JP5790038B2 - エンジン冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ラジエータや冷却ファンの小型化が可能となり、冷却水量が低減されるエンジン冷却装置に関する。

図３に示されるように、従来のエンジン冷却装置３１は、ウォータポンプ２の吐出口に接続されてエンジン３を経由するエンジン系冷却水路４と、ウォータポンプ２の吐出口に分岐接続されてＥＧＲクーラ５を経由してエンジン３よりも下流でエンジン系冷却水路４に合流するＥＧＲ系冷却水路６と、エンジン冷却水路４とＥＧＲ冷却水路６の合流端に接続されてラジエータ７を経由してウォータポンプ２の吸入口に至るラジエータ系冷却水路８を備える。

ラジエータ系冷却水路８のラジエータ７とウォータポンプ２との間に、ラジエータサーモスタット９が設置され、ラジエータ７の入口とラジエータサーモスタット９との間でラジエータ７をバイパスするラジエータバイパス冷却水路１０が設置される。

エンジン３には、シリンダヘッドとシリンダブロックの肉厚内に、冷却水が循環されるウォータジャケットが形成される。

ＥＧＲクーラ５は、ＥＧＲガスが通過する細管の周囲に冷却水が導入される構造、あるいは冷却水が導入される細管の周囲をＥＧＲガスが通過する構造を有する。

エンジン冷却装置３１では、ウォータポンプ２により圧送される冷却水が、エンジン冷却水路４とＥＧＲ冷却水路６に分岐して流れる。冷却水は、エンジン３のウォータジャケットを通りエンジン３と熱交換する。また、冷却水は、ＥＧＲクーラ５において、ＥＧＲガスと熱交換する。

エンジン３及びＥＧＲクーラ５において受熱した冷却水は、ラジエータ７において大気と熱交換して冷却され、ウォータポンプ２に戻る。こうして冷却された冷却水が再びウォータポンプ２により圧送されエンジン３及びＥＧＲクーラ５に流れる。

冷間始動時のように冷却水温がラジエータサーモスタット９の切替温度以下のとき、エンジン３やＥＧＲクーラ５から出てきた冷却水は、ラジエータ７には行かずにラジエータバイパス冷却水路１０を通りラジエータサーモスタット９からウォータポンプ２に戻る。これにより、冷却水が早く暖まり、暖機が促進される。暖機達成後は、冷却水温がラジエータサーモスタット９の切替温度を超えるため、エンジン３やＥＧＲクーラ５から出てきた冷却水は、バイパスされることなくラジエータ７を通りラジエータサーモスタット９からウォータポンプ２に戻る。これにより、高温となった冷却水がラジエータ７で放熱される。

特開２００９−２５０１４７号公報

エンジン冷却装置３１では、冷却水に添加剤が添加されていること、及び冷却水が大気圧よりも高圧に加圧されていることから、冷却水の沸点が１０５℃よりも高い温度となっており、常圧で添加剤のない水より沸騰は起きにくい。しかし、仮に、冷却水が沸騰すると、ラジエータ７から蒸気が噴き出したりする状況となり、好ましくない。また、ＥＧＲクーラ５において局部沸騰が起きると、ＥＧＲクーラ５の損傷につながるので、冷却水が一瞬でも沸騰しないよう、沸騰防止対策が重要である。

このような沸騰防止対策のため、エンジン冷却装置３１は、冷却水温が基準温度（例えば、１００℃〜１０５℃）を越えないように構成される。具体的には、夏季の日中など外気温が高いときに急登坂などによるエンジン高負荷状態が継続するような、冷却に不利な状況においても冷却水温が基準温度を越えないことが求められる。

このため、従来は、ラジエータ７やラジエータ７の冷却ファン（図示せず）に、冷却能力に十分余裕がある大型のものが使用される。

しかし、大型の冷却ファンを駆動するためにはエネルギが多く消費されるので、燃費が悪くなる。また、大型のラジエータ７や大型の冷却ファンの重量が重いため、車両の重量が重くなり、燃費が悪くなる。

さらに、ラジエータ７が大型になると、エンジン冷却装置３１に充填される冷却水量が多くなる。このため、冷却水コストが高くなると共に、循環される冷却水量が多くなることでウォータポンプ２の仕事量が増加し、燃費が悪くなる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ラジエータや冷却ファンの小型化が可能となり、冷却水量が低減される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に本発明のエンジン冷却装置は、ウォータポンプの吐出口に接続されてエンジンを経由するエンジン系冷却水路と、前記ウォータポンプの吐出口に分岐接続されてＥＧＲクーラを経由して前記エンジンより下流で前記エンジン冷却水路に合流するＥＧＲ系冷却水路と、前記エンジン冷却水路と前記ＥＧＲ冷却水路の合流端に接続されてラジエータを経由して前記ウォータポンプの吸入口に至るラジエータ系冷却水路とを備えたエンジン冷却装置において、前記エンジンの入口出口間をバイパスするエンジンバイパス冷却水路と、前記エンジンにおける冷却水温が閾値未満のとき前記エンジンバイパス冷却水路には冷却水を通さず、前記エンジンにおける冷却水温が閾値以上のとき前記エンジンバイパス冷却水路に冷却水を通すバイパス開閉手段とを備えたものである。

前記バイパス開閉手段は、前記エンジンバイパス冷却水路に設置されたバイパス弁と、前記エンジンにおける冷却水温を検出する水温センサと、前記水温センサが検出する冷却水温が閾値未満のとき前記バイパス弁を遮断させ、前記水温センサが検出する冷却水温が閾値以上のとき前記バイパス弁を開放させる制御部とを備えてもよい。

前記バイパス開閉手段は、前記エンジンバイパス冷却水路に設置され、冷却水温が閾値未満のとき閉じ、冷却水温が閾値以上のとき開くエンジンバイパスサーモスタットを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ラジエータや冷却ファンの小型化が可能となる。

（２）循環される冷却水量が低減される。

本発明の一実施形態を示すエンジン冷却装置の冷却回路図である。 本発明の他の実施形態を示すエンジン冷却装置の冷却回路図である。 従来のエンジン冷却装置の冷却回路図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るエンジン冷却装置１は、ウォータポンプ２の吐出口に接続されてエンジン３を経由するエンジン系冷却水路４と、ウォータポンプ２の吐出口に分岐接続されてＥＧＲクーラ５を経由してエンジン３より下流でエンジン系冷却水路４に合流するＥＧＲ系冷却水路６と、エンジン冷却水路４とＥＧＲ冷却水路６の合流端に接続されてラジエータ７を経由してウォータポンプ２の吸入口に至るラジエータ系冷却水路８を備える。

ラジエータ系冷却水路８には、ラジエータ７とウォータポンプ２との間に、ラジエータサーモスタット９が設置され、ラジエータ７の入口とラジエータサーモスタット９との間でラジエータ７をバイパスするラジエータバイパス冷却水路１０が設置される。

本実施形態では、エンジン冷却装置１は、エンジン３の入口出口間をバイパスするエンジンバイパス冷却水路１１と、エンジンバイパス冷却水路１１に設置されたバイパス弁１２と、エンジン３における冷却水温を検出する水温センサ１３と、水温センサ１３が検出する冷却水温が閾値未満のときバイパス弁１２を遮断させ、水温センサ１３が検出する冷却水温が閾値以上のときバイパス弁１２を開放させる制御部１４とを備える。

バイパス弁１２、水温センサ１３、制御部１４は、エンジン３における冷却水温が閾値未満のときエンジンバイパス冷却水路１１には冷却水を通さず、エンジン３における冷却水温が閾値以上のときエンジンバイパス冷却水路１１に冷却水を通すバイパス開閉手段１５を構成する。

ウォータポンプ２の内部構造や圧送方式は特定のものに限定されないが、ウォータポンプ２は、吐出側の負荷抵抗が高いと圧送する冷却水の流量（流速）が少なく、吐出側の負荷抵抗が低いと圧送する冷却水の流量（流速）が多くなる特性を有する。バイパス弁１２の開放・遮断による流量調節は、この特性を利用したものである。

バイパス弁１２は、全閉と部分絞り（又は全開）の２状態が制御可能なオンオフ弁でもよいし、全閉から全開まで連続可変制御可能な開度調整弁でもよい。オンオフ弁の場合には、部分絞り（又は全開）状態での開度が設定の値となるよう弁が構成される。開度調整弁の場合は、制御部１４に開度が設定される。

開度は以下の通りに設定されるのが好ましい。ウォータポンプ２の特性により、バイパス弁１２の遮断時にウォータポンプ２が圧送する冷却水量に対して、バイパス弁１２の開放時にウォータポンプ２が圧送する冷却水量は多い。一方、バイパス弁１２が開放されたときにエンジン３とエンジンバイパス冷却水路１１に流れる冷却水量は、ウォータポンプ２の圧送能力、バイパス弁１２を含むエンジンバイパス冷却水路１１の負荷抵抗、エンジン３の負荷抵抗などの兼ね合いで決まる。バイパス弁１２の遮断時にエンジン３に流れる冷却水量に対して、バイパス弁１２の開放時にエンジン３に流れる冷却水量が１／２０〜１／１０程度少なくなるよう、実験等によりバイパス弁１２の開度が設定される。

水温センサ１３は、エンジン３の出口に設置される。エンジン３の出口に水温センサ１３が設置されると、エンジン３内で冷却水が課題の欄で述べた基準温度に達しようとしているかどうかを判断するのに好適である。冷却水温の閾値は、基準温度かそれよりやや低い温度が好ましい。

制御部１４は、電子制御装置（Electronical Control Unit；ＥＣＵ）にソフトウェアとして搭載されるのが好ましい。

以下、エンジン冷却装置１の動作を説明する。

エンジン３内において冷却水が基準温度より低いとき、冷却水が沸騰することはない。そこで、制御部１４は、水温センサ１３が検出する冷却水温が基準温度より低く設定された閾値未満のとき、バイパス弁１２を遮断させる。これにより、ウォータポンプ２が圧送する冷却水は、エンジン系冷却水路４とＥＧＲ系冷却水路６とに分かれて流れ、合流してラジエータ系冷却水路８に流れる。このときエンジン系冷却水路４に流入した冷却水は、全量がエンジン３を通ることは言うまでもない。なお、冷却水温がラジエータサーモスタット９の切替温度以下のときは、冷却水はラジエータバイパス冷却水路１０を通る。

エンジン３が高負荷状態を続けると、冷却水温が上昇する。エンジン３内において冷却水が基準温度に近い高温になると、沸騰を未然に防止する必要がある。制御部１４は、水温センサ１３が検出する冷却水温が閾値以上のとき、バイパス弁１２を開放させる。バイパス弁１２が開放されると、ウォータポンプ２が圧送する冷却水は、エンジン系冷却水路４とＥＧＲ系冷却水路６とに分かれ、さらにエンジン系冷却水路４にてエンジン３とエンジンバイパス冷却水路１１とに分かれて流れる。エンジン３とエンジンバイパス冷却水路１１を流れた冷却水は、合流した後、さらにＥＧＲ系冷却水路６の冷却水と合流してラジエータ系冷却水路８に流れるようになる。

エンジン３においては、流れ込む冷却水量はバイパス弁１２の遮断時より１／２０〜１／１０程度少なくなる。これは、後述するように、バイパス弁１２が開放されると、ウォータポンプ２が圧送する冷却水量は増加するものの、エンジン系冷却水路４に流れ込む冷却水のうち、一部がエンジン３に流れ込まずエンジンバイパス冷却水路１１に流れ込むからである。このように、エンジン３内を通る冷却水量が減少するため、エンジン３自体の温度は上昇する。しかし、エンジン３を構成するシリンダヘッドやシリンダブロックは、温度が一時的に上昇しても直ちに不具合とはならない。エンジン３内を通る冷却水量が減少したことで、エンジン３から冷却水が受熱する熱量が減ることになる。この結果、冷却水によってラジエータ７に運ばれる熱量が少なくなり、ラジエータ７における冷却水温は低下する。

一方、ウォータポンプ２においては、バイパス弁１２の開放前に比べてウォータポンプ２が吐出する冷却水の行き先が増えたことから、吐出しようとする力に対する負荷抵抗が軽くなり、圧送される冷却水の流量（流速）が増加する。具体的には、エンジン３と並列にエンジンバイパス冷却水路１１が加わったことから、エンジン系冷却水路４に流れる冷却水量が増加する。よって、エンジン系冷却水路４とＥＧＲ系冷却水路６とに流れる全体の冷却水量が増加する。このため、ラジエータ系冷却水路８に流れる冷却水の流量がバイパス弁１２の開放前に比べて増加する。

ラジエータ７を通過する冷却水の流量が増加したことから、ウォータポンプ２に戻る冷却水量が増加する。ウォータポンプ２に戻った冷却水のうち、一部は熱源のないエンジンバイパス冷却水路１１を通って受熱しないままラジエータ系冷却水路８に流れ込む。これにより、ラジエータ７に流入する冷却水の温度が下がる。この冷却水がラジエータ７で冷却されるため、ラジエータ７を通過してウォータポンプ２に戻る冷却水温がバイパス弁１２の開放前に比べて低下する。

このようにして、エンジン冷却装置１において循環される冷却水の一部が受熱しないままラジエータ７で再冷却されることで、冷却水の全体が低温となり、この冷却水がエンジン３に流入するので、エンジン３の出口における冷却水温も低下してくる。ＥＧＲクーラ５に流入する冷却水も低温となる。これにより、冷却水の沸騰が未然に防止される。

制御部１４は、水温センサ１３が検出する冷却水温が閾値未満に戻ると、バイパス弁１２を遮断させる。これにより、エンジン３内を通る冷却水量は増加するので、エンジン３から冷却水が受熱する熱量が増加する。しかし、バイパス弁１２が開放されていた間に冷却水温が低下しているので、エンジン３はよく冷却される。引き続きエンジン３が高負荷状態であっても、直ちに冷却水温が閾値以上になることはない。なお、エンジン３において冷却水温が沸点に近づくような高負荷状態が長時間継続することはまれである。もし、高負荷状態が長時間継続するときのバイパス弁遮断・開放のハンチング防止が必要であれば、制御部１４が判定する冷却水温の閾値にヒステリシスを持たせるとよい。

以上説明したように、本発明に係るエンジン冷却装置１によれば、冷却水温が閾値以上のときバイパス弁１２が開放されるので、冷却水温が沸点に近づいてきたとき、エンジンバイパス冷却水路１１を通ってラジエータ７に冷却水が流れて、冷却水が効率よく冷却されるようになり、エンジン３やＥＧＲクーラ５での冷却水の沸騰が未然に防止される。この結果、従来は沸騰防止対策のため大型であることが余儀なくされたラジエータ７や冷却ファンの小型化が可能となり、冷却水量が少なくなることにより、冷却水コストが低減される。

図１のエンジン冷却装置１では、水温センサ１３が冷却水温を検出するので冷却水温の精度が高く、制御部１４からの電子制御によりバイパス弁１２の遮断・開放を行うので応答性がよい。よって、実験等に基づいて閾値を設定しておけば、冷却水温が一瞬でも沸点を超えないようにすることができ、冷却水の沸騰が確実に防止される。

図１の実施形態では、バイパス開閉手段１５がバイパス弁１２、水温センサ１３、制御部１４により構成されたが、バイパス開閉手段１５はラジエータサーモスタット９とは別のサーモスタットで構成されてもよい。

図２に示されるように、エンジン冷却装置２１は、エンジン冷却装置１と同様に、ウォータポンプ２の吐出口に接続されてエンジン３を経由するエンジン系冷却水路４と、ウォータポンプ２の吐出口に分岐接続されてＥＧＲクーラ５を経由してエンジン３より下流でエンジン系冷却水路４に合流するＥＧＲ系冷却水路６と、エンジン冷却水路４とＥＧＲ冷却水路６の合流端に接続されてラジエータ７を経由してウォータポンプ２の吸入口に至るラジエータ系冷却水路８と、エンジン３の入口出口間をバイパスするエンジンバイパス冷却水路１１と、エンジン３における冷却水温が閾値未満のときエンジンバイパス冷却水路１１には冷却水を通さず、エンジン３における冷却水温が閾値以上のときエンジンバイパス冷却水路１１に冷却水を通すバイパス開閉手段１５とを備える。

バイパス開閉手段１５は、エンジンバイパス冷却水路１１に設置され、冷却水温が閾値未満のとき閉じ、冷却水温が閾値以上のとき開くエンジンバイパスサーモスタット１６を備える。

エンジンバイパスサーモスタット１６は、エンジンバイパスサーモスタット１６の遮断時にエンジン３に流れる冷却水量に対して、エンジンバイパスサーモスタット１６の開放時にエンジン３に流れる冷却水量が１／２０〜１／１０程度少なくなるよう、実験等により通路の開度が設定される。

エンジン冷却装置２１におけるバイパス開閉手段１５の動作は、エンジン冷却装置１の場合と同様であり、これによってエンジン３やＥＧＲクーラ５での冷却水の沸騰が未然に防止される。

なお、サーモスタットによる制御では、温度に対する精度や応答性が水温センサを使用する電子制御に比べてばらつきが大きいので、冷却水の沸騰が確実に防止されるには、閾値が沸点より十分にマージンのある低い温度に設定されることが望ましい。

１、２１ エンジン冷却装置
２ ウォータポンプ
３ エンジン
４ エンジン系冷却水路
５ ＥＧＲクーラ
６ ＥＧＲ系冷却水路
７ ラジエータ
８ ラジエータ系冷却水路
９ ラジエータサーモスタット
１０ ラジエータバイパス冷却水路
１１ エンジンバイパス冷却水路
１２ バイパス弁
１３ 水温センサ
１４ 制御部
１５ バイパス開閉手段
１６ エンジンバイパスサーモスタット

Claims (3)

1. ウォータポンプの吐出口に接続されてエンジンを経由するエンジン系冷却水路と、
   前記ウォータポンプの吐出口に分岐接続されてＥＧＲクーラを経由して前記エンジンより下流で前記エンジン冷却水路に合流するＥＧＲ系冷却水路と、
   前記エンジン冷却水路と前記ＥＧＲ冷却水路の合流端に接続されてラジエータを経由して前記ウォータポンプの吸入口に至るラジエータ系冷却水路とを備えたエンジン冷却装置において、
   前記エンジンの入口出口間をバイパスするエンジンバイパス冷却水路と、
   前記エンジンにおける冷却水温が閾値未満のとき前記エンジンバイパス冷却水路には冷却水を通さず、前記エンジンにおける冷却水温が閾値以上のとき前記エンジンバイパス冷却水路に冷却水を通すバイパス開閉手段とを備えたことを特徴とするエンジン冷却装置。
2. 前記バイパス開閉手段は、
   前記エンジンバイパス冷却水路に設置されたバイパス弁と、
   前記エンジンにおける冷却水温を検出する水温センサと、
   前記水温センサが検出する冷却水温が閾値未満のとき前記バイパス弁を遮断させ、前記水温センサが検出する冷却水温が閾値以上のとき前記バイパス弁を開放させる制御部とを備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジン冷却装置。
3. 前記バイパス開閉手段は、
   前記エンジンバイパス冷却水路に設置され、冷却水温が閾値未満のとき閉じ、冷却水温が閾値以上のとき開くエンジンバイパスサーモスタットを備えたことを特徴とする請求項１記載のエンジン冷却装置。

Images