JP5904227B2 - エンジンの冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、冷却水を循環させる冷却経路を利用してエンジン本体及び冷却対象デバイスを冷却するエンジンの冷却装置に関する。
シリンダブロックとシリンダヘッドとを別々に冷却し、EGRクーラに連通する2つの冷却路を備え、EGRクーラの冷却に使用する冷却経路を、冷却路毎に設けられたバルブを操作することによって切り替えるエンジンの冷却装置が知られている(特許文献1)。また、本発明に関連する先行技術文献として特許文献2が存在する(特許文献2)。
特許文献1の冷却装置は、2つの冷却路を切り替えるためにこれらの流路毎にバルブが設けられているので、部品点数が増加するとともに、各バルブの故障時の対応が必要になり管理に手間がかかる。
そこで、本発明は、簡素な構成で冷却対象デバイスを効果的に冷却できるエンジンの冷却装置を提供することを目的とする。
本発明の冷却装置は、ウォータポンプによって冷却水を循環させる冷却経路を利用して、エンジン本体及び冷却対象デバイスを冷却するエンジンの冷却装置において、前記冷却経路は、前記ウォータポンプの下流側に接続される下流側接続路と、前記ウォータポンプの上流側に接続される上流側接続路と、前記下流側接続路から分岐して前記エンジン本体を冷却する第1冷却路と、前記下流側接続路から分岐して前記第1冷却路と並列に設けられた第2冷却路と、前記第1冷却路と前記第2冷却路とを接続し、前記冷却対象デバイスが設けられた中間冷却路と、前記中間冷却路と前記第1冷却路との接続位置から前記上流側接続路に至る第3冷却路と、前記中間冷却路と前記第2冷却路との接続位置から前記上流側接続路に至る第4冷却路と、を含み、前記第1冷却路、前記第2冷却路、前記第3冷却路及び前記第4冷却路のいずれか一つに設けられ、流路抵抗を調整可能な流路抵抗調整手段を備え、前記流路抵抗調整手段の動作によって、前記中間冷却路を流れる冷却水の方向を、前記第1冷却路側から前記第2冷却路側へ向かう第1の方向と、前記第2冷却路側から前記第1冷却路側へ向かう第2の方向との間で切り替えるものである(請求項1)。
この冷却装置によれば、冷却対象デバイスに冷却水を導く中間冷却路に繋がる第1〜第4の冷却路のいずれか一つに設けられた流路抵抗調整手段の動作によって各冷却路の流路抵抗のバランスを変化させることができる。そのため、中間冷却路を流れる冷却水の方向を、第1冷却路側から第2冷却路側に向かう第1の方向と第2冷却路側から第1冷却路側に向かう第2の方向との間で切り替えることができる。これにより、簡素な構成で冷却対象デバイスを効果的に冷却できる。
本発明の冷却装置の一態様において、前記流路抵抗調整手段として切替弁が設けられており、前記第1冷却路、前記第2冷却路、前記第3冷却路及び前記第4冷却路は、前記第1冷却路又は前記第4冷却路に前記切替弁が設けられている場合において前記切替弁が開弁位置のときに前記第1の方向に冷却水が前記中間冷却路を流れるように流路抵抗が設定され、かつ前記第2冷却路又は前記第3冷却路に前記切替弁が設けられている場合において前記切替弁が開弁位置のときに前記第2の方向に冷却水が前記中間冷却路を流れるように流路抵抗が設定されてもよい(請求項2)。この態様によれば、切替弁が第1冷却路又は第4冷却路に設けられている場合に切替弁が開弁位置から閉弁位置に切り替えられることによって第1冷却路又は第4冷却路の流路抵抗が増加して流路抵抗のバランスが変化し、中間冷却路を流れる冷却水の方向を第1の方向から第2の方向へ切り替えることができる。同様に、切替弁が第2冷却路又は第3冷却路に設けられている場合に切替弁が開弁位置から閉弁位置に切り替えられることによって第2冷却路又は第3冷却路の流路抵抗が増加して流路抵抗のバランスが変化し、中間冷却路を流れる冷却水の方向を第2の方向から第2の方向へ切り替えることができる。
本発明の冷却装置の一態様において、前記流路抵抗調整手段を操作する操作手段を更に備え、前記流路抵抗調整手段の異常を、前記流路抵抗調整手段に対する操作と、前記中間冷却路内の温度又は圧力の変化との関連性に基づいて判断してもよい(請求項3)。流路抵抗調整手段に異常があれば、その操作の前後で中間冷却路内の圧力又は温度に変化は生じない。この態様によれば、流路抵抗調整手段の動作自体を検出しなくても、流路抵抗調整手段の操作に対する中間冷却路内の圧力又は温度の変化との関連性に基づいて流路抵抗調整手段の異常を判断できる。
本発明の冷却装置の一態様において、前記エンジン本体は、シリンダヘッド及びシリンダブロックを含み、前記冷却対象デバイスはEGRクーラであり、前記第1冷却路は前記シリンダヘッドを、前記第2冷却路は前記シリンダブロックをそれぞれ冷却してもよい(請求項4)。この態様によれば、冷却対象デバイスであるEGRクーラに対して流入する冷却水の方向を切り替えることにより、シリンダヘッドを通過した比較的高温の冷却水をEGRクーラに供給する状態とシリンダブロックを通過した比較的低温の冷却水をEGRクーラに供給する状態とを切り替えることができる。
以上説明したように、本発明によれば、冷却対象デバイスに冷却水を導く中間冷却路に繋がる第1〜第4の冷却路のいずれか一つに設けられた流路抵抗調整手段の動作によって各冷却路の流路抵抗のバランスを変化させることができる。そのため、中間冷却路を流れる冷却水の方向を、第1冷却路側から第2冷却路側に向かう第1の方向と第2冷却路側から第1冷却路側に向かう第2の方向との間で切り替えることができる。これにより、簡素な構成で冷却対象デバイスを効果的に冷却できる。
(第1の形態)
図1に示すように、冷却装置1Aはレシプロ式内燃機関として構成されたエンジン2に組み込まれている。冷却装置1Aは、エンジン本体3並びにエンジン2の付属装置であるEGRクーラ4、タービン5及びEGRバルブ6等を冷却する。また、冷却装置1Aはエンジン2が搭載される車両(不図示)の空調に用いられるヒータコア7の加熱にも利用される。冷却装置1Aは、冷却水が循環する冷却経路10と、冷却経路10に冷却水を循環させるためのウォータポンプ11と、冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータ12と、ラジエータ12への冷却水の導入と停止とを切り替えるためのサーモスタット13とを備えている。
図1に示すように、冷却装置1Aはレシプロ式内燃機関として構成されたエンジン2に組み込まれている。冷却装置1Aは、エンジン本体3並びにエンジン2の付属装置であるEGRクーラ4、タービン5及びEGRバルブ6等を冷却する。また、冷却装置1Aはエンジン2が搭載される車両(不図示)の空調に用いられるヒータコア7の加熱にも利用される。冷却装置1Aは、冷却水が循環する冷却経路10と、冷却経路10に冷却水を循環させるためのウォータポンプ11と、冷却水と外気との間で熱交換を行うラジエータ12と、ラジエータ12への冷却水の導入と停止とを切り替えるためのサーモスタット13とを備えている。
冷却経路10は、ウォータポンプ11の下流側に接続される下流側接続路15と、ウォータポンプ11の上流側に接続される上流側接続路16とを含む。さらに、冷却経路10は、下流側接続路15から分岐してエンジン本体3のシリンダヘッド3aを冷却する第1冷却路17aと、下流側接続路15から分岐して第1冷却路17aと並列に設けられエンジン本体3のシリンダブロック3bを冷却する第2冷却路17bと、第1冷却路17aと第2冷却路17bとを接続し、冷却対象デバイスであるEGRクーラ4が設けられた中間冷却路18と、中間冷却路18と第1冷却路17aとの接続位置c1から上流側接続路16に至る第3冷却路17cと、中間冷却路18と第2冷却路17bとの接続位置c2から上流側接続路16に至る第4冷却路17dとを含む。第1冷却路17aはシリンダヘッド3aを通り、第2冷却路17bはシリンダブロック3bを通るため、第1冷却路17aは冷却水の受熱が第2冷却路17bの場合よりも多い冷却路といえる。
第1冷却路17aからはラジエータ経路19が分岐しており、ラジエータ経路19は上流側接続路16に合流する。ラジエータ経路19と上流側接続路16との合流位置にはサーモスタット13が設けられている。冷却水の温度がサーモスタット13の設定温度以下の場合にはサーモスタット13が閉弁状態に維持されておりラジエータ経路19が閉鎖され、かつ上流側接続路16が開通している。中間冷却路18には冷却水の温度に応じた信号を出力する温度センサ20が設けられている。
第2冷却路17bには、流路抵抗調整手段としての切替弁21が設けられている。切替弁21は2位置式の電磁弁として構成され、図1に示した第2冷却路17bを閉鎖する閉弁位置と、図2に示した第2冷却路17bを開放する開弁位置との間で動作できる。図1に示したように、切替弁21が閉弁位置に操作されると、第1冷却路17aが開通しつつ第2冷却路17bが閉鎖されることにより、これらの冷却路17a、17bが接続される中間冷却路18を流れる冷却水の方向が第1冷却路17a側から第2冷却路17b側に向かう第1の方向となる。一方、図2に示したように、切替弁21が開弁位置に操作されると、予め設定された流路抵抗のバランスに従って中間冷却路18を流れる冷却水の方向が第2冷却路17b側から第1冷却路17a側に向かう第2の方向となる。したがって、切替弁21の状態を閉弁位置と開弁位置との間で操作することによって、中間冷却路18を流れる冷却水の方向を第1の方向と第2の方向との間で切り替えることができる。
切替弁21に対する操作はエンジン2の各部を制御するコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット(ECU)30にて実施される。これにより、ECU30は本発明に係る操作手段として機能する。ECU30には上述した温度センサ20の信号の他、各種センサからの信号が入力される。ECU30は本発明に関連する制御として図3に示した制御ルーチンを実行する。図3の制御ルーチンのプログラムはECU30に保持されており、所定の間隔で繰り返し実行される。
ステップS1において、ECU30は温度センサ20の信号を参照して、冷却水温Twを取得する。次に、ステップS2において、冷却水温Twが閾値Twtよりも低いか否かを判定する。閾値Twtはサーモスタット13の設定温度よりも低く、EGRクーラ4に供給される冷却水の温度が適正となるように定められている。つまり、エンジン2の運転状態によってEGRクーラ4に高温の冷却水を供給すべきか、あるいは低温の冷却水を供給すべきかとの観点から閾値Twtが設定される。例えば、エンジン2の暖機完了前の冷間時にはEGRを実施しないので、凝縮水の生成を抑制するためにできるだけ高温の冷却水をEGRクーラ4に供給することが望まれる。一方、EGRの実施後には、EGRの効率を向上するためにできるだけ低温の冷却水をEGRクーラ4に供給することが望まれる。これらの要求にできるだけ適合するように閾値Twtが設定される。
冷却水温Twが閾値Twtよりも低い場合はステップS3に進む。ステップS3において、ECU30は、切替弁21を閉弁位置に制御する。これにより、中間冷却路18を流れる冷却水の方向が第1の方向(図1参照)となり、シリンダヘッド3aを通過した比較的高温の冷却水がEGRクーラ4に供給される。したがって、エンジン2の始動後、冷却水温Twが閾値Twt以上となるまではできるだけ高温の冷却水をEGRクーラ4に供給することができるので、EGRクーラ4における凝縮水の生成を抑えることができる。
一方、冷却水温Twが閾値Twt以上の場合はステップS4に進む。ステップS4において、ECU30は、切替弁21を開弁位置に制御する。これにより、中間冷却路18を流れる冷却水の方向が第2の方向(図2参照)となり、シリンダブロック3bを通過した比較的低温の冷却水がEGRクーラ4に供給される。したがって、冷却水温Twが閾値Twt以上となった場合はできるだけ低温の冷却水を供給することができるので、EGRの効率を向上させることができる。
切替弁21にはリフトセンサ等の動作を確認する手段が設けられておらず、こうした手段を利用して切替弁21の異常を判断することができない。そこで、ECU30は図4の制御ルーチンを実行することによって切替弁21の異常の有無を判断する診断手段として機能する。図4の制御ルーチンのプログラムはECU30に保持されており、所定の間隔で繰り返し実行される。
ステップS11において、ECU30は切替弁21の異常の有無を判断すべきとの要求(異常診断要求)の有無を判定する。例えば、異常診断要求は前回の実施からのエンジン2の積算運転時間が所定時間を超えた場合等の所定条件が成立した場合に発生する。異常診断要求がある場合はステップS12に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。
ステップS12において、ECU30は切替弁21の現在位置が開弁位置の場合は閉弁位置に、現在位置が閉弁位置の場合は開弁位置にそれぞれ操作する。続くステップS13において、ECU30は、ステップS12で実施した切替弁21の操作の前後で冷却水温Twが所定の基準を超えて変化したが否かを判定する。切替弁21の位置が変化すると、上述の通り中間冷却路18を流れる冷却水の方向が変化し、かつ中間冷却路18を流れる冷却水の温度が変化する。したがって、切替弁21に対する操作と、中間冷却路18内の温度の変化との関連性に基づいて切替弁21の異常の有無を判断できる。切替弁21の異常を判断するための基準としては、例えば、切替弁21が正常に動作した場合の冷却水温Twの変化量の下限値に基づいて設定される。
ステップS13において、冷却水温Twが所定の基準を超えて変化した場合は、切替弁21が正常に動作したといえるので、今回のルーチンを終える。一方、冷却水温Twの変化が所定の基準未満の場合は切替弁21が正常に動作したとはいえないので、ECU30はステップS14において、例えば警告灯を点灯して異常の発生を運転者に知らせる。このように、図4の制御ルーチンにより、切替弁21の動作自体を検出しなくても異常の有無を判断することができる。
(第2の形態)
次に、図5及び図6を参照しながら本発明の第2の形態を説明する。第2の形態の冷却装置1Bは冷却経路の構成を除いて第1の形態と同じである。以下においては、第1の形態と共通する構成には同一の参照符号を図面に付して説明を省略する。
次に、図5及び図6を参照しながら本発明の第2の形態を説明する。第2の形態の冷却装置1Bは冷却経路の構成を除いて第1の形態と同じである。以下においては、第1の形態と共通する構成には同一の参照符号を図面に付して説明を省略する。
冷却装置1Bは、ウォータポンプ11によって冷却水を循環させる冷却経路40を有している。冷却経路40は、ウォータポンプ11の下流側に接続される下流側接続路41と、ウォータポンプ11の上流側に接続される上流側接続路42とを含む。さらに、冷却経路40は、下流側接続路41から分岐してエンジン本体3のシリンダヘッド3a及びシリンダブロック3bを冷却する第1冷却路43aと、下流側接続路41から分岐してエンジン本体3を迂回するようにして第1冷却路43aと並列に設けられた第2冷却路43bと、第1冷却路43aと第2冷却路43bとを接続し、冷却対象デバイスであるEGRクーラ4が設けられた中間冷却路44と、中間冷却路44と第1冷却路43aとの接続位置c1から上流側接続路42に至る第3冷却路43cと、中間冷却路44と第2冷却路43bとの接続位置c2から上流側接続路42に至る第4冷却路43dとを含む。第1冷却路43aはシリンダヘッド3a及びシリンダブロック3bを通り、第2冷却路43bはエンジン本体3を迂回するため、第1冷却路43aは冷却水の受熱が第2冷却路43bの場合よりも多い冷却路といえる。第1冷却路43aからはラジエータ経路45が分岐しており、ラジエータ経路45は上流側接続路42に合流する。
冷却装置1Bは、第1の形態と同様に、第2冷却路43bに設けられた切替弁21を有し、切替弁21を閉弁位置と開弁位置との間で操作することによって、中間冷却路44を流れる冷却水の方向を第1の方向(図5)と第2の方向(図5)との間で切り替えることができる。切替弁21の操作はECU30にて行われる。ECU30は第1の形態と同様に図3及び図4の各制御ルーチンを実行することにより、第1の形態と同様の制御を実施でき、第1の形態と同様の効果を得ることができる。
本発明は、上記各形態に限定されず本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記各形態では、冷却対象デバイスとしてEGRクーラが設けられているが、これは一例にすぎず、中間冷却路には種々のデバイスを冷却対象デバイスとして設けることができる。また、上記各形態では、流路抵抗調整手段としての切替弁が第2冷却路に設けられているが一例にすぎない。流路抵抗調整手段が第1冷却路、第2冷却路、第3冷却路及び第4冷却路のいずれか一つに設けられた形態で本発明を実施することができる。第2冷却路以外に流路抵抗調整手段を設けた場合でも、流路抵抗調整手段を操作することによって中間冷却路を流れる冷却水の方向を切り替えることが可能である。その理由を図7等を参照しながら説明する。
図7に示したように、冷却経路を単純化して第1冷却路のエリアをA、第2冷却路のエリアをB、第3冷却路のエリアをC、第4冷却路のエリアをDとし、中間冷却路に設けられる冷却対象デバイスをXとする。そして、中間冷却路を流れる冷却水の方向を、第1冷却路側から第2冷却路側に向かう第1の方向(1)と、第2冷却路側から第1冷却路側へ向かう第2の方向(2)とする。各エリアA〜Dの流路抵抗のバランスが変化することによって、中間冷却路を流れる冷却水の方向が第1の方向と第2の方向との間で変化する。すなわち、エリアA及びエリアDの各流路抵抗を乗じたものをA×Dとして、エリアB及びエリアCの各流路抵抗を乗じたものをB×Cとしてそれぞれ定義した場合、A×D<B×Cが成立すると中間冷却路の流れ方向が第1の方向(1)となり、A×D>B×Cが成立すると中間冷却路の流れ方向が第2の方向(2)となる。また、A×D=B×Cが成立すると中間冷却路の冷却水の流れを止めることもできる。
したがって、各エリアA〜Dの流路抵抗の少なくともいずれか一つを変化させて上記大小関係のいずれかを選択的に成立させることにより、中間冷却路を流れる冷却水の方向を第1の方向と第2の方向との間で切り替えることができる。例えば、第1の形態又は第2の形態で用いたものと同様の切替弁を各エリアA〜Dのいずれかに設けた場合、切替弁の状態と中間冷却路を流れる冷却水の方向との対応関係は図8に示した通りとなる。但し、各エリアA〜Dの流路抵抗は、切替弁がエリアA又はエリアDに設けられている場合において切替弁が開弁位置のときに中間冷却を流れる冷却水の方向が第1の方向となり、かつ切替弁がエリアB又はエリアCに設けられている場合において切替弁が開弁弁位置のときに中間冷却を流れる冷却水の方向が第2の方向となるように設定されている。エリアBに切替弁を設けた場合は第1の形態又は第2の形態に相当する。例えば、エリアDに切替弁を設けた場合、中間冷却路を流れる冷却水の方向は、切替弁が開弁位置の場合には第1の方向(1)となり、切替弁が閉弁位置の場合には第2の方向(2)となる。
以上説明した各エリアA〜Dの冷却水の温度や流量状態に合わせて好適なデバイスを適宜配置することにより、中間冷却路に設けられた冷却対象デバイスに対する冷却要求を可能な限り満足させることが可能となる。
切替弁は各エリアA〜Dのいずれかに設けてもよいが、例えば、エリアA及びエリアBのそれぞれに一つずつ切替弁を設けるなど、複数の切替弁を設けることもできる。流路抵抗調整手段としては、上述した2位置式の切替弁の他に、全閉位置から全開位置までの間で連続的に開度を調整できる電磁弁等の弁手段を用いることもできる。また、図9に示したように、何らかのデバイスDxが配置された冷却路CPに対しては、デバイスDxを迂回するバイパス路BPを設けるとともに、上述した切替弁や電磁弁等の弁手段Vをバイパス路BPに設けることもできる。このように弁手段VをデバイスDxと並列に設けた場合にはバイパス路BPと弁手段Vとを組み合わせたものが本発明に係る流路抵抗調整手段に相当する。
上記各形態では、中間流路に設けられた温度センサによって中間流路を流れる冷却水の温度に基づいて流路抵抗調整手段としての切替弁の異常を判断しているが、流路抵抗調整手段の操作によって中間冷却路を流れる冷却水の流量が変化することに着目し、流路抵抗調整手段に対する操作と、中間冷却路内の圧力との関連性に基づいて流路抵抗調整手段の異常を判断することもできる。中間流路内の温度又は圧力の変化は温度センサや圧力センサによって直接測定する形態に限らず、温度又は圧力以外のパラメータからこれらを推定して取得することも可能である。
上記各形態では、流路抵抗調整手段としての切替弁を電気的に操作しているが、冷却水の温度に応じて開閉動作するサーモバルブを流路抵抗調整手段として設けるとともにサーモバルブが開弁する設定温度を適宜に定めることにより、流路抵抗調整手段に対する電気的な操作を行わない形態で本発明を実施することも可能である。
1A、1B 冷却装置
2 エンジン
3 エンジン本体
3a シリンダヘッド
3b シリンダブロック
4 EGRクーラ(冷却対象デバイス)
10、40 冷却経路
11 ウォータポンプ
15、41 下流側接続路
16、42 上流側接続路
17a、43a 第1冷却路
17b、43b 第2冷却路
17c、43c 第3冷却路
17d、43d 第4冷却路
18、44 中間冷却路
21 切替弁(流路抵抗調整手段)
30 ECU(操作手段)
2 エンジン
3 エンジン本体
3a シリンダヘッド
3b シリンダブロック
4 EGRクーラ(冷却対象デバイス)
10、40 冷却経路
11 ウォータポンプ
15、41 下流側接続路
16、42 上流側接続路
17a、43a 第1冷却路
17b、43b 第2冷却路
17c、43c 第3冷却路
17d、43d 第4冷却路
18、44 中間冷却路
21 切替弁(流路抵抗調整手段)
30 ECU(操作手段)
Claims (4)
- ウォータポンプによって冷却水を循環させる冷却経路を利用して、エンジン本体及び冷却対象デバイスを冷却するエンジンの冷却装置において、
前記冷却経路は、前記ウォータポンプの下流側に接続される下流側接続路と、前記ウォータポンプの上流側に接続される上流側接続路と、前記下流側接続路から分岐して前記エンジン本体を冷却する第1冷却路と、前記下流側接続路から分岐して前記第1冷却路と並列に設けられた第2冷却路と、前記第1冷却路と前記第2冷却路とを接続し、前記冷却対象デバイスが設けられた中間冷却路と、前記中間冷却路と前記第1冷却路との接続位置から前記上流側接続路に至る第3冷却路と、前記中間冷却路と前記第2冷却路との接続位置から前記上流側接続路に至る第4冷却路と、を含み、
前記第1冷却路、前記第2冷却路、前記第3冷却路及び前記第4冷却路のいずれか一つに設けられ、流路抵抗を調整可能な流路抵抗調整手段を備え、
前記流路抵抗調整手段の動作によって、前記中間冷却路を流れる冷却水の方向を、前記第1冷却路側から前記第2冷却路側へ向かう第1の方向と、前記第2冷却路側から前記第1冷却路側へ向かう第2の方向との間で切り替える、
ことを特徴とするエンジンの冷却装置。 - 前記流路抵抗調整手段として切替弁が設けられており、
前記第1冷却路、前記第2冷却路、前記第3冷却路及び前記第4冷却路は、
前記第1冷却路又は前記第4冷却路に前記切替弁が設けられている場合において前記切替弁が開弁位置のときに前記第1の方向に冷却水が前記中間冷却路を流れるように流路抵抗が設定され、かつ前記第2冷却路又は前記第3冷却路に前記切替弁が設けられている場合において前記切替弁が開弁位置のときに前記第2の方向に冷却水が前記中間冷却路を流れるように流路抵抗が設定されている請求項1の冷却装置。 - 前記流路抵抗調整手段を操作する操作手段を更に備え、
前記流路抵抗調整手段の異常を、前記流路抵抗調整手段に対する操作と、前記中間冷却路内の温度又は圧力の変化との関連性に基づいて判断する請求項1又は2の冷却装置。 - 前記エンジン本体は、シリンダヘッド及びシリンダブロックを含み、
前記冷却対象デバイスはEGRクーラであり、
前記第1冷却路は前記シリンダヘッドを、前記第2冷却路は前記シリンダブロックをそれぞれ冷却する請求項1〜3のいずれか一項の冷却装置。
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