JP2024030227A - ハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ２１や走行用モータジェネレータ２２等の廃熱を有効利用して内燃機関の吸気ポート周辺を始動前に暖機する。【解決手段】シリーズハイブリッド車両の冷却装置は、内燃機関のウォータジャケット１１を主に冷却する第１の冷却水回路１と、インバータ２１や走行用モータジェネレータ２２等を冷却対象とする第２の冷却水回路２と、車室空調装置を構成する冷凍サイクル３と、を備える。冷凍サイクル３が第１の冷却水回路１と第２の冷却水回路２とを熱的に接続しており、チラー３７において気化熱として第２の冷却水回路２の冷却水の熱を吸収し、エンジン暖機用コンデンサ３６において凝縮熱として第１の冷却水回路１の冷却水を加熱する。加熱された冷却水は、吸気ポートウォータジャケット１６を循環する。【選択図】図１

Description

この発明は、例えばシリーズハイブリッド車両等において発電のためにモータジェネレータを駆動する内燃機関の始動前の暖機促進技術に関する。

いわゆるポート噴射型の内燃機関が冷機状態で始動されると、燃料噴射弁から吸気ポートへ向かって噴射された燃料が低温の吸気ポート壁面に液膜となって付着し、そのまま吸気弁を通って燃焼室内に流入することから、未燃ＨＣやＣＯの増加が生じる。そして、このような始動時は、排気系に設けられる触媒の温度が低いので、触媒による排気浄化性能も十分に得られない。

特許文献１には、ハイブリッド車両において、車室空調装置における冷凍サイクルを利用してエンジンの冷却水を加熱し、エンジンの暖機を行う技術が開示されている。具体的には、エンジン冷却水回路の一部となるヒータコアと並列に暖機用冷却水回路が形成されており、冷凍サイクルのコンデンサが、暖機用冷却水回路の冷却水と冷凍サイクルの冷媒との間で熱交換する構成となっている。つまり、コンデンサが外気ではなくエンジン冷却水で冷却される構成となっている。これにより、冷凍サイクルの運転中にコンデンサから放出される熱によってエンジン冷却水が暖められることになる。

特開２００９－１８０１０３号公報

しかしながら、上記従来の構成では、車室空調装置のいわゆるエアコンユニット内に収納されているエバポレータが外気から得た熱がエンジン冷却水に移動するに過ぎず、特に外気温が低い条件下等では効率良く暖機促進を行うことができない。また、ハイブリッド車両におけるインバータやモータジェネレータ等の駆動機構の廃熱を有効利用することができない。

この発明の暖機方法は、内燃機関の少なくとも吸気ポート周辺を流れる冷却水が循環する第１の冷却水回路と、車両走行用のモータジェネレータおよびインバータを冷却するように別の冷却水が循環する第２の冷却水回路と、を備えたハイブリッド車両において、
車室空調装置を構成する電動コンプレッサを用いた冷凍サイクルを介して上記第１の冷却水回路と上記第２の冷却水回路とを熱的に接続し、
内燃機関の始動前の暖機要求時に、上記冷凍サイクルの冷媒が、上記第２の冷却水回路の冷却水から受熱し、上記第１の冷却水回路の冷却水に放熱するように、上記冷凍サイクルを運転する。

このような構成では、車両走行用のモータジェネレータやインバータから出た廃熱の少なくとも一部が冷凍サイクルを介して第１の冷却水回路の冷却水に与えられる。これにより吸気ポート周辺が暖められる。

この発明によれば、車両走行用のモータジェネレータやインバータの廃熱を有効利用して内燃機関の吸気ポート周辺を暖めることができる。また、外気温に比較して第２の冷却水回路の冷却水の温度は一般に高いので、効率良く暖機促進を行うことができる。

この発明の一実施例の冷却回路図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施例の車両冷却装置全体の構成を示す回路図である。一実施例の車両は、内燃機関によって発電用のモータジェネレータを駆動して発電を行い、生成された電力でもって走行用のモータジェネレータを駆動するシリーズハイブリッド車両である。内燃機関は、例えば、４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関（いわゆるガソリン機関）であり、各気筒の吸気ポートにそれぞれ設けた燃料噴射弁から吸気ポートへ向けて燃料を噴射するポート噴射型の構成となっている。

一実施例の冷却装置は、冷却水の循環により内燃機関の冷却を行う第１の冷却水回路１と、同じく冷却水の循環により走行駆動機構の冷却を行う第２の冷却水回路２と、車室空調装置を構成する冷凍サイクル３と、の三者から大略構成されている。なお、本発明において「冷却水」とは広く液相冷媒を意味している。

第１の冷却水回路１は、基本的には一般的な内燃機関の水冷式冷却装置と同様の構成であり、主たる冷却対象として内燃機関のウォータジャケット１１（シリンダブロック側のウォータジャケット１１ａとシリンダヘッド側のウォータジャケット１１ｂを含む）を有し、ウォータジャケット１１を通過して高温となった冷却水を外気との熱交換により冷却するラジエータ１２と、ラジエータ１２で放熱した冷却水をウォータジャケット１１へ送る電動ウォータポンプ１３と、を含んだ閉回路として構成されている。ラジエータ１２は、車体前部等の車両走行風を受け得る位置に配置されている。一般的な内燃機関の水冷式冷却装置と同様に、低水温時に冷却水がラジエータ１２をバイパスするためのバイパス通路１４およびサーモスタットバルブ１５を備えている。サーモスタットバルブ１５は、冷却水温度に機械的に応動する形式であってもよく、電気的に開度制御可能な形式であってもよい。

また、この実施例では、吸気ポート周辺のウォータジャケットが吸気ポートウォータジャケット１６として独立しており、電動ウォータポンプ１３とラジエータ１２との間において、ウォータジャケット１１と並列に冷却水が流れるように回路構成されている。つまり吸気ポートウォータジャケット１６を通過する分岐通路を有している。そして、吸気ポートの暖機時には主に吸気ポートウォータジャケット１６を通して冷却水が循環するように、ウォータジャケット１１の出口側に制御弁１７が設けられている。制御弁１７が全閉となった状態では、電動ウォータポンプ１３が吐出した冷却水の全量が吸気ポートウォータジャケット１６を通流する。

第２の冷却水回路２は、ハイブリッド車両の駆動機構の中で冷却が必要ないくつかの要素、例えば、インバータ２１と、走行用モータジェネレータ２２と、発電用モータジェネレータ２３と、を冷却対象として、冷却水の循環により冷却を行うものであり、回路を循環する冷却水と外気との熱交換を行う第２ラジエータ２４と、冷却水の循環を行う第２電動ウォータポンプ２５と、を含んでいる。第２ラジエータ２４は、車体前部等の車両走行風を受け得る位置に配置することが望ましい。第２の冷却水回路２を流れる冷却水は、第１の冷却水回路１を流れる冷却水とは別の冷却水であり、つまり第１の冷却水回路１を流れる冷却水から独立している。なお、第１の冷却水回路１を流れる冷却水と第２の冷却水回路２を流れる冷却水とが異種の冷却水つまり互いに成分が異なるものであってもよく、同じ成分の冷却水をそれぞれに用いてもよい。

また、第２の冷却水回路２を循環する冷却水の温度は、第１の冷却水回路１を循環する冷却水の温度よりも相対的に低い。例えば、内燃機関の運転中に第１の冷却水回路１の冷却水の温度が７０～９０℃程度に維持されるのに対し、第２の冷却水回路２の冷却水の温度は４０～６０℃程度に維持される。但し、このような２つの冷却水回路１，２の冷却水温度の関係は、本発明において必須のものではない。

なお、図ではインバータ２１と走行用モータジェネレータ２２と発電用モータジェネレータ２３とを直列に冷却水が流れる構成となっているが、互いに並列に冷却水が流れる構成であってもよい。また、第１の冷却水回路１と同様に、低水温時に第２ラジエータ２４をバイパスして冷却水が流れるように図示しないバイパス通路およびサーモスタットバルブを備えていてもよい。

冷凍サイクル３は、冷媒を圧縮して高温高圧のガス状冷媒とする電動コンプレッサ３１と、この電動コンプレッサ３１の下流側において高温高圧のガス状冷媒を外気との熱交換により冷却して液相とするコンデンサ３２と、コンデンサ３２で液化した冷媒を減圧する膨張弁３３と、この膨張弁３３の下流位置にあって外気との熱交換により液相冷媒を気化させるエバポレータ３４と、を含む閉回路として構成されている。コンデンサ３２は、例えば、車体前部においてラジエータ１２に並んで配置される。エバポレータ３４は、車室空調装置の空調風を生成するためのエアコンユニット内に収容される。図外のブロアによって取り込まれる外気がエバポレータ３４を通過することで冷却される。

また、電動コンプレッサ３１の吐出側とコンデンサ３２との間に、さらに、車室暖房用コンデンサ３５と、エンジン暖機用コンデンサ３６と、が直列に並んで配置されている。車室暖房用コンデンサ３５は、一般的な車室暖房用の温水式ヒータコアの代替として、上記エアコンユニット内にエバポレータ３４とともに収容されており、電動コンプレッサ３１から吐出された高温高圧のガス状冷媒と熱交換することで、空調風を加熱する。空調風の中でどの程度の割合がこの車室暖房用コンデンサ３５を通過するかは、図外のエアミックスドアの開度によって制御される。なお、一実施例では、空調風は常にエバポレータ３４を通過し、冷房ならびに除湿が行われる。

エンジン暖機用コンデンサ３６は、電動コンプレッサ３１から吐出された高温高圧のガス状冷媒と第１の冷却水回路１の冷却水との間で熱交換を行う。つまり、ガス状冷媒が液化する際の凝縮熱によって第１の冷却水回路１の冷却水が加熱される。一実施例では、第１の冷却水回路１の中で、電動ウォータポンプ１３の吸入側でかつサーモスタットバルブ１５よりも下流側の位置において冷却水通路がエンジン暖機用コンデンサ３６に接続されている。

なお、図示例では、冷凍サイクル３の中で、車室暖房用コンデンサ３５の下流にエンジン暖機用コンデンサ３６が位置しているが、車室暖房用コンデンサ３５の上流にエンジン暖機用コンデンサ３６が位置する関係であってもよい。あるいは、車室暖房用コンデンサ３５とエンジン暖機用コンデンサ３６とが並列に配置されていてもよい。

冷凍サイクル３は、さらに、エバポレータ３４と並列に並んだ熱交換器つまりチラー３７を備えている。このチラー３７の入口には、チラー用膨張弁３８が設けられている。チラー３７は、チラー用膨張弁３８によって減圧された冷媒が通過し、この冷媒と第２の冷却水回路２の冷却水との間で熱交換を行う。つまり、チラー３７において、エバポレータ３４と同様に冷媒が気化し、その気化熱によって第２の冷却水回路２の冷却水が冷却される。一実施例では、第２の冷却水回路２の中で、インバータ２１等の冷却対象を冷却した後の高温冷却水が流れる第２ラジエータ２４上流側の位置において冷却水通路がチラー３７に接続されている。なお、例えばチラー用膨張弁３８を全開もしくは全閉に制御することで、チラー３７における熱交換を停止できるように構成することが望ましい。

このように、第１の冷却水回路１と第２の冷却水回路２とは、それぞれ別に冷却水が循環するように独立して構成されている一方、車室空調装置の冷凍サイクル３を介して熱的に接続されており、冷凍サイクル３の運転により、第２の冷却水回路２の冷却水の熱を第１の冷却水回路１の冷却水へと移動させることができる。

上述の第１の冷却水回路１、第２の冷却水回路２および冷凍サイクル３の動作は、コントローラ４１によって制御される。なお、コントローラ４１は、実際には、エンジンコントローラや空調装置コントローラ等の複数のコントローラを含んで構成される。

シリーズハイブリッド車両においては、内燃機関は、基本的には、バッテリのＳＯＣが所定の下限ＳＯＣ値まで低下したときに始動され、ＳＯＣが所定レベルまで回復すると停止する。すなわち、発電要求に応じて内燃機関が発電用モータジェネレータを駆動し、発電を行う。

ここで内燃機関が、暖機再始動ではない冷機状態である場合は、吸気ポート周辺を暖めるために、始動前（燃焼運転開始前）に上述した冷凍サイクル３を介した熱の移動による暖機制御がなされる。つまり、電動コンプレッサ３１の駆動により冷凍サイクル３の運転が行われ、チラー用膨張弁３８およびチラー３７の作用により冷媒に第２の冷却水回路２の冷却水の熱が吸収される。そして、エンジン暖機用コンデンサ３６を介して冷媒サイクル３の冷媒から第１の冷却水回路１の冷却水に熱が与えられる。このとき第１冷却水回路１の制御弁１７が適宜に閉じられており、冷凍サイクル３からの熱により高温となった冷却水は、電動ウォータポンプ１３の作用により吸気ポートウォータジャケット１６に送られ、吸気ポート周辺を暖める。そして、冷却水は、吸気ポートウォータジャケット１６通過後にバイパス通路１４を経由してエンジン暖機用コンデンサ３６を再び通るように循環する。

このように始動前に吸気ポート周辺を暖めておくことにより、始動初期から燃料性状が良好となり、例えば未燃ＨＣやＣＯの過渡的な増加を抑制できる。

上記実施例では、第２の冷却水回路２におけるインバータ２１等の廃熱を有効利用して吸気ポート周辺の暖機促進が行われるので、他の加熱源が不要である。また、外気を熱源として冷凍サイクルによる冷却水温度上昇を図る従来技術に比較して、熱源の温度が比較的に高く得られるので、効率良く冷却水の加熱を行うことができる。

ところで、冷凍サイクル３を用いた吸気ポート周辺の暖機制御は、これに伴って生じるエネルギ消費（例えば電力消費）ができるだけ少ないことが好ましい。そのため、好ましい実施例においては、外気温を検出し、外気温が高いほど冷凍サイクル３の電動コンプレッサ３１の動力を小さくすることが望ましい。つまり、外気温を考慮した暖機が行われ、エネルギ消費が少なくなる。

あるいは、第１の冷却水回路１の冷却水温度もしくは吸気ポート周辺の温度を検出し、この温度が高いほど冷凍サイクル３の電動コンプレッサ３１の動力を小さくする。

また、他の実施例では、外気温を検出し、外気温が高いほど第１の冷却水回路１における電動ウォータポンプ１３の動力を小さくする。つまり、冷却水の循環量を外気温を考慮したものとする。

あるいは、第１の冷却水回路１の冷却水温度もしくは吸気ポート周辺の温度を検出し、この温度が高いほど第１の冷却水回路１における電動ウォータポンプ１３の動力を小さくするようにしてもよい。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例にのみ限定されるものではなく、第１の冷却水回路１や第２の冷却水回路２さらには冷凍サイクル３の具体的な構成は、適宜に変更することが可能である。例えば、吸気ポートウォータジャケット１６を別回路とせずに、シリンダヘッド側のウォータジャケット１１ｂの一部として吸気ポート周辺を暖めるように構成してもよい。また、本発明は、上述したシリーズハイブリッド車両の冷却装置に限らず、インバータ等を冷却するための第２の冷却水回路を具備するものであれば、内燃機関が走行駆動源となる車両を含め、広く適用することができる。

１…第１の冷却水回路
２…第２の冷却水回路
３…冷凍サイクル
１１…ウォータジャケット
１２…ラジエータ
１３…電動ウォータポンプ
１６…吸気ポートウォータジャケット
２１…インバータ
２２…走行用モータジェネレータ
２３…発電用モータジェネレータ
２４…第２ラジエータ
２５…第２電動ウォータポンプ
３１…電動コンプレッサ
３２…コンデンサ
３３…膨張弁
３４…エバポレータ
３５…車室暖房用コンデンサ
３６…エンジン暖機用コンデンサ
３７…チラー
３８…チラー用膨張弁
４１…コントローラ

Claims (8)

1. 内燃機関の少なくとも吸気ポート周辺を流れる冷却水が循環する第１の冷却水回路と、車両走行用のモータジェネレータおよびインバータを冷却するように別の冷却水が循環する第２の冷却水回路と、を備えたハイブリッド車両において、
   車室空調装置を構成する電動コンプレッサを用いた冷凍サイクルを介して上記第１の冷却水回路と上記第２の冷却水回路とを熱的に接続し、
   内燃機関の始動前の暖機要求時に、上記冷凍サイクルの冷媒が、上記第２の冷却水回路の冷却水から受熱し、上記第１の冷却水回路の冷却水に放熱するように、上記冷媒サイクルを運転する、
   ハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
2. 上記冷凍サイクルにおいて、上記電動コンプレッサで圧縮された冷媒と上記第１の冷却水回路の冷却水との間で熱交換を行うとともに、
   膨張弁を通して減圧された冷媒と上記第２の冷却水回路の冷却水との間で熱交換を行う、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
3. 上記第１の冷却水回路に、吸気ポート周辺を流れる分岐通路を設け、暖機時は、この分岐通路を介して冷却水を循環させる、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
4. 外気温を検出し、外気温が高いほど上記電動コンプレッサの動力を小さくする、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
5. 第１の冷却水回路の冷却水温度もしくは吸気ポート周辺の温度を検出し、この温度が高いほど上記電動コンプレッサの動力を小さくする、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
6. 外気温を検出し、外気温が高いほど上記第１の冷却水回路における電動ウォータポンプの動力を小さくする、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
7. 第１の冷却水回路の冷却水温度もしくは吸気ポート周辺の温度を検出し、この温度が高いほど上記第１の冷却水回路における電動ウォータポンプの動力を小さくする、
   請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関の暖機方法。
8. 内燃機関の少なくとも吸気ポート周辺を流れる冷却水が循環する第１の冷却水回路と、
   車両走行用のモータジェネレータおよびインバータを冷却するように別の冷却水が循環する第２の冷却水回路と、
   車室空調装置を構成する電動コンプレッサを用いた冷凍サイクルと、
   上記冷凍サイクルにおいて上記電動コンプレッサで圧縮された冷媒と上記第１の冷却水回路の冷却水との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、
   上記冷凍サイクルにおいて膨張弁を通して減圧された冷媒と上記第２の冷却水回路の冷却水との間で熱交換を行う第２の熱交換器と、
   内燃機関の始動前の暖機要求時に、上記冷凍サイクルの冷媒が、上記第２の冷却水回路の冷却水から受熱し、上記第１の冷却水回路の冷却水に放熱するように、上記冷媒サイクルを運転するコントローラと、
   を備えてなる、
   ハイブリッド車両の内燃機関の暖機装置。

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