JP2007046469A - Exhaust heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば車両用内燃機関の排気ガスの排熱を回収して、内燃機関の冷却水加熱に適用して好適な排熱回収装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust heat recovery apparatus suitable for recovering exhaust heat of exhaust gas from, for example, a vehicle internal combustion engine and applying it to cooling water heating of the internal combustion engine.
従来、例えば特許文献1に示されるように、エンジンの排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収するためのヒートサイホン式排熱回収装置が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as shown in Patent Document 1, for example, a heat siphon type exhaust heat recovery device for recovering heat of engine exhaust gas to engine cooling water is known.
ここでは、ヒートサイホン式排熱回収装置の蒸発器をエンジンの排気管に、凝縮器を冷却水側に配置すると共に、凝縮器の凝縮水の出口側通路に、エンジン水温に応じて制御装置によって開閉される開閉弁を配置している。そして制御装置は、水温が所定温度よりも高くなると、この開閉弁を閉じて内部の熱媒体の還流を停止して排熱回収を中止し、また、水温が所定温度よりも低くなるとこの開閉弁を開いて内部の熱媒体を還流させ排熱回収を再始動する構成としている。
しかしながら、一旦、水温の上昇を感知して開閉弁を閉じ熱媒体の還流を停止すると、蒸発部では熱媒体の蒸発は継続されるために熱媒体のほとんどすべてが凝縮器内で凝縮水の状態で留まり、蒸発部側は高圧の過熱蒸気で充満する。 However, once the rise in water temperature is sensed and the on-off valve is closed to stop the circulation of the heat medium, the heat medium continues to evaporate in the evaporator, so almost all of the heat medium is in the state of condensed water in the condenser. The evaporation section side is filled with high-pressure superheated steam.
すなわち、蒸発部は高圧に、また凝縮部は低圧の状態で保たれることになる。このような状態から水温の低下を感知して再び開閉弁を開いても蒸発部と凝縮部との圧力差が重力に打ち勝って凝縮水が還流できず排熱回収が再始動しない場合が生じる。 That is, the evaporator is kept at a high pressure and the condenser is kept at a low pressure. Even if the water temperature drop is detected from such a state and the on-off valve is opened again, the pressure difference between the evaporation unit and the condensing unit overcomes gravity and the condensed water cannot be recirculated and the exhaust heat recovery does not restart.
本発明の目的は、上記問題に鑑み、排熱回収停止後に再始動する際、蒸発部と凝縮部との圧力差を解消して確実に再始動可能とする排熱回収装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an exhaust heat recovery device that eliminates the pressure difference between the evaporation section and the condensation section and can be restarted reliably when restarting after stopping exhaust heat recovery. is there.
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。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、蒸発部(110A)が内燃機関(10)の排気ガス流通用の排気管(11)に配設され、凝縮部(110B)が内燃機関(10)の冷却水流通用の冷却水流路(30)に配設されると共に、蒸発部(110A)への加熱量増加、または凝縮部(110B)へ流入する内燃機関(10)の冷却水の温度に応じて、凝縮部(110B)への熱輸送量が規制される熱スイッチ機能を備えるヒートパイプ(110)を有し、このヒートパイプ(110)によって排気ガスの排熱を冷却水へ輸送する排熱回収装置において、冷却水流路(30)を閉じることで凝縮部(110B)への冷却水の流れを停止させるバルブ(31)と、このバルブ(31)の開閉を制御する制御手段(102)とを設け、制御手段(102)は、排気ガスの排熱を冷却水へ輸送させたい場合に、バルブ(31)を閉じることを特徴としている。 In the first aspect of the present invention, the evaporation section (110A) is disposed in the exhaust pipe (11) for exhaust gas flow of the internal combustion engine (10), and the condensing section (110B) is a cooling water flow of the internal combustion engine (10). Condensed in accordance with the temperature of the cooling water of the internal combustion engine (10) flowing into the condensing unit (110B) while increasing the heating amount to the evaporating unit (110A) or being disposed in the common cooling water flow path (30) In the exhaust heat recovery apparatus, which has a heat pipe (110) having a heat switch function that regulates the amount of heat transported to the section (110B), and transports exhaust heat of exhaust gas to cooling water by the heat pipe (110) A valve (31) for stopping the flow of the cooling water to the condensing part (110B) by closing the cooling water flow path (30), and a control means (102) for controlling opening and closing of the valve (31), The control means (102) When it is desired to transport the waste heat of the gas-gas to the cooling water, it is characterized by closing the valve (31).
これにより、凝縮部(110B)に冷却水が流通しなくなるので、凝縮部(110B)から冷却水への熱伝達を低下させて、凝縮部(110B)に滞留する凝縮作動媒体の温度上昇と共に、凝縮部(110B)における内部圧力を上昇させることができる。よって、蒸発部(110A)と凝縮部(110B)との圧力差を小さくして、凝縮部(110B)に滞留する凝縮作動媒体を蒸発部(110A)に還流させることができるので、ヒートパイプ(110)による排気ガスから冷却水への排熱回収を確実に再始動させることができる。 Thereby, since the cooling water does not flow to the condensing part (110B), the heat transfer from the condensing part (110B) to the cooling water is reduced, and the temperature of the condensing working medium staying in the condensing part (110B) is increased. The internal pressure in the condensing unit (110B) can be increased. Therefore, the pressure difference between the evaporation section (110A) and the condensation section (110B) can be reduced, and the condensed working medium staying in the condensation section (110B) can be returned to the evaporation section (110A). 110), the exhaust heat recovery from the exhaust gas to the cooling water can be reliably restarted.
請求項2に記載の発明では、制御装置(102)は、熱スイッチ機能による熱輸送量の規制状態を、凝縮部(110B)における冷却水の出入口温度差(Tw2−Tw1)によって判定することを特徴としている。 In invention of Claim 2, a control apparatus (102) determines that the control state of the amount of heat transport by a heat switch function is judged by the inlet-outlet temperature difference (Tw2-Tw1) of the cooling water in a condensation part (110B). It is a feature.
これにより、冷却水への熱輸送量の大小は、冷却水の出入口温度差(Tw2−Tw1)に相関することから、この出入口温度差(Tw2−Tw1)を用いることで、容易且つ確実に熱輸送量の規制状態を把握することができる。 As a result, the amount of heat transported to the cooling water correlates with the cooling water inlet / outlet temperature difference (Tw2−Tw1). By using this inlet / outlet temperature difference (Tw2−Tw1), heat can be easily and reliably obtained. It is possible to grasp the regulated state of the transportation amount.
請求項3に記載の発明では、バルブ(31)には、微小穴(31b)が設けられており、バルブ(31)が閉じられた時に、微小穴(31b)によって冷却水が冷却水流路(30)を微量に流通するようにしたことを特徴としている。 In the invention according to claim 3, the valve (31) is provided with a minute hole (31b), and when the valve (31) is closed, the cooling water flows into the cooling water flow path (31b) through the minute hole (31b). 30) is distributed in a minute amount.
これにより、バルブ(31)を閉じた状態においても冷却水流路(30)における冷却水の流れが確保できるので、請求項2に記載の発明における出入口温度差(Tw2−Tw1)を正確に把握することができる。尚、微小穴(31b)によって流通する冷却水は微量となるようにしているので、基本的に請求項1に記載の発明における凝縮部(110B)の内部圧力上昇の効果を妨げることは無い。 Thereby, since the flow of the cooling water in the cooling water flow path (30) can be ensured even when the valve (31) is closed, the inlet / outlet temperature difference (Tw2-Tw1) in the invention according to claim 2 can be accurately grasped. be able to. In addition, since the cooling water which distribute | circulates by the micro hole (31b) is made into a trace amount, the effect of the internal pressure rise of the condensation part (110B) in the invention of Claim 1 is not prevented fundamentally.
請求項2に記載の発明に対して、請求項4に記載の発明のように、制御装置(102)は、熱スイッチ機能による熱輸送量の規制状態を、蒸発部(110A)における排気ガスの出入口ガス温度差、あるいはヒートパイプ(110)における蒸発部(110A)と凝縮部(110B)との表面温度差によって判定するようにしても良い。 In contrast to the invention according to claim 2, as in the invention according to claim 4, the control device (102) determines the state of regulation of the amount of heat transport by the heat switch function of the exhaust gas in the evaporation section (110A). The determination may be made based on the difference in the inlet / outlet gas temperature or the surface temperature difference between the evaporator (110A) and the condenser (110B) in the heat pipe (110).
これにより、容易且つ確実に熱輸送量の規制状態を判定することができる。 Thereby, the regulated state of the amount of heat transport can be determined easily and reliably.
請求項5に記載の発明では、制御手段(102)は、排気ガスの排熱量が所定熱量よりも小さい時に、バルブ(31)を閉じることを特徴としている。 The invention according to claim 5 is characterized in that the control means (102) closes the valve (31) when the exhaust heat quantity of the exhaust gas is smaller than a predetermined heat quantity.
これにより、排気ガスの排熱量が高い場合では、バルブ(31)を閉じた時にヒートパイプ(110)の内部圧力が急激に上昇して、ヒートパイプ(110)の破損に至るおそれが考えられるが、ここでは、そのような不具合を回避することができる。 Thereby, when the exhaust heat amount of the exhaust gas is high, the internal pressure of the heat pipe (110) suddenly increases when the valve (31) is closed, and the heat pipe (110) may be damaged. Here, such a problem can be avoided.
上記請求項5に記載の発明において、請求項6に記載の発明のように、制御手段(102)は、排気ガスの排熱量を排気ガスの温度(Tg1)、または内燃機関(10)の回転数から把握することができる。 In the invention according to claim 5, as in the invention according to claim 6, the control means (102) sets the exhaust heat amount of exhaust gas to the exhaust gas temperature (Tg 1) or the rotation of the internal combustion engine (10). It can be grasped from the number.
また、請求項5に記載の発明に対して、請求項7に記載の発明のように、制御手段(102)は、ヒートパイプ(110)内の圧力が所定圧力よりも低い時に、バルブ(31)を閉じるようにしても良く、同様にヒートパイプ(110)の破損防止ができる。 Further, in contrast to the invention described in claim 5, as in the invention described in claim 7, the control means (102) is configured such that when the pressure in the heat pipe (110) is lower than a predetermined pressure, the valve (31 ) May be closed, and the heat pipe (110) can be similarly prevented from being damaged.
請求項8に記載の発明では、蒸発部(110A)がハイブリッド車両用の内燃機関(10)の排気ガス流通用の排気管(11)に配設され、凝縮部(110B)が内燃機関(10)の冷却水流通用の冷却水流路(30)に配設されると共に、蒸発部(110A)への加熱量増加、または凝縮部(110B)へ流入する内燃機関(10)の冷却水の温度に応じて、凝縮部(110B)への熱輸送量が規制される熱スイッチ機能を備えるヒートパイプ(110)を有し、このヒートパイプ(110)によって排気ガスの排熱を冷却水へ輸送する排熱回収装置において、熱スイッチ機能によって熱輸送量が規制された後に、再び排気ガスの排熱を冷却水へ輸送させたい場合に、内燃機関(10)を停止させる制御手段(102A)を設けたことを特徴としている。 In the invention according to claim 8, the evaporation section (110A) is disposed in the exhaust pipe (11) for circulating the exhaust gas of the internal combustion engine (10) for the hybrid vehicle, and the condensing section (110B) is the internal combustion engine (10). ) In the cooling water flow path (30) for circulating the cooling water, the heating amount to the evaporation section (110A) is increased, or the cooling water temperature of the internal combustion engine (10) flowing into the condensation section (110B) Accordingly, it has a heat pipe (110) having a heat switch function in which the amount of heat transport to the condensing unit (110B) is regulated, and the heat pipe (110) is used to transport the exhaust heat of the exhaust gas to the cooling water. In the heat recovery device, when the amount of heat transport is regulated by the heat switch function, control means (102A) for stopping the internal combustion engine (10) is provided when it is desired to transport the exhaust gas exhaust heat to the cooling water again. Specially It is set to.
これにより、内燃機関(10)の停止と共に、排気ガスは蒸発部(110A)に入らなくなるので、ヒートパイプ(110)の蒸発部(110A)の温度を急速に低下させることができる。よって、蒸発部(110A)と凝縮部(110B)との圧力差をなくすことができ、凝縮部(110B)に滞留していた凝縮作動媒体を蒸発部(110A)に還流させて、ヒートパイプ(110)による排気ガスから冷却水への排熱回収を確実に再始動させることができる。 As a result, the exhaust gas does not enter the evaporation section (110A) when the internal combustion engine (10) is stopped, so that the temperature of the evaporation section (110A) of the heat pipe (110) can be rapidly reduced. Therefore, the pressure difference between the evaporation section (110A) and the condensation section (110B) can be eliminated, and the condensed working medium staying in the condensation section (110B) is returned to the evaporation section (110A), and the heat pipe ( 110), the exhaust heat recovery from the exhaust gas to the cooling water can be reliably restarted.
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。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態における排熱回収装置100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。排熱回収装置100は、エンジン10の排気管11および冷却水流路30に配設される排熱回収器101、制御装置102、バルブ31、各種センサ13、25、32、33等から形成されている。以下、具体的な構成について図1〜図4を用いて説明する。
(First embodiment)
The exhaust
尚、図1は排熱回収装置100の車両への搭載状態を示す模式図、図2はバルブ31を示す断面図、図3は排熱回収器101を示す側面図、図4は図3のA−A部を示す断面図である。
1 is a schematic diagram showing a state in which the exhaust
図1に示すように、エンジン10は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気ガスが排出される排気管11を有している。排気管11には排気ガスを浄化する触媒コンバータ12が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
また、エンジン10は、エンジン10冷却用のエンジン冷却水(以下、冷却水)が循環するラジエータ回路20と、このラジエータ回路20とは別の流路として冷却水が循環する冷却水流路30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40とを有している。
The
ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられており、ラジエータ21は、ウォータポンプ22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。ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24によってラジエータ21を流通する冷却水量とバイパス流路23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流路23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21による冷却水の過冷却が防止される。そして、バイパス流路23には、水温センサ25が設けられている。水温センサ25は、エンジン10から流出される冷却水の温度(以下、エンジン出口水温Tw)を検出するセンサであり、検出された温度信号は、後述する制御装置102に入力されるようになっている。
The
冷却水流路30は、ラジエータ回路20のエンジン出口部から分岐して、ウォータポンプ22に接続される流路であり、ウォータポンプ22によって冷却水が循環されるようになっている。冷却水流路30の途中には後述する排熱回収器101の水タンク140(凝縮部110B)が接続されている。そして、この水タンク140の上流側には、冷却水流路30を開閉するバルブ31が設けられている。
The
バルブ31は、ここでは回動式のものとしており、図2に示すように、バルブ31には冷却水流通用流路としての流通部31aが形成され、更にこの流通部31aにほぼ直交するように微小穴31bが形成されている。バルブ31の回動(流路の開閉)は、後述する制御装置102によって制御されるようになっており、図2(a)の位置にバルブ31が回動されると、冷却水流路30と流通部31aとが連通して、開弁状態が形成され、冷却水が流通する。また、図2(b)の位置にバルブ31が回動されると、バルブ31によって冷却水流路30が閉じられて、閉弁状態が形成され、基本的には冷却水の流通が停止される。ただし、冷却水流路30と微小穴31bとが連通するために、微量の冷却水の流れ(例えば、2L/min程度)が許容されるようになっている。
The
図1に戻って、冷却水流路30においては、水タンク140に近接する上流側に水温センサ32が設けられ、水タンク140に近接する下流側に水温センサ33が設けられている。水温センサ32は水タンク140内に流入する冷却水の温度(以下、入口水温Tw1)を検出するセンサであり、検出された温度信号は、後述する制御装置102に入力されるようになっている。同様に、水温センサ33は水タンク140から流出される冷却水の温度(以下、出口水温Tw2)を検出するセンサであり、検出された温度信号は、後述する制御装置102に入力されるようになっている。
Returning to FIG. 1, in the cooling
尚、ヒータ回路40は、ラジエータ回路20のエンジン出口部とは異なる部位から冷却水(温水)が流出して、冷却水流路30の下流側に合流する回路としている。このヒータ回路40には、暖房用熱交換器としてのヒータコア41が設けられており、上記のウォータポンプ22によって冷却水(温水)が循環されるようにしている。ヒータコア41は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機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。
The
排熱回収器101は、図3、図4に示すように、複数(ここでは3つ)のヒートパイプ110の外部にフィン120が設けられて、ヒートパイプ110の一端側(蒸発部110A)が排気管部130内に配設され、他端側(凝縮部110B)が水タンク140内に配設されて形成されている。排熱回収器101を構成する各部材(以下説明)は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各部材が組み付けされた後に、当接部や嵌合部に設けられたろう材により、一体的にろう付けされている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the exhaust
ヒートパイプ110は、コンテナ111内にオリフィス112が設けられて、コンテナ111の内部に作動媒体が封入されて形成されている。コンテナ111は、まっすぐな円管から成り、その長手方向が上下方向を向く姿勢で使用される。オリフィス112は、コンテナ111内の流路断面積を縮小する絞り部であり、コンテナ111内の内壁面111aから中心側に向けて肉部が張出して、中心部に円形の穴部112aを形成している。
The
各ヒートパイプ110には図示しない封入部が設けられており、この封入部からヒートパイプ110内が真空引き(減圧)され、作動媒体が封入された後に封入部は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。水の沸点は、通常(1気圧で)100℃であるが、チューブ110内を減圧(例えば0.01気圧)しているため、沸点は、5〜10℃となる。尚、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いても良い。
Each
上記構成によるヒートパイプ110は、下側に蒸発部110A、上側に凝縮部110B、両者110A、110Bの間に断熱部110Cを形成して、ボトムヒート型として機能するようになっている。
The
そして、ヒートパイプ110は複数配列されて、各ヒートパイプ110の蒸発部110Aおよび凝縮部110Bに対応する部位の外壁面には、薄肉板材から形成されたプレートタイプのフィン120が接合されている。更に、各ヒートパイプ110の蒸発部110Aは、断面四角形のダクトを成す排気管部130内に配設され、また、凝縮部110Bは、直方体容器を成す水タンク140内に配設されている。尚、水タンク140には互いに対向して、水タンク140内に連通する入口パイプ141、出口パイプ142が接合されている。
A plurality of
以上のように排熱回収器101は形成されており、排気管部130が触媒コンバータ12の下流側となる排気管11に介在され、また、水タンク140の両パイプ141、142が冷却水流路30に接続されている(図1)。
As described above, the exhaust
制御手段としての制御装置102は、図1に示すように、マイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、予め設定されたプログラムに従って排気温センサ13、水温センサ25、32、33からの各種温度信号に対する演算処理を行うと共に、バルブ31の開閉制御を行う。
As shown in FIG. 1, the
次に、上記構成に基づく排熱回収装置100の作動について説明する。
Next, the operation of the exhaust
エンジン10が作動されると併せてウォータポンプ22が作動され、冷却水はラジエータ回路20、冷却水流路30、ヒータ回路40を循環する。制御装置102は、通常はバルブ31を開弁状態に制御する。エンジン10で燃焼された燃料の排気ガスは、触媒コンバータ12を経て排気管11を流れ、排熱回収器101の排気管部130内(蒸発部110Aの外部)を通過して大気中に排出される。また、冷却水流路30を循環する冷却水は、排熱回収器101の水タンク140内(凝縮部110Bの外部)を通過する。
When the
排熱回収器101において、エンジン10が低負荷〜中負荷状態(排気ガスの排熱量が低〜中状態)にある時に、まず、ヒートパイプ110内の水(作動媒体)は、蒸発部110Aで、排気管11を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し始めて、蒸気となってヒートパイプ110内を上昇し、オリフィス112を経て凝縮部110B内に流れ込む。凝縮部110B内へ流入した蒸気は、冷却水流路30を流れる冷却水によって冷却され、内壁面111aで凝縮水となって重力によって下降し、オリフィス112を経て蒸発部110Aに還流する。
In the exhaust
更に、蒸発部110Aでの蒸発が進行すると、蒸発部110Aからの上向きの蒸気流速が増大し、この蒸気流速によって、凝縮部110Bから下降して蒸発部110Aに還流しようとする凝縮水は跳ね上げられ、凝縮水の還流量が一定となり(飛散限界)、輸送しうる熱量は限界熱輸送量(最大熱輸送量)として定まる。
Further, when the evaporation in the
このように、排気ガスの熱が水に伝達されて蒸発部110Aから凝縮部110Bへ輸送され、この凝縮部110Bで蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、冷却水流路30を流れる冷却水が加熱される。尚、排気ガスの熱はヒートパイプ110の外壁面を介して熱伝導によって蒸発部110Aから凝縮部110Bに移動される分も存在する。
In this way, the heat of the exhaust gas is transferred to the water and transported from the
そして、エンジン10の負荷に応じて増加する排気ガス温度に伴って、エンジン10の所定負荷(排気ガスの所定排熱量)までは蒸発部110Aから凝縮部110Bに輸送される熱量、即ち冷却水への伝熱量が順次増加する(ヒートパイプ110による排熱回収の実行)。
As the exhaust gas temperature increases with the load on the
このように、外気温が比較的低い時にエンジン10を始動した場合、ヒートパイプ110による排熱回収が実行され、積極的に冷却水が加熱され、エンジン10の暖機が促進されることになるので、エンジン10のフリクションロスの低減、低温始動性向上のための燃料増量の抑制等が図られ燃費性能が向上される。また、冷却水を加熱源とするヒータコア41の暖房性能が向上される。
Thus, when the
一方、エンジン10が高負荷状態(排気ガスの排熱量が高状態)に移行し、エンジン10の負荷が所定負荷より増加し、排気ガス温度が更に高くなっていくと、蒸発部110Aにおいては核沸騰が生じ、蒸発部110Aの内壁面111aに沸騰膜が形成される。すると、蒸発部110Aの熱抵抗が増加し、排気ガスからの熱が蒸発部110Aに伝達されにくくなり、排気ガス温度の上昇と共に限界熱輸送量が一気に低下する。
On the other hand, when the
更には、蒸発部110A内の水は完全に蒸発され、また、上向きの蒸気流速によって、凝縮部110Bで凝縮された凝縮水の下降が阻止されて、凝縮水は凝縮部110Bの内壁面111aで保持されたままとなる(ドライアウト)。そして、水の蒸発、凝縮による熱輸送が停止され、冷却水側に伝達される熱量がヒートパイプ110を介した熱伝導のみとなる(ヒートパイプ110による排熱回収の停止であり、本発明における熱スイッチ機能による熱輸送量の規制に対応)。
Furthermore, the water in the
よって、エンジン10の負荷増加に伴い排気ガス温度が高くなる中で、排熱回収をそのまま続けると、冷却水温度が上昇しすぎて、ラジエータ20での放熱能力を超え、オーバーヒートに至ってしまうところを、排熱回収停止への切替えにより、その不具合が防止されることになる。
Therefore, if the exhaust gas temperature becomes higher as the load of the
ここで、上記「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、排熱回収を停止した場合、蒸発部110A内の水はそのほとんどが蒸発して高圧の過熱蒸気となり凝縮部110Bには凝縮水が滞留してしまう。このようにして蒸発部110Aと凝縮部110Bには圧力差が生じるため(蒸発部110A内圧力>凝縮部110B内圧力)、一旦、排熱回収が停止されるとエンジン10が低負荷状態に戻って再度排熱回収を実行しようとしても、上記の圧力差は簡単に解消されず、蒸発部110Aと凝縮部110Bとの圧力差が重力に打ち勝って凝縮水が凝縮部110Bから蒸発部110Aに還流できず、排熱回収が再始動できないという不具合が生じる。
Here, as described in the above section “Problem to be Solved by the Invention”, when the exhaust heat recovery is stopped, most of the water in the
そこで、本実施形態では、排熱回収を確実に再始動させるために、制御装置102は、図5に示す制御フローチャートに基づくバルブ31の開閉制御を行う。
Therefore, in the present embodiment, the
即ち、まず、ステップS100でエンジン10のスタートと共に、予め定めた各閾値To1、To2、Tgoを読込む。ここで、閾値To1は、排熱回収実行の要否を判定するもので、エンジン出口水温Twに対して設定された水温閾値(例えば、80℃)としている。また、閾値To2は、排熱回収停止状態を判定するもので、出口水温Tw2と入口水温Tw1との差(冷却水の出入口温度差Tw2−Tw1)に対して設定された水温差閾値(例えば、2℃)としている。更に、閾値Tgoは、バルブ31の閉弁状態への切替え可否を判定するもので、排気ガスの排熱量をその温度から捉えるようにして、排気ガス温度Tg1に対して設定された排気ガス温閾値(例えば、400℃)としている。
That is, first, the predetermined threshold values To1, To2, and Tgo are read together with the start of the
続いて、ステップS110でバルブ31を開弁状態とし、ステップS120で水温センサ25からエンジン出口水温Twを、水温センサ32から入口水温Tw1を、水温センサ33から出口水温Tw2を、排気温センサ13から排気ガス温度Tg1をそれぞれ読込む。
Subsequently, the
そして、ステップS130でエンジン出口水温Twと水温閾値To1とを比較して、エンジン出口水温Twが水温閾値To1より低い場合(肯定判定の場合)は、ステップS140に進み、エンジン出口水温Twが水温閾値To1より高い場合(否定判定の場合)は、ステップS180に進む。ここで、肯定判定の場合はエンジン出口水温Twが低く排熱回収を実行すべきエンジン状態であり、逆に否定判定の場合はエンジン出口水温Twが充分に高く排熱回収を中止すべき状態であることを意味する。 In step S130, the engine outlet water temperature Tw is compared with the water temperature threshold value To1, and if the engine outlet water temperature Tw is lower than the water temperature threshold value To1 (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step S140, and the engine outlet water temperature Tw is the water temperature threshold value. When higher than To1 (in the case of negative determination), the process proceeds to step S180. Here, if the determination is affirmative, the engine outlet water temperature Tw is low and the exhaust heat recovery should be performed. Conversely, if the determination is negative, the engine outlet water temperature Tw is sufficiently high and exhaust heat recovery should be stopped. It means that there is.
ステップ140では、水タンク140(凝縮部110B)における冷却水の出入口温度差Tw2−Tw1と、水温差閾値To2とを比較し、出入口温度差Tw2−Tw1が水温閾値To2に比べて低い場合(肯定判定の場合)はステップS150に進み、出入口温度差Tw2−Tw1が水温閾値To2に比べて高い場合(否定判定の場合)はステップS180に進む。ここで、肯定判定の場合は凝縮部110Bから冷却水への放熱が無く、排熱回収が停止状態にあり、逆に否定判定の場合は冷却水への放熱があり排熱回収が実行されていることを意味する。
In
ステップS150では、排気ガス温度Tg1と、排気ガス温閾値Tgoとを比較し、排気ガス温度Tg1が排気ガス温閾値Tgoに比べて低い場合(肯定判定の場合)は、ステップS160に進み、排気ガス温度Tg1が排気ガス温閾値Tgoに比べて高い場合(否定判定の場合)はステップS180に進む。ここで、肯定判定の場合は、排気ガスの熱量は充分小さく、バルブ31を閉じてもヒートパイプ110内の圧力は急上昇せずにヒートパイプ110の破損の心配が無い場合であり、逆に否定判定の場合はバルブ31を閉じることで(冷却水の流れを止めることで)ヒートパイプ110内の圧力が急上昇してヒートパイプ110が破損する可能性がある場合を意味する。
In step S150, the exhaust gas temperature Tg1 is compared with the exhaust gas temperature threshold Tgo. If the exhaust gas temperature Tg1 is lower than the exhaust gas temperature threshold Tgo (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step S160. When the temperature Tg1 is higher than the exhaust gas temperature threshold Tgo (in the case of negative determination), the process proceeds to step S180. Here, in the case of an affirmative determination, the amount of heat of the exhaust gas is sufficiently small, and even if the
そして、ステップS160で、今現在のバルブ31が開弁状態にあるか否かを判定し、開弁状態であるとステップS170でバルブ31を閉じ、閉弁状態であるとそのまま閉弁状態を維持して共にステップS120に戻る。
In step S160, it is determined whether or not the
一方、ステップS130〜ステップS150で共に否と判定した後のステップ180では、今現在のバルブ31が開弁状態にあるか否かを判定し、開弁状態であるとそのまま開弁状態を維持して、閉弁状態であるとステップS190でバルブ31を開弁状態にして、共にステップS120に戻る。
On the other hand, in
以上の制御において、ステップS130〜ステップS160で共に肯定判定をして、ステップS170でバルブ31を閉じる場合は、排熱回収が停止された後に、排熱回収を実行すべき条件に戻り、且つ、排気ガスの排熱量が小さい場合である。ここでバルブ31を閉じると、凝縮部110Bから冷却水流路30の冷却水への熱伝達を低下させ、熱交換性能を低下させて、凝縮部110Bに滞留していた凝縮水の温度上昇と共に凝縮部110B内の圧力を上昇させることができる。よって、蒸発部110Aと凝縮部110Bとの圧力差を小さくすることができ、凝縮部110Bに滞留していた凝縮水を蒸発部110Aに還流させて排熱回収を確実に再始動させることが可能となる。
In the above control, when both the determination in step S130 to step S160 is affirmative and the
そして、ステップS170の制御(バルブ31を閉じる)により、排熱回収が再始動すると、出入口温度差Tw2−Tw1が水温差閾値To2より高くなるため、ステップS140での判定は否定判定となり、ステップS190でバルブ31を開くことで、通常の状態に戻せることになる。
When the exhaust heat recovery is restarted by the control in step S170 (
また、本実施形態では排熱回収が実行されているか否かの判定を、冷却水への熱輸送量の大小に相関する冷却水の出入口温度差Tw2−Tw1を用いるようにしているので、容易且つ確実に排熱回収の実行状態を把握することができる。 In the present embodiment, whether or not exhaust heat recovery is being performed is determined by using the cooling water inlet / outlet temperature difference Tw2−Tw1 that correlates with the amount of heat transport to the cooling water. And the execution state of exhaust heat recovery can be grasped | ascertained reliably.
また、バルブ31に微小穴31bを設けるようにしているので、バルブ31を閉じた状態においても冷却水流路30における冷却水の流れが確保でき、出入口温度差Tw2−Tw1を正確に把握することができる。尚、微小穴31bによって流通する冷却水は微量となるようにしているので、基本的にバルブ31を閉じた際の凝縮部110Bの内部圧力上昇の効果を妨げることは無い。
Further, since the
また、バルブ31を閉じる際の条件として、ステップS150における排気ガスの排熱量(排気ガス温度)を見るようにしているので、排気ガスの排熱量が高い場合では、バルブ31を閉じた時にヒートパイプ110の内部圧力が急激に上昇して、ヒートパイプ110の破損に至るおそれが考えられるが、ここでは、そのような不具合を回避することができる。
Further, since the exhaust gas exhaust heat amount (exhaust gas temperature) in step S150 is viewed as a condition for closing the
尚、上記第1実施形態で、バルブ31を閉じる際の安全確認の判定として、排気ガスの排熱量に相関する排気ガス温度Tg1によって判定したが(ステップS150)、エンジン10の回転数によって同様に判定することも可能である。この場合は、回転数が所定回転数よりも低い時に安全と判定すれば良い。
In the first embodiment, the safety confirmation when the
あるいは、この安全確認の判定を排気ガスの排熱量(排気ガス温度Tg1)に代えて、ヒートパイプ110の内圧や、作動媒体(水)の温度を直接測定して用いるようにしても良い。内圧を用いる場合は、所定圧力よりも低い時に安全と判定し、温度を用いる場合は、所定温度よりも低い時に安全と判定すれば良い。
Alternatively, this safety confirmation determination may be used by directly measuring the internal pressure of the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図6、図7に示す。第2実施形態は上記第1実施形態に対して、排熱回収装置100をハイブリッド車両に搭載したものとしており、図6に示すように、バルブ31、排気温センサ13を廃止している。また、制御装置102Aは、エンジン10の作動を制御するものとしている。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIGS. In the second embodiment, the exhaust
第2実施形態では、制御装置102Aは、図7に示す制御フローチャートに基づいて制御を行う。即ち、ステップS101でエンジン10のスタート共に、各閾値To1、To2、Tmoを読込み、タイマーをリセットする。ここで、閾値Tmoは、排熱回収を再始動させる際の所定時間(例えば、5秒)である。
In the second embodiment, the
続いて、ステップS121で水温センサ25からエンジン出口水温Twを、水温センサ32から入口水温Tw1を、水温センサ33から出口水温Tw2をそれぞれ読込む。
Subsequently, in step S121, the engine outlet water temperature Tw is read from the
そして、ステップS125でエンジン10が作動状態にあるか否かを判定し、作動状態にあると判定するとステップS130に進み、否と判定するとステップS220に進む。
Then, in step S125, it is determined whether or not the
ステップS130では、上記第1実施形態と同様に、エンジン出口水温Twと水温閾値To1とを比較して、エンジン出口水温Twが水温閾値To1より低い場合(肯定判定の場合)は、ステップS140に進み、エンジン出口水温Twが水温閾値To1より高い場合(否定判定の場合)は、ステップS121に戻る。 In step S130, as in the first embodiment, the engine outlet water temperature Tw is compared with the water temperature threshold value To1, and if the engine outlet water temperature Tw is lower than the water temperature threshold value To1 (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step S140. When the engine outlet water temperature Tw is higher than the water temperature threshold To1 (in the case of negative determination), the process returns to step S121.
ステップ140では、冷却水の出入口温度差Tw2−Tw1と、水温閾値To2とを比較し、出入口温度差Tw2−Tw1が水温閾値To2に比べて低い場合(肯定判定の場合)はステップS200に進む。そして、ステップS200でエンジン10を停止し、更にステップS210でタイマーのカウントを開始する。尚、ステップS140で、出入口温度差Tw2−Tw1が水温閾値To2に比べて高い場合(否定判定の場合)はステップS121に戻る。
In
一方、ステップS125で否と判定した後のステップS220では、タイマーがカウント中か否かを判定し、カウント中であるとステップS230でカウントが所定時間Tmo経過したか否かを判定し、所定時間Tmo経過していると、ステップS240でエンジン10を作動させ、ステップS250でタイマーをリセットする。尚、ステップS220、ステップS230で共に否と判定するとステップS121に戻る。
On the other hand, in step S220 after determining NO in step S125, it is determined whether or not the timer is counting. If YES in step S230, it is determined whether or not the predetermined time Tmo has elapsed in step S230. If Tmo has elapsed, the
本第2実施形態における制御の特徴は、一般のエンジン車両では走行中はエンジン10を停止することができないが、ハイブリッド車両では走行用モータによる走行が可能であり、走行中のエンジン停止が可能であるので、この特性を排熱回収の再始動のために利用していることにある。
The feature of the control in the second embodiment is that the
即ち、第2実施形態の制御においては、上記第1実施形態のようにバルブ31を閉じる代わりに、ステップS200でのエンジン10の停止により、排気ガスは排気管部130(蒸発部110A)に入らなくなるので、ヒートパイプ110の蒸発部110Aの温度を急速に低下させることができる。
That is, in the control of the second embodiment, instead of closing the
よって、蒸発部110Aと凝縮部110Bとの圧力差をなくすことができ、凝縮部110Bに滞留していた凝縮水を蒸発部110Aに還流させて、ヒートパイプ110による排熱回収を確実に再始動させることができる。
Therefore, the pressure difference between the
そして、ステップS200の制御(エンジン10の停止)により、排熱回収が再始動された後は、ステップS125で否の判定がなされ(エンジン停止判定)、ステップS220、ステップS230の判定で所定時間Tomを経過すると、再びエンジン10が始動され、通常の状態に戻せることになる。
Then, after exhaust heat recovery is restarted by the control of step S200 (stop of the engine 10), a determination of NO is made in step S125 (engine stop determination), and the determination in steps S220 and S230 is a predetermined time Tom. After elapses, the
また、本第2実施形態における排熱回収の再始動の制御では、一般のエンジン車両の場合と異なり、エンジン10の停止に伴って排気ガスからの受熱がなくなることで、ヒートパイプ110の内圧が異常に上昇するという懸念がないので、排気ガス温度Tg1に基づく安全性の判定(第1実施形態におけるステップS150の判定)は不要である。
In addition, in the restart control of exhaust heat recovery in the second embodiment, unlike the case of a general engine vehicle, the heat pressure from the exhaust gas is lost when the
尚、ハイブリッド車両においても、本第2実施形態に限定されることなく、上記第1実施形態に準じた制御を行うようにしても良い。 The hybrid vehicle is not limited to the second embodiment, but may be controlled in accordance with the first embodiment.
(その他の実施形態)
上記各実施形態では、排熱回収の実行あるいは停止状態を出入口温度差Tw2−Tw1を用いて判定したが(ステップS140)、これに限らず、排気管部130(蒸発部110A)における排気ガスの出入口温度差を用いて判定するようにしても良い。あるいは、ヒートパイプ110における蒸発部110Aと凝縮部110Bとの表面温度差によっても判定は可能である。
(Other embodiments)
In each of the embodiments described above, whether exhaust heat recovery is performed or stopped is determined using the inlet / outlet temperature difference Tw2−Tw1 (step S140), but is not limited thereto, and the exhaust gas in the exhaust pipe unit 130 (evaporating
これらの場合は水温センサ32、33を用いる必要がないので、バルブ31には微小穴31bを設定する必要がなく冷却水を完全に遮断しても差し支えない。
In these cases, since it is not necessary to use the
また、水温センサ32の測定値(入口水温Tw1)は水温センサ25の測定値(エンジン出口水温Tw)とほとんど差がないので入口水温Tw1に代えて、エンジン出口水温Twで代用しても良く、コスト面で有利となる。 Further, since the measured value of the water temperature sensor 32 (inlet water temperature Tw1) is almost the same as the measured value of the water temperature sensor 25 (engine outlet water temperature Tw), the engine outlet water temperature Tw may be substituted for the inlet water temperature Tw1, This is advantageous in terms of cost.
また、ヒートパイプ110に排熱回収の実行および停止の切替えを可能とする熱スイッチ機能を持たせるために、ヒートパイプ110内にオリフィス112を設けることで対応したが、これに限らず、蒸発部110Aと凝縮部110Bとの間に開閉弁を設けたもの、凝縮部110Bの内壁面111aに凝縮水保持機能を持たせたもの、あるいはヒートパイプ110内に封入する作動媒体量を予め所定量に規制したもの等としても良い。
Further, in order to provide the
また、ヒートパイプ110(コンテナ111)の形状を円管としたが、これに限らず、角管、扁平管、多穴管等としても良い。更に、ループ式ヒートパイプとしても良い。 Moreover, although the shape of the heat pipe 110 (container 111) is a circular tube, the shape is not limited to this, and may be a square tube, a flat tube, a multi-hole tube, or the like. Furthermore, it is good also as a loop type heat pipe.
このループ式ヒートパイプにおける熱スイッチ機能は、特許文献1に示されるように凝縮部から加熱部に凝縮水を還流させる凝縮水還流路の開閉バルブを内燃機関の冷却水温に応じて制御することにより達成される。 As shown in Patent Document 1, the heat switch function in this loop heat pipe is achieved by controlling the open / close valve of the condensed water recirculation path that recirculates condensed water from the condensing unit to the heating unit in accordance with the cooling water temperature of the internal combustion engine. Achieved.
10 エンジン(内燃機関)
11 排気管
30 冷却水流路
31 バルブ
31b 微小穴
100 排熱回収装置
101 排熱回収器
110 ヒートパイプ
110A 蒸発部
110B 凝縮部
102、102A 制御装置(制御手段)
10 Engine (Internal combustion engine)
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記ヒートパイプ(110)によって前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送する排熱回収装置において、
前記冷却水流路(30)を閉じることで前記凝縮部(110B)への前記冷却水の流れを停止させるバルブ(31)と、
前記バルブ(31)の開閉を制御する制御手段(102)とを設け、
前記制御手段(102)は、前記熱スイッチ機能によって前記熱輸送量が規制された後に、再び前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送させたい場合に、前記バルブ(31)を閉じることを特徴とする排熱回収装置。 The evaporation section (110A) is disposed in the exhaust pipe (11) for circulating the exhaust gas of the internal combustion engine (10), and the condensing section (110B) is the cooling water flow path (30) for circulating the cooling water of the internal combustion engine (10). To the condensing unit (110B) according to the increase in the heating amount to the evaporation unit (110A) or the temperature of the cooling water of the internal combustion engine (10) flowing into the condensing unit (110B). A heat pipe (110) having a heat switch function that regulates the amount of heat transport of
In the exhaust heat recovery apparatus for transporting exhaust heat of the exhaust gas to the cooling water by the heat pipe (110),
A valve (31) for stopping the flow of the cooling water to the condensing part (110B) by closing the cooling water flow path (30);
Control means (102) for controlling the opening and closing of the valve (31),
The control means (102) closes the valve (31) when the exhaust heat of the exhaust gas is to be transported again to the cooling water after the heat transport amount is regulated by the thermal switch function. A featured exhaust heat recovery device.
前記バルブ(31)が閉じられた時に、前記微小穴(31b)によって前記冷却水が前記冷却水流路(30)を微量に流通するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の排熱回収装置。 The valve (31) is provided with a minute hole (31b),
The exhaust heat according to claim 2, wherein when the valve (31) is closed, the cooling water flows through the cooling water flow path (30) in a minute amount by the minute hole (31b). Recovery device.
前記ヒートパイプ(110)によって前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送する排熱回収装置において、
前記熱スイッチ機能によって前記熱輸送量が規制された後に、再び前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送させたい場合に、前記内燃機関(10)を停止させる制御手段(102A)を設けたことを特徴とする排熱回収装置。 The evaporation section (110A) is disposed in the exhaust pipe (11) for exhaust gas flow of the internal combustion engine (10) for the hybrid vehicle, and the condensing section (110B) is a cooling water flow for cooling water flow of the internal combustion engine (10). The condensing unit is arranged in the passage (30) and according to the increase in the heating amount to the evaporation unit (110A) or the temperature of the cooling water of the internal combustion engine (10) flowing into the condensing unit (110B). (110B) having a heat pipe (110) with a heat switch function that regulates the amount of heat transport to
In the exhaust heat recovery apparatus for transporting exhaust heat of the exhaust gas to the cooling water by the heat pipe (110),
Control means (102A) for stopping the internal combustion engine (10) is provided when it is desired to transport the exhaust heat of the exhaust gas to the cooling water again after the amount of heat transport is regulated by the heat switch function. An exhaust heat recovery apparatus characterized by that.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071108 |
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A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20090108 |