JP7160182B2 - 熱交換システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に用いる熱交換システムに関する。

国際公開第２０１５／０８８２２４号には、エンジンの排気通路に設けられたＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラを、排気の熱を回収する熱交換器として用いる熱交換システムが開示されている。

上記の熱交換システムは、ＥＧＲクーラをバイパスするバイパス通路の流量を調節するバルブ機構と、バイパス通路から吸気通路へのＥＧＲ量を調節するバルブ機構と、排気通路から吸気通路へのＥＧＲ量を調節するバルブ機構と、を備える。そして、エンジンの冷機始動後の暖機運転の初期にＥＧＲ要求がある場合にはバイパス通路から吸気通路へ排気を還流させ、始動後に所定時間が経過したらＥＧＲクーラを通過した排気を吸気通路に還流させている。

ところで、上記文献の熱交換システムは、冷却水がエンジンを通過した後にＥＧＲクーラに流入する構成となっている。このような構成において、冷却水が低温の状態でＥＧＲクーラを通過した排気を吸気通路に還流させると、排気が冷却水により冷却されて、ＥＧＲバルブ等の腐食の原因となる凝縮水が発生してしまう。すなわち、冷却水の温度が上昇するまではＥＧＲを実行することができない。そして、冷却水の温度が上昇してからＥＧＲを開始することとすると、エンジン全体が暖まるのを待つ必要がある。

そこで上記文献の熱交換システムでは、冷却水が低温である暖機運転の初期にはバイパス通路から吸気通路へ排気を還流させている。

しかし、上記文献の熱交換システムにおいて、バイパス通路の一部は暖機運転の初期にしか使用されない。このような通路があることで、ＥＧＲクーラを排熱回収器としても用いることによる部品点数削減の効果は相殺されてしまう。

そこで本発明は、ＥＧＲクーラを排熱回収器としても用いることの効果を確保し、かつ、ＥＧＲを早期に実行可能な熱交換システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様による熱交換システムは、エンジンの排気通路に、排気と液体との熱交換を行なう熱交換器を備える熱交換通路と、熱交換器をバイパスするバイパス通路と、熱交換通路及びバイパス通路の排気流量を調節する第１流量調節機構と、を備える。さらに、熱交換通路の熱交換器の出口側からエンジンの吸気通路へ排気を還流させる排気還流通路と、排気還流通路を通過する排気の流量を調節する第２流量調節機構と、第１流量調節機構及び第２流量調節機構を制御する制御部と、を備える。そして、制御部が、エンジンの暖機運転時には、第１流量調節機構を制御することによりバイパス通路を閉鎖して熱交換通路を介して排気を床下触媒に流し、暖機運転が終了したら第２流量調節機構を制御することにより熱交換器を通過した排気を排気還流通路に流す。さらに、熱交換システムは、エンジンの内部に設けたエンジン冷却流路を経路の一部として含む第１液体循環経路と、エンジン冷却流路から独立して液体が熱交換器を循環する第２液体循環経路と、を備える。

図１は、熱交換システムの概略図である。 図２は、熱交換システムの冷却回路図である。 図３は、暖機運転中の運転モードを示すマップである。 図４は、暖機運転終了後の運転モードを示すマップである。 図５は、非排熱回収モードまたは非ＥＧＲモードにおける各バルブ機構の状態を示す図である。 図６は、排熱回収モードにおける各バルブ機構の状態を示す図である。 図７は、ＥＧＲモードにおける各バルブ機構の状態を示す図である。 図８は、ゼロフローの状態における冷却水の流れを示す図である。 図９は、ゼロフローが解除され、かつサーモスタットが閉じた状態における冷却水の流れを示す図である。 図１０は、熱交換システムの制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、本実施形態の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。 図１２は、ヒータバルブを一気に開いた場合のタイミングチャートである。 図１３は、比較例としてのタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換システム１００を示す概略図である。

熱交換システム１００は、車両に適用されるシステムである。熱交換システム１００は、エンジン１０の排気通路１１における床下触媒としてのメイン触媒１２の上流側に、排気と液体との熱交換を行う熱交換器１３が設けられた熱交換通路１４と、熱交換通路１４をバイパスするバイパス通路１５と、を備える。また、熱交換システム１００は、熱交換通路１４における熱交換器１３よりも下流側に接続され熱交換通路１４の熱交換器１３の出口側から吸気通路１６に排気の一部を還流させる排気還流通路１７を備える。本実施形態では、液体は冷却水である。ここでいう冷却水とは、エンジンを冷却する液状の冷媒を意味する。

メイン触媒１２は、ＮＯｘ吸蔵還元触媒、酸化触媒、及び三元触媒のいずれか、又はこれらの組み合わせで構成される。本実施形態では、排気通路１１におけるエンジン１０の近くにサブ触媒１８が設けられているが、サブ触媒１８は必ずしも設けなくてもよい。

熱交換通路１４とバイパス通路１５との合流部には、第１流量調節機構としての第１バルブ機構２２が設けられる。本実施形態における第１バルブ機構２２は、三方弁である。

排気還流通路１７には、排気還流通路１７を通過する排気の流量を調節する第２流量調節機構としての第２バルブ機構２１が設けられる。本実施形態における第２バルブ機構２１は、バタフライバルブである。

吸気通路１６は、排気還流通路１７との合流部より下流側にターボ過給機２３を備え、ターボ過給機２３の下流にはスロットルチャンバ２４を備える。

熱交換通路１４、バイパス通路１５、及び排気還流通路１７を流れる排気の流量は、各バルブ機構２１、２２によりそれぞれ調節可能となっている。

また、熱交換システム１００は、各バルブ機構２１、２２及びスロットルチャンバ２４の作動を制御するコントローラ３０を備える。本実施形態のコントローラ３０は、熱交換システム１００に加えて、エンジン１０の作動も制御するように構成される。熱交換システム１００の制御を行うコントローラとエンジン１０の制御を行うコントローラとを別々に設けてもよい。

コントローラ３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、入出インターフェース、これらを接続するバス等を含んだマイクロコンピュータで構成される。コントローラ３０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ３０は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することで熱交換システム１００の制御を行う。

コントローラ３０には、後述する熱交換器流路５１における熱交換器１３の入口の冷却水温を検出する温度センサ２０からの信号と、後述するエンジン出口流路５４における冷却水温を検出する温度センサ１９からの信号等が入力される。

第１バルブ機構２２及び第２バルブ機構２１の開閉制御については後述する。

図２は、熱交換システム１００の冷却回路１０１を示す図である。図中の冷却回路上の矢印は冷却水の流れる方向を示している。

ウォータポンプ３１の出口に接続されたポンプ流路５０は、エンジン１０のシリンダブロック１０Ａに設けたウォータジャケットであるブロック流路５３Ａと、熱交換器１３を備える熱交換器流路５１と、ターボ過給機２３を備えるターボ流路５２と、オイルクーラ３８を備えるオイルクーラ流路５８と、に分岐する。ウォータポンプ３１はエンジン１０により駆動される。

ブロック流路５３Ａは、エンジン１０のシリンダヘッド１０Ｂに設けたウォータジャケットであるヘッド流路５３Ｂと連通しており、ヘッド流路５３Ｂにはエンジン１０の出口部分でエンジン出口流路５４が接続されている。エンジン出口流路５４は、ラジエータ３６、リザーバタンク３７及びサーモスタット３５を備えるラジエータ流路５５と、ヒータコア３３、ヒータバルブ３２及びヒータ用ポンプ３４を備えるヒータ流路５６と、スロットルチャンバ２４を備えるスロットル流路５７とに分岐する。エンジン出口流路５４には、上述した温度センサ１９が設けられる。ヒータバルブ３２は、コントローラ３０により開閉制御される。ヒータバルブ３２の開閉制御の詳細については後述する。

熱交換器流路５１における熱交換器１３の入口部分には、上述した温度センサ２０が設けられる。なお、図２においては、熱交換器流路５１の一部がエンジン１０の内部を通過する構成になっているが、これはエンジン１０の冷却を目的とした構成ではなく、冷却配管を簡素化する為の構成である。したがって、エンジンルーム内に空間的な余裕がある場合には、エンジン１０に入る前に熱交換器流路５１がポンプ流路５０から分岐する構成にしてもよい。

熱交換器流路５１、ターボ流路５２、ラジエータ流路５５、ヒータ流路５６、スロットル流路５７及びオイルクーラ流路５８は、ウォータポンプ３１の入口より手前で合流する。

上記の通り、第２液体循環経路としての熱交換器流路５１は、ポンプ流路５０、ブロック流路５３Ａ、ヘッド流路５３Ｂ、エンジン出口流路５４及びスロットル流路５７からなる第１液体循環経路としてのエンジン流路から独立した循環経路となっている。

熱交換システム１００は上記のように構成されており、車両の状態に応じた運転モードで作動するように、コントローラ３０よって制御される。

図３は、エンジン１０を冷機始動した後の暖機運転中における運転モードマップである。縦軸はエンジン負荷に相当する正味平均有効圧ＢＭＥＰであり、横軸はエンジン回転速度Ｎｅである。図示する通り、低中回転速度かつ低中負荷の領域に排熱回収領域が設定されている。排熱回収領域では、熱交換器１３において排気と冷却水との熱交換を行なうことにより、排気の熱を液体に回収する。排熱を回収する目的は、冷却水の温度上昇を促進させることである。

図４は、エンジン１０の暖機運転が終了した後の運転モードマップである。縦軸及び横軸は図３と同様である。図示する通り、エンジン１０がＷＯＴ（Ｗｉｄｅ－Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）に近い領域と、正味平均有効圧ＢＭＥＰがごく低い領域を除く領域に、排気還流通路１７を介して吸気通路１６に排気の一部を還流させるＥＧＲを実行する領域（以下、ＥＧＲ領域という）が設定されている。ＥＧＲを実行する目的は、エンジン１０のシリンダ内の燃焼温度の上昇の抑制、ポンピングロスの低下等である。

図５～図７は、図３及び図４に示した各運転領域における第１バルブ機構２２及び第２バルブ機構２１の動作を説明するための図である。各図において、矢印は排気の流れを示している。

図５は、非排熱回収領域及び非ＥＧＲ領域における各バルブ機構２１、２２の状態と排気の流れを示している。

図５において、第１バルブ機構２２は、バイパス通路１５が開き熱交換通路１４が閉じた状態になるよう制御される。この状態を第１バルブ機構２２が開いた状態という。一方、第２バルブ機構２１は排気還流通路１７の流路を塞ぐ状態に制御される。この状態を第２バルブ機構２１が閉じた状態という。

上記のように第１バルブ機構２２を開き、第２バルブ機構２１を閉じることにより、排気はバイパス通路１５を通ってメイン触媒１２に流入する。

図６は、排熱回収領域における各バルブ機構２１、２２の状態と排気の流れを示している。

図６において、第１バルブ機構２２は、バイパス通路１５が閉じ熱交換通路１４が開いた状態になるよう制御される。この状態を第１バルブ機構２２が閉じた状態という。一方、第２バルブ機構２１は閉じた状態に制御される。

上記のように第１バルブ機構２２を閉じ、第２バルブ機構２１も閉じることにより、排気は熱交換通路１４を通ってメイン触媒１２に流入する。これにより、冷却水の温度上昇が促進される。

図７は、ＥＧＲ領域における各バルブ機構２１、２２の状態と排気の流れを示している。

図７において、第１バルブ機構２２及び第２バルブ機構２１は披いた状態に制御される。これにより、排気の一部はバイパス通路１５を通ってメイン触媒１２に流入し、排気の他の一部は排気還流通路１７を通って吸気通路１６に還流する。

なお、排熱回収領域と非排熱回収領域との境界線上では、第１バルブ機構２２を半開状態に制御し、第２バルブ機構２１を閉じた状態に制御する。これにより、排気の一部はバイパス通路１５を通ってメイン触媒１２に流入し、排気の他の一部は熱交換通路１４を通ってメイン触媒１２に流入する。この際、熱交換器１３は還流させる排気を冷却する、いわゆるＥＧＲクーラとして機能する。

次に、エンジン１０を冷機始動した後の、冷却回路１０１の冷却水の流れについて図２、図８及び図９を用いて説明する。各図において、実線は冷却水が流れていることを示し、破線は冷却水が流れていないことを示す。

図８は、エンジン１０を冷機始動した直後の暖機運転中における冷却回路１０１の状態を示している。

冷機始動した直後は、冷却水の温度上昇を優先するため、ヒータバルブ３２は閉じた状態に制御される。また、冷却水温は低いので、温度感応式のサーモスタット３５は閉じている。この状態で、エンジン出口流路５４からウォータポンプ３１に戻る流路はスロットル流路５７だけある。そして、スロットル流路５７はヒータ流路５６及びラジエータ流路５５に比べて流量が大幅に少ない。すなわち、第１液体循環経路にはスロットル流路５７を流れる流量（最小流量ともいう）の冷却水しか流れない。この状態を、ゼロフローという。ゼロフローの状態にすると、冷却水がブロック流路５３Ａ及びヘッド流路５３Ｂに滞在する時間が長くなるので、エンジン１０の熱が冷却水に持ち去られ難くなる。その結果、エンジン１０の温度上昇は促進される。なお、スロットル流路５７を第１液体循環経路とは別に設け、ゼロフローの状態ではブロック流路５３Ａ及びヘッド流路５３Ｂの流量がほぼゼロになるようにしてもよい。

また、ゼロフローの状態でも、熱交換器流路５１の流量はブロック流路５３Ａ及びヘッド流路５３Ｂの流量に比べて大幅に多い。これは、ブロック流路５３Ａ及びヘッド流路５３Ｂを含む第１液体循環経路と熱交換器流路５１とがウォータポンプ３１に対して並列に接続されているからである。換言すると、第１液体循環経路と熱交換器流路５１とが独立しているからである。

これにより、ゼロフローの状態で、エンジン１０の温度上昇を促進しつつ、熱交換器１３で冷却水の温度上昇を促進することができる。

図９は、冷却水温の上昇に応じてゼロフローを解除した場合における冷却回路１０１の状態を示している。

ゼロフローを解除するために、ヒータバルブ３２が開いた状態に制御される。この段階ではサーモスタット３５は閉じたままとする。ヒータバルブ３２が開かれたことで、ブロック流路５３Ａ、ヘッド流路５３Ｂ及びエンジン出口流路５４を流れる冷却水の流量が増加する。なお、エンジン１０に流入する流量が増加することで、熱交換器流路５１の流量は若干減少する。

図９の状態から、さらに冷却水の温度が上昇してサーモスタット３５が開くと、図２に示した通り、全ての流路に冷却水が流れることとなる。

次に、エンジン１０の冷機始動からヒータバルブ３２を全開にするまでの制御について図１０を参照して説明する。

図１０はコントローラ３０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。コントローラ３０は、エンジン１０が冷機始動する際にこの制御ルーチンを実行する。より詳細には、運転者の操作等によりエンジン始動指令が発せられたら、この制御ルーチンを実行する。以下、フローチャートのステップに沿って説明する。なお、図中の「ｙ」は判定結果が肯定的なことを示し、「ｎ」は判定結果が否定的なことを示す。

ステップＳ１００において、コントローラ３０はヒータバルブ３２を閉じる。これによりゼロフローの状態になる。

ステップＳ１１０において、コントローラ３０は第１バルブ機構２２を閉じる。なお、第２バルブ機構２１は初期状態で閉じているものとする。これにより、各バルブ機構２１、２２は図６に示した状態になり、エンジン１０の始動に伴ってウォータポンプ３１が駆動したら、熱交換器１３において排熱回収が行われる。

上記のステップＳ１００及びＳ１１０の処理が終了したら、コントローラ３０はエンジン１０を始動させる。

ステップＳ１２０において、コントローラ３０は、熱交換器１３の入口水温が第１判定温度としての第１凝縮水回避温度より高いか否かを判定する。判定結果が肯定的な場合はステップＳ１３０の処理を実行し、否定的な場合は本ステップを繰り返し実行する。ここでいう第１凝縮水回避温度とは、排気還流通路１７において凝縮水が発生しないときの温度である。より詳細には、熱交換器１３において排気が冷却されても、熱交換器１３の下流で凝縮水が発生しない場合の冷却水の温度の下限値である。なお、厳密な下限値でなくてもよく、凝縮水の発生をより確実に回避するために、下限値よりも若干高い温度としてもよい。具体的な第１凝縮水回避温度はエンジン１０の仕様等によるが、例えば５５℃程度とする。

ステップＳ１３０において、コントローラ３０はエンジン出口流路５４の冷却水の温度（エンジン出口水温）が第２判定温度としてのＥＧＲ可能温度より高いか否かを判定する。判定結果が肯定的な場合はステップＳ１４０の処理を実行し、否定的な場合はステップＳ１２０の処理に戻る。ここでいうＥＧＲ可能温度とは、ＥＧＲを行なってもエンジン１０が安定して燃焼する場合の冷却水の温度の下限値である。なお、厳密な下限値でなくてもよく、エンジン１０の燃焼安定性をより確実に確保するために、下限値よりも若干高い温度としてもよい。具体的なＥＧＲ可能温度はエンジン１０の仕様等によるが、例えば６０°程度とする。

ステップＳ１４０において、コントローラ３０は第１バルブ機構２２を開く。これにより、各バルブ機構２１、２２は図５の状態になる。

ステップＳ１５０において、コントローラ３０は第２バルブ機構２１を開く。これにより各バルブ機構２１、２２は図７の状態になる。すなわち、ＥＧＲが開始される。

ステップＳ１６０において、コントローラ３０は熱交換器入口水温が第３判定温度としての沸騰判定温度より高いか否かを判定する。判定結果が肯定的な場合はステップＳ１７０の処理を実行し、否定的な場合は本ステップを繰り返し実行する。ここでいう沸騰判定温度とは、冷却水の沸点または沸点より若干低い温度である。すなわち、沸騰判定温度は第１凝縮水回避温度及びＥＧＲ可能温度に比べて高温である。

ステップＳ１７０において、コントローラ３０はヒータバルブ３２を徐々に開く。これにより、ヒータ流路５６にも冷却水が流れることとなり、ゼロフローが解除される。ヒータバルブ３２をいきなり全開にせずに、徐々に開く理由については後述する。

ステップＳ１８０において、コントローラ３０はエンジン出口水温が第４判定温度としての第２凝縮水回避温度より高いか否かを判定する。判定結果が肯定的な場合はステップＳ１９０の処理を実行し、否定的な場合は本ステップを繰り返し実行する。ここでいう第２凝縮水回避温度とは、ヒータバルブ３２を全開にして、ヒータコア３３で温度低下した冷却水と熱交換器流路５１を流れる冷却水とが混合しても、熱交換器入口水温が第１凝縮水回避温度を下回らない場合の、エンジン出口流路５４の冷却水の温度である。なお、他の判定温度と同様に、若干のマージンを持たせてもよい。

そして、エンジン出口水温が第４判定温度としての第２凝縮水回避温度より高い場合には、コントローラ３０はステップＳ１９０においてヒータバルブ３２を全開にする。

上述した制御ルーチンを実行した場合の作用効果について、図１１～図１３のタイミングチャートを参照して説明する。

図１１は本実施形態の熱交換システム１００において上述した制御ルーチンを実行した場合の、冷却水温と冷却水流量とヒータバルブ３２の開度についてのタイミングチャートである。タイミングｔ０でエンジン始動指令が発せられたものとする。

ステップＳ１００及びＳ１１０の処理が終了し、タイミングｔ１でエンジン１０が始動すると、熱交換器流路５１の流量が増加する。このとき、ステップＳ１００及びＳ１１０の処理によってゼロフローの状態になっているので、ヒータコア３３には冷却水が流れない。

エンジン始動後は、熱交換器入口水温とエンジン出口水温はともに上昇する。ただし、熱交換器流路５１では熱交換器１３において排気から熱を回収するのに対し、ブロック流路５３Ａ及びヘッド流路５３Ｂでは冷えたエンジン１０に熱を奪われるので、熱交換器入口水温の方がエンジン出口水温よりも早く温度上昇する。

その後、熱交換器入口水温が第１凝縮水回避温度Ｔ２を超え、タイミングｔ２においてエンジン出口水温がＥＧＲ可能温度Ｔ１を超えると、ステップＳ１４０及びＳ１５０の処理によってＥＧＲが始まる。

そして、タイミングｔ３において熱交換器入口水温が沸騰判定温度Ｔ４を超えると、ステップＳ１７０の処理によって、ヒータバルブ３２の開度が漸増する。

これにより、ヒータ流路５６の冷却水流量が徐々に増加する。つまり、ポンプ流路５０からブロック流路５３Ａへ流入する冷却水流量が増加する。このため熱交換器流路５１の冷却水流量は減少する。

また、エンジン出口水温はブロック流路５３Ａ及びヘッド流路５３Ｂの冷却水流量が増加することで一旦低下するが、シリンダブロック１０Ａ及びシリンダヘッド１０Ｂの温度上昇に伴って再び上昇する。

また、ヒータ流路５６に冷却水が流れることにより、熱交換器１３を通過した冷却水と、ヒータコア３３を通過した冷却水とが合流する。ヒータコア３３を通過した冷却水は、熱交換器入口水温よりも低いエンジン出口水温がヒータコア３３においてさらに温度低下したものである。したがって、熱交換器１３を通過した冷却水はヒータコア３３を通過した冷却水と合流することで温度が低下して、再びウォータポンプ３１に流入する。これにより、熱交換器入口水温は上昇が抑制され、沸点Ｔ５より低温に維持される。

そして、タイミングｔ４においてエンジン出口水温が第２凝縮水回避温度Ｔ３を超えたら、ステップＳ１９０の処理によってヒータバルブ３２が全開になる。これにより、ヒータ流路５６の冷却水流量が急峻に増加し、熱交換器入口水温は低下する。ただし、エンジン出口水温が上述した通りに設定した第２凝縮水回避温度Ｔ３を超えているので、熱交換器入口水温が凝縮水発生温度まで低下することはない。

ここで、図１０のステップＳ１７０の処理において、ヒータバルブ３２を徐々に開くことについて図１２を参照して説明する。図１２は、ステップＳ１７０の処理においてヒータバルブ３２を全開にした場合のタイミングチャートである。タイミングｔ１からｔ３までは図１１と同様である。

熱交換器入口水温が沸騰判定温度Ｔ４を超えたタイミングｔ３では、エンジン出口水温は図１１のタイミングｔ４に比べて低い。この状態でヒータバルブ３２を全開にすると、熱交換器入口水温はエンジン出口水温と同じになるまで温度低下する。したがって、エンジン出口水温が第１凝縮水回避温度より低い場合には、凝縮水が発生してしまう。

これに対し本実施形態のようにヒータバルブ３２を徐々に開けば、ＥＧＲ開始直後の熱交換器入口水温の急激な低下が抑制される。そして、エンジン出口水温が、熱交換器流路５１の冷却水と熱交換器流路５１の冷却水とが混合しても熱交換器入口水温が第１凝縮水回避温度を下回らない温度（第２凝縮水回避温度）まで上昇してからヒータバルブ３２を全開にする。したがって、本実施形態によれば、凝縮水が発生することはない。

上記の通り、本実施形態によれば凝縮水の発生を回避しつつＥＧＲを行なうことができる。さらに、本実施形態によれば、ＥＧＲを開始するタイミングを早めることができる。これについて、比較例としての図１３と対比しつつ説明する。

図１３は、冷却水がエンジン１０及びスロットルチャンバ２４を通過した後に熱交換器１３に流入するという、従来から知られた冷却回路の場合のタイミングチャートである。

図１３に示す通り、ゼロフローの状態のタイミングｔ１においてエンジンを始動すると、エンジン出口水温は図１１に示した本実施形態の場合と同様に上昇する。ただし、冷却水がエンジン１０及びスロットルチャンバ２４を通過した後に熱交換器１３に流入するので、熱交換器入口水温はエンジン出口水温より低くなる。

そして、エンジン出口水温及び熱交換器入口水温がＥＧＲ可能温度Ｔ１を超えるタイミングｔ２になったら、ゼロフローの状態を解除できる。しかし、このタイミングｔ２では熱交換器入口水温が第１凝縮水回避温度Ｔ２に達していないので、ＥＧＲを行なうことができない。比較例においてＥＧＲを開始できるのは、熱交換器入口水温が第１凝縮水回避温度を超えるタイミングｔ３である。すなわち、比較例においては、ゼロフローの状態を解除してからＥＧＲを開始するまでに時間を要する。

これに対し本実施形態では、図１１に示した通り、ゼロフローの状態を解除する前にＥＧＲを開始することができる。つまり、本実施形態によれば、比較例に比べて大幅に早いタイミングでＥＧＲを開始することができる。

以下に、本実施形態による効果をまとめる。

本実施形態の熱交換システム１００は、エンジン１０の排気通路１１におけるメイン触媒（床下）１２の上流側に、排気と冷却水（液体）との熱交換を行なう熱交換器１３を備える熱交換通路１４と、熱交換器１３をバイパスするバイパス通路１５と、熱交換通路１４及びバイパス通路１５の排気流量を調節する第１バルブ機構（第１流量調節機構）２２と、を備える。さらに、熱交換通路１４の熱交換器１３の出口側からエンジン１０の吸気通路１６へ排気を還流させる排気還流通路１７と、排気還流通路１７を通過する排気の流量を調節する第２バルブ機構（第２流量調節機構）２１と、第１バルブ機構２２及び第２バルブ機構２１を制御するコントローラ（制御部）３０と、を備える。コントローラ３０は、エンジン１０の暖機運転時（特に初期）には、第１バルブ機構２２を制御することによりバイパス通路１５を閉鎖して熱交換通路１４を介して排気をメイン触媒１２に流す。そして、暖機運転が終了したら第２バルブ機構２１を制御することにより熱交換器１３を通過した排気を排気還流通路１７に流す。このような熱交換システム１００は、エンジン１０のシリンダヘッド１０Ｂ及びシリンダブロック１０Ａを冷却するためのヘッド流路５３Ｂ、ブロック流路５３Ａ（エンジン冷却流路）を経路の一部として含む第１液体循環経路と、エンジン冷却流路から独立して冷却水が熱交換器１３を循環する熱交換器流路（第２液体循環経路）５１と、を備える。

上記のように、熱交換器１３を循環する冷却回路とエンジンを冷却するための冷却回路とを分離することで、暖機運転中における冷却水の温度上昇が促進され、エンジン１０が暖まるのを待たずにＥＧＲを開始することが可能となる。

本実施形態の熱交換システム１００は、第１液体循環経路及び熱交換器流路５１に冷却水を循環させる１つのウォータポンプ３１を備え、ウォータポンプ３１に対して第１液体循環経路と熱交換器流路５１とが並列に接続される。これにより、コンパクトなシステムで早期のＥＧＲ開始を可能にすることができる。

本実施形態の熱交換システム１００は、第１液体循環経路におけるエンジン冷却流路の下流側に配置され、エンジン冷却流路からヒータコア３３への流量を調節するヒータバルブ（第３流量調節機構）３２をさらに備える。そして、コントローラ３０は、暖機運転の初期にはヒータバルブ３２を閉じてエンジン冷却流路からヒータコア３３への冷却水の流れを遮断し、かつ、第２液体循環経路には冷却水を循環させる。

これにより、ゼロフローの状態であっても、熱交換器流路５１では冷却水が循環するので、熱交換器入口水温は速やかに上昇する。

本実施形態では、コントローラ３０は、熱交換器入口水温（第１水温）が、第１凝縮水回避温度（第１判定温度）より高く、かつ、エンジン出口水温（第２水温）が、ＥＧＲを行なってもエンジン１０が燃焼可能な場合の水温であるＥＧＲ可能温度（第２判定温度）より高くなったら、第２バルブ機構２１を開いてＥＧＲを開始する。上述した比較例の構成ではエンジン１０が暖まり、その後に熱交換器１３が暖まってからＥＧＲを開始することができるが、本実施形態の構成では、これよりも早期にＥＧＲを開始することができる。

本実施形態では、コントローラ３０は、熱交換器入口水温またはエンジン出口水温のいずれかが第１凝縮水回避温度及びエンジン出口水温よりも高い沸騰判定温度（第３判定温度）より高くなったら、ヒータバルブ３２を開いてヒータコア３３に冷却水を流す。これにより、冷却水の沸騰を回避できる。

本実施形態では、コントローラ３０は、ヒータバルブ３２を開く際には、開度を漸増させる。つまり、ヒータバルブ３２を徐々に開く。これにより熱交換器入口水温が維持されるので、ＥＧＲを開始しても凝縮水が発生することはない。

本実施形態では、コントローラ３０は、ヒータバルブ３２の開度を漸増させている期間中にエンジン出口水温が第１凝縮水回避温度より高い第２凝縮水回避温度（第４判定温度）より高くなったら、ヒータバルブ３２を全開にする。上述した通り、エンジン出口水温が第２凝縮水回避温度より高くなれば、ヒータバルブ３２を全開にしても凝縮水が発生することはない。

なお、本実施形態では熱交換通路１４とバイパス通路１５との切り替えを行なう第１バルブ機構２２として１つの三方弁を用いたが、これに限られるわけではない。例えば、熱交換通路１４とバイパス通路１５に、それぞれ１個ずつバルブを設け、これらのバルブを協調制御してもよい。第２バルブ機構２１についても、バタフライバルブに限られるわけではなく、排気還流通路１７の排気流量を調節できるのであれば、他の形式のバルブを用いてもよい。

また、上記の説明では、本実施形態及び比較例のいずれも暖機運転の初期にゼロフローの状態にしているが、ゼロフローの状態にすることは必須ではない。ゼロフローの状態にしない場合には、熱交換器入口水温及びエンジン出口水温の上昇速度が遅くなるだけである。すなわち、本実施形態及び比較例のいずれもゼロフローの状態にしないものとして比較しても、本実施形態の構成は比較例の構成に比べて早期にＥＧＲを開始することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (5)

1. エンジンの排気通路に、
   排気と液体との熱交換を行なう熱交換器を備える熱交換通路と、
   前記熱交換器をバイパスするバイパス通路と、
   前記熱交換通路及び前記バイパス通路の排気流量を調節する第１流量調節機構と、
   を備え、さらに、
   前記熱交換通路の前記熱交換器の出口側から前記エンジンの吸気通路へ前記排気を還流させる排気還流通路と、
   前記排気還流通路を通過する排気の流量を調節する第２流量調節機構と、
   前記第１流量調節機構及び前記第２流量調節機構を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部が、前記エンジンの暖機運転時には、前記第１流量調節機構を制御することにより前記バイパス通路を閉鎖して前記熱交換通路を介して排気を流し、前記暖機運転が終了したら前記第２流量調節機構を制御することにより前記熱交換器を通過した排気を前記排気還流通路に流す、熱交換システムにおいて、
   前記エンジンの内部に設けたエンジン冷却流路を経路の一部として含む第１液体循環経路と、
   前記エンジン冷却流路から独立して前記液体が前記熱交換器を循環する第２液体循環経路と、
   前記第１液体循環経路及び前記第２液体循環経路に前記液体を循環させる１つのウォータポンプと、
   前記第１液体循環経路における前記エンジン冷却流路の下流側に配置され、前記エンジン冷却流路からヒータコアへの流量を調節する第３流量調節機構と、
   を備え、
   前記ウォータポンプに対して前記第１液体循環経路と前記第２液体循環経路とが並列に接続され、
   前記制御部は、前記暖機運転の初期には前記第３流量調節機構を閉じて前記エンジン冷却流路から前記ヒータコアへの前記液体の流れをほぼ遮断し、かつ、前記第２液体循環経路には前記液体を循環させ、前記熱交換器の入口における前記液体の温度である第１水温が、前記排気還流通路において凝縮水が発生しない場合の水温である第１判定温度より高く、かつ、前記エンジン冷却流路の出口における前記液体の温度である第２水温が、前記吸気通路に前記排気を還流させても前記エンジンが燃焼可能な場合の水温である第２判定温度より高くなったら、前記第２流量調節機構を開いて前記排気を前記吸気通路に還流させる、熱交換システム。
2. 請求項１に記載の熱交換システムにおいて、
   前記制御部は、前記第１水温または前記第２水温のいずれかが前記第１判定温度及び前記第２判定温度よりも高い第３判定温度より高くなったら、前記第３流量調節機構を開いて前記ヒータコアに前記液体を流す、熱交換システム。
3. 請求項２に記載の熱交換システムにおいて、
   前記制御部は、前記第３流量調節機構を開く際には、開度を漸増させる、熱交換システム。
4. 請求項３に記載の熱交換システムにおいて、
   前記制御部は、前記第３流量調節機構の開度を漸増させている期間中に前記第２水温が前記第１判定温度より高い第４判定温度より高くなったら、前記第３流量調節機構を全開にする、熱交換システム。
5. 請求項１に記載の熱交換システムにおいて、
   前記熱交換器は床下触媒の上流側に位置する、熱交換システム。

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