JP5907275B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの排気を吸気系に還流する排気還流機構を備えた内燃機関の冷却装置に関する。
排気還流(EGR)装置は、エンジンからの排気中に含まれる窒素酸化物の低減や燃費向上のために、排気を吸気系に還流する。その際、吸気系に還流する排気(EGRガス)を冷却することで、排気還流(EGR)装置を設けたことによる効果をより高めることができる。
特開2008−106688号公報は、EGRガスを冷却するためのEGRクーラを、ヒータコア内に一体的に設けた排気還流装置を開示している。この装置では、EGRガスが流れる排気還流通路の一部を、エンジンで温められた冷却水が流れるヒータコア内に配置することでEGRクーラを構成し、ヒータコア内で排気還流通路内のEGRガスを冷却する。
ところで、上記装置では、EGRクーラがヒータコア内に配置されていることから、ヒータコアでの放熱量(熱交換量)が、EGRガスの流量、温度等の変化によって変動することになる。EGRガスの流量等は、運転条件によって変動するものであり、そのためヒータコアでの熱交換量が運転条件によって変動することになる。
本発明は、ヒータコアでの放熱量にEGRガスの影響を与えることなく、EGRガスを冷却できるようにすることを目的としている。
本発明の一態様は、エンジンの排気系から取り出した排気をエンジンの吸気系に還流する排気還流通路と、エンジンを冷却する冷却媒体が循環する冷却媒体通路と、冷却媒体通路に設けられ、エンジンを冷却することで温度上昇した冷却媒体を利用して暖房を行うヒータコアと、冷却媒体通路のヒータコアより下流に設けられ、排気還流通路を流れる排気を冷却する排気冷却部と、エンジンとヒータコアとの間の冷却媒体通路に設けられた開閉弁と、エンジンから出た冷却媒体が開閉弁をバイパスして排気冷却部に向けて流れるバイパス通路と、を備える内燃機関の冷却装置である。バイパス通路は、ヒータコアと排気冷却部との間の冷却媒体通路に接続される。ヒータコアを流れた冷却媒体が排気冷却部に流れることで、バイパス通路を流れる冷却媒体の流量がゼロとなった場合に、ヒータコアと排気冷却部とに流れる冷却媒体の流量が同等である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1に示す内燃機関の冷却装置は、内燃機関であるエンジン1(例えば自動車などの車両用のエンジン)を、冷却媒体である冷却水によって冷却する。冷却水は、冷却媒体通路としての冷却水通路3を流れる。冷却水通路3は、エンジン1と、エンジン1に冷却水を送り込むウォータポンプ5と、エンジン1内のウォータジャケット1aを流れて温度上昇した冷却水を、外気との熱交換により冷却するラジエータ7と、が接続された冷却水主通路3aを有している。エンジン1及びラジエータ7を流れた冷却水は、ウォータポンプ5に戻り、ウォータポンプ5によって再びエンジン1に送り込まれて、冷却水主通路3aを循環する。冷却水主通路3aは、主としてエンジン1の上流側ポートとウォータポンプ5の吐出口とを接続する主通路3a1と、エンジン1の下流側ポートと後述する冷却水制御バルブ9の上流側ポートとを接続する主通路3a2と、冷却水制御バルブ9の下流側ポートとラジエータ7の上流側ポートとを接続する主通路3a3と、ラジエータ7の下流側ポートとウォータポンプ5の吸込口とを接続する主通路3a4と、から構成されている。
エンジン1の下流側ポートとラジエータ7の上流側ポートとの間の冷却水主通路3a(主通路3a2と主通路3a3との間)には、プログラム可能コントローラによって制御される開閉弁としての冷却水制御バルブ9が設けられている。冷却水制御バルブ9の上流側ポートには、主通路3a2を介してエンジン1の下流側ポートが接続されている。冷却水制御バルブ9の下流側ポートには、冷却水第1連絡通路3bの一端が接続されている。冷却水第1連絡通路3bの他端は、ウォータポンプ5とラジエータ7との間の主通路3a3に接続されている。冷却水第1連絡通路3bには、ヒータコア11及びEGRクーラ13が、互いに離隔した状態で、冷却水制御バルブ9側からヒータコア11、EGRクーラ13の順で順次接続されている。すなわち、排気冷却部であるEGRクーラ13は、冷却媒体通路(冷却水第1連絡通路3b)のヒータコア11より下流に設けられている。冷却水第1連絡通路3bは、主として冷却水制御バルブ9の下流側ポートとヒータコア11の上流側ポートとを接続する通路3b1と、ヒータコア11の下流側ポートとEGRクーラ13の上流側ポートとを接続する通路3b2と、EGRクーラ13の下流側ポートをウォータポンプ5とラジエータ7との間の主通路3a3に接続する通路3b3と、から構成されている。
ヒータコア11は、通路3b1を介して供給される冷却水と、例えば、空調用のダクト11aを介して供給される空気との間で熱交換を行う装置であり、エンジン1で温められた冷却水がヒータコア11内を流れて上記空気と熱交換するようになっている。熱交換によって温められた空気は、例えば自動車の室内に導入され、室内の暖房に利用される。すなわち、ヒータコア11は、エンジン1を冷却することで温度上昇した冷却水を利用して暖房を行う装置である。ヒータコア11は、例えば、コルゲートチューブなどの冷却水流路壁の周囲に多数のフィンを取り付けて構成されており、このフィンに強制的に空気を当てることにより、冷却水流路壁内を流れる冷却水と空気との間の熱交換を行うようになっている。冷却水流路壁の上流側端部は、ヒータコア11の上流側ポートを構成しており、通路3b1を構成する配管に接続されている。冷却水流路壁の下流側端部は、ヒータコア11の下流側ポートを構成しており、通路3b2を構成する配管に接続されている。
EGRクーラ13は、エンジン1の排気系ESから取り出した排気を吸気系ISに還流する排気還流通路15の途中に設けられ、排気還流通路15を流れる排気(EGRガス)を、冷却水第1連絡通路3bを流れる冷却水によって冷却する装置である。排気還流通路15は、主として排気系ESとEGRクーラ13の上流側ポートとを接続する還流通路15aと、EGRクーラ13の下流側ポートと後述するEGR制御バルブ21の上流側ポートとを接続する還流通路15bと、EGR制御バルブ21の下流側ポートと吸気系ISとを接続する還流通路15cと、から構成されている。EGRクーラ13は、例えば、クーラ本体と、クーラ本体内に設けられた冷却水流路と、クーラ本体内に設けられたEGRガス流路とを有しており、冷却水流路を流れる冷却水とEGRガス流路を流れるEGRガスとが熱交換するようになっている。冷却水流路は、クーラ本体内に固定された冷却水流路壁によって画成されている。冷却水流路壁の上流側端部は、EGRクーラ13の上流側ポートを構成しており、通路3b2を構成する配管に接続されている。冷却水流路壁の下流側端部は、EGRクーラ13の下流側ポートを構成しており、通路3b3を構成する配管に接続されている。EGRガス流路は、クーラ本体内に固定されたEGRガス流路壁によって画成されている。EGRガス流路壁の上流側端部は、EGRクーラ13の上流側ポートを構成しており、還流通路15aを構成する配管に接続されている。EGRガス流路壁の下流側端部は、EGRクーラ13の下流側ポートを構成しており、還流通路15bを構成する配管に接続されている。EGRクーラ13を出た冷却水は、通路3b3及び主通路3a3を流れてウォータポンプ5に戻る。
エンジン1の下流側ポートと冷却水制御バルブ9の上流側ポートとの間の冷却水主通路3a(主通路3a2)には、冷却水第2連絡通路3cの一端が接続されている。冷却水第2連絡通路3cの他端は、ウォータポンプ5と冷却水第1連絡通路3bの下流側端部との間の主通路3a4に接続されている。冷却水第2連絡通路3cには、過給機17、スロットルチャンバ19及びEGR制御バルブ21が、上流側から過給機17、スロットルチャンバ19、EGR制御バルブ21の順で順次接続されている。EGR制御バルブ21は、排気還流通路15を流れるEGRガスの流量を制御する。冷却水第2連絡通路3cは、主として主通路3a2と過給機17の上流側ポートとを接続する通路3c1と、過給機17の下流側ポートとスロットルチャンバ19の上流側ポートとを接続する通路3c2と、スロットルチャンバ19の下流側ポートとEGR制御バルブ21の上流側ポートとを接続する通路3c3と、EGR制御バルブ21の下流側ポートをウォータポンプ5と冷却水第1連絡通路3bの下流側端部との間の主通路3a4に接続する通路3c4と、から構成されている。
また、スロットルチャンバ19とEGR制御バルブ21との間の冷却水第2連絡通路3c(通路3c3)と、ヒータコア11とEGRクーラ13との間の冷却水第1連絡通路3b(通路3b2)とは、バイパス通路3dにより接続されている。エンジン1から出た冷却水は、開閉弁である冷却水制御バルブ9をバイパスして、バイパス通路3dを、排気冷却部であるEGRクーラ13に向けて流れる。
冷却水制御バルブ9の下流側ポートには、さらに冷却水第3連絡通路3eの一端が接続されている。冷却水第3連絡通路3eは、下流側に向けて2つの分岐通路3e1,3e2に分岐している。各分岐通路3e1,3e2の下流側端部は、ラジエータ7の下流側ポートと冷却水第1連絡通路3bの下流側端部との間の冷却水主通路3a(主通路3a4)に接続されている。一方の分岐通路3e1には、エンジン1の潤滑油を冷却するためのエンジンオイルクーラ23が設けられ、他方の分岐通路3e2には、トランスミッションの潤滑油を冷却するためのトランスミッションオイルクーラ25が設けられている。
冷却水制御バルブ9は、開の状態で、冷却水制御バルブ9からその下流側の冷却水主通路3a、冷却水第1連絡通路3b及び冷却水第3連絡通路3e(分岐通路3e1,3e2)に冷却水が流れるようになっている。一方、冷却水制御バルブ9が閉の状態では、冷却水制御バルブ9からその下流側の冷却水主通路3a、冷却水第1連絡通路3b及び冷却水第3連絡通路3eに向けて冷却水が流れないようになっている。また、冷却水制御バルブ9の開閉の状態如何に拘わらず、エンジン1から出た冷却水は、冷却水第2連絡通路3cに流れるようになっている。
次に作用を説明する。ウォータポンプ5から吐出された冷却水は、主通路3a1を介してエンジン1に送り込まれ、エンジン1を冷却する。エンジン1を冷却して温度上昇した冷却水は、主通路3a2、開の状態にある冷却水制御バルブ9及び主通路3a3を介して、ラジエータ7に流れ込み、ラジエータ7で外気と熱交換して冷却され温度低下し、主通路3a4を介してウォータポンプ5に戻る。冷却水制御バルブ9がコントローラによって開の状態に制御されるのは、エンジン1の暖機が完了した状態にあるときである。このとき冷却水は、冷却水制御バルブ9から冷却水第1連絡通路3bにも送られ、ヒータコア11及びEGRクーラ13に供給される。ヒータコア11に供給された冷却水は、室内の暖房に利用され、EGRクーラ13に供給された冷却水は、EGRガスの冷却に利用される。EGRガスの冷却を行った後の冷却水は、ウォータポンプ5に戻る。
また、冷却水制御バルブ9が開の状態では、冷却水は、冷却水第3連絡通路3eの分岐通路3e1,3e2を介して、エンジンオイルクーラ23及びトランスミッションオイルクーラ25に供給され、エンジンオイル及びトランスミッションオイルの冷却に利用される。エンジンオイル及びトランスミッションオイルの冷却を行った後の冷却水も、ウォータポンプ5に戻る。
エンジン1の暖機が完了していない状態では、コントローラによって冷却水制御バルブ9が閉の状態に制御される。この状態においては、冷却水は、冷却水制御バルブ9から冷却水主通路3a、冷却水第1連絡通路3b及び冷却水第3連絡通路3e(分岐通路3e1,3e2)へは流れない。
エンジン1の暖機完了の如何に拘わらず、エンジン1から出た冷却水は、冷却水第2連絡通路3cに流れ、過給機17、スロットルチャンバ19及びEGR制御バルブ21の冷却が必要となる部位を冷却する。スロットルチャンバ19及びEGR制御バルブ21に対しては、バルブを駆動するモータなどの駆動部を冷却する。過給機17、スロットルチャンバ19及びEGR制御バルブ21の冷却を行った後の冷却水もウォータポンプ5に戻る。
また、冷却水第2連絡通路3cに流れ込んだ冷却水は、バイパス通路3d及び通路3b2を介して、EGRクーラ13に供給され、EGRクーラ13においてEGRガスを冷却する。EGRガスの冷却を行った後の冷却水は、ウォータポンプ5に戻る。
このようにして各部を冷却してウォータポンプ5に戻った冷却水は、再度エンジン1に送り込まれて冷却水通路3を循環する。
本実施形態では、冷却水制御バルブ9に接続された冷却水第1連絡通路3bにおいて、EGRクーラ13をヒータコア11の下流に配置している。このため、ヒータコア11での放熱量(熱交換量)は、エンジン1の運転条件によって流量が変化するEGRガスの影響を受けることはなく、エンジン1の運転条件の変化に起因するヒータコア11の放熱量(暖房効果)の変動を抑えることができる。すなわち、本実施形態では、ヒータコア11での放熱量にEGRガスの影響を与えることなく、EGRガスを冷却することができる。
また、本実施形態では、エンジン1とヒータコア11との間の冷却水通路3に設けられた冷却水制御バルブ9と、エンジン1から出た冷却水が冷却水制御バルブ9をバイパスしてEGRクーラ13に向けて流れるバイパス通路3dと、を備えている。このため、冷却水制御バルブ9が故障するなどして完全にまたはほとんど閉じた状態となり、冷却水が、冷却水制御バルブ9から冷却水第1連絡通路3bへ全く流れないもしくは流れにくい状態になったとしても、EGRクーラ13には、冷却水第2連絡通路3cに流入した冷却水が、バイパス通路3dを通して常時流れる。
EGRクーラ13で冷却水が流れずに留まった場合、あるいは極めて少ない状態で流れている場合は、冷却水が沸騰してEGRクーラ13内でエロージョンが発生し、EGRクーラ13の破損を招く。ところが、本実施形態では、バイパス通路3dを設けることで、エンジン稼働中は常時冷却水がEGRクーラ13を流れるようにしているので、EGRクーラ13内でのエロージョンの発生を抑え、EGRクーラ13の破損を回避することができる。
また、本実施形態では、バイパス通路3dの下流側の端部が、ヒータコア11とEGRクーラ13との間の冷却水第1連絡通路3b(通路3b2)に接続されている。これにより、バイパス通路3dを流れる冷却水は、ヒータコア11を通らずに、EGRクーラ13に直接流れ込む。冷却水がヒータコア11を流れた後に、EGRクーラ13に流れるような場合には、ヒータコア11を流れることによる圧損によって、その下流側で冷却水の圧力が低下し、EGRクーラ13に流入する冷却水の流量が減る。
本実施形態のように、バイパス通路3dを流れた冷却水が、ヒータコア11を通らずにEGRクーラ13に直接流れ込むようにすることで、EGRクーラ13への冷却水の供給をより円滑に行うことができる。これにより、上記したエロージョンの発生によるEGRクーラ13の破損をより確実に抑えることができる。
なお、バイパス通路3dの上流側端部の接続箇所は、スロットルチャンバ19とEGR制御バルブ21との間の冷却水第2連絡通路3c(通路3c3)に限らない。バイパス通路3dの上流側端部は、例えば、エンジン1の下流側と冷却水制御バルブ9との間の冷却水主通路3a(主通路3a1)、エンジン1と過給機17との間の冷却水第2連絡通路3c(通路3c1)、過給機17とスロットルチャンバ19との間の冷却水第2連絡通路3c(通路3c2)などに接続してもよい。要するに、バイパス通路3dは、エンジン1から出た冷却水を、冷却水制御バルブ9をバイパスしてEGRクーラ13に向けて流す構成であればよい。
本実施形態にかかる冷却装置を、エンジン1を搭載する自動車などの車両に搭載する場合は、ヒータコア11は、ヒータユニット内に収容配置される。ヒータユニットは、エンジンルームと車室とを隔てる隔壁を構成するダッシュパネルよりも車室側に位置する。従って、仮に、EGRクーラ13をヒータコア11内に配置した場合には、EGRガスをEGRクーラ13(ヒータコア11)に導くためのEGR配管を車室側に設置することが必要になる。この場合、EGR配管を流れる高温のEGRガスによって、ヒータユニットなど他の機器に熱的に悪影響を及ぼす恐れがある。
本実施形態では、EGRクーラ13をヒータコア11内に配置せず、ヒータコア11よりも下流側の冷却水第1連絡通路3bに配置している。このため、EGRクーラ13を、ダッシュパネルよりも、ヒータコア11が位置している車室側ではなく、エンジンルーム側に配置できる。これにより、EGR配管もエンジンルーム側に配置でき、EGR配管を流れる高温のEGRガスによってヒータユニットなど他の機器に熱的に悪影響を及ぼすことを回避することができる。
また、上記したように、EGRクーラ13をヒータコア11内に配置した場合には、EGR配管をエンジンルームから車室にまで延長する必要があり、EGR配管の長さが極めて長いものとなる。本実施形態によれば、EGR配管を、エンジンルームから車室にまで延長せずにエンジンルーム内で納めることができるので、EGR配管を短縮することができ、部品点数、重量、コストを抑制することができる。
また、ヒータコア11とEGRクーラ13とを、要求される冷却水の流量(容量)が同等となるように設定することで、これらヒータコア11及びEGRクーラ13を冷却水がより少ない抵抗で流れるようにし、冷却水の循環をより円滑なものとすることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。例えば、冷却水制御バルブ9を設けずに、エンジン1から流れ出た冷却水が、常にヒータコア11に流入するようにしてもよい。この場合には、バイパス通路3dを省略することができる。
本出願は、2012年9月14日に出願された日本国特許願第2012−202340号に基づく優先権を主張しており、この出願の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明によれば、排気冷却部が冷却媒体通路のヒータコアより下流に設けられているので、ヒータコアでの放熱量がEGRガスによって影響を受けることなく、EGRガスを冷却することができる。
1 エンジン
3 冷却水通路(冷却媒体通路)
3d バイパス通路
9 冷却水制御バルブ(開閉弁)
11 ヒータコア
13 EGRクーラ(排気冷却部)
15 排気還流通路
3 冷却水通路(冷却媒体通路)
3d バイパス通路
9 冷却水制御バルブ(開閉弁)
11 ヒータコア
13 EGRクーラ(排気冷却部)
15 排気還流通路
Claims (1)
- エンジンの排気系から取り出した排気を前記エンジンの吸気系に還流する排気還流通路と、
前記エンジンを冷却する冷却媒体が循環する冷却媒体通路と、
前記冷却媒体通路に設けられ、前記エンジンを冷却することで温度上昇した冷却媒体を利用して暖房を行うヒータコアと、
前記冷却媒体通路の前記ヒータコアより下流に設けられ、前記排気還流通路を流れる排気を冷却する排気冷却部と、
前記エンジンと前記ヒータコアとの間の前記冷却媒体通路に設けられた開閉弁と、
前記エンジンから出た冷却媒体が前記開閉弁をバイパスして前記排気冷却部に向けて流れるバイパス通路と、を備え、
前記バイパス通路は、前記ヒータコアと前記排気冷却部との間の前記冷却媒体通路に接続され、
前記ヒータコアを流れた冷却媒体が前記排気冷却部に流れることで、前記バイパス通路を流れる冷却媒体の流量がゼロとなった場合に、前記ヒータコアと前記排気冷却部とに流れる前記冷却媒体の流量が同等であることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
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2013
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