JP4789820B2

JP4789820B2 - エンジン冷却装置

Info

Publication number: JP4789820B2
Application number: JP2007020961A
Authority: JP
Inventors: 雅澄吉田; 茂樹木野村
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: JP2008185002A

Description

本発明は、エンジンと排気熱回収器、ＡＴオイル熱交換器及びラジエータとの間で冷媒を循環させるエンジン冷却装置に関する。

近年、豊かな環境を次代に伝えるために、地球規模で様々な環境に対する負荷の低減や環境保全の取り組みが行われている。自動車産業においても環境保全の観点から厳しい燃費規制が実施されており、走行時の燃費改善だけでなくエンジンの始動時、すなわち暖機時においても燃費向上が必要とされている。その方法の一つとして、エンジンが発する熱を利用してオートマチックトランスミッション（以下、ＡＴ）を暖めるものが挙げられる。しかしながら、このエンジンが発する熱は、直接、ＡＴの暖機に利用することが難しいためにエンジン冷却水を介して利用されることから、熱変換効率に大きく依存する。また、エンジンの始動時にはエンジン自体を暖機する必要があることから、ＡＴの暖機時間を短縮すればエンジンの暖機時間が長くなるといったトレードオフの関係となってしまうことも問題となっていた。

このような問題を解決するために、エンジン以外の熱源、例えば電気ヒータ等でエンジンやＡＴを暖機する手法が挙げられる。しかしながら、このようなヒータ等を動作させるには、エンジンが発電した電気を使用しなければならず、結果的に燃費向上につながらない。そこで、従来、廃棄していたエンジンの排気熱を利用することが検討され、エンジンが発する熱を利用すると共に、エンジンの排気熱を利用するための排気熱回収器が実用化されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に係る方法では、ＡＴオイル熱交換器の手前に排気熱回収器等の熱源を設けることにより、ＡＴの暖機時間を短縮する手法がとられている。しかしながら、エンジンから受熱した冷却水をＡＴオイル熱交換器にも循環させているため、そこで熱交換された熱量だけエンジンの暖機時間が長くなってしまう。したがって、その分、暖機時間を要することから暖機時の燃費が悪化してしまう。また、特許文献１と同様に、エンジンと各種熱交換器との間で冷却水流路を分離できない構成としているために、夫々を分離して暖機することができない特許文献２や特許文献３に係るエンジン冷却装置もある。更には、エンジンと電動モータを分離して冷却、或いは暖機可能なように２セットのラジエータを備える構成としているために、構造が複雑となってしまう特許文献４に記載の電気自動車の冷却システムもある。

特開２００２−３４０２８４号公報（段落番号０００８、０００９等）特開２００５−３１５１０６号公報（段落番号００１８等）特開２００５−１６３６４号公報（段落番号００４１等）特開２００４−３３２７４４号公報（段落番号００３９等）

本発明の目的は、上記問題を鑑み、燃費改善に有効なエンジン冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジン冷却装置の特徴は、エンジンと排気熱回収器、ＡＴオイル熱交換器及びラジエータとの間で冷媒を循環させる第１電動ポンプを備え、前記エンジンと前記ラジエータとの間で前記冷媒を循環させる第１流路と、前記エンジンと前記ＡＴオイル熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２流路と、前記エンジンと前記排気熱回収器との間で前記冷媒を循環させる第３流路とを備えると共に、前記第２流路及び前記第３流路に前記冷媒を流通、或いは遮断する弁と、前記弁の遮断時に前記排気熱回収器と前記ＡＴオイル熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第４流路に設けられる第２電動ポンプと、前記エンジンの運転状態に応じて前記弁及び前記第２電動ポンプの動作を制御する制御部と、を備える点にある。

このような構成とすれば、エンジンの暖機時に弁を閉じることにより、エンジンからの冷媒の流入をとめることができる。また、第２電動ポンプを作動することにより冷媒を第４流路に循環させることもできるようになる。したがって、エンジンの暖機とＡＴ及びＡＴオイルとを分離して暖機することにより暖機時間を短縮することが可能となるため、暖機時の燃費を向上させることができる。

また、前記エンジン冷却装置は、前記第２流路及び前記第３流路の前記エンジンから前記冷媒が流出する領域を共通の流出側経路として構成すると共に、前記第２流路及び前記第３流路の前記エンジンへ前記冷媒を流入する領域を共通の流入側経路として構成し、前記弁を前記流出側通路、若しくは前記流入側通路のうち少なくともいずれか一方に配設してある構成とすると好適である。このような構成とすれば、エンジンに対する冷媒の流出側経路及び流入側経路を第２流路と第３流路とに対して夫々共通にすることができるため、弁を一つにして構成を簡略化することができる。したがって、エンジン冷却装置をコンパクトに設計でき、更にはコストダウンが可能となる。

また、前記エンジン冷却装置は、前記制御部が、前記エンジンの暖機時に前記第１電動ポンプを停止するように構成すると好適である。このような構成とすれば、第１電動ポンプの停止に基づいて冷却水の流通を停止することができる。したがって、前記エンジンが発生する熱が冷媒に奪われることがなく、エンジンの暖機を効果的に行うことが可能となる。

更に、前記エンジン冷却装置は、前記制御部が、前記エンジンの暖機後に前記弁を開けると共に、前記第１電動ポンプを作動し、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路との間で前記冷媒を循環するように構成すると好適である。このような構成とすれば、エンジンの暖機がＡＴ及びＡＴオイルの暖機より先に終了した場合には、エンジンから流出する冷媒を使用することにより、ＡＴ及びＡＴオイルを排気熱回収器と共に暖機することができるため、暖機効率が高まる。

また、前記エンジン冷却装置の制御部は、前記エンジンの暖機後に前記第２電動ポンプを停止するように構成しても良い。このような構成とすれば、ある程度ＡＴ及びＡＴオイルが温まった際には、エンジンの熱を利用して暖機することが可能となる。また、ＡＴオイルが十分に温まった後には、高温になっているＡＴオイル熱交換器と排気熱回収器とを逆に冷却することが可能となる。更には、第２電動ポンプを停止することにより、燃費向上にも寄与することできる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のエンジン冷却装置１００の構成を示す概略図である。エンジン１は自動車等を動かすための動力源であり、運転中はガソリン等の燃料を燃焼し熱を発生する。このエンジン１は信頼性向上や燃費向上の観点から温度を常に一定保つことが望まれるが、上記のような燃焼による熱以外にも、外気温度からの影響や、自動車の走行状態等にも依存する。このような要因からエンジン１の温度を一定に保つためにエンジン冷却装置１００が備えられている。

エンジン冷却装置１００は、冷媒となる冷却水を流通させるための第１流路３１と、第２流路３２と、第３流路３３と、第４流路３４とを備える。また、これらの流路に冷却水を循環させるために第１電動ポンプ３と第２電動ポンプ８とが備えられている。

第１流路３１は、エンジン１とラジエータ５との間に冷却水を循環させる流路である。エンジン冷却装置１００は、エンジン１から熱を逃すため、エンジン１とラジエータ５との間で第１電動ポンプ３により冷却水を循環させている。この場合の冷却水の流れは、図２（イ）に示すように、エンジン１からラジエータ入口通路６０を介してラジエータ５に流通させ、ラジエータ５で熱を放出した冷却水はラジエータ出口通路８０を通り第１ポンプ３を介してエンジン１に戻る。また、ラジエータ入口通路６０とラジエータ出口通路８０との間にはバイパス通路７０が設けられる。更に、バイパス通路７０とラジエータ出口通路８０との接続部には、ラジエータ入口通路６０とラジエータ出口通路８０とを流通する冷却水の水量を調節するためのサーモスタット弁４が設けられる。このサーモスタット弁４は、温度によって弁の開度が調節され、制御部１１により温度に関係なく強制的に開弁することも可能である。

サーモスタット弁４が開状態となると、エンジン１から流出した高温の冷却水は一部がバイパス通路７０を流通するが、残りはラジエータ入口通路６０を介してラジエータ５にも流通する。ラジエータ５で熱を放出した冷却水は、ラジエータ出口通路８０を介してエンジン１に戻る。一方、サーモスタット弁４が閉状態となると、エンジン１から流出した高温の冷却水はラジエータ入口通路６０に流通することなくバイパス通路７０を経由してエンジン１に戻る。

第１流路３１においてエンジン１の冷却水出口付近には、エンジン側水温センサ１６が備えられる。このエンジン側水温センサ１６からのセンサ出力を情報取得部１２に入力することにより制御部１１は冷却水の温度を認識することが可能である。第１流路３１に流通する冷却水の温度が、所定の水温以上となれば更に冷却効果を上げるために、制御部１１はファン１３を回転させてラジエータ５を冷やす。このようにして、エンジン冷却装置１００はエンジン１の熱を逃がし、冷却させることができる。

一方、エンジン１の始動時においては、冷めているエンジン１を暖機する必要がある。エンジン１の始動と共に上述のように冷却水をラジエータ５に循環させると、冷却水の放熱効果によりエンジン１が暖まり難く暖機時間が長くなってしまう。したがって、始動時やエンジン１の温度が低い時には第１電動ポンプ３を停止しエンジン１の燃焼熱で暖機する方法がとられる。このようにすると、第１電動ポンプ３が停止しているため、第１流路３１には冷却水が循環することがないため、エンジン１の燃焼熱を冷却水に奪われることなくエンジン１を暖機することができる。エンジン１が所定の温度に達して暖機が終了すると、制御部１１は第１電動ポンプ３を作動させて冷却水を循環させ冷却を開始する。このようにするとエンジン1を効果的に暖機することができる。

エンジン１で得られた動力は、ＡＴ２に伝達される。ＡＴは自動車等の変速方式の一つであり、速度やエンジン回転数に応じて自動的に変速比を切り替える変速機である。エンジン１で得られた動力をＡＴ２が備えるトルクコンバータ（図示せず）を介して各ギヤに伝達するには、作動流体としてＡＴオイルが使用される。また、図示はしないが、ＡＴ２のクラッチやブレーキもこのＡＴオイルの油圧により作動する構成となっている。更には、ＡＴオイルは、各部軸受けや歯車等への潤滑機能も備えている。

ＡＴオイルは、クラッチやブレーキだけでなく軸受けや歯車から発生する摩擦熱や、トルクコンバータ内のＡＴオイル自身の流体摩擦によって発生する熱により、自身の温度が上昇する。更には、温度が上昇しすぎたＡＴオイルによりＡＴ２も過熱されてしまう。そのため、本発明に係るエンジン冷却装置１００は、エンジン１と同じように冷却水によりＡＴ２及びＡＴオイルを冷却することができる。

エンジン冷却装置１００にはＡＴオイル熱交換器７が備えられ、ＡＴ２とＡＴオイル熱交換器７との間をＡＴオイルが流通するように構成される。一方、エンジン冷却装置１００には、エンジン１とＡＴオイル熱交換器７との間で冷却水が循環する第２流路３２が配設されている。第２流路３２は、図２（ロ）に示すようにエンジン１からデバイス入口通路４０、ＡＴオイル熱交換器通路２０、ＡＴオイル熱交換器７、デバイス出口通路５０を介して冷却水が循環するように構成されている。エンジン1とＡＴオイル熱交換器通路２０との間のデバイス入口通路４０には、冷却水の流通、或いは遮断をする弁６が備えられ、その開閉は制御部１１により制御されている。ＡＴオイルを冷却する際は、弁６は開状態にされ、冷却水がＡＴオイル熱交換器通路２０を介してＡＴオイル熱交換器７に流通する。したがって、ＡＴオイルの温度上昇を抑えることができる。

エンジン１は始動時に暖機する必要があることを説明したが、ＡＴ２やＡＴオイルも温まるまではロックアップできなかったりする等の実状から早く暖機することが望まれる。このＡＴオイルの暖機にはエンジン１の排気熱が利用される。この排気熱を利用するためにエンジン冷却装置１００には排気熱回収器９が備えられる。

排気熱回収器９は、エンジン１から排出される高温の排気ガスから熱を回収する装置である。排気熱回収器９には、高温の排気ガスが通過する排気管９０とエンジン１の冷却水が流通する第３流路３３が通され、排気熱回収器９の内部において排気ガスと冷却水との間で熱交換が行われるようになっている。第３流路３３は、図２（ハ）の示すようにエンジン１からデバイス入口通路４０、弁６、排気熱回収器通路３０、第２電動ポンプ８を介して排気熱回収器９に冷却水が流通し、更に、デバイス出口通路５０を介してエンジン１に戻るように構成されている。

ＡＴ２の暖機状況はＡＴオイルの温度から確認することができる。そのＡＴオイルの温度は、ＡＴ２が備えるＡＴオイル温度センサ１０のセンサ出力を情報取得部１２に入力することにより制御部１１はＡＴオイルの温度を認識することができる。制御部１１は、ＡＴオイルの温度が低いと判定した場合には弁６を閉状態とし、エンジン１から第２流路３２と第３流路３３への冷却水の流通を停止させる。したがって、図２（ニ）のようなＡＴオイル熱交換器７と第２電動ポンプ８と排気熱回収器９を介して冷却水が循環する第４流路３４が形成される。この際、弁６の閉弁に合わせて第２電動ポンプ８を作動させることにより、冷却水が排気熱回収器９を流通し温められる。この温められた冷却水をＡＴオイル熱交換器７に流通し、ＡＴオイル熱交換器７に通されるＡＴオイルが温められことにより暖機可能となる。更に、温められたＡＴオイルをＡＴ２に循環させることにより、ＡＴ２を暖機することも可能である。このようにすると、エンジン１とＡＴ２及びＡＴオイルを夫々分離して暖機することにより、エンジン1の暖機中にＡＴ２やＡＴオイルに熱を奪われる、または、ＡＴ２やＡＴオイルの暖機中にエンジン１に熱を奪われることにより夫々の暖機時間が長くなってしまうといった弊害が生じなくなる。したがって、暖機時間を短くすることができるため、燃費を改善することが可能となる。

一方、第４流路３４に循環している冷却水が温まり過ぎると、ＡＴオイル熱交換器７や第２電動ポンプ８や排気熱回収器９の寿命を縮め、遂には故障してしまう可能性がある。そこで、第４流路３４に流通している冷却水の温度を熱交換器側水温センサ１８で監視している。更には、排気ガスにより排気熱回収器９が加熱され破損されることを防止するために、排気熱回収器９の排気出口で排気ガスの温度を測定可能なように排気温度センサ１７が備えられている。この排気温度センサ１７と熱交換器側水温センサ１８のセンサ出力を情報取得部１２に入力することにより制御部１１は夫々の温度を認識することができる。いずれかの温度が所定以上であれば、制御部１１は第２電動ポンプ８を停止すると共に、弁６を開状態としエンジン１からの冷却水を流通させることで、温度を低下させることも可能である。

次に、このエンジン冷却装置１００を使用した暖機及び冷却に関して図３に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、エンジン１が始動されれば（ステップ＃０１：Ｙｅｓ）、エンジン１の始動と共にエンジン１からラジエータ５へ流通する冷却水の温度を測定するためにエンジン側水温センサ１６のセンサ出力が情報取得部１２に入力される（ステップ＃０２）。このセンサ出力に基づいて、制御部１１が適温範囲以下、すなわちエンジン１を暖機する必要があると判定すれば（ステップ＃０３：Ｙｅｓ）、制御部１１は第１電動ポンプ３を作動させることなく停止状態を保つ（ステップ＃０４）。したがって、第１流路３１には冷却水が流通することがないため、エンジン１を燃焼熱により効率良く暖機することができる。

次に、ＡＴオイルの温度を測定するためにＡＴオイル温度センサ１０のセンサ出力が情報取得部１２に入力される（ステップ＃０５）。このセンサ出力に基づいて、制御部１１が適温以下、すなわちＡＴオイルを温める必要があると判定すれば（ステップ＃０６：Ｙｅｓ）、制御部１１は弁６を閉弁し、第２電動ポンプ８を作動させる（ステップ＃０７）。したがって、ＡＴオイル熱交換器７と第２電動ポンプ８と排気熱回収器９とで冷却水が循環する第４流路が形成されることとなる。この状態で、エンジン１から排出される高温の排気ガスが排気管９０を介して排気熱回収器９を通過することにより冷却水が温められる。この処理は、エンジン１が停止されなければ（ステップ＃０８：Ｎｏ）、ステップ＃０２に戻り継続して行われる。このように、排気ガスにより温められた冷却水をＡＴオイル熱交換器７に流通させることで、ＡＴオイル熱交換器７に通されるＡＴオイルを効率よく暖機し、更には、暖機されたＡＴオイルを流通させることによりＡＴ２も暖機することが可能となる。

一方、ステップ＃０６において、ＡＴオイル温度センサ１０のセンサ出力が情報取得部１２に入力され、制御部１１が適温以下でない、すなわちＡＴオイルを温める必要がないと判定すれば（ステップ＃０６：Ｎｏ）、制御部１１は弁６を開状態にし、第２電動ポンプ８を停止状態にする（ステップ＃０９）。その後、エンジン１が停止されなければ（ステップ０８：Ｎｏ）、ステップ＃０２に戻り処理が継続される。このように、第２電動ポンプ８をＡＴオイルの暖機後に停止することにより、燃費を向上することが可能となる。

ステップ＃０３において、エンジン側水温センサ１６のセンサ出力が情報取得部１２に入力され、制御部１１が適温範囲以下でない、すなわちエンジン１を暖機する必要がないと判定すると（ステップ＃０３：Ｎｏ）、制御部１１が第１電動ポンプ３を作動させることにより（ステップ＃１０）、冷却水をバイパス通路７０とラジエータ５とに分流させて温度を下げる。更に、この状態においても、制御部１１が冷却水の温度を下げる必要があると判断すれば、制御部１１はファン１３を回転させてラジエータ５を冷やすことも可能である。その後、制御部１１は弁６を開弁常態にして第２電動ポンプ８を停止させる（ステップ＃０９）。したがって、ＡＴオイル熱交換器７及び排気熱回収器９は、ラジエータ５と共に第１電動ポンプ３により冷却水を循環させられることとなり、エンジン１により温められた冷却水により暖機することが可能となる。このようにして、本エンジン冷却装置１００が、エンジン１、ＡＴ２、及びＡＴオイルを効率良く冷却と暖機とをすることができるため、燃費改善することが可能である。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態において、図１に示すように弁６がエンジン１から冷却水が流出する流出経路に設けられるとして説明したが、これに限らない。弁６をエンジン１へ冷却水が流入する流入経路に設けることも当然に可能である。更には、流出経路及び流入経路共に、備えるように構成することも当然に可能である。

上記実施形態において、エンジン１から冷却水が流出する流出側経路と流入する流入側経路において、夫々第２流路３２と第３流路３３とが一部を共通するように構成されているとして図１に図示したが、これに限らない。エンジン１から第２流路３２と第３流路３３とが夫々共通することなく形成し、その夫々の流路に弁６を設け、更にＡＴオイル熱交換器７と第２電動ポンプ８と排気熱回収器９とを循環する第４流路３４を設ける構成とすることも当然に可能である。このように構成した流路においても、本発明に係るエンジン冷却装置１００と同様の効果を得ることも当然に可能である。

上記実施形態において、第４流路３４の冷却水の流れの向きは特に記載しなかったが、第２電動ポンプ８の配設する方向により、冷却水の流れを時計回り、或いは反時計回りに設定することは当然に可能である。その冷却水の流れの向きは、夫々の装置の配置により効果的に冷却及び暖機することが可能なように決定することは当然に本発明の権利範囲である。

上記実施形態において、ＡＴ２の暖機をＡＴオイル熱交換器７による暖機方法を説明したが、これに限らない。ＡＴ２以外に暖機用の熱を必要とする装置、例えばエンジンオイル熱交換器や暖房用ヒータコア等があれば、これらの装置をＡＴオイル熱交換器７に置き換えることも当然に可能である。更には、これら複数の装置を組み合わせて暖機することも当然に可能である。

上記実施形態において、第２電動ポンプ８は弁６を閉弁した際の第４流路３４に冷却水を循環させるために使用するとして説明したが、これに限らない。例えば、デッドソーク時の排気熱回収器９の異常発熱防止のために冷却水を循環させる動力源として使用することは可能であるし、通常走行時において第１電動ポンプ３が故障した際にはサーモスタット弁４と弁６とを制御することにより緊急時の冷却水循環用ポンプとして使用することも当然に可能である。

エンジン冷却装置の実施形態を示す構成図エンジン冷却装置に流通する冷却水の流路を示す図エンジン冷却装置の制御を示すフローチャート

符号の説明

１：エンジン
２：オートマチックトランスミッション（ＡＴ）
３：第１電動ポンプ
４：サーモスタット弁
５：ラジエータ
６：弁
７：ＡＴオイル熱交換器
８：第２電動ポンプ
９：排気熱回収器
１１：制御部
３１：第１流路
３２：第２流路
３３：第３流路
３４：第４流路
１００：エンジン冷却装置

Claims

エンジンと排気熱回収器、ＡＴオイル熱交換器及びラジエータとの間で冷媒を循環させる第１電動ポンプを備えるエンジン冷却装置であって、
前記エンジンと前記ラジエータとの間で前記冷媒を循環させる第１流路と、前記エンジンと前記ＡＴオイル熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第２流路と、前記エンジンと前記排気熱回収器との間で前記冷媒を循環させる第３流路とを備えると共に、
前記第２流路及び前記第３流路に前記冷媒を流通、或いは遮断する弁と、前記弁の遮断時に前記排気熱回収器と前記ＡＴオイル熱交換器との間で前記冷媒を循環させる第４流路に設けられる第２電動ポンプと、前記エンジンの運転状態に応じて前記弁及び前記第２電動ポンプの動作を制御する制御部と、を備えるエンジン冷却装置。
前記第２流路及び前記第３流路の前記エンジンから前記冷媒が流出する領域を共通の流出側経路として構成すると共に、
前記第２流路及び前記第３流路の前記エンジンへ前記冷媒を流入する領域を共通の流入側経路として構成し、
前記弁を前記流出側通路、若しくは前記流入側通路のうち少なくともいずれか一方に配設してある請求項１に記載のエンジン冷却装置。
前記制御部が、前記エンジンの暖機時に前記第１電動ポンプを停止するように構成している請求項１又は２に記載のエンジン冷却装置。
前記制御部が、前記エンジンの暖機後に前記弁を開けると共に、前記第１電動ポンプを作動し、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路との間で前記冷媒を循環するように構成している請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジン冷却装置。
前記制御部が、前記エンジンの暖機後に前記第２電動ポンプを停止するように構成している請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジン冷却装置。