JP4646325B2 - エンジン冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンと排気熱回収器およびラジエータとの間で冷媒を循環させるエンジン冷却装置に関する。

自動車等に搭載されるエンジンの冷却は、一般にエンジンとラジエータとの間において冷媒（例えば、冷却水）を循環させることによって行われる。
ところが、例えば、高負荷をかけていたエンジンを停止させると、エンジンの余熱によりエンジン内部の冷却水の温度が上昇して沸騰することがある。そこで、このような冷却水の沸騰を防止するため、エンジンとラジエータとの間の循環流路にサーモスタット弁を設け、エンジン停止後もエンジンとラジエータとの間で冷却水の循環を可能にした冷却装置があった（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１の冷却装置は、エンジンの停止後に冷却水が設定温度以上になると、電磁アクチュエータによってサーモスタット弁を強制開弁させ、ラジエータ側の比較的低温の冷却水を自然対流によってエンジン側の循環流路に導入している。

また、冷却水の沸騰を防止する他の対策として、エンジン停止後も冷却水の循環を行えるように、エンジンの駆動状態とは独立して動作可能な電動式のウォーターポンプを採用した冷却装置があった（例えば、特許文献２を参照）。
特許文献２の冷却装置は、エンジンの冷却水出口近傍における冷却水の温度をエンジンの動作中から停止後にかけて検知し、その温度変化等に基づいて電動式ウォーターポンプを駆動している。また、エンジンとラジエータとの循環流路にサーモスタット弁を設け、冷却水の温度が高いときにサーモスタット弁を開弁してラジエータ側の比較的低温の冷却水がエンジン側に循環するように構成されている。

一方、最近では排気熱回収器付きのエンジンが実用化されている。このような排気熱回収器付きのエンジンを搭載した自動車においては、エンジンから発生する熱をエンジン冷却水によって回収し、車内の暖房等に有効利用することが行われている（例えば、特許文献３を参照）。
特許文献３の排気熱回収器付きのエンジンは、エンジンから排出される排気ガスと冷却水とを排気熱回収器にそれぞれ導入し、当該排気熱回収器内で熱交換を行うことによって高温の排気ガスから熱回収を行っている。

特開平９−１９５７６８号公報（図１） 特開２００５−９０２３６号公報（図１） 特開２００６−１９２９５０号公報（図１）

特許文献１の冷却装置は、ウォーターポンプとして機械式のものを使用している。このため、エンジン停止とともにウォーターポンプも停止する。従って、エンジンの停止後は、サーモスタット弁が強制開弁されるものの冷却水は自然循環されるに過ぎないため、冷却性能は著しく低下する。このため、エンジン停止後の冷却水の沸騰を確実に防止することは困難である。
また、サーモスタット弁に強制開弁用の電磁アクチュエータを組み込んでいるため、構成が複雑になるとともにコストアップにもなる。

特許文献２の冷却装置は、電動式ウォーターポンプを採用しているため、上記特許文献１の冷却装置とは異なりエンジン停止後も冷却水を循環させることができる。
しかし、この電動式ウォーターポンプはエンジンの冷却水出口近傍における冷却水の温度に基づいて動作するものであるため、例えば、エンジンから離間した位置に排気熱回収器を設けた場合では、当該排気熱回収器の近傍の冷却水が高温状態である場合でもそれを検知することができない。そのため、排気熱回収器付近の冷却水が沸騰しても電動式ウォーターポンプは動作せず、さらにサーモスタット弁も開弁しないことから、ラジエータ側の比較的低温の冷却水を排気熱回収器にまで循環させることができない。

特許文献３の排気熱回収器付きのエンジンは、例えば、高外気温時などの排気熱の回収が不要な場合において、排気熱回収器内の冷却水を外部に設けた水タンクに移して排気熱回収器内を空気雰囲気とすることで、排気ガスから冷却水への熱伝達を防止している。
ところが、排気熱の回収が不要な場合でも、排気熱回収器に蓄積される熱をある程度排除しなければ配管が加熱するなどして故障の原因となることがある。このため、特許文献３のように排気熱回収器の内部から冷却水を抜き取ることはエンジンの耐久性の点において好ましくない。
また、排気熱回収器とは別に水タンクを設けることは、スペース面およびコスト面からも好ましくない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気熱回収器付きのエンジンにおいて、エンジン停止後も高温状態に曝される排気熱回収器付近の冷却水が沸騰することを防止できるエンジン冷却装置を提供する点にある。

本発明に係るエンジン冷却装置の特徴構成は、エンジンと排気熱回収器およびラジエータとの間で冷媒を循環させるエンジン冷却装置であって、前記エンジンと前記排気熱回収器との間に前記冷媒を流通させる第１循環流路と、前記エンジンと前記ラジエータとの間に前記冷媒を流通させる第２循環流路と、前記第１循環流路及び前記第２循環流路を流通する冷媒を搬送するポンプとを備え、前記エンジンの停止後、前記排気熱回収器の内部環境の検知手段から受信した検知データに基づき前記ポンプを駆動させる制御部と、前記第２循環流路における前記冷媒の循環量を調整する制御弁とを設け、前記制御部は、前記内部環境の検知手段から受信した検知データが第１所定値以上であり、かつ前記第１所定値よりも高い第２所定値以下である場合に、前記制御弁を閉じて前記ポンプを駆動することにより、前記冷媒を前記第１循環流路で循環させ、前記検知データが前記第２所定値よりも大きい場合に、前記制御弁を開弁して前記ポンプを駆動することにより、前記冷媒を前記第１循環流路及び前記第２循環流路で循環させることにある。

エンジンから排出される排気ガスの熱を回収するために使用される排気熱回収器は、エンジン動作中に高温状態に曝される。この高温状態はエンジン停止後もしばらくの間継続する。このため、排気熱回収器の内部に残存する冷媒は、エンジン停止後においても沸騰し易い状態となっている。
そこで、本構成のエンジン冷却装置では、エンジン停止後においてエンジンＥＣＵ等の制御部が排気熱回収器の内部環境に応じてポンプを駆動できるように構成してある。
ここで、「内部環境」とは排気熱回収器の内部の物理的性質または物理的状態のことをいい、排気熱回収器の内部を通る冷媒の温度や蒸気圧、排気熱回収器の内部を通る排気ガスの温度等で表わされる。
例えば、排気熱回収器の内部の物理的状態が所定の状態を超えることにより冷媒が沸騰状態になったことを制御部が認識すると、エンジン停止後であっても制御部はポンプを駆動させ、あるいは駆動を継続して第１循環流路に冷媒を循環させる。これにより、排気熱回収器に高温の冷媒が滞留することがない。従って、排気熱回収器の内部において冷媒が局所的に沸騰状態となることを防止することができる。
上述したように、エンジンＥＣＵ等の制御部が排気熱回収器の内部環境に応じてポンプを駆動し、第１循環流路に冷媒を循環させることによって、エンジン停止後においても排気熱回収器の内部で冷媒が局所的に沸騰状態となることを防止することができる。ところが、前記第１循環流路はエンジンと排気熱回収器との間に冷媒を流通させる流路であるため、第１循環流路を流通する冷媒は比較的熱を蓄積し易い。
そこで、本構成のエンジン冷却装置では、エンジン停止後におけるポンプの駆動時に、第２循環流路における冷媒の循環量を調節する制御弁を設けている。第２循環流路はエンジンとラジエータとの間に冷媒を流通させる流路であるため、第２循環流路内の冷媒は蓄積した熱をラジエータにおいて放出することができる。
従って、エンジン停止後におけるポンプの駆動時に、制御弁を開状態に調節してラジエータを通過した第２循環流路内の比較的温度の低い冷媒を、第１循環流路を介して排気熱回収器に導入し、排気熱の冷却効率を向上させることができる。これにより、排気熱回収器の内部において冷媒が局所的に沸騰状態となることを、より確実に防止することができる。

本発明に係るエンジン冷却装置において、前記内部環境の検知手段として冷媒温度センサを設け、当該冷媒温度センサからの出力情報に基づいて前記制御部が前記ポンプの駆動を制御することも可能である。

本構成のエンジン冷却装置であれば、内部環境の検知手段として設けた冷媒温度センサ（例えば、水温センサ）が、例えば排気熱回収器の内部の冷媒温度が所定値以上に達したことを検知し、この冷媒温度に関する出力情報を制御部に伝達する。これにより、制御部は排気熱回収器の内部において冷媒が沸騰状態となったことを認識し、制御部が、ポンプ、あるいはポンプおよび制御弁を制御することにより、排気熱回収器側に冷媒を循環させることができる。

本発明に係るエンジン冷却装置において、前記内部環境の検知手段として排気温度センサを設け、当該排気温度センサからの出力情報に基づいて前記制御部が前記ポンプの駆動を制御することも可能である。

本構成のエンジン冷却装置であれば、内部環境の検知手段として設けた排気温度センサが、例えばエンジンから排出される排気ガスの温度が所定値以上に達したことを検知し、この排気温度に関する出力情報を制御部に伝達する。これにより、制御部は排気熱回収器の内部において冷媒が沸騰状態となったことを認識し、制御部が、ポンプ、あるいはポンプおよび制御弁を制御することにより、排気熱回収器側に冷媒を循環させることができる。

本発明に係るエンジン冷却装置において、前記内部環境に関連したエンジン動作履歴情報を取得する情報取得部を設け、当該情報取得部からの前記エンジン動作履歴情報に基づいて前記制御部が前記ポンプの駆動を制御することも可能である。

本構成のエンジン冷却装置では、情報取得部が内部環境に関連したエンジン動作履歴情報を取得する。ここで、「エンジン動作履歴情報」には、運転履歴やエンジン回転数等が挙げられる。このエンジン動作履歴情報に基づいて、制御部は排気熱回収器の内部において冷媒が沸騰状態となっているか否かを判断する。この結果を受けて、制御部が、ポンプ、あるいはポンプおよび制御弁を制御することにより、排気熱回収器側に冷媒を循環させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施形態および図面に記載される構成に限定されるものではなく、これらと均等な構成も含み得る。

図１は、本発明のエンジン冷却装置１００の一実施形態を示す概略構成図である。このエンジン冷却装置１００により、エンジン１０と排気熱回収器２０およびラジエータ３０との間で冷媒を循環させることができる。従って、エンジン１０は水冷式エンジンとする。
排気熱回収器２０は、エンジン１０から排出される高温の排気ガスから熱を回収する装置である。排気熱回収器２０には高温の排気ガスが通過する排気管２４及びエンジン１０の冷却水が通過する後述の第２循環流路１１が通されており、排気熱回収器２０の内部において排気ガスと冷却水との間で熱交換が行われるように構成されている。排気熱回収器２０で回収された熱は、例えば車内の暖房等に利用される。
ラジエータ３０は、ファン３１を備えた従来公知のものを採用することができる。ファン３１は、後述する制御手段１４によって適宜動作するように制御される。

エンジン冷却装置１００は、第１循環流路１１と、第２循環流路１２と、ウォーターポンプ（ポンプの一例）１３とを備える。またエンジン冷却装置１００には、ウォーターポンプ１３の動作を制御する制御部１４が設けられている。

第１循環流路１１は、エンジン１０と排気熱回収器２０との間に冷却水（冷媒の一例）を流通させる流路である。第１循環流路１１は、エンジン１０から排気熱回収器２０に向かう第１往路１１ａと、排気熱回収器２０からエンジン１０に戻る第１復路１１ｂとによって構成される。第１往路１１ａと第１復路１１ｂとの間には必要に応じて、回収した熱を利用して車内を暖房するためのヒータ２３が設けられる。

第２循環流路１２は、エンジン１０とラジエータ３０との間に冷却水を流通させる流路である。第２循環流路１２は、エンジン１０からラジエータ３０に向かう第２往路１２ａと、ラジエータ３０からエンジン１０に戻る第２復路１２ｂとによって構成される。第２往路１２ａと第２復路１２ｂとの間にはバイパス路１２ｃが設けられる。バイパス路１２ｃと第２復路１２ｂとの接続部には第２循環流路１２を流通する冷却水の循環量を調節するための制御弁４０が設けられる。この制御弁４０としては、例えば温度によって弁開度が変化するサーモスタット弁が採用される。また、制御弁４０には温度に関係なく開弁させるための強制開弁機構（図示せず）も設けられる。強制開弁機構は、サーモスタット弁の弁体を駆動するためのワックスを加熱するヒータとしたり、弁体を直接駆動するアクチュエータとすることができる。
制御弁４０が開状態にあると、エンジン１０から排出された高温の冷却水は一部がバイパス路１２ｃを通過するが、残りは第２往路１２ａを通ってラジエータ３０に導入される。ラジエータ３０で熱を放出した冷却水は、第２復路１２ｂを通ってエンジン１０に戻る。制御弁４０が閉状態にあると、エンジン１０から排出された高温の冷却水は第２往路１２ａを通過することなく全部がバイパス路１２ｃを経由してエンジン１０に戻る。

ウォーターポンプ１３は、第１循環流路１１及び第２循環流路１２を流通する冷却水を搬送するために設けられる。本実施形態では、第１循環流路１１と第２循環流路１２とが流路の一部を共有しており、その共有部分であるエンジン１０の冷却水導入口付近にウォーターポンプ１３を設けている。また、ウォーターポンプ１３は電動式ポンプであり、エンジン１０の駆動状態に関係なく独立して動作することができる。従って、エンジン１０の停止後においても、ウォーターポンプ１３を駆動させることにより、第１循環流路１１、あるいは第１循環流路１１および第２循環流路１２に冷却水を搬送することが可能である。

制御部１４は、通常エンジン１０の冷却水出口付近に設けたエンジン側水温センサ１６からの信号を受信してウォーターポンプ１３および制御弁４０の動作を制御しているが、本発明においては、上記制御に加えて排気熱回収器２０の内部環境に応じてウォーターポンプ１３を駆動させることができる。また、制御部１４は、排気熱回収器２０の内部環境に応じて制御弁４０の弁開度を調節することもできる。ここで、「内部環境」とは排気熱回収器２０の内部の物理的性質または物理的状態のことをいい、排気熱回収器２０の内部を通る冷却水の温度や蒸気圧、排気熱回収器２０の内部を通る排気ガスの温度等で表わされる。
本実施形態では、制御部１４は冷却水が沸騰状態となったか否かを内部環境の変化として監視している。従って、排気熱回収器２０の付近には内部環境の検知手段として冷却水の温度を検知するための水温センサ２２や排気温度を検知するための排気温度センサ２１等の各種センサが設けられる。水温センサ２２および排気温度センサ２１は、図１のように排気熱回収器２０の下流側に設けることが好ましいが、排気熱回収器２０の内部に設けることも可能である。
制御部１４は水温センサ２２から出力情報として冷却水温度のデータを受信することにより、直接的に冷却水が沸騰しているか否かを認識することができる。あるいは、排気温度センサ２１から出力情報として排気温度のデータを受信することにより、間接的に冷却水が沸騰しているか否かを認識することができる。
なお、本実施形態では、車両に搭載されるエンジンＥＣＵに制御部１４の機能を兼用させているが、エンジンＥＣＵとは別に制御部１４を設けることも可能である。

次に、制御部１４が行うウォーターポンプ１３及び制御弁４０の制御フローを図２のフローチャートに示す。このフローチャートは、制御部１４が排気熱回収器２０の内部の冷却水温度に基づいて、ウォーターポンプ１３及び制御弁４０の制御を行う場合の一つの例を示している。

エンジン１０が停止すると（Ｓ１）、制御部１４は、排気熱回収器２０に設けた水温センサ２２から受信した冷却水温度に関する検知データに基づいて、排気熱回収器２０の内部の冷却水が沸騰状態となっているか否かを判断する（Ｓ２）。この判断は、冷却水温度が所定値以上に達しているか否かによって行われる。ステップ２において「沸騰状態ではない」と判断した場合（Ｓ２：Ｎｏ）、制御部１４は引き続いて冷却水の沸騰状態の判断を継続する。「沸騰状態となった」と判断した場合（Ｓ２：Ｙｅｓ）、ステップ３に進行する。ステップ３では、制御部１４は冷却水温度が制御弁４０の開弁温度以下であるか否かを判断する（Ｓ３）。この開弁温度は上述の沸騰状態を判断するための所定値より高く設定される。ステップ３において「開弁温度以下である」と判断した場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、制御部１４はウォーターポンプ１３を駆動する（Ｓ４）。これにより、排気熱回収器２０に温度の高い冷却水が滞留することがなく、排気熱回収器２０の内部において冷却水が局所的に沸騰状態となることを防止することができる。一方、ステップ３において「開弁温度以下でない」と判断した場合（Ｓ３：Ｎｏ）、制御部１４は制御弁４０を強制開弁し（Ｓ５）、その後ウォーターポンプ１３を駆動する（Ｓ４）。これにより、ラジエータ３０で放熱された第２循環流路１２の内部の比較的温度の低い冷媒を、第１循環流路１１を介して排気熱回収器２０に導入することができる。このため、排気熱回収器２０の内部において冷却水が局所的に沸騰状態となることを排気熱の冷却効率を向上させて、より確実に防止することができる。冷却水の循環により排気熱回収器２０の内部の冷却水温度が低下すると、ステップ２に戻って制御部１４は再び沸騰状態の判断を行う。

〔別実施形態〕
＜１＞エンジン冷却装置１００において、排気熱回収器２０の内部環境の検知手段として、上述した冷却水の温度を検知するための水温センサ２２に代えて冷却水の蒸気圧を検知するための圧力センサを第１循環流路１１に設けることも可能である。この場合、圧力センサが所定値以上の蒸気圧を検知することにより、制御部１４は排気熱回収器２０の内部において冷却水が沸騰状態になったか否かを直接的に認識することができる。そして、この認識結果を受けて冷却水が沸騰状態になったと判断した場合、上記実施形態と同様に、制御部１４は、ウォーターポンプ１３、あるいはウォーターポンプ１３および制御弁４０を制御することにより、排気熱回収器２０に冷却水を循環させる。

＜２＞エンジン冷却装置１００において、内部環境に関連したエンジン動作履歴情報を取得する情報取得部１５を設けることも可能である。ここで、「エンジン動作履歴情報」には、運転履歴やエンジン回転数等が挙げられる。つまり、エンジン負荷の大きい運転が長時間継続したり、エンジン回転数が高い状態が長時間継続したりした場合、冷却水の温度が高くなって沸騰状態となり易くなる。従って、このようなエンジン動作履歴情報に基づいて、制御部１４は排気熱回収器２０の内部において冷却水が沸騰状態となったか否かを判断することができる。そして、冷却水が沸騰状態になったと判断した場合、上記実施形態と同様に、制御部１４は、ウォーターポンプ１３、あるいはウォーターポンプ１３および制御弁４０を制御することにより、排気熱回収器２０に冷却水を循環させる。

本発明のエンジン冷却装置１００は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、アルコールエンジン、ガスエンジン等の任意の種類のエンジンにおいて適用することが可能である。また、レシプロエンジン、スターリングエンジン、ロータリーエンジン等の任意の方式のエンジンにおいて適用することが可能である。

本発明のエンジン冷却装置の実施形態を示す概略構成図 制御部が行う制御フローの例を示すフローチャート

１０ エンジン
１１ 第１循環流路
１２ 第２循環流路
１３ ウォーターポンプ
１４ 制御部（エンジンＥＣＵ）
１５ 情報取得部
２０ 排気熱回収器
２１ 排気温度センサ
２２ 冷媒温度センサ（水温センサ）
３０ ラジエータ
４０ 制御弁（サーモスタット弁）

Claims (4)

1. エンジンと排気熱回収器およびラジエータとの間で冷媒を循環させるエンジン冷却装置であって、
   前記エンジンと前記排気熱回収器との間に前記冷媒を流通させる第１循環流路と、
   前記エンジンと前記ラジエータとの間に前記冷媒を流通させる第２循環流路と、
   前記第１循環流路及び前記第２循環流路を流通する冷媒を搬送するポンプとを備え、
   前記エンジンの停止後、前記排気熱回収器の内部環境の検知手段から受信した検知データに基づき前記ポンプを駆動させる制御部と、
   前記第２循環流路における前記冷媒の循環量を調整する制御弁とを設け、
   前記制御部は、前記内部環境の検知手段から受信した検知データが第１所定値以上であり、かつ前記第１所定値よりも高い第２所定値以下である場合に、前記制御弁を閉じて前記ポンプを駆動することにより、前記冷媒を前記第１循環流路で循環させ、
   前記検知データが前記第２所定値よりも大きい場合に、前記制御弁を開弁して前記ポンプを駆動することにより、前記冷媒を前記第１循環流路及び前記第２循環流路で循環させるエンジン冷却装置。
2. 前記内部環境の検知手段として冷媒温度センサを設け、当該冷媒温度センサからの出力情報に基づいて前記制御部が前記ポンプの駆動を制御する請求項１に記載のエンジン冷却装置。
3. 前記内部環境の検知手段として排気温度センサを設け、当該排気温度センサからの出力情報に基づいて前記制御部が前記ポンプの駆動を制御する請求項１に記載のエンジン冷却装置。
4. 前記内部環境に関連したエンジン動作履歴情報を取得する情報取得部を設け、当該情報取得部からの前記エンジン動作履歴情報に基づいて前記制御部が前記ポンプの駆動を制御する請求項１に記載のエンジン冷却装置。

Images