JP5169961B2 - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰冷却と水冷却とを切り替えてエンジンを冷却するエンジンの冷却装置に関する。

液相状態の冷媒は気化する際に潜熱として熱エネルギーを吸収する。この冷媒の気化潜熱として吸収される熱量は、従来から利用されている気化潜熱を利用しない冷却（以下、「水冷却」と称する。）において吸収される熱量と比較して大きい。このため、気化潜熱を利用する冷却（以下、「沸騰冷却」と称する。）は、水冷却と比較して、同量の冷媒でより多くの熱量を回収することができる。すなわち、沸騰冷却は、水冷却の場合と比較して、同一の熱量を冷却するのに必要な冷媒の量を減らすことができる。このような沸騰冷却をエンジンの冷却へ利用することが考えられている。

また、沸騰冷却をエンジンの冷却に採用した場合、廃熱回収装置と組み合わせることにより、冷媒が気化する際にエンジンから回収した熱エネルギーを動力、電力へと変換することができ、エンジンの燃費向上等を図ることができる。このような沸騰冷却のエンジンにおいて、エンジンを冷却することにより発生した蒸気からエネルギーを回収するエンジン廃熱回収システムの一例が特許文献１に開示されている。

特開２００８−２４８７０３号公報

廃熱回収システムにおいて、ウォータジャケット内へ供給された冷媒は、エンジンの廃熱を回収して蒸気となる。この蒸気は過熱器においてさらに熱が与えられ膨張機、例えば、タービンへ送られる。高温の蒸気はタービンの羽根を回転させ、蒸気の熱エネルギーが動力へと変換され、回収される。膨張機を通過した蒸気は、コンデンサにおいて凝縮して液相へと戻り、再度、ウォータジャケット内へ供給される。

ところで、エンジン高負荷時には、エンジンが高温となるため、ウォータジャケット内の冷媒の蒸気化が促進される。このとき、ウォータジャケット内から排出できる蒸気の量より、ウォータジャケット内で気化する蒸気の量が増加することがある。これにより、エンジンのウォータジャケット内に蒸気が充満し、冷媒をウォータジャケット内に供給することができなくなり、エンジンの冷却ができずオーバーヒートを起こすことが考えられる。また、多量に発生する蒸気がコンデンサに到達することとなり、コンデンサの熱交換壁に液体の水が大量に付着し水蒸気の凝縮が妨げられる。これにより、コンデンサの放熱量が減少し蒸気が液体へ凝縮できず、系内の圧が高まり破損するおそれがある。

これらの問題を解決する方法として、高負荷運転時には、沸騰冷却を止めて、水冷却へと切り替えることが考えられる。このように、沸騰冷却から水冷却へ切り替えると、蒸気通路上に配設されているタービンや過熱器に液相冷媒が浸入し、タービンの羽根が破損することや、高温の過熱器が熱歪みにより破損することが考えられる。また、エンジンが停止して廃熱回収システム内の温度が低下すると、蒸気が凝縮して系内の圧力が低下する。このため、通路等の強度の低い部分が潰れることが考えられる。

そこで、本発明は、沸騰冷却と水冷却との切り替えを行うエンジンの冷却装置において、装置を保護し適切な冷却を実現することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明のエンジンの冷却装置は、エンジンの状態に基づいて、エンジンの冷却を沸騰冷却と水冷却との間で切り替えるエンジンの冷却装置において、エンジンの内部に形成され、内部を通過する冷媒がエンジンの廃熱により蒸気化する冷媒通路と、前記冷媒通路と接続されて、前記冷媒通路内で蒸気化した冷媒が流入する蒸気通路と、前記蒸気通路に配設され、蒸気化した冷媒から廃熱のエネルギーを回収する膨張機と、前記冷媒通路へ液相冷媒を供給する供給手段と、前記冷媒通路の下流側において前記膨張機をバイパスするバイパス通路と、前記冷媒通路の下流側において冷媒の流入する通路を前記蒸気通路と前記バイパス通路との間で切り替える流路切替手段と、エンジンの状態に基づいて、前記流路切替手段を切り替える制御手段と、前記蒸気通路を通過した蒸気冷媒を液体へ凝縮し、またはバイパス通路を通過した冷媒を冷却する冷却器と、前記蒸気通路内へ大気を導入する大気導入手段と、を備え、前記制御手段は、エンジンの状態に基づいて沸騰冷却が可能でないと判断すると、前記大気導入手段により、前記蒸気通路内へ大気を導入させることを特徴とする。

このような構成としたことにより、エンジン停止後に温度が低下して、蒸気通路に負圧が生じうる状況で、蒸気通路内へ大気を導入することにより、蒸気通路及び蒸気通路に配置した膨張機を保護することができる。沸騰冷却から水冷却へ切り替える場合、冷却系の配管が冷やされることにより、蒸気の流通する配管において、蒸気が凝縮し、負圧が発生する。本発明の冷却装置は、このような蒸気通路に負圧が生じうる状況において、蒸気通路及び膨張機を保護し、蒸気通路及び膨張機を正常な状態に維持することができる。これにより、適切な冷却を行うとともに、沸騰冷却により発生する蒸気からエンジンの廃熱を回収し、エンジンの運転効率を向上できる。

このようなエンジンの冷却装置において、エンジンの状態が、停止状態、及び水冷却が行われる状態である場合、前記制御手段は、前記流路切替手段により前記冷媒通路を通過した冷媒を前記バイパス通路へ流入させ、前記大気導入手段は、前記蒸気通路へ大気を流入させることを特徴としたエンジンの冷却装置。

このように、沸騰冷却を行わない場合、本発明のエンジンの冷却装置は、バイパス通路へ冷媒を導入し、蒸気通路へ大気を導入することができる。これにより、エンジン停止後の温度低下や水冷却への切り替え時に、蒸気通路内で発生する負圧を抑制し、蒸気通路及び膨張機を保護することができる。また、エンジンが停止している場合、蒸気通路内へ大気を導入し、蒸気の漏洩によるシステム効率の低下を抑制することができる。

本発明は、沸騰冷却と水冷却との切り替えにより発生する蒸気通路内の負圧を抑制し、蒸気通路及び膨張機を保護する。これにより、エンジンを沸騰冷却と水冷却との切り替えにより適切に冷却することができる。

本実施例の冷却装置が組み込まれたエンジンを示した説明図である。 エンジン始動前の冷却装置の状態を示した説明図である。 エンジン始動から沸騰冷却を開始するまでの冷却装置の状態を示した説明図である。 沸騰冷却を行う冷却装置の状態を示した説明図である。 沸騰冷却から水冷却へ切り替えた後の冷却装置の状態を示した説明図である。 エンジン始動時の制御について示したフローである。 沸騰冷却実行時の制御について示したフローである。 等冷媒受熱量のマップを示した説明図である。 水冷却実行時の制御について示したフローである。 エンジン停止時の制御を示したフローである。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の冷却装置１が組み込まれたエンジン２を示した説明図である。エンジン本体３内には、本発明の冷媒通路に相当するウォータジャケット４が形成されている。ウォータジャケット４内の冷媒は、エンジンの廃熱を回収して蒸気化することができる。本実施例の冷却装置１は、沸騰冷却と、水冷却とをエンジンの運転状態に応じて切り替える。

冷却装置１は、第１通路５、第２通路６、三方弁７を備えている。第１通路５は、本発明の蒸気通路に相当する配管であり、ウォータジャケット４の出口と三方弁７とを接続する。この第１通路５には、ウォータジャケット４側から圧力弁８、過熱器９、蒸気タービン１０が順に配設されている。

圧力弁８は、第１通路５のウォータジャケット４側の圧力が大気圧以上の開弁圧で開弁し、ウォータジャケット４側から過熱器９側へ冷媒の流通を許可する。また、この圧力弁８は逆止弁であって、過熱器９側からウォータジャケット４側への冷媒の流通を遮断する。過熱器９は、エンジン本体３における燃料の燃焼により発生した排気ガスを内部に導き、この排気ガスから第１通路５内を通過する蒸気へ熱を伝達させる熱交換器である。この過熱器９を通る蒸気は、排気ガスの熱を回収して高温となる。蒸気タービン１０は本発明の膨張機に相当する。蒸気タービン１０は、高温蒸気により内部に備わる羽根１０ａが回転し、蒸気化した冷媒の持つ熱エネルギーを運動エネルギーへ変換し回収する。この蒸気タービン１０の回転は、例えば、エンジンのクランクシャフトへ伝達され、補助動力として利用することができる。

第２通路６は、第１通路５の圧力弁８の上流側と、三方弁７とを接続する配管である。第２通路６は、本発明のバイパス通路に相当し、ウォータジャケット４内から排出された冷媒が、圧力弁８、過熱器９、蒸気タービン１０をバイパスする。

三方弁７には、第１通路５、第２通路６、第３通路１１が接続されている。三方弁７は、第１通路５と第３通路１１との接続と、第２通路６と第３通路１１との接続とを切り替える。三方弁７と圧力弁８とは、本発明の流路切替手段として機能する。

さらに、冷却装置１は、コンデンサ１２を備えている。コンデンサ１２には、内部を通過する冷媒と熱交換する大気を送る冷却ファン２５が組みつけられている。コンデンサ１２は、本発明の冷却器に相当し、第１通路５を通過した蒸気状態の冷媒を液体へ凝縮し、また、第２通路６を通過した冷媒を冷却する。コンデンサ１２の入口は、第３通路１１により三方弁７と接続されている。また、コンデンサ１２の出口は、第４通路１５によりウォータジャケット４の入口と接続されている。

第４通路１５には、コンデンサ１２側からタンク１３、電動ウォータポンプ１４が順に配置されている。タンク１３は液体状態の冷媒を蓄えるタンクである。電動ウォータポンプ１４は、本発明の供給手段に相当し、タンク１３内の冷媒をウォータジャケット４内へ供給する。

また、第４通路１５のウォータジャケット４の入口直前から第５通路１６が分岐している。第５通路１６の他端は、噴射ノズル１７に接続している。また、第５通路１６には、循環用ウォータポンプ１８が配設されている。噴射ノズル１７は、ウォータジャケット４の上側に配設されて、先端部をウォータジャケット４内部に突き出している。この噴射ノズル１７から液体状態の冷媒がウォータジャケット４内に噴射される。

また、冷却装置１は、リザーブタンク１９、第６通路２０、第７通路２１を備えている。リザーブタンク１９は、タンク１３内の冷媒が不足した際にタンク１３へ供給する冷媒を貯留するタンクである。また、このリザーブタンク１９は大気開放されている。さらに、リザーブタンク１９内は冷媒で充満すること無く、常に、リザーブタンク１９内の下部に冷媒の層が形成され、上部に空気の層が形成されている。第６通路２０は、第１通路５の蒸気タービン１０の下流側とリザーブタンク１９の上部とを接続している。第６通路２０には、第１開閉弁２２が配設されている。第６通路２０は、第１開閉弁２２の開弁状態には、第１通路５内へ大気を導入することができる。第６通路２０及び第１開閉弁２２は、本発明の大気導入手段として機能する。また、第６通路２０は、第１通路５が冷却された場合に、凝縮した冷媒が通過することもできる。第７通路２１は、タンク１３内とリザーブタンク１９内とを連通する。第７通路２１には、第２開閉弁２３が配設されている。

また、冷却装置１はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２４を備えている。ＥＣＵ２４は、本発明の制御手段に相当する。ＥＣＵ２４は、三方弁７、電動ウォータポンプ１４、循環用ウォータポンプ１８、第１開閉弁２２、第２開閉弁２３、冷却ファン２５のそれぞれと電気的に接続されている。ＥＣＵ２４はこれらの機器へ動作状態についての指令信号を送り、その動作を制御する。

本発明の冷却装置１は、ウォータジャケット４内で、エンジン本体３からの発熱を吸収し、蒸気化した冷媒により、蒸気タービン１０を駆動し、蒸気のエネルギーを動力として回収する。蒸気タービン１０を駆動した後、蒸気はコンデンサ１２で凝縮されて、電動ウォータポンプ１４により再びウォータジャケット４内へ供給される。このように、本発明の冷却装置１では、冷媒を媒体としてエンジン２の廃熱を回収するランキンサイクルを形成している。また、本冷却装置１の組み立て時に、三方弁７を第２通路５と第３通路１１とを接続した状態で、第１通路５の圧力弁８から三方弁７までの間と第６通路２０とを除く他の通路内、及びウォータジャケット４内に液体状態の冷媒を充満させる。

次に、冷却装置１の動作について説明する。冷却装置１は、エンジン２の運転状態に応じて、エンジン２の冷却を沸騰冷却または水冷却に切り替える。冷却装置１は、エンジン２内のウォータジャケット４内で冷媒が沸騰可能な状態の場合、沸騰冷却を行う。但し、エンジン２が高負荷で運転される場合等、沸騰冷却でエンジン２の冷却が不足する状態には、冷却装置１は水冷却に切り替える。

初めにエンジン始動前の冷却装置１の状態を説明する。図２はエンジン始動前の冷却装置１の状態を示した説明図である。図２に示すように、第１通路５の圧力弁８から三方弁７までの間と第６通路２０とを除く他の通路内、及びウォータジャケット４内に液体状態の冷媒が充満している。このように、第１通路５の圧力弁８の上流側、すなわち、ウォータジャケット４側は液体状態の冷媒が充満しており、開弁圧以下であるため圧力弁８は閉弁している。三方弁７は、第１通路５が接続する経路を塞ぎ、第２通路６と第３通路１１とを接続している。第１開閉弁２２は開弁状態となっており、第６通路２０内は開通状態である。したがって、第１通路５内は、リザーブタンク１９内の空気の層と連通しており、第１通路５内には空気が流入している。また、リザーブタンク１９内は大気開放されているため、第１通路５内は大気圧に維持されている。このため、負圧により第１通路５を形成する配管が潰れることが抑制されている。なお、エンジン始動前では、第２開閉弁２３は開弁状態となっており、リザーブタンク１９からタンク１３内へ冷媒の移動が可能となっている。また、電動ウォータポンプ１４、循環用ウォータポンプ１８、冷却ファン２５は停止している。

次に、エンジン始動から沸騰冷却を開始するまでの冷却装置１の動作について説明する。図３はエンジン始動から沸騰冷却を開始するまでの冷却装置１の状態を示した説明図である。図３に示すように、始動することによりエンジン本体３において熱が発生しウォータジャケット４内の冷媒へ熱が回収される。ウォータジャケット４内の冷媒が沸騰温度に到達すると蒸気化し、第１通路５へ流入する。ウォータジャケット４内で発生した蒸気が圧力弁８の開弁圧以上となると、圧力弁８が開弁して、第１通路５の圧力弁８よりも下流側へ蒸気化した冷媒が流入する。このとき、三方弁７は、第１通路５が接続する経路を塞ぎ、第２通路６と第３通路１１とを接続している。また、第６通路２０の第１開閉弁２２は開弁状態となっており、第１通路５内は大気開放されている。このため、第１通路５内に充満していた空気がウォータジャケット４内で発生した蒸気に押され、第６通路２０を通過し、リザーブタンク１９へ放出される。冷却装置１はウォータジャケット４内の冷媒の蒸気化が進行し、一定の条件に達すると、後述する制御方法により、電動ウォータポンプ１４の運転を開始する。

また、エンジン２が始動すると、循環用ウォータポンプ１８は運転を開始し、ウォータジャケット４内の冷媒を循環する。循環用ウォータポンプ１８の運転により、噴射ノズル１７から冷媒が噴射される。これにより、燃料の燃焼により高温となり易いエンジン本体３の上部へ冷媒が供給される。なお、沸騰冷却が開始される前では、第２開閉弁２３は開弁状態となっており、リザーブタンク１９からタンク１３内へ冷媒の移動が可能となっている。また、冷却ファン２５は停止している。

次に、沸騰冷却を行う冷却装置１の状態について説明する。図４は沸騰冷却を行う冷却装置１の状態を示した説明図である。ウォータジャケット４内において沸騰冷却を実現できる量の蒸気が発生するようになると、冷却装置１は、第１通路５内を満たしていた空気の全てを排出した後、第１開閉弁２２を閉弁し、沸騰冷却状態へ移行する。このとき、三方弁７は、第２通路６が接続する経路を塞ぎ、第１通路５と第３通路１１とを接続するように切り替えられる。沸騰冷却の状態では、ウォータジャケット４で蒸気化する冷媒は、大気圧よりも高圧であるため、第１通路５の圧力弁８の下流側へ流入する。第１通路５の圧力弁８の下流側に流入した蒸気は、過熱器９で排気ガスから熱を回収し、さらに高温となり、蒸気タービン１０へ流入する。高温の蒸気は蒸気タービン１０で羽根１０ａを回転させ、蒸気の持つエネルギーが動力に変換される。このとき、三方弁７が第１通路５と第３通路１１とを接続し、第１開閉弁２２が閉弁しているので、蒸気タービン１０を通過した蒸気は、第３通路１１へ流入し、コンデンサ１２へ送られる。冷却装置１は、沸騰冷却の状態で冷却ファン２５を運転する。これにより、蒸気状態の冷媒がコンデンサ１２において空気と熱交換し、液体状態へ凝縮される。コンデンサ１２で凝縮した冷媒はタンク１３へ送られる。ウォータポンプ１４は、エンジン２が沸騰冷却を継続するのに適した量の冷媒をウォータジャケット４へ供給する。冷媒の供給量は、ＥＣＵ２４により算出される。

また、沸騰冷却の状態では、循環用ウォータポンプ１８が運転されて、ウォータジャケット４内の冷媒が循環する。また、第２開閉弁２３は閉弁状態となっている。

次に、水冷却時の冷却装置１の状態について説明する。図５は沸騰冷却から水冷却へ切り替えた後の冷却装置１の状態を示した説明図である。冷却装置１は、沸騰冷却から水冷却へ切り替え時に、電動ウォータポンプ１４によるウォータジャケット４への冷媒供給量を増加し、ウォータジャケット４内を液体状態の冷媒で充満させる。このように、ウォータジャケット４側は液体状態の冷媒が充満することにより、第１通路５の圧力弁８の上流側が圧力弁８の開弁圧以下となり、圧力弁８が閉弁する。このとき、三方弁７は、第１通路５が接続する経路を塞ぎ、第２通路６と第３通路１１とを接続する。また、第６通路２０の第１開閉弁２２は開弁状態となる。これにより、第１通路５の圧力弁８の下流側は大気開放される。沸騰冷却時に高温の蒸気が流通していた第１通路５の圧力弁８の下流側は、水冷却に切り替えることにより、蒸気の流入が遮断されるので、徐々に冷却される。これにより、蒸気が凝縮して第１通路５の圧力弁８の下流側は圧力が低下する。圧力の低下した第１通路５の圧力弁８の下流側には第６通路２０を通りリザーブタンク１９から空気が流入する。これにより、第１通路５を形成する配管が負圧により潰れることが抑制される。また、圧力弁８、三方弁７により、液相の冷媒の第１通路５内への流入が妨げられるので、過熱器９、蒸気タービン１０の破損が抑制される。

また、水冷却に切り替えた時点で第２開閉弁２３が開弁し、リザーブタンク１９からタンク１３内へ冷媒の移動を許可する。冷媒装置１は、第１通路５の圧力弁８から三方弁７までの間と第６通路２０とを除く他の通路内、及びウォータジャケット４内に液体状態の冷媒を充満させた後、第２開閉弁２３を閉弁状態とする。この水冷却では、ウォータジャケット４内でエンジン本体３を冷却して昇温した冷媒は、第２通路５を通過してコンデンサ１２へ流入する。水冷却の状態において、冷却ファン２５が運転されており、コンデンサ１２において、液体状態の冷媒が空気と熱交換し、冷却される。コンデンサ１２で凝縮した冷媒はタンク１３へ送られる。なお、水冷却の状態でも、循環用ウォータポンプ１８が運転されて、ウォータジャケット４内の冷媒が循環する。また、この水冷却の状態から沸騰冷却へ移行する場合は、エンジン始動から沸騰冷却を開始するまでの場合と同様の動作を行う。

次に、本実施例の冷却装置１においてＥＣＵ２４により行われる制御について説明する。ＥＣＵ２４は、エンジン始動時、沸騰冷却への切り替え時、水冷却への切り替え時、エンジン停止時において、各装置の動作について制御を行う。

まず、エンジン始動時の制御について説明する。図６はエンジン始動時の制御について示したフローである。このエンジン始動時の制御は、エンジンキーがＯＮとなると開始される。ＥＣＵ２４はステップＳ１１で、三方弁７に第２通路６と第３通路１１とを接続させ、電動ウォータポンプ１４を停止させ、第１開閉弁２２を開弁状態とし、第２開閉弁２３を開弁状態とし、冷却ファン２５を停止させる。この状態は、エンジン停止時の状態であり、エンジン停止時の状態を維持する。

次に、ＥＣＵ２４はステップＳ１２で、ウォータジャケット４内の冷媒温度が沸点以上か否かを判断する。冷媒の沸点は、例えば、ウォータジャケット４内が大気圧であれば１００℃である。冷媒の温度はウォータジャケット４内の水温センサで取得する。または、ウォータジャケット４内の冷媒の温度と相関関係にある他の情報から算出しても良い。ＥＣＵ２４はステップＳ１２でＹｅｓと判断する場合、すなわち、ウォータジャケット４内の冷媒温度が沸点以上である場合、ステップＳ１３へ進む。一方、ＥＣＵ２４はステップＳ１２でＮｏと判断する場合、すなわち、ウォータジャケット４内の冷媒温度が沸点未満である場合、ステップＳ１１へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ１３で、エンジン２の沸騰冷却が可能であるか否かを判断する。沸騰冷却が可能であるかは、例えば、エンジン負荷を１０秒間積算した値が所定値Ｐ０を超えているか否かで判断することできる。エンジン負荷の積算値がＰ０以上である場合、エンジン２が高負荷で運転されていると判断し、沸騰冷却によりエンジン２の冷却が可能でないと判断する。一方、エンジン負荷の積算値がＰ０未満である場合、エンジン２が低中負荷で運転されていると判断し、沸騰冷却によりエンジン２の冷却が可能であると判断する。

ＥＣＵ２４は、ステップＳ１３でＹｅｓと判断する場合、すなわち、エンジン２の沸騰冷却が可能であると判断する場合は、ステップＳ１４へ進む。一方、ＥＣＵ２４は、ステップＳ１３でＮｏと判断する場合、すなわち、エンジン２の沸騰冷却が可能でないと判断する場合は、ステップＳ１５へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ１４で、沸騰冷却の制御へ移行する。ＥＣＵ２４はステップＳ１５で水冷却の制御へ移行する。

次に、沸騰冷却の制御について説明する。図７は沸騰冷却実行時の制御について示したフローである。この沸騰冷却の制御は、エンジン始動の制御に引き続き行われる。

ＥＣＵ２４はステップＳ２１で、電動ウォータポンプ１４の送水量を決定する。ここでは、図８に示すマップより、電動ウォータポンプ１４の送水量を算出する。図８は、等冷媒受熱量のマップを示した説明図である。図８の縦軸はエンジントルクを示し、横軸はエンジン回転数を示している。沸騰冷却実行時のエンジン回転数、及びエンジントルクから、ウォータジャケット４内の冷媒がエンジン本体３から回収する熱量が定まる。この冷媒が回収する熱量が等しい点を結んだのが図８に示す等冷媒受熱量線である。この等冷媒受熱量は等蒸気発生量として換算することができる。図８のマップは予め作成されてＥＣＵ１４により記憶されている。ＥＣＵ２４は、ステップＳ２１の処理で、図８のマップを用いて、エンジン回転数、エンジントルクから蒸気の発生量を換算し、これに相当する冷却水量を電動ウォータポンプ１４の送水量と決定する。ＥＣＵ２４はステップＳ２１の処理を終えると、ステップＳ２２へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２２で、電動ウォータポンプ１４の運転を開始させる。このとき、ＥＣＵ２４は、電動ウォータポンプ１４による送水量がステップＳ２１で決定した送水量となるよう制御する。ＥＣＵ２４はステップＳ２２の処理を終えると、ステップＳ２３へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２３で、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ａ以上であるか否かを判断する。蒸気発生量の積算値ΣＳは、図８のマップで算出される蒸気発生量を所定時間ｔ秒間積算した値である。所定値Ａは、ウォータジャケット４から第１通路５内へ流入する蒸気が、第１通路５内の空気を第６通路２０側へ押し出したときの積算値ΣＳの値である。したがって、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ａ以上である場合、第１通路５内から空気が排出されて、第１通路５内が冷媒の蒸気で満たされる。このように蒸気が流通する通路内から空気を排出するため、ランキンサイクルのシステム内に空気が残存することによるシステム効率の低下を抑制する。

ＥＣＵ２４はステップＳ２３でＹｅｓと判断する場合、すなわち、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ａ以上である場合、ステップＳ２４へ進む。一方、ＥＣＵ２４はステップＳ２３でＹｅｓと判断する場合、すなわち、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ａ未満である場合、ステップＳ２１へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２４で、蒸気発生量の積算値ΣＳの値をリセットし、０とする。ＥＣＵ２４はステップＳ２４の処理を終えるとステップＳ２５へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２５で、第１開閉弁２２を閉弁し、三方弁７に第１通路５と第３通路１１とを接続させる。これにより、第１通路５を通過した蒸気がコンデンサ１２へ流れ込むこととなる。さらに、ＥＣＵ２４はステップＳ２５で、蒸気発生量の積算値ΣＳの積算を開始する。ＥＣＵ２４はステップＳ２５の処理を終えるとステップＳ２６へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２６で、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ｃ以上であるか否かを判断する。ここでは所定値Ｃは、コンデンサ１２内の液体の冷媒を放出するときの積算値ΣＳの値である。したがって、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ｃ以上である場合、コンデンサ１２内に蒸気の冷媒が熱交換するのに十分な空間が生じている。ＥＣＵ２４はステップＳ２６でＹｅｓと判断する場合、すなわち、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ｃ以上である場合、ステップＳ２７へ進む。一方、ＥＣＵ２４はステップＳ２６でＮｏと判断する場合、すなわち、蒸気発生量の積算値ΣＳが所定値Ｃ未満である場合、ステップＳ２５へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２７で、第２開閉弁２３を閉弁し、冷却ファン２５の運転を開始する。これにより、コンデンサ１２において蒸気の冷媒の凝縮が始まり、第３通路１１内、及び蒸気タービン１０の出口側の圧力が低下する。このため、蒸気タービン１０の出口側の圧力と蒸気タービン１０の入口側と圧力との差が増大し、蒸気タービン１０における動力回収が開始される。ＥＣＵ２４はステップＳ２７の処理を終えると、ステップＳ２８へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ２８で、エンジン２の沸騰冷却が可能であるか否かを判断する。ステップＳ２８の処理は、エンジン始動時の制御のステップＳ１３と同様の処理である。このため、詳細な説明は省略する。ＥＣＵ２４はステップＳ２８でＹｅｓと判断する場合、すなわち、エンジン２の沸騰冷却が可能である場合、ステップＳ２７へ進む。一方、ＥＣＵ２４はステップＳ２８でＮｏと判断する場合、すなわち、エンジン２の沸騰冷却が可能でないと判断した場合、ステップＳ２９へ進む。

ＥＣＵはステップＳ２９で水冷却の制御へ移行する。

次に、水冷却の制御について説明する。図９は水冷却実行時の制御について示したフローである。この水冷却の制御は、エンジン始動の制御に引き続き行われる。また、この水冷却の制御は、例えば、１０秒毎のタイミングで実行される。

ＥＣＵ２４は、ステップＳ３１で電動ウォータポンプ１４により冷媒を大量に送水し、第２開閉弁２３を開弁状態とする。水冷却に切り替える状況では、エンジン２が高負荷で運転されているため、エンジン本体３が高温であるため、また、水冷却では、冷媒の潜熱分のみの冷却効果しかないため、ウォータジャケット４内へ大量の冷媒を供給する必要がある。したがって、ステップＳ３１では大量送水を行う。また、水冷却に切り替えたことにより、冷媒の流通する通路内が負圧になる。第２開閉弁２３を開弁することにより、この負圧を利用して、リザーブタンク１９内の液相冷媒をタンク１３側へ吸い込む。この第２開閉弁２３は液相冷媒の移送後閉弁状態となる。ＥＣＵ２４はステップＳ３１の処理を終えるとステップＳ３２へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ３２で、三方弁７に第２通路６と第３通路１１とを接続させ、第１開閉弁２２を開弁状態とする。第２通路６と第３通路１１とが接続されて、第２通路６内に流入した液相の冷媒が、コンデンサ１２へと流れる。したがって、ウォータジャケット４から排出された冷媒は、第１通路５の過熱器９、蒸気タービン１０をバイパスする。また、第１開閉弁２２が開弁したことにより、第１通路５が大気と連通し、第１通路５内へ空気が導入される。これにより、水冷却へ切り替えたことによる負圧で第１通路５を形成する配管が潰れることを抑制する。また、圧力弁８、三方弁７により、液相の冷媒の第１通路５内への流入が妨げられるので、過熱器９、蒸気タービン１０の破損が抑制される。ＥＣＵ２４はステップＳ３２の処理を終えると、ステップＳ３３へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ３３で、ウォータジャケット４内の冷媒の温度が９０℃以下であるか否かを判断する。ＥＣＵ２４はステップＳ３３でＹｅｓと判断した場合、すなわち、ウォータジャケット４内の冷媒の温度が９０℃以下である場合、ステップＳ３４へ進む。一方、ＥＣＵ２４はステップＳ３３でＮｏと判断した場合、すなわち、ウォータジャケット４内の冷媒の温度が９０℃を超えている場合、ステップＳ３１へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ３４で沸騰冷却の制御へ移行する。ウォータジャケット４内の冷媒の温度が９０℃以下であれば、沸騰冷却でエンジン本体３を十分に冷却でき、沸騰冷却が可能であると判断するためである。

次に、エンジン停止時の制御について説明する。図１０は、エンジン停止時の制御を示したフローである。このエンジン停止時の制御は時間割り込み制御であり、例えば、１秒毎のタイミングで実行される。

ＥＣＵ２４はステップＳ４１で、エンジン２が停止状態か否かを判断する。ＥＣＵ２４はステップＳ４１でＹｅｓと判断した場合、すなわち、エンジン２が停止状態であると判断した場合、ステップＳ４２へ進む。一方、ＥＣＵ２４はステップＳ４１でＮｏと判断した場合、すなわち、エンジン２が停止状態でないと判断した場合、ステップＳ４４へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ４２で、三方弁７に第２通路６と第３通路１１とを接続させ、電動ウォータポンプ１４を停止させ、第１開閉弁２２を開弁状態とし、第２開閉弁２３を開弁状態とする。これにより、第１通路５内は大気圧に維持され、負圧により第１通路５を形成する配管が潰れることが抑制される。ＥＣＵ２４はステップＳ４２の処理を終えると、ステップＳ４３へ進む。

ＥＣＵ２４はステップＳ４３で、制御コンピュータを停止し制御を終了する。

一方、ＥＣＵ２４はステップＳ４４で、制御状態を維持したままとする。ＥＣＵ２４はステップＳ４３の処理を終えると制御の処理を終了する。

以上のように、本実施例の冷却装置１は、低中負荷で蒸気の発生量が十分あれば沸騰冷却を行い、沸騰冷却が行えない場合、または、エンジン停止状態では、水冷却を行う。沸騰冷却から水冷却へ切り替える場合、沸騰冷却時に蒸気が流通していた第１通路５へ大気を導入することにより、冷却の切り替えにより発生する第１通路５内の負圧を抑制し、第１通路５、過熱器９及び蒸気タービン１０を保護する。このように装置が保護されることにより、沸騰冷却と水冷却との切り替えによりエンジン２を適切に冷却することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１ 冷却装置
２ エンジン
３ エンジン本体
４ ウォータジャケット
５ 第１通路
６ 第２通路
７ 三方弁
８ 圧力弁
９ 過熱器
１０ 蒸気タービン
１２ コンデンサ
１３ タンク
１４ 電動ポンプ
１９ リザーブタンク
２０ 第６通路
２１ 第７通路
２２ 第１開閉弁
２３ 第２開閉弁
２４ ＥＣＵ
２５ 冷却ファン

Claims (2)

1. エンジンの状態に基づいて、エンジンの冷却を沸騰冷却と水冷却との間で切り替えるエンジンの冷却装置において、
   エンジンの内部に形成され、内部を通過する冷媒がエンジンの廃熱により蒸気化する冷媒通路と、
   前記冷媒通路と接続されて、前記冷媒通路内で蒸気化した冷媒が流入する蒸気通路と、
   前記蒸気通路に配設され、蒸気化した冷媒から廃熱のエネルギーを回収する膨張機と、
   前記冷媒通路へ液相冷媒を供給する供給手段と、
   前記冷媒通路の下流側において前記膨張機をバイパスするバイパス通路と、
   前記冷媒通路の下流側において冷媒の流入する通路を前記蒸気通路と前記バイパス通路との間で切り替える流路切替手段と、
   エンジンの状態に基づいて、前記流路切替手段を切り替える制御手段と、
   前記蒸気通路を通過した蒸気冷媒を液体へ凝縮し、またはバイパス通路を通過した冷媒を冷却する冷却器と、
   前記蒸気通路内へ大気を導入する大気導入手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、エンジンの状態に基づいて沸騰冷却が可能でないと判断すると、前記大気導入手段により、前記蒸気通路内へ大気を導入させることを特徴とするエンジンの冷却装置。
2. 請求項１記載のエンジンの冷却装置において、
   エンジンの状態が、停止状態、及び水冷却が行われる状態である場合、
   前記制御手段は、前記流路切替手段により前記冷媒通路を通過した冷媒を前記バイパス通路へ流入させ、
   前記大気導入手段は、前記蒸気通路へ大気を流入させることを特徴としたエンジンの冷却装置。

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