、内燃機関１０１の熱等で温められた冷却水をラジエータ２により冷却したり、暖められた冷却水からヒータコア３などを用いて熱回収したりする。冷却水は、内燃機関１０１内を流れる流体の一例である。

図１を参照すると、内燃機関冷却装置１００は、電動ウォータポンプ（電動Ｗ／Ｐ）１と、ラジエータ２と、ヒータコア３と、オイルクーラ４と、サーモスタット５と、ＦＳＶ（Flow Shutting Valve）６を備える。また、内燃機関冷却装置１００は、内燃機関１０１の回転数などを制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）７により制御される。ＦＳＶ６は、電磁弁の一例である。内燃機関１０１には、冷却水の温度を取得する水温センサ８が設けられている。

内燃機関冷却装置１００は、内燃機関１０１内を流れる流体である冷却水が流通する流路である冷却水循環流路９を備える。冷却水循環流路９は、冷却水流路９ａ、９ｂ及び９ｃを含んでいる。

冷却水流路９ａには、内燃機関１０１と、電動Ｗ／Ｐ１と、ラジエータ２と、サーモスタット５とが配置されている。電動Ｗ／Ｐ１は、内燃機関１０１の上流側に配置され、ラジエータ２は、内燃機関１０１の下流側に配置されている。サーモスタット５は、ラジエータ２の下流側に配置されている。冷却水流路９ａは、ラジエータ２を経由して内燃機関１０１に冷却水を流通させるよう。本実施形態における「上流側」及び「下流側」は、それぞれ、図１に示す流路内に描かれた矢印によって示された冷却水の流通方向の上流側及び下流側を意味している。

冷却水流路９ｂ及び９ｃは、冷却水流路９ａの内燃機関１０１の下流側で、かつ、ラジエータ２の上流側の分岐点１０ａで共に分岐し、冷却水流路９ａのサーモスタット５の下流側で、かつ、電動Ｗ／Ｐ１の上流側の合流点１０ｂで共に合流している。冷却水流路９ｂと冷却水流路９ｃとは並列に設けられている。

冷却水流路９ｂには、ヒータコア３と、ＦＳＶ６とが配置されている。冷却水流路９ｂは、ラジエータ２を経由せずに合流点１０ｂで冷却水流路９ａに合流して、内燃機関１０１に冷却水を流通させることができる。ヒータコア３は分岐点１０ａ側に配置され、ＦＳＶ６は合流点１０ｂ側に配置されている。

冷却水流路９ｃには、オイルクーラ４が配置されている。冷却水流路９ｃは、ラジエータ２を経由せずに合流点１０ｂで冷却水流路９ａに合流して、内燃機関１０１に冷却水を流通させることができる。

電動Ｗ／Ｐ１は、電動式であり、ＥＣＵ７の制御に基づいて吐出される冷却水の流量が制御される。また、電動Ｗ／Ｐ１は、冷却水流路９ａにおいて、内燃機関１０１とは反対側から冷却水を吸入するとともに、内燃機関１０１側に向かって冷却水を吐出する。電動Ｗ／Ｐ１は、吐出効率に優れた遠心ポンプである。

遠心ポンプである電動Ｗ／Ｐ１は、図示しないインペラを回転させるためのブラシレス・センサレスモータを含んでいる。これにより、電動Ｗ／Ｐ１を、内燃機関１０１に対して独立して駆動させることが可能である。電動Ｗ／Ｐ１は、その回転数（インペラの回転数）をＥＣＵ７にポンプ回転数情報として送信する。

ラジエータ２では、ラジエータ２内を流通する冷却水と走行風（空気）との間で熱交換が行われる。これにより、ラジエータ２を流通する冷却水が冷却される。

ヒータコア３は、図示しない車内において暖房運転が行われる際に、ＥＣＵ７からの信号に基づいて図示しないファンにより送風される。これにより、ヒータコア３（冷却水流路９ｂ）を流通する冷却水と風（空気）との間で熱交換が行われて、冷却水が冷却されるとともに、暖かい空気が車内に供給されて、車内が暖房される。

オイルクーラ４は、オイルクーラ４（冷却水流路９ｃ）を流通する冷却水と、内燃機関１０１の摺動部（図示せず）の潤滑などに用いられるオイルとの間で熱交換が行われて、冷却水が暖められるとともに、オイルが冷却される。

サーモスタット５は、冷却水の温度に基づいて開度が変化する。これにより、サーモスタット５は、冷却水流路９ａのラジエータ２に冷却水を流通させるか否かを切り替える機能と、ラジエータ２に冷却水を流通させる際の冷却水の流量を調整する機能とを有する。本実施例のサーモスタット５は、サーモスタット５を流通する冷却水の温度が第１の温度（＝約８０℃）未満である場合には、完全に閉弁する（開度０％になる）ことによって、冷却水流路９ａのラジエータ２に冷却水を流通させないように構成されている。この際、冷却水は、分岐点１０ａから冷却水流路９ｂ（ＦＳＶ開弁状態の場合）および冷却水流路９ｃを流通して、合流点１０ｂから再度電動Ｗ／Ｐ１に戻るよう流通（循環）し、ラジエータ２において冷却水は冷却されない。また、サーモスタット５は、冷却水の温度が第１の温度以上である場合には、冷却水の温度に応じて変化する開度に基づいてサーモスタット５を流通する冷却水の流量が調整される。この際、開度に応じて流量が調整された冷却水が冷却水流路９ａのラジエータ２を流通して、冷却水の一部がラジエータ２において冷却される。また、残りの冷却水が冷却水流路９ｂ（ＦＳＶ開弁状態の場合）および冷却水流路９ｃを流通して、合流点１０ｂから再度電動Ｗ／Ｐ１に戻るよう流通（循環）する。さらに、サーモスタット５は、冷却水の温度が第２の温度以上である場合には、完全に開弁する（開度１００％になる）。この際、冷却水は、冷却水流路９ａ、冷却水流路９ｂ（ＦＳＶ開弁状態の場合）及び冷却水流路９ｃを流通して再度電動Ｗ／Ｐ１に戻るよう流通（循環）して、冷却水の一部がラジエータ２において冷却される。

この結果、内燃機関冷却装置１００では、サーモスタット５の開弁状態に応じて冷却水の流通する流路や流路毎の流量が変化するため、サーモスタット５の開度に応じて、内燃機関冷却装置１００（冷却水循環流路９）を流通する冷却水の抵抗（通水抵抗）が変化する。

ＦＳＶ６は、通電により生じる吸引力により開閉が行われる弁部材であり、閉弁することにより、冷却水流路９ｂにおける冷却水の流通を遮断することができる。ここで、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して、ＦＳＶ６について詳説する。ＦＳＶ６は、円筒状のハウジング６ａと、ハウジング６ａ内に配置される、弁体６ｂ、弁座６ｃ、付勢部材６ｄ及びソレノイド６ｅとを含んでいる。ハウジング６ａは、ヒータコア３側から冷却水が流入する流入路６１と、電動Ｗ／Ｐ１側に冷却水が流出する流出路６２とを有している。弁体６ｂは、その開閉状態によって冷却水の流通状態を制御する。

ソレノイド６ｅは、環状の部材から構成されており、磁性体から構成されたボディと、ボディの内側に配置されたボビン、ボビンに巻き付けられ通電により磁界を発生させる巻線を有している。ソレノイド６ｅの内側は、流入路６１が形成されており、下流側の端部が弁体６ｂと当接する弁座６ｃとされている。

弁体６ｂは、鉄などの磁性体で形成されている。これにより、ソレノイド６ｅの巻線に通電され、ソレノイド６ｅが励磁されると、閉弁方向、すなわち、弁体６ｂが弁座６ｃに向かって、電気的に吸引される。また、付勢部材６ｄは、コイルバネであり、弁体６ｂを閉弁方向に付勢した状態でハウジング６ａ内に配置されている。

ＦＳＶ６は、付勢部材６ｄによる付勢力と通電されたソレノイド６ｅによる吸引力とにより、弁体６ｂが閉弁方向に移動して弁座６ｃに当接することで、閉弁状態となる。また、ソレノイド６ｅへの通電を解除した状態で、流入路６１の冷却水の圧力と流出路６２の冷却水の圧力とに基づき弁体６ｂに開弁方向へ加えられる力が付勢力を超えた場合に、弁体６ｂが開弁方向に移動する。これにより、ＦＳＶ６は、閉弁状態から開弁状態に切り替わる。但し、ＦＳＶ６が閉弁状態から開弁状態に移行する際、弁体６ｂには、残留磁力や表面張力が作用していることがあり、弁体６ｂが移動しにくい状態となっている場合がある。

ここで、図３から図８を参照して、ＦＳＶ６の内燃機関１０１への装着について説明する。図３は実施形態の内燃機関１０１の正面図であり、図４は実施形態の内燃機関１０１の側面図である。以下の説明では、内燃機関１０１の左右方向は、図３に示す方向とし、内燃機関１０１の前後方向は、図４に示す方向とし、内燃機関１０１の上下方向は、図３及び図４に示す方向とする。本実施形態の内燃機関１０１におけるシリンダの配列は、直列であるから、内燃機関１０１の上下方向は、ピストンの摺動方向と一致している。本実施形態では、ＦＳＶ６の内燃機関１０１への装着状態を工夫することで、ＦＳＶ６が閉弁状態から開弁状態に移行する際に移動しにくい状態となっている弁体６ｂを即座に所望の状態とすることができる。

図３及び図４を参照すると、内燃機関１０１は、シリンダブロック１０２を備える。シリンダブロック１０２の上側には、シリンダヘッド１０３が設けられている。シリンダブロック１０２の下側には、オイルパンが一体となったクランクケース１０４が設けられている。シリンダヘッド１０３の上側には、カムカバー１０５が装着されており、カムカバー１０５には、ポンプケース１０６が設置されている。ポンプケース１０６には、燃料ポンプ１０７が搭載されている。また、内燃機関１０１の前端側側壁には、取付部材２０を介してＦＳＶ６が取り付けられている。

図５から図７を参照すると、取付部材２０は、第１ブラケット部２１と第２ブラケット部２６を備える。第１ブラケット部２１と第２ブラケット部２６は、いずれも金属製であり、それぞれ、板状の部材を屈曲して成形されており、これを交差させてロウ付けすることで一体とされている。

第１ブラケット部２１は、板状の台座部２１ａの両側を折り曲げて形成された第１腕状部２２と第２腕状部２４を備える。台座部２１ａには、第２ブラケット部２６がロウ付けされる。第１ブラケット部２１は、弾性を発揮することができ、所定の周波数域において、振動することができる。

第１腕状部２２の先端側はさらに折り曲げられており、内燃機関１０１の前端側側壁に取り付けるための当接部２３が形成されている。本実施形態の当接部２３は、ポンプケース１０６の外壁に当接するように設けられている。当接部２３の先端部には、鈎状部２３ａが設けられている。鈎状部２３ａは、ポンプケース１０６の外壁上縁に掛け止めするために用いられる。当接部２３には、ボルト孔２３ｂが設けられている。ボルト孔２３ｂは、第１腕状部２２をポンプケース１０６に固定するときに用いられる。

第２腕状部２４の先端側はさらに折り曲げられており、内燃機関１０１の前端側側壁に取り付けるための当接部２５が形成されている。本実施形態の当接部２５は、シリンダヘッド１０３の外壁に当接するように設けられている。当接部２５には、ボルト孔２５ａが設けられている。ボルト孔２５ａは、第２腕状部２４をシリンダヘッド１０３に固定するときに用いられる。

第２ブラケット部２６には、クランプ部２７が設けられている。ＦＳＶ６は、クランプ部２７によって狭持され、ボルト２８によってクランプ部２７が締め付けられることで、保持されている。

クランプ部２７に保持されたＦＳＶ６は、流入路６１が下側に位置し、流出路６２が上側に位置するように、内燃機関１０１に取り付けられる。すなわち、ＦＳＶ６は、弁体６ｂの開閉方向が内燃機関１０１の上下方向と一致するように内燃機関１０１に取り付けられる。本実施形態では、内燃機関１０１の上下方向は、ピストンの摺動方向と一致していることから、ＦＳＶ６は、弁体６ｂの開閉方向と内燃機関１０１のピストン摺動方向とが一致した状態で内燃機関１０１に取り付けられる。なお、流入路６１及び流出路６２には、それぞれホースが装着されるが、各図において、ホースは省略されている。

ＦＳＶ６は、内燃機関１０１に装着されるとき、内燃機関１０１から所定距離だけ離間させられる。具体的に、ＦＳＶ６は、図５に示すように、当接部２３からＦＳＶ６の重心位置Ｃまでの距離がＳとなるように内燃機関１０１に取り付けられる。

ここで、ＦＳＶ６の設置の向きと、当接部２３からＦＳＶ６の重心位置Ｃまでの距離Ｓの設定について、図８（Ａ）から図８（Ｃ）を参照して説明する。図８（Ａ）は内燃機関１０１の上下方向の振動の一例を示している。図８（Ａ）によれば、内燃機関１０１の上下方向、すなわち、ピストン摺動方向の振動は、ある周波数域において、大きくなることが分かる。これに対し、図８（Ｂ）を参照すると、内燃機関１０１の左右方向では、振動が格別大きくなる周波数域は、認められない。また、図８（Ｃ）を参照すると、内燃機関１０１の前後方向においても、振動が格別大きくなる周波数域は認められない。

本実施形態の内燃機関１０１は、ＦＳＶ６の弁体６ｂの動作にピストン摺動方向の振動を利用することができるように、弁体６ｂの開閉方向を内燃機関１０１のピストン摺動方向に一致させた状態で、ＦＳＶ６を保持している。

本実施形態の内燃機関１０１は、弁体６ｂの開閉方向を内燃機関１０１のピストン摺動方向に一致させた状態で、ＦＳＶ６を内燃機関１０１に取り付け、内燃機関１０１の上下方向の振動によって弁体６ｂの移動を補助する。ここで、弁体６ｂの開閉方向と、ピストン摺動方向とが完全に一致していることは求められない。弁体６ｂの開閉方向がピストン摺動方向に対して多少傾いた状態であっても、弁体６ｂの移動に内燃機関１０１の振動を利用できる状態となっていればよい。

当接部２３からＦＳＶ６の重心位置Ｃまでの距離Ｓは、内燃機関１０１の上下方向振動が大きくなる周波数域を考慮して設定する。すなわち、距離Ｓは、ＦＳＶ６が内燃機関１０１の上下方向振動が大きくなる周波数域と同期して振動することができるように設定され、これに基づいて第１腕状部２２と第２腕状部２４の長さが設定されている。第１腕状部２２と第２腕状部２４の振動特性は、その材質や、厚み、取付位置等の影響を受けるため、これらに応じた距離Ｓを設定する。

本実施形態のＦＳＶ６は、内燃機関１０１の上下方向の振動を利用することで、弁体６ｂを即座に所望の状態とすることができる。具体的に、図９を参照すると、弁体が全閉となっている状態から、開弁指令が発せられると、ＦＳＶ６への通電が切られる。そして、振動Ｇが作用すると、弁体６ｂは振動Ｇの一周期毎に段階的にその位置を開弁方向に移動させ、最終的に開弁が完了する。

本実施形態のＦＳＶ６は、ソレノイド６ｅに通電することによって生じる吸引力と、付勢部材６ｄの付勢力によって弁体６ｂを閉弁状態とする。一方、弁体６ｂを開弁状態とするときは、ソレノイド６ｅへの通電を解除する。これにより、ソレノイド６ｅの吸引力が消滅するため、流入路６１に流入した冷却水により、弁体６ｂが押し開けられ、弁体６ｂは開弁状態となる。ソレノイド６ｅへの通電を解除しても、残留磁力が生じていることがある。また、弁体６ｂに冷却水の表面張力が作用している場合もある。このような場合に、流入路６１から流入する冷却水の量が少ないと、弁体６ｂを押し開けることが困難である場合が想定される。しかしながら、本実施形態のようにＦＳＶ６を設置することで、ＦＳＶ６に内燃機関１０１の上下方向（ピストンの摺動方向）の振動が作用し、弁体６ｂの移動を補助するので、弁体６ｂは、即座に開弁状態とされる。

なお、本実施形態では、第１腕状部２２をポンプケース６に取り付け、第２腕状部２４をシリンダヘッド１０３に取り付けているが、これらの取付位置は一例である。取付部材２０によるＦＳＶ６の内燃機関１０１への取り付け箇所は、内燃機関１０１の上下方向の振動を利用することができる配置となっていれば、どこであってもよい。

また、本実施形態の取付部材２０は、通電によって閉弁状態とし、通電解除によって開弁状態に移行する場合だけでなく、通電によって開弁状態とし、通電解除によって閉弁状態に移行する場合にも有効である。

さらに、内燃機関１０１内には、オイルも流れており、このオイルの流路に電磁弁が設置される場合にも、上記実施形態と同様に、内燃機関１０１の上下方向の振動を電磁弁の弁体移動の補助に用いる形態とすることができる。すなわち、オイルの流路に設置された電磁弁は、内燃機関１０１から所定距離だけ離間し、弁体の開閉方向を内燃機関１０１のピストン摺動方向に一致させた状態で内燃機関１０１に設置されるようにしてもよい。

内燃機関がいわゆるＶ型である場合にも、ＦＳＶ６は、弁体６ｂの開閉方向を内燃機関のピストン摺動方向に一致させた状態で配置されるが、この場合、ＦＳＶ６は、内燃機関に対し、バンク角に応じて傾けて設置される。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

６ＦＳＶ
６ｂ弁体
９冷却水循環経路
２０取付部材
２１第１ブラケット部
２２第１腕状部
２４第２腕状部
２６第２ブラケット部
１００内燃機関冷却装置
１０１内燃機関
１０３シリンダヘッド
１０５カムカバー
１０６ポンプケース

Claims

内燃機関内を流れる流体が流通する流路に設けられ、前記流体の流通状態を制御する弁体を有する電磁弁と、
前記電磁弁を前記内燃機関から所定距離だけ離間させた状態で固定する取付部材と、を備え、
前記所定距離は、前記内燃機関の振動が大きくなる周波数領域を考慮して、前記電磁弁が前記内燃機関の振動が大きくなる周波数域と同期して振動する距離に設定された、
内燃機関。