JP2018025108A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器をより有効に利用できる熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１は、長手方向の一端がエンジン１０と接続され、他端が大気と連通しており、エンジン１０からの排気ガスが流れる排気通路２０と、排気通路２０の分岐部２１ａから分岐し、合流部２１ｂで排気通路２０と合流している分岐通路２５と、長手方向の一端が分岐通路２５の接続部２５ａと接続され、他端が大気と連通しており、外気が流入する大気連通通路２７と、分岐通路２５の接続部２５ａの下流側に設けられ、排気ガス又は外気と、冷却水とを熱交換する熱交換器３０と、分岐部２１ａに切替可能に設けられ、排気ガスを排気通路２０又は分岐通路２５へ流すための第１切替弁５０と、接続部２５ａに切替可能に設けられ、分岐部２１ａから流入した排気ガス又は大気連通通路２７から流入した外気を熱交換器３０へ流すための第２切替弁５５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換システムに関する。

車両は、エンジンの排気通路に設けられ、エンジンの排気ガスと冷媒とを熱交換して排気熱を回収する回収器としての熱交換器を有する。例えば、熱交換器は、冷媒の一例であるエンジンの冷却水と、排気ガスとを熱交換して、冷却水を加熱する。加熱された冷却水は、例えばエンジンの暖機促進に利用される。なお、排気通路には、排気ガスが熱交換器を迂回するようにバイパス経路が設けられている。

特開２００７−２４７５５４号公報

ところで、上述したエンジンの暖機が終了すると、排気ガスは、バイパス経路を介して流れて熱交換器を迂回するため、熱交換器において排気ガスが冷媒と熱交換されない。この結果、暖機の終了後は、熱交換器がほとんど活用されていなかった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、熱交換器をより有効に利用できる熱交換システムを提供することを目的とする。

本発明の一の態様においては、長手方向の一端がエンジンと接続され、他端が大気と連通しており、前記エンジンからの排気ガスが流れる排気通路と、前記排気通路の分岐部から分岐し、合流部で前記排気通路と合流している分岐通路と、長手方向の一端が前記分岐通路の接続部と接続され、他端が大気と連通しており、外気が流入する大気連通通路と、前記分岐通路の前記接続部の下流側に設けられ、前記排気ガス又は前記外気と、冷媒とを熱交換する熱交換器と、前記分岐部に切替可能に設けられ、前記排気ガスを前記排気通路又は前記分岐通路へ流すための第１切替弁と、前記接続部に切替可能に設けられ、前記分岐部から流入した前記排気ガス又は前記大気連通通路から流入した外気を前記熱交換器へ流すための第２切替弁とを備える熱交換システムを提供する。
かかる熱交換システムによれば、第１切替弁及び第２切替弁を切り替えることで、熱交換器は、排気通路から分岐通路へ流入した排気ガスと冷媒とを熱交換することで、冷媒を加熱できる。これにより、加熱した冷媒によりエンジンを暖機できる。また、熱交換器は、大気連通通路から流入した外気と冷却水とを熱交換することで、冷却水を冷却できる。すなわち、熱交換器は、サブラジエータとして機能可能となる。この結果、熱交換器をより有効に利用できる。

また、前記熱交換システムは、前記エンジンの暖機時に、前記排気ガスと前記外気のうちの前記排気ガスを前記熱交換器へ流して前記冷媒を加熱するために、前記第１切替弁及び前記第２切替弁を切り替える制御部を更に備えることとしてもよい。

また、前記熱交換システムは、前記エンジンの高負荷時に、前記排気ガスと前記外気のうちの前記外気を前記熱交換器へ流して前記冷媒を冷却するために、前記第１切替弁及び前記第２切替弁を切り替える制御部を更に備えることとしてもよい。

また、前記熱交換器を通過した前記外気は、前記排気通路を流れている前記排気ガスと前記合流部で合流することとしてもよい。

また、前記排気通路において前記分岐部と前記合流部との間に、選択触媒還元部が設けられていることとしてもよい。

本発明によれば、熱交換器をより有効に利用できる熱交換システムを提供できるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 第１の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。

＜第１の実施形態＞
（熱交換システムの構成）
図１〜図３を参照しながら、本発明の第１の実施形態に係る熱交換システム１の構成について説明する。

図１〜図３は、第１の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。なお、図１は、エンジン１０の暖機時の状態を示し、図２は、暖機終了後の状態を示し、図３は、エンジン１０の高負荷時の状態を示す。また、図１〜図３では、排気ガスの流れが実線の矢印で示され、外気の流れが破線の矢印で示されている。

熱交換システム１は、ここではトラック等の大型車両に搭載されている。熱交換システム１は、図１等に示すように、エンジン１０と、排気通路２０と、後処理装置２３と、分岐通路２５と、大気連通通路２７と、熱交換器３０と、冷却水通路４０と、ラジエータ４５と、第１切替弁５０と、第２切替弁５５と、ＥＣＵ８０とを有する。熱交換システム１は、エンジン１０の排気ガス又は外気と、冷媒とを熱交換して、冷媒を加熱又は冷却するシステムである。

エンジン１０は、複数の気筒を含むエンジンであり、本実施形態ではディーゼルエンジンであるが、ガソリンエンジンにも適用可能である。エンジン１０は、気筒内で燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。吸気は、不図示の吸気通路によりエンジン１０の気筒に吸入されている。また、エンジン１０は、燃焼後の排気ガスを排出する。

排気通路２０は、エンジン１０から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路２０は、例えば管で構成されている。排気通路２０の長手方向の一端は、エンジン１０と接続されており、排気通路２０の長手方向の他端は、大気と連通している。

後処理装置２３は、排気通路２０に設けられており、排気ガスを浄化する装置である。後処理装置２３は、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２４ａとＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）２４ｂとを有する。ＤＰＦ２４ａは、排気ガス中のＰＭを捕集する。ＳＣＲ２４ｂは、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気ガス中のＮＯ_ｘを選択的に還元浄化する選択触媒還元部である。

分岐通路２５は、排気通路２０から分岐した通路である。分岐通路２５は、排気通路２０の分岐部２１ａから分岐し、合流部２１ｂで排気通路２０と合流している。分岐通路２５には、熱交換器３０が設けられている。分岐部２１ａから分岐通路２５へ流入した排気ガスは、熱交換器３０を通過して、合流部２１ｂで排気通路２０の大径部２１ｃと合流する。なお、図１に示すように、管形状の排気通路２０の合流部２１ｂ及び大径部２１ｃの直径は、同じ大きさであり、合流部２１ｂよりも上流側の直径よりも大きい。

大気連通通路２７は、外気が流入する通路する。大気連通通路２７の長手方向の一端が分岐通路２５の接続部２５ａと接続され、大気連通通路２７の長手方向の他端が大気と連通している。なお、図３に示すように、大気連通通路２７から流入した外気は、分岐通路２５へ流れる。大気連通通路２７は、ここでは車両の後方側の大気と連通している排気通路２０とは異なり、車両の前方側の大気と連通している。

熱交換器３０は、分岐通路２５の接続部２５ａの下流側に設けられている。熱交換器３０は、排気ガスと冷媒とを熱交換する。冷媒は、ここでは冷却水通路４０を流れるエンジン１０の冷却水である。冷却水の温度は排気ガスの温度よりも低いので、冷却水は、排気ガスと熱交換することで加熱される。

また、熱交換器３０には、図３に示すように、大気連通通路２７から流入した外気も通過可能となっている。そして、外気が熱交換器３０を通過する際に、冷却水通路４０を流れる冷却水と熱交換する。冷却水の温度は外気の温度よりも高いので、冷却水は、外気と熱交換することで冷却される。なお、熱交換器３０を通過した外気は、排気通路２０を流れている排気ガスと合流部２１ｂで合流して混ざる。ここで、外気の温度は排気ガスの温度よりも低いので、外気が排気ガスと合流することで、排気ガスの温度が低下する。

冷却水通路４０は、エンジン１０の冷却水が流れる通路である。冷却水は、エンジン１０の内部を冷やす機能を有する。冷却水通路４０は、冷却水がエンジン１０と熱交換器３０との間で循環するように設けられている。エンジン１０の暖機時には、熱交換器３０において排気ガスと熱交換して温められた冷却水がエンジン１０に送られる。なお、冷却水通路４０には、冷却水の流れる方向を切り替える弁４２、４３が設けられている。

ラジエータ４５は、エンジン１０を通過する際に温められた冷却水を冷却する冷却装置である。例えば、ラジエータ４５は、冷却水と走行風とを熱交換することで冷却水を冷却する。

第１切替弁５０は、排気通路２０の分岐部２１ａに切替可能に設けられ、排気ガスを排気通路２０又は分岐通路２５へ流す。例えば、エンジン１０の暖機時には、第１切替弁５０は図１に示す位置（以下、切替位置Ａ１と呼ぶ）に位置することで、排気ガスが分岐通路２５へ流れる。一方で、暖機以外の場合には、第１切替弁５０は図２に示す位置（以下、切替位置Ａ２と呼ぶ）に位置することで、排気ガスが引き続き排気通路２０を流れる。

第２切替弁５５は、分岐通路２５の接続部２５ａに切替可能に設けられ、分岐部２１ａから流入した排気ガス又は大気連通通路２７から流入した外気を熱交換器３０へ流す。例えば、エンジン１０の暖機時には、第２切替弁５５は、図１に示す位置（以下、切替位置Ｂ１と呼ぶ）に位置することで、排気ガスが、大気連通通路２７から大気開放されずに、熱交換器３０へ流れる。また、エンジン１０の暖機終了後にも、第２切替弁５５は、図２に示すように切替位置Ｂ１に位置する。さらに、エンジン１０の高負荷時には、図３に示す位置（以下、切替位置Ｂ２と呼ぶ）に位置することで、外気が熱交換器３０へ流れる。

ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。本実施形態において、ＥＣＵ８０は、第１切替弁５０及び第２切替弁５５の切替を制御する制御部として機能する。

例えば、ＥＣＵ８０は、エンジン１０の暖機時には、図１に示すように、第１切替弁５０を切替位置Ａ１に位置させ、第２切替弁５５を切替位置Ｂ１に位置させる。かかる場合には、図１に示すように、エンジン１０からの排気ガスは、排気通路２０の分岐部２１ａから分岐通路２５を流れて、熱交換器３０で冷却水通路４０を流れる冷却水と熱交換する。これにより、冷却水は、加熱されてエンジン１０へ送られ、エンジン１０の暖機に供される。なお、熱交換器３０で冷却水と熱交換した排気ガスは、分岐通路２５を流れ、合流部２１ｂで排気通路２０へ流入した後に大気開放される。

ＥＣＵ８０は、エンジン１０の暖機終了後には、図２に示すように、第１切替弁５０を切替位置Ａ２に位置させ、第２切替弁５５を切替位置Ｂ１に位置させる。かかる場合には、図２に示すように、エンジン１０からの排気ガスは、引き続き排気通路２０を流れて大気開放される。これにより、熱交換器３０で排気ガスが冷却水と熱交換されない。なお、第２切替弁５５が切替位置Ｂ１に位置していることで、排気通路２０を流れる排気ガスの一部が、合流部２１ｂから分岐通路２５を流れて、大気連通通路２７へ流れることを防止できる。

ＥＣＵ８０は、例えば車両が坂道を登るときのようなエンジン１０の高負荷時には、図３に示すように、第１切替弁５０を切替位置Ａ２に位置させ、第２切替弁５５を切替位置Ｂ２に位置させる。これにより、エンジン１０からの排気ガスは、引き続き排気通路２０を流れて大気開放される。一方で、第２切替弁５５が切替位置Ｂ２に位置することで、大気連通通路２７から外気が流入する。そして、流入した外気は、熱交換器３０へ流れて、冷却水通路４０の冷却水と熱交換する。これにより、冷却水は、冷却されてエンジン１０へ送られ、エンジン１０の内部を冷却する。このため、熱交換器３０は、サブラジエータの機能を有することになる。エンジン１０の高負荷時には、ラジエータ４５だけでは冷却水を十分に冷却できない恐れがあるが、熱交換器３０がサブラジエータとして機能することで、冷却水を十分に冷却できる。

なお、熱交換器３０で冷却水と熱交換した外気は、排気ガスが大径部２１ｃへ流れる際に、合流部２１ｂから大径部２１ｃへ流れ込む。これは、噴流が周囲の流体を巻き込む作用を利用した以下の現象が生じているためである。すなわち、合流部２１ｂの直径が大きくなっていることで、合流部２１ｂへ流れ出た排気ガスが噴流となり、合流部２１ｂに分岐通路２５を接続することで、分岐回路２５の外気を引き込んでいる。そして、大径部２１ｃへ流れ込んだ外気が排気ガスと混ざることで、排気ガスの温度が低下する。

（第１の実施形態における効果）
第１の実施形態に係る熱交換システム１は、排気通路２０から分岐した分岐通路２５に設けられた熱交換器３０と、分岐通路２５に外気が流入可能な大気連通通路２７と、排気通路２０の分岐部２１ａに設けられた第１切替弁５０と、大気連通通路２７が分岐通路２５と接続している接続部２５ａに設けられた第２切替弁５５とを有する。
かかる場合には、第１切替弁５０及び第２切替弁５５を切り替えることで、熱交換器３０は、排気通路２０から分岐通路２５へ流入した排気ガスと冷却水とを熱交換することで、冷却水を加熱できる。これにより、加熱した冷却水によりエンジン１０を暖機できる。また、熱交換器３０は、大気連通通路２７から流入した外気と冷却水とを熱交換することで、冷却水を冷却できる。すなわち、熱交換器３０は、サブラジエータとして機能可能となる。この結果、熱交換器３０をより有効に利用できる。

＜第２の実施形態＞
図４〜図６を参照しながら、本発明の第２の実施形態に係る熱交換システム１について説明する。

図４〜図６は、第２の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。なお、図４は、エンジン１０の暖機時の状態を示し、図５は、暖機終了後の状態を示し、図６は、エンジン１０の高負荷時の状態を示す。また、図４〜図６では、排気ガスの流れが実線の矢印で示され、外気の流れが破線の矢印で示されている。

第１の実施形態では、排気通路２０において分岐部２１ａよりも上流側に、後処理装置２３のＳＣＲ２４ｂが設けられていた。これに対して、第２の実施形態では、図４等に示すように、ＳＣＲ２４ｂが、排気通路２０の分岐部２１ａと合流部２１ｂとの間に設けられている。

第２の実施形態における第１切替弁５０及び第２切替弁５５の切替制御は、図１〜図３と図４〜図６を対比すると分かるように、同じ制御である。なお、第２の実施形態の場合には、エンジン１０の暖機時には、図４に示すように、排気ガスがＳＣＲ２４ｂを通過せずに熱交換器３０に流れる。かかる場合には、排気ガスの熱がＳＣＲ２４ｂで奪われないので、熱交換器３０において冷却水をより加熱でき、この結果、エンジン１０をより効果的に暖機できる。なお、ＳＣＲ２４ｂは、通常高温時に動作するので、エンジン１０の暖機時には動作しない。このため、エンジン１０の暖機時に排気ガスがＳＣＲ２４ｂに流れなくても、ＳＣＲ２４ｂの機能が損なわれない。

なお、上記では、エンジン１０の暖機時に、排気ガスは全て分岐部２１ａで分岐通路へ流れることとしたが、これに限定されない。例えば、第１切替弁５０の切替位置を調整して、排気ガスの一部がそのまま排気通路２０を流れることとしてもよい。かかる場合には、熱交換器３０へ流れる排気ガスの流量を調整できるので、冷却水が過度に加熱されることを抑制できる。

また、上記では、第１切替弁５０及び第２切替弁５５が、図１〜図６に示すように切替可能な弁であることとしたが、これに限定されない。排気ガス又は外気の流れる向きを切り替えられれば、他の構造の弁であってもよい。

また、上記では、熱交換器３０において排気ガスと熱交換する冷媒が、冷却水通路４０を流れる冷却水であるとしたが、これに限定されない。例えば、冷媒が、エンジンオイル等であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 熱交換システム
１０ エンジン
２０ 排気通路
２１ａ 分岐部
２１ｂ 合流部
２４ｂ ＳＣＲ
２５ 分岐通路
２５ａ 接続部
２７ 大気連通通路
３０ 熱交換器
５０ 第１切替弁
５５ 第２切替弁
８０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 長手方向の一端がエンジンと接続され、他端が大気と連通しており、前記エンジンからの排気ガスが流れる排気通路と、
   前記排気通路の分岐部から分岐し、合流部で前記排気通路と合流している分岐通路と、
   長手方向の一端が前記分岐通路の接続部と接続され、他端が大気と連通しており、外気が流入する大気連通通路と、
   前記分岐通路の前記接続部の下流側に設けられ、前記排気ガス又は前記外気と、冷媒とを熱交換する熱交換器と、
   前記分岐部に切替可能に設けられ、前記排気ガスを前記排気通路又は前記分岐通路へ流すための第１切替弁と、
   前記接続部に切替可能に設けられ、前記分岐部から流入した前記排気ガス又は前記大気連通通路から流入した外気を前記熱交換器へ流すための第２切替弁と、
   を備える、熱交換システム。
2. 前記エンジンの暖機時に、前記排気ガスと前記外気のうちの前記排気ガスを前記熱交換器へ流して前記冷媒を加熱するために、前記第１切替弁及び前記第２切替弁を切り替える制御部を更に備える、
   請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記エンジンの高負荷時に、前記排気ガスと前記外気のうちの前記外気を前記熱交換器へ流して前記冷媒を冷却するために、前記第１切替弁及び前記第２切替弁を切り替える制御部を更に備える、
   請求項１に記載の熱交換システム。
4. 前記熱交換器を通過した前記外気は、前記排気通路を流れている前記排気ガスと前記合流部で合流する、
   請求項３に記載の熱交換システム。
5. 前記排気通路において前記分岐部と前記合流部との間に、選択触媒還元部が設けられている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換システム。
   
   

Images