JP7239024B2

JP7239024B2 - 車両の冷却装置

Info

Publication number: JP7239024B2
Application number: JP2021572711A
Authority: JP
Inventors: 高行濱本; 博文土田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: US20230056691A1; CN114901932B; JPWO2021148829A1; CN114901932A; WO2021148829A1; EP4095366B1; EP4095366A4; EP4095366A1

Description

この発明は、車両に搭載されたエンジンに複数の熱交換器が配置された車両の冷却装置の改良に関する。

近年、エンジン（内燃機関）の燃費や出力の向上を図るために、冷却水の通流で何らかの被冷却媒体の冷却を行う熱交換器の個数が増える傾向にある。例えば、水冷式インタークーラや水冷式ＥＧＲガスクーラ、水冷式コンデンサ、等の水冷式の熱交換器が知られている。

このような水冷式の熱交換器を冷却水回路上で直列となるように配置すると、上流側の熱交換器によって温度上昇した冷却水が下流側の熱交換器に供給されることから、下流側の熱交換器において冷却水の沸騰（気泡の発生）を生じる可能性が高くなる。

特許文献１は、オイルパン内にオイル冷却用パイプを設け、該オイル冷却用パイプに冷却水を通流させる構成を開示しているが、この特許文献１は、複数の熱交換器の配置を開示するものではない。

特開２００３－３４３２６７号公報

この発明に係る車両の冷却装置は、第１熱交換器と第２熱交換器とを備えている。上記第１熱交換器および上記第２熱交換器は、上記第１熱交換器から流出した冷却水が上記第２熱交換器に流入するように冷却水回路上で直列に配置されており、車載状態において、上記第２熱交換器は、上記第１熱交換器の高さ位置よりも相対的に低い位置に配置されている。
上記第１熱交換器は、過給吸気を冷却する水冷式インタークーラであり、上記第２熱交換器は、ＥＧＲガスを冷却する水冷式ＥＧＲガスクーラである。

このような構成では、第１熱交換器と第２熱交換器との高低差による位置エネルギでもって、下流側に位置する第２熱交換器における冷却水圧力が上昇する。従って、それだけ下流側の第２熱交換器における冷却水の沸騰が抑制される。また、エンジンルーム内では、上方ほど雰囲気温度が高いが、冷却水温度が高くなる下流側の第２熱交換器が低い位置にあることで、雰囲気温度に関して有利となる。

この発明の一実施例の冷却装置の構成を車両側方から見たものとして概略的に示した説明図。エンジンを側方から見たものとして２つの熱交換器と中間冷却水通路とを示した説明図。オイルパンにおける中間冷却水通路の構成を示した説明図。オイルパン底壁に中間冷却水通路を一体に形成した例を示す要部断面図。オイルパン底壁に中間冷却水通路を一体に形成した他の例を示す要部断面図。オイルパン底壁に中間冷却水通路を一体に形成したさらに他の例を示す要部断面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施例の冷却装置を車両側方から見たものとして概略的に示した説明図である。ガソリン機関やディーゼル機関等の内燃機関であるエンジン１は、車両のフード２で覆われたエンジンルーム３内に搭載されている。図示例では、エンジン１は、クランクシャフト軸方向が車両の幅方向に沿ったものとなるいわゆる横置き形式に搭載されている。そして、図示を省略した吸気マニホルド等の吸気系が位置する吸気側が車両前方へ向かい、排気マニホルド等の排気系が位置する排気側が車両後方へ向かう配置となっている。また、簡略化して示したように、エンジン１は、シリンダブロック４と、このシリンダブロック４の頂面に取り付けられたシリンダヘッド５と、シリンダブロック４の下面に取り付けられたオイルパン６と、から大略構成されている。シリンダブロック４およびシリンダヘッド５は、内部に図示しないウォータジャケットを有し、このウォータジャケットを通して冷却水が通流する構成となっている。なお、エンジン１は、図示しない過給機詳しくはターボチャージャを備えている。

車両の前端部には、冷却水を外気により冷却するためのラジエータ７が配置されている。ラジエータ７での熱交換により低温となった冷却水は、流量制御可能な電動ポンプからなる冷却水ポンプ８へと矢印Ｗ１で示すように流れ、該冷却水ポンプ８によって矢印Ｗ２で示すようにエンジン１内のウォータジャケットへと供給される。

ここで、車両の冷却装置として、エンジン１の吸気側および排気側のいずれか一方の側に第１熱交換器が配置され、他方の側に第２熱交換器が配置されており、各熱交換器において冷却水と被冷却媒体との間で熱交換を行うようになっている。なお、「吸気側」とは吸気ポートや吸気マニホルド等の吸気系が位置する側をいい、「排気側」とは排気ポートや排気マニホルド等の排気系が位置する側をいう。詳しくは、エンジン１の吸気側つまり車両前方側には、ターボチャージャで高温高圧となった過給吸気を冷却水でもって冷却する水冷式インタークーラ１１が配置されている。エンジン１の排気側つまり車両後方側には、排気系から吸気系へと還流するＥＧＲガスを冷却水でもって冷却する水冷式ＥＧＲガスクーラ１２が配置されている。水冷式インタークーラ１１は請求項における「第１熱交換器」に相当し、被冷却媒体となる過給吸気は、例えば２００℃程度の温度でもって水冷式インタークーラ１１に入流する。水冷式ＥＧＲガスクーラ１２は請求項における「第２熱交換器」に相当し、被冷却媒体となるＥＧＲガスは、例えば６００～８００℃程度の温度でもって水冷式ＥＧＲガスクーラ１２に流入する。つまり、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２の被冷却媒体の温度は、水冷式インタークーラ１１の被冷却媒体の温度よりも相対的に高い。

図示しないターボチャージャは、エンジン１の排気側つまり排気マニホルドの出口付近に位置しているが、水冷式インタークーラ１１は、ターボチャージャのコンプレッサから吐出された過給吸気を冷却した上で吸気系に導入するために、エンジン１の吸気側に位置し、シリンダヘッド５と前後に並ぶ程度の高さ位置に配置されている。図２は、エンジン１を側方から見た説明図であり、この図２に示すように、水冷式インタークーラ１１は、気筒列方向に細長く延びた箱状をなしている。

また、排気の一部をＥＧＲガスとして排気系から吸気系へ還流する排気還流装置は、この実施例では、過給機の低圧側つまりターボチャージャのコンプレッサの入口側へＥＧＲガスを導入する、いわゆる低圧排気還流装置として構成されている。そのため、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２は、エンジン１の排気側に位置することが配管取り回しの上で有利である。そして、この水冷式ＥＧＲガスクーラ１２は、図１および図２に示すように、水冷式インタークーラ１１に比較して小型の熱交換器であり、シリンダブロック４の中間付近の高さ位置に配置されている。また、図２に示すように、エンジン１の長手方向におけるエンジン１の後端部寄りに位置し、上下に細長く延びた箱状をなしている。

水冷式インタークーラ１１と水冷式ＥＧＲガスクーラ１２とは、冷却水回路上では直列に並んだ位置関係となっており、水冷式インタークーラ１１が相対的に上流側に位置し、水冷式インタークーラ１１から流出した冷却水が水冷式ＥＧＲガスクーラ１２に流入する。

冷却水の流れを具体的に説明すると、先ず、ラジエータ７での冷却を経て冷却水ポンプ８によって吐出された低温の冷却水が矢印Ｗ３で示すように、上流側の水冷式インタークーラ１１に供給される。図示例では、水冷式インタークーラ１１の下面に冷却水入口があり、この冷却水入口を通して低温の冷却水が導入される。冷却水ポンプ８は、上述したウォータジャケットへの矢印Ｗ２で示す経路と水冷式インタークーラ１１への矢印Ｗ３で示す経路との２系統へ冷却水を供給する。

水冷式インタークーラ１１で熱交換を行って温度が上昇した冷却水は、やはり水冷式インタークーラ１１の下面に位置する冷却水出口から流出し、矢印Ｗ４で示すようにエンジン１のオイルパン６へ向かう。オイルパン６には、吸気側と排気側との間で該オイルパン６を横切るように中間冷却水通路１３が設けられており、冷却水は、この中間冷却水通路１３を通過して吸気側から排気側へ達し、さらに矢印Ｗ５で示すように水冷式ＥＧＲガスクーラ１２へ導入される。中間冷却水通路１３ではオイルパン６内のオイルの熱を冷却水が受けるので、冷却水の温度はさらに上昇する。水冷式ＥＧＲガスクーラ１２は、下端に冷却水入口を有し、かつ上端に冷却水出口を有しており、冷却水は、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２下端の冷却水入口から水冷式ＥＧＲガスクーラ１２に流入し、熱交換後に上端の冷却水出口が流出する。この水冷式ＥＧＲガスクーラ１２を出た高温の冷却水は、矢印Ｗ６で示すようにラジエータ７へと循環し、ラジエータ７において放熱する。

なお、矢印Ｗ１～Ｗ６で示す経路は、エンジン１の内部通路となる矢印Ｗ２を除き、基本的には配管類で構成された冷却水通路である。

上記のような冷却水の流れにおいては、上流側の水冷式インタークーラ１１に流入する冷却水の温度に比較して下流側の水冷式ＥＧＲガスクーラ１２に流入する冷却水の温度が高くなる。また、各熱交換器における被冷却媒体の温度も上述したように水冷式ＥＧＲガスクーラ１２の方が相対的に高い。さらに、エンジンルーム３内の雰囲気温度も排気側の方が相対的に高く、しかも排気側に位置する水冷式ＥＧＲガスクーラ１２は排気系からの輻射熱を受けやすい。従って、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２では、冷却水の沸騰の懸念が高くなる。

しかし、上記実施例の構成では、上流側の水冷式インタークーラ１１と下流側の水冷式ＥＧＲガスクーラ１２との間に、水頭差となる上下方向の高低差を積極的に与えてあり、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２を相対的に低い位置に配置してある。そのため、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２に流入する冷却水の圧力が水頭差ないし高低差分だけ高くなり、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２内部での冷却水の沸騰（気泡の発生）が抑制される。また、エンジンルーム３内の雰囲気温度は、フード２に近い上方ほど高くなるので、水冷式ＥＧＲガスクーラ１２が下方に位置することは、この雰囲気温度の点でも有利となる。

ここで、本発明においては、上流側の第１熱交換器（水冷式インタークーラ１１）と下流側の第２熱交換器（水冷式ＥＧＲガスクーラ１２）との高低差は、詳しくは、車載状態における第１熱交換器（水冷式インタークーラ１１）の冷却水出口と第２熱交換器（水冷式ＥＧＲガスクーラ１２）の冷却水入口との鉛直方向の高低差（図１にΔＨとして示す）として定義される。すなわち、下流側の第２熱交換器の冷却水入口が上流側の第１熱交換器の冷却水出口よりも低い位置にあることで、両者間で圧力差が生じる。

望ましくは、図２に示すようにエンジン１の側方から投影して見たときに、第１熱交換器（水冷式インタークーラ１１）と第２熱交換器（水冷式ＥＧＲガスクーラ１２）とが互いに重ならないように配置される。このことは、第２熱交換器の全体が第１熱交換器の冷却水出口よりも下方に位置していることを意味し、従って、第２熱交換器の全体に亘って第１熱交換器に対し水頭差が得られることとなる。

このように、上記実施例の構成では、エンジン１の吸気側と排気側にそれぞれ水冷式インタークーラ１１および水冷式ＥＧＲガスクーラ１２を配置し、オイルパン６を通る中間冷却水通路１３を介して両者を接続するようにしたので、冷却装置全体として小型のパッケージとすることができ、かつ上述のように高低差を与えることで、熱的に不利となる下流側の水冷式ＥＧＲガスクーラ１２での冷却水の沸騰を抑制できる。そして、このように沸騰が抑制されることから、冷却要求が比較的低い条件下では電動ポンプからなる冷却水ポンプ８によって流量を少なく制御することが可能であり、それだけ燃費向上が図れる。また、中間冷却水通路１３においてオイルの熱を冷却水が受熱するので、オイルの冷却作用が得られ、例えば、図示しないオイルクーラの小型化が可能である。

中間冷却水通路１３としては、オイルパン６を貫通する金属管によって構成することもでき、オイルパン６と一体に形成された通路として構成することもできる。

図２および図３に示す例では、中間冷却水通路１３は、オイルパン６の底部付近に配置された金属管１３Ａから構成されている。なお、図３は、オイルパン６をクランクシャフト軸方向に沿って投影して見た説明図である。金属管１３Ａは、クランクシャフト軸方向に対し直交する方向に沿って延び、かつ車載状態でほぼ水平となるように配置されている。また、この金属管１３Ａ（つまり中間冷却水通路１３）は、運転中におけるオイルパン６内の油面よりも低い位置にあり、オイルとの間で熱交換がなされるようにオイルに没している。

図４～図６は、オイルパン６の底壁６ａに中間冷却水通路１３を一体に形成した例を示している。図４の例では、それぞれ断面半円形の下側管路壁１３Ｂおよび上側管路壁１３Ｃによって円形断面の中間冷却水通路１３が形成されている。下側管路壁１３Ｂおよび上側管路壁１３Ｃは、周囲の底壁６ａと一体の部材であってもよく、他の部材を底壁６ａに接合したものであってもよい。

図５の例では、下側管路壁１３Ｄおよび上側管路壁１３Ｅによって矩形断面の中間冷却水通路１３が形成されている。

図６の例では、下側管路壁１３Ｆおよび上側管路壁１３Ｇによって円形断面の中間冷却水通路１３が形成されており、さらに上側管路壁１３Ｇに、放射状に複数のフィン１４が設けられている。このフィン１４は、やはりオイルに没した状態となり、オイルとの接触面積（熱交換面積）がこのフィン１４によって拡大する。

なお、中間冷却水通路１３の構成は、これらの図示例に限定されず、必要な等価直径を確保できる限りは、どのような形状のものであってもよい。例えば、より偏平化した断面形状の通路などが可能である。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、中間冷却水通路１３をオイルパン６を通らない外部通路としてもよい。

Claims

第１熱交換器と第２熱交換器とを備え、
上記第１熱交換器および上記第２熱交換器は、上記第１熱交換器から流出した冷却水が上記第２熱交換器に流入するように冷却水回路上で直列に配置されており、
車載状態において、上記第２熱交換器は、上記第１熱交換器の高さ位置よりも相対的に低い位置に配置されており、
上記第１熱交換器は、過給吸気を冷却する水冷式インタークーラであり、上記第２熱交換器は、ＥＧＲガスを冷却する水冷式ＥＧＲガスクーラである、車両の冷却装置。
上記第２熱交換器に流入する被冷却媒体の温度は、上記第１熱交換器に流入する被冷却媒体の温度よりも相対的に高い、請求項１に記載の車両の冷却装置。
エンジンのオイルパン内部を横切る中間冷却水通路を有し、上記第１熱交換器から流出した冷却水が上記中間冷却水通路を通って上記第２熱交換器に流入する、請求項１または２に記載の車両の冷却装置。
上記中間冷却水通路が上記オイルパンの底壁に一体に形成されている、請求項３に記載の車両の冷却装置。
上記第１熱交換器の上流に冷却水ポンプを備えており、ラジエータで冷却された冷却水が上記冷却水ポンプによって上記第１熱交換器へ供給される、請求項１～４のいずれかに記載の車両の冷却装置。
上記冷却水ポンプは、流量制御可能な電動ポンプからなる、請求項５に記載の車両の冷却装置。
上記中間冷却水通路を形成するオイルパン内側の管路壁に、オイルとの接触面積を増加させるためのフィンが設けられている、請求項４に記載の車両の冷却装置。