JP6443728B2 - エンジンの排熱回収システム - Google Patents

Description

本開示は、エンジンの排気ガスの熱を回収する排熱回収システムに関する。

従来から、ＥＧＲクーラを用いて回収される排気ガスの熱を利用して、エンジンの暖機を促進するシステムが提案されている。例えば、特許文献１〜２には、暖機運転時（暖機時）には水冷ＥＧＲクーラを通過するよう排気ガスを制御し、排気ガスの熱を利用してエンジン冷却水の昇温を行うことでエンジンの暖機を迅速に行うことが開示されている。

より詳細には、特許文献１では、通路切替手段により排気ガスの流路を切替ることで水冷ＥＧＲクーラに排気ガスが流れるよう制御することにより、エンジン冷却水の昇温を行っている。特許文献１では、昇温されたエンジン冷却水をオイルクーラにも通過させることで、エンジンオイルの昇温も行っている。また、特許文献１では、ＥＧＲクーラを通過した排気ガスの大部分は排気通路に戻されており、ＥＧＲバルブの開度に応じた量の排ガスのみがＥＧＲガスとして吸気通路に再循環されている。

特許文献２でも、エンジン暖機時には排気ガスを水冷ＥＧＲクーラに通過させることで排ガスの熱を冷却水に与えており、三方弁であるＥＧＲバルブによって、吸気管側へ排気ガスを再循環させることなく排気管へ流通させている。

一方、特許文献３には、エンジンの小型化のための冷却水通路の配置について開示されている。この冷却水通路は、シリンダブロック内のウォータジャケットに冷却水を供給するためのものであり、冷却水通路は、シリンダブロックを吸気側から排気側に亘って貫通して形成されている。そして、ＥＧＲクーラは、シリンダブロックから離されて設けられており、シリンダブロックの排気側において、シリンダブロック内部を貫通する冷却水通路に曲管を介して連通されている。

特開２０１３−２４５５６３号公報 特開２００６−５７４６０号公報 特開２０１２−２１６４号公報

しかし、特許文献１〜２が開示するエンジンの排熱回収システムは、ＥＧＲクーラを利用して昇温するのはエンジン冷却水である。つまり、昇温された冷却水によりエンジンの暖機を行うものであり、回収した排熱をより効率的に暖機に利用することが望まれる。また、特許文献１〜２では専用の配管を新たに設けており、コストの増大と共に、設置スペース上の制約を受けるおそれが懸念される。

一方、特許文献３は、エンジンの小型化を図るための技術であり、排熱回収についての記載は一切ない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、コストの増大を抑制しつつ、エンジンの暖機を効率的に行う排熱回収システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るエンジンの排熱回収システムは、
排気ガスの少なくとも一部であるＥＧＲガスを排気通路から吸気通路へ再循環させるよう構成されたＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に設けられると共に、シリンダブロックに内蔵または直付けされることによりシリンダライナの下部に設けられる熱交換のための水冷ＥＧＲクーラと、
前記排気通路から前記ＥＧＲ通路へ分岐する分岐点より下流に設けられ、開度が調整可能に構成された排気シャッターと、
暖機時には、前記排気シャッターの前記開度を閉側に制御することにより前記水冷ＥＧＲクーラへの前記ＥＧＲガスの流量を調整し、暖機後には、前記排気シャッターの前記開度を開側に制御するよう構成された制御装置と、を備える。

上記（１）の構成によれば、暖機時には、排気シャッターの前記開度は閉側（全閉を含む）に制御されるので、ＥＧＲガスは、シリンダブロックに内蔵（一部内蔵を含む）または直付けされることによりシリンダライナの下部に設けられる水冷ＥＧＲクーラへ導入される。このため、水冷ＥＧＲクーラに導入されるＥＧＲガスの熱（排熱）をより直接的に暖機に利用（回収）することができ、エンジン（エンジンオイル）の暖機を効率的に迅速に行うことができる。しかも、暖機を促進するために大量のＥＧＲガスが水冷ＥＧＲクーラに導入された場合であっても、水冷ＥＧＲクーラはシリンダヘッド側ではないシリンダライナ下部に設置されているので、燃焼室へのＥＧＲガスの熱の影響は抑制される。このように、燃焼室温度への影響を抑制しながら水冷ＥＧＲクーラによるエンジンの暖機が促進されるため、ノッキングの発生を抑制しながら暖機を迅速に行うことができる。さらに、水冷ＥＧＲクーラは、シリンダブロックに内蔵または直付けして設置されることで、エンジンの排熱回収システムやＥＧＲ装置を含むエンジンの小型化も行うことができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
エンジンのウォータジャケットから前記水冷ＥＧＲクーラに冷却媒体を導くよう構成されている冷却媒体通路と、
前記冷却媒体通路から前記水冷ＥＧＲクーラへの前記冷却媒体の流量を制御するよう構成されている流量制御弁と、を備え、
前記制御装置は、前記シリンダライナの温度に基づいて前記流量制御弁の開度を調整するよう構成されている。
上記（２）の構成によれば、シリンダライナの温度に基づいて、冷却媒体通路を介して導入されるウォータジャケットの冷却媒体の流量が制御される。これによって、水冷ＥＧＲクーラ（ＥＧＲガス）によるシリンダライナの過昇温を回避しながら、エンジンの暖機を迅速に行うことができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記ウォータジャケットと前記水冷ＥＧＲクーラは接しないよう構成されている。
上記（３）の構成によれば、水冷ＥＧＲクーラとウォータジャケットが直接接触しないことで、水冷ＥＧＲクーラによるウォータジャケット内の冷却媒体の昇温が防止される。これによって、水冷ＥＧＲクーラによって昇温された冷却媒体がシリンダヘッド側に流れることによる燃焼室の昇温が防止され、ノッキングの発生を抑制することができる。
により、シリンダライナの過昇温を効果的に防止できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）または（３）の構成において、
前記制御装置は、暖機後は、前記ＥＧＲガスの冷却のために前記流量制御弁の開度を調整するよう構成されている。
上記（４）の構成によれば、ＥＧＲガスの冷却のために流量制御弁が制御されることで、暖機時には排熱回収を行うと共に、暖機後は、排気ガス中の窒素酸化物の低減などの本来的なＥＧＲの動作において水冷ＥＧＲクーラをＥＧＲガスの冷却に用いることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）のいずれかの構成において、
前記制御装置は、前記シリンダライナの温度に基づいて、前記排気シャッターの開度を調整するよう構成されている。
上記（５）の構成によれば、例えば、排気シャッターの開度を開側に調整することでＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量が減少するので、シリンダライナの過昇温の防止を効果的に行うことができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（２）〜（５）のいずれかの構成において、
暖機時において、前記水冷ＥＧＲクーラへ導入された前記ＥＧＲガスは前記ＥＧＲ通路により前記吸気通路へ導入されると共に、スロットルバルブの開度を大きくするよう構成されている。
上記（６）の構成によれば、不活性ガスであるＥＧＲガスが吸気通路に導入されているため、スロットルバルブの開度を通常よりも大きくしても、エンジンに吸入される空気（酸素を含む活性ガス）の増加は低減される。これによって、スロットルバルブを絞ることにより生じるポンピングロスを低減することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）のいずれかの構成において、
前記シリンダライナは、シリンダヘッドよりも熱伝導率が大きい材料によって形成されている。
上記（７）の構成によれば、水冷ＥＧＲクーラより回収される排熱がシリンダヘッドに伝わることをさらに抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の構成において、
前記ＥＧＲ通路は、触媒よりも下流の前記排気通路から前記吸気通路へ再循環させるよう構成されている。
上記（８）の構成によれば、触媒の暖機を優先しながら、エンジンの暖機を促進することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、コストの増大を抑制しつつ、ノッキングの発生を抑制しながらエンジンの迅速な暖機を行う排熱回収システムが提供される。

本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１の構成を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１における、水冷ＥＧＲクーラがシリンダブロックの下部に設置されたシリンダブロックを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１における、水冷ＥＧＲクーラが内蔵されたエンジンを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１における、水冷ＥＧＲクーラが直付けされたエンジンを模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１において、排熱回収と共に、シリンダライナの過昇温を防止する構成を示す模式図である。 幾つかの実施形態における、シリンダライナ２２の昇温制御のフローを示す図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１において、排熱回収と共に、ポンピングロスを低減するための構成を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収システム１の構成を模式的に示す図である。図１では、１つのシリンダ２１（気筒）の位置におけるエンジン２の断面が示されており、図１に示されるように、エンジンの排熱回収システム１は、シリンダライナ２２やシリンダブロック２３などから構成されるエンジン２と、吸気通路３、排気通路４、排気通路４に設けられる排気シャッター４４、ＥＧＲ通路５、水冷ＥＧＲクーラ５２（以下、単に、ＥＧＲクーラ５２）、排気シャッター４４などを制御する制御装置６とを備える。

エンジン２は、シリンダ２１とピストン（不図示）からなる構造を少なくとも１つ含んでいる。そして、シリンダブロック２３とシリンダヘッド２４とによりシリンダ２１は形成されている。すなわち、シリンダブロック２３の内部にはシリンダ２１のための筒構造が少なくとも１つ備えられている。一方、シリンダヘッド２４は、シリンダブロック２３の筒構造の数と同数の凹構造を備えており（シリンダヘッド２４内の図示は省略）、シリンダブロック２３の上に配置されることで筒構造と凹構造が対応してシリンダ２１が形成される。そして、シリンダヘッド２４の凹構造によって燃焼室が形成される。なお、シリンダブロック２３とシリンダヘッド２４との結合端面にはガスケットが挟みこまれていてもよく、シリンダブロックにクランクケース（不図示）が一体的に形成されていてもよい。

シリンダライナ２２は、シリンダブロック２３内部の筒構造にはめ込まれている。このシリンダライナ２２によってシリンダボアが形成されており、ピストン（不図示）はシリンダボアに摺動自在に設置される。また、図１に示されるように、シリンダブロック２３のシリンダライナ２２の外周にはウォータジャケット２５が形成されている。

吸気通路３と排気通路４はシリンダヘッド２４の各シリンダ２１に接続される。具体的には、シリンダヘッド２４の凹構造（燃焼室）毎に設けられる吸気ポートと排気ポートを介して各シリンダ２１に接続されている。そして、吸気通路３は、エンジン２の各シリンダ２１に空気を導くための通路であり、吸気ダクトや吸気管、シリンダ２１毎に空気を分ける吸気マニホールドなどを有している。一方、排気通路４は、各シリンダ２１からの燃焼ガス（排気ガス）を排出するための通路であり、各シリンダ２１からの排気を束ねる排気マニホールド、排気管、触媒４６などを有している。

また、排気通路４には、後述するＥＧＲ通路５が設けられると共に、ＥＧＲ通路５の下流の排気通路４内には排気シャッター４４が設けられている。排気シャッター４４は、ＥＧＲ通路５を流れる排気ガスの流量を制御するもので、排気シャッター４４の開度は制御装置６（後述）によって制御される。具体的には、制御装置６によって、暖機時（暖機運転時）には、ＥＧＲガス５３をＥＧＲ通路５に導入するために、排気シャッター４４の開度は全閉を含む閉じ側に制御される。また、暖機終了後など暖機時以外の場合には全開を含む開側に排気シャッター４４は制御される。そして、排気シャッター４４が閉じ側に制御されることにより、排気通路４を流れてきた排気ガスはＥＧＲ通路５を通ってＥＧＲクーラ５２の方向へ流れる。

このように排気シャッター４４を制御する制御装置６は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）で構成されても良い。そして、暖機運転の必要性を判定しても良く、暖機時か否かに応じて排気シャッター４４の開度を制御する。なお、制御装置６は、エンジン２の運転状態（エンジン回転数やエンジン負荷等）に基づいて点火制御や燃料制御を行うエンジン制御ＥＣＵであっても良い。エンジン制御ＥＣＵなどからの命令を受けて、制御装置６は排気シャッター４４の制御を行っても良い。また、暖機時や暖機終了などの判定は、冷却水などのエンジン冷却媒体の温度やエンジンオイルの温度の少なくとも一方により判定しても良いし、シリンダライナ２２の温度を判断するためにシリンダライナ２２やシリンダブロック２３にセンサ２８（後述）を設けている場合には、このセンサ２８を用いて判定しても良い。

ＥＧＲ通路５は、排気ガスの少なくとも一部であるＥＧＲガス５３を排気通路４から吸気通路３へ再循環させる通路である。すなわち、図１に示されるように、排気通路４には分岐部４３が設けられており、排気通路４の分岐部４３とＥＧＲ通路５の一端とが接続されている。一方で、吸気通路３にも連結部３３が設けられており、この吸気通路３の連結部３３とＥＧＲ通路５の他端とが接続されている。そして、周知のように、ＥＧＲ弁５４などを制御することにより、必要に応じてＥＧＲ通路５を通ってＥＧＲガス５３（排気ガス）が吸気通路３へ再循環され、ＥＧＲガス５３が空気と共にエンジン２に供給されることで、排気ガスの窒素酸化物の低減等が図られている。

また、このＥＧＲ通路５には、ＥＧＲガス５３と熱交換をするためのＥＧＲクーラ５２が設けられている。すなわち、再循環されるＥＧＲガス５３（排気ガス）は高温であるため、そのまま吸気に混合されてエンジン２に供給されると、空気の充填効率を低減させてしまう。これによって、エンジン性能の低下や燃焼温度の上昇による窒素酸化物の増加が引き起こされる。このような状況を防止するため、ＥＧＲクーラ５２によって、吸気に混合される前にＥＧＲガス５３を冷却するよう構成されている。具体的には、冷却媒体が供給されることによりＥＧＲクーラ５２は冷却されている。そして、冷却媒体によって低温側にあるＥＧＲクーラ５２と、高温のＥＧＲガス５３との間で熱交換が行われることで、ＥＧＲガス５３が冷却される。

なお、ＥＧＲクーラ５２へ供給される冷却媒体は、エンジンの冷却水でも良い。この場合には、ＥＧＲクーラ５２は、シリンダブロック２３の下部であって、エンジン冷却水がエンジンを通過する流路において、最下流に配置される。すなわち、エンジン冷却水がエンジンを通過することによりエンジンを冷却した後に、ＥＧＲクーラ５２を通過するよう構成される。これによって、ＥＧＲクーラ５２での熱交換によって高温となった冷却媒体がエンジンに送られることによるオーバーヒートのおそれを回避できる。なお、ＥＧＲクーラ５２を通過した冷却媒体は、ラジエータによって冷却された後に、再度エンジンに送られるように構成される。

そして、本開示においては、図１に示されるように、ＥＧＲ通路５に設けられるＥＧＲクーラ５２は、さらに、エンジン２のシリンダブロック２３に内蔵（一部内蔵も含む）または直付けされることによりシリンダライナ２２の下部に設けられている。また、図２に例示されるように、ＥＧＲクーラ５２は、シリンダ２１が並んでいる方向に沿って配置されることで、シリンダブロック２３が備える全てのシリンダ２１のシリンダライナ２２に対して設置されている。これは、本来はＥＧＲガス５３を冷却するためのＥＧＲクーラ５２を、暖機時には、シリンダライナ２２の加温に利用することで暖機を効率的に行うためである。

すなわち、暖機時には、排気シャッター４４の開度が全閉を含む閉じ側に制御されることで、ＥＧＲクーラ５２に高温のＥＧＲガス５３が導入される。そうすると、ＥＧＲクーラ５２はシリンダブロック２３に内蔵（一部内蔵も含む）または直付けされているので（図１参照）、高温のＥＧＲガスが導入されることで高温状態にあるＥＧＲクーラ５２から暖機時のより低温状態にあるシリンダライナ２２への伝熱が行われる。その結果、シリンダブロック２３に流通しているエンジンオイルがシリンダライナ２２によって昇温され、暖機が迅速に行われる。

また、ＥＧＲクーラ５２は、シリンダブロック２３の下部に設けられることによってシリンダヘッド２４から離されている。つまり、ノッキングの観点から冷却が求められるシリンダヘッド２４の加温を回避するよう構成されている。このため、ＥＧＲクーラ５２による暖機促進のための熱が燃焼室に伝わることを抑制することができ、ＥＧＲクーラ５２の熱により燃焼室の温度が上昇させられることによるノッキングの発生を抑制しながら、暖機を迅速に行うことができる。

図１に示される実施形態では、ＥＧＲクーラ５２は、その一部がシリンダブロック２３に内蔵されている。他のいくつかの実施形態では、図３Ａに示されるように、ＥＧＲクーラ５２の全体がシリンダブロック２３に内蔵されている。また、他のいくつかの実施形態では、図３Ｂに示されるように、ＥＧＲクーラ５２はシリンダブロック２３に内蔵されておらず、ＥＧＲクーラ５２はシリンダブロック２３と直接接するように直付けされている。ＥＧＲクーラ５２を内蔵（一部内蔵を含む）することで、より直接的にシリンダライナ２２の加温を行うことができると共に、排熱回収システム１やＥＧＲ装置を含むエンジン２の小型化も行うことができる。また、ＥＧＲクーラ５２をシリンダブロック２３に直付けすることで、製造が容易となる。

また、図１および図３Ａに例示する各実施形態では、ＥＧＲクーラ５２はシリンダライナ２２の下面に接しているが、他の幾つかの実施形態では、シリンダライナ２２の下部であって、ウォータジャケット２５のないシリンダライナ２２の側面に接するようＥＧＲクーラ５２が設置されてもよい。また、その他の幾つかの実施形態では、シリンダライナ２２の近辺にＥＧＲクーラ５２が設置されることでシリンダブロック２３を介して熱が伝えられるよう構成しても良い。

図１、３Ａ〜３Ｂに示される実施形態では、エンジンの排熱回収システム１は、１つのＥＧＲクーラ５２を備えている。他の幾つかの実施形態では、複数のＥＧＲクーラ５２がＥＧＲ通路５に対して直列または並列に接続される構成により、複数のシリンダ２１にそれぞれ設けられる各シリンダライナ２２を加温するよう構成しても良い。例えば、シリンダブロック２３の吸気通路３側または排気通路４側の側面に２つのＥＧＲクーラ５２を直列に設置しても良い。また、例えば、シリンダブロック２３の吸気通路３側と排気通路４側のそれぞれにＥＧＲクーラ５２を並列に設置しても良い。
また、図２に示される実施形態では、シリンダブロック２３に含まれる全てのシリンダライナ２２に対して１つのＥＧＲクーラ５２が接しているが、他の幾つかの実施形態では、１または複数のＥＧＲクーラ５２のうちのどれもが接していないシリンダライナ２２があっても良い。

なお、図１、３Ａ〜３Ｂに示される実施形態では、ウォータジャケット２５は、シリンダライナ２２の長手方向において、シリンダライナ２２の全長をカバーしないように構成されている。他の幾つかの実施形態では、ウォータジャケット２５によってシリンダライナ２２の全長がカバーされても良いし、また、ＥＧＲクーラ５２が設置される付近のみウォータジャケット２５がないように構成されても良い。

上記の構成によれば、暖機時には、排気シャッター４４の開度は全閉を含む閉側に制御されるので、ＥＧＲガス５３は、シリンダブロック２３に内蔵（一部内蔵も含む）または直付けされることによりシリンダライナの下部に設けられるＥＧＲクーラ５２へ導入される。このため、ＥＧＲクーラ５２に導入されるＥＧＲガス５３の熱（排熱）をより直接的に暖機に利用（回収）することができ、エンジン２（エンジンオイル）の暖機を効率的に迅速に行うことができる。しかも、暖機を促進するために大量のＥＧＲガス５３がＥＧＲクーラ５２に導入された場合であっても、ＥＧＲクーラ５２はシリンダヘッド２４側ではないシリンダライナ２２下部に設置されているので、燃焼室へのＥＧＲガス５３の熱の影響は抑制される。このように、燃焼室温度への影響を抑制しながらＥＧＲクーラ５２によるエンジン２の暖機が促進されるため、ノッキングの発生を抑制しながら暖機を迅速に行うことができる。さらに、ＥＧＲクーラ５２は、シリンダブロック２３に内蔵または直付けして設置されることで、エンジンの排熱回収システム１やＥＧＲ装置を含むエンジン２の小型化も行うことができる。

なお、図１に示される実施形態では後方排気（吸気通路３側が車両の前方）が例示されており、シリンダブロック２３の排気通路４側にＥＧＲクーラ５２が内蔵されているが、前方排気の場合に比較して配管のはり回しが不要となる点で有利となる。

他の幾つかの実施形態では、図１の構成において、図４に示されるように、ＥＧＲクーラ５２には、シリンダブロック２３に含まれるウォータジャケット２５の冷却水などの冷却媒体が導入されるよう構成されることで、ＥＧＲクーラ５２の過昇温を防止するよう構成されている。
すなわち、エンジン２の内部（シリンダブロック２３およびシリンダヘッド２４の内部）にはウォータジャケット２５が形成されているが、シリンダブロック２３に内蔵（一部内蔵を含む）または直付けされたＥＧＲクーラ５２とウォータジャケット２５との間には冷却媒体通路２６が設けられている。この冷却媒体通路２６は、ウォータジャケット２５の冷却媒体をＥＧＲクーラ５２に導くためのものである。

また、冷却媒体通路２６には流量制御弁２７が設けられており、冷却媒体通路２６を流れる冷却媒体の流量は流量制御弁２７よって制御される。このように、ＥＧＲクーラ５２とウォータジャケット２５とは冷却媒体通路２６により接続されており、ＥＧＲクーラ５２とウォータジャケット２５が直接接触しないように構成されている。両者が直接接触しないことで、ＥＧＲクーラ５２によるウォータジャケット２５の冷却媒体の昇温が防止される。これによって、ＥＧＲクーラ５２によって昇温された冷却媒体がシリンダヘッド２４側に流れることによる燃焼室の昇温が防止され、ノッキングの発生を抑制することができる。なお、冷却媒体の温度の過昇温が検知される場合には、冷却媒体がラジエータ（不図示）を通るように制御されてもよい。

図４の例示では、冷却媒体通路２６と流量制御弁２７はシリンダブロック２３に内蔵されているが、この実施形態に限定されない。例えば、流量制御弁２７は、シリンダブロック２３に外部（直付けや一部内蔵も含む）に設けられても良い。また、冷却媒体通路２６も、流量制御弁２７の設置位置に応じて、シリンダブロック２３の外部（直付けや一部内蔵も含む）に設けられても良い。このように、冷却媒体通路２６と流量制御弁２７は、それぞれ、シリンダブロック２３の内部と外部の別々に位置するように設けられても良い。

この流量制御弁２７の開度はシリンダライナ２２の温度に基づいて制御装置６によって制御される。上述の通り、暖機時には、ＥＧＲクーラ５２によりシリンダライナ２２の温度が昇温されるが、シリンダライナ２２の昇温抑制（冷却）が必要と判定される場合には、流量制御弁２７が開側に制御される。この開側への制御により、ウォータジャケット２５の冷却媒体が冷却媒体通路２６を介してＥＧＲクーラ５２に導入されることで、ＥＧＲクーラ５２（ＥＧＲガス５３）が冷却され、これによってシリンダライナ２２の冷却が行われる。

シリンダライナ２２の昇温抑制の判定は、シリンダライナ２２の温度に基づいて行うことができ、制御装置６によって行われても良い。
シリンダライナ２２の温度は様々な方法により取得することができる。例えば、図１、４に示されるように、シリンダライナ２２やシリンダブロック２３などに取り付けられたセンサ２８によりシリンダライナ２２の温度を直接取得し、あるいは、推定しても良いし、エンジン冷却水の温度やエンジンオイルの温度に基づいて判定しても良い。また、暖機運転時開始からの経過時間など時間によって判定しても良い。図１、４の例示では、シリンダライナ２２の温度を判断するためのセンサ２８は、シリンダライナ２２の下部に配置されているが、これには限定されない。図１の例示のように、センサ２８は、ウォータジャケット２５やＥＧＲクーラ５２などの熱交換器による熱の持ち去りや直接の受熱が無い位置に配置することが望ましい。

そして、シリンダライナ２２の昇温抑制の判定は、このまま昇温すると過昇温状態に至ると判定される場合に、昇温抑制が必要と判定されても良い。具体的には、所定の閾値との比較により判定しても良いし、シリンダライナ２２の温度に基づいて判定する場合には、所定の閾値と共に温度の上昇速度を加味して判定しても良い。

また、流量制御弁２７の開度は、シリンダライナ２２の温度に基づいて調整されても良い。例えば、シリンダライナ２２の温度に基づいて段階的に開度を調整するよう構成しても良い。また、例えば、流量制御弁２７は、暖機運転の始めの段階からある程度開いていても良く、シリンダライナ２２の冷却が必要と判定される場合には、開度がより大きくなるように開側に制御することで、より多くの冷却媒体がＥＧＲクーラ５２に導入されるよう構成しても良い。

そして、暖機終了後は、流量制御弁２７は所定の開度を有しており、ＥＧＲクーラ５２に冷却媒体が導入される。これによって、ＥＧＲクーラ５２によってＥＧＲガス５３を冷却することができ、窒素酸化物の低減など本来のＥＧＲの役割を果たすことができる。
なお、ＥＧＲクーラ５２を通常のクーラとして使用するための冷却媒体の通路が冷却媒体通路２６とは別に設置されていても良く、この場合には、流量制御弁２７は閉じていても良いし、ＥＧＲクーラ５２に要求される冷却度合いに応じて開側あるいは閉じ側へ開度が制御されても良い。

上記の構成によれば、シリンダライナ２２の温度に基づいて、冷却媒体通路２６を介して導入されるウォータジャケット２５の冷却媒体の流量が制御されるので、水冷ＥＧＲクーラ５２（ＥＧＲガス５３）によるシリンダライナ２２の過昇温を回避しながら、エンジンの暖機を迅速に行うことができる。また、ＥＧＲガス５３の冷却のために流量制御弁２７が制御されることで、暖機時には排熱回収を行うと共に、暖機後は、排気ガス中の窒素酸化物の低減などの本来的なＥＧＲの動作において水冷ＥＧＲクーラ５２をＥＧＲガス５３の冷却に用いることができる。

図４に例示される幾つかの実施形態では、シリンダライナ２２の過昇温の防止は流量制御弁２７の開度制御により行われている。他の幾つかの実施形態では、シリンダライナ２２の過昇温の防止は、排気シャッター４４の開度制御により行われている。
すなわち、シリンダライナ２２の昇温抑制が判定されると、排気シャッター４４の開度を開側に制御することで、ＥＧＲ通路５を流れるＥＧＲガス５３の流量自体を減少させるよう制御される。ＥＧＲガス５３の流量を減少させることで、ＥＧＲガス５３からＥＧＲクーラ５２に与えられる熱が減少するので、過昇温の防止を行うことができる。

上記の構成によれば、排気シャッター４４の開度を開側に調整することでＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスの流量が減少するので、シリンダライナの過昇温の防止を行うことができる。

また、他の幾つかの実施形態では、シリンダライナ２２の過昇温の防止は流量制御弁２７および排気シャッター４４の開度制御により行われている。
すなわち、シリンダライナ２２の昇温抑制が判定されると、流量制御弁２７の開度が開側に制御されることで、冷却媒体通路２６を介してＥＧＲクーラ５２に冷却媒体が導入される。それと共に、排気シャッター４４の開度も開側に制御されることで、ＥＧＲ通路５を流れるＥＧＲガス５３の流量自体を減少する制御される。このようにウォータジャケット２５の冷却媒体とＥＧＲガス５３の流量の減少により、過昇温の防止をより効果的に行うことができる。

図５は、幾つかの実施形態におけるシリンダライナ２２の昇温制御のフローを示す図である。

ステップＳ１において、例えばエンジン始動時などの所定のタイミングで暖機運転の必要性が判断される。そして、ステップＳ１において暖機運転が必要と判断されると、ステップＳ２において排気シャッター４４が閉じ側に制御され、ＥＧＲガス５３がＥＧＲクーラ５２へ導入される。これによって、上述の通り、ＥＧＲクーラ５２によるシリンダライナ２２の加温（昇温）が開始される。ステップＳ３において、シリンダライナ２２の温度が例えば周期的に確認するなどして監視されており、ステップＳ４において、シリンダライナ２２の昇温抑制が必要と判断されると、ステップＳ５において昇温抑制制御が行われる。具体的には、ステップＳ５において、流量制御弁２７または排気シャッター４４の少なくとも一方の開度が開側へ制御されることで昇温抑制制御が行われる。つまり、流量制御弁２７の開度の開側への制御によってウォータジャケット２５の冷却媒体が冷却媒体通路２６を介してＥＧＲクーラ５２に導入される（または、導入量が増加される）ことでＥＧＲクーラ５２は冷却される。また、排気シャッター４４の開度の開側への制御によってＥＧＲクーラ５２に導入されるＥＧＲガス５３の流量が減少（停止を含む）することで、シリンダライナ２２の昇温が抑制される。一方、ステップＳ４において、シリンダライナ２２の昇温抑制が不要と判断されると、ステップＳ５の昇温抑制制御はスキップされる。

次に、ステップＳ６において、シリンダライナ２２の昇温の必要性が判断され、シリンダライナ２２の昇温が必要と判断されると、ステップＳ７において加温制御が行われる。具体的には、流量制御弁２７または排気シャッター４４の少なくとも一方の開度が閉じ側へ制御されることで、シリンダライナ２２の加温制御が行われる。つまり、流量制御弁２７の開度の閉じ側への制御によって冷却媒体通路２６を介したウォータジャケット２５の冷却媒体のＥＧＲクーラ５２への導入量が減少（停止も含む）されることでＥＧＲクーラ５２への冷却力が弱まる。また、排気シャッター４４の開度の閉じ側への制御によってＥＧＲクーラ５２に導入されるＥＧＲガス５３の流量が増加することで、シリンダライナ２２の昇温が増大される。このステップＳ７の加温制御が行われる状況としては、例えば、ステップＳ５の昇温抑制制御の結果としてシリンダライナ２２の昇温が過度に抑制されている場合やＥＧＲガス５３からの熱量が不足している場合など、シリンダライナ２２の昇温速度がと小さい判断された場合などである。一方、ステップＳ６において、シリンダライナ２２の昇温が不要と判断されると、ステップＳ７の加温制御はスキップされる。なお、昇温抑制制御や加温制御の実行判断は、予め設定された値との比較により行われても良い。

そして、ステップＳ８において暖機運転の終了が判断され、暖機運転が終了していない場合には、ステップＳ３に戻り、シリンダライナ２２の温度の監視が継続され、必要に応じて昇温抑制制御や加温制御が上述のように行われる。一方、ステップＳ８において暖機運転が終了と判断されると、シリンダライナ２２の昇温制御が終了する。

上記の構成によれば、シリンダライナ２２の温度に基づいて、冷却媒体通路２６を介してＥＧＲクーラ５２に導入されるウォータジャケット２５の冷却媒体の流量や、ＥＧＲクーラ５２に導入されるＥＧＲガス５３の流量が制御されるので、水冷ＥＧＲクーラ５２（ＥＧＲガス５３）によるシリンダライナ２２の過昇温を回避しながら、エンジンの暖機を迅速に行うことができる。

また、他の幾つかの実施形態では、図１に例示される構成において、図６に示されるように、暖機時にＥＧＲクーラ５２へ導入されたＥＧＲガス５３はそのまま吸気通路３に導入されるよう構成されている。すなわち、ＥＧＲ通路５に設けられるＥＧＲ弁５４は開側に制御されており、ＥＧＲクーラ５２へ導入されたＥＧＲガス５３は、吸気通路３にそのまま導入される。

ＥＧＲ弁５４は、吸気通路３に再循環させるＥＧＲガス５３の流量（ＥＧＲ率又はＥＧＲ量）を調整するためのものであり、制御装置６によって制御されている。図６に例示される実施形態では、ＥＧＲ弁５４はＥＧＲクーラ５２の下流（吸気通路３側）に設けられているが、他の実施形態ではＥＧＲクーラ５２の上流（排気通路４側）にＥＧＲ弁５４は設けられていても良い。なお、ＥＧＲ通路５に導入されたＥＧＲガス５３は、ＥＧＲ通路５においてＥＧＲ弁５４の上流に別個に設けられる通路によって排気通路４に戻されるよう構成してもよい。

また、吸気マニホールドの上流の吸気通路３内にはスロットルバルブ３４（不図示）が設置されている。スロットルバルブ３４は、アクセルペダルの運転者による踏み込み量に応じてスロットルバルブ３４の開度が調整されることで、エンジン内部に吸入される空気量（吸気量）が調整される。

そして、図６に示される実施形態では、暖機時には、ＥＧＲ通路５に設けられたＥＧＲ弁５４は開かれていると共に、ポンピングロスを低減するために、制御装置６によって、スロットルバルブ３４の開度は強制的に通常よりも開側（全開も含む）に制御されている。すなわち、通常の制御により決められるスロットルバルブ３４の開度を通常開度とし、制御装置６によって追加で開かれる開度を追加開度とすると、通常開度と追加開度を足した開度が制御装置によって強制的に開かれる開度となる。

このようにＥＧＲ弁５４が開いていることにより、ＥＧＲガス５３と吸気通路３からの空気はシリンダ２１の負圧によって一緒にシリンダ２１に吸入されるが、不活性ガスであるＥＧＲガス５３の分だけ、スロットルバルブの開度を通常よりも大きくしてもエンジンに吸入される空気（酸素を含む活性ガス）の増加は抑制される。この時、燃料噴射は空気の分のみ噴射するように制御しており、例えば、通常開度に対応する分を燃料噴射するようにしても良いし、エアフローメータや酸素センサなどのセンサを用いて燃料噴射量を決定しても良い。

上記の構成によれば、不活性ガスであるＥＧＲガスが吸気通路に導入されているため、スロットルバルブの開度を通常よりも大きくしてもエンジンに吸入される空気（酸素を含む活性ガス）は大きく増加することはない。これによって、スロットルバルブを絞ることにより生じるポンピングロスを低減することができる。

また、他の幾つかの実施形態では、シリンダライナ２２の熱伝導率は、シリンダヘッド２４の熱伝導率より大きい材料によって構成されている。例えば、シリンダライナ２２を、シリンダヘッド２４の材料よりも大きな熱伝導率を有する材料で作製しても良い。

また、他の幾つかの実施形態では、図１、３〜４に示されるように、ＥＧＲ通路５へと分岐する排気通路４の分岐部４３は、触媒４６の下流側に設けられている。
すなわち、排気通路４には、エンジン２に最も近い側（上流側）から、触媒４６、排気通路４の分岐部４３、排気シャッター４４の順に下流に向けて設置されている。
この構成によれば、排気ガスによって触媒４６とエンジン２の暖機が同時に行うことができると共に、触媒４６の暖機を優先的に行うことができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。例えば、図４〜５に例示されるようなシリンダライナ２２の昇温抑制のための実施形態と、図６に例示されるようなポンピングロス低減のための実施形態を組み合わせても良い。

１ 排熱回収システム
２ エンジン
２１ シリンダ（気筒）
２２ シリンダライナ
２３ シリンダブロック
２４ シリンダヘッド
２５ ウォータジャケット
２６ 冷却媒体通路
２７ 流量制御弁
２８ センサ
３ 吸気通路
３３ 連結部
３４ スロットルバルブ
４ 排気通路
４３ 分岐部
４４ 排気シャッター
４６ 触媒
５ ＥＧＲ通路
５２ ＥＧＲクーラ
５３ ＥＧＲガス
５４ ＥＧＲ弁
６ 制御装置

Claims (7)

1. エンジンの排気ガスの少なくとも一部であるＥＧＲガスを排気通路から吸気通路へ再循環させるよう構成されたＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路に設けられると共に、シリンダブロックに内蔵または直付けされることによりシリンダライナの下部に設けられる熱交換のための水冷ＥＧＲクーラと、
   前記排気通路から前記ＥＧＲ通路へ分岐する分岐点より下流に設けられ、開度が調整可能に構成された排気シャッターと、
   暖機時には、前記排気シャッターの前記開度を閉側に制御することにより前記水冷ＥＧＲクーラへの前記ＥＧＲガスの流量を調整し、暖機後には、前記排気シャッターの前記開度を開側に制御するよう構成された制御装置と、
   一端が前記エンジンの内部に形成されたウォータジャケットに接続され、他端が前記水冷ＥＧＲクーラに接続される冷却媒体通路と、
   前記冷却媒体通路に設けられ、前記ウォータジャケットから前記水冷ＥＧＲクーラへの前記冷却媒体の流量を制御する流量制御弁と、を備え、前記制御装置は、前記シリンダライナの温度に基づいて前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とするエンジンの排熱回収システム。
2. 前記ウォータジャケットと前記水冷ＥＧＲクーラは接しないよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排熱回収システム。
3. 前記制御装置は、暖機後は、前記ＥＧＲガスの冷却のために前記流量制御弁の開度を調整するよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排熱回収システム。
4. 前記制御装置は、前記シリンダライナの温度に基づいて、前記排気シャッターの開度を調整するよう構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排熱回収システム。
5. 暖機時において、前記水冷ＥＧＲクーラへ導入された前記ＥＧＲガスは前記ＥＧＲ通路により前記吸気通路へ導入されると共に、前記制御装置は、スロットルバルブの開度を大きく制御するよう構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のエンジンの排熱回収システム。
6. 前記シリンダライナは、シリンダヘッドよりも熱伝導率が大きい材料によって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排熱回収システム。
7. 前記ＥＧＲ通路は、触媒よりも下流の前記排気通路から前記吸気通路へ再循環させるよう構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排熱回収システム。

Images