JP4785626B2 - ターボチャージャの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用のエンジンのターボチャージャを冷却する冷却水の循環経路に、上部に空気室が区画されたエキスパンションタンクを配置し、車両の水平状態で前記ターボチャージャのウオータジャケットの最上部よりも車体後上方側に前記エキスパンションタンクの液面を設定したターボチャージャの冷却装置に関する。

かかるターボチャージャの冷却装置は、下記特許文献１により公知である。特許文献１に記載された従来のものは、ターボチャージャがエンジンの後方に配置されているが、エンジンルーム内のレイアウトの都合でターボチャージャをエンジンの前方に配置する場合がある。

図４はこのような場合のレイアウトを示すもので、自動車のエンジンＥの前方に排気ガスで作動して吸気を圧縮するターボチャージャ０１１が設けられる。エンジンＥの冷却系には、エンジンＥにより駆動されて冷却水を循環させる冷却水ポンプ０１２と、エンジンＥのウオータジャケットを通過して高温になった冷却水を空気との間で熱交して冷却するラジエータ０１３とが設けられており、冷却水ポンプ０１２を駆動すると、エンジンＥのウオータジャケットの上部に連なる第１冷却水通路０１４を介して高温の冷却水がラジエータ０１３の上部に供給され、そこで冷却された冷却水はラジエータ０１３の下部に連なる第２冷却水通路０１５および冷却水ポンプ０１２を介してエンジンＥのウオータジャケットの下部に還流する。

エンジンＥの前方に配置されたターボチャージャ０１１のウオータジャケット０１６とエンジンＥのウオータジャケットとは第３冷却水通路０１７および第４冷却水通路０１８で接続される。エンジンＥの後方であってラジエータ０１３の上端よりも高い位置に配置されたエキスパンションタンク０１９の上部に空気室０２０が区画されており、ラジエータ０１３の上端とエキスパンションタンク０１９の空気室０２０とが第５冷却水通路０２１で接続される。そしてエキスパンションタンク０１９の下部と冷却水ポンプ０１２の上流側の第２冷却水通路０１５とが第６冷却水通路０２２で接続される。エキスパンションタンク０１９の空気室０２０には、その圧力が所定値以上になると開弁する調圧弁０２３が設けられる。

しかして、エンジンＥの運転中にターボチャージャ０１１には高温の排気ガスが供給されるが、冷却水ポンプ０１２によりエンジンＥのウオータジャケット内を流れる冷却水の一部が第３冷却水通路０１７および第４冷却水通路０１８を介してターボチャージャ０１１のウオータジャケット０１６に供給されるため、ターボチャージャ０１１の過熱が防止される。

エンジンＥが停止すると冷却水ポンプ０１２も停止するため、冷却水ポンプ０１２による冷却水の強制的な循環は期待できなくなる。このとき、ターボチャージャ０１１はエンジンＥ本体よりも高温であるため、過熱による潤滑油の炭化等の不具合が発生する可能性があるが、高温のターボチャージャ０１１のウオータジャケット０１６で加熱されて沸騰した冷却水の水蒸気が第４冷却水通路０１８、エンジンＥのウオータジャケット、第１冷却水通路０１４および第５冷却水通路０２１を介してエキスパンションタンク０１９の空気室０２０に供給され、そこで気液分離される。そして分離された冷却水はエキスパンションタンク０１９から第６冷却水通路０２２、第２冷却水通路０１５、エンジンＥのウオータジャケットおよび第３冷却水通路０１７を介してターボチャージャ０１１のウオータジャケット０１６に還流する自然対流が発生することで、エンジンＥの停止後もターボチャージャ０１１を冷却することができる。
特開２００３−５６３５２号公報

ところで、エンジンＥの前方にターボチャージャ０１１を配置するスペースを確保することができない場合、ターボチャージャ０１１の位置を高くしてエンジンＥの前上方に配置することがある。この場合、図５に示すように、ターボチャージャ０１１のウオータジャケット０１６を、ラジエータ０１３の上部を介さずに、第５冷却水通路０２１で直接エキスパンションタンク０１９の空気室０２０に接続することで、冷却水通路を簡素化することができる。

ターボチャージャ０１１で発生した水蒸気をエキスパンションタンク０１９に導くには、エキスパンションタンク０１９をターボチャージャ０１１よりも高い位置に配置する必要がある。またエキスパンションタンク０１９内の冷却水をターボチャージャ０１１に還流させるには、やはりエキスパンションタンク０１９をターボチャージャ０１１よりも高い位置に配置してヘッド差Ｈを確保する必要がある。

しかしながら、図５に示すように、ターボチャージャ０１１をエンジンＥの前上方に配置すると、エキスパンションタンク０１９の高さはボンネットにより規制されるため、エキスパンションタンク０１９およびターボチャージャ０１１のヘッド差Ｈを充分に確保することが難しくなる。特に、車両が前上がりの傾斜路に停車した場合には、ターボチャージャ０１１の位置が高くなって前記ヘッド差Ｈを確保するのが一層難しくなる。

エキスパンションタンク０１９およびターボチャージャ０１１のヘッド差Ｈを確保するには、エキスパンションタンク０１９の設定液面を高くすれば良いが、そのようにするとエキスパンションタンク０１９の空気室０２０の容積が減少してしまい、ターボチャージャ０１１から供給される水蒸気によってエキスパンションタンク０１９の内圧が上昇しやすくなり、調圧弁０２３が度々開弁する不都合が発生する。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、エキスパンションタンクおよびターボチャージャのヘッド差を確保しながら、エキスパンションタンクの空気室の容積減少を補償してターボチャージャの冷却性能を確保することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、車両用のエンジンのターボチャージャを冷却する冷却水の循環経路に、上部に空気室が区画されたエキスパンションタンクを配置し、車両の水平状態で前記ターボチャージャのウオータジャケットの最上部よりも車体後上方側に前記エキスパンションタンクの液面を設定したターボチャージャの冷却装置であって、前記エキスパンションタンクから離間して配置され、該エキスパンションタンクの空気室に連通部材を介して連通する拡大空気室を有する容積部材を備え、車両の水平状態で前記連通部材の前記容積部材への接続部は、前記エキスパンションタンクの設定液面よりも車体後上方側に位置することを特徴とするターボチャージャの冷却装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、車両の水平状態で、前記ターボチャージャのウオータジャケットの最上部と前記エキスパンションタンクの設定液面とを結ぶ第１仮想直線が水平面に対して成す第１傾斜角よりも、前記連通部材の前記エキスパンションタンクへの第１接続部と該連通部材の前記容積部材への第２接続部とを結ぶ第２仮想直線が水平面に対して成す第２傾斜角を、等しいかそれ以上に設定したことを特徴とするターボチャージャの冷却装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記容積部材は、その拡大空気室を大気に連通させる調圧弁を備えることを特徴とするターボチャージャの冷却装置が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、前記エキスパンションタンクは調圧機能のないキャップで開閉可能であることを特徴とするターボチャージャの冷却装置が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、前記エキスパンションタンクは前記容積部材の調圧弁よりも開弁設定圧力が高い調圧弁を備えることを特徴とするターボチャージャの冷却装置が提案される。

尚、実施の形態の第７冷却水通路２６は本発明の連通部材に対応する。

請求項１の構成によれば、エキスパンションタンクの空気室と、このエキスパンションタンクから離間するように配置した容積部材の拡大空気室とを連通部材で連通させたので、エキスパンションタンクの設定液面を高くしてターボチャージャのウオータジャケットの最上部とのヘッド差を充分に確保し、車両の前上がり傾斜時における冷却水の自然対流を可能にしながら、設定液面の上昇に伴う空気室の容積減少を拡大空気室の容積で補うことで、エキスパンションタンクからの冷却水の溢れや水蒸気の噴出を最小限に抑えることができる。しかも車両の水平状態で、エキスパンションタンクの液面はターボチャージャのウオータジャケットの最上部よりも車体後上方側に位置し、かつエキスパンションタンクから延びる連通部材の容積部材への接続部はエキスパンションタンクの設定液面よりも車体後上方側に位置するので、車両が前上がりに傾斜してもエキスパンションタンク内の冷却水が容積部材に流れ込み難くすることができるだけでなく、ターボチャージャ、エキスパンションタンクおよび容積部材をエンジンルーム内に配置するときにボンネットとの干渉を回避することが容易である。

また請求項２の構成によれば、ターボチャージャのウオータジャケットの最上部とエキスパンションタンクの設定液面とを結ぶ第１仮想直線の第１傾斜角よりも、連通部材のエキスパンションタンクへの第１接続部と連通部材の容積部材への第２接続部とを結ぶ第２仮想直線の第２傾斜角を等しいか大きく設定したので、車両が前上がりに傾斜してもターボチャージャからエキスパンションタンクに供給された水蒸気を確実に容積部材に導くことができる。

また請求項３の構成によれば、エキスパンションタンクよりも高い位置にあって水蒸気が集まり易い容積部材に調圧弁を設けて拡大空気室を大気に連通させるので、エキスパンションタンクに調圧弁を設ける場合に比べて圧力調整が行い易くなり、不要な水蒸気の噴出を最小限に抑えることができる。しかも容積部材には冷却水が貯留されていないため、調圧弁が開弁しても冷却水が噴出する虞がない。

また請求項４の構成によれば、調圧機能のないキャップでエキスパンションタンクを開閉するので、容積部材に比べてエンジンルームの前寄りに位置するエキスパンションタンクにから冷却水を補給することが可能となり、容積部材の調圧弁から冷却水を補給する場合に比べて作業性が向上する。しかも調圧機能のないキャップは調圧弁に比べて安価であるため、コストダウンに寄与することができる。

また請求項５の構成によれば、エキスパンションタンクに容積部材の調圧弁よりも開弁設定圧力が高い調圧弁を設けたので、冷却系に予期せぬ高圧が発生して容積部材の調圧弁が開弁しただけでは圧力が充分に低下しない場合に、エキスパンションタンクの調圧弁が開弁することで圧力を低下させることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図３は本発明の実施の形態を示すもので、図１はエンジンおよびターボチャージャの冷却系を示す図、図２はエキスパンションタンクのＭＩＮ液面の設定の説明図、図３はエキスパンションタンクのＭＡＸ液面の設定の説明図である。

尚、以下の実施の形態において、図４および図５で説明した従来例の構成要素に対応する構成要素には、参照符号の最初の０を取り除いた参照符号を付すことで重複する説明を省略する。

図１に示すように、エキスパンションタンク１９の後上方に、内部に拡大空気室２５を形成した容器よりなる容積部材２４が配置される。エキスパンションタンク１９および容積部材２４は第７冷却水通路２６により接続される。エキスパンションタンク１９の上壁には冷却水を補充するための開口が形成されており、その開口は、図４および図５で説明した調圧弁０２３の代わりに、単なるキャップ２７で開閉される。一方、容積部材２４の上壁には所定の圧力以上になると開弁する調圧弁２８が設けられる。

ターボチャージャ１１のウオータジャケット１６の最上部とエキスパンションタンク１９の設定液面とを結ぶ第１仮想直線Ｌ１は、水平面に対して角度Ａだけ後ろ上がりに傾斜している。またエキスパンションタンク１９に第７冷却水通路２６が接続される接続部Ｊ１と、容積部材２４に第７冷却水通路２６が接続される接続部Ｊ２とを結ぶ第２仮想直線Ｌ２は、水平面に対して角度Ｂだけ後ろ上がりに傾斜している。角度Ａは例えば１５°程度であり、角度Ｂは前記角度Ａよりも若干大きい例えば１８°程度である。

一般に、自動車のエンジンルームを覆うボンネットは後ろ上がりに傾斜しているため、前側に位置するターボチャージャ１１よりも中間に位置するエキスパンションタンク１９を高い位置に配置し、中間に位置するエキスパンションタンク１９よりも後側に位置する容積部材２４を高い位置に配置するのは容易である。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

エンジンＥの運転中には冷却水ポンプ１２が作動するため、エンジンＥのウオータジャケット→第１冷却水通路１４→ラジエータ１３→第２冷却水通路１５→冷却水ポンプ１２→エンジンＥのウオータジャケットよりなる閉回路を冷却水が循環してエンジンＥを冷却する。エンジンＥのウオータジャケットを流れる冷却水の一部は第３冷却水通路１７→ターボチャージャ１１のウオータジャケット１６→第５冷却水通路２１→エキスパンションタンク１９→第６冷却水通路２２→第２冷却水通路１５→冷却水ポンプ１２→エンジンＥのウオータジャケットよりなる閉経路で循環してターボチャージャ１１を冷却する。

エンジンＥの停止に伴って冷却水ポンプ１２が停止すると、ターボチャージャ１１のウオータジャケット１６に冷却水が強制的に供給されなくなるため、エンジン停止前の運転状態によっては高温となったターボチャージャ１１において冷却水が沸騰して水蒸気が発生する。この水蒸気は第５冷却水通路２１を介してエキスパンションタンク１９の空気室２０に供給され、そこで気液分離される。このとき、エキスパンションタンク１９の空気室２０と容積部材２４の拡大空気室２５とは第７冷却水通路２６で一体に連通しているため、エキスパンションタンク１９の空気室２０の容積を小さく設定しても、つまりエキスパンションタンク１９の設定液面を高く設定しても、空気室２０および拡大空気室２５のトータルの容積が確保されていることで、水蒸気による内圧の上昇を抑制することができる。

そしてエキスパンションタンク１９の設定液面を高く設定することで、ターボチャージャ１１およびエキスパンションタンク１９間の冷却水のヘッド差Ｈを充分に確保し、このヘッド差でエキスパンションタンク１９の冷却水をターボチャージャ１１に自然対流させ、ターボチャージャ１１の過熱を確実に阻止することができる。しかも傾斜した路面で自動車が前上がりの姿勢で停車したような場合でも、エキスパンションタンク１９の液面がターボチャージャ１１のウオータジャケット１６の最上部よりも低くなるのを防止し、ターボチャージャ１１からエキスパンションタンク１９に水蒸気が供給され難くなったり、エキスパンションタンク１９からターボチャージャ１１に冷却水が還流し難くなったりするのを防止することができる。

ターボチャージャ１１において発生する水蒸気の量が極めて多く、エキスパンションタンク１９の空気室２０および容積部材２４の拡大空気室２５だけでは容積が不足する場合には、容積部材２４の調圧弁２８が開弁して水蒸気を大気に放出する。

エキスパンションタンク１９の設定液面は、ＭＩＮ液面とＭＡＸ液面との間に位置するように冷却水の量が調整される。エキスパンションタンク１９の液面がＭＩＮ液面にあるとき、ターボチャージャ１１およびエキスパンションタンク１９間の冷却水のヘッド差Ｈが最小になるため、車両の前上がり傾斜に対するタフネスは最も低くなる。従って、図２に示すように、車両の実際の前上がり傾斜角が予め設定された車両の許容前上がり傾斜角になっても、必要最小限のヘッド差が確保されるようにエキスパンションタンク１９のＭＩＮ液面の高さが決定される。

またエキスパンションタンク１９の液面がＭＡＸ液面にあるとき、ターボチャージャ１１およびエキスパンションタンク１９間の冷却水のヘッド差Ｈは最大になるが、図３に示すように、車両の前上がり傾斜角が増加すると、冷却水の温度上昇に伴う膨張や車体の揺れに伴うエキスパンションタンク１９内の冷却水の液面の暴れにより、エキスパンションタンク１９内の冷却水が第７冷却水通路２６を介して容積部材２４に流れ込んでしまう可能性がある。従って、車両の実際の前上がり傾斜角が予め設定された車両の許容前上がり傾斜角になっても、冷却水が容積部材２４に流れ込まないようにエキスパンションタンク１９のＭＡＸ液面の高さが決定される。

以上のように、エキスパンションタンク１９の空気室２０に第７冷却水通路２６を介して容積部材２４の拡大空気室２５を連通させたので、エキスパンションタンク１９の設定液面を高くしてターボチャージャ１１のウオータジャケット１６の最上部とのヘッド差を充分に確保し、車両の前上がり傾斜時における冷却水の自然対流を可能にしながら、空気室２０の容積減少を拡大空気室２５の容積で補うことで、調圧弁２８の作動回数を減らして水蒸気の噴出を最小限に抑えることができる。

またターボチャージャ１１のウオータジャケット１６の最上部とエキスパンションタンク１９の設定液面とを結ぶ第１仮想直線Ｌ１の第１傾斜角Ａよりも、第７冷却水通路２６のエキスパンションタンク１９への接続部Ｊ１と第７冷却水通路２６の容積部材２４への接続部Ｊ２とを結ぶ第２仮想直線Ｌ２の第２傾斜角Ｂを等しいか大きく設定したので、ターボチャージャ１１からエキスパンションタンク１９に供給された水蒸気を確実に容積部材２４に導くことができる。

またエキスパンションタンク１９よりも高い位置にあって水蒸気が集まり易い容積部材２４に調圧弁２８を設けたので、エキスパンションタンク１９に調圧弁を設ける場合に比べて圧力調整が行い易くなり、不要な水蒸気の噴出を最小限に抑えることができる。しかも容積部材２４には冷却水が貯留されていないため、調圧弁２８が開弁しても冷却水が噴出する虞がない。

また調圧機能のないキャップ２７でエキスパンションタンク１９を開閉するので、容積部材２４に比べてエンジンルームの前寄りに位置するエキスパンションタンク１９から冷却水を補給することが可能となり、容積部材２４の調圧弁２８から冷却水を補給する場合に比べて作業性が向上する。しかも調圧機能のないキャップ２７は調圧弁に比べて安価であるため、コストダウンに寄与することができる。

また本発明の他の実施の形態として、エキスパンションタンク１９に設けたキャップ２７に代えて、容積部材２４の調圧弁２８よりも開弁設定圧力が高い調圧弁２９をエキスパンションタンク１９に設けることができる。このようにすれば、冷却系に予期せぬ高圧が生じて容積部材２４の調圧弁２８が開弁しただけでは圧力が下がらない場合に、エキスパンションタンク１９の調圧弁２９が開弁して圧力を下げることができる。仮に、エキスパンションタンク１９の調圧弁２９の設定開弁圧力が容積部材２４の調圧弁２８の設定開弁圧力よりも低くい場合には、エキスパンションタンク１９の調圧弁２９が先に開弁するため、容積部材２４の機能を充分に活かすことができなくなってしまう。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではエキスパンションタンク１９および容積部材２４を接続する第７冷却水通路２６が直線状に形成されているが、第７冷却水通路２６は必ずしも直線状である必要はない。

エンジンおよびターボチャージャの冷却系を示す図 エキスパンションタンクのＭＩＮ液面の設定の説明図 エキスパンションタンクのＭＡＸ液面の設定の説明図 第１の従来例を示す図 第２の従来例を示す図

１１ ターボチャージャ
１６ ウオータジャケット
１９ エキスパンションタンク
２０ 空気室
２４ 容積部材
２５ 拡大空気室
２６ 第７冷却水通路（連通部材）
２７ キャップ
２８ 調圧弁
２９ 調圧弁
Ｅ エンジン
Ａ 第１傾斜角
Ｂ 第２傾斜角
Ｊ１ 接続部
Ｊ２ 接続部
Ｌ１ 第１仮想直線
Ｌ２ 第２仮想直線

Claims (5)

1. 車両用のエンジン（Ｅ）のターボチャージャ（１１）を冷却する冷却水の循環経路に、上部に空気室（２０）が区画されたエキスパンションタンク（１９）を配置し、車両の水平状態で前記ターボチャージャ（１１）のウオータジャケット（１６）の最上部よりも車体後上方側に前記エキスパンションタンク（１９）の液面を設定したターボチャージャの冷却装置であって、
   前記エキスパンションタンク（１９）から離間して配置され、該エキスパンションタンク（１９）の空気室（２０）に連通部材（２６）を介して連通する拡大空気室（２５）を有する容積部材（２４）を備え、車両の水平状態で前記連通部材（２６）の前記容積部材（２４）への接続部（Ｊ２）は、前記エキスパンションタンク（１９）の設定液面よりも車体後上方側に位置することを特徴とするターボチャージャの冷却装置。
2. 車両の水平状態で、前記ターボチャージャ（１１）のウオータジャケット（１６）の最上部と前記エキスパンションタンク（１９）の設定液面とを結ぶ第１仮想直線（Ｌ１）が水平面に対して成す第１傾斜角（Ａ）よりも、前記連通部材（２６）の前記エキスパンションタンク（１９）への接続部（Ｊ１）と該連通部材（２６）の前記容積部材（２４）への接続部（Ｊ２）とを結ぶ第２仮想直線（Ｌ２）が水平面に対して成す第２傾斜角（Ｂ）を、等しいかそれ以上に設定したことを特徴とする、請求項１に記載のターボチャージャの冷却装置。
3. 前記容積部材（２４）は、その拡大空気室（２５）を大気に連通させる調圧弁（２８）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のターボチャージャの冷却装置。
4. 前記エキスパンションタンク（１９）は調圧機能のないキャップ（２７）で開閉可能であることを特徴とする、請求項３に記載のターボチャージャの冷却装置。
5. 前記エキスパンションタンク（１９）は前記容積部材（２４）の調圧弁（２８）よりも開弁設定圧力が高い調圧弁（２９）を備えることを特徴とする、請求項３に記載のターボチャージャの冷却装置。

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