WO2014041963A1

WO2014041963A1 - 内燃機関の冷却装置

Info

Publication number: WO2014041963A1
Application number: PCT/JP2013/072054
Authority: WO
Inventors: 市原　敬義; 愛子川本
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2014-03-20
Also published as: JP5907275B2; JPWO2014041963A1

Abstract

　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）と、エンジン（１）を冷却する冷却水が循環する冷却水通路（３）と、冷却水通路（３）に設けられ、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ヒータコア（１１）と、冷却水通路（３）のヒータコア（１１）より下流に設けられ、排気還流通路（１５）を流れる排気を冷却するＥＧＲクーラ（１３）と、を備える内燃機関の冷却装置。

Description

内燃機関の冷却装置

　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、を備える内燃機関の冷却装置である。

図１は、本発明の一実施形態に係わる内燃機関の冷却装置を示す全体構成図である。

　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３ａ_１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３ａ_２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３ａ_３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３ａ_４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３ａ_２と主通路３ａ_３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３ａ_２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３ａ_３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３ｂ_１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３ｂ_２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３ａ_３に接続する通路３ｂ_３と、から構成されている。

　ヒータコア１１は、通路３ｂ_１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３ｂ_１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３ｂ_２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３ｂ_２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３ｂ_３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３ｂ_３及び主通路３ａ_３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３ａ_２）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３ａ_４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３ａ_２と過給機１７の上流側ポートとを接続する通路３ｃ_１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３ｃ_２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３ｃ_３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３ａ_４に接続する通路３ｃ_４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３ｃ_３）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３ｂ_２）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３ｅ_１，３ｅ_２に分岐している。各分岐通路３ｅ_１，３ｅ_２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３ａ_４）に接続されている。一方の分岐通路３ｅ_１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３ｅ_２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３ｅ_１，３ｅ_２）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３ａ_１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３ａ_２、開の状態にある冷却水制御バルブ９及び主通路３ａ_３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３ａ_４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３ｅ_１，３ｅ_２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３ｅ_１，３ｅ_２）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３ｂ_２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３ｂ_２）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３ｃ_３）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３ａ_１）、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３ｃ_１）、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３ｃ_２）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

Claims

　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、を備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
　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、を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
　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ていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。