JP2008190437A - 内燃機関の排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時における触媒暖機を促進することが可能な内燃機関の排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】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、電動ポンプと、冷却水流量調節手段と、を備える。排気熱回収装置は、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と共に、排気通路内の排気ガスにより暖機が行われる触媒を有する。電動ポンプは、冷却水の循環を行う。冷却水流量調節手段は、内燃機関の始動後で、かつ、触媒が暖機中の状態にある場合には、冷却水の流量を所定量以下にする。これにより、冷却水が触媒に発生する反応熱を奪うことを抑えることができ、触媒の暖機を促進することができる。
【選択図】図３

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、触媒一体型の排気熱回収器が記載されている。また、特許文献２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を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２０００−２５７４１５号公報 特開平２−１０４９５２号公報

ところで、触媒一体型の排気熱回収器において、内燃機関の始動時に冷却水を循環させると、排気熱回収器が冷却されて、触媒暖機が阻害される恐れがある。しかしながら、特許文献１及び特許文献２には、内燃機関の始動時における冷却水の循環のタイミングについて詳細な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、内燃機関の始動時における触媒暖機を促進する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目的とする。

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と共に、前記排気通路内の排気ガスにより暖機が行われる触媒を有する排気熱回収器と、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、前記内燃機関の始動後で、かつ、前記触媒が暖機中の状態にある場合には、前記冷却水の流量を所定量以下にする冷却水流量調整手段を備える。

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、電動ポンプと、冷却水流量調節手段と、を備える。前記排気熱回収装置は、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と共に、前記排気通路内の排気ガスにより暖機が行われる触媒を有する。前記電動ポンプは、前記冷却水の循環を行う。前記冷却水流量調節手段は、例えば、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、前記内燃機関の始動後で、かつ、前記触媒が暖機中の状態にある場合には、前記冷却水の流量を所定量以下にする。これにより、前記触媒に発生した反応熱が前記冷却水によって奪われるのを抑えることができ、触媒の暖機を促進することができる。

上記の内燃機関の排気熱回収装置の好適な実施例は、前記所定量は、前記触媒と前記排気ガスとが反応することによって発生する反応熱を前記冷却水が奪わない流量である。

上記の内燃機関の排気熱回収装置の他の一態様は、前記水流量調整手段は、前記触媒が暖機された後で、かつ、前記冷却水が加温中の状態にある場合には、前記冷却水の流量を、前記排気熱回収器による排気熱の回収量が最大となる流量に調整する。これにより、冷却水は、効率的に排気熱を回収することができる。

上記の内燃機関の排気熱回収装置の他の一態様は、前記水流量調整手段は、前記冷却水が加温後の状態にある場合には、前記冷却水の流量を、前記排気熱回収器内で前記冷却水が沸騰しない最低限の流量に調整する。これにより、冷却水の沸騰の恐れや、放熱の必要性がなくなる。

上記の内燃機関の排気熱回収装置の他の一態様は、前記水流量調整手段は、前記冷却水が加温後の状態で、かつ、前記触媒が過熱されている状態にある場合には、前記冷却水の流量を増加する。これにより、触媒の触媒温度を低減することができ、触媒の過熱を防ぐことができる。

前記水流量調整手段は、ソーク中において、前記冷却水の流量を、前記排気熱回収器内で前記冷却水が沸騰しない最低限の流量に調整する。これにより、ソーク中における冷却水の沸騰を防ぐことができる。

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。更に、エンジン１には、冷却水の温度を検出する水温センサ６が設けられている。水温センサ６は、検出した温度に対応する検出信号Ｓ６をＥＣＵ５０に供給する。

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、冷却水の温度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、冷却水の温度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、冷却水の温度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、冷却水の温度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。

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。

更に、冷却水通路１２によって覆われた排気通路１０の内部には、触媒１１が設けられている。排気通路１０内を流通する排気ガスは、触媒１１と接触し、触媒１１との酸化反応等の化学反応により浄化される。このとき、触媒１１には、排気ガスと化学反応することによる反応熱が発生する。

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、排気熱だけでなく反応熱も伝達し、効率的な熱交換を実現する。なお、以下の説明において、「排気熱」とは、触媒１１より発生する反応熱も含むものとする。

排気熱回収器２には、触媒１１の温度を検出する触媒温度センサ（不図示）が取り付けられている。触媒温度センサは、検出した温度に対応する検出信号Ｓ７をＥＣＵ５０に供給する。

ここで図１に戻り説明を続ける。ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを備える。ＥＣＵ５０は、水温センサ６、触媒温度センサから供給される出力などに基づいて、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調節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。

（電動Ｗ／Ｐの制御方法）
図３は、本実施形態に係る排気熱回収装置における各パラメータの時間に対するグラフを示している。具体的には、図３（ａ）は、時間に対する排気熱回収器２の冷却水通路１２を流れる冷却水の水量のグラフを示し、図３（ｂ）は、時間に対する触媒１１の温度のグラフを示し、図３（ｃ）は、時間に対する水温のグラフを示し、図３（ｄ）は、時間に対するエンジン１のパワーのグラフを示している。以下では、図３のグラフを基に、電動Ｗ／Ｐ５の制御について説明する。

まず、エンジンの始動時から触媒暖機中（Ｐｈａｓｅ１）における電動Ｗ／Ｐ５の制御について説明する。

エンジン１が始動すると、排気ガスが排気通路１０を通って、外部へ排出される。このとき、先にも述べたように、排気ガスは、排気熱回収器２において、触媒１１と接触し、触媒１１には、排気ガスと化学反応することにより反応熱が発生する。そのため、図３（ｂ）に示すように、エンジンが始動されると、触媒１１の温度は上昇する。これにより、触媒１１の暖機が行われる。このとき、冷却水が排気熱回収器２の冷却水通路１２内を流れていると、冷却水通路１２内を流れている冷却水が、触媒１１に発生した反応熱を奪ってしまい、触媒１１の暖機が妨げられてしまう。

本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、エンジン１の始動時から数十秒の間にある、もしくは、触媒温度センサからの出力を基に、触媒１１の触媒温度が所定温度Ｔｓ１よりも低くなっていると判定した場合には、触媒が暖機中の状態（触媒暖機中）にあると判定する。この所定温度Ｔｓ１は、予め、ユーザなどによって設定され、ＲＯＭなどに記録されている。

このとき、ＥＣＵ５０は、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水通路１２を循環する冷却水の流量を所定量以下に設定する。この所定量は、触媒１１の反応熱を奪うことのない流量、即ち、理想的には、図３（ａ）に示すように、概ね「０」となる流量（電動Ｗ／Ｐが駆動していない状態）に設定される。このようにすることで、触媒１１に発生する反応熱が冷却水によって奪われるのを抑えることができる。

以上に述べたように、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、エンジン１の始動後で、かつ、触媒１１が暖機中の状態にある場合には、排気熱回収器２内の冷却水の流量を所定量以下にする。これにより、触媒１１に発生する反応熱が冷却水によって奪われるのを抑えることができ、触媒１１の暖機を促進することができる。

次に、触媒暖機後から冷却水加温中（Ｐｈａｓｅ２）における電動Ｗ／Ｐ５の制御について説明する。

ＥＣＵ５０は、エンジン１の始動時から数十秒が経過している、もしくは、触媒温度センサからの出力を基に、触媒１１の触媒温度が所定温度Ｔｓ１以上になっていると判定した場合には、触媒の暖機が完了した状態にある（触媒暖機後）と判定する。

このとき、ＥＣＵ５０は、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水通路１２内を流れる冷却水の流量を大きくする。冷却水通路１２内を流れる冷却水は、排気熱を回収することで加温され、加温された冷却水は、エンジン１の暖機やヒータの熱源に利用される。

本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、このときの冷却水通路１２を循環する冷却水の流量を、排気熱の回収量が最大となる流量である最適流量Ｆｗ１に設定する。この最適流量Ｆｗ１は、予め実験などにより求められた値であり、ＲＯＭなどに記録されている。このようにすることで、冷却水は、効率的に排気熱を回収することができる。

この冷却水の加温は、冷却水の水温が所定温度Ｔｗ１になるまで行われる。この所定温度Ｔｗ１は、エンジン１の暖機をするのに最適な水温である。所定温度Ｔｗ１は、予め実験などで求められた値であり、ＲＯＭなどに記録されている。実際には、この所定温度Ｔｗ１は８０℃程度に設定される。ＥＣＵ５０は、水温センサ６からの出力を基に、冷却水の水温を求め、求められた水温が所定温度Ｔｗ１よりも低くなっていると判定した場合には、冷却水は加温中の状態（冷却水加温中）にあるとして、冷却水通路１２を循環する冷却水の流量を、最適流量Ｆｗ１に設定する。

以上に述べたように、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、触媒１１が暖機された後で、かつ、冷却水が加温中の状態にある場合には、排気熱回収器２内の冷却水の流量を、排気熱回収器２による排気熱の回収量が最大となる流量に調整する。これにより、冷却水は、効率的に排気熱を回収することができる。

次に、冷却水加温後（Ｐｈａｓｅ３）における電動Ｗ／Ｐ５の制御について説明する。

ＥＣＵ５０は、冷却水の水温が所定温度Ｔｗ１以上になっていると判定した場合には、冷却水の加温が完了した状態にある（冷却水加温後）と判定する。この場合には、もはや、冷却水による排気熱の回収は必要ない。このまま、冷却水の流量を最適流量Ｆｗ１にしたままだと、冷却水は排気熱を回収し過ぎることとなり、ラジエータ３で放熱する必要が出てくる。一方、冷却水の流量を０にすると、冷却水が沸騰してしまう恐れがある。

従って、このとき、ＥＣＵ５０は、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水通路１２内を流れる冷却水の流量を、所定量Ｆｗ２に設定する。この所定量Ｆｗ２は、具体的には、排気熱回収器２の冷却水通路１２内の冷却水が、排気熱を回収することにより沸騰しない程度の最低限の流量である。所定量Ｆｗ２は、予め実験などにより求められた値であり、ＲＯＭなどに記録されている、このようにすることで、冷却水の沸騰の恐れや、放熱の必要性がなくなる。

以上に述べたように、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、冷却水が加温後の状態にある場合には、冷却水の流量を、排気熱回収器２内で冷却水が沸騰しない最低限の流量に調整する。これにより、冷却水の沸騰の恐れや、放熱の必要性がなくなる。

次に、先に述べた冷却水加温後において、触媒が過熱されている状態にある場合（Ｐｈａｓｅ４）における電動Ｗ／Ｐの制御について説明する。

触媒が過熱されている状態とは、具体的には、エンジン１の運転域が高回転高負荷時（例えば、エンジンパワーがＰｅを超えた状態になっている時）、又は、触媒１１の触媒温度が、所定温度Ｔｓ１を超えた場合である。触媒１１は、過熱されると、熱により劣化してしまい、触媒１１の浄化機能も低下する。また、このとき、触媒１１の過熱を抑えるため、噴射する燃料を増量する必要が生じ、燃費も悪化する。なお、所定温度Ｔｓ１は、予め実験などにより求められ、ＲＯＭなどに記録されている。

そこで、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、冷却水加温後において、触媒１１が過熱されていると判定した場合、例えば、触媒１１の触媒温度が所定温度Ｔｓ１を超えたと判定した場合には、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水通路１２を循環する冷却水の流量を増加して流量Ｆｗ３にする調整を行う。これにより、触媒１１の触媒温度を低減することができ、触媒１１の過熱を防ぐことができる。

以上に述べたように、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ＥＣＵ５０は、冷却水が加温後の状態で、かつ、触媒１１が過熱されている状態にある場合には、排気熱回収器２内の冷却水の流量を増加する。これにより、触媒１１の過熱を防ぐことができる。

次に、ソーク中（Ｐｈａｓｅ５）における電動Ｗ／Ｐ５の制御について説明する。

ソーク（ホットソーク及びデッドソークの両方を含む）中であっても、例えば、エンジン１を停止した直後のような場合には、触媒１１や排気熱回収器２の残熱により、触媒１１の触媒温度や排気熱回収器２の温度は、すぐには低下しない。そのため、ソーク中であるからといって、電動Ｗ／Ｐ５を停止すると、触媒１１の触媒温度や排気熱回収器２の温度が高い場合には、触媒１１や排気熱回収器２の残熱によって、冷却水が沸騰する恐れがある。

そこで、本実施形態に係る排気熱回収装置では、ソーク中であっても、冷却水通路１２内に冷却水を流すこととする。具体的には、ＥＣＵ５０が、ソーク中であっても、触媒１１の触媒温度や排気熱回収器２の温度が高いと判定した場合、例えば、触媒１１の触媒温度Ｔｓ２よりも高くなっていると判定した場合には、ＥＣＵ５０は、電動Ｗ／Ｐ５を制御して、冷却水通路７内を流れる冷却水の流量を、所定時間ＣＬの間、所定量Ｆｗ２に設定する。この触媒温度Ｔｓ２は、電動Ｗ／Ｐ５を停止して、冷却水の流量が０になった場合に、冷却水が沸騰する恐れのある温度である。

ここで、所定量Ｆｗ２は、先にも述べたように、排気熱回収器２の冷却水通路１２内の冷却水が、排気熱を回収することにより沸騰しない程度の最低限の流量である。また、所定時間ＣＬは、触媒温度がＴｓ２よりも低くなるのに十分な時間である。このようにすることで、ソーク中における冷却水通路１２内における冷却水の沸騰を防ぐことができる。

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。 本実施形態に係る排気熱回収装置における各パラメータの時間に対するグラフである。

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
５０ ＥＣＵ
１００ 冷却系システム

Claims (6)

1. 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と共に、前記排気通路内の排気ガスにより暖機が行われる触媒を有する排気熱回収器と、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、
   前記内燃機関の始動後で、かつ、前記触媒が暖機中の状態にある場合には、前記排気熱回収器内の前記冷却水の流量を所定量以下にする冷却水流量調整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。
2. 前記所定量は、前記触媒と前記排気ガスとが反応することによって発生する反応熱を前記冷却水が奪わない流量であ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。
3. 前記水流量調整手段は、前記触媒が暖機された後で、かつ、前記冷却水が加温中の状態にある場合には、前記排気熱回収器内の前記冷却水の流量を、前記排気熱回収器による排気熱の回収量が最大となる流量に調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
4. 前記水流量調整手段は、前記冷却水が加温後の状態にある場合には、前記冷却水の流量を、前記排気熱回収器内で前記冷却水が沸騰しない最低限の流量に調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
5. 前記水流量調整手段は、前記冷却水が加温後の状態で、かつ、前記触媒が過熱されている状態にある場合には、前記排気熱回収器内の前記冷却水の流量を増加することを特徴とする請求項４に記載の排気熱回収装置。
6. 前記水流量調整手段は、ソーク中において、前記冷却水の流量を、前記排気熱回収器内で前記冷却水が沸騰しない最低限の流量に調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排気熱回収装置。

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