JP2013100785A - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ駆動やファン駆動に要するエンジン駆動力の損失を未然に防止できると共に、ラジエータの設置に関する制限を解消して他の装備の設置のために車両上のスペースを効率的に利用できるエンジンの冷却装置を提供する。
【解決手段】エンジン１とラジエータ４との間で電動ポンプ７により冷却水を循環させてエンジン１を冷却すると共に、電動ファン５によりラジエータ４に空気を流通させて冷却水を放熱させる。トラックの荷台上にソーラーパネル３を配設して、発電された電力を電動ポンプ７及び電動ファン５に供給して作動させる。発電電力の不足時には電力不足分を車両の電気システム１５から供給される電力により補い、発電電力の過剰時には電力過剰分を電気システム１５に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジンの冷却装置に係り、詳しくは冷却ファン及び冷却水循環用のポンプを駆動するためのエンジンの駆動損失を防止する冷却装置に関する。

周知のようにディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関は、筒内での燃料の燃焼により発生した圧力をクランク機構などを介して回転力に変換する構造を採っている。筒内での燃料の燃焼は多量の熱を発生するため、エンジン過熱を防止するための対策が必要となる。例えば水冷式エンジンでは、ポンプにより内部に冷却水を循環させて冷却を図る一方、冷却水をエンジン外に配置したラジエータに順次流通させることにより放熱させる冷却システムを構築している。ラジエータでの冷却水の放熱は空気との間の熱交換によりなされるが、走行風が得られない停車時などを考慮して、ラジエータには冷却ファンが付設されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載された技術では、冷却水循環用のポンプ及び冷却ファンをエンジンにより回転駆動している。例えばエンジンを縦置き配置した車両では、エンジン前側でクランク軸と補機類との間に張架されたベルトを利用して冷却ファンを回転駆動する共に、冷却ファンの直前にラジエータを配置している。冷却ファンの回転によりラジエータには前方から後方に空気が流通する一方、ラジエータ内にはポンプによりエンジン側から冷却水が流通し、空気と冷却水との間で良好に熱交換が行われてエンジン冷却に供される。

特開平８−１８９３５６号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、冷却水循環用のポンプ及び冷却ファンをエンジンで駆動しているため、ポンプ及び冷却ファンは常に回転駆動される。これは、車両を走行させるために要求される負荷の他にポンプ駆動及びファン駆動のための負荷を常にエンジンに与えることを意味し、冬期などのようにラジエータでの熱交換をそれほど要しない状況ではエンジン駆動力の損失に直結し、ひいては燃費悪化の要因になる。
加えて、冷却ファンの直前にラジエータを設置する必要があるため、必然的にエンジンとラジエータとの位置関係が限定されてしまう。結果として車両に搭載すべき他の装備のレイアウトが制限を受け、車両上の限られた設置スペースを効率的に利用することができないという問題もある。

例えばポンプや冷却ファンを電動化して、モータにより駆動する対策もある。しかしながら、電動ポンプや電動ファンに供給する電力は車載バッテリ、ひいてはエンジン駆動されるオルタネータによる発電電力である。このためオルタネータの駆動負荷が増大し、結果としてポンプ駆動やファン駆動のためにエンジン駆動力に損失が生じる点は相違なく、根本的な問題解決にはつながらない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ポンプ駆動やファン駆動に要するエンジン駆動力の損失を未然に防止できると共に、ラジエータの設置に関する制限を解消して他の装備の設置のために車両上のスペースを効率的に利用することができるエンジンの冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、車両の動力源であるエンジンとラジエータとの間でポンプにより冷却水を循環させて冷却水によりエンジンを冷却すると共に、ファンによりラジエータに空気を流通させて空気と冷却水との熱交換により冷却水を放熱させるエンジンの冷却装置において、ポンプをモータにより駆動される電動ポンプとして構成してラジエータに設けると共に、ファンをモータにより駆動される電動ポンプとして構成してラジエータに設け、車両の外側面に太陽光の照射を受けて発電するソーラーパネルを配設し、ソーラーパネルにより発電された電力を電動ポンプ及び電動ファンに供給して作動させる発電電力制御手段を備えたものである。
請求項２の発明は、請求項１において、発電電力制御手段が、ソーラーパネルによる発電電力の過不足を判定し、発電電力が不足と判定したときに、電力不足分を車両の電気システムから供給される電力により補う一方、発電電力が過剰と判定したときに、電力過剰分を車両の電気システムに供給するものである。

以上説明したように請求項１の発明のエンジンの冷却装置によれば、エンジンとラジエータとの間で電動ポンプにより冷却水を循環させてエンジンを冷却すると共に、電動ファンによりラジエータに空気を流通させて冷却水を放熱させ、車両の外側面に配設したソーラーパネルの発電電力を発電電力制御手段により電動ポンプ及び電動ファンに供給して作動させるようにした。
従って、ポンプ及びモータを電動化することによりポンプやファンの駆動のエンジン駆動力の損失を防止できると共に、電動ファン及び電動ポンプの電力をソーラーパネルにより発電するため、エンジンに付設されたオルタネータに起因するエンジン駆動力の損失も防止でき、ひいてはエンジンの駆動損失による燃費悪化を未然に防止することができる。また、ポンプ及びモータを電動化することによりラジエータの設置位置をエンジンとは関係なく自由に決定できる。結果として、ラジエータの設置に関する制限を解消して他の装備の設置のために車両上のスペースを効率的に利用することができる。

請求項２の発明のエンジンの冷却装置によれば、請求項１加えて、ソーラーパネルによる発電電力が不足と判定したときに、電力不足分を車両の電気システムから供給される電力により補う一方、発電電力が過剰と判定したときに、電力過剰分を車両の電気システムに供給するようにした。従って、電力不足時であっても電動ファン及び電動ポンプを正常に作動させてエンジンの冷却水温を最適な温度域に保持し続けることができる。また、電力過剰時には電力過剰分が捨てられる事態を回避して、ソーラーパネルによる発電電力を無駄なく有効利用することができる。

実施形態のエンジンの冷却装置を示す概略構成図である。 エンジンの冷却装置のトラックへの搭載状態を示す平面図である。 ファン回転速度とラジエータ前面風速との関係を示す特性図である。 ラジエータ前面風速とラジエータ放熱量との関係を示す特性図である。

以下、本発明を具体化したエンジンの冷却装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの冷却装置を示す概略構成図である。
本実施形態のエンジン１の冷却装置は貨物用トラック（図２に示す）に適用されている。全体として冷却装置は、エンジン１の冷却水を冷却する冷却ユニット２、及び太陽光の照射を受けて発電するソーラーパネル３から構成されている。冷却ユニット２は冷却水を熱交換させるラジエータ４を主体とし、その外面には後述する電動ファン５などの冷却ユニット２の機能に必要な各種機器が配置されている。ラジエータ４の側面には一対の接続口４ａが設けられ、これらの接続口４ａはそれぞれ冷却管路６を介してエンジン１の一対の接続口１ａに接続されている。一般的なエンジンと同じく、両接続口１ａはエンジン１内に形成されたウォータジャケットとそれぞれ連通している。
ラジエータ４の一側面には一対の吸込み式の電動ファン５が配設されている。電動ファン５は図示しないモータにより回転駆動され、ラジエータ４の他側面の空気を一側面に向けて吸い込みながらラジエータコア内の冷却水と熱交換させる。但し、電動ファン５はこれに限ることはなく、押込み式にしたり、その数を変更したりしてもよい。

ラジエータ４の上面には電動ポンプ７が配設され、この電動ポンプ７によりラジエータ４とエンジン１との間で冷却水が循環する。即ち、冷却水はラジエータ４内を流通した後に一方の冷却管路６を経てエンジン１側に案内されてウォータジャケット内を流通し、その後に他方の冷却管路６を経てラジエータ４に戻されて再び内部を流通する。電動ポンプ７の作動中は以上のような冷却水の循環が行われ、電動ポンプ７が停止すると冷却水の循環も中止されてラジエータ４内及びエンジン１内に冷却水が滞留した状態となる。
また、ラジエータ４の上面には水温センサ８及び流量センサ９が配置され、水温センサ８はエンジン１側から流入する冷却水の温度（ラジエータ４による冷却前の温度）を検出し、流量センサ９は電動ポンプ７による冷却水の流量を検出する。なお、これらのセンサ８，９の設置場所はラジエータ４側に限定されるものではなく、例えばエンジン１側或いは冷却管路６の途中に設けてもよい。

ラジエータ４の下面には発電ユニット１１及び制御用コンピュータ１２が配設されており、発電ユニット１１には上記ソーラーパネル３が接続されている。発電ユニット１１にはバッテリ１１３が内蔵され、このバッテリ１３は、エンジン１や車載機器に電力供給する車載バッテリ１４とは別個に装備されたものある。
以下の説明では、元々搭載されている車載バッテリ１４と区別するために内蔵バッテリ１３と称する。発電ユニット１１は、内蔵バッテリ１３、ソーラーパネル３、上記電動ファン５、電動ポンプ７、及び車載バッテリ１４や車載機器を含めた車両全体の電気システム１５などの間で電力制御を行い、例えばソーラーパネル３で発電された電力を電動ファン５や電動ポンプ７に供給する。内蔵バッテリ１３の主な役割は電動ファン５や電動ポンプ７に供給される電力変動を緩和することにあり、発電電力の増加側への変動時には充電を行い減少側への変動時には放電を行うことにより、常にある程度の電力を蓄電した状態で電力変動の抑制作用を奏する。また、発電ユニット１１は内蔵バッテリ１３の入出力電流を逐次積算することにより、内蔵バッテリ１３のＳＯＣ（充電率：State Of Charge）を算出する。これらの処理の詳細については後述する。

また、制御用コンピュータ１２は、電動ファン５や電動ポンプ７などを適切に作動させるべく発電ユニット１１に指令を出力し、その指令に基づき上記のような発電ユニット１１による電力制御が実行される。このような制御のために制御用コンピュータ１２には上記水温センサ８、流量センサ９などの各種センサ類の検出情報、発電ユニット１１からのＳＯＣ情報などが入力されるようになっている。
本実施形態においては、以上の発電ユニット１１及び制御用コンピュータ１２により発電電力制御手段が構成されている。

次に、このように構成されたエンジン１の冷却装置のトラックへの搭載状態を図２に基づき説明する。
まず、トラックの概略を説明すると、トラックのフレーム１７は、前後方向に延設された左右一対のサイドメンバ１７ａ、及び両サイドメンバ１７ａを連結する複数本のクロスメンバ１７ｂからなるラダーフレームとして構成されている。このフレーム１７上には、図示しないキャビンや密閉構造の箱形状をなす荷台が架装されている。フレーム１７の前部にはエンジン１及び変速機１８が縦置きで搭載され、エンジン１の駆動力が変速機１８からプロペラシャフト１９及びホーシング２０を介して左右の後輪２１に伝達されるようになっている。

そして、エンジンにより冷却ファンを駆動する一般的な冷却装置では、冷却ファンの空気をラジエータに流通させるべく、図２中に二点鎖線で示すようにエンジン１の直前にラジエータを配置する必要がある。本実施形態では、ラジエータ４にモータ駆動の電動ファン５が付設されているため、ラジエータ４を主体とした冷却ユニット２の設置位置をエンジン１とは関係なく自由に決定できる。このため、図２に示すように冷却ユニット２は車両のフレーム１７の左側部、詳しくは左前輪２２の後方で電動ファン５を左側方に向けた姿勢でサイドメンバ１７ａに沿って配置されている。この冷却ユニット２の位置は、燃料タンクやスペアタイヤなどの他の装備を車両の搭載した上での空きスペースであるため、冷却ユニット２の配置による他の装備の不都合は一切発生しない。
よって、本実施形態によれば、二点鎖線で示した元々のラジエータ４の設置位置も含めた都合のよい位置に他の装備を設置できるようになり、結果として車両上のスペースを冷却ユニット２及び他の装備を設置のために効率的に利用することができる。

このようにして配置された冷却ユニット２が上記のように一対の冷却管路６を介してエンジン１側と連結されている。なお、冷却ユニット２の設置位置は上記に限定されるものではなく、車両の装備の搭載状態に応じて任意に変更可能である。
一方、上記ソーラーパネル３は、図２中に二点鎖線で示すようにトラックの荷台上に配設され、電力線（図１に示す）を介して冷却ユニット２の発電ユニット１１に接続されている。なお、ソーラーパネル３の配設位置は荷台上に限ることはなく、車両の外側面であれば任意に変更可能であり、例えばキャビン上に配置してもよい。

次に、制御用コンピュータ１２及び発電ユニット１１による電動ファン５や電動ポンプ７の制御について述べる。
電動ファン５及び電動ポンプ７の制御は、ラジエータ４を流通する空気流量及び冷却水流量の調整によりラジエータ４での熱交換、ひいては冷却水温度の最適化を目的として行われ、これにより常にエンジン１を最適な温度域で運転させている。このため、本実施形態では冷却水温を指標として電動ファン５の回転速度及び電動ポンプ７による冷却水流量を制御している。例えば、冷却水温に対する電動ファン５の回転速度及び電動ポンプ７による冷却水流量をマップに設定して、予め制御用コンピュータ１２に記憶させておく。全体的な傾向として、電動ファン５の回転速度及び電動ポンプ７による冷却水流量は、最適な冷却水の温度域では現在の冷却水温を保持可能な程度の値に設定され、最適な温度域外では冷却水温の低下に伴って低下側に設定され（共に停止も含む）、冷却水温の上昇に伴って増加側に設定される。
電動ファン５の回転速度についてより具体的に述べると、ファン回転速度とラジエータ前面風速との間には図３の関係が成立し、ラジエータ前面風速とラジエータ放熱量との間には図４に示す関係が成立している。そこで、冷却水温に対して最適なラジエータ４の放熱量を求めた上で、図４の特性図に基づきラジエータ４の放熱量からラジエータ前面風速を求め、さらに図３の特性図に基づきラジエータ前面風速からファン回転速度を求める。なお、ラジエータ前面風速とラジエータ放熱量との関係はラジエータ４内を流通する冷却水流量に依存するため、ラジエータ前面風速を求める際にはその時点の冷却水流量も考慮する。このようにして各冷却水温に対応するファン回転速度を求めた上でマップを作成すればよい。

実際のエンジン１の運転中には、水温センサ８により検出された現在の冷却水温に基づき、制御用コンピュータ１２がマップから電動ファン５の回転速度及び電動ポンプ７による冷却水流量を読み出し、それぞれの値に基づく電動ファン５及び電動ポンプ７の駆動指令を発電ユニット１１に出力する。入力された指令に基づき発電ユニット１１は、ソーラーパネル３からの発電電力を電動ファン５及び電動ポンプ７に供給して作動させ、指令に基づく回転速度に電動ファン５を回転制御すると共に、指令に基づく冷却水流量を目標値として流量センサ９により検出された実際の冷却水流量をフィードバック制御する。
これらの電動ファン５及び電動ポンプ７の制御により、冷却水温が最適温度域よりも低下したときには、電動ファン５の回転速度及び電動ポンプ７による冷却水流量が共に低下することでラジエータ４での熱交換量が減少し、一方、最適温度域よりも冷却水温が上昇したときには、電動ファン５の回転速度及び電動ポンプ７による冷却水流量が共に増加することでラジエータ４での熱交換量が増加する。結果として、常にエンジン１の運転にとって最適な温度域に冷却水温が保持される。
なお、これらの電動ファン５及び電動ポンプ７の制御は一例であり、これに限ることはなく任意に変更可能である。

以上のように本実施形態では、冷却ファンや冷却水循環用のポンプをエンジン１で駆動する特許文献１の技術とは異なり、電動ファン５及び電動ポンプ７として電動化している。従って、ポンプやファンを駆動するための負荷はエンジン１に作用せず、これによるエンジン駆動力の損失は発生しない。
また、電動ファン５及び電動ポンプ７に供給すべき電力をソーラーパネル３により発電しているため、エンジン１に付設されたオルタネータの駆動負荷も増大せず、これによるエンジン駆動力の損失も発生しない。よって、ポンプ駆動や段駆動のためのエンジン駆動力の損失を未然に防止して、これによる燃費悪化を回避することができる。

ところで、周知のようにソーラーパネル３による発電は日照変化の影響を受ける。例えば昼間はソーラーパネル３への照射量が大であるため発電量が増加し、夜間はソーラーパネル３への照射量が小であるため発電量が低下、若しくは０となる。しかし、これに応じて昼間では、エンジン温度の上昇を抑制するために電動ファン５及び電動ポンプ７の消費電力が増加傾向となり、逆に夜間では、エンジン温度がそれほど上昇しないことから電動ファン５及び電動ポンプ７の消費電力が低下傾向となるため、全体として電力発電量と電力消費量とは都合よく同方向に変化する。
しかしながら、エンジン冷却水温の上昇は日照変化だけでなく、外気温やエンジン負荷（車両の走行条件に関わる）などの要因にも影響されるため、ソーラーパネル３の発電に余剰電力が生じる場合も、電力不足に陥る場合も発生する。なお、電力変動の抑制を主目的とした内蔵バッテリ１３は小容量であることから、単体で上記電力の過不足を吸収することは不可能である。

そこで、本実施形態では、このような電力の過不足を車載バッテリ１４、エンジン１に付設されたオルタネータ或いは車載機器などを含めた車両全体の電気システム１５を利用して解消する対策を講じており、以下、当該対策について詳述する。
発電ユニット１１は内蔵バッテリ１３のＳＯＣを逐次算出して制御用コンピュータ１２に出力しており、制御用コンピュータ１２では入力されたＳＯＣに基づきソーラーパネル３の発電電力の過不足を常に監視している。具体的には、制御用コンピュータ１２はＳＯＣを予め設定された不足判定値及び過剰判定値（不足判定値＜過剰判定値）と比較し、ＳＯＣが不足判定値未満のときには発電電力の不足判定を下し、ＳＯＣが過剰判定値以上のときには発電電力の過剰判定を下す。

例えば不足判定値としては、内蔵バッテリ１３からの放電電力のみで電動ファン５及び電動ポンプ７を最大能力で５分間作動可能なＳＯＣが設定されている。電動ファン５や電動ポンプ７の作動に対してソーラーパネル３の発電電力が不足気味になると、不足分は内蔵バッテリ１３により補われてＳＯＣが次第に低下するため、ＳＯＣに基づきソーラーパネル３の発電電力の不足を判定できるのである。また、過剰判定値としては、内蔵バッテリ１３が過充電による劣化の虞がない上限値、例えば９０％が設定されている。これ以上の内蔵バッテリ１３への充電が不能になって発電電力の無駄が生じるため、発電電力の過剰を判定できるのである。但し、発電電力の過不足の判定は上記に限ることはなく、任意に変更可能である。
従って、例えばソーラーパネル３への照射量が小である夜間では、発電電力の不足判定が下される場合がある。このとき制御用コンピュータ１２は、電力不足分を電気システム１５の車載バッテリ１４或いはオルタネータからの電力供給により補うように発電ユニット１１に対して指令する。この指令を受けて発電ユニット１１では車載バッテリ１４から電力を供給されて電動ファン５及び電動ポンプ７の作動に利用する。これにより電動ファン５及び電動ポンプ７は正常に作動し、エンジン１の冷却水温を最適な温度域に保持し続けることができる。

また、例えばソーラーパネル３への照射量が大である昼間では、発電電力の過剰判定が下される場合がある。このとき制御用コンピュータ１２は、電力過剰分を車両の電気システム１５に供給するように発電ユニット１１に対して指令する。この指令を受けて発電ユニット１１では、電動ファン５及び電動ポンプ７を作動させた上で、例えば過剰分の電力を車載バッテリ１４に充電したり、或いは作動中の車載機器に供給したりする。これにより、電力過剰分が利用されずに捨てられる事態を回避して、ソーラーパネル３による発電電力を無駄なく有効利用することができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではエンジン１のみを動力源とした貨物用トラックに具体化したが、車種や車両の動力源はこれに限定されるものではない。例えばバスなどの他の車両に適用してもよいし、動力源としてエンジン１に加えてモータを備えたハイブリッド車に適用してもよい。

１ エンジン
３ ソーラーパネル
３ ラジエータ
５ 電動ファン
６ 電動ポンプ
１１ 発電ユニット（発電電力制御手段）
１２ 制御用コンピュータ（発電電力制御手段）
１５ 電気システム

Claims (2)

1. 車両の動力源であるエンジンとラジエータとの間でポンプにより冷却水を循環させて該冷却水によりエンジンを冷却すると共に、ファンにより上記ラジエータに空気を流通させて該空気と上記冷却水との熱交換により冷却水を放熱させるエンジンの冷却装置において、
   上記ポンプをモータにより駆動される電動ポンプとして構成して上記ラジエータに設けると共に、上記ファンをモータにより駆動される電動ポンプとして構成して上記ラジエータに設け、上記車両の外側面に太陽光の照射を受けて発電するソーラーパネルを配設し、該ソーラーパネルにより発電された電力を上記電動ポンプ及び上記電動ファンに供給して作動させる発電電力制御手段を備えたことを特徴とするエンジンの冷却装置。
2. 上記発電電力制御手段は、上記ソーラーパネルによる発電電力の過不足を判定し、発電電力が不足と判定したときに、該電力不足分を上記車両の電気システムから供給される電力により補う一方、上記発電電力が過剰と判定したときに、該電力過剰分を上記車両の電気システムに供給することを特徴とする請求項１記載のエンジンの冷却装置。

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