JPS6397823A - 内燃エンジンの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は内燃エンジンの冷却方法に関し、特に、アイド
ル時にあっては低燃費を、走行時にあっては高出力を達
成できる内燃エンジンの冷却方法に関する。

（従来の技術） 自動車のエンジンにおいては潤滑油の焼き付きなどを防
止し、エンジン構成部品の温度を適正に保つために冷却
を行う必要がある。このエンジン冷却方法としては、例
えば、第１２図に示すようにエンジンのシリンダへラド
１およびシリンダブロック２に、燃焼室３の周囲を囲繞
して冷却通路、すなわち、ウォータージャケット４を形
成し、このウォータージャケット内に冷却水を通過させ
る、いわゆる水冷式が一般に採用されている。

そして、かかる水冷式では、冷却水はポンプ５によって
圧送され、ウォータージャケット４を通過して高温とな
った水はラジェータ６により冷却されて再びウォーター
ジャケット４に循環供給される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述した如きシリンダヘッドおよびシリ
ンダブロックを一括して冷却する方式では、次のような
問題が生じる。すなわち、シリンダヘッド側においては
出力向上のため冷却水温度を比較的低くすることが望ま
しいが、逆に、シリンダブロック側では潤滑油の機能を
充分発揮させ、フリクションを防止して燃費を向上させ
るために冷却水温度は比較的高めに設定することが好ま
しい、したがって、両者の条件を満足するように冷却水
温度を制御することが困難であった。

、このような不都合を解消するために、例えば、シリン
ダヘッドおよびシリンダブロックを互いに独立した２つ
の冷却系によりそれぞれ冷却する方法、いわゆる分離冷
却法が提案されている。この場合、シリンダヘッドおよ
びシリンダブロックの冷却温度をそれぞれに好適な温度
範囲に制御することが可能となる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、かかる分離冷却法においても、なお、エ
ンジンのアイドルなどの低負荷運転時の燃費向上と、上
記低負荷運転時以外の運転時の出力向上とを両立させる
ことは困難であるという問題が存在する。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
シリンダヘッドおよびシリンダブロックを別々の冷却系
により冷却する分離冷却法であって、しかもエンジンの
アイドルなどの低負荷運転時の燃費向上と、それ以外の
運転時、例えば高負荷運転時の出力向上とを両立させる
ことが可能な内燃エンジンの冷却方法を提供することを
目的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明者は、シリンダブロ
ック基部を冷却する冷媒の温度を最適範囲、すなわち、
８０〜１００℃に固定し、シリンダヘッドおよびシリン
ダブロック上部を冷却する冷媒の温度を様々に変化させ
て、この冷媒温度とエンジンの例えばアイドル時の燃費
およびそれ以外の運転時の出力との関係を調べた。その
結果、アイドル時およびそれ以外の運転時のそれぞれに
おける最適な冷媒温度が存在することを見出した。

すなわち、本発明の内燃エンジンの冷却方法は、シリン
ダヘッドおよびシリンダブロック上部と、シリンダブロ
ック基部とを別々の冷却系により分離冷却する内燃エン
ジンの冷却方法において、シリンダブロック基部を冷却
する冷媒の温度を８０〜１００℃に、シリンダヘッドお
よびシリンダブロック上部を冷却する冷媒の温度をアイ
ドルを含む所定の低負荷運転時には６０〜８０℃に、前
記所定の低負荷運転時以外の運転時には５０〜７０℃に
それぞれ制御した構成としたものである。

（作用） 本発明の冷却方法においては、シリンダブロック基部の
冷媒温度を８０〜１００℃に制御することにより潤滑油
の機能を充分に発揮させてフリクションを防止し、かつ
、シリンダヘッドおよびシリンダブロック上部の温度は
エンジンのアイドルを含む所定の低負荷運転時には６０
〜８０℃として燃費を向上させ、それ以外の運転時、例
えば高負荷運転時にはそれより低く、５０〜７０℃に設
定することにより充填効率が高められると共にノックの
発生が抑制され、出力の向上を可能にする。

第７図にはエンジンのアイドル時に、シリンダブロック
基部の冷媒温度を９０℃としたときのシリンダヘッドお
よびシリンダブロック上部の冷却水温と燃費向上率（％
）との関係を示した０図中、Ｏ印はシリンダブロック基
部の冷媒として水を使用した場合、Δ印は同じく冷媒と
して油を使用した場合である。なお、燃費向上率はシリ
ンダヘッドおよびシリンダブロック上部、並びにシリン
ダブロック基部の冷媒として、共に９０℃の水を使用し
た場合の燃費を基準とし、この値に対する上昇率を算出
したものである。

さらに、第８図乃至第１１図には、それぞれエンジン回
転数を１０００．３５００．５０００および６０００ｒ
ｐ−とし、シリンダブロック基部の冷媒温度を９０℃と
したときのシリンダヘッドおよびシリンダブロック上部
の冷却水温と、出力向上率（％）ノック点火時期進角度
および充填率（％）との関係を示した。なお、図中、○
印およびΔ印は上記と同じ意味を存し、各値の算出法も
上記と同様とした。

これらの結果からも明らかなように、シリンダヘッドお
よびシリンダブロック上部の冷却水温をアイドル等の所
定の低負荷運転時には７０℃近傍、すなわち６０〜８０
℃に設定すれば燃費を向上させ、乃至は少なくとも燃費
を現状維持させたまま、且つ出力を向上させることが可
能となり、一方、それ以外の運転時、例えば高負荷運転
時には６０℃近傍、すなわち５０〜７０℃に設定すれば
出力を大幅に増大させることが可能となる。

さらに、シリンダブロック基部の冷却媒体を油としたと
きに、アイドル時の燃費向上効果はいっそう強められる
。

（実施例） 以下本発明の実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図は本発明の第１の実施例による内燃エンジンの冷
却方法に使用される冷却装置を示し、シリンダヘッド１
からシリンダブロック２の上部２ａに亘るＳＪｌ域、す
なわち、吸気弁７および排気弁８の近傍の燃焼室３を囲
繞する領域には第１の冷却通路１１が、また、シリンダ
ブロック２の基部２ｂ。

すなわち、燃焼室３の下部およびピストン９の摺動領域
を囲繞する領域には第２の冷却通路１２がそれぞれ形成
されている。第１の冷却通路１１の入口ボート及び出口
ポートには循環通路１３が接続され、この循環通路１３
の前記冷却通路１１の入口ポート近傍に配設されたポン
プ１９により冷媒、例えば冷却水が冷却通路１１に供給
され、図に矢印で示した方向に循環する。そして、ポン
プ１９の上流側（ポンプ１９と前記冷却通路１１の出口
ボートとの間）には後述する温度制御手段２０が配設さ
れ、該温度制御手段２０により、エンジンの運転状態に
応じて冷媒温度が２段階に制御される。なお、このシリ
ンダヘッド１およびシリンダブロック２の上部の冷却系
に使用する冷媒としては、上記した水に限るものではな
い。

一方、第２の冷却通路１２には循環通路１４が接続され
、この潤滑通路１４に配設されたポンプ１５により、冷
媒、例えば油が冷却通路１２に圧送供給され、図の矢印
方向に循環する。循環通路１４のポンプ１５の上流（冷
却通路１２の出口ボートとポンプ１５との間）にはオイ
ルクーラ１６およびサーモスタット１７がポンプ１５側
からこの順に配設され、サーモスタット１７にはオイル
クーラ１６をバイパス通路１８が接続されている。

循環通路１３における温度制御手段２０の具体的な構成
例としては、例えば第２図に示したようなものが考えら
れ、この温度制御手段２０は冷却通路１１の出口ボート
下流側に、順次配設されたサーモスタット付二段バルブ
２０１、ラジェータ２０２、ならびに二段バルブ２０１
及びラジェータ２０２をバイパスするバイパス通路２０
６から構成されている。サーモスタット付二段バルブ２
０１には並列に通路２０３及び通路２０４が配設され、
通路２０３途中にはアイドル時を含む所定の低負荷運転
時用高温設定バルブ２０１ａが、通路２０４途中にはそ
れ以外の運転時用低温設定バルブ２０１−ｂ及びバルブ
２０５がそれぞれ配設されている。バルブ２０５は、例
えば図示しないエンジンの吸気通路に配設されたスロッ
トル弁の開度を検知するスロットル開度センサ２００か
らの信号により開閉制御される。

以下、かかる冷却装置の作用について説明する。

第１図の冷却装置において、エンジンの始動とともに、
シリンダブロック基部の第２の冷却通路１２にポンプ１
５により冷媒、すなわち油が圧送供給され、冷“却通路
１２を通過した油は循環通路１４を通って再び冷却通路
１２に導入される。このサイクルにおいて、油の温度が
８０℃未満である場合はサーモスタット１７は完全に閉
弁し、油はすべてバイパス通路１８を経て循環する。そ
して、油の温度が上昇して８０〜１００℃の範囲となっ
たときには、サーモスタット１７が所定の割合で開弁し
、一部の油はオイルクーラ１６を経て、残部はバイパス
通路１８を経て循環し、常に温度が上記温度範囲、すな
わち８０〜１００℃の所定温度となるように調整を行う
、一方、油の温度が１００℃を超えて上昇した場合はサ
ーモスタンド１７が完全に開弁して、油はすべてオイル
クーラ１６を経て循環する。このようにシリンダブロッ
ク基部の冷却系の冷媒を油にすると、エンジンのクラン
ク軸、動弁機構及びピストンとシリンダとの間などの潤
滑に使用される潤滑油と同一Φものを使用できるという
点で存利であるが、冷媒は油に限定されるものではなく
、水を使用することもできる。

一方、シリンダヘッド１およびシリンダブロック上部２
ａを冷却する冷却通路１１にもポンプ１９により冷媒す
なわち冷却水が圧送供給され、冷却通路１１を通過した
冷却水は循環通路１３を通って再び冷却通路１１に導入
される。この冷却サイクルにおいて、冷却水の温度は温
度制御手段２０により、アイドルを含む低負荷運転時お
よびそれ以外の運転時の二段階に制御される。この温度
制御の手順を第２図を参照して説明する。すなわち、冷
却通路１１を通過した冷却水は二段バルブ２０１に導入
される。二段バルブ２０１では、高温設定バルブ２０１
ａが第１の設定温度、すなわち６０〜８０℃の所定温度
（例えば７０℃）に、そして、低温設定バルブ２０１ｂ
が第２の設定温度、すなわち、５０〜７０℃の所定温度
（例えば５０℃）に予め設定されている。一方、通路２
０４に配設されたバルブ２０５はスロットル開度センサ
２００からの信号によりアイドルを含む所定の低負荷運
転時には通路２０４を閉塞し、それ以外の運転時には開
放するようになっている。したがって、アイドルを含む
所定の低負荷運転時には、バルブ２０５は閉成され、ま
た、冷却水温度が第１の設定温度に達するまでは高温設
定バルブ２０１ａも閉成されているので、冷却水はバイ
パス通路２０６を通って循環する０次に、冷却水温度が
第１の設定温度を超えると、バルブ２０１ａが開成し、
所定割合の冷却水が通路２０３を通ってラジェータ２０
２に導入され、残部はバイパス通路２０６を通ってそれ
ぞれ冷却通路１１に供給される。なお、バイパス通路２
０６の通路面積は通路２０３，２０４及び通路１３の通
路面積に比べて小さいので、バルブ２０１ａが開成した
ときの該通路２０６の流量は通路２０３を通る冷却水流
量に比べてがなり少なくする。

一方、上記以外の運転時、例えば高負荷運転時には、ス
ロットル開度センサ２００が運転状態を検出し、該セン
サ２００がらの信号によりバルブ２０５が開成する。そ
して、冷却水温度が第２の設定温度、すなわち５０〜７
０℃の所定温度（例えば５０℃）を超えるとバルブ２０
１ｂが開き、バルブ２０１ａは閉塞されたままである。

したがって、冷却水の大部分は通路２０４を通ってラジ
ェータ２０２に導入される。冷却水温度が第２の設定温
度以下の場合にはバルブ２０１ａ及び２０１ｂはともに
閉成し、冷却水はバイパス通路２０６を通って循環する
ことになる。このように、バルブ２０１ａの開閉により
冷却水温度は第２の設定温度に保たれる。

次いで、本発明の第２の実施例による内燃エンジンの冷
却方法を第１図および第３図に基づいて説明する。

この第２図の実施例に使用される冷却装置は、・第１図
に示した冷却装置において、シリンダヘッドおよびシリ
ンダブロック上部に対する冷却系として第３図に示した
如き温度制御手段２ｏを備えたものである。なお、シリ
ンダブロック基部側の冷却系は上記第１の実施例と全く
同様であるため、ここでは、その構成および作用につい
ての説明は省略する。

第３図に示したシリンダヘッドおよびシリンダブロック
上部側冷却系において、冷却水はポンプ１９により冷却
通路１１に圧送・供給され、循環通路１３を図中矢印方
向に循環する。循環通路１３には冷却通路１１の出口ボ
ート下流側に水温センサ２０７、電磁弁２０８およびラ
ジェータ２０２がこの順に配設され、電磁弁２０８には
ラジェータ２０２をバイパスするバイパス通路２１０が
接続されている。電磁弁２０８は例えば三方切換弁であ
り、付勢時に循環通路１３を開成して冷却水をラジェー
タ２０２に導びき、消勢時には循環通路１３を閉成する
一方、バイパス通路２１０を開成し、冷却水をバイパス
通路２１０を介して循環させる。また、水温センサ２０
７はコントロールユニット２０９に電気的に接続され、
コントロールユニット２０９の出力側は電磁弁２０８に
接続され、コントロールユニット２０９の制御信号によ
り当該電磁弁２０８を例えばオンオフ制御する。

さらに、コントロールユニット２０９の入力側にはスロ
ットル開度センサ２００が接続されている。

以下、かかる構成の冷却系の作用をコントロールユニフ
）２０９により所定周期で実行される制御プログラム（
第４図）を参照して説明する。

マス、コントロールユニット２０９は、ステップ３０で
スロットル開度センサ２００および水温センサ２０７に
よりそれぞれ検出されたスロットル開度および冷却水温
度を読み取り、次いで、ステップ３１でエンジンがアイ
ドルを含む低負荷運転状態（以下、単にアイドルと略称
する）にあるか否かを判別する。エンジンがアイドル状
態にある場合、すなわち、ステップ３１の判別結果が肯
定（Ｙｅｓ）の場合、ステップ３２に進み、検出した冷
却水温度ＴＷが第１の設定温度例えば７０℃・を超えて
いるか否かの判別がなされる。この判別結果が肯定（Ｙ
ｅｓ）であると、ステップ３３に進んで電磁弁２０８を
開成（オン）し、その結果、冷却水はラジェータ２０２
を通って循環する。そして、冷却水がラジェータ２０２
で冷却されステップ３２の結果が否定になると、ステッ
プ３４に進み電磁弁２０８を閉成（オフ）し、その結果
、冷却水はバイパス通路２１０を通って循環する。

このようにして、冷却水温度は第１の設定温度に保たれ
る。

一方、上記以外の運転時には、ステップ３１における判
別結果が否定（Ｎｏ）となり、ステップ３５に進む、ス
テップ３５では、冷却水温度Ｔｗが第２の設定温度例え
ば５０℃を超えているか否かを判別する。そして、この
判別結果が肯定（Ｙｅｓ）の場合は、上記と同様にステ
ップ３３に進んで電磁弁２０８を開成し、否定（ＮＯ）
の場合は同じくステップ３４に進んで電磁弁２０８を閉
成して、冷却水温度は第２の設定温度に保たれる。

なお、この実施例では電磁弁２０７をオンオフ制御する
構成としたが、これに限るものではなく、例えばデユー
ティ比制御してもよい。

さらに、本発明の第３の実施例による内燃エンジンの冷
却方法を第１図および第５図に基づいて説明する。

第３の実施例に使用される冷却装置は第１図に示した冷
却装置において、シリンダヘッドおよびシリンダブロッ
ク上部の冷却系として公知の沸騰冷却装置を用い、第５
図に示した温度制御手段２０を備えたものである。この
沸騰冷却装置は冷媒の沸騰時の気化潜熱を利用してシリ
ンダヘッド等を冷却するもので通常のラジェータを使用
する場合に比べて単位冷媒量当たりの伝熱量が大きくな
るためシリンダヘッド１の温度をより低くすることが可
能であり、しかも冷媒温度の制御性が向上するという利
点がある。

第５図に示した冷却装置において、冷媒すなわち、冷却
水はポンプ１９により圧送されて、循環通路１３を図中
矢印方向に循環する。冷却通路１１の出口ボートとポン
プ１３間には出口ボート側からコンデンサ２１１および
ロアタンク２１２がこの順に配設されており、ロアタン
ク２１２は通路２１４によりリザーバタンク２１３と接
続されている０通路２１４のロアタンク２１２とリザー
バタンク２１３との間には可逆ポンプ２１５が配設され
ている。一方、コンデンサ２１１の近傍にはファン２１
８が配設され、更に、コンデンサ２１１には冷却系の圧
力、具体的にはコンデンサ２１１内の凝縮空間２１１ａ
の圧力を検知する圧力センサ２１６カミ取付けられてい
る。圧力センサ２１６はコントロールユニット２１７の
入力側に接続され、コントロールユニット２１７の出力
側は可逆ポンプ２１５に接続されている。また、コント
ロールユニット２１７には実施例１及び２で前述したと
同様のスロットル開度センサ２００が接続されている。

なお、符号２１は冷却通路１１内の圧力を調整するため
のバルブである。

かかる構成の冷却装置において、冷却水は冷却通路１１
を通過するときに周囲の熱をうばって気化することによ
り冷却を行い、気化により生じた水莫気はコンデンサ２
１１に導入され、凝縮空間２１１ａ内で冷却されて水に
還元され、この冷却水はロアタンク２１５に一旦呼えら
れてポンプ１９により再び冷却通路１１に供給される。

以下、この冷却装置の作用をコントロールユニット２１
７により所定周期で実行される制御ブロダラム（第６図
）を参照して説明する。

まス、コントロールユニット２１７は、ステップ４０で
スロットル開度センサ２００および圧力センサ２１６に
よりそれぞれ検出されたスロットル開度およびコンデン
サ内圧Ｐを読み取り、次いで、ステップ４１でエンジン
がアイドルを含む所定の低負荷運転状！ａ（以下、単に
アイドルと略称する）にあるか否かを判別する。エンジ
ンがアイドル状態にある場合、すなわち、ステップ４１
の判別結果が肯定（Ｙｅｓ）の場合、ステップ４２に進
み、検出した内圧Ｐが第１の設定温度例えば７０℃に対
応する圧力値Ｘ１より大きいか否かの判別がなされる。

この判別結果が肯定（Ｙｅｓ）であると、冷却水の沸騰
温度が第１の設定温度より高くなっているため、ステッ
プ４３に進んで可逆ポンプ２１５を作動させ冷却系から
冷却水をリザーバタンク２１３に戻して内圧を低下させ
る。

逆に、ステップ４２の判別結果が否定（ＮＱ）であると
、冷却水の沸騰温度が第１の設定温度よりも低くなって
いるためステップ４４に進んで可逆ポンプを上記と逆向
きに作動させて冷却水をリザーバタンク２１３から冷却
系内へ供給して内圧を上昇させる。このようにして、冷
却水の沸騰温度は第１の設定温度に保たれる。

一方、上記以外の運転時には、ステップ４１における判
別結果が否定（Ｎｏ）となり、ステップ４５に進む、ス
テップ４５ではコンデンサ内圧Ｐが第２の設定温度例え
ば５０℃に対応する圧力値Ｘ２より大きいか否かを判別
する。そして、この判別結果が肯定（Ｙｅｓ）の場合は
、上記と同様にステップ４３に進んで系内の冷却水量を
減少させ、否定（ＮＯ）の場合は同じくステップ４４に
進んで系内の冷却水量を増加させて冷却水温度は第２の
設定温度に保たれる。

なお、本実施例では、圧力センサ２１６により系内の圧
力を検出する構成としたが、圧力センサ２１６に代えて
例えば液面センサを使用して間接的にコンデンサ内圧力
を検出することもできる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、シリンダヘッド
およびシリンダブロック上部と、シリンダブロック基部
とを別々の冷却系により分離冷却する内燃エンジンの冷
却方法におり１て、シリンダブロック基部を冷却する冷
媒の温度を８０〜１００℃に、シリンダヘッドおよびシ
リンダブロック上部を冷却する冷媒の温度をアイドルを
含む所定の低負荷運転時には６０〜８０℃に、前記所定
の低負荷運転時以外の運転時には５０〜７０℃にそれぞ
れ制御したので、アイドルを含む所定の低負荷運転時に
おける燃費の向上と、それ以外の運転時、例えば高負荷
運転時における出力の向上とを両立して達成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の内燃エンジンの冷却方法
の第１の実施例に使用する冷却装置の概念図、第３図は
本発明の第２の実施例に使用する冷却装置のシリンダヘ
ッド側冷却系の概念図、第４図は第３図の冷却系におけ
る温度制御方法を示すフローチャート、第５図は本発明
の第３の実施例に使用する冷却装置のシリンダヘッド側
冷却系の概念図、第６図は第５図の冷却系における温度
制御方法を示すフローチャート、第７図はアイドル時の
シリンダヘッドおよびシリンダブロック上部の冷却水温
度を燃費との関係を示した図、第８図乃至第１１図はエ
ンジン回転数を種々に変化させた場合のシリンダヘッド
およびシリンダブロック上部の冷却水温度と出力向上率
、ノック点火時期進角度および充填効率との関係を示し
た図、第１２図は従来の内燃エンジンの冷却方法を実施
する場合の冷却装置の概念図である。 １・・・シリンダヘッド、２・・・シリンダブロック、
２ａ・・・シリンダブロック上部、２ｂ・・・シリンダ
ブロック基部、１１．１２・・・冷却通路、１３．１４
・・・循環通路、１５．１９・・・ポンプ、１７・・・
サーモスタット、１６．２０２・・・ラジェータ、２０
・・・温度制御手段、２０１・・・サーモスタット付二
段バルブ、２０８・・・電磁弁、２１１・・・コンデン
サ、２１６・・・圧力センサ、２０９，２１７・・・コ
ントロールユニット。 ヌグクト 第′２図 第３図 第８図　　　　第９図 第１０図　　　　　第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダヘッドおよびシリンダブロック上部と、シリン
   ダブロック基部とを別々の冷却系により分離冷却する内
   燃エンジンの冷却方法において、シリンダブロック基部
   を冷却する冷媒の温度を８０〜１００℃に、シリンダヘ
   ッドおよびシリンダブロック上部を冷却する冷媒の温度
   をアイドルを含む所定の低負荷運転時には６０〜８０℃
   に、前記所定の低負荷運転時以外の運転時には５０〜７
   ０℃にそれぞれ制御したことを特徴とする内燃エンジン
   の冷却方法。