JP2020125697A

JP2020125697A - 内燃機関の冷却装置

Info

Publication number: JP2020125697A
Application number: JP2019017245A
Authority: JP
Inventors: 善晴畑; Yoshiharu Hata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-08-20

Abstract

【課題】燃費の悪化を抑制する。
【解決手段】過給機を備える内燃機関の本体であるエンジン本体を冷却する冷却水を冷却する第１ラジエータと、エンジン本体と、第１ラジエータとの間で冷却水を循環させる第１冷却媒体流路と、インタークーラと、インタークーラを通過した冷却水を冷却する第２ラジエータと、インタークーラと、第２ラジエータとの間で冷却水を循環させる第２冷却媒体流路と、エンジン本体を冷却した冷却水をインタークーラを通過した冷却水に合流させるように第１冷却媒体流路から分岐し第２冷却媒体流路に接続する第１通路と、第２ラジエータにより冷却された冷却水を第１ラジエータを通過した冷却水に合流させるように第２冷却媒体流路から分岐し第１冷却媒体流路に接続する第２通路と、第１通路を開閉する第１開閉弁と、第２通路を開閉する第２開閉弁と、エンジン本体を冷却し第１ラジエータに流入する前の冷却水の温度が閾値以上の場合、第１開閉弁及び第２開閉弁を開放する弁制御部と、を備える内燃機関の冷却装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

過給機を備える内燃機関の機関本体を冷却する冷却水が循環する第１冷却媒体流路と、過給機からの圧縮吸気を冷却する水冷式のインタークーラと過給機とに供給される冷却水が循環する第２冷却媒体流路とを連通する通路を設けたエンジンの冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１３−２３８１２１号

第１冷却媒体流路には、ラジエータが設けられており、第１冷却媒体流路の冷却水温度が高くなると、ラジエータの電動式ファンを駆動させて熱交換量を増加させ、第１冷却媒体流路の冷却水温度の低減を促進する。

しかしながら、電動式ファンを駆動することで、車両に備えられた補機の負荷が高くなるため、エンジンの負荷も高くなり、この結果、燃費が悪化する恐れがある。

そこで、本明細書開示の内燃機関の冷却装置は、燃費の悪化を抑制することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された内燃機関の冷却装置は、過給機を備える内燃機関の本体であるエンジン本体を冷却する第１冷却媒体を冷却する第１ラジエータと、前記エンジン本体と、前記第１ラジエータとの間で前記第１冷却媒体を循環させる第１冷却媒体流路と、前記過給機からの圧縮吸気と、前記圧縮吸気を冷却する第２冷却媒体とを熱交換させるインタークーラと、前記第２冷却媒体を冷却する第２ラジエータと、前記インタークーラと、前記第２ラジエータとの間で前記第２冷却媒体を循環させる第２冷却媒体流路と、前記エンジン本体を冷却した前記第１冷却媒体を前記インタークーラを通過した前記第２冷却媒体に合流させるように第１冷却媒体流路から分岐し前記第２冷却媒体流路に接続する第１通路と、前記第２ラジエータにより冷却された第２冷却媒体を前記第１ラジエータを通過した前記第１冷却媒体に合流させるように前記第２冷却媒体流路から分岐し前記第１冷却媒体流路に接続する第２通路と、前記第１通路を開閉する第１開閉弁と、前記第２通路を開閉する第２開閉弁と、前記エンジン本体を冷却し前記第１ラジエータに流入する前の前記第１冷却媒体の温度が閾値以上の場合、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開放する弁制御部と、を備える。

本明細書開示の内燃機関の冷却装置によれば、燃費の悪化を抑制できる。

図１は、一実施形態に係る内燃機関の冷却装置を適用する内燃機関の概略構成図である。図２は、一実施形態に係る冷却装置の概略構成図である。図３は、ＥＣＵが実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。図４は、比較例と、本実施形態とにおける、エンジン出口水温の変化及び第１ラジエータの電動式ファンの駆動タイミングを示すタイムチャートである。図５は、一実施形態に係る冷却装置の構成の別例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

まず、図１を参照して、一実施形態に係る内燃機関の冷却装置１００を適用する、内燃機関としてのエンジン１について説明する。

エンジン１は、例えば、ディーゼルエンジンである。なお、図１では４気筒ディーゼルエンジンを例示したが、本発明は、ガソリンエンジン等任意の気筒数の内燃機関に適用することができる。エンジン１の各気筒は、燃焼室内（筒内）に燃料を噴射する燃料噴射弁１２、吸気バルブ１３、排気バルブ１４等を備えている。

エンジン１には、インテークマニホールド１５およびエキゾーストマニホールド１６が接続されている。インテークマニホールド１５は吸気管１８に接続されている。エキゾーストマニホールド１６は排気管１９に接続され、排気通路を形成する。

吸気管１８には、上流側から下流側にかけて、エアクリーナ２１、過給機３０のコンプレッサ３２、インタークーラ２２、スロットルバルブ２３が設けられている。エアクリーナ２１は、例えば吸気管１８に導入される吸気を濾過する。インタークーラ２２は、コンプレッサ３２により圧縮された吸気を冷却する。スロットルバルブ２３は吸気の流量を調整する。

排気管１９には、上流側から下流側にかけて、過給機３０のタービン３４及び排気中の粒子状物質を捕集するフィルタ２４が設けられている。

吸気管１８と排気管１９とは、ＥＧＲ通路２５により接続され、排気の一部は、ＥＧＲ通路２５を通じて、排気管１９から吸気管１８へと循環する。ＥＧＲ通路２５にはＥＧＲクーラ２６およびＥＧＲバルブ２７が設けられている。ＥＧＲクーラ２６はＥＧＲ通路２５内の排気（ＥＧＲガス）を冷却する。ＥＧＲバルブ２７はＥＧＲガスの流量を調整する。

過給機３０は、連結部３６により連結されたコンプレッサ３２およびタービン３４を含む。タービン３４は排気により回転する。コンプレッサ３２はタービン３４とともに回転し、吸気を圧縮する。

次に、上述したエンジン１を冷却する冷却装置１００の構成について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、本実施形態に係る冷却装置１００は、第１冷却媒体流路５０と、第２冷却媒体流路７０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００と、を備える。なお、以下の説明においては、第１冷却媒体流路５０および第２冷却媒体流路７０に充填される冷却媒体は、冷却水であるとするが、冷却媒体は、液体であっても気体であってもよく、特にこれに限定されるものではない。

第１冷却媒体流路５０は、主にエンジン１の本体（以下、「エンジン本体」と称する）１０を冷却する冷却水が循環する流路である。第２冷却媒体流路７０は、第１冷却媒体流路５０とは別に備えられ、インタークーラ２２を通過するガスを冷却する冷却水が循環する流路である。

第１冷却媒体流路５０は、インタークーラ２２よりも熱負荷の高いエンジン本体１０の冷却を担っている。このため、第１冷却媒体流路５０を流通する冷却水の温度は、基本的に、第２冷却媒体流路７０を流通する冷却水の温度よりも高くなる。第１冷却媒体流路５０を流通する冷却水は、第１冷却媒体の一例であり、第２冷却媒体流路７０を流通する冷却水は、第２冷却媒体の一例である。なお、図２中の矢印は、第１および第２冷却媒体流路５０、７０を流れる冷却水の流れ方向を示している。

第１冷却媒体流路５０には、エンジン本体１０と、第１ラジエータ５１と、ウォータポンプ５２と、温度センサ５４と、が設けられている。

第１ラジエータ５１は、エンジン本体１０に形成されたウォータジャケット１０１の冷却水出口１０１ｂから流出した冷却水と外気とを熱交換させ、冷却水を冷却する。第１ラジエータ５１は、ＥＣＵ２００の制御信号Ｓｇ３に従って駆動する電動式ファン５１２を備える。

ウォータポンプ５２は、ウォータジャケット１０１の冷却水入口１０１ａ付近に設置され、第１冷却媒体流路５０内で冷却水を流動させる。ウォータポンプ５２は、例えば、エンジン１のクランクシャフト（図示省略）により駆動される機械式ウォータポンプであってもよいし、不図示のバッテリからの電力によって駆動される電動式ウォータポンプであってもよい。

温度センサ５４は、ウォータジャケット１０１の冷却水出口１０１ｂ付近に設けられ、エンジン本体１０を通過した冷却水の温度（エンジン出口水温）を検出し、検出結果を示す信号をＥＣＵ２００に送信する。

この実施形態では、説明を判りやすくするために、第１冷却媒体流路５０に設置されている要素が第１ラジエータ５１及びウォータポンプ５２である例を挙げているが、これに限定されるものではない。例えば図示しないが、エンジン１のオイルクーラや電子制御式スロットルバルブなどを冷却可能に設置してもよい。さらに、第１冷却媒体流路５０は、第１ラジエータ５１をバイパスする流路を備えていてもよい。

第２冷却媒体流路７０には、第２ラジエータ７１と、ウォータポンプ７３と、インタークーラ２２と、が設けられている。第２冷却媒体流路７０は第１冷却媒体流路５０とは切り離された状態で設けられている。

インタークーラ２２は、過給機３０からの圧縮吸気と冷却水とを熱交換させ、圧縮吸気を冷却する。

第２ラジエータ７１は、インタークーラ２２を通過した冷却水を冷却する。

ウォータポンプ７３は、第２冷却媒体流路７０内で冷却水を流動させる。ウォータポンプ７３は、例えば、電動式ウォータポンプである。

また、冷却装置１００は、エンジン本体１０を冷却した冷却水を、インタークーラ２２を通過した冷却水に合流させるよう第１冷却媒体流路５０から分岐し第２冷却媒体流路７０に接続する第１通路６１と、第２ラジエータ７１により冷却された冷却水を第１ラジエータ５１を通過した冷却水に合流させるよう、第２冷却媒体流路７０から分岐し第１冷却媒体流路５０に接続する第２通路６２と、を備える。

本実施形態において、第１通路６１は、第１ラジエータ５１に形成された冷却水流路５１１の冷却水入口５１１ａと第２ラジエータ７１に形成された冷却水流路７１１の冷却水入口７１１ａとを接続している。また、第２通路６２は、第２ラジエータ７１に形成された冷却水流路７１１の冷却水出口７１１ｂと第１ラジエータ５１に形成された冷却水流路５１１の冷却水出口５１１ｂとを接続している。

第１通路６１には、第１通路６１を開閉する第１開閉弁６１１が設置されている。第１開閉弁６１１は、ＥＣＵ２００からの制御信号Ｓｇ１に基づいて、開閉する。第１開閉弁６１１が開放されると、エンジン本体１０を冷却した冷却水が、第１通路６１を介して第２ラジエータ７１に導入される。

第２通路６２には、第２通路６２を開閉する第２開閉弁６２１が設置されている。第２開閉弁６２１は、ＥＣＵ２００からの制御信号Ｓｇ２に基づいて、開閉する。第２開閉弁６２１が開放されると、第２ラジエータ７１により冷却された冷却水が、第２通路６２を介して、ウォータジャケット１０１に導入される。

ＥＣＵ２００は、中央処理制御装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。ＥＣＵ２００は、弁制御部の一例である。

ＲＯＭに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、ＥＣＵ２００は、様々な制御処理を実行する。図１では図示を省略したが、ＥＣＵ２００には、エンジン１や車両に取り付けられた各種のセンサから、エンジン１の運転状態や運転条件に関する様々な情報が入力される。ＥＣＵ２００は、各種センサからの入力信号に基づき、スロットルバルブ２３の開閉量を制御したり、燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴射量および噴射時期を制御したりする。

また、ＥＣＵ２００は、温度センサ５４が検出したエンジン出口水温に基づいて、第１ラジエータ５１の電動式ファン５１２を駆動する。また、ＥＣＵ２００は、温度センサ５４が検出したエンジン出口水温に基づいて、第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１の開閉を制御する。

図３は、ＥＣＵ２００が実行する制御処理の一例を示すフローチャートである。図３の処理は、例えば、所定時間毎に実行される。

まず、ＥＣＵ２００は、エンジン１の運転領域（エンジン運転領域）が常用域か否かを反転する（ステップＳ１０）。常用域とは、車両の一般的な運転時に使用されるエンジン運転領域である。

エンジン運転領域が常用域でない場合（ステップＳ１０／ＮＯ）、ＥＣＵ２００は、図３の処理を終了する。一方、エンジン運転領域が常用域の場合（ステップＳ１０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ２００は、温度センサ５４からエンジン出口水温Ｔｈｗを取得する（ステップＳ１１）。

次に、ＥＣＵ２００は、エンジン出口水温Ｔｈｗが第１閾値以上か否かを判断する（ステップＳ１２）。エンジン出口水温Ｔｈｗが第１閾値未満の場合（ステップＳ１２／ＮＯ）、ＥＣＵ２００は、図３の処理を終了する。一方、エンジン出口水温Ｔｈｗが第１閾値以上の場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、ＥＵ２００は、第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１を開放済みか否かを判断する（ステップＳ１３）。

第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１が開放済みではない場合（ステップＳ１３／ＮＯ）、ＥＣＵ２００は、第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１を開放する（ステップＳ１５）。エンジン運転領域が常用域にある場合、吸入空気量が比較的少ないため、インタークーラ２２で冷却すべき圧縮吸気の量も比較的少ない。このため、インタークーラ２２から排出される冷却水の温度がそれほど高くならず、第２ラジエータ７１の冷却能力に余力がある。そこで、エンジン本体１０を冷却した冷却水を、第１通路６１を介して第２ラジエータ７１に導入し、第２ラジエータ７１でも冷却する。これにより、電動式ファン５１２を使用せずに第１冷却媒体流路５０内の冷却水温度を低下させることができる。

そして、ＥＣＵ２００は、エンジン出口水温Ｔｈｗを再び取得し（ステップＳ１６）、ステップＳ１７に移行する。

第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１を開放済みの場合（ステップＳ１３／ＹＥＳ）、ＥＣＵ２００は、ステップＳ１７に移行する。

ＥＣＵ２００は、エンジン出口水温Ｔｈｗが第２閾値以上か否かを判断する（ステップＳ１７）。ここで、第２閾値は、第１閾値よりも大きく、電動式ファン５１２を駆動するか否かを判断するための閾値である。エンジン出口水温Ｔｈｗが第２閾値未満の場合（ステップＳ１７／ＮＯ）、ＥＣＵ２００は、図３の処理を終了する。

エンジン出口水温Ｔｈｗが第２閾値以上の場合（ステップＳ１７／ＹＥＳ）、ＥＣＵ２００は、第１ラジエータ５１の電動式ファン５１２を駆動し（ステップＳ１９）、図３の処理を終了する。

図４は、上述した構成を有さない比較例と、本実施形態とにおける、エンジン出口水温の変化及び第１ラジエータ５１の電動式ファン５１２の駆動タイミングを示すタイムチャートである。

比較例の場合、エンジン出口水温が第２閾値を超えた時間ｔ２において、電動式ファン５１２がＯＮされる。一方、本実施形態では、エンジン出口水温が第１閾値を超えた時間ｔ１において、第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１が開放される。これにより、エンジン出口水温の上昇割合が比較例と比較して緩やかになる。そのため、本実施形態では、時間ｔ２よりも遅い時間ｔ３にエンジン出口水温が第２閾値を超え、電動式ファン５１２がＯＮされる。

このように、本実施形態では、電動式ファン５１２の駆動を開始する時間を、比較例よりも時間Ｔの分、遅くすることができるため、補機の負荷が増加することにより、エンジン負荷が増加して燃費が悪化するタイミングを遅くすることができる。したがって、全体として燃費の悪化を抑制できる。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、冷却装置１００は、過給機３０を備えるエンジン１の本体であるエンジン本体１０を冷却する冷却水を冷却する第１ラジエータ５１と、エンジン本体１０と、第１ラジエータ５１との間で冷却水を循環させる第１冷却媒体流路５０と、過給機３０からの圧縮吸気と、圧縮吸気を冷却する冷却水とを熱交換させるインタークーラ２２と、インタークーラ２２を通過した冷却水を冷却する第２ラジエータ７１と、インタークーラ２２と、第２ラジエータ７１との間で冷却水を循環させる第２冷却媒体流路７０と、を備える。また、冷却装置１００は、エンジン本体１０を冷却した冷却水をインタークーラ２２を通過した冷却水に合流させるように第１冷却媒体流路５０から分岐し第２冷却媒体流路７０に接続する第１通路６１と、第２ラジエータ７１により冷却された冷却水を第１ラジエータ５１を通過した冷却水に合流させるように、第２冷却媒体流路７０から分岐し第１冷却媒体流路５０に接続する第２通路６２と、第１通路６１を開閉する第１開閉弁６１１と、第２通路６２を開閉する第２開閉弁６２１と、を備える。さらに、冷却装置１００は、エンジン本体１０を冷却し第１ラジエータ５１に流入する前の冷却水の温度（エンジン出口水温）が第１閾値以上の場合、第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１を開放するＥＣＵ２００を備える。これにより、エンジン出口水温が第１閾値を超えた場合、第１開閉弁６１１及び第２開閉弁６２１を開放し、エンジン本体１０を冷却した冷却水を第２ラジエータ７１でも冷却することで、エンジン出口水温の上昇割合を緩やかにすることができるので、エンジン出口水温が電動式ファン５１２を駆動するか否かを判断する第２閾値を超えるタイミングを遅くすることができる。このため、補機の負荷が増加することによって、エンジン負荷が増加し、燃費が悪化するタイミングを遅らせることができ、全体としての燃費の悪化を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、第１通路６１は、第１ラジエータ５１に形成された冷却水流路５１１の冷却水入口５１１ａと第２ラジエータ７１に形成された冷却水流路７１１の冷却水入口７１１ａとを接続し、第２通路６２は、第２ラジエータ７１に形成された冷却水流路７１１の冷却水出口７１１ｂと第１ラジエータ５１に形成された冷却水流路５１１の冷却水出口５１１ｂとを接続している場合について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図５に示すように、第１通路６１は、ウォータジャケット１０１の冷却水出口１０１ｂと第１ラジエータ５１の冷却水入口５１１ａとの間で第１冷却媒体流路５０から分岐し、インタークーラ２２に形成された冷却水流路２２１の冷却水出口２２１ｂと第２ラジエータ７１の冷却水入口７１１ａとの間で第２冷却媒体流路７０に接続してもよい。また、第２通路６２は、第２ラジエータ７１の冷却水出口７１１ｂとインタークーラ２２の冷却水入口２２１ａとの間で第２冷却媒体流路７０から分岐し、第１ラジエータ５１の冷却水出口５１１ｂとウォータジャケット１０１の冷却水入口１０１ａとの間で第１冷却媒体流路５０に接続してもよい。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１エンジン
１０エンジン本体
２２インタークーラ
３０過給機
５０第１冷却媒体流路
５１第１ラジエータ
５４温度センサ
６１第１通路
６２第２通路
７０第２冷却媒体流路
７１第２ラジエータ
１００冷却装置
２００ＥＣＵ
５１２電動式ファン
６１１第１開閉弁
６２１第２開閉弁

Claims

過給機を備える内燃機関の本体であるエンジン本体を冷却する第１冷却媒体を冷却する第１ラジエータと、
前記エンジン本体と、前記第１ラジエータとの間で前記第１冷却媒体を循環させる第１冷却媒体流路と、
前記過給機からの圧縮吸気と、前記圧縮吸気を冷却する第２冷却媒体とを熱交換させるインタークーラと、
前記第２冷却媒体を冷却する第２ラジエータと、
前記インタークーラと、前記第２ラジエータとの間で前記第２冷却媒体を循環させる第２冷却媒体流路と、
前記エンジン本体を冷却した前記第１冷却媒体を前記インタークーラを通過した前記第２冷却媒体に合流させるように前記第１冷却媒体流路から分岐し前記第２冷却媒体流路に接続する第１通路と、
前記第２ラジエータにより冷却された前記第２冷却媒体を前記第１ラジエータを通過した前記第１冷却媒体に合流させるように前記第２冷却媒体流路から分岐し前記第１冷却媒体流路に接続する第２通路と、
前記第１通路を開閉する第１開閉弁と、
前記第２通路を開閉する第２開閉弁と、
前記エンジン本体を冷却し前記第１ラジエータに流入する前の前記第１冷却媒体の温度が閾値以上の場合、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を開放する弁制御部と、
を備える内燃機関の冷却装置。