JP2006083784A - エンジン排熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス通路におけるガス流通抵抗を増大させることなく、排気熱を有効利用してエンジン冷却液を加温することが可能なエンジン排熱利用装置を提供する。
【解決手段】ラジエータ７を含むエンジン冷却液の冷却用循環回路６の他に、エンジン冷却液をエンジン１から熱交換部３及び切替弁１０を経由してエンジン１に戻すエンジン冷却液の加温用循環回路９を設ける。熱交換部３は、排気ガス通路の一部を構成する中央配管３１と、その中央配管３１を包囲する冷却液通路を構築する筒状ケーシング３２とを具備する。熱交換部３の下流側に設けらた切替弁１０は、エンジン１内での冷却液温に応じて熱交換部３からのエンジン冷却液をエンジン１又はラジエータ７のいずれかに送るべく流路切替えを行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液冷エンジンにおいて排気ガスの熱をエンジン冷却液の加温に利用するエンジン排熱利用装置に関するものである。

従来、車輌用液冷エンジンにおいて早期暖機を実現するために、エンジンの排気ガスが有する熱（以下、排熱又は排気熱という）を利用して冷却液（エンジン冷却水）を加温する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１の水冷機関の暖機促進装置は、「機関排気通路の途中に触媒コンバータを介装した水冷機関において、前記触媒コンバータの下流側排気通路にバイパス状の排気通路を設けるとともに、この排気バイパス通路に機関冷却水が循環する熱交換器を形成し、さらに機関温度が所定値を超えると前記排気バイパス通路を閉じる排気バイパス弁装置を設け」て構成されている。

しかしながら、特許文献１の装置にもいくつかの欠点がある。第１に、排気ガス通路の途中にバイパス状の排気通路及びその排気バイパス通路を開閉するための排気バイパス弁装置を設けることは、圧力損失の増大、つまり排気ガスの流通抵抗の増大をもたらし、エンジンの効率や性能を低下させるおそれがある。第２に、熱交換器を触媒コンバータよりも下流に配置することで高温の排気ガスが触媒コンバータを通過した後に熱交換器を通過する構成としたため、高温の排気ガスによって触媒又はその担体が高温劣化するおそれがある。つまり、熱交換器は触媒等の高温劣化防止に何ら貢献しない。

実開昭５８−１４９５７４号の全文明細書（登録請求の範囲）

本発明の目的は、排気ガス通路におけるガス流通抵抗を増大させることなく、排気熱を有効利用してエンジン冷却液を加温することが可能なエンジン排熱利用装置を提供することにある。また、排気ガス通路に設置された触媒や触媒担体の高温劣化防止に貢献し得るエンジン排熱利用装置を提供することにある。

請求項１の発明は、ラジエータを含むエンジン冷却液の冷却用循環回路が併設された液冷エンジンにおいて排気ガスの熱をエンジン冷却液の加温に利用するエンジン排熱利用装置であって、エンジン冷却液をエンジンから熱交換部及び切替弁を経由してエンジンに戻すエンジン冷却液の加温用循環回路を備え、前記熱交換部は、排気ガス通路の一部を構成する中央配管と、その中央配管の周囲において当該中央配管を包囲する冷却液通路を構築する筒状ケーシングとを具備し、前記切替弁は、熱交換部の下流側に設けられると共に、エンジン内での冷却液温に応じて熱交換部からのエンジン冷却液をエンジン又は冷却用循環回路のいずれかに送るべく流路切替えを行うことを特徴とするエンジン排熱利用装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のエンジン排熱利用装置において、前記切替弁は、エンジン内での冷却液温が所定温度未満のときには熱交換部からのエンジン冷却液をエンジンに直接戻すべく、又、エンジン内での冷却液温が所定温度以上のときには熱交換部からのエンジン冷却液を冷却用循環回路のラジエータを経由してからエンジンに戻すべく流路切替えを行うことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のエンジン排熱利用装置において、前記熱交換部は、排気ガス通路に沿って設けられた排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けられていることを特徴とする。

（作用１）：請求項１〜３のエンジン排熱利用装置によれば、熱交換部では、中央配管を流れる排気ガスの熱がその管壁を介して、中央配管と筒状ケーシングとの間に構築された冷却液通路を流れるエンジン冷却液に伝達され、当該冷却液が加温される（エンジン冷却液による排熱回収）。熱交換部の中央を中央配管が貫通し、その中央配管を冷却液通路が包囲する構造となっているため、排気ガス通路を不自然に迂回させる必要が無く、ガス流通抵抗の増大を回避できる。そして、エンジン内の冷却液温が低いとき、切替弁は熱交換部をエンジンにつなぐため、熱交換部で加温されたエンジン冷却液がエンジンに直接送られ、エンジンの早期暖機が図られる。他方、エンジン内の冷却液温が高くなると、切替弁は熱交換部を冷却用循環回路につなぐため、熱交換部で一旦加温されたエンジン冷却液も冷却用循環回路のラジエータで適度に放熱してからエンジンに戻され、エンジン冷却液が過熱状態に陥ることがない。なお、エンジンの排気ガス通路において、熱交換部を排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けることで、熱交換部である程度熱を奪われた排気ガスを触媒コンバータに導入可能となり、触媒又はその担体の高温劣化防止に役立つ。

請求項４の発明は、液冷エンジンにおいて排気ガスの熱をエンジン冷却液の加温に利用するエンジン排熱利用装置であって、エンジン冷却液をエンジンから熱交換部を経由してエンジンに戻すエンジン冷却液の加温用循環回路を備え、前記熱交換部は、排気ガス通路の一部を構成する中央配管と、その中央配管の周囲において当該中央配管を包囲する冷却液通路を構築する筒状ケーシングとを具備すると共に、排気ガス通路に沿って設けられた排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けられていることを特徴とするエンジン排熱利用装置である。

（作用２）：請求項４のエンジン排熱利用装置によれば、熱交換部では、中央配管を流れる排気ガスの熱がその管壁を介して、中央配管と筒状ケーシングとの間に構築された冷却液通路を流れるエンジン冷却液に伝達され、当該冷却液が加温される（エンジン冷却液による排熱回収）。熱交換部の中央を中央配管が貫通し、その中央配管を冷却液通路が包囲する構造となっているため、排気ガス通路を不自然に迂回させる必要が無く、ガス流通抵抗の増大を回避できる。エンジンの排気ガス通路において、熱交換部を排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けたことで、熱交換部である程度熱を奪われた排気ガスを触媒コンバータに導入可能となり、触媒又はその担体の高温劣化防止に役立つ。

（付記）本発明の更に好ましい態様や追加的構成要件を以下に列挙する。
Ａ．請求項１〜４において、前記中央配管はストレートパイプ状であること。
Ｂ．請求項１〜４において、前記中央配管と前記筒状ケーシングとの間に構築される冷却液通路は、軸直交断面が略環状をなすこと。

請求項１〜３のエンジン排熱利用装置によれば、排気ガス通路におけるガス流通抵抗を増大させることなく、排気熱を有効利用してエンジン冷却液を加温することができる。そして、エンジンの早期暖機を図ることができる。また、加温用循環回路に設けられた切替弁によるエンジン内での冷却液温に応じた流路切替えにより、エンジン冷却液の加温と過熱回避との両立を図ることができる。

請求項４のエンジン排熱利用装置によれば、排気ガス通路におけるガス流通抵抗を増大させることなく、排気熱を有効利用してエンジン冷却液を加温することができる。そして、エンジンの早期暖機を図ることができる。また、エンジンの排気ガス通路において、熱交換部を排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けたことで、熱交換部である程度熱を奪われた排気ガスを触媒コンバータに導入でき、触媒や触媒担体の高温劣化防止に貢献することができる。

以下、本発明のエンジン排熱利用装置の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１に示すように、車輌用水冷エンジン１の排気ガス通路は、排気マニホルド２、熱交換部３、並びに、排気ガス浄化用のフロント触媒コンバータ４及びリア触媒コンバータ５を少なくとも備えている。熱交換部３は、排気マニホルド２の下流側であってフロント触媒コンバータ４よりも上流側に設けられている。

水冷エンジン１には、エンジン冷却水の冷却用循環回路６が併設されている。この冷却用循環回路６は、エンジン１のシリンダブロック内等に設定された内部冷却水回路６ａと、エンジン１の外に設定された外部冷却水回路６ｂとから構成されている。外部冷却水回路６ｂには放熱用熱交換器としてのラジエータ７が配設されている。冷却用循環回路６に沿ったエンジン冷却水の巡回駆動力は、図示しないウォーターポンプによって生み出される。なお、冷却用循環回路６におけるエンジン内への入口位置には、サーモスタット弁８が設けられている。サーモスタット弁８は、エンジン冷却水の温度に応じて冷却用循環回路６の開度を制御してラジエータ７を経由するエンジン冷却水量を調節することにより、エンジン冷却水温をフィードバック制御する。

更にこの水冷エンジン１には、上記冷却用循環回路６とは別に、エンジン冷却水の加温用循環回路９が設けられている。この加温用循環回路９は、エンジン１のシリンダブロック内等に設定された前記内部冷却水回路６ａの全部又は一部と、エンジン１の外に設定された第２の外部冷却水回路９ｂとから構成されている。第２の外部冷却水回路９ｂには、前記熱交換部３及び切替弁１０が配設されている。つまり、加温用循環回路９は、エンジン冷却水をエンジン１から熱交換部３及び切替弁１０を経由してエンジン１に戻す冷却水回路を提供する。加温用循環回路９に沿ったエンジン冷却水の巡回駆動力は、図示しないウォーターポンプによって生み出される。ウォーターポンプは、冷却用循環回路６と加温用循環回路９とで兼用されてもよい。

図２に示すように、熱交換部３は、ほぼストレートなパイプ状の中央配管３１と、その中央配管３１の周囲において当該中央配管３１を包囲するように設けられた筒状のケーシング３２とを備えている。

中央配管３１の上端部（上流側端部）は、排気マニホルド２の後端部に直接連結されている。他方、中央配管３１の下端部（下流側端部）は漏斗状に形成され、フロント触媒コンバータ４の筒状ケーシング４１の上端部（上流側端部）に対し全周溶接により連結されている。排気マニホルド２とフロント触媒コンバータ４とを連結する中央配管３１は、ほぼストレートであることに加え、中央配管３１の上端部及び本体部の内径が排気マニホルド２の後端部の内径にほぼ等しい。それ故、少なくとも中央配管３１の構造的要因によって排気ガス通路における排気抵抗が増大することはない。なお、フロント触媒コンバータ４の筒状ケーシング４１内には、排気ガス浄化用の触媒を担持した触媒担体４２が収容保持されている。

図２及び図３に示すように、中央配管３１を包囲するように筒状ケーシング３２が設けられた結果、中央配管３１の管壁外周面と筒状ケーシング３２の内周面との間には、中央配管３１の中心軸線Ｌに対する軸直交断面が略環状（本例では円環状）となる冷却水通路３３が構築されている。また、筒状ケーシング３２には、エンジン１から送られてくるエンジン冷却水を前記環状冷却水通路３３に導入するための導入口３４と、その環状冷却水通路３３からエンジン冷却水を導出するための導出口３５とが設けられている。

図１に示すように、加温用循環回路９において熱交換部３の下流側には切替弁１０が設けられている。切替弁１０は、熱交換部３とエンジン１との間に介在して両者を連結するのみならず、分岐通路１１を介して熱交換部３を冷却用循環回路６のラジエータ７にも連結可能としている。切替弁１０はいわゆる三方弁で構成されており、熱交換部３の導出口３５から送られてきたエンジン冷却水をエンジン１又はラジエータ７のいずれかに送るべく流路切替えを行う。また、切替弁１０は、アクチュエータ及び制御回路を含む弁駆動制御機構１２に作動連結されている。弁駆動制御機構１２は、エンジン１の電子制御ユニットＥＣＵと電気的に接続されており、ＥＣＵを介して提供されるエンジン冷却水温（例えば、エンジン１本体に装着された水温センサによって測定される）に基づいて切替弁１０の流路切替え動作を制御する。

本実施形態のエンジン排熱利用装置は、エンジン１の暖機状態等に応じて次のように作動する。

先ず冷間状態のエンジン１が始動されると、ウォーターポンプの作用によりエンジン１内のエンジン冷却水が外部冷却水回路６ｂ，９ｂに送り出される。但し、エンジン１の始動直後でエンジン冷却水の温度ｔが所定の目標温度Ｔ（一般にはＴ＝８２℃、寒冷地仕様ではＴ＝８８℃）に満たない場合、サーモスタット弁８はほぼ閉弁状態となり、冷却用循環回路６に冷却水の流れは生じない。また、冷却水温ｔ＜Ｔでは、切替弁１０は熱交換部３をエンジン１に直接接続する。それ故、エンジン１の始動と同時に、加温用循環回路９には、エンジン１から熱交換部３の環状冷却水通路３３及び切替弁１０を経由してエンジン１に戻るエンジン冷却水の循環流が発生する。

なお、ウォーターポンプが作動する間、エンジン１から熱交換部３を経て切替弁１０に達する流れは常に維持される。切替弁１０に達した流れは、切替弁１０の切替え状況に応じて直接エンジン１に戻るか、又は分岐通路１１及びラジエータ７を経由した後にエンジン１に戻るかのいずれかである。いずれにしてもウォーターポンプが作動し続ける限り、エンジン１から熱交換部３及び切替弁１０を経由する流れが維持されることに変わりはない。

熱交換部３では、中央配管３１を流れる排気ガスの熱がその配管壁を介して、中央配管３１と筒状ケーシング３２との間に構築された環状冷却水通路３３を流れるエンジン冷却水に伝達される。つまり、加温用循環回路９を流れるエンジン冷却水を排気ガスの熱で加温することにより、排熱回収が行われる。熱交換部３で加温されたエンジン冷却水は、切替弁１０を経由してエンジン１に直接戻され、エンジン１の早期暖機が図られる。

エンジン冷却水の温度ｔが前記目標温度Ｔ以上になると、サーモスタット弁８は開弁状態となり、冷却用循環回路６にはエンジン１からラジエータ７を経由してエンジン１に戻るエンジン冷却水の循環流が発生する。また、冷却水温ｔ≧Ｔでは、切替弁１０は熱交換部３をラジエータ７に接続する。それ故、冷却水温ｔが目標温度Ｔに達したときには、加温用循環回路９には、エンジン１から熱交換部３の環状冷却水通路３３、切替弁１０、分岐通路１１及びラジエータ７を経由してエンジン１に戻るエンジン冷却水の循環流が発生する。この場合、熱交換部３で一旦加温されたエンジン冷却液も、その後ラジエータ７で適度に放熱してからエンジン１に戻されることになるため、加温用循環回路９をエンジン冷却水が常時流れても、エンジン冷却液が過熱状態に陥る心配はない。

このように本実施形態によれば、排気熱を有効利用してエンジン冷却水を加温することができ、エンジンの早期暖機を図ることができる。エンジンの早期暖機により、エンジンのフリクション低減と燃費の向上を図ることが可能となる。また、加温用循環回路９に設けられた切替弁１０による冷却液温ｔに応じた流路切替えにより、エンジン冷却水の加温と過熱回避とを両立させることができる。

本実施形態では、熱交換部３の中央をストレートパイプ状の中央配管３１が貫通し、その中央配管３１を環状の冷却水通路３３が包囲する構造としているため、排気ガス通路を不自然に迂回させる必要が無く、ガス流通抵抗の増大を回避できる。

更に、エンジンの排気ガス通路において、熱交換部３をフロント触媒コンバータ４よりも上流側に設けたことで、熱交換部３である程度熱を奪われた排気ガスをフロント触媒コンバータ４に導入でき、触媒や触媒担体４２の高温劣化防止に役立つ。なお、排気マニホルド２の後端部とフロント触媒コンバータ４とを連結している中央配管３１はストレートパイプ状であるため、そこを流れる排気ガスの熱が環状冷却水通路３３を流れるエンジン冷却水によって奪われるとしてもその熱回収の程度はほどほどである。それ故、フロント触媒コンバータ４よりも上流側に熱交換部３を設けたことで、コンバータ４内の触媒が所定の活性温度に上昇することが阻害されることはない。

（変更例）：上記実施形態では切替弁１０を三方弁で構成したが、図４に示すように、二つの開閉弁５１，５２を組み合わせることで切替弁１０を構成してもよい。図４の構成によれば、二つの開閉弁５１，５２のうちの一方が開のときには他方を閉とするような同期相反的な開閉制御を行うことにより、本発明で求められる切替弁１０と機能上等価な切替手段として機能させることができる。

エンジンの排気経路及び排熱利用装置の概要を示すシステム構成図。 熱交換部の拡大断面図。 図２のＡ−Ａ線での概略横断面図。 切替弁の変更例を示す図。

符号の説明

１…水冷エンジン（液冷エンジン）、２…排気マニホルド、３…熱交換部、４…フロント触媒コンバータ、５…リア触媒コンバータ、６…冷却用循環回路、７…ラジエータ、９…加温用循環回路、１０…切替弁、１１…分岐通路、３１…熱交換部の中央配管、３２…熱交換部の筒状ケーシング、３３…熱交換部の環状冷却水通路。

Claims (4)

1. ラジエータを含むエンジン冷却液の冷却用循環回路が併設された液冷エンジンにおいて排気ガスの熱をエンジン冷却液の加温に利用するエンジン排熱利用装置であって、
   エンジン冷却液をエンジンから熱交換部及び切替弁を経由してエンジンに戻すエンジン冷却液の加温用循環回路を備え、
   前記熱交換部は、排気ガス通路の一部を構成する中央配管と、その中央配管の周囲において当該中央配管を包囲する冷却液通路を構築する筒状ケーシングとを具備し、
   前記切替弁は、熱交換部の下流側に設けられると共に、エンジン内での冷却液温に応じて熱交換部からのエンジン冷却液をエンジン又は冷却用循環回路のいずれかに送るべく流路切替えを行うことを特徴とするエンジン排熱利用装置。
2. 前記切替弁は、エンジン内での冷却液温が所定温度未満のときには熱交換部からのエンジン冷却液をエンジンに直接戻すべく、又、エンジン内での冷却液温が所定温度以上のときには熱交換部からのエンジン冷却液を冷却用循環回路のラジエータを経由してからエンジンに戻すべく流路切替えを行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジン排熱利用装置。
3. 前記熱交換部は、排気ガス通路に沿って設けられた排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン排熱利用装置。
4. 液冷エンジンにおいて排気ガスの熱をエンジン冷却液の加温に利用するエンジン排熱利用装置であって、
   エンジン冷却液をエンジンから熱交換部を経由してエンジンに戻すエンジン冷却液の加温用循環回路を備え、
   前記熱交換部は、排気ガス通路の一部を構成する中央配管と、その中央配管の周囲において当該中央配管を包囲する冷却液通路を構築する筒状ケーシングとを具備すると共に、排気ガス通路に沿って設けられた排気ガス浄化用触媒コンバータよりも上流側に設けられていることを特徴とするエンジン排熱利用装置。

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