JP2021008842A - ユニット暖機システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンなどのユニットを急速に昇温させることができる、ユニット暖機システムを提供する。【解決手段】エンジン２が冷えている冷機時には、冷媒コンプレッサ１１の作動によりＡ／Ｃ冷媒が圧縮され、その圧縮により加圧および昇温した高温高圧のＡ／Ｃ冷媒がオイルウォーマ４１に供給されて、オイルウォーマ４１で高温高圧のＡ／Ｃ冷媒とエンジン２に封入されているエンジンオイルとの熱交換が行われる。これにより、エンジンオイルの温度が上昇し、それに伴って、エンジン２が昇温する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンなどのユニットの暖機のためのシステムに関する。

エンジンを搭載した車両には、エンジンを冷却するエンジン冷却系が設けられている。

エンジン冷却系では、ウォータポンプの作動により、冷却水がエンジンを流通する。エンジンから流出する冷却水の流路は、車室内の空調のためのヒータコアを通過する分岐路とラジエータを通過する分岐路とに分岐している。それらの分岐路は、ウォータポンプの上流側に設けられたサーモスタットバルブで合流する。サーモスタットバルブは、冷却水の温度が所定温度以下のときに、ラジエータからウォータポンプに向かう冷却水の流通を阻止する。これにより、冷却水の温度が所定温度以下のときには、冷却水は、ラジエータを流通せずに、エンジンとヒータコアとの間で循環する。冷却水がヒータコアを流通することにより、冷却水とヒータコアとの間で熱交換が行われて、ヒータコアが加熱される。冷却水の温度が所定温度を上回ると、サーモスタットバルブがラジエータからウォータポンプに向かう冷却水の流通を許容し、冷却水がヒータコアおよびラジエータを流通する。冷却水がラジエータを流通することにより、冷却水とラジエータとの間で熱交換が行われて、冷却水が冷却される。

エンジンの冷間始動時には、燃料の気化性が悪く、また、エンジンオイルの粘度が高く、エンジンのフリクションが大きいため、燃費が低下する。しかも、冷却水の温度が低いので、空調ヒータの効きが悪い。したがって、エンジンの冷間始動時には、エンジンの暖機を速やかに完了させることが好ましい。

そこで、エンジンの冷間始動時に、冷凍サイクルを作動させて、コンプレッサから圧送される高温高圧の冷媒とエンジン冷却系の冷却水との間で熱交換させることにより、冷却水の温度を上昇させる構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−１４３９６１号公報

ところが、エンジン冷却系の冷却水は、温まりにくく、温度上昇が緩やかである。そのため、従来の提案に係る構成では、エンジンの暖機に時間がかかる。

本発明の目的は、エンジンなどのユニットを急速に昇温させることができる、ユニット暖機システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るユニット暖機システムは、冷媒コンプレッサにより圧縮された冷媒が凝縮および膨張により液化されて供給されるエバポレータを備える空調用冷凍サイクル回路と、前記冷媒コンプレッサにより圧縮された冷媒が供給される第１熱交換器および前記第１熱交換器を通過した冷媒が供給される第２熱交換器を備える暖機用冷凍サイクル回路と、ラジエータと前記第２熱交換器との間で冷却水を循環させる冷却水循環路とを含み、ユニットが冷えている冷機時に、前記冷媒コンプレッサを作動させて、前記第１熱交換器で冷媒と前記ユニットに封入されているオイルとを熱交換させ、前記第２熱交換器で前記冷媒と前記冷却水とを熱交換させる。

この構成によれば、ユニットが冷えている冷機時には、冷媒コンプレッサの作動により冷媒が圧縮され、その圧縮により加圧および昇温した高温高圧の冷媒が第１熱交換器に供給されて、第１熱交換器で高温高圧の冷媒とユニットに封入されているオイルとの熱交換が行われる。これにより、ユニットのオイルの温度が上昇する。オイルは、冷却水に比べて比重および比熱が小さいので、冷却水よりも温まりやすい。したがって、冷媒で冷却水を温めて、その冷却水でユニットを暖める構成と比較して、ユニットを急速に昇温させることができる。

また、冷媒コンプレッサが空調用冷凍サイクル回路と暖機用冷凍サイクル回路とに兼用されているので、冷媒コンプレッサを空調用冷凍サイクル回路と暖機用冷凍サイクル回路とに個別に設ける構成と比較して、部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

ラジエータは、ユニットを冷却水で冷却するユニット冷却系にも兼用され、冷機時は冷却水に熱を吸熱させ、ユニットの暖機後は冷却水から熱を放熱させることが好ましい。この構成により、冷却水からの放熱のためのラジエータとは別に、冷機時に冷却水に吸熱させるラジエータを追加して設ける必要がないので、部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

本発明によれば、ユニットを急速に昇温させることができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン暖機システムの構成を図解的に示す図であり、冷機時のＡ／Ｃ冷媒および冷却水の流れを併せて示す。 エンジン暖機システムの構成を図解的に示す図であり、通常時（暖機完了後）のＡ／Ｃ冷媒および冷却水の流れを併せて示す。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜システム構成＞
図１および図２は、本発明の一実施形態に係るエンジン暖機システム１の構成を図解的に示す図である。

エンジン暖機システム１は、エンジン（Ｅ／Ｇ）２を駆動源として搭載した車両に適用されて、エンジン２の昇温の早期化（早期暖機）を図ったシステムである。エンジン２は、ガソリンエンジンであるか、ディーゼルエンジンであるかを問わない。また、車両は、エンジン２を搭載していれば、コンベンショナルなエンジン車であってもよいし、走行用の駆動源としてのモータをさらに搭載したハイブリッド車であってもよい。

エンジン暖機システム１は、従来から車両に搭載されている空調用冷凍サイクル回路３およびエンジン冷却系４を利用している。

空調用冷凍サイクル回路３には、冷媒コンプレッサ１１、コンデンサ１２、エキスパンションバルブ（エキパン）１３およびエバポレータ１４が含まれる。冷媒コンプレッサ１１、コンデンサ１２、エキスパンションバルブ１３およびエバポレータ１４は、Ａ／Ｃ冷媒が循環する冷媒循環路１５に介装されている。

エンジン冷却系４は、エンジン２を冷却水で冷却する冷却系である。エンジン２には、ウォータジャケットが形成されている。ウォータジャケットは、冷却水が流通する流路であり、冷却水のウォータジャケット入口２１およびウォータジャケット出口２２を有している。

エンジン冷却系４には、ウォータポンプ２３、ラジエータ２４およびサーモスタットバルブ２５が含まれる。

ウォータポンプ２３は、エンジン２の動力により駆動される機械式のウォータポンプである。ラジエータ２４は、第１ラジエータ入口２６および第１ラジエータ出口２７を有している。ラジエータ２４内には、ラジエータ流路が形成されており、第１ラジエータ入口２６と第１ラジエータ出口２７とは、そのラジエータ流路を介して互いに連通している。

ウォータジャケットのウォータジャケット入口２１には、流入路３１の一端が接続されている。流入路３１の他端は、サーモスタットバルブ２５に接続されている。ウォータポンプ２３は、流入路３１の途中部に介装されている。一方、ウォータジャケット出口２２には、途中で第１分岐路３２と第２分岐路３３とに分岐する流出路３４が接続されている。第１分岐路３２は、ラジエータ２４の第１ラジエータ入口２６に接続されている。ラジエータ２４の第１ラジエータ出口２７には、接続路３５の一端が接続されている。接続路３５の他端は、サーモスタットバルブ２５に接続されている。第２分岐路３３は、ヒータコア３６を経由して、サーモスタットバルブ２５に接続されている。

また、エンジン冷却系４には、ラジエータファン３７が含まれる。ラジエータファン３７は、その回転軸線方向において、ラジエータ２４と対向して配置されている。そのため、ラジエータファン３７が作動すると、車両外部からの送風がラジエータ２４に当たる。

エンジン暖機システム１には、空調用冷凍サイクル回路３およびエンジン冷却系４に追加して、暖機用冷凍サイクル回路５および吸熱系６が設けられている。

暖機用冷凍サイクル回路５には、冷媒コンプレッサ１１、オイルウォーマ４１、エキスパンションバルブ４２および熱交換器４３が含まれる。冷媒コンプレッサ１１は、空調用冷凍サイクル回路３と暖機用冷凍サイクル回路５との両方に含まれて、それらに兼用される。オイルウォーマ４１、エキスパンションバルブ４２および熱交換器４３は、冷媒流路４４に介装されている。冷媒流路４４の一端は、三方弁４５により、冷媒循環路１５における冷媒コンプレッサ１１とコンデンサ１２とを接続する部分に接続されている。冷媒流路４４の他端は、三方弁４６により、冷媒循環路１５における冷媒コンプレッサ１１とエバポレータ１４とを接続する部分に接続されている。

吸熱系６には、ラジエータ２４、電動ウォータポンプ（ＥＷＰ）５１および開閉バルブ５２が含まれる。ラジエータ２４は、エンジン冷却系４と吸熱系６との両方に含まれて、それらに兼用される。ラジエータ２４には、第１ラジエータ入口２６および第１ラジエータ出口２７とは別に、第２ラジエータ入口５３および第２ラジエータ出口５４が形成されている。第２ラジエータ入口５３と第２ラジエータ出口５４とは、ラジエータ２４内のラジエータ流路を介して互いに連通している。

第２ラジエータ入口５３には、冷却水循環路５５の一端が接続され、冷却水循環路５５の他端は、第２ラジエータ出口５４に接続されている。冷却水循環路５５は、途中、熱交換器４３を経由している。電動ウォータポンプ５１は、熱交換器４３と第２ラジエータ出口５４との間に介装されている。開閉バルブ５２は、電動ウォータポンプ５１と第２ラジエータ出口５４との間に介装されている。

＜冷機時動作＞
冷媒コンプレッサ１１は、たとえば、エンジン２の動力で駆動される。冷媒コンプレッサ１１が駆動されると、冷媒コンプレッサ１１でＡ／Ｃ冷媒が圧縮され、その圧縮により加圧および昇温して高温高圧となったＡ／Ｃ冷媒が冷媒コンプレッサ１１から圧送される。

エンジン２が冷えている冷機時には、図１に矢印で示されるように、冷媒コンプレッサ１１から圧送される高温高圧のＡ／Ｃ冷媒が冷媒流路４４に流れるように、三方弁４５，４６が切り替えられる。そのため、高温高圧のＡ／Ｃ冷媒は、オイルウォーマ４１に供給される。オイルウォーマ４１では、高温高圧のＡ／Ｃ冷媒とエンジン２に封入されているエンジンオイルとの間で熱交換が行われる。

この熱交換により、エンジンオイルが昇温し、それに伴って、エンジン２が昇温する。エンジン２の動力によりウォータポンプ２３が駆動されているので、冷却水が流入路３１をエンジン２に向けて流れる。そして、冷却水は、エンジン２のウォータジャケット入口２１からウォータジャケットに流入し、ウォータジャケットを流通して、ウォータジャケット出口２２から流出路３４に流出する。

サーモスタットバルブ２５は、冷却水の温度が所定温度以下のときに、ラジエータ２４からウォータポンプ２３に向かう冷却水の流通を阻止する。これにより、冷却水の温度が所定温度以下のときには、冷却水は、ラジエータ２４を流通せずに、エンジン２とヒータコア３６との間で循環する。冷却水がヒータコア３６を流通することにより、冷却水とヒータコア３６との間で熱交換が行われて、ヒータコア３６が昇温する。

一方、Ａ／Ｃ冷媒が冷却されて、Ａ／Ｃ冷媒の液化が進む。Ａ／Ｃ冷媒は、オイルウォーマ４１からレシーバ（図示せず）を経由してエキスパンションバルブ４２に供給される。レシーバでは、液化したＡ／Ｃ冷媒と液化していないＡ／Ｃ冷媒とが分離される。エキスパンションバルブ４２には、液化した冷媒のみが供給される。そして、液化したＡ／Ｃ冷媒がエキスパンションバルブ４２から熱交換器４３に供給される。

また、冷機時には、電動ウォータポンプ５１が駆動され、開閉バルブ５２が開かれる。これにより、ラジエータ２４と熱交換器４３との間で冷却水循環路５５を冷却水が循環する。熱交換器４３では、Ａ／Ｃ冷媒と冷却水との間で熱交換が行われる。すなわち、液化したＡ／Ｃ冷媒がエキスパンションバルブ４２による減圧と熱交換器４３から熱を奪って再び気化し、熱交換器４３が冷却水から熱を奪って、冷却水が冷却される。そして、冷却された冷却水がラジエータ２４内のラジエータ流路を流通することにより、冷却水とラジエータ２４との間で熱交換が行われ、冷却水がラジエータ２４から吸熱して昇温する。このとき、ラジエータファン３７が駆動されて、車両外部からの送風がラジエータ２４に当たることにより、冷却水とラジエータ２４との間での熱交換が促進される。

＜通常時動作＞
エンジン２が昇温し、エンジン２の暖機が完了すると、図２に矢印で示されるように、冷媒コンプレッサ１１から圧送される高温高圧のＡ／Ｃ冷媒が冷媒循環路１５に流れるように、三方弁４５，４６が切り替えられる。そのため、高温高圧のＡ／Ｃ冷媒は、コンデンサ１２に供給される。コンデンサ１２では、高温高圧のＡ／Ｃ冷媒がコンデンサファンからの送風により冷却され、Ａ／Ｃ冷媒の液化が進む。Ａ／Ｃ冷媒は、コンデンサ１２からレシーバ（図示せず）を経由してエキスパンションバルブ１３に供給される。レシーバでは、液化したＡ／Ｃ冷媒と液化していないＡ／Ｃ冷媒とが分離される。エキスパンションバルブ１３には、液化した冷媒のみが供給される。そして、液化した冷媒がエキスパンションバルブ１３からエバポレータ１４に噴射される。このとき、液化した冷媒がエバポレータ１４から熱を奪って再び気化することにより、エバポレータ１４が冷却される。

また、エンジン２の暖機が完了すると、電動ウォータポンプ５１が停止され、開閉バルブ５２が閉じられる。

そして、冷却水の温度が所定温度を上回ると、サーモスタットバルブ２５がラジエータ２４からウォータポンプ２３に向かう冷却水の流通を許容し、冷却水がラジエータ２４とヒータコア３６との両方を流通する。冷却水がラジエータ２４を流通することにより、冷却水とラジエータ２４との間で熱交換が行われて、冷却水がラジエータ２４に放熱して降温する。

＜作用効果＞
以上のように、エンジン２が冷えている冷機時には、冷媒コンプレッサ１１の作動によりＡ／Ｃ冷媒が圧縮され、その圧縮により加圧および昇温した高温高圧のＡ／Ｃ冷媒がオイルウォーマ４１に供給されて、オイルウォーマ４１で高温高圧のＡ／Ｃ冷媒とエンジン２に封入されているエンジンオイルとの熱交換が行われる。これにより、エンジンオイルの温度が上昇する。エンジンオイルは、冷却水に比べて比重および比熱が小さいので、冷却水よりも温まりやすい。したがって、このエンジン暖機システム１では、Ａ／Ｃ冷媒で冷却水を温めて、その冷却水でエンジン２を暖める構成と比較して、エンジン２を急速に昇温させることができる。また、エンジンオイルの粘度が急速に低下するので、エンジン２のフリクションが大きい状態が長く続くことを抑制でき、フリクションロスの低減による燃費の向上を図ることができる。

さらに、エンジン２の暖機を早期に完了させることができるので、ヒータコア３６を速やかに昇温させることができる。その結果、空調ヒータの効きが悪い状態が続くことを抑制でき、ヒータ性能の向上による車室内の空調の快適性の向上を図ることができる。

また、冷媒コンプレッサ１１が空調用冷凍サイクル回路３と暖機用冷凍サイクル回路５とに兼用されているので、冷媒コンプレッサ１１を空調用冷凍サイクル回路３と暖機用冷凍サイクル回路５とに個別に設ける構成と比較して、部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

ラジエータ２４は、エンジン２を冷却水で冷却するエンジン２冷却系にも兼用され、冷機時は冷却水に熱を吸熱させ、エンジン２の暖機後は冷却水から熱を放熱させる。この構成により、冷却水からの放熱のためのラジエータ２４とは別に、冷機時に冷却水に吸熱させるラジエータを追加して設ける必要がないので、部品点数を削減でき、コストの低減を図ることができる。

エンジン暖機システム１の部品点数の削減により、車両のエンジンコンパートメントへのエンジン暖機システム１の搭載性が向上する。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、ユニットの一例として、エンジン２を取り上げた。しかしながら、本発明は、エンジン２の暖機のためのシステムに限定されず、オイルが封入されているユニットの暖機のためのシステムであれば、たとえば、トランスアクスルの暖機のためのシステムに本発明を適用することができる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：エンジン暖機システム（ユニット暖機システム）
２：エンジン（ユニット）
３：空調用冷凍サイクル回路
５：暖機用冷凍サイクル回路
６：吸熱系
１１：冷媒コンプレッサ
１４：エバポレータ
２４：ラジエータ
４１：オイルウォーマ（第１熱交換器）
４３：熱交換器（第２熱交換器）
５５：冷却水循環路

Claims (1)

1. 冷媒コンプレッサにより圧縮された冷媒が凝縮および膨張により液化されて供給されるエバポレータを備える空調用冷凍サイクル回路と、
   前記冷媒コンプレッサにより圧縮された冷媒が供給される第１熱交換器および前記第１熱交換器を通過した冷媒が供給される第２熱交換器を備える暖機用冷凍サイクル回路と、
   ラジエータと前記第２熱交換器との間で冷却水を循環させる冷却水循環路とを含み、
   ユニットが冷えている冷機時に、前記冷媒コンプレッサを作動させて、前記第１熱交換器で冷媒と前記ユニットに封入されているオイルとを熱交換させ、前記第２熱交換器で冷媒と冷却水とを熱交換させる、ユニット暖機システム。

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