(57)【要約】【課題】エンジンの暖機を効率的に行える熱交換システムを提供する。【解決手段】熱交換システム１は、エンジン１０と、エンジン１０の排気ガスが流れる排気通路（第３通路２７）に設けられ、排気ガスと冷却水とを熱交換する熱交換器３０と、熱交換器３０からエンジン１０へ冷却水が流れる第１冷却水流路４１と、エンジン１０から熱交換器３０へ冷却水が流れる第２冷却水流路４２と、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２に設けられ、冷却水の熱を蓄熱する第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンの排気ガスが流れる排気通路に設けられ、前記排気ガスと冷媒とを熱交換する熱交換器と、
前記熱交換器から前記エンジンへ前記冷媒が流れる第１流路と、
前記エンジンから前記熱交換器へ前記冷媒が流れる第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路に設けられ、前記冷媒の熱を蓄熱する蓄熱部と、
を備える、熱交換システム。
【請求項２】
前記第１流路及び前記第２流路において前記エンジン側に設けられ、流路を開放又は閉鎖する第１弁と、
前記第１流路及び前記第２流路において前記熱交換器側に設けられ、流路を開放又は閉鎖する第２弁と、を更に備え、
前記蓄熱部は、前記第１弁と前記第２弁との間に設けられている、
請求項１に記載の熱交換システム。
【請求項３】
前記エンジンの停止時に前記第１弁及び前記第２弁に流路を閉鎖させ、前記エンジンの暖機時に前記第１弁及び前記第２弁に流路を開放させる制御部を更に備える、
請求項２に記載の熱交換システム。
【請求項４】
前記第１流路の前記冷媒の温度を検出する第１温度検出センサと、
前記第２流路の前記冷媒の温度を検出する第２温度検出センサと、を更に備え、
前記制御部は、前記エンジンの暖機時に、前記第１弁及び前記第２弁を動作させて、前記第１流路及び前記第２流路の冷媒の温度が高い方の冷媒を前記エンジン側へ流し、温度が低い方の冷媒を前記熱交換器へ流す、
請求項３に記載の熱交換システム。
【請求項５】
外気が前記熱交換器を経由して流れる外気流路と、
前記熱交換器において前記冷媒と熱交換する対象を、前記排気ガスと前記外気のうちのいずれかに切り替える切替部と、を更に備え、
前記第１流路は、前記熱交換器において前記外気と熱交換して冷却された前記冷媒を前記エンジンへ流す、
請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン及び熱交換器を有する熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両は、エンジンの排気通路に設けられ、エンジンの排気ガスと冷媒とを熱交換して排気熱を回収する回収器としての熱交換器を有する。例えば、熱交換器は、冷媒の一例であるエンジンの冷却水と、排気ガスとを熱交換して、冷却水を加熱する。加熱された冷却水は、例えばエンジンの暖機促進に利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４７５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、熱交換器で加熱された冷却水によってエンジンを暖機する場合には、エンジンを所定温度まで温めるのに長い時間を要する。特に、エンジンと熱交換器との間の流路が長い場合には、熱交換器で加熱された冷却水が、エンジンへ到達する前に放熱してしまい、エンジンを効率的に暖機できない。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、エンジンの暖機を効率的に行える熱交換システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一の態様においては、エンジンと、前記エンジンの排気ガスが流れる排気通路に設けられ、前記排気ガスと冷媒とを熱交換する熱交換器と、前記熱交換器から前記エンジンへ前記冷媒が流れる第１流路と、前記エンジンから前記熱交換器へ前記冷媒が流れる第２流路と、前記第１流路及び前記第２流路に設けられ、前記冷媒の熱を蓄熱する蓄熱部とを備える熱交換システムを提供する。
かかる熱交換システムによれば、第１流路及び第２流路に蓄熱部が設けられていることで、冷却水の熱が放熱されることを抑制できる。これにより、エンジンの暖機時に、蓄熱部で蓄熱された冷媒によってエンジンを効率良く暖機できる。この結果、エンジンを早期に暖機させることが可能となる。
【０００７】
また、前記熱交換システムは、前記第１流路及び前記第２流路において前記エンジン側に設けられ、流路を開放又は閉鎖する第１弁と、前記第１流路及び前記第２流路において前記熱交換器側に設けられ、流路を開放又は閉鎖する第２弁と、を更に備え、前記蓄熱部は、前記第１弁と前記第２弁との間に設けられていることとしてもよい。
【０００８】
また、前記熱交換システムは、前記エンジンの停止時に前記第１弁及び前記第２弁に流路を閉鎖させ、前記エンジンの暖機時に前記第１弁及び前記第２弁に流路を開放させる制御部を更に備えることとしてもよい。
【０００９】
また、前記熱交換システムは、前記第１流路の前記冷媒の温度を検出する第１温度検出センサと、前記第２流路の前記冷媒の温度を検出する第２温度検出センサと、を更に備え、前記制御部は、前記エンジンの暖機時に、前記第１弁及び前記第２弁を動作させて、前記第１流路及び前記第２流路の冷媒の温度が高い方の冷媒を前記エンジン側へ流し、温度が低い方の冷媒を前記熱交換器へ流すこととしてもよい。
【００１０】
また、前記熱交換システムは、外気が前記熱交換器を経由して流れる外気流路と、前記熱交換器において前記冷媒と熱交換する対象を、前記排気ガスと前記外気のうちのいずれかに切り替える切替部と、を更に備え、前記第１流路は、前記熱交換器において前記外気と熱交換して冷却された前記冷媒を前記エンジンへ流すこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エンジンの暖機を効率的に行える熱交換システムを提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。
【図２】冷却水でエンジン１０を冷却する際の熱交換システム１を示す模式図である。
【図３】エンジン１０の停止時の熱交換システム１を示す模式図である。
【図４】冷却水でエンジン１０を暖機する際の熱交換システム１を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜熱交換システムの構成＞
図１〜図４を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る熱交換システム１の構成について説明する。
【００１４】
図１は、一の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。図２は、冷却水でエンジン１０を冷却する際の熱交換システム１を示す模式図である。図３は、エンジン１０の停止時の熱交換システム１を示す模式図である。図４は、冷却水でエンジン１０を暖機する際の熱交換システム１を示す模式図である。なお、図１〜図４では、排気ガスの流れが波線の矢印で示され、外気の流れが一点鎖線の矢印で示されている。
【００１５】
熱交換システム１は、ここではトラック等の大型車両に搭載されている。熱交換システム１は、図１等に示すように、エンジン１０と、第１通路２０と、後処理装置２３と、第２通路２５と、第３通路２７と、熱交換器３０と、冷却水通路４０と、ＥＣＵ８０とを有する。熱交換システム１は、エンジン１０の排気ガス又は外気と、冷媒とを熱交換して、冷媒を加熱又は冷却するシステムである。
【００１６】
エンジン１０は、複数の気筒を含むエンジンであり、本実施形態ではディーゼルエンジンであるが、ガソリンエンジンにも適用可能である。エンジン１０は、気筒内で燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。吸気は、不図示の吸気通路によりエンジン１０の気筒に吸入されている。また、エンジン１０は、燃焼後の排気ガスを排出する。
【００１７】
第１通路２０は、エンジン１０から排出された排気ガスが流れる通路である。第１通路２０は、例えば管で構成されている。第１通路２０の長手方向の一端は、エンジン１０と接続されている。第１通路２０の長手方向の他端は、切替弁２９を介して、第２通路２５及び第３通路２７と接続されている接続部である。本実施形態では、第１通路２０、第２通路２５及び第３通路２７が、排気ガスの排気通路を構成している。
【００１８】
後処理装置２３は、第１通路２０に設けられており、排気ガスを浄化する装置である。後処理装置２３は、ここでは、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）を有する。ＤＰＦは、排気ガス中のＰＭを捕集する。ＳＣＲは、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ３）を還元剤として排気ガス中のＮＯｘを選択的に還元浄化する。
【００１９】
第２通路２５は、大気開放される排気ガスが流れる通路である。第２通路２５の長手方向の一端は、切替弁２９を介して第１通路２０の長手方向の他端と接続されている。切替弁２９は、内部で直径が変わっており、第２通路２５は、切替弁２９で直径が大きくなっている部分と接続されている。切替弁２９は、内部にＴ字形状のＴ字孔２９ａを有しており、回転可能に設けられている。第２通路２５の長手方向の他端には、排気ガスが大気開放される開放口が設けられている。また、管形状の第２通路２５の内径は、第１通路２０及び第３通路２７の内径よりも大きい。
【００２０】
第３通路２７は、大気開放される排気ガスが流れる通路である。第３通路２７の長手方向の一端は、切替弁２９を介して第１通路２０の長手方向の他端と接続されている。第３通路２７の長手方向の他端には、排気ガスが大気開放される開放口が設けられている。第３通路２７には、熱交換器３０が設けられている。なお、第３通路２７は、開放口から流入した外気が熱交換器３０を経由して流れる外気流路の機能も有する。
【００２１】
本実施形態では、切替弁２９を制御することで、第１通路２０を流れる排気ガスが、第２通路２５及び第３通路２７のいずれか一方から大気開放される。例えば、エンジン１０の暖機時には、図４に示すように、排気ガスは、第３通路２７を流れて熱交換器３０でエンジン１０の冷却水と熱交換した後に、開放口から大気開放される。一方で、エンジン１０の暖機終了後には、図２に示すように、排気ガスは、第２通路２５を流れて開放口から大気開放される。なお、第２通路２５の開放口は、車両の後方側に設けられ、第３通路２７の開放口は、車両の前方側に設けられていてもよい。
【００２２】
また、第１通路２０に対して第２通路２５及び第３通路２７を連通させた場合には、第１通路２０を流れる排気ガスは、第２通路２５の内径が第３通路２７の内径よりも大きいため、図２に示すように、第２通路２５を流れる。そして、本実施形態では、排気ガスが第２通路２５へ流れる際に、第３通路２７の開放口から流入した外気が、第３通路２７から第２通路２５へ流れ込む。これは、噴流が周囲の流体を巻き込む作用を利用した以下の現象が生じているためである。すなわち、第１通路２０の直径よりも切替弁２９の経路の直径が大きくなっていることで、経路の直径が断面変化する部分で第１通路２０から出た排気ガスが噴流となり、経路の直径が大きくなった部分に第３通路２７を接続することで、第３通路２７の外気を引き込んでいる。第２通路２５へ流れ込んだ外気は、排気ガスと混ざる。ここで、外気の温度は排気ガスの温度よりも低いので、外気が排気ガスと混ざることで、排気ガスの温度が低下する。
【００２３】
熱交換器３０は、第３通路２７に設けられており、排気ガスと冷媒とを熱交換する。冷媒は、ここでは冷却水通路４０を流れるエンジン１０の冷却水である。冷却水の温度は排気ガスの温度よりも低いので、冷却水は、排気ガスと熱交換することで加熱される。
【００２４】
また、熱交換器３０は、第３通路２７の開放口から流入した外気が第３通路２７を流れる際に、当該外気と冷却水通路４０を流れる冷却水とを熱交換する。冷却水の温度は外気の温度よりも高いので、冷却水は、外気と熱交換することで冷却される。すなわち、熱交換器３０が、サブラジエータとして機能する。
【００２５】
このように、本実施形態では、切替弁２９が、熱交換器３０において冷却水と熱交換する対象を、排気ガス又は外気に切り替える切替部として機能する。例えば、切替弁２９が、第２通路２５を第１通路２０と連通していない場合には、図４に示すように、排気ガスが、第１通路２０から第３通路２７へ流れて熱交換器３０において冷却水と熱交換する。一方で、切替弁２９が、第２通路２５及び第３通路２７を第１通路２０と連通している場合には、図２に示すように、排気ガスが、第１通路２０から第３通路２７へ流れる。この際、外気が、第３通路２７から第２通路２５へ流れ込む。
【００２６】
冷却水通路４０は、冷媒であるエンジン１０の冷却水が流れる通路である。冷却水は、エンジン１０の内部を冷やす機能を有する。冷却水通路４０は、冷却水がエンジン１０と熱交換器３０との間で循環するように設けられている。エンジン１０の暖機時には、熱交換器３０において排気ガスと熱交換して温められた冷却水がエンジン１０に送られる。冷却水通路４０には、第１冷却水流路４１、第２冷却水流路４２、第１弁４５、第２弁４６、第１蓄熱部５１、第２蓄熱部５２、第１温度センサ６１及び第２温度センサ６２が、設けられている。
【００２７】
第１冷却水流路４１は、熱交換器３０からエンジン１０へ冷却水が流れる流路である。第１冷却水流路４１は、流路４１ａ〜４１ｃを含む。エンジン１０の暖機後の通常運転時には、図２に示すように、熱交換器３０で外気と熱交換して冷却された冷却水が、流路４１ｃ、流路４１ｂ、流路４１ａの順に流れてエンジン１０へ至る。
【００２８】
第２冷却水流路４２は、エンジン１０から熱交換器３０へ冷却水が流れる流路である。第２冷却水流路４２は、流路４２ａ〜４２ｃを含む。エンジン１０の暖機後の通常運転時には、図２に示すように、エンジン１０を冷却した冷却水が、流路４２ａ、流路４２ｂ、流路４２ｃの順に流れて熱交換器３０へ至る。
【００２９】
なお、本実施形態では、エンジン１０の始動の際の暖機時は、図４に示すように、熱交換器３０で排気ガスと熱交換して加熱された冷却水が、流路４１ｃ、流路４２ｂ、流路４１ａの順に流れてエンジン１０へ至る。また、エンジン１０を温めた冷却水が、流路４２ａ、流路４１ｂ、流路４２ｃの順に流れて熱交換器３０へ至る。なお、流路の経路の変更は、冷却水の流れる向きを変えられる切替バルブである第１弁４５及び第２弁４６を動作させることで実現される。
【００３０】
第１弁４５は、図１に示すように、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２においてエンジン１０側に設けられている。第１弁４５は、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を、それぞれ開放又は閉鎖する。第２弁４６は、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２において熱交換器３０側に設けられている。第２弁４６は、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を、それぞれ開放又は閉鎖する。
【００３１】
第１弁４５及び第２弁４６は、例えば、エンジン１０の動作中は第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を開放し、エンジン１０の停止中は第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を閉鎖する。そして、第１弁４５及び第２弁４６が第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を開放した場合に、冷却水が第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を循環する。一方で、第１弁４５及び第２弁４６が第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を閉鎖した場合には、冷却水は流れない。
【００３２】
第１蓄熱部５１は、第１冷却水流路４１に設けられており、冷却水の熱を蓄熱する。第１蓄熱部５１は、第１冷却水流路４１において第１弁４５と第２弁４６との間に設けられている。第１蓄熱部５１は、ここでは、第１冷却水流路４１である配管を断熱材で覆うことで、形成されている。断熱材としては、例えば真空断熱材であるＶＩＰ（Vacuum Insulation Panel）が利用されている。真空断熱材は、断熱材の周囲を真空状態にし、気体による熱伝導を限りなくゼロに近づけることにより、断熱性能を高める機能を有する。
【００３３】
第２蓄熱部５２は、第２冷却水流路４２に設けられており、冷却水の熱を蓄熱する。第２蓄熱部５２は、第２冷却水流路４２において第１弁４５と第２弁４６との間に設けられている。第２蓄熱部５２は、ここでは、第２冷却水流路４２である配管を断熱材で覆うことで、形成されている。断熱材としては、例えば真空断熱材であるＶＩＰ（Vacuum Insulation Panel）が利用されている。なお、第２蓄熱部５２の断熱材は、第１蓄熱部５１の断熱材と異なってもよい。
【００３４】
上述した第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２は、冷却水の熱を蓄熱することに加えて、外部からの熱を遮断する機能、及び熱交換して温度が上がった冷却水の放熱を抑制する機能を有する。これにより、第１通路２０のそばに配置された第１冷却水流路４１の冷却水が、排気ガスが流れる第１通路２０から熱を受けて温度が上昇してしまうことを抑制できる。特に、エンジン１０の暖機以外の場合に、冷却水の温度の上昇を抑制することで、エンジン１０を効果的に冷却できる。
【００３５】
第１温度センサ６１は、第１冷却水流路４１に設けられており、第１冷却水流路４１の冷却水の温度を検出する。例えば、第１温度センサ６１は、第１蓄熱部５１により蓄熱された状態の冷却水の温度を検出する。
【００３６】
第２温度センサ６２は、第２冷却水流路４２に設けられており、第２冷却水流路４２の冷却水の温度を検出する。例えば、第２温度センサ６２は、第２蓄熱部５２により蓄熱された状態の冷却水の温度を検出する。
【００３７】
ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。本実施形態において、ＥＣＵ８０は、第１弁４５及び第２弁４６の動作を制御する制御部として機能する。
【００３８】
ＥＣＵ８０は、図３に示すように、エンジン１０の停止時に、第１弁４５及び第２弁４６に第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を閉鎖させる。このように第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を閉鎖することで、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２内の冷却水の熱が、第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２によって蓄熱される。
【００３９】
一方で、ＥＣＵ８０は、エンジン１０の暖機時に第１弁４５及び第２弁４６に第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２を開放させる。そして、ＥＣＵ８０は、エンジン１０の暖機時に、第１弁４５及び第２弁４６を動作させて、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２のうちの冷却水の温度が高い方の流路の冷却水をエンジン１０側へ流し、温度が低い流路の冷却水を熱交換器３０へ流す。具体的には、ＥＣＵ８０は、第１温度センサ６１及び第２温度センサ６２の検出結果から、第１冷却水流路４１の冷却水と第２冷却水流路４２の冷却水とのうちのいずれの冷却水の温度が高いかを特定し、温度が高い方の冷却水をエンジン１０側へ流す。
【００４０】
例えば、ＥＣＵ８０は、エンジン１０の停止後の暖機時には、図４に示すように、温度が高い第２冷却水流路４２の冷却水をエンジン１０側へ流し、温度が低い第１冷却水流路４１の冷却水を熱交換器３０へ流す。これにより、温度が高い冷却水によってエンジン１０を暖機できるので、早期にエンジン１０を暖機することが可能となる。特に、本実施形態のようにトラック等の大型車両の場合には、冷却水流路が長くなりやすいので、第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２を設けたことによる効果が、一層有効に発揮される。
【００４１】
＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態に係る熱交換システム１は、エンジン１０と熱交換器３０の間に設けられ冷却水が流れる第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２に、冷却水の熱を蓄熱する第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２が設けられている。
かかる場合には、第１冷却水流路４１及び第２冷却水流路４２に第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２が設けられていることで、冷却水の熱が放熱されることを抑制できる。これにより、エンジン１０の暖機時に、第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２で蓄熱された冷却水によってエンジン１０を効率良く暖機できる。この結果、エンジン１０を早期に暖機させることが可能となり、燃費向上も図れる。
また、第１蓄熱部５１及び第２蓄熱部５２が、断熱材から成ることで、排気ガスが流れる第１通路２０から冷却水が受ける熱（受熱）を抑制できる。これにより、冷却水の温度が上昇することを抑制できるので、冷却水によるエンジン１０の冷却効率が低下することを抑制できる。また、熱交換後に温度が上がった冷却水の放熱を防ぐことができる。
【００４２】
また、上記では、第１通路２０、第２通路２５及び第３通路２７の間に切替弁２９を用いたが、これに限定されず、排気ガス又は外気の流れる向きを切り替えられれば、他の弁であってもよい。
【００４３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４４】
１    熱交換システム
１０    エンジン
２９    切替弁
３０    熱交換器
４１    第１冷却水流路
４２    第２冷却水流路
４５    第１弁
４６    第２弁
５１    第１蓄熱部
５２    第２蓄熱部
６１    第１温度センサ
６２    第２温度センサ
８０    ＥＣＵ
【図１】
2018025106.tif 000003
【図２】
2018025106.tif 000004
【図３】
2018025106.tif 000005
【図４】
2018025106.tif 000006