JP5874455B2 - Heat exchanger - Google Patents
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Description
この発明は熱交換器、特にエンジンから出る排気の熱を回収する熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger, and more particularly to a heat exchanger that recovers heat of exhaust gas emitted from an engine.
排気マニホールドの外周にウォータジャケットを設けて排気の熱をウォータジャケットを流れる冷却水に回収するようにした熱交換器がある(特許文献1参照)。 There is a heat exchanger in which a water jacket is provided on the outer periphery of the exhaust manifold so that the heat of the exhaust is recovered in cooling water flowing through the water jacket (see Patent Document 1).
しかしながら、上記特許文献1の技術では、エンジンの高負荷であるときに高温となった排気の熱によってウォータジャケットを流れる冷却水が沸騰気化することが考えられる。エンジンは液状の冷却水によって冷却することを基本としているので、冷却水が沸騰気化してしまうと問題である。 However, in the technique of Patent Document 1, it is conceivable that the cooling water flowing through the water jacket is boiled and vaporized by the heat of exhaust gas that has become high temperature when the engine is under a heavy load. Since the engine is based on cooling with liquid cooling water, it is a problem if the cooling water evaporates.
そこで本発明は、エンジンの排気の熱を冷却水に回収する場合であっても、エンジンの冷却水を沸騰気化させることがない熱交換器を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat exchanger that does not evaporate the cooling water of the engine even when the heat of the exhaust gas of the engine is recovered into the cooling water.
本発明の熱交換器は、エンジンの排気ガスを通流させる排気ガス通路と、常に液相で用いる第1媒体を通流させる第1媒体通路とを備え、排気ガスと第1媒体との間で熱交換を行なう熱交換器において、排気ガス通路と第1媒体通路は、第2媒体を通流させる第2媒体通路を間に挟んで隣接しており、排気ガスと第1媒体の熱交換を促進させるときは排気ガス通路と第1媒体通路に挟まれた第2媒体通路内を液相の第2媒体で満たし、排気ガスと第1媒体の熱交換を抑制するときは排気ガス通路と第1媒体通路に挟まれた第2媒体通路内を気体で満たすようにした熱交換器である。 The heat exchanger according to the present invention includes an exhaust gas passage through which exhaust gas of an engine flows, and a first medium passage through which a first medium always used in a liquid phase flows, and between the exhaust gas and the first medium. In the heat exchanger for exchanging heat in the exhaust gas passage, the exhaust gas passage and the first medium passage are adjacent to each other with the second medium passage through which the second medium flows, and heat exchange between the exhaust gas and the first medium is performed. When the second medium passage sandwiched between the exhaust gas passage and the first medium passage is filled with the liquid phase second medium, and when the heat exchange between the exhaust gas and the first medium is suppressed, the exhaust gas passage It is a heat exchanger in which the inside of the second medium passage sandwiched between the first medium passages is filled with gas.
本発明によれば、排気ガス通路と第1媒体通路は、間に第2媒体通路を挟んで隣接しており、排気ガスと第1媒体の熱交換を促進するときは第2媒体通路内を液相の第2媒体で満たすので、液相の第2媒体の対流を利用した熱交換によって、第2媒体を介さず直接熱交換させる場合に比べて第1媒体の沸騰気化を抑制しつつ穏やかに熱交換を促進することができ、排気ガスと第1冷媒の熱交換を抑制するときは第2媒体通路内を気体で満たすので、気体に置き換えるだけの簡単な操作によって第1媒体の沸騰気化を効果的に抑制することができる。 According to the present invention, the exhaust gas passage and the first medium passage are adjacent to each other with the second medium passage interposed therebetween, and when the heat exchange between the exhaust gas and the first medium is promoted, the exhaust gas passage and the first medium passage are disposed in the second medium passage. Since the liquid phase is filled with the second medium, heat exchange using the convection of the liquid phase second medium suppresses boiling and vaporization of the first medium more gently than when direct heat exchange is performed without using the second medium. When the heat exchange between the exhaust gas and the first refrigerant is suppressed, the second medium passage is filled with gas, so that the first medium is boiled and vaporized by a simple operation simply by replacing it with gas. Can be effectively suppressed.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態の熱交換器21の設置場所を示す排気マニホールドの平面図、図2A、図2B、図2Cは図1のX−X線に沿った断面図、図5A、図5Bは図1のY−Y線に沿った断面図である。
(First embodiment)
1 is a plan view of an exhaust manifold showing the installation location of the
図1に示したように3気筒エンジン1では、排気マニホールド2は、3つの分岐部2a、これら分岐部を集合させる集合部2bから構成され、その直ぐ下流に三元触媒等の触媒15が設けられている。3つの分岐部のうちの1つの分岐部2aに第1実施形態の熱交換器21を設けている。図1では左側の分岐部2aに熱交換器21を設けているが中央や右側、或いは全ての分岐部2aに、又は集合部2bに熱交換器21を設けてもかまわない。
As shown in FIG. 1, in the three-cylinder engine 1, the
図3は第1実施形態の熱交換器21をモデルで示している。すなわち、全体は内管22、中間管23、外管24の3つの円筒状の管からなる3重管で構成され、内管22が分岐部2aに相当し、内管22の内部の通路3が排気通路である。ここでは排気通路3を排気が一方向(図3で左方)に流れるとする。
FIG. 3 shows the
中間管23と外管24との間に形成される円筒状の空間を冷却水通路11(第1媒体通路)として冷却水(第1媒体)を流す。ここで、エンジン冷却水回路の全体について説明すると、図4に示したようにエンジン1を出た冷却水は、ラジエータ4を通る冷却水通路6と、ラジエータ4をバイパスするバイパス冷却水通路7とに分かれて流れる。その後、2つの流れは両通路6、7を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタット8で再び合流し、さらに冷却水ポンプ9を経てエンジン1に戻る。第1実施形態の熱交換器21に備える上記の冷却水通路11はバイパス冷却水通路7の途中に設けている。つまり、エンジン1の冷間始動時には、熱交換器21によって排気の熱を冷却水通路11を流れる冷却水に回収することで、エンジン1の暖機を早めることができる。なお、図3のように冷却水通路11の内部の冷却水の流れは排気の流れとは逆(図3で右方)に流れるようにしている。
Cooling water (first medium) flows through the cylindrical space formed between the
さて、本実施形態の熱交換器21のように中間管23を設けるのでなく、内管と外管の2重管として、内管の内部に排気を、内管と外管の間の空間に冷却水を流し、冷却水と排気との間で直接熱交換を行わせる従来装置がある。しかしながら、従来装置のように冷却水と排気との間で直接熱交換を行わせるのだと、排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水が高温となる条件のときに熱交換器を流れる途中で冷却水が沸騰気化することが考えられる。しかし、冷却水(第1冷媒)は常に液相でのみ使用されるものである。冷却水が沸騰気化したのではエンジン1を液体によって効率よく冷却することができなくなる。
Now, instead of providing the
そこで本実施形態21では、エンジン1の排気と液体である冷却水とを液体である第2媒体を介して熱交換する熱交換器21であって、液体である第2媒体を気体に置換することを可能にした熱交換器21とする。具体的には、図3のように中間管23を追加し、内管22と中間管23との間の円筒状の空間を新たに冷媒通路25(第2媒体通路)として形成する。この冷媒通路25に液体の冷媒(第2媒体)を満たしておき、エンジン1の排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水が高温となる条件のときにこの液体の冷媒が高温の排気と熱交換して沸騰気化し気体となるようにする。すなわち、エンジンの排気(排気ガス)を通流させる排気通路3(排気ガス通路)と、常に液相で用いる冷却水(第1媒体)を通流させる冷却水通路11(第1媒体通路)とを備え、排気と冷却水との間で熱交換を行なう熱交換器21において、排気通路3と冷却水通路11は、冷媒(第2媒体)を通流させる冷媒通路25(第2媒体通路)を間に挟んで隣接しており、排気と冷却水の熱交換を促進させるときは排気通路3と冷却水通路11に挟まれた冷媒通路25内を液相の冷媒で満たし、排気と冷却水の熱交換を抑制するときは排気通路3と冷却水通路11に挟まれた冷媒通路25内を気体で満たすようにした。
Therefore, in the
ここで、エンジン1の排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水が高温となる条件のときとは、具体的にはエンジン1の排気の温度が最も高くなるエンジン1の高負荷状態である。このため、第2媒体について、エンジン1の高負荷状態でないときに液体であり、エンジン1の高負荷状態であるときに沸騰蒸発して気体となるのに適した性質を有する媒体(例えば純水)を冷媒として選定する。但し、気体は必ずしも気相の第2冷媒でなければならない訳ではなく、例えば冷媒通路25内を気体で満たす際に、第2冷媒を空気に置き換えるように構成されていても構わない。
Here, the condition where the coolant temperature becomes so high that it is desired to reduce the amount of heat exchange with the exhaust of the engine 1, specifically, the high load of the engine 1 at which the exhaust temperature of the engine 1 becomes the highest. State. For this reason, the second medium is liquid when the engine 1 is not in a high load state, and has a property suitable for boiling and evaporating into a gas when the engine 1 is in a high load state (for example, pure water). ) Is selected as the refrigerant. However, the gas does not necessarily have to be the gas phase second refrigerant. For example, when the
このように熱交換器21を構成したとき、熱交換器21の内部で熱交換がどのように行われるのかを図5A、図5を参照して説明する。まずエンジン1の高負荷状態でないときには冷媒通路25を満たしている冷媒は液体である。このときには、図5Aに示したように排気通路3の排気と冷媒通路25に満たされている冷媒との間で熱交換が行われ、排気の有する熱が冷媒へと伝えられる。また、冷媒通路25に満たされている冷媒と冷却水通路11の冷却水との間でも熱交換が行われ、冷媒に伝えられた熱が冷却水通路11の冷却水に伝えられる。つまり、エンジン1の高負荷状態でないときには、排気通路3を流れる排気の熱は液体の冷媒を介して冷却水通路11を流れる冷却水へと伝えられる。特に、冷媒が冷媒通路25の中で流れを生じている場合には、冷媒の強制対流が生じて排気と冷却水の間の熱伝達が促進される。
How the heat exchange is performed in the
一方、エンジン1の高負荷状態であるときには冷媒通路25を満たしている液体の冷媒が沸騰気化する。この沸騰気化によって冷媒通路25の内部が気体に置換されてゆき、やがては内部が全て気体に置換される。この状態では、冷却水通路11と排気通路3との間にある円筒状の冷媒通路25が図5Bに示したように断熱層となる。内管22の外周を包むこの断熱層(25)の存在によって、冷却水通路11の冷却水が排気通路3の排気との間で行う熱交換量が大きく低減する。熱交換量を低減することで、エンジン1の高負荷状態であるときであっても冷却水通路11の冷却水が沸騰気化することを回避できる。
On the other hand, when the engine 1 is in a high load state, the liquid refrigerant filling the
冷媒通路25で沸騰気化した冷媒を冷媒通路25から取り去って冷媒タンク31(第2媒体タンク)へと逃すため、3重管の熱交換器21を水平方向に対して傾かせ、例えば図3のように冷媒通路25の一端25a(図3で右方端)を持ち上げておく。このため、冷媒通路25の他端25b(図3で左方端)は鉛直下方に垂れている。一端25aを持ち上げるのは、鉛直上方に向かう沸騰気化した冷媒をこの一端25aに導くためである。そして、図2A、図2B、図2Cにも示したように冷媒通路25の一端25aと冷媒タンク31の底面31aとを第1循環通路32(連通通路)で、また冷媒通路25の他端25bと冷媒タンク31の底面31aとを第2循環冷媒33(連通通路)でそれぞれ接続し、冷媒が熱交換器21の冷媒通路25と冷媒タンク31との間を行ったり来たりする循環路を形成する。上記の冷媒タンク31としては、鉛直上方に大気との開口端を設けた開放タンクあってもよいし、密閉タンクであってもかまわない。ここで、図2Aは初期状態であるときに、図2Bはエンジン1の高負荷域であるときに、図2Cはエンジン1の高負荷域でないときに冷媒の状態がそれぞれどのように変化するのかを示している。
In order to remove the refrigerant evaporated in the
第1循環通路32には常閉の開閉弁34とポンプ35を設けている。高負荷状態以外、例えば低負荷状態においては、図2Cのように冷媒通路25は液相の冷媒で満たされている。開閉弁34を開いてポンプ35を作動させることにより、冷媒を連通通路を介して循環させ、冷媒通路内の冷媒に生じる強制対流によって排気と冷却水との間の熱交換を促進する。常閉の開閉弁34は、エンジン1の高負荷状態であるときに冷媒通路25の内部で沸騰気化した冷媒ガスの圧力を閉じ込めるためのものである。エンジン1が高負荷状態になったときには開閉弁34を閉じ、冷媒通路25の内部で沸騰気化した冷媒ガスは鉛直上方に向かう。冷媒通路25はその一端25aが最も鉛直上方にあるので、冷媒ガスはこの一端25aへと向かい、さらに一端25aに接続されている第1循環通路32に侵入して開閉弁34の手前に貯まる。ある程度の量の冷媒ガスが開閉弁34の手前に貯まると、この冷媒ガスの圧力が、冷媒通路25の内部にあってまだ液体の冷媒を、冷媒通路25の他端25bから第2循環通路33へと押し出す。開閉弁34の手前に貯まるガス量が増えるにつれて、冷媒通路25の他端25bから第2循環通路33へと押し出される液体の冷媒の量が増えてゆき、やがては冷媒通路25の全てから液体の冷媒が追い出された状態に至る(図2B参照)。
The
このようにして、エンジン1の高負荷状態であるときに冷媒通路25の状態を液相から気相へと切換えることができる。冷媒通路25を気体で満たす場合、例えば冷媒を空気で置き換えるように構成しても良いが、空気導入用の専用通路やポンプが必要になって複雑になってしまう。これに対して、本実施形態のように気化した冷媒を利用すれば、構造が大幅に簡素化される。第2循環通路33には、冷媒通路25から第2循環通路33へと追い出された液体の冷媒が冷媒通路25に戻ることを阻止する逆止弁36を設けておく。
In this way, the state of the
次に、エンジン1の運転条件が変化してエンジン1の高負荷状態でなくなったときには再び冷媒通路25の状態を気相から液相へと戻してやる必要がある。この場合は、開閉弁34を開き、ポンプ35を作動させることによって、冷媒タンク31の液相の冷媒を冷媒通路25へと供給する。また、別の方法としては、冷媒タンク31の高さを活用した位置エネルギを利用することもできる。すなわち、エンジン1の高負荷状態であるときに第2循環通路33へと追い出される液体の冷媒によって冷媒タンク31の内部の液面31bを押し上げるようにする。そして、冷媒通路25の全てから液体の冷媒が追い出された状態に至ったとき、図2Bに示したように冷媒タンク31の内部の液面31bの高さH2が冷媒通路25の一端25aの鉛直方向高さH1より所定値ΔH(正の値)だけ高くなるようにする。これは、高さH1より鉛直上方にある液体の冷媒に位置エネルギーをため込ませるためである。
Next, when the operating condition of the engine 1 changes and the engine 1 is not in a high load state, it is necessary to return the state of the
一方、エンジン1の高負荷状態でなくなったときに開閉弁34を開く。なお、ポンプ35は非作動時には第1循環通路32を遮断することなく開いているものとする。すると、高さH1より鉛直上方にある冷媒タンク31内の液体の冷媒が第1循環通路32へと流れる。第1循環通路32に流れた冷媒はさらに冷媒通路25の一端25aから冷媒通路25の内部へと流れ込み、冷媒通路25の内部を液体の冷媒で全て満たす。このとき、第1循環通路32が全て液密となるよう、図2Cに示したように冷媒タンク31の内部の液面31bの高さH3は第1循環通路32の位置より高くなるようにする。このようにして、冷媒通路25及び第1、第2の循環通路32、33の全てを気相から液相へと戻すことができる。
On the other hand, the open /
どのくらいの時間で冷媒通路25の状態を液相から気相へとあるいはこの逆に気相から液相へと切換えたらよいかは要求により定まる。従って、要求により定まった時間で冷媒通路25の状態が液相から気相へとあるいはこの逆に気相から液相へと切換わり得るように、熱交換器21、第1、第2の循環通路32、33、冷媒タンク31、開閉弁34の各仕様及び冷媒の種類、総量を決定する。図2では、ポンプ35を備えることによってポンプを利用して冷媒を冷媒通路に導入することができるにも拘わらず、冷媒タンク31が上方に設けられて重力を利用して冷媒を冷媒通路に導入することもできる例を示したが、どちらか一方の方法だけを採用した構成にしても良い。
The time required for switching the state of the
エンジン1の運転を停止させるときに冷媒通路25内に液相の冷媒が満たされていると、次回にエンジン1を始動する際、排気の熱が冷却水に奪われて排気温度が低下し、排気通路に設けられた触媒の活性が遅れる可能性がある。停止前に冷媒通路25から液相の冷媒を抜いておけば、上述のように冷媒通路25から第2循環通路33へと追い出された液体の冷媒が冷媒通路25に戻ることを阻止する逆止弁36があるために、冷媒タンク31の内部の液体の冷媒が第2循環通路33を介して冷媒通路25に流入することはない。
If the
エンジン1の冷間始動時に、熱交換器21を図2Aに示した初期状態としておけば、冷媒通路25を断熱層として働かせることで、排気の熱が冷却水通路11の冷却水に奪われることがなくなる。これによって排気の熱を全て触媒15に供給することが可能となり、触媒15の暖機完了を早めることができる。触媒15の暖機完了を早めることができれば、その分、三元触媒を用いての空燃比フィードバック制御を早期に開始できる。
If the
触媒15の暖機はエンジン1の冷間始動タイミングより所定の時間が経過すれば完了するので、そのタイミングで触媒15の暖機を完了したと判断し、次にはエンジン1の暖機を行わせるため、開閉弁34を全開状態とする。すると、図2Aにおいて高さH1より鉛直上方にある冷媒タンク31内の液体の冷媒が第1循環通路32へと流れる。第1循環通路32に流れた冷媒はさらに冷媒通路25の一端25aから冷媒通路25の内部へと流れ込み、冷媒通路25の内部を液体の冷媒で全て満たす。そして、図2Cに示したように冷媒タンク31の内部の液面31bの高さH3が第1循環通路32の位置より高くなる。このようにして、冷媒通路25及び第1、第2の循環通路32、33の全てを気相から液相へと戻すことで、触媒15の暖機完了後には冷媒の強制対流を利用して冷却水通路11の冷却水の昇温を行わせることが可能となり、エンジン1の暖機を行うことができる。尚、上述したように、冷媒通路25を液相の第2冷媒で満たすためには、ポンプ35を作動させることにしても良い。
Since the warm-up of the
上記開閉弁34の開閉駆動及びポンプ35の作動・非作動は、エンジンコントローラ41により行わせる。すなわち、エンジンコントローラ41では、エンジン1の運転中にはエンジン1の負荷に基づいてエンジン1の高負荷状態であるか否かを判定し、エンジン1の高負荷状態でないと判断したときに開閉弁34を開いてポンプ35を作動させ、熱交換器21を図2Cに示す状態に保持する。エンジン1の高負荷状態であると判断したときには開閉弁34を全開状態としポンプ35を停止して、熱交換器21を図2Bに示す状態とする。その後にエンジン1の高負荷状態でなくなったときには開閉弁34を開いてポンプ35を作動させ、熱交換器21を図2Cに示す状態に戻す。また、エンジン1の停止の直前には開閉弁34を全閉状態としポンプ35を停止して、熱交換器21を図2Aに示す初期状態とする。尚、冷媒の気化が不十分で液相の冷媒が冷媒通路25内に残ってしまう場合、ポンプ35を作動(通常とは逆回転)させて冷媒タンク31に回収させるようにしても良い。初期状態とした後には開閉弁34を全閉状態とする。エンジン1の次回の始動には開閉弁34を全閉状態に保ち、ポンプ35の作動を停止させて触媒15の暖機が完了するのを待つ。触媒15の暖機完了後にはエンジン1の暖機を促進するため、開閉弁34を全開状態として熱交換器21を図2Cに示す状態へと移行させる。
The
エンジンコントローラ41で行われるこの制御を図6、図8、図9のフローチャートを参照して説明する。
This control performed by the
まず、図6のフローはエンジン1の暖機完了後に開閉弁34、ポンプ35及び流量調整弁42を制御するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
First, the flow of FIG. 6 is for controlling the on-off
ステップ1ではエンジン1の高負荷状態であるか否かをみる。例えばエンジン1の負荷と回転速度とをパラメータとする図7に示すような運転領域図のマップ上に高負荷域を定めておけばよい。そして、エンジン1の負荷と回転速度とから定まる運転域がこの高負荷域に属していれば、エンジン1の高負荷状態であると、また低中負荷域に属していればエンジン1の高負荷状態でないと判断させればよい。エンジン1の高負荷状態でないときにはステップ2に進み流量調整弁42(図4参照)を全開状態にする。 In step 1, it is determined whether or not the engine 1 is in a high load state. For example, a high load region may be determined on a map of an operation region diagram as shown in FIG. 7 using the load and rotation speed of the engine 1 as parameters. If the operating range determined from the load and rotation speed of the engine 1 belongs to this high load range, the engine 1 is in a high load state, and if it belongs to the low to medium load range, the engine 1 has a high load. What is necessary is just to make it judge that it is not a state. When the engine 1 is not in a high load state, the routine proceeds to step 2 and the flow rate adjustment valve 42 (see FIG. 4) is fully opened.
ステップ3、4では開閉弁34を全開状態とし、ポンプ35を作動させる。これによって、熱交換器21を図2Cに示す状態とする。
In
一方、ステップ1で高負荷状態であるときにはステップ5に進み、流量調整弁42の開度を減少させる。流量調整弁42は、熱交換器21内部の冷却水通路11を流れる冷却水の流量を調整し得る弁で、図4に示したようにエンジン出口から熱交換器21内部の冷却水通路11までのバイパス冷却水通路7に介装されている。エンジン1の高負荷状態であるときに、流量調整弁42の開度をエンジン1の高負荷状態でないときより減少させる(つまり冷却水通路11を流れる冷却水流量を減少させる)理由は、図2Cに示す状態から図2Bに示す状態への移行を早めるためである。すなわち、冷却水通路11を流れる冷却水の流量を減少させると、冷媒通路25の冷媒から冷却水通路11の冷却水に伝わる排気の熱が減少し、その減少させた分の熱が液体の冷媒に保留される。液体の冷媒に保留された熱は液体の冷媒の温度を上昇させることに使われることから、液体の冷媒の沸騰気化が早まる。冷媒の沸騰気化が早まる分、冷媒通路25から液体の冷媒を取り去った図2Bに示す状態へと早期に導くことができるのである。
On the other hand, when the load is high in step 1, the process proceeds to step 5 where the opening degree of the flow
ステップ6、7では開閉弁34を全閉状態とし、ポンプ35の作動を停止する。これによって、熱交換器21を図2Bに示す状態とする。
In
次に、図8のフローは、エンジン停止時に開閉弁34及びポンプ35を制御するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
Next, the flow of FIG. 8 is for controlling the on-off
ステップ21では今回にイグニッションスイッチ44(図2A参照)がOFFであるか否かをみる。イグニッションスイッチ44がOFFでないときにはエンジンの停止時でないと判断し、そのまま今回の処理を終了する。
In
ステップ21で今回にイグニッションスイッチ44がOFFであるときにはステップ22に進み、開閉弁34を全閉状態とする。
When the
ステップ23では前回にイグニッションスイッチ44がOFFであったか否かをみる。前回にイグニッションスイッチ44がOFFでなかった、つまりイグニッションスイッチ44がONからOFFへと切換わったときにはエンジンの停止時になったと判断し、ステップ24、25に進む。ステップ24、25では、タイマを起動し(タイマ値t1=0)、ポンプ35を作動する。タイマはイグニッションスイッチ44のONからOFFへの切換時からの経過時間を計測するためのものである。
In
ステップ23で前回にイグニッションスイッチ44がOFFであった、つまり続けてイグニッションスイッチ44がOFFにあるときにはステップ26以降に進む。ステップ26ではタイマ値t1と所定時間Δ1を比較する。所定時間Δ1は図2Cに示す状態から図2Aに示す状態への移行に要する時間を定めるもので、予め設定しておく。タイマ値t1が所定時間Δ1を経過する前には図2Aに示す状態への移行がまだ完了していないと判断しステップ25に進んでエンジンの運転を継続する。ステップ22で開閉弁34を全閉としステップ25でエンジンの運転を継続することによって液体の冷媒が冷媒通路25から追い出されてゆく。
If the
ステップ26でタイマ値t1が所定時間Δ1に到達したときには、液体の冷媒が冷媒通路25から全て追い出され、図2Aに示す状態への移行が完了したと判断し、ステップ26からステップ27に進んでエンジンの運転を停止する。
When the timer value t1 reaches the predetermined time Δ1 in step 26, it is determined that all of the liquid refrigerant is expelled from the
このように本実施形態では、イグニッションスイッチ44のONからOFFへの切換時から少しのあいだ、エンジン停止時の制御を行うので、この間はエンジンを運転させておく。従って、図8のフローで行うところは、エンジンの停止時の操作となる。
As described above, in this embodiment, since the engine stop control is performed for a short time after the
本実施形態では、イグニッションスイッチをOFFにしてからもしばらくエンジンの運転を継続させたが、イグニッションスイッチのOFFと同時にエンジンの運転を停止する共に開閉弁34を閉じ、エンジン停止時に余熱を利用して冷媒通路25の内部を気相の冷媒に置き換えるようにしてもよい。また、ナビゲーションシステムからの情報等に基づき、目的地到着前にエンジンが停止されることを予測して、予め冷媒通路25の内部を気相の冷媒に置き換えておき、イグニッションスイッチのOFFと同時にエンジンの運転を停止するようにしてもよい。
In this embodiment, the engine operation is continued for a while after the ignition switch is turned off, but the engine operation is stopped simultaneously with turning off the ignition switch and the on-off
次に、図9のフローはエンジン1の冷間始動時に開閉弁34及びポンプ35を制御するためのもので、一定時間毎(例えば10ms毎)に実行する。
Next, the flow of FIG. 9 is for controlling the on-off
ステップ31では冷間始動であるか否かをみる。これは、次のようにすればよい。すなわち、水温センサ43(図2A参照)により検出される始動時水温と所定値を比較させ、始動時水温が所定値以下のときに冷間始動であり、また始動時水温が所定値を超えているときに冷間始動でないと判定させる。ここで、所定値としては触媒15を暖機したい温度域の上限値を定めておけばよい。冷間始動でないときにはそのまま今回の処理を終了する。
In
冷間始動であるときにはステップ32に進み排気通路に設けている触媒の暖機が完了しているか否かをみる。これは、例えば、イグニッションスイッチ44のOFFからONへの切換時より所定時間Δ3が経過すれば、触媒の暖機が完了したと判断させればよい。触媒の暖機が完了する前にはステップ33、34に進み、開閉弁34を全閉とし、ポンプ35を非作動とする。つまり、図2Aの状態を保たせることで、熱交換器21によって排気から熱が奪われないようにし、触媒の暖機を促進させる。
When it is a cold start, the routine proceeds to step 32 where it is checked whether or not the catalyst provided in the exhaust passage has been warmed up. For example, it may be determined that the catalyst has been warmed up when the predetermined time Δ3 has elapsed since the
一方、ステップ32で触媒の暖機が完了したと判断したときにはステップ35、36に進み、開閉弁34を全開とし、ポンプ35を作動させる。これによって、熱交換器21を図2Cに示す状態へと移行させる。
On the other hand, when it is determined in
ここで、本実施形態の作用を説明する。 Here, the operation of the present embodiment will be described.
本実施形態によれば、エンジンの排気(排気ガス)を通流させる排気通路3(排気ガス通路)と、常に液相で用いる冷却水(第1媒体)を通流させる冷却水通路11(第1媒体通路)とを備え、排気と冷却水との間で熱交換を行なう熱交換器21において、排気通路3と冷却水通路11は、冷媒(第2媒体)を通流させる冷媒通路25(第2媒体通路)を間に挟んで隣接しており、排気と冷却水の熱交換を促進させるときは排気通路3と冷却水通路11に挟まれた冷媒通路25内を液相の冷媒で満たし、排気と冷却水の熱交換を抑制するときは排気通路3と冷却水通路11に挟まれた冷媒通路25内を気体で満たすようにしたので、排気通路3と冷却水通路11は、間に冷媒通路25を挟んで隣接しており、熱交換を促進するときは冷媒通路25内を液相の冷媒で満たすので、液相の冷媒の対流を利用した熱交換によって、冷媒を介さず直接熱交換させる場合に比べて冷却水の沸騰気化を抑制しつつ穏やかに熱交換を促進することができ、熱交換を抑制するときは冷媒通路25内を気体で満たすので、気体に置き換えるだけの簡単な操作によって冷却水の沸騰気化を効果的に抑制することができる。
According to the present embodiment, the exhaust passage 3 (exhaust gas passage) through which the engine exhaust (exhaust gas) flows and the cooling water passage 11 (first medium) through which the cooling water (first medium) always used in the liquid phase flows. In the
本実施形態によれば、冷媒(第2媒体)として、エンジン1の高負荷状態であるとき(エンジン1の排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水(第1媒体)が高温となっている条件のとき)に沸騰気化する媒体を採用するので、エンジン1の高負荷状態であるときに冷却水が排気との間で行う熱交換量を、冷媒が液体であるときよりも低減することが可能となり、冷却器21の内部で冷却水が沸騰気化することを回避できる。 According to the present embodiment, as the refrigerant (second medium), when the engine 1 is in a high load state (the amount of heat exchange with the exhaust of the engine 1 is desired to be reduced, the coolant (first medium) has a higher temperature). The medium that boiles and vaporizes when the engine 1 is in a high-pressure state, so that the amount of heat exchange between the cooling water and the exhaust when the engine 1 is in a high load state is greater than when the refrigerant is liquid. It becomes possible to reduce, and it can avoid that cooling water evaporates inside the cooler 21.
本実施形態によれば、冷媒を貯蔵する冷媒タンク31と、冷媒タンク31と冷媒通路25内との間で冷媒を循環させるポンプ35と、冷媒通路25と冷媒タンク31とポンプ35とを冷媒が循環するように連通する循環通路32、33(連通通路)とを備え、排気と冷却水の熱交換を促進させるときはポンプ35によって冷媒を循環し(図6のステップ1、4参照)、排気と冷却水の熱交換を抑制するときはポンプ35を停止させる(図6のステップ1、7〜11参照)ので、熱交換を促進するときはポンプ35の循環によって冷媒通路25内における冷媒の強制対流を利用した熱交換が促進され、熱交換を抑制するときはポンプ35の停止によって冷媒通路25内に留まった冷媒が、排気の熱を受け続けることによって気化蒸発し、排気通路3と冷却水通路11に挟まれた冷媒通路25内を容易に気体で満たすことができる。
According to the present embodiment, the refrigerant passes through the
本実施形態によれば、冷媒を貯蔵する冷媒タンク31と、冷媒通路25と冷媒タンク31とを冷媒が循環するように連通する循環通路32、33(連通通路)と、循環通路32、33を開閉する開閉弁34を備え、冷媒通路25は、循環通路32、33に接続する一端25aと、一端25aより鉛直方向下方に位置した他端25bとを備え、冷媒タンク31は、冷媒通路25に液体で存在する冷媒を導いて貯留すると共に、冷媒を導いて貯留したときの内部の冷媒の液面31bが一端25aの鉛直方向高さより高くなり、排気と冷却水の熱交換を抑制するときは開閉弁34を閉じ(図6のステップ1、6参照)、排気と冷却水の熱交換を促進するときは開閉弁34を開く(図6のステップ1、3参照)ことにしたので、冷媒の気化蒸発を利用して冷媒タンク31に回収された冷媒は、重力を利用して再び冷媒通路25に導入することができるので、冷媒ポンプを利用しなくても冷媒通路25を液相の冷媒で満たし、或いはこれを気体に置き換えることができる。
According to the present embodiment, the
本実施形態によれば、第1循環通路32を開閉し得る開閉弁34を備え、エンジン1の高負荷状態であるときに開閉弁34を全閉状態とすると共に(図6のステップ1、6参照)、冷媒タンク31(第2媒体タンク)の内部の冷媒(第2媒体)の液面31bが冷媒通路25(第2媒体通路)の一端25aの鉛直方向高さより高くなるようにし、エンジン1の高負荷状態でなくなったときに開閉弁34を全開状態とする(図6のステップ1、3参照)ので、簡単な構成で冷媒通路25及び第1、第2の循環通路32、33に液体の冷媒が満たされている状態(図2C参照)と、冷媒通路25から液体の冷媒を取り去った状態(図2B参照)とを切換えることができる。
According to this embodiment, the on-off
本実施形態によれば、冷却水通路11(第1媒体通路)は冷媒通路25(第2媒体通路)の外周を被覆しているので、エンジン1の高負荷状態であるときに排気から冷却水への熱の伝導を抑えることができる。 According to the present embodiment, since the cooling water passage 11 (first medium passage) covers the outer periphery of the refrigerant passage 25 (second medium passage), the cooling water is discharged from the exhaust when the engine 1 is in a high load state. Heat conduction to the can be suppressed.
本実施形態によれば、冷媒通路25内に液相の冷媒が流入するのを阻止する逆止弁36を備えるので、エンジン1の高負荷状態であるときに、冷媒通路25の内部の液体の冷媒を冷媒通路25から速やかに取り去ることができる。
According to the present embodiment, since the
本実施形態によれば、エンジン1は排気通路(2)に触媒15を備えるエンジンであり、エンジン1の停止時に冷媒通路25内を気体で満たすので(図8のステップ21〜27参照)、エンジン1の次回の冷間始動時に排気の熱が冷却水に奪われることがなく、その分、触媒15の暖機完了を早めることができる。
According to the present embodiment, the engine 1 is an engine including the
本実施形態によれば、冷却水通路11(第1媒体通路)を流れる冷却水(第1媒体)の流量を調整し得る流量調整弁42を備え、排気ガスと第1媒体の熱交換を抑制するときは(エンジン1の高負荷状態であるときに)この流量調整弁42を用いて冷却水通路11(第1媒体通路)を流れる冷却水(第1媒体)の流量を排気ガスと第1媒体の熱交換を促進させる(エンジン1の高負荷状態でない)ときより低減するので(図6のステップ1、2、5参照)、エンジン1の高負荷状態であるときに冷却水に伝わる排気の熱が減少し、その減少した排気の熱が液体の冷媒に保留されることから、液体の冷媒の沸騰気化が早まる。液体の冷媒の沸騰気化が早まる分、冷媒通路25から液体の冷媒を取り去った状態へと早期に移行させることができる。
According to this embodiment, the flow
実施形態では、冷媒通路25と冷媒タンク31とを2つの循環通路32、33で接続することにより、冷媒の循環路を形成する場合で説明したが、必ずしもこれに限られるものでない。例えば、一方の循環通路32を設けるだけの場合であってもかまわない。
In the embodiment, the
11 冷却水通路(第1媒体通路)
15 触媒
21 熱交換器
25 冷媒通路(第2媒体通路)
25a 一端
25b 他端
31 冷媒タンク(第2媒体タンク)
32 第1循環通路
33 第2循環通路
34 開閉弁
35 ポンプ
36 逆止弁
41 エンジンコントローラ
42 流量調整弁
43 水温センサ
11 Cooling water passage (first medium passage)
15
25a one
32
Claims (7)
前記排気ガス通路と前記第1媒体通路は、第2媒体を通流させる第2媒体通路を間に挟んで隣接しており、排気ガスと第1媒体の熱交換を促進させるときは排気ガス通路と第1媒体通路に挟まれた前記第2媒体通路内を液相の第2媒体で満たし、排気ガスと第1媒体の熱交換を抑制するときは排気ガス通路と第1媒体通路に挟まれた前記第2媒体通路内を気体で満たすことを特徴とする熱交換器。 An exhaust gas passage through which the exhaust gas of the engine flows and a first medium passage through which the first medium always used in the liquid phase is passed, and heat exchanging heat between the exhaust gas and the first medium In the exchanger
The exhaust gas passage and the first medium passage are adjacent to each other with a second medium passage through which the second medium flows, and the exhaust gas passage is used to promote heat exchange between the exhaust gas and the first medium. When the second medium passage sandwiched between the first medium passage and the first medium passage is filled with a liquid second medium and heat exchange between the exhaust gas and the first medium is suppressed, the second medium passage is sandwiched between the exhaust gas passage and the first medium passage. A heat exchanger characterized in that the second medium passage is filled with gas.
前記排気ガスと第1媒体の熱交換を促進させるときは前記ポンプによって第2媒体を循環し、排気ガスと第1媒体の熱交換を抑制するときは前記ポンプを停止させることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 A tank for storing the second medium, a pump for circulating the second medium between the tank and the second medium passage, and a second medium for communicating with the second medium passage, the tank, and the pump so as to circulate. And a communication passage
The second medium is circulated by the pump when the heat exchange between the exhaust gas and the first medium is promoted, and the pump is stopped when the heat exchange between the exhaust gas and the first medium is suppressed. Item 2. The heat exchanger according to Item 1.
前記第2媒体通路は、前記連通通路に接続する一端と、一端より鉛直方向下方に位置した他端とを備え、
前記タンクは、前記第2媒体通路に液体で存在する第2媒体を導いて貯留すると共に、第2媒体を導いて貯留したときの内部の第2媒体の液面が前記一端の鉛直方向高さより高くなり、
前記排気ガスと第1媒体の熱交換を抑制するときは前記開閉弁を閉じ、前記排気ガスと第1媒体の熱交換を促進させるときは前記開閉弁を開くことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 A tank for storing the second medium, a communication path for communicating the second medium passage and the tank so that the second medium circulates, and an on-off valve for opening and closing the communication path,
The second medium path includes one end connected to the communication path, and the other end positioned vertically below the one end,
The tank guides and stores the second medium existing as a liquid in the second medium passage, and the liquid level of the second medium inside when the second medium is guided and stored is higher than the vertical height of the one end. Get higher,
The on-off valve is closed when heat exchange between the exhaust gas and the first medium is suppressed, and the on-off valve is opened when heat exchange between the exhaust gas and the first medium is promoted. The described heat exchanger.
エンジンの停止時に前記第2媒体通路内を気体で満たすことを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。 The engine is an engine having a catalyst in an exhaust passage,
The heat exchanger according to claim 5, wherein the second medium passage is filled with gas when the engine is stopped.
排気ガスと第1媒体の熱交換を抑制するときは前記流量調整弁を用いて前記第1媒体通路を流れる第1媒体の流量を排気ガスと第1媒体の熱交換を促進させるときより低減することを特徴とする請求項1から6までのいずれか一つに記載の熱交換器。 A flow rate adjusting valve capable of adjusting a flow rate of the first medium flowing through the first medium passage;
When the heat exchange between the exhaust gas and the first medium is suppressed, the flow rate of the first medium flowing through the first medium passage is reduced by using the flow rate adjusting valve than when the heat exchange between the exhaust gas and the first medium is promoted. The heat exchanger according to any one of claims 1 to 6, characterized in that:
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