JP7067420B2

JP7067420B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP7067420B2
Application number: JP2018205314A
Authority: JP
Inventors: 圭佑藤倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2022-05-16
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: JP2020069916A; US20200130501A1; US11052752B2; CN111114297A; CN111114297B

Description

本発明は、過給機のコンプレッサにより圧縮された圧縮空気を冷却する冷却装置に関する。

従来、車両の内燃機関の出力向上を図るため過給機が使用されている。過給機は、排気通路を流れる排気ガスによってタービンを駆動し、タービンと連結されたコンプレッサによって吸気空気を圧縮する。圧縮された吸気空気（以下、圧縮空気と言う）は、インタークーラにより冷却されて内燃機関へ供給される。

インタークーラには、空冷式と水冷式がある。空冷式のインタークーラ（以下、空冷インタークーラとも言う）は、例えば車両前部のエンジンルームに配置され、エンジンルーム前方の開口部から流れ込んでくる走行風が当てられて、内部の圧縮空気が冷却される。特許文献１には、エンジンルーム内へ流れ込む走行風の流量を制御する技術が開示されている。

特開２０１５－２２３９０５号公報

ところで、インタークーラにより圧縮空気が冷却されることで、圧縮空気中に含まれる水蒸気が凝縮してインタークーラ内に凝縮水が発生することがある。空冷インタークーラを搭載した車両が、例えば寒冷地を走行した際には、空冷インタークーラへ冷たい走行風が当てられることにより空冷インタークーラ内の凝縮水が凍結する可能性がある。凝縮水の凍結は、内燃機関へ向かう圧縮空気の通路（吸気通路）を狭くし、或いは塞ぎ、エンジンの動作に支障を生じさせる虞がある。一方で、このような寒冷地の走行であっても、圧縮空気の温度が高い場合には、空冷インタークーラへ走行風を十分に当てて、圧縮空気を冷却する必要がある。

本発明の目的は、過給機のコンプレッサにより圧縮された圧縮空気の冷却を担保しつつ、空冷インタークーラ内で生じる凝縮水の凍結を抑制することができる圧縮空気の冷却装置を提供することにある。

本発明の冷却装置は、過給機のコンプレッサにより圧縮された圧縮空気を冷却する冷却装置であって、前記圧縮空気が通過する空冷インタークーラと、前記インタークーラの前方に設けられ、前記インタークーラへの送風を遮断するグリルシャッタと、前記インタークーラの周囲温度を検出する温度センサと、前記圧縮空気の圧力値を検出する圧力センサと、前記グリルシャッタの開閉を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記温度センサの検出値が零下であり、かつ、前記圧力センサの検出値が、前記インタークーラ内に生じた凝縮水がこの周囲温度で凍結しない状態に保たれる予め定められた圧力値未満である場合には、前記グリルシャッタを閉とする制御を行い、それ以外の場合には、前記グリルシャッタを開とする制御を行う、ことを特徴とする。

本発明によれば、空冷インタークーラの周囲温度が零下であり、かつ、圧縮空気の圧力値が予め定められた圧力値未満でその温度が低いことにより、空冷インタークーラ内に生じた凝縮水が凍結するおそれがある場合には、インタークーラへの送風をグリルシャッタにより遮断するため、凝縮水の凍結を抑制することができる。一方、空冷インタークーラの周囲温度が零下ではなく、または、圧縮空気の圧力値が予め定められた圧力値以上でその温度が高いことにより、空冷インタークーラ内に生じた凝縮水が凍結するおそれがない場合には、グリルシャッタを開いてインタークーラへの送風を遮断しないため、圧縮空気の冷却を担保することができる。

車両のエンジンルームの上面を模式的に示す図であってグリルシャッタが開いた状態を示す図である。車両のエンジンルームの上面を模式的に示す図であってグリルシャッタが閉じた状態を示す図である。グリルシャッタの開閉制御の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下で述べる形状等は、説明のための例示であって、車両の仕様等に合わせて適宜変更が可能である。全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。各図において、矢印ＦＲは車両前方向、矢印ＲＨは車両右方向を示している。

図１は、車両１０のエンジンルーム１２の上面を模式的に示す図である。車両１０の前部に設けられたエンジンルーム１２には、吸気通路６２および排気通路６４に接続された内燃機関１４と、吸気通路６２により内燃機関１４へ導かれる圧縮空気を生成する過給機１６と、過給機１６と内燃機関１４との間の吸気通路６２に配置され、過給機１６からの圧縮空気を冷却する冷却装置２０が配置されている。

過給機１６は、吸気通路６２に設けられたコンプレッサ５０と、排気通路６４に設けられたタービン５４を備える。排気通路６４を流れる排気ガスによってタービン５４が駆動され、タービン５４と連結されたコンプレッサ５０によって吸気空気を圧縮して圧縮空気を生成する。

吸気通路６２には、上流から順に、エアクリーナ６０、過給機１６のコンプレッサ５０、および冷却装置２０の空冷インタークーラ２２が設けられている。不図示の吸気口から吸気された吸気空気は、エアクリーナ６０を通って、コンプレッサ５０で圧縮されて圧縮空気となり、空冷インタークーラ２２を通って冷却されて内燃機関１４へ導かれる。内燃機関１４の燃焼室で、圧縮空気と燃料噴射弁（不図示）から噴射される燃料との混合気が燃焼されて内燃機関１４が駆動し、燃焼後の排気ガスが排気通路６４へ排出される。

排気通路６４には、過給機１６のタービン５４が設けられると共に、タービン５４の上流と下流を結ぶバイパス通路６６が設けられている。バイパス通路６６の途中には、開度が調節されるウェストゲートバルブ６８が設けられている。ウェストゲートバルブ６８の開度を大きくするとバイパス通路６６を流れる排気ガスの量が多くなり、過給機１６のタービン５４へ向かう排気ガスの量が少なくなってコンプレッサ５０の過給圧が低下する。このようにウェストゲートバルブ６８の開度調整を通じて過給圧（圧縮空気の圧力値）の制御が行われる。なお、ウェストゲートバルブ６８の開度は、内燃機関を制御する電子制御装置（エンジンＥＣＵとも言う）により電気的に調整される。

次に、本実施形態の冷却装置２０について詳しく説明する。冷却装置２０は、過給機１６のコンプレッサ５０により圧縮された圧縮空気が通過する空冷インタークーラ２２と、空冷インタークーラ２２の前方に設けられ、空冷インタークーラ２２への送風を遮断するグリルシャッタ２４と、インタークーラ２２の周囲温度を検出する温度センサ２６と、圧縮空気の圧力値を検出する圧力センサ２８と、グリルシャッタ２４の開閉を制御する制御部３０とを備える。

グリルシャッタ２４は、車両１０のボディ８０の前面に形成された開口部８２に配置されており、空冷インタークーラ２２へ向かう車両前方からの走行風Ｗを遮蔽する複数の遮蔽板３６と、複数の遮蔽板３６のそれぞれが固着された複数の回動軸３８を備える。各回動軸３８が回動することで、各遮蔽板３６の角度が車両前後方向に対して略平行となる開位置（図１参照）と、車両前後方向に対して略垂直となる閉位置（図２参照）との間で変化する。図１に示すように各遮蔽板３６の開位置では、走行風Ｗが各遮蔽板３６の間を通ってエンジンルーム１２に入り込み、空冷インタークーラ２２に当たり、空冷インタークーラ２２の冷却能力が高くなる。一方で、図２に示すように各遮蔽板３６の閉位置では、走行風Ｗが各遮蔽板３６により遮蔽されて、エンジンルーム１２に入り込まず、空冷インタークーラ２２に当たらないため、空冷インタークーラ２２の冷却能力が低くなる。グリルシャッタ２４は、各回動軸３８を駆動する不図示のアクチュエータを備え、アクチュエータは、制御部３０の制御信号に従って動作するようになっている。なお、グリルシャッタ２４の開閉機構は、ここで説明した構造に限定されるものではなく、空冷インタークーラ２２への送風有無を切り替えられる限り、種々の構造を適用できる。

温度センサ２６は、温度検出部２６ａを含み、温度検出部２６ａはエンジンルーム１２内の空冷インタークーラ２２に近い位置に配置されて空冷インタークーラ２２の周囲温度を検出する。本実施形態では、温度センサ２６の温度検出部２６ａは、空冷インタークーラ２２の前側に配置されている。温度センサ２６により検出された空冷インタークーラ２２の周囲温度（検出値）は、制御部３０へ出力される。

圧力センサ２８は、圧力検出部２８ａを含み、圧力検出部２８ａは過給機１６のコンプレッサ５０の下流側の吸気通路６２に配置されて、圧縮空気の圧力値を検出する。本実施形態では、圧力センサ２８の圧力検出部２８ａは、空冷インタークーラ２２の下流側の吸気通路６２に配置されている。圧力センサ２８により検出された圧縮空気の圧力値（検出値）は、制御部３０へ出力される。

制御部３０は、コンピュータとして構成された電子制御装置（ＥＣＵ）であり、エンジンＥＣＵと同一のものであってもよいし、エンジンＥＣＵとは別に用意されたＥＣＵであってもよい。制御部３０は、制御用パラメータを記憶する記憶部３２を備え、記憶部３２は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、或いはフラッシュメモリである。制御部３０には、温度センサ２６の検出値と圧力センサ２８の検出値が入力され、制御部３０は、それらの検出値と記憶部３２に記憶された制御用パラメータに基づいてグリルシャッタ２４の開閉を示す制御信号を生成し、グリルシャッタ２４へ出力する。

次に、本実施形態の冷却装置２０のグリルシャッタ２４の開閉制御について説明する。制御部３０は、グリルシャッタ２４の開閉を制御して空冷インタークーラ２２への走行風Ｗの有無を切り替えることにより、空冷インタークーラ２２の冷却能力を変化させる。それにより、空冷インタークーラ２２を通る圧縮空気の冷却を担保しつつ、空冷インタークーラ２２内に生じる凝縮水の凍結を抑制する。図３は、制御部３０が実行するグリルシャッタ２４の開閉制御の流れを示すフローチャートである。制御部３０は、予め定められた周期ｔｃで図３のフローを実行する。

まず、Ｓ１００で、制御部３０は、温度センサ２６の検出値Ｔｄを、記憶部３２に記憶された制御用パラメータである閾値温度（摂氏０℃）と比較し、検出値Ｔｄが摂氏０°以下（零下）であるかを判定する。これは、空冷インタークーラ２２の周囲温度が零下であることにより、空冷インタークーラ２２内に生じた凝縮水が凍結する虞があるか否かについての判定である。

Ｓ１００で、温度センサ２６の検出値Ｔｄが零下ではない場合（Ｓ１００：Ｎｏ）には、Ｓ１０４へ進む。Ｓ１０４で、制御部３０は、グリルシャッタ２４へ「開」を示す制御信号を出力して、グリルシャッタ２４を開く。このように、空冷インタークーラ２２内に生じる凝縮水が凍結する虞がない場合には、グリルシャッタ２４を開き、走行風Ｗを空冷インタークーラ２２へ当てて空冷インタークーラ２２の冷却能力を高める。それにより、圧縮空気を十分に冷却できるようにする。Ｓ１０４の処理完了後、この周期の処理を終了する。

一方、Ｓ１００で、温度センサ２６の検出値Ｔｄが零下である場合（Ｓ１００：Ｙｅｓ）には、Ｓ１０２へ進む。Ｓ１０２で、制御部３０は、圧力センサ２８の検出値Ｐｄを、記憶部３２に記憶された別の制御用パラメータである閾値圧力Ｐｔｈと比較し、検出値Ｐｄが閾値圧力Ｐｔｈ未満であるかを判定する。閾値圧力Ｐｔｈは、空冷インタークーラ２２内に生じた凝縮水が空冷インタークーラ２２の周囲温度が零下の状況において凍結しない状態に保たれる予め定められた圧力値である。過給機１６の過給圧（圧縮空気の圧力）が高くなると、圧縮空気の温度も高くなり、空冷インタークーラ２２の周囲温度が零下であっても、空冷インタークーラ２２内の凝縮水が凍結しない状態に保たれる。そのため、Ｓ１０２では、閾値圧力Ｐｔｈを基準に、空冷インタークーラ２２内に生じた凝縮水が凍結する虞があるか否かについて判定する。なお、閾値圧力Ｐｔｈは、例えば、空冷インタークーラ２２の周囲温度を零下にした状態で、過給圧を徐々に変化させて凝縮水の凍結有無を確認する実験等を通して、予め決定されて、記憶部３２に記憶されている。

Ｓ１０２で、圧力センサ２８の検出値Ｐｄが閾値圧力Ｐｔｈ未満ではない場合（Ｓ１０２：Ｎｏ）、すなわち、検出値Ｐｄが閾値圧力Ｐｔｈ以上である場合には、Ｓ１０４へ進む。Ｓ１０４で、制御部３０は、グリルシャッタ２４へ「開」を示す制御信号を出力して、グリルシャッタ２４を開く。圧縮空気の圧力値Ｐｄが閾値圧力Ｐｔｈ以上である場合には、圧縮空気の温度が高く、空冷インタークーラ２２の周囲温度が零下であっても空冷インタークーラ２２内の凝縮水が凍結する虞がない。一方で、圧縮空気の温度が高いため、それを十分に冷却する必要がある。そのため、グリルシャッタ２４を開き、走行風Ｗを空冷インタークーラ２２へ当てて、空冷インタークーラ２２の冷却能力を高める。それにより、圧縮空気を十分に冷却できるようにする。Ｓ１０４の処理完了後、この周期の処理を終了する。

一方、Ｓ１０２で、圧力センサ２８の検出値Ｐｄが閾値圧力Ｐｔｈ未満である場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）には、Ｓ１０６へ進む。Ｓ１０６で、制御部３０は、グリルシャッタ２４へ「閉」を示す制御信号を出力して、グリルシャッタ２４を閉じる。圧縮空気の圧力値Ｐｄが閾値圧力Ｐｔｈ未満である場合には、圧縮空気の温度が低く、空冷インタークーラ２２内の凝縮水が凍結する虞がある。そのため、グリルシャッタ２４を閉じ、走行風Ｗを空冷インタークーラ２２へ当てないようにして、空冷インタークーラ２２の冷却能力を低くする。それにより、空冷インタークーラ２２内の凝縮水の凍結を抑制する。Ｓ１０６の処理完了後、この周期の処理を終了する。以上説明した図３のフローを、制御部３０は予め定められた周期ｔｃで実行し、グリルシャッタ２４の開閉状態を最適な状態に保つ。

次に、本実施形態の冷却装置２０の作用効果について説明する。本実施形態の冷却装置２０によれば、空冷インタークーラ２２の周囲温度Ｔｄが零下（水の融点である摂氏０℃以下）であり、かつ、圧縮空気の圧力値Ｐｄが予め定められた圧力値Ｐｔｈ未満でその温度が低いことにより、空冷インタークーラ２２内に生じた凝縮水が凍結する虞がある場合には、空冷インタークーラ２２への走行風Ｗをグリルシャッタ２４により遮断する。これにより、空冷インタークーラ２２の冷却能力が低下するため、空冷インタークーラ２２内の凝縮水の凍結を抑制することができる。

一方、空冷インタークーラ２２の周囲温度Ｔｄが零下ではなく、または、圧縮空気の圧力値Ｐｄが予め定められた圧力値Ｐｔｈ以上でその温度が高いことにより、空冷インタークーラ２２内に生じた凝縮水が凍結する虞がない場合には、グリルシャッタ２４を開いて、空冷インタークーラ２２へ走行風Ｗを当てる。これにより、空冷インタークーラ２２の冷却能力が上昇するため、圧縮空気を十分に冷却することができる。このように、本実施形態の冷却装置２０によれば、圧縮空気の冷却を担保しつつ、空冷インタークーラ２２内で生じる凝縮水の凍結を抑制することができる。

１０車両、１２エンジンルーム、１４内燃機関、１６過給機、２０冷却装置、２２インタークーラ（空冷インタークーラ）、２４グリルシャッタ、２６温度センサ、２６ａ温度検出部、２８圧力センサ、２８ａ圧力検出部、３０制御部、３２記憶部、３６遮蔽板、３８回動軸、５０コンプレッサ、５４タービン、６０エアクリーナ、６２吸気通路、６４排気通路、６６バイパス通路、６８ウェストゲートバルブ、８０ボディ、８２開口部。

Claims

過給機のコンプレッサにより圧縮された圧縮空気を冷却する冷却装置であって、
前記圧縮空気が通過する空冷インタークーラと、
前記インタークーラの前方に設けられ、前記インタークーラへの送風を遮断するグリルシャッタと、
前記インタークーラの周囲温度を検出する温度センサと、
前記圧縮空気の圧力値を検出する圧力センサと、
前記グリルシャッタの開閉を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記温度センサの検出値が零下であり、かつ、前記圧力センサの検出値が、前記インタークーラ内に生じた凝縮水がこの周囲温度で凍結しない状態に保たれる予め定められた圧力値未満である場合には、前記グリルシャッタを閉とする制御を行い、それ以外の場合には、前記グリルシャッタを開とする制御を行う、
ことを特徴とする冷却装置。