JP7460029B2 - 車両の冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、水冷式の車両の冷却装置、例えば、高温側熱交換器と低温側熱交換器とを含む２ステージ型インタークーラを備えた車両において、エンジンを冷却するための冷却水回路内に高温側熱交換器を含めた冷却装置に関する。

過給機を備えたエンジンにおいては、過給により高温となった吸気を燃焼室に導入する前に冷却するインタークーラを備える場合がある。このインタークーラとして、高温側熱交換器と低温側熱交換器とを含む２ステージ型インタークーラが知られており、一般に、高温側熱交換器は、エンジンを冷却するための冷却水の通流によって冷却される。

特許文献１は、エンジンのウォータジャケットとウォータポンプとラジエータとを含む冷却水循環系に対してラジエータと並列の関係となるように高温側熱交換器を接続した冷却装置を開示している。この構成では、ウォータポンプによって送り出された冷却水の一部が高温側熱交換器を通流し、一部がラジエータを通流する。

特許文献２は、エンジンのウォータジャケットとウォータポンプとラジエータとを含む冷却水循環系の中に、これらと直列の関係となるように高温側熱交換器を配置した冷却装置を開示している。この構成では、ウォータポンプによって送り出された冷却水がウォータジャケットを通過した後に高温側熱交換器を通り、さらにラジエータを通過して放熱する形となる。

特許文献１のようにラジエータと高温側熱交換器とが並列に位置する構成では、冷却水から外気への放熱量の確保のためにラジエータを通る冷却水流量を所定量に得ようとすると、高温側熱交換器へ分流する分だけウォータポンプに必要な流量が増加する。従って、ウォータポンプの駆動に要する動力ないし損失が増え、燃費の悪化やエンジン出力の低下が生じる。

一方、特許文献２の構成では、ウォータジャケットとラジエータと高温側熱交換器とが直列に並んでいるので、比較的に通路抵抗が大きい高温側熱交換器によってウォータジャケットの冷却水流量が制限されてしまう。また、高温側熱交換器への冷却水の流れを個別に制御することができない。

国際公開第２０１９／１３８５８２号公報 特開２０１０－２４９１２９号公報

この発明は、冷却水によって吸気を冷却する熱交換器としてのインタークーラを備えた車両の冷却装置であって、
この冷却装置の冷却水回路は、上記熱交換器と、ラジエータと、エンジンのウォータジャケットと、冷却水回路内で冷却水を循環させるウォータポンプと、を含み、
上記ラジエータと上記熱交換器とは、直列に冷却水が流れるように配置され、
上記熱交換器と上記ウォータジャケットとは、並列に冷却水が流れるように配置されている。

このような構成では、熱交換器を付加したことによるラジエータの冷却水流量への影響がなく、ウォータポンプの流量が過大となることがない。また、ウォータジャケットと熱交換器とに個別に冷却水が流れるので、熱交換器の通路抵抗によってウォータジャケットの冷却水流量が制限されてしまうことがない。

第１実施例の冷却装置の回路図。 低温側冷却水回路の回路図。 第１制御弁の水温およびエンジン負荷に対する開・閉を示す説明図。 エンジンの始動から高負荷運転となるまでの一例のタイムチャート。 第１モード（区間Ａ）における冷却水の流れを示す説明図。 第２モード（区間Ｂ）における冷却水の流れを示す説明図。 第３モード（区間Ｃ）における冷却水の流れを示す説明図。 第４モード（区間Ｄ）における冷却水の流れを示す説明図。 第２実施例の冷却装置の回路図。 ロータリ型バルブの一例を示す説明図。 第３実施例の冷却装置の回路図。 第４実施例の冷却装置の回路図。 第５実施例の冷却装置の回路図。 第６実施例の冷却装置の回路図。

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、第１実施例の冷却装置の冷却水回路を示す回路図である。一実施例の車両は、エンジン（内燃機関）によって発電用のモータジェネレータを駆動して発電を行い、生成された電力でもって走行用のモータジェネレータを駆動するシリーズハイブリッド車両であり、後述するように、前輪駆動用のモータジェネレータと後輪駆動用のモータジェネレータとを備えた４輪駆動車を例にしている。エンジンは過給機例えばターボチャージャを備えており、高温となった過給吸気を冷却するために２ステージ型インタークーラを備えている。

２ステージ型インタークーラは、図１に示す高温側冷却水回路に含まれる高温側熱交換器１と、図２に示す低温側冷却水回路に含まれる低温側熱交換器３１と、を含んで構成される。吸気の流れに関しては、高温側熱交換器１が相対的に上流に、低温側熱交換器３１が相対的に下流に、それぞれ位置する。つまり、高温となった過給吸気は高温側熱交換器１を通過することである程度冷却され、さらに低温側熱交換器３１を通過することでより低い温度にまで冷却される。従って、高温側冷却水回路を循環する冷却水（高温側冷却水）の温度に比較して低温側冷却水回路を循環する冷却水（低温側冷却水）の温度は相対的に低く設定されている。なお、本発明において「冷却水」とは広く液相冷媒を意味している。

図１に示す高温側冷却水回路は、冷却対象として、高温側熱交換器１のほか、エンジンのウォータジャケット２（シリンダブロック側のウォータジャケットとシリンダヘッド側のウォータジャケットとを含む）と、エンジンの潤滑油を冷却するためのオイルクーラ３と、ＥＧＲガスクーラ４と、排熱回収器５と、を含んでいる。また、冷却水を熱源として利用するデバイスとして、車室暖房用のヒータコア６およびスロットルチャンバ７（詳しくはスロットルチャンバ７内の冷却水通路）が冷却水回路に含まれている。さらに、冷却水からの放熱を行うラジエータ（高温側ラジエータ）８と、冷却水の循環を行うウォータポンプ９と、低水温時にラジエータ８をバイパスさせる公知のサーモスタット１０と、が冷却水回路に含まれている。ウォータポンプ９は例えばエンジンの出力によって駆動される機械式ウォータポンプ（電動式ウォータポンプであってもよい）であり、一実施例では、エンジンのウォータジャケット２の入口側に配置されている。また、サーモスタット１０は、冷却水温度に応動する公知のサーモスタット弁のほかに、任意に開閉可能な制御弁であってもよい。

上記冷却水回路は、ウォータポンプ９の出口からウォータジャケット２を通して冷却水が流れる第１通路１１と、ウォータポンプ９とウォータジャケット２との間で第１通路１１から分岐し、第１通路１１と並列に位置するとともにウォータジャケット２の出口側で第１通路１１と合流する第２通路１２と、この第１通路１１と第２通路１２との合流部（符号１１１２で示す）からサーモスタット１０を介してウォータポンプ９の入口に戻る第３通路１３と、同じく第１通路１１と第２通路１２との合流部１１１２からラジエータ８を通りかつサーモスタット１０を介してウォータポンプ９の入口に戻るラジエータ通路１４と、を備えている。

第２通路１２は、その一部がさらに３本の並列な通路１２１，１２２，１２３に分岐しており、スロットルチャンバ７、高温側熱交換器１、オイルクーラ３、がそれぞれ配置されている。高温側熱交換器１が位置する通路１２２には、該通路１２２を開閉するソレノイドバルブ等からなる第１制御弁１５が設けられている。一実施例においては、高温側熱交換器１の出口側に第１制御弁１５が配置されているが、入口側に配置されていてもよい。。

第３通路１３は請求項における戻り通路に相当するものであり、その通路中に、上流から順に、ヒータコア５、排熱回収器５、ＥＧＲガスクーラ４、が配置されている。また、第３通路１３は、ヒータコア５よりも上流となる位置に、該第３通路１３を開閉するための例えばソレノイドバルブ等からなる第２制御弁１６を備えている。第１実施例においては、第２制御弁１６は、閉状態において流量が完全に０とはならずに排熱回収器５やＥＧＲガスクーラ４での沸騰抑制のために少量の冷却水の通流を許容する構成となっている。これは、第２制御弁１６の構造によって実現してもよく、第２制御弁１６の制御によって実現してもよい。

上記のように構成された高温側冷却水回路においては、ウォータポンプ９が吐出した冷却水は、ウォータポンプ９の出口側で第１通路１１と第２通路１２とに分岐して流れ、ウォータジャケット２の出口側（合流部１１１２）で再び合流する。第１制御弁１５が開いている状態では、ウォータジャケット２と高温側熱交換器１とに並列に冷却水が流れる。高温側熱交換器１やスロットルチャンバ７ならびにオイルクーラ３は、ウォータジャケット２に比較して通路抵抗が大きくかつ必要な流量が相対的に少ないが、ウォータジャケット２がこれらの高温側熱交換器１等と並列に位置することから、ウォータジャケット２を流れる冷却水の流れが高温側熱交換器１等の通路抵抗に影響されることはない。

また、ウォータジャケット２および高温側熱交換器１から流れ出た冷却水は、サーモスタット１０が開いている状態（比較的水温が高い状態）では、ラジエータ８へと流れる。つまり、高温側熱交換器１とラジエータ８とは直列に冷却水が流れる関係となっており、特に第２制御弁１６が閉じている状態では、ウォータポンプ９で送られた冷却水の全量（上述した第２制御弁１６の少量の流れを除く）がラジエータ８を通過する。従って、高温側熱交換器１を付加したことによるウォータポンプ９の流量増加は基本的に生じない。

図２に示す低温側冷却水回路は、冷却対象として、上述した低温側熱交換器３１のほかに、インバータ３２、フロント走行用モータジェネレータ３３、発電用モータジェネレータ３４、リア走行用モータジェネレータ３５、を含んでいる。また回路中に、冷却水からの放熱を行う低温側ラジエータ３６、低温側冷却水回路内での冷却水の循環を行うウォータポンプ３７、低水温時に低温側ラジエータ３６をバイパスさせるサーモスタット３８、を備えている。なお、図２の矢印は、冷却水の流れがサーモスタット３８により低温側ラジエータ３６をバイパスしているときの冷却水の流れを示している。また低温側冷却水回路は、低温側第１通路３９と、低温側第２通路４０と、低温側ラジエータ通路４１と、を備えている。低温側ラジエータ通路４１は、ウォータポンプ３７、ラジエータ３６、サーモスタット３８、を含む。低温側第１通路３９と低温側第２通路４０とは互いに並列の関係にあり、これら２つの通路が低温側ラジエータ通路４１と直列に接続されている。低温側第１通路３９には、上流から順に、リア走行用モータジェネレータ３５、低温側熱交換器３１が配置されており、低温側第２通路４０には、上流から順に、インバータ３２、フロント走行用モータジェネレータ３３、発電用モータジェネレータ３４、が配置されている。ウォータポンプ３７は、一実施例においては、流量制御可能な電動式ウォータポンプであり、低温側熱交換器３１は、ウォータポンプ３７による低温側冷却水の循環によって冷却される。

次に、本発明の主要部である高温側冷却水回路の作用について説明する。高温側冷却水回路における冷却水の流れの態様は、サーモスタット１０、第１制御弁１５、第２制御弁１６、の３つの弁の開・閉に応じて、後述する４つのモード（第１～第４モード）に変化する。

第１制御弁１５は、冷却水温（例えばウォータジャケット２の出口部の温度で代表される）とエンジン負荷とに基づいて開閉制御される。図３は、冷却水温とエンジン負荷とに対する開・閉をマトリクス状に示した説明図であり、図示するように、基本的に、低水温低負荷側で閉状態に、高水温高負荷側で開状態に、それぞれ制御される。なお、サーモスタット１０が開く温度条件では、第１制御弁１５は、通常、開状態となる。第２制御弁１６は、低水温状態では開状態に維持され、冷却水温が比較的高い所定温度以上となったときに閉状態となる。なお、一実施例においては、第２制御弁１６が閉動作する所定温度は、サーモスタット１０が開動作する閾値温度よりも高温側に設定されている。

サーモスタット１０は一般的なワックス形式のものを使用することができるが、電子制御型サーモスタットであってもよい。

図４は、エンジンの始動から高負荷運転となるまでの一例のタイムチャートを示している。図の上から順に、（ａ）車速、（ｂ）エンジン出力、（ｃ）エンジン負荷（ＢＭＥＰ）、（ｄ）冷却水温、（ｅ）エンジン吸気温（実線はインタークーラ入口温度、破線はインタークーラ出口温度）、（ｆ）第１制御弁１５の開閉状態、（ｇ）第２制御弁１６の開閉状態、（ｈ）サーモスタット１０の開閉状態、（ｉ）高温側熱交換器１の冷却水流量、（ｊ）ヒータコア５（ＨＥＡＴＥＲ）およびオイルクーラ３（ＥＯＣ）の冷却水流量、（ｋ）ラジエータ８の冷却水流量、を示している。また、最上段に示す区間Ａ～Ｄは、冷却水回路がどのモードになっているかを表している。

図４の例では、エンジン負荷を示す（ｃ）欄に表されているように、始動発進後、一時的に高負荷状態となり、その後、ほぼ定常状態で走行し、さらに後半で高負荷運転となっている。これにより、冷却水温は、徐々に上昇していく。

区間Ａでは、冷却水の流れは、図５に示す第１モードとなる。ここでは、冷却水温が低いことから、サーモスタット１０は閉、第１制御弁１５は閉、第２制御弁１６は開、となる。従って、ウォータポンプ９が吐出した冷却水はウォータジャケット２とオイルクーラ３ならびにスロットルチャンバ７とに並列に流れ、合流部１１１２から第３通路１３を介してウォータポンプ９へと戻る。第３通路１３において、ヒータコア５、排熱回収器５、ＥＧＲガスクーラ４、を冷却水が流れる。サーモスタット１０の作用によりラジエータ８には冷却水が流れない。また、第１制御弁１５が閉であることから高温側熱交換器１には冷却水が通流せず、冷却水の熱が相対的に低温の吸気に逃げることがない。これにより、エンジン始動後の暖機促進の上で有利となる。

区間Ｂでは、冷却水の流れは、図６に示す第２モードとなる。ここでは、冷却水温がある程度高くなったこと、あるいはエンジン負荷が高くなったこと、に基づいて第１制御弁１５が開となる。

タイムチャート中の（ｆ）欄における最初の比較的短い開期間は、低水温であるが高負荷となったことによる。そして、その後、区間Ａの第１モードに復帰した後、冷却水温の上昇に伴い、前述した図３に従って第１制御弁１５が開となる。

第２モードにおいては、第１モードと同じく、サーモスタット１０は閉、第２制御弁１６は開、である。従って、基本的な冷却水の流れは第１モードと同様であるが、第１制御弁１５が開となることで、第２通路１２に分岐した冷却水の一部が高温側熱交換器１に流れる。これにより、過給により高温となる吸気が冷却される（（ｅ）欄参照）。

区間Ｃでは、冷却水の流れは、図７に示す第３モードとなる。冷却水温が上昇してサーモスタット１０が開くことにより第２モードから第３モードへ移行する。第３モードでは、第２モードと同じく、第１制御弁１５は開、第２制御弁１６は開、である。従って、合流部１１１２から冷却水の比較的多くの部分がラジエータ８を通るように案内される。一部の冷却水は第３通路１３を通ってウォータポンプ９へと戻る。また、第２通路１２における高温側熱交換器１を冷却水が流れ、第２モードと同様に、過給吸気の冷却がなされる。

区間Ｄでは、冷却水の流れは、図８に示す第４モードとなる。冷却水温がさらに上昇して第２制御弁１６が閉じることにより第３モードから第４モードへ移行する。第４モードでは、第３モードと同じく、第１制御弁１５は開、サーモスタット１０は開、である。第４モードでは、第３モードに比較して、第３通路１３が閉じられた状態となり、基本的に、合流部１１１２から全量がラジエータ８を通してウォータポンプ９へと戻る。従って、（ｋ）欄に示すように、第３モードから第４モードへ移行することで、ラジエータ８の冷却水流量が増加する。但し、前述したように第２制御弁１６は閉状態においても少量の流れを許容しており、これにより排熱回収器５等における沸騰が抑制される。第４モードでは、最も熱負荷が高く、ラジエータ８からの放熱量が最大限に要求されるが、このとき、高温側熱交換器１とラジエータ８とは直列に冷却水が流れる関係となっている。従って、高温側熱交換器１に冷却水が流れることによるウォータポンプ９の流量増加は生じない。そのため、ウォータポンプ９の駆動に伴う動力損失が抑制され、燃費向上やエンジンの出力確保の上で有利となる。

また、第４モードにおいては、ヒータコア５等を有する第３通路１３への冷却水の流れが停止するため、ウォータポンプ９の吐出流量に対するラジエータ８を通過する流量の割合が高くなり、放熱性能の確保やウォータポンプ９による動力損失抑制の上で有利となる。なお、第３通路１３には、高負荷・高水温時に冷却水の通流が不要なデバイスが配置されている。例えば、暖房が必要な冬期に第４モードとなることは稀であり、ＥＧＲガスクーラ４も通常はＥＧＲ領域外となることから冷却が不要である。

なお、第１，第２モードと第３，第４モードとでは、合流部１１１２における冷却水の流れが逆方向となる（図５～図８参照）。

次に、図９を参照して高温側冷却水回路の第２実施例を説明する。この第２実施例の高温側冷却水回路は、合流部１１１２とラジエータ８入口との間に第３制御弁５１を備えている。この第３制御弁５１は、ラジエータ８を具備したラジエータ通路１４を開閉する。従って、前述したサーモスタット１０は具備していない。第３制御弁５１は、例えば、サーモスタット１０の動作温度と同様の閾値温度でもってラジエータ通路１４を開閉するように制御される。この構成においても、前述した第１～第４モードを同様に実現することができる。

第２実施例の変形例として、図１０に示すような複数の流路切り換えが可能なロータリ型バルブ５２を用いて、第２制御弁１６と第３制御弁５１との代替とすることもできる。ロータリ型バルブ５２は、図示するように、第１通路１１の出口となるポート１１ａと、第２通路１２の出口となるポート１２ａと、第３通路１３の入口となるポート１３ａと、ラジエータ通路１４の入口となるポート１４ａと、を有する。弁体５２ａがポート１３ａ，１４ａの双方もしくは一方のみを開放することで、前述した各モードを実現できる。この場合は、ロータリ型バルブ５２の内部空間が前述した合流部１１１２に相当するものとなる。なお、第３通路１３の入口となるポート１３ａを閉じている状態では、やはり少量の冷却水の通流が許容される。

次に、図１１は、高温側冷却水回路の第３実施例を示している。この第３実施例においては、第１通路１１と第２通路１２とが合流する合流部１１１２において、第２通路１２が相対的にラジエータ８の入口寄りに接続され、第１通路１１が相対的にラジエータ８の入口から離れて接続されている。各モードでの冷却水の流れは前述した第１実施例と同様である。

次に、図１２は、高温側冷却水回路の第４実施例を示している。この第４実施例においては、第２通路１２においてオイルクーラ３が高温側熱交換器１およびスロットルチャンバ７の下流に（つまりこれらと直列に並ぶように）配置されている。また第１制御弁１５を具備しておらず、高温側熱交換器１には常に冷却水が通流する。

次に、図１３は、高温側冷却水回路の第５実施例を示している。この第５実施例においては、ＥＧＲガスクーラ４および排熱回収器５が第２通路１２に配置されている。詳しくは、第２通路１２の途中で分岐した３本の通路１２１，１２２，１２３が再合流した点よりも下流側に、ＥＧＲガスクーラ４および排熱回収器５が直列に並んで配置されている。第３通路１３には暖房用のヒータコア５のみが設けられている。この構成では、ＥＧＲガスクーラ４および排熱回収器５に常に冷却水が通流する。ヒータコア５は冷却水の流れが止まっても沸騰の懸念がないので、例えば第４モードとして第２制御弁１６が第３通路１３を閉路したときに、前述した少量の冷却水の通流を行う必要がない。従って、高水温時におけるラジエータ８の冷却水流量がより大きく得られる。

次に、図１４は、高温側冷却水回路の第６実施例を示している。この第６実施例においては、第２通路１２に上流から順に高温側熱交換器１とオイルクーラ３とが直列に配置されている。そして、第２通路１２における高温側熱交換器１とオイルクーラ３との中間点と、第３通路１３におけるヒータコア５と排熱回収器５との中間点と、を接続するように、第４通路５５が設けられており、スロットルチャンバ７がこの第４通路５５に配置されている。第１制御弁１５は具備していない。従って、この第６実施例においては、高温側熱交換器１に常に冷却水が通流する。そして、高温側熱交換器１を通過した冷却水の一部がスロットルチャンバ７を経て第３通路１３へと流れる。第２制御弁１６が全閉となっても第４通路５５を介して排熱回収器５およびＥＧＲガスクーラ４に冷却水が流れるので、前述した少量の冷却水の通流を行う必要はない。

以上、この発明のいくつかの実施例を説明したが、この発明は上記実施例にのみ限定されるものではなく、例えば冷却対象となるデバイスの追加や削減あるいは変更などが可能であり、直列に配置された複数のデバイスないし装置の入れ替え、なども可能である。また、本発明は、上述したシリーズハイブリッド車両の冷却装置に限らず、走行源となるエンジンの冷却装置などに広く適用することができる。また、上述した低温側冷却水回路は一例に過ぎず、上述した高温側冷却水回路は適当な任意の低温側冷却水回路と組み合わせて用いることが可能である。さらに、２ステージ型インタークーラの低温側熱交換器は空冷式のものであってもよい。

Claims (9)

1. 冷却水によって吸気を冷却する熱交換器としてのインタークーラを備えた車両の冷却装置であって、
   この冷却装置の冷却水回路は、
   冷却水回路内で冷却水を循環させるウォータポンプと、
   上記熱交換器と、
   上記熱交換器と並列に冷却水が流れるように配置されたエンジンのウォータジャケットと、
   互いに並列に位置する上記熱交換器および上記ウォータジャケットに対し、これらと直列に冷却水が流れるように配置されたラジエータと、
   上記ラジエータの出口側ないし入口側においてラジエータへの冷却水の通流を制御するラジエータ流量調整弁と、
   互いに並列に位置する上記ウォータジャケットと上記熱交換器との出口側合流部から上記ウォータジャケットの入口側に戻る戻り通路と、
   この戻り通路に配置された、ヒータコア、ＥＧＲクーラ、排熱回収器の中の少なくとも１つと、
   上記戻り通路に配置され、上記ラジエータ流量調整弁が開動作する閾値温度よりも高く設定された所定の高水温時に閉じる制御弁と、
   を含み、
   上記ラジエータ流量調整弁および上記制御弁が、それぞれ開となり、冷却水が上記ウォータジャケットと上記熱交換器とに並列に流れるとともに、上記出口側合流部から上記ラジエータおよび上記戻り通路の双方に並列に流れる第１の制御モードと、
   この第１の制御モードよりも冷却水温が高くなったときに、上記ラジエータを流れる流量が相対的に増加するように、上記ラジエータ流量調整弁が開で、上記制御弁が閉、となる第２の制御モードと、
   を備える、
   車両の冷却装置。
2. 上記冷却水回路は、さらにオイルクーラを含み、
   このオイルクーラは、上記ウォータジャケットと並列に冷却水が流れるように配置されている、
   請求項１に記載の車両の冷却装置。
3. 上記熱交換器の出口側ないし入口側に第１の弁が配置されており、
   この第１の弁は、冷却水温とエンジン負荷とに基づいて制御され、所定の低水温低負荷側では閉じ、高水温高負荷側で開く、
   請求項１または２に記載の車両の冷却装置。
4. 上記第１の弁は、並列に構成された複数の流路の中で上記熱交換器の流路のみを開閉する、
   請求項３に記載の車両の冷却装置。
5. （削除）
6. 上記制御弁は、閉状態において沸騰抑制のための少量の冷却水の通流を許容する、
   請求項１～４のいずれかに記載の車両の冷却装置。
7. 上記ウォータジャケットの入口側に上記ウォータポンプが位置し、
   上記ウォータポンプの出口側で冷却水の流れが上記ウォータジャケットと上記熱交換器とに分岐する、
   請求項１～４、６のいずれかに記載の車両の冷却装置。
8. 上記ラジエータ流量調整弁はサーモスタット弁または任意に開閉可能な制御弁である、
   請求項１～４、６、７のいずれかに記載の車両の冷却装置。
9. 上記インタークーラは、上記熱交換器と、該熱交換器を流れる冷却水温度よりも低温の冷媒によって吸気を冷却する低温側熱交換器とを含む２ステージ型インタークーラである、
   請求項１～４、６～８のいずれかに記載の車両の冷却装置。

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