JP2013064340A - Ｅｇｒガス冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】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、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冷却水を放熱させるサブラジエータ１０と、冷却水によってＥＧＲガスを冷却する二次ＥＧＲクーラ２との間で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に、この低水温冷却水回路９から分岐してサブラジエータ１０を迂回し、二次ＥＧＲクーラ２の上流側で合流するバイパス流路１２を設け、低水温冷却水回路９のサブラジエータ１０側およびバイパス流路１２の冷却水の流れを制御する流路制御弁１３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クーラに用いられる冷却水は、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させることが好ましい。
このため、メイン冷却水回路６は、水温が低いときにはサーモスタット８によって閉鎖され、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に、この低水温冷却水回路から分岐して上記サブラジエータを迂回し、上記二次ＥＧＲクーラの上流側で合流するバイパス流路を設け、上記低水温冷却水回路の上記サブラジエータ側および上記バイパス流路の冷却水の流れを制御する流路制御弁を設けたことを特徴とする。

第２の発明は、上記流路制御弁は、上記エンジンにおける上記冷却水の温度が所定の温度未満であるときに上記冷却水を上記バイパス流路に流し、上記エンジンにおける冷却水の温度が所定の温度以上であるときに上記冷却水を上記サブラジエータに流すことを特徴とする。

第３の発明は、上記流路制御弁は、上記ＥＧＲガスが上記二次ＥＧＲクーラに流されないときに上記冷却水を上記バイパス流路に流し、上記ＥＧＲガスが上記二次ＥＧＲクーラへ流されるときに上記冷却水を上記サブラジエータに流すことを特徴とする。

第１の発明によれば、上記低水温冷却水回路に、この低水温冷却水回路から分岐して上記サブラジエータを迂回し、上記二次ＥＧＲクーラの上流側で合流するバイパス流路を設け、上記低水温冷却水回路の上記サブラジエータ側および上記バイパス流路の冷却水の流れを制御する流路制御弁を設けたことにより、エンジン始動直後には流路制御弁により冷却水をバイパス流路に流して、すみやかにエンジンを暖機することができる。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、流路制御弁により冷却水をサブラジエータ側に流して、冷却水の温度を低下させ、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、上記流路制御弁が、上記エンジンにおける上記冷却水の温度が所定の温度未満であるときに上記冷却水を上記バイパス流路に流し、上記エンジンにおける冷却水の温度が所定の温度以上であるときに上記冷却水を上記サブラジエータに流すことにより、冷却水の温度が低いときには流路制御弁により冷却水をバイパス流路に流して、すみやかにエンジンを暖機することができる。冷却水の温度が高いときには、流路制御弁によって冷却水をサブラジエータに流して、冷却水の温度を低下させ、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。
また、二次ＥＧＲクーラには常時冷却水が流され、停滞することがないので、ＥＧＲガスにより二次ＥＧＲクーラ内の冷却水が局所的に沸騰して二次ＥＧＲクーラを破損するおそれを低下させることができる。

第３の発明によれば、上記流路制御弁が、上記ＥＧＲガスが上記二次ＥＧＲクーラに流されないときに上記冷却水を上記バイパス流路に流し、上記ＥＧＲガスが上記二次ＥＧＲクーラへ流されるときに上記冷却水を上記サブラジエータに流すことにより、ＥＧＲガスを冷却する必要がないときには流路制御弁によって冷却水をバイパス流路に流し、すみやかにエンジンを暖機することができる。ＥＧＲガスが二次ＥＧＲクーラへの循環を開始したときには、流路制御弁によって冷却水をサブラジエータに流して、冷却水の温度を低下させ、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）。
ＥＧＲガスの配管１４にはＥＧＲバルブ等の流量制御弁（図示せず）が設けられ、制御用コンピュータ（図示せず）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、この流量制御弁等を開放して、ＥＧＲガスが直列に配置された一次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。

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の吸気系に過給空気を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。
サーモスタット８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、メインラジエータ７への配管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への配管を閉鎖するため、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ガス冷却システムには、サブラジエータ１０の上流側で低水温冷却水回路９から分岐し、サブラジエータ１０を迂回して、二次ＥＧＲクーラ２の上流側で低水温冷却水回路９に合流するバイパス流路１２を設けている。
また、低水温冷却水回路９とバイパス流路１２との分岐部あるいは合流部付近に電磁弁１３からなる流路制御弁を設け、冷却水をサブラジエータ１０側とバイパス流路１２とのいずれか一方から選択して流すことができるようになっている。また、他の例として、バイパス流路１２の途中に電磁弁１３等の流路制御弁を設け、冷却水をサブラジエータ１０側とバイパス流路１２との一方に流量を多く振り分けて流すことも可能である。

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、冷却水の流れを切り換える。
電磁弁１３の制御方法の例として、本実施形態では、エンジン３における冷却水の温度を温度センサー（図示せず）で検知し、冷却水の温度が所定の温度未満であるときには冷却水をバイパス流路１２に流し、冷却水の温度が所定の温度以上であるときには冷却水をサブラジエータ１０に流すように設定している。

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、電磁弁１３がサブラジエータ１０への配管を閉鎖して、冷却水がバイパス流路１２を流れる。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、冷却水がサブラジエータ１０で放熱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。
また、このときにも二次ＥＧＲクーラ２には冷却水が循環し続けている。二次ＥＧＲクーラ２にＥＧＲガスが流れている状態で二次ＥＧＲクーラ２の冷却水が停滞していると、冷却水が加熱されて沸騰し、二次ＥＧＲクーラ２を破損するおそれがあるが、本実施形態では、二次ＥＧＲクーラ２に常時冷却水を流しているため、ＥＧＲガス冷却システム全体の冷却水が沸点に達するまで、沸騰することがない。

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、電磁弁１３がバイパス流路１２を閉鎖し、冷却水をサブラジエータ１０に流して放熱させるとともに、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。

登坂などでエンジン３に高負荷がかかったあとに、急激な負荷の低下とメインラジエータ７への走行風減少とが生じると、冷却水の温度が急に上昇するが、本実施形態では、このような場合でも電磁弁１３によって冷却水をサブラジエータ１０へ流すことができて、放熱により冷却水の温度を下げることができる。

電磁弁１３の制御方法の他の例として、ＥＧＲガスの配管１４のＥＧＲガス流量を流量センサー（図示せず）で検知し、ＥＧＲガスの還流を停止しているときには冷却水をバイパス流路１２に流し、ＥＧＲガスを配管１４に流しているときには冷却水をサブラジエータ１０に流すように設定してもよい。
また、ＥＧＲガスの流量が所定の値未満のときには冷却水をバイパス流路１２に流し、ＥＧＲガスの流量が所定の値以上のときには冷却水をサブラジエータ１０に流すように設定してもよい。

これにより、ＥＧＲガスが流されるまでは冷却水をバイパス流路１２に流し、冷却水がサブラジエータ１０で放熱して不要にエンジン３を冷却してしまうことを防止して、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によって冷却水がサブラジエータ１０に流され、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が二次ＥＧＲクーラ２で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。

さらに、電磁弁１３の制御方法の他の例として、冷却水の温度と、ＥＧＲガス流れとの両方に基づいて、流路の切り換えを行ってもよい。
すなわち、エンジン３における冷却水の温度が所定温度（Ｔ１）未満であるときには、電磁弁１３によって冷却水がバイパス流路１２に流される。
そして、冷却水が加熱されてＴ１に達した場合で、かつ、ＥＧＲガスが二次ＥＧＲクーラ２に流されるときには、電磁弁１３によって冷却水がサブラジエータ１０側に流される。冷却水がＴ１以上であっても、ＥＧＲガスが二次ＥＧＲクーラ２に流されていないときには、冷却水はバイパス流路１２に流される。
また、冷却水がＴ１よりも高い所定温度（Ｔ２）に達したときには、ＥＧＲガスが二次ＥＧＲクーラ２に流されていなくても、電磁弁によって冷却水がサブラジエータ１０側に流されるようにする。

これにより、特にエンジンの暖機が必要なときには冷却水をバイパス流路１２に流して、エンジン３をすみやかに暖機することができる。他方、冷却水の温度がＴ１以上でＥＧＲガスを二次ＥＧＲクーラ２に流しているときや、冷却水の温度がＴ２以上で十分に高いときなど、冷却水に放熱させて低温にする必要性が高いときには、冷却水をサブラジエータ１０に流して放熱させることができる。

また、電磁弁１３の制御方法の他の例として、エンジン３から排出されるＥＧＲガスの温度を温度センサー（図示せず）で検知し、ＥＧＲガスの温度が所定の温度未満であるときには冷却水をバイパス流路１２に流し、ＥＧＲガスの温度が所定の温度以上であるときには冷却水をサブラジエータ１０に流すように設定してもよい。このとき、冷却水の一部をバイパス流路に流し、残部をサブラジエータに流し、流量の振り分けによって冷却水の温度を調整するようにしてもよい。
これにより、ＥＧＲガスの温度が低く二次ＥＧＲクーラ２での冷却を必要としないときに、冷却水をバイパス流路１２に流すことができ、ＥＧＲガスを過度に冷却することにより二次ＥＧＲクーラ２で排気凝縮水が発生することを防止することができる。

また、冷却水の流路制御弁として、電磁弁１３の代わりに、アクチュエータ式バルブを使用してもよい。
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。
その他の流路制御弁として、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。

また、冷却水の流路制御弁として、サーモスタットを使用してもよい。
このサーモスタットは、分岐部における冷却水の温度が所定温度未満のときは冷却水をバイパス流路１２に流し、冷却水の温度が所定温度以上になるとサーモスタットのワックスが反応して冷却水をサブラジエータ１０に流すようにする。
これにより、比較的安価なサーモスタットによって、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。

また、バイパス流路１２は、図１のように、二次ＥＧＲクーラ２の上流側の低水温冷却水回路９の配管に合流させてもよいが、二次ＥＧＲクーラ２に直接接続することにより低水温冷却水回路９に合流させてもよい。

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
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 バイパス流路
１３ 電磁弁
１４ ＥＧＲガスの配管
１５ 過給気経路

Claims (3)

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に、この低水温冷却水回路から分岐して上記サブラジエータを迂回し、上記二次ＥＧＲクーラの上流側で合流するバイパス流路を設け、
   上記低水温冷却水回路の上記サブラジエータ側および上記バイパス流路の冷却水の流れを制御する流路制御弁を設けたことを特徴とするＥＧＲガス冷却システム。
2. 上記流路制御弁は、上記エンジンにおける上記冷却水の温度が所定の温度未満であるときに上記冷却水を上記バイパス流路に流し、
   上記エンジンにおける冷却水の温度が所定の温度以上であるときに上記冷却水を上記サブラジエータに流す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. 上記流路制御弁は、上記ＥＧＲガスが上記二次ＥＧＲクーラに流されないときに上記冷却水を上記バイパス流路に流し、
   上記ＥＧＲガスが上記二次ＥＧＲクーラへ流されるときに上記冷却水を上記サブラジエータに流すことを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却システム。

Images