JP2018062910A - Ｅｇｒクーラの冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】より優れた冷却性能を有するＥＧＲクーラの冷却システムを提供する。【解決手段】ＥＧＲクーラの冷却システムは、エンジンの冷却水が流れる冷却水回路と、冷却水を作動流体と熱交換する熱交換器を含むランキンサイクル回路と、エンジンの吸気側に還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、熱交換器で作動流体と熱交換された後の冷却水を、前記ＥＧＲクーラに供給する冷却水供給回路と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、エンジンの排気ガスを吸気側に還流させるＥＧＲ装置に設けられるＥＧＲクーラの冷却システムに関する。

ガソリンや軽油等の化石燃料を燃焼することにより動力を得るエンジンでは、燃焼時に生じる排気ガスの一部を吸気側に還流させる排気還流装置（ＥＧＲ装置）を搭載することにより、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や部分負荷時の燃費向上を目的とする排気還流装置（ＥＧＲ装置）を有するものが知られている。

特許文献１には、ＥＧＲ装置を備えるエンジンシステムの一例が開示されており、吸気側に還流される排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラで使用されるクーラントとして、エンジン本体を冷却するための冷却水等を利用することが記載されている。

特開２０１１−９９３７０号公報

上記特許文献１のように、ＥＧＲクーラを搭載するエンジンシステムが知られているが、ＥＧＲ装置における窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減効果をより高めるために、ＥＧＲクーラの更なる冷却性能の向上が求められている。

本発明の少なくとも１実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、より優れた冷却性能を有するＥＧＲクーラの冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の少なくとも１実施形態に係るＥＧＲクーラの冷却システムは上記課題を解決するために、エンジンを冷却する冷却水が流れる冷却水回路と、前記冷却水を作動流体と熱交換することにより、前記冷却水に含まれる廃熱を前記作動流体に回収する熱交換器を含むランキンサイクル回路と、前記エンジンの吸気側に還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記熱交換器で前記作動流体と熱交換された後の前記冷却水を、前記ＥＧＲクーラに供給する冷却水供給回路と、を備える。

上記構成によれば、エンジンの冷却水はランキンサイクル回路を構成する熱交換器に供給されることによって、冷却水に含まれる廃熱はランキンサイクル回路の作動流体に回収される。このように廃熱が回収された後の冷却水は、温度が低いため、これをＥＧＲクーラに供給することにより、ＥＧＲクーラでは、より優れた冷却性能が得られる。

本発明の一実施形態に係るＥＧＲクーラの冷却システムを搭載する車両の全体構成を示す模式図である。 図１の制御装置により実施される制御内容を工程毎に示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の一実施形態に係るＥＧＲクーラの冷却システムを搭載する車両の全体構成を示す模式図である。
車両１は走行用動力源としてエンジン２を備える。エンジン２は化石燃料をシリンダ内で燃焼させて仕事をする原動機であり、本実施形態ではエンジン２として燃料として軽油を使用する４シリンダディーゼルエンジンが例示されている。
尚、本発明の適用対象には燃料としてガソリンを使用するガソリンエンジンが含まれてもよい。

エンジン２では、吸気ガス経路４から取り込んだ空気（外気）は吸気マニホールド５を介して各シリンダに供給され、各シリンダにてピストンサイクルに応じて圧縮加熱される。また各シリンダでは、圧縮過熱された空気に対してインジェクタから燃料を噴射し、燃料が自己着火することにより燃焼が行われる。本実施形態では、エンジン２は過給用のターボチャージャ６を備える。ターボチャージャ６は、排気ガスにより駆動されるタービン８と、該タービン８と連動するコンプレッサ１０とを有する。
尚、吸気ガス経路４のうちコンプレッサ１０の下流側には、コンプレッサ１０によって圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ１２が設置されている。

またエンジン２はコモンレールシステム（不図示）を搭載しており、各シリンダに供給される燃料は、サプライポンプで高圧にされてレール(蓄圧室)内に蓄えられ、所定タイミングでインジェクタから各シリンダに所定量が噴射されるように制御される。

各シリンダで生じる排気ガスは、排気マニホールド１４を介して排気ガス経路１６から外部に排出される。排気ガス経路１６のうちターボチャージャ６を構成するタービン８の下流側には、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）１８が設けられており、排気ガスに含まれる粒子状物質が捕集される。
尚、ＤＰＦ１８は粒子状物質の捕集量が所定量を超えた場合に、捕集性能の低下を改善するために捕集した粒子状物質を燃焼する再生機能を有していてもよい。

排気ガス経路１６のうちＤＰＦ１８より下流側には、排気ガスを浄化するための触媒２０が設けられている。本実施形態では、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための触媒２０として、選択触媒還元脱硝装置（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が用いられている。選択触媒還元脱硝装置は、還元剤として例えば尿素水が用いられる。還元剤は、排気ガスの高温雰囲気下で加水分解され、生成されたアンモニアが排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）と化学反応することで窒素（Ｎ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とに還元することにより浄化が行われる。
尚、排気ガス経路１６のうち触媒２０の更に下流側には、後述するように、外部に排出される排気ガスに含まれる廃熱エネルギを回収するための廃熱回収用熱交換器４８が配置されている。

またエンジン２は、排気ガスの一部を吸気側に還流させることにより、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や部分負荷時の燃費向上を目的とするＥＧＲシステム２４を備える。ＥＧＲシステム２４は、排気マニホールド１４と吸気マニホールド５との間に形成されたＥＧＲ経路２６と、ＥＧＲ経路２６を通過する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２８と、排気ガスの還流量を調整するためのＥＧＲバルブ３０と、を備える。
尚、ＥＧＲバルブ３０の開度は、不図示のコントロールユニットにより制御され、ＥＧＲシステム２４による排気ガスの還流量が調整される。

エンジン２のシリンダブロック等にはウォータージャケット（不図示）が設けられており、該ウォータージャケット中を冷却水が流れることにより、エンジン２の水冷が行われている。冷却水は冷却水回路３２を循環する。冷却水回路３２は、冷却水を圧送するための冷却水ポンプ３４と、冷却水を外気と熱交換して放熱するためのラジエータ３６と、を備える。エンジン２を冷却することで温度が上昇した冷却水は、ラジエータ３６で外気と熱交換することにより冷却された後、冷却水ポンプ３４によって、再びエンジン２に送られることにより循環経路が形成されている。
尚、図１では冷却水が流れる回路を実線で示しており、後述する制御信号が送受信される回路（破線）と区別して示されている。

ラジエータ３６における放熱は、ラジエータ３６に面するように配置されたラジエータファン３７による送風により促進される。ラジエータファン３７は、エンジン２の動力の一部を用いて駆動され、その送風量は、例えばラジエータ３６に送られる冷却水の温度に応じて回転数を制御されることにより、冷却水の温度が適切な範囲に冷却される。

ここで冷却水回路３２上には、冷却水の流路をラジエータ３６側から分岐するための第１バルブ３８が設けられている。第１バルブ３８は、冷却水回路３２を流れる冷却水がその開度に基づいて第１分岐回路４０及び第２分岐回路４２に分配可能なように構成される（例えば第１バルブ３８は三方弁である）。

第１分岐回路４０は、ＥＧＲクーラ２８に接続される経路であり、ＥＧＲクーラ２８では、該経路から導入された冷却水によってＥＧＲ経路２６に還流された排気ガスの冷却が行われる。
尚、ＥＧＲクーラ２８で使用された後の冷却水は温度が上昇するため、キャブ（車室）４６に送られることにより暖房用に利用される。

一方、第２分岐回路４２は、排気ガス経路１６のうち触媒２０より下流側に設けられた廃熱回収用熱交換器４８に接続される経路である。廃熱回収用熱交換器４８では、該経路に導入された冷却水と、廃熱回収用熱交換器４８を通過する排気ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、排気ガスに含まれる廃熱が、冷却水に回収される。

廃熱回収用熱交換器４８を通過した冷却水は、第３バルブ５０を介して第３分岐回路５２及び第４分岐回路５４に更に分配可能なように構成される（例えば第３バルブ５０はＯＮ／ＯＦＦバルブである）。第３分岐回路５２は、冷却水回路３２に接続されており、廃熱回収用熱交換器４８で昇温された冷却水をエンジン２に戻すことにより、エンジン２の暖機促進に貢献できる。一方、第４分岐回路５４は、廃熱回収用のランキンサイクル回路５６を構成する蒸発器５８に導かれる。

蒸発器５８では、第４分岐回路５４を流れる冷却水とランキンサイクル回路５６を流れる作動流体との間で熱交換が行われる。これにより、ランキンサイクル回路５６の作動流体が加熱される一方で、第４分岐回路５４を流れる冷却水は冷却される。蒸発器５８で冷却された冷却水は、ＥＧＲクーラ２８に供給可能に構成されている（すなわち、第４分岐回路５４は蒸発器（熱交換器）５８で作動流体と熱交換された後の冷却水を、ＥＧＲクーラ２８に供給する冷却水供給回路を構成する）。このように、蒸発器５８で冷却された冷却水をＥＧＲクーラ２８に供給することで、エンジン２の冷却水回路３２から直接的にＥＧＲクーラ２８に冷却水を供給する場合に比べて、より低温の冷却水をＥＧＲクーラ２８に供給できるため、ＥＧＲクーラ２８において、より優れた冷却性能が得られる。

尚、ランキンサイクル回路５６は作動流体が循環する流路上に、蒸発器５８、膨張機６０、凝縮器６２及びポンプ６４を備える構成を有している。ランキンサイクル回路５６を流れる作動流体は、上述したように、蒸発器５８で加熱されることにより蒸発（気化）させられる。その後、作動流体は膨張機６０によって膨張される。このとき膨張機６０では、作動流体の膨張による仕事によってタービン（不図示）が駆動される。これにより、冷却水から作動流体が受け取った廃熱エネルギが機械的エネルギに変換され、発電機６６にて発電が行われる。膨張機６０で仕事を終えた作動流体は、凝縮器６２によって凝縮（液化）された後、ポンプ６４によって圧送されることにより再び蒸発器５８に戻される。
尚、発電機６６で発生した電力は車内の電力需要に応じて、各種電気負荷或いは蓄電用のバッテリに供給される。

また車両１は、上記構成を有するＥＧＲクーラ２８の冷却装置を制御するためのコントロールユニットである制御装置７０を備える。制御装置７０は例えばコンピュータ等の電子演算装置により構成され、所定の電気的信号を上記構成の各部位と送受信することにより、予めメモリ等に記憶された所定プログラムに基づいて各種制御を実施する。

また排気ガス経路１６のうち触媒２０と廃熱回収用熱交換器４８との間には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ６８が設けられている。温度センサ６８の検出結果は制御装置７０に送られ、制御パラメータとして各種制御に用いられる。本実施形態では特に、制御装置７０は、温度センサ６８の検出結果に基づいて、第１バルブ３８、第３バルブ５０の切換状態をそれぞれ制御することにより、各経路を流れる冷却水の流路を切り換えることにより、ＥＧＲクーラ２８の冷却装置の制御を実施する。

続いて制御装置７０で実施される制御内容について具体的に説明する。図２は図１の制御装置７０により実施される制御内容を工程毎に示すフローチャートである。
尚、本実施例では説明をわかりやすくするために、エンジン２の冷態始動時（初期状態として、冷却水が常温である場合にイグニッションオンするケース）を例に述べる。

まず制御装置７０は、温度センサ６８から検出結果（排気ガス温度Ｔ）を取得し、排気ガス温度Ｔが第１閾値Ｔ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１）。第１閾値Ｔ１は、廃熱回収用熱交換器４８における廃熱回収が効果的に実施可能か否かを判断するための基準パラメータである。排気ガス温度Ｔが第１閾値Ｔ１未満である場合（ステップＳ１：ＮＯ）、制御装置７０は、廃熱回収用熱交換器４８における廃熱回収を効果的に行う程度に、排気ガスの温度が上昇していないと判断し、冷却水回路３２から分岐される冷却水が、第１分岐回路４０を介してＥＧＲクーラ２８に供給されるように、第１バルブ３８、及び第３バルブ５０の切換状態を制御する（ステップＳ２）。この場合、冷却水回路３２を流れる冷却水は、廃熱回収用熱交換器４８には供給されず、ＥＧＲクーラ２８に対して直接供給されることとなる。

尚、ステップＳ２では、冷却水回路３２を流れる冷却水に対して、第１分岐回路４０を介してＥＧＲクーラ２８に供給する冷却水の割合は任意でよい。例えば、冷却水回路３２を流れる冷却水の一部をラジエータ３６側に供給し、残りを第１分岐回路４０を介してＥＧＲクーラ２８に供給してもよいし、冷却水回路３２を流れる冷却水の全てを第１分岐回路４０を介してＥＧＲクーラ２８に供給してもよい（後者の場合、ラジエータ３６側には冷却水は供給されないこととなる）。

その後、排気ガス温度Ｔが第１閾値Ｔ１以上になった場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御装置７０は、冷却水が第２分岐回路４２を介して廃熱回収用熱交換器４８に供給されるように、第１バルブ３８、第３バルブ５０の切換状態を制御する（ステップＳ３）。この場合、排気ガス温度Ｔは上記ステップＳ２の場合に比べて上昇しており、廃熱回収用熱交換器４８によって排気ガスに含まれる廃熱の回収が行われる。廃熱回収用熱交換器４８で排気ガスによって温められた冷却水は、第３分岐回路５２を介してエンジン２に戻される。これにより、排気ガスによって昇温された冷却水がエンジン２に供給され、エンジン２の暖機が促進される。本実施形態では特に、このように暖機が促進されることで、排気ガス経路１６に設けられた触媒２０が触媒活性化温度に早期に達することができ、冷態始動時においても良好な浄化性能が得られる。

その後、制御装置７０は、排気ガス温度Ｔが第２閾値Ｔ２以上になると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、廃熱回収用熱交換器４８を通過した後の冷却水がランキンサイクル回路５６に供給されるように、第１バルブ３８、第３バルブ５０の切換状態を制御する（ステップＳ５）。すなわち第２閾値Ｔ２は、ランキンサイクル回路５６で廃熱エネルギの回収を効果的に実施できる程度に、排気ガスの温度がさらに上昇したか否かを判定するための基準パラメータである。これにより、廃熱回収用熱交換器４８で昇温した冷却水に含まれる廃熱エネルギがランキンサイクル回路５６によって回収される。

このようにランキンサイクル回路５６で廃熱が回収されることによって、冷却水の温度は低下する。例えば冷却水回路３２を流れる冷却水の温度は、エンジン２の暖機完了後では約８０度程度であるが、ステップＳ５においてランキンサイクル回路５６（蒸発器５８）を通過した後の冷却水の温度は、約３０−４０度程度である。ステップＳ５では、このように温度が低下した冷却水がＥＧＲクーラ２８に導かれるため、ＥＧＲクーラ２８でより優れた冷却性能が得られる。

以上説明したように本実施形態によれば、エンジン２の冷却水はランキンサイクル回路５６を構成する蒸発器（熱交換器）５８に供給されることによって、冷却水に含まれる廃熱はランキンサイクル回路５６の作動流体に回収される。このように廃熱が回収された後の冷却水は、温度が低いため、これをＥＧＲクーラ２８に供給することにより、ＥＧＲクーラ２８では、より優れた冷却性能が得られる。

１ 車両
２ エンジン
４ 吸気ガス経路
５ 吸気マニホールド
６ ターボチャージャ
８ タービン
１０ コンプレッサ
１２ インタークーラ
１４ 排気マニホールド
１６ 排気ガス経路
２０ 触媒
２４ ＥＧＲシステム
２６ ＥＧＲ経路
２８ ＥＧＲクーラ
３０ ＥＧＲバルブ
３２ 冷却水回路
３４ 冷却水ポンプ
３６ ラジエータ
３７ ラジエータファン
３８ 第１バルブ
４０ 第１分岐回路
４２ 第２分岐回路
４８ 廃熱回収用熱交換器
５０ 第３バルブ
５２ 第３分岐回路
５４ 第４分岐回路
５６ ランキンサイクル回路
６８ 温度センサ
７０ 制御装置

Claims (1)

1. エンジンを冷却する冷却水が流れる冷却水回路と、
   前記冷却水を作動流体と熱交換することにより、前記冷却水に含まれる廃熱を前記作動流体に回収する熱交換器を含むランキンサイクル回路と、
   前記エンジンの吸気側に還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
   前記熱交換器で前記作動流体と熱交換された後の前記冷却水を、前記ＥＧＲクーラに供給する冷却水供給回路と、
   を備える、ＥＧＲクーラの冷却システム。

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