JP2004132180A

JP2004132180A - エンジン冷却水回路

Info

Publication number: JP2004132180A
Application number: JP2002294416A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Yamaguchi; 山口　浩生
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP4089380B2

Abstract

【課題】ＥＧＲガス用冷却手段を単純化することのできるエンジン冷却水回路を提供する。
【解決手段】ＥＧＲガスクーラ６を、ラジエータ３の出口３ｂと水ポンプ４の間において、サーモスタット３と並列に配置している。これにより、従来のエンジン冷却水回路が備えているＥＧＲガスクーラを通過する冷却水流量を調整するための調整手段やその駆動回路等を用いることなく、さらにはラジエータ３における冷却作用を阻害すること無しに、ＥＧＲガスクーラ６のみによりＥＧＲガス温度を下げることができるので、ＥＧＲガス冷却手段を必要最小限度に単純化することのできるエンジン冷却水回路１を実現できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＧＲ（排気再循環）用排気通路を備えたエンジンのエンジン冷却水回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気中に含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ　）の量を低減させるための手段としてＥＧＲがある。これは、エンジンの排気通路から排気の一部を取り出して吸気通路へ還流させることにより、シリンダ内の燃焼ガス温度を低下させて、ＮＯｘ　の生成を抑制するものである。ＥＧＲによりＮＯｘ　の生成が抑制される理由として、シリンダ内の空気の一部が、排気中のＣＯ_２、Ｈ_２Ｏなどと置き換わることにより気体の熱容量が増大し、これにより燃焼ガスの温度上昇が抑えられること、および空気過剰率が低下する、つまり吸気中の酸素濃度が低下することによりＮＯ_Ｘ生成が抑制されることが挙げられる。
【０００３】
また、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果を高めるために、再循環される排気（以降、ＥＧＲガスと書く）を自動車の走行風、または冷却ファンにより強制的に流される空気流によって冷却し、ＥＧＲガスの充填率を高める技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＥＧＲを行うことによって排気ガス中のＮＯｘ　は確実に低減するし、ＥＧＲガスを予め冷却してから再循環させてＥＧＲガスの充填率を高めることによりその作用を高めることができるが、エンジンの運転条件によっては排気微粒子（パティキュレート・マター、以下ＰＭと呼ぶ）の排出量が増大するという別の問題を生じる。
【０００５】
そこで、この問題を解決するために、ＥＧＲガス温度を、エンジンの運転条件に応じて制御することが考えられる。たとえば、エンジンの冷却水によりＥＧＲガスを冷却する冷却手段を設けると共に、この冷却手段を通過する冷却水の量を調整する調整手段を設けて、ＥＧＲガス温度を、エンジンの運転条件に応じて最適となるように制御する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−４７１５６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１１−１１７８１５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＥＧＲガスを予め冷却してから再循環させる方式では、新たに、ＥＧＲガス冷却用の冷却装置およびその配管が必要であるが、車両上において、これらを搭載するスペースを確保するのは困難である。
【０００９】
また、ＥＧＲガス温度をエンジンの運転条件に応じて最適となるように制御する方式では、冷却手段を通過する冷却水の量を調整する調整手段、たとえば電動式の開度調整弁およびその駆動回路等が必要となり、部品点数およびコストが増大するという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、ＥＧＲガス用冷却手段を単純化することのできるエンジン冷却水回路を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のエンジン冷却水回路は、エンジン内に冷却水を供給する水ポンプと、エンジンとラジエータの入り口とを接続する第１水路と、ラジエータの出口とサーモスタットとを接続する第２水路と、サーモスタットと水ポンプを接続する第３水路と、第１水路とサーモスタットを接続するバイパス水路とを備え、サーモスタットにより、バイパス水路の連通および第２水路の遮断とバイパス水路の遮断および第２水路の連通とが切り替えられるエンジン冷却水回路であって、エンジンの排気通路から所定量の排気をエンジンの吸気通路へ還流させるＥＧＲ（排気再循環）通路途中に設けられ排気と冷却水とを熱交換させる熱交換器と、第２水路と並列に設置され熱交換器とラジエータの出口側を接続する第４水路と、第３水路と並列に設置され熱交換器と水ポンプを接続する第５水路とを備える構成としている。つまり、本発明の請求項１によるエンジン冷却水回路では、ＥＧＲガス冷却用の熱交換器を、ラジエータの出口側と水ポンプの間においてサーモスタットと並列に配置している。エンジン冷却水回路をこのように構成したことにより、エンジン冷却水の流れは以下のようになる。
【００１２】
（１）エンジンの運転状態が低・中負荷域の場合。
【００１３】
この場合、エンジンから冷却水に伝えられる熱量が少ないので冷却水温度は低くなっている。このため、サーモスタットは、バイパス水路を連通し且つ第２水路を遮断しており、エンジンから出た冷却水が水ポンプに到る経路は、第１水路→バイパス水路→サーモスタット→第３水路を経て水ポンプに到る経路と、第１水路→ラジエータ→第４水路→熱交換器→第５水路を経て水ポンプに到る経路の２系統となっている。これにより、ラジエータを通過する冷却水流量を減少させて冷却水温度が過剰に低くなることを防止し、エンジン各部の温度を適正に維持している。すなわち、ラジエータからの放熱量（熱負荷）は小さい。このとき、熱交換器には、ラジエータで冷却された低温の冷却水が、サーモスタットにおける圧力損失と熱交換器の圧力損失との比に応じて定まる流量だけ流れる。
【００１４】
（２）エンジンの運転状態が高負荷域の場合。
【００１５】
この場合、エンジンから冷却水に伝えられる熱量は多く冷却水温度は高くなっているので、サーモスタットは、バイパス水路を遮断し且つ第２水路を連通している。エンジンから出た冷却水は、第１水路→ラジエータ→第３水路を経て水ポンプに到り再びエンジン内に供給される。さらに、ラジエータで冷却された冷却水の一部は、第４水路→熱交換器→第５水路を経て水ポンプに到る。これにより、ラジエータを通過する流量を増加させて冷却水温度を下げ、エンジン各部の温度を適正に維持している。すなわち、ラジエータからの放熱量（熱負荷）はエンジンの低・中負荷域の場合と比べて大きくなる。このとき、熱交換器には、ラジエータで冷却された低温の冷却水が、サーモスタットにおける圧力損失と熱交換器の圧力損失との比に応じて定まる流量だけ流れる。
【００１６】
一般に、サーモスタットにおける圧力損失は、サーモスタットがバイパス水路を連通し且つ第２水路を遮断している時、すなわち冷却水温度が低いエンジン低・中負荷時には大きく、サーモスタットがバイパス水路を遮断し且つ第２水路を連通している時、すなわち冷却水温度が高いエンジン高負荷時は小さく設定されている。これにより、冷却水温度が低いエンジンの低・中負荷時においてはエンジン冷却水回路１を循環する冷却水量を低減して冷却水温度の過冷却を抑制しエンジン２各部の温度を適正に維持すると共に、冷却水温度が高いエンジンの高負荷時においてはラジエータ３を通過する冷却水流量を増大させてラジエータ３の十分な放熱量を確保している。一方、熱交換器における圧力損失は、エンジンの運転状態にかかわらずほぼ一定である。このため、熱交換器を通過する冷却水流量は、エンジンが低・中負荷時には多く、高負荷時には少なくなる。したがって、熱交換器の交換熱量も、エンジンが低・中負荷時には多く、高負荷時には少なくなる。
【００１７】
一方、エンジンの運転条件とＥＧＲガス流量との関係について考える。エンジンの低負荷域および中負荷域、すなわちシリンダ内で燃焼される燃料量がそれほど多くない領域においては、ＥＧＲを実施しても燃焼の悪化がほとんどないため、ＥＧＲガス量を多くしてＮＯｘ発生を抑制することができる。しかし、エンジンの高負荷域、すなわちシリンダ内で燃焼される燃料量が最大に近い領域では、ＥＧＲにより吸気中の酸素濃度が低下してシリンダ内の燃焼が悪化し、エンジン出力低下や黒煙の排出量増加という問題が生じる。したがって、一般にエンジンの高負荷域では、ＥＧＲのデメリットが増大するためＥＧＲガス量は極わずか又は０となっている。すなわち、ＥＧＲガス流量は、エンジンの低・中負荷域では多く、エンジンの高負荷域では極わずか又は０となっている。
【００１８】
以上をまとめると、エンジンの低・中負荷域では、ＥＧＲガス流量は多く且つ熱交換器を通過する冷却水流量も多いが、ラジエータの熱負荷は小さいので、熱交換器における熱交換がエンジン冷却水温度上昇に及ぼす影響はほとんどない。一方、エンジンの高負荷域では、ラジエータの熱負荷は増大するが、ＥＧＲガス流量は極わずか又は０であり且つ熱交換器を通過する冷却水流量は少ないので、熱交換器における熱交換がエンジン冷却水温度上昇に及ぼす影響は、低・中負荷域と同様にほとんどない。
【００１９】
したがって、従来のエンジン冷却水回路が備えている、熱交換器を通過する冷却水流量を調整する調整手段やその駆動回路等を用いずに、熱交換器によりＥＧＲガス温度を下げることができるので、熱交換器であるＥＧＲガス用冷却手段を必要最小限度に単純化することのできるエンジン冷却水回路を実現できる。
【００２０】
本発明の請求項２に記載のエンジン冷却水回路は、サーモスタットに替えて二方弁あるいは三方弁を設ける構成としている。これにより、バイパス水路の連通・遮断と第２水路の連通・遮断をそれぞれ独立して制御できるので、エンジン冷却水温度およびＥＧＲガス温度をよりきめ細かく制御できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路を、自動車用エンジンに適用した場合を例に図に基づいて説明する。
【００２２】
図１に、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１の全体回路図を示す。
【００２３】
エンジン冷却水回路１は、図１に示すように、エンジン２と、エンジン２内のウォータジャケット（図示せず）を流れることによって加熱される冷却水を走行風や冷却ファン（図示せず）等によって冷却するためのラジエータ３と、ラジエータ３で冷却された冷却水を再びエンジン２のウォータジャケットへ供給する水ポンプ４と、冷却水温度に応じてラジエータを通さずに冷却水を循環させるために冷却水回路を切り替えるサーモスタット５とを備えている。そして、エンジン２、ラジエータ３、水ポンプ４およびサーモスタット５が互いに冷却水通路によって接続されている。この冷却水通路は、図１に示すように、エンジン２とラジエータ３の入り口３ａを接続する第１水路７と、ラジエータ３の出口３ｂとサーモスタット５を接続する第２水路８と、サーモスタット５と水ポンプ４を接続する第３水路９と、第１水路７とサーモスタット５を接続するバイパス水路１０とから構成されている。
【００２４】
サーモスタット５は、たとえば、ワックスタイプのものが用いられ、冷却水温度に応じてサーモスタット５の弁部に封入されるワックスが膨張あるいは収縮することによって弁の開閉を行うものである。つまり、サーモスタット５によってバイパス水路１０の連通および第２水路８の遮断と、バイパス水路１０の遮断および第２水路８の連通とが切り替えられる。
【００２５】
さらに、エンジン冷却回路には、熱交換器であるＥＧＲガスクーラ６が設けられている。ＥＧＲガスクーラ６は、第２水路８と並列に設けられる第４水路１１によりラジエータ３の出口３ｂに接続され、且つ第３水路９と並列に設けられる第５水路１２により水ポンプ４に接続されている。つまり、ラジエータ３により冷却された冷却水は、第４水路１１を経由してＥＧＲガスクーラ６へ導入され、ＥＧＲガスクーラ６内を流れ、そして第５水路１２を経由して水ポンプ４によりエンジン２に供給される。
【００２６】
エンジン２の排気通路（図示せず）からは、ＥＧＲガスを取り出すためのＥＧＲガス通路１３が分岐し、図１に示すように、ＥＧＲガス通路１３はＥＧＲガスクーラ６に接続されている。また、ＥＧＲガスクーラ６は、ＥＧＲガス通路１４を介してエンジン２の吸気通路（図示せず）にＥＧＲガスを供給可能に接続されている。ＥＧＲガス通路１３を経てＥＧＲガスクーラ６に流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲガスクーラ内で冷却水と熱交換する、つまり冷却水により冷却されて、ＥＧＲガス通路１４を経てエンジン２に供給される。また、ＥＧＲガス通路１３の途中には、エンジン２に供給されるＥＧＲガス流量を調節するためのＥＧＲ制御弁１５が設けられている。そして、制御装置（図示せず）、あるいは、それに代わるものによって、エンジン２の色々な運転条件に応じてＥＧＲを行うかどうか、ＥＧＲを行う場合にどれだけのＥＧＲガスを供給するかということが決定されてＥＧＲ制御弁１５を開閉制御するようになっている。
【００２７】
次に、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１におけるＥＧＲガス冷却に関する作用、効果について説明する。
【００２８】
先ず、エンジン２の運転状態毎のエンジン冷却水回路１における冷却水が流れる経路について説明する。
【００２９】
図２に、エンジン２の運転状態が低・中負荷域におけるエンジン冷却水回路１の全体回路図を示す。図３に、エンジン２の運転状態が高負荷域におけるエンジン冷却水回路１の全体回路図を示す。図２および図３において、破線は、その水路が遮断されていることを示し、矢印は冷却水の流れる方向を示す。
【００３０】
（１）エンジンの運転状態が低・中負荷域の場合。
【００３１】
この場合、エンジン２から冷却水に伝えられる熱量が少ないので冷却水温度は低くなっている。このため、サーモスタット５は、バイパス水路１０を連通し且つ第２水路８を遮断している。したがって、エンジン２から出た冷却水は、図２において矢印で示すように流れる。すなわち、第１水路７→バイパス水路１０→サーモスタット５→第３水路９を経て水ポンプ４に到る経路と、第１水路７→ラジエータ３→第４水路１１→ＥＧＲガスクーラ６→第５水路１２を経て水ポンプ４に到る経路の２系統となっている。これにより、バイパス水路１０を連通させてラジエータ２を通過する冷却水流量を減少させて冷却水温度が過剰に低くなることを防止し、エンジン２各部の温度を適正に維持している。また、ラジエータ３を通って冷却された冷却水はＥＧＲガスクーラ６内を流れてＥＧＲガスを冷却する。
【００３２】
（２）エンジンの運転状態が高負荷域の場合。
【００３３】
この場合、エンジン２から冷却水に伝えられる熱量は多く冷却水温度は高くなっているので、サーモスタット５は、バイパス水路１０を遮断し且つ第２水路８を連通している。したがって、エンジン２から出た冷却水は、第１水路７→ラジエータ３→第３水路８を経て水ポンプ４に到り再びエンジン２内に供給される。さらに、ラジエータ３で冷却された冷却水の一部は、第４水路１１→ＥＧＲガスクーラ６→第５水路１２を経て水ポンプ４に到る。これにより、ラジエータ３を通過する冷却水流量を増加させて冷却水温度を下げ、エンジン２各部の温度を適正に維持している。また、ラジエータ３を通って冷却された冷却水の一部はＥＧＲガスクーラ６内を流れる。
【００３４】
次に、エンジン２の運転状態毎のＥＧＲガスクーラ６内を流れる冷却水流量について説明する。
【００３５】
本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１において、ＥＧＲガスクーラ６内は、サーモスタット５と並列に配置されている。したがって、ＥＧＲガスクーラ６を通過する冷却水流量とサーモスタット５を通過する冷却水流量は、ＥＧＲガスクーラ６の圧力損失とサーモスタット５における圧力損失との比に応じて定まる。
【００３６】
ここで、サーモスタット５における圧力損失は、エンジンの低・中負荷時のようにバイパス水路１０を連通し且つ第２水路８を遮断している場合は大きく、エンジンの高負荷時のようにバイパス水路１０を遮断し且つ第２水路８を連通している場合は小さく設定されているので、冷却水温度が低いエンジンの低・中負荷時においてはエンジン冷却水回路１を循環する冷却水量を低減して冷却水温度の過冷却を抑制しエンジン２各部の温度を適正に維持すると共に、冷却水温度が高いエンジンの高負荷時においてはラジエータ３を通過する冷却水流量を増大させてラジエータ３の十分な放熱量を確保している。
【００３７】
また、ＥＧＲガスクーラ６の圧力損失は、エンジン２の運転条件に関わらずほぼ一定である。
【００３８】
このため、ＥＧＲガスクーラ６を通過する冷却水流量は、エンジン２の低・中負荷時には多くなり、エンジン２の高負荷時には少なくなる。
【００３９】
一方、エンジン２の運転条件とＥＧＲガス流量、つまりＥＧＲガスクーラ６を通過するＥＧＲガス流量との関係について考える。エンジン２の低負荷域および中負荷域、すなわちシリンダ内で燃焼される燃料量がそれほど多くない領域においては、ＥＧＲによる燃焼の悪化がほとんどないため、ＥＧＲガス量を多くしてＮＯｘ発生を抑制することができる。これに対し、エンジン２の高負荷域、すなわちシリンダ内で燃焼される燃料量が最大に近い領域では、ＥＧＲにより吸気中の酸素濃度が低下してシリンダ内の燃焼が悪化し、エンジン出力低下や黒煙の排出量増加という問題が生じる。したがって、エンジン２の高負荷域では、ＥＧＲガス量は極わずか又は０となっている。つまり、ＥＧＲガス流量は、エンジン２の低・中負荷域では多く、エンジン２の高負荷域では極わずか又は０となっている。したがって、ＥＧＲガスクーラ６におけるＥＧＲガスの放熱量は、エンジン２の低・中負荷域においては多く、エンジン２の高負荷域では極わずか又は０となっている。
【００４０】
すなわち、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１では、ＥＧＲガスクーラ６におけるＥＧＲガスの放熱量が多いエンジン２の低・中負荷域において、ＥＧＲガスクーラ６を通過する冷却水流量を増加させ、ＥＧＲガス温度を低下させてＥＧＲガスの充填率を高めてＥＧＲによる排気ガス中のＮＯｘ　低減作用を高めると共に、ＥＧＲガスクーラ６におけるＥＧＲガスの放熱量が極わずか又は０であるエンジン２の低・中負荷域において、ＥＧＲガスクーラ６を通過する冷却水流量を少なくして、ラジエータ３における冷却作用を阻害すること無しに、ＥＧＲガス温度を確実に低下させることを、ＥＧＲガスクーラ６をラジエータ３の出口３ｂと水ポンプ４の間にサーモスタット３と並列に配置する、という単純な構成を採ることで、自動的に行うことができる。
【００４１】
なお、サーモスタット５の圧力損失特性を適宜設定することにより、エンジン冷却水回路１が適用されるエンジンにおける必要ＥＧＲガス流量に対応して、ＥＧＲガスクーラ６を通過する冷却水流量を調整することができる。
【００４２】
以上説明した、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１においては、ＥＧＲガスクーラ６を、ラジエータ３の出口３ｂと水ポンプ４の間において、サーモスタット３と並列に配置している。これにより、従来のエンジン冷却水回路が備えているＥＧＲガスクーラを通過する冷却水流量を調整するための調整手段やその駆動回路等を用いることなく、さらにはラジエータ３における冷却作用を阻害すること無しに、ＥＧＲガスクーラのみによりＥＧＲガス温度を下げることができるので、ＥＧＲガス冷却手段を必要最小限度に単純化することのできるエンジン冷却水回路１を実現できる。
【００４３】
なお、以上説明した、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１において、サーモスタット５に替えて、アクチュエータ駆動式の二方弁あるいは三方弁を設けてもよい。この場合、検出した冷却水温度に基づいてアクチュエータを作動させて二方弁あるいは三方弁の開度を制御すれば、ラジエータ３、ＥＧＲガスクーラ６、バイパス水路１０それぞれを流れる冷却水量を、エンジン負荷に応じて最適な値とすることができる。
【００４４】
また、以上説明した、本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１が適用されるエンジンは水冷式であれば、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのどちらでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるエンジン冷却水回路１の全体回路図である。
【図２】エンジン２の低・中負荷時におけるエンジン冷却水回路１の全体回路図を示す。
【図３】エンジン２の高負荷時におけるエンジン冷却水回路１の全体回路図を示す。
【符号の説明】
１　　エンジン冷却水回路
２　　エンジン
３　　ラジエータ
３ａ　　入り口
３ｂ　　出口
４　　水ポンプ
５　　サーモスタット
６　　ＥＧＲガスクーラ（熱交換器）
７　　第１水路
８　　第２水路
９　　第３水路
１０　　バイパス水路
１１　　第４水路
１２　　第５水路
１３　　ＥＧＲ通路
１４　　ＥＧＲ通路
１５　　ＥＧＲバルブ

Claims

エンジン内に冷却水を供給する水ポンプと、
前記エンジンとラジエータの入り口を接続する第１水路と、
前記ラジエータの出口とサーモスタットを接続する第２水路と、
前記サーモスタットと前記水ポンプを接続する第３水路と、
前記第１水路と前記サーモスタットを接続するバイパス水路とを備え、
前記サーモスタットにより、前記バイパス水路の連通および前記第２水路の遮断と前記バイパス水路の遮断および前記第２水路の連通とが切り替えられるエンジン冷却水回路であって、
前記エンジンの排気通路から所定量の排気をエンジンの吸気通路へ還流させるＥＧＲ（排気再循環）通路途中に設けられ前記排気と前記冷却水とを熱交換させる熱交換器と、
前記第２水路と並列に設置され、前記熱交換器と前記ラジエータの出口を接続する第４水路と、
前記第３水路と並列に設置され、前記熱交換器と前記水ポンプを接続する第５水路とを備えることを特徴とするエンジン冷却水回路。
前記サーモスタットに替えて二方弁あるいは三方弁を設けることを特徴とする請求項１に記載のエンジン冷却水回路。