JP5580151B2 - エンジンの廃熱回収及び冷却装置 - Google Patents
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Description
この冷却水は、ヒータコアに通水されることによって、車室内の暖房にも用いられる。
また、近年、冷却水によって回収されるエンジンの廃熱を利用して、車両の燃費性能等を向上することが提案されている。
特許文献1に記載された技術においては、冷却水はエンジン本体及び暖房用のヒータコアを通過した後に、流路切換バルブを経由してトランスミッションオイルの油温調整手段に導入されている。
仮にこのような油温制御装置に特許文献2に記載されたような蓄熱容器を付加すれば、車両の運転開始直後からトランスミッションオイルを加熱することが可能となり、燃費の改善を図ることができるが、この場合蓄熱容器や切替弁、周辺水路等を設ける必要があり、搭載スペースやコスト、重量等に問題が生じる。
本発明の課題は、簡素な構成によってエンジンの廃熱を利用して車両の燃費を改善するエンジンの廃熱回収及び冷却装置を提供することである。
請求項1の発明は、エンジンの冷却水を吐出するウォーターポンプと、前記ウォーターポンプから吐出される前記冷却水の一部を用いて前記エンジンの排気管路から吸気管路に導入されるEGRガスを冷却するEGRクーラと、前記EGRクーラを通過する前記EGRガスの流路を開閉するEGRバルブと、前記EGRクーラを通過した前記冷却水によって変速機の潤滑油を加熱する変速機ウォーマと、前記EGRクーラ及び前記変速機ウォーマを通過する前記冷却水の水路を遮断する遮断手段と、前記遮断手段及び前記EGRバルブを制御する制御手段とを備えることを特徴とするエンジンの廃熱回収及び冷却装置である。
請求項3の発明は、前記制御手段は、前記エンジンが所定の暖機終了状態にあるときに、前記EGRバルブを開きかつ前記遮断手段を開状態とすることを特徴とする請求項1又は請求項1又は請求項2に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置である。
請求項4の発明は、前記制御手段は、前記変速機が所定の高温状態にあるときに、前記EGRバルブを閉じかつ前記遮断手段を開状態とすることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置である。
請求項5の発明は、前記遮断手段は、前記変速機ウォーマの出側配管、前記エンジンの主冷却水路、車室内の暖房に用いられるヒータコアの入り側配管がそれぞれ接続された三方弁であり、前記制御手段は、ユーザからの暖房要求入力時又は所定の低温状態にあるときに、前記EGRバルブを閉じかつ前記三方弁が前記エンジンの主冷却水路と前記ヒータコアとを連通させかつ前記EGRクーラ及び前記変速機ウォーマを通過する前記冷却水の水路を遮断することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置である。
(1)エンジン本体の温度に対して、始動直後の比較的早期から高温となる排ガス(EGRガス)によって変速機ウォーマに供給される冷却水を加熱することによって、変速機の潤滑油の油温を早期に高めることができ、変速機におけるフリクションロスを低減して車両の燃費性能を向上できる。
また、例えば冷却水を貯留する蓄熱容器などを設けることなく、既存のEGRクーラから回収される廃熱を利用して冷却水を加熱することによって、簡素な構成によって上述した効果を得ることができる。
(2)EGRクーラ及び変速機ウォーマを通過する冷却水の水路を遮断する遮断手段を備えることによって、EGRクーラから変速機ウォーマに滞留する冷却水を早期に昇温させ、この高温の冷却水をストレージすることによって、早期に変速機の潤滑油を昇温させることができる。
(3)エンジンが所定の暖機状態(冷間状態)にあるときに、EGRバルブを開きかつ遮断手段を遮断状態とすることによって、EGRガスによってEGRクーラから変速機ウォーマに滞留する冷却水を早期に昇温させて高温の状態でストレージし、エンジン暖機後の変速機暖機に備えることができる。
また、実質的な冷却水容量を低減してエンジンの早期暖機を優先し、エンジンのフリクション低減による燃費改善を図ることができる。
(4)エンジンが所定の暖機終了状態(温間状態)にあるときに、EGRバルブを開きかつ遮断手段を開状態とすることによって、EGRクーラにて廃熱回収し昇温させた冷却水を変速機ウォーマに通水し、潤滑油の油温を上昇させて変速機の暖機効果を高めることができる。
(5)変速機が所定の高温状態にあるときに、EGRバルブを閉じかつ遮断手段を開状態とすることによって、EGRクーラでの廃熱回収を行わず水温を低くした冷却水を変速機ウォーマに通水し、潤滑油を冷却して変速機の過熱を防止することができる。
(6)遮断手段は、変速機ウォーマの出側配管、エンジンの主冷却水路、車室内の暖房に用いられるヒータコアの入り側配管がそれぞれ接続された三方弁であり、ユーザからの暖房要求入力時又は所定の低温状態にあるときに、EGRバルブを閉じかつ三方弁がエンジンの主冷却水路とヒータコアとを連通させかつEGRクーラ及び変速機ウォーマを通過する前記冷却水の水路を遮断することによって、変速機ウォーマから変速機側への熱移動を防止しかつEGRクーラから変速機ウォーマの間の容量だけ実質的な冷却水容量を低減し、さらに、EGRバルブを閉じ充填効率を下げることによってエンジンの燃焼温度を高め、冷却水温を高く保って良好な暖房効果を得ることができる。
また、この課題を、CVTウォーマ出側配管、ヒータコア入側配管、水渡しパイプの間に3方弁を設けて運転状態に応じて水路を切り換えることによって解決した。
図1は、実施例の廃熱回収及び冷却装置の構成を示す図である。実施例の廃熱回収及び冷却装置は、例えば、乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載されるディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の水冷式内燃エンジンに設けられるものである。
実施例において、エンジンは、例えば車両に縦置き搭載される水平対向エンジンであって、左右一対のシリンダ及びヘッドを備えている。
LH水分離室3L、RH水分離室3Rは、ウォーターポンプ2から供給される冷却水を、それぞれ左右のブロック及びヘッドに配分するものである。
LHヘッド5L、RHヘッド5Rは、LHブロック4L、RHブロック4Rにそれぞれ設けられ、燃焼室、吸排気ポート、動弁駆動機構及び燃料噴射装置などを備え、燃焼室及び排気ポートを冷却する冷却水路が形成されている。
ターボチャージャ6は、エンジン1の排気で駆動されるタービンによってコンプレッサを駆動し、エンジン1の吸気を圧縮する過給機である。
これらのLHブロック4L、RHブロック4R、LHヘッド5L、RHヘッド5R、ターボチャージャ6は、ウォーターポンプ2が吐出する冷却水が通水されることによって冷却される。
ラジエータ9は、ラジエータ水路8から供給される冷却水を、走行風との熱交換等によって冷却する熱交換器である。ラジエータ9において冷却された冷却水は、ウォーターポンプ2に還流する。
リザーブタンク10は、ラジエータ9に接続され、余剰な冷却水が一時的に貯留される補助タンクである。
サーモスタット12は、ラジエータ9の出側配管及びバイパス水路11からの冷却水を、冷却水温に応じて選択的にウォーターポンプ2に導入するものである。
サーモスタット12は、冷却水温が低温である場合にはラジエータ9からの水路を遮断する。このとき、水渡しパイプ7からの冷却水はバイパス水路11からウォーターポンプ2に戻される。また、サーモスタット12は、冷却水温が所定以上の高温である場合には、ラジエータ9からの水路を開き、ラジエータ9を通過した冷却水をウォーターポンプ2に戻す。
図3乃至図6に示すように、EGRクーラ13は、内部のEGRガス流路13aを開閉するEGRバルブ13bを備えている。また、EGRガス流路の周囲には、冷却水路13cが設けられている。冷却水路13cには、内部の水温を検出する図示しない水温センサが設けられている。
EGRバルブ13bは、エンジン1及びその補機類を統括的に制御する図示しないエンジン制御装置によってその開閉を制御されている。
ヒータコア15の入り側配管は、3方弁16を経由して水渡しパイプ7に接続されている。
ヒータコア15の出側配管は、サーモスタット12に接続され、ヒータコア15から出た冷却水はサーモスタット12を経由してウォーターポンプ2に戻される。
3方弁16は、上述したエンジン制御ユニットによって流路の選択動作が制御されている。
図2は、この制御を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。
このフローの処理は、エンジン1の起動、停止を行う図示しないイグニッションスイッチがオンの際に開始される。
先ず、エンジン制御ユニットには、各種の初期条件が入力される。
3方弁16は、CVTウォーマ14側が閉とされ、水渡しパイプ7から3方弁16に導入された冷却水はヒータコア15側に流れる。
ステップS02に進む。
エンジン制御ユニットは、CVTのトランスミッションオイルの油温を検出し、油温が100℃以上である場合には、例えば登坂やトーイング走行などの高負荷によりCVTの過熱が懸念される状態であると判断して、ステップS03に進む。
図3に示すように、エンジン制御ユニットは、3方弁16がCVTウォーマ14から水渡しパイプ7へ冷却水を流しかつヒータコア15への通水を遮断する状態とする。
また、エンジン制御ユニットは、EGRバルブ13bを閉じる。
これによって、CVTウォーマ14に冷却水が通水され、トランスミッションオイルが冷却水によって冷却され、CVTの過熱が防止される。
このとき、EGRガスを遮断してEGRクーラ13での廃熱回収を行わないことによって、CVTウォーマ14に導入される冷却水の温度を低く保ち、早期にトランスミッション油温を所定の基準値以下まで冷却する。
その後、ステップS02に戻り、以降の処理を繰り返す。
エンジン制御ユニットは、暖房スイッチがオンされているか否かを判定し、オンの場合には、乗員からの暖房要求があるものとしてステップS05に進む。
一方、オフの場合には、ステップS06に進む。
ここで、暖房スイッチのオンオフに代えて、例えば外気温等の他の条件によって暖房要求の有無を判定してもよい。例えば、外気温が10℃以下の場合にはステップS05に進むようにしてもよい。
図4に示すように、エンジン制御ユニットは、3方弁16がCVRウォーマ14の出側配管を遮断しかつ水渡しパイプ7からヒータコア15への通水が行われる状態とする。
また、エンジン制御ユニットは、EGRバルブ13bを閉じる。
これによって、CVTウォーマ14を介してエンジン1側からトランスミッションオイル側(CVT側)へ熱移動することを防止し、また、EGRクーラ13からCVTウォーマ14までに貯留される冷却水を循環させないことで、循環される実質的な水容量を低減する。さらに、EGRバルブ13bを閉じてエンジン1の充填効率を下げることによって、燃焼温度を高くしてエンジン1の冷却水温を高く保ち、ヒータコア15からの放出熱量を増やして暖房性能を向上させる。
その後、ステップS06に進む。
エンジン制御ユニットは、エンジン1の冷却水の水温を検出し、水温が50℃未満である場合には、通常運転におけるエンジン暖機前(暖機未了)の状態(冷間状態)であると判断してステップS07に進む。
一方、水温が50℃以上である場合には、通常運転におけるエンジン暖機後の状態(温間状態)であると判断してステップS08に進む。
図5に示すように、エンジン制御ユニットは、3方弁16がCVTウォーマ14の出側配管を遮断しかつ水渡しパイプ7からヒータコア15への通水が行われる状態とする。
また、エンジン制御ユニットは、EGRバルブ13bを開く。
これによって、エンジン1の早期暖機を優先してエンジン1のフリクション低減による燃費改善を行う。
また、EGRクーラ13からCVTウォーマ14にかけて滞留する冷却水を、EGRガスからの廃熱回収によって早期に昇温させ、高温の冷却水をストレージしてエンジン1暖機後のCVTの暖機に備える。
このとき、EGRクーラ13内の冷却水が沸点に到達する直前にEGRバルブの開度を下げ、冷却水温が沸点以下となるような制御を行う。
その後、ステップS09に進む。
図6に示すように、3方弁16がCVTウォーマ14から水渡しパイプ7へ冷却水を流しかつヒータコア15への通水を遮断する状態とする。
また、エンジン制御ユニットは、EGRバルブ13bを開く。
これによって、ステップS07において廃熱回収によって昇温させ、ストレージされた高温の冷却水をCVTウォーマ14に通水し、トランスミッションオイルの油温を上昇させてCVTの暖機効果を最大化させる。
CVTにおいては、トランスミッションオイルの昇温によってその粘度を低下させ、ロストルク低下によって車両の燃費性能を向上させる。
その後、ステップS09に進む。
エンジン制御ユニットは、イグニッションスイッチのオンオフを検出し、オフである場合には、一連の処理を終了する。
一方、オンである場合には、ステップS02に戻り、以降の処理を繰り返す。
以上説明したように、本実施例によれば、簡素な構成によってエンジンの廃熱を利用して車両の燃費を改善するエンジンの廃熱回収及び冷却装置を提供することができる。
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
本発明が適用されるエンジンは、実施例のような水平対向エンジンに限らず、直列、V型等の他種のエンジンであってもよい。
また、冷却水の水路の構成は、実施例のものに限らず、適宜変更することができる。
例えば、実施例ではEGRクーラ及びCVTウォーマの水路開閉及びヒータコアの水路開閉を単一の3方弁によって行っているが、例えば他種のバルブを複数用いてこのような機能を実現してもよい。
また、本発明の効果のうちEGRクーラでの廃熱回収による変速機潤滑油昇温が実現できればよい場合には、例えば図7に示す本発明の変形例のように、単にEGRクーラの下流側にCVTウォーマを配置すればよく、このような変形例も本発明の技術的範囲内である。なお、図7において、上述した実施例と実質的に同様の部分については同じ符号を付している。
3L LH水分離室 3R RH水分離室
4L LHブロック 4R RHブロック
5L LHヘッド 5R RHヘッド
6 ターボチャージャ 7 水渡しパイプ
8 ラジエータ水路 9 ラジエータ
10 リザーブタンク 11 バイパス水路
12 サーモスタット 13 EGRクーラ
13a EGRガス流路 13b EGRバルブ
13c 冷却水路 14 CVTウォーマ
15 ヒータコア 16 3方弁
17 サーマルリレー 18 オイルクーラ
Claims (5)
- エンジンの冷却水を吐出するウォーターポンプと、
前記ウォーターポンプから吐出される前記冷却水の一部を用いて前記エンジンの排気管路から吸気管路に導入されるEGRガスを冷却するEGRクーラと、
前記EGRクーラを通過する前記EGRガスの流路を開閉するEGRバルブと、
前記EGRクーラを通過した前記冷却水によって変速機の潤滑油を加熱する変速機ウォーマと、
前記EGRクーラ及び前記変速機ウォーマを通過する前記冷却水の水路を遮断する遮断手段と、
前記遮断手段及び前記EGRバルブを制御する制御手段と
を備えることを特徴とするエンジンの廃熱回収及び冷却装置。 - 前記制御手段は、前記エンジンが所定の暖機状態にあるときに、前記EGRバルブを開きかつ前記遮断手段を遮断状態とすること
を特徴とする請求項1に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置。 - 前記制御手段は、前記エンジンが所定の暖機終了状態にあるときに、前記EGRバルブを開きかつ前記遮断手段を開状態とすること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置。 - 前記制御手段は、前記変速機が所定の高温状態にあるときに、前記EGRバルブを閉じかつ前記遮断手段を開状態とすること
を特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置。 - 前記遮断手段は、前記変速機ウォーマの出側配管、前記エンジンの主冷却水路、車室内の暖房に用いられるヒータコアの入り側配管がそれぞれ接続された三方弁であり、
前記制御手段は、ユーザからの暖房要求入力時又は所定の低温状態にあるときに、前記EGRバルブを閉じかつ前記三方弁が前記エンジンの主冷却水路と前記ヒータコアとを連通させかつ前記EGRクーラ及び前記変速機ウォーマを通過する前記冷却水の水路を遮断すること
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のエンジンの廃熱回収及び冷却装置。
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