JP5848906B2

JP5848906B2 - 車両の熱交換装置

Info

Publication number: JP5848906B2
Application number: JP2011156064A
Authority: JP
Inventors: 福田　誠; 誠福田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: JP2013024032A

Description

本発明は、エンジンからの排気ガスとエンジン冷却水とトランスミッションオイルとの間で熱交換を行う車両の熱交換装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、エンジンからの排気ガスの熱を利用して、エンジン、排気浄化触媒、トランスミッションオイルの早期暖気を図る共に、エンジン冷却水によりトランスミッションオイルの過熱を防止するべく熱交換を行う様々な熱交換装置が提案されている。例えば、特開２０１０−１６８９２６号公報（以下、特許文献１）では、エンジンからの排気ガス通路を複数に分岐して形成し、その内の一つの通路にエンジン冷却水との熱交換を行うと共に、エンジンオイルとの熱交換を行う熱交換器を設け、冷えた状態からのエンジン始動開始直後等、排気浄化触媒、及び、エンジンといった車載機器の暖気未完時には、これらを優先してエンジンからの排気ガスと熱交換を行わせて早期に暖気する車両の熱交換装置が開示されている。また、この特許文献１では、オイルクーラが別に設けられており、エンジン冷却水とトランスミッションオイルとの間で熱交換がなされるように構成されている。

特開２０１０−１６８９２６号公報

上述の特許文献１に開示される技術によれば、エンジン始動開始直後等においては、エンジンがエンジンからの排気ガスの熱により早期に暖気されるものの、トランスミッションオイルはオイルクーラによるエンジン冷却水を介しての暖気となるため、エンジンのような早期暖気はできないという問題がある。また、トランスミッションオイルの温度調節を行うためのオイルクーラは、エンジン冷却水とエンジンからの排気ガスとの熱交換を行うための熱交換器とは別体の別部品であり、部品点数が増加するという課題がある。更に、それぞれの部品を配置するためのスペースを確保しなければならず、各部品に対する配管の設計も複雑になるという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エンジンからの排気ガスの熱を有効に利用してエンジン冷却水とトランスミッションオイルの早期暖気を実現でき燃費効率が良く、トランスミッションオイルの過熱も確実に防止してトランスミッション機能の信頼性を維持することができ、部品点数も少なく最小の設置スペースで、シンプルな配管で構成することができる車両の熱交換装置を提供することを目的とする。

本発明の車両の熱交換装置の一態様は、エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却水循環経路と、トランスミッションオイルを循環させるトランスミッションオイル循環経路とを備えた車両において、エンジンからの排気ガスと上記エンジン冷却水との間で直接熱交換する第１の熱交換部と、上記エンジンからの排気ガスと上記トランスミッションオイルとの間で直接熱交換する第２の熱交換部と、上記エンジン冷却水と上記トランスミッションオイルとの間で直接熱交換する第３の熱交換部とを一体に設けた熱交換器を備える。

本発明による車両の熱交換装置によれば、エンジンからの排気ガスの熱を有効に利用してエンジン冷却水とトランスミッションオイルの早期暖気を実現でき燃費効率が良く、トランスミッションオイルの過熱も確実に防止してトランスミッション機能の信頼性を維持することができ、部品点数も少なく最小の設置スペースで、シンプルな配管で構成することが可能となる。

本発明の実施の一形態による、車両の熱交換装置の全体を示す概略構成図である。本発明の実施の一形態による、熱交換器の内部構造説明図であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＸ−Ｘ断面図、図２（ｂ）は熱交換器の断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１において、符号１は車両のエンジンを示し、このエンジン１で発生する駆動力は、連設された自動変速機（トルクコンバータ等も含んで示す）２を介して外部に出力される。

エンジン１に対して、空気は、スロットルバルブ３が設けられた吸気管４、インテークマニホルド５を介してエンジン１内に吸気され、エンジン１からの排気は、エグゾーストマニホルド６を介して排気管７を通じて排気される。

排気管７は、中途部に排気浄化触媒８が介装されており、この排気浄化触媒８の下流側の排気管は、一方の排気管９と他方の排気管１０とに分岐されて構成され、一方の排気管９の中途部には、後述する熱交換器３０が介装され、一方の排気管９の熱交換器３０の下流側部分と他方の排気管１０とが再び合流されて構成されている。

また、本実施の形態によるエンジン１は、エンジン１の排気ガスの一部を吸気系に導入して再循環させるＥＧＲシステム１１が設けられており、一方の排気管９の熱交換器３０の下流側部分と吸気管４に設けられたエンジン制御装置５０により制御されるＥＧＲバルブ１２とがＥＧＲガス通路１３で連接されている。

更に、一方の排気管９のＥＧＲガス通路１３が接続されている部位の下流側と、他方の排気管１０とが合流される部位の間には、例えば、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ１４からの水温信号等に基づいて、エンジン制御装置５０により開閉制御されて、一方の排気管９を通過する排気ガスの流通・遮断を行う抑制手段としての開閉バルブ１５が設けられている。

また、図１において、符号１６は、エンジン冷却水が、図示しないウォータポンプによって循環されるエンジン冷却水循環経路を示し、エンジン１内のウォータジャケット等の水循環路１７を通過したエンジン冷却水は、水通路１８を介してラジエータ１９に流入され、ラジエータ１９により外気と熱交換されて冷却された後、水通路２０を介して水循環路１７に戻され、エンジン１を冷却する。

更に、水循環路１７のエンジン冷却水は、水通路２１を介して熱交換器３０の冷却水入口３１から熱交換器３０内に流入され、熱交換器３０内で熱交換を行った後は、熱交換器３０の冷却水出口３２から、水通路２２を介して水循環路１７に戻されるように構成されている。

尚、符号２３は、例えば、水温センサ１４からの水温信号等に基づいて、エンジン制御装置５０によりＯＮ−ＯＦＦ制御されるラジエータファンを示す。

一方、図１において、符号２５は、自動変速機２のトランスミッションオイルが、図示しないオイルポンプによって循環されるトランスミッションオイル循環経路を示し、自動変速機２のトランスミッションオイルは、オイル通路２６を介して熱交換器３０のオイル入口３３から熱交換器３０内に流入され、熱交換器３０内で熱交換を行った後は、熱交換器３０のオイル出口３４から、オイル通路２７を介して自動変速機２に戻されるように構成されている。

次に、上述の熱交換器３０の構造を、図２で説明する。
熱交換器３０は、上述の一方の排気管９が熱交換器本体３０ａ内で、更に複数の排気管（第１の排気ガス通路群３５ａ、第２の排気ガス通路群３５ｂ）に分岐して流通されて下流へと排気されるように構成されている。

第１の排気ガス通路群３５ａの外側には、自動変速機２からのトランスミッションオイルをオイル入口３３から熱交換器本体３０ａ内に流入してオイル出口３４から熱交換器本体３０ａ外に流出させる、トランスミッションオイルを流通させるオイル流通路３６が設けられて、排気ガスとトランスミッションオイルとの間の熱交換が可能な第２の熱交換部４２が構成されている。

また、第２の排気ガス通路群３５ｂの外側とオイル流通路３６の外側には、エンジン１からのエンジン冷却水を冷却水入口３１から熱交換器本体３０ａ内に流入して冷却水出口３２から熱交換器本体３０ａ外に流出させる、エンジン冷却水を流通させる冷却水通路３７が設けられて、排気ガスとエンジン冷却水との間の熱交換が可能な第１の熱交換部４１が構成されると共に、エンジン冷却水とトランスミッションオイルとの間で熱交換が可能な第３の熱交換部４３が構成されている。

上述のように熱交換器３０を備えて構成される、本発明による熱交換装置の作用を以下説明する。
本発明によるエンジン１では、エンジン冷却水は、エンジン冷却水循環経路１６において図示しないウォータポンプによって循環されて、エンジン１内のウォータジャケット等の水循環路１７を通過したエンジン冷却水は、水通路１８を介してラジエータ１９に流入され、ラジエータ１９により外気と熱交換されて冷却された後、水通路２０を介して水循環路１７に戻され、エンジン１を冷却する。

また、水循環路１７のエンジン冷却水は、図１中の矢印Ｗで示すように、水通路２１を介して熱交換器３０の冷却水入口３１から熱交換器３０内に流入され、熱交換器３０内で熱交換を行った後は、熱交換器３０の冷却水出口３２から、水通路２２を介して水循環路１７に戻される
一方、自動変速機２のトランスミッションオイルは、トランスミッションオイル循環経路２５において図示しないオイルポンプによって循環されて、図１中の矢印Ｏで示すように、自動変速機２からオイル通路２６を介して熱交換器３０のオイル入口３３から熱交換器３０内に流入され、熱交換器３０内で熱交換を行った後は、熱交換器３０のオイル出口３４から、オイル通路２７を介して自動変速機２に戻される。

そして、エンジン１からの排気ガスは、エグゾーストマニホルド６を介して排気管７に排気され、排気浄化触媒８を通過される。これにより、排気浄化触媒８が素早く昇温されて活性化され、排気エミッションが良好に維持される。

冷えた状態からのエンジン始動開始直後等では、エンジン冷却水が低い温度となっており、これが水温センサ１４で検出されてエンジン制御装置５０は、開閉バルブ１５を開状態とし、これによって、排気浄化触媒８を通過した排気ガスは、一方の排気管９と他方の排気管１０とに分岐して流通されるようになる。

この一方の排気管９に流入された排気ガスは、図２に示すように、熱交換器３０の熱交換器本体３０ａ内に流入されて（図２中、矢印Ａiinで示す）、さらに、複数の排気管（第１の排気ガス通路群３５ａ、第２の排気ガス通路群３５ｂ）に分岐して流通されて下流へと排気される（図２中、矢印Ａioutで示す）。

この際、自動変速機２からのトランスミッションオイルは、熱交換器３０のオイル入口３３から熱交換器本体３０ａ内に流入され（図２中、矢印Ｏinで示す）、オイル流通路３６を流通して、第１の排気ガス通路群３５ａ内を流れる排気ガスとトランスミッションオイルとの間で熱交換、すなわち、トランスミッションオイルの昇温が行われ、オイル出口３４から熱交換器本体３０ａ外に流出されて（図２中、矢印Ｏoutで示す）自動変速機２に戻される。このように、本実施の形態によれば、エンジンからの排気ガスによりトランスミッションオイルが早期に昇温されて、オイル粘度が下げられるため、トランスミッションフリクションが低減されて燃費が向上される。

また、エンジン１からのエンジン冷却水は、熱交換器３０の冷却水入口３１から熱交換器本体３０ａ内に流入され（図２中、矢印Ｗinで示す）、冷却水通路３７を流通して、主に、第２の排気ガス通路群３５ｂ内を流れる排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換、すなわち、エンジン冷却水の昇温が行われ、冷却水出口３２から熱交換器本体３０ａ外に流出されて（図２中、矢印Ｗoutで示す）エンジン１に戻される。このように、本実施の形態によれば、エンジンからの排気ガスによりエンジン冷却水が早期に昇温されてエンジン１が昇温され、エンジンオイル粘度が下げられるため、エンジンフリクションが低減されて燃費が向上される。

更に、エンジン冷却水循環経路１６を循環するエンジン冷却水は、ラジエータ１９、及び、エンジン制御装置５０により制御されるラジエータファン２３により温度が一定に保たれるため、熱交換器本体３０ａ内のオイル流通路３６を流通するトランスミッションオイルが過熱したとしても、オイル流通路３６とその外側の冷却水通路３７との間で熱交換が行われて、トランスミッションオイルの熱が回収されて、トランスミッションオイルの油温が一定に保たれる。

そして、水温センサ１４からの水温信号により、エンジン冷却水の温度が予め設定しておいた温度以上となり、エンジン制御装置５０が、排気ガスを用いた暖気は必要ないと判断した場合は、開閉バルブ１５が閉弁されて、一方の排気管９を通過する排気ガスが遮断される。

これにより、高温排気ガスとエンジン冷却水との間の熱交換、及び、高温排気ガスとトランスミッションオイルとの熱交換が中止され、エンジン冷却水とトランスミッションオイルとの熱交換のみが行われるようになる。これにより、エンジン冷却水とトランスミッションオイルの不要な昇温が中止され、トランスミッションオイルの過熱防止の機能（オイルクーラのみの機能）が果たされるようになり、トランスミッションオイルの油温が一定に保たれる。

本実施の形態によれば、トランスミッションオイルは過熱されることなく、常に安定した温度に保たれるため、トランスミッションの信頼性を向上させることが可能となっている。

ところで、一方の排気管９を流れ、或いは、存在する排気ガスは、エンジン冷却水、トランスミッションオイルと熱交換が行われているため、通常の排気ガスよりも熱が低下された状態となっている。このため、エンジン制御装置５０が、ＥＧＲバルブ１２を開弁して、排気ガスをＥＧＲガス通路１３を介して吸気管４に再循環させる際には、通常よりも低温のＥＧＲガス（図１中、矢印ＧEGRで示す）として、吸気管４に吸気されることになる。従って、この低温のＥＧＲガスにより効率良く排気ガス改善の効果を向上させることができるようになっている。

尚、上述の開閉バルブ１５が閉弁されているときに、ＥＧＲバルブ１２が開弁されると、遮断されていた一方の排気管９の排気ガスに流れが生じるが、一般に、ＥＧＲガスの導入は、定速走行時に行われ、また、流量も少ないため、総じて、この排気ガスの流れが熱交換に大きな影響を及ぼすことはない。

このように本実施の形態の車両の熱交換装置によれば、エンジン１からの排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換する第１の熱交換部４１と、エンジン１からの排気ガスとトランスミッションオイルとの間で熱交換する第２の熱交換部４２と、エンジン冷却水とトランスミッションオイルとの間で熱交換する第３の熱交換部４３とを一体に設けた熱交換器３０を備えて構成し、この熱交換器３０は、エンジン１と自動変速機２を排気ガスを用いて早期暖気する熱交換機能としての機能、トランスミッションオイルの過熱を防止するオイルクーラとしての機能、ＥＧＲガスクーラとしての機能を一体に備えて構成した。このため、エンジンからの排気ガスの熱を有効に利用してエンジン冷却水とトランスミッションオイルの早期暖気を実現でき燃費効率が良く、トランスミッションオイルの過熱も確実に防止してトランスミッション機能の信頼性を維持することができ、部品点数も少なく最小の設置スペースで、シンプルな配管で構成することが可能となる。また、ＥＧＲシステム１１も低温のＥＧＲガスにより効率良く排気ガス改善の効果を向上させることができる。

１エンジン
２自動変速機
４吸気管
５インテークマニホルド
６エグゾーストマニホルド
７排気管
８排気浄化触媒
９一方の排気管
１０他方の排気管
１１ＥＧＲシステム
１２ＥＧＲバルブ
１３ＥＧＲガス通路
１４水温センサ
１５開閉バルブ（抑制手段）
１６エンジン冷却水循環経路
１７水循環路
１８水通路
１９ラジエータ
２０水通路
２１水通路
２２水通路
２３ラジエータファン
２５トランスミッションオイル循環経路
２６オイル通路
２７オイル通路
３０熱交換器
３０ａ熱交換器本体
３１冷却水入口
３２冷却水出口
３３オイル入口
３４オイル出口
３５ａ第１の排気ガス通路群
３５ｂ第２の排気ガス通路群
３６オイル流通路
３７冷却水通路
４１第１の熱交換部
４２第２の熱交換部
４３第３の熱交換部
５０エンジン制御装置

Claims

エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却水循環経路と、トランスミッションオイルを循環させるトランスミッションオイル循環経路とを備えた車両において、
エンジンからの排気ガスと上記エンジン冷却水との間で直接熱交換する第１の熱交換部と、上記エンジンからの排気ガスと上記トランスミッションオイルとの間で直接熱交換する第２の熱交換部と、上記エンジン冷却水と上記トランスミッションオイルとの間で直接熱交換する第３の熱交換部とを一体に設けた熱交換器を備えたことを特徴とする車両の熱交換装置。
上記第１の熱交換部は上記エンジンからの排気ガスが通過する排気ガス通路と上記エンジン冷却水循環経路とが上記熱交換器の本体内部で接することによって形成され、上記第２の熱交換部は上記排気ガス通路と上記トランスミッションオイル循環経路とが上記熱交換器の本体内部で接することによって形成され、上記第３の熱交換部は上記エンジン冷却水循環経路と上記トランスミッションオイル循環経路とが上記熱交換器の本体内部で接することによって形成されることを特徴とする請求項１記載の車両の熱交換装置。
上記エンジンからの排気ガスが通過する排気ガス通路は、複数に分岐して形成したものであって、
上記熱交換器は、本体内部に挿通した第１の排気ガス通路の外側に上記トランスミッションオイル循環経路を設けて上記第２の熱交換部を形成し、本体内部に挿通した第２の排気ガス通路の外側に上記エンジン冷却水循環経路を設けて上記第１の熱交換部を形成すると共に、上記第２の熱交換部の外側に上記エンジン冷却水循環経路を設けて上記第３の熱交換部を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両の熱交換装置。
上記エンジン冷却水の温度が予め設定した温度を超えた場合には、上記熱交換器の本体内部に流入する上記エンジンからの排気ガスを抑制する抑制手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の車両の熱交換装置。