JP2013064339A - Ｅｇｒガス冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】低水温冷却水回路を設けてＥＧＲクーラに流れる冷却水の低温化を実現するとともに、低水温冷却水回路の冷却水の流れ方を制御して、エンジン始動後に冷却水の温度のすみやかな上昇を可能にしたＥＧＲガス冷却システムを提供する。
【解決手段】エンジン３と、エンジン３の冷却水を放熱させるメインラジエータ７と、上記冷却水によってＥＧＲガスを冷却する一次ＥＧＲクーラ１との間で上記冷却水を循環させるメイン冷却水回路６を有し、エンジン３と、メインラジエータ７と一体または別体に設けられて上記冷却水を放熱させるサブラジエータ１０と、上記冷却水によって上記ＥＧＲガスを冷却する二次ＥＧＲクーラ２との間で上記冷却水を循環させる低水温冷却水回路９を有するＥＧＲガス冷却システムであって、低水温冷却水回路９のエンジン３とサブラジエータ１０との中間に、冷却水の流量を制御する流量制御装置１２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車に搭載される各熱交換器を循環する冷却水の循環系統とその制御に関する。

自動車の排気ガスによる大気汚染の対策として、ディーゼルエンジン搭載車両では、排気ガスをエンジンに還流させるＥＧＲシステムが広く採用されている。
しかし、エンジンの高負荷状態では排気ガスの温度が上昇し、そのままエンジンの吸気系に還流させると、燃焼温度が上昇して排気ガス中の窒素酸化物濃度が逆に増大してしまう。そこで、熱交換器（ＥＧＲクーラ）を設け、排気ガスを冷却水によって冷却してからエンジンに還流させることが一般的であった。

ＥＧＲクーラの冷却水は、エンジンの冷却水を兼ねている。
メイン冷却水回路は、ラジエータで走行風に放熱した冷却水がエンジンに戻され、エンジンを冷却する前に一部を導出してＥＧＲクーラに流入させ、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却した後、ラジエータからエンジンに流れ込む冷却水に合流し、一部が再度ＥＧＲクーラに流されるとともに残部がエンジンを冷却してラジエータへと循環する流路を形成する。

運転条件にもよるが、エンジン運転時において、一般に、ラジエータで放熱後の冷却水の温度は概ね８０℃を超えている。そのため、この冷却水によってＥＧＲクーラで冷却される排気ガスは、この冷却水の水温以下になることはない。

近年では、排気ガスに対する規制強化のため、ＥＧＲクーラの大容量化とエンジンの燃焼温度の低下が求められている。
このうち、ＥＧＲクーラの大容量化については、ＥＧＲクーラの大型化や、ＥＧＲクーラの使用本数を複数に増やすことで対応していた。

エンジンの燃焼温度を低下させるためには、エンジンに還流する排気ガス（ＥＧＲガス）の温度を低下させる必要がある。
従来技術には、エンジンの燃焼温度の低下を目的に過給空気温度を低下させるため、インタークーラに供給する冷却水をより冷やすサブラジエータを新たに設置し、このサブラジエータとインタークーラとエンジンとを循環する低水温冷却水回路を、メインの冷却水回路とは別に設けた過給空気冷却システムがあった（特許文献１）。

米国特許公開公報２００８０６６６９７号公報

これをＥＧＲガス冷却システムに応用すると、たとえば図２に示すように、ＥＧＲクーラ１，２を２本設置し、２本目のＥＧＲクーラ（二次ＥＧＲクーラ２）を上記の低水温冷却水回路９中に配置することで、二次ＥＧＲクーラ２ではより低水温の冷却水によってＥＧＲガスを冷却することができるようになる。
このＥＧＲガス冷却システムでは、サブラジエータ１０にて放熱し、二次ＥＧＲクーラ２を通過した冷却水は、メイン冷却水回路６と合流してエンジン３に戻される。

エンジン３の運転においては、始動後に暖機運転を行いすみやかに装置の温度を上昇させ、冷却水も適切な水温まで上昇することが好ましい。
このため、メイン冷却水回路６は、サーモスタット８によって水温が低いときには閉鎖され、メインラジエータ７へ冷却水を流さないようになっている。

しかし、低水温冷却水回路９には常時冷却水が循環しており、暖機を行いたいときであっても、冷却水がエンジン３から熱を受け取りサブラジエータ１０で放熱してしまうため、エンジン３の暖機を妨げてしまっていた。
特に、気温が低くエンジンの負荷も低い運転条件下においては、冷却水の水温上昇が遅くなってしまう。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、低水温冷却水回路を設けてＥＧＲクーラに流れる冷却水の低温化を実現するとともに、低水温冷却水回路の冷却水の流れ方を制御して、エンジン始動後に冷却水の温度のすみやかな上昇を可能にしたＥＧＲガス冷却システムを提供することを課題とする。

本発明において、上記課題が解決される手段は以下の通りである。
第１の発明は、エンジンと、エンジンの冷却水を放熱させるメインラジエータと、上記冷却水によってＥＧＲガスを冷却する一次ＥＧＲクーラとの間で上記冷却水を循環させるメイン冷却水回路を有し、上記エンジンと、上記メインラジエータと一体または別体に設けられて上記冷却水を放熱させるサブラジエータと、上記冷却水によって上記ＥＧＲガスを冷却する二次ＥＧＲクーラとの間で上記冷却水を循環させる低水温冷却水回路を有するＥＧＲガス冷却システムであって、上記低水温冷却水回路の上記エンジンと上記サブラジエータとの中間に、冷却水の流量を制御する流量制御装置を設けたことを特徴とする。

第２の発明は、上記流量制御装置は、上記エンジンにおける上記冷却水の温度が所定の温度以上となったときに上記低水温冷却水回路を開放することを特徴とする。

第３の発明は、上記流量制御装置は、上記ＥＧＲガスの温度が所定の温度以上となったときに上記低水温冷却水回路を開放することを特徴とする。

第４の発明は、上記流量制御装置は、上記ＥＧＲガスを上記二次ＥＧＲクーラへ流しているときに上記低水温冷却水回路を開放することを特徴とする。

第１の発明によれば、上記低水温冷却水回路の上記エンジンと上記サブラジエータとの中間に、冷却水の流量を制御する流量制御装置を設けたことにより、エンジン始動直後には流量制御装置により低水温冷却水回路を閉鎖してすみやかにエンジンを暖機するとともに、エンジンの暖機完了後またはＥＧＲガスの冷却が必要になったときには低水温冷却水回路を開放して、二次ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することができ、エンジンの昇温時間の短縮とＥＧＲガスの冷却性能とを両立することができる。

第２の発明によれば、上記流量制御装置は、上記エンジンにおける上記冷却水の温度が所定の温度以上となったときに上記低水温冷却水回路を開放することにより、エンジン始動直後には流量制御装置により低水温冷却水回路を閉鎖してすみやかにエンジンを暖機するとともに、エンジンの暖機完了後に低水温冷却水回路を開放して二次ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することができ、エンジンの昇温時間の短縮とＥＧＲガスの冷却性能とを両立することができる。

第３の発明によれば、上記流量制御装置は、上記ＥＧＲガスの温度が所定の温度以上となったときに上記低水温冷却水回路を開放することにより、エンジン始動直後には流量制御装置により低水温冷却水回路を閉鎖してすみやかにエンジンを暖機するとともに、エンジンの暖機完了後に低水温冷却水回路を開放して二次ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することができ、エンジンの昇温時間の短縮とＥＧＲガスの冷却性能とを両立することができる。

第４の発明によれば、上記流量制御装置は、上記ＥＧＲガスを上記二次ＥＧＲクーラへ流しているときに上記低水温冷却水回路を開放することにより、エンジン始動直後には流量制御装置により低水温冷却水回路を閉鎖してすみやかにエンジンを暖機するとともに、ＥＧＲガスを二次ＥＧＲクーラへ流しているときには低水温冷却水回路を開放して二次ＥＧＲクーラでＥＧＲガスを冷却することができ、また、冷却水の沸騰による二次ＥＧＲクーラの破損を防止することができる。
よって、特に、冷却水の温度が低いときにもＥＧＲガスの循環を開始する車両であっても、ＥＧＲガスの冷却および二次ＥＧＲクーラの破損防止を実現することができる。

本発明の実施形態に係るＥＧＲガス冷却システムを示す説明図である。 従来のＥＧＲガス冷却システムを示す説明図である。

以下、本発明の第一実施形態に係るＥＧＲガス冷却システムについて説明する。
このＥＧＲガス冷却システムは、中型、大型クラスのディーゼルエンジンを用いたトラックや建機などであって、排気ガスの排出規制に適合するために大量の排気ガスの還流（ＥＧＲ）を行う車両に使用される。

大量のＥＧＲガスを冷却するため、この車両は、図１のように、一次ＥＧＲクーラ１と二次ＥＧＲクーラ２とからなる２本のＥＧＲクーラを有している。ＥＧＲガスは、エンジン３の排気系から配管を通り、一次ＥＧＲクーラ１、二次ＥＧＲクーラ２の順に流されて冷却された後、エンジン３の吸気系へと還流する（ＥＧＲガスの配管１４）。
また、この車両では、ターボチャージャ４によって吸入空気を圧縮した過給空気を、インタークーラ５で走行風によって冷却し、エンジンの吸気系に供給している（過給空気経路１５）。エンジン３の排気系から排出される排気ガスの一部はＥＧＲガスとしてエンジンに還流するが、残部は、ターボチャージャ４によって吸入空気を圧縮し、エンジン３の吸気系に供給するエネルギーに流用される。

一次ＥＧＲクーラ１は、メイン冷却水回路６中に配置されている。
メイン冷却水回路６は、メインラジエータ７で走行風に放熱した冷却水がエンジン３に戻され、エンジン３を冷却する前に一部を導出して一次ＥＧＲクーラ１に流入させ、一次ＥＧＲクーラ１でＥＧＲガスを冷却した後、メインラジエータ７からエンジン３に流れ込む冷却水に合流し、一部が再度一次ＥＧＲクーラ１に流されるとともに残部がエンジン３を冷却してメインラジエータ７へと循環する流路を形成する。

エンジン３からメインラジエータ７へ冷却水を導出する流出口付近には、サーモスタット８によるメイン流量制御装置を設けている。このサーモスタット８は、エンジン３における冷却水の温度が所定の温度未満のときにはメインラジエータ７への配管を閉鎖し、所定の温度以上になるとメインラジエータ７への配管を開放するようになっている。
これにより、エンジン始動直後でエンジン３の温度が低い状態では、サーモスタット８がエンジン３からメインラジエータ７への配管を閉鎖して、エンジン３の暖機を妨げることがない。このとき、冷却水はメインラジエータ７を通らずに図１中の破線矢印のように流れ、エンジン３と一次ＥＧＲクーラ１との間の流路を循環し、一次ＥＧＲクーラ１ではＥＧＲガスを冷却する。また、暖機運転によりエンジン３の冷却水が所定温度まで暖められると、サーモスタット８が開き、冷却水がメインラジエータ７へ流れて、走行風へ放熱するようになっている。

二次ＥＧＲクーラ２は、低水温冷却水回路９中に配置されている。
低水温冷却水回路９は、メインラジエータ７で走行風に放熱した冷却水がエンジン３に戻されてエンジン３を冷却する前に、冷却水の一部を導出し、サブラジエータ１０で走行風に放熱して冷却水の温度を低下させ、二次ＥＧＲクーラ２でＥＧＲガスを冷却した後、一次ＥＧＲクーラ１からエンジン３に戻されるメイン冷却水回路６に合流して循環する流路を形成する。
冷却水は、ウォータポンプ１１によってメイン冷却水回路６および低水温冷却水回路９を循環させられる。

このように二次ＥＧＲクーラ２および低水温冷却水回路９を設けたことにより、二次ＥＧＲクーラ２では、一次ＥＧＲクーラ１において冷却されたＥＧＲガスを、サブラジエータ１０でより低温となった冷却水によって冷却することができ、ＥＧＲガス冷却システムの冷却性能を向上させることができる。
なお、サブラジエータ１０は、図１のようにメインラジエータ７と別体に設けたものでもよいし、メインラジエータ７と一体に設けて内部で区分けしたものであってもよい。

このＥＧＲガス冷却システムでは、エンジン３から低水温冷却水回路９へ冷却水を導出する流出口付近にも、サーモスタット１２からなる流量制御装置を設けている。
サーモスタット１２は、温度によって膨張、収縮するワックスを内部に封入しており、エンジン３の冷却水の温度の昇降によりワックスが反応し、低水温冷却水回路９を開閉することができるようになっている。
これにより、エンジン始動直後でエンジン３の温度が低いときには、サーモスタット１２がエンジン３からサブラジエータ１０への配管を閉鎖して低水温冷却水回路９に冷却水が流れないようにし、冷却水が図１中の破線矢印のように流れる。そのため、エンジン３が暖められ冷却水が所定温度に達するまでは、冷却水が不必要にエンジン３を冷却して暖機を妨げることがなく、昇温時間を短縮することができる。

他方、エンジン３の冷却水の温度が所定温度以上になると、低水温冷却水回路９を開放して、サブラジエータ１０により冷却水の温度を低下させるとともに、二次ＥＧＲクーラ２によりＥＧＲガスを一層冷却することができる。
このように、比較的安価なサーモスタット１２によって、エンジン３の昇温時間の短縮とＥＧＲガス冷却システムの冷却性能とを容易に両立させることができる。

サーモスタット１２は、物質の熱膨張を利用した機構であるため、全閉状態から全開状態に瞬時に切り替わるものではなく、低水温冷却水回路９が全閉状態から全開状態に移行するまでに冷却水温度の幅ができる。そのため、サーモスタット１２が開き始める冷却水温度は、製品精度のばらつきも考慮して、ＥＧＲガスを二次ＥＧＲクーラ２に流し始める温度に対して数度低い温度に設定する必要がある。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態に係るＥＧＲガス冷却システムについて説明する。
第二実施形態に係るＥＧＲガス冷却システムも、エンジン３、メインラジエータ７、一次ＥＧＲクーラ１の間を冷却水が循環するメイン冷却水回路６を設けた点、および、サブラジエータ１０、二次ＥＧＲクーラ２を設け、これらに冷却水を循環させる低水温冷却水回路９を設けた点は、第一実施形態と同様である。

第二実施形態では、エンジン３から低水温冷却水回路９へ冷却水を導出する流出口付近に、電磁弁１３からなる流量制御装置を設けた点で第一実施形態と異なる。
この電磁弁１３は、車載の制御用コンピュータ（図示せず）からの信号によって制御する。

電磁弁１３の制御方法の例として、第二実施形態では、エンジン３を始動後、暖気運転中は電磁弁１３を全閉状態に保持し、二次ＥＧＲクーラ２へのＥＧＲガスの循環を開始すると電磁弁１３を全開にするように設定している。
電磁弁１３の開閉をこのように設定することにより、ＥＧＲガスが流されるまでは低水温冷却水回路９を閉鎖し、冷却水により不要にエンジン３が冷却されることを防止して、エンジン３をすみやかに暖機することができる。

他方、ＥＧＲガスが二次ＥＧＲクーラ２へ流されると、電磁弁１３が開放され、冷却水が循環して二次ＥＧＲクーラ２でＥＧＲガスを冷却する。このため、ＥＧＲガスが二次ＥＧＲクーラ２に流れている際に冷却水の循環が停滞することがなく、ＥＧＲガスによって二次ＥＧＲクーラ２内の冷却水が加熱され、沸騰して二次ＥＧＲクーラ２を破損するおそれがない。
なお、ＥＧＲガスは、制御用コンピュータにより、エンジン負荷や冷却水温度が所定の条件と合致したときに、ＥＧＲガスの配管１４に設けたＥＧＲバルブ等の流量制御弁（図示せず）を開放して、直列に配置した一次ＥＧＲクーラ１および二次ＥＧＲクーラ２へ循環を開始するようになっている。

電磁弁１３の制御方法の他の例として、エンジン３を始動後、暖気運転中は電磁弁１３を全閉状態に保持し、ＥＧＲガスの循環の開始によって、電磁弁１３を所定の割合だけ（たとえば半開程度）開放して二次ＥＧＲクーラ２に冷却水を流し始めるように設定してもよい。
その後、メイン冷却水回路６のサーモスタット８が開放され、メインラジエータ７へ冷却水が流されるのを流量センサーや温度センサー等で検知し、これと同時に電磁弁１３を全開にするように設定する。電磁弁１３を全開にする条件は、二次ＥＧＲクーラ２の冷却性能を最大化することのできる他の基準またはタイミングに設定してもよい。

また、ＥＧＲガスの流量を流量センサーで検知して、これに応じて適した冷却水流量となるように電磁弁１３の開度を適宜調整するように設定してもよい。
さらに、エンジン３、メインラジエータ７、サブラジエータ１０におけるそれぞれの冷却水の温度を温度センサーで検知し、これらの関係から電磁弁１３の開度を適宜調整するように設定してもよい。
また、エンジンあるいは二次ＥＧＲクーラのＥＧＲガスの温度を検知し、これが所定の温度以上となったときに電磁弁１３を開放するように設定してもよい。
これらのように、電磁弁１３の開度を多段階に調節することにより、より効率的にエンジン３の昇温を行うとともに、二次ＥＧＲクーラ２によってＥＧＲガスの冷却効率を向上させることができる。

また、電磁弁の代わりに、エンジン３から低水温冷却水回路９へ冷却水を導出する流出口付近に、アクチュエータ式バルブからなる流量制御装置を設けてもよい。
このアクチュエータ式バルブの制御方法は、電磁弁１３の制御方法と同様である。
その他の流量制御装置として、電子制御されるモータによって開度を調整することのできる電子制御バルブを設けてもよい。
この電子制御式バルブの制御方法も、電磁弁１３の制御方法と同様である。

１ 一次ＥＧＲクーラ
２ 二次ＥＧＲクーラ
３ エンジン
４ ターボチャージャ
５ インタークーラ
６ メイン冷却水回路
７ メインラジエータ
８ サーモスタット（メイン冷却水回路）
９ 低水温冷却水回路
１０ サブラジエータ
１１ ウォータポンプ
１２ サーモスタット（低水温冷却水回路）
１３ 電磁弁
１４ ＥＧＲガスの配管
１５ 過給空気経路

Claims (4)

1. エンジンと、エンジンの冷却水を放熱させるメインラジエータと、上記冷却水によってＥＧＲガスを冷却する一次ＥＧＲクーラとの間で上記冷却水を循環させるメイン冷却水回路を有し、
   上記エンジンと、上記メインラジエータと一体または別体に設けられて上記冷却水を放熱させるサブラジエータと、上記冷却水によって上記ＥＧＲガスを冷却する二次ＥＧＲクーラとの間で上記冷却水を循環させる低水温冷却水回路を有するＥＧＲガス冷却システムであって、
   上記低水温冷却水回路の上記エンジンと上記サブラジエータとの中間に、冷却水の流量を制御する流量制御装置を設けたことを特徴とするＥＧＲガス冷却システム。
2. 上記流量制御装置は、上記エンジンにおける上記冷却水の温度が所定の温度以上となったときに上記低水温冷却水回路を開放することを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却システム。
3. 上記流量制御装置は、上記ＥＧＲガスの温度が所定の温度以上となったときに上記低水温冷却水回路を開放することを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却システム。
4. 上記流量制御装置は、上記ＥＧＲガスを上記二次ＥＧＲクーラへ流しているときに上記低水温冷却水回路を開放することを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却システム。

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