JP2014088799A - 車両の冷却システムとその冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メイン冷却ファンを小型化することで、メイン冷却ファンによるつれ回り時の駆動損失を低減して、車両の燃費を向上する車両の冷却システムとその冷却方法を提供する。
【解決手段】外気をエンジンルーム３内に取り込むグリル１１と、取り込まれた外気をエンジンルーム３から排出する出口開口部１３とを繋ぎ、インタークーラー６とラジエータ７とメイン冷却ファン８とエンジン４とを覆うダクト１４を備え、グリル１１側にメイン冷却ファン８を配置すると共に、出口開口部１３側にサブ冷却ファン１５を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ラジエータと他の熱交換器と冷却ファンとを組み合わせ、外気によりそのラジエータと熱交換器とを冷却する車両の冷却システムとその冷却方法に関する。

従来、車両の冷却システムでは、エンジン（内燃機関）の前側にエンジン冷却用のラジエータと、ターボ吸気冷却用のインタークーラーなどの熱交換器を重ね合わせ、これにメイン冷却ファンを組み合わせることでクーリングモジュール（冷却ユニット）を形成している。一方、車両の前側のボディフロント部にはこのクーリングモジュールに外気（走行風）を取り込むためグリル（入口開口部）を設けている。

グリルより取り込んだ外気をクーリングモジュールに導入し、外気との熱交換を行う。この熱交換を行った後の外気は、メイン冷却ファンを経由してエンジンを収納するエンジンルーム（収納室）を通過し車両の外部へ排出されている。

このように、メイン冷却ファンを用いてノッキングや潤滑不良の要因となるエンジンの過熱を防いでいるが、十分な送風量が期待できる車両高速走行時等においては、メイン冷却ファンを駆動する分だけエンジン出力の損失が生じ、これにより燃費の悪化を招いてしまっていた。

そこで、エンジンのクランクシャフトと冷却ファンとの間に電子制御式のファンクラッチを介在させ、車両の運転状況に基づきファン冷却が不要となる度にファンクラッチを切る装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、その車両の冷却システムについて、車両の前側の断面図を示す図７を参照しながら説明する。ここで車両１Ｘの走行方向Ａを白抜きの矢印で示すことにする。冷却システム２Ｘは、エンジンルーム（収納室）３に収納されたエンジン４とトランスミッション（変速機）５の前側に設けられ、車両１Ｘの前側から順番にインタークーラー６とラジエータ７とを走行方向Ａに直列となるように配置し、エンジン４により駆動されるメイン冷却ファン８Ｘをファンシュラウド９で囲ってそれらの下流側に配置して形成されたクーリングモジュール１０を備える。

このメイン冷却ファン８Ｘは、直径Ｌ１のファンであり、電子制御式のファンクラッチ（ファン回転制御装置）８ａを備える。

また、冷却システム２Ｘは、そのクーリングモジュール１０に外気を当てるため、車両１Ｘのボディフロント部にグリル１１を設ける。グリル１１は、複数の格子部１１ａと複数の開口部１１ｂとからなり、開口部１１ｂから車両１Ｘが走行したときに、外気が取り込まれるように構成されている。

車両１Ｘが走行すると、グリル１１から外気を取り込む。そして、メイン冷却ファン８Ｘにより、その外気が当てられたインタークーラー６とラジエータ７は冷却される。このとき、メイン冷却ファン８Ｘが、エンジン４の保護を優先させるために主に水温センサＳ１が検知するエンジン水温に応じて回転数を増減させるように、ＥＣＵ（制御装置）１２がファンクラッチ８ａの動作を制御している。

しかしながら、メイン冷却ファン８は高負荷運転時でのエンジン４の保護を優先して仕
様（例えば、メイン冷却ファン８Ｘの直径Ｌ１など）が決定されているため、比較的負荷の小さい領域ではオーバースペックとなる場合があり、メイン冷却ファン８Ｘによる駆動損失も大きくなってしまう。

その問題に対してはファンクラッチ８ａを用いてメイン冷却ファン８Ｘによる冷却が不要な場合に、ファンクラッチ８ａを切って、メイン冷却ファン８Ｘに伝達される駆動力を切っているが、外気がメイン冷却ファン８Ｘを通過する際に、メイン冷却ファン８Ｘのつれ回り（完全に回転が停止した状態、あるいは完全にＯＦＦにならない状態）は発生してしまう。よって、つれ回りが発生してしまうため、メイン冷却ファン８Ｘによる駆動損失の低減には限界がある。

特開２００５−３１３１号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関が収納される収納室内の冷却効率を上げて、メイン冷却ファンによる駆動損失を低減し、車両の燃費を向上することができる車両の冷却システムとその制御方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の車両の冷却システムは、外気を内燃機関が収納される収納室に取り込む入口開口部と、取り込まれた外気を前記収納室から排出する出口開口部との間に、熱交換器とメイン冷却ファンを配置する車両の冷却システムにおいて、前記入口開口部と前記出口開口部とを繋ぎ、前記熱交換器と前記メイン冷却ファンと前記内燃機関とを覆うダクトを備え、前記入口開口部側に前記メイン冷却ファンを配置すると共に、前記出口開口部側にサブ冷却ファンを配置して構成される。

この構成によれば、入口開口部から出口開口部まで外気を導くダクトと、収納室から外気を外部に排出するサブ冷却ファンとを備えることにより、熱交換器や内燃機関を効率良く冷却することが可能となるため、メイン冷却ファンを小型化することができる。これにより、メイン冷却ファンによるつれ回り時の駆動損失を低減し、車両の燃費を向上することができる。

また、収納室をダクト化することで、ダクト構造による暖機促進効果が向上するので、車両の燃費を向上することができる。加えて、収納室への外気の導入経路と、収納室からの外気の排出経路を決めることで、車両の外部の流れへの影響度を最小にすることができ、車両にかかる空気抵抗を低減する。これにより、車両の燃費を向上することができる。

なお、ここでいう熱交換器とは、内燃機関の冷却用のラジエータ、内燃機関の吸気冷却用のインタークーラー、車両内の冷房装置（エアコン）のコンデンサ、及び内燃機関の潤滑油冷却用のオイルクーラーなどのことをいい、本発明はそれらを複数備えたものにも適用することができる。

また、上記の車両の冷却システムにおいて、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの回転を制御する制御装置を備えると共に、前記制御装置が、前記内燃機関の高負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を駆動する高冷却手段と、前記内燃機関の低負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの少なくとも一方を駆動する低冷却手段と、前記内燃機関の暖機時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却フ
ァンの両方を停止する暖気手段と、を備えて構成すると、メイン冷却ファンを従来のものよりも小型化しても、内燃機関の高負荷時にメイン冷却ファンとサブ冷却ファンの両方を駆動することで、メイン冷却ファンを小型化して低減した冷却性能を補うことができる。また、低負荷時には、どちらか一方を駆動することで、駆動損失を低減し、暖機時は、両方のファンを停止することで、暖機を促進することができる。結果、車両の燃費を向上することができる。

なお、メイン冷却ファンとサブ冷却ファンの回転を制御する手段として、例えば、メイン冷却ファンが内燃機関により駆動するファンの場合は、メイン冷却ファンと内燃機関との間にファンクラッチなどのファン回転制御装置を介在し、そのファンクラッチの接続と切断を制御する手段や、サブ冷却ファンが電動機により駆動するファンの場合は、その電動機の駆動と停止を制御する手段などを用いる。

また、上記の目的を解決するための本発明の車両の冷却システムの制御方法は、外気を内燃機関が収納される収納室に取り込む入口開口部と、取り込まれた外気を前記収納室から排出する出口開口部との間を繋ぎ、熱交換器とメイン冷却ファンと前記内燃機関とを覆うダクトを備え、前記入口開口部側に前記メイン冷却ファンを配置すると共に、前記出口開口部側にサブ冷却ファンを配置する車両の冷却システムの制御方法であって、前記内燃機関の高負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を駆動し、前記内燃機関の低負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの少なくとも一方を駆動し、前記内燃機関の暖機時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を停止することを特徴とする方法である。

本発明によれば、内燃機関が収納される収納室内の冷却効率を上げることにより、メイン冷却ファンを小型化することで、メイン冷却ファンのつれ回り時の駆動損失を低減して、車両の燃費を向上することができる。

また、ダクト構造そのものやメイン冷却ファン及びサブ冷却ファンの停止による暖機促進効果と、車両のかかる空気抵抗の低減効果によって、さらに車両の燃費を向上することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の車両の冷却システムの構成を示す図である。 エンジン全体の駆動損失と、従来のメイン冷却ファンのつれ回りによる駆動損失と、本発明に係る第１の実施の形態の車両の冷却システムのメイン冷却ファンのつれ回りによる駆動損失とを、エンジン回転数とそのときの損失馬力で示したグラフである。 図１の冷却システムの外気の流れを示す図であり、（ａ）にメイン冷却ファンとサブ冷却ファンの両方を駆動した状態を示し、（ｂ）にメイン冷却ファンとサブ冷却ファンの一方を駆動した状態を示し、（ｃ）にメイン冷却ファンとサブ冷却ファンの両方を停止した状態を示す。 本発明に係る第２の実施の形態の車両の冷却システムの構成を示す図である。 図４の冷却システムのエンジンの暖機時の動作を示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態の車両の冷却システムの構成を示す図である。 従来の車両の冷却システムの構成を示す図である。 図７の冷却システムのメイン冷却ファンを停止したときのつれ回りを、エンジン回転数とそのときのメイン冷却ファンの回転数で示したグラフである。

以下、本発明に係る実施の形態の車両の冷却システムとその冷却方法について、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態では、車両のフロント側にクーリングモジュールを配置し、車両のボディフロント部にグリルを設けたものを例に説明するが、本発明はこの構成に限定せず、例えば、車両のリア側にクーリングモジュールを設けたものにも適用することができる。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。

まず、本発明に係る第１の実施の形態の車両の冷却システムについて、図１を参照しながら説明する。この車両１の冷却システム２は、図７に示す従来の構成に加えて、グリル（入口開口部）１１と、グリル１１から取り込まれた外気をエンジン（内燃機関）４が収納されるエンジンルーム（収納室）３から排出する出口開口部１３とを繋ぎ、且つインタークーラー６（熱交換器）、ラジエータ（熱交換器）７、メイン冷却ファン８、及びエンジン４を覆うダクト１４を備えると共に、出口開口部１３にサブ冷却ファン１５を備えて構成される。

また、図７に示す直径Ｌ１を有するメイン冷却ファン８Ｘに換えて、図１に示すように、直径Ｌ１よりも小さい直径Ｌ２を有するメイン冷却ファン８を備える。加えて、水温センサＳ１の検知するエンジン水温によりメイン冷却ファン８の回転数を、ファンクラッチ（ファン回転制御装置）８ａの切断と接続を切り換えて制御しているＥＣＵ（制御装置）１２は、サブ冷却ファン１５の回転数を制御する手段を備える。

エンジンルーム３はその構成上、エンジンルーム３内に取り込んだ外気が排出される穴や隙間などが存在するが、本発明はエンジンルーム３に取り込んだ外気を排出する出口開口部１３を設け、その出口開口部１３と、外気の取り込み口であるグリル１１とをダクト１４で繋ぐことにより、外気による冷却の効率を向上している。

メイン冷却ファン８は、直径Ｌ１よりも小さい直径Ｌ２を有し、エンジン４により駆動されるファンであり、エンジン４との間に電子制御式のファンクラッチ８ａを介在している。このファンクラッチ８ａは、水温センサＳ１の検知するエンジン水温に応じてＥＣＵ１２により接続と切断を制御されている。このメイン冷却ファン８が、従来のメイン冷却ファン８Ｘの直径Ｌ１よりも小さい直径Ｌ２に形成され、小型化されることで、ファンクラッチ８ａを切断し、メイン冷却ファン８の駆動を停止した場合のつれ回り時の駆動損失を低減することができ、車両１の燃費を向上することができる。

図８に示したグラフから分かるように、メイン冷却ファン８の駆動をファンクラッチ８ａで停止しても、メイン冷却ファン８のつれ回りはゼロとはならない。よって、メイン冷却ファン８のつれ回りによる損失馬力はゼロにはならない。しかし、図２のエンジン回転数と損失馬力との関係を示したグラフから分かるように、メイン冷却ファン８のつれ回りによる損失馬力は、図７に示す従来のメイン冷却ファン８Ｘのつれ回りによる損失馬力よりも小さくなる。これは、図１に示すメイン冷却ファン８の直径Ｌ２を、直径Ｌ１よりも小さくしたからである。

出口開口部１３は、エンジン４の後方に配置され、エンジンルーム３に取り込んだ外気の排出口であり、好ましくは、取り込んだ外気がクーリングモジュール１０とエンジン４を経由した後に、エンジンルーム３の外に排出されるように、より好ましくは、取り込んだ外気を車両１の外に排出するように構成される。

ダクト１４は、グリル１１と出口開口部１３とを繋ぎ、インタークーラー６、ラジエータ７、メイン冷却ファン８、及びエンジン４を覆っており、グリル１１から取り込んだ全ての外気をインタークーラー６、ラジエータ７、メイン冷却ファン８、及びエンジン４に通過させることができるので、冷却効率を向上することができる。

また、このダクト１４は、少なくともクーリングモジュール１０とエンジン４を覆うように形成し、外気をエンジンルーム３に取り込み、取り込んだ外気をエンジンルーム３から排出することができればよく、上記の構成には限定しない。例えば、エンジンルーム３自体をダクト形状に形成してもよい。

加えて、このダクト１４が設けられることで、グリル１１から取り込まれた外気が、インタークーラー６及びラジエータ７と熱交換した後に、メイン冷却ファン８を経由してエンジン４へと送られるというエンジンルーム３内のエンジン４への外気の導入経路を決めることができる。

さらに、エンジンルーム３内に取り込まれた外気が、エンジン４を冷却した後に、エンジン４の後方に配置した出口開口部１３に設けたサブ冷却ファン１５を経由してエンジンルーム３の外部へ排出されるというエンジンルーム３からの外気の排出経路も決めることができる。

これにより、外気の導入経路と外気の排出経路が決まるので、車両１の外部への流れの影響度を最小にすることができ、車両１にかかる空気抵抗を低減することができるので、車両１の燃費を向上することができる。

その上、このダクト１４はエンジン４を覆っているので、エンジン４の暖機時に、エンジン４の暖気を促進することができる。

サブ冷却ファン１５は、出口開口部１３からダクト１４内に取り込まれた外気をエンジンルーム３の外に、あるいは車両１の外に排出するファンであり、図示しない電動機により駆動されている。このサブ冷却ファン１５は、つれ回り時の駆動損失を低減するためにメイン冷却ファン８を小型化することで、低下する冷却効率を補うように設けられている。

上記のように、ダクト１４を設けて、車両１の前面のグリル１１からエンジンルーム３の出口開口部１３までをダクト形状にし、さらに出口開口部１３にサブ冷却ファン１５を設置することで、エンジンルーム３内の冷却効率が上がるため、メイン冷却ファン８を小型化することができ、メイン冷却ファン８によるつれ回り時の駆動損失を低減して、車両１の燃費を向上することができる。

次に、この冷却システム２の動作について、図３を参照しながら説明する。水温センサＳ１が検知するエンジン水温が高い場合、つまりエンジン４が高負荷時の場合は、図３の（ａ）に示すように、ＥＣＵ１２が、メイン冷却ファン８とサブ冷却ファン１５の両方を駆動する。詳しくは、ファンクラッチ８ａを接続してメイン冷却ファン８を駆動し、図示しない電動機を駆動してサブ冷却ファン１５を駆動する。このように、両方のファン８及び１５を駆動することで、エンジン４の放熱要求に対応することができる。

エンジン水温が低い場合、つまりエンジン４が低負荷時の場合、あるいは車両１の車速が十分に速く、グリル１１から外気を十分に取り込める場合は、図３の（ｂ）に示すように、メイン冷却ファン８、又はサブ冷却ファン１５のどちらか一方を駆動する。これにより、過冷却を抑制し、メイン冷却ファン８による駆動損失を低減する、若しくはサブ冷却
ファン１５による消費電力を低減することができる。

エンジン４の暖機が必要な場合は、図３の（ｃ）に示すように、メイン冷却ファン８とサブ冷却ファン１５の両方を停止する。ダクト１４に覆われること、且つダクト１４内の外気の流れが低減することにより、エンジン４の暖機を促進することができる。

上記の動作によれば、つれ回りによる駆動損失を低減するために、メイン冷却ファン８を小型化しても、ダクト１４に覆うことと、メイン冷却ファン８とサブ冷却ファン１５の両方を駆動することで、エンジンルーム３内の冷却効率を向上することができる。また、エンジン４の暖機時には、ダクト１４に覆うことと、メイン冷却ファン８とサブ冷却ファン１５の両方を停止することで、エンジン４の暖機を促進することができる。

この実施の形態では、エンジン４により駆動されるメイン冷却ファン８を用いたが、別途に設けた電動機により駆動するファンを用いてもよく、その場合でも、メイン冷却ファン８自身の空気抵抗が低減すること、また、車両１の外部への流れの影響度を最小にすることができ、車両１にかかる空気抵抗を低減することができるので、車両１の燃費を向上することができる。

また、サブ冷却ファン１５をエンジン４とは別の電動機で駆動したが、このサブ冷却ファン１５をエンジン４により駆動され、且つエンジン４との間にファンクラッチを介在するように構成してもよい。

次に、本発明に係る第２の実施の形態の車両の冷却システムについて、図４を参照しながら説明する。この冷却システム２０は、図１に示す第１の実施の形態のグリル１１に換えて、可動式シャッター（開閉装置）２１を有するグリル２２を備えて構成される。

このメイン用可動式シャッター２１は、ＥＣＵ１２によって、その開閉を制御されており、外気をエンジンルーム３に取り込んで冷却する必要がある場合は、開いてグリル２２を開放し、外気をエンジンルーム３に取り込まない場合は、閉じてグリル２２を遮断するように構成される。

グリル２２にメイン用可動式シャッター２１を備えることで、より細かな気流のコントロールが可能となる。外気をエンジンルーム３内に取り込む必要がある場合には、メイン用可動式シャッター２１を開けてグリル２２を開放することで、外気を取り込むことができる。

一方、外気をエンジンルーム３内に取り込む必要が無い場合には、図５に示すように、メイン用可動式シャッター２１を閉じてグリル２２を遮断することで、外気を取り込まず、エンジン４の暖機を促進することができる。

また、例えば、メイン冷却ファン８を駆動せずに、サブ冷却ファン１５のみを駆動する場合にも、メイン用可動式シャッター２１を閉じてグリル２２を遮断すると、メイン冷却ファン８を経由する外気を低減することができるので、メイン冷却ファン８のつれ回りによる駆動損失を低減することができる。加えて、メイン用可動式シャッター２１を閉じることで、車両１にかかる空気抵抗も低減することができるので、その分、車両１の燃費を向上することができる。

次に、本発明に係る第３の実施の形態の車両の冷却システムについて、図６を参照しながら説明する。この冷却システム３０は、図４に示す第２の実施の形態の構成に加えて、エンジンルーム３の出口開口部１３を開放又は遮断するサブ用可動式シャッター３１を備
えて構成される。

この構成によれば、より細やかな気流のコントロールが可能となる。なお、この実施の形態では、サブ冷却ファン１５の前方（上流側）にサブ用可動式シャッター３１を配置したが、サブ冷却ファン１５の後方（下流側）に配置してもよい。しかし、サブ冷却ファン１５のつれ回りを抑制することができるので、前方に配置することが好ましい。

また、この実施の形態では、第２の実施の形態の構成にサブ用可動式シャッター３１を備えたが、第１の実施の形態の構成にサブ用可動式シャッター３１を備えてもよい。本発明は、第１の実施の形態のグリル１１に外気の入出を防止するメイン用可動式シャッター２１を備える構成、又は、出口開口部１３にサブ用可動式シャッター３１を備える構成の少なくとも一方の構成にも適用することができる。

なお、上記の実施の形態では、熱交換器として、インタークーラー６とラジエータ７を用いて説明したが、本発明はこれに限定せず、その他の熱交換器（オイルクーラーやエアコン（冷暖房装置）のコンデンサ）などを設けてもよい。

本発明の車両の冷却システムは、内燃機関が収納される収納室内の冷却効率を上げることにより、メイン冷却ファンを小型化することで、メイン冷却ファンによるつれ回り時の駆動損失を低減して、車両の燃費を向上することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。

１、１Ｘ 車両
２、２０、３０、２Ｘ 冷却システム
３ エンジンルーム（収納室）
４ エンジン（内燃機関）
５ トランスミッション
６ インタークーラー（熱交換器）
７ ラジエータ（熱交換器）
８、８Ｘ メイン冷却ファン
８ａ ファンクラッチ（ファン回転制御装置）
９ ファンシュラウド
１０ クーリングモジュール
１１、２２ グリル（入口開口部）
１２ ＥＣＵ（制御装置）
１３ 出口開口部
１４ ダクト
１５ サブ冷却ファン
２１ メイン用可動式シャッター（開閉装置）
３１ サブ用可動式シャッター（開閉装置）

Claims (3)

1. 外気を内燃機関が収納される収納室に取り込む入口開口部と、取り込まれた外気を前記収納室から排出する出口開口部との間に、熱交換器とメイン冷却ファンを配置する車両の冷却システムにおいて、
   前記入口開口部と前記出口開口部とを繋ぎ、前記熱交換器と前記メイン冷却ファンと前記内燃機関とを覆うダクトを備え、
   前記入口開口部側に前記メイン冷却ファンを配置すると共に、前記出口開口部側にサブ冷却ファンを配置することを特徴とする車両の冷却システム。
2. 前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの回転を制御する制御装置を備えると共に、
   前記制御装置が、
   前記内燃機関の高負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を駆動する高冷却手段と、
   前記内燃機関の低負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの少なくとも一方を駆動する低冷却手段と、
   前記内燃機関の暖機時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を停止する暖気手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用の冷却システム。
3. 外気を内燃機関が収納される収納室に取り込む入口開口部と、取り込まれた外気を前記収納室から排出する出口開口部との間を繋ぎ、熱交換器とメイン冷却ファンと前記内燃機関とを覆うダクトを備え、
   前記入口開口部側に前記メイン冷却ファンを配置すると共に、前記出口開口部側にサブ冷却ファンを配置する車両の冷却システムの制御方法であって、
   前記内燃機関の高負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を駆動し、
   前記内燃機関の低負荷時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの少なくとも一方を駆動し、
   前記内燃機関の暖機時に、前記メイン冷却ファンと前記サブ冷却ファンの両方を停止することを特徴とする車両用の冷却システムの制御方法。

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