JPS64571B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は水冷式内燃機関の冷却系統に関し、詳
しくは運転状態に応じてシリンダ壁等の温度を適
正値に制御するようにした装置に関する。

内燃機関の過熱を抑えて安定した性能を発揮さ
せるために、シリンダや燃焼室の周囲に冷却水ジ
ヤケツトを形成して機関外部に設けたラジエータ
との間で冷却水を循環させるようにした水冷方式
は、他の冷却方式に較べて最も安定した冷却性能
を発揮するので、自動車用機関などに広く採用さ
れている。

しかしながら、従来の水冷機関では、シリンダ
等の周囲の冷却水がある一定の温度、例えば80℃
を超えると、この冷却水温に応動するサーモスタ
ツト弁を介してラジエータとの間の冷却水通路を
開き、これにより冷却水を循環して水温をほぼ一
定の温度に保つようになつており、その一方で冷
却水は全開全速時にも過熱を抑えられるだけの充
分な量が確保されているので、機関の発生熱量が
少なくなるほど相対的な意味で冷却水の熱容量が
増加し、換言すれば、第１図に示したように冷却
水の温度が一定であつても負荷が小さくなるほど
シリンダ壁の温度が低下して冷却過多状態になる
という問題点がある。

このような過度の冷却が、冷却損失の増大に伴
う熱効率の低下をもたらし、また、シリンダ壁表
面の未燃ガス層（クエンチ層）を拡大して排出
HC量を増加させることはよく知られている。

本発明はこのような従来の問題点を解消するこ
と目的としている。

このために本発明では、機関冷却水ジヤケツト
とラジエータとを連通する冷却水通路を開閉する
流量制御弁を備えた冷却規制装置と、機関の回転
速度を検出するセンサと、機関の負荷状態を検出
するセンサと、シリンダ壁温度が所定範囲となる
ように機関の回転速度及び負荷状態に基づいて予
め定められた前記流量制御弁の開度データを記憶
する開度記憶手段と、前記両センサの信号に応じ
前記開度記憶手段からの開度データをパルス信号
として出力する制御回路とを有し、かつ前記冷却
規制装置の流量制御弁は、機関吸入負圧に応動し
て弁体を開閉駆動するダイアフラム装置と、前記
制御回路からのパルス信号に応動して前記ダイア
フラム装置への機関吸入負圧を連続的に加減する
デユーテイソレノイド弁とを備え、吸入負圧の増
加に応じて冷却水流量を減少するように設定し
た。

上記構成に基づき、吸入負圧の発達によりダイ
アフラム装置を介して冷却水流量を減らすように
流量制御弁が駆動され、これにより発生熱量の少
ない低負荷運転時においても所定のシリンダ温度
が保たれて良好な運転性能が確保される。また、
このときの冷却水流量は機関の回転速度及び負荷
状態を検知するセンサからの信号に基づき、前記
ダイアフラム装置への吸入負圧を加減するソレノ
イド弁により連続可変的に制御されるので、シリ
ンダ壁等の温度は常時適切かつ速やかに制御され
る。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第２図において、１は機関本体、２はシリンダ
（燃焼室）、３はシリンダ２を包囲するように形成
された冷却水ジヤケツト、４はラジエータ、５は
冷却水ジヤケツト３とラジエータ４とを連通する
冷却水通路、６はラジエータ４の放熱を促すため
の電動フアン装置、７は冷却水ジヤケツト３及び
ラジエータ４に冷却水を循環させるための冷却水
ポンプ、８は機関吸入マニフオルド、９は冷却水
が適当な温度にまで速やかに上昇するように、冷
却水温が低い間バイパス通路５ａを絞つて冷却水
の循環量を抑制するサーモスタツト弁である。

上記水冷冷却系統については従来と略同様であ
るが、本発明では、この冷却系統の能力を機関運
転状態に応じて規制することにより、シリンダ壁
の表面温度若しくは燃焼室壁の表面温度（以下、
単にシリンダ壁温度と称する）を許容最高温度付
近に維持するようにする。

このための冷却規制装置としては、この実施例
では冷却水通路５を開閉して冷却水の循環流量を
制御する流量制御弁１０である。

流量制御弁１０は、第３図に示したように、冷
却水通路５と冷却水ジヤケツト３との隔壁部１１
に開口した通孔１２を開閉する弁体１３と、この
弁体１３を隔壁部１１と接離して弁作用をなすよ
うに進退駆動するダイアフラム装置（本体）１
４、及びこのダイアフラム装置１４への信号負圧
を加減するソレノイド弁１５からなる。

ダイアフラム装置１４は、その筒状の本体１４
がダイアフラム１６を介して大気室１７と負圧室
１８とに画成され、負圧室１８に介装されたコイ
ルバネ１９の弾力で、ダイアフラムロツド２０に
連接した弁体１３を開弁方向に付勢している。

一方、ソレノイド弁１５は、信号負圧を負圧室
１８に導入する負圧通路２１を周期的に大気側に
開放して負圧力を加減するデユーテイソレノイド
弁であり、この装置ではオンデユーテイ（開弁時
間比）が増加するほどエアフイルタ２２を介して
の大気で信号負圧を希釈してダイアフラム１６に
作用する負圧力を低減する。

弁体１３のリフトはコイルバネ１９の弾力と、
これに対抗する前記負圧力との釣合で決まるか
ら、この流量制御弁１０では、ソレノイド弁１５
を介しての信号負圧を高める（負圧を大きくす
る）ほど弁体１３のリフトｌは減少し、この結
果、冷却水の循環流量が減つて冷却熱容量が低下
する。

なお、信号負圧としては、第２図に示したよう
に負圧室１８への負圧通路２１を吸入マニフオル
ド８に接続して、図示しない絞り弁よりも下流側
の機関吸入負圧を導入している。この場合の弁リ
フト特性は、ダイアフラム装置１４を介して、例
えば第４図に示したように吸入負圧が略大気圧に
なる全負荷運転時（吸入負圧０〜−100mmHg）に
は最大にリフトするように設定する一方、図中
〜で示したように、ソレノイド弁１５を全閉と
したときにどの程度の吸入負圧で弁リフトｌをゼ
ロにするかは、後述する制御系統の構成に応じて
適宜定める。ここで、仮にの特性すなわち弁リ
フトをゼロにする負圧を−600mmHg程度に設定す
ると、ほぼ全運転域にわたつて基本的には吸入負
圧に依存したリフト特性すなわちソレノイド弁１
５を作動させなくてもリフトｌが変化する特性に
なり、他方で示したように吸入負圧が−200mm
Hgでリフトをゼロにする設定では、−200mmHgを
超える負圧をソレノイド弁１５で希釈することに
なり、ソレノイド弁１５を介してのリフト制御領
域が拡大する（ソレノイド弁１５を作動させては
じめて弁体１３のリフト制御が行なえる。）。

いずれにしても、上記流量制御弁１０では、ソ
レノイド弁１５を駆動するパルス信号のオンデユ
ーテイを増やすほどダイヤフラム１６に作用する
負圧力が低下して弁体１３のリフトが増加し、オ
ンデユーテイを減らすほどリフトが減少するか
ら、結局ソレノイド弁１５に付与するパルス信号
でもつて冷却水の循環流量、すなわち機関に対す
る冷却熱容量を自由に加減することができる。

従つて、機関発熱量（シリンダ壁温度に関与す
る発熱量）を代表する信号をとり出して、発熱量
に対して比例的に前記流量制御弁１０を介しての
冷却水流量を加減することにより、シリンダ壁温
度を許容最高温度付近に制御することができる。
つまり、すでに述べたようにシリンダ壁温度は機
関の発熱量と冷却水の冷却熱容量との関係で決ま
るから、第５図に示したように発熱量が少ない部
分負荷またはアイドリング域ほど冷却水の温度を
高めることにより、シリンダ壁から冷却水へと伝
わる単位時間あたりの熱量を減らしてシリンダ壁
温度の低下を抑えることができる。

次に、このような冷却制御を司る制御系統につ
いて第２図で説明する。

まず、流量制御弁１０のリフト制御を主にソレ
ノイド弁１５で増減する場合（第４図の特性，
）の制御について説明すると、この場合は、機
関発熱量を代表する信号として、図示しないクラ
ンク角センサ等からの回転速度信号と、同じく絞
り弁等の開度で負荷状態を検出する負荷センサか
らの負荷信号とを制御回路３０に入力し、これら
の信号に基づいて適当な弁リフトに制御するよう
にする。

機関発熱量は負荷と回転速度に対して比例的に
変化する性質があり、従つて負荷または回転速度
が高まるほど冷却水流量が増加するように流量制
御弁１０のリフトを制御すればよい。

回転速度と負荷とで代表される任意の機関運転
状態に対して、シリンダ壁温度を所定値に維持す
るのに適した冷却水流量もしくは温度及び流量制
御弁１０のリフトは予め実験的に知ることができ
るから、流量制御弁１０（ソレノイド弁１５）に
対する制御信号値を回転速度と負荷とに応じて決
定する回路、例えば記憶素子で構成されるテーブ
ルを前記実験結果に基づいて制御回路３０に形成
しておけば、所定のシリンダ壁温度に制御でき
る。

これに対して、負荷状態は吸入負圧でも代表さ
れるので、基本的な弁リフトを吸入負圧で決める
ようにした流量制御弁１０による場合は（第４図
の特性，）、回転速度信号のみを入力して回
転速度に応じた弁リフトに補正するように制御す
ればよい。

この場合の弁リフトの変化の様子は第６図に示
した通りであるが、一般に機関駆動される冷却水
ポンプ（第２図）では機関回転速度の上昇につれ
て流量が増加する関係上、弁リフトそのものは必
ずしも回転速度に比例せず、従つて回転速度に対
する弁リフトの制御幅はそれほど大きくとる必要
はない。

なお、上記制御系統においては、暖機運転時に
冷却水温が速やかに上昇するように、第２図の冷
却水ジヤケツト３に面して水温センサ３１を設
け、冷却水温が例えば120℃程度に達するまで流
量制御弁１０を全閉保持しておくようにするのが
好ましい。

さらに、シリンダ壁２ａまたは隣り合う燃焼室
壁２ｂの中間部に位置してシリンダ壁温度を検出
する温度センサ３２を設け、温度センサ３２を介
して検出されるシリンダ壁温度の変化率に比例し
て流量制御弁１０のリフトを増減補正し、これに
より温度変化に対して冷却水流量が速やかに追従
するようにすれば制御応答性を高めることができ
る。また、このようにシリンダ壁温度を直接的に
検出する温度センサ３２を設けた場合は、その出
力をシリンダ壁温度の基準値と比較して、出力が
基準値の上限を超えたときは冷却水流量を増加
し、基準値の下限よりも低下したときは流量を減
少するように制御することにより、シリンダ壁温
度を所定の範囲に維持することが可能である。

ところで、高負荷高速運転時には冷却水温を必
要なだけ低下させるために流量制御弁１０のリフ
トは最大になるのであるが、このように冷却熱容
量が大きい領域でのシリンダ壁温度を制御するた
めに、冷却規制装置の一部として電動フアン装置
６を制御するようにしてもよい。このためには電
動フアン装置６の回転速度を連続的または段階的
に可変とし、負荷または機関回転速度の上昇に応
じて冷却風量を増加するように制御回路３０を介
して制御する。

第７図は流量制御弁１０の他の実施例を示す。

この流量制御弁１０は、コイルバネ１９の弾力
で弁体１３を閉弁方向に付勢する一方、負圧室１
８にソレノイドコイル４０を設けてダイアフラム
ロツド２０を吸引することによりコイルバネ１９
に抗して弁体１３を強制的に全開保持できるよう
にした点で第３図のものと異なる。

この流量制御弁１０では、負圧室１８に作用す
る機関吸入負圧が強まるほど弁体１３のリフトが
増加するので、この負圧をソレノイド弁１５をデ
ユーテイ制御して希釈することにより適度な冷却
水流量となるように弁リフトを加減し、一方吸入
負圧の不足する高負荷領域ではソレノイドコイル
４０に通電して弁体１３を強制的に全開させるこ
とにより充分な冷却水流量を確保する。ここで、
弁体１３を強制的に全開させる手段としては、ソ
レノイドコイル４０の他に、例えば水温に応動し
て弁体１３を押し開くようにしたサーモワツクス
ペレツトなどでもよい。

また、この流量制御弁１０によれば、コイルバ
ネ１９の弾力で弁体１３が全閉保持されるので、
冷機始動時に冷却水の循環を停止して暖機を促す
うえで好都合である。

以上要するに、本発明によれば、機関冷却水の
循環流量を加減する流量制御弁やラジエータの放
熱量を加減する電動フアン装置など、水冷冷却系
統の能力を規制する冷却規制装置を設ける一方、
機関の発熱量あるいはシリンダ壁温度に相関する
信号を検出して前記冷却規制装置を制御する制御
回路を形成し、機関発熱量に対して略比例的に冷
却熱容量を増減することによりシリンダ壁温度を
許容最高温度に維持するようにしたので、冷却損
失を減らして機関の効率を高め、さらにシリンダ
壁面のクエンチ層の成長を抑えて排出HC量を低
減できるという効果が得られる。

特に、本発明では機関の回転速度及び負荷状態
に基づいて予め定められた弁開度となるように負
圧作動の流量制御弁を制御し、しかも流量制御弁
に供給する機関吸入負圧の強さつまり弁開度の制
御をデユーテイソレノイド弁の制御により連続可
変的に行うようにしたことから、これらの相乗効
果により極めて応答よくシリンダ壁温度を所定の
最高温度に制御することができ、従つて上記機関
効率の向上や排気エミツシヨン性能の改善を確実
に達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷却水温が一定のときの機関負荷状態
に応じたシリンダ壁温度の変化を表す温度勾配図
である。第２図は本発明の一実施例の全体構成
図、第３図はその流量制御弁の概略断面図であ
る。第４図は流量制御弁の弁リフト特性を機関吸
入負圧との関係で表した特性図である。第５図は
シリンダ壁温度を一定に維持するときの機関負荷
状態に応じた冷却水温度の変化を表す温度勾配図
である。第６図は機関回転速度に応じて流量制御
弁のリフトが加減される様子を表す特性図であ
る。第７図は流量制御弁の他の実施例の概略断面
図である。 １……機関本体、２……シリンダ、３……冷却
水ジヤケツト、４……ラジエータ、５……冷却水
通路、６……電動フアン装置、７……冷却水ポン
プ、８……吸入マニフオルド、１０……流量制御
弁、１３……弁体、１４……ダイアフラム装置、
１５……ソレノイド弁、３０……制御回路、３１
……水温センサ、３２……温度センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機関冷却水ジヤケツトとラジエータとを連通
   する冷却水通路を開閉する流量制御弁を備えた冷
   却規制装置と、機関の回転速度を検出するセンサ
   と、機関の負荷状態を検出するセンサと、シリン
   ダ壁温度が所定範囲となるように機関の回転速度
   及び負荷状態に基づいて予め定められた前記流量
   制御弁の開度データを記憶する開度記憶手段と、
   前記両センサの信号に応じ前記開度記憶手段から
   の開度データをパルス信号として出力する制御回
   路とを有し、かつ前記冷却規制装置の流量制御弁
   は、機関吸入負圧に応動して弁体を開閉駆動する
   ダイアフラム装置と、前記制御回路からのパルス
   信号に応動して前記ダイアフラム装置への機関吸
   入負圧を連続的に加減するデユーテイソレノイド
   弁とを備え、吸入負圧の増加に応じて冷却水流量
   を減少するように設定したことを特徴とする水冷
   式内燃機関の冷却制御装置。 ２ 冷却規制装置は、ラジエータを冷却する電動
   フアン装置を備え、高負荷高速運転域では前記フ
   アンの回転数を増減することでシリンダ壁の温度
   を制御するようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の水冷式内燃機関の冷却制御
   装置。