JP6604273B2

JP6604273B2 - 排気熱回収装置

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Publication number: JP6604273B2
Application number: JP2016113693A
Authority: JP
Inventors: 登志朗村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: US10508636B2; KR101943199B1; JP2017218966A; EP3255259A1; KR20170138340A; US20170350361A1; EP3255259B1

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

エンジンの排気熱を用いて、エンジン冷却水等を昇温させる技術がある。たとえば、特許文献１には、排気ガスの熱を、排気管に設けた排気熱回収器により回収して暖房やエンジンの暖気促進等に利用する技術において、排気管内の凍結を防止又は抑制するために、走行履歴に基づいて排気熱の回収量を調整する技術が開示されている。

具体的には、冷却水の循環経路に、排気熱回収器を介さないバイパス経路を設けて、排気熱回収器を通過する循環流路と通過しない循環流路を有する構造が開示されている。そして、切替弁によって２つの循環流路を切り替えることで、排気熱回収器へ循環する冷却水量が調整されて、排気熱の回収量が調整される構造である。切替弁は、開度の制御により排気熱回収器へ冷却水を流すか否かを制御してもよく、また、排気熱回収器へ流す冷却水の流量を制御してもよい点が開示されている。

また、特許文献１には、排気熱回収器には、冷却水がウォーターポンプによって循環され、ウォーターポンプを制御することで、排気熱回収器へ流れる冷却水の流量を調整する点が開示されている。

特開２０１５−１４５６６３号公報

上記した技術では、切替弁の開度の調整やポンプの制御によって、排気熱回収器から回収する熱量を調整している。すなわち、排気熱回収器へ流れる冷却水の量を調整しているが、排気熱の回収量の調整をより短い時間で、且つ簡易な構成で実現するためには、改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、より短い時間で、且つ簡易な構成で、エンジンからの排気熱の回収量を調整できるようにすることを課題とする。

本発明の第一の態様では、エンジンからの排気が流れる排気管に設けられて前記排気の熱を回収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へエンジン冷却水が流れる上流流路と、前記エンジンから前記排気熱回収器へ前記エンジン冷却水が流れる下流流路と、を備え、前記排気熱回収器と前記エンジンとの間で前記エンジン冷却水を循環させる流通流路と、前記流通流路において前記上流流路と前記下流流路とを連通し、前記排気熱回収器を出た前記エンジン冷却水が前記エンジンを経由して前記排気熱回収器に戻る場合よりも短い流路長で前記排気熱回収器に戻る短絡流路を形成するバイパス流路と、前記流通流路に設けられ、前記バイパス流路へ流れる前記エンジン冷却水の量を調整するバルブと、前記短絡流路に設けられるポンプと、を有する。

この排気熱回収装置では、バイパス流路を設けたことで、短絡流路が形成される。短絡流路の流路長は、排気熱回収器を出たエンジン冷却水がエンジンを経由して排気熱回収器に戻る場合の流路長よりも短い。すなわち、短絡流路をエンジン冷却水が流れる場合はエンジンを経由する場合よりも、排気熱回収器を循環するエンジン冷却水の量が少なくなり、水温が短時間で上昇する。そして、水温が上昇したエンジン冷却水には、排気熱回収器から熱が移動しづらい。バイパス流路へ流れるエンジン冷却水の量は、バルブにより調整できるので、短絡流路を循環するエンジン冷却水の量も調整でき、排気熱回収器で回収する回収量を調整できる。特に、短絡流路にはポンプが設けられているので、ポンプの駆動により、短絡流路でのエンジン冷却水の循環を促進したり、短絡流路を循環するエンジン冷却水の流速を調整したりすることで、エンジンからの排気熱の回収量を調整できる。しかも、バルブ及びポンプを設ければ、排気熱の回収量を調整することができるので、簡易な構成である。

第二の態様では、前記ポンプは、前記上流流路において前記バイパス流路が分岐する上流分岐部と前記排気熱回収器の間に配置される。

エンジン冷却水をエンジン側に流す場合とバイパス流路に流す場合とでポンプが共用される構造なので、それぞれの場合に対応してポンプを設けた構成と比較して簡易である。

第三の態様では、前記上流流路において前記バイパス流路が分岐する上流分岐部は、前記エンジンよりも前記排気熱回収器に近い位置で前記バイパス流路から分岐する。

上流分岐部が上流流路においてエンジンに近い位置にある構造と比較して、排気熱回収器から上流分岐部までの流路長が短い。このため、エンジン冷却水がバイパス流路を流れるようにバルブを切り替えた後、短時間でバイパス流路に流すことができる。

第四の態様では、前記バルブは、前記上流流路において前記バイパス流路が分岐する上流分岐部と前記エンジンの間に配置される。

バルブは、上流分岐部とエンジンの間に配置されるので、バルブの開度を小さくした場合でも、短絡流路の流路断面積には影響せず、短絡流路を流れるエンジン冷却水の流量を確保できる。

本発明は上記構成としたので、より短い時間で、且つ簡易な構成で、エンジンの排気熱の熱回収量を調整できる。

本発明の第一実施形態の排気熱回収装置を示す概略構成図である。本発明の第一実施形態の排気熱回収装置を示すブロック図である。本発明の第一実施形態の排気熱回収装置における回収量抑制制御のフローチャートである。本発明の第一実施形態の排気熱回収装置を示す概略構成図である。

本発明の第一実施形態の排気熱回収装置について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、排気熱回収装置１２は、エンジン１４からの排気が流れる排気管１６を有する。以下において、単に「前方」及び「後方」というときは、この排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）における「前方」及び「後方」を意味し、排気の流れの上流が「前方」、下流が「後方」である。

排気管１６は、第一配管１６Ｐ及び第二配管１６Ｑを有している。第一配管１６Ｐには、排気中の特定成分を除去する１つ又は複数の触媒コンバータ１５が設けられる。図１に示す例では、２つの触媒コンバータ１５Ａ、１５Ｂは、排気の流れ方向に沿って直列状に配置されている。

第一配管１６Ｐからは、触媒コンバータ１５Ｂの後方側において第二配管１６Ｑが分岐している。第二配管１６Ｑの内部には、排気熱回収器２６が設けられている。排気熱回収器２６のさらに後方側では、第二配管１６Ｑは第一配管１６Ｐに合流している。

第一配管１６Ｐには、第二配管１６Ｑが分岐する位置より後方側に、弁部材３４が設けられている。弁部材３４は、たとえばアクチュエータによって制御され、実線で示す閉位置と、二点鎖線で示す開位置との間を移動する。これにより、弁部材３４は、閉位置では、第一配管１６Ｐの流路断面積を小さくする（但し完全に閉塞している必要はない）ので、排気の多くは第二配管１６Ｑに流れる。これに対し、弁部材３４は、開位置では、閉位置よりも第一配管１６Ｐの流路断面積を大きくするので、第二配管１６Ｑに流れる排気の量は少なくなる。

エンジン１４と排気熱回収器２６の間には、流通流路２０が設けられている。流通流路は、エンジン冷却水が排気熱回収器２６からエンジン１４へ流れる上流流路２０Ａと、エンジン１４から排気熱回収器２６へ流れる下流流路２０Ｂとを含む。すなわち、排気熱回収器２６を出たエンジン冷却水が上流流路２０Ａを流れてエンジン１４に至り、エンジン１４から下流流路２０Ｂを流れて排気熱回収器２６へ循環する流路が構成されている。

上流流路２０Ａと下流流路２０Ｂの間には、上流流路２０Ａと下流流路２０Ｂとを連通するバイパス流路２４が設けられている。バイパス流路２４は、上流分岐部２８Ａにおいて上流流路２０Ａから分岐し、下流分岐部２８Ｂにおいて下流分岐部２８Ｂから分岐している。後述するように、排気熱回収器２６から上流流路２０Ａへ出たエンジン冷却水について、バルブ３０を調整することで、上流分岐部２８Ａからバイパス流路２４へ流れる量を調整できる。そして、バイパス流路２４を流れたエンジン冷却水は、下流分岐部２８Ｂにより下流流路２０Ｂに合流し、排気熱回収器２６へ戻る。したがって、エンジン冷却水の流れに着目すると、上流分岐部２８Ａは、上流流路２０Ａを流れるエンジン冷却水がバイパス流路２４に分流する分流部である。同様に、下流分岐部２８Ｂは、バイパス流路２４を流れたエンジン冷却水が下流流路２０Ｂに合流する合流部である。

そして、上流流路２０Ａにおける排気熱回収器２６から上流分岐部２８Ａまでの部分、バイパス流路２４、下流流路２０Ｂにおける下流分岐部２８Ｂから排気熱回収器２６までの部分によって、短絡流路２２が形成されている。排気熱回収器２６を始点および終点とてエンジン冷却水が循環する流路を考えると、この流路は、エンジン１４を経由する流路と、バイパス流路２４を経由する流路（短絡流路２２）の２つがある。短絡流路２２は、エンジン１４を経由しないので、エンジン１４を経由する流路と比較して、流路長が短い。

本実施形態では、上流分岐部２８Ａは、上流流路２０Ａにおいて、エンジン１４側ではなく、相対的に排気熱回収器２６に近い位置（上流流路２０Ａの中間よりも排気熱回収器２６側）にある。同様に、下流分岐部２８Ｂは、下流流路２０Ｂにおいて、エンジン１４側ではなく、排気熱回収器２６に近い位置にある。

上流流路２０Ａにおいて、上流分岐部２８Ａとエンジン１４の間には、バルブ３０が設けられている。バルブ３０は、上流流路２０Ａを流れるエンジン冷却水の量を調整することができる。たとえば、バルブ３０を全閉状態にすると、排気熱回収器２６から上流流路２０Ａに出たエンジン冷却水は、エンジン１４へは流れなくなり、バイパス流路２４へ流れる。バルブ３０の全開状態よりも小さくした場合は、エンジン１４へ流れるエンジン冷却水の量が少なくなり、代わって、バイパス流路２４へ流れる量が多くなる。

上流流路２０Ａにおいて、排気熱回収器２６と上流分岐部２８Ａの間には、ポンプ３２が設けられている。ポンプ３２は、排気熱回収器２６と上流分岐部２８Ａの間を流れるエンジン冷却水を加圧することで、エンジン冷却水の流量を調整することができる。

図２に示すように、バルブ３０及びポンプ３２は、制御装置４０によって制御される。本実施形態では、制御装置４０には、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ４２、外気温を検出する外気温センサ４４、排気の圧力を検出する排気圧センサ４６、排気の温度を検出する排気温センサ４８及びエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５０が接続されている。さらに制御装置４０には、車両の走行履歴（走行時間、排気の量、燃料消費量等）や位置情報のデータを、車両の各種装置から得られるようになっている。そして、制御装置４０は、これらのセンサや各種装置から得られたデータに基づいて、バルブ３０及びポンプ３２を制御することが可能である。

次に、本実施形態の作用を説明する。

エンジン１４からの排気の熱は、排気熱回収器２６によって回収され、エンジン冷却水に伝わる。エンジン冷却水を昇温することで、たとえば、エンジン１４の暖機運転を促進したり、エンジン冷却水の熱を暖房に使用したりすることが可能である。

ここで、排気熱回収器２６によって排気から回収する熱量（エンジン冷却水に伝える熱量）を少なくしたい場合がある。たとえば、エンジン冷却水の温度が所定温度に達しており、この所定温度以上には昇温する必要がない場合である。また、排気管１６の内部を流れる排気の温度低下を抑制して、排気管１６の内部の凍結を抑制したい場合等である。

この場合、制御装置４０は、バルブ３０及びポンプ３２を制御することで、排気熱回収器２６で回収する熱量を少なくすることが可能である。以下では、排気熱回収器２６で回収する熱量を少なくために、制御装置４０がバルブ３０及びポンプ３２に対して行う制御を、「回収量抑制制御」という。

具体的には、制御装置４０は、回収量抑制制御として、バルブ３０の開度を小さくすると共に、ポンプ３２を駆動する。

これにより、図４に示すように、排気熱回収器２６から上流流路２０Ａへ出たエンジン冷却水のうち上流分岐部２８Ａからバイパス流路２４に移動する量が多くなる。バイパス流路２４を流れたエンジン冷却水は、下流分岐部２８Ｂから、下流流路２０Ｂを経て、排気熱回収器２６へ戻る。すなわち、エンジン冷却水は、矢印Ｆ２で示すように、短絡流路２２を流れる。短絡流路２２は、エンジン１４を経由する場合よりも流路長が短いので、排気熱回収器２６の位置で循環するエンジン冷却水の量も少なくなる。これにより、排気熱回収器２６の熱を受けたエンジン冷却水の温度が短時間で上昇する。排気熱回収器２６からエンジン冷却水への熱の移動量は、これらの温度差が大きいほど、多い。したがって、温度が上昇したエンジン冷却水に対し排気熱回収器２６から伝わる熱量が少なくなる。また、排気熱回収器２６からエンジン冷却水に伝わる熱量が少なくなると、排気熱回収器２６よりも下流側での排気温度が高くなる。このため、排気熱回収器２６よりも下流側での排気管１６の凍結を抑制できる。

回収量抑制制御を行うか否か判定要素及び回収量抑制制御の目的（狙い）としては、以下の表１に示される例を挙げることができる。

実際の制御装置４０における回収量抑制制御は、図３に示すフローチャートに基づく例を挙げることができる。

このフローでは、制御装置４０は、ステップＳ１０２において、外気温が、あらかじめ設定した閾値温度以下であるか否かを判断する。この閾値温度は、排気管１６の内部において凍結を生じさせるおそれが高いと判断する閾値の温度であり、たとえば０℃である。ステップＳ１０２において判断が否定された場合は、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、バルブ３０及びポンプ３２に対し、回収量抑制制御を停止するよう制御（制御停止）する。この「制御停止」には、すでに回収量抑制制御を行っている場合にこれを停止する場合と、回収量抑制制御を行っていない場合に、この状態を継続することの両方が含まれる。

制御装置４０は、ステップＳ１０２において判断が肯定された場合は、ステップＳ１０６に移行する。ステップＳ１０６では、制御装置４０は、車両の前回走行における走行時間が、あらかじめ設定した閾値時間以内であるか否かを判断する。この閾値時間は、排気管１６の内部において凍結を生じさせるおそれが高いと判断する閾値の車両走行時間であり、たとえば１０分である。ステップＳ１０６における判断が否定された場合はステップＳ１０４に移行し、肯定された場合はステップＳ１０８に移行する。

制御装置４０は、ステップＳ１０８では、今回の走行における最大排気量が、あらかじめ設定した閾値排気量以下であるか否かを判断する。ここでいう排気量は、単位時間当たりにエンジン１４から排出される排気の量である。そして、閾値排気量は、排気管１６の内部において凍結を生じさせるおそれが高いと判断する閾値の排気量である。ステップＳ１０８における判断が否定された場合は、ステップＳ１０４に移行し、肯定された場合は、ステップＳ１１０に移行する。ステップＳ１１０では、回収量抑制制御を行う。そして、ステップＳ１０２に戻る。

このように、図３に示すフローにおいて、ステップＳ１０２、Ｓ１０６、Ｓ１０８における判断がすべて肯定された場合は、外気温が閾値温度以下であり、前回走行の走行時間が所定時間以内であり、且つ、今回走行の最大排気量が閾値排気量以下である。すなわち、この場合は排気管１６が凍結する可能性が高い。そこで、制御装置４０は、排気管１６の凍結を防止するために、ステップＳ１１０において、排気量抑制制御を行う。これに対し、ステップＳ１０２、Ｓ１０６、Ｓ１０８における判断のいずれかが否定された場合は、排気管１６が凍結する可能性が低いので、制御装置４０はステップＳ１０４において、排気量抑制制御を停止する。

このように、複数の判定要素を用いて、回収量抑制制御を行うか否かの判定を行うことで、排気管１６の凍結が想定される場合を的確に見極めて、排気熱回収器２６における排気熱の回収量を制御できる。

上記実施形態において、弁部材３４の開閉を制御するアクチュエータとしては、特に限定されない。たとえば、エンジン冷却水の温度に基づいて弁部材３４の開閉を制御する水温感知式サーモアクチュエータを用いることができる。水温感知式サーモアクチュエータを用いると、回収量抑制制御を行う場合に、エンジン冷却水の温度に基づいて、制御の初期段階では第二配管１６Ｑに多くの排気を流すことで、短時間でエンジン冷却水を昇温させることができる。そして、短時間でエンジン冷却水温度を昇温させることで、制御装置４０により、回収量抑制制御へ早期に移行することが可能である。

本実施形態において、ポンプ３２は、上流流路２０Ａに設けられており、特に、排気熱回収器２６から上流分岐部２８Ａまでの間に配置されている。これに代えて、たとえばバイパス流路２４に設けた構成であっても、バイパス流路２４は短絡流路２２の一部なので、短絡流路２２を流れるエンジン冷却水を加圧して、循環を促進することができる。特に、排気熱回収器２６から上流分岐部２８Ａまでの部分は、バルブ３０の開弁状態で、エンジン１４へ流れるエンジン冷却水が流れる流路でもある。すなわち、ポンプ３２を排気熱回収器２６から上流分岐部２８Ａまでの部分に設けることで、エンジン冷却水をエンジン１４へ流す場合と、バイパス流路２４に流す場合とで共用できる。したがって、これらの場合で別々にポンプを設ける構成と比較して、簡易である。

なお、エンジン冷却水をエンジン１４へ流す場合とバイパス流路２４に流す場合とでポンプを共用する観点からは、ポンプ３２を、下流流路２０Ｂにおいて、下流分岐部２８Ｂと排気熱回収器２６との間に設けてもよい。ポンプ３２を上流流路２０Ａに設けることで、排気熱回収器２６から出た直後のエンジン冷却水を加圧できるので、エンジン冷却水の循環を効果的に促進できる。

上流分岐部２８Ａは、上流流路２０Ａにおいて、相対的に、エンジン１４に近い位置ではなく、排気熱回収器２６に近い位置にある。したがって、上流分岐部２８Ａがエンジン１４に近い位置である構造と比較して、短絡流路２２を短くできる。同様に、下流分岐部２８Ｂは、下流流路２０Ｂにおいて、相対的に、エンジン１４に近い位置ではなく、排気熱回収器２６に近い位置にある。したがって、下流分岐部２８Ｂがエンジン１４に近い位置である構造と比較して、短絡流路２２を短くできる。

バルブ３０は、上流流路２０Ａにおいて、上流分岐部２８Ａとエンジン１４の間に配置されている。すなわち、短絡流路２２を避けた位置である。したがって、バルブ３０の開度を小さくした場合や、閉弁状態にした場合であっても、短絡流路２２の流路断面積は小さくならず、短絡流路２２を流れるエンジン冷却水の量を確保できる。

なお、上記では、バルブ３０が上流流路２０Ａに配置された例を挙げたが、これに代えて、下流流路２０Ｂ（下流分岐部２８Ｂとエンジン１４の間）に配置されてもよい。また、バルブ３０としては、たとえば、上流分岐部２８Ａや下流分岐部２８Ｂに配置される三方弁であってもよい。

１２排気熱回収装置
１４エンジン
１６排気管
２０流通流路
２０Ａ上流流路
２０Ｂ下流流路
２２短絡流路
２４バイパス流路
２６排気熱回収器
２８Ａ上流分岐部
３０バルブ
３２ポンプ

Claims

エンジンからの排気が流れる排気管に設けられて前記排気の熱を回収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へエンジン冷却水が流れる上流流路と、前記エンジンから前記排気熱回収器へ前記エンジン冷却水が流れる下流流路と、を備え、前記排気熱回収器と前記エンジンとの間で前記エンジン冷却水を循環させる流通流路と、
前記流通流路において前記上流流路と前記下流流路とを連通し、前記排気熱回収器を出た前記エンジン冷却水が前記エンジンを経由して前記排気熱回収器に戻る場合よりも短い流路長で前記排気熱回収器に戻る短絡流路を形成するバイパス流路と、
前記流通流路に設けられ、前記バイパス流路へ流れる前記エンジン冷却水の量を調整するバルブと、
前記短絡流路に設けられるポンプと、
を有する排気熱回収装置。
前記ポンプは、前記上流流路において前記バイパス流路が分岐する上流分岐部と前記排気熱回収器の間に配置される請求項１に記載の排気熱回収装置。
前記上流流路において前記バイパス流路が分岐する上流分岐部は、前記エンジンよりも前記排気熱回収器に近い位置で前記バイパス流路から分岐する請求項１又は請求項２に記載の排気熱回収装置。
前記バルブは、前記上流流路において前記バイパス流路が分岐する上流分岐部と前記エンジンの間に配置される請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の排気熱回収装置。