JP2015230139A

JP2015230139A - 内燃機関の冷却装置

Info

Publication number: JP2015230139A
Application number: JP2014116941A
Authority: JP
Inventors: 山田　賢一; Kenichi Yamada; 賢一山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-21
Also published as: DE112015002665T5; WO2015186563A1

Abstract

【課題】内燃機関の出力に応じて適切な制御が可能な冷却装置を提供すること。【解決手段】本発明は、冷媒が気化することで内燃機関を冷却し、前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器から復水器へと冷媒を供給する経路に設けられたバルブと、前記気液分離器と前記バルブとの間に接続され、前記気相冷媒から前記内燃機関の廃熱のエネルギーを回収する廃熱回収部と、ドライバが要求する前記内燃機関の出力に応じて前記バルブの開閉状態を制御する制御部と、を具備する内燃機関の冷却装置である。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の冷却装置に関する。

従来から、内燃機関（エンジン）の稼動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収処理装置には、例えばエンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンの廃熱によって蒸気化した冷却水（冷媒）によって膨張機（タービン）を駆動させ、蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーや電気エネルギー等に変換して回収するものがある（特許文献１および２）。なお、特許文献１は、冷媒の気化熱により内燃機関を冷却する沸騰冷却システムの技術である。

特開２０１０−２２３１１６号公報特開２０１０−９６０２０号公報

上記のような技術では、内燃機関の温度または気液分離器内の冷媒の圧力に応じて冷媒の量を制御する。しかしながら、内燃機関の出力に応じた適切な制御は困難であり、改善の余地があった。本発明は上記課題に鑑み、内燃機関の出力に応じて適切な制御が可能な冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、冷媒が気化することで内燃機関を冷却し、前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器から復水器へと冷媒を供給する経路に設けられたバルブと、前記気液分離器と前記バルブとの間に接続され、前記気相冷媒から前記内燃機関の廃熱のエネルギーを回収する廃熱回収部と、ドライバが要求する前記内燃機関の出力に応じて前記バルブの開閉状態を制御する制御部と、を具備する内燃機関の冷却装置である。

上記構成において、前記ドライバが要求する前記内燃機関の出力が第１の閾値より大きい場合、前記制御部は前記バルブの開度を大きくし、前記ドライバが要求する前記内燃機関の出力が第１の閾値より小さく、かつ第２の閾値より大きい場合、前記制御部は前記バルブの開度を小さくする構成とすることができる。

上記構成において、前記冷媒の温度を取得する温度取得部を備え、前記制御部は、前記冷媒の温度に応じて、前記バルブの開閉状態を制御する構成とすることができる。

上記構成において、前記気相冷媒の圧力を取得する圧力取得部を備え、前記制御部は、前記気相冷媒の圧力に応じて、前記バルブの開閉状態を制御する構成とすることができる。

本発明によれば、内燃機関の出力に応じて適切な制御が可能な冷却装置を提供することができる。

図１（ａ）は実施例１に係る冷却装置を例示するブロック図である。図１（ｂ）はＥＣＵの構成を例示する機能ブロック図である。図２は冷却装置の処理を示すフローチャートの一例である。図３（ａ）および図３（ｂ）はバルブの開閉状態を示すタイムチャートである。図３（ｃ）は冷媒循環経路内圧力（経内圧力）を示すチャートである。図３（ｄ）はエンジン出力を示すチャートである。図３（ｅ）はランキン出力を示すチャートである。図３（ｆ）は総合出力を示すチャートである。図４は変形例１における処理を示すフローチャートの一例である。図５は変形例２における処理を示すフローチャートの一例である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は実施例１に係る冷却装置１００を例示するブロック図である。図１（ａ）に示すように、冷却装置１００は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０、ウォータージャケット２０、気液分離器２２、バルブ２４、コンデンサ２６、タンク２８、圧力センサ５０、温度センサ５２、およびアクセル開度センサ５４を備えている。冷却装置１００はエンジンに組み込まれ、エンジンを冷却する。後述するように、冷却装置１００は廃熱を回収するランキンサイクルシステムを備える。なお、図１（ａ）において格子斜線を記入した部分には液相冷媒が流れる。

ＥＣＵ１０は、後述するように、ドライバが要求するエンジンの出力（要求出力）、冷媒の温度および圧力に応じて、バルブ２４の開度を制御する。

ウォータージャケット２０は、例えばエンジンのシリンダブロックに形成されており、冷媒（例えば水）が流通する。冷媒は蒸発する際に奪う気化熱により、エンジンを冷却することができる。このように、冷却装置１００は沸騰冷却システムを利用している。冷媒は例えば水（Ｈ_２Ｏ）である。

気液分離器２２には、ウォータージャケット２０から配管３６を通じて冷媒が流入する。気液分離器２２において、冷媒は液相冷媒と気相冷媒とに分離する。

気液分離器２２内の気相冷媒の一部は、気液分離器２２から配管３８を通って、コンデンサ２６に流入する。コンデンサ２６は気相冷媒を液相冷媒に凝縮する復水器として機能する。液相冷媒はタンク２８に貯留される。

タンク２８に貯留される液相冷媒は、配管４０を通じてウォータージャケット２０および気液分離器２２に流入する。配管４０に設けられたポンプ４８および４９は、タンク２８から液相冷媒をくみ上げる。

気液分離器２２内の気相冷媒の一部は、配管３８に接続された配管４２を通じて、過熱器３０に流入する。また、気液分離器２２内の液相冷媒の一部は、配管４６を通じて蒸発器３４に流入する。過熱器３０および蒸発器３４にはエンジンから排出される排気ガスが通っている。液相冷媒は、蒸発器３４において排気ガスの熱により蒸発し、過熱器３０に流入する。過熱器３０において、気相冷媒と排気ガスとは熱交換し、気相冷媒は高温高圧の蒸気となる。

過熱器３０により暖められた気相冷媒はタービン３２に吹き付けられる。これによりタービン３２は回転する。タービン３２の回転力は、例えば発電機により電力に変換される、またはエンジンの補助動力に変換される。タービン３２に吹き付けられた気相冷媒は、配管４４および３８を通じてコンデンサ２６に回収される。このように、過熱器３０、タービン３２および蒸発器３４は、エンジンの廃熱からエネルギーを回収する廃熱回収部（ランキンサイクルシステム）に含まれる。

配管３８に設けられたバルブ２４の開度により、冷却装置１００内の気相冷媒の圧力が変化する。バルブ２４の開度が大きい場合、気相冷媒のコンデンサ２６への流入量は多くなり、過熱器３０への流入量は小さくなる。また気相冷媒の圧力が低下し、液相冷媒は蒸発しやすくなり、冷却が促進される。バルブ２４の開度が小さい場合、気相冷媒のコンデンサ２６への流入量は小さくなり、過熱器３０への流入量は多くなる。また気相冷媒の圧力が上昇し、液相冷媒は蒸発しにくくなり、冷却が弱まる。後述するように、ＥＣＵ１０はバルブ２４の開度を制御する。

圧力センサ５０は、気液分離器２２に設けられており、冷媒循環経路内の気相冷媒の圧力（経内圧力）を検出する。温度センサ５２は、気液分離器２２に設けられており、液相冷媒の温度を検出する。アクセル開度センサ５４は、アクセルの開度を検出する。アクセルの開度は、車両のドライバの操作により変化し、要求出力に対応する。すなわち、アクセル開度が大きければ要求出力は大きく、アクセル開度が小さければ要求出力は小さい。

図１（ｂ）はＥＣＵ１０の構成を例示する機能ブロック図である。図１（ｂ）に示すように、ＥＣＵ１０はバルブ制御部１２、アクセル開度取得部１４、圧力取得部１６および温度取得部１８として機能する。

バルブ制御部１２は、バルブ２４の開度を制御する。アクセル開度取得部１４は、アクセル開度センサ５４が検出したアクセルの開度を取得する。圧力取得部１６は、圧力センサ５０が検出した経内圧力を取得する。温度取得部１８は、温度センサ５２が検出した液相冷媒の温度を取得する。

図２は冷却装置１００の処理を示すフローチャートである。図２に示すように、バルブ制御部１２は、バルブ２４を閉じる（ステップＳ１）。

ＥＣＵ１０は、エンジンが稼働中であるか判断する（ステップＳ２）。Ｎｏの場合、処理は終了する。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ３に進む。

圧力取得部１６は、圧力センサ５０から経内圧力Ｐを取得し、経内圧力ＰがＰ１より大きいか判断する（ステップＳ３）。Ｎｏの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ１に戻る。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０は、ステップＳ４に進む。

アクセル開度取得部１４は、アクセル開度センサ５４からアクセル開度Ａを取得し、アクセル開度ＡがＡ１より大きいか判断する（ステップＳ４）。Ｎｏの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ１に戻る。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０は、ステップＳ５に進む。

圧力取得部１６は、経内圧力Ｐを取得し、経内圧力ＰがＰ２より大きいか判断する（ステップＳ５）。Ｎｏの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ６に進み、Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ７に進む。

ステップＳ６において、バルブ制御部１２は、バルブ２４の開度を開度１とする。ステップＳ６の後、ＥＣＵ１０はステップＳ２に戻る。

一方、ステップＳ７において、アクセル開度取得部１４は、アクセル開度Ａを取得し、アクセル開度ＡがＡ２より大きいか判断する。Ｎｏの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ６に進む。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ８に進む。

バルブ制御部１２は、バルブ２４の開度を開度２とする（ステップＳ８）。ステップＳ８の後、ＥＣＵ１０は、ステップＳ２に戻る。以上で、図２の処理は終了する。

図３（ａ）および図３（ｂ）はバルブ２４の開閉状態を示すタイムチャートである。横軸は時間、縦軸はバルブ２４の開／閉を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、バルブ２４の開閉は周期的に切り替わる。図３（ａ）は開度１（図２のステップＳ６）を示しており、時間Δｔ１の間、バルブ２４は開状態になり、他の時間では閉状態になる。図３（ｂ）は開度２（ステップＳ８）を示しており、時間Δｔ１より長いΔｔ２の間、バルブ２４は開状態になる。このように、バルブ２４は開度１より開度２において長く開く。このため、冷却装置１００内は減圧され、液相冷媒が蒸発しやすくなる。

図３（ｃ）から図３（ｆ）は、それぞれ経内圧力、エンジン出力、ランキン出力（タービン３２で発生する出力）、および総合出力（エンジン出力とランキン出力との合計出力）を示すチャートである。図３（ｃ）から図３（ｆ）の横軸はエンジンの負荷を示している。図３（ｄ）から図３（ｆ）において、実線は実施例１、破線は比較例を示す。

図３（ｃ）に示すように圧力Ｐ２はＰ１より大きく、またエンジン負荷Ｌ２はＬ１より大きい。圧力がＰ１より小さい場合、エンジン負荷はＬ１より小さく、この場合アクセル開度はＡ１より小さい（図２のステップＳ３およびＳ４でＮｏ）。これは暖機を行う場合である。つまり、バルブ制御部１２はバルブ２４を閉じる（ステップＳ１）。これにより、経内圧力が高まり、液相冷媒は蒸発しにくくなる。従って、エンジンの冷却は抑制され、暖機が促進される。図３（ｄ）〜図３（ｆ）に示すように、エンジン出力、ランキン出力および総合出力は、エンジン負荷に応じて徐々に上昇する。

経内圧力がＰ１より大きくＰ２より小さい場合、エンジン負荷はＬ１より大きく、Ｌ２より小さい。この場合アクセル開度はＡ１より大きくＡ２より小さい（図２のステップＳ５およびＳ７でＮｏ）。このとき、バルブ制御部１２はバルブ２４の開度を開度１とする（ステップＳ６）。これにより、図３（ａ）に示したように、時間Δｔ１だけバルブ２４は開くため、冷却が行われる。バルブ２４が閉じると、気相冷媒はタービン３２に流れる。タービン３２がエンジンの動力を補助するため、燃費が改善する。

経内圧力がＰ２より大きい場合、エンジン負荷はＬ２より大きく、アクセル開度はＡ２より大きい（図２のステップＳ５およびＳ７でＹｅｓ）。このとき、バルブ制御部１２はバルブ２４の開度を開度２とする（ステップＳ８）。これにより、図３（ｂ）に示したように、時間Δｔ２にわたってバルブ２４は開く。気相冷媒の多くがコンデンサ２６に流れ、タービン３２に流れる気相冷媒は減少するため、ランキン出力は低下する。一方、経内圧力が低下するため、液相冷媒が蒸発しやすくなり、エンジンの冷却が促進される。このため、Ｌ２を超える出力を得るためにエンジンにおいて燃料の燃焼が激しくなっても、熱によるエンジンの損傷は抑制される。

なお、図３（ｃ）〜図３（ｆ）に破線で示す比較例においては、Ｌ１未満でバルブ２４が全閉、Ｌ１より大きい場合にバルブ２４が一定の開度（例えば開度１）になる。多くの気相冷媒がタービン３２に流れるため、ランキン出力は実施例１より大きくなる。しかし、冷却性能は実施例１より低下する。従って、エンジン出力は低下する。また、エンジンの冷却が不十分になり、自着火によるノッキングが発生することもある。

実施例１によれば、バルブ制御部１２が、要求出力（エンジン負荷）に応じてバルブ２４の開閉状態を制御する。これにより、燃費を優先させる場合と、冷却および出力を優先させる場合とで、バルブ２４の開度が変化する。

すなわち、エンジン負荷がＬ１より大きくＬ２より小さい場合（アクセル開度ではＡ１＜Ａ＜Ａ２）、図３（ａ）のようにバルブ２４の開度を小さくすることで、より多くの蒸気をタービン３２に送り込むことができ、燃費を改善することができる。またエンジン負荷がＬ２より大きい場合（アクセル開度ではＡ２＜Ａ）、図３（ｂ）のようにバルブ２４の開度を大きくすることで効果的な冷却を行う。これにより、高い出力を得て、かつエンジンの損傷を抑制することができる。エンジンが冷却されるため、自着火によるノッキングが抑制され、出力が向上する。以上のように、実施例１によれば、エンジンの出力に応じて、冷却装置１００の適切な制御が可能である。

また、図２および図３（ｃ）に示したように、バルブ制御部１２は、経内圧力に応じて、バルブ２４の開度を制御することができる。図２のステップＳ３とＳ４とは順番を入れ替えてもよく、ステップＳ５とＳ７とは順番を入れ替えてもよい。なお、図２では、アクセル開度（要求出力）および経内圧力に応じてバルブ２４の開度を制御しているが、これに限定されない。このことについて、以下に説明する。

（変形例１）
実施例１の変形例１は、要求出力のみに応じて、バルブ制御部１２がバルブ開度を制御する例である。冷却装置の構成は図１（ａ）および図１（ｂ）と同じである。図４は変形例１における処理を示すフローチャートである。図４の処理は、図２のステップＳ３およびＳ５を除いたものであり、他のステップは同じである。図４に示すように、アクセル開度、すなわち要求出力に応じてバルブ２４の開度を制御することで、適切な制御が可能である。

（変形例２）
また、圧力以外に、温度に応じた制御をしてもよい。変形例２は要求出力および温度により開度を制御する例である。

図５は変形例２における処理を示すフローチャートである。図５の処理においては、図２のステップＳ３に代えてステップＳ３ａ、ステップＳ５に代えてステップＳ５ａを行う。他のステップは同じである。

ステップＳ３ａにおいて、温度取得部１８は温度センサ５２から温度Ｔを取得し、Ｔ１より高いか判断する。Ｎｏの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ１に戻る。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ４に進む。

ステップＳ５ａにおいて、温度取得部１８は温度センサ５２から温度Ｔを取得し、Ｔ２より高いか判断する。なお、Ｔ２はＴ１より高い温度である。Ｎｏの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ６に進む。Ｙｅｓの場合、ＥＣＵ１０はステップＳ７に進む。なお、要求出力、経内圧力および温度に応じた制御を行ってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ＥＣＵ
１２バルブ制御部
１４アクセル開度取得部
１６圧力取得部
１８温度取得部
２２気液分離器
２４バルブ
３２タービン
１００冷却装置

Claims

冷媒が気化することで内燃機関を冷却し、
前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から復水器へと冷媒を供給する経路に設けられたバルブと、
前記気液分離器と前記バルブとの間に接続され、前記気相冷媒から前記内燃機関の廃熱のエネルギーを回収する廃熱回収部と、
ドライバが要求する前記内燃機関の出力に応じて前記バルブの開閉状態を制御する制御部と、を具備することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
前記ドライバが要求する前記内燃機関の出力が第１の閾値より大きい場合、前記制御部は前記バルブの開度を大きくし、
前記ドライバが要求する前記内燃機関の出力が第１の閾値より小さく、かつ第２の閾値より大きい場合、前記制御部は前記バルブの開度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
前記冷媒の温度を取得する温度取得部を備え、
前記制御部は、前記冷媒の温度に応じて、前記バルブの開閉状態を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の冷却装置。
前記気相冷媒の圧力を取得する圧力取得部を備え、
前記制御部は、前記気相冷媒の圧力に応じて、前記バルブの開閉状態を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。