JP5899835B2

JP5899835B2 - エンジンの冷却装置

Info

Publication number: JP5899835B2
Application number: JP2011246678A
Authority: JP
Inventors: 薄井　英憲; 英憲薄井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: JP2013104314A

Description

本発明は、エンジンに空気を過給する過給機と、前記過給機によって圧縮された空気を冷却するインタークーラと、前記過給機及び前記インタークーラに冷却水を流通させる電動ポンプと、前記過給機又は前記インタークーラを流通した冷却水を冷却するラジエータと、前記電動ポンプから前記過給機を介して前記ラジエータに前記冷却水を流通させる第１冷却水路と、前記電動ポンプから前記インタークーラを介して前記ラジエータに前記冷却水を流通させる第２冷却水路とを備えたエンジンの冷却装置に関する。

従来から、エンジンの燃焼効率を高めるために、エンジンの吸気系統に対して種々の工夫がなされている。
例えば、エンジンの温度状態によらず燃料の霧化を促進させる技術が特許文献１に記載してある。この技術は、特にエンジンの暖機が終了していない状態で燃料を霧化させ易くするために、吸気を積極的に加熱するものである。即ち、排気ガス中の未燃燃料を未燃燃料燃焼室で燃焼させ、これによって生じた熱を熱交換器で吸気に付与して、エンジンが未だ冷温状態にある場合でも吸気温度を高める処理が行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、エンジンの燃焼効率を高めるには、ポンピングロスを低減する必要もある。ポンピングロスとは、レシプロエンジン等のシリンダに対する空気の供給・排気の際に生じるエネルギー損失のことをいう。たとえば、スロットルバルブの開度が少ない場合には、吸気管の内部でスロットルバルブが吸気流に対する抵抗となるからポンピングロスは増大する。一般的な電子制御方式のエンジンでは、エンジンの暖機が終了しておらず吸気温度が低い場合、吸気温度が高いときに比べてスロットルバルブは絞った状態に制御される。これは、吸気温度が低温であるほど空気密度が大きく、エンジン回転数が同じで必要な空気量が同じ場合には、吸気温度が低いほどスロットルバルブが絞られることによる。この結果、エンジンの暖機運転が終了していない状態ではポンピングロスは増大する場合が多い。

特開平６−３３８４０号公報

公知文献１の技術は、上記未燃燃料燃焼室や熱交換器を別途設ける必要がある。このため、装置構成が煩雑となる。
また、公知文献１のエンジンは、過給機やインタークーラを備えていない自然吸気式のエンジンであり、吸気管の内圧はそれほど高くならないため上記ポンピングロスの影響は少ないと考えられる。

この点、過給機付きのエンジンにあっては、高出力運転時にこそ過給機が有効に機能する。よって、過給機付きエンジンでは、従来より、高負荷運転時における燃焼効率の改善については数多くの提案がなされてきた。しかしながら、特にエンジンの温度が低く低負荷運転時の燃焼効率改善についてはあまり着目されてこなかった。
このような過給機付きのエンジンに於いても、エンジン始動直後の状態で吸気を加熱し燃焼効率を高めることは有効と考えられるものの、これまで吸気を加熱するといった技術はなかった。
このように上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の目的は、過給機およびインタークーラを備えたエンジンにおいてエンジンの運転状態に拘らず燃焼効率を向上し得るエンジンを得る点にある。

本発明によるエンジンの冷却装置の第１特徴構成は、エンジンに供給する空気を過給する過給機と、前記過給機によって圧縮された空気を冷却するインタークーラと、前記過給機及び前記インタークーラに冷却水を流通させる電動ポンプと、前記過給機又は前記インタークーラを流通した冷却水を冷却するラジエータと、前記電動ポンプから前記過給機を介して前記ラジエータに前記冷却水を流通させる第１冷却水路と、前記電動ポンプから前記インタークーラを介して前記ラジエータに前記冷却水を流通させる第２冷却水路と、前記過給機を流通した前記冷却水を前記ラジエータを迂回して前記電動ポンプに還流させるバイパス流路と、吸気温度が目標温度未満のときに、前記第１冷却水路の冷却水を前記バイパス流路に流通させる流路設定機構と、を備え、前記過給機が予め設定した温度以上となったときに、前記電動ポンプを始動し、前記流路設定機構が前記冷却水を前記バイパス流路に流通させるように構成してある点にある。

本構成のエンジンの冷却装置は、過給機を流通した冷却水をラジエータを迂回して電動ポンプに還流させるバイパス流路と、吸気温度が目標温度未満のときに第１冷却水路の冷却水をバイパス流路に流通させる流路設定機構とを備えている。
このため、エンジンの低負荷運転時に、過給機を流通して温度が上昇した冷却水を、ラジエータで冷却せずに電動ポンプに還流させて、インタークーラに流通させることができる。

したがって、本構成のエンジンの冷却装置であれば、エンジンの低負荷運転時においては、インタークーラを活用して吸気温度を高めることにより、エンジンの燃焼効率の向上を図ることができる。
特に、スロットルバルブの開度を吸気量（アクセルの踏み込み量）に応じて制御するエンジンにおいて、エンジンの低負荷運転時に吸気温度を高めることにより、スロットルバルブの開度を高める制御が行われてポンピングロスが低減される。
また、本構成であれば、過給機の温度が予め設定した温度未満では電動ポンプが停止しているので、冷却水による過給機の冷却が行われず、過給機を迅速に昇温させることができる。
過給機が予め設定した温度以上の状態であれば、過給機を流通した後の冷却水をバイパス流路に流通させるので、電動ポンプを効率良く作動させながら吸気温度を適切に制御することができる。

本発明の第２特徴構成は、前記流路設定機構が、前記バイパス流路の分岐部の下流において前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路から前記ラジエータへの冷却水流量を調節可能な開閉弁である点にある。

本構成であれば、第１冷却水路及び第２冷却水路からラジエータへの冷却水流量をバイパス流路の分岐部の下流において開閉弁で調節して、過給機及びインタークーラを流通した冷却水の全量又は一部を、ラジエータで冷却せずに電動ポンプに還流させることができる。
その結果、エンジン始動の直後においても吸気温度を適切に制御することができる。

本発明の第３特徴構成は、前記流路設定機構が、前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路の冷却水を前記バイパス流路に流通させる流路切替弁である点にある。

本構成であれば、過給機及びインタークーラを流通した冷却水の全量を、ラジエータで冷却せずに電動ポンプに還流させることができるので、吸気温度を一層能率良く上昇させることができる。

エンジンの冷却装置を示すブロック図である。制御装置の制御動作を示すフローチャートである。（ａ）は、第１実施形態のエンジンの冷却装置における暖機運転時の過給機出口水温、インタークーラ出口水温及び吸気温度の経時変化を示すグラフである。（ｂ）は、従来のエンジンの冷却装置における暖機運転時の過給機出口水温、インタークーラ出口水温及び吸気温度の経時変化を示すグラフである。第２実施形態のエンジンの冷却装置を示すブロック図である。第２実施形態における制御装置の制御動作を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、自動車用エンジンに装備された本発明によるエンジンの冷却装置を示すブロック図である。
エンジン１は、エンジン１に供給する空気を過給する過給機（ターボチャージャー）２と、過給機２によって圧縮された空気を冷却するインタークーラ３とを装備している。
過給機２は、エンジン１のエンジンブロックなどに一体連結されている。

エンジンの冷却装置は、エンジン１を冷却するエンジン側冷却回路４と、過給機２及びインタークーラ３を冷却する過給機側冷却回路５とを各別に有する。

エンジン側冷却回路４は、エンジン１の駆動により機械式ポンプ６を作動させて、エンジン１とメインラジエータ７及びヒータ８とに亘って冷却水を循環させる。

過給機側冷却回路５は、過給機２及びインタークーラ３に冷却水を流通させる電動ポンプ９と、過給機２又はインタークーラ３を流通した冷却水を冷却するサブラジエータ１０と、過給機２を冷却する第１冷却水路１１と、インタークーラ３を冷却する第２冷却水路１２と、暖機運転時などのエンジン１の低負荷運転時に、インタークーラ３を通過する吸気の温度（吸気温度）が設定範囲内の温度になるように制御する制御装置１４とを備えている。

電動ポンプ９の冷却水吐出路１５を第１冷却水路１１と第２冷却水路１２とに分岐し、サブラジエータ１０の冷却水流入路１６に第１冷却水路１１と第２冷却水路１２とを合流させてある。

第１冷却水路１１は、電動ポンプ９から過給機２を介してサブラジエータ１０に冷却水を流通させる。
第２冷却水路１２は、電動ポンプ９からインタークーラ３を介してサブラジエータ１０に冷却水を流通させる。

冷却水流入路１６の中間位置には、過給機２を流通した冷却水を、サブラジエータ１０を迂回して電動ポンプ９に還流させるバイパス流路１７を分岐してある。

冷却水流入路１６は、エンジン１の低負荷運転時に、第１冷却水路１１の冷却水をバイパス流路１７に流通させる流路設定機構１３を備えている。

流路設定機構１３は、バイパス流路１７の分岐部の下流において第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２からサブラジエータ１０への冷却水流量を調節可能な開閉弁１３ａを、冷却水流入路１６のうちのバイパス流路１７の分岐箇所よりも下流側部分に接続して設けてある。

開閉弁１３ａは、エンジン停止状態では非通電状態に維持した開弁状態に保持され、通電により冷却水の流通を遮断する閉弁状態に切り替えられる二位置切り替え式の電磁弁で構成してある。

したがって、開閉弁１３ａを非通電状態に維持しておくと、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２の冷却水をサブラジエータ１０に流入させることができ、開閉弁１３ａを通電状態に維持しておくと、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２の冷却水の全量をサブラジエータ１０を迂回して電動ポンプ９に還流させることができる。

制御装置１４による制御動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
制御装置１４は、エンジンの暖機運転時などの低負荷運転時に、インタークーラ３を通過する吸気の温度（吸気温度）が設定範囲内の温度になるように、開閉弁１３ａの作動を制御する。

イグニッションのＯＮ操作によりエンジン１が始動されると（ステップ＃１）、過給機２の温度が設定温度以上か否かを判定する（ステップ＃２）。
この設定温度は、過給機２を流通した後の冷却水をバイパス流路１７に流通させることにより、吸気温度を効果的に上昇させることができる過給機２の温度として予め設定されている。

過給機２の温度が設定温度以上であるときは、電動ポンプ９の作動を開始させた後（ステップ＃３）、吸気温度が目標温度範囲内の温度であるか否かを判定し（ステップ＃４）、目標温度範囲内の温度でないときには、目標温度範囲未満の温度であるか否かを判定する（ステップ＃５）。
吸気温度の目標温度範囲は、ポンピングロスを効果的に低減することができる温度範囲として予め設定されている。

吸気温度が目標温度範囲未満の温度であるときは、開閉弁１３ａを通電状態に維持することにより閉弁状態に保持して、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２の冷却水の全量をサブラジエータ１０を迂回して電動ポンプ９に還流させる（ステップ＃６）。

イグニッションのＯＦＦ操作によりエンジン１が停止されると（ステップ＃７）、電動ポンプ９を停止して（ステップ＃９）、開閉弁１３ａを非通電状態に維持した開弁状態で制御動作を終了する。

ステップ＃４において吸気温度が目標温度範囲内の温度であるとき、及び、ステップ＃５において吸気温度が目標温度範囲未満の温度ではないとき、つまり、目標温度範囲を越える温度であるときは、開閉弁１３ａを非通電状態に維持することにより開弁状態に保持して（ステップ＃８）、エンジン１が停止さたか否かを判定する（ステップ＃７）。

ステップ＃７においてエンジン１が停止していないと判定したときは、エンジン１が停止されるまで、ステップ＃４〜＃８を設定時間間隔で周期的に繰り返す。

図３（ａ）は、本実施形態の冷却装置による暖機運転時の過給機出口水温、インタークーラ出口水温及び吸気温度の経時変化を示し、図３（ｂ）は、バイパス流路１７を備えていない従来の冷却装置による暖機運転時の過給機出口水温、インタークーラ出口水温及び吸気温度の経時変化を示す。

本実施形態の冷却装置によれば、図３（ａ）に示すように過給機出口水温、インタークーラ出口水温及び吸気温度の上昇率のいずれもが、図３（ｂ）に示す従来の冷却装置による過給機出口水温、インタークーラ出口水温及び吸気温度の上昇率よりも大きく、吸気温度が能率良く上昇していることを示している。
尚、電動ポンプ９の作動開始時における過給機出口水温のピークは、エンジン１を始動した後、電動ポンプ９の作動開始まで過給機２が冷却されていなかったことにより生じている。

〔第２実施形態〕
図４，図５は、本発明の別実施形態を示す。
本実施形態では、第１実施形態で示した開閉弁１３ａに代えて、図４に示すように、冷却水流入路１６におけるバイパス流路１７の分岐箇所に、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２の冷却水をバイパス流路１７に流通させる流路切替弁１３ｂを流路設定機構１３として設けてある。

流路切替弁１３ｂは、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２をサブラジエータ１０に接続し、かつ、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２とバイパス流路１７との連通を遮断する第１接続状態と、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２とサブラジエータ１０との接続を遮断し、かつ、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２とバイパス流路１７とを連通させる第２接続状態とに択一的に切替可能な電磁弁で構成してある。
流路切替弁１３ｂは、エンジン停止状態では非通電状態に維持した第１接続状態に保持され、通電により第２接続状態に切り替えられる。

したがって、流路切替弁１３ｂを非通電状態に維持すると、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２を流通する冷却水の全量がサブラジエータ１０を流通し、流路切替弁１３ｂを通電状態に維持すると、第１冷却水路１１及び第２冷却水路１２を流通する冷却水の全量がバイパス流路１７を介して電動ポンプ９に還流される。

制御装置１４は、第１実施形態で示したフローチャート（図２）のステップ＃６における開閉弁１３ａを閉弁状態に保持する動作に代えて、図５のフローチャートに示すように、流路切替弁１３ｂを通電状態に維持して第２接続状態に保持する。

また、第１実施形態で示したフローチャート（図２）のステップ＃８における開閉弁１３ａを開弁状態に保持する動作に代えて、図５のフローチャートに示すように、流路切替弁１３ｂを非通電状態に維持して第１接続状態に保持する。
その他の構成は第１実施形態と同様である。

〔その他の実施形態〕
１．本発明によるエンジンの冷却装置は、吸気温度が目標温度未満のときに、第１冷却水路１１の冷却水の全量をバイパス流路１７にのみ流通させる流路設定機構１３を備えていても、一部をバイパス流路１７に流通させる流路設定機構１３を備えていてもよい。
２．本発明によるエンジンの冷却装置は、吸気温度が目標温度未満のときに、過給機２を流通した冷却水のみをバイパス流路１７に流通させる流路設定機構１３を備えていてもよい。
３．本発明によるエンジンの冷却装置は、第１冷却水路１１と第２冷却水路１２の夫々がサブラジエータ１０に各別に接続されていてもよい。
４．本発明によるエンジンの冷却装置は、過給機２又はインタークーラ３を流通した冷却水を冷却するラジエータが、機械式ポンプ６で循環させる冷却水を冷却するラジエータで構成されていてもよい。
５．本発明によるエンジンの冷却装置は、自動車用エンジン以外の各種エンジンに装備されるものであってもよい。

本発明によるエンジンの冷却装置は、自動車用エンジン以外の各種エンジンに適用することができる。

１エンジン
２過給機
３インタークーラ
９電動ポンプ
１０ラジエータ
１１第１冷却水路
１２第２冷却水路
１３流路設定機構
１３ａ開閉弁
１３ｂ流路切替弁
１７バイパス流路

Claims

エンジンに供給する空気を過給する過給機と、
前記過給機によって圧縮された空気を冷却するインタークーラと、
前記過給機及び前記インタークーラに冷却水を流通させる電動ポンプと、
前記過給機又は前記インタークーラを流通した冷却水を冷却するラジエータと、
前記電動ポンプから前記過給機を介して前記ラジエータに前記冷却水を流通させる第１冷却水路と、
前記電動ポンプから前記インタークーラを介して前記ラジエータに前記冷却水を流通させる第２冷却水路と、
前記過給機を流通した前記冷却水を前記ラジエータを迂回して前記電動ポンプに還流させるバイパス流路と、
吸気温度が目標温度未満のときに前記第１冷却水路の冷却水を前記バイパス流路に流通させる流路設定機構と、を備え、
前記過給機が予め設定した温度以上となったときに、前記電動ポンプを始動し、前記流路設定機構が前記冷却水を前記バイパス流路に流通させるように構成してあるエンジンの冷却装置。
前記流路設定機構が、前記バイパス流路の分岐部の下流において前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路から前記ラジエータへの冷却水流量を調節可能な開閉弁である請求項１に記載のエンジンの冷却装置。
前記流路設定機構が、前記第１冷却水路及び前記第２冷却水路の冷却水を前記バイパス流路に流通させる流路切替弁である請求項１に記載のエンジンの冷却装置。