WO2014181825A1 - エンジンの冷却システム - Google Patents

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WO2014181825A1
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cooling
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進作 山口
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いすゞ自動車株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/16—Outlet manifold

Definitions

  • the present invention relates to an engine cooling system, and more particularly to an engine cooling system using a Rankine cycle device.
  • a cooling system in which a main radiator and a sub radiator are arranged in series or in parallel in a cooling water circulation path is known.
  • the cooling water heated by the engine is cooled by the main radiator and then further cooled by the sub-radiator and introduced into the intercooler or the like.
  • radiators are required to have high cooling performance, especially during high-load operation such as when running uphill.
  • it is necessary to increase the size of the radiator and the fan, but it is difficult due to restrictions such as the in-vehicle layout and installation space.
  • the pressure loss of the radiator and the engine load due to the driving of the fan increase, which causes a problem of deterioration in fuel consumption.
  • An object of the present invention is to provide an engine cooling system that can effectively improve engine fuel efficiency while recovering waste heat.
  • an engine cooling system includes a first heat exchanger that heats a working fluid, a expander that expands the heated working fluid, A second heat exchanger for cooling the working fluid, a Rankine cycle device in which a compressor for pumping the cooled working fluid is disposed in order, a first cooling water passage formed in a cylinder block of the engine, and the first A second cooling water flow path that is connected to the upstream end of the first cooling water flow path from the downstream end of the cooling water flow path via the first heat exchanger, and is provided with a pump for pumping the cooling water; A radiator for further cooling the cooling water cooled by the first heat exchanger with outside air, and a branch from the second cooling water flow path downstream of the first heat exchanger, and the radiator, the second heat Exchange And reason, characterized in that it and a third cooling water passage connected to the second cooling water passage downstream of the first heat exchanger.
  • a recirculation exhaust cooler that is provided in a recirculation exhaust flow path that connects an intake system and an exhaust system of the engine and that cools the recirculation exhaust with cooling water; and a second cooling water flow path downstream of the first heat exchanger. And a fourth cooling water passage connected to the second cooling water passage on the upstream side of the first heat exchanger via the reflux exhaust cooler. .
  • the engine cooling system of the present invention it is possible to effectively improve the fuel consumption of the engine while recovering waste heat.
  • FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram showing an engine cooling system according to an embodiment of the present invention. It is a typical whole block diagram which shows the cooling system of the engine which concerns on other embodiment.
  • an intake passage 11 is connected to an intake manifold 10a of a diesel engine (hereinafter simply referred to as an engine) 10, and an exhaust passage 12 is connected to an exhaust manifold 10b.
  • a turbocharger compressor 13 and an intercooler 14 for cooling the intake air are arranged in this order from the intake upstream side, and in the exhaust passage 12, a supercharger turbine 15 is arranged.
  • the engine 10 is provided with an exhaust gas recirculation device (Exhaust Gas Recirculation: hereinafter, EGR device) 20 for recirculating a part of the exhaust gas to the intake system.
  • EGR device exhaust Gas Recirculation
  • the EGR device 20 is configured by sequentially arranging a first EGR cooler 22, a second EGR cooler 23, and an EGR valve 24 in an EGR flow path 21 that connects the exhaust passage 12 and the intake passage 11.
  • the first EGR cooler 22 and the second EGR cooler 23 are connected to a later-described EGR cooler flow path 38 to cool the EGR gas with the cooling water of the engine 10.
  • the cooling water circuit includes a cylinder block internal flow path 31 having a water jacket and the like, a main flow path 33 in which an evaporator 52 of a Rankine cycle device 50 described later is interposed, and a bypass flow that bypasses the evaporator 52. Cooling branched from the passage 35, the sub flow path 37 in which the radiator 36 and the intercooler 14 are interposed, the EGR cooler flow path 38 in which the first EGR cooler 22 and the second EGR cooler 23 are interposed, and the sub flow path 37. A flow path 39 is provided.
  • the in-cylinder block flow path 31 is the first cooling water flow path of the present invention
  • the main flow path 33 is the second cooling water flow path of the present invention
  • the sub flow path 37 and the cooling flow path 39 are the present invention.
  • the third cooling water flow path and the EGR cooler flow path 38 correspond to the fourth cooling water flow path of the present invention.
  • the main flow path 33 is connected from the outlet part (downstream end) of the in-cylinder block flow path 31 to the inlet part (upstream end) of the in-cylinder block flow path 31 via the evaporator 52.
  • the main flow path 33 is provided with a thermostat 41 and a cooling water pump 42 on the downstream side of the evaporator 52 immediately downstream of the branch portion with the bypass flow path 35.
  • the cooling water pumped by the cooling water pump 42 flows through the bypass passage 35 when the engine 10 is warmed up, and is introduced into the evaporator 52 when the warming up is completed.
  • the radiator 36 is further cooled by exchanging heat between the cooling water cooled by the evaporator 52 and the outside air.
  • the radiator 36 has a known structure in which a tube (not shown) serving as a cooling water flow path is meandered, and a plurality of fins (not shown) for heat exchange are provided between the meandering tubes. Has been.
  • the sub flow path 37 branches from the main flow path 33 on the downstream side of the cooling water pump 42, passes through the radiator 36 and the intercooler 14, and then the main flow path 33 between the evaporator 52 and the cooling water pump 42. It is connected to the.
  • the sub-channel 37 is provided with a thermostat 43 that introduces cooling water into the intercooler 14 according to the cooling water temperature.
  • the EGR cooler flow path 38 connects the main flow path 33 downstream of the cooling water pump 42 and the main flow path 33 downstream of the bypass flow path 35, and the first EGR cooler 22 and the second EGR cooler. Each branch is formed so as to pass through each of 23.
  • the cooling flow path 39 branches off from the sub flow path 37 between the radiator 36 and the intercooler 14, and passes through the condenser 54 of the Rankine cycle device 50 described later, and is located on the downstream side of the evaporator 52. 33.
  • the Rankine cycle apparatus 50 has a known structure, and is configured by sequentially arranging an evaporator 52, an expander 53, a condenser 54, and a compressor 55 in a circulation flow path 51 in which a working fluid is sealed.
  • the evaporator 52 corresponds to the first heat exchanger of the present invention
  • the condenser 54 corresponds to the second heat exchanger of the present invention.
  • the cooling water heated by the flow path 31 in the cylinder block and the cooling water heated by the EGR coolers 22 and 23 are introduced into the evaporator 52 via the main flow path 33.
  • the evaporator 52 heats and vaporizes the working fluid by exchanging heat between the high-temperature cooling water introduced from the main flow path 33 and the working fluid.
  • the expander 53 is a turbine or the like driven by the vaporized working fluid, and converts the thermal energy of the working fluid into power (rotational force).
  • a power generator 60 is connected to the expander 53.
  • the cooling water cooled by the radiator 36 is introduced into the condenser 54 via the cooling flow path 39.
  • the condenser 54 cools the expanded working fluid by exchanging heat between the low-temperature cooling water introduced from the cooling flow path 39 and the working fluid.
  • the compressor 55 is driven by the power of the engine 10, for example, and pumps the working fluid cooled by the condenser 54 to the evaporator 52.
  • the Rankine cycle device 50 uses the temperature difference between the evaporator 52 heated by the high-temperature cooling water and the condenser 54 cooled by the low-temperature cooling water to drive the expander 53, thereby eliminating the waste heat of the cooling water. Is recovered as power. Since the power generator 60 is connected to the expander 53, the recovered power can be converted into electric energy.
  • the high-temperature cooling water heated by the in-cylinder block flow path 31 and the EGR coolers 22 and 23 is introduced into the evaporator 52 of the Rankine cycle apparatus 50 via the main flow path 33.
  • the high-temperature cooling water introduced into the evaporator 52 is cooled by exchanging heat with the working fluid and then introduced into the in-cylinder block flow path 31 again. That is, the evaporator 52 is configured to effectively cool the high-temperature cooling water heated in the cylinder block flow path 31 and the like without using a large main radiator or fan as in the conventional cooling system.
  • the main radiator and the fan are not required, the main radiator pressure loss and the engine load due to the driving of the fan are reduced, and the fuel consumption can be effectively improved.
  • the low-temperature cooling water cooled by the radiator 36 is introduced into the condenser 54 of the Rankine cycle apparatus 50 through the sub-flow path 37 and the cooling flow path 39.
  • the low-temperature cooling water introduced into the condenser 54 cools the working fluid expanded by the expander 53.
  • the expansion machine 53 drives using the temperature difference of the evaporator 52 and the capacitor
  • the cooling system of the present embodiment it is possible to effectively recover the waste heat of the cooling water and use it as electric energy while improving the fuel efficiency.
  • the load on the engine 10 can be further reduced and the fuel consumption can be further improved.
  • the EGR cooler flow path 38 may be branched from the sub flow path 37 on the downstream side of the radiator 36. Also in this case, the same effect as the above-described embodiment can be obtained.

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Abstract

　エンジンの冷却システムに関し、燃費を効果的に向上させる。　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が順に配置されたランキンサイクル装置５０と、シリンダブロック内に形成されたシリンダブロック内流路３１と、シリンダブロック内流路３１の下流端からエバポレータ５２を経由するメイン流路３３と、エバポレータ５２で冷却された冷却水を外気でさらに冷却するラジエータ３６と、エバポレータ５２よりも下流側のメイン流路３３から分岐すると共に、ラジエータ３６、コンデンサ５４を経由して、エバポレータ５２よりも下流側のメイン流路３３に接続されたサブ流路３７及び冷却用流路３９とを備えた。

Description

エンジンの冷却システム
　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。また、ラジエータやファンの設置数を増やせば、ラジエータの圧損やファンの駆動によるエンジン負荷が増加するため、燃費の悪化を招く課題もある。
　本発明の目的は、廃熱を回収しつつ、エンジンの燃費を効果的に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の下流端から、前記第一熱交換器を経由して、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、前記第一熱交換器で冷却された冷却水を外気でさらに冷却するラジエータと、前記第一熱交換器よりも下流側の第二冷却水流路から分岐すると共に、前記ラジエータ、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三冷却水流路と、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、前記第一熱交換器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四冷却水流路と、をさらに備え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、廃熱を回収しつつ、エンジンの燃費を効果的に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。
　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、それらの名称及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、後述するランキンサイクル装置５０のエバポレータ５２が介設されたメイン流路３３、エバポレータ５２を迂回するバイパス流路３５、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は本発明の第二冷却水流路、サブ流路３７及び冷却用流路３９は本発明の第三冷却水流路、ＥＧＲクーラ用流路３８は本発明の第四冷却水流路に相当する。
　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、エバポレータ５２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、バイパス流路３５との分岐部の直下流にサーモスタット４１、エバポレータ５２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、暖機が完了するとエバポレータ５２に導入されるように構成されている。
　ラジエータ３６は、エバポレータ５２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、ラジエータ３６、インタークーラ１４を経由した後、エバポレータ５２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。
　冷却用流路３９は、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、後述するランキンサイクル装置５０のコンデンサ５４を経由して、エバポレータ５２よりも下流側のメイン流路３３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、メイン流路３３を介して導入される。エバポレータ５２は、メイン流路３３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、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、再びシリンダブロック内流路３１に導入される。すなわち、従来の冷却システムのような大型のメインラジエータやファンを用いることなく、シリンダブロック内流路３１等で加熱された高温冷却水をエバポレータ５２により効果的に冷却す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、メインラジエータやファンが不要となり、メインラジエータの圧損やファンの駆動によるエンジン負荷が低減されて、燃費を効果的に向上することができる。
　また、本実施形態の冷却システムでは、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、燃費を向上させつつ、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の負荷がさらに低減されて、燃費の改善をさらに図ることができる。
　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、ＥＧＲガスの冷却を図る場合は、図２に示すように、ＥＧＲクーラ用流路３８をラジエータ３６よりも下流側のサブ流路３７から分岐させてもよい。この場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
　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
　３３　メイン流路
　３５　バイパス流路
　３６　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 (2)

  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の下流端から、前記第一熱交換器を経由して、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、
    　前記第一熱交換器で冷却された冷却水を外気でさらに冷却するラジエータと、
    　前記第一熱交換器よりも下流側の第二冷却水流路から分岐すると共に、前記ラジエータ、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三冷却水流路と、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、
    　前記第一熱交換器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四冷却水流路と、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。
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