JP2006283711A - 排気熱回収装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の燃費性能や排気エミッションを悪化させることなく、排気熱を利用して暖房性能を向上させる排気熱回収装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】 内燃機関１０の冷却水を加熱源とする暖房器２１と、排気熱回収通路１１ａと、排気熱回収通路１１ａをバイパスする排気バイパス通路１１ｂとに分岐された内燃機関１０の排気管１１のうち、排気熱回収通路１１ａに配設されて、排気熱を回収して冷却水を加熱する排気熱回収器３０と、排気熱回収通路１１ａおよび排気バイパス通路を流通する排気ガスの流量割合を調整する流量調整弁３５と、流量調整弁３５の弁開度を制御する制御装置４０とを有する排気熱回収装置において、制御装置４０は、冷却水の温度と、内燃機関１０の運転状態から定まる排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量とに応じて、弁開度を可変する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスの廃熱を回収して暖房器に利用する排気熱回収装置およびその制御方法に関するものであり、例えば内燃機関を備える車両用に用いて好適である。

従来、例えば特許文献１に示されるように、自動車用エンジンの排気熱を暖房装置（エンジン冷却水を加熱源とするヒータコア）に利用する排気熱利用式暖房装置が知られている。

この暖房装置においては、エンジンの排気管を熱交換器用排気管と、この熱交換器用排気管をバイパスするバイパス排気管とに分岐し、分岐部に切替えバルブを設けている。熱交換器用排気管には、排気ガスによってエンジン冷却水を加熱する排気熱交換器を設けている。また、暖房装置（ヒータコア）の暖房能力強化指示用のヒータ強化スイッチを設けている。

そして、暖房時のエンジン冷却水温度が所定値以下で、且つヒータ強化スイッチをオンとした時（暖房能力強化要の時）に、切替えバルブによって熱交換器用排気管側を開き（バイパス排気管側を閉じる）、排気熱交換器によってエンジン冷却水を加熱してヒータコアにおける暖房能力を向上させるようにしている。尚、エンジン冷却水温度が所定値を超えると、上記とは逆に、切替えバルブによってバイパス排気管側を開き（熱交換器用排気管側を閉じる）、排気ガスをバイパス排気管に流し、排気ガスによるエンジン冷却水の加熱を停止して、オーバヒートを回避するようにしている。
実公平３−４５６６号公報

しかしながら、上記暖房装置においては、車両の運転状態への配慮がないため、排気熱回収時（排気ガスを熱交換器用排気管に流す時）に、排気熱交換器による排気抵抗を高めてしまうことになるので、高負荷運転時においては著しく燃費性能を悪化させてしまったり、燃焼を不安定化させ排気エミッションを悪化させてしまうという問題があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、内燃機関の燃費性能や排気エミッションを悪化させることなく、排気熱を利用して暖房性能を向上させる排気熱回収装置およびその制御方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、内燃機関（１０）の冷却水を加熱源とする暖房器（２１）と、排気熱回収通路（１１ａ）と、排気熱回収通路（１１ａ）をバイパスする排気バイパス通路（１１ｂ）とに分岐された内燃機関（１０）の排気管（１１）のうち、排気熱回収通路（１１ａ）に配設されて、排気熱を回収して冷却水を加熱する排気熱回収器（３０）と、排気熱回収通路（１１ａ）および排気バイパス通路（１１ｂ）を流通する排気ガスの流量割合を調整する流量調整弁（３５）と、流量調整弁（３５）の弁開度を制御する制御装置（４０）とを有する排気熱回収装置において、制御装置（４０）は、冷却水の温度と、内燃機関（１０）の運転状態から定まる排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量とに応じて、弁開度を可変することを特徴としている。

これにより、冷却水の温度（Ｔｗ）に応じて弁開度を可変して排気ガスを排気熱回収通路（１１ａ）側に流すことで排気熱を利用して冷却水を加熱できるので、暖房器（２１）による暖房性能を向上させることができる。尚、内燃機関（１０）の暖機時や夏季において、暖房器（２１）の暖房能力が抑えられる時は、冷却水が積極的に加熱され、内燃機関（１０）の暖機性能を向上できる。この時、排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量に応じて弁開度を可変して排気ガスを排気バイパス通路（１１ｂ）側に流すことで排気抵抗を低減できるので、内燃機関（１０）の燃費性能や排気エミッションが悪化するのを防止できる。

具体的には、請求項２に記載の発明のように、制御装置（４０）は、冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）以下で、且つ、排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下の時に、排気熱回収通路（１１ａ）側に排気ガスが流れるように弁開度を可変すると良い。

請求項３に記載の発明では、制御装置（４０）は、冷却水の温度（Ｔｗ）が低い程、排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量の所定量を大きく設定することを特徴としている。

これにより、冷却水が低温である程、排気ガスを排気熱回収通路（１１ａ）側に流す判定領域を大きくすることができるので、低温状態の冷却水を積極的に加熱でき、暖房器（２１）の暖房性能を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、制御装置（４０）は、暖房器（２１）における暖房要求レベル（ΔＴ）を加味して、弁開度を可変することを特徴としている。

これにより、暖房器（２１）における熱需要を正確に把握でき、即効性の高い暖房性能が得られる。

請求項４に記載の発明においては、具体的に請求項５に記載の発明のように、暖房要求レベル（ΔＴ）は、目標暖房温度（Ｔａｔ）と実暖房温度（Ｔａ）との差によって定義され、制御装置（４０）は、冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を超える場合であっても、暖房要求レベル（ΔＴ）が予め定められた閾値温度（ｔａ）より大きい時は、排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下であれば、排気熱回収通路（１１ａ）側に排気ガスが流れるように弁開度を可変すると良い。

請求項６に記載の発明では、制御装置（４０）は、排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が小さい程、弁開度（Ｘ）を大きく設定することを特徴としている。

これにより、排気熱回収通路（１１ａ）を流通する排気ガス流量をきめ細かく制御できるので、内燃機関（１０）の運転状態に合わせて最適な排気熱の回収ができる。

請求項７に記載の発明では、制御装置（４０）は、暖房器（２１）における暖房要求レベル（ΔＴ）が大きい程、所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を大きく設定することを特徴としている。

これにより、冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）より低いと判定されて排気熱の回収が行われる領域が大きくなるので、暖房器（２１）の暖房性能を重視した制御が可能となる。

請求項８に記載の発明では、冷却水によって媒体を加熱して、加熱媒体を膨張させて機械的エネルギーを回収するランキンサイクル（５０）を備え、制御装置（４０）は、ランキンサイクル（５０）の作動有無を加味して、弁開度を可変することを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル（５０）における熱需要を正確に把握できるので、暖房器（２１）の暖房性能向上に加えて、ランキンサイクル（５０）の回収エネルギー向上も踏まえた制御が可能となる。

請求項８に記載の発明においては、請求項９に記載の発明のように、制御装置（４０）は、冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を超える場合であっても、ランキンサイクル（５０）が作動している時は、排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下であれば、排気熱回収通路（１１ａ）側に排気ガスが流れるように弁開度を可変すると良い。

請求項１０に記載の発明では、制御装置（４０）は、ランキンサイクル（５０）停止時に対して、ランキンサイクル（５０）作動時の方が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を大きく設定することを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル（５０）作動時において、冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）より低いと判定されて、排気熱の回収が行われる領域が大きくなるので、暖房器（２１）の暖房性能、ランキンサイクル（５０）の回収エネルギー向上の両者を重視した制御が可能となる。

請求項１１〜請求項２０に記載の発明は、排気熱回収装置（１）における排気熱回収通路（１１ａ）および排気バイパス通路（１１ｂ）を流通する排気ガスの流量割合可変のための制御方法に関するものであり、その技術的意義はそれぞれ上記請求項１〜請求項１０に記載の排気熱回収装置と本質的に同じである。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図４に示し、まず、具体的な構成について図１〜図３を用いて説明する。尚、図１は排気熱回収装置１の全体構成を示す模式図、図２は排気熱回収器３０を示す外観図および断面図、図３は排気熱回収の要否を決定する第１制御マップ、図４は制御装置４０が行う排気熱回収制御のための第１フローチャートである。

本実施形態の排気熱回収装置１は、エンジン１０を走行用の駆動源とする車両（自動車）に適用されるものとしている。排気熱回収装置１は、図１に示すように、ヒータ回路２０Ａに設けられたヒータ２１、排気管１１に設けられた排気熱回収器３０、排気熱回収通路１１ａおよび排気バイパス通路１１ｂを流れる排気ガスの流量割合を可変する排気バイパス弁３５（図２）、排気バイパス弁３５の弁開度を制御する制御装置４０等を有している。

エンジン１０は、水冷式の内燃機関であり、エンジン冷却水（以下、冷却水）の循環によってエンジン１０が冷却されるラジエータ回路２０Ｂと、冷却水（温水）を加熱源として空調空気を加熱するヒータ回路２０Ａとを有している。

ラジエータ回路２０Ｂにはラジエータ２４が設けられており、ラジエータ２４は、ウォータポンプ２３によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ウォータポンプ２３は、電動モータにて駆動される電動ポンプであるが、エンジン１０から動力を得て駆動される機械式のポンプを用いても良い。尚、ラジエータ回路２０Ｂ中にはラジエータ２４を迂回して冷却水が流通するバイパス通路２５が設けられており、サーモスタット２６によってラジエータ２４を流通する冷却水量とバイパス通路２５を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。特に暖機時においてはバイパス通路２５側の冷却水量が増加されて暖機が促進される（つまり、ラジエータ２４による冷却水の過冷却が防止される）。

ヒータ回路２０Ａには、暖房用熱交換器としてのヒータ（本発明における暖房器に対応）２１が設けられており、上記のウォータポンプ２３によって冷却水（温水）が循環されるようにしている。ヒータ２１は、空調ユニット６０の空調ケース６１内に配設されており、送風機６２によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。

空調ケース６１内のヒータ２１と送風機６２との間には、冷房用熱交換器としてのエバポレータ６３が配設されている。エバポレータ６３は、冷凍サイクルを形成する一要素であって、内部を流通する冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機６２からの空調空気を冷却する。尚、ヒータ２１にはエアミックスドア６４が設けられており、エバポレータ６３によって冷却された空調空気とヒータ２１によって加熱された空調空気は、エアミックスドア６４の開度に応じて混合比率が可変され、乗員の設定する目標室内温度Ｔａｔに到達するように調節される。

尚、エンジン冷却回路２０のエンジン１０の出口側にはエンジン出口水温Ｔｗ（本発明における冷却水の温度に対応）を検出する水温センサ２２が設けられており、この水温センサ２２で検出（出力）されたエンジン出口水温Ｔｗは、後述する制御装置４０（エンジンＥＣＵ４１）に入力される。

排気熱回収器３０は、図２に示すように、エンジン１０の排気管１１の途中部分に介在されて、エンジン１０の排気ガスと上記ヒータ回路２０Ａの冷却水との間で熱交換して冷却水を加熱する熱交換器であり、高耐食性を備えるステンレス材から形成されている。排気熱回収器３０は、流入側フランジ３１と流出側フランジ３２との間に挟まれる熱交換部３３を有し、ここでは第２パイプ３４によって形成される排気バイパス通路１１ｂと、排気バイパス弁３５とが一体的に形成されるようにしている。

流入側フランジ３１、流出側フランジ３２は、共に楕円状を成して排気管１１に接続される板部材であり、それぞれ長軸方向に並ぶように排気用穴３１ａ、３２ａ、およびバイパス用穴３１ｂ、３２ｂが設けられている。

熱交換部３３は、排気用穴３１ａ、３２ａ間に第１パイプ３３ａが接続され、内部に複数のチューブ３３ｃが配設されて形成されている。即ち、第１パイプ３３ａの長手方向両端側には区画板３３ｂが接合されており、各区画板３３ｂを貫通するように断面丸形状を成す複数のチューブ３３ｃが接合されている。上記排気用穴３１ａ、チューブ３３ｃ、排気用穴３２ａは順に連通し、排気熱回収通路１１ａを形成している。

そして、第１パイプ３３ａの両区画板３３ｂの間となる側壁には、内部空間３３ｆに連通する入口パイプ３３ｄ、出口パイプ３３ｅが接合されており、各パイプ３３ｄ、３３ｅはヒータ回路２０Ａに接続されている。ヒータ回路２０Ａの冷却水は、入口パイプ３３ｄ、第１パイプ３３ａの内部空間３３ｆ（チューブ３３ｃの外側部）、出口パイプ３３ｅの順に流通する。

バイパス用穴３１ｂ、３２ｂ間には第２パイプ３４が接続され、バイパス用穴３１ｂ、第２パイプ３４、バイパス用穴３２ｂは順に連通し、排気バイパス通路１１ｂを形成している。

また、流出側フランジ３２における熱交換部３３と第２パイプ３４との間には、回動軸３５ａを中心として排気用穴３２ａ側とバイパス用穴３２ｂ側との間を１８０度回動する排気バイパス弁（本発明における流量調整弁に対応）３５が設けられている。回動軸３５ａは、電動モータ３６に接続されており、排気バイパス弁３５は、この電動モータ３６によって回動されるようになっている。尚、電動モータ３６は後述する制御装置４０（エンジンＥＣＵ４１）によってその作動が制御されるようになっている。

図１に戻って、制御装置４０は、エンジンＥＣＵ４１とエアコンＥＣＵ４２とを備え、両ＥＣＵ４１、４２間において制御信号の授受が可能となっている。エンジンＥＣＵ４１は、水温センサ２２からのエンジン出口水温Ｔｗ信号、図示しないエンジン回転数センサからのエンジン回転数信号、スロットルバルブ開度信号等から算出されるエンジン負荷信号（エンジントルク）、エアコンＥＣＵ４２から得られる乗員が設定する目標室内温度Ｔａｔ（本発明における目標暖房温度に対応）信号、実際の室内温度Ｔａ（本発明における実暖房温度に対応）信号等に基づいて、且つ、図３に示す第１制御マップを用いて、電動モータ３６（排気バイパス弁３５の弁開度）の制御を行うようにしている。

第１制御マップは、エンジン回転数とエンジントルクとをエンジン１０の排気ガス流量に相関する物理量と捉えて、予め定めた閾値ライン（本発明における所定量に対応）よりもエンジン回転数およびエンジントルクが小さい領域において、エンジン排気熱を回収するように決定する、逆に閾値ラインよりもエンジン回転数およびエンジントルクが大きい領域では、エンジン排気熱を回収しないように決定するマップである。第１制御マップは、エンジンＥＣＵ４１に記憶されている。尚、排気管１１における排気抵抗は排気ガス流量が大きくなるに従って増加し、排気ガス流量はエンジン回転数およびエンジントルクが高くなる程、増加することから、上記閾値ラインは右肩下がりのラインとなっている。

そして、エンジン出口水温Ｔｗが低い程、閾値ラインは第１制御マップ上で大きくなる側（右上側）に設定されるようにしている。即ち、エンジン出口水温Ｔｗが低い程、排気熱を回収するエンジン回転数およびエンジントルクの条件範囲は広くなり、逆に冷却水温度が高くなるにつれて排気熱を回収するエンジン回転数およびエンジントルクの条件範囲は狭くなるようにしている。

次に、上記構成に基づく作動（制御装置４０の制御）について図４に示す第１フローチャートを用いて説明する。

エンジン１０が作動されると併せてウォータポンプ２３が作動され、冷却水はラジエータ回路２０Ｂ、ヒータ回路２０Ａを循環する。また、エンジン１０で燃焼された燃料の排気ガスは、排気管１１から排気熱回収器３０（以下説明する熱交換部３３の排気熱回収通路１１ａあるいは排気バイパス通路１１ｂ）を通り大気中に排出される。

制御装置４０は、まず、ステップＳ１００で、エンジン出口水温Ｔｗ（水温センサ２２）、エンジン回転数、エンジントルク、目標室内温度Ｔａｔ、室内温度Ｔａを読み込む。

そして、ステップＳ１１０で、予め定められた目標水温Ｔｗｔ（本発明における所定冷却水温度に対応するものであり、ここでは例えば９０℃の設定）に対して、エンジン出口水温Ｔｗが低いか否かを判定し、低いと判定した場合は、ステップＳ１２０で、図３で説明した第１制御マップを用いて、エンジン出口水温Ｔｗと、エンジン回転数と、エンジントルクとから排気熱回収の要否を判定する。例えば、エンジン１０の作動に伴ってエンジン出口水温Ｔｗが上昇して行き現時点で３０℃以下であるとすると、その時のエンジン回転数、エンジントルクが閾値ライン（この場合は図３中の上から２番目の閾値ライン）よりも小さい側（下側）の領域にあると、排気熱を回収すると判定して、フラグを１とする。逆に、エンジン回転数、エンジントルクが閾値ラインよりも大きい側（上側）の領域にあると、排気熱を回収しないと判定して、フラグを０とする。

そして、ステップＳ１３０で上記フラグを判定して、フラグ＝１の場合は、ステップＳ１４０で排気熱回収を実行する。即ち、制御装置４０は、排気熱回収器３０の電動モータ３６を作動させ、排気バイパス弁３５を回動させて排気バイパス通路１１ｂ（バイパス用穴３２ｂ）を閉じる（全閉する）。すると、エンジン１０からの排気ガスは、排気熱回収器３０の排気熱回収通路１１ａを流れ、この排気ガスによって内部空間３３ｆを流れる冷却水、即ち、ヒータ回路２０Ａを流通する冷却水が加熱されることになる。

一方、ステップＳ１１０で否、即ち、エンジン出口温度Ｔｗが目標水温Ｔｗｔより高いと判定すると、ステップＳ１５０で、ヒータ２１における暖房要求レベルΔＴの大小を判定する。即ち、ここでは暖房要求レベルΔＴは、目標室内温度Ｔａｔと室内温度Ｔａとの差（Ｔａｔ−Ｔａ）として定義されるものとしており、この暖房要求レベルΔＴと、予め定められた最大暖房要求レベルでの閾値温度ｔａ（例えば５℃）との比較によってその大小を判定する。更に詳述すると、暖房要求レベルΔＴが大きいと言うことは、室内温度Ｔａが目標室内温度Ｔａｔに対して低い状態にあり（両者の差が閾値温度ｔａより大きくなり）、ヒータ２１での加熱能力が更に必要とされる状態を意味する。逆に、暖房要求レベルΔＴが小さいと言うことは、室内温度Ｔａが目標室内温度Ｔａｔレベルに到達しており（両者の差が閾値温度ｔａより小さくなり）、ヒータ２１での加熱能力はこれ以上必要とされない状態を意味する。

そして、上記ステップ１５０で暖房要求レベルΔＴが大きいと判定されると、ステップ１２０に進み、フラグ判定が１であれば（ステップＳ１３０でＹＥＳの判定）、ステップＳ１４０で排気熱回収を実行する。

尚、上記ステップＳ１３０でフラグが０であると判定し、または、ステップＳ１５０で暖房要求レベルΔＴが小さいと判定すると、ステップＳ１６０で排気熱回収を停止する。排気熱回収の停止にあたっては、制御装置４０は、排気熱回収器３０の電動モータ３６を作動させ、排気バイパス弁３５を回動させて排気熱回収通路１１ａ（排気用穴３２ａ）を閉じる（全閉する）。すると、エンジン１０からの排気ガスは、排気熱回収器３０の排気バイパス通路１１ｂを流れ、熱交換部３３においては、冷却水は排気ガスとの熱交換なしに内部空間３３ｆを通過するのみとなり、通常のヒータ回路２０Ａにおける冷却水循環に等しい作動となる。

そして、制御装置４０は、ステップＳ１００に戻り、上記制御を繰返す。この繰返し制御の中で制御装置４０は、時々刻々と変化するエンジン出口温度Ｔｗｔ、エンジン回転数、エンジントルクに応じて、ステップＳ１２０、ステップＳ１３０で排気熱回収の要否を決定し、排気熱回収の実行、停止を繰返す。併せて、ステップＳ１５０で、その時々の暖房要求レベルΔＴの大小を加味することになる。

尚、エンジン出口水温Ｔｗが例えば５０℃以上のレベルに上昇すると、排気熱回収の要否を決定する閾値ラインは、図３中の一番下側のラインとなり、排気熱回収を実行するためのエンジン回転数、エンジントルクの条件範囲は小さくなる。即ち、エンジン出口水温Ｔｗが低い程、排気熱回収の実行領域は大きく得られるが、エンジン出口水温Ｔｗが高くなる程、排気熱回収の実行領域は小さくなる。

以上のように、本実施形態においては、エンジン出口水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔ以下の時に排気ガスを排気熱回収通路１１ａ側に流すことで排気熱を利用して冷却水を加熱できるので、ヒータ２１による暖房性能を向上させることができる。尚、エンジン１０の暖機時や夏季において、ヒータ２１の暖房能力が抑えられる時は、冷却水が積極的に加熱され、エンジン１０の暖機性能を向上できる。この時、エンジン回転数、エンジントルクがエンジン出口水温Ｔｗに応じた閾値ラインよりも大きい時は、排気ガスを排気バイパス通路１１ｂ側に流すことで排気抵抗を低減できるので、エンジン１０の燃費性能や排気エミッションが悪化するのを防止できる。

また、第１制御マップにおいて、閾値ラインはエンジン出口水温Ｔｗが低い程、大きくなる（右上側になる）ように設定しているので、エンジン出口水温Ｔｗが低温である程、排気ガスを排気熱回収通路１１ａ側に流す判定領域を大きくすることができ、低温状態の冷却水を積極的に加熱でき、ヒータ２１の暖房性能を向上させることができる。

また、上記排気熱回収制御において、暖房要求レベルΔＴを加味するようにしているので、ヒータ２１における熱需要を正確に把握でき、即効性の高い暖房性能が得られる。

尚、上記排気熱回収制御に用いる各種信号は、いずれも通常のエンジン制御および空調制御に使用されているものが流用可能であるので、新たにセンサ類を追加する必要がなく低コストで実現できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５に示す。図５は、第２実施形態における第２フローチャートを示すものである。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、ステップＳ１５０を廃止したものである。これに併せて、ステップＳ１００をステップＳ１０１に変更しており、このステップＳ１０１でエンジン出口水温Ｔｗ、エンジン回転数、エンジントルクを読み込むようにしている。

即ち、暖房要求レベルΔＴの判定については廃止したものとしても良く、これにより、本発明における基本的なエンジン出口水温Ｔｗに応じた冷却水の加熱によるヒータ２１の暖房性能向上と、エンジン回転数、エンジントルクに応じたエンジン１０の燃費性能や排気エミッションの悪化防止とが可能となる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図６〜図８に示す。図６は排気バイパス弁３５の弁開度Ｘを説明する断面図であり、図７は第２制御マップ、図８は第３フローチャートを示すものである。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、排気熱回収器３０の排気バイパス弁３５の弁開度Ｘを連続的に可変させるようにしたものである。

即ち、排気バイパス弁３５の弁開度Ｘは、図６に示すように、排気用穴３２ａ（排気熱回収通路１１ａ）を全閉状態とする０％から、排気用穴３２ａ（排気熱回収通路１１ａ）およびバイパス用穴３２ｂ（排気バイパス通路１１ｂ）を共に開く５０％を経て、バイパス用穴３２ｂ（排気バイパス通路１１ｂ）を全閉状態とする１００％まで、電動モータ３６によって連続的に可変可能となるようにしている。

そして、第２制御マップは、図７に示すように、エンジン出口水温Ｔｗ毎に設定され、各エンジン出口水温Ｔｗのマップにおいて、排気熱回収の要否を決定する閾値ライン（一番上側のライン）を含む上側の領域で弁開度Ｘを０％とし、閾値ラインよりも下側の領域で、エンジン回転数およびエンジントルクが小さくなる程、弁開度Ｘが順次大きくなる（１００％側になる）ように決定されるマップとしている。尚、エンジン出口水温Ｔｗが高くなる程、各マップにおける基本の閾値ラインは、エンジン回転数およびエンジントルクの小さくなる側に設定される（図３の第１制御マップに準ずる）。

そして、第３フローチャートは、図８に示すように、第１実施形態（図４）に対して、ステップＳ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１６０をそれぞれステップＳ１２１、Ｓ１３１、Ｓ１４１、ステップＳ１６１に変更している。

ステップＳ１２１では、制御装置４０は、上記第２制御マップに基づき排気バイパス弁３５の弁開度Ｘを決定し、ステップＳ１３１では、決定した弁開度Ｘが０％より大きいか否かを判定する。そして、ステップＳ１３１で弁開度Ｘが０％より大きいと判定した場合は、ステップＳ１４１で排気バイパス弁３５の弁開度を得られたＸ値に可変して、排気熱回収通路１１ａを流れる排気ガスによって冷却水の加熱を行う（排気熱回収の実行）。尚、ステップＳ１５０、ステップＳ１３１で否と判定すると、ステップＳ１６１で排気バイパス弁３５の弁開度を０％に可変して、排気ガスを排気バイパス通路１１ｂ側に流し、排気熱回収を停止する。

これにより、排気熱回収通路１１ａを流通する排気ガス流量をきめ細かく制御できるので、エンジン１０の運転状態に合わせて最適な排気熱の回収ができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図９、図１０に示す。図９は第１制御特性、図１０は第４フローチャートを示すものである。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、第１制御特性によって目標水温Ｔｗｔが暖房要求レベルΔＴに基づいて決定されるようにし、得られた目標水温Ｔｗｔを用いて排気熱回収の実行、停止を制御するようにしたものである。

即ち、図９に示すように、第１制御特性は、暖房要求レベルΔＴが大きくなる程、目標水温Ｔｗｔが高くなるように関係付けられたものとして作成されて、予めエンジンＥＣＵ４１に記憶されている。そして、第４フローチャートは、図１０示すように、第１実施形態で説明した第１フローチャート（図４）に対してステップＳ１０５を追加している。尚、ここでは第２実施形態の第２フローチャート（図５）と同様に、暖房要求レベルΔＴの大小を判定するステップＳ１５０は廃止している。

制御装置４０は、ステップＳ１００の後にステップＳ１０５で、目標室内温度Ｔａｔと室内温度Ｔａとの差から暖房要求レベルΔＴを算出すると共に、第１制御特性から目標水温Ｔｗｔを決定し、以下、ステップＳ１１０〜ステップＳ１６０を実行する。

これにより、暖房要求レベルΔＴが大きい程、目標水温Ｔｗｔが大きく設定されるので、エンジン出口水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔより低いと判定されて排気熱の回収が行われる領域が大きくなるので、ヒータ２１の暖房性能を重視した制御が可能となる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１１、図１２に示す。図１１は第５実施形態における排気熱回収装置１の全体構成を示す模式図であり、図１２は第５フローチャートを示すものである。第５実施形態は、上記第１実施形態に対して、ヒータ回路２０Ａにランキンサイクル５０を有するものにおいて、ランキンサイクル５０の作動の有無を加味して、排気熱回収の実行、停止を制御するようにしたものである。

ランキンサイクル５０は、図１１に示すように、ヒータ回路２０Ａを流通する冷却水によってサイクル内を循環する媒体を加熱する高温蒸発器５１と、高温蒸発器５１から流出される過熱蒸気媒体の膨張によって機械的エネルギーを回収する膨張機５２と、膨張機５２から流出される低温の蒸気媒体を凝縮液化するコンデンサ５３と、コンデンサ５３から流出される液媒体を昇圧して再び高温蒸発器５１に圧送する液ポンプ５４とが環状に接続されて形成されたものである。尚、液ポンプ５４は、エンジンＥＣＵ４１によってその作動が制御されるようになっている。また、膨張機５２には図示しない発電機が接続され、膨張機５２で得られた機械的エネルギー（回転駆動力）によって発電機が作動され、発電するようにしている。

第５フローチャートは、図１２に示すように、第１実施形態で説明した第１フローチャート（図４）に対して、ステップＳ１５５を追加したものとしている。

制御装置４０は、ステップＳ１１０でエンジン出口水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔより高いと判定した場合でも、ステップＳ１５０の否定判定の後に、ステップＳ１５５で上記ランキンサイクル５０が作動中か否か（液ポンプ５４を作動中か否か）を判定し、作動中であると判定すると、ステップＳ１２０へ進む。そして、ステップＳ１３０で肯定判定すれば、ステップＳ１４０で排気熱回収を実行する。尚、ステップＳ１３０、ステップＳ１５５で否と判定すれば、ステップＳ１６０で排気熱回収を停止する。

これにより、ランキンサイクル５０を備えるものにおいて、ランキンサイクル５０の熱需要を正確に把握できるので、ヒータ２１の暖房性能向上に加えて、ランキンサイクル５０の回収エネルギー向上も踏まえた制御が可能となる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１３、図１４に示す。図１３は第２制御特性、図１４は第６フローチャートを示すものである。第６実施形態は、上記第５実施形態に対して、第２制御特性によって目標水温Ｔｗｔが暖房要求レベルΔＴとランキンサイクル５０の作動有無に基づいて決定されるようにし、得られた目標水温Ｔｗｔを用いて排気熱回収の実行、停止を制御するようにしたものである。

即ち、図１３に示すように、第２制御特性は、暖房要求レベルΔＴが大きくなる程、目標水温Ｔｗｔが高くなるように関係付けられると共に、ランキンサイクル５０の停止時に対してランキンサイクル５０の作動時の方が更に目標水温Ｔｗｔが高くなるように関係付けられたものとして作成されて、予めエンジンＥＣＵ４１に記憶されている。

そして、第６フローチャートは、図１４示すように、第５実施形態で説明した第５フローチャート（図１２）に対してステップＳ１０６を追加している。尚、ここでは第５フローチャートに対して暖房要求レベルΔＴの大小を判定するステップＳ１５０、およびランキンサイクル５０の作動有無を判定するステップＳ１５５は廃止している。

制御装置４０は、ステップＳ１００の後にステップＳ１０６で、目標室内温度Ｔａｔと室内温度Ｔａとの差から暖房要求レベルΔＴを算出すると共に、ランキンサイクル５０の作動有無に応じて、第２制御特性から目標水温Ｔｗｔを決定し、以下、ステップＳ１１０〜ステップＳ１６０を実行する。

これにより、ランキンサイクル５０作動時において、エンジン出口水温Ｔｗが目標水温Ｔｗｔより低いと判定されて排気熱の回収が行われる確率が大きくなるので、ヒータ２１の暖房性能、およびランキンサイクル５０の回収エネルギー向上の両者を重視した制御が可能となる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、排気ガス流量に相関する物理量として、エンジン回転数、エンジントルクを用いたが、これに限らず、アクセル踏み込み量、スロットルバルブ開度、燃料噴射量等を用いても良い。更には、排気ガス流量を直接的に検出して、用いるようにしても良い。

また、排気熱回収器３０には排気バイパス通路１１ｂと排気バイパス弁３５とが一体的に形成されたものとして説明したが、これに限らず、別体のものとしても良い。

また、排気バイパス弁３５は、電動モータ３６を駆動源として作動され、弁開度が可変されるものとしたが、駆動源としてはこれに代えて、例えば吸気負圧を用いるものとしても良い。

本発明の第１実施形態における排気熱回収装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における排気熱回収器を示す外観図および断面図である。 本発明の第１実施形態における排気熱回収の要否を決定する第１制御マップである。 本発明の第１実施形態における制御装置が行う排気熱回収制御のための第１フローチャートである。 本発明の第２実施形態における制御装置が行う排気熱回収制御のための第２フローチャートである。 本発明の第３実施形態における排気バイパス弁の弁開度を説明する断面図である。 本発明の第３実施形態における排気熱回収時の弁開度を決定する第２制御マップである。 本発明の第３実施形態における制御装置が行う排気熱回収制御のための第３フローチャートである。 本発明の第４実施形態における目標水温Ｔｗｔを決定するための第１制御特性である。 本発明の第４実施形態における制御装置が行う排気熱回収制御のための第４フローチャートである。 本発明の第５実施形態における排気熱回収装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の第５実施形態における制御装置が行う排気熱回収制御のための第５フローチャートである。 本発明の第６実施形態における目標水温Ｔｗｔを決定するための第２制御特性である。 本発明の第６実施形態における制御装置が行う排気熱回収制御のための第６フローチャートである。

符号の説明

１ 排気熱回収装置
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 排気管
１１ａ 排気熱回収通路
１１ｂ 排気バイパス通路
２１ ヒータ（暖房器）
３０ 排気熱回収器
３５ 排気バイパス弁（流量調整弁）
４０ 制御装置
５０ ランキンサイクル

Claims (20)

1. 内燃機関（１０）の冷却水を加熱源とする暖房器（２１）と、
   排気熱回収通路（１１ａ）と、前記排気熱回収通路（１１ａ）をバイパスする排気バイパス通路（１１ｂ）とに分岐された前記内燃機関（１０）の排気管（１１）のうち、前記排気熱回収通路（１１ａ）に配設されて、排気熱を回収して前記冷却水を加熱する排気熱回収器（３０）と、
   前記排気熱回収通路（１１ａ）および前記排気バイパス通路（１１ｂ）を流通する排気ガスの流量割合を調整する流量調整弁（３５）と、
   前記流量調整弁（３５）の弁開度を制御する制御装置（４０）とを有する排気熱回収装置において、
   前記制御装置（４０）は、前記冷却水の温度と、前記内燃機関（１０）の運転状態から定まる排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量とに応じて、前記弁開度を可変することを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記制御装置（４０）は、前記冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）以下で、
   且つ、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下の時に、前記排気熱回収通路（１１ａ）側に前記排気ガスが流れるように前記弁開度を可変することを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記制御装置（４０）は、前記冷却水の温度（Ｔｗ）が低い程、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量の所定量を大きく設定することを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記制御装置（４０）は、前記暖房器（２１）における暖房要求レベル（ΔＴ）を加味して、前記弁開度を可変することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
5. 前記暖房要求レベル（ΔＴ）は、目標暖房温度（Ｔａｔ）と実暖房温度（Ｔａ）との差によって定義され、
   前記制御装置（４０）は、前記冷却水の温度（Ｔｗ）が前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を超える場合であっても、前記暖房要求レベル（ΔＴ）が予め定められた閾値温度（ｔａ）より大きい時は、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下であれば、前記排気熱回収通路（１１ａ）側に前記排気ガスが流れるように前記弁開度を可変することを特徴とする請求項４に記載の排気熱回収装置。
6. 前記制御装置（４０）は、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が小さい程、前記弁開度（Ｘ）を大きく設定することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
7. 前記制御装置（４０）は、前記暖房器（２１）における暖房要求レベル（ΔＴ）が大きい程、前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を大きく設定することを特徴とする請求項２〜請求項６のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
8. 前記冷却水によって媒体を加熱して、加熱媒体を膨張させて機械的エネルギーを回収するランキンサイクル（５０）を備え、
   前記制御装置（４０）は、前記ランキンサイクル（５０）の作動有無を加味して、前記弁開度を可変することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
9. 前記制御装置（４０）は、前記冷却水の温度（Ｔｗ）が前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を超える場合であっても、前記ランキンサイクル（５０）が作動している時は、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が前記所定量以下であれば、前記排気熱回収通路（１１ａ）側に前記排気ガスが流れるように前記弁開度を可変することを特徴とする請求項８に記載の排気熱回収装置。
10. 前記制御装置（４０）は、前記ランキンサイクル（５０）停止時に対して、前記ランキンサイクル（５０）作動時の方が前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を大きく設定することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の排気熱回収装置。
11. 内燃機関（１０）の冷却水を加熱源とする暖房器（２１）と、
    排気熱回収通路（１１ａ）と、前記排気熱回収通路（１１ａ）をバイパスする排気バイパス通路（１１ｂ）とに分岐された前記内燃機関（１０）の排気管（１１）のうち、前記排気熱回収通路（１１ａ）に配設されて、排気熱を回収して前記冷却水を加熱する排気熱回収器（３０）とを有する排気熱回収装置の制御方法であって、
    前記冷却水の温度と、前記内燃機関（１０）の運転状態から定まる排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量とに応じて、前記排気熱回収通路（１１ａ）および前記排気バイパス通路（１１ｂ）を流通する排気ガスの流量割合を可変することを特徴とする排気熱回収装置の制御方法。
12. 前記冷却水の温度（Ｔｗ）が所定冷却水温度（Ｔｗｔ）以下で、
    且つ、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下の時に、前記排気熱回収通路（１１ａ）側に前記排気ガスが流れるように前記排気ガスの流量割合を可変することを特徴とする請求項１１に記載の排気熱回収装置の制御方法。
13. 前記冷却水の温度（Ｔｗ）が低い程、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量の所定量を大きく設定することを特徴とする請求項１２に記載の排気熱回収装置の制御方法。
14. 前記暖房器（２１）における暖房要求レベル（ΔＴ）を加味して、前記排気ガスの流量割合を可変することを特徴とする請求項１１〜請求項１３のいずれか１つに記載の排気熱回収装置の制御方法。
15. 目標暖房温度（Ｔａｔ）と実暖房温度（Ｔａ）との差によって前記暖房要求レベル（ΔＴ）を定義し、
    前記冷却水の温度（Ｔｗ）が前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を超える場合であっても、前記前記暖房要求レベル（ΔＴ）が予め定められた閾値温度（ｔａ）より大きい時は、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が所定量以下であれば、前記排気熱回収通路（１１ａ）側に前記排気ガスが流れるように前記排気ガスの流量割合を可変することを特徴とする請求項１４に記載の排気熱回収装置の制御装置。
16. 前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が小さい程、前記排気熱回収通路（１１ａ）側への前記排気ガスの流量割合を大きく設定することを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか１つに記載の排気熱回収装置の制御方法。
17. 前記暖房器（２１）における暖房要求レベル（ΔＴ）が大きい程、前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を大きく設定することを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれか１つに記載の排気熱回収装置の制御方法。
18. 前記冷却水によって媒体を加熱して、加熱媒体を膨張させて機械的エネルギーを回収するランキンサイクル（５０）を備え、
    前記ランキンサイクル（５０）の作動有無を加味して、前記排気ガスの流量割合を可変することを特徴とする請求項１１〜請求項１７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置の制御方法。
19. 前記冷却水の温度（Ｔｗ）が前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を超える場合であっても、前記ランキンサイクル（５０）が作動している時は、前記排気ガス流量あるいはそれに相関する物理量が前記所定量以下であれば、前記排気熱回収通路（１１ａ）側に前記排気ガスが流れるように前記排気ガスの流量割合を可変することを特徴とする請求項１８に記載の排気熱回収装置の制御方法。
20. 前記ランキンサイクル（５０）停止時に対して、前記ランキンサイクル（５０）作動時の方が前記所定冷却水温度（Ｔｗｔ）を大きく設定することを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の排気熱回収装置の制御方法。

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