JP2005273582A

JP2005273582A - 排熱回収システム

Info

Publication number: JP2005273582A
Application number: JP2004089989A
Authority: JP
Inventors: Katsufumi Inoue; 勝文井上
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】排気ガスの量だけでなく、排気ガスの温度も含めたトータルの熱量に着目して車室内の暖気促進やエンジンの昇温を図らんとする排熱回収システムを提供する。
【解決手段】エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収する排熱回収器１１と、この排熱回収器１１に与えられる排気ガスの熱量を調節する熱量調節手段１５、１６、１７、２８、２９、３２と、排熱回収器１１の回収熱量を検出する熱量検出手段２３と、この熱量検出手段２３の検出値に基づいて熱量調節手段１５、１６、１７、２８、２９、３１を制御するエンジン制御器４１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車に搭載される排熱回収システムに関する。

自動車用エンジンから排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物を低減する目的で、排気ガスの一部をエンジンの吸入側に環流するＥＧＲ装置が提案されている。この場合、環流する排気ガス（ＥＧＲガス）の温度が高いと、エンジンの吸気温度が高くなって出力が低下したり、ＥＧＲガスの流量制御を行うＥＧＲ量調節弁が劣化する等の不具合が生じる。

これを回避するため、エンジン冷却水が循環するＥＧＲクーラをＥＧＲ量調節弁上流に設け、冷却水を用いてＥＧＲガスから熱を奪うことでＥＧＲガスの冷却を図るようにしている。

下記特許特許文献１には、ＥＧＲクーラで昇温された冷却水を車内暖気促進に利用する技術が開示されている。この従来技術では、エンジン運転状態がＥＧＲ領域か否かに関わらず、ＥＧＲクーラに排気ガスを流すことができるよう、排気流路に工夫がなされている。

すなわち、エンジンの運転状態に関わらず、ＥＧＲクーラに流れるガスを所定量確保できるようにしており、ＥＧＲクーラに流れるガス量に着目した技術であるといえる。
特開平８−１６５９２５号公報

本発明は、排気ガスの量だけでなく、排気ガスの温度も含めたトータルの熱量に着目して車室内の暖気促進やエンジンの昇温を図らんとする排熱回収システムを提供することを目的としている。

本発明の排熱回収システムは、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収する排熱回収器１１と、この排熱回収器１１に与えられる排気ガスの熱量を調節する熱量調節手段１５、１６、１７、２８、２９、３１と、排熱回収器１１の回収熱量を検出する熱量検出手段２３と、この熱量検出手段２３の検出値に基づいて熱量調節手段１５、１６、１７、２８、２９、３１を制御する制御装置（４１）と、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、排気ガスの熱を回収して暖気促進に用いることで、暖房能力が不足した場合等においても速やかな暖房を行うことができるため、乗員の快適性を向上することができる。

また、エンジンから排出される有害物質を低減する目的で使用されるＥＧＲクーラを排熱回収器として使用する場合、新たな熱交換器を搭載することなく排気ガスの熱を回収できるので、製造コストが安価となる。

また、この場合、エンジン冷却媒体を速やかに昇温させることができるので、エンジンの潤滑油を速暖でき、潤滑油の粘度が低減して摩擦損失が低減するので燃費の改善にも有効である。

さらに、排気ガス流量だけでなく、排気ガス温度も含めたトータルの熱量で排熱回収器の回収熱量を増加させるようにしたことで、燃費の悪化を防ぐこともできる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態の概略構成図、図２は実施形態の制御手順を示すフローチャート、図３は実施形態の制御マップである。

図１において、１はエンジンであり、燃料を噴射するインジェクター２を備えている。インジェクター２は各気筒に配置され、エンジン制御器４１からの信号で噴射時期及び噴射量を決めている。

３は吸気流路で、ここから吸入された空気はインジェクター２から噴射される燃料と混合される。４はエンジン１から排出される排気ガスが流れる排気流路である。

５は水やエチレングリコールの混合物である冷却水（冷却媒体）でエンジン１を冷却するエンジン冷却系であり、ラジエータ６、ウォーターポンプ７が配管８を介してエンジン１のウォータージャケットと接続されている。ウォーターポンプ７からウォータージャケットに圧送された冷却水はエンジン１の各部から熱を奪い、ラジエータ６で熱を放出してウォーターポンプ７に戻る。

９はエンジン１の排気ガス中の窒素酸化物を低減するためのＥＧＲ装置で、ＥＧＲ流路１０を備えている。ＥＧＲ流路１０は排気流路４から分岐しており、排気流路４を流れる排気ガスをエンジン１の吸入側に環流させる。

ＥＧＲ流路１０にはＥＧＲクーラ１１が設けられている。このＥＧＲクーラ１１には、エンジン冷却系５の配管８から分岐した配管１２が接続されており、ＥＧＲ流路１０を流れる排気ガスをエンジン冷却水と熱交換させて冷却する。

また、ＥＧＲクーラ１１は、配管１２を介して車両用空調装置のヒータコア１３に接続されており、さらにヒータコア１３は配管１２を介してウォーターポンプ７の吸入側に接続されている。

１４はバイパス流路で、ＥＧＲ流路１０におけるＥＧＲクーラ１１よりも下流の部位から分岐し、排気流路４におけるＥＧＲ流路１０の分岐点Ｐ１よりも下流の部位に合流している。このバイパス通路１４を設けたことで、エンジン運転状態がＥＧＲ領域であるか否かにかかわらず、ＥＧＲクーラ１１に排気ガスを流すことができる。

ＥＧＲ流路１０におけるバイパス流路１４の分岐点Ｐ２よりも下流の部位にはエンジン１の吸入側に環流する排気ガス量を調節するＥＧＲ量調節弁１５が設けられている。そして、その下流には、ＥＧＲ流路１０を通るガス量を検出するＥＧＲガス量検出センサ３７が設けられている。

また、排気流路４におけるＥＧＲ流路１０の分岐点Ｐ１とバイパス流路１４との合流点Ｐ３との間の部位には、ＥＧＲクーラ１１に流れ込む排気ガス量を調節するガス流量調節弁１６が設けられている。

さらに、ＥＧＲ流路１０におけるＥＧＲクーラ１１の下流の部位にも、ＥＧＲクーラ１１への排気ガスの流入量を制御するガス流れ制御弁１７が設けられている。三つの弁１５〜１７を作動させるアクチュエータは、エンジン制御器４１からの出力信号で作動する。

ＥＧＲクーラ１１に流れ込む排気ガス量はガス流量調節弁１６のみで制御することができるが、ガス流れ制御弁１７を設けておくことで、ＥＧＲクーラ１１へ排気ガスを流入させたくない場合には、より確実に排気ガスの流入を防ぐことができる。

排気流路４における合流点Ｐ３の下流の部位には排気ガス浄化用の触媒１８が設けられ、さらに、その下流には消音器１９が設けられている。なお、触媒１８が合流点Ｐ３の下流に設けられているのは、ＥＧＲクーラ１１を通った排気ガスを浄化するためである。

排気流路４におけるＥＧＲ流路１０の分岐点Ｐ１の上流側には、排気ガスの温度を検出するガス温度センサ２０と、エンジン１の燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出センサ３６が設けられている。これらの出力信号はエンジン制御器４１に入力される。

また、ＥＧＲクーラ１１にエンジン冷却水を循環させる配管１２には、ＥＧＲクーラ１１の上流側に流量計２１、水温センサ２２、下流側に水温センサ２３が設けられている。これらの出力信号はエンジン制御器４１に入力される。

エンジン冷却系５におけるエンジン冷却水が流れる経路は、ラジエータ６に流れる経路と、ＥＧＲクーラ１１に流れる経路とがある。ラジエータ６に流れる場合には、サーモバルブ２４のサーモスタットに入り、ラジエータ６を通過後、ウォーターポンプ７によりエンジン１内に圧送される。

一方、ＥＧＲクーラ１１から流れ出たエンジン冷却水は、ヒータコア１３に流入し、空調風と熱交換した後、ウォーターポンプ７によりエンジン１内に圧送される。

なお、前記サーモスタットはエンジン冷却水の水温を検知して冷却水経路を切り換える。すなわち、エンジン冷却水が例えば７５℃未満の場合には、エンジン冷却水をラジエータ６に流さずにＥＧＲクーラ１１に流す。

エンジン１の吸気流路３には、吸入空気を冷却するインタークーラ２７と、吸入空気をインタークーラ２７に通さないようにインテークマニホールド３０に案内するインタークーラバイパス流路２８とが設けられている。

そして、インタークーラ２７上流側の吸気流路３とインタークーラバイパス流路２８との接続点には、吸入空気をインタークーラバイパス流路２８に切り換える切換バルブ２９が設けられている。

インテークマニホールド３０は、スワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶと記す）３１を有するタンジェンシャルポート３２とヘリカルポート３３の二種類の吸気ポートを有しており、吸入空気量はＳＣＶ３１により調節可能な構造となっている。

また、吸気流路３には、吸入空気量を検出する吸気量センサ３４と、吸入空気温度３５を検出する吸気温度センサ３５とが設けられている。

この車両用空調装置は、図示しないが、冷媒を圧縮するコンプレッサ、空調風をユニットケース内の下流側に向けて流すファン、そのファンを駆動するファンモータ、コンプレッサで高圧になった冷媒を外気で冷却するコンデンサ、このコンデンサで液化した冷媒を断熱膨張させる膨張手段、この膨張手段で低温低圧になった冷媒で空調風を冷却、除湿するエバポレータ、このエバポレータで冷却された空調風の温度を制御するエアミックスドア、そして、このエアミックスドアの下流にあるヒータコア１３等から構成される。

ファンモータやエアミックスドア等は空調制御器４２により制御される。空調制御器４２はエンジン制御器４１と接続され、相互に情報を通信する。また、ヒータコア１３の下流には、車室内へ吹き出す空調風の温度を検出する吹き出し温度センサ２５が設けられており、その出力信号は空調制御器４２に入力される。

次に、本実施形態の動作を図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ１０で、エンジン制御器４１にデータ（エンジン１の作動可否、エンジン冷却水温、空調制御器４２からの暖房能力増加要請信号、目標冷却水温等）が入力される。

なお、目標冷却水温は、乗員が設定した車室内設定温度、実際の車室内温度、外気温度、日射量等に基づいて設定される。

次いで、ステップＳ２０で、エンジンが作動しているか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ３０で、前記サーモスタットの検出値が所定温度（例えば７５℃）以上であるか否かを判定する。

所定温度未満であればステップＳ４０に進み、目標冷却水温と、水温センサ２３が検出した実際の冷却水温との差ΔＴを算出する。そして、ステップＳ５０で図３に示す制御マップを参照し、ステップＳ６０でＥＧＲ量調節弁１５、ガス流量調節弁１６、及びガス流れ制御弁１７を開く。

ガス流量調節弁１６の開度によって、ΔＴが図３に示すように変化する。エンジン制御器４１は、ΔＴ、排気ガス温度、及びエンジン回転数に基づいてガス流量制御弁１６、ガス流れ制御弁１７、ＥＧＲ量調節弁１５を制御する。

また、これと同時に、エンジン制御器４１は、必要に応じて、スワールコントロールバルブ３１の開度の調節、エンジン噴射タイミングの調節、吸入空気のインタークーラバイパス流路２８への切り換え等を行う。

スワールコントロールバルブ３１の開度は、吸気量センサ３４、吸気温度センサ３５、燃料噴射量検出センサ３６、流量計２１、水温センサ２３、ＥＧＲガス量検出センサ３７に基づいて、ＥＧＲクーラ１１での熱交換量が最大になるように制御する。

そのような制御は、ＥＧＲクーラ１１に流入する水とガスの量と温度の関係を示す特性線図をエンジン制御器４１のメモリに記憶させておき、この特性線図をマップとして用いることにより実現することができる。

ガス流量制御弁１６、ガス流れ制御弁１７、スワールコントロールバルブ３１により、ＥＧＲクーラ１１に流入するガス量が制御され、ＥＧＲ量調節弁１５、燃料噴射タイミング制御、インタークーラバイパス流路２８及び切換バルブ２９により、ＥＧＲクーラ１１に流入するガス温度が制御される。

このような制御を行うことにより、ＥＧＲクーラ１１に流入する排気ガスの温度が上昇すると共に排気ガス流量が増加するので、エンジン冷却水に多くの熱量を与えることができ、車室内の暖気促進を図ることができる。

ステップＳ３０でＹＥＳの場合にはステップＳ７０に進み、空調制御器４２から暖房能力増加要請信号が有るか否かを判定し、ＹＥＳの場合にはステップＳ４０以下の処理を行う。

なお、空調制御器４２は、乗員が設定した車室内温度目標値と実際の車室内温度との温度差に応じて空調風の目標吹き出し温度を調整すると共に、この目標吹き出し温度が所定値以上か、あるいは前記温度差が所定値以上の場合、暖房能力増加要請を出す。

ステップＳ７０でＮＯの場合にはステップＳ８０に進み、ガス流量調節弁１６を開き、ＥＧＲ量調節弁１５の開度はコントロールされ、ＥＧＲ量調節弁１５はＮｏｘ低減のため、エミッション優先でコントロールされる必要がある。ガス流れ制御弁１７は閉じ、ＥＧＲクーラ１１に排気ガスを流さないようにする。また、ステップＳ２０でＮＯの場合にも同様とする。

このように、排気ガスの熱を回収して暖気促進に用いることで、暖房能力が不足した場合等においても速やかな暖房を行うことができるため、乗員の快適性を向上することができる。

また、エンジンから排出される有害物質を低減する目的で使用されるＥＧＲクーラ１１を排熱回収器として使用しているため、新たな熱交換器を搭載することなく排気ガスの熱を回収できるので、製造コストが安価である。

また、エンジン冷却水を速やかに昇温させることができるので、エンジンの潤滑油を速暖でき、潤滑油の粘度が低減して摩擦損失が低減するので燃費の改善にも有効である。

さらに、排気ガス流量だけで冷却水温を昇温させようとするとエンジン回転数が増加して燃費が悪化する恐れがあるが、排気ガス温度を含むトータルの熱量によりＥＧＲクーラ１１での回収熱量を増加させるようにしたことで、燃費の悪化を防ぐこともできる。

なお、排気ガス流量の調節と排気ガス温度の調節は、いずれか一方のみを行うようにしてもよいし、両方を同時に行うようにしてもよい。

なお、排気ガスが冷却されることで触媒１８での反応が悪化し、排気ガスの一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等が所定値以上増加する場合には、排気ガスの浄化が確実に行われるようにするために、ＥＧＲクーラ１１で冷却された排気ガスが触媒１８に流れ込まないようにしてもよい。

また、ヒータコア１３の破損を防止するために、エンジン冷却水温が所定温度以上の場合には、ヒータコア１３に冷却水が流入しないようにガス流量調節弁１６、ＥＧＲ量調節弁１７等を制御するのが好ましい。

なお、上記実施形態では、エンジン冷却媒体のみを熱源として用いる車両用空調装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、エンジン冷却媒体以外の熱源（例えばヒートポンプ）も併せて用いる車両用空調装置に適用することもできる。

その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。

本発明の一実施形態の概略構成図である。実施形態の制御手順を示すフローチャートである。実施形態の制御マップである。

符号の説明

１エンジン
４排気流路
５エンジン冷却系
１０ＥＧＲ流路
１１ＥＧＲクーラ（排熱回収器）
１４バイパス流路
１５ＥＧＲ量調節弁（熱量調節手段、ガス温度調節手段）
１６ガス流量調節弁（熱量調節手段、ガス流量調節手段）
１７ガス流れ制御弁（熱量調節手段、ガス流量調節手段）
２１流量計（冷却媒体流量検出手段）
２３水温センサ（熱量検出手段、冷却媒体温度検出手段）
２８インタークーラバイパス流路（ガス温度調節手段）
２９切換バルブ
３０インテークマニホールド（インテーク部）
３１スワールコントロールバルブ（熱量調節手段、ガス温度調節手段）
３２タンジェンシャルポート
３４吸気量センサ（吸入空気量検出手段）
３５吸気温度センサ（吸入空気温度検出手段）
３６燃料噴射量検出センサ（燃料噴射量検出手段）
３７ＥＧＲガス量検出センサ（ＥＧＲガス量検出手段）
４１エンジン制御器（制御装置）

Claims

エンジン（１）から排出される排気ガスの熱を回収する排熱回収器（１１）と、この排熱回収器（１１）に与えられる排気ガスの熱量を調節する熱量調節手段（１５、１６、１７、２８、２９、３１）と、
排熱回収器（１１）の回収熱量を検出する熱量検出手段（２３）と、
この熱量検出手段（２３）の検出値に基づいて熱量調節手段（１５、１６、１７、２８、２９、３１）を制御する制御装置（４１）と、
を備えることを特徴とする排熱回収システム。
排熱回収器（１１）は、エンジン（１）の排気ガスをエンジン（１）の吸入側に環流させるＥＧＲ流路（１０）に設けられ、エンジン（１）から排出される排気ガスをエンジン（１）の冷却媒体と熱交換させて冷却するＥＧＲクーラであることを特徴とする請求項１記載の排熱回収システム。
ＥＧＲ流路（１０）はエンジン（１）の排気流路（４）から分岐しており、ＥＧＲ流路（１０）におけるＥＧＲクーラ（１１）の下流の部位から分岐して排気流路（４）に合流するバイパス流路（１４）を設けたことを特徴とする請求項２記載の排熱回収システム。
熱量調節手段（１５、１６、１７、２８、２９、３１）は、排熱回収器（１１）に流入する排気ガス量を調節するガス流量調節手段（１６、１７、３１）と、エンジン（１）から排出される排気ガスの温度を調節するガス温度調節手段（１５、２８、２９）とから成り、制御装置（４１）は、ガス流量調節手段（１６、１７、３１）とガス温度調節手段（１５、２８、２９）のいずれか一方又は両方を同時に制御することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項記載の排熱回収システム。
排熱回収器（１１）に流入する排気ガス温度の調節を、エンジン（１）に吸入される空気をインタークーラ（２７）に通さないようにインテーク部（３０）に案内するインタークーラバイパス流路（２８）と、インタークーラ（２７）に向けて供給される空気をインタークーラバイパス流路（２８）に切り換える切換バルブ（２９）とで行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載の排熱回収システム。
排熱回収器（１１）に流入する排気ガス温度の調節を、燃料噴射タイミング制御により行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の排熱回収システム。
排熱回収器（１１）に流入する排気ガス温度の調節を、エンジン（１）の吸入側に環流する排気ガス量を調節するＥＧＲ量調節弁（１５）で行うことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項記載の排熱回収システム。
排熱回収器（１１）に流入する排気ガス量の調節を、インテーク部（３０）のタンジェンシャルポート（３２）に設けられたスワールコントロールバルブ（３１）の開度調節により行うことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項記載の排熱回収システム。
制御装置（４１）は、排熱回収器（１１）に流入する排気ガス量を増加させる際、エンジン（１）の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段（３４）、エンジン（１）の吸入空気温度を検出する吸入空気温度検出手段（３５）、エンジン（１）の燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段（３６）、エンジン（１）を冷却する冷却媒体の流量を検出する冷却媒体流量検出手段（２１）、前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度検出手段（２３）、及びエンジン（１）の排気ガスをエンジン（１）の吸入側に環流させるＥＧＲ流路（１０）を通るガス量を検出するＥＧＲガス量検出手段（３７）の検出値に基づいて、ＥＧＲクーラ（１１）における熱交換量が最大になるようにスワールコントロールバルブ（３１）を制御することを特徴とする請求項８記載の排熱回収システム。