JP6186866B2 - エンジンの冷却システム - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの冷却システムに関し、特に、ランキンサイクル装置を用いたエンジンの冷却システムに関する。
従来、エンジンの冷却性能を向上させるために、冷却水循環路にメインラジエータとサブラジエータとを直列又は並列に配置した冷却システムが知られている。このような冷却システムでは、エンジンで加熱された冷却水をメインラジエータで冷却した後、サブラジエータでさらに冷却してインタークーラ等に導入している。
特開２００８−３８８９１号公報 特開２０１１−１９０７４３号公報
近年、エンジンの高出力化に伴い、特に登り坂走行時等の高負荷運転時はラジエータに高い冷却性能が求められている。冷却性能のさらなる向上を図るためには、ラジエータやファンの大型化が必要になるが、車載レイアウト、設置スペース等の制約から難しい状況にある。そのため、ラジエータやファンの能力不足を考慮して、いわゆるオーバヒートプロテクション（ＯＨＰ）を設定しなければならない課題がある。
本発明の目的は、冷却水の廃熱を効果的に回収しつつ、冷却性能を向上することができるエンジンの冷却システムを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のエンジンの冷却システムは、作動流体を封入した循環流路に、作動流体を加熱する第一熱交換器、加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張された作動流体を冷却する第二熱交換器、冷却された作動流体を圧送するコンプレッサが順に配置されたランキンサイクル装置と、エンジンのシリンダブロック内に形成された第一冷却水流路と、前記第一冷却水流路で加熱された冷却水を外気で冷却するメインラジエータと、前記メインラジエータで冷却された冷却水を外気でさらに冷却するサブラジエータと、前記第一冷却水流路の下流端から、前記第一熱交換器、前記メインラジエータを経由して、前記第一冷却水流路の上流端に接続されると共に、冷却水を圧送するポンプが設けられた第二冷却水流路と、前記メインラジエータよりも下流側の第二冷却水流路から分岐すると共に、前記サブラジエータ、吸気を冷却するインタークーラを経由して、前記第二冷却水流路に接続された第三冷却水流路と、前記サブラジエータよりも下流側の第三冷却水流路から分岐すると共に、前記第二熱交換器を経由して、前記第一熱交換器よりも下流側の第二冷却水流路に接続された第四冷却水流路と、を備えることを特徴とする。
また、エンジンの吸気系と排気系とを接続する環流排気流路に設けられて環流排気を冷却水で冷却する環流排気クーラと、前記メインラジエータよりも下流側の第二冷却水流路から分岐すると共に、前記環流排気クーラを経由して、前記第一熱交換器よりも上流側の第二冷却水流路に接続された第五冷却水流路と、をさらに備えるものであってもよい。
また、前記第二冷却水流路が、前記第一熱交換器を経由する前に前記環流排気クーラを経由するものであってもよい。
本発明のエンジンの冷却システムによれば、冷却水の廃熱を効果的に回収しつつ、冷却性能を向上することができる。
本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却システムを示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係るエンジンの冷却システムを示す模式的な全体構成図である。 他の実施形態に係るエンジンの冷却システムを示す模式的な全体構成図である。
以下、図１に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却システムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
まず、本実施形態に係る冷却システムが適用された吸排気系の全体構成から説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の吸気マニホールド１０ａには吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気通路１２が接続されている。吸気通路１１には、吸気上流側から順に、過給機のコンプレッサ１３、吸気を冷却するインタークーラ１４が配置され、排気通路１２には、過給機のタービン１５が配置されている。また、エンジン１０には、排気の一部を吸気系に再循環する排気環流装置（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲ装置）２０が設けられている。
ＥＧＲ装置２０は、排気通路１２と吸気通路１１とを連通するＥＧＲ流路２１に、第１ＥＧＲクーラ２２、第２ＥＧＲクーラ２３、ＥＧＲバルブ２４を順に配置して構成されている。第１ＥＧＲクーラ２２、及び、第２ＥＧＲクーラ２３には、後述するＥＧＲクーラ用流路３８が接続されており、ＥＧＲガスをエンジン１０の冷却水で冷却する。
次に、本実施形態に係る冷却システムの全体構成を説明する。
図１に示すように、冷却水回路は、ウォータジャケット等を有するシリンダブロック内流路３１、メインラジエータ３２が介設されたメイン流路３３、メイン流路３３から分岐する加熱用流路３４、メインラジエータ３２を迂回するバイパス流路３５、サブラジエータ３６とインタークーラ１４とが介設されたサブ流路３７、第１ＥＧＲクーラ２２と第２ＥＧＲクーラ２３とが介設されたＥＧＲクーラ用流路３８、サブ流路３７から分岐する冷却用流路３９を備え構成されている。
なお、本実施形態において、シリンダブロック内流路３１は本発明の第一冷却水流路、メイン流路３３及び加熱用流路３４は本発明の第二冷却水流路、サブ流路３７は本発明の第三冷却水流路、冷却用流路３９は本発明の第四冷却水流路、ＥＧＲクーラ用流路３８は本発明の第五冷却水流路に相当する。
メインラジエータ３２は、公知の構造であって、その背面には外気を送風するファン４０が設けられている。メインラジエータ３２は、シリンダブロック内流路３１で昇温された冷却水を外気と熱交換することで冷却する。
メイン流路３３は、シリンダブロック内流路３１の出口部（下流端）から、メインラジエータ３２を経由してシリンダブロック内流路３１の入口部（上流端）に接続されている。このメイン流路３３には、メインラジエータ３２よりも上流側にサーモスタット４１、メインラジエータ３２よりも下流側に冷却水ポンプ４２が設けられている。冷却水ポンプ４２で圧送される冷却水は、エンジン１０の暖機時はバイパス流路３５を流れ、暖機が完了するとメインラジエータ３２を流れるように構成されている。
加熱用流路３４は、バイパス流路３５よりも下流側のメイン流路３３から、後述するエバポレータ５２を経由した後、メインラジエータ３２よりも上流側のメイン流路３３に接続されている。
サブラジエータ３６は、メインラジエータ３２で冷却された冷却水を外気と熱交換することでさらに冷却する。このサブラジエータ３６は、公知の構造であって、冷却水の流路となるチューブ（不図示）が蛇行形成されると共に、蛇行するチューブ間に熱交換用の複数のフィン（不図示）を備え構成されている。
サブ流路３７は、冷却水ポンプ４２よりも下流側のメイン流路３３から分岐して、サブラジエータ３６、インタークーラ１４を経由した後、メインラジエータ３２と冷却水ポンプ４２との間のメイン流路３３に接続されている。また、サブ流路３７には、冷却水温に応じてインタークーラ１４に冷却水を導入させるサーモスタット４３が設けられている。
ＥＧＲクーラ用流路３８は、冷却水ポンプ４２よりも下流側のメイン流路３３と、バイパス流路３５よりも下流側のメイン流路３３とを接続すると共に、第１ＥＧＲクーラ２２、第２ＥＧＲクーラ２３をそれぞれ経由するように分岐して形成されている。なお、ＥＧＲクーラ用流路３８の下流端は、エバポレータ５２よりも下流側の加熱用流路３４に接続されてもよい。
冷却用流路３９は、サブラジエータ３６とインタークーラ１４との間のサブ流路３７から分岐すると共に、後述するコンデンサ５４を経由して、エバポレータ５２よりも下流側の加熱用流路３４に接続されている。
ランキンサイクル装置５０は、公知の構造であって、作動流体を封入した循環流路５１に、エバポレータ５２、膨張機５３、コンデンサ５４、コンプレッサ５５を順に配置して構成されている。なお、本実施形態において、エバポレータ５２は本発明の第一熱交換器、コンデンサ５４は本発明の第二熱交換器に相当する。
エバポレータ５２には、シリンダブロック内流路３１で加熱された冷却水、及び、ＥＧＲクーラ２２，２３で加熱された冷却水が、加熱用流路３４を介して導入される。エバポレータ５２は、加熱用流路３４から導入される高温冷却水と作動流体との間で熱交換することで、作動流体を加熱して気化させる。膨張機５３は、気化された作動流体により駆動するタービン等であって、作動流体の熱エネルギーを動力（回転力）に変換する。この膨張機５３には、発電機６０が接続されている。
コンデンサ５４には、サブラジエータ３６で冷却された冷却水が、冷却用流路３９を介して導入される。コンデンサ５４は、冷却用流路３９から導入される低温冷却水と作動流体との間で熱交換することで、膨張された作動流体を冷却する。コンプレッサ５５は、例えばエンジン１０の動力により駆動されることで、コンデンサ５４で冷却された作動流体をエバポレータ５２に圧送する。
すなわち、ランキンサイクル装置５０は、高温冷却水により加熱されるエバポレータ５２と、低温冷却水により冷却されるコンデンサ５４との温度差を利用して膨張機５３を駆動させることで、冷却水の廃熱を動力として回収する。膨張機５３には発電機６０が接続されているので、回収した動力を電気エネルギーに変換することが可能に構成されている。
次に、本実施形態に係る冷却システムによる作用効果を説明する。
本実施形態の冷却システムでは、シリンダブロック内流路３１やＥＧＲクーラ２２，２３で加熱された高温冷却水は、メイン流路３３、加熱用流路３４を介してランキンサイクル装置５０のエバポレータ５２に導入される。エバポレータ５２に導入された高温冷却水は、作動流体と熱交換されて冷却された後、再びメイン流路３３に戻されてメインラジエータ３２に導入される。すなわち、シリンダブロック内流路３１等で加熱された高温冷却水は、メインラジエータ３２に導入される前に、エバポレータ５２により効果的に冷却されるように構成されている。
したがって、本実施形態の冷却システムによれば、メインラジエータ３２やファン４０等を大型化することなく、冷却性能を確実に向上させることができる。
また、本実施形態の冷却システムでは、サブラジエータ３６で冷却された低温冷却水は、サブ流路３７、冷却用流路３９を介してランキンサイクル装置５０のコンデンサ５４に導入される。コンデンサ５４に導入された低温冷却水は、膨張機５３で膨張された作動流体を冷却する。そして、エバポレータ５２とコンデンサ５４との温度差を利用して膨張機５３が駆動することで、冷却水の廃熱は動力として回収される。さらに、膨張機５３により発電機６０が駆動することで、回収された動力は電気エネルギーに変換されるように構成されている。
したがって、本実施形態の冷却システムによれば、冷却性能を向上させつつ、冷却水の廃熱を効果的に回収して電気エネルギーとして利用することが可能になる。得られた電気エネルギーを用いてエンジン１０の補機類を駆動させれば、エンジン１０の負荷が低減されて、燃費の改善を図ることもできる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、図２に示すように、加熱用流路３４が、エバポレータ５２を経由する前に、ＥＧＲクーラ２２，２３を経由するように構成してもよい。この場合、上述の実施形態よりもエバポレータ５２とコンデンサ５４との温度差が大きくなるため、電気エネルギーへの変換効率をさらに高めることができる。
また、エバポレータ５２とコンデンサ５４との温度差は小さくなるが、上述の実施形態を、図３に示すようなサブラジエータを備えない冷却システムに適用することも可能である。この場合、冷却用流路３９をメインラジエータ３２よりも下流側のメイン流路３３から分岐させればよい。
１０ エンジン
１４ インタークーラ
２０ ＥＧＲ装置
２２ 第１ＥＧＲクーラ
２３ 第２ＥＧＲクーラ
３１ シリンダブロック内流路
３２ メインラジエータ
３３ メイン流路
３４ 加熱用流路
３５ バイパス流路
３６ サブラジエータ
３７ サブ流路
３８ ＥＧＲクーラ用流路
３９ 冷却用流路
５０ ランキンサイクル装置
５１ 循環流路
５２ エバポレータ
５３ 膨張機
５４ コンデンサ
５５ コンプレッサ

Claims (3)

  1. 作動流体を封入した循環流路に、作動流体を加熱する第一熱交換器、加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張された作動流体を冷却する第二熱交換器、冷却された作動流体を圧送するコンプレッサが順に配置されたランキンサイクル装置と、
    エンジンのシリンダブロック内に形成された第一冷却水流路と、
    前記第一冷却水流路で加熱された冷却水を外気で冷却するメインラジエータと、
    前記メインラジエータで冷却された冷却水を外気でさらに冷却するサブラジエータと、
    前記第一冷却水流路の下流端から、前記第一熱交換器、前記メインラジエータを経由して、前記第一冷却水流路の上流端に接続されると共に、冷却水を圧送するポンプが設けられた第二冷却水流路と、
    前記メインラジエータよりも下流側の第二冷却水流路から分岐すると共に、前記サブラジエータ、吸気を冷却するインタークーラを経由して、前記第二冷却水流路に接続された第三冷却水流路と、
    前記サブラジエータよりも下流側の第三冷却水流路から分岐すると共に、前記第二熱交換器を経由して、前記第一熱交換器よりも下流側かつ前記メインラジエータより上流側の第二冷却水流路に接続された第四冷却水流路と、を備えることを特徴とするエンジンの冷却システム。
  2. エンジンの吸気系と排気系とを接続する環流排気流路に設けられて環流排気を冷却水で冷却する環流排気クーラと、
    前記メインラジエータよりも下流側の第二冷却水流路から分岐すると共に、前記環流排気クーラを経由して、前記第一熱交換器よりも上流側の第二冷却水流路に接続された第五冷却水流路と、をさらに備える請求項１に記載のエンジンの冷却システム。
  3. 前記第二冷却水流路が、前記第一熱交換器を経由する前に前記環流排気クーラを経由する請求項２に記載のエンジンの冷却システム。
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