JP4924083B2

JP4924083B2 - 内燃機関の排気熱回収装置

Info

Publication number: JP4924083B2
Application number: JP2007038827A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: JP2008202485A

Description

本発明は、排気ガスと冷却水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。

従来から、排気ガスと冷却水との間で熱交換を行い、排気熱を回収する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、内燃機関からの排気熱を冷却水により回収する排気熱回収器において、内燃機関停止直後に電動ポンプの駆動のタイミングを所定時間遅延させる技術が記載されている。

特開平２−１０４９５２号公報

ところで、冷却水の流量が適切な流量となっていない場合には、冷却不足による冷却水の沸騰や、冷却過剰による電動ポンプの燃費の悪化を招く恐れがある。しかしながら、特許文献１には、冷却水の流量については、特に検討がされていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷却水の流量の適切な制御を行うことが可能な内燃機関の排気熱回収装置を提供することを課題とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気通路上に配設され、内部を通過する冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行う排気熱回収器と、前記冷却水の循環を行う電動ポンプと、を有する内燃機関の排気熱回収装置は、ソーク中において、前記排気ガスの温度と、外気温度と、を基に、前記排気熱回収器における前記冷却水の水温を求め、求められた前記冷却水の水温を基に、前記冷却水の流量を制御する冷却水流量制御手段を備える。

上記の内燃機関の排気熱回収装置は、排気熱回収器を用いて冷却水と排気ガスとの熱交換を行うために好適に利用される。具体的には、排気熱回収装置は、排気熱回収器と、伝導ポンプと、冷却水流量制御手段と、を備える。排気熱回収器は、内燃機関の排気通路上に配設され、内部を通過する冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行う。電動ポンプは、冷却水の循環を行う。冷却水流量制御手段は、例えば、ＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ソーク中において、排気ガスの温度と外気温度とを基に、排気熱回収器における冷却水の水温を求め、当該冷却水の水温を基に冷却水の流量を制御する。これにより、ソーク中において、排気熱回収器における冷却水の沸騰を抑制することができる。
上記の内燃機関の排気熱回収装置において好適には、前記冷却水流量制御手段は、前記排気熱回収器の温度として前記排気ガスの温度を用いて、前記排気熱回収器における前記冷却水の水温を求める。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［冷却系システムの構成］
図１は、本発明の実施形態に係る排気熱回収装置が適用された冷却系システム１００の概略構成を示す図である。なお、図１においては、実線矢印が冷却水の流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。また、太線で表した実線は、冷却水が流れる通路（冷却水通路）を示している。

本実施形態に係る冷却系システム１００は、冷却水を用いてエンジン１の冷却を行うと共に、この冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって排気熱を回収し、エンジン１の暖機やヒータの熱源に利用するシステムである。この場合、冷却水は、冷却水通路７ａ、７ｂ、７ｃを通過することによって、エンジン１の冷却及び暖機などを行う。冷却水通路７ａ上には排気熱回収器２が設けられており、冷却水通路７ｂ上にはラジエータ３が設けられており、冷却水通路７ｃ上には電動ポンプ５が設けられている。なお、以下では、冷却水通路７ａ〜７ｃを区別しない場合には、単に冷却水通路７として用いるものとする。

エンジン（内燃機関）１は、供給される燃料と空気との混合気を燃焼させることによって動力を発生する装置である。例えば、エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどによって構成される。また、エンジン１は、ハイブリッド車両などに搭載される。

排気熱回収器２は、エンジン１からの排気ガスが通過する排気通路（不図示）上に設けられている。排気熱回収器２は、内部に冷却水が通過し、この冷却水と排気ガスの間で熱交換を行うことによって、排気熱を回収する。

ラジエータ３では、その内部を通過する冷却水が外気によって冷却される。この場合、電動ファン（不図示）の回転により導入された風によって、ラジエータ３内の冷却水の冷却が促進される。また、電動ポンプ（以下、「電動ＷＰ」と呼ぶ。）５は、電動式のモータを備えて構成され、このモータの駆動により冷却水を冷却水通路７内で循環させる。具体的には、電動ＷＰ５は、バッテリから電力が供給され、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ５によって回転数などが制御される。

サーモスタット４は、冷却水の水温に応じて開閉する弁によって構成される。基本的には、サーモスタット４は、冷却水の水温が高温となったときに開弁する。この場合、サーモスタット４を介して冷却水通路７ｂと冷却水通路７ｃとが接続され、冷却水はラジエータ３を通過することとなる。これにより、冷却水が冷却され、エンジン１のオーバーヒートが抑制される。これに対して、冷却水の水温が比較的低温である場合には、サーモスタット４は閉弁している。この場合には、冷却水はラジエータ３を通過しない。これにより、冷却水の水温低下が抑制されるため、エンジン１のオーバークールが抑制される。

ここで、排気熱回収器２の一例について、図２を参照して具体的に説明する。図２は、排気熱回収器２の概略構成を示す図である。図２は、主に、上記したエンジン１の排気系と排気熱回収器２とを示している。なお、実線矢印が排気ガス及び冷却水の流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。

排気熱回収器２は、エンジン１からの排気ガスが流通する排気通路１０上に設けられている。詳しくは、排気熱回収器２は、排気ガスを浄化する触媒１１の下流側の排気通路１０上に設置されている。

排気熱回収器２は、排気通路１０の外壁面を覆うように配設された冷却水通路１２を有している。例えば、冷却水通路１２は、排気通路１０を円筒状に囲む形状を有している。冷却水通路１２は、矢印Ｂ１で示すように冷却水通路７ａより冷却水が流入し、矢印Ｂ２で示すように冷却水通路７ａに対して冷却水を流出させる。

このような構造をとることにより、排気熱回収器２は、排気通路１０の壁面を介して、冷却水通路１２内の冷却水に対して、排気ガスの排気熱を伝達し、熱交換を実現する。

排気熱回収器２の排気ガスが流入する入口付近には、排気ガスの温度を検出する排気ガス温度センサ１３が取り付けられている。排気ガス温度センサ１３は、検出した温度に対応する検出信号Ｓ１３をＥＣＵ５０に供給する。

排気熱回収器２に冷却水が流入する入口付近の冷却水通路７ａには、冷却水の水温を検出する水温センサ１６ａが取り付けられている。水温センサ１６ａは、検出した水温に対応する検出信号Ｓ１６ａをＥＣＵ５０に供給する。また、排気熱回収器２の冷却水が流出する出口付近の冷却水通路７ａにも、冷却水の水温を検出する水温センサ１６ｂが取り付けられている。水温センサ１６ｂは、検出した水温に対応する検出信号Ｓ１６ｂをＥＣＵ５０に供給する。

排気熱回収器２の外部には、外部の温度（外気温度）を検出する外気温度センサ（不図示）が設けられる。外気温度センサは、検出した外気温度に対応する検出信号Ｓ１７をＥＣＵ５０に供給する。

ここで図１に戻り説明を続ける。ＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５０は、図示しないＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）などを備える。ＥＣＵ５０は、水温センサ１６ａ、１６ｂ、排気ガス温度センサ１３、外気温度センサから供給される検出信号などに基づいて、電動Ｗ／Ｐ５の制御を実行する。従って、ＥＣＵは、本発明における水流量制御手段として機能する。以下では、電動Ｗ／Ｐ５の具体的な制御方法について説明する。

（冷却水加温中における電動Ｗ／Ｐの制御方法）
まず、冷却水加温中における電動Ｗ／Ｐの制御方法について述べる。エンジン１が始動すると、エンジン１より排出された排気ガスが、排気通路１０及び触媒１１を通って、外部へ排出される。排気ガスが排気熱回収器２を通過する際、当該排気ガスの排気熱が排気通路１０の壁面を介して、冷却水通路１２内の冷却水に伝達する。これにより、冷却水通路１２内を流れる冷却水は、加温される。加温された冷却水は、電動Ｗ／Ｐ５の駆動により、冷却水通路７を循環し、エンジン１の暖機やヒータの熱源に利用される。冷却水の加温は、冷却水が所定の水温（例えば８０℃）になるまで行われる。

冷却水が排気熱回収器２で加温される場合において、当該冷却水の流量は、排気熱回収器２で当該冷却水により回収される熱量が最大となる流量（最適流量）となるのが望ましい。なぜなら、冷却水の流量が最適流量よりも小さければ、冷却水の水温は上昇して、冷却水が沸騰する恐れがあり、また、冷却水の流量が最適流量よりも大きければ、冷却水の水温は低下して、電動Ｗ／Ｐ５の燃費の悪化を招く恐れがあるからである。

本発明の排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、排気ガスの温度と、排気熱回収器２における冷却水の水温と、外気温度と、を基に、冷却水の流量を制御する。これにより、冷却水の適切な制御、具体的には、冷却水の沸騰や冷却水の水温低下を抑えることの可能な制御を行うことができる。以下で具体的に述べる。

図３は、図２に排気熱回収器２の一部２０を拡大した模式図である。図３の矢印は、排気ガスの排気熱の伝達する方向を示している。具体的には、排気熱は、排気ガスから排気通路１０の壁面、即ち、排気熱回収器２へ伝達し、排気熱回収器２から冷却水へ伝達し、冷却水から外部へと伝達する。

図３において、排気ガスの熱容量をＭｃｇ、排気ガスの温度をＴｇ、排気熱回収器２の熱容量をＭｃｓ、排気熱回収器２の温度をＴｓ、冷却水の熱容量をＭｃｗ、排気熱回収器２における冷却水の水温（冷却水通路１２における冷却水の水温）をＴｗ、外部の温度（外気温度）をＴａとする。ここで、熱容量の単位はｋＪ／Ｋであり、温度の単位はＫである。

排気ガスから排気熱回収器２へ移動する熱量をＱｇｓ、排気熱回収器２から冷却水へ移動する熱量をＱｓｗ、冷却水から外部へ移動する熱量をＱｗａとすると、これらの熱量は、以下の式（１）〜（３）より求められる。

上記の式（１）〜（３）において、Ｋｇｓは、排気ガスと排気熱回収器２の間の熱伝達係数であり、Ｋｓｗは、排気熱回収器２と冷却水の間の熱伝達係数であり、Ｋｗａは、冷却水と外部との間の熱伝達係数である。なお、熱伝達係数の単位はＷ／Ｋである。

また、冷却水の流量をＦｌｗ、冷却水の比熱をＣｗ、排気熱回収器２の冷却水が流入する入口の水温をＴｗ１、排気熱回収器２の冷却水が流出する出口の水温をＴｗ２とすると、以下の式（４）が成立する。

このＱｓｗ−Ｑｗａが、冷却水により回収される最大熱量である。

さらに、熱力学の第１法則より、以下の式（５）が求められる。

上記の式（５）において、右辺は、熱量Ｑｗａの温度Ｔに対する積分を示している。

ＥＣＵ５０は、上記の式（１）、（２）、（４）に対して、温度Ｔｗ１、Ｔｗ２、Ｔｗ、Ｔｇ、Ｔａを代入し、冷却水により回収される熱量が最大熱量Ｑｓｗ−Ｑｗａとなるときの冷却水の流量Ｆｌｗを求める。この冷却水の流量Ｆｌｗが冷却水の最適流量となる。ＥＣＵ５０は、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水の流量を流量Ｆｌｗに調整する。このようにすることで、冷却水は、排気熱回収器２において、最大熱量Ｑｓｗ−Ｑｗａを回収することができる。以下では、温度Ｔｗ１，Ｔｗ２、Ｔｗ、Ｔｇ、Ｔａの求め方について具体的に述べる。

ＥＣＵ５０は、冷却水が加温中の状態にある場合、水温センサ１６ａより供給された検出信号Ｓ１６ａを基に、排気熱回収器２の冷却水が流入する入口の水温Ｔｗ１を求めることができる。また、ＥＣＵ５０は、水温センサ１６ｂより供給された検出信号Ｓ１６ｂを基に、排気熱回収器２の冷却水が流出する出口の水温Ｔｗ２を求めることができる。

冷却水が加温されている状態にあるときは、冷却水は冷却水通路７及び冷却水通路１２を循環している。従って、このときの排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗ（冷却水通路１２における冷却水の水温）は、Ｔｗ１とＴｗ２の平均値（Ｔｗ＝（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２）と略等しいとみなすことができる。従って、ＥＣＵ５０は、排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗ＝（Ｔｗ１＋Ｔｗ２）／２として求める。

また、ＥＣＵ５０は、排気ガス温度センサ１３より供給された検出信号Ｓ１３を基に、排気ガスの温度Ｔｇを求めることができる。また、外気温度を検出する外気温度センサより供給された検出信号Ｓ１７を基に、外気温度Ｔａを求めることができる。なお、排気ガスの温度Ｔｇについては、排気ガス温度センサ１３を用いて計測する代わりに、排気ガス量を基に推定するとしても良い。

以上に述べたことから分かるように、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、冷却水が加温中の状態にある場合には、排気ガスの温度と、冷却水の水温と、外気温度と、を基に、排気熱回収器２で冷却水により回収される熱量が最大となる最適流量を求め、冷却水の流量を当該最適流量に調節する。このようにすることで、排気熱を効率的に回収することができ、燃費の悪化を防ぐことができる。

（ソーク中における電動Ｗ／Ｐの制御方法）
次に、ソーク中における電動Ｗ／Ｐの制御方法について述べる。先に述べたように、水温センサ１６ａは、排気熱回収器２の冷却水が流入する入口付近に取り付けられ、水温センサ１６ｂは、排気熱回収器２の冷却水が流出する出口付近に取り付けられている。また、ソーク中において、基本的には電動Ｗ／Ｐは作動しない。そのため、冷却水が冷却水通路７を循環する冷却水加温中の場合とは異なり、ソーク中における冷却水の流量は、基本的には概ね０となっている。つまり、冷却水が循環していないため、排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗ（冷却水通路１２における冷却水の水温）は、排気熱回収器２の冷却水が流入する入口の水温Ｔｗ１、出口の水温Ｔｗ２と大きく異なっている可能性が高い。

従って、ソーク中において、排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗを、排気熱回収器２の冷却水が流入する入口の水温Ｔｗ１、出口の水温Ｔｗ２の平均値として求めても、求められた水温Ｔｗは、排気熱回収器２における冷却水の実際の水温とは大きく異なっている可能性が高い。

このことから、ＥＣＵ５０が、ソーク中の冷却水の沸騰抑制のために、水温センサ１６ａ、１６ｂの出力に基づいて、電動Ｗ／Ｐ５を制御すると、冷却水が沸騰しないときに電動Ｗ／Ｐ５を作動させたり、冷却水が沸騰するときに電動Ｗ／Ｐ５を作動させなかったりするといった問題が発生する。

そこで、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、ソーク中において、上述の式（１）、（５）に、排気ガスの温度Ｔｇ、外気温度Ｔａ、排気熱回収器２の温度Ｔｓを代入することで、排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗを求めることとする。ここで、ソーク中とは、ホットソークとデッドソークの両方を含むものとする。本実施形態に係る排気熱回収装置では、デッドソークの場合においても、電動Ｗ／Ｐ５は、バッテリから電源が供給されて駆動可能とされているものとする。以下では、温度Ｔｓ、Ｔｇ、Ｔａの求め方について具体的に述べる。

先に述べたのと同様、排気ガスの温度Ｔｇは、排気ガス温度センサ１３より供給された検出信号Ｓ１３を基に求められ、外気温度Ｔａは、外気温度を検出する温度センサ（不図示）より供給された検出信号Ｓ１７を基に求められる。

排気熱回収器２の温度Ｔｓは、エンジン１が停止した直後では、排気ガスの温度Ｔｇとほぼ等しいとみることができる。そこで、ここでは、温度Ｔｓ＝温度Ｔｇとする。なお、排気熱回収器２の温度Ｔｓは、このようにして求める代わりに、排気熱回収器２を温度センサで直接計測することで求められるとしてもよい。

このように、ＥＣＵ５０は、ソーク中において、式（１）、（５）に、排気ガスの温度Ｔｇ、外気温度Ｔａ、排気熱回収器２の温度Ｔｓを代入することで、排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗを求める。これにより、排気熱回収器２における冷却水の水温Ｔｗをより正確に求めることができる。ＥＣＵ５０は、このようにして求められた冷却水の水温Ｔｗに基づいて、沸騰抑制に必要な流量を推定する。そして、ＥＣＵ５０は、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水の流量を推定した流量に制御する。これにより、ソーク中において、排気熱回収器２における冷却水の沸騰を抑制することができる。

以上に述べたことをまとめると、ＥＣＵ５０は、ソーク中において、排気ガスの温度と、外気温度と、を基に、排気熱回収器２における冷却水の水温を求め、求められた冷却水の水温を基に、冷却水の流量を制御する。これにより、排気熱回収器２における冷却水の沸騰を抑制することができる。

排気熱回収装置が適用された冷却系システムの概略構成を示す図である。排気熱回収器の概略構成を示す図である。排気熱回収器の一部を拡大した模式図である。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
２排気熱回収器
３ラジエータ
４サーモスタット
５電動ポンプ（電動ＷＰ）
６水温センサ
７、１２冷却水通路
１０排気通路
１１触媒
１３排気ガス温度センサ
１６ａ、１６ｂ水温センサ
５０ＥＣＵ
１００冷却系システム

Claims

内燃機関の排気通路上に配設され、内部を通過する冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行う排気熱回収器と、前記冷却水の循環を行う電動ポンプと、を有する内燃機関の排気熱回収装置であって、
ソーク中において、前記排気ガスの温度と、外気温度と、を基に、前記排気熱回収器における前記冷却水の水温を求め、求められた前記冷却水の水温を基に、前記冷却水の流量を制御する冷却水流量制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。
前記冷却水流量制御手段は、前記排気熱回収器の温度として前記排気ガスの温度を用いて、前記排気熱回収器における前記冷却水の水温を求め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。