JP2017057761A - エンジンの冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの冷却性能を向上し、同時に吸気温度も低下させる。
【解決手段】エンジンの冷却システム１は、第１冷却回路Ｘと第２冷却回路Ｙと第３冷却回路Ｚを備える。第１冷却回路は、第１ウォータポンプ４、エンジン内流路５および第１ラジエータ６を有する。第２冷却回路は、第１ウォータポンプの出口側から分岐される入口部１１、入口部の下流側に配置された第２ラジエータ１２、および第１ウォータポンプの入口側に合流される出口部１３を有する。第３冷却回路は、第１および第２冷却回路から独立され、第３ウォータポンプ２１、水冷式インタークーラ３および第３ラジエータ２２を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用エンジン等に適用されるエンジンの冷却システムに関する。

一般に、車両用エンジンの冷却システムは、ウォータポンプ、ウォータポンプの下流側に配置されたエンジン内流路、およびエンジン内流路の下流側に配置されたラジエータを有する冷却回路を備えている。そしてウォータポンプから冷却水をエンジン内流路およびラジエータに順次送り、その後ウォータポンプに戻すようになっている。便宜上、かかるウォータポンプ、ラジエータおよび冷却回路をそれぞれ第１ウォータポンプ、第１ラジエータおよび第１冷却回路と称する。

特開２０１５−１３３９号公報

一方、冷却水との間で熱交換を行って吸気を冷却する水冷式インタークーラが公知である。このインタークーラに冷却水を送るべく、第２冷却回路を追加して設けることが考えられる。この場合、第２冷却回路の構成として、第１ウォータポンプの出口側から分岐される入口部、入口部の下流側に配置された第２ラジエータ、および第２ラジエータの下流側に配置され第１ウォータポンプの入口側に合流される出口部を有するものが考えられる。

こうした構成を採用した場合、第２冷却回路を流れる冷却水の流量を、第１冷却回路を流れる冷却水の流量より少なくするのが有効である。なぜなら、第２ラジエータにおける冷却水の滞留時間を長くし、第２ラジエータから排出される冷却水の温度を第１冷却回路の冷却水の温度より低下させ、水冷インタークーラの冷却性能を向上できるからである。また、より低温の冷却水を第１冷却回路に合流させ、エンジン内流路に流し、エンジンの冷却性能をも向上できるからである。このように第２冷却回路は、第１冷却回路の冷却性能をアシストするアシスト効果を有する。

しかし、以上の構成を採用した場合、次のような問題がある。すなわち、第２冷却回路を流れる冷却水の流量を増加すると、低温の冷却水がより多く第１冷却回路に合流されるようになり、エンジンの冷却性能を向上できる。しかしその一方で、第２ラジエータにおける冷却水の滞留時間が短くなり、インタークーラの冷却性能が低下し、吸気温度が上昇する。つまり、第２冷却回路を流れる冷却水の流量に対し、エンジンの冷却性能と吸気温度はトレードオフの関係にある。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、エンジンの冷却性能を向上し、同時に吸気温度も低下させることができるエンジンの冷却システムを提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
第１ウォータポンプ、前記第１ウォータポンプの下流側に配置されたエンジン内流路、および前記エンジン内流路の下流側に配置された第１ラジエータを有する第１冷却回路であって、前記第１ウォータポンプから冷却水を前記エンジン内流路および前記第１ラジエータに順次送り、その後前記第１ウォータポンプに戻すように構成された第１冷却回路と、
前記第１ウォータポンプの出口側から分岐される入口部、前記入口部の下流側に配置された第２ラジエータ、および前記第２ラジエータの下流側に配置され前記第１ウォータポンプの入口側に合流される出口部を有する第２冷却回路と、
前記第１および第２冷却回路から独立された第３冷却回路であって、第３ウォータポンプ、ならびに前記第３ウォータポンプの下流側に配置された水冷式インタークーラおよび第３ラジエータを有し、前記第３ウォータポンプから冷却水を前記インタークーラおよび前記第３ラジエータに送り、その後前記第３ウォータポンプに戻すように構成された第３冷却回路と、
を備えたことを特徴とするエンジンの冷却システムが提供される。

好ましくは、前記第３冷却回路を流れる冷却水の流量が前記第２冷却回路を流れる冷却水の流量より少なくされる。

好ましくは、前記第２ラジエータと前記第３ラジエータが一体化されている。

本発明によれば、エンジンの冷却性能を向上し、同時に吸気温度も低下させることができるという優れた効果が発揮される。

比較例に係るエンジンの冷却システムを示す概略構成図である。 トレードオフの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るエンジンの冷却システムを示す概略構成図である。 一体形ラジエータを示す概略構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

まず便宜上、本発明の実施形態を説明する前に、本発明の着想前に想定された比較例を説明する。

図１は、比較例に係るエンジンの冷却システムを示す概略構成図である。かかる冷却システムは、車両に搭載されたエンジンに適用される。

図示するように、冷却システム１は、ともにエンジン冷却水が流通ないし循環される第１冷却回路Ｘと第２冷却回路Ｙを備える。第１冷却回路Ｘは、主にエンジン２の冷却を行うための回路であり、第２冷却回路Ｙは、主に水冷式のインタークーラ３に冷却水を送り、インタークーラ３を通過する吸気の冷却を行うための回路である。インタークーラ３は、吸気入口３Ａから導入した吸気Ｉの熱を冷却水に伝達させ、これによって温度低下した吸気Ｉを吸気出口３Ｂから排出する。なおエンジン２はターボチャージャ（図示せず）を有し、ターボチャージャの過給によって温度上昇した吸気がインタークーラ３を通過する際に冷却させられる。

第１冷却回路Ｘは、第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４と、第１ウォータポンプ４の下流側に配置されたエンジン内流路５と、エンジン内流路５の下流側に配置された高温ラジエータ（ＨＴ ＲＡＤ）としての第１ラジエータ６とを有し、第１ウォータポンプ４から冷却水をエンジン内流路５および第１ラジエータ６に順次送り、その後第１ウォータポンプ４に戻すように構成されている。

具体的には、第１ウォータポンプ４は、エンジン２に設置されてクランクシャフトにより駆動されると共に、エンジン内部に形成されたループ状のエンジン内流路５の上流端に配置されている。そして駆動時、エンジン内流路５に冷却水を吐出する。エンジン内流路５の下流側にはサーモスタット（Ｔ／Ｓ）７が設けられ、その開弁時に、エンジン冷却後に高温となった冷却水を第１ラジエータ６に送るようになっている。サーモスタット７は入口配管８を介して第１ラジエータ６の入口に接続される。第１ラジエータ６の出口は出口配管９を介して第１ウォータポンプ４の入口に接続される。第１冷却回路Ｘを流れる冷却水Ａの流れ方向を図中矢印で示す。

第２冷却回路Ｙは、第１ウォータポンプ４の出口側から分岐される入口部１１と、入口部１１の下流側に配置された低温ラジエータ（ＬＴ ＲＡＤ）としての第２ラジエータ１２と、第２ラジエータ１２の下流側に配置された前述のインタークーラ３と、インタークーラ３の下流側に配置され第１ウォータポンプ４の入口側に合流される出口部１３とを有する。入口部１１の分岐点をＰ１で示し、出口部１３の合流点をＰ２で示す。第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流れ方向を図中矢印で示す。

なお、「第１ウォータポンプ４の出口側」とは、第１ウォータポンプ４の出口またはその付近の流路位置であって、冷却水がエンジン２から受熱して実質的に温度上昇させられる手前の流路位置をいう。従ってそれには、図示の如きエンジン内流路５の上流側ないし上流端部が含まれる。また第１ウォータポンプ４とエンジン内流路５が直接ではなく配管を介して接続される場合、こうした配管内の流路も「第１ウォータポンプ４の出口側」に含まれる。また、「第１ウォータポンプ４の入口側」とは、第１ウォータポンプ４の入口またはその上流側であって、かつ第１ラジエータ６の出口より下流側の流路位置をいう。従ってそれには前述の出口配管９内の流路が含まれる。

第２ラジエータ１２の入口は、入口配管１４を介して、エンジン内流路５の上流端部、特にその分岐点Ｐ１に接続される。それ故入口配管１４の上流端部が前述の入口部１１をなす。また第２ラジエータ１２の出口は、出口配管１５を介してインタークーラ３の冷却水入口に接続される。インタークーラ３の冷却水出口は、配管１６を介して、出口配管９、特にその合流点Ｐ２に接続される。それ故配管１６の下流端部が前述の出口部１３をなす。

この比較例の構成において、サーモスタット７の開弁時、第１ウォータポンプ４が駆動されると、冷却水は第１ウォータポンプ４からエンジン内流路５、サーモスタット７、入口配管８、第１ラジエータ６、出口配管９を順に流れて第１ウォータポンプ４に戻る。つまり冷却水は第１冷却回路Ｘ内を循環される。この過程で、エンジン内流路５においてエンジン２から受熱して高温となった冷却水は、第１ラジエータ６を通過する際に外気と熱交換を行い、冷却される。

他方、分岐点Ｐ１においてエンジン内流路５から入口配管１４に分岐された冷却水は、入口配管１４、第２ラジエータ１２、インタークーラ３、配管１６を順に流れ、合流点Ｐ２において出口配管９に合流される。この過程で冷却水は、第２ラジエータ１２を通過する際に外気と熱交換を行い冷却され、その冷却された冷却水がインタークーラ３内の吸気と熱交換を行って吸気を冷却する。

ここで、第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流量が第１冷却回路Ｘを流れる冷却水Ａの流量より少なくなるよう、第２冷却回路Ｙは構成されている。なおここでいう第１冷却回路Ｘとは、第１冷却回路Ｘのうち、冷却水流れ方向における合流点Ｐ２から分岐点Ｐ１までの間の部分（途中に第１ウォータポンプ４がある）を除く部分をいう。

こうすると、第２冷却回路Ｙの冷却水Ｂの第２ラジエータ１２における滞留時間が長くなり、第２ラジエータ１２から排出される冷却水の温度が、第１冷却回路Ｘの冷却水Ａの温度よりも低下する。この温度低下した冷却水がインタークーラ３に送られるので、インタークーラ３の冷却性能を向上し、インタークーラ３から排出される吸気の温度を低下させることができる。これは吸気の充填効率向上に有利である。

また、インタークーラ３内において若干温度が上昇するものの、このように温度低下した冷却水が第１冷却回路Ｘに合流されるので、第１冷却回路Ｘを流れる冷却水Ａの温度も低下される。具体的には、第１ウォータポンプ４の入口側で、温度低下した第２冷却回路Ｙの冷却水Ｂが第１冷却回路Ｘに合流され、第１冷却回路Ｘの冷却水Ａの温度が低下される。この温度低下した冷却水Ａを第１ウォータポンプ４がエンジン内流路５に供給することにより、エンジンの冷却性能を向上できる。このように第２冷却回路Ｙは、第１冷却回路Ｘないし第１ラジエータ６の冷却性能をアシストするアシスト効果を有する。なお、こうした第２冷却回路Ｙを用いることで、これを用いない場合に比べ、エンジン内流路５から出る冷却水の温度（エンジン出口温度という）、および第１ラジエータ６に流入する冷却水の温度（第１ラジエータ入口温度という）も低下する。総じて、第２冷却回路Ｙの冷却水Ｂの温度は、第１冷却回路Ｘの冷却水Ａの温度より低下する。

しかし、この比較例には次のような問題がある。すなわち、第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流量を増加すると、低温の冷却水がより多く第１冷却回路Ｘに合流されるようになり、エンジンの冷却性能を向上できる。しかしその一方で、第２ラジエータ１２における冷却水Ｂの滞留時間が短くなり、第２ラジエータ１２から排出される冷却水Ｂの温度が上昇する。その結果、インタークーラ３の冷却性能が低下し、吸気温度が上昇する。つまり、第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流量に対し、エンジンの冷却性能と吸気温度はトレードオフの関係にある。

このトレードオフの関係を図２に示す。グラフの横軸は、第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流量ＱＢであり、縦軸は温度である。図中、線ａは第１ラジエータ入口温度ＴＨを示し、線ｂは吸気温度Ｔａを示す。なお第１冷却回路Ｘの冷却水Ａの流量は一定であるとする。図示するように、第２冷却回路Ｙの流量ＱＢが増加するにつれ、第１ラジエータ入口温度ＴＨは低下する傾向にあるが、吸気温度Ｔａは上昇する傾向にある。エンジン冷却性能の観点からすれば、多い流量ＱＢ２とするのが好ましいが、吸気温度の観点からすれば、逆に少ない流量ＱＢ１とするのが好ましい。このように両者の要求は相容れず、両者を両立させようとすれば比較例の構成は必ずしも好ましくない。

そこで、かかる問題を解決するため、本発明者は本発明を着想するに至った。以下、本発明の実施形態を説明する。

図３は、本発明の実施形態に係るエンジンの冷却システムを示す概略構成図である。かかる冷却システムは、比較例の冷却システムをベースとしている。以下の説明において、比較例と同様の部分には図中同一符号を付して説明を割愛し、比較例との相違点を中心に説明する。

本実施形態に係る冷却システム１も、第１冷却回路Ｘおよび第２冷却回路Ｙを備えている。但し第２冷却回路Ｙの構成が異なり、インタークーラ３および配管１６は設けられておらず、出口配管１５が第１冷却回路Ｘの出口配管９、特にその合流点Ｐ２に接続されている。それ故出口配管１５の下流端部が第２冷却回路Ｙの出口部１３をなす。

他方、本実施形態に係る冷却システム１は、第１冷却回路Ｘおよび第２冷却回路Ｙから独立された第３冷却回路Ｚを備えている。第３冷却回路Ｚは、第３ウォータポンプ２１と、第３ウォータポンプ２１の下流側に配置された前述の水冷式インタークーラ３と、インタークーラ３の下流側に配置された低温ラジエータ（ＬＴ ＲＡＤ）としての第３ラジエータ２２とを有し、第３ウォータポンプ２１から冷却水をインタークーラ３および第３ラジエータ２２に順次送り、その後第３ウォータポンプ２１に戻すように構成されている。第３冷却回路Ｚを流れる冷却水Ｃの流れ方向を図中矢印で示す。なお第２冷却回路Ｙにウォータポンプはないので、便宜上、第２ウォータポンプというものは存在しない。

本実施形態において、第３ウォータポンプ２１は、エンジン回転数とは無関係に吐出流量が可変の電動式ウォータポンプとされている。この第３ウォータポンプ２１の出口は配管２３を介してインタークーラ３の冷却水入口に接続され、インタークーラ３の冷却水出口は配管２４を介して第３ラジエータ２２の入口に接続され、第３ラジエータ２２の出口は配管２５を介して第３ウォータポンプ２１の入口に接続される。

第３ウォータポンプ２１が駆動されると、冷却水Ｃは第３ウォータポンプ２１から配管２３、インタークーラ３、配管２４、第３ラジエータ２２、配管２５を順に通過して第３ウォータポンプ２１に戻される。冷却水Ｃがインタークーラ３を通過する際に吸気と熱交換を行って吸気を冷却する点、および第３ラジエータ２２を通過する際に外気と熱交換を行って冷却される点は、前記同様である。

本実施形態では、第３冷却回路Ｚが第１および第２冷却回路Ｘ，Ｙから独立されているため、第３冷却回路Ｚの流量を、第１および第２冷却回路Ｘ，Ｙの流量とは無関係に設定できる。制御部または制御ユニットをなす電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００により、第３ウォータポンプ２１の駆動量を制御することにより、第３冷却回路Ｚの流量を任意に制御可能である。

本実施形態では、第２ラジエータ１２と第３ラジエータ２２が一体化されている。これによりシステム全体をコンパクトにすることができる。図４はこうした一体形ラジエータ３０の一例を示す。本実施形態においてラジエータ３０は、冷却水を水平方向に流す所謂クロスフロー式とされているが、冷却水を上から下に流す所謂ダウンフロー式とされてもよい。

ラジエータ３０は、左右のヘッダ３１，３２とこれらを連結するラジエータコア３３とを備える。ラジエータコア３３は周知のように、左右のヘッダ３１，３２に連通接続された複数のチューブと、各チューブに取り付けられた冷却フィンとを有する。左右のヘッダ３１，３２は、隔壁３４，３５により上下に仕切られる。これにより実質的に、ラジエータ３０の上側部分が第２ラジエータ１２を形成し、ラジエータ３０の下側部分が第３ラジエータ２２を形成する。ラジエータ３０の上側部分におけるヘッダ３１，３２の一方に入口３６が設けられ、他方に出口３７が設けられる。同様に、ラジエータ３０の下側部分におけるヘッダ３１，３２の一方に入口３８が設けられ、他方に出口３９が設けられる。本実施形態において、入口および出口の配置は上側部分と下側部分とで左右逆であり、第２ラジエータ１２を流れる冷却水Ｂと第３ラジエータ２２を流れる冷却水Ｃとの向きは互いに逆とされている。しかしながら、入口および出口の配置を左右同じとし、流れの向きを同じとしてもよい。

さて、本実施形態において、第３冷却回路Ｚを流れる冷却水Ｃの流量は、第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流量より少なくされる。具体的にはそうした冷却水Ｃの流量が得られるよう第３ウォータポンプ２１が制御される。すると、前述のトレードオフの問題を解消することができる。

すなわち、図２を参照して、エンジン冷却性能向上のため、第２冷却回路Ｙを流れる冷却水Ｂの流量は、例えば比較的多いＱＢ２とされる。比較例だとこの流量ＱＢ２では吸気温度Ｔａの上昇を招くが、本実施形態では第２冷却回路Ｙにインタークーラ３がないので、吸気温度Ｔａの上昇を招かないで済む。第２冷却回路Ｙにより、第１冷却回路Ｘのアシスト効果のみが得られる。他方、第３冷却回路Ｚを流れる冷却水Ｃの流量は、例えば比較的少ないＱＢ１と等しい値とされる。これにより、第３ラジエータ２２における冷却水Ｃの滞留時間を長くし、吸気温度Ｔａを低下させることができる。総じて、第３冷却回路Ｚの冷却水Ｃの温度は、第２冷却回路Ｙの冷却水Ｂの温度より低下される。このように本実施形態によれば、エンジンの冷却性能を向上し、同時に吸気温度も低下させることが可能となる。

なお、本実施形態においては、第１ウォータポンプ４がエンジンにより駆動されるので、エンジンの運転状態に応じて第１冷却回路Ｘおよび第２冷却回路Ｙの流量が増減し、例えばエンジン回転数が増加するほど第１冷却回路Ｘおよび第２冷却回路Ｙの流量は増加する。本実施形態においては、この流量の増減に合わせて、第３ウォータポンプ２１の駆動量ひいては第３冷却回路Ｚの流量をＥＣＵ１００により増減することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば本発明は車両用以外の冷却システムにも適用可能である。第１ウォータポンプ４は電動式であってもよい。第３ウォータポンプ２１は電動式に限らず、エンジン２により駆動される機械式であってもよい。第３冷却回路Ｚにおいて、インタークーラ３と第３ラジエータ２２の配置は逆でもよく、第３ウォータポンプ２１を起点として、第３ラジエータ２２の下流側にインタークーラ３を配置してもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 冷却システム
３ 水冷式インタークーラ
４ 第１ウォータポンプ
５ エンジン内流路
６ 第１ラジエータ
１１ 入口部
１２ 第２ラジエータ
１３ 出口部
２１ 第３ウォータポンプ
２２ 第３ラジエータ
３０ 一体形ラジエータ
Ｘ 第１冷却回路
Ｙ 第２冷却回路
Ｚ 第３冷却回路

Claims (3)

1. 第１ウォータポンプ、前記第１ウォータポンプの下流側に配置されたエンジン内流路、および前記エンジン内流路の下流側に配置された第１ラジエータを有する第１冷却回路であって、前記第１ウォータポンプから冷却水を前記エンジン内流路および前記第１ラジエータに順次送り、その後前記第１ウォータポンプに戻すように構成された第１冷却回路と、
   前記第１ウォータポンプの出口側から分岐される入口部、前記入口部の下流側に配置された第２ラジエータ、および前記第２ラジエータの下流側に配置され前記第１ウォータポンプの入口側に合流される出口部を有する第２冷却回路と、
   前記第１および第２冷却回路から独立された第３冷却回路であって、第３ウォータポンプ、ならびに前記第３ウォータポンプの下流側に配置された水冷式インタークーラおよび第３ラジエータを有し、前記第３ウォータポンプから冷却水を前記インタークーラおよび前記第３ラジエータに送り、その後前記第３ウォータポンプに戻すように構成された第３冷却回路と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの冷却システム。
2. 前記第３冷却回路を流れる冷却水の流量が前記第２冷却回路を流れる冷却水の流量より少なくされることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの冷却システム。
3. 前記第２ラジエータと前記第３ラジエータが一体化されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの冷却システム。

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