JP2009174362A - ハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、簡易な構造で、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができるようにする。
【解決手段】排気還流ガス冷却装置３０は、エンジンを冷却するエンジン用冷却系統４８と、ＭＧ６０とインバータ２６を冷却する電気機器用冷却系統５８とを有し、排気還流ガス（ＥＧＲガス）を冷却するために、ＥＧＲ通路４２の上流側にエンジン用冷却系統４８に用いられる第一ＥＧＲクーラ４４を配置し、それの下流側に電気機器用冷却系統４６に用いられる第二ＥＧＲクーラ４６を配置したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、原動機として内燃機関と電動機を含むハイブリッド車両に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスの一部であって、排気系から吸気系に還流する排気還流ガスを冷却するハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置に関する。

従来より、内燃機関の燃焼時に発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するため、排気ガスの一部を排気系から吸気系に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）が知られている。

窒素酸化物は、高温の排気ガスのもとで空気中の酸素と窒素が反応してできる。このため、ＥＧＲは、排気系から吸気系に還流する排気還流ガス（以下、ＥＧＲガスと記す）により燃焼温度を下げて窒素酸化物の発生を抑制している。そして、このＥＧＲにあっては、ＥＧＲガスの温度を下げるほどＥＧＲガスの体積が減少して新規吸入空気の吸気効率が向上することが知られており、これにより燃費の向上及び燃焼時における窒素酸化物の発生の低減を図ることができることが実験的に明らかとなっている。

下記特許文献１には、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲ通路に、空冷式ＥＧＲクーラと水冷式ＥＧＲクーラとが配置され、ＥＧＲガスが、まず空冷式ＥＧＲクーラで冷却され、次に水冷式クーラで冷却されることが記載されている。そして、水冷式ＥＧＲクーラには、内燃機関を冷却する冷却水が導かれ、この冷却水と熱交換することによりＥＧＲガスが冷却されることが記載されている。この特許文献１には、水冷式ＥＧＲクーラだけではなく空冷式ＥＧＲクーラをＥＧＲ通路に配置することにより、水冷式ＥＧＲクーラの容量をあまり大きくしなくても、ＥＧＲガスを目標温度まで冷却することができることが示されている。

下記特許文献２には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラにハイブリッド電気機器用冷却系（以下、電気機器用冷却系統と記す）を用いたＥＧＲ冷却システムが記載されている。電気機器用冷却系統とは、ハイブリッド車両に搭載される駆動用モータとインバータとを含む電気機器を冷却する冷却系統であり、この系統には専用のラジエータが設けられていることが示されている。

特開２０００−１３０２７０号公報 特開２００６−２０７４９５号公報

上記引用文献１の水冷式ＥＧＲクーラにおいては、内燃機関の冷却水が使用される。内燃機関の冷却水温は、通常運転時、約８０〜９０℃の範囲内であるため、それより温度が高いＥＧＲガスを冷却することができる。しかしながら、更なるＮＯｘの低減や燃費の向上を図るためには、内燃機関の冷却水よりも低い温度の冷却媒体によりＥＧＲガスを冷却する必要がある。

上記引用文献２のＥＧＲクーラにおいては、電気機器用冷却系統の冷却水が使用される。この冷却水の温度は、通常、内燃機関の冷却水温より低い温度であるので、内燃機関の冷却水を使用するＥＧＲクーラよりＥＧＲガスを冷却することができ、更なるＮＯｘの低減や燃費の向上を図ることができる。しかしながら、電気機器用冷却系統のＥＧＲクーラのみでＥＧＲガスを冷却する場合は、ＥＧＲクーラが受ける受熱量が大きくなってしまう。この受熱量は、電気機器用冷却系統のラジエータにおいて放熱されて処理される。しかしながら、電気機器の性能低下を防ぐためには冷却水を所定の温度まで下げて電気機器に供給する必要がある。そのためには、ラジエータの容量を大きくしなければならないという問題があった。

本発明の目的は、電気機器用冷却系統のラジエータ容量を大きくすることなく、簡易な構造で、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができるハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置を提供することにある。

本発明は、原動機として内燃機関と電動機を含むハイブリッド車両に搭載され、前記内燃機関から排出される排気ガスの一部であって、排気系から吸気系に還流する排気還流ガスを冷却するハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、前記内燃機関を冷却する内燃機関用冷却系統と、前記電動機と前記電動機に電気的に接続されたインバータとを含む電気機器を冷却する電気機器用冷却系統と、を有し、排気還流ガスを冷却するために、排気還流ガスが流れる通路の上流側に前記内燃機関用冷却系統に用いられる第一冷却手段を配置し、それの下流側に前記電気機器用冷却系統に用いられる第二冷却手段を配置したことを特徴とする。

また、前記電気機器用冷却系統を、前記インバータとこれの下流側に前記第二冷却手段とが直列接続された冷却回路で構成することができる。

また、前記電気機器用冷却系統は前記インバータと前記第二冷却手段とが並列接続された冷却回路で構成され、前記電気機器用冷却系統の受熱量に基づいて前記第二冷却手段の冷却能力を調整する調整手段を有することができる。

また、前記電気機器用冷却系統はラジエータを有し、前記調整手段は、前記ラジエータの放熱量より前記受熱量が大きい場合、前記第二冷却手段の冷却能力を減少させ、前記ラジエータの放熱量より前記受熱量が小さい場合、前記第二冷却手段の冷却能力を増加させることができる。

さらに、前記調整手段は、前記第二冷却手段に供給される冷却媒体の流量を調整する流量調整バルブとすることが好適である。

本発明のハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置によれば、電気機器用冷却系統のラジエータ容量を大きくすることなく、簡易な構造で、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができる。

以下、本発明に係るハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置の実施形態について、図面に従って説明する。

まず、ハイブリッド車両１０の構成について、図１を用いて説明する。ハイブリッド車両１０には、原動機として内燃機関（以下、エンジンと記す）１２と、第一の電動機（以下、第一ＭＧと記す）１４と、第二の電動機（以下、第二ＭＧと記す）１６とが搭載されている。これらの原動機１２，１４，１６の動力は、動力分配統合機構２０と減速機構２２からなる動力伝達機構１８を介して駆動輪２４に伝達され、車両が走行する。なお、第一及び第二ＭＧ１４，１６は、次に説明するように発電機としても機能することができる。

第一及び第二ＭＧ１４，１６は、発電機として機能するとともに、電動機として機能する同期モータである。第一及び第二ＭＧ１４，１６は、インバータ２６を介してバッテリ２８に電気的に接続されている。バッテリ２８は、充放電可能な二次電池、例えばニッケル水素二次電池またはリチウムイオン二次電池などで構成される。バッテリ２８に蓄えられる電力は、インバータ２６により直流から交流に変換された後に、第一及び第二ＭＧ１４，１６に供給されて、これらのＭＧ１４，１６を駆動する。また、第一及び第二ＭＧ１４，１６で発電された電力は、インバータ２６により交流から直流に変換された後に、バッテリ２８に送られて蓄えられる。このように、第一及び第二ＭＧ１４，１６は、電動機および発電機として機能することができる。

第一ＭＧ１４は、エンジン１２始動時に、スタータモータとして機能する。また、第一ＭＧ１４は、エンジン１２の出力の一部により発電を行う。一方、第二ＭＧ１６は、エンジン１２の出力をアシストし、車両の駆動力を高める。また、第二ＭＧ１６は、減速時に、駆動輪２４から入力される車両の運動エネルギにより回生発電を行う。このように、本実施形態においては、第一及び第二ＭＧ１４，１６が電動機および発電機として機能する。なお、第一ＭＧ１４が発電機としてのみ機能し、第二ＭＧ１６が電動機としてのみ機能してもよい。

ハイブリッド車両１０は、ハイブリッドＥＣＵ（図示せず）を有しており、このハイブリッドＥＣＵが、エンジン１２と第一及び第二ＭＧ１４，１６の出力を制御して、車両の所望の運転状態となるようする。

次に、エンジン１２の概略構成と排気還流ガス冷却装置３０について図２に基づいて説明する。

まず、エンジン１２の概略構成について説明する。エンジン１２の吸気系である吸気通路３２には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ３４とインテークマニホールド３６とが配置されている。一方、エンジン１２の排気系である排気通路３８には、触媒により排気ガスを浄化する触媒装置４０が配置されている。

エンジン１２は、このエンジン１２から排出される排気ガスの一部を吸気系に還流させるＥＧＲ通路４２を備えている。ＥＧＲ通路４２は、その一端を触媒装置４０の下流側の排気通路３８に接続し、他端をインテークマニホールド３６に接続する。なお、ＥＧＲ通路４２の一端を触媒装置４０の上流側の排気通路３８に接続することもできる。

ＥＧＲ通路４２には、吸気系に還流する排気ガスである排気還流ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラが設けられている。本実施形態においては、ＥＧＲ通路４２の上流側に第一ＥＧＲクーラ４４が設けられ、それの下流側に第二ＥＧＲクーラ４６が設けられている。第一ＥＧＲクーラ４４は、後述するエンジン用冷却系統４８に用いられる。一方、第二ＥＧＲクーラ４６は、後述する電気機器用冷却系統５８に用いられる。エンジン用冷却系統４８を循環する冷却水の温度より電気機器用冷却系統５８を循環する冷却水の温度のほうが低い。よって、ＥＧＲ通路４２に上流から第一ＥＧＲクーラ４４、第二ＥＧＲクーラ４６を順に直列に配置することにより、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができる。

エンジン用冷却系統４８は、冷却水によりエンジン１２を冷却する系統である。この系統４８は、エンジン１２と、上述した第一ＥＧＲクーラ４４と、冷却水の熱を放熱する第一ラジエータ５０と、冷却水を圧送する第一ポンプ５２とを有し、これらを、冷却水が循環する第一循環路５４が接続している。第一循環路５４により、以下のような冷却回路を構成する。すなわち、エンジン１２、第一ポンプ５２が順に第一循環路５４に接続され、それらの両端の第一循環路５４に第一ＥＧＲクーラ４４と第一ラジエータ５０とが並列に接続されて冷却回路を構成する。第一ポンプ５２により圧送される冷却水が、エンジン１２の内部のウォータジャケット（図示せず）を通り、エンジン１２から熱を受熱し、エンジンが冷却される。エンジン１２から流出した冷却水は、二手にわかれて第一循環路５４をそれぞれ流れる。すなわち、一方の冷却水は、第一ラジエータ５０に流れて放熱し、第一ポンプ５２に戻り、他方の冷却水は、第一ＥＧＲクーラ４４に流れて受熱し、第一ポンプ５２に戻る。第一ＥＧＲクーラ４４に冷却水が流れることにより、第一ＥＧＲクーラ４４を通過するＥＧＲガスが冷却される。ここで、第一ラジエータ５０と、後述する第二ラジエータ６２と、車室用空調機器のコンデンサ６８は同一の冷却ファン（図示せず）により空気が送られ、冷却水の放熱を促進する。

第一ＥＧＲクーラ４４の内部におけるＥＧＲガスの温度変化について具体的に説明する。第一ＥＧＲクーラ４４を通過したＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔは次式により算出される。
Ｔｇｏｕｔ＝Ｔｇｉｎ−η（Ｔｇｉｎ−Ｔｗｉｎ）・・・（式１）
ここで、Ｔｇｉｎは第一ＥＧＲクーラ４４におけるＥＧＲガスの入口温度、Ｔｗｉｎは第一ＥＧＲクーラ４４における冷却水の入口温度、そしてηは温度効率を示す。第一ＥＧＲクーラ４４の全長Ｌに対応する温度効率ηを、例えば９５％と仮定する。そして、第一ＥＧＲクーラ４４に流れ込む冷却水の入口温度Ｔｗｉｎを、例えば１００℃と仮定し、第一ＥＧＲクーラ４４に流れ込むＥＧＲガスの入口温度Ｔｇｉｎを、例えば５００℃と仮定する。これらの条件を式１に代入すると、ＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔは、１２０℃となる。

また、上述のように全長Ｌの第一ＥＧＲクーラ４４であって、例えば全長が１／２Ｌとなるクーラを二つ直列接続して構成される場合について説明する。なお、ＥＧＲガスおよび冷却水の入口温度条件は上述と同様、Ｔｇｉｎを５００℃、Ｔｗｉｎを１００℃とする。そして、全長が１／２Ｌのときの温度効率ηを、８５％と仮定する。これらを式１に代入すると、最初のクーラを通過したＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔ１は１６０℃となる。この温度をＥＧＲガスの入口温度Ｔｇｉｎとして、次のクーラを通過した場合、ＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔ２は１０９℃となる。よって、ＥＧＲクーラは全長Ｌが一定の場合においては、クーラを分割したほうがより効果的にＥＧＲガスを冷却することができる。

電気機器用冷却系統５８は、冷却水により第一及び第二ＭＧ１４，１６とインバータ２６とを冷却する系統である。なお、第一及び第二ＭＧ１４，１６のことをまとめて、以降、単にＭＧ６０と記す。電気機器用冷却系統５８は、インバータ２６と、上述した第二ＥＧＲクーラ４６と、ＭＧ６０と、冷却水の熱を放熱する第二ラジエータ６２と、冷却水を圧送する第二ポンプ６４とを有し、これらを、冷却水が循環する第二循環路６６が接続している。第二循環路６６により、以下のような冷却回路を構成する。すなわち、第二ラジエータ６２、インバータ２６、第二ポンプ６４、第二ＥＧＲクーラ４６、そしてＭＧ６０が順に第二循環路６６に接続されている。第二ポンプ６４により圧送される冷却水が、インバータ２６を通り、インバータ２６から熱を受熱し、インバータ２６が冷却される。インバータ２６から流出した冷却水は、第二ポンプ６４を介して第二ＥＧＲクーラ４６，ＭＧ６０の順に流れ、それぞれにおいて受熱する。そして、ＭＧ６０から流出した冷却水は、第二ラジエータ６２に流れて放熱する。第二ＥＧＲクーラ４６に冷却水が流れることにより、第二ＥＧＲクーラ４６を通過するＥＧＲガスが冷却される。

第二ＥＧＲクーラ４６の内部におけるＥＧＲガスの温度変化について具体的に説明する。第二ＥＧＲクーラ４６を通過したＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔは、上述の式１により算出される。第二ＥＧＲクーラ４６の全長を、第一ＥＧＲクーラ４４の全長に対し半分の長さ、すなわち１／２Ｌとし、この長さに対応する温度効率ηを、例えば８５％と仮定する。そして、第二ＥＧＲクーラ４６に流れ込む冷却水の入口温度Ｔｗｉｎを例えば５０℃とし、第二ＥＧＲクーラ４６に流れ込むＥＧＲガスの入口温度Ｔｇｉｎを１６０℃とする。この温度Ｔｇｉｎは、段落００２６において算出した第一ＥＧＲクーラ４４を通過したＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔである。これらの条件を式１に代入すると、ＥＧＲガスの出口温度Ｔｇｏｕｔは６６．５℃となる。

排気還流ガス冷却装置３０の動作について説明する。エンジン１２から排出された排気ガスは排気通路３８を通り、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）がＥＧＲ通路４２に流入し、残りの排気ガスは外部に放出される。ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路４２の上流側に位置する第一ＥＧＲクーラ４４を通過する。このとき、ＥＧＲガスは、このガスより温度の低い冷却水と熱交換をして冷却される。そして、ＥＧＲガスは、第二ＥＧＲクーラ４６を通過する。このとき、ＥＧＲガスは、このガスより温度の低い冷却水と熱交換をして冷却される。その後、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路４２を流れて、インテークマニホールド３６に流入し、吸気ガスと混合されエンジン１２に供給される。

本発明の排気還流ガス冷却装置３０によれば、電気機器用冷却系統５８に用いられる第二ＥＧＲクーラ４６の前において、第一ＥＧＲクーラ４４によりＥＧＲガスを冷却することができる。よって、第二ＥＧＲクーラ４６が受熱する熱量を少なくすることができ、電気機器用冷却系統５８のラジエータ６２容量を大きくすることなく、簡易な構造で、ＥＧＲガスを効果的に冷却することができる。

次に、別の態様の排気還流ガス冷却装置３０について図３を用いて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

電気機器用冷却系統５８は、上記実施形態と同様に、インバータ２６と、第二ＥＧＲクーラ４６と、ＭＧ６０と、第二ラジエータ６２と、第二ポンプ６４とを有し、これらを、冷却水が循環する第二循環路６６が接続している。しかし、冷却回路は、上記実施形態と異なり以下のように構成される。すなわち、ＭＧ６０、第二ラジエータ６２、第二ポンプ６４が順に第二循環路６６に接続され、それの両端の第二循環路６６に第二ＥＧＲクーラ４６とインバータ２６とが並列接続されている。第二ポンプ６４により圧送される冷却水が、二手にわかれて第二循環路６６をそれぞれ流れる。すなわち、一方の冷却水が第二ＥＧＲクーラ４６を流れて受熱し、他方の冷却水がインバータ２６を流れて受熱する。そして、それらの冷却水が合流し、ＭＧ６０を流れて受熱する。その後、冷却水は、第二ラジエータ６２に流れて放熱し、第二ポンプ６４に戻る。

この実施形態においては、電気機器用冷却系統５８の受熱量を優先して第二ＥＧＲクーラ４６の冷却能力を調整する調節手段を有することを特徴とする。この調節手段は、第二ＥＧＲクーラ４６に流れ込む冷却水の流量を調整する手段であり、例えば第二ＥＧＲクーラ４６の上流側の第二循環路６６に設けられたバルブ７０である。

バルブ７０の動作について説明する。バルブ７０は、インバータ２６とＭＧ６０とを含む電気機器がオーバーヒートして、その機器が破損することを防止するために設けられている。電気機器が破損する温度を閾値として設定し、その閾値以下になるように第二ＥＧＲクーラ４６の冷却能力を調整する。例えば、第二ラジエータ６２の放熱量を１００％として、第二ＥＧＲクーラ４６を除く電気機器用冷却系統５８からの受熱量を６０％とする。そうすると、放熱量と受熱量の差分である４０％が、第二ＥＧＲクーラ４６において冷却水がＥＧＲガスから受熱することができる最大値、すなわち最大の冷却能力となる。よって、この４０％以下になるようにバルブ７０を開閉して冷却水の流量を制御する。

電気機器用冷却系統５８の受熱量と第二ラジエータ６２の放熱量との大小の関係は、冷却水温を検出することにより把握することができる。例えば、インバータ２６の冷却水入口温度を検出することにより把握することができる。インバータ２６の冷却水入口温度が設定された閾値より大きい場合、第二ラジエータ６２の放熱量より電気機器冷却系統５８全体の受熱量が大きいとみなすことができる。一方、インバータ２６の冷却水入口温度が設定された閾値より小さい場合、第二ラジエータ６２の放熱量より電気機器冷却系統５８全体の受熱量が小さいとみなすことができる。

本実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す図である。 ハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置の構成を示す図である。 ハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置の別の構成を示す図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド車両、１２ エンジン、２６ インバータ、３０ 排気還流ガス冷却装置、４２ ＥＧＲ通路、４４ 第一ＥＧＲクーラ、４６ 第二ＥＧＲクーラ、４８ エンジン用冷却系統、５８ 電気機器用冷却系統、６０ ＭＧ。

Claims (5)

1. 原動機として内燃機関と電動機を含むハイブリッド車両に搭載され、
   前記内燃機関から排出される排気ガスの一部であって、排気系から吸気系に還流する排気還流ガスを冷却するハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、
   前記内燃機関を冷却する内燃機関用冷却系統と、
   前記電動機と前記電動機に電気的に接続されたインバータとを含む電気機器を冷却する電気機器用冷却系統と、
   を有し、
   排気還流ガスを冷却するために、排気還流ガスが流れる通路の上流側に前記内燃機関用冷却系統に用いられる第一冷却手段を配置し、それの下流側に前記電気機器用冷却系統に用いられる第二冷却手段を配置した、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置。
2. 請求項１に記載のハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、
   前記電気機器用冷却系統は前記インバータとこれの下流側に前記第二冷却手段とが直列接続された冷却回路で構成される、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置。
3. 請求項１に記載のハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、
   前記電気機器用冷却系統は前記インバータと前記第二冷却手段とが並列接続された冷却回路で構成され、
   前記電気機器用冷却系統の受熱量に基づいて前記第二冷却手段の冷却能力を調整する調整手段を有することを特徴とするハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置。
4. 請求項３に記載のハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、
   前記電気機器用冷却系統はラジエータを有し、
   前記調整手段は、前記ラジエータの放熱量より前記受熱量が大きい場合、前記第二冷却手段の冷却能力を減少させ、前記ラジエータの放熱量より前記受熱量が小さい場合、前記第二冷却手段の冷却能力を増加させる、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置。
5. 請求項３または４に記載のハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置において、
   前記調整手段は、前記第二冷却手段に供給される冷却媒体の流量を調整する流量調整バルブである、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の排気還流ガス冷却装置。

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