JP2015086794A - エンジンの排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化による搭載性の悪化を回避しつつ、排気熱を回収して冷媒を加温する際の排気圧損の増大を防止する。
【解決手段】エンジン１の冷却水出口とウォータポンプ１１入口側との間に、冷却水を加温器３０を介して排気熱で暖めるための第１の冷媒循環系統と、冷却水を加温器３０と放熱器３５との間で循環させて放熱する第２の冷媒循環系統とを有する熱交換用冷媒通路２０を設け、少なくともエンジン水温に基づいて開閉バルブＡ〜Ｅを開閉制御することで、第１の冷媒循環系統と第２の冷媒循環系統とを切り換える。加温器３０は、エンジン運転中は排気熱を常時回収可能なように排気管３に介装され、冷却水を加温するエンジン冷態時と冷却水を加温する必要のないエンジン温態時とで圧力損失を伴う排気通路の切り換えを要することなく、常に安定した排気の流れを確保することができるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気通路を通過する排気から排気熱を回収して冷媒を加温するエンジンの排気熱回収装置に関する。

自動車等に搭載されるエンジンにおいては、エンジンを冷却するための冷媒である冷却水をエンジンから排出される排気の排気熱で加温し、エンジン冷態時の損失低減、暖房性能の向上等を図る排気熱回収装置が知られている。このような排気熱回収装置で排気熱を回収して冷却水を加温する必要があるのは、冷却水の温度が低い冷態時のみであり、それ以外は冷却水が加温されることのないよう、従来から各種提案がなされている。

例えば、特許文献１には、排気管内に、排気ガスと冷媒との間で熱交換するための第１の排気経路と、第１の排気経路をバイパスする第２の排気経路との２通りの通路を設け、それぞれの通路の排気の流れを、感熱アクチュエータによって駆動される排気制御弁で切り換える技術が開示されている。

特開２００８−２３１９４２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術では、排気の流路を２通り設けることから、排気管が大径化するばかりでなく、排気の流れを制御するための制御弁と制御弁を駆動するためのアクチュエータが必要になる。このため、装置の大型化を招いて排気官周辺の艤装スペースが大きくなってしまい、搭載性の悪化を招く。

この場合、２通りの排気流路のそれぞれを小径化することにより、排気管の大径化を或る程度回避することは可能であるが、流路の小径化によって排気が絞られてしまい、排気圧損の増大が懸念される。また、流路切換用の制御弁も排気管内に絞りを設けることになり、構造上、絞りを回避することは困難であることから、これも排気圧損を増加させ、エンジン出力への悪影響が生じる要因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置の大型化による搭載性の悪化を回避しつつ、排気熱を回収して冷媒を加温する際の排気圧損の増大を防止することのできるエンジンの排気熱回収装置を提供することを目的としている。

本発明によるエンジンの排気熱回収装置は、エンジンの排気通路を通過する排気の排気熱を回収して冷媒を加温する排気熱回収装置であって、前記排気通路に、エンジン運転中は前記排気熱を常時回収可能に介装され、前記排気熱によって冷媒を加温する加温器と、前記加温器を通過する前記冷媒の熱を放熱する放熱器と、エンジンの冷媒通路から分岐され、前記エンジンの冷媒通路と前記加温器との間で前記冷媒を循環させる第１の冷媒循環系統と、前記放熱器と前記加温器との間で前記冷媒を循環させる第２の冷媒循環系統とを有する熱交換用冷媒通路と、前記熱交換用冷媒通路に介装されて前記冷媒の流路を開閉する複数の開閉バルブと、前記複数の制御バルブを少なくとも前記冷媒の温度に基づいて開閉制御し、前記第１の冷媒循環系統と前記第２の冷媒循環系統とを選択的に切り換える制御部とを備えるものである。

本発明によれば、装置の大型化による搭載性の悪化を回避しつつ、排気熱を回収して冷媒を加温する際の排気圧損の増大を防止することができ、排気熱での冷媒の加温による各部のフリクション損失の低減、暖房性能の向上等を図ることができる。

熱交換用冷媒通路を備えるエンジン冷却系の全体構成図 排気熱回収制御処理のフローチャート 第１の冷媒循環系統の冷媒流路を示す説明図 第２の冷媒循環系統の冷媒流路を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は、自動車等の車両に搭載されるエンジンであり、このエンジン１の排気ポートに、排気マニホールド２を介して排気管３の一端が接続されている。排気管３の下流側には排気浄化用の触媒４が介装されており、エンジン１からの排気が触媒４で浄化された後、図示しないマフラを介して排出される。

エンジン１は、内部に設けられた冷却通路（図示せず）と、外部に設置されたラジエータ１０との間で冷媒を循環させるための冷媒ポンプ１１を備えている。ラジエータ１０は、車両前面等に設置され、走行風による熱交換で冷媒を冷却するためのフィン等による放熱部を備えている。冷媒ポンプ１１は、モータ等で駆動される電動式ポンプ、或いは、エンジン１によって駆動される機械式ポンプとして構成されている。

ここで、冷媒としては代表的に水を用い、以下では、適宜、「冷媒」を「冷却水」或いは単に「水」と記載する。また、「冷媒ポンプ１１」は「ウォータポンプ１１」と記載する。尚、冷媒としては、水に限定されることなく、液体或いは気体を用いることも可能である。

また、エンジン１の冷却水出口からの冷却水をラジエータ１０に通流させてエンジン１内に循環させる冷却水循環通路１２と並行して、エンジン１の冷却水出口からラジエータ１０をバイパスしてウォータポンプ１１に至るバイパス通路１２ａが配設されている。バイパス通路１２ａと冷却水循環通路１２とのウォータポンプ１１入口側の接続部には、冷却水の温度に応じて通路を開閉するサーモスタット１３が設けられている。

サーモスタット１３の閉弁時（冷間時）には、冷却水はラジエータ１０をバイパスしてバイパス通路１２ａからエンジン１内に循環する。一方、サーモスタット１３の開弁時（温間時）には、冷却水はバイパス通路１２ａを通過することなくエンジン１の冷却水出口から冷却水循環通路１２を経てラジエータ１０を通過し、ウォータポンプ１１によってエンジン１内に圧送される。

さらに、エンジン１の冷却水出口とウォータポンプ１１入口側との間には、車内暖房用のヒータコアに冷却水を導く通路（図示せず）が設けられるとともに、排気管３を流れる排気からの熱を回収して冷却水を加温するための熱交換用冷媒通路２０が設けられている。熱交換用冷媒通路２０には、排気管３に介装される加温器３０、加温器３０を通過する冷却水が過熱状態にならないように放熱する放熱器３５、熱交換用冷媒通路２０冷却水の流路を切り換えるための開閉バルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、熱交換用冷媒通路２０内の冷却水を循環させるための電動ポンプ４０が介装されており、後述する制御ユニット５０及び電源制御ユニット６０を含んで本発明に係る排気熱回収装置を構成している。

加温器３０は、エンジン運転中は排気熱を常時回収可能なように排気管３に介装されており、排気と冷却水との熱交換によって冷却水を加温するエンジン冷態時と、冷却水を加温する必要のないエンジン温態時とで、圧力損失を伴う排気通路の切り換えを要することなく、常に安定した排気の流れを確保することができるように構成されている。このような加温器３０の構成としては、例えば、コルゲートチューブ等の配管を排気官３の内壁面に流れ方向に沿って配置する構成、排気管３の内壁面に沿ってらせん状に配置する構成、或いは、排気管３の内壁面に沿った同心円状の構成を採用することができ、排気管３内の排気の流れに影響を与えないように構成されている。

尚、加温器３０は、本実施の形態においては排気マニホールド２下流の排気管３内に配置されているが、排気系であれば特に位置を限定するものではなく、触媒４の下流に配置しても良い。

一方、放熱器３５は、冷却水を排気熱で加温する必要のないエンジン温態時に、加温器３０内の冷却水の熱を放熱して水温を低下させ、過熱による冷却水の沸騰を防止するものである。このような放熱器３５の構成としては、例えば、ラジエータ１０と同様の空冷による熱交換器構造を採用することができる。尚、放熱器３５を空冷による熱交換器構造とする場合、送風ファンを備えるようにしても良い。

電動ポンプ４０は、排気管３に設置された熱電変換器３１で発生する電力を利用して駆動される。熱電変換器３１は、本実施の形態においては、加温器３０の近傍に設置されており、エンジン１から排出される排気の熱や加温器３０周囲の熱を電力に変換する。このような熱電変換器３１は、例えば、異種金属やｐ型半導体及びｎ型半導体を組み合わせて温度差で起電力を発生する熱電変換素子を用いて、複数の熱電変換素子を板状又は円筒状に組み合わせた熱電モジュールとして構成することができる。熱電変換器３１で発生した電力は、電動ポンプ４０の駆動に利用され、加温器３０内の冷却水を電動ポンプ４０で循環させながら放熱器３５で放熱することにより、加温器３０内の冷却水の過熱による沸騰を防止する。

熱交換用冷媒通路２０は、エンジン側からの冷却水を加温器３０を介して排気熱で暖めるための第１の冷媒循環系統と、エンジン側から遮断した経路で、冷却水を加温器３０と放熱器３５との間で循環させて放熱する第２の冷媒循環系統とを有している。後述するように、第１の冷媒循環系統と第２の冷媒循環系統とは、開閉バルブＡ〜Ｅの開閉状態に応じて切り換えられる。

詳細には、熱交換用冷媒通路２０は、エンジン１の冷却水出口側で冷却水循環通路１２から冷却水導入通路２１が分岐されて延出され、更に、冷却水導入通路２１が、開閉バルブＢが介装されるバイパス通路２２と、加温器３０に至る加温器用循環通路２４とに分岐されている。バイパス通路２２は、リターン通路２３に連通されており、このリターン通路２３がウォータポンプ１１の入口側に連通されている。

加温器用循環通路２４は、第１の冷媒循環系統の主通路を形成するものであり、加温器３０に至る上流側通路２４ａと加温器３０から延出されてリターン通路２３に合流する下流側通路２４ｂとを有している。上流側通路２４ａには開閉バルブＣが介装され、下流側通路２４ｂには開閉バルブＡが介装されている。

一方、第２の冷媒循環系統は、加温器用循環通路２４の下流側通路２４ｂの開閉バルブＡ上流側から分岐する放熱器用循環通路２５を主として形成されている。放熱器用循環通路２５は、開閉バルブＡ上流側から放熱器３５に至る上流側通路２５ａと、放熱器３５から延出されて加温器用循環通路２４の上流側通路２４ａに開閉バルブＣ下流側で合流される下流側通路２５ｂとを有している。放熱器用循環通路２５の上流側通路２５ａには開閉バルブＥが介装され、下流側通路２５ｂには、電動ポンプ４０と開閉バルブＤが介装されている。

以上の第１，第２の冷媒循環系統を切り換える開閉バルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、制御ユニット５０によって開閉制御される。制御ユニット５０は、マイクロコンピュータを中心として構成され、入出力インターフェース、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、制御タイミングの決定等に用いるタイマ・カウンタ、その他、バルブ駆動回路等の周辺回路を備えている。

制御ユニット５０の入力側には、エンジン１の冷却水温度を検出する水温センサ５１、加温器３０の冷却水温度を検出する水温センサ５２、触媒４の温度を検出する触媒温度センサ５３等が接続されている。制御ユニット５０には、これらセンサ類からの情報が入力されるとともに、図示しない車内ネットワークを介してエンジン１の作動を制御するエンジン制御ユニット等からエンジン１の運転状態に係る情報が入力される。

一方、制御ユニット５０の出力側には、開閉バルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、及び電源制御ユニット６０が接続されている。制御ユニット５０は、各種センサからの検出情報や車内ネットワークを介して入力される制御情報に基づいて、開閉バルブＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの開閉制御を行うとともに、電源制御ユニット６０にポンプ駆動指令を出力して電動ポンプ４０を駆動制御する。

電源制御ユニット６０は、制御ユニット５０と同様、マイクロコンピュータを中心として構成され、入出力インターフェース、メモリ、タイマ・カウンタ等の他、熱電変換器３１で発生する電力を専用のバッテリ６１に充電するための充電制御回路や、電動ポンプ４０を駆動するための駆動回路等を備えている。電源制御ユニット６０は、制御ユニット５０からポンプ駆動指令を受診したとき、バッテリ６１に充電された電力で電動ポンプ４０を駆動する。

尚、制御ユニット５０と電源制御ユニット６０とを一つの制御ユニットとして、両者の機能を備えるようにしても良い。また、条件によっては、電動ポンプ４０を熱電変換器３１で発生する電力で直接駆動することも可能である。

次に、制御ユニット５０による排気熱回収制御のプログラム処理について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。

この排気熱回収制御処理では、最初のステップＳ１において、水温センサ５１により検出したエンジン１の冷却水温度（エンジン水温）Ｔｗ、触媒温度センサ５３により検出した触媒４の温度（触媒温度）Ｔｃ、水温センサ５２により検出した加温器３０の冷却水温度（加温器水温）Ｔｈを入力する。次いで、ステップＳ２へ進み、エンジン１が停止しているか否かを判定する。エンジンが停止しているか否かは、例えば、車内ネットワークを介して入力される情報からイグニッションスイッチがＯＦＦされていることを検出した場合にエンジン停止と判断し、アイドルストップやエンジンストール等による一時的なエンジン停止を除外する。

そして、エンジンが停止していないと判定された場合、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、エンジン停止と判定された場合には、ステップＳ２からステップＳ７へ進む。先ず、エンジンが停止していない場合について説明すると、ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５では、それぞれ、触媒温度Ｔｃが設定値Ｔｃｓｅｔ未満か否か、エンジン始動後の経過時間Ｃｔが設定時間Ｃｔｓｅｔ未満か否か、エンジン水温Ｔｗが設定値Ｔｗｓｅｔ未満か否かを調べる。

ステップＳ３における触媒温度の設定値Ｔｃｓｅｔは、触媒４が活性化する温度に相当し、ステップＳ４における始動後経過時間の設定時間Ｃｔｓｅｔは、触媒４の早期活性化の観点から始動後に排気熱回収を禁止する時間に相当する。また、ステップＳ５におけるエンジン水温の設定値Ｔｗｓｅｔは、触媒４が確実に活性化する水温に相当する。

ステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５において、Ｔｃ≧Ｔｃｓｅｔ且つＣt≧Ｃｔｓｅｔ且つＴｗ＜Ｔｗｓｅｔである場合、すなわち排気熱回収の許可条件が成立する場合には、ステップＳ３〜Ｓ５を経てステップＳ６へ進み、開閉バルブＡ，Ｃを開とすると共に、開閉バルブＢ，Ｄ，Ｅを閉とする。その結果、図３に示すように、エンジン側の冷却水導入通路２１から加温器用循環通路２４の上流側通路２４ａを通って加温器３０に至り、加温器３０から下流側通路２４ｂを通ってリターン通路２３からエンジン側に戻る第１の冷媒循環系統の冷媒流路（図３中の破線矢印及び塗り潰しで示す流路）が開通される。そして、ステップＳ１０で電動ポンプ４０を停止状態として本処理を抜ける。

これにより、エンジン冷態時に排気熱によって冷却水を加温し、摩擦損失の低減や、暖房性能の向上を図ることができる。しかも、排気の流れに影響を及ぼすことなく冷却水を加温することができ、排気圧損の増加によるエンジン出力への悪影響を防止することができる。

一方、ステップＳ２においてエンジン停止である場合、或いはステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５において、Ｔｃ＜Ｔｃｓｅｔ、Ｃt＜Ｃｔｓｅｔ、Ｔｗ≧Ｔｗｓｅｔの何れかが成立する場合、すなわち排気熱回収の停止条件が成立する場合には、該当ステップからステップＳ７へ進み、開閉バルブＡ，Ｃを閉、開閉バルブＢ，Ｄ，Ｅを開とする。その結果、図４に示すように、エンジン側の冷却水導入通路２１からの冷却水は、バイパス通路２２からリターン通路２３を通ってエンジン側に戻される一方、熱交換用冷媒通路２０内では、加温器３０内の冷却水が加温器用循環通路２４の下流側通路２４ｂから放熱器用循環通路２５の上流側通路２５ａを通って放熱器３５に至り、加温器用循環通路２４の上流側通路２４ａから加温器３０に戻る閉回路の第２の冷媒循環系統の冷媒流路（図４中の破線矢印及び塗り潰しで示す流路）が形成される。

次に、ステップＳ７からステップＳ８へ進み、加温器水温Ｔｈが設定値Ｔｈｓｅｔを超えているか否かを調べる。設定値Ｔｈｓｅｔは、放熱器３５の放熱性能や電動ポンプ４０による循環流量を考慮して、冷却水の沸点に対して余裕を見込んだ低い温度で過熱による沸騰を確実に防止することのできる温度に設定されている。ステップＳ８において、Ｔｈ≦Ｔｈｓｅｔで過熱の虞がない場合には、ステップＳ８からステップＳ１０へ進んで電動ポンプ４０を停止状態として本処理を抜け、Ｔｈ＞Ｔｈｓｅｔの場合、ステップＳ８からステップＳ９へ進んで電動ポンプ４０を駆動し、本処理を抜ける。この電動ポンプ４０の駆動により、加温器３０内の冷却水が循環されて放熱器３５で放熱され、熱交換用冷媒通路２０内の冷却水の過熱を防止することができる。

尚、本実施の形態においては、触媒温度Ｔｃ、始動後経過時間Ｃｔ、エンジン水温Ｔｗによって第１，第２の冷媒循環系統の切り換えを判断するようしているが、エンジン及び排気系の特性によっては、触媒温度Ｔｃ及び始動後経過時間Ｃｔは必ずしも必須の条件ではなく、少なくともエンジン水温Ｔｗによって切り換え判定を行えば良い。

このように本実施の形態においては、冷媒を加温するために熱交換を行う排気通路と熱交換を行わない排気通路とを分けることなく、同じ排気通路で排気熱の回収及び非回収に対応している。これにより、排気管の大径化等による装置の大型化を回避するとともに、排気の流れに影響を与えることなく冷媒を加温することができ、排気熱回収時の排気圧損を抑制してエンジン出力への悪影響を防止し、各部のフリクション損失の低減や暖房性能の向上を図ることが可能となる。

１ エンジン
３ 排気管
２０ 熱交換用冷媒通路
２１ 冷却水導入通路
２２ バイパス通路
２３ リターン通路
２４ 加温器用循環通路
２５ 放熱器用循環通路
３０ 加温器
３１ 熱電変換器
３５ 放熱器
４０ 電動ポンプ
５０ 制御ユニット
６０ 電源制御ユニット
６１ バッテリ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ 開閉バルブ

Claims (4)

1. エンジンの排気通路を通過する排気の排気熱を回収して冷媒を加温する排気熱回収装置であって、
   前記排気通路に、エンジン運転中は前記排気熱を常時回収可能に介装され、前記排気熱によって冷媒を加温する加温器と、
   前記加温器を通過する前記冷媒の熱を放熱する放熱器と、
   エンジンの冷媒通路から分岐され、前記エンジンの冷媒通路と前記加温器との間で前記冷媒を循環させる第１の冷媒循環系統と、前記放熱器と前記加温器との間で前記冷媒を循環させる第２の冷媒循環系統とを有する熱交換用冷媒通路と、
   前記熱交換用冷媒通路に介装されて前記冷媒の流路を開閉する複数の開閉バルブと、
   前記複数の制御バルブを少なくとも前記冷媒の温度に基づいて開閉制御し、前記第１の冷媒循環系統と前記第２の冷媒循環系統とを選択的に切り換える制御部と
   を備えることを特徴とするエンジンの排気熱回収装置。
2. 前記エンジンの冷媒通路の冷媒の温度が設定温度未満のとき、前記第１の冷媒循環系統を前記エンジンの冷媒通路に連通させて前記第２の冷媒循環系統を遮断し、前記エンジンの冷媒通路の冷媒の温度が前記設定温度以上のとき、前記第１の冷媒循環系統を前記エンジンの冷媒通路から遮断して前記加温器内の冷媒の流路を前記第２の冷媒循環系統に切り換えることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排気熱回収装置。
3. 前記第２の冷媒循環系統に前記冷媒を循環させる冷媒ポンプを配設し、前記第１の冷媒循環系統が前記エンジンの冷媒通路から遮断されて前記加温器内の冷媒の流路が前記第２の冷媒循環系統に切り換えられたとき、前記加温器内の冷媒の温度に基づいて前記冷媒ポンプを駆動することを特徴とする請求項２記載のエンジンの排気熱回収装置。
4. 前記排気通路に、熱を電力に変換する熱電変換器を配設し、該熱電変換器で発生する電力を利用して前記冷媒ポンプを駆動することを特徴とする請求項３記載のエンジンの排気熱回収装置。

Images