JP2018062911A - エンジン冷却系システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラの冷却性能を向上させつつ、車両室内の暖房性能を維持可能なエンジン冷却系システムを提供する。【解決手段】エンジン冷却系システムは、エンジンの冷却水が流れる冷却水回路と、エンジンの吸気側に還流させる排気ガスを冷却水で冷却するＥＧＲクーラと、ＥＧＲクーラで冷却された冷却水が導入される車両室内暖房用のヒータコアと、エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する冷却水回路から分岐する第１乃至第３分岐回路と、を含む。冷却水をランキンサイクル回路の作動流体を熱交換させた後、前記ＥＧＲクーラに導入する第３分岐回路を介してＥＧＲクーラに冷却水が導入される場合、ヒータコアには冷却水をＥＧＲクーラに直接導入する第２分岐回路を介して冷却水が導入される。【選択図】図１

Description

本開示は、エンジンを冷却する冷却水を利用するエンジン冷却系システムに関する。

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を利用することが記載されている。この文献では特に、ＥＧＲクーラで排気ガスとの熱交換により昇温した冷却水をヒータコアに導入することで、エンジンの廃熱エネルギを車両室内の暖房に利用するエンジン冷却系システムが開示されている。

特開２０１１−９９３７０号公報

上記特許文献１では、ＥＧＲクーラで昇温された冷却水をヒータコアに導入する際に、ヒータコアの上流側に設けられた廃熱回収器に供給することにより、冷却水に含まれる廃熱エネルギを回収して効率化を図るとともに、ＥＧＲクーラに供給される冷却水の温度を低下させることにより、ＥＧＲクーラの性能向上を図っている。しかしながら、エンジンの運転状態によっては、廃熱回収器で廃熱エネルギを回収した結果、冷却水の温度が過度に冷却されてしまうおそれがある。このような低温の冷却水がヒータコアに導入されると、ヒータコアにて暖房用の熱量を十分確保できず、室内暖房性能が低下するおそれがある。

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、ＥＧＲクーラの冷却性能を向上させつつ、車両室内の暖房性能を維持可能なエンジン冷却系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実施形態に係るエンジン冷却系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、前記エンジンの吸気側に還流させる排気ガスを、前記冷却水と熱交換することにより冷却するＥＧＲクーラと、前記ＥＧＲクーラで冷却された前記冷却水が導入される車両室内暖房用のヒータコアと、前記エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する前記冷却水回路から分岐する回路であって、前記冷却水を前記ＥＧＲクーラに導入する第１分岐回路と、前記エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する前記冷却水回路から分岐する回路であって、前記冷却水を前記ＥＧＲクーラを介さず前記ヒータコアに導入する第２分岐回路と、前記エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する前記冷却水回路から分岐する回路であって、前記冷却水をランキンサイクル回路の作動流体を熱交換させた後、前記ＥＧＲクーラに導入する第３分岐回路と、を含み、前記第３分岐回路を介して前記ＥＧＲクーラに前記冷却水が導入される場合、前記ヒータコアには前記第２分岐回路を介して前記冷却水が導入される。

本構成によれば、第３分岐回路を介して冷却水をＥＧＲクーラに供給する場合、冷却水に含まれる廃熱がランキンサイクル回路で回収されることにより、温度が低下する。このように低温の冷却水をＥＧＲクーラに供給できるので、ＥＧＲクーラでは良好な冷却性能が得られる。一方、ヒータコアには第２分岐回路を介して冷却水が導入されることにより、ＥＧＲクーラを通過した冷却水の温度に関わらず、ヒータコアに導入される冷却水の温度を適切に確保できるため、良好な暖房性能が得られる。したがって、ＥＧＲクーラの冷却性能を向上させつつ、車両室内の暖房性能を維持可能なエンジン冷却系システムを提供できる。

本発明の一実施形態に係るエンジン冷却系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エンジン冷却系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。

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。

また、エンジン２を冷却した後の冷却水が通過する冷却水回路３２からは、エンジン２の内部にて回路４０が分岐している（図１では、冷却水回路３２から回路４０の分岐構造に関する図示は省略されている）。回路４０を流れる冷却水は、バルブ５３を通りＥＧＲクーラ２８に至る第１分岐回路を形成する。例えば冷態始動時のように冷却水の温度が比較的低い場合には、このような第１分岐回路を介してＥＧＲクーラ２８に冷却水が供給されることで、ＥＧＲクーラ２８の冷却性能が発揮される。

尚、バルブ５３から回路５４が分岐されており、バルブ５３の切換状態に応じて、エンジン２からの冷却水がＥＧＲクーラ２８を通ることなく、ヒータコア４６に直接的に供給される第２分岐回路が形成可能に構成されている。後述するように、ＥＧＲクーラ２８を通過した冷却水が低温である場合には、このような第２分岐回路を介してエンジン２側から温度が高い冷却水がヒータコア４６に供給されることで、ヒータコア４６の暖房性能が維持できるように構成されている。

また冷却水回路３２上に設けられたバルブ３８から、廃熱回収用熱交換器４８に冷却水を導入するように回路４２が分岐している。廃熱回収用熱交換器４８は、排気ガス経路１６の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行うための熱交換器である。そして廃熱回収用熱交換器４８に導入された冷却水は、バルブ４４によって回路４３及び回路５２に分岐される。

回路４３は、廃熱回収用熱交換器４８に導入された冷却水を再び冷却水回路３２に戻す。この流路では、廃熱回収用熱交換器４８で昇温された冷却水がエンジン２に戻されることにより、例えば冷態始動時においてエンジン２の暖機を効果的に促進できる。

一方の回路５２は、廃熱回収用熱交換器４８を通過することで昇温された冷却水を、ランキンサイクル回路５６の蒸発器５８に導入するように形成されている。蒸発器５８では、回路５２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、回路５２を流れる冷却水は冷却され、廃熱回収が行われる。蒸発器５８を通過した冷却水は、ＥＧＲクーラ２８に供給される。回路５２を介してＥＧＲクーラ２８に供給される冷却水は、エンジン２の暖機完了後に回路４０を介して供給される冷却水より低温であるため、ＥＧＲクーラ２８において、より優れた冷却性能が得られる。このように、回路４２によって分岐された冷却水が、バルブ４４から回路５２を介してランキンサイクル回路５６の蒸発器５８に供給された後、ＥＧＲクーラ２８に導入するように、第３分岐回路が形成されている。

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。

ＥＧＲクーラ２８に供給される冷却水は、ＥＧＲクーラ２８で排気（環流）ガスと熱交換することにより、温度が上昇する。そして、ＥＧＲクーラ２８を通過した冷却水は、キャブ（車両車室）に設置されたヒータコア（冷却水と車室内雰囲気との間で熱交換を行う熱交換器）４６に送られ、キャブの暖房として利用される。

ここでＥＧＲクーラ２８に、回路５２を介してランキンサイクル回路５６の蒸発器５８を通過した冷却水が供給される場合、当該冷却水は、蒸発器５８にてランキンサイクル回路５６の作動流体と熱交換することにより冷却され、低温となっている。この場合、ＥＧＲクーラ２８では低温の冷却水によって良好な冷却性能が得られる反面、エンジン２の運転状態によってはＥＧＲクーラ２８からヒータコア４６側に排出される冷却水の温度が低くなりすぎることにより、ヒータコア４６にて十分な暖房性能が得られなくなるおそれがある。

そこで本実施例では、このようにヒータコア４６に供給される冷却水の温度が低い場合には、バルブ５３の切換状態を制御することにより、エンジン２側から供給される温かい冷却水を、第２分岐回路（すなわち、回路４０からバルブ５３を介して回路５４に至る回路）を介して冷却水を導くことにより、ヒータコア５６に供給される冷却水の温度を適切に調整することで、ＥＧＲクーラ２８の冷却性能を維持しつつ、良好な暖房性能が得られるようになっている。

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。

冷却水が流れる回路のうちＥＧＲクーラ２８とヒータコア４６との間には、ヒータコア４６に導入される冷却水の温度を検出するための冷却水温度センサ６７が設けられている。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排気温度センサ６８が設けられている。冷却水温度センサ６７及び排気温度センサ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、冷却水温度センサ６７及び排気温度センサ６８の検出結果に基づいて、バルブ３８、４４、５０及び５３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、エンジン冷却系システムの制御を実施する。

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、排気温度センサ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、回路４０からバルブ５３及び５０を介して、ＥＧＲクーラ２８に供給されるように（すなわち第１分岐回路を介してＥＧＲクーラ２８に供給されるように）、バルブ３８、４４、５０及び５３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に供給されることなく、ＥＧＲクーラ２８に供給されることとなる。

尚、ステップＳ２では、冷却水回路３２から回路４０に分岐され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、残りを回路４０に分岐してもよいし、冷却水回路３２を流れる冷却水の全てを回路４０に分岐してもよい（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、冷却水が回路４２を介して廃熱回収用熱交換器４８に供給され、その後、バルブ４４から回路４３を介してエンジン２に戻されるように、バルブ３８、４４、５０及び５３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、第２分岐回路４２上に設けられている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エンジン２に戻されることにより、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。
尚、このときＥＧＲクーラ２８には、上述のステップＳ２と同様に、冷却水回路３２から分岐される冷却水が、回路４０からバルブ５３及び５０を介して、ＥＧＲクーラ２８に供給されるように（すなわち第１分岐回路を介してＥＧＲクーラ２８に供給されるように）、バルブ３８、４４、５０及び５３の切換状態を制御してもよい。

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）、冷却水がバルブ４４から回路５２を介してランキンサイクル回路５６の蒸発器５８に供給され、その後、蒸発器５８を出た冷却水がＥＧＲクーラ２８に供給されるように、バルブ３８、４４及び５３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、排気ガスの温度が更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で廃熱が回収された冷却水の温度は、低下することとなる。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では優れた冷却性能が得られる。

続いて制御装置７０は、冷却水温度センサ６７の検出結果を取得するとともに、冷却水温度Ｔｗが第３閾値Ｔｗ３以上であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ここで第３閾値Ｔｗ３は、ヒータコア４６にて十分な暖房性能を得るために必要な冷却水温度Ｔｗの下限値として規定される基準パラメータである。冷却水温度Ｔｗが第３閾値Ｔｗ３未満である場合（ステップＳ６：ＮＯ）、制御装置７０は、エンジン２からの冷却水が回路４０からバルブ５３を経て回路５４を通って（すなわち第２分岐回路を介して）ヒータコア４６に供給されるように、バルブ３８の切換状態を制御する（ステップＳ７）。これにより、ＥＧＲクーラ２８側からヒータコア４６に導入される冷却水温度Ｔｗが低い場合であっても、第２分岐回路を介してエンジン２側から温度が高い冷却水をヒータコア４６に導入することにより、ＥＧＲクーラ２８における冷却性能を良好に確保しつつ、車室内の暖房性能も良好に確保できる。

以上説明したように本実施形態によれば、ランキンサイクル回路５６の蒸発器５８で冷却された冷却水をＥＧＲクーラ２８に供給する場合、ヒータコア４６には第２分岐回路（回路４０、バルブ５３、回路５４を通る流路）を介して冷却水が導入されることにより、ＥＧＲクーラ２８を通過した冷却水の温度に関わらず、ヒータコア４６に導入される冷却水の温度を適切に確保できるため、良好な暖房性能が得られる。したがって、ＥＧＲクーラ２８の冷却性能を向上させつつ、車両室内の暖房性能を維持可能なエンジン冷却系システムを提供できる。

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経路バルブ
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、４４、５３ バルブ
４０、４２、４３、５２、５４ 回路
４６ ヒータコア
４８ 廃熱回収用熱交換器
５６ ランキンサイクル回路
５８ 蒸発器
６７ 冷却水温度センサ
６８ 排気温度センサ
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、
   前記エンジンの吸気側に還流させる排気ガスを、前記冷却水と熱交換することにより冷却するＥＧＲクーラと、
   前記ＥＧＲクーラで冷却された前記冷却水が導入される車両室内暖房用のヒータコアと、
   前記エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する前記冷却水回路から分岐する回路であって、前記冷却水を前記ＥＧＲクーラに導入する第１分岐回路と、
   前記エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する前記冷却水回路から分岐する回路であって、前記冷却水を前記ＥＧＲクーラを介さず前記ヒータコアに導入する第２分岐回路と、
   前記エンジンを冷却した後の前記冷却水が通過する前記冷却水回路から分岐する回路であって、前記冷却水をランキンサイクル回路の作動流体を熱交換させた後、前記ＥＧＲクーラに導入する第３分岐回路と、
   を含み、
   前記第３分岐回路を介して前記ＥＧＲクーラに前記冷却水が導入される場合、前記ヒータコアには前記第２分岐回路を介して前記冷却水が導入される、エンジン冷却系システム。

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