(57)【要約】【課題】排気ガスの浄化用触媒の反応熱を回収して内燃機関の冷却媒体を温め、この冷却媒体によって空気調和装置の暖房能力を効率よく高めるようにした内燃機関の排気熱回収装置を提供する。【解決手段】触媒コンバータ５を通過した排気ガスを導入して、媒体循環経路４の冷却媒体との間で熱交換する冷媒排熱交換器１８を設け、少なくとも、冷却媒体の温度が所定値よりも低い場合、若しくは、空気調和装置の暖房能力の増加要請が有る場合に、制御装置３の制御により触媒コンバータ５の発熱量を増加させる触媒発熱量増加制御を実行し、触媒での反応熱をもって冷却媒体を温めることにより、触媒の反応熱を冷却媒体によってより多く回収してその冷却媒体を温めることができるため、不足する暖房能力を効率良く補うことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（２）と、内燃機関（２）の空燃比、二次空気量、点火タイミング等を制御する制御装置（３）と、内燃機関（２）を冷却媒体で冷却する媒体循環経路（４）と、内燃機関（２）の排気を導入して浄化する触媒コンバータ（５）と、前記媒体循環経路（４）の冷却媒体を導入して空調風との間で熱交換するヒータコア（６）を有する空気調和装置と、を備えた車両において、
触媒コンバータ（５）を通過した排気ガスを導入して、前記媒体循環経路（４）の冷却媒体との間で熱交換する冷媒排熱交換器（１８）を設け、少なくとも、前記冷却媒体の温度が所定値よりも低い場合、若しくは、前記空気調和装置の暖房能力の増加要請が有る場合に、前記制御装置（３）の制御により前記触媒コンバータ（５）の発熱量を増加させる触媒発熱量増加制御を実行し、触媒での反応熱をもって冷却媒体を温めることを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項２】
前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の周波数制御と空燃比の燃料リッチ制御とを併用して燃焼成分を増加させるとともに、触媒コンバータ（５）の上流側に二次空気を導入することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の周波数制御と空燃比の燃料リッチ制御とに加えて、点火タイミングを遅角させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項４】
前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の値を、所定の冷却媒体温度と実際の冷却媒体温度との差分、若しくは、車室内温度目標値から求められる冷却媒体の目標温度と実際の冷却媒体温度との差分を元に設定し、かつ、触媒コンバータ（５）に導入する二次空気量は、前記空燃比と吸入空気量の値を元に触媒コンバータ（５）に流入する排気ガスの量を制御して、触媒における空燃比が理論空燃比になるように設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項５】
触媒コンバータ（５）を通過した排気ガスを冷媒排熱交換器（１８）に導入する排気導入経路（１１ａ）と、冷媒排熱交換器（１８）をバイパスして排気ガスを流すバイパス経路（１１ｂ）と、を設け、これら排気導入経路（１１ａ）とバイパス経路（１１ｂ）の少なくとも一方に、これら両経路（１１ａ，１１ｂ）を選択的に切換える開閉弁（２０，２１，２２）を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【請求項６】
前記触媒発熱量増加制御は、車両が停止状態で内燃機関（２）がアイドル状態にある場合に限定して行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置の熱源となる内燃機関の冷却媒体に排気ガスの熱を取り込むようにした内燃機関の排気熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気熱を利用した従来の暖房装置としては、エンジン必要出力、室温、暖房必要温度およびエンジン冷却水温のそれぞれの条件に応じて、エンジン排気を気液間熱交換器へ導く切換弁と、この熱交換器を通るエンジン排気の通路に設けた絞り弁と、をそれぞれ開閉制御することにより暖房制御するようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１−１３２４１５号公報（第６頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来の内燃機関の排気熱回収装置は、エンジンの排気熱が十分にあるときは冷却媒体である冷却水によって熱を回収し、これを暖房などに供することは可能であるが、エンジンの排気熱が不足するときは、暖房補助として満足する熱量を得ることは難しくなってしまう。
【０００５】
例えば、冬季のエンジンアイドル状態では、エンジンの負荷が小さくなって排気量が減少し、かつ、排気温度も低くなっており、また、エンジンや車両によっては、冷却水の温度が所定値以下（例えば、７５゜Ｃ）となって低く、この冷却水の熱で空気調和装置を暖房しようとした場合に暖房能力が不足する恐れがある。
【０００６】
そこで、本発明はかかる従来の課題に鑑みて、排気ガスの浄化用触媒の反応熱を回収して内燃機関の冷却媒体を温め、この冷却媒体によって空気調和装置の暖房能力を効率よく高めるようにした内燃機関の排気熱回収装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために本発明の内燃機関の排気熱回収装置にあっては、触媒コンバータを通過した排気ガスを導入して、前記冷却系の冷却媒体との間で熱交換する冷媒排熱交換器を設け、少なくとも、前記冷却媒体の温度が所定値よりも低い場合、若しくは、前記空気調和装置の暖房能力の増加要請が有る場合に、前記制御装置の制御により前記触媒コンバータの発熱量を増加させる触媒発熱量増加制御を実行し、触媒での反応熱をもって冷却媒体を温めて空気調和装置のヒータコアの熱源とすることを特徴としている。
【０００８】
【発明の効果】
かかる構成になる本発明によれば、冷媒排熱交換器によって触媒コンバータを通過した排気ガスと冷却媒体との間で熱交換するようになっており、冷却媒体の温度が低い場合や暖房能力の増加が必要な場合に、触媒コンバータの発熱量を増加させる触媒発熱量増加制御を実行することにより、触媒の反応熱を冷却媒体によってより多く回収してその冷却媒体を温めることができるため、不足する暖房能力を効率良く補うことができ、また、冷却媒体の温度上昇を促進できるため燃費をも改善することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１０】
図１〜図５は本発明にかかる内燃機関の排気熱回収装置の一実施形態を示し、図１は排気熱回収装置の全体構成図、図２は触媒発熱量増加制御を実行するためのフローチャートを示す説明図、図３は触媒反応性に及ぼす空燃比周波数制御の効果を制御無しと制御有りとで比較して示すグラフ、図４は二次空気量に対する回収熱量の変化を空燃比の違いによって示すグラフ、図５は点火進角と排気ガス温度の関係を示すグラフである。
【００１１】
本実施形態の排気熱回収装置１は車両に搭載した内燃機関としてのエンジン２に適用し、このエンジン２の冷却媒体としての冷却水を暖房の熱源とする空気調和装置を備えている。
【００１２】
即ち、前記車両は、エンジン２と、このエンジン２の空燃比、二次空気量、点火タイミング等を制御する制御装置としてのエンジンコントロールユニット３と、エンジン２を冷却水で冷却する媒体循環経路としての冷却水循環経路４と、エンジン２の排気を導入して浄化する触媒コンバータ５と、前記冷却水循環経路４の冷却水を導入して空調風との間で熱交換する前記空気調和装置のヒータコア６と、を備えている。
【００１３】
前記エンジン２は、インテークマニホルド７で吸入した空気とインジェクタ８で霧化した燃料を導入し、排気ガスをエキゾーストマニホルド９からマフラー１０に繋がる排気管１１へと排出するようになっており、エキゾーストマニホルド９の下流部位に前記触媒コンバータ５を配置してある。
【００１４】
勿論、インジェクタ８は前記エンジンコントロールユニット３から出力される指令信号により燃料噴射量を制御するようになっている。
【００１５】
前記冷却水循環経路４は、冷却水を循環ポンプ１２からエンジン２の図外の冷却水路に供給した後、冷却水通路４ａを介してラジエータ１３に導入した後に前記循環ポンプ１２へと循環させる。
【００１６】
また、前記ヒータコア６は、エンジン２の冷却水路を通過した冷却水を、前記冷却水通路４ａから分岐した分岐通路４ｂを介して導入した後、戻し通路４ｃを介して前記循環ポンプ１２に戻すようになっており、このヒータコア６は図外の空調ファンの送風と冷却水との間で熱交換して暖房風を作り出すようになっている。
【００１７】
前記ヒータコア６を備えた空気調和装置は、空調コントロールユニット１４により空調制御するようになっており、空気調和装置で設定した車室内温度目標値を空調コントロールユニット１４から前記エンジンコントロールユニット３に出力するようになっている。
【００１８】
前記エンジンコントロールユニット３には、インテークマニホルド７に設けた流量計１５の検出信号、エキゾーストマニホルド９に設けた空燃比センサ１６の検出信号、前記経路４ｂに設けた水温センサ１７の検出信号が入力される。
【００１９】
ここで、本実施形態の排気熱回収装置１は、前記排気管１１に設けて触媒コンバータ５を通過した排気ガスを導入するとともに、前記冷却水循環経路４の分岐通路４ｂを接続して冷却水との間で熱交換する冷媒排熱交換器１８を設け、少なくとも、前記冷却水の温度が所定値よりも低い場合、若しくは、前記空気調和装置の暖房能力の増加要請が有る場合に、前記エンジンコントロールユニット３の制御により前記触媒コンバータ５の発熱量を増加させる触媒発熱量増加制御を実行して、触媒コンバータ５の触媒での反応熱をもって冷却水を温めるようにしてある（請求項１）。
【００２０】
また、前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の周波数制御と空燃比の燃料リッチ制御とを併用して燃焼成分を増加させるとともに、図１に示すように、触媒コンバータ５の上流側にエアポンプ１９を介して二次空気を導入するようになっている（請求項２）。
【００２１】
このとき、エアポンプ１９の二次空気導入量は前記エンジンコントロールユニット３から出力される指令信号により制御されるようになっている。
【００２２】
更に、前記触媒発熱量増加制御は、上述した空燃比の周波数制御と空燃比の燃料リッチ制御とに加えて、点火タイミングを遅角させる制御を加える（請求項３）。
【００２３】
更にまた、前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の値を、予め設定した所定の冷却水温度と実際の冷却水温度との差分、若しくは、車室内温度目標値から求められる冷却水の目標温度と実際の冷却水温度との差分を元に設定するようになっており、かつ、触媒コンバータ５に導入する二次空気量は、前記空燃比の値を元に触媒コンバータ５に流入する排気ガスの量を制御して、触媒における空燃比が理論空燃比になるように設定してある（請求項４）。
【００２４】
また、前記排気熱回収装置１には、図１に示すように、排気管１１には触媒コンバータ５を通過した排気ガスを冷媒排熱交換器１８に導入する排気導入経路１１ａと、冷媒排熱交換器１８をバイパスして排気ガスを流すバイパス経路１１ｂと、を設け、排気導入経路１１ａの触媒コンバータ５の上流側と下流側に第１開閉弁２０と第２開閉弁２１を設けるとともに、バイパス経路１１ｂに第３開閉弁２２を設け、これら第１〜第３開閉弁２０，２１，２２によって排気導入経路１１ａとバイパス経路１１ｂとを選択的に切換えるようになっている（請求項５）。
【００２５】
前記第１〜第３開閉弁２０，２１，２２は、前記エンジンコントロールユニット３から出力される指令信号によりそれぞれ開閉制御され、バイパス経路１１ｂを介して冷媒排熱交換器１８をバイパスする排気ガス量を制御する。
【００２６】
このとき、前記第１，第２開閉弁２０，２１を排気導入経路１１ａに設け、かつ、第３開閉弁２２をバイパス経路１１ｂに設けたが、これら排気導入経路１１ａとバイパス経路１１ｂの少なくとも一方に開閉弁を設けて、両経路１１ａ，１１ｂを選択的に切換えることもできる。
【００２７】
更に、前記触媒発熱量増加制御は、車両が停止状態でエンジン２がアイドル状態にある場合に限定して行うことが好ましい（請求項６）。
【００２８】
前記エンジンコントロールユニット３は、図２に示すフローチャートに従って排気熱回収制御を実行するようになっており、まず、図２に示すように、ステップＳ１では、車速、アクセル開度、エンジン２の作動可否、エンジン２の冷却水温、空調コントロールユニット１４からの暖房能力増加要請、および車室内設定温度、室内温度、外気温度、日射センサーなどに基づいて演算した目標冷却水温度などの各種データを入力する。
【００２９】
そして、ステップＳ２で車速はゼロかどうかを判定することにより、車両が停止状態がどうかを判断し、停止状態である場合（ＹＥＳ）はステップＳ３によってアクセル開度はゼロかどうかを判定し、アクセルを踏み込んでいない場合（ＹＥＳ）はステップＳ４によってエンジン２が作動状態かどうかを判定し、これらステップＳ３，Ｓ４によってエンジン２がアイドル状態にあるかどうかを判断する。
【００３０】
次に、車両が停止状態かつアイドル状態にあるときは、ステップＳ５によって冷却水が所定温度（本実施形態では７５゜Ｃに設定）以上かどうかを判定した後、ステップＳ６によって空気調和装置から暖房能力を増加要請する信号が出力されいるかどうかを判定し、前記ステップＳ５で冷却水が所定温度に達していない場合（ＮＯ）、およびステップＳ６で暖房能力の増加要請がある場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ７によって点火進角を遅角方向にリタードするとともに、空燃比（Ａ／Ｆ）を周波数制御し、そして、ステップＳ８によって目標とする冷却水温と実際の冷却水温との差分ΔＴを求める。
【００３１】
このように差分ΔＴを求めた後、ステップＳ９では予め設定した所定温度α，β，γ（゜Ｃ）（α＞β＞γ）に対してその差分ΔＴがどのような条件の元にあるかを判定し、ΔＴ＞α゜Ｃの場合は、ステップＳ１０により条件１の元に空燃比（Ａ／Ｆ）および二次空気量を制御し、α゜Ｃ≧ΔＴ＞β゜Ｃの場合は、ステップＳ１１により条件２の元に空燃比および二次空気量を制御する。
【００３２】
また、β゜Ｃ≧ΔＴ＞γ゜Ｃの場合は、ステップＳ１２により条件３の元に空燃比および二次空気量を制御し、γ゜Ｃ≧ΔＴの場合は、ステップＳ１３により条件４の元に空燃比および二次空気量を制御する。
【００３３】
そして、ステップＳ１０〜１３のいずれかによって空燃比および二次空気量を制御した後、ステップＳ１４によって第１，第２開閉弁２０，２１を開放して排気導入経路１１ａを連通するとともに、第３開閉弁２２を閉止してバイパス経路１１ｂを遮断し、触媒コンバータ５を通過した排気ガスを冷媒排熱交換器１８のみに通過させる。
【００３４】
一方、前記ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６でＮＯと判定された場合は、ステップＳ１５によって第１，第２開閉弁２０，２１を閉止して排気導入経路１１ａを遮断するとともに、第３開閉弁２２を開放してバイパス経路１１ｂを連通し、触媒コンバータ５を通過した排気ガスをバイパス経路１１ｂのみに通過させる。
以上の構成により本実施形態の排気熱回収装置１によれば、触媒コンバータ５を通過した排気ガスを、排気管１１に設けた排気導入経路１１ａを介して前記冷媒排熱交換器１８に導入し、この冷媒排熱交換器１８によって触媒コンバータ５を通過した排気ガスと冷却媒体との間で熱交換できるようになっている。
【００３５】
そして、冷却媒体の温度が低い場合や暖房能力の増加が必要な場合に、エンジンコントロールユニット３により触媒コンバータ５の発熱量を増加させる触媒発熱量増加制御を実行するようにしたので、触媒の反応熱を冷却水によってより多く回収してその冷却水を温めることができるため、ヒータコア６から空調風に熱交換する熱量を増大して不足する暖房能力を効率良く補うことができる。
【００３６】
また、前記触媒発熱量増加制御を実行する場合は、通常はエンジン２が冷機状態にある場合であり、この冷機時に冷却水の温度上昇を促進できるためエンジン２をより早く暖機することができるため、燃費をも改善することができる。
【００３７】
また、本実施形態の排気熱回収装置１では前記作用・効果に加えて、前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の周波数制御と空燃比の燃料リッチ制御とを併用して燃焼成分を増加させるとともに、触媒コンバータ５の上流側にエアポンプ１９を介して二次空気を導入するようにしたので、燃焼成分の増加と二次空気導入により触媒コンバータ５の触媒（三元触媒）反応を促進させることができるため、触媒コンバータ５の反応熱をエンジン始動後短時間でより多く回収できる。
【００３８】
ここで、空燃比を周波数制御（空燃比幅：±１．３、周波数：１．０Ｈｚ）した場合、制御無しの場合と触媒の反応特性（反応温度）を比較すると、図３に示すように、制御有りの場合は制御無しに比べて触媒での反応性が向上し、温度差で約５０゜Ｃの差を確認できた。尚、この場合、空燃比を１４．７、点火進角を−５゜として実験した。
【００３９】
また、触媒反応熱に及ぼす空燃比と二次空気量との関係は、図４に示すように、二次空気量の増加に伴い回収熱量は増加するが、この回収熱量のピークは空燃比が小さくなるほど大流量側にシフトし熱量も大きくなる。
【００４０】
このとき、同じ二次空気量でも空燃比の値により回収熱量（触媒での反応熱量）が異なり、効率よく熱を回収するためには、目標とする熱量に対して空燃比が大きく二次空気量が少ない組み合わせを選ぶことが重要となってくる。
【００４１】
更に、前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の周波数制御と空燃比の燃料リッチ制御とに加えて、点火タイミングを遅角させたので、排ガス温度が高くなり、触媒反応が起こるまでの時間を短くすることができる。
【００４２】
ここで、点火タイミングを遅角させることにより、図５に示すように、排気ガスの触媒コンバータ５に流入する入口ガス温度が上昇し、触媒反応に有利に働くことを確認した。
【００４３】
更にまた、前記触媒発熱量増加制御は、空燃比の値を、目標とする冷却媒体温度および車室内温度目標値から求められる冷却媒体の目標温度と、実際の冷却媒体温度と、の差分ΔＴを元に設定し、かつ、触媒コンバータ５に導入する二次空気量は、前記空燃比の値を元に触媒コンバータ５に流入する排気ガスの量を制御して、空燃比が理論空燃比になるように設定したので、冷却水温度に応じて効率よく冷却水を暖めることができる。
【００４４】
尚、この場合、前記差分ΔＴは、所定の冷却媒体温度もしくは車室内温度目標値から求められる冷却媒体の目標温度と、実際の冷却媒体温度と、から決定した。
【００４５】
また、本実施形態では排気管１１に排気導入経路１１ａとバイパス経路１１ｂとを設けて、これら排気導入経路１１ａに第１開閉弁２０と第２開閉弁２１を設けるとともに、バイパス経路１１ｂに第３回閉弁２２を設け、これら第１〜第３開閉弁２０，２１，２２によって排気導入経路１１ａとバイパス経路１１ｂとを選択的に切換えるようにしたので、冷却水温度が所定の温度よりも高くなり排気ガスと冷却水の熱交換が不必要になった場合は、バイパス経路１１ｂに排気ガスを逃がすことにより、不必要な熱が冷却水に取り込まれるのを防止して冷却水の必要以上の高温化を避け、エンジン冷却系の負担を軽減することができる。
【００４６】
更に、前記触媒発熱量増加制御は、車両が停止状態でエンジン２がアイドル状態にある場合に限定して行うようにしたので、エンジン負荷が小さくなるアイドリング時に空気調和装置の暖房性能を確保しつつ、車両走行時にはエンジン２の制御を適正に行って運転性能への影響を避けることができる。
【００４７】
ところで、本発明の内燃機関の排気熱回収装置は前記実施形態に例をとって説明したが、この実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における排気熱回収装置の全体構成図。
【図２】本発明の触媒発熱量増加制御を実行するためのフローチャートを示す説明図。
【図３】本発明の一実施形態における触媒反応性に及ぼす空燃比周波数制御の効果を制御無しと制御有りとで比較して示すグラフ。
【図４】本発明の一実施形態における二次空気量に対する回収熱量の変化を空燃比の違いによって示すグラフ。
【図５】本発明の一実施形態における点火進角と排気ガス温度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１  排気熱回収装置
２  エンジン（内燃機関）
３  エンジンコントロールユニット（制御装置）
４  冷却水循環経路（媒体循環経路）
５  触媒コンバータ
６  ヒータコア
１１  排気管
１１ａ  排気導入経路
１１ｂ  バイパス経路
１８  冷媒排熱交換器
２０  第１開閉弁
２１  第２開閉弁
２２  第３開閉弁
【図１】
2005016477.tif 000003
【図２】
2005016477.tif 000004
【図３】
2005016477.tif 000005
【図４】
2005016477.tif 000006
【図５】
2005016477.tif 000007