JP2021154823A - 車両用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速にエンジンを暖機する車両用冷却装置を提供する。【解決手段】エンジン１を冷却する冷却水Ｗが循環する冷却回路１１を備え、この冷却回路１１が内部を通過する冷却水Ｗを冷却するラジエータ２０と冷却水Ｗを循環させるウォータポンプ１２とを有する車両用冷却装置１０において、冷却回路１１はウォータポンプ１２により冷却水Ｗが循環するとラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが常時通過する構成であり、ラジエータ２０を加熱する加熱装置３０を備えて構成される。【選択図】図１

Description

本開示は車両用冷却装置に関し、より詳細には冷却回路がエンジンを冷却する冷却水が内部を通過するラジエータを有する車両用冷却装置に関する。

冷却媒体の一部をヒータコアに循環させる装置において、ラジエータの入口側タンクを第一室と第二室とに区画し、第二室の内部に冷却媒体を加熱する加熱手段を備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２６０６３９号公報

ところで、特許文献１に記載の装置のような周知技術の冷却回路はサーモスタットとラジエータを迂回する迂回路を有している。このような冷却回路では、エンジンの暖機時に、冷却水がエンジンのウォータジャケット、インタークーラ、排気再循環ようのクーラなどの冷却器での熱交換により昇温し、冷却水の温度が所定値になるまでラジエータを迂回するよう構成されている。

つまり、エンジンの暖機においてはエンジン自身が発する熱により行われており、冷却回路において冷却水は受動的に加熱されるだけであり、その熱を一方的に奪う状態であった。それ故、冷却水が所定値以上になりエンジンの暖機が完了するまでに要する時間が長期化していた。

本開示の目的は、迅速にエンジンを暖機する車両用冷却装置を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の車両用冷却装置は、エンジンを冷却する冷却水が循環する冷却回路を備え、この冷却回路が内部を通過する前記冷却水を冷却するラジエータと前記冷却水を循環させるウォータポンプとを有する車両用冷却装置において、前記冷却回路は前記ウォータポンプにより前記冷却水が循環すると前記ラジエータの内部を前記冷却水が常時通過する構成であり、前記ラジエータを加熱する加熱装置を備えることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、ウォータポンプにより冷却回路を循環する冷却水がラジエータを常時通過する構成であり、加熱装置を駆動した場合に加熱装置によるラジエータの加熱によりラジエータを通過する冷却水を昇温することができ、加熱装置の駆動を停止した場合にラジエータを通過する冷却水を冷却することができる。これにより、エンジンの暖機時に加熱装置を駆動することで、昇温した冷却水をエンジンの冷却器に送ることが可能となり、冷却水により奪われる熱を低減するには有利になり、迅速にエンジンを暖機することができる。

実施形態の車両用冷却装置を例示する構成図であり、ラジエータが冷却水を冷却する状態を示す。 実施形態の車両用冷却装置を例示する構成図であり、ラジエータが冷却水を昇温する状態を示す。 図１のラジエータと加熱装置とを例示する斜視図である。 実施形態の車両用冷却装置の制御方法を例示するフロー図である。

以下に、本開示における車両用冷却装置の実施形態について説明する。図中において、Ｘ方向を車両の前後方向でラジエータ２０を通過する冷却風の流れる方向とし、Ｙ方向を車両の幅方向とし、Ｚ方向を鉛直方向とする。なお、白抜き矢印は冷却風の流れを示し、塗り潰し矢印は冷却水Ｗの流れを示すものとする。

図１に例示するように、実施形態の車両用冷却装置１０はエンジン１を冷却する装置であり、冷却水Ｗがエンジン１の冷却器２を通過して冷却対象機器と熱交換を行うことで、冷却対象機器を冷却している。本開示において、冷却器２としては、ウォータジャケット、インタークーラ、再循環排気用のクーラが例示される。

一方で、図２に例示するように、実施形態の車両用冷却装置１０はエンジン１の暖機時に能動的に冷却水Ｗを昇温する装置であり、迅速にエンジン１の暖機を完了させる装置でもある。

車両用冷却装置１０は、冷却水Ｗが循環する冷却回路１１を備え、冷却回路１１がウォータポンプ１２、冷却器２、および、ラジエータ２０を有する。冷却回路１１は中途位置に分岐のない環状の回路である。冷却回路１１において、冷却水Ｗは、ウォータポンプ１２、冷却器２、ラジエータ２０、および、ウォータポンプ１２の順に循環するように構成される。つまり、車両用冷却装置１０はウォータポンプ１２の駆動により冷却水Ｗが冷却回路１１を循環する際に、冷却水Ｗがラジエータ２０の内部を常時通過するように構成される。

また、車両用冷却装置１０は、ラジエータ２０を通過する風量を調節する風量調節機構として、シャッター装置１３と冷却ファン１４とを備える。

ウォータポンプ１２は機械式であって、エンジン１のクランクシャフト３からの回転動力が無端状のベルトやギア機構などの動力伝達機構４を介して伝達され、その回転動力により駆動される。ウォータポンプ１２は駆動することで冷却水Ｗを冷却回路１１内で循環させる。冷却回路１１ウォータポンプ１２の回転速度はエンジン１の回転速度に依存するが、動力伝達機構４を制御することでその回転速度を調節することが可能な構成にしてもよい。また、ウォータポンプ１２は電動モータからの回転動力により駆動される電動式のウォータポンプで構成してもよい。

ラジエータ２０はエンジン１が搭載された車両の前方側（図１の左側）に配置される。ラジエータ２０の前方側にはシャッター装置１３が配置されて、ラジエータ２０の後方側には冷却ファン１４が配置される。ラジエータ２０は先行のシャッター装置１３の開口により導かれる車速風と後続の冷却ファン１４の回転により発生する冷却風とを利用して内部を通過する冷却水Ｗを冷却する熱交換器である。

ラジエータ２０は入口タンク２１と出口タンク２２と熱交換コア２３とを有して構成される。本実施形態のラジエータ２０は入口タンク２１および出口タンク２２がＺ方向上下に配置されて、冷却水Ｗが熱交換コア２３をＺ方向上方から下方に向かって流れるダウンフロー式のラジエータで構成される。ラジエータ２０は、入口タンク２１および出口タンク２２がＹ方向左右に配置されて、冷却水Ｗが熱交換コア２３をＹ方向に流れるクロスフロー式のラジエータでもよい。

シャッター装置１３はラジエータ２０のＸ方向前方に配置される。シャッター装置１３は図示しないフレームに回転可能に軸支された複数の羽根からなる。シャッター装置１３は、複数の羽根が開くことで開口して走行風をその開口から内部へ導き、複数の羽根が閉じることで閉口して走行風を遮断する。シャッター装置１３としてはラジエータ２０のＸ方向前方に配置されるものであればよく、グリルシャッター装置やラジエータシャッター装置が例示される。

冷却ファン１４はラジエータ２０のＸ方向後方に配置される。冷却ファン１４は機械式であって、エンジン１のクランクシャフト３からの回転動力がファンクラッチ１５を介して伝達され、その回転動力により駆動される。冷却ファン１４はファンクラッチ１５により駆動が制御される。冷却ファン１４の駆動の制御は冷却ファン１４の回転の有無に加えて回転速度を調節してもよい。

本実施形態の車両用冷却装置１０は、加熱装置３０、温度取得装置３１、および、制御装置３２を備えて、制御装置３２がエンジン１の暖機時に加熱装置３０によりラジエータ２０を加熱する制御を行う構成である。また、車両用冷却装置１０は制御装置３２がエンジン１の暖機時にシャッター装置１３および冷却ファン１４によりラジエータ２０を通過する風量を減少する制御を行う構成である。本開示において、風量の減少とはラジエータ２０を通過する風量が減少した状態であり、ラジエータ２０を通過する風量がゼロの状態も含むものとする。

加熱装置３０はラジエータ２０の熱交換コア２３を直に加熱する装置であり、電熱線３３で構成される。加熱装置３０はバッテリ６にスイッチを介して接続される。このバッテリ６はエンジン１のクランクシャフト３からの回転動力が無端状のベルトやギア機構などの動力伝達機構７を介して伝達され、その回転動力により駆動される発電機８により充電される。

図３に例示するように、ラジエータ２０は熱交換コア２３が複数の連通管２４と冷却フィン２５とから構成される。複数の連通管２４のそれぞれは一端が入口タンク２１に連通し、他端が出口タンク２２に連通して、その内部を冷却水Ｗが通過する管である。連通管２４としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、その管厚が薄いチューブが例示される。複数の連通管２４は少なくともＹ方向に配列されていればよく、本実施形態において複数の連通管２４はＸ方向およびＹ方向に配列される。なお、熱交換コア２３のＹ方向左右端は枠組みやブラケットで構成される。

冷却フィン２５は連通管２４どうしの間に配置される。冷却フィン２５としては隣り合う連通管２４の両方に接するようにジグザク状を成すコルゲートフィンや複数の連通管２４の全てが貫通するプレートフィンが例示される。

本実施形態の加熱装置３０はラジエータ２０の熱交換コア２３を直に加熱する構成であることが望ましく、加熱装置３０は熱交換コア２３を構成する複数の連通管２４を直に加熱する構成であることがより望ましい。

電熱線３３は連通管２４の外面に直に接し、連通管２４に沿ってその一端から他端までに亘って配置され、連通管２４を直に加熱するように構成される。電熱線３３は連通管２４の外面に直に接すればよく、連通管２４のＸ方向表面または裏面、Ｙ方向両側面のうちの一方の側面のいずれに配置してもよい。また、電熱線３３は連通管２４の内面に直に接するように、連通管２４の内部に配置してもよい。

本実施形態の電熱線３３は熱交換コア２３を構成する複数の連通管２４の全てに配置される。

電熱線３３の加熱時の温度は熱交換コア２３の表面に付着した付着物が燃焼しない温度に設定されることが望ましく、例えば、２００℃未満の温度に設定される。また、電熱線３３の加熱時の温度は冷却水Ｗが到達する最高温度よりも高い温度に設定することで、ラジエータ２０を迅速に昇温するには有利になる。

図１および図２に例示するように、温度取得装置３１は冷却水Ｗの温度Ｔｗを取得する装置であり、冷却器２およびラジエータ２０の間の流路に配置される。

制御装置３２は加熱装置３０の駆動の制御と風量調節機構の制御とを行う装置であり、加熱装置３０の駆動を制御するスイッチ、シャッター装置１３の開閉を行う図示しないアクチュエータ、ファンクラッチ１５、温度取得装置３１、および、イグニッションスイッチ９に電気的に接続される。

制御装置３２は各種情報処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。

制御装置３２は、設定温度Ｔａが予め内部記憶装置に設定される。また、制御装置３２は、加熱装置３０の駆動と風量調節機構の調節を判定する機能要素を有する。機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央演算装置により実行されている。なお、機能要素としては、プログラムの他に独立して機能するプログラマブルコントローラ（ＰＬＣ）や電気回路で構成されてもよい。

設定温度Ｔａは予め実験、試験、あるいはシミュレーションにより求められた値である。設定温度Ｔａはエンジン１の暖機が完了したことを判定可能に設定される。本開示において、エンジン１の暖機の完了はエンジン１の各部や各部に供給される潤滑油が最適な温度になった状態である。この設定温度Ｔａとしては、７０℃〜９０℃の範囲に設定され、例えば、８０℃前後の温度が例示される。

図４に例示するように、車両用冷却装置１０の制御方法について制御装置３２の機能として説明する。この制御方法はエンジン１の冷間始動時に行われるものである。本開示において、冷間始動時はラジエータ２０の熱交換コア２３が外気温度と同等の状態、あるいは、その外気温度よりも低い温度になっている状態からの始動を示すものとする。

この制御方法は、エンジン１の暖機時に加熱装置３０によりラジエータ２０を昇温して、ラジエータ２０により冷却水Ｗを昇温する方法である。また、この制御方法はエンジン１の暖機時に風量調節機構によりラジエータ２０を通過する風量を減少する方法である。

この制御方法は、イグニッションスイッチ９によりエンジン１が始動すると開始される。制御方法が開始すると、制御装置３２は加熱装置３０を駆動して、ラジエータ２０を加熱する制御を行う（Ｓ１１０）。

ついで、制御装置３２は風量調節機構であるシャッター装置１３と冷却ファン１４とによりラジエータ２０を通過する風量を減少する制御を行う（Ｓ１２０）。この風量を減少する制御は、ラジエータ２０を加熱する制御と同時に行ってもよい。また、この風量を減少する制御はシャッター装置１３を全閉するとともに冷却ファン１４の回転を停止して、ラジエータ２０を通過する風量をゼロに近づけることが望ましい。

ついで、制御装置３２は温度取得装置３１を介して冷却水Ｗの温度Ｔｗを取得する（Ｓ１３０）。ついで、制御装置３２は取得した温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上か否かを判定する（Ｓ１４０）。温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回る場合にエンジン１の暖機が完了していない状態である。一方で、温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上（温度Ｔｗが設定温度Ｔａに等しい場合も含む）の場合にエンジン１の暖機が完了した状態である。

温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回ると判定すると（Ｓ１４０：ＮＯ）、制御装置３２は加熱装置３０の駆動と風量調節機構による風量の減少とを維持して、ラジエータ２０の加熱による冷却水Ｗの昇温を継続する。一方、温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上と判定すると（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、制御装置３２は加熱装置３０の駆動を停止する（Ｓ１５０）。ついで、制御装置３２は風量調節機構による風量の減少を停止して（Ｓ１６０）、この制御方法は終了する。本開示において風量の減少の停止とは、シャッター装置１３を暖機時よりも開けて開口から走行風を導入可能にし、冷却ファン１４を暖機時よりも回転させて冷却風を発生可能にすることを示す。

なお、エンジン１の暖機が完了した後はシャッター装置１３や冷却ファン１４は冷却水Ｗの温度Ｔｗに応じて制御される。また、ラジエータ２０は加熱装置３０による加熱が停止した後は内部を通過する冷却水Ｗを冷却するように機能する。

本開示の車両用冷却装置１０は、ウォータポンプ１４の駆動により冷却回路１１を循環する冷却水Ｗがラジエータ２０を常時通過し、加熱装置３０の駆動によりラジエータ２０を通過する冷却水Ｗの温度を調節する構成である。それ故、車両用冷却装置１０によれば、加熱装置３０を駆動した場合に加熱装置３０によるラジエータ２０の加熱によりラジエータ２０を通過する冷却水Ｗを昇温することができ、加熱装置３０の駆動を停止した場合にラジエータ２０を通過する冷却水Ｗを冷却することができる。これにより、エンジン１の暖機時に加熱装置３０を駆動することで、昇温した冷却水Ｗをエンジン１の冷却器２に送ることが可能となり、冷却水Ｗにより奪われる熱を低減するには有利になり、迅速にエンジン１を暖機することができる。

また、本開示の車両用冷却装置１０は、エンジン１の暖機時で、加熱装置３０によりラジエータ２０を加熱している場合に、シャッター装置１３を閉じるとともに冷却ファン１４の回転速度を低減して、ラジエータ２０を通過する風量を減少する。これにより、加熱装置３０により加熱されたラジエータ２０による冷却水Ｗの昇温が妨げられることを防ぐには有利になり、エンジン１の暖機をさらに早めることができる。

加えて、本開示の車両用冷却装置１０は、ウォータポンプ１４の駆動により冷却回路１１を循環する冷却水Ｗがラジエータ２０を常時通過する構成であり、周知技術の冷却回路で必須であったサーモスタットと迂回路とを有さない構成である。それ故、サーモスタットが短時間の間に開いたり閉じたりすることを繰り返すハンチング現象の発生がなく、ラジエータ２０への冷熱ストレスの発生を抑制することができる。また、サーモスタットのハンチング現象による故障も無く、冷却水Ｗの温度Ｔｗがオーバーシュートすることも防ぐことができる。

上記の車両用冷却装置１０は、エンジン１の冷間始動時にラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが通過する前に加熱装置３０を駆動してラジエータ２０を加熱して昇温することが望ましい。このように構成することで、加熱装置３０によるラジエータ２０の加熱により、ラジエータ２０の内部を冷却水Ｗが通過し始めても、ラジエータ２０とその冷却水Ｗとの温度差を小さくすることができる。これにより、温度差に起因してラジエータ２０に生じる冷熱ひずみを抑制することができる。

車両用冷却装置１０の加熱装置３０によりラジエータ２０を加熱する制御は、イグニッションスイッチ９によるエンジン１の冷間始動時に限定されるものではない。本開示の加熱する制御は車両の走行中に冷却水Ｗの温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回る場合に行ってもよい。

具体的に、加熱する制御は冷却水Ｗの温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回る場合に行い、その温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上となる場合に停止するとよい。そこで、上記の制御方法の開始を、イグニッションスイッチ９によるエンジン１の始動に代えて、イグニッションスイッチ９によりアクセサリ電源が通電可能な状態になり、温度取得装置３１が取得した温度Ｔｗが設定温度Ｔａを下回ると判定したときにしてもよい。

また、例えば、エンジン１の運転を停止した状態の惰性走行時にラジエータ２０の熱交換コア２３が外気温度と同等あるいはその外気温度よりも低い温度になった場合に行ってもよい。その場合に、制御装置３２はエンジン１の運転を停止した状態の惰性走行の走行時間に基づいて加熱する制御を行うか否かを判定してもよい。

また、加熱する制御はイグニッションスイッチ９によるエンジン１の始動が冷間始動か否かを判定してもよい。例えば、外気温度を取得するセンサを用いて、外気温度が所定の温度よりも低い場合に、イグニッションスイッチ９によるエンジン１を始動する場合を冷間始動と判定してもよい。

加熱する制御は冷却水Ｗの温度Ｔｗが設定温度Ｔａ以上となった場合、つまり、エンジン１の暖機が完了し、ラジエータ２０により冷却水Ｗを冷却する状態になった場合に停止する。これにより、ラジエータ２０による冷却水Ｗの冷却性能が加熱装置３０による加熱により低下する事態を回避することができる。

本実施形態の車両用冷却装置１０は、加熱装置３０の電熱線３３が熱交換コア２３を構成する全ての連通管２４のそれぞれに配置される。これにより、熱交換コア２３の全体を迅速に加熱するには有利になる。

ただし、電熱線３３を全ての連通管２４に配置することで、加熱時の消費電力が多くなる。そこで、発電機８の発電量やバッテリ６の充電量に応じた消費電力になるように、電熱線３３が複数の連通管２４のうちの一部に配置される構成にしてもよい。本開示において複数の連通管２４のうちの一部とはその一部に電熱線３３が配置されることでエンジン１の暖機時に熱交換コア２３を通過する冷却水Ｗが昇温可能になることを示す。よって、電熱線３３の配置数は予め実験、試験、あるいは、シミュレーションにより冷却水Ｗが昇温可能な最低限の本数を求めておくとよい。

なお、電熱線３３が複数の連通管２４のうちの一部に配置される構成にする場合に、電熱線３３は熱交換コア２３のＹ方向両端部に配置された連通管２４を少なくとも含む幾つかの連通管２４に配置されることが望ましい。本開示において熱交換コア２３のＹ方向は熱交換コア２３を通過する冷却水Ｗの流れる方向であるＺ方向と、熱交換コア２３を通過する空気の流れる方向であるＸ方向との両方に直交する方向である。また、本開示において熱交換コア２３のＹ方向両端部とは熱交換コア２３の中央部を除く部位であり、Ｙ方向両端から中央部に向かって所定の本数（例えば、３〜７本）の連通管２４を含む部位である。電熱線３３が冷熱ひずみにより変形する連通管２４である熱交換コア２３のＹ方向両端部に配置された連通管２４に配置されることで、熱交換コア２３のＹ方向両端部に配置された連通管２４が冷熱ひずみによりＹ方向外側に向かってたわむことを防止することができる。

車両用冷却装置１０の制御方法は、加熱する制御を行う場合にウォータポンプ１２の吐出量を減らして、冷却回路１１を流れる冷却水Ｗの流量を少なくする制御を行う構成にしてもよい。これにより、冷却回路１１を流れる冷却水Ｗの流量が少なくなるに伴ってラジエータ２０を通過する冷却水Ｗの流量も少なくなり、より効果的に冷却水Ｗを昇温可能になる。

１ エンジン
１０ 車両用冷却装置
１１ 冷却回路
１２ ウォータポンプ
２０ ラジエータ
３０ 加熱装置
３１ 温度取得装置
３２ 制御装置

Claims (6)

1. エンジンを冷却する冷却水が循環する冷却回路を備え、この冷却回路が内部を通過する前記冷却水を冷却するラジエータと前記冷却水を循環させるウォータポンプとを有する車両用冷却装置において、前記冷却回路は前記ウォータポンプにより前記冷却水が循環すると前記ラジエータの内部を前記冷却水が常時通過する構成であり、前記ラジエータを加熱する加熱装置を備えることを特徴とする車両用冷却装置。
2. 前記冷却回路は環状の流路であり、前記冷却水が流れる順に、前記ラジエータ、前記ウォータポンプ、および、前記エンジンの冷却器が配置されて構成される請求項１に記載の車両用冷却装置。
3. 前記ラジエータは入口タンクと出口タンクと熱交換コアとを有して構成され、
   前記加熱装置は前記熱交換コアを直に加熱する構成である請求項１または２に記載の車両用冷却装置。
4. 前記熱交換コアは一端が前記入口タンクに連通して他端が前記出口タンクに連通する複数の連通管とその連通管どうしの間に配置された冷却フィンとから構成され、
   前記加熱装置は前記複数の連通管の全てを直に加熱する装置である請求項３に記載の車両用冷却装置。
5. 前記冷却水の温度を取得する温度取得装置と、前記加熱装置を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置に設定温度が予め設定され、
   前記制御装置は前記温度取得装置が取得した前記冷却水の温度が前記設定温度を下回る場合に前記加熱装置により前記ラジエータを加熱する制御を行い、前記冷却水の温度が前記設定温度以上の場合に前記加熱する制御を停止する構成である請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用冷却装置。
6. 前記ラジエータを通過する風量を調節する風量調節機構を備え、
   前記制御装置は前記加熱する制御を行う場合に前記風量調節機構により前記ラジエータを通過する風量を減少する制御を行う構成である請求項５に記載の車両用冷却装置。

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