JP2609649B2 - 排気熱回収装置を備えるエンジンの冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンの燃焼室からの排気ガスと冷却水
との間における熱交換を行って排気熱を回収する、排気
熱回収装置を備えたエンジンの冷却装置に関する。

（従来の技術） ガソリンエンジン，ディーゼルエンジン等の内燃式の
エンジンでは、燃焼室から排気ポートを経て排気マニホ
ールドに排出された排気ガスの温度は、通常、550℃〜6
00℃を越えるものとなるが、その熱をそのまま大気に放
散させることなく有効に利用すべく、エンジンの排気系
に、排気ガスとエンジンの冷却水との間の熱交換を行っ
て排気熱を回収する排気熱回収装置を設けることが知ら
れている。

斯かる排気熱回収装置が備えられるエンジンにおいて
は、例えば、実開昭61−66644号公報にも示される如
く、燃焼室の周囲に形成されたウォータジャケット，こ
のウォータジャケットに冷却水を導くウォータポンプ等
を有したエンジン冷却系及び排気熱回収装置における熱
交換部において、夫々燃焼室壁の熱及び排気熱によって
昇温された冷却水が、外部に設けられたヒートポンプ装
置あるいは給湯装置等に導かれる。そして、ヒートポン
プ装置等において熱交換が行われることにより降温され
た冷却水が、循環用ポンプによりウォータジャケット及
び排気熱回収装置における熱交換部に戻される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上述の如くに排気熱回収装置が装備さ
れて排気熱の有効利用が図られるようになされたエンジ
ンにあっては、エンジンの外部に設けられたヒートポン
プ装置等における熱交換に供された後、排気熱回収装置
における熱交換部に戻された冷却水が、特に、寒冷時に
あっては極めて低温、例えば、20℃〜25℃程度とされ、
そのため、その後排気熱回収装置における熱交換部を通
過しても要求温度に達しないことがある。

このように排気熱回収装置における熱交換部に戻され
た冷却水が低温である場合には、排気ガスが過冷却さ
れ、それにより、排気ガス中の水分が凝縮して発生する
凝縮水が、排気通路部の内壁面に付着する事態が生じ
る。斯かる排気通路部の内壁面に付着する凝縮水は、PH
の値が２〜４となる極めて強い酸性を有するものとされ
るので、その凝縮水により排気通路が腐蝕されるという
問題が生じる虞がある。さらに、上述の如くに冷却水が
低温である場合には、エンジン冷却系の入口に達した冷
却水は、その温度が適正温度、例えば、60℃程度に達し
ていないので、エンジンが過冷却され、そのため、エン
ジンにおけるシール性が低下するあるいは潤滑油の油膜
切れ等が発生する虞がある。

なお、上述の公報においては、冷却水が、ヒートポン
プ装置等の外部装置における熱交換に供されて極めて低
温とされた場合には、斯かる冷却水をエンジン冷却系に
は戻さず、エンジン冷却系を側路するバイパス通路を通
じて排気熱回収装置における熱交換部に戻すことが提案
されているが、排気熱回収装置における熱交換部には外
部装置において過冷却された冷却水が戻されるので、排
気通路が凝縮水によって腐食される事態を回避できない
虞がある。

斯かる点に鑑み本発明は、エンジンの燃焼室からの排
気ガスとエンジンの冷却水との間における熱交換を行っ
て排気熱を回収する排気熱回収装置が備えられたもと
で、この排気熱回収装置において冷却水が回収した排気
熱が、外部装置において有効に利用され、しかも、過冷
却された冷却水によって排気通路における排気ガス中の
水分が凝縮せしめられることが抑制されて、排気通路が
凝縮水によって腐蝕される事態が回避されるとともに、
エンジンが冷却水により過冷却される事態が回避され、
それにより、エンジンにおけるシール性が低下する、あ
るいは、潤滑油の油膜切れが発生する事態がまねかれな
いようにされたエンジンの冷却装置を提供することを目
的とする。

（問題点を解決するための手段） 上述の目的を達成すべく、本発明に係るエンジンの冷
却装置は、エンジンの排気系に設けられた熱交換部より
成る排気熱回収装置を備えるとともに、エンジンにおけ
る燃焼室の周囲に形成されたウォータジャケットに熱交
換部からの冷却水を導くエンジン冷却系，熱交換部にお
いて冷却水により回収された排気熱を外部装置に伝導さ
せる外部熱交換器、及び、エンジン冷却系を通じた冷却
水を外部熱交換器から熱交換部を通じてエンジン冷却系
に導くべく循環させる循環用ポンプを含む冷却水循環通
路と、冷却水循環通路における外部熱交換器より上流側
部分と外部熱交換器より下流側部分とを連結するバイパ
ス通路と、冷却水循環通路もしくはバイパス通路に設け
られた感温式切換弁とを備え、エンジン冷却系を通じた
冷却水の温度が所定の値以下であるとき、感温式切換弁
によって、エンジン冷却系を通じた冷却水がバイパス通
路を通じて熱交換部に導かれるようにされて構成され
る。

（作 用） 上述の如くの構成とされる本発明に係るエンジンの冷
却装置においては、熱交換部で排気ガスの熱によって昇
温された冷却水が、冷却水循環通路に導入されて、エン
ジン内のウォータジャケットへと導かれる。そして、冷
却水循環通路を通じて外部熱交換器に導かれる冷却水の
温度が所定の値を越えるときには、感温式切換弁が第１
の状態をとり、それによって冷却水が外部熱交換器に導
かれ、外部装置における熱負荷に対する熱供給を行った
後、循環用ポンプにより熱交換部に戻される。一方、外
部熱交換器に導かれる冷却水の温度が所定の値以下のと
きには、感温切換弁が第２の状態をとり、それによって
冷却水がバイパス通路を通じて、外部熱交換器の熱負荷
に対する熱供給を行うことなく熱交換部に戻される。

このようにされることにより、寒冷時等において冷却
水の温度が所定の値以下になるときには、冷却水が外部
熱交換器において過冷却されることなく熱交換部に戻さ
れることになるので、排気ガスが冷却水により過冷却さ
れて凝縮水を発生させることや、エンジンが冷却水によ
り過冷却されてそのシール性の低下をきたす、あるい
は、潤滑油の油膜切れ等を発生させることが防止され
る。また、熱交換部において冷却水により回収された排
気熱が、外部熱交換器において外部装置に伝導される状
態がとられるときには、外部熱交換器を通じた冷却水
が、直接的にエンジン内のウォータジャケットへと導か
れるのでなく、熱交換部を経てエンジン内のウォータジ
ャケットへと導かれるので、外部熱交換器により冷却さ
れた冷却水によってエンジンが必要以上に冷却されるこ
とになる事態が回避される。

（実施例） 以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明に係るエンジンの冷却装置の一例
を、それが適用された直列４気筒エンジンの主要部とと
もに示す。

第１図において、シリンダヘッド11とシリンダブロッ
ク12とから成るエンジン本体10には、その前部にクラン
クシャフト14により駆動されるウォータポンプ15が設け
られるとともに、このウォータポンプ15から吐出される
冷却水をエンジン本体10内で循環させるべく、４つの燃
焼室20（図には、１つのみ表されている）廻りの過熱し
易い部分を包囲するようにウォータジャケット17が形成
されている。

ウォータポンプ15から吐出された冷却水は、第１図に
おいて白抜矢印で示される如くにウォータジャケット17
に導かれる。ウォータジャケット17を通過した冷却水
は、その温度が所定の値より高いときには、サーモスタ
ット18のバルブが開状態とされるので、サーモスタット
18が配された通路部13から外部に導かれ、また、その温
度が所定の値より低いときには、サーモスタット18のバ
ルブが閉状態とされるので、バイパス通路19を通じてウ
ォータポンプ15に戻される。そして、これらウォータジ
ャケット17,サーモスタット18,通路部13,バイパス通路1
9及びウォータポンプ15等を含んで冷却水循環通路50が
形成されている。

エンジン本体10の一方の側部には、燃焼室20から排気
ポートを介して排気ガスが排出される４つの排気マニホ
ールド22が取り付けられており、排気マニホールド22の
夫々は、エンジン本体10の前部から後部に伸びる、第２
図に詳細に示される如くの集合通路部25は、エンジン本
体10の前後方向に沿って順次接続されている。集合通路
部25の外周側には、それを覆うように外周壁26が設けら
れており、外周壁26及び集合通路部25の下流側端面部に
は、フランジ29がそれらと一体に設けられている。そし
て、集合通路部25と外周壁26との間に副冷却水通路28が
形成され、集合通路部25及び外周壁26により副熱交換部
30が構成されている。

副熱交換部30における外周壁26の下部には、副冷却水
通路28とウォータポンプ15とを連結する冷却水循環通路
50の一部を形成する導管が接続されており、外周壁26の
上部には、ウォータジャケット17等を側路して副冷却水
通路28と冷却水循環通路50とを接続するバイパス通路38
が接続されている。

エンジン本体10の後部における、副熱交換部30より低
い部位には、主熱交換部40が取り付けられている。主熱
交換部40は、第３図に詳細に示される如く、排気マニホ
ールド22側から吸気マニホールド23側に向けて若干下方
に傾斜せしめられた外周ケース42と、この外周ケース42
の内側に配設され、放熱フィン44が内蔵された多数の偏
平状管要素43及びそれら多数の偏平状管要素43が上下方
向に沿って並列に等間隔をもって連結された排気導入通
路部51から成る多段式コア部45とこの多段式コア部45に
おける排気導入通路部51の上部に形成された排気導入口
51aにその下流側端部が接続された連結通路部47とによ
り構成されている。外周ケース42及び連結通路部47にお
ける上流側端面部には、それらと一体にフランジ32が設
けられている。そして、外周ケース42と多段式コア部45
及び連結通路部47との間には、主冷却水通路48が形成さ
れている。

このような構成を有した多段式コア部45が備えられる
主熱交換部40は、副熱交換部30に、フランジ29,フラン
ジ32及びそれらの間に配設されたガスケット31から成る
接続フランジ部35において、ボルト36により連結されて
いる。接続フランジ部35には、集合通路部25と連結通路
部47とを連通させる開口部35aが設けられるとともに、
副冷却水通路28と主冷却水通路48とを連通させる開口部
35bが設けられている。また、主熱交換部40における外
周ケース42の排気マニホールド22側の下部には、冷却水
を主冷却水通路48に導入する冷却水循環通路50の一部を
形成する導管が接続され、外周ケース42の吸気マニホー
ルド23側の上部には、多段式コア部45に通じる、排気ガ
スを外部に排出するための排気管39が接続され、また、
排気管39の下方側に位置する外周ケース42の下部には、
多段式コア部45に通じる凝縮水排出管46が接続されてい
る。

斯かる構成を有する排気熱回収装置においては、エン
ジン作動時に排気ガスが、排気マニホールド22,集合通
路部25及び連結通路部47を通じて多段式コア部45内に導
かれた後、排気管39を通じて外部に排出されるととも
に、冷却水が、第４図において白抜矢印で示される如
く、冷却水循環通路50に配設された循環用ポンプ65によ
り、主熱交換部40における主冷却水通路48に導かれ、多
段式コア部45を通過する排気ガスにより昇温された後、
接続フランジ部35を介して副熱交換部30における副冷却
水通路28に導入され、集合通路部25においても排気ガス
により昇温される。このような冷却水と排気ガスとの間
で行われる熱交換によって、外周ケース42と連結通路部
47と多段式コア部45,接続フランジ部35,外周壁26と集合
通路部25は、冷却水により降温された状態とされる。

そして、副冷却水通路28に導入された冷却水の一部
が、ウォータポンプ15を経てウォータジャケット17に導
かれ、その後サーモスタット18が開状態であれば、ウォ
ータジャケット17からサーモスタット18を介してエンジ
ン本体10外に導かれ、また、サーモスタット18が閉状態
であれば、バイパス通路19及びウォータポンプ15を通じ
てウォータジャケット17内に戻されて循環するようにさ
れる。一方、副冷却水通路28に導入された冷却水の残部
は、バイパス通路38を通じて、冷却水循環通路50におけ
るサーモスタット18より下流側部分に導かれる。

なお、副冷却水通路28からウォータポンプ15を経てウ
ォータジャケット17に導かれる冷却水の量は、ウォータ
ポンプ15の吐出量、従って、エンジン回転数に応じたも
のとなり、そのため、バイパス通路38を通じて冷却水循
環通路50に導かれる冷却水の量は、エンジン回転数が高
い程少とされる。

このようにして、主熱交換部40及び副熱交換部30を通
過する冷却水により回収された排気熱は、例えば、第４
図において一点鎖線で囲まれて示される如くの、エンジ
ン本体10の外部に設けられたヒートポンプ装置100にお
いて利用される。

ヒートポンプ装置100は、エンジンのクランクシャフ
ト14により駆動される冷媒圧縮用のコンプレッサ52と、
四方切換弁54と、一対の室外側熱交換器56と、膨張弁57
と、室内側熱交換器58と、それらを接続する冷媒循環通
路60とを有するものとされ、ヒートポンプ装置100が冷
房運転されるときには、四方切換弁54が、第４図におい
て実線で示される如くの接続状態をとり、室外側熱交換
器56が凝縮器として作用するとともに、室内側熱交換器
58が蒸発器として作用し、また、それが暖房運転される
ときには、四方切換弁54が、第４図において破線で示さ
れる如くの接続状態をとり、室内側熱交換器58が凝縮器
として作用するとともに、室外側熱交換器56が蒸発器と
して作用するものとされる。

従って、ヒートポンプ装置100が冷房運転されるとき
には、コンプレッサ52により圧縮されて吐出された冷媒
が、四方切換弁54から室外側熱交換器56に導かれ、室外
側熱交換器56において凝縮された後、膨張弁57において
減圧されて室内側熱交換器58に導かれ、室内側熱交換器
58において外部の熱を奪って蒸発し、その後、四方切換
弁54を通じてコンプレッサ52に戻され、また、ヒートポ
ンプ装置100が暖房運転されるときには、コンプレッサ5
2により圧縮されて吐出された冷媒が、四方切換弁54か
ら室内側熱交換器58に導かれ、室内側熱交換器58におい
て外部に放熱して凝縮し、膨張弁57を介して室外側熱交
換器56に導かれ、室外側熱交換器56において外部の熱を
奪って蒸発した後、四方切換弁54を介してコンプレッサ
52に戻される。

このような冷暖房運転が行われるヒートポンプ装置10
0においては、特に、寒冷時等において暖房運転される
とき、室外側熱交換器56が蒸発器として作用することに
より、室外側熱交換器56の外表面等に発生する霜によっ
て機能が損なわれる虞がある。そこで、上述の如くの構
成を有する排気熱回収装置により回収された熱を、それ
を利用して室外側熱交換器56の外表面等に発生した霜を
取り除くべく、排気熱回収装置を含んで形成されるエン
ジン冷却系においては、冷却水を、冷却水循環通路50を
通じてヒートポンプ装置100における室外側熱交換器56
近傍に導いて、循環させるようにされている。

冷却水循環通路50は、室外側熱交換器56に関連して設
けられた熱交換部61において室外側熱交換器56に発生し
た霜を取り除くべく、冷却水に放熱作用を行わせる一対
の外部熱交換器62,冷却水循環通路50における外部熱交
換器62より下流側部分と冷却水循環通路50における外部
熱交換器62より上流側部分とを接続するバイパス通路7
0,バイパス通路70の上流側端部に設けられたサーモスタ
ット63,冷却水をエンジン本体10と外部熱交換器62との
間で循環させる循環用ポンプ65を含むものとされる。

なお、熱交換部61の近傍には、放熱作用を促進させる
ためのファン59が設けられている。

冷却水循環通路50におけるサーモスタット63は、第５
図に詳細に示される如くに、ワックスが封入された容器
72と、容器72内にその一部が挿入されたニードル64と、
容器72に取り付けられた２つの弁体66及び67を有するも
のとされる。そして、冷却水の温度Ｔが所定の値Tb、例
えば、75℃〜85℃を越えるときには、容器72内のワック
スが膨張し、それにより、容器72が、弁体66及び67を伴
ってニードル64に沿ってスプリング74の付勢力に抗して
移動せしめられるので、サーモスタット63は、第５図に
おいて一点鎖線で示される如く、冷却水循環通路50にお
けるサーモスタット63より上流側部分と下流側部分とを
連通せしめ、バイパス通路70と冷却水循環通路50におけ
るサーモスタット63より上流側部分とを遮断する第１の
状態をとる。それに対し、冷却水の温度Ｔが所定の値T
a、例えば、60℃〜70℃以下のときには、容器72内のワ
ックスが収縮し、それにより、容器72が、弁体66及び67
を伴ってニードル64がに沿ってスプリング74の付勢力に
より移動せしめられるので、サーモスタット63は、第５
図において実線で示される如く、冷却水循環通路50にお
けるサーモスタット63より上流側部分と下流側部分とを
遮断するとともに、バイパス通路70と冷却水循環通路50
におけるサーモスタット63より上流側部分とを連通せし
める第２の状態をとり、また、冷却水の温度Ｔが値Taか
ら値Tbの間にあるときには、冷却水の温度Ｔが高い程、
バイパス通路70に導かれる冷却水の量より、冷却水循環
通路50におけるサーモスタット63より下流側部分へ導か
れる冷却水の量が多くなるように、容器72の位置が調整
される。

従って、サーモスタット63を介してバイパス通路70及
び冷却水循環通路50におけるサーモスタット63より下流
側部分に導かれる冷却水の流量の割合Ｑは、冷却水の温
度Ｔの変化に対して、夫々、第６図において破線ａ及び
実線ｂで示される如くのものとされる。

そして、上述の如くに、排気熱により昇温されてエン
ジン本体10外に導かれた冷却水は、その温度Ｔが値Tbを
越えるときには、サーモスタット63が第１の状態をとる
ので、冷却水循環通路50を通じて熱交換部61における外
部熱交換器62に導かれ、ヒートポンプ装置100の暖房運
転時には、外部熱交換器62において放熱作用を行って、
室外側熱交換器56に発生した霜を取り除く役目を果た
し、その後、循環用ポンプ65を介して主熱交換部40に戻
され、また、温度Ｔが値Ta以下であるときには、サーモ
スタット63が第２の状態をとるので、熱交換部61におけ
る外部熱交換器62を側路するバイパス通路70を通じて冷
却水循環通路50における外部熱交換器62より下流側部分
に導かれて、循環用ポンプ65を介して主熱交換部40に戻
され、さらに、温度Ｔが値Ta以上で値Tb以下であるとき
には、温度Ｔの高さに応じて、外部熱交換器62に導かれ
る冷却水の流量とバイパス通路70に導かれる冷却水の流
量との割合が変化せしめられる。

このようにされることにより、エンジン本体10の外部
に導かれた冷却水は、その温度Ｔが比較的低温とされた
ときには、外部熱交換器62に導かれることなく主熱交換
部40に戻される。従って、冷却水が過冷却されることが
回避されるので、排気ガスが副熱交換部30及び主熱交換
部40において冷却水により過冷却されること、及び、エ
ンジンが過冷却されてしまうことが防止され、その結
果、排気ガス中の水分が凝縮せしめられることが抑制さ
れ、排気マニホールド22,集合通路部25、及び、主熱交
換部40における多段式コア部45等が凝縮水によって腐食
される事態や、エンジンにおけるシール性が低下する、
あるいは、潤滑油の油膜切れ等が発生する事態が効果的
に回避される。

（発明の効果） 以上の説明から明らかな如く、本発明に係るエンジン
の冷却装置によれば、外部熱交換器において、冷却水が
過冷却される事態が回避されるので、排気熱回収装置を
構成する主熱交換部及び副熱交換部を流れる冷却水によ
って、排気マニホールド及び集合通路部を流れる排気ガ
スが過冷却されることが防止され、それにより、排気ガ
ス中の水分が凝縮せしめられることを抑制することがで
きる。従って、排気マニホールド，集合通路部及びコア
部等が凝縮水によって腐蝕される事態を、効果的に回避
することができる。

さらに、エンジンが冷却水により過冷却されることが
ないので、そのシール性が低下する事態や、潤滑油の油
膜切れ等が発生する事態を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るエンジンの冷却装置の一例の要部
をエンジンとともに示す概略側面図、第２図及び第３図
は第１図に示される排気熱回収装置の主要部を示す側面
図及び正面図、第４図は第１図に示されるエンジンの冷
却系をヒートポンプ装置とともに示す配管系統図、第５
図は第４図に示されるサーモスタットの構成を示す断面
図、第６図は第５図に示されるサーモスタットの動作説
明に供される特性図である。 図中、25は集合通路部、26は外周壁、28は副冷却水通
路、30は副熱交換部、35は接続フランジ部、38及び70は
バイパス通路、40は主熱交換部、42は外周ケース、45は
多段式コア部、48は主冷却水通路、50は冷却水循環通
路、62外部熱交換器、63はサーモスタット、65は循環用
ポンプ、100はヒートポンプ装置である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの排気系に設けられて上記エンジ
   ンにおける冷却水が通じるものとされる熱交換部，上記
   エンジンにおける燃焼室の周囲に形成されたウォータジ
   ャケットに上記熱交換部からの冷却水を導くエンジン冷
   却系，上記熱交換部において上記冷却水により回収され
   た排気熱を外部装置に伝導させる外部熱交換器、及び、
   上記エンジン冷却系を通じた冷却水を上記外部熱交換器
   から上記熱交換部を経て上記エンジン冷却系に導くべく
   循環させる循環用ポンプを含む冷却水循環通路と、 該冷却水循環通路における上記外部熱交換器より上流側
   部分と上記外部熱交換器より下流側部分とを連結するバ
   イパス通路と、 上記冷却水循環通路もしくは上記バイパス通路に設けら
   れて、上記エンジン冷却系を通じた冷却水の温度が所定
   の値以下であるとき、該エンジン冷却系を通じた冷却水
   が上記バイパス通路を通じて上記熱交換部に導かれるよ
   うになす感温式切換弁と、 を具備して構成される排気熱回収装置を備えるエンジン
   の冷却装置。