(57)【要約】【課題】エンジン始動時からその暖機を促進してエンジンの排気エミッションを効果的に低減させること。【解決手段】排気熱利用装置は、エンジン排気と水との間で熱交換を行う熱交換器１８と、熱交換された水を循環させる第１循環回路２２と、その水の熱を蓄える蓄熱タンク２３と、電動ポンプ２４と、水に熱接触する加熱配管２９，３０とを含む。第１循環回路２２にて電動ポンプ２４で水を循環させて加熱配管２９，３０を暖め、排気熱を利用する。同装置は、水を循環させるウォータジャケット５と、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱をジャケット５へ供給するために水をジャケット５へ循環させる第２循環回路３４と、エンジン暖機時に、水の第１循環回路２２での循環を第２循環回路３４での循環に切り替える各種弁２８，１０，２５及びコントローラ４０を更に含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気と熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換器と、
前記熱交換器により熱交換される前記熱媒体を循環させるための第１循環回路と、
前記第１循環回路において前記熱媒体の熱を蓄えるための蓄熱タンクと、
前記第１循環回路において前記熱媒体に流れを与えるための電動ポンプと、
前記第１循環回路において前記熱媒体に熱接触する熱利用媒体と
を備え、前記第１循環回路において前記電動ポンプにより前記熱媒体を循環させて前記熱利用媒体を暖めることにより排気熱を利用するようにしたエンジンの排気熱利用装置であって、
前記熱媒体を循環させるために前記エンジンに設けられる熱媒体通路と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱を前記熱媒体通路へ供給するために前記熱媒体を前記熱媒体通路へ循環させるための第２循環回路と、
前記エンジンの暖機時に、前記熱媒体の前記第１循環回路における循環を前記第２循環回路における循環に切り替えるための切替手段と
を備えたことを特徴とするエンジンの排気熱利用装置。
【請求項２】
前記熱利用媒体は、エンジンオイル、デファレンシャルギヤオイル又はオートマチックトランスミッションフルードの何れかであることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等の車両に搭載されるエンジンに係り、詳しくは、エンジンの排気熱を暖機に利用するための排気熱利用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、この種の排気熱利用装置として、例えば、下記の特許文献１に記載されたものがある。この装置は、内燃機関に潤滑油を循環させる潤滑油経路と、潤滑油経路の途中に設けられたオイルポンプと、内燃機関の排気管の途中から分岐するバイパス通路と、バイパス通路に設けられた熱交換器と、熱交換器内に収容され排熱との熱交換による熱を蓄熱する蓄熱材と、熱交換器の周囲に配置された断熱部材とを有し、潤滑油経路を熱交換器に熱接触させている。これにより、内燃機関の始動直後は、潤滑油が長時間高温で保温可能な蓄熱材に蓄えられた熱と熱交換して暖機が促進される。一方、内燃機関の始動後は、潤滑油が排熱及び蓄熱材と熱交換して急速に暖機が可能となる。又、潤滑油経路と熱交換器を熱接触させて潤滑油を暖機したことにより、内燃機関の暖機が必要とされる部分が直接暖機されるので急速に暖機可能となる。このことにより、内燃機関の摺動摩擦が軽減され、燃費が向上し、エミッションを低減させていた。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１１９４５５号公報（第２〜４頁，図１〜図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特許文献１に記載の装置では、潤滑油を熱媒体とした暖機であることから、潤滑油が供給される特定部位だけしか暖機することができず、内燃機関全体の暖機に対して即効性がなく、排気エミッションの低減が不十分となる問題があった。
【０００５】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、エンジンの始動時からその暖機を促進してエンジンの排気エミッションを効果的に低減させることを可能としたエンジンの排気熱利用装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、エンジンの排気と熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換器と、熱交換器により熱交換される熱媒体を循環させるための第１循環回路と、第１循環回路において熱媒体の熱を蓄えるための蓄熱タンクと、第１循環回路において熱媒体に流れを与えるための電動ポンプと、第１循環回路において熱媒体に熱接触する熱利用媒体とを備え、第１循環回路において電動ポンプにより熱媒体を循環させて熱利用媒体を暖めることにより排気熱を利用するようにしたエンジンの排気熱利用装置であって、熱媒体を循環させるためにエンジンに設けられる熱媒体通路と、蓄熱タンクに蓄えられた熱を熱媒体通路へ供給するために熱媒体を熱媒体通路へ循環させるための第２循環回路と、エンジンの暖機時に、熱媒体の第１循環回路における循環を第２循環回路における循環に切り替えるための切替手段とを備えたことを趣旨とする。
【０００７】
上記発明の構成によれば、エンジンの運転時に、電動ポンプを駆動させることにより、熱媒体に流れが与えられて熱媒体が第１循環回路を循環する。このとき、熱交換器ではエンジンの排気と熱媒体との間で熱交換が行われ、蓄熱タンクでは、熱媒体に与えられた熱が蓄えられる。又、第１循環回路を循環する熱媒体が熱利用媒体に熱接触することにより、熱利用媒体が暖められて排気熱が利用される。ここで、エンジンの暖機時に、切替手段により、熱媒体の第１循環回路における循環が第２循環回路における循環に切り替えられることにより、熱媒体がエンジンに設けられる熱媒体通路を循環することになり、蓄熱タンクに蓄えられた熱によりエンジンが暖機される。
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、熱利用媒体は、エンジンオイル、デファレンシャルギヤオイル又はオートマチックトランスミッションフルードの何れかであることを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、エンジンオイル、デファレンシャルギヤオイル又はオートマチックトランスミッションフルードの何れかが暖められて排気熱が利用され、エンジンの潤滑、デファレンシャルギヤの潤滑、又は、オートマチックトランスミッションの円滑動作が促進される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のエンジンの排気熱利用装置を具体化した一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１に、エンジンの排気熱利用装置の概念構成図を示す。この排気熱利用装置は、自動車（図示略）のエンジンに適用されるものである。この自動車は、エンジン１と、エンジン１の出力を駆動輪に伝達する動力伝達装置としてのオートマチックトランスミッション及びデファレンシャルギア等（図示略）を搭載する。
【００１２】
エンジン１は、シリンダブロック２及びエンジンヘッド３を含む。エンジン１には、同エンジン１を冷却するために冷却水を循環させる水冷式の冷却装置が設けられる。冷却装置は、エンジン１に設けられたウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４と、シリンダブロック２及びエンジンヘッド３の内部に設けられたウォータジャケット５と、冷却水を放熱するためのラジエータ６と、ラジエータ６の下流側に設けられたサーモスタット７と、冷却水の熱を車室の暖房に利用するためのヒータコア８と、これら機器等４〜８の間を接続する冷却水通路９と、冷却水等の流れを切り替えるための第１三方弁１０とを備える。この実施の形態で、ウォータジャケット５及び冷却水通路９は、本発明の熱媒体としての循環水を循環させるための本発明の熱媒体通路に相当する。第１三方弁１０は、第１入口１０ａ及び第２入口１０ｂと、一つの出口１０ｃとを含む。第１三方弁１０は、第１入口１０ａ又は第２入口１０ｂに対する出口１０ｃの連通をアクチュエータにより切り替える電磁弁である。ウォータポンプ４は、冷却水に流れを与えて循環させるためのものである。冷却水通路９において、ウォータジャケット５から出た冷却水は、ラジエータ６と第１三方弁１０へと向かう流れに分岐する。ラジエータ６へ流れた冷却水は、サーモスタット７を介してウォータポンプ４へ流れ、再びウォータジャケット５へ流れる。第１三方弁１０へ流れた冷却水は、同弁１０の切り替えによりヒータコア８を介してウォータポンプ４へ流れ、再びウォータジャケット５へ流れる。エンジン１には、冷却水温を検出するための冷却水温センサ１１が設けられる。エンジン１は、空気を吸入する吸気通路（図示略）と、排気ガスを排出する排気通路１２とを備える。排気通路１２の途中には、触媒コンバータ１３が設けられる。
【００１３】
排気通路１２の途中には、熱交換ユニット１４が設けられる。熱交換ユニット１４は、排気通路１２に連続する排気管１５と、排気管１５の入口側に設けられた排気切替弁１６と、同弁１６から分岐するバイパス管１７と、同管１７の途中に設けられた熱交換器１８とを含む。排気切替弁１６は、アクチュエータにより駆動される電動式の弁であり、エンジン１から排気通路１２へ排出される排気ガスを、排気管１５への流れと、バイパス管１７への流れとに切り替える。排気切替弁１６からバイパス管１７へ流れた排気ガスは、熱交換器１８を通過した後、再び排気管１５に戻り、排気通路１２を通じて外部へ排出される。熱交換器１８は、バイパス管１７を流れる排気ガスと熱媒体としての循環水の間で熱交換を行うためのものである。
【００１４】
図２に、熱交換ユニット１４の一例を側面図に示す。図３に、図２のＡ−Ａ線に沿った断面を拡大して示す。図３に示すように、熱交換器１８は、排気ガスを通す円筒状のシェル１９の中に複数本のチューブ２０が平行に配置される。これらチューブ２０の両端は、それぞれ一つの入口管２１と出口管とに接続される（図２には、その入口管２１のみが図示される。）。
【００１５】
熱交換器１８には、同器１８により熱交換される循環水を循環させるための第１循環回路２２が設けられる。図１にて、この第１循環回路２２は、太い破線で示される。第１循環回路２２は、熱交換器１８の入口管２１と出口管との間に接続される。第１循環回路２２の途中には、同回路２２において循環水の熱を蓄えるための蓄熱タンク２３が設けられる。蓄熱タンク２３は、高温の循環水を貯留可能である。この実施の形態で、蓄熱タンク２３は、２〜３リットルの容量を有し、断熱材で覆われる。このタンク２３は、循環水を「５０〜７０℃」の範囲で「約３６時間」にわたって保温することができる。
【００１６】
第１循環回路２２において、蓄熱タンク２３の下流側には、同回路２２において循環水に流れを与えるための電動ポンプ２４が設けられる。第１循環回路２２において、電動ポンプ２４の下流側には、第２三方弁２５が設けられる。第２三方弁２５は、一つの入口２５ａと、第１出口２５ｂ及び第２出口２５ｃとを備える。第２三方弁２５は、第１出口２５ｂ又は第２出口２５ｃに対する入口２５ａの連通をアクチュエータにより切り替える電動式の弁である。熱交換器１８の下流側には、循環水量の変化を吸収するためのリザーブタンク２６が設けられる。リザーブタンク２６には、リリーフバルブ２７が設けられる。第１循環回路２２において、リザーブタンク２６の下流側には、開閉弁２８が設けられる。この開閉弁２８は、第１循環回路２２における循環水の流れを許容又は遮断するために開閉される電磁弁である。同じく第１循環回路２２において、蓄熱タンク２３の上流側には、各種機器に関連する熱利用媒体としての各種オイル等を加熱するための複数の加熱配管２９，３０が設けられる。これら加熱配管２９，３０は、第１循環回路２２に接触して設けられ、これにより循環水が各種オイル等に熱接触している。従って、エンジン１の運転時に、第１循環回路２２において、電動ポンプ２４により循環水を循環させることにより、熱交換器１８で循環水が加熱される。そして、この循環水が加熱配管２９，３０を通るときに各種オイル等を暖めることにより、エンジン１の排気熱が利用される。一方の加熱配管２９には、循環水温を検出するため循環水温センサ３１が設けられる。この実施の形態で、各種オイル等には、エンジンオイル、デファレンシャルギヤオイル又はオートマチックトランスミッションフルードの何れかが含まれる。
【００１７】
上記した第１循環回路２２と、冷却水通路９との間には、接続配管３２，３３が設けられる。即ち、第１循環回路２２における開閉弁２８の下流側近傍と、冷却水通路９におけるヒータコア８の下流側近傍との間に、接続配管３２が接続される。第１循環回路２２における第２三方弁２５と、冷却水通路９における第１三方弁１０との間に、接続配管３３が接続される。これら接続配管３２，３３と冷却水通路９とにより、蓄熱タンク１８に蓄えられた熱をウォータジャケット５へ供給するために循環水をウォータジャケット５へ循環させるための本発明の第２循環回路３４が構成される。
【００１８】
この実施の形態では、排気切替弁１６、電動ポンプ２４、開閉弁２８、第１三方弁１０及び第２三方弁２５を制御するためのコントローラ４０が設けられる。コントローラ４０には、排気切替弁１６、電動ポンプ２４、開閉弁２８、第１三方弁１０及び第２三方弁２５が接続される。又、循環水温センサ３１及び冷却水温センサ１１も、コントローラ４０に接続される。コントローラ４０には、イグニションスイッチ（ＩＧＳＷ）４１が接続される。コントローラ４０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを含み構成される。そのＲＯＭには、この排気熱利用装置のための制御プログラムが格納される。コントローラ４０は、エンジン１の暖機時に、循環水の第１循環回路２２における循環を第２循環回路３４における循環に切り替えるために、排気切替弁１６、開閉弁２８、第１三方弁１０及び第２三方弁２５をそれぞれ制御する。この実施の形態で、排気切替弁１６、開閉弁２８、第１三方弁１０、第２三方弁２５及びコントローラ４０は、循環水の循環を切り替えるための本発明の切替手段に相当する。
【００１９】
図４に、上記制御プログラムをフローチャートに示す。コントローラ４０はこのルーチンを所定期間毎に周期的に実行する。
【００２０】
先ず、ステップ１００で、コントローラ４０は、始動前のエンジン１の状態を読み込む。この実施の形態では、コントローラ４０は、冷却水温センサ１１により検出される冷却水温の値を読み込む。この状態で、排気切替弁１６はオンされ、開閉弁２８はオフされ、第１三方弁１０及び第２三方弁２５はオンされている。
【００２１】
ここで、排気切替弁１６の「オン」とは、排気ガスをバイパス管１７へ流す切替状態を意味し、その反対の「オフ」とは、排気ガスを排気管１５へ流す切替状態を意味する。開閉弁２８の「オン」とは、開状態を意味し、その反対の「オフ」とは、閉状態を意味する。第１三方弁１０の「オン」とは、接続配管３３を流れる循環水をヒータコア８へ流す切替状態を意味し、その反対の「オフ」とは、ウォータジャケット５から出た冷却水をヒータコア８へ流す切替状態を意味する。第２三方弁２５の「オン」とは、電動ポンプ２４から出た循環水を接続配管３３へ流す切替状態を意味し、その反対の「オフ」とは、電動ポンプ２４から出た循環水を熱交換器１８へ流す切替状態を意味する。
【００２２】
ステップ１１０で、コントローラ４０は、エンジン１に蓄熱による暖機が必要か否かを判断する。コントローラ４０は、この判断を、上記読み込まれた冷却水温の値に基づき行う。ここで、冷却水温が高くて暖機が必要ない場合、コントローラ４０は、処理をそのままステップ１５０へ移行する。冷却水温が低くて暖機が必要な場合、コントローラ４０は、処理をステップ１２０へ移行する。
【００２３】
ステップ１２０で、コントローラ４０は、電動ポンプ２４をオンさせる。次いで、コントローラ４０は、ステップ１３０で、所定時間経過するのを待って、ステップ１４０で、電動ポンプ２４をオフする。従って、電動ポンプ２４がオンされる間は、図１に実線矢印で示すように、第２循環回路３４で循環水が循環し、その循環水がエンジン１の冷却水通路９及びウォータジャケット５へ送られる。このとき、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱が循環水により第２循環回路３４を通じて冷却水通路９及びウォータジャケット５へ供給される。
【００２４】
次に、ステップ１５０で、コントローラ４０は、開閉弁２８をオンし、第１三方弁１０及び第２三方弁２５をオフする。これにより、第１循環回路２２では、リザーブタンク２６から加熱配管２９，３０へ向かう循環水の流れが許容される。又、同回路２２では、電動ポンプ２４から出る循環水が接続配管３３へ流れる状態から熱交換器１８へ流れる状態に切り替えられる。更に、冷却水回路９では、接続配管３３からヒータコア８へ向かう循環水の流れが遮断され、エンジン１のウォータジャケット５からヒータコア８へ向かう冷却水の流れが許容される。
【００２５】
次に、コントローラ４０は、ステップ１６０で、ＩＧＳＷ４１がオンされる、即ち、エンジン１が始動されるのを待て、ステップ１７０で、排気切替弁１６をオンする。これにより、排気通路１２の排気ガスがバイパス管１７へ流れる状態となり、熱交換器１８では循環水が排気熱により暖められる。
【００２６】
次に、ステップ１８０で、コントローラ４０は、電動ポンプ２４をオンする。これにより、第１循環回路２２において、図１に破線矢印で示すように循環水が循環することになる。この結果、熱交換器１８で暖められた循環水の熱が蓄熱タンク２３に蓄えられる。
【００２７】
その後、ステップ１９０で、コントローラ４０は、循環水温センサ３１により検出される循環水温が所定値より高いか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、コントローラ４０は、ステップ１８０，１９０の処理を繰り返し、蓄熱タンク２３に対する蓄熱を継続する。この判断結果が肯定である場合、コントローラ４０は、ステップ２００で、排気切替弁１６をオフする。これにより、排気通路１２の排気ガスが排気管１５へ流れる状態に切り替えられる。
【００２８】
その後、ステップ２１０で、コントローラ４０は、ＩＧＳＷ４１がオフされたか否かを判断する。この判断結果が否定の場合、エンジン１は運転中であり、コントローラ４０は、ステップ１８０〜２１０の処理を繰り返す。この判断結果が肯定の場合、エンジン１は停止であり、コントローラ４０は、処理をステップ２２０へ移行する。
【００２９】
ステップ２２０で、コントローラ４０は、電動ポンプ２４をオフする。次いで、ステップ２３０で、コントローラ４０は、排気切替弁１６をオンする。これにより、排気通路１２の排気ガスがバイパス管１７へ流れる状態に切り替えられる。
【００３０】
その後、ステップ２４０で、コントローラ４０は、開閉弁２８をオフし、第１三方弁１０及び第２三方弁２５をオンする。これにより、電動ポンプ２４から出る循環水が熱交換器１８から接続配管３３へ流れる状態に切り替えられ、リザーブタンク２６から加熱配管２９，３０へ向かう循環水の流れが遮断される状態となる。
【００３１】
以上説明したこの実施の形態のエンジンの排気熱利用装置によれば、エンジン１の運転時に、循環水温が所定値より高くない場合は、電動ポンプ２４により循環水に流れが与えられて循環水が第１循環回路２２を循環する。このとき、熱交換器１８ではエンジン１の排気ガスと循環水との間で熱交換が行われ、蓄熱タンク２３では、循環水に与えられた熱が蓄えられる。又、第１循環回路２２を循環する循環水が加熱配管２９，３０により各種オイル等に熱接触することにより、そのオイル等が暖められて排気熱が利用される。
【００３２】
ここで、エンジン１に暖機が必要なときには、コントローラ４０の制御により、循環水の第１循環回路２２における循環が第２循環回路３４における循環に切り替えられ、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱が循環水により冷却水通路９及びウォータジャケット５に供給される。従って、循環水が冷却水通路９及びウォータジャケット５を循環することになり、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱によりエンジン１が暖機される。この暖機は、ウォータジャケット５に冷却水を流すことによる暖機であることから、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱を有効に利用して、エンジン１の全体を即効性をもって暖機することができる。この結果、エンジン１の始動時からその暖機を促進することができ、エンジン１の排気エミッションを効果的に低減させることができる。
【００３３】
この実施の形態では、加熱配管２９，３０で加熱される各種オイル等が、エンジンオイル、デファレンシャルギヤオイル又はオートマチックトランスミッションフルードの何れかであることから、それらが暖められて排気熱が利用される。従って、エンジン１の潤滑、デファレンシャルギヤの潤滑、又は、オートマチックトランスミッションの円滑動作が促進される。これにより、エンジン１の燃費を向上させることができる。
【００３４】
尚、この発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００３５】
例えば、前記実施の形態では、第２循環回路３４に循環水を循環させ、その循環水を冷却水通路９及びウォータジャケット５へ流して、蓄熱タンク２３に蓄えられた熱をエンジン１に供給するようにした。これに対し、エンジンに循環水専用の通路を熱媒体通路として設け、その通路に循環水を流すことにより、蓄熱タンクに蓄えられた熱をエンジンに供給するようにしてもよい。この場合、熱媒体を循環水以外の液体にすることもできる。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、エンジンの始動時からその暖機を促進することができ、エンジンの排気エミッションを効果的に低減させることができる。
【００３７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、エンジンの燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態に係り、排気熱利用装置を示す概念構成図。
【図２】熱交換ユニットを示す側面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】制御プログラムを示すフローチャート。
【符号の説明】
１    エンジン
５    ウォータジャケット（熱媒体通路）
１０  第１三方弁
１６  排気切替弁
１８  熱交換器
２２  第１循環回路
２３  蓄熱タンク
２４  電動ポンプ
２５  第２三方弁
２９  加熱配管
３０  加熱配管
３４  第２循環回路
４０  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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