JP6730902B2 - 多気筒エンジン冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、多気筒エンジンを冷却する装置に関する。

多気筒エンジンは、複数のシリンダが形成されたエンジン本体を有する。そして、たとえば自動車といった車両において動力源として用いられる。多気筒エンジンでは、シリンダに燃料および空気を供給し、この混合気を圧縮燃焼させることによりピストンを押し下げ、動力を得る。シリンダに供給する燃料（または混合気）の量を増減することにより、エンジン出力を増減することができる。
ところで、近年、燃費性能の向上などを目的として、多気筒エンジンにおいて、複数のシリンダの中の一部を休止させて動作させる気筒停止技術が研究されている（特許文献１）。
また、特許文献１では、複数のシリンダを、休止可能気筒と連続作動気筒とに分けて、休止している休止可能気筒に対して冷却水を循環させないようにしている。

特開２０１３−０８７７５８号公報

しかしながら、このように予め複数のシリンダを休止可能気筒と連続作動気筒とに分け、休止可能気筒のみを必要に応じて停止させたとしても、エンジンの熱の利用効率を向上させることにはならない。
このように一部のシリンダを休止させることができるような複数のシリンダを有する多気筒エンジンの冷却装置では、エンジンの熱の利用効率を向上させることが求められている。

本発明に係る多気筒エンジン冷却装置は、複数のシリンダを有するエンジン本体を冷却する多気筒エンジン冷却装置であって、前記エンジン本体において、前記シリンダ毎に独立して、前記シリンダの吸気側から排気側へ向かう方向に沿って設けられる冷却路を含む冷却水の循環経路と、前記冷却路での冷却水の流れ方向を、排気側から吸気側へ向かう順方向とその逆方向との間で切り替える制御部と、を有する。

好適には、前記制御部は、車両の走行状態、またはエンジンの状態に応じて冷却水の流れ方向を切り替える、とよい。

好適には、逆方向における前記循環経路の下流側に設けられ、前記エンジン本体を通過することにより暖められた冷却水から熱を回収する熱交換器、を有する、とよい。

好適には、前記熱交換器の温度または前記熱交換器を流れた後の冷却水の温度を検出する温度センサ、を有し、前記制御部は、前記熱交換器が熱を必要とする場合、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記順方向に切り替え、前記熱交換器が所定の高い温度を超えた場合には、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記逆方向に切り替える、とよい。

好適には、前記冷却路の温度または前記冷却路を流れた後の前記冷却水の温度を検出する温度センサ、を有し、前記制御部は、前記冷却路の温度または前記冷却路を流れた後の前記冷却水の温度が低い場合、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記順方向に切り替え、該温度が所定の暖気温度を超えた場合には、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記逆方向に切り替える、とよい。

好適には、前記エンジン本体を始動してからの経過期間を計測するタイマ、を有し、前記制御部は、前記タイマが前記経過期間を計測するまでは、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記順方向に切り替え、前記経過期間を計測した後は、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記逆方向に切り替える、とよい。

本発明では、複数のシリンダを有するエンジン本体において、冷却水の循環経路を構成する冷却路が、シリンダ毎に独立して、シリンダの吸気側から排気側へ向かう方向に沿って設けられる。そして、制御部は、冷却路での冷却水の流れ方向を、排気側から吸気側へ向かう順方向と、その逆方向との間で切り替える。よって、たとえばエンジン冷却を優先する場合には、制御部は、順方向へ制御することにより、冷たい冷却水で排熱側である排気側を効率よく冷却することができる。しかも、逆方向へ制御することにより、循環経路から、排熱側で最大に暖められた冷却水を排出させることができる。このエンジン本体の排熱側から排出される冷却水を用いることで、エンジンの熱の利用効率を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置を用いた自動車の説明図である。 図２は、図１の多気筒エンジンの模式的な縦断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置の構成図である。 図４は、多気筒エンジンの排熱の利用効率を向上させる一般的な制御内容を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置２０を用いた自動車１の説明図である。自動車１は、車両の一例である。

図１の自動車１は、車体２を有する。車体２の車幅方向両側には、車輪３が配置される。また、車体２の前部には、多気筒エンジン４、ラジエタ２１、などが配置される。
自動車１は、乗員室のシート６に着座した運転手による手動運転操作により、またはナビゲーション装置５１の生成経路などに基づく自動運転装置５２による自動運転制御により走行する。また、手動運手中には、自動運転装置５２は、運転支援制御を実施する。

図２は、図１の多気筒エンジン４の模式的な縦断面図である。

図２の多気筒エンジン４は、エンジン本体１１、エンジン本体１１に一列に並べて形成される４つのシリンダ１２、各シリンダ１２内に配置される４つのピストン１３、４つのフライホイール１４を有する出力軸１５、各ピストン１３とフライホイール１４とを連結する４つのコンロッド１６、を有する。また、各シリンダ１２の頭部の燃焼室には、インジェクタ１７が配置される。各シリンダ１２では、インジェクタ１７が噴射した燃料と空気との混合気をピストン１３の上昇で圧縮し、図示外のプラグで燃焼させ、燃焼気体の圧力によりピストン１３を押し下げる。このピストン１３を押し下げる力は、コンロッド１６およびフライホイール１４を通じて出力軸１５を回転させる。そして、基本的には、インジェクタ１７から噴射する燃料の量を増やすと出力軸１５の回転トルクおよび回転速度が上昇し、減らすと出力軸１５の回転トルクおよび回転速度が降下する。

エンジン制御部１８は、インジェクタ１７から噴射する燃料の量を制御することにより、エンジン出力を制御する。
また、エンジン制御部１８は、４つのインジェクタ１７から同じ量の燃料を噴射させるのではなく、４つのインジェクタ１７から異なる量の燃料を噴射させることもできる。具体的にはたとえば、４つのインジェクタ１７の一部から燃料を噴射させるとともに、残りのインジェクタ１７からの燃料噴射を休止させる。このように複数のシリンダ１２の一部を休止状態にすることにより、燃料の総噴出量を抑えて、燃費を向上させることができる。燃料を噴出しないインジェクタ１７が設けられたシリンダ１２は、燃焼をしない休止状態となる。これに対し、燃料が噴出されるインジェクタ１７が設けられたシリンダ１２は、燃焼をする連続稼働状態となる。
しかしながら、このように予め複数のシリンダ１２を休止可能気筒と連続作動気筒とに分け、休止可能気筒のみを必要に応じて停止させたとしても、エンジンの熱の利用効率を向上させることにはならない。
このように一部のシリンダ１２を休止させることができる多気筒エンジン４では、エンジンの熱の利用効率を向上させることが求められている。

図３は、本発明の実施形態に係る多気筒エンジン冷却装置２０の構成図である。

図３の多気筒エンジン冷却装置２０は、複数のシリンダ１２が形成されたエンジン本体１１を冷却するものであり、ラジエタ２１、ポンプ２２、複数の個別バルブ２３、複数の個別冷却路２４、熱交換器２５、冷却系制御部２６、を有する。

複数の個別冷却路２４は、エンジン本体１１においてシリンダ１２毎に独立して分けて設けられる。各個別冷却路２４は、エンジン本体１１においてシリンダ１２の吸気側から排気側へ向かう方向に沿って設けられる。

複数の個別バルブ２３は、複数の個別冷却路２４と１対１対応で接続される。個別バルブ２３は、個別冷却路２４への冷却水の流入を全開と全閉との間で切り替えることができる。

ラジエタ２１は、図１に示すように、車体２の最前部に配置される。ラジエタ２１は、外気により冷却水を冷却する。気化している冷却水は、ラジエタ２１において液化する。

熱交換器２５は、複数の個別冷却路２４を通過した冷却水が供給され、冷却水の熱を、たとえば空調装置の空気へ交換したり、バッテリ等の加熱媒体へ交換したりする。これにより、エンジン本体１１を通過することにより暖められた冷却水から熱を回収することができる。

ラジエタ２１、ポンプ２２、複数の個別バルブ２３、複数の個別冷却路２４、および熱交換器２５は、冷却管によりその順番で接続される。冷却水は、ポンプ２２の動作により、その循環経路内を循環する。
液化している冷却水は、ポンプ２２の動力により、ラジエタ２１から複数の個別バルブ２３へ供給される。複数の個別バルブ２３が開いている場合、冷却水は、個別冷却路２４へ供給される。エンジン本体１１のシリンダ１２は、液化している冷却水により冷却される。
エンジン本体１１を冷却した冷却水は、エンジンの熱を吸収して気化する。気化した冷却水は、循環経路を通じて熱交換器２５へ供給される。気化した冷却水の熱の一部は、熱交換器２５により回収して利用される。熱交換器２５を通過した冷却水は、ラジエタ２１へ供給される。これにより、冷却水は再び液化する。

また、図３の多気筒エンジン冷却装置２０は、複数の個別冷却路２４での冷却水の流れ方向を、排気側から吸気側へ向かう順方向とその逆方向との間で切り替えるために、第一切替バルブ３１、第二切替バルブ３２、第三切替バルブ３３、第一切替路３４、第二切替路３５、を有する。

第一切替バルブ３１は、ポンプ２２と複数の個別冷却路２４との間に設けられる。また、第一切替バルブ３１には、第一切替路３４の一端が接続される。第一切替バルブ３１は、ポンプ２２から供給される冷却水を、複数の個別冷却路２４へ供給する状態と、第一切替路３４へ供給する状態との間で切り替える。

第二切替バルブ３２は、第一切替バルブ３１と複数の個別冷却路２４との間に設けられる。また、第二切替バルブ３２には、第二切替路３５の一端が接続される。第二切替バルブ３２は、ポンプ２２から供給される冷却水を複数の個別冷却路２４へ供給する状態と、複数の個別冷却路２４から供給される冷却水を第二切替路３５へ供給する状態との間で切り替える。

第三切替バルブ３３は、複数の個別冷却路２４と熱交換器２５との間に設けられる。また、第三切替バルブ３３と複数の個別冷却路２４との間には、第一切替路３４の他端が接続される。第三切替バルブ３３と熱交換器２５との間には、第二切替路３５の他端が接続される。第三切替バルブ３３は、複数の個別冷却路２４から供給される冷却水を熱交換器２５へ供給する状態と、これらの間を遮断して第一切替路３４の冷却水を複数の個別冷却路２４へ供給するとともに第二切替路３５の冷却水を熱交換器２５へ供給する状態との間で切り替える。

冷却系制御部２６は、エンジン制御部１８、ナビゲーション装置５１、自動運転装置５２、シリンダ別温度センサ５３、冷却路別温度センサ５４、熱交換器温度センサ５５、タイマ５６が接続される。そして、冷却系制御部２６は、これら各部からの情報に基づいて、エンジン本体１１の冷却と、エンジンの排熱の利用効率とを制御する。

シリンダ別温度センサ５３は、多気筒エンジン４のエンジン本体１１において、各シリンダ１２の近くに配置される。これにより、シリンダ別温度センサ５３は、シリンダ１２毎の温度を検出する。

冷却路別温度センサ５４は、個別冷却路２４に設けられる。これにより、冷却路別温度センサ５４は、個別冷却路２４の温度または個別冷却路２４を流れた後の冷却水の温度を検出する。

熱交換器温度センサ５５は、熱交換器２５に設けられる。これにより、熱交換器温度センサ５５は、熱交換器２５のたとえば触媒の温度または熱交換器２５を流れた後の冷却水の温度を検出する。

タイマ５６は、たとえばエンジン本体１１を始動してからの経過期間などの時間を計測する。

図４は、多気筒エンジン４の排熱の利用効率を向上させる一般的な制御内容を説明する図である。

図４（Ａ）は、複数の個別冷却路２４において、冷却水は、エンジン本体１１のシリンダ１２の排気側から吸気側へ流れる。冷却系制御部２６が、第一切替バルブ３１を、ポンプ２２から供給される冷却水を複数の個別冷却路２４へ供給する状態に制御し、第二切替バルブ３２を、ポンプ２２から供給される冷却水を複数の個別冷却路２４へ供給する状態に制御し、第三切替バルブ３３を、複数の個別冷却路２４から供給される冷却水を熱交換器２５へ供給する状態に制御することにより、冷却水を、エンジン本体１１のシリンダ１２の排気側から吸気側へ流すことができる。

図４（Ｂ）は、複数の個別冷却路２４において、冷却水は、エンジン本体１１のシリンダ１２の吸気側から排気側へ流れる。冷却系制御部２６が、第一切替バルブ３１を、ポンプ２２から供給される冷却水を第一切替路３４へ供給する状態に制御し、第二切替バルブ３２を、複数の個別冷却路２４から供給される冷却水を第二切替路３５へ供給する状態に制御し、第三切替バルブ３３を、遮断状態として第一切替路３４の冷却水を複数の個別冷却路２４へ供給するとともに第二切替路３５の冷却水を熱交換器２５へ供給する状態に制御することにより、冷却水を、エンジン本体１１のシリンダ１２の吸気側から排気側へ流すことができる。

エンジンの排熱の利用効率を向上させる場合、冷却系制御部２６は、個別冷却路２４での冷却水の流れ方向を、順方向と逆方向との間で切り替える。

たとえば、冷却系制御部２６は、熱交換器２５が熱を必要とする場合、熱交換器温度センサ５５により検出される温度が所定の高い温度に到達するまで、図４（Ａ）に示すように冷却路での冷却水の流れ方向を順方向に切り替え、熱交換器２５が所定の高い温度を超えた場合には、図４（Ｂ）に示すように冷却路での冷却水の流れ方向を逆方向に切り替える。
これにより、熱交換器２５が所定の高い温度を超えた後は、熱交換器２５に対して、エンジン本体１１の排熱側から排出される高い温度の冷却水を供給して、熱交換器２５を効率よく加熱することができる。また、一部のシリンダ１２が休止状態にあっても、エンジン本体１１の排熱側から排出される高い温度の冷却水により、交換器を効率よく加熱することができる。

また、冷却系制御部２６は、冷却路別温度センサ５４により検出される冷却路の温度または冷却路を流れた後の冷却水の温度が低い場合、該温度が所定の暖気温度に到達するまで、冷却路での冷却水の流れ方向を順方向に切り替え、該温度が所定の暖気温度を超えた場合には、冷却路での冷却水の流れ方向を逆方向に切り替える。
これにより、冷却路または冷却路を流れた後の冷却水が所定の高い温度を超えた後は、熱交換器２５に対して、エンジン本体１１の排熱側から排出される高い温度の冷却水を供給することができる。エンジンの熱の利用効率を向上させることができる。また、一部のシリンダ１２が休止状態にあっても、エンジン本体１１の排熱側から排出される高い温度の冷却水により、交換器を効率よく加熱することができる。

また、冷却系制御部２６は、タイマ５６が経過期間を計測するまでは、冷却路での冷却水の流れ方向を順方向に切り替え、経過期間を計測した後は、冷却路での冷却水の流れ方向を逆方向に切り替える、
これにより、エンジン本体１１の始動後に経過期間が経過すると、エンジン本体１１から高い温度の冷却水を排出し、エンジンの熱の利用効率を向上させることができる。また、一部のシリンダ１２が休止状態にあっても、エンジン本体１１の排熱側から排出される高い温度の冷却水により、交換器を効率よく加熱することができる。

以上のように、本実施形態では、複数のシリンダ１２を有するエンジン本体１１において、冷却水の循環経路を構成する冷却路が、シリンダ１２の吸気側から排気側へ向かう方向に沿って設けられる。そして、冷却系制御部２６は、冷却路での冷却水の流れ方向を、排気側から吸気側へ向かう順方向と、その逆方向との間で切り替える。よって、たとえばエンジン冷却を優先する場合には、冷却系制御部２６は、順方向へ制御することにより、冷たい冷却水で排熱側である排気側を効率よく冷却することができる。しかも、逆方向へ制御することにより、循環経路から、排熱側で最大に暖められた冷却水を排出させることができる。このエンジン本体１１の排熱側から排出される冷却水を用いることで、エンジンの熱の利用効率を向上させることができる。

たとえば、逆方向における循環経路の下流側に熱交換器２５を設けることにより、エンジン本体１１の排熱側から排出される高い温度の冷却水を用いて、熱交換器２５を効率よく加熱することができる。

以上の実施形態は、本発明の好適な実施形態の例であるが、本発明は、これに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変形または変更が可能である。

１…自動車（車両）
２…車体
３…車輪
４…多気筒エンジン
６…シート
１１…エンジン本体
１２…シリンダ
１３…ピストン
１４…フライホイール
１５…出力軸
１６…コンロッド
１７…インジェクタ
１８…エンジン制御部
２０…多気筒エンジン冷却装置
２１…ラジエタ
２２…ポンプ
２３…個別バルブ
２４…個別冷却路
２５…熱交換器
２６…冷却系制御部
３１…第一切替バルブ
３２…第二切替バルブ
３３…第三切替バルブ
３４…第一切替路
３５…第二切替路
５１…ナビゲーション装置
５２…自動運転装置
５３…シリンダ別温度センサ
５４…冷却路別温度センサ
５５…熱交換器温度センサ
５６…タイマ

Claims (6)

1. 複数のシリンダを有するエンジン本体を冷却する多気筒エンジン冷却装置であって、
   前記エンジン本体において、前記シリンダ毎に独立して、前記シリンダの吸気側から排気側へ向かう方向に沿って設けられる冷却路を含む冷却水の循環経路と、
   前記冷却路での冷却水の流れ方向を、排気側から吸気側へ向かう順方向とその逆方向との間で切り替える制御部と、
   を有する多気筒エンジン冷却装置。
2. 前記制御部は、
   車両の走行状態、またはエンジンの状態に応じて冷却水の流れ方向を切り替える、
   請求項１記載の多気筒エンジン冷却装置。
3. 逆方向における前記循環経路の下流側に設けられ、前記エンジン本体を通過することにより暖められた冷却水から熱を回収する熱交換器、を有する、
   請求項１または２記載の多気筒エンジン冷却装置。
4. 前記熱交換器の温度または前記熱交換器を流れた後の冷却水の温度を検出する温度センサ、を有し、
   前記制御部は、
   前記熱交換器が熱を必要とする場合、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記順方向に切り替え、
   前記熱交換器が所定の高い温度を超えた場合には、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記逆方向に切り替える、
   請求項３記載の多気筒エンジン冷却装置。
5. 前記冷却路の温度または前記冷却路を流れた後の前記冷却水の温度を検出する温度センサ、を有し、
   前記制御部は、
   前記冷却路の温度または前記冷却路を流れた後の前記冷却水の温度が低い場合、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記順方向に切り替え、
   該温度が所定の暖気温度を超えた場合には、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記逆方向に切り替える、
   請求項１から４のいずれか一項記載の多気筒エンジン冷却装置。
6. 前記エンジン本体を始動してからの経過期間を計測するタイマ、を有し、
   前記制御部は、
   前記タイマが前記経過期間を計測するまでは、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記順方向に切り替え、
   前記経過期間を計測した後は、前記冷却路での冷却水の流れ方向を前記逆方向に切り替える、
   請求項１から５のいずれか一項記載の多気筒エンジン冷却装置。
   
   

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