JP5609843B2 - エンジンの排気熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの排気熱利用装置に関する。

循環させる熱の輸送媒体で排気から熱を回収し、蒸気化させて加温対象に放熱する輸送媒体循環型のエンジンの排気熱利用装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１６９７５０号公報

輸送媒体循環型のエンジンの排気熱利用装置では、エンジンの暖機部位（例えばクランクキャップ）を加温対象にすることができる。ところがこの場合、エンジンの暖機が進むと、排気から熱を回収し輸送媒体を蒸気化しても、蒸気化した輸送媒体から暖機部位への放熱が行われなくなる結果、輸送媒体の循環経路内の圧力が上昇し、破損を招く虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、熱の輸送媒体を循環させる循環経路内の圧力の上昇を抑制でき、さらには暖機部位を好適に加温可能なエンジンの排気熱利用装置を提供することを目的とする。

本発明はエンジンの排気と熱の輸送媒体との間で熱交換を行うことで排気から熱を回収し、輸送媒体を蒸気化する排気熱回収器と、前記排気熱回収器から前記エンジンの暖機部位に蒸気化した輸送媒体を供給する供給配管と、前記暖機部位に供給した輸送媒体を前記排気熱回収器に戻す戻り配管と、前記戻り配管に設けられ、輸送媒体の流通を制御する制御弁と、遅くとも前記エンジンの暖機が完了した状態で前記制御弁を閉弁するように制御する制御部と、前記エンジンの停止後、前記暖機部位の温度に応じて前記暖機部位が輸送媒体から受熱可能な熱量を算出する算出部と、を備え、前記制御部が前記エンジンの停止後、前記算出部が算出する熱量に応じて前記制御弁を開閉するエンジンの排気熱利用装置である。

本発明によれば、熱の輸送媒体を循環させる循環経路内の圧力の上昇を抑制でき、さらには加温対象を好適に加温できる。

エンジンの排気熱利用装置の全体構成を示す図である。 ＥＣＵの制御動作をフローチャートで示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はエンジンの排気熱利用装置（以下、単に排気熱利用装置と称す）１の全体構成を示す図である。図１（ａ）は上面視で全体構成を示し、図１（ｂ）は側面視で全体構成を示す。排気熱利用装置１は暖機装置１０とＥＣＵ５０とを備えている。暖機装置１０は排気熱回収器１１と供給配管１２と戻り配管１３と制御弁１４とタンク１５と分岐供給配管１６と合流戻り配管１７とを備えている。暖機装置１０には熱の輸送媒体（例えばＨ_２Ｏ）が封入されている。

排気熱回収器１１は熱交換器であり、エンジン２０の排気管２５に設けられている。排気熱回収器１１は気室Ｒ１と液室Ｒ２とに内部を区分するウィック部１１ａを備えている。気室Ｒ１は供給配管１２側に配置されており、液室Ｒ２は戻り配管１３側に配置されている。ウィック部１１ａは多孔質の構造体であり、毛細管現象によって液相状態にある輸送媒体を液室Ｒ２から取り込み、保持する。この点、暖機装置１０内は液室Ｒ２の輸送媒体が使用環境下で液相状態になるように例えば１０ｋＰａ以下に減圧されている。ウィック部１１ａに保持された輸送媒体は排気の熱によって蒸発し、蒸気となって気室Ｒ１に流入する。排気熱回収器１１は、このようにして排気と輸送媒体との間で熱交換を行うことで排気から熱を回収し、輸送媒体を蒸気化する。

供給配管１２は排気熱回収器１１からエンジン２０に蒸気化された輸送媒体である蒸気を供給する。供給された蒸気はエンジン２０で熱を放出するとともに凝縮する。そして、凝縮した輸送媒体は戻り配管１３を介して排気熱回収器１１に戻る。この点、排気熱回収器１１は戻り配管１３とともにエンジン２０から重力の作用によって凝縮した輸送媒体を戻すことができるように設けられている。

エンジン２０のうち、蒸気が供給される部分は具体的にはクランクキャップとなっている。そして、クランクキャップはエンジン２０の暖機部位となっている。暖機部位はエンジン２０の暖機進行に応じて温度が上昇する部位であり、例えばエンジン２０の暖機進行に応じてフリクションロスの低減効果が得られる部位を暖機部位とすることができる。

制御弁１４は戻り配管１３に設けられている。制御弁１４は戻り配管１３を流通する輸送媒体の流通を制御する。タンク１５は戻り配管１３のうち、制御弁１４よりも上流側の部分に設けられている。タンク１５は凝縮した輸送媒体を貯留する。戻り配管１３のうち、制御弁１４からタンク１５までの区間はクランクキャップに隣接して設けられている。この区間には制御弁１４閉弁時に輸送媒体が滞留する。分岐供給配管１６は供給配管１２から熱交換器３０に分岐接続されている。合流戻り配管１７は熱交換器３０から戻り配管１３に合流接続されている。熱交換器３０は空気と輸送媒体との間で熱交換を行うことで、空気を暖める即効暖房用の熱交換器となっている。

分岐供給配管１６は供給配管１２から蒸気の一部を熱交換器３０に供給する。合流戻り配管１７は熱交換器３０で熱を放出し、凝縮した輸送媒体を戻り配管１３に供給することで、排気熱回収器１１に戻す。合流戻り配管１７から戻り配管１３には凝縮した輸送媒体が重力の作用によって供給される。合流戻り配管１７は具体的には戻り配管１３のうち、制御弁１４よりも上流側の部分に接続されている。この部分はさらに具体的にはタンク１５よりも下流側の部分となっている。暖機装置１０にはクランクキャップの暖機と即効暖房とに必要な分（ここでは１５０ｃｃ）だけ輸送媒体が封入されている。

ＥＣＵ５０は電子制御装置であり、ＥＣＵ５０には制御弁１４が制御対象として電気的に接続されている。また、ＥＣＵ５０にはエンジン２０の冷却水温ＴＨＷを検出するための水温センサ４１やイグニッションＳＷ（ＩＧＳＷ）４２が電気的に接続されている。ＥＣＵ５０ではＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、例えば以下に示す制御部や算出部が機能的に実現される。

制御部は遅くともエンジン２０の暖機が完了した状態で制御弁１４を閉弁するように制御する。遅くともエンジン２０の暖機が完了した状態で制御弁１４を閉弁するにあたり、制御部はエンジン２０停止後から暖機が完了した状態になるまでの間に制御弁１４を閉弁するように制御することができる。この点、制御部は具体的にはエンジン２０の停止後に制御弁１４を開閉（開弁および閉弁）することで、制御弁１４を閉弁する。

算出部はエンジン２０の停止後にクランクキャップの温度に応じてクランクキャップが輸送媒体から受熱可能な熱量Ｑを算出する。熱量Ｑは例えば次の式（１）で算出できる。
Ｑ＝Ｃｐ×Ｍ×（Ｔｃａｐ−ＴＨＷ）・・・（１）
ここで、Ｃｐはクランクキャップの比熱、Ｍはクランクキャップの質量、Ｔｃａｐはクランクキャップの暖機後の温度であり、これらは予め把握されている。式（１）では冷却水温ＴＨＷがクランプキャップを含むエンジン２０全体の温度を代表的に示すものとして、クランクキャップの温度の代わりに用いられている。

算出部が熱量Ｑを算出するのに対し、制御部はさらに具体的にはエンジン２０の停止後に熱量Ｑに応じて制御弁１４を開閉する。そして、制御部は熱量Ｑに応じて制御弁１４を開閉することで、熱量Ｑ分の熱をクランクキャップに輸送するのに必要な分だけ排気熱回収器１１に輸送媒体を供給する。このように輸送媒体を供給するにあたり、算出部と制御部とは具体的にはさらに以下に示すように実現される。

すなわち、算出部は熱量Ｑと輸送媒体の気化潜熱とに基づき、熱量Ｑ分の熱をクランクキャップに輸送するのに必要な輸送媒体量Ｗを算出するとともに、算出した輸送媒体量Ｗと制御弁１４開弁時の輸送媒体の流量とに基づき、算出した輸送媒体量Ｗを排気熱回収器１１に供給するのに必要な開弁時間Ｔを算出する。そして、制御部は算出部が算出した開弁時間Ｔ分だけ制御弁１４を開弁することで、制御弁１４を開閉する。

エンジン２０の停止後に熱量Ｑを算出するにあたり、算出部は具体的には熱量Ｑを常時算出する。そして、制御弁１４が滞留させていた輸送媒体がなくなるか、エンジン２０が再始動するまでの間、熱量Ｑを算出し続ける。この場合、算出部は熱量Ｑを新たに算出する毎に前回算出した輸送媒体量Ｗと開弁時間Ｔとを更新する。算出部は例えば所定の時間間隔毎や、エンジン２０の再始動時など適宜のタイミングで熱量Ｑを算出してもよい。

次にＥＣＵ５０の制御動作について図２に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートはエンジン２０停止後に開始される。ＥＣＵ５０は熱量Ｑを算出する（ステップＳ１）。また、輸送媒体量Ｗを算出するとともに（ステップＳ２）、開弁時間Ｔを算出する（ステップＳ３）。輸送媒体量Ｗは具体的には熱量Ｑを輸送媒体の気化潜熱で割ることで算出できる。また、開弁時間Ｔは輸送媒体量Ｗを制御弁１４開弁時の輸送媒体の流量で割ることで算出できる。

続いてＥＣＵ５０は制御弁１４を開弁する（ステップＳ４）。そして、開弁時間Ｔの経過後、制御弁１４を閉弁する（ステップＳ５）。これにより、エンジン２０の停止後に熱量Ｑに応じて制御弁１４が開閉される。ステップＳ５に続き、ＥＣＵ５０は制御弁１４が滞留させていた輸送媒体がなくなるか否かを判定する（ステップＳ６）。制御弁１４が滞留させていた輸送媒体がなくなるか否かは例えば算出された輸送媒体量Ｗが暖機装置１０の輸送媒体封入量と等しいか否か（或いは同等であるか否か）で判定できる。

ステップＳ６で否定判定であれば、ＥＣＵ５０はエンジン２０が再始動したか否かを判定する（ステップＳ７）。否定判定であれば、ステップＳ１に戻る。これにより、エンジン２０の停止後に制御弁１４が滞留させていた輸送媒体がなくなるか、エンジン２０が再始動するまでの間、熱量Ｑが常時算出される。一方、ステップＳ６またはＳ７で肯定判定であれば、本フローチャートを終了する。

次に排気熱利用装置１の作用効果について説明する。排気熱利用装置１は遅くともエンジン２０の暖機が完了した状態で制御弁１４を閉弁するように制御する。そしてこれにより、排気熱回収器１１への輸送媒体の供給を停止することで、蒸気化した輸送媒体からクランクキャップへの放熱が現に行われない場合や行われなくなる場合に蒸気が引き続き生成されることを抑制する。このため、排気熱利用装置１は輸送媒体の循環経路内の圧力が上昇することを抑制できる。

排気熱利用装置１はエンジン２０の停止後、クランクキャップの温度に応じて熱量Ｑを算出するとともに、熱量Ｑに応じて制御弁１４を開閉する。このため、排気熱利用装置１はエンジン２０の再始動に備えてクランクキャップの暖機に必要となる分だけ、排気熱回収器１１に輸送媒体を供給することで、蒸気化した輸送媒体からクランクキャップへの放熱が行われなくなる場合に蒸気が生成されること自体を防止できる。

そしてこれにより、輸送媒体の循環経路内の圧力が上昇することを抑制しつつ、クランクキャップの暖機を最大限促進できる点で、クランクキャップの暖機も好適に促進できる。またこれにより、例えば暖機状態にあるエンジン２０が停止後、すぐに再始動されたような場合には蒸気が生成されないようにすることができる。

排気熱利用装置１は戻り配管１３のうち、制御弁１４からタンク１５までの区間をクランクキャップに隣接して設けている。このため、排気熱利用装置１はエンジン２０の停止時に輸送媒体が凍結する虞がある場合でも、制御弁１４によって滞留されている輸送媒体の凍結を遅らせることができる。そしてこれにより、例えばエンジン２０の再始動時に制御弁１４を開閉する場合であっても、輸送媒体が凍結によって排気熱回収器１１に供給されない結果、クランクキャップを暖機できなくなる事態を回避し易くすることができる。この点、排気熱利用装置１は例えば戻り配管１３のうち、制御弁１４からタンク１５までの区間に断熱材を設けて断熱性を高めることでも、制御弁１４によって滞留されている輸送媒体の凍結を遅らせることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

排気熱利用装置 １
暖機装置 １０
排気熱回収器 １１
供給配管 １２
戻り配管 １３
制御弁 １４
エンジン ２０
ＥＣＵ ５０

Claims (1)

1. エンジンの排気と熱の輸送媒体との間で熱交換を行うことで排気から熱を回収し、輸送媒体を蒸気化する排気熱回収器と、
   前記排気熱回収器から前記エンジンの暖機部位に蒸気化した輸送媒体を供給する供給配管と、
   前記暖機部位に供給した輸送媒体を前記排気熱回収器に戻す戻り配管と、
   前記戻り配管に設けられ、輸送媒体の流通を制御する制御弁と、
   遅くとも前記エンジンの暖機が完了した状態で前記制御弁を閉弁するように制御する制御部と、
   前記エンジンの停止後、前記暖機部位の温度に応じて前記暖機部位が輸送媒体から受熱可能な熱量を算出する算出部と、を備え、
   前記制御部が前記エンジンの停止後、前記算出部が算出する熱量に応じて前記制御弁を開閉するエンジンの排気熱利用装置。

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