JP4826502B2

JP4826502B2 - 冷却系システム

Info

Publication number: JP4826502B2
Application number: JP2007043282A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008208716A

Description

本発明は、内燃機関の暖機を行う冷却系システムに関する。

従来から、排気ガスと冷却水との間で熱交換を行い、排気熱を回収する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、冷却水の加温時には、冷却水と排気熱回収器の間の熱交換を行うことで、暖房効果を高め、冷却水の加温後には、排気ガスを、排気熱回収器をバイパスさせることにより、熱交換を抑制する技術が記載されている。また、特許文献２には、冷却水加温時の冷却水の流量を制御する技術が記載されている。

特開２００６−２８３７１１号公報特開平８−１４０４３号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の技術では、冷却水の加温時において、内燃機関（エンジン）及びラジエータに貯留している多量の冷却水を循環させるので、エンジンが冷却されてしまい、エンジンの暖機完了までに時間を要する。また、冷却水の加温時において、ヒータコアにも多量の冷却水を循環させるので、ヒータコアの暖房効果も抑えられてしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷却水加温時において、エンジンの冷却を抑えると共に、ヒータコアの暖房効果を高めることの可能な冷却系システムを提供することを課題とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関と排気熱回収器とに冷却水を循環させることで前記内燃機関の暖機を行う冷却系システムは、前記排気熱回収器とヒータコアとを循環する前記冷却水の冷却水通路のルートである第１の冷却水通過ルートと、前記排気熱回収器と前記内燃機関のウォータージャケットとを循環する前記冷却水の冷却水通路のルートである第２の冷却水通過ルートと、前記第２の冷却水通過ルートの冷却水の流量を制御する弁と、前記第１の冷却水通過ルート及び前記第２の冷却水通過ルートの冷却水を循環させる電動ポンプと、前記弁の開閉を制御する弁開閉制御手段と、を備え、前記弁開閉手段は、前記冷却水が加温中の状態にある場合には、前記第２の冷却水通過ルートに前記冷却水が流れないように前記弁に対して制御を行い、前記冷却水が加温後の状態にある場合には、前記第２の冷却水通過ルートに前記冷却水が流れるように前記弁に対して制御を行う。

上記の冷却系システムは、内燃機関と排気熱回収器との間に冷却水を循環させることで内燃機関の暖機を行う。冷却系システムは、第１の冷却水通過ルートと第２の冷却水通過ルートの２つのルートを有する。第１の冷却水通過ルートは、排気熱回収器と、ヒータコアとを循環する冷却水の冷却水通路のルートである。第２の冷却水通過ルートは、排気熱回収器と内燃機関のウォータージャケットとを循環する冷却水の冷却水通路のルートである。弁は、第２の冷却水通過ルートの冷却水の流量を制御する。電動ポンプは、第１の冷却水通過ルート及び第２の冷却水通過ルートの冷却水を循環させる。弁開閉手段は、例えば、ＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、冷却水が加温中の状態にある場合には、第２の冷却水通過ルートに冷却水が流れないように弁に対して制御を行い、冷却水が加温後の状態にある場合には、第２の冷却水通過ルートに冷却水が流れるように前記弁に対して制御を行う。このようにすることで、冷却系システムは、エンジンの冷却を抑えると共に、ヒータコアの暖房効果を高めることができる。

上記の冷却系システムの他の一態様は、前記弁は、前記第２の冷却水通過ルート上に設置され、前記電動ポンプは、前記第１の冷却水通過ルートと前記第２の冷却水通過ルートとに共通の冷却水通路に設置されている。このようにすることで、１つの電動ポンプのみで、第１の冷却水通過ルートと第２の冷却水通過ルートの両方に冷却水を循環させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態に係る冷却系システムについて説明する。図１、図２は、本発明の第１実施形態に係る冷却系システム１００の概略構成を示す図である。なお、図１においては、実線矢印が冷却水の流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。また、太線で表した実線は、冷却水が流れる通路（冷却水通路）を示している。

第１実施形態に係る冷却系システム１００は、冷却水を用いてエンジン１の冷却を行うと共に、この冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって排気熱を回収し、エンジン１の暖機やヒータの熱源に利用するシステムである。この場合、冷却水は、冷却水通路７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを通過することによって、エンジン１の冷却及び暖機などを行う。

冷却水通路７ａは、エンジン１から延びている冷却水通路７ｄと三方弁１０を介して接続されている。また、冷却水通路７ｃは、冷却水通路７ａと、エンジン１から延びている冷却水通路７ｂと、サーモスタット４を介して接続されている。冷却水通路７ｃは、エンジン１に通じている。

冷却水通路７ａ上には、排気熱回収器２と、温度センサ６と、電動ポンプ８と、ヒータコア９とが設けられている。冷却水通路７ｂ上には、ラジエータ３が設けられている。冷却水通路７ｃ上には電動ポンプ５が設けられている。

また、電動ポンプ８と、ヒータ９と、排気熱回収器２とをバイパスする冷却水通路７ｅが、冷却水通路７ａと接続して設けられている。また、冷却水通路７ｅは、冷却水通路７ｄと冷却水通路７ａとに対し、三方弁１０を介して接続されている。なお、以下では、冷却水通路７ａ〜７ｅを区別しない場合には、単に冷却水通路７として用いるものとする。

エンジン（内燃機関）１は、供給される燃料と空気との混合気を燃焼させることによって動力を発生する装置である。例えば、エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどによって構成される。また、エンジン１は、ハイブリッド車両などに搭載される。冷却水１は、冷却水通路７ｃよりエンジン１に流入する。

エンジン１に流入した冷却水は、エンジン１内部のウォータージャケット（不図示）を通過した後、冷却水通路７ｂ、７ｄより流出する。ウォータージャケットは、エンジン１内部のシリンダ（不図示）の周囲に設けられており、シリンダは、ウォータージャケットを通過する冷却水と熱交換を行うことにより、暖機される。

排気熱回収器２は、エンジン１からの排気ガスが通過する排気通路（不図示）上に設けられている。排気熱回収器２は、内部に冷却水が通過し、この冷却水と排気ガスの間で熱交換を行うことによって、排気熱を回収する。これにより、冷却水は加温される。

水温センサ６は、検出した温度に対応する検出信号Ｓ６をＥＣＵ５０に供給する。

電動ポンプ（以下、「電動ＷＰ」と呼ぶ。）５、８は、電動式のモータを備えて構成され、このモータの駆動により冷却水を冷却水通路７内で循環させる。具体的には、電動ＷＰ５、８は、バッテリから電力が供給され、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ５、Ｓ８によって回転数などが制御される。

ヒータコア９は、内部を通過する冷却水によって、車室内の空気を暖める装置である。この場合、ヒータコア９によって暖められた空気は、ブロア（不図示）と呼ばれる送風機によって車室内に送風される。

ラジエータ３では、その内部を通過する冷却水が外気によって冷却される。この場合、電動ファン（不図示）の回転により導入された風によって、ラジエータ３内の冷却水の冷却が促進される。

サーモスタット４は、冷却水の温度に応じて開閉する弁によって構成される。基本的には、サーモスタット４は、冷却水の温度が高温となったときに開弁する。この場合、サーモスタット４を介して冷却水通路７ｂと冷却水通路７ｃとが接続され、冷却水はラジエータ３を通過することとなる。これにより、冷却水が冷却され、エンジン１のオーバーヒートが抑制される。

これに対して、冷却水の温度が比較的低温である場合には、サーモスタット４は閉弁している。この場合には、冷却水はラジエータ３を通過しない。これにより、冷却水の温度低下が抑制されるため、エンジン１のオーバークールが抑制される。

三方弁１０は、三方向に冷却水の出入り口を有し、各方向の出入り口には開閉可能な弁を有している。図１に示す例では、三方弁１０は、冷却水通路７ａ、７ｄ、７ｅの各方向に冷却水の出入り口を有しており、冷却水通路７ａ、７ｄ、７ｅの各方向の出入り口に弁を有している。三方弁１０は、ＥＣＵ５０からの制御信号Ｓ１０に基づいて、各方向の出入り口の弁の開閉を行う。

ＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５０は、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などを備える。ＥＣＵ５０は、水温センサ６から供給される検出信号Ｓ６に基づいて、三方弁１０、電動Ｗ／Ｐ５、８の制御を実行する。従って、ＥＣＵ５０は、本発明における弁開閉手段として機能する。

（三方弁の制御方法）
次に、三方弁１０の制御方法について説明する。第１実施形態に係る冷却系システム１００では、ＥＣＵ５０は、水温センサ６から供給される検出信号Ｓ６に基づいて、冷却水が加温中の状態（例えば、冷却水の水温が８０℃以下となっている状態）にあるか否かを判定する。

ＥＣＵ５０は、冷却水が加温中の状態にあると判定した場合には、三方弁１０を制御して、冷却水通路７ｄの方向の出入り口の弁を閉じ、冷却水通路７ａ、７ｅの各方向の出入り口の弁を開く。また、ＥＣＵ５０は、電動ＷＰ５を駆動せず、電動ＷＰ８を駆動する。このとき、三方弁１０内部では、冷却水は、冷却水通路７ｅから冷却水通路７ａへ流出する。しかし、冷却水通路７ｄの冷却水は、三方弁１０の冷却水通路７ｄの出入り口の弁が閉じられているため、流れることができない。

これにより、図１の実線矢印で示すように、冷却水は、冷却水通路７ａ、７ｅを循環することとなる。言い換えると、冷却水は、電動ＷＰ８、ヒータコア９、排気熱回収器２が設置された、閉じた冷却水通路７ａ、７ｅを循環し、エンジン１、ラジエータ３を通過することはない。

このような制御を行う理由は、以下の通りである。１つ目の理由は、冷却水が加温中の状態にある場合において、エンジン１、ラジエータ３に貯留している多量の冷却水を循環させると、冷却水の加温完了までに時間がかかってしまい、ヒータコア９及びエンジン１の暖機の完了までに時間がかかってしまう。２つ目の理由は、加温が完了していない冷却水がエンジン１を通過すると、エンジン１は冷却され、エンジン１の暖機が遅れてしまう。３つ目の理由は、冷却水がラジエータ３を通過すると、冷却水が冷却され、冷却水の加温完了までに時間がかかってしまう。

このような理由から、冷却水が加温中の状態にある場合において、ＥＣＵ５０は、三方弁１０を制御して、冷却水通路７ｄの方向の出入り口の弁を閉じ、冷却水通路７ａ、７ｅの各方向の出入り口の弁を開く制御を行う。

このようにすることで、冷却水は、電動ＷＰ８、ヒータコア９、排気熱回収器２が設置された閉じた冷却水通路７ａ、７ｅを循環して、エンジン１、ラジエータ３を通過することはなくなるので、エンジンの冷却は抑えられる。また、エンジン１、ラジエータ３に貯留している多量の冷却水が循環することがなくなるので、冷却水加温中において、冷却水の加温の効率を高めることができ、冷却水の加温完了までの時間を短縮することができ、ヒータコア９の暖房効果を高めることができる。

この冷却水通路７ａ、７ｅを循環するルート（図１の実線矢印で示すルート）が、本発明における第１の冷却水通過ルートとして機能する。

ＥＣＵ５０は、水温センサ６から供給される検出信号Ｓ６に基づいて、冷却水が加温後の状態になっている（例えば、冷却水の水温が８０℃を超えている場合）と判定した場合には、冷却水の加温は完了したとして、三方弁１０を制御して、冷却水通路７ｄ、７ａの方向の出入り口の弁を開き、冷却水通路７ｅの方向の出入り口の弁を閉める。また、このとき、ＥＣＵ５０は、電動ＷＰ５を駆動する。

図２に示す冷却系システム１００の概略構成を示す図では、このときの冷却水の流れを実線矢印で示している。冷却水が加温後の状態となっているときは、三方弁１０における、冷却水通路７ｄ、７ａの方向の出入り口の弁が開かれ、冷却水通路７ｅの方向の出入り口の弁が閉じられている。そのため、三方弁１０内部では、冷却水は、冷却水通路７ｄから冷却水通路７ａへ流出する。しかし、冷却水通路７ｅの冷却水は、三方弁１０の冷却水通路７ｅの方向の出入り口の弁が閉じられているため、流れることができない。

従って、このとき、冷却水は、冷却水通路７ｄから冷却水通路７ａを通り、冷却水通路７ａから冷却水通路７ｃを通るルートを辿ってエンジン１に流入する。このとき、エンジン１に流入する冷却水は、加温後のものであるので、エンジン１は冷却されることなく、暖機される。また、冷却水の温度が高温となった場合には、サーモスタット４が開弁し、冷却水は、冷却水通路７ｂからラジエータ３を経て、冷却水通路７ｃを通るルートを辿ってエンジン１に流入する。これにより、冷却水が冷却され、エンジン１のオーバーヒートが抑制される。

従って、この冷却水通路７ａ〜７ｄを循環するルート（図２の実線矢印で示すルート）が、本発明における第２の冷却水通過ルートとして機能する。

以上に述べたことをまとめると、本発明の冷却系システムは、排気熱回収器２とヒータコア９とを循環する冷却水の冷却水通路のルート（冷却水通路７ａ、７ｅを循環するルート）である第１の冷却水通過ルートと、排気熱回収器２と内燃機関１のウォータージャケットとを循環する冷却水の冷却水通路のルート（冷却水通路７ａ〜７ｄを循環するルート）である第２の冷却水通過ルートと、当該第２の冷却水通過ルートの冷却水の流量を制御する三方弁１０と、当該第１の冷却水通過ルート及び当該第２の冷却水通過ルートの冷却水を循環させる電動ポンプ５と、三方弁１０の開閉を制御するＥＣＵ５０と、を備える。

そして、ＥＣＵ５０は、冷却水が加温中の状態にある場合には、当該第２の冷却水ルートに冷却水を流さない制御を行い、冷却水が加温後の状態にある場合には、当該第２の冷却水ルートに冷却水を流す制御を行う。このようにすることで、エンジンの冷却を抑えると共に、ヒータコアの暖房効果を高めることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る冷却系システム１００ａについて説明する。図３、図４は、第２実施形態に係る冷却システム１００ａの概略構成を示す図である。

図３に示すように、第２実施形態に係る冷却系システム１００ａでは、冷却水通路７は、冷却水通路７ａから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ａへと循環するルートと、冷却水通路７ｂから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ｂへと循環するルートより構成される。冷却水通路７ｃは、この２つのルートに共通の冷却水通路である。

冷却水通路７ａ上には、ヒータコア９と、排気熱回収器２とが設置され、冷却水通路７ｃ上には、電動ＷＰ５が設置される。冷却水通路７ｂ上には、弁１１と、エンジン１と、ラジエータ３が配置される。

弁１１は、冷却水通路７ｂ上に設けられており、開閉することで、冷却水通路７ｂの冷却水の流量を制御することができる。具体的には、弁１１が完全に閉じているときは、冷却水通路７ｂの冷却水は流れない。即ち、冷却水通路７ｂから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ｂへと循環する冷却水通路のルートでは、冷却水は流れない。図４に示すように、弁１１が開いているときは、冷却水通路７ｂの冷却水は流れるので、冷却水通路７ｂから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ｂへと循環する冷却水通路のルートで、冷却水は流れることとなる。弁１１は、ＥＣＵ５０からの制御信号Ｓ１１に基づいて、弁の開閉を行う。

第２実施形態に係る冷却系システム１００ａでは、ＥＣＵ５０は、水温センサ６から供給される検出信号Ｓ６に基づいて、冷却水が加温中の状態（例えば、冷却水の水温が８０℃以下となっている状態）にあるか否かを判定する。

ＥＣＵ５０は、冷却水が加温中の状態にあると判定した場合には、弁１１を閉じる制御を行い、冷却水通路７ｂの冷却水が流れないようにする。また、ＥＣＵ５０は、電動ＷＰ５を駆動する。

このとき、冷却水通路７ｂから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ｂへと循環する冷却水通路のルートでは、冷却水は流れずに、図３の実線矢印で示すように、冷却水通路７ａ、７ｃを循環する冷却水通路のルートでのみ、冷却水が流れる。

このようにすることで、冷却水は、冷却水加温中において、ヒータコア９と排気熱回収器２とを通過して、エンジン１とラジエータ３とを通過しない。これにより、冷却水の加温の効率を高めることができ、冷却水の加温完了までの時間を短縮することができる。従って、第２実施形態に係る冷却系システムによっても、エンジンの冷却を抑えると共に、ヒータコア９の暖房効果を高めることができる。

この冷却水通路７ａ、７ｃを循環するルート（図３の実線矢印で示すルート）が本発明における第１の冷却水通過ルートとして機能する。

ＥＣＵ５０は、水温センサ６から供給される検出信号Ｓ６に基づいて、冷却水が加温後の状態になっている（例えば、冷却水の水温が８０℃を超えている場合）と判定した場合には、冷却水の加温は完了したとして、弁１１を開く制御を行う。また、ＥＣＵ５０は、引き続いて、電動ＷＰ５を駆動する。

これにより、冷却水は、冷却水通路７ｂから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ｂへと循環する冷却水通路のルートで流れる。また、冷却水は、依然として、冷却水通路７ａから冷却水通路７ｃへ、冷却水通路７ｃから冷却水通路７ａへと循環するルートでも流れている。

このとき、冷却水は、冷却水通路７ｂからエンジン１に流入する。このとき、エンジン１に流入する冷却水は、加温後のものであるので、エンジン１は冷却されることなく、暖機される。

この冷却水通路７ａ、７ｂ、７ｃを循環するルート（図４の実線矢印で示すルート）が本発明における第２の冷却水通過ルートとして機能する。

第２実施形態に係る冷却系システム１００ａでは、第１実施形態に係る冷却系システム１００と異なり、三方弁が設置される代わりに、冷却水７ｂ上に、即ち、第２の冷却水通過ルート（冷却水通路７ａ、７ｂ、７ｃを循環するルート）上に弁１１が設置され、さらに、第１の冷却水通過ルート（冷却水通路７ａ、７ｃを循環するルート）と第２の冷却水通過ルートとに共通の冷却水通路７ｃ上に電動ポンプ５が設置される構成となっている。つまり、第２実施形態に係る冷却系システムでは、第１実施形態に係る冷却系システムと異なり、２つの電動ＷＰを必要とせず、１つの電動ＷＰのみで、第１の冷却水通過ルートと第２の冷却水通過ルートの両方に冷却水を循環させることができる。

第１実施形態に係る冷却系システムの概略構成を示す図である。第１実施形態に係る冷却系システムの概略構成を示す図である。第２実施形態に係る冷却系システムの概略構成を示す図である。第２実施形態に係る冷却系システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
２排気熱回収器
３ラジエータ
４サーモスタット
５、８電動ポンプ（電動ＷＰ）
６水温センサ
７冷却水通路
９ヒータコア
１０三方弁

Claims

内燃機関と排気熱回収器とに冷却水を循環させることで前記内燃機関の暖機を行う冷却系システムであって、
前記排気熱回収器とヒータコアとを循環する前記冷却水の冷却水通路のルートである第１の冷却水通過ルートと、
前記排気熱回収器と前記内燃機関のウォータージャケットとを循環する前記冷却水の冷却水通路のルートである第２の冷却水通過ルートと、
前記第２の冷却水通過ルートの冷却水の流量を制御する弁と、
前記第１の冷却水通過ルート及び前記第２の冷却水通過ルートの冷却水を循環させる電動ポンプと、
前記弁の開閉を制御する弁開閉制御手段と、を備え、
前記弁開閉手段は、前記冷却水が加温中の状態にある場合には、前記第２の冷却水通過ルートに前記冷却水が流れないように前記弁に対して制御を行い、前記冷却水が加温後の状態にある場合には、前記第２の冷却水通過ルートに前記冷却水が流れるように前記弁に対して制御を行うことを特徴とする冷却系システム。
前記弁は、前記第２の冷却水通過ルート上に設置され、
前記電動ポンプは、前記第１の冷却水通過ルートと前記第２の冷却水通過ルートとに共通する冷却水通路に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却系システム。