(57)【要約】【課題】排気熱回収装置において排気ガスの熱によって冷却水を加熱して選択的且つ有効に活用する。【解決手段】排気熱回収装置１０において、エンジン１２から冷却水の取り出される導出通路２６と該冷却水が再びエンジン１２へと戻される導入通路２８との間に、ヒータコア１４及び排気熱回収器１６が排気熱回収通路４０に並んで配置されると共に、前記ヒータコア１４及び前記排気熱回収器１６のいずれかが上流側となるように冷却水の流通方向を切り替え可能な切替手段１８を備えている。これにより、冷却水が所定温度以下の場合には、排気熱回収器１６で加熱した冷却水を排気系統の触媒へと供給することで排気ガスの浄化性能を高め、一方、冷却水が所定温度以上となった場合には、排気熱回収器１６で加熱した冷却水をヒータコア１４へと供給することで、このヒータコア１４を含む空調装置の暖房性能を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の冷却水と空気との熱交換を行うヒータと、前記内燃機関から排出される排気ガスと前記冷却水との熱交換を行うことで排気熱を回収する排気熱回収器とを備えた排気熱回収装置において、
前記ヒータ及び前記排気熱回収器が、前記内燃機関における冷却水導出口と冷却水導入口との間に設けられた通路に沿ってそれぞれ設けられ、
前記通路と前記内燃機関との間には、前記冷却水導出口から前記通路へと供給される冷却水の流通方向を、前記ヒータ及び排気熱回収器のいずれかが上流側となるように選択的に切り替える切替手段を備えることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気熱回収装置において、
前記冷却水の水温に基づいて前記切替手段の切り替え制御を行う制御装置を備えることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項３】
請求項２記載の排気熱回収装置において、
前記切替手段は、前記制御装置からの制御信号に基づいて切り替えられる切替弁であることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記排気熱回収器には、前記冷却水との熱交換を行わない場合に該冷却水の流通する熱交換部に対して前記排気ガスをバイパスさせるバイパス手段を備えることを特徴とする排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関で発生した排気熱を利用して冷却水を加熱する排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両の内燃機関で発生した排気ガスを排気熱回収器に通すことで、この排気熱回収器の内部を循環する冷却水を加熱し、空調ユニットのヒータへと供給することで暖房性能を高めている排気熱回収装置が知られている。
【０００３】
この排気熱回収装置は、例えば、特許文献１に開示されるように、エンジンからの冷却水が循環するラジエータ回路及びヒータ回路を有し、このラジエータ回路には冷却水を冷却するためのラジエータが設けられ、ヒータ回路には、空調ユニットを構成するヒータ（暖房器）が設けられると共に、前記エンジンからの排気ガスが排気される排気管に接続された排気熱回収器を含む。そして、排気熱回収器は、エンジンとヒータとの間に接続され、冷却水の水温が所定値以下の場合に排気熱を利用して該冷却水を加熱してヒータへと供給する一方で、前記水温が所定値以上の場合には、排気ガスを排気バイパス通路へと流すことで冷却水を加熱することなく排気している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８３７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に係る排気熱回収装置では、冷却水の水温が所定値以下の場合にのみ回収された熱を利用してヒータを加熱しているだけであり、エンジンからの排気熱をより有効的に活用したいという要請がある。
【０００６】
本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、排気ガスの熱によって冷却水を加熱して選択的且つ有効に活用することが可能な排気熱回収装置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】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本発明は、内燃機関の冷却水と空気との熱交換を行うヒータと、内燃機関から排出される排気ガスと冷却水との熱交換を行うことで排気熱を回収する排気熱回収器とを備えた排気熱回収装置において、
ヒータ及び排気熱回収器が、内燃機関における冷却水導出口と冷却水導入口との間に設けられた通路に沿ってそれぞれ設けられ、
通路と内燃機関との間には、冷却水導出口から通路へと供給される冷却水の流通方向を、ヒータ及び排気熱回収器のいずれかが上流側となるように選択的に切り替える切替手段を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、排気熱回収装置を構成するヒータ及び排気熱回収器を、内燃機関の冷却水導出口と冷却水導入口との間に設けられた通路に沿ってそれぞれ設け、冷却水導出口から通路へと供給される冷却水の流通方向を、ヒータ及び排気熱回収器のいずれかが上流側となるように選択的に切り替える切替手段を通路と内燃機関との間に備えている。
【０００９】
従って、通路を流れる冷却水の流通方向を、ヒータが上流側となるように切替手段によって切り替えて冷却水を流通させることで、例えば、排気熱回収器によって加熱された冷却水を下流側となる内燃機関へ戻して排気系統の加熱に利用することができ、一方、排気熱回収器が上流側となるように切り替えることで加熱された冷却水を下流側となるヒータへと流通させ、このヒータを含む空調装置の暖房性能を向上させることができる。その結果、切替手段の切替作用下に冷却水の流通方向を適宜切り替えることで、排気ガスの熱によって加熱された冷却水を選択的且つ有効に活用することが可能となる。
【００１０】
また、冷却水の水温に基づいて切替手段の切り替え制御を行う制御装置を備えるとよい。
【００１１】
さらに、切替手段が、制御装置からの制御信号に基づいて切り替えられる切替弁であるとよい。
【００１２】
さらにまた、排気熱回収器には、冷却水との熱交換を行わない場合に冷却水の流通する熱交換部に対して排気ガスをバイパスさせるバイパス手段を備えるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００１４】
すなわち、内燃機関における冷却水導出口と冷却水導入口との間に設けられた通路にヒータ及び排気熱回収器をそれぞれ設け、通路と内燃機関との間に冷却水導出口から通路へと供給される冷却水の流通方向を、ヒータ及び排気熱回収器のいずれかが上流側となるように切替自在な切替手段を設けることで、この切替手段を切り替えて冷却水の流通方向を適宜変更することで、排気ガスの熱によって加熱された冷却水を選択的且つ有効に活用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気熱回収装置の概略構成図である。
【図２】図１の排気熱回収装置において切替手段の切替作用下に冷却水の流通方向を変更させた状態を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る排気熱回収装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る排気熱回収装置を示す。
【００１７】
この排気熱回収装置１０は、図１及び図２に示されるように、自動車等の車両に搭載されるものであり、この車両を走行させるためのエンジン（内燃機関）１２と、該車両における車室内の空調を行う空調装置に用いられるヒータコア１４と、前記エンジン１２から排出された排気ガスの排気熱を回収する排気熱回収器１６と、冷却水の流通経路を切り替えるための切替手段１８と、前記切替手段１８の切替状態を制御する制御装置２０とを含む。
【００１８】
このエンジン１２は、冷却水を循環させることで冷却を行う水冷式の内燃機関であり、図示しないラジエータを循環した冷却水がエンジン１２の内部を循環することで冷却している。
【００１９】
エンジン１２には、内部を循環した冷却水が取り出される冷却水導出ポート（冷却水導出口）２２と、排気熱回収装置１０を循環した冷却水を再び内部へと取り込む冷却水導入ポート（冷却水導入口）２４とを備え、前記冷却水導出ポート２２には導出通路２６が接続され、前記冷却水導入ポート２４には導入通路２８が接続される。この導出通路２６には、エンジン１２から排出された冷却水の水温を検出するための水温センサ３０が設けられている。
【００２０】
また、エンジン１２には、図示しない燃焼室に接続され排気ガスの排出される排気管３２が接続されている。
【００２１】
この導出通路２６の下流側には、切替手段１８を構成する第１切替弁３４が接続されると共に、この第１切替弁３４の下流側には第１及び第２上流側分岐通路３６、３８が接続されている。そして、第１及び第２上流側分岐通路３６、３８は、第１切替弁３４の下流側において二股状となるように分岐し、その下流側が排気熱回収通路（通路）４０の一端部４０ａ及び他端部４０ｂにそれぞれ接続されると共に、第１及び第２下流側分岐通路４２、４４の上流側と接続されている。
【００２２】
この第１及び第２下流側分岐通路４２、４４の下流側には、切替手段１８を構成する第２切替弁４６が接続され、この第２切替弁４６の下流側にはエンジン１２の冷却水導入ポート２４へ接続された導入通路２８が接続される。
【００２３】
ヒータコア１４は、図示しない空調装置に用いられる熱交換器であり、排気熱回収通路４０において第１上流側分岐通路３６及び第１下流側分岐通路４２側となる一端部４０ａ側に接続され、その内部を冷却水が循環することで通過する空気との間で熱交換がなされ、加熱された空気が空調装置を通じて車両の室内へと供給される。
【００２４】
排気熱回収器１６は、排気熱回収通路４０において第２上流側分岐通路３８及び第２下流側分岐通路４４側となる他端部４０ｂ側に接続され、冷却水の流れる冷却水通路（熱交換部）４８が内部に形成され、前記排気熱回収通路４０と接続され連通している。すなわち、排気熱回収器１６は、排気熱回収通路４０においてヒータコア１４と並んで一直線状に配置されている。
【００２５】
また、排気熱回収器１６は、エンジン１２の排気管３２の途中に接続され内部を排気ガスが流れるガス通路５０を有し、このガス通路５０は、冷却水通路４８に臨み且つ非連通となるように形成される。
【００２６】
さらに、排気熱回収器１６には、ガス通路５０と分岐したバイパス通路５２が形成され、このバイパス通路５２は前記ガス通路５０と略平行に形成されると共に、冷却水通路４８とは対峙しない位置に設けられている。そして、排気管３２を通じて供給された排気ガスは、バイパス切替弁５４の切替作用下にガス通路５０及びバイパス通路５２のいずれか一方のみを流れるように制御される。すなわち、上述したバイパス通路５２及びバイパス切替弁５４は、排気ガスと冷却水との熱交換を行わない場合に、冷却水通路４８に臨む部位をバイパスさせ排気ガスを流通させるバイパス手段として機能する。
【００２７】
切替手段１８は、ヒータコア１４及び排気熱回収器１６の上流側に設けられる第１切替弁３４と、前記ヒータコア１４及び前記排気熱回収器１６の下流側に設けられる第２切替弁４６とを含み、前記第１切替弁３４が、導出通路２６、第１及び第２上流側分岐通路３６、３８との分岐位置に設けられ、一方、前記第２切替弁４６が、導入通路２８、第１及び第２下流側分岐通路４２、４４との分岐位置に設けられる。換言すれば、第１及び第２切替弁３４、４６は、ヒータコア１４及び排気熱回収器１６の配置された排気熱回収通路４０とエンジン１２との間に設けられる。
【００２８】
そして、第１及び第２切替弁３４、４６は、それぞれ制御装置２０からの制御信号に基づいて作動し、第１切替弁３４は、第１及び第２上流側分岐通路３６、３８のいずれかと導出通路２６とを連通させるように切替動作し、第２切替弁４６は、前記第１及び第２下流側分岐通路４２、４４のいずれかと前記導入通路２８とを連通させるように切替動作する。
【００２９】
制御装置２０は、切替手段１８である第１及び第２切替弁３４、４６と電気的に接続されると共に、例えば、エンジン１２の冷却水導出ポート２２から排出される冷却水の温度を検出する水温センサ３０、排気熱回収器１６のガス通路５０とバイパス通路５２とを切り替えるバイパス切替弁５４にそれぞれ接続されている。そして、制御装置２０では、上述した水温センサ３０で検出された水温が検出信号として入力され、予め設定された冷却水の設定温度（水温）に基づいて第１及び第２切替弁３４、４６へと制御信号を出力することで、冷却水の流路を切り替える。
【００３０】
本発明の実施の形態に係る排気熱回収装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００３１】
最初に、例えば、エンジン１２が始動開始直後で冷却水の水温が約４０℃以下である場合について説明する。このような場合には、例えば、排気熱回収器１６で加熱した冷却水をエンジン１２における排気系統の触媒近傍へと供給することで、触媒を加熱して排気ガスの浄化を促進させる目的で利用する。
【００３２】
先ず、エンジン１２の駆動作用下に燃料室（図示せず）から排気管３２へと排出された排気ガスが排気熱回収器１６のガス通路５０へと流通すると共に、前記エンジン１２の冷却水が冷却水導出ポート２２から導出通路２６へと排出される。
【００３３】
この冷却水の水温が水温センサ３０によって検出され、約４０℃以下である水温が検出信号として制御装置２０へと入力されることで、この制御装置２０から第１及び第２切替弁３４、４６へとそれぞれ制御信号が出力される。
【００３４】
図１に示されるように、この第１切替弁３４は、制御信号に基づいて切替動作することで導出通路２６と第１上流側分岐通路３６とを連通させ、第２切替弁４６は、前記制御信号に基づいて切替動作することで第２下流側分岐通路４４と導入通路２８とを連通させる。これにより、導出通路２６と第２上流側分岐通路３８とが非連通となり、第１下流側分岐通路４２と導入通路２８とが非連通となる。
【００３５】
そして、冷却水は、導出通路２６から第１切替弁３４の切替作用下に第１上流側分岐通路３６を通じて排気熱回収通路４０の一端部４０ａ側からヒータコア１４へと流れる。この際、第２切替弁４６によって第１下流側分岐通路４２と導入通路２８との連通が遮断されているため、冷却水は第１上流側分岐通路３６から第１下流側分岐通路４２へと流れることがなく排気熱回収通路４０へと流入する。
【００３６】
この排気熱回収通路４０においてヒータコア１４を通過して排気熱回収器１６の冷却水通路４８に流入した冷却水は、ガス通路５０を流れる高温の排気ガスと熱交換されることで加熱され、前記排気熱回収器１６の下流側へと排出される。そして、加熱された冷却水は、第２下流側分岐通路４４から第２切替弁４６、導入通路２８を通じてエンジン１２の冷却水導入ポート２４から内部へと導入され、例えば、エンジン１２における排気系統の触媒近傍へと供給されることで始動直後の暖まっていない触媒が加熱され、それに伴って、排気ガスの浄化を促進させることが可能となる。
【００３７】
次に、上述した冷却水の水温が約４０℃以上となった場合について説明する。この場合には、排気熱回収器１６で加熱された冷却水をヒータコア１４へと流通させ、このヒータコア１４を含む空調装置の暖房性能を高める目的で利用する。
【００３８】
エンジン１２から排出された冷却水の水温が約４０℃以上であることが水温センサ３０によって検出され、この水温が検出信号として制御装置２０へと入力され、第１及び第２切替弁３４、４６に対してそれぞれ制御信号が出力される。図２に示されるように、第１切替弁３４が制御信号に基づいて切替動作して導出通路２６と第２上流側分岐通路３８とを連通させるように切り替え、第２切替弁４６は、前記第１下流側分岐通路４２と導入通路２８を連通させるように切り替える。
【００３９】
そして、冷却水は、導出通路２６から第１切替弁３４の切替作用下に第２上流側分岐通路３８を通じて排気熱回収通路４０の他端部４０ｂ側から排気熱回収器１６へと流れる。この際、第２切替弁４６によって第２下流側分岐通路４４と導入通路２８との連通が遮断されているため、冷却水は第２上流側分岐通路３８から第２下流側分岐通路４４へと流れることがなく排気熱回収通路４０へと流入する。
【００４０】
この排気熱回収通路４０において排気熱回収器１６の冷却水通路４８へと流入した冷却水は、ガス通路５０を流れる高温の排気ガスと熱交換されることで加熱され、前記排気熱回収器１６の下流側へと排出されヒータコア１４へと供給される。そして、ヒータコア１４を通過する空気と加熱された冷却水との間で熱交換が行われることで、該ヒータコア１４を含む空調装置によって温められた温風が車両の室内へと送風される。
【００４１】
このヒータコア１４において空気と熱交換された冷却水は、第１下流側分岐通路４２から第２切替弁４６、導入通路２８を通じてエンジン１２の冷却水導入ポート２４から内部へと導入され再び循環する。
【００４２】
最後に、水温センサ３０によって冷却水の水温が６０℃以上となったことが確認された際、制御装置２０からの制御信号に基づき排気熱回収器１６のバイパス切替弁５４を作動させ、排気管３２とガス通路５０との連通を遮断すると同時に、前記排気管３２とバイパス通路５２とを連通させる。これにより、排気ガスが排気熱回収器１６のバイパス通路５２を流れることで、冷却水通路４８を流れる冷却水と排気ガスとの間で熱交換がなされず該冷却水が加熱されることがない。そのため、排気熱回収器１６による排気ガスの熱回収が停止され、冷却水のさらなる温度上昇が防止されることで沸騰が阻止される。
【００４３】
以上のように、本実施の形態では、エンジン１２から排出される排気ガスの熱を利用して冷却水を加熱する排気熱回収装置１０において、冷却水の排出されるエンジン１２の冷却水導出ポート２２と排気熱回収装置１０を循環した冷却水が取り込まれる冷却水導入ポート２４との間に、熱交換器であるヒータコア１４と排気熱回収器１６とを直列となるように排気熱回収通路４０へと配置し、エンジン１２と前記排気熱回収通路４０との間に設けられた切替手段１８の切替作用下に前記ヒータコア１４から前記排気熱回収器１６側へと冷却水を流す場合と、前記排気熱回収器１６から前記ヒータコア１４側へと冷却水を流す場合とを選択可能としている。
【００４４】
これにより、例えば、エンジン１２の始動直後で冷却水の水温が約４０℃以下の場合には、ヒータコア１４が上流側となるように冷却水を流すことで、下流側の排気熱回収器１６で冷却水を加熱し、その冷却水をエンジン１２における排気系統の触媒近傍へと供給することで、始動直後で暖まっていない触媒を加熱して排気ガスの浄化を促進させることが可能となる。
【００４５】
また、冷却水の水温が約４０℃以上の場合には、ヒータコア１４より先に排気熱回収器１６へ冷却水を流すことで、この排気熱回収器１６によって加熱された冷却水を下流側のヒータコア１４へと供給することができ、それによって前記ヒータコア１４を含む空調装置の暖房性能を高めることができる。
【００４６】
従って、冷却水の水温に応じて切替手段１８によって冷却水の流通方向を適宜切り替えることで、例えば、触媒を加熱して排気ガスの浄化性能を向上させたり、ヒータコア１４を含む空調装置の暖房性能を向上させることができるため、排気ガスの熱を選択的に有効活用することができる。
【００４７】
また、加熱された冷却水が、上述したようなエンジン１２の触媒等に供給される場合に限定されるものではなく、必要に応じて加熱が必要とされる装置等に対して選択的に供給すればよく、第１及び第２切替弁３４、４６を切り替える水温も上述した水温に限定されるものではなく適宜設定すればよい。
【００４８】
一方、切替手段１８は、上述したように２つの第１及び第２切替弁３４、４６から構成される場合に限定されるものではなく、例えば、ロータリーバルブやスプールバルブ等を用いることで単一の切替弁から構成するようにしてもよい。
【００４９】
なお、本発明に係る排気熱回収装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００５０】
１０…排気熱回収装置                １２…エンジン
１４…ヒータコア                    １６…排気熱回収器
１８…切替手段                      ２０…制御装置
２６…導出通路                      ２８…導入通路
３４…第１切替弁                    ４０…排気熱回収通路
４６…第２切替弁                    ４８…冷却水通路
５０…ガス通路                      ５２…バイパス通路
５４…バイパス切替弁
【図１】
2019049225.tif 000003
【図２】
2019049225.tif 000004