JP2015031234A

JP2015031234A - エンジン冷却システム

Info

Publication number: JP2015031234A
Application number: JP2013162975A
Authority: JP
Inventors: 祐介藤原; Yusuke Fujiwara
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-02-16
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: JP6152737B2

Abstract

【課題】大型車両の燃費を悪化させることなく、エンジンの冷却性能を向上することができるエンジン冷却システムを提供する。【解決手段】インタークーラー用冷却水１３が流れるサブラジエータ２と、エンジン本体用冷却水２０が流れるラジエータ３と、冷却ファン４とからなるエンジン冷却システム１Ａにおいて、冷却ファン４に電動ファンを採用するとともにランキンサイクル３１を設け、ラジエータ３の入口側冷却水３２の一部をランキンサイクル３１の蒸発器２５の加熱源に、サブラジエータ２の出口側冷却水３５の一部を凝縮器２９の冷却源に、それぞれ用いることでランキンサイクル３１を運転して膨張器２８に連結された発電機２７に電力を発電させて、その電力を冷却ファン４に供給するとともに、蒸発器２５を通過した冷却水３３と凝縮器２９を通過した冷却水３６とをラジエータ３の出口側冷却水３４に合流させる。【選択図】図１

Description

本発明はエンジン冷却システムに関し、更に詳しくは大型車両の燃費を悪化させることなく、エンジンの冷却性能を向上することができるエンジン冷却システムに関する。

車両に搭載されているエンジン冷却システムは、エンジンの冷却水をラジエータにおける車速風と冷却ファンによる冷却風とを利用して放熱させるものであるが、登坂中や高積載量下での加速時にエンジンが高負荷状態になると、冷却性能を向上させるため冷却風を増加させる必要がある。

しかし、このように冷却風を増加させると、トラックなどの大型車両では冷却ファンは後方に位置するエンジンにより回転駆動されるため、電動ファンを用いる乗用車に比べて燃費が大きく悪化することになってしまう（例えば、特許文献１を参照）。

そのため、大型車両においては、燃費を悪化させることなくエンジンの冷却性能を向上することが求められている。

特開２００１−２４８５９６号公報

本発明の目的は、大型車両の燃費を悪化させることなく、エンジンの冷却性能を向上することができるエンジン冷却システムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のエンジン冷却システムは、インタークーラ用の冷却水が流れるサブラジエータと、エンジン本体用の冷却水が流れるラジエータと、冷却ファンとを車両の前面から順に配置してなるエンジン冷却システムにおいて、冷媒ポンプ、蒸発器、発電機に連結された膨張器及び凝縮器を冷媒が順に循環してなるランキンサイクルを設けるとともに、前記冷却ファンに電動ファンを用い、前記ラジエータの入口側冷却水の一部を前記蒸発器の加熱源に、前記サブラジエータの出口側冷却水の一部を前記凝縮器の冷却源に、それぞれ用いることで前記ランキンサイクルを運転して前記発電機に電力を発電させて、その電力を前記電動ファンに供給するとともに、前記蒸発器を通過した冷却水と前記凝縮器を通過した冷却水とを前記ラジエータの出口側冷却水に合流させることを特徴とするものである。

本発明のエンジン冷却システムによれば、ラジエータを循環する高温の冷却水と、サブラジエータを循環する低温の冷却水との温度差を利用して運転されるランキンサイクルを設置したので、エンジン本体用冷却水の一部が、空冷よりも熱効率が高いランキンサイクルにより冷却されるので冷却性能が向上する。

また、冷却性能の向上により余裕が生じることで、大型車両において従来の機械式のファンの代わりに、ランキンサイクルで発電された電力で駆動する電動ファンを用いることができるため、ディーゼルエンジンやオルタネータの負担が軽減するので燃費が悪化することはない。

本発明の第１の実施形態からなるエンジン冷却システムの構成図である。本発明の第２の実施形態からなるエンジン冷却システムの構成図である。本発明の第２の実施形態における第１の制御内容を説明するフロー図である。本発明の第２の実施形態における第２の制御内容を説明するフロー図である。本発明の第３の実施形態からなるエンジン冷却システムの構成図である。本発明の第３の実施形態における制御内容を説明するフロー図である。

以下に、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、本発明の第１の実施形態からなるエンジン冷却システムを示す。

このエンジン冷却システム１Ａは、大型車両の前面から順に配置されたサブラジエータ２、ラジエータ３及び冷却ファン４を備えている。これらのサブラジエータ２及びラジエータ３は、車速風や冷却ファンの冷却風を利用した空冷により冷却水を冷却する。

エンジン冷却システム１Ａの冷却対象となるディーゼルエンジン５では、吸気通路６へ吸入された空気Ａは、吸入空気７となって図示しないエアクリーナーを通過してからターボチャージャー８のコンプレッサー９により圧縮され、水冷式のインタークーラー１０で冷却された後にインテークマニホールド１１を経てエンジン本体１２に供給される。

インタークーラー１０での冷却に用いられるインタークーラー用冷却水１３は、インタークーラー用サーモスタット１４で温度を調整されつつ、サブラジエータ２との間でウォータポンプ１５により強制的に循環される。

エンジン本体１２に供給された吸入空気７は、燃料と混合されて燃焼して熱エネルギーを発生させた後に、燃焼ガス１６となってエキゾーストマニホールド１７から排気通路１８へ排気され、ターボチャージャー８のタービン１９を回転駆動させた後に、排ガスＧとなって大気中へ放出される。

エンジン本体１２を冷却するエンジン本体用冷却水２０は、サーモスタット２１により流量を調節されつつ、ラジエータ３との間でウォータポンプ１５により強制的に循環される。一方、サーモスタット２１から分流した冷却水２２は、ラジエータ３を経由することなく循環する。

このようなエンジン冷却システム１Ａにおいて、冷却ファン４には、エンジン本体１２によってではなく、電動機２３によって回転駆動される電動ファンが用いられている。

更に、冷媒ポンプ２４、蒸発器２５、バッテリー２６に接続する発電機２７に連結された膨張器２８（タービン）及び凝縮器２９を冷媒３０が順に循環してなるランキンサイクル３１が、サブラジエータ２及びラジエータ３からなる従来のエンジン冷却系と並列になるように設けられている。

具体的には、ランキンサイクル３１における蒸発器２５の加熱側には、ラジエータ３の入口側冷却水３２（加熱後のエンジン本体用冷却水２０）の一部がサーモスタット２１の上流側から分流しており、蒸発器２５を通過後の冷却水３３はラジエータ３の出口側冷却水３４（冷却後のエンジン本体用冷却水２０）へ合流する。また、凝縮器２９の冷却側には、サブラジエーター２の出口側冷却水３５（冷却後のインタークーラー用冷却水１３）の一部がインタークーラー１０の入口近傍から分流しており、凝縮器２９を通過後の冷却水３６はラジエータ３の出口側冷却水３４へ合流する。

ランキンサイクル３１を循環する冷媒３０は、冷媒ポンプ２４で圧縮され、蒸発器２５においてラジエータ３の入口側冷却水３２により定圧的に加熱されて高圧の過熱蒸気となり、膨張器２８で断熱膨張しつつ発電機２７を回転駆動して発電した後に、凝縮器２９においてサブラジエータ２の出口側冷却水３５により定圧的に冷却されて液体に戻る。発電機２７が発電した電力はバッテリー２６に充電された後に、電線（点線で示す）を通じて冷却ファン４の電動機２３に供給される。

このように、ラジエータ３を循環する高温の冷却水と、サブラジエータ２を循環する低温の冷却水との温度差を利用して運転されるランキンサイクル３１を設置するようにしたので、エンジン本体用冷却水２０の一部が、空冷よりも熱効率が高いランキンサイクル３１により冷却されるので冷却性能が向上する。また、冷却性能の向上により余裕が生じることで、大型車両において従来の機械式のファンの代わりに、ランキンサイクルで発電された電力で駆動する電動ファンを冷却ファン４に用いることができるため、エンジン本体１２によるファンの駆動が不要になり、かつオルタネータによる発電が減少するので、エンジン本体１２への負荷が軽減して燃費を向上することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態からなるエンジン冷却システムを示す。なお、図１と同じ部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

このエンジン冷却システム１Ｂは、ランキンサイクル３１における蒸発器２５を通過後の冷却水３３と凝縮器２９を通過後の冷却水３６とを、電磁弁３７を介してラジエータ３の出口側冷却水３４へ合流させるようにしている。また、ラジエータ３の入口側冷却水３２の温度を測定する水温計３８を設置している。それらの電磁弁３７及び水温計３８は、冷媒ポンプ２４とともに、制御手段であるＥＣＵ４０に信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続されている。

このＥＣＵ４０による第１の制御内容を、図３に基づいて以下に説明する。

ＥＣＵ４０は、水温計３８の測定値を入力し（Ｓ１０）、その測定値がサーモスタット２１の開弁が開始される温度Ｔ１以上であるかを判定する（Ｓ１１）。なお、温度Ｔ１は、車両の仕様により予め設定されており、例えば約８０℃の値が例示される。

そして、測定値が温度Ｔ１以上である場合には冷却水３２の冷却が必要であると判断し、電磁弁３７を開弁し（Ｓ１２）、かつ冷媒ポンプ２４を起動する（Ｓ１３）ことによりランキンサイクル３１の運転を開始する（Ｓ１４）。

このような制御により、適切なタイミングでランキンサイクル３１による冷却水３２の冷却を実施することができるため、エンジン冷却システム１Ｂの冷却性能を効率化することができる。

一方で、水温計３８の測定値が温度Ｔ１未満である場合には、エンジン本体１２が暖機運転時であると判断し、その測定値が温度Ｔ１以上になるまで、電磁弁３７を閉弁し（Ｓ１５）、かつ冷媒ポンプ２４を停止する（Ｓ１６）ことによりランキンサイクル３１の運転を停止する（Ｓ１７）。

このような制御により、ランキンサイクル３１によってエンジン本体１２の暖機運転が妨げられなくなるため、エンジン本体１２の暖機を早期に完了させることができる。

ＥＣＵ４０による第２の制御内容を、図４に基づいて以下に説明する。

ＥＣＵ４０は、バッテリー２６の蓄電率（ＳＯＣ）の測定値を入力し（Ｓ２０）、その蓄電率があらかじめ設定されたしきい値Ｓ（例えば、７０〜９０％）以上であるかを判定する（Ｓ２１）。そして、蓄電率がしきい値Ｓ以上であるときには、電磁弁３７を閉弁し（Ｓ２２）、、かつ冷媒ポンプ２４を停止する（Ｓ２３）ことによりランキンサイクル３１の運転を停止する（Ｓ２４）。ＥＣＵ４０は、これらのステップ２０〜２４を繰り返し実行する。

この第２の制御により、冷却ファン４を回転駆動するのに十分な電力が供給される間はランキンサイクル３１の運転が停止される一方で、電力が不足するとランキンサイクル３１が再び運転を開始するため、エンジン冷却システム１Ｂを効率的に運用することができる。

なお、上記の第１〜第２の制御内容を同時に、あるいは順不同で連続して行うようにしてもよい。

図５は、本発明の第３の実施形態からなるエンジン冷却システムを示す。なお、図１、２と同じ部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

このエンジン冷却システム１Ｃは、ランキンサイクル３４における蒸発器２９の加熱側に、ラジエータ３の入口側冷却水３５の一部をサーモスタット２１の下流側から分流させている。また、ラジエータ３の出口に電磁弁４１を設けるともに、制御手段であるＥＣＵ４０に信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続させている。

このＥＣＵ４０による制御内容を、図６に基づいて以下に説明する。

ＥＣＵ４０は、水温計３９の測定値を入力し（Ｓ３０）、その測定値がサーモスタット２１の開弁が開始される温度Ｔ１以上であるかを判定する（Ｓ３１）。そして、測定値が温度Ｔ１以上である場合には、冷媒ポンプ２４を起動して（Ｓ３２）ランキンサイクル３１の運転を開始する（Ｓ３３）。

一方、水温計３９の測定値が温度Ｔ１未満である場合には、電磁弁４１を閉弁して（Ｓ３４）、制御の開始へ戻る。

次に、水温計３９の測定値がサーモスタット２１が全開となる温度Ｔ２以上であるかを判定する（Ｓ３５）。なお、温度Ｔ２は、車両の仕様により予め設定されており、例えば約１００℃の値が例示される。

そして、測定値が温度Ｔ２以上である場合には、電磁弁４１を開弁して（Ｓ３６）、ラジエータ３に冷却水３２の一部を分流させる（Ｓ３７）。

一方、水温計３９の測定値が温度Ｔ１以上かつ温度Ｔ２未満である場合には、電磁弁４１を閉弁して（Ｓ３４）、制御の開始へ戻る。

このような制御により、エンジン本体１２の熱負荷が比較的低い場合には、熱効率が高いランキンサイクル３１のみにて冷却水３２を冷却する一方で、エンジン本体１２の熱負荷が比較的高くなると、ラジエータ３による空冷でも冷却水３２を冷却するので、エンジン冷却システム１Ｃの冷却性能を更に効率化することができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃエンジン冷却システム
２サブラジエータ
３ラジエータ
４冷却ファン
１０インタークーラー
１２エンジン本体
１３インタークーラー用冷却水
２０エンジン本体用冷却水
２１サーモスタット
２４冷媒ポンプ
２５蒸発器
２６バッテリー
２７発電機
２８膨張器
２９凝縮器
３０冷媒
３１ランキンサイクル
３２（ラジエータの）入口側冷却水
３４（ラジエータの）出口側冷却水
３５（サブラジエータの）出口側冷却水
３８、４１電磁弁
４０ＥＣＵ

Claims

インタークーラ用の冷却水が流れるサブラジエータと、エンジン本体用の冷却水が流れるラジエータと、冷却ファンとを車両の前面から順に配置してなるエンジン冷却システムにおいて、
冷媒ポンプ、蒸発器、発電機に連結された膨張器及び凝縮器を冷媒が順に循環してなるランキンサイクルを設けるとともに、前記冷却ファンに電動ファンを用い、
前記ラジエータの入口側冷却水の一部を前記蒸発器の加熱源に、前記サブラジエータの出口側冷却水の一部を前記凝縮器の冷却源に、それぞれ用いることで前記ランキンサイクルを運転して前記発電機に電力を発電させて、その電力を前記電動ファンに供給するとともに、
前記蒸発器を通過した冷却水と前記凝縮器を通過した冷却水とを前記ラジエータの出口側冷却水に合流させることを特徴とするエンジン冷却システム。
前記ラジエータへ流入する冷却水の流量を調節するサーモスタットと、前記サーモスタットを通過する冷却水の温度を測定する水温計と、前記蒸発器を通過した冷却水及び前記凝縮器を通過した冷却水が前記ラジエータの出口側冷却水に合流する流量を調節する電磁弁と、制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記水温計の測定値が前記サーモスタットの開弁が開始される温度Ｔ１以上であるときは前記電磁弁を開弁する一方で、前記水温計の測定値が前記温度Ｔ１未満であるときは、該測定値が該温度Ｔ１以上になるまで前記電磁弁を閉弁する請求項１に記載のエンジン冷却システム。
前記ランキンサイクルを制御する制御手段を備え、該制御手段は、前記発電機が発電した電力の一部を前記電動ファンに接続するバッテリーに給電するとともに、前記バッテリーの蓄電率が予め設定されたしきい値以上であるときは、前記ランキンサイクルを停止する請求項１に記載のエンジン冷却システム。
前記ラジエータへ流入する冷却水の流量を調節するサーモスタットと、前記サーモスタットを通過する冷却水の温度を測定する水温計と、前記ラジエータから流出する冷却水の流量を調節する電磁弁と、制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記水温計の測定値が前記サーモスタットの開弁が開始される温度Ｔ１以上、かつ該サーモスタットが全開する温度Ｔ２未満であるときは前記電磁弁を閉弁する一方で、前記水温計の測定値が前記温度Ｔ２以上であるときは前記電磁弁を開弁する請求項１に記載のエンジン冷却システム。