JP2012025242A

JP2012025242A - 車両の冷却装置

Info

Publication number: JP2012025242A
Application number: JP2010164583A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Komada; 篤史駒田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: JP5630117B2

Abstract

【課題】ハイブリッド車両における電気系熱源の冷却系に発生する余剰能力を、エンジンの冷却に有効に活用すること。
【解決手段】冷却水循環路１１，２１と、この冷却水循環路内の冷却水を循環させるウォータポンプ１２，２２と、冷却水循環路内の冷却水の放熱を行うラジエータ１３，２３と、をそれぞれ有する互いに独立した、エンジン用の第１の冷却系１０、および電動機・発電機のＰＣＵ用の第２の冷却系２０を備える車両の冷却装置において、第１の冷却系１０が有する冷却水循環路１１上にはシリンダヘッド内のウォータジャケット１４が設置されている。一方、第２の冷却系２０が有する冷却水循環路２１上では、冷却水がインバータ４、昇圧コンバータ９等を備えるＰＣＵ２５を冷却した後、シリンダブロック内のウォータジャケット２４に供給されてシリンダブロックを冷却する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載された内燃機関およびインバータ等の電気系熱源を冷却する冷却装置に関する。

近年、内燃機関と、電動機とを走行用動力源として備えるハイブリッド車両が普及している。ハイブリッド車両においては、運転状態に応じて内燃機関と電動機を使い分けて走行することで、所定の走行性能を維持しつつ燃料消費量や排出ガス量を低減できる。

多くのハイブリッド車両は、内燃機関のみを動力源として走行するエンジン走行、電動機のみを動力源として走行するＥＶ走行、内燃機関および電動機の両方を動力源として走行するＨＶ走行など、内燃機関および電動機の作動状態が異なる複数の走行モードを備えており、その走行モードは、車速（または動力源回転数）およびアクセル操作量などの運転状態をパラメータとする動力源マップ等の予め定められたモード切換条件に従って自動的に切り換えられるようになっている。

ハイブリッド車両が搭載する内燃機関の冷却系は、専ら内燃機関のみを動力源とする一般車両と同様に、シリンダブロックおよびシリンダヘッドに冷却水通路（ウォータジャケット）を設け、この冷却水通路にラジエータが設置された冷却水循環路が接続される。そして、ウォータポンプで冷却水循環路内の冷却水を循環させて、内燃機関から発生した熱を冷却水を介してラジエータで放熱させる。また、ハイブリッド車両は、上記内燃機関の冷却系に加えて、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）内のインバータ、昇圧コンバータ等の電気系熱源を冷却する冷却系を有している（例えば特許文献１を参照。）。

図４に従来のハイブリッド車両が内燃機関（エンジン）やインバータ等の電気系熱源を冷却するために搭載している車両の冷却装置の一例を示す。

図４に示すように、この例の車両の冷却装置では、エンジン１が設置された冷却水循環路３１等で構成される内燃機関の冷却系３０と、インバータ４、昇圧コンバータ９等を含むＰＣＵ２５が設置された冷却水循環路４１等で構成される電気系熱源の冷却系４０とを備えている。内燃機関の冷却系３０と電気系熱源の冷却系４０とは互いに独立している。

内燃機関の冷却系３０には、第１のウォータポンプ１２、第１のラジエータ１３、エンジン１のシリンダヘッド内のウォータジャケット１４、エンジン１のシリンダブロック内のウォータジャケット２４、ヒータコア１５、サーモスタット１６などが設置されている。

この内燃機関の冷却系３０においては、第１のウォータポンプ１２が吐出する冷却水は、先ず、シリンダヘッド内のウォータジャケット１４およびシリンダブロック内のウォータジャケット２４に供給されて、シリンダヘッドおよびシリンダブロックが冷却される。両ウォータジャケット１４，２４は連通しており、シリンダブロック内のウォータジャケット２４に入った冷却水は図示しないヘッド・ガスケットに設けられた連通孔を通じてシリンダヘッド内のウォータジャケット１４に流入するようになっている。シリンダヘッド内のウォータジャケット１４を通過した冷却水は、分岐点１７で二手に分流し、一方は、第１のラジエータ１３に供給され、他方は、ヒータコア１５に供給される。但し、冷却水の水温が所定温度以下の場合は、サーモスタット１６が閉弁して第１のラジエータ１３への冷却水の供給は停止する。冷却水は第１のラジエータ１３又はヒータコア１５を通過する際に放熱を行って、サーモスタット１６が設置されている合流点１８において合流し、第１のウォータポンプ１２の吸入口に還流する。

一方、電気系熱源の冷却系４０には、第２のウォータポンプ２２、ＰＣＵ２５および第２のラジエータ（ＨＶラジエータ）２３が設置されている。

この電気系熱源の冷却系４０においては、第２のウォータポンプ２２が吐出する冷却水は、ＰＣＵ２５内の冷却水通路に供給され、当該通路において、インバータ４、昇圧コンバータ９等の発熱を受熱することにより、これらの機器４，９を冷却する。そして、ＰＣＵ２５を通過した冷却水は、第２のラジエータ２３を放熱しながら通過した後、第２のウォータポンプ２２の吸入口に還流する。

特開２００４−７６６０３号公報

ところで、車両発進時、低車速時など、電動機が主に走行用動力源となる場面では、インバータ４、昇圧コンバータ９等の電気系熱源の発熱量が増加する。一方で、車両の中高速走行時など、内燃機関が主に走行用動力源となる場面では、電気系熱源の発熱量が低下する。電気系熱源の冷却系４０の最大冷却能力は、車両発進時、低車速時など電動機の負荷が最も高く、且つ、エンコパ内温度が想定される最高温度である場合を基準に設計される。このため、車両の中高速走行時など、内燃機関が主に走行用動力源となり、電動機の負荷が低いときには、電気系熱源の冷却系４０に余剰能力が発生していた。

本発明はかかる事情に鑑みて創案されたものであり、電気系熱源の冷却系に発生する余剰能力を有効に活用することを可能とした車両の冷却装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するための手段として、本発明の車両の冷却装置は、以下のように構成されている。

すなわち、本発明の車両の冷却装置は、冷却水循環路と、この冷却水循環路内の冷却水を循環させる冷却水循環装置と、前記冷却水循環路内の冷却水の排熱を行う排熱部と、をそれぞれ有する互いに独立した第１および第２の冷却系を備えるものを前提としており、前記第１の冷却系が有する冷却水循環路上には、内燃機関のシリンダヘッドが設置され、前記第２の冷却系が有する冷却水循環路上には、内燃機関のシリンダブロックと、車両を走行させるための電動機を駆動させる際に発熱する電気系熱源と、が設置されたことを特徴としている。

かかる構成を備える車両の冷却装置によれば、車両の中高速走行時など、前記電気系熱源の発熱量が比較的少なくなるときに、第２の冷却系によってシリンダブロックが冷却されるので、第２の冷却系の余剰能力が有効活用されるようになる。

前記第２の冷却系では、前記排熱部の下流側において、前記電気系熱源が前記シリンダブロックより上流側に設置されていることが望ましい。

かかる構成を備える車両の冷却装置によれば、シリンダブロックよりも許容温度が低い電気系熱源を好適な温度に冷却し易くなる。

前記電気系熱源には、例えば、インバータが含まれている。

本発明の車両の冷却装置によれば、車両の中高速走行時など、前記電気系熱源の発熱量が比較的少なくなるときに、第２の冷却系によってシリンダブロックが冷却されるので、第２の冷却系の余剰能力が有効活用される。

本発明の実施の形態に係る車両の冷却装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成図である。本発明の実施の形態に係る車両の冷却装置を示す概略構成図である。本発明の他の実施の形態に係る車両の冷却装置を示す概略構成図である。従来の車両の冷却装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る車両の冷却装置を適用したハイブリッド車両の概略構成図である。

図１には、２つのモータ・ジェネレータ（電動機）を備え、且つＦＦ（フロントエンジン・フロントドライブ）車として構成されたハイブリッド車両を示している。図１に示すように、ハイブリッド車両は、エンジン１、第１モータ・ジェネレータＭＧ１、第２モータ・ジェネレータＭＧ２、動力分配機構２、減速機３、インバータ４、ＨＶバッテリ５、駆動輪７、昇圧コンバータ９、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１００などを備えている。

−エンジン−
エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料を燃焼させて動力を出力する内燃機関である。エンジン１においては、ＥＣＵ１００によってスロットル開度（吸気量）、燃料噴射量、点火時期などの運転状態が制御されるように構成されている。また、エンジン１の出力軸であるクランクシャフト８の回転数（エンジン回転数）は図示しないエンジン回転数センサによって検出される。このエンジン１はＥＣＵ１００によって駆動制御される。

−モータ・ジェネレータ−
モータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、交流同期電動機であって、電動モータ（走行用動力源）として機能するとともに発電機としても機能する。モータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２はインバータ４および昇圧コンバータ９を介してＨＶバッテリ５に接続されており、モータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動用電力はＨＶバッテリ（走行動力用バッテリ）５から昇圧コンバータ９、インバータ４を介して供給される。インバータ４はＥＣＵ１００によって制御され、そのインバータ４の制御により、モータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回生または力行（アシスト）が設定される。その際の回生電力はＨＶバッテリ５にインバータ４を介して充電される。なお、インバータ４および昇圧コンバータ９は、ユニット化されたＰＣＵ（パワーコントロールユニット）２５内に設置されている。

−動力分配機構−
動力分配機構２では、エンジン１の動力を、駆動輪７と第１モータ・ジェネレータＭＧ１との両方に振り分けるために、遊星歯車機構（プラネタリーギヤ）が使用されている。第１モータ・ジェネレータＭＧ１の回転数を制御することにより、動力分配機構２は無段変速機としても機能する。例えば、エンジン１の回転動力はプラネタリーキャリア（不図示）に入力され、それがサンギヤ（不図示）によって第１モータ・ジェネレータＭＧ１に伝達されるとともに、リングギヤ（不図示）によって第２モータ・ジェネレータＭＧ２および出力軸（駆動輪７側）に伝達されるようになっている。

図１に示すようなハイブリッドシステムを搭載するハイブリッド車両においては、発進時や低速走行時等であってエンジン１の効率が悪い場合には、第２モータ・ジェネレータＭＧ２のみによりハイブリッド車両の走行（ＥＶ走行）を行う。また、通常走行時には、例えば、動力分配機構２によりエンジン１の動力を２経路に分け、一方で駆動輪７の直接駆動を行ない、他方で第１モータ・ジェネレータＭＧ１を駆動して発電を行なう。この時、発生する電力で第２モータ・ジェネレータＭＧ２を駆動して駆動輪７の駆動補助を行なう。また、高速走行時において、さらにＨＶバッテリ５からの電力を第２モータ・ジェネレータＭＧ２に供給して第２モータ・ジェネレータＭＧ２の出力を増大させて駆動輪７に対して駆動力の追加を行なうことも可能である。

一方、減速時には、駆動輪７により従動する第２モータ・ジェネレータＭＧ２がジェネレータとして機能して回生発電を行ない、回収した電力をＨＶバッテリ５に蓄える。なお、ＨＶバッテリ５の充電量が低下し、充電が特に必要な場合には、エンジン１の出力を増加して第１モータ・ジェネレータＭＧ１による発電量を増やしてＨＶバッテリ５に対する充電量を増加する。もちろん、低速走行時でも必要に応じてエンジン１の駆動量を増加する制御を行なう。上記の充電が特に必要な場合とは、例えば、上述のようにＨＶバッテリ５の充電が必要な場合や、エアコン等の補機を駆動する場合や、エンジン１の冷却水の温度を所定温度まで上げる場合等である。

ＥＣＵ１００は、図示しない車速センサ、アクセル開度センサ、シフトポジションセンサなどの出力信号に基づいて必要なエンジン１の出力トルクおよびモータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力トルクを求め、インバータ４を介してモータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を制御する。

−車両の冷却装置−
以下、上記車両がエンジン１やインバータ等の電気系熱源を冷却するために搭載している車両の冷却装置について図２に基づいて説明する。

図２に示すように、車両の冷却装置は、実線で示す第１の冷却水循環路１１等で構成される第１の冷却系１０と、破線で示す第２の冷却水循環路２１等で構成される第２の冷却系２０とを備えている。

第１の冷却系１０と第２の冷却系２０とは互いに独立している。つまり、第１の冷却系１０と第２の冷却系２０とは連通しておらず、第１の冷却系１０と第２の冷却系２０との間で冷却水が出入することがないようになっている。

第１の冷却系１０の第１の冷却水循環路１１上には、第１のウォータポンプ１２、第１のラジエータ１３、エンジン１のシリンダヘッド内のウォータジャケット１４、車室内の暖房に供されるヒータコア１５、サーモスタット１６などが設けられている。

上記第１のウォータポンプ１２は、第１の冷却水循環路１１内の冷却水を循環させるために設けられた冷却水循環装置である。上記第１のラジエータ１３は、第１の冷却水循環路１１内の冷却水の放熱（排熱）を行う放熱部である。

なお、シリンダヘッド内のウォータジャケット１４と後述するシリンダブロック内のウォータジャケット２４とは、シリンダヘッドおよびシリンダブロック間に介装されたヘッド・ガスケットに（不図示）よって冷却水の出入不能に仕切られている。つまり、上記ヘッド・ガスケットには、両ウォータジャケット１４，２４を連通するための連通孔が設けられていない。

図２に例示する第１の冷却系１０においては、第１のウォータポンプ１２が吐出する冷却水は、先ず、シリンダヘッド内のウォータジャケット１４に供給され、シリンダヘッドが冷却される。当該冷却水がシリンダヘッドのウォータジャケット１４を通過すると、分岐点１７で二手に分流し、一方は、第１のラジエータ１３に供給され、他方は、ヒータコア１５に供給される。但し、冷却水の水温が所定温度以下の場合は、サーモスタット１６が閉じて第１のラジエータ１３への冷却水の供給は停止する。

ラジエータ１３およびヒータコア１５を通過しつつ放熱を行った冷却水は、サーモスタット１６が設置されている合流点１８において合流し、第１のウォータポンプ１２の吸入口に還流する。

一方、第２の冷却系２０の第２の冷却水循環路２１上には、第２のウォータポンプ２２、ＰＣＵ（パワーコントロールユニット）２５、エンジン１のシリンダブロック内のウォータジャケット２４、第２のラジエータ（ＨＶラジエータ）２３等が設置されている。

上記第２のウォータポンプ２２は、第２の冷却水循環路２１内の冷却水を循環させるために設けられた冷却水循環装置である。上記第２のラジエータ２３は、第２の冷却水循環路２１内の冷却水の放熱（排熱）を行う放熱部である。上記ＰＣＵ２５は、インバータ４、昇圧コンバータ９等をユニット化したものである。

図２に例示する第２の冷却系２０においては、第２のウォータポンプ２２が吐出する冷却水は、先ず、ＰＣＵ２５内の冷却水通路に供給され、当該通路において、インバータ４、昇圧コンバータ９等の発熱を受熱し、これらの機器を冷却する。ＰＣＵ２５を通過した冷却水は、シリンダブロック内のウォータジャケット２４に供給され、シリンダブロックを冷却する。

シリンダブロック内のウォータジャケット２４を通過した冷却水は、第２のラジエータを放熱しながら通過し、その後、第２のウォータポンプ２２の吸入口に還流する。

なお、第２の冷却水循環路２１上には、発熱量が異なるＰＣＵ２５内のインバータ４等と、シリンダブロック内のウォータジャケット２４とが設置されているが、シリンダブロックの発熱量はシリンダヘッドの発熱量の半分以下であり、さほど大きくないことから、ＰＣＵ２５内のインバータ４等とシリンダブロックの両方を適温に冷却することは可能である。但し、シリンダブロックよりもＰＣＵ２５内のインバータ４等の方が許容温度が低いので、既述したように、第２のラジエータ２３の下流側において、ＰＣＵ２５がシリンダブロックより上流側に設置されていることが望ましい。

−他の実施形態−
以下、上記第２の冷却系の変形例について図３に基づいて説明する。なお、既述の実施形態において説明した構成と同様のものについては同符号を付して説明を省略する。

変形例に係る第２の冷却系２０Ａも第１の冷却系１０に対して独立している。第２の冷却系２０Ａの第２の冷却水循環路２１Ａ上にも、既述した第２のウォータポンプ２２、ＰＣＵ２５、シリンダブロック内のウォータジャケット２４、第２のラジエータ（ＨＶラジエータ）２３等が設置されている。

図３に例示する第２の冷却系２０Ａにおいては、第２のウォータポンプ２２が吐出する冷却水は、先ず、分岐点２６において分流し、一方は、ＰＣＵ２５内の冷却水通路に供給され、当該通路において、インバータ４、昇圧コンバータ９等の発熱を受熱して、これらの機器を冷却する。そして、分流した他方の冷却水は、シリンダブロック内のウォータジャケット２４に供給され、シリンダブロックを冷却する。ＰＣＵ２５内の冷却水通路およびシリンダブロック内のウォータジャケット２４を通過した冷却水は、合流点２７において合流した後、第２のラジエータを放熱しながら通過して、第２のウォータポンプ２２の吸入口に還流する。

以上に説明した車両の冷却装置によれば、図４に基づき説明した従来例に係る車両の冷却装置と比較して以下のような効果が認められる。

すなわち、車両の中高速走行時など、内燃機関が主に走行用動力源となり、電動機の負荷が比較的小さくなることで、インバータ４、昇圧コンバータ９等の発熱量が比較的少なくなるときに、第２冷却系２０，２０Ａ（電気系熱源の冷却系）によってシリンダブロックが冷却されるので、第２冷却系２０，２０Ａ（電気系熱源の冷却系）の余剰能力が有効活用されるようになる。

また、第１の冷却系１０の冷却対象からシリンダブロックが除外されていることにより、第１の冷却系１０に冷却能力の余力が発生する。このため、シリンダヘッドの冷却能力を高めることが可能となる。あるいは、逆に、ラジエータ（第１のラジエータ１３）を小型化することなども可能となる。

また、第２の冷却系２０，２０Ａでは、冷却水の温度を第１の冷却系１０に比べて低く設定することができるので、シリンダブロック内での冷却水の循環流量を低下させてもシリンダブロックを十分に冷却することが可能となる。その結果、例えば、第２のウォータポンプ２２のサイズダウンを図ることができる。

また、第２の冷却系２０，２０Ａでは、冷却水の温度を第１の冷却系１０に比べて低く設定することができるので、併せて、シリンダブロック内のウォータジャケット２４の溝深さを浅くすることにより、シリンダボアの上部の冷却効果を局部的に高めることができる。これにより、比較的高温になり易いシリンダボアの上部が熱歪によりラッパ状に変形してしまうこと（デッキ面に向かって拡径してしまうこと）が抑制される。なお、ウォータジャケット２４の溝深さを浅くすることにより、シリンダボアの中部ないし下部の冷却効果が悪化するように思われるが、冷却水の水温を低温化することで当該中部ないし下部の冷却効果を維持することは可能である。

本発明は、車両に搭載された内燃機関およびインバータ等の電気系熱源を冷却する冷却装置に適用可能である。

１エンジン（内燃機関）
４インバータ（電気系熱源）
９昇圧コンバータ（電気系熱源）
１０第１の冷却系
１１第１の冷却水循環路
１２第１のウォータポンプ（冷却水循環装置）
１３第１のラジエータ（排熱部）
１４シリンダヘッド内のウォータジャケット（シリンダヘッド）
２０第２の冷却系
２１第２の冷却水循環路
２２第２のウォータポンプ（冷却水循環装置）
２３第２のラジエータ（排熱部）
２４シリンダブロック内のウォータジャケット（シリンダブロック）
２５ＰＣＵ

Claims

冷却水循環路と、この冷却水循環路内の冷却水を循環させる冷却水循環装置と、前記冷却水循環路内の冷却水の排熱を行う排熱部と、をそれぞれ有する互いに独立した第１および第２の冷却系を備える車両の冷却装置において、
前記第１の冷却系が有する冷却水循環路上には、内燃機関のシリンダヘッドが設置され、
前記第２の冷却系が有する冷却水循環路上には、内燃機関のシリンダブロックと、車両を走行させるための電動機を駆動させる際に発熱する電気系熱源と、が設置されたことを特徴とする車両の冷却装置。
請求項１に記載の車両の冷却装置において、
前記第２の冷却系では、前記排熱部の下流側において、前記電気系熱源が前記シリンダブロックより上流側に設置されていることを特徴とする車両の冷却装置。
請求項１又は２に記載の車両の冷却装置において、
前記電気系熱源には、インバータが含まれていることを特徴とする車両の冷却装置。