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JP2004169594A - エンジンの排気熱回収装置 - Google Patents

エンジンの排気熱回収装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エンジンの排気熱が十分に得られない場合に、触媒反応で排気を燃焼させる触媒コンバータでの発熱を積極的に促進させて排気熱量を増加させるようにしたエンジンの排気熱回収装置の提供を図る。
【解決手段】エンジン２を通過した伝熱媒体と空調風との間で熱交換して暖房風とする暖房用熱交換器２１を有する空調装置２０と、エンジン２の排気を通過させて排気中の燃焼成分を触媒反応により燃焼させる触媒コンバータ３０と、触媒コンバータ３０を通過した排気と伝熱媒体との間で熱交換する排気熱交換器４０と、暖房に要求される暖房条件が満たされない場合に、触媒コンバータ３０で燃焼する排気中の燃焼成分を増加制御するエンジン制御手段５０と、を備えて構成したので、触媒コンバータ３０での燃焼を促進して排気熱量を増加して、排気熱交換器４０を介して伝熱媒体の温度を効率良く高めることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気熱を効率良く回収して空調暖房等に利用するようにしたエンジンの排気熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ではエンジンの排気熱を暖房に利用するようにしたものがあり、この場合、排気熱によってエンジンの冷却水を加熱（熱交換）し、この加熱した冷却水を温風ダクトに配置した熱交換器に通過させ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３頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの排気熱を利用する場合、エンジンの負荷が大きくて排気熱が十分に得られる場合は、この排気熱で冷却水を加熱して暖房用として有効に利用することができるのであるが、冬季などの寒冷時にあってエンジンがアイドリング状態（車両は停止し、エンジンが作動状態）であるときは、エンジンの負荷が非常に小さいため排気量が少なく、かつ、排気温度が低くなる。
【０００５】
このため、寒冷時などにあって暖房能力を大きく必要とする場合にも、排気熱を暖房用として十分に利用できなくなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明はエンジンの排気熱が十分に得られない場合に、触媒反応で排気を燃焼させる触媒コンバータでの発熱を積極的に促進させて排気熱量を増加させるようにしたエンジンの排気熱回収装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のエンジンの排気熱回収装置にあっては、エンジンを通過した伝熱媒体と空調風との間で熱交換して暖房風とする暖房用熱交換器を有する空調装置と、
エンジンの排気を通過させて排気中の燃焼成分を触媒反応により燃焼させる触媒コンバータと、
触媒コンバータを通過した排気と前記伝熱媒体との間で熱交換する排気熱交換器と、
暖房に要求される暖房条件が満たされない場合に、触媒コンバータで燃焼する排気中の燃焼成分を増加制御するエンジン制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、暖房に要求される暖房条件が満たされない場合に、エンジン制御手段によって触媒コンバータで燃焼する排気中の燃焼成分を増加制御するようにしたので、触媒コンバータでの燃焼を促進して排気熱量を増加し、排気熱交換器を介して排気との間で熱交換する伝熱媒体の温度を効率良く高めることができる。
【０００９】
従って、暖房能力が不足し、また、エンジンの負荷が小さい場合にも、十分な排気熱によって伝熱媒体を高温化できるため、暖房用熱交換器を介して伝熱媒体との間で熱交換する空調風を効率良く暖めて、所望の暖房風を作り出すことができる。
【００１０】
また、伝熱媒体をより早く加熱することができるので、エンジンを迅速に暖機してエンジン潤滑油の油温を高めることができ、これによって潤滑油の粘度を低下し、もって、エンジンの摩擦損失を低減して燃費を改善することができる。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１〜図３は本発明にかかるエンジンの排気熱回収装置の第１実施形態を示し、図１は排気熱回収装置を概略的に示す全体構成図、図２は排気熱回収の制御を実行するフローチャートの前半部分を示す説明図、図３は排気熱回収の制御を実行するフローチャートの後半部分を示す説明図である。
【００１３】
この第１実施形態のエンジンの排気熱回収装置１は、図１に示すように車両に搭載したエンジン２を伝熱媒体としての冷却水で熱交換して冷却するエンジン冷却系１０と、このエンジン冷却系１０の冷却水を導入して空調風との間で熱交換して暖房風とする暖房用熱交換器としてのヒータコア２１を有する空調装置２０と、エンジン２の排気を通過させて排気中の燃焼成分を触媒反応により燃焼させる触媒コンバータ３０と、触媒コンバータ３０を通過した排気とエンジン冷却系１０の冷却水との間で熱交換する排気熱交換器４０と、暖房に要求される暖房条件が満たされない場合に、触媒コンバータ３０で燃焼する排気中の燃焼成分を増加制御するエンジン制御手段としてのエンジンコントローラ５０と、を備えている。
【００１４】
エンジン２の排気は、エンジン２の排気マニホルド（図示省略）に排気管３を接続して車両後方から大気中に放出するようになっているが、前記触媒コンバータ３０は排気管３の最も上流側に配置し、この触媒コンバータ３０から下流に向かって前記排気熱交換器４０とマフラー４が順に配置される。
【００１５】
排気管３には、触媒コンバータ３０を通過した排気が排気熱交換器４０を迂回して通過する熱交換器バイパス経路５ａを設けるとともに、排気が排気熱交換器４０を通過する本経路５と前記熱交換器バイパス経路５ａとを選択して切り換える排気経路切換弁としての第１，第２，第３開閉弁６，７，８を設けてある。
【００１６】
第１開閉弁６は熱交換器バイパス経路５ａの入口部分に設けるとともに、第２開閉弁７は本経路５の入口部分に設け、かつ、第３開閉弁８は本経路５の出口部分に設けてあり、これら第１，第２，第３開閉弁６，７，８を開閉駆動する各アクチュエータ６ａ，７ａ，８ａは、前記エンジンコントローラ５０からの制御信号によって駆動するようになっている。
【００１７】
前記エンジン冷却系１０は、エンジン２のシリンダブロックおよびシリンダヘッド内に巡らせた冷却通路内の冷却水をラジエータ１１に通過させた後、サーモスタット１２を経由してウォータポンプ１３に流入させ、このウォータポンプ１３でエンジン２に圧送する循環経路を構成する。
【００１８】
また、エンジン２内の冷却水は、前記排気熱交換器４０および前記ヒータコア２１を通過させた後、前記サーモスタット１２および前記ウォータポンプ１３を経てエンジン２に戻る暖房用媒体循環経路１５を循環するようになっている。
【００１９】
この暖房用媒体循環経路１５は、伝熱媒体がエンジン２から流出した後、排気熱交換器４０からヒータコア２１を順に通過してエンジン２に戻るようになっている。
【００２０】
サーモスタット１２は、冷却水温を検知してエンジン冷却系１０と暖房用媒体循環経路１５を流通する冷却水量を制御し、冷却水が設定温度（例えば８０゜Ｃ）以下の場合には、エンジン冷却系１０を遮断して冷却水の全量を暖房用媒体循環経路１５に流通させるようになっている。
【００２１】
前記空調装置２０は空調風を発生させるファン２２を備え、このファン２２の下流側に冷房用の図外の冷凍サイクルを構成するエバポレータ２３と、暖房用の前記ヒータコア２１とを順に配置し、これらエバポレータ２３とヒータコア２１との間に、空調風をヒータコア２１に通す経路２４とこのヒータコア２１をバイパスする経路２４ａとを切り換えるエアミックスドア２５を配置することにより概略構成してある。
【００２２】
前記冷凍サイクルは、一般に知られるように冷媒を加圧する図外のコンプレッサと、高圧の冷媒を外気で冷却する図外のコンデンサと、このコンデンサで液化した冷媒を断熱膨張させる図外の膨張弁とを備え、この膨張弁の断熱膨張で低圧・低温となった冷媒を前記エバポレータ２３に通過させて空調風と熱交換することにより、この空調風を冷却・除湿するようになっている。
【００２３】
一方、前記ヒータコア２１には前記暖房用媒体循環経路１５を流通する加熱した冷却水を通過させて、この冷却水と経路２４を流れる空調風との間で熱交換して暖房風とし、車室内に吹き出すようになっている。
【００２４】
前記ファン２２のファンモータ２２ａの回転制御、および前記エアミックスドア２５のアクチュエータ２５ａによる開度制御、更には前記コンプレッサの駆動は、空調制御器２６から出力する制御信号によって制御するようになっており、この空調制御器２６は前記エンジンコントローラ５０と連絡して相互に情報を通信する。
【００２５】
このとき、図外の空調操作盤のマニュアルレバーまたはマニュアルボタンを乗員が操作した場合の車室内温度目標値は空調制御器２６に入力されるとともに、この空調制御器２６からエンジンコントローラ５０にも出力するようになっており、このエンジンコントローラ５０では、乗員が設定する車室内温度目標値と実際の車室内温度との温度差に基づいて暖房能力増加要請を判断するようになっている。
【００２６】
前記触媒コンバータ３０は、排気中の有害成分を低減するもので、これには酸化触媒方式や三元触媒方式が知られており、前者の酸化触媒方式では排気中のＣＯやＨＣを酸化させる方式であり、この場合排気中に余剰の酸素が含まれていることが必要となり、一方、後者の三元触媒方式では、理論空燃比またはその極近傍では、排気を触媒中に通してＮＯｘの還元とＣＯやＨＣの酸化を同時に行わせることができ、いずれの方法にあっても排気中の燃焼成分の燃焼（酸化）により触媒コンバータ３０の発熱を伴う。
【００２７】
触媒コンバータ３０の下流側には、前記本経路５とバイパス経路５ａとの分岐部分５ｂの上流に位置して排気温度センサー５１を設け、このセンサー５１の検出値をエンジンコントローラ５０に出力するようになっている。
【００２８】
前記排気熱交換器４０は、前記本経路５に設けてこの本経路５を通過する排気熱を効率良く取り込むとともに、冷却水の導入口４０ａと吐出口４０ｂを設けて暖房用媒体循環経路１５の冷却水を通過させることにより、この冷却水と排気熱との間で熱交換して冷却水を加熱した後、吐出口４０ｂから流出して空調装置２０のヒータコア２１に送給するようになっている。
【００２９】
暖房用媒体循環経路１５には、エンジン２と排気熱交換器４０との間、およびこの排気熱交換器４０とヒータコア２１との間にそれぞれ水温センサー５２，５３を設け、これら両センサー５２，５３の検出値Ｔ１，Ｔ２をエンジンコントローラ５０に出力するようになっている。
【００３０】
また、排気熱交換器４０を設けた前記本経路５と前記熱交換器バイパス経路５ａとの合流部分５ｃの下流側には、マフラー４の上流側に位置して排気流量センサー５４を設け、このセンサー５４の検出値をエンジンコントローラ５０に出力するようになっている。
【００３１】
前記エンジンコントローラ５０は、排気温度センサー５１、水温センサー５２，５３、排気流量センサー５４の各検出値および空調制御器２６からの車室内温度目標値以外に、車速、アクセル開度、エンジン作動可否（イグニッションスイッチ）、エンジン２を通過する冷却水温等の各信号が入力されるようになっており、これら各信号に基づいて暖房条件を判断し、この暖房条件が満たされない場合に触媒コンバータ３０で燃焼する排気中の燃焼成分を必要に応じて増加制御するようになっている。
【００３２】
エンジンコントローラ５０は、図２，図３に示すフローチャートに基づいて燃焼成分の増加制御を実行するようになっており、まず、ステップＳ１では前記暖房条件を判断するための各信号を入力する。
【００３３】
ステップＳ２では、車速がゼロかどうかを判断し、これによって車両が停止状態か走行状態かを判定して、走行状態にある場合はステップＳ３に進んで燃焼成分の増加制御は行わない一方、停止状態にある場合は燃焼成分の増加制御の要件を満たしてステップＳ４に進む。
【００３４】
ステップＳ３では、第１開閉弁６を開弁して第２，第３開閉弁７，８を閉弁することにより、エンジン２の排気を熱交換器バイパス経路５ａに通過させて本経路５を遮断し、排気が排気熱交換器４０を通過するのを防止する。
【００３５】
ステップＳ４では、アクセル開度がゼロかどうかを判断し、これによってエンジン２が無負荷状態か負荷状態かを判定し、アクセル開度がＯＮしてエンジン２が負荷状態にあるときは前記ステップＳ３に進んで燃焼成分の増加制御は行わない一方、アクセル開度がゼロの場合は燃焼成分の増加制御の要件を満たしてステップＳ５に進む。
【００３６】
ステップＳ５では、エンジン２が作動状態であるかどうかを判断し、エンジン２が停止状態あれば前記ステップＳ３に進んで燃焼成分の増加制御は行わない一方、エンジン２が作動状態にあるときは燃焼成分の増加制御の要件を満たしてステップＳ６に進む。
【００３７】
ステップＳ６では、エンジン冷却水が所定温度（例えば７５゜Ｃ）以上かどうかを判断し、所定温度に達していない場合はステップＳ７に進んで燃焼成分の増加制御を行うことになる一方、所定温度以上である場合はステップＳ９に進む。
【００３８】
即ち、ステップＳ７では、燃焼成分増加指令をエンジン２に出力した後、次のステップＳ８によって第１開閉弁６を閉弁して第２，第３開閉弁７，８を開弁することにより、エンジン２の排気を本経路５に通過させて排気を排気熱交換器４０に供給する。
【００３９】
ステップＳ９では、空調制御器２６から暖房能力増加要請信号が出力されているかどうかを判断し、この暖房能力増加要請があれば前記ステップＳ７に進んで燃料成分増加制御を行う一方、暖房能力増加要請が無い場合はステップＳ１０に進む。
【００４０】
ステップＳ１０では、排気熱交換器４０の上流側と下流側の冷却水の温度差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）を演算し、次のステップＳ１１でこの温度差ΔＴが所定温度（例えば１２゜Ｃ）以上であると判断した場合は前記ステップＳ７に進んで燃料成分増加制御を行う一方、所定温度に達しない場合は次のステップＳ１２に進む。
【００４１】
ステップＳ１２では、排気温度が所定温度（例えば２５０゜Ｃ）以上かどうかを判断して、所定温度に達しない場合は前記ステップＳ７に進んで燃料成分増加制御を行う一方、所定温度以上である場合は次のステップＳ１３に進む。
【００４２】
ステップＳ１３では、排気量が所定量（例えば２５０Ｌ／ｍｉｎ）以上かどうかを判断し、所定量以上である場合は前記ステップＳ３に進んで燃焼成分の増加制御は行わない一方、所定量に達しない場合は前記ステップＳ７に進んで燃料成分増加制御を行う。
【００４３】
前記燃焼成分の増加制御は、エンジン２の排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）を増加する制御によって行われる。
【００４４】
この未燃炭化水素の増加は、例えば、日本機械学会編「機械工学便覧」１９８７年版のＢ７−２７あるいはＢ７−３１頁に記載されるようにいくつかの方法が知られており、エンジン２を失火させるか、部分燃焼させるか、空気燃料混合率を大きく低下または大きく増大させるか、点火タイミングを通常走行時の設定値からずらせるか、若しくは燃焼気筒を停止させるか、のいずれかを行うことによって未燃炭化水素を増加させることができる。
【００４５】
以上の構成により第１実施形態の排気熱回収装置１は、暖房に要求される暖房条件が満たされない場合に、エンジンコントローラ５０によって触媒コンバータ３０で燃焼する排気中の燃焼成分、つまりこの実施形態では未燃炭化水素を増加制御するようにしたので、この未燃炭化水素が増加した排気が触媒コンバータ３０に導入されることにより、この触媒コンバータ３０での燃焼を促進することができる。
【００４６】
すると、触媒コンバータ３０内が更に加熱して、これを通過する排気熱量を増加して排気熱交換器４０を介して排気との間で熱交換する暖房用媒体循環経路１５内の冷却水の温度を効率良く高めることができる。
【００４７】
従って、暖房能力が不足し、また、エンジン２の負荷が小さくて排気熱を十分に利用できない場合にも、十分な排気熱によって冷却水を高温化できるため、空調装置２０のヒータコア２１を介して冷却水との間で熱交換する空調風を効率良く暖めて、所望の暖房風を作り出すことができる。
【００４８】
また、冷却水をより早く加熱することができるので、暖房用媒体循環経路１５から冷却水がエンジン２に流入することにより、このエンジン２を迅速に暖機してエンジン潤滑油の油温を高めることができ、ひいては、この潤滑油の粘度を低下して、エンジン２の摩擦損失を低減できるようになるため、燃費を改善することができる。
【００４９】
ところで、この第１実施形態では前記主たる作用・効果に併せて、エンジンコントローラ５０による燃焼成分の増加制御は、エンジン２の排気中の未燃炭化水素を増加する制御を実行するようにしたので、この未燃炭化水素が触媒コンバータ３０内で確実に燃焼して発熱量を効率良く増大でき、ひいては、排気熱交換器４０を介して冷却水に授与する熱量を増大して、冷却水の加熱時間を短縮することができる。
【００５０】
また、エンジンコントローラ５０による燃焼成分の増加制御は、車両が停止状態でエンジン２が作動状態である場合、つまり、エンジン２のアイドリング状態で実行するようにしたので、触媒コンバータ３０の能力を越えて排気中の燃焼成分が大気中に放出されるのを防止することができる。
【００５１】
つまり、燃焼成分を増加させた場合に、触媒コンバータ３０での処理能力を越えて一部の燃焼成分が大気中に放出されることが懸念されるが、実際には触媒コンバータ３０はエンジン２の最大出力時に燃焼成分を反応燃焼させることができる程度の能力があり、エンジン２のアイドリング状態で燃焼成分の増加制御を実行することにより、触媒コンバータ３０の処理能力を越えることはなく、アイドリング状態で生成する燃焼成分量を十分に燃焼させて大気中に放出されるのを確実に防止することができる。
【００５２】
更に、暖房条件は、冷却水の温度、または、空調装置２０の暖房能力増加要請によって決定するようにしたので、冷却水の温度が低い場合はヒータコア２１による暖房能力が低いので、この時に排気中の燃焼成分の増加制御を実行することにより、冷却水を加熱して暖房性能を高めることができる。
【００５３】
また、暖房能力増加要請によって燃焼成分の増加制御を実行することにより、乗員の好みにあった暖房性能を得ることができる。
【００５４】
更に、暖房条件は、前記冷却水の温度や暖房能力増加要請に限ることなく、排気熱交換器４０での交換熱量によっても決定することができ、この排気熱交換器４０の交換熱量が小さい場合は暖房能力が低いので、この場合に燃焼成分の増加制御を実行することにより交換熱量を増大して暖房性能を高めることができる。
【００５５】
また、暖房条件を決定する冷却水の温度は、エンジン２から排気熱交換器４０に至る冷却水経路に設けた水温センサー５２、および、排気熱交換器４０からヒータコア２１に至る冷却水経路に設けた水温センサー５３で検出するようにしたので、これら水温センサー５２，５３の設置場所はラジエータ１１を通過しない暖房用媒体循環経路１５であるため、ヒータコア２１を通過する冷却水の温度をより正確に測定することができる。
【００５６】
この場合、冷却水の温度測定場所は、ヒータコア２１からエンジン２に至る冷却水経路１５、若しくは、エンジン２内の冷却水通路、排気熱交換器４０内の冷却水通路またはヒータコア２１内の冷却水通路のいずれかの部位で測定することもできる。
【００５７】
更に、暖房条件を決定する空調装置２０の暖房能力増加要請は、乗員が設定する車室内温度目標値と実際の車室内温度との温度差、つまり室温偏差に基づいて判断するようにしたので、空調装置２０による暖房能力の不足程度を精度良く検出して、乗員の好みに応じた所望の暖房風を得ることができる。
【００５８】
また、暖房能力増加要請は車室内温度目標値に対する車室内温度の温度差に限ることなく、車室外温度に対する温度差、若しくは、空調風の目標吹出温度に基づく吹出温偏差によって判断することによっても同様の作用・効果を得ることができる。
【００５９】
尚、赤外線センサーにより乗員表面温度や車室内部品の表面温度を検出し、所定の目標値と比較して判定する方式や外気温と目標室温の偏差等で暖房能力増加要請を判断する方式を選択することも可能である。
【００６０】
更に、暖房条件を決定する排気熱交換器４０での交換熱量は、水温センサー５２，５３によって排気熱交換器４０を通過する冷却水の入口温度と出口温度との温度差に基づいて判断するようにしたので、排気熱交換器４０の交換熱量を精度良く測定できるので、燃焼成分の増加制御を的確に実行することができる。
【００６１】
この場合、前記排気熱交換器４０での交換熱量は、排気熱交換器４０を通過する排気の入口温度と出口温度との温度差、または、排気熱交換器４０を通過する排気の入口側と出口側の体積流量差、若しくは、エンジン２の排気量や排気温度、若しくは、エンジン２が使用する燃料量や空気量に基づいて判断することによっても同様の作用・効果を奏する。
【００６２】
即ち、前記排気熱交換器４０で熱を授受する冷却水と排気のそれぞれの入口・出口の温度差を検出し、この温度差が所定値以下であれば、上述の交換熱量が所定値以下であると判定する。例えば、エンジン２の冷却水の排気熱交換器４０における入口と出口の温度差（通常、出口温度が高い）が５゜Ｃ以内であれば、交換熱量が少ないと判定する。
【００６３】
また、例えば、排気の前記排気熱交換器４０における入口と出口の温度差（通常、入口温度の方が高い）が５０゜Ｃ以内であれば、交換熱量が少ないと判定する。
【００６４】
ここで、排気熱交換器４０による交換熱量は、厳密には作動流体の比熱や質量流量を勘案して算出すべきであり、この第１実施形態では主として車両が始動時や信号待ちのようなアイドリング状態のような場合であり、そして、車両が走行開始すると、エンジン２の負荷が大きくなり、排気熱量もそれに伴って増加するため、排気熱回収装置１を補助熱源として使用する頻度が低くなる。
【００６５】
これらを考慮すると、作動流体の比熱は、冷却水と排気なので略確定することができ、更にそれぞれの質量流量も特定できるので、上述の温度差が検出できれば熱交換量の推定が可能となるのである。
【００６６】
また、エンジン２の排気量で交換熱量を判断する場合は、この排気量が所定値以下であれば交換熱量が所定値以下であると判定することができ、この所定値としては、例えば、２５０Ｌ／ｍｉｎを判定値として使用することができる。
【００６７】
更に、排気温度で交換熱量を判断する場合は、この排気温度が所定値、例えば２５０゜Ｃよりも低ければ交換熱量が所定値以下であると判定できる。
【００６８】
更にまた、排気熱交換器４０を通過する排気の入口側と出口側の体積流量差で交換熱量を判断する場合は、その体積流量差が所定値、例えば４０Ｌ／ｍｉｎよりも小さければ、交換熱量が所定値以下であると判定できる。
【００６９】
これは、排気熱交換器４０により排気が冷却されて体積流量が減少するため、この排気熱交換器４０の入口側と出口側の排気流量差が大きい場合は、熱交換量が多くなる。
【００７０】
また、触媒コンバータ３０を通過した排気が排気熱交換器４０を迂回して通過する熱交換器バイパス経路５ａを設けるとともに、排気が排気熱交換器４０を通過する本経路５と前記熱交換器バイパス経路５ａとを選択して切り換える第１，第２，第３開閉弁６，７，８を設けたので、排気が排気熱交換器４０を通過するか、熱交換器バイパス経路５ａを通過するかの切り換えが可能となるため、冷却水の温度が高くて排気熱を受熱する必要がない場合は、排気を排気熱交換器４０に通過しないようにできる。
【００７１】
従って、夏季等の高温雰囲気で冷却水が高温化するのを防止できるため、排気が常時排気熱交換器４０を通過する場合に比較して、エンジン冷却系１０のラジエータ１１やエンジン冷却ファン等の冷却補機の大型化を防止して、コスト増を回避することができる。
【００７２】
尚、排気経路切換弁として３つの第１，第２，第３開閉弁６，７，８を設けたが、これに限ることなく本経路５と熱交換器バイパス経路５ａとの切り換えを可能とする弁構造であればよい。
【００７３】
更に、エンジン２の排気を、エンジン２の下流側に向かって触媒コンバータ３０および排気熱交換器４０そしてマフラー４を通過した後に大気に放出するようにしたので、触媒コンバータ３０で発生した排気の燃焼熱が外気で冷却される程度を低く抑制して、高熱を保持した状態で排気を排気熱交換器４０に通過させることが可能となり、ひいては冷却水への授熱量を増大することができる。
【００７４】
また、排気熱交換器４０で排気熱を冷却水に授熱することで排気の体積が減少するため、この排気熱交換器４０を通過した排気量が少なくなってマフラー４での消音効果を高めることができる。
【００７５】
更にまた、冷却水は、エンジン２から流出した後、排気熱交換器４０からヒータコア２１を順に通過してエンジン２に戻る暖房用媒体循環経路１５を構成したので、排気熱交換器４０によって排気から受熱した冷却水を直接ヒータコア２１に送給できるので、冷却水が排気熱交換器４０からヒータコア２１に至る間で外気等により冷却される程度を低く抑制して、暖房効果をより高めることができる。
【００７６】
図４は本発明の第２実施形態を示し、前記第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べる。
【００７７】
図４は排気熱回収装置を概略的に示す全体構成図であり、この第２実施形態のエンジンの排気熱回収装置１ａにあっては、図４に示すように暖房用媒体循環経路１５に、排気熱交換器４０を迂回してエンジン２から直接ヒータコア２１に送給する媒体バイパス経路１６を設けるとともに、冷却水が排気熱交換器４０を通過する経路１５と媒体バイパス経路１６とを選択して切り換える媒体切換弁としての第４，第５開閉弁１７，１８を設けている。
【００７８】
前記第４開閉弁１７は媒体バイパス経路１６に設けるとともに、前記第５開閉弁１８はエンジン２から排気熱交換器４０に至る暖房用媒体循環経路１５に設けてあり、これら第４，第５開閉弁１７，１８はエンジンコントローラ５０（図１参照）から出力される指令信号により開閉制御するようになっている。
【００７９】
そして、第４開閉弁１７を開弁して第５開閉弁１８を閉弁することにより、エンジン２から流出した冷却水は、媒体バイパス経路１６を通過して排気熱交換器４０を経由することなく直接ヒータコア２１に送給される。
【００８０】
一方、第４開閉弁１７を閉弁して第５開閉弁１８を開弁することにより、エンジン２から流出した冷却水は、媒体バイパス経路１６を通過することなく排気熱交換器４０に送給され、この排気熱交換器４０によって排気と冷却水との熱交換が可能となっている。
【００８１】
また、この第２実施形態では第２冷却水巡回経路１５の排気熱交換器４０の下流側、特にこの実施形態ではヒータコア２１の下流側に、冷却水と図外の自動変速機（手動変速機でもよい）の潤滑油との間で熱交換するオイルウォーマ６０を設けてある。
【００８２】
更に、オイルウォーマ６０を迂回して冷却水を流すウォーマバイパス経路６１ａを設けるとともに、冷却水がオイルウォーマ６０を通過する経路６１と前記ウォーマバイパス経路６１ａとを選択して切り換えるウォーマ切換弁としての第６，第７開閉弁６２，６３を設けている。
【００８３】
前記第６開閉弁６２はウォーマバイパス経路６１ａに設けるとともに、前記第７開閉弁６３はオイルウォーマ６０を通過する経路６１に設けてあり、これら第６，第７開閉弁６２，６３はエンジンコントローラ５０（図１参照）から出力される指令信号により開閉制御するようになっている。
【００８４】
そして、第６開閉弁６２を開弁して第７開閉弁６３を閉弁することにより、排気熱交換器４０を流出してヒータコア２１を経由した冷却水は、オイルウォーマ６０を経由することなくウォーマバイパス経路６１ａを通過してエンジン２に戻される。
【００８５】
一方、第６開閉弁６２を閉弁して第７開閉弁６３を開弁することにより、排気熱交換器４０を流出してヒータコア２１を経由した冷却水は、ウォーマバイパス経路６１ａを通過することなくオイルウォーマ６０を経由してエンジン２に戻される。
【００８６】
従って、この第２実施形態のエンジンの排気熱回収装置にあっては、第４，第５開閉弁１７，１８の開，閉弁により、冷却水が排気熱交換器４０を通過する経路１５と媒体バイパス経路１６とを選択して切り換えるようにしたので、冷却水が十分に暖まっている場合、および夏季等にあって暖房する必要のない場合には、エンジン２を流出した冷却水を媒体バイパス経路１６を通過させて排気熱交換器４０をバイパスすることにより、冷却水の循環経路を短縮して全体の管摩擦抵抗を減少し、ひいてはウォータポンプ１３の小型化を達成することができる。
【００８７】
尚、媒体切換弁として２つの第４，第５開閉弁１７，１８を設けたが、これに限ることなく排気熱交換器４０を通過する経路１５と媒体バイパス経路１６との切り換えを可能とする弁構造であればよい。
【００８８】
また、排気熱交換器４０の下流側に、冷却水と図外の変速機の潤滑油との間で熱交換するオイルウォーマ６０を設けたので、排気熱交換器４０を介して排気から受熱した冷却水をオイルウォーマ６０に送給することができるので、冬季等の寒冷時にあっても自動変速機等の変速機の潤滑油を迅速に暖めて円滑な作動が可能となって、変速ギアの摩擦損失を低減することができる。
【００８９】
更に、第６，第７開閉弁６２，６３の開，閉弁により、冷却水がオイルウォーマ６０を通過する経路６１と、オイルウォーマ６０を迂回して冷却水を流すウォーマバイパス経路６１ａとを選択して切り換えるようにしたので、排気熱交換器４０で加熱した冷却水をオイルウォーマ６０に送給するタイミングを任意に制御できるようになる。
【００９０】
このため、冷却水が所定温度に達するまではウォーマバイパス経路６１ａに流し、冷却水が所定温度に達した後は経路６１に流してオイルウォーマ６０に加熱した冷却水を送給することができる。
【００９１】
また、空調装置２０の暖房との兼ね合いで、寒冷時の暖房初期は排気熱交換器４０で加熱した冷却水をヒータコア２１に通過させて暖房を優先した後、更に冷却水の温度が上昇してヒータコア２１下流側の冷却水温度に余裕が生じた時点で、オイルウォーマ６０にも冷却水を通過させるようにすることもでき、暖房性能の改善と変速機の円滑な作動とを可能とする。
【００９２】
尚、ウォーマ切換弁として２つの第６，第７開閉弁６２，６３を設けたが、これに限ることなくオイルウォーマ６０を通過する経路６１とウォーマバイパス経路６１ａとの切り換えを可能とする弁構造であればよい。
【００９３】
ところで、本発明のエンジンの排気熱回収装置を第１，第２実施形態に例をとって説明したが、これら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採ることができ、例えば、エンジン２の冷却水を排気熱交換器４０およびヒータコア２１に通過させて暖房したが、この冷却水とは別にエンジン２を通過する他の伝熱媒体を用いた暖房用の経路を構成し、排気熱交換器４０で受熱したこの伝熱媒体をヒータコア２１、更にはオイルウォーマ６０に送給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における排気熱回収装置を概略的に示す全体構成図。
【図２】本発明の第１実施形態における排気熱回収の制御を実行するフローチャートの前半部分を示す説明図。
【図３】本発明の第１実施形態における排気熱回収の制御を実行するフローチャートの後半部分を示す説明図。
【図４】本発明の第２実施形態における排気熱回収装置を概略的に示す全体構成図。
【符号の説明】
１，１ａ 排気熱回収装置
２ エンジン
３ 排気管
４ マフラー
５ 排気熱交換器を通過する本経路
５ａ 熱交換器バイパス経路
６ 第１開閉弁（排気経路切換弁）
７ 第２開閉弁（排気経路切換弁）
８ 第３開閉弁（排気経路切換弁）
１０ エンジン冷却系
１５ 暖房用媒体循環経路
１６ 媒体バイパス経路
１７ 第４開閉弁（媒体切換弁）
１８ 第５開閉弁（媒体切換弁）
２０ 空調装置
２１ ヒータコア
３０ 触媒コンバータ
４０ 排気熱交換器
５０ エンジンコントローラ（エンジン制御手段）
５１ 排気温度センサー
５２，５３ 水温センサー
５４ 排気流量センサー
６０ オイルウォーマ
６１ オイルウォーマを通過する経路
６１ａ ウォーマバイパス経路
６２ 第６開閉弁（ウォーマ切換弁）
６３ 第７開閉弁（ウォーマ切換弁）

Claims (13)

  1. エンジンを通過した伝熱媒体と空調風との間で熱交換して暖房風とする暖房用熱交換器を有する空調装置と、
    エンジンの排気を通過させて排気中の燃焼成分を触媒反応により燃焼させる触媒コンバータと、
    触媒コンバータを通過した排気と前記伝熱媒体との間で熱交換する排気熱交換器と、
    暖房に要求される暖房条件が満たされない場合に、触媒コンバータで燃焼する排気中の燃焼成分を増加制御するエンジン制御手段と、
    を備えたことを特徴とするエンジンの排気熱回収装置。
  2. エンジン制御手段による燃焼成分の増加制御は、エンジンの排気中の未燃炭化水素を増加する制御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回収装置。
  3. エンジン制御手段による燃焼成分の増加制御は、車両が停止状態でエンジンが作動状態である場合に実行することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの排気熱回収装置。
  4. 暖房条件は、伝熱媒体の温度、または、空調装置の暖房能力増加要請、若しくは、排気熱交換器での交換熱量の少なくとも１つで決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの排気熱回収装置。
  5. 暖房条件を決定する伝熱媒体の温度は、エンジンから排気熱交換器に至る伝熱媒体経路、排気熱交換器から暖房用熱交換器に至る伝熱媒体経路または暖房用熱交換器からエンジンに至る伝熱媒体経路、若しくは、エンジン内の伝熱媒体通路、排気熱交換器内の伝熱媒体通路または暖房用熱交換器内の伝熱媒体通路のいずれかの部位で測定することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気熱回収装置。
  6. 暖房条件を決定する空調装置の暖房能力増加要請は、乗員が設定する車室内温度目標値と実際の車室内温度または車室外温度との温度差、若しくは、空調風の目標吹出温度に基づいて判断することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気熱回収装置。
  7. 暖房条件を決定する排気熱交換器での交換熱量は、この排気熱交換器を通過する伝熱媒体の入口温度と出口温度との温度差、または、排気熱交換器を通過する排気の入口温度と出口温度との温度差、若しくは、排気熱交換器を通過する排気の入口側と出口側の体積流量差、または、エンジンの排気量や排気温度、若しくは、エンジンが使用する燃料量や空気量に基づいて判断することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排気熱回収装置。
  8. 触媒コンバータを通過した排気が排気熱交換器を迂回して通過する熱交換器バイパス経路を設けるとともに、排気が排気熱交換器を通過する本経路と前記熱交換器バイパス経路とを選択して切り換える排気経路切換弁を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のエンジンの排気熱回収装置。
  9. エンジンの排気は、エンジンの下流側に向かって触媒コンバータおよび排気熱交換器そしてマフラーを順に通過した後に大気に放出することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のエンジンの排気熱回収装置。
  10. 伝熱媒体は、エンジンから流出した後、排気熱交換器から暖房用熱交換器を順に通過してエンジンに戻る循環経路を構成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のエンジンの排気熱回収装置。
  11. 伝熱媒体の循環経路は、排気熱交換器を迂回してエンジンから直接ヒータコアに送給する媒体バイパス経路を設けるとともに、伝熱媒体が排気熱交換器を通過する経路と媒体バイパス経路とを選択して切り換える媒体切換弁を設けたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のエンジンの排気熱回収装置。
  12. 排気熱交換器の下流側に、伝熱媒体と変速機の潤滑油との間で熱交換するオイルウォーマを設けたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のエンジンの排気熱回収装置。
  13. オイルウォーマを迂回して伝熱媒体を流すウォーマバイパス経路を設けるとともに、伝熱媒体がオイルウォーマを通過する経路と前記ウォーマバイパス経路とを選択して切り換えるウォーマ切換弁を設けたことを特徴とする請求項１２に記載のエンジンの排気熱回収装置。
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