JP2008157090A - 内燃機関の排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持することにより、排気ガスの熱を効率的に回収することができる内燃機関の排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気熱回収装置は、内燃機関１に設けられて冷却水を導く冷却水路１２と、冷却水路１２に冷却水を流通させるための電動ポンプ１３とを有し、冷却水路１２を流れる冷却水と内燃機関１から排出された排気ガスとの間で熱交換を行い、冷却水路１２内の水圧を検出する水圧センサ２３の検出結果に基づいて冷却水が核沸騰した状態で冷却水路１２内を流通するように電動ポンプ１３を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の冷却水路を流れる冷却水と内燃機関から排出された排気ガスとの間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置に関する。

電動ポンプによって内燃機関に冷却水を流通させる冷却システムにおいて、電動ポンプを間欠的に駆動させることで過冷却を抑えつつ局所的な沸騰を抑制するものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び特許文献３が存在する。

特開２００６−２１４２８１号公報 特開２００５−９０２３６号公報 特開平８−１４０４３号公報

このような冷却システムに対して、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う排気熱回収装置を組み込んだ場合には、排気熱回収装置が組み込まれていない場合と比べて冷却水の温度が上昇し易い。このため、冷却水の沸騰を防止するには排気熱回収装置が組み込まれていない場合よりも冷却水の流量を増加させることが必要となるが、冷却水の流量を増やすには電動ポンプの吐出流量を増やさねばならず、電動ポンプによる消費電力が増加する。

ところで、液体の沸騰の形態には、互いに状態が異なる核沸騰と膜沸騰とが存在することが広く知られている。核沸騰は発泡点を核として気抱が発生してゆく沸騰であり、その気泡が発生するとその発生に伴う撹乱効果により熱伝達率が気泡発生前よりも増大する。一方、膜沸騰は核沸騰の状態から温度が上昇して気泡の数が増し、その気泡が合体して局所的に伝熱面を覆う蒸気膜が形成される沸騰であり核沸騰よりも熱伝達率が低下する。

内燃機関の冷却システムで避けるべきは熱伝達率が落ち込んでオーバーヒートを誘引し、冷却水路の配管の故障等の不具合をもたらす膜沸騰であり、一方の核沸騰は熱伝達率が増加して冷却効率が向上するので避けるべきではない。

そこで、本発明は、冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持することにより、排気ガスの熱を効率的に回収することができる内燃機関の排気熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気熱回収装置は、内燃機関に設けられて冷却水を導く冷却水路と、前記冷却水路において冷却水を流通させるための電動ポンプとを有し、前記冷却水路を流れる冷却水と前記内燃機関から排出された排気ガスとの間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置であって、前記冷却水路内の水圧を検出する水圧検出手段と、冷却水が核沸騰した状態で前記冷却水路内を流通するように、前記水圧検出手段の検出結果に基づいて前記電動ポンプを制御する電動ポンプ制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気熱回収装置によれば、冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持されるので熱伝達率を高レベルに保つことができる。そのため、排気ガスの熱を効率的に回収することができるとともに、内燃機関の冷却効果が向上する。また、冷却水の温度を冷却水が核沸騰する状態よりも低い温度に維持する場合に比べて冷却水の流量を抑えることができるので、電動ポンプの消費電力を低減することができる。

本発明の排気熱回収装置の一態様において、前記電動ポンプ制御手段は、前記水圧検出手段の検出結果が冷却水が核沸騰する所定の水圧範囲の下限値よりも小さい場合に前記電動ポンプの吐出流量を低下させ、かつ前記水圧検出手段の検出結果が前記水圧範囲の上限値よりも大きい場合に前記電動ポンプの吐出流量を増加させるべく前記電動ポンプを制御してもよい（請求項２）。この態様においては、冷却水路内の水圧が所定の水圧範囲の下限値を下回った場合は電動ポンプの吐出流量が低下するため冷却水路を流れる冷却水の流量が低下して冷却水の温度が上昇する。他方、その水圧が所定の水圧範囲の上限値を超えた場合は電動ポンプの吐出流量が増加するため冷却水路を流れる冷却水の流量が増加して冷却水の温度が低下する。このように電動ポンプが制御されることにより、冷却水路内の水圧が所定の水圧範囲内に収まるようになるので、冷却水が核沸騰した状態を維持することができる。

この態様においては、前記電動ポンプ制御手段は、前記電動ポンプの吐出流量を増加させる際の流量増加量が前記電動ポンプの吐出流量を低下させる際の流量低下量よりも大きくなるように前記電動ポンプを制御してもよい（請求項３）。この場合は、冷却水を核沸騰の状態に維持しつつ、冷却水の温度を下げる方向へ電動ポンプが制御されるので、冷却水が核沸騰から膜沸騰へ遷移することを効果的に抑止できる。

本発明の排気熱回収装置の一態様において、前記水圧検出手段の検出結果に基づいて水圧変動の周波数を取得する周波数取得手段を更に備え、前記電動ポンプ制御手段は、周波数取得手段が取得した水圧変動の周波数に基づいて冷却水が核沸騰した状態か否かを判定し、その判定結果に基づいて前記電動ポンプを制御してもよい（請求項４）。冷却水が核沸騰する場合は冷却水の中に比較的小さな気泡が発生する状態であり、比較的大きな気泡が発生する状態の膜沸騰とこのような核沸騰とでは水圧の挙動が相違する。この態様によれば、水圧変動の周波数を取得することにより、その周波数の特徴から核沸騰した状態か否かを判定することができる。その判定結果に基づいて電動ポンプが制御されるので、核沸騰した状態を的確に維持することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持されるので熱伝達率を高レベルに保つことができる。そのため、排気ガスの熱を効率的に回収することができるとともに、内燃機関の冷却効果が向上する。

（第１の形態）
図１は本発明の排気熱回収装置が組み込まれた内燃機関の冷却システムの一形態を模式的に示している。内燃機関１は車両に走行用動力源として搭載される火花点火型の内燃機関である。冷却システム１０は内燃機関１の冷却又は暖機を行うことにより内燃機関１を適温に保持する。冷却システム１０は冷却水を導く冷却水路１２と、冷却水路１２に冷却水を流通させるための電動ポンプ１３とを有している。電動ポンプ１３は不図示のバッテリーを電源とし、内燃機関１の運転状態に拘わらず動作できるように構成されている。

冷却水路１２は内燃機関１及びラジエータ１４が経路内に配置された環状の循環通路１５を有しており、その循環通路１５は電動ポンプ１３から吐き出された冷却水をシリンダブロック２からシリンダヘッド３まで導いて内燃機関１の各部を冷却する内部通路１５ａと、シリンダヘッド３から排出された冷却水をラジエータ１４の入口１４ａに導くリターン通路１５ｂと、ラジエータ１４の出口１４ｂから排出された冷却水をサーモスタット１６を介して電動ポンプ１３に導くラジエータ出口通路１５ｃと、リターン通路１５ｂから分岐してラジエータ１４を迂回するバイパス通路１５ｄとを含んでいる。ラジエータ１４の背面には電動ファン１７が設けられて、その電動ファン１７が適宜操作されることによりラジエータ１４内を流れる冷却水の冷却が促進される。

サーモスタット１６は冷却水温が設定温度以下である場合、ラジエータ出口水路１５ｃから電動ポンプ１３への冷却水の導通を遮断すると同時に、バイパス通路１５ｄから電動ポンプ１３への冷却水の導通を許可する。その一方で、サーモスタット１６は冷却水温が設定温度を超えた場合、バイパス通路１５ｄから電動ポンプ１３への冷却水の導通を遮断すると同時にラジエータ出口通路１４ｃから電動ポンプ１３への冷却水の導通を許可する。このサーモスタット１６により、循環通路１５は冷却水がラジエータ１４を迂回して循環する経路とラジエータ１４を通過して循環する経路とが冷却水温に応じて切り替えられる。

冷却水路１２は内部通路１５ａの出口側から冷却水を取り出して内燃機関１から排出された排気ガスと熱交換させ、その冷却水をラジエータ出口通路１５ｃに戻す暖機用通路１８を更に有している。暖機用通路１８には冷却水から暖房の熱源を取り出すためのヒータコア１９及び内燃機関１から排出された排気ガスと冷却水との熱交換を行うための排気熱回収器２０がそれぞれ設けられている。排気熱回収器２０は内燃機関１の排気管４を取り囲むように設けられて、冷却水と排気ガスとの間で熱交換できるように構成されている。排気熱回収器２０には排気ガスの流れを変化させる調整弁２１が設けられている。この調整弁２１を適宜操作することにより、排気ガスと冷却水との熱交換具合が調整され、排気ガスから回収する熱量を調整することができる。

シリンダヘッド３には冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ２２及び内部通路１５ａ（冷却水路１２）内の水圧に応じた信号を出力する水圧検出手段としての水圧センサ２３がそれぞれ設けられている。これらのセンサ２２、２３の出力信号は内燃機関１の運転状態を適正に制御するための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）２４に入力される。ＥＣＵ２４にはこれらの出力信号の他に各種センサからの信号が入力されるが説明を省略する。ＥＣＵ２４は内燃機関１の運転状態の制御の他に、所定の制御ロジックに従って冷却システム１０の電動ポンプ１３、電動ファン１７及び調整弁２１のそれぞれの動作を制御する。以下、本発明に関連してＥＣＵ２４が行う電動ポンプ１３の制御について説明し、他の制御については説明を省略する。

図２は電動ポンプ１３の制御の基本的な考え方を説明する説明図であり、内燃機関１の出力一定時における電動ポンプ１３の吐出流量Ｑの変化に対する水圧Ｐｗ、水温（通路壁温）Ｔｗ、熱伝達率α及び電動ポンプ１３の消費電力Ｗの変化をそれぞれ示している。この図から明らかなように、冷却水が核沸騰する状態は膜沸騰の状態や沸騰無しの状態よりも熱伝達率αが高い。そのため、本実施形態は電動ポンプ１３の吐出流量Ｑの制御範囲が冷却水が核沸騰する範囲に設定される。具体的には、ＥＣＵ２４は水圧Ｐｗが核沸騰する水圧範囲Ｄに収まるように電動ポンプ１３の吐出流量Ｑを制御している。電動ポンプ１３の吐出流量Ｑが増えるほど冷却水路１２内を流れる冷却水の流量が増加するため冷却水の温度を下げることができる。しかし、その反面、吐出流量Ｑが増えるほど消費電力Ｗが増える。本実施形態は、電動ポンプ１３の吐出流量Ｑを冷却水が核沸騰する範囲で制御するため、核沸騰及び膜沸騰のいずれをも回避して沸騰無しの状態に維持する場合と比べて消費電力Ｗを抑えることが可能となる。

図３はこうした制御を実現するためにＥＣＵ２４が行う制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはＥＣＵ２４に予め記憶されており、適宜読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は水圧センサ２３からの信号に基づいて水圧Ｐｗを読み込む。次に、ステップＳ２において、電動ポンプ１３の吐出流量Ｑを取得する。吐出流量Ｑは電動ポンプ１３に設けた流量計（不図示）等の検出手段を利用して直接的に取得してもよいし、電動ポンプ１３の回転速度等の吐出流量Ｑと相関する物理量を検出し、その物理量から吐出流量Ｑを計算によって導き出してもよい。

次に、ステップＳ３においては、水圧Ｐｗが冷却水が核沸騰する所定の水圧範囲Ｄの下限値Ｐ１（図２参照）よりも小さいか否かを判定し、下限値Ｐ１よりも小さい場合はステップＳ４に進み、そうでない場合はステップＳ５に進む。水圧範囲Ｄは予め実験的に設定してＥＣＵ２４に保持されている。ステップＳ４では、冷却水温を上昇させるべく吐出流量が流量低下量Δｒだけ低下するように電動ポンプ１３を制御して今回のルーチンの終える。即ち、ステップＳ４では吐出流量がＱ−Δｒとなるように電動ポンプ１３が制御される。

ステップＳ５では、水圧ｐが水圧範囲Ｄの上限値Ｐ２よりも大きいか否かを判定し、上限値Ｐ２よりも大きい場合はステップＳ６に進み、そうでない場合は吐出流量Ｑが維持されるように今回のルーチンを終了する。ステップＳ６では、冷却水温を低下させるべく吐出流量が流量増加量Δｉだけ増加するように電動ポンプ１３を制御して今回のルーチンを終了する。つまりステップＳ６では吐出流量がＱ＋Δｉとなるように電動ポンプ１３が制御される。

図３の制御ルーチンによれば、水圧Ｐｗが核沸騰する水圧範囲Ｄに収まるように電動ポンプ１３の吐出流量Ｑが制御されるので、冷却水が核沸騰した状態を維持することができる。これにより、排気ガスの熱を効率的に回収することができるとともに、内燃機関の冷却効果が向上する。

（第２の形態）
次に本発明の第２の形態を図４を参照しながら説明する。この形態は、電動ポンプ１３の制御内容のみ相違し、その他は第１の形態と同一である。そのため、以下では、第１の形態と共通する構成について繰り返しとなる説明を省略する。図４は第２の形態に係る電動ポンプ１３の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図４において、図３と同一処理には同一符号を付して説明を省略する。

図４に示すように、ステップＳ１及びステップＳ２で水圧Ｐｗと吐出流量Ｑをそれぞれ取得した後、続くステップＳ２１では、所定時間内の水圧変動を水圧センサ２３の出力信号に基づいて検出し、その水圧変動の周波数ｆを取得する。これにより、ＥＣＵ２４は本発明に係る周波数取得手段として機能する。冷却水が核沸騰する場合は冷却水の中に比較的小さな気泡が発生する状態であり、比較的大きな気泡が発生する状態の膜沸騰とこのような核沸騰とでは水圧の挙動が相違する。つまり、水圧変動の周波数ｆは核沸騰の状態、膜沸騰の状態及び沸騰無しの状態のそれぞれで特徴付けられる。そこで、次のステップＳ２２において、水圧Ｐｗと水圧変動の周波数ｆとに基づいて冷却水の状態を核沸騰の状態、膜沸騰の状態又は沸騰無しの状態のいずれであるかを判定する。この判定は、例えば、図５に示すように、水圧Ｐｗと周波数ｆとを変数として、冷却水の状態を与えるマップを予め実験的に作成してＥＣＵ２４に保持しておき、このマップに基づいて実現することができる。

続くステップＳ２３では、ステップＳ２２の判定結果が沸騰無しの状態であるかを判定し、沸騰無しの場合は冷却水温を上昇させるべくステップＳ４に進み、そうでない場合はステップＳ２４に進んで膜沸騰の状態であるか否かを判定する。膜沸騰の状態である場合は冷却水温を低下させるべくステップＳ６に進み、そうでない場合は核沸騰の状態なので、吐出流量Ｑが維持されるように今回のルーチンを終了する。図４の制御ルーチンによっても、冷却水が核沸騰する状態に維持することができるため、第１の形態と同等の効果を得ることができる。

以上の各形態において、図３又は図４の制御ルーチンを実行することにより、ＥＣＵ２４は本発明に係る電動ポンプ制御手段として機能する。但し、本発明は上記の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上述した電動ポンプ１３の吐出流量を増加させる際の流量増加量Δｉと吐出流量を低下させる際の流量低下量Δｒとは適宜に定めてよく、これらを一定値としてもよいし、内燃機関１の運転状態に応じて変化させてもよい。また、流量増加量Δｉと流量低下量Δｒとが等しくてもよいし、流量増加量Δｉが流量低下量Δｒよりも大きくてもよい。後者の場合には、冷却水を核沸騰の状態に維持しつつ、冷却水の温度を下げる方向へ電動ポンプ１３が制御されるので、冷却水が核沸騰から膜沸騰へ遷移することを効果的に抑止できる。

また、上記の各形態では、水圧又はその変動の周波数に基づいて冷却水の状態を判定しているが、これらとは異なる物理量をその判定の際に考慮してもよい。水圧が沸騰以外の要因で変化する場合も考えられるため、水圧センサ２３の出力信号のみによる判定では誤判定が生じる可能性がある。そこで、例えば冷却水温を水温センサ２２の出力信号に基づいて取得し、水圧による冷却水の状態判定の際に冷却水温の値を補完的に利用することにより、その判定精度を向上させることもできる。

本発明の排気熱回収装置が組み込まれた内燃機関の冷却システムの一形態を模式的に示した図。 電動ポンプの制御の基本的な考え方を説明する説明図。 第１の形態に係る電動ポンプの制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 第２の形態に係る電動ポンプの制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 冷却水の状態を判定するために利用するマップの一例を示す模式図。

符号の説明

１ 内燃機関
１２ 冷却水路
１３ 電動ポンプ
２３ 水圧センサ（水圧検出手段）
２４ ＥＣＵ（電動ポンプ制御手段、）

Claims (4)

1. 内燃機関に設けられて冷却水を導く冷却水路と、前記冷却水路に冷却水を流通させるための電動ポンプとを有し、前記冷却水路を流れる冷却水と前記内燃機関から排出された排気ガスとの間で熱交換を行う排気熱回収装置であって、
   前記冷却水路内の水圧を検出する水圧検出手段と、前記水圧検出手段の検出結果に基づいて、冷却水が核沸騰した状態で前記冷却水路内を流通するように前記電動ポンプを制御する電動ポンプ制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。
2. 前記電動ポンプ制御手段は、前記水圧検出手段の検出結果が冷却水が核沸騰する所定の水圧範囲の下限値よりも小さい場合に前記電動ポンプの吐出流量を低下させ、かつ前記水圧検出手段の検出結果が前記水圧範囲の上限値よりも大きい場合に前記電動ポンプの吐出流量を増加させるべく前記電動ポンプを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
3. 前記電動ポンプ制御手段は、前記電動ポンプの吐出流量を増加させる際の流量増加量が前記電動ポンプの吐出流量を低下させる際の流量低下量よりも大きくなるように前記電動ポンプを制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
4. 前記水圧検出手段の検出結果に基づいて水圧変動の周波数を取得する周波数取得手段を更に備え、
   前記電動ポンプ制御手段は、周波数取得手段が取得した水圧変動の周波数に基づいて冷却水が核沸騰した状態か否かを判定し、その判定結果に基づいて前記電動ポンプを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気熱回収装置。

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