JP2009197712A - エンジン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】沸騰冷却状態から冷媒循環冷却状態への移行時に、大量の冷媒がウォータジャケット内へ流入することに起因するエンジンの熱変化を抑制することを課題とする。
【解決手段】エンジン冷却装置１は、冷媒循環冷却経路４と沸騰冷却経路３の二系統の冷却回路が形成されている。沸騰冷却回路３は、膨張器７と放熱器８との間に、冷媒抽気経路１７への経路切り替えを行う第２三方弁１６を備えている。この第２三方弁１６に、冷媒抽気経路１７が接続されている。冷媒抽気経路１７は、放熱器８をバイパスして貯留タンク１１に接続されている。放熱器８をバイパスさせることにより高温の蒸発冷媒を貯留タンク１１内へ導入することができる。これにより、大量の冷媒がウォータジャケット２ａ１内へ流入することに起因するエンジン本体２ａの熱変化を抑制すことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン冷却装置に関し、特に、沸騰冷却状態と冷媒循環冷却状態との切替手段を備えたエンジン冷却装置に関する。

従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張器（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このように廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０００−３４５８３５号公報

特許文献１に開示されたような廃熱回収装置は、冷媒の蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する。このように冷媒の蒸気を取り出すとき、エンジン内はいわゆる沸騰冷却状態となっている。沸騰冷却状態では、冷媒が蒸発する際の気化熱によるエンジンの冷却が行われる。
ところが、エンジンが高負荷、高回転で運転され、エンジンの温度が高温となったとき等、場合によっては気化熱による冷却のみではエンジンを適切な温度にまで冷却することができできないことが想定される。このような場合、エンジン内に形成されたウォータジャケット内に冷却水を循環させるいわゆる冷媒循環冷却状態へ移行させることが有効である。この冷媒循環冷却状態は、一般的な水冷エンジンにおいて行われる冷却状態である。

前記のような沸騰冷却状態は、冷媒の気化熱を利用した冷却であるため、沸騰するための空間が確保されていることを要する。従って、冷媒はウォータジャケットの全量を満たすことはない。一方、冷媒循環冷却状態では、ウォータジャケットのほぼ全域を冷媒で満たし、その冷媒を循環させ、熱を持ち去ることによってエンジンの冷却を行う。このように、沸騰冷却状態と冷媒循環冷却状態とでは、ウォータジャケット内に存在する冷媒量が異なるため、これを調整するための貯留タンクが必要となる。すなわち、沸騰冷却状態にあるときは、大量の冷媒を貯留タンク内に留めておき、冷媒循環冷却状態に切り替えると、貯留タンク内の冷媒をウォータジャケット内へ戻す。ところが、このように貯留タンク内の冷媒を高温となったエンジン内に形成されたウォータジャケットへ戻すと、急激な熱変化を招来し、ひいてはエンジンブロック等の破損を招きかねない。

そこで、本発明は、沸騰冷却状態から冷媒循環冷却状態への移行時に、大量の冷媒がウォータジャケット内へ流入することに起因するエンジンの熱変化を抑制すことを課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明のエンジン冷却装置は、エンジンにおける沸騰冷却状態と冷媒循環冷却状態との切替手段と、前記沸騰冷却状態のときに沸騰冷媒を介して廃熱を回収する廃熱回収手段と、冷媒の貯留タンクと、当該貯留タンクの保温手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このようなエンジン冷却装置における前記保温手段は、前記貯留タンクへの沸騰冷媒導入手段とすることができる。沸騰冷却によって生じた沸騰冷媒を貯留タンク内に導入することにより、貯留タンク内の冷媒の温度を上昇させることができる。これにより、沸騰冷却から冷媒循環冷却へ移行する際に温度の高い冷媒をエンジンに供給することができ、エンジンを急激に冷却することを抑制することができる。

廃熱回収手段は、いわゆるランキンサイクルを形成している。ランキンサイクルは、エンジンのウォータジャケット内の冷媒（冷却水）を沸騰冷媒（蒸気）として取り出す。取り出された沸騰冷媒は、沸騰冷媒流通経路を通じてタービン等の膨張器を駆動する。そして、膨張器から電力等として廃熱を回収する。廃熱回収後の沸騰冷媒は、放熱器によって液体冷媒に戻され、再びウォータジャケット内供給される。このように廃熱回収手段には、沸騰冷媒流通経路、放熱器が含まれているので、前記保温手段は、放熱器をバイパスし、沸騰冷媒流通経路から貯留タンクへ引き込まれる冷媒抽気経路とすることができる（請求項３）。

このように、冷媒抽気経路は沸騰冷媒流通経路から引き込む構成とすることができるが、この冷媒抽気経路に沸騰冷媒を引き込むか否かの経路切り替えを行う経路切替手段を備えた構成とすることができる（請求項４）。このような経路切替手段を備えることにより、効率的に貯留タンク内の冷媒を昇温させることができる。

また、貯留タンク自体を保温構造としたり、貯留タンクの周囲に保温部材を配置したりする構成を採用することができる（請求項５）。

本発明のエンジン冷却装置によれば、沸騰冷却状態から冷媒循環冷却状態へ移行する際にエンジンのウォータジャケットへ供給される冷媒の温度を上昇させておくことができる。これにより、温度の低い冷媒が急激にエンジン内へ供給されることを回避し、エンジンの損傷を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施例のエンジン冷却装置１をエンジン本体２ａに組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。

エンジン本体２ａ内にはウォータジャケット２ａ１が形成されている。また、ウォータジャケット２ａ１の壁温を測定する第１温度センサ１３が装着されている。エンジン２には、沸騰冷却状態で冷媒が循環する沸騰冷却回路３と、冷媒循環冷却状態で冷媒循環する冷媒循環冷却回路４が形成されている。これらの沸騰冷却回路３と冷媒循環冷却回路４は、その一部を共用している。この共用している部分には、エンジン本体２ａ内に形成されたウォータジャケット２ａ１が含まれている。ウォータジャケット２ａ１の出口には、沸騰冷却状態と冷媒循環冷却状態との切替手段である第１三方弁５が装着されている。

沸騰冷却回路３は、廃熱回収手段を構成する各要素が配置され、ランキンサイクルを構成している。まず、第１三方弁５の下流側が沸騰冷媒流通経路３ａを構成している。この沸騰冷媒流通経路３ａには、ウォータジャケット２ａ１内で蒸発した冷媒が流通する。封筒冷却状態では、エンジン本体２は、冷媒が蒸発する際の気化熱によって冷却される。沸騰冷媒流通経路には、上流側、すなわち、エンジン本体２に近い側から順に過熱器６、膨張器７が配設されており、その端部は放熱器８に接続されている。過熱器６にはエンジン本体２の排気ポートと接続された排気経路９が引き込まれている。過熱器６は、排気経路９中の排気ガスから熱を回収し、沸騰冷媒流通経路３ａ内を通じる沸騰した冷媒へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。膨張器７は、沸騰冷媒流通経路３ａを通じて流入する高温、高圧の蒸気によって作動するタービンである。膨張器７は、動力回生装置１０に組み込まれた発電機と共通する駆動軸７ａを備えている。このため、膨張器７が駆動されると、動力回生装置１０により熱エネルギーが電気エネルギーとして回収される。放熱器８は、沸騰冷却回路３においては、凝縮器として機能する。凝縮器として機能する放熱器８は、沸騰冷媒を液体の冷媒に戻す。膨張器７と放熱器８との間には膨張器８を通過した冷媒の温度を測定する第２温度センサ１４が装着されている。放熱器８の下流側には貯留タンク１１が接続されており、放熱器８によって液体に戻された冷媒が貯留タンク１１内に流入する。貯留タンク１１の周囲には保温部材１１ａが配置されている。また、貯留タンク１１には内部の冷媒の温度を測定する第３温度センサ１５が装着されている。貯留タンク１１とエンジン本体２ａとの間にはポンプ１２が配設されている。このポンプ１２が駆動されることにより、冷媒は再びウォータジャケット２ａ１内へ供給される。

一方、冷媒循環冷却回路４は、全域に亘って液体の冷媒が循環する経路を形成している。冷媒循環冷却経路４は、第１三方弁５の下流に放熱器８が接続されている。放熱器８は、冷媒循環冷却経路４では、ラジエータとして機能する。すなわち、放熱器８は、選択された冷却回路によって、その機能が異なる。放熱器８の下流には貯留タンク１１が配置されている。また、貯留タンク１１の下流にはポンプ１２が配置されている。冷媒循環冷却経路４のポンプ１２から第１三方弁５までの経路は、沸騰冷却経路３と共通の経路となっている。このように、エンジン２は、二系統の冷却回路が形成されている。

沸騰冷却回路３は、沸騰冷媒流通経路３ａの膨張器７と放熱器８との間から本発明における沸騰冷媒導入手段に相当する冷媒抽気経路１７が分岐している。具体的には、膨張器７と放熱器８との間に、冷媒抽気経路１７への経路切り替えを行う経路切替手段である第２三方弁１６を備え、この第２三方弁１６に、冷媒抽気経路１７が接続されている。この冷媒抽気経路１７は、放熱器８をバイパスして貯留タンク１１に接続されている。このように放熱器８をバイパスさせることにより高温の蒸発冷媒を貯留タンク１１内へ導入することができる。

以上の構成に含まれる第１三方弁５、第２三方弁１６、第１温度センサ１３、第２温度センサ１４、第３温度センサ１５はそれぞれＥＣＵ（Electronic control unit）１８と電気的に接続されており、エンジン冷却装置１は、このＥＣＵ１８によって制御されている。

以上のように構成されるエンジン冷却装置１の動作及び制御につき、図面を参照しつつ説明する。図２は、ＥＣＵ１８が行う制御の一例を示すフロー図である。

まず、ＥＣＵ１８は、ステップＳ１において、エンジン２が始動状態にあることを確認し、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、自らが内蔵するカウンタによりＴ秒をカウントする。これは、図２に示した一連の制御をＴ秒毎に行うための措置である。ＥＣＵ１８は、Ｔ秒カウントした後、ステップＳ３の処理を行う、ステップＳ３では、エンジン本体２ａの状態が沸騰冷却状態か冷媒循環冷却状態であるかの判断を行う。この判断は、第１温度センサ１３から取得されるウォータジャケット２ａ１の壁温Ｔ１に基づいて判断される。すなわち、Ｔ１が、予め規定された閾値よりも高い場合は沸騰冷却では冷却性能が不足するとして冷媒循環冷却状態と移行するため、ＮＯと判断する。すなわち、ステップＳ５へ進む。
一方、ステップＳ３でＹＥＳと判断するときは、ステップＳ４へ進み、第１三方弁５を沸騰冷却回路３側へ切り替える。なお、本実施例では沸騰冷却領域であるか否かの判断を壁温Ｔ１によって判断しているが、エンジン２の回転数と負荷から壁温を予測し、この予測した壁温に基づく判断を行うこともできる。以後の制御処理においても壁温Ｔ１が参照されることがあるが、同様に予測した壁温に基づく処理を行うこともできる。

ステップＳ５では、冷媒循環冷却状態へ移行することが許容されるか否かの判断を行う。すなわち、現状で沸騰冷却状態となっている場合に、冷媒循環冷却状態へ移行する際に、温度の低い貯留タンク１１内の冷媒がエンジン本体２ａへ供給されることが許容されるか否かの判断を行う。従って、壁温Ｔ１と貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３との差がクライテリアＴ_Ｃ１よりも小さいときは、エンジン本体２ａが熱損傷を受けるおそれが小さいと判断しステップＳ６において冷媒循環冷却へ移行する。

一方、壁温Ｔ１と貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３との差がクライテリアＴ_Ｃ１以上のときは、ステップＳ７へ進み、エンジン出力を制限するとともに警告灯を点灯させる措置を採る。すなわち、壁温Ｔ１によれば、冷媒循環冷却状態へ移行することが求められているが、貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３が低いときは、その冷媒をエンジン本体２ａへに形成されたウォータジャケット２ａ１へ導入すべきであることからステップＳ６の措置を採り、エンジン２の保護を図る。

ステップＳ３でＹＥＳの判断をし、ステップＳ４において沸騰冷却状態へ移行した後は、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、膨張器７を通過した後の冷媒蒸気の温度Ｔ２が貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３とを比較する。蒸気冷媒の貯留タンク１１への導入は、貯留タンク１１内の冷媒温度上昇を目的としていることからこのような措置を採る。ステップＳ８でＹＥＳと判断したときはステップＳ９へ進む。一方、ステップＳ８でＮＯと判断したときは、処理はリターンとなる。

ステップＳ９では、壁温Ｔ１と貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３との差がクライテリアＴ_ＣＸよりも大きいか否かの判断を行う。このステップＳ９においてＹＥＳと判断したとき、すなわち、貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３が低い場合は第２三方弁１６を冷媒抽気経路１７側へ切り替える。これにより、高温の冷媒を貯留タンク１１内へ導入して、貯留タンク１１内の冷媒の温度を上昇させることができる。このとき、第２三方弁１６の開度、開弁時間は、冷媒温度Ｔ２、壁温Ｔ１と貯留タンク１１内の冷媒温度Ｔ３との差Ｔ１−Ｔ３に応じて決定することができる。ただし、このような制御は所定時間Ｔ秒毎に行われるので、貯留タンク１１内の冷媒の温度Ｔ３は、所望の温度に近くなるように徐々に制御される。

一方、ステップＳ９においてＮＯと判断するときは、貯留タンク１１内の冷媒の温度Ｔ３は、エンジン本体２ａ１へ冷媒供給が許容される温度を維持していることから沸騰冷媒流通経路３ａへ流通させる。

以上のような制御がされることにより、沸騰冷却状態から冷媒循環冷却状態への移行時に、大量の冷媒がウォータジャケット内へ流入することに起因するエンジンの熱変化を抑制することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

エンジン冷却装置をエンジン本体に組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 エンジン冷却装置の制御の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ エンジン冷却装置
２ エンジン
２ａ エンジン本体
２ａ１ ウォータジャケット
３ 沸騰冷却回路
４ 冷媒循環冷却回路
５ 第１三方弁
６ 過熱器
７ 膨張器
８ 放熱器
９ 排気経路
１０ 動力回生装置
１１ 貯留タンク
１２ ポンプ
１３ 第１温度センサ
１４ 第２温度センサ
１５ 第３温度センサ
１６ 第２三方弁
１７ 冷媒抽気経路
１８ ＥＣＵ

Claims (5)

1. エンジンにおける沸騰冷却状態と冷媒循環冷却状態との切替手段と、
   前記沸騰冷却状態のときに沸騰冷媒を介して廃熱を回収する廃熱回収手段と、
   冷媒の貯留タンクと、
   当該貯留タンクの保温手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジン冷却装置。
2. 請求項１記載のエンジン冷却装置において、
   前記保温手段は、前記貯留タンクへの沸騰冷媒導入手段であることを特徴とするエンジン冷却装置。
3. 請求項１記載のエンジン冷却装置において、
   前記廃熱回収手段は、沸騰冷媒流通経路と放熱器とを含み、
   前記保温手段は、前記放熱器をバイパスし、前記沸騰冷媒流通経路から前記貯留タンクへ引き込まれる冷媒抽気経路であることを特徴とするエンジン冷却装置。
4. 請求項１記載のエンジン冷却装置において、
   前記廃熱回収手段は、沸騰冷媒流通経路と放熱器とを含み、
   前記保温手段は、前記放熱器をバイパスし、前記沸騰冷媒流通経路から前記貯留タンクへ引き込まれる冷媒抽気経路と、当該冷媒抽気経路への経路切り替えを行う経路切替手段と、
   を含むことを特徴とするエンジン冷却装置。
5. 請求項１記載のエンジン冷却装置において、
   前記保温手段は、前記貯留タンクの周囲に配置した保温部材であることを特徴としたエンジン冷却装置。

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