特許 7303176 内燃機関システム

(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】2023-06-26

(45)【発行日】2023-07-04

(54)【発明の名称】内燃機関システム

(51)【国際特許分類】

   F01P 11/14 20060101AFI20230627BHJP

   F01P 11/16 20060101ALI20230627BHJP

【ＦＩ】

F01P11/14 E

F01P11/16 E

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020212018

(22)【出願日】2020-12-22

(65)【公開番号】P2022098570

(43)【公開日】2022-07-04

【審査請求日】2022-09-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591125289

【氏名又は名称】日本ケミカル工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】児玉 康朗

(72)【発明者】

【氏名】吉井 揚一郎

(72)【発明者】

【氏名】長澤 雅之

(72)【発明者】

【氏名】小倉 新一

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－８７８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１２８７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－２５７４３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－１５４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｐ ３／００

Ｆ０１Ｐ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンと、
前記エンジンを冷却する冷却液として、エチレングリコールを含む冷却液を冷却しながら、前記エンジンへ循環させる冷却循環機構と、
前記エンジンを通過した前記冷却液の温度を測定する温度センサと、
を備えた内燃機関システムであって、
前記内燃機関システムは、制御装置をさらに備えており、
前記制御装置は、
前記温度センサが測定した冷却液が、所定の温度以上となる時間を計測し、計測した時間を積算することにより、積算時間を計測する計測部と、
計測した前記積算時間が、上限積算時間以上となったときに、前記冷却液を交換すべきと判定する判定部と、を備えており、
前記制御装置は、前記冷却循環機構のうち、前記冷却液が流れる通路を形成する金属の種類に応じて、前記判定部の前記上限積算時間を設定する設定部をさらに備えることを特徴とする内燃機関システム。

【請求項2】

前記設定部は、前記通路を形成する金属が鋳鉄を含む場合の鋳鉄の上限積算時間と、前記通路を形成する金属が鋳鉄を含まない場合の鋳鉄以外の上限積算時間とに分けて、前記上限積算時間を設定するものであり、
前記設定部は、前記鋳鉄の上限積算時間が、前記鋳鉄以外の上限積算時間よりも短い時間となるように、前記上限積算時間を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンを備えた内燃機関システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、動力源としてエンジンとエンジンを制御する制御装置を備えた内燃機関システムが提案されている。エンジンの稼働時には、エンジンは、燃料と空気との混合気の燃焼により、高温に発熱する。そこで、エンジンには、冷却液が通水され、冷却循環機構により、冷却液を循環して、冷却液がエンジンに送られる。

【0003】

ところで、このような冷却液には、不凍性を目的として、エチレングリコールを含むものが使用されることがある。しかしながら、エチレングリコールは、８０℃を超える温度環境下では、酸化劣化することがある。

【0004】

たとえば、このような冷却液を管理するシステムとして、冷却液の温度が一定温度以上である時間を積算し、この積算時間が規定時間に達すると、冷却液が劣化したと判定するシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００９－０８７８２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、このような冷却液が酸化劣化し、有機酸が増加すると、冷却循環機構のうち、冷却液が接触する表面が有機酸により腐食することがある。この場合、特許文献１の如く、冷却液が高温状態となった時間を積算し、積算時間が閾値以上となったときに、冷却液の交換を促したとしても、このときには、冷却液の通路が過度に腐食していることがある。これは、この閾値となる時間は、冷却液の導電性の観点から設定された時間であり、腐食に関して何ら考慮されていないからである。

【0007】

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、エチレングリコールを含む冷却液を適正なタイミングで交換することにより、冷却水が流れる流路の腐食を抑えることができる内燃機関システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る内燃機関システムは、エンジンと、前記エンジンを冷却する冷却液として、エチレングリコールを含む冷却液を冷却しながら、前記エンジンへ循環させる冷却循環機構と、前記エンジンを通過した前記冷却液の温度を測定する温度センサと、を備えた内燃機関システムであって、前記内燃機関システムは、制御装置をさらに備えており、前記制御装置は、前記温度センサが測定した冷却液が、所定の温度以上となる時間を計測し、計測した時間を積算することにより、積算時間を計測する計測部と、計測した前記積算時間が、上限積算時間以上となったときに、前記冷却液を交換すべきと判定する判定部と、を備えており、前記制御装置は、前記冷却循環機構のうち、前記冷却液が流れる通路を形成する金属の種類に応じて、前記判定部の前記上限積算時間を設定する設定部をさらに備えることを特徴とする。

【0009】

本発明によれば、冷却循環機構を流れる冷却水には、エチレングリコールが含まれているので、エンジンから伝達される熱などにより、所定の温度以上で、エチレングリコールから、有機酸が生成される。このような有機酸の生成が継続すると、冷却水に含まれる有機酸の濃度が上昇する。そこで、本発明では、積算部は、有機酸の生成条件（具体的は生成する温度以上の条件）を満たす時間を積算（累積）し、積算時間を計測する。

【0010】

積算部で計測した積算時間が、設定された上限積算時間以上となったときに、有機酸の濃度が高まり、冷却水が流れる通路の腐食が進行することから、判定部では、冷却液を交換すべきと、判定することができる。

【0011】

特に、本発明では、設定部は、冷却循環機構のうち、冷却液が流れる通路を形成する金属の種類に応じて、上限積算時間を設定する。これにより、通路を形成する金属の種類に応じて、適切なタイミングで冷却水を交換することができるので、冷却液に含まれる有機酸により、冷却水が流れる通路が、過度に腐食することを防止することができる。

【0012】

さらに、設定部は、冷却液が流れる通路を形成する金属の種類ごとに応じて、判定部の上限積算時間を設定してもよいが、より好ましくは、前記設定部は、前記通路を形成する金属が鋳鉄を含む場合の鋳鉄の上限積算時間と、前記通路を形成する金属が鋳鉄を含まない場合の鋳鉄以外の上限積算時間とに分けて、前記上限積算時間を設定するものであり、前記設定部は、前記鋳鉄の上限積算時間が、前記鋳鉄以外の上限積算時間よりも短い時間となるように、前記上限積算時間を設定する。

【0013】

後述するように、発明者らの実験によれば、鋳鉄は、他の金属に比べて、有機酸により腐食しやすいことが分かっている。したがって、この態様によれば、冷却水が流れる通路を形成する金属に鋳鉄を含む場合には、鋳鉄以外の上限積算時間よりも短い時間となるように、積算時間を設定するので、有機酸により、鋳鉄を含む部分の腐食を低減することができる。

【0014】

ここでいう「通路を形成する金属が鋳鉄を含む」とは、配管、弁本体など、冷却水が流れる通路を形成する部品のうちの少なくとも１つが、鋳鉄製の部品を含むことをいう。「通路を形成する金属が鋳鉄を含まない」とは、配管、弁本体など、冷却水が流れる通路を形成する部品のうちの１つの部品も、鋳鉄製の部品を含まないことをいう。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、エチレングリコールを含む冷却液を適正なタイミングで交換することにより、冷却水が流れる流路の腐食を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの模式的概念図である。

【図2】図１に示す内燃機関システムの制御ブロック図である。

【図3】試験片の腐食割合を示すグラフである。

【図4】冷却水が流れる通路を形成する金属に鋳鉄を含む場合と、鋳鉄を含まない場合の上限積算時間を説明するための概念図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの制御フロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、図１～図５を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関システム１は、車両に搭載されるものである。内燃機関システム１は、エンジン１０と、冷却循環機構２０と、制御装置４０とを備えている。内燃機関システム１は、温度センサ３０と、スタータ５０と、警告灯６０と、入力装置７０と、をさらに備えている。

【0018】

エンジン１０は、車両の動力源となる装置である。以下、エンジン１０の詳細は図示しないが、エンジン１０は、シリンダブロックに、ピストンが摺動自在に配置されており、シリンダヘッドには吸気弁および排気弁が設けられている。エンジン１０の燃焼室では、燃料と吸入空気を混合した混合気を着火して燃焼し、これによりエンジン１０を駆動させる。この燃焼により、エンジン１０が加熱されることから、本実施形態では、エンジン１０のシリンダブロックには、エンジンを冷却する冷却液が流れる通路が形成されている。

【0019】

本実施形態では、冷却液は、水にエチレングリコール等を含む添加剤が添加された液体である。本実施形態では、冷却液に、エチレングリコールを２５～８０質量％含有していてもよい。冷却液にエチレングリコールを添加することにより、冷却液の凍結を防止することができる。

【0020】

エンジン１０を冷却する冷却液は、一般的に知られた冷却循環機構２０により、エンジン１０へ循環される。冷却循環機構２０は、ポンプ２１、ヒータコア２２、ラジエータ２３、およびリザーブタンク２４を備えており、これらは配管を介して接続されている。

【0021】

ポンプ２１は、エンジン１０よりも上流側に配置されており、エンジン１０に冷却液を圧送する。エンジン１０の稼働時には、エンジン１０が加熱されるため、ポンプ２１の圧送により、ポンプ２１は冷却される。

【0022】

ポンプ２１（エンジン１０）の下流には、上述した温度センサ（水温センサ）３０が設けられており、温度センサ３０により、エンジン１０を通過した冷却液の温度を測定することができる。さらに、温度センサ３０の下流には、ヒータコア２２が設けられている。ヒータコア２２は、車両の室内の温度を昇温する際に、冷却液の熱を熱交換により吸熱するものである。

【0023】

ヒータコア２２の下流には、ラジエータ２３が設けられており、ラジエータ２３は、ヒータコア２２を通過した冷却液を熱交換により冷却する。さらに、ラジエータ２３とポンプ２１との間には、冷却液を貯蔵するリザーブタンク２４が設けられおり、ポンプ２１に供給される冷却液の不足時には、リザーブタンク２４から冷却液が供給される。本実施形態では、リザーブタンク２４は、ラジエータ２３とポンプ２１との間に設けられたが、たとえば、ラジエータ２３に設けられていてもよい。

【0024】

本実施形態では、エンジン１０、ポンプ２１、ヒータコア２２、およびラジエータ２３に形成された冷却水が流れる通路と、これらを接続する配管内の通路とが、本発明でいう「冷却液が流れる通路」に相当する。

【0025】

制御装置４０は、スタータ５０からの始動信号に基づいて、エンジン１０の始動制御を行い、継続してエンジン１０の燃焼制御を行う。制御装置４０によるエンジン１０の制御は、エンジン１０の空燃比制御等、エンジン１０を稼働させる一般的な制御であり、その詳細な説明を省略する。

【0026】

制御装置４０は、警告灯６０に接続されており、冷却液が交換されるべきと判定した際に、警告灯６０を点灯させる制御を行う。制御装置４０は、温度センサ３０に接続されており、温度センサ３０からの冷却液の温度の計測信号を受信する。さらに、制御装置４０は、入力装置７０に接続されており、入力装置７０を介して、制御装置４０の制御プログラムが入力される。

【0027】

制御装置４０は、ＣＰＵ等の演算装置（図示せず）、および、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶装置（図示せず）をハードウエアとして備えている。さらに、制御装置４０は、ソフトウエアとして、図２に示す、上限時間設定部（設定部）４１、積算時間計測部（計測部）４２、および交換判定部（判定部）４３を備えている。なお、以下では、ソフトウエアとして、エンジン１０を制御するための詳細な説明は、一般的に知られた制御であるため、詳細な説明を省略する。

【0028】

上限時間設定部４１は、冷却循環機構２０のうち、冷却液が流れる通路を形成する金属の種類に応じて、後述する上限積算時間を設定する。ここで、上限積算時間は、冷却液を交換すべき判断基準（閾値）となる時間であり、上限積算時間の設定についての詳細は、後述する。

【0029】

積算時間計測部４２は、冷却液が交換されるまでの間において、温度センサ３０が測定した冷却液の温度が、規定温度以上である積算時間を計測する。ここで、規定温度とは、冷却液に含まれるエチレングリコールが酸化劣化して、ギ酸または酢酸等の有機酸が生成される温度であり、たとえば８０℃である。したがって、この場合には、積算時間計測部４２では、冷却液が８０℃以上となる条件を満たした時間を、前回の冷却液の交換の時点から、継続して、積算する。

【0030】

交換判定部４３は、積算時間計測部４２で計測した積算時間が、上限時間設定部４１で設定した上限積算時間以上となったときに、冷却液を交換すべきと判定する。具体的には、交換判定部４３により、冷却液が劣化していると判定した場合には、冷却液の交換を促すための警告信号を、警告灯６０に送信する。

【0031】

ところで、上述したように、冷却循環機構２０を流れる冷却水は、エンジン１０からの熱等が入熱され、加熱されるため、冷却水に含まれるエチレングリコールから有機酸が生成されることがある。そこで、発明者らは、冷却水が流れる流路を形成する金属の種類に応じて、試験片を準備した。具体的には、準備した試験片は、アルミニウム、鋳鉄、黄銅、および銅からなる５つの試験片である。これらの試験片に対して、ＪＩＳ Ｋ２２３４に準拠した不凍液の金属腐食性試験を行った。この結果を、図３に示す。図３の縦軸は、鋳鉄の試験片の腐食割合を１．０とし、腐食割合は、腐食により試験片の重量が減少した割合で、この腐食割合が大きいほど、腐食しやすいことを意味する。

【0032】

図３からも明らかなように、鋳鉄が最も腐食しやすく、次に、黄銅、銅の順に腐食しやすく、アルミニウムと鋼は、同程度であった。鋳鉄は、母材である鉄組織に、炭素粒子が分散しているため、鉄組織の粒界に有機酸が入り込み、粒界腐食しやすい。このため、鋳鉄は、他の金属に比べて、腐食しやすいと考えられる。

【0033】

このような点から、本実施形態では、上限時間設定部４１では、冷却循環機構２０のうち、冷却液が流れる通路を形成する金属の種類に応じて、交換判定部４３の交換判定基準となる上限積算時間を設定する。たとえば、図３に示すように、腐食割合が大きい（腐食しやすい金属）の順に、上限積算時間を短く設定してもよい。たとえば、腐食割合が最も大きい鋳鉄の上限積算時間を最も短くし、腐食割合が最も小さいアルミニウムと鋼の上限積算時間を最も長くしてもよい。

【0034】

さらに、上限時間設定部４１は、冷却水が流れる通路の金属が複数ある場合には、複数の金属から、最も腐食しやすい金属に応じた上限積算時間を設定する。たとえば、冷却水を流れる通路が、鋳鉄製の部材、銅製の部材、鋼製の部材である場合には、上限時間設定部４１は、鋳鉄に応じた上限設定時間を設定する。また、冷却水を流れる通路が、黄銅製の部材、アルミニウム製の部材、鋼製の部材である場合には、上限時間設定部４１は、黄銅に応じた上限設定時間を設定する。このように、金属種に応じて、上限積算時間を設定することにより、冷却水の流路が、鋳鉄等の腐食しやすい金属を含んでいたとしても、鋳鉄等を腐食するまで有機酸の濃度が高まる前に、冷却水を交換することができるので、冷却水の流路の腐食を抑えることができる。

【0035】

なお、図３の結果から、他の金属に比べて、鋳鉄が有機酸により過度に腐食することから、鋳鉄とその他の金属に分けて、上限積算時間を設定してもよい。具体的には、上限時間設定部４１は、通路を形成する金属が鋳鉄を含む場合の鋳鉄の上限積算時間と、通路を形成する金属が鋳鉄を含まない場合の鋳鉄以外の上限積算時間とに分けて、上限積算時間を設定する。
具体的には、図４に示すように、上限時間設定部４１は、鋳鉄（鋳鉄あり）の上限積算時間が、鋳鉄以外（鋳鉄なし）の上限積算時間よりも、短い時間となるように、上限積算時間を設定する。

【0036】

このような結果、通路を形成する金属に鋳鉄がある（すなわち、通路の少なくとも一部に鋳鉄製の部品が存在する）場合には、それ以外の場合に比べて、より短い上限積算時間で冷却水を交換するので、鋳鉄の腐食（鋳鉄製の部品の腐食）を低減することができる。一方、通路を形成する金属に鋳鉄がない（すなわち、通路に鋳鉄製の部品が存在しない）場合には、鋳鉄の上限設定時間よりも長い上限積算時間で冷却水を交換するので、冷却水の交換頻度を抑えることができる。

【0037】

図５を参照して、本実施形態の内燃機関システムにおける制御フローを説明する。まず、ステップＳ１では、入力装置７０を介して、冷却液が流れる通路を形成する金属の種類の情報を入力する。たとえば、通路が、複数の金属の種類からなる場合には、これらのすべての金属の種類を入力する。

【0038】

次に、ステップＳ２に進み、上限時間設定部４１は、冷却液が流れる通路を形成する金属の種類に応じて、上限積算時間を設定する。具体的には、ステップＳ１で入力された金属に鋳鉄を含む場合には、鋳鉄の上限積算時間を設定し、金属に鋳鉄を含まない場合には、鋳鉄以外の上限積算時間を設定する。

【0039】

次に、ステップＳ３では、エンジン１０を始動させてから、温度センサ３０で、冷却液の温度を測定する。ステップＳ４に進み、積算時間計測部４２で、冷却液の温度が規定温度に到達したかを判定する。

【0040】

ここで、ステップＳ４において、冷却液の温度が、所定温度（有機酸が生成される温度）に到達した場合には、ステップＳ５に進み、積算時間計測部４２で、その時間を計測する（具体的には、計測時間を加算する）。これにより、積算時間計測部４２で、冷却液が規定温度以上となった時間を積算し、積算時間を算出することができる。

【0041】

一方、冷却液の温度が、規定温度に到達していないときには、ステップＳ６に進む。ここでは、ステップＳ６において、既に時間を計測している場合には、時間の計測を終了し、計測時間を記憶し、ステップＳ３に戻る。

【0042】

ステップＳ５で、積算時間計測部４２で積算時間を測定（算出）した後、ステップＳ７に進み、交換判定部４３で、積算時間が上限積算時間に達したかを判定する。積算時間が上限積算時間に達した場合には、ステップＳ８に進む。一方、交換判定部４３で、積算時間が規定時間に達していないと判断した場合には、ステップＳ３に戻り、継続して、冷却液の温度を測定する。

【0043】

ステップＳ８では、交換判定部４３から警告灯６０に警告信号を送信し、警告灯６０を点灯させる。冷却液を交換した後は、計測した積算時間をリセットし、再度、図５に示すフローを実施する。

【0044】

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

【0045】

本実施形態では、エンジンの制御を行う制御装置と、冷却液の劣化を判定し、警告灯の点灯制御を行う制御装置を、１つの制御装置として車両に搭載する例を示した。しかしながら、たとえば、図２に示す警告灯の点灯制御をする制御装置を、車両の外部の管理システムに設け、管理システムを介した通信により、警告灯の点灯制御を行ってもよい。

【符号の説明】

【0046】

１：内燃機関システム、１０：エンジン、２０：冷却循環機構、３０：温度センサ、４０：制御装置、４１：上限時間設定部、４２：積算時間計測部、４３：交換判定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】