特許 7035865 エンジン冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-07

(45)【発行日】2022-03-15

(54)【発明の名称】エンジン冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F01P 5/12 20060101AFI20220308BHJP

   F01P 7/16 20060101ALI20220308BHJP

【ＦＩ】

F01P5/12 G

F01P7/16 505B

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2018129762

(22)【出願日】2018-07-09

(65)【公開番号】P2020007971

(43)【公開日】2020-01-16

【審査請求日】2020-10-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110000394

【氏名又は名称】特許業務法人岡田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 文弘

【審査官】北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－３０１００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－２１２３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３１８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６３２１２１４（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８４７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０２５７６０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｐ ５／１２

Ｆ０１Ｐ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンの本体に設けられ、冷却水を流通させることで前記エンジンの本体を冷却する冷却水通路と、
前記冷却水通路の流入口と流出口を接続して冷却水を循環させる循環経路を形成する冷却水配管と、
前記冷却水配管の前記冷却水通路における前記流入口の側に設けられて、冷却水を前記流入口に向けて圧送する第１ウォーターポンプと、
前記冷却水配管の前記冷却水通路における前記流出口の側に設けられて、前記エンジンの暖機運転時に閉状態にされ、前記エンジンの暖機運転終了後に開状態にされる制御弁と、
前記冷却水配管の前記冷却水通路における前記流出口の側において、前記制御弁をバイパスするように設けられたバイパス通路と、
前記バイパス通路に設けられて、前記エンジンの暖機運転時に冷却水を前記流出口に向けて圧送し、前記エンジンの暖機運転終了後時に前記流出口への冷却水の圧送を停止する、第２ウォーターポンプと、を備え、
前記第２ウォーターポンプは、電磁クラッチを介して前記エンジンの出力軸から伝達される回転動力により駆動され、
前記電磁クラッチは、
前記暖機運転時に接続側に制御されて、前記エンジンの出力軸からの回転動力を前記第２ウォーターポンプに伝達し、
前記暖機運転終了後に開放側に制御されて、前記エンジンの出力軸からの回転動力の前記第２ウォーターポンプへの伝達を停止する、
エンジン冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジン冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

冷却水を循環させてエンジンを冷却するエンジン冷却装置では、エンジンの冷間始動時に冷却水のエンジン本体への循環を停止させることで暖機時間の短縮化が図られている。

【0003】

例えば、特許文献１に記載のエンジン冷却装置１０１は、図６に示すように、機械式のウォーターポンプ１５０と、連通水路１６６と、流量制御弁１３０と、ラジエータ１１５と、が設けられた流出水路１６８を備えており、暖機運転時に、電子制御ユニット１４０が流量制御弁１３０を閉状態に制御して環状に形成された流出水路１６８の一部を閉鎖している。

【0004】

このため、暖機運転時には、機械式のウォーターポンプ１５０から吐出された冷却水は、図６中に矢印で示すように、エンジン１１０の本体に流れることなく、ウォーターポンプ１５０の周りを循環するので、エンジンの暖機時間が短縮化される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－１３７７７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、近年の環境規制の強化を受けて、さらなる燃費の向上及び冷間始動時における排ガス浄化用触媒の早期活性化を達成するために、さらなる暖機運転時間の短縮化が望まれている。

【0007】

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、暖機運転時間の短縮化を可能としたエンジン冷却装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、第１の発明は、エンジンの本体に設けられ、冷却水を流通させることで前記エンジンの本体を冷却する冷却水通路と、前記冷却水通路の流入口と流出口を接続して冷却水を循環させる循環経路を形成する冷却水配管と、前記冷却水配管の前記冷却水通路における前記流入口の側に設けられて、冷却水を前記流入口に向けて圧送する第１ウォーターポンプと、前記冷却水配管の前記冷却水通路における前記流出口の側に設けられて、前記エンジンの暖機運転時に閉状態にされ、前記エンジンの暖機運転終了後に開状態にされる制御弁と、前記冷却水配管の前記冷却水通路における前記流出口の側において、前記制御弁をバイパスするように設けられたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられて、前記エンジンの暖機運転時に冷却水を前記流出口に向けて圧送し、前記エンジンの暖機運転終了後時に前記流出口への冷却水の圧送を停止する、第２ウォーターポンプと、を備えた、エンジン冷却装置である。

【0009】

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るエンジン冷却装置であって、前記第２ウォーターポンプは、電磁クラッチを介して前記エンジンの出力軸から伝達される回転動力により駆動され、前記電磁クラッチは、前記暖機運転時に接続側に制御されて、前記エンジンの出力軸からの回転動力を前記第２ウォーターポンプに伝達し、前記暖機運転終了後に開放側に制御されて、前記エンジンの出力軸からの回転動力の前記第２ウォーターポンプへの伝達を停止する、エンジン冷却装置である。

【発明の効果】

【0010】

第１の発明によれば、暖機運転時は、第１ウォーターポンプから冷却水を流入口に圧送し、第２ウォーターポンプから冷却水を流出口に圧送する。これにより、エンジン内に冷却水を留めるとともに、機械損失を増加させ、燃料噴射量を増量させることができる。従って、さらなる暖機運転時間の短縮化が可能となり、さらなる燃費の改善と触媒の早期活性化を行うことができる。

【0011】

第２の発明によれば、第１ウォーターポンプと第２ウォーターポンプの両方を機械式ウォーターポンプにできるため、第１ウォーターポンプのみ機械式ウォーターポンプにする場合と比較して、機械損失をより増加させ排気ガスの排気昇温性をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】エンジン冷却装置の全体構成と暖機運転時の制御を説明するブロック図である。

【図2】エンジン冷却装置の暖機運転終了後の制御を説明するブロック図である。

【図3】エンジン冷却装置の暖機運転制御の処理を説明するフローチャートの図である。

【図4】エンジン冷却装置の冷却能力とエンジンのエンジン出力の関係を説明する図である。

【図5】エンジン冷却装置のウォーターポンプ駆動損失とエンジンのエンジン負荷の関係を説明する図である。

【図6】従来のエンジン冷却装置の全体構成を説明するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

●［エンジン冷却装置１の概略全体構成（図１）］
図１を用いて本発明の実施形態のエンジン冷却装置１の全体構成を説明する。

【0014】

図１に示すように、エンジン冷却装置１は、ラジエータ１５と、制御弁３０と、第１ウォーターポンプ５０と、第２ウォーターポンプ５５と、冷却水通路６０と、ラジエータ水路６１と、吸入水路６４と、バイパス通路６６と、冷却水配管６８と、制御手段４０と、を有している。

【0015】

冷却水通路６０は、エンジン１０の本体に設けられ、冷却水を流通させることでエンジン１０の本体を冷却する冷却水の流路である。冷却水配管６８は、冷却水通路６０の流入口１５Ａと流出口１５Ｂを接続して冷却水を循環させる循環経路を形成する。

【0016】

第１ウォーターポンプ５０は、冷却水配管６８の冷却水通路６０における流入口１５Ａの側に設けられて、エンジン１０の暖機運転時及び暖機運転終了後において、吸入した冷却水を流入口１５Ａに向けて圧送する。第１ウォーターポンプ５０は、機械式ウォーターポンプであり、エンジン１０の出力軸から伝達される回転動力で駆動され、取り入れた冷却水を圧送する。

【0017】

制御弁３０は、冷却水配管６８の冷却水通路６０における流出口１５Ｂの側に設けられて、エンジン１０の暖機運転時に閉状態にされ、エンジン１０の暖機運転終了後に開状態にされる。

【0018】

バイパス通路６６は、冷却水配管６８の冷却水通路６０における流出口１５Ｂの側において、制御弁３０をバイパスするように設けられている。

【0019】

第２ウォーターポンプ５５は、バイパス通路６６に設けられて、エンジン１０の暖機運転時に冷却水を流出口１５Ｂに向けて圧送し、エンジン１０の暖機運転終了後において流出口１５Ｂへの冷却水の圧送を停止する。

【0020】

また、第２ウォーターポンプ５５は、機械式ウォーターポンプであり、制御手段４０で制御される電磁クラッチ５５ａを有し、電磁クラッチ５５ａを介してエンジン１０の出力軸から伝達される回転動力により駆動される。電磁クラッチ５５ａは、暖機運転時において、接続側に制御され、エンジン１０の出力軸からの回転動力を第２ウォーターポンプ５５に伝達し、暖機運転終了後において、開放側に制御されて、エンジンの出力軸からの回転動力の第２ウォーターポンプ５５への伝達を停止する。

【0021】

流出口水温センサ２５は、流出口１５Ｂに設けられて、エンジン１０内の冷却水通路６０を通り流出口１５Ｂから流出する冷却水の水温を測定し、測定に応じた信号を制御手段４０に出力する。制御手段４０は、流出口水温センサ２５で計測された冷却水の温度に基づき、制御弁３０と電磁クラッチ５５ａを制御する。

【0022】

●［エンジン冷却装置１の暖機運転制御の処理の説明（図１～図３）］
図１～図３を用いて、エンジン冷却装置１の暖機運転時と暖機運転終了後の制御を詳細に説明する。図１は、エンジン冷却装置１の暖機運転時の制御を説明するブロック図である。図２は、エンジン冷却装置１の暖機運転終了後の制御を説明するブロック図である。図３は、エンジン冷却装置１の暖機運転制御の処理を説明するフローチャートの図である。なお、図１と図２中の冷却水通路６０及び冷却水配管６８における矢印は、冷却水の流れる方向を示している。

【0023】

エンジン冷却装置１の制御手段４０の処理手順について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、制御手段４０は、エンジン１０の起動後、所定時間間隔（例えば数［ｍｓ］間隔）にて、暖機運転制御の処理を実行する。以下、暖機運転制御の処理の各ステップについて詳細に説明する。

【0024】

ステップＳ０１０において、制御手段４０は、流出口水温センサ２５からの情報に基づき、冷却水の温度が所定温度よりも小さいと判定した場合（Ｙｅｓ）、ステップＳ０２０に処理を進め、冷却水の温度が所定温度よりも小さくないと判定した場合（Ｎｏ）、ステップＳ０４０に処理を進める。なお、所定温度は予め設定された冷却水の温度であり、制御手段４０の有する記憶手段（図示省略）に記憶されている。

【0025】

ステップＳ０２０において、制御手段４０は、電磁クラッチ５５ａを接続側へ制御し、ステップＳ０３０へ処理を進める。

【0026】

ステップＳ０３０において、制御手段４０は、制御弁３０を閉状態に制御し、暖機運転制御の処理を終了する。

【0027】

ステップＳ０４０において、制御手段４０は、電磁クラッチ５５ａを開放側へ制御し、ステップＳ０５０へ処理を進める。

【0028】

ステップＳ０５０において、制御手段４０は、制御弁３０を開状態に制御し、暖機運転制御の処理を終了する。

【0029】

［暖機運転時における制御（図１）］
制御弁３０は閉状態であるため、第２ウォーターポンプ５５により圧送された冷却水は、流出口１５Ｂへ向けて流入される。また、第１ウォーターポンプ５０は、流入口１５Ａへ向けて冷却水を圧送している。従って、冷却水は、冷却水通路６０において、流入口１５Ａからエンジン１０内へ向かう方向と、流出口１５Ｂからエンジン１０内へ向かう方向と、の双方向から圧送されているため、冷却水通路６０を流れることがなく、冷却水通路６０に留まり、冷却水配管６８内を循環されない。

【0030】

冷却水がエンジン１０の冷却水通路６０に留まっているため、冷却水が冷却水通路６０を流通して冷却水配管６８内を循環する場合と比較して、排気温度は、より短期間に上昇させられ、暖機運転に要する時間は、短縮させられる。また、第１ウォーターポンプ５０と第２ウォーターポンプ５５の双方を駆動するため、第１ウォーターポンプ５０のみ機械式ウォーターポンプにする場合と比較して、より機械損失を増加させ排気ガスの排気昇温性を向上させることができる。

【0031】

［暖機運転終了後における制御（図２）］
第１ウォーターポンプ５０は、流入口１５Ａへ向けて冷却水を圧送している。第２ウォーターポンプ５５は、電磁クラッチ５５ａが開放側にあるため、駆動を停止し冷却水を圧送しない。また、制御弁３０が開状態であるため、第１ウォーターポンプ５０により圧送され流入口１５Ａへ向けて流入した冷却水は、冷却水通路６０を流通されて、流出口１５Ｂから流出される。流出口１５Ｂから流出した冷却水は、冷却水配管６８におけるラジエータ水路６１を経由して、ラジエータ１５を通過させられる。そして、ラジエータ１５を通過した冷却水は、冷却水配管６８における吸入水路６４を経由して、第１ウォーターポンプ５０の吸入口へ取り込まれ、冷却水通路６０を流通されて冷却水配管６８内を循環される。冷却水が冷却水通路６０を流通して冷却水配管６８内を循環されるため、暖機運転終了後における必要な冷却能力は確保される。

【0032】

［本発明の効果の説明（図４、図５）］
図４は、エンジンのエンジン出力とエンジン冷却装置の冷却能力の関係を説明する図である。図５は、エンジンのエンジン負荷とエンジン冷却装置のウォーターポンプ駆動損失の関係を説明する図である。なお、説明を簡単にするため、図４と図５においてエンジンの回転数は一定とされている。

【0033】

図４において、直線Ｓａ１は、機械式ウォーターポンプを用いたエンジン冷却装置の冷却能力における一般的な特性を示し、直線Ｓａ２は、電動ウォーターポンプ等を用いた場合の特性を示し、直線Ｓａ３は、電動ウォーターポンプ等を用いた場合でエンジンの暖機運転時に冷却水の循環を停止した場合の特性を示している。また、直線Ｓａ４は、本発明のエンジン冷却装置を用いた場合の冷却能力の特性を示している。

【0034】

図５において、直線Ｓｂ１は、機械式ウォーターポンプを用いたエンジン冷却装置のウォーターポンプ駆動損失における一般的な特性を示し、直線Ｓｂ２は、電動ウォーターポンプ等を用いた場合の特性を示し、直線Ｓｂ３は、電動ウォーターポンプ等を用いた場合でエンジンの暖機運転時に冷却水の循環を停止した場合の特性を示している。また、直線Ｓｂ４は、本発明のエンジン冷却装置を用いた場合のウォーターポンプ駆動損失の特性を示している。

【0035】

図４において、横軸はエンジン出力を示し、縦軸はエンジン冷却装置の冷却能力を示している。また、横軸のエンジン出力は、エンジン出力の低い側を常用域、エンジン出力の高い側を高出力域としている。縦軸の冷却能力は、高・低として相対的に表現されている。

【0036】

機械式ウォーターポンプによるエンジン冷却装置は、エンジン出力が高出力域の場合においても冷却能力を確保できように、冷却能力が調整されているため、常用域においては冷却能力が過剰となる（直線Ｓａ１）。

【0037】

また、電動ウォーターポンプや機械的に冷却水の流量を変更できるウォーターポンプの場合は、エンジン出力に応じて、冷却能力を調整できる。従って、常用域では冷却能力を低くし、高出力域では冷却能力を高く調整できる（直線Ｓａ２）。また、電動ウォーターポンプ等を停止することで、冷却能力は極力低くされる（直線Ｓａ３）。

【0038】

本発明の実施形態のエンジン冷却装置は、暖機運転時では、冷却水の冷却水通路における循環を止め、エンジン内へ冷却水を留めるため、常用域における暖機運転時の冷却能力を極力低くすることができる（直線Ｓａ４）。これにより、本発明のエンジン冷却装置は、暖機性を向上することができる。

【0039】

図５において、横軸はエンジンの負荷を示し、縦軸はエンジン冷却装置のウォーターポンプ駆動損失を示している。また、横軸のエンジン出力は、エンジン出力の低い側を常用域、エンジン出力の高い側を高出力域としている。縦軸のウォーターポンプ駆動損失は、大・小として相対的に表現されている。

【0040】

機械式ウォーターポンプによるエンジン冷却装置は、エンジン負荷が常用域から高出力域までエンジン回転数が一定であるため、ウォーターポンプ駆動損失は一定となる（直線Ｓｂ１）。

【0041】

また、電動ウォーターポンプや機械的に冷却水の流量を変更できるウォーターポンプの場合は、エンジン負荷に応じて、冷却能力を調整するためウォーターポンプの吐出流量を変更できるため、冷却能力を調整できる。従って、常用域ではウォーターポンプ駆動損失を小さく、高出力域ではウォーターポンプ駆動損失を大きくできる（直線Ｓｂ２）。また、電動ウォーターポンプ等を停止することで、ウォーターポンプ駆動損失は極力低くされる（直線Ｓｂ３）。

【0042】

本発明の実施形態のエンジン冷却装置は、第１ウォーターポンプと第２ウォーターポンプの双方が機械式ウォーターポンプであるため、暖機運転時では、従来の１個の機械式ウォーターポンプを使用した場合（直線Ｓｂ１）と比較して、常用域から高出力域におけるウォーターポンプ駆動損失をより大きくできる（直線Ｓｂ４）。なお、暖機運転時では、電磁クラッチを用いて第２ウォーターポンプを切り離すので、暖機運転終了後のウォーターポンプ駆動損失は、直線Ｓｂ１となる。つまり、暖機運転終了後において、本発明のエンジン冷却装置は、１個の機械式ウォーターポンプを用いている従来と同等の駆動損失に抑えることができる。

【0043】

これにより、暖機運転時では、ウォーターポンプ駆動損失に基づく機械損失が増加するので、機械損失に対してエンジン出力を上げるように制御され、具体的にはエンジンへの燃料量が増加される。この燃料量の増加により、暖機運転時では、エンジンに投入されるエネルギー量（熱量）が増加するので、暖機運転時間は短縮化される。従って、エンジンの暖機運転時における燃料量は増加するが、暖機運転時間の短縮化が図れるため、トータルで見れば燃費は改善され、触媒を早期に活性化できる。
●［本願の効果］

【0044】

以上に説明したように、本実施の形態にて説明したエンジン冷却装置は、暖機運転時は、第１ウォーターポンプから冷却水を流入口に圧送し、第２ウォーターポンプから冷却水を流出口に圧送する。これにより、エンジン内に冷却水を留めるとともに、機械損失を増加させ、燃料噴射量を増量させることができる。従って、さらなる暖機運転時間の短縮化が可能となり、さらなる燃費の改善と触媒の早期活性化を行うことができる。

【0045】

本発明の、エンジン冷却装置は、本実施の形態で説明した構成、構造等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。特に、第２ウォーターポンプ５５は、機械式ウォーターポンプに限定されず、電動ウォーターポンプでも良い。

【符号の説明】

【0046】

１ エンジン冷却装置
１０ エンジン
１５ ラジエータ
１５Ａ 流入口
１５Ｂ 流出口
２５ 流出口水温センサ
３０ 制御弁
４０ 制御手段
５０ 第１ウォーターポンプ
５５ 第２ウォーターポンプ
５５ａ 電磁クラッチ
６０ 冷却水通路
６１ ラジエータ水路
６４ 吸入水路
６６ バイパス通路
６８ 冷却水配管
Ｓａ１ 直線
Ｓａ２ 直線
Ｓａ３ 直線
Ｓａ４ 直線
Ｓｂ１ 直線
Ｓｂ２ 直線
Ｓｂ３ 直線
Ｓｂ４ 直線
１０１ エンジン冷却装置
１１０ エンジン
１１５ ラジエータ
１３０ 流量制御弁
１４０ 電子制御ユニット
１５０ ウォーターポンプ
１６６ 連通水路
１６８ 流出水路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】