JP2018184922A - 熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気熱の回収効率を向上させる。【解決手段】熱回収システム１は、エンジン１１の排気通路において、排気中の不要物質を浄化還元する後処理装置１３の上流に設けられた第１上流排気管３１と、第１上流排気管３１を分岐排気管３５及び本流排気管３２に分岐させる分岐部４１と、分岐排気管３５と本流排気管３２とを結合する結合部４２と、結合部４２と後処理装置１３との間に設けられた第２上流排気管３３と、分岐排気管３５を流れる排気と熱搬送媒体との間で熱交換することにより、排気の熱を回収する熱回収器１４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関が発生する熱を回収する熱回収システムに関する。

従来、エンジンの排気熱を回収する熱回収システムが知られている。特許文献１には、排気ガス中の有害物質を酸化還元浄化する三元触媒の下流において排気管を分岐させ、分岐させた排気管に設けられた熱交換器において排気熱を回収する熱回収システムが開示されている。

特開２０１６−２９９８５８号公報

従来の熱回収システムにおいては、有害物質を酸化還元浄化する後処理装置の下流側において排気管が分岐していた。したがって、エンジンと後処理装置との間の配管から熱が放出されてしまうので、効果的に熱を回収できないという問題があった。

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、排気熱の回収効率を向上させるための熱回収システムを提供することを目的とする。

本発明の熱回収システムは、エンジンの排気通路において、排気中の不要物質を浄化還元する後処理装置の上流に設けられた第１上流排気管と、前記第１上流排気管を分岐排気管及び本流排気管に分岐させる分岐部と、前記分岐排気管と前記本流排気管とを結合する結合部と、前記結合部と前記後処理装置との間に設けられた第２上流排気管と、前記分岐排気管を流れる排気と熱搬送媒体との間で熱交換することにより、前記排気の熱を回収する熱回収器と、を有する。

熱回収システムは、前記第１上流排気管を流れる排気の圧力を検出する圧力検出部と、前記圧力検出部が検出した圧力に基づいて、前記第１上流排気管を流れる排気を前記分岐部から前記分岐排気管に流す割合と前記本流排気管に流す割合とを制御する制御部と、をさらに有してもよい。

前記分岐部は、前記第１上流排気管を流れる排気の圧力に応じて前記分岐排気管の開度を変化させる開度調整板を有してもよい。

前記開度調整板は弾性部材を有しており、前記第１上流排気管を流れる排気の圧力に応じて前記弾性部材の伸縮度が変化することにより、前記開度を変化させてもよい。

前記結合部は、前記本流排気管と前記第２上流排気管との間における、前記分岐排気管と前記本流排気管とが結合する位置から所定の長さ未満における内径が、前記分岐排気管と前記本流排気管とが結合する位置から所定の長さ以上における内径よりも小さくてもよい。

本発明によれば、排気熱の回収効率を向上させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る熱回収システムの構成を示す図である。 分岐排気管の外周に設けられた熱回収器の形状の一例を示す図である。 制御部の動作手順を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る分岐部の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る分岐部及び結合部の構成を示す図である。 第４の実施形態に係る分岐部及び結合部の構成を示す図である。

＜第１の実施形態＞
［熱回収システム１の構成］
図１は、第１の実施形態に係る熱回収システム１の構成を示す図である。熱回収システム１は、車両に設けられており、エンジン１１からの排気に含まれている熱（以下、排気熱という）を回収する。熱回収システム１は、後処理装置１３と、熱回収器１４と、ポンプ１５と、温度センサ１６と、温度センサ１７と、圧力センサ１８と、制御部１９とを有する。ポンプ１５は、熱搬送媒体が循環する複数の配管２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ）を含む循環路に設けられている。熱搬送媒体は、例えば冷却水である。

エンジン１１は、例えばディーゼルエンジン又はガソリンエンジンである。ラジエータ１２は、エンジン１１で温度が上昇した熱搬送媒体を冷却させる。エンジン１１とラジエータ１２との間には、エンジン１１において温度が上昇した熱搬送媒体をラジエータ１２に流入させるための配管２１ｅが設けられている。エンジン１１に入る熱搬送媒体は、熱搬送媒体の温度が所定の温度未満である場合、サーモスタット（不図示）によりラジエータ１２への流れが止められ、熱搬送媒体の温度が所定の温度以上である場合、一部がラジエータ１２に流れる。

後処理装置１３は、エンジン１１の排気通路に設けられており、排気中の不要物質（例えば有害物質）を浄化還元する。後処理装置１３は、排気に含まれるＮＯｘを除去するための酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、及びフィルタを有する。後処理装置１３は、エンジン１１から第１上流排気管３１を介して流入した排気に含まれているＮＯｘ及び微粒子物質（以下、ＰＭ（Particulate Matter）という）を除去し、ＮＯｘ及びＰＭを除去した後の排気を下流排気管３４から排出する。

後処理装置１３内の温度は、触媒が活性化する温度以上に維持する必要がある。また、後処理装置１３内のフィルタに捕集されたＰＭを燃焼させることによりフィルタを再生する際に、後処理装置１３は、ＰＭの燃焼に必要な温度以上に内部温度を上昇させる必要がある。

エンジン１１と後処理装置１３との間には、第１上流排気管３１を分岐排気管３５及び本流排気管３２に分岐させる分岐部４１と、分岐排気管３５と本流排気管３２とを結合する結合部４２とが設けられている。結合部４２と後処理装置１３との間には第２上流排気管３３が設けられている。分岐排気管３５には、熱回収器１４が設けられている。

分岐部４１は、制御部１９の制御に基づいて、第１上流排気管３１から流入した排気を本流排気管３２と分岐排気管３５とに分配する。分岐部４１は、排気を本流排気管３２に流す割合と分岐排気管３５に流す割合とを多段階で調整可能な電子制御バルブである。

熱回収器１４は、分岐排気管３５から放出される熱を回収する熱交換器である。熱回収器１４は、例えば、分岐排気管３５の外周に接するように設けられており、分岐排気管３５を流れる排気と熱搬送媒体との間で熱交換することにより、エンジン１１から排出される排気の一部から熱を回収する。

図２は、分岐排気管３５の外周に設けられた熱回収器１４の形状の一例を示す図である。図２に示す熱回収器１４は、分岐排気管３５の外周に接して設けられた、熱搬送媒体が循環する管を有する。熱回収器１４が有する管は、分岐排気管３５の外周に接して螺旋状に設けられており、分岐部４１の側に設けられた管の一端ａから流入した熱搬送媒体は、螺旋状の管の中を移動して、結合部４２の側に設けられた他端ｂから放出される。図１においては、分岐排気管３５の一部の領域にのみ熱回収器１４が設けられているように示しているが、熱回収器１４は、分岐排気管３５における分岐部４１から結合部４２までの全領域を覆うように設けられていることが好ましい。

ポンプ１５は、配管２１において熱搬送媒体を循環させるための推力を発生する。ポンプ１５は、制御部１９の制御に基づいて推力の発生を開始したり推力の発生を停止したりする。

温度センサ１６は、後処理装置１３に流入する排気の温度を検出する第１温度検出部である。温度センサ１６は、検出した温度を制御部１９に通知する。温度センサ１７は、エンジン１１内の熱搬送媒体の温度を検出する第２温度検出部である。

圧力センサ１８は、第１上流排気管３１内の排気の圧力（背圧）を検出する圧力検出部である。圧力センサ１８は、検出した圧力を制御部１９に通知する。

［制御部１９の機能］
制御部１９は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を有しており、ＣＰＵは、ＲＯＭ又はＲＡＭに記憶されたプログラムを実行することにより、分岐部４１及びポンプ１５を制御する。

具体的には、制御部１９は、圧力センサ１８が検出した圧力に基づいて、第１上流排気管３１を流れる排気を分岐部４１から分岐排気管３５に流す割合と本流排気管３２に流す割合とを制御する。例えば、制御部１９は、圧力センサ１８が検出した圧力が大きければ大きいほど分岐排気管３５に流れる排気の割合が増えるように分岐部４１を制御する。このようにすることで、熱回収システム１は、第１上流排気管３１を流れる排気の量が多く、全ての排気をそのまま後処理装置１３に流すと後処理装置１３の温度が高くなり過ぎてしまう場合に、排気の一部の熱を熱回収器１４で回収することで、排気熱を有効活用することができる。

制御部１９は、温度センサ１６が検出した温度に基づいて分岐部４１を制御してもよい。例えば、制御部１９は、温度センサ１６が検出した温度が高ければ高いほど分岐排気管３５に流れる排気の割合が増えるように分岐部４１を制御する。

制御部１９は、圧力センサ１８が検出した圧力と温度センサ１６が検出した温度との組み合わせに基づいて、分岐部４１を制御してもよい。例えば、制御部１９は、予めＲＯＭに記憶させた排気の圧力と、後処理装置１３における排気の温度と、分岐部４１において分岐排気管３５に排気を流す割合との関係を参照する。制御部１９は、参照した関係に基づいて、圧力センサ１８が検出した圧力と温度センサ１６が検出した温度との組み合わせに対応する割合の排気を分岐排気管３５に流すように分岐部４１を制御する。制御部１９は、温度センサ１６が検出した後処理装置１３における排気の温度の代わりに、第１上流排気管３１における排気の温度に基づいて分岐部４１を制御してもよい。

また、制御部１９は、圧力センサ１８が検出した圧力及び温度センサ１６が検出した温度に基づいてポンプ１５の動作を制御してもよい。例えば、制御部１９は、圧力センサ１８が検出した圧力及び温度センサ１６が検出した温度が所定の閾値未満である場合にポンプ１５を動作させず、圧力センサ１８が検出した圧力及び温度センサ１６が検出した温度が所定の閾値以上である場合にポンプ１５を動作させる。具体的には、制御部１９は、温度センサ１６が検出した温度が、後処理装置１３において後処理を行うために必要な温度（例えば、触媒が活性化する温度）未満であり、かつ圧力センサ１８が検出した圧力が、後処理装置１３の温度を上昇させるために必要な圧力未満である場合には、ポンプ１５を動作させない。このようにすることで、制御部１９は、熱回収器１４によって回収される熱の量を減少させることにより後処理装置１３の温度が低下することを抑制し、後処理装置１３が後処理を行うために必要な熱を確保しやすくすることができる。

一方、制御部１９は、温度センサ１６が検出した温度が、後処理装置１３において後処理を行うために必要な所定の温度以上である場合に、ポンプ１５を動作させる。このようにすることで、制御部１９は、熱回収器１４において排気と熱搬送媒体との間で熱交換を行わせ、後処理装置１３で不要な熱を熱回収器１４に回収させる。

制御部１９は、熱交換が行われた後の熱搬送媒体をエンジン１１に送るようにポンプ１５を制御することにより、エンジン１１を暖機する。制御部１９は、エンジン１１を暖機している間、温度センサ１７が検出したエンジン１１での熱搬送媒体の温度を監視する。制御部１９は、冷却水の温度が所定の温度閾値未満である場合にポンプ１５を動作させ、熱回収器１４で熱交換した熱搬送媒体の熱によりエンジン１１を暖機する。制御部１９は、熱搬送媒体の温度が所定の温度閾値以上である場合にポンプ１５を停止させ、ラジエータ１２の冷却能力が過度に低下することを防ぐ。

［制御部１９の動作フローチャート］
図３は、制御部１９の動作手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１において、制御部１９は圧力センサ１８から入力される圧力検出信号に基づいて、第１上流排気管３１を流れる排気の圧力を検出する。ステップＳ１２において、制御部１９は、排気圧力が所定の圧力閾値未満であると判定した場合、ステップＳ１１に戻る。制御部１９は、排気温度が圧力閾値以上であると判定した場合、ステップＳ１３に進み、温度センサ１７から入力される温度検出信号に基づいて、エンジン１１での熱搬送媒体の温度を検出する。

ステップＳ１４において、制御部１９は、熱搬送媒体の温度が温度閾値未満であるか否かを判定する。制御部１９は、熱搬送媒体の温度が温度閾値未満であると判定した場合、ステップＳ１５において、分岐部４１を制御して、第１上流排気管３１を流れる排気のうち、圧力センサ１８が検出した圧力に対応する割合の排気を分岐排気管３５に流すことにより、排気熱の一部を熱回収器１４に回収させる。そして、制御部１９は、ポンプ１５を動作させて熱搬送媒体を循環させることにより、熱回収器１４において回収した熱でエンジン１１を暖機する。

制御部１９は、ステップＳ１４において熱搬送媒体の温度が温度閾値以上であると判定した場合、ステップＳ１６において、分岐部４１を制御して、排気を分岐排気管３５に流さないように分岐部４１を制御するとともに、ポンプ１５の動作を停止して排気熱の回収を停止する。制御部１９は、ステップＳ１７において、エンジン１１が停止したかどうかを判定し、エンジン１１が停止するまでの間、ステップＳ１１〜ステップＳ１６までの処理を繰り返す。

［後処理装置１３における再生処理時の動作］
以上の説明において、制御部１９は、排気温度を第１閾値と比較することにより、熱回収器１４において熱交換を行うかどうかを制御したが、制御部１９は、後処理装置１３における再生処理と連動して分岐部４１を制御してもよい。後処理装置１３においては、フィルタの再生処理をする際に、排気温度を上昇させる必要がある。したがって、後処理装置１３において再生処理をする間は、できるだけ排気から熱が奪われないようにすることが好ましい。

そこで、制御部１９は、後処理装置１３が再生処理をしていない場合に排気の一部を分岐排気管３５に流すように分岐部４１を制御して熱回収器１４に熱を回収させ、後処理装置１３が再生処理をしている場合に排気の一部を分岐排気管３５に流さないように分岐部４１を制御して、熱回収器１４による熱の回収を停止させてもよい。このようにすることで、熱回収システム１は、後処理装置１３内の温度が再生処理に必要な温度にまで達している場合に、不要な熱を熱回収器１４により回収してエンジン１１の暖機等に有効活用し、後処理装置１３が再生処理を行う際に迅速に排気温度を上昇させることができる。

［後処理装置１３の下流における温度による制御］
以上の説明において、制御部１９は、圧力センサ１８が検出した排気の圧力、又は後処理装置１３に流入する排気の温度を検出することにより、排気を分岐排気管３５に流すか否かを制御したが、制御部１９は、後処理装置１３から排出される排気の温度を検出することにより、排気を分岐排気管３５に流すか否かを制御してもよい。

また、制御部１９は、後処理装置１３から排出される排気の温度と後処理装置１３の内部温度との関係を示す情報を記憶しておき、後処理装置１３から排出される排気の温度が、後処理装置１３の動作に必要な内部温度に対応する温度以上であることを条件として、排気を分岐排気管３５に流すように分岐部４１を制御して熱回収器１４において熱を回収してもよい。

［変形例］
以上の説明においては、分岐部４１がエンジン１１と後処理装置１３との間に設けられているものとしたが、分岐部４１は、ターボチャージャー（不図示）と後処理装置１３との間に設けられていてもよい。

［第１の実施形態による効果］
以上説明したように、熱回収システム１は、第１上流排気管３１を流れる排気を分岐排気管３５に分配する分岐部４１を有し、制御部１９が、排気の圧力に基づいて定められた割合の排気を分岐排気管３５に流すように分岐部４１を制御する。このようにすることで、排気の圧力が大きく、後処理装置１３において必要な排気熱を確保できる場合に、熱回収器１４において排気の一部と熱搬送媒体との間で熱交換をすることにより、排気熱を回収し、回収した熱をエンジン１１の暖機に使用することができる。したがって、熱回収システム１は、排気熱の回収効率を向上させるとともに、第１上流排気管３１が排気熱を放散することで車両内の各部に及ぼされる熱害を軽減することができる。

また、熱回収システム１においては、熱回収器１４をエンジン１１の近傍に設けることができる。したがって、熱搬送媒体用のホースを短くすることができるので、ホースからの放熱量を低減させることもできる。なお、以上の説明においては、熱回収器１４が回収した熱をエンジン１１の暖機に使用する例を示したが、熱回収システム１は、熱回収器１４が回収した熱を室内の空調等の他の用途に使用してもよい。

＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態に係る分岐部４１の構成を示す図である。第２の実施形態に係る分岐部４１は、開度調整板４１１と、弾性部材としてのバネ４１２とを有する。開度調整板４１１は、第１上流排気管３１を流れる排気の圧力に応じて分岐排気管３５の開度を変化させる。

図４（ａ）に示すように、排気の圧力がバネ４１２の反発力よりも大きい定常状態において、開度調整板４１１は、分岐排気管３５の開度が大きくなるように位置している。この状態において、第１上流排気管３１を流れる排気のうち、分岐排気管３５の大きさと本流排気管３２の大きさとの割合に基づいて定まる割合の排気が分岐排気管３５に流れる。

一方、開度調整板４１１は、第１上流排気管３１を流れる排気の圧力が小さくなり、排気の圧力がバネ４１２の反発力よりも小さくなると、図４（ｂ）に示すように、バネ４１２の反発力によって分岐排気管３５の入り口を塞ぐ位置になり、開度が小さくなる。この状態においては、第１上流排気管３１を流れる排気が分岐排気管３５に流入する量が、図４（ａ）に示す場合よりも少なくなる。

［第２の実施形態による効果］
このように、第２の実施形態の分岐部４１においては、第１上流排気管３１を流れる排気の圧力に応じてバネ４１２の伸縮度が変化することにより、分岐排気管３５の開度が変化する。したがって、熱回収システム１は、排気の圧力が大きく、排気熱を回収しても後処理装置１３の動作に影響しない場合に排気熱の一部を回収して有効活用することができる。特に、第２の実施形態の熱回収システム１においては、電子制御バルブを用いることなく、排気の圧力に応じて分岐排気管３５の開度を変化させることができるので、低コストで排気熱の活用度を向上させることができる。

＜第３の実施形態＞
図５は、第３の実施形態に係る分岐部４１及び結合部４２の構成を示す図である。第３の実施形態に係る結合部４２は、本流排気管３２と第２上流排気管３３との間における、分岐排気管３５と本流排気管３２とが結合する位置から所定の長さ未満の位置に設けられた小径排気管４２１における内径が、分岐排気管３５と本流排気管３２とが結合する位置から所定の長さ以上における内径よりも小さい。

結合部４２がこのような形状を有することにより、本流排気管３２を流れる排気の圧力が高い状態において、ベンチュリー効果によって、小径排気管４２１の内圧が低くなる。その結果、第１上流排気管３１から分岐排気管３５に排気を引き出す力が発生し、本流排気管３２を流れる排気の圧力に応じた量の排気が分岐排気管３５に流れる。なお、分岐排気管３５に流れる排気の量は、小径排気管４２１の太さを調整することで、最適化することができる。

［第３の実施形態による効果］
このように、第３の実施形態の結合部４２においては、ベンチュリー効果によって、排気の圧力に応じた量の排気が、熱回収器１４が設けられた分岐排気管３５に流れて、排気熱の一部が回収される。したがって、第３の実施形態の熱回収システム１においては、電子制御バルブを用いることなく、排気の圧力に応じて分岐排気管３５に流れる排気の量を変化させることができるので、低コストで排気熱の活用度を向上させることができる。

＜第４の実施形態＞
図６は、第４の実施形態に係る分岐部４１及び結合部４２の構成を示す図である。第４の実施形態に係る分岐部４１は、第１上流排気管３１と分岐排気管３５との分岐点において第１上流排気管３１に突出するように固定された仕切板４１３を有する。仕切板４１３が第１上流排気管３１に突出するように設けられていることにより、第１上流排気管３１を流れる排気の一部が分岐排気管３５側に流れる。分岐排気管３５に流れる排気の量は、仕切板４１３の大きさ及び向きにより最適化することができる。

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。例えば、以上の説明においては、内燃機関が車両に搭載されている場合について説明したが、本発明は、内燃機関が車両に搭載されている場合に限らず、任意の装置に搭載された内燃機関に適用することができる。また、上記の説明において、熱回収器１４が螺旋状の配管を有する例を示したが、熱回収器１４の熱交換器の形状は任意である。

１ 熱回収システム
１１ エンジン
１２ ラジエータ
１３ 後処理装置
１４ 熱回収器
１５ ポンプ
１６ 温度センサ
１７ 温度センサ
１８ 圧力センサ
１９ 制御部
２１ 配管
３１ 第１上流排気管
３２ 本流排気管
３３ 第２上流排気管
３４ 下流排気管
３５ 分岐排気管
４１ 分岐部
４２ 結合部
４１１ 開度調整板
４１２ バネ
４１３ 仕切板
４２１ 小径排気管

Claims (5)

1. エンジンの排気通路において、排気中の不要物質を浄化還元する後処理装置の上流に設けられた第１上流排気管と、
   前記第１上流排気管を分岐排気管及び本流排気管に分岐させる分岐部と、
   前記分岐排気管と前記本流排気管とを結合する結合部と、
   前記結合部と前記後処理装置との間に設けられた第２上流排気管と、
   前記分岐排気管を流れる排気と熱搬送媒体との間で熱交換することにより、前記排気の熱を回収する熱回収器と、
   を有する熱回収システム。
2. 前記第１上流排気管を流れる排気の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記圧力検出部が検出した圧力に基づいて、前記第１上流排気管を流れる排気を前記分岐部から前記分岐排気管に流す割合と前記本流排気管に流す割合とを制御する制御部と、
   をさらに有する、
   請求項１に記載の熱回収システム。
3. 前記分岐部は、前記第１上流排気管を流れる排気の圧力に応じて前記分岐排気管の開度を変化させる開度調整板を有する、
   請求項１に記載の熱回収システム。
4. 前記開度調整板は弾性部材を有しており、前記第１上流排気管を流れる排気の圧力に応じて前記弾性部材の伸縮度が変化することにより、前記開度を変化させる、
   請求項３に記載の熱回収システム。
5. 前記結合部は、前記本流排気管と前記第２上流排気管との間における、前記分岐排気管と前記本流排気管とが結合する位置から所定の長さ未満における内径が、前記分岐排気管と前記本流排気管とが結合する位置から所定の長さ以上における内径よりも小さい、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の熱回収システム。
   
   
   

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