JP2008157090A - 内燃機関の排気熱回収装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持することにより、排気ガスの熱を効率的に回収することができる内燃機関の排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気熱回収装置は、内燃機関1に設けられて冷却水を導く冷却水路12と、冷却水路12に冷却水を流通させるための電動ポンプ13とを有し、冷却水路12を流れる冷却水と内燃機関1から排出された排気ガスとの間で熱交換を行い、冷却水路12内の水圧を検出する水圧センサ23の検出結果に基づいて冷却水が核沸騰した状態で冷却水路12内を流通するように電動ポンプ13を制御する。
【選択図】図1
【解決手段】排気熱回収装置は、内燃機関1に設けられて冷却水を導く冷却水路12と、冷却水路12に冷却水を流通させるための電動ポンプ13とを有し、冷却水路12を流れる冷却水と内燃機関1から排出された排気ガスとの間で熱交換を行い、冷却水路12内の水圧を検出する水圧センサ23の検出結果に基づいて冷却水が核沸騰した状態で冷却水路12内を流通するように電動ポンプ13を制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関の冷却水路を流れる冷却水と内燃機関から排出された排気ガスとの間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置に関する。
電動ポンプによって内燃機関に冷却水を流通させる冷却システムにおいて、電動ポンプを間欠的に駆動させることで過冷却を抑えつつ局所的な沸騰を抑制するものが知られている(特許文献1)。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献2及び特許文献3が存在する。
このような冷却システムに対して、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う排気熱回収装置を組み込んだ場合には、排気熱回収装置が組み込まれていない場合と比べて冷却水の温度が上昇し易い。このため、冷却水の沸騰を防止するには排気熱回収装置が組み込まれていない場合よりも冷却水の流量を増加させることが必要となるが、冷却水の流量を増やすには電動ポンプの吐出流量を増やさねばならず、電動ポンプによる消費電力が増加する。
ところで、液体の沸騰の形態には、互いに状態が異なる核沸騰と膜沸騰とが存在することが広く知られている。核沸騰は発泡点を核として気抱が発生してゆく沸騰であり、その気泡が発生するとその発生に伴う撹乱効果により熱伝達率が気泡発生前よりも増大する。一方、膜沸騰は核沸騰の状態から温度が上昇して気泡の数が増し、その気泡が合体して局所的に伝熱面を覆う蒸気膜が形成される沸騰であり核沸騰よりも熱伝達率が低下する。
内燃機関の冷却システムで避けるべきは熱伝達率が落ち込んでオーバーヒートを誘引し、冷却水路の配管の故障等の不具合をもたらす膜沸騰であり、一方の核沸騰は熱伝達率が増加して冷却効率が向上するので避けるべきではない。
そこで、本発明は、冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持することにより、排気ガスの熱を効率的に回収することができる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。
本発明の内燃機関の排気熱回収装置は、内燃機関に設けられて冷却水を導く冷却水路と、前記冷却水路において冷却水を流通させるための電動ポンプとを有し、前記冷却水路を流れる冷却水と前記内燃機関から排出された排気ガスとの間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置であって、前記冷却水路内の水圧を検出する水圧検出手段と、冷却水が核沸騰した状態で前記冷却水路内を流通するように、前記水圧検出手段の検出結果に基づいて前記電動ポンプを制御する電動ポンプ制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する(請求項1)。
本発明の排気熱回収装置によれば、冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持されるので熱伝達率を高レベルに保つことができる。そのため、排気ガスの熱を効率的に回収することができるとともに、内燃機関の冷却効果が向上する。また、冷却水の温度を冷却水が核沸騰する状態よりも低い温度に維持する場合に比べて冷却水の流量を抑えることができるので、電動ポンプの消費電力を低減することができる。
本発明の排気熱回収装置の一態様において、前記電動ポンプ制御手段は、前記水圧検出手段の検出結果が冷却水が核沸騰する所定の水圧範囲の下限値よりも小さい場合に前記電動ポンプの吐出流量を低下させ、かつ前記水圧検出手段の検出結果が前記水圧範囲の上限値よりも大きい場合に前記電動ポンプの吐出流量を増加させるべく前記電動ポンプを制御してもよい(請求項2)。この態様においては、冷却水路内の水圧が所定の水圧範囲の下限値を下回った場合は電動ポンプの吐出流量が低下するため冷却水路を流れる冷却水の流量が低下して冷却水の温度が上昇する。他方、その水圧が所定の水圧範囲の上限値を超えた場合は電動ポンプの吐出流量が増加するため冷却水路を流れる冷却水の流量が増加して冷却水の温度が低下する。このように電動ポンプが制御されることにより、冷却水路内の水圧が所定の水圧範囲内に収まるようになるので、冷却水が核沸騰した状態を維持することができる。
この態様においては、前記電動ポンプ制御手段は、前記電動ポンプの吐出流量を増加させる際の流量増加量が前記電動ポンプの吐出流量を低下させる際の流量低下量よりも大きくなるように前記電動ポンプを制御してもよい(請求項3)。この場合は、冷却水を核沸騰の状態に維持しつつ、冷却水の温度を下げる方向へ電動ポンプが制御されるので、冷却水が核沸騰から膜沸騰へ遷移することを効果的に抑止できる。
本発明の排気熱回収装置の一態様において、前記水圧検出手段の検出結果に基づいて水圧変動の周波数を取得する周波数取得手段を更に備え、前記電動ポンプ制御手段は、周波数取得手段が取得した水圧変動の周波数に基づいて冷却水が核沸騰した状態か否かを判定し、その判定結果に基づいて前記電動ポンプを制御してもよい(請求項4)。冷却水が核沸騰する場合は冷却水の中に比較的小さな気泡が発生する状態であり、比較的大きな気泡が発生する状態の膜沸騰とこのような核沸騰とでは水圧の挙動が相違する。この態様によれば、水圧変動の周波数を取得することにより、その周波数の特徴から核沸騰した状態か否かを判定することができる。その判定結果に基づいて電動ポンプが制御されるので、核沸騰した状態を的確に維持することが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、冷却水路を流れる冷却水が核沸騰した状態に維持されるので熱伝達率を高レベルに保つことができる。そのため、排気ガスの熱を効率的に回収することができるとともに、内燃機関の冷却効果が向上する。
(第1の形態)
図1は本発明の排気熱回収装置が組み込まれた内燃機関の冷却システムの一形態を模式的に示している。内燃機関1は車両に走行用動力源として搭載される火花点火型の内燃機関である。冷却システム10は内燃機関1の冷却又は暖機を行うことにより内燃機関1を適温に保持する。冷却システム10は冷却水を導く冷却水路12と、冷却水路12に冷却水を流通させるための電動ポンプ13とを有している。電動ポンプ13は不図示のバッテリーを電源とし、内燃機関1の運転状態に拘わらず動作できるように構成されている。
図1は本発明の排気熱回収装置が組み込まれた内燃機関の冷却システムの一形態を模式的に示している。内燃機関1は車両に走行用動力源として搭載される火花点火型の内燃機関である。冷却システム10は内燃機関1の冷却又は暖機を行うことにより内燃機関1を適温に保持する。冷却システム10は冷却水を導く冷却水路12と、冷却水路12に冷却水を流通させるための電動ポンプ13とを有している。電動ポンプ13は不図示のバッテリーを電源とし、内燃機関1の運転状態に拘わらず動作できるように構成されている。
冷却水路12は内燃機関1及びラジエータ14が経路内に配置された環状の循環通路15を有しており、その循環通路15は電動ポンプ13から吐き出された冷却水をシリンダブロック2からシリンダヘッド3まで導いて内燃機関1の各部を冷却する内部通路15aと、シリンダヘッド3から排出された冷却水をラジエータ14の入口14aに導くリターン通路15bと、ラジエータ14の出口14bから排出された冷却水をサーモスタット16を介して電動ポンプ13に導くラジエータ出口通路15cと、リターン通路15bから分岐してラジエータ14を迂回するバイパス通路15dとを含んでいる。ラジエータ14の背面には電動ファン17が設けられて、その電動ファン17が適宜操作されることによりラジエータ14内を流れる冷却水の冷却が促進される。
サーモスタット16は冷却水温が設定温度以下である場合、ラジエータ出口水路15cから電動ポンプ13への冷却水の導通を遮断すると同時に、バイパス通路15dから電動ポンプ13への冷却水の導通を許可する。その一方で、サーモスタット16は冷却水温が設定温度を超えた場合、バイパス通路15dから電動ポンプ13への冷却水の導通を遮断すると同時にラジエータ出口通路14cから電動ポンプ13への冷却水の導通を許可する。このサーモスタット16により、循環通路15は冷却水がラジエータ14を迂回して循環する経路とラジエータ14を通過して循環する経路とが冷却水温に応じて切り替えられる。
冷却水路12は内部通路15aの出口側から冷却水を取り出して内燃機関1から排出された排気ガスと熱交換させ、その冷却水をラジエータ出口通路15cに戻す暖機用通路18を更に有している。暖機用通路18には冷却水から暖房の熱源を取り出すためのヒータコア19及び内燃機関1から排出された排気ガスと冷却水との熱交換を行うための排気熱回収器20がそれぞれ設けられている。排気熱回収器20は内燃機関1の排気管4を取り囲むように設けられて、冷却水と排気ガスとの間で熱交換できるように構成されている。排気熱回収器20には排気ガスの流れを変化させる調整弁21が設けられている。この調整弁21を適宜操作することにより、排気ガスと冷却水との熱交換具合が調整され、排気ガスから回収する熱量を調整することができる。
シリンダヘッド3には冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ22及び内部通路15a(冷却水路12)内の水圧に応じた信号を出力する水圧検出手段としての水圧センサ23がそれぞれ設けられている。これらのセンサ22、23の出力信号は内燃機関1の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット(ECU)24に入力される。ECU24にはこれらの出力信号の他に各種センサからの信号が入力されるが説明を省略する。ECU24は内燃機関1の運転状態の制御の他に、所定の制御ロジックに従って冷却システム10の電動ポンプ13、電動ファン17及び調整弁21のそれぞれの動作を制御する。以下、本発明に関連してECU24が行う電動ポンプ13の制御について説明し、他の制御については説明を省略する。
図2は電動ポンプ13の制御の基本的な考え方を説明する説明図であり、内燃機関1の出力一定時における電動ポンプ13の吐出流量Qの変化に対する水圧Pw、水温(通路壁温)Tw、熱伝達率α及び電動ポンプ13の消費電力Wの変化をそれぞれ示している。この図から明らかなように、冷却水が核沸騰する状態は膜沸騰の状態や沸騰無しの状態よりも熱伝達率αが高い。そのため、本実施形態は電動ポンプ13の吐出流量Qの制御範囲が冷却水が核沸騰する範囲に設定される。具体的には、ECU24は水圧Pwが核沸騰する水圧範囲Dに収まるように電動ポンプ13の吐出流量Qを制御している。電動ポンプ13の吐出流量Qが増えるほど冷却水路12内を流れる冷却水の流量が増加するため冷却水の温度を下げることができる。しかし、その反面、吐出流量Qが増えるほど消費電力Wが増える。本実施形態は、電動ポンプ13の吐出流量Qを冷却水が核沸騰する範囲で制御するため、核沸騰及び膜沸騰のいずれをも回避して沸騰無しの状態に維持する場合と比べて消費電力Wを抑えることが可能となる。
図3はこうした制御を実現するためにECU24が行う制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。このルーチンのプログラムはECU24に予め記憶されており、適宜読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。まず、ステップS1において、ECU24は水圧センサ23からの信号に基づいて水圧Pwを読み込む。次に、ステップS2において、電動ポンプ13の吐出流量Qを取得する。吐出流量Qは電動ポンプ13に設けた流量計(不図示)等の検出手段を利用して直接的に取得してもよいし、電動ポンプ13の回転速度等の吐出流量Qと相関する物理量を検出し、その物理量から吐出流量Qを計算によって導き出してもよい。
次に、ステップS3においては、水圧Pwが冷却水が核沸騰する所定の水圧範囲Dの下限値P1(図2参照)よりも小さいか否かを判定し、下限値P1よりも小さい場合はステップS4に進み、そうでない場合はステップS5に進む。水圧範囲Dは予め実験的に設定してECU24に保持されている。ステップS4では、冷却水温を上昇させるべく吐出流量が流量低下量Δrだけ低下するように電動ポンプ13を制御して今回のルーチンの終える。即ち、ステップS4では吐出流量がQ−Δrとなるように電動ポンプ13が制御される。
ステップS5では、水圧pが水圧範囲Dの上限値P2よりも大きいか否かを判定し、上限値P2よりも大きい場合はステップS6に進み、そうでない場合は吐出流量Qが維持されるように今回のルーチンを終了する。ステップS6では、冷却水温を低下させるべく吐出流量が流量増加量Δiだけ増加するように電動ポンプ13を制御して今回のルーチンを終了する。つまりステップS6では吐出流量がQ+Δiとなるように電動ポンプ13が制御される。
図3の制御ルーチンによれば、水圧Pwが核沸騰する水圧範囲Dに収まるように電動ポンプ13の吐出流量Qが制御されるので、冷却水が核沸騰した状態を維持することができる。これにより、排気ガスの熱を効率的に回収することができるとともに、内燃機関の冷却効果が向上する。
(第2の形態)
次に本発明の第2の形態を図4を参照しながら説明する。この形態は、電動ポンプ13の制御内容のみ相違し、その他は第1の形態と同一である。そのため、以下では、第1の形態と共通する構成について繰り返しとなる説明を省略する。図4は第2の形態に係る電動ポンプ13の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図4において、図3と同一処理には同一符号を付して説明を省略する。
次に本発明の第2の形態を図4を参照しながら説明する。この形態は、電動ポンプ13の制御内容のみ相違し、その他は第1の形態と同一である。そのため、以下では、第1の形態と共通する構成について繰り返しとなる説明を省略する。図4は第2の形態に係る電動ポンプ13の制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図4において、図3と同一処理には同一符号を付して説明を省略する。
図4に示すように、ステップS1及びステップS2で水圧Pwと吐出流量Qをそれぞれ取得した後、続くステップS21では、所定時間内の水圧変動を水圧センサ23の出力信号に基づいて検出し、その水圧変動の周波数fを取得する。これにより、ECU24は本発明に係る周波数取得手段として機能する。冷却水が核沸騰する場合は冷却水の中に比較的小さな気泡が発生する状態であり、比較的大きな気泡が発生する状態の膜沸騰とこのような核沸騰とでは水圧の挙動が相違する。つまり、水圧変動の周波数fは核沸騰の状態、膜沸騰の状態及び沸騰無しの状態のそれぞれで特徴付けられる。そこで、次のステップS22において、水圧Pwと水圧変動の周波数fとに基づいて冷却水の状態を核沸騰の状態、膜沸騰の状態又は沸騰無しの状態のいずれであるかを判定する。この判定は、例えば、図5に示すように、水圧Pwと周波数fとを変数として、冷却水の状態を与えるマップを予め実験的に作成してECU24に保持しておき、このマップに基づいて実現することができる。
続くステップS23では、ステップS22の判定結果が沸騰無しの状態であるかを判定し、沸騰無しの場合は冷却水温を上昇させるべくステップS4に進み、そうでない場合はステップS24に進んで膜沸騰の状態であるか否かを判定する。膜沸騰の状態である場合は冷却水温を低下させるべくステップS6に進み、そうでない場合は核沸騰の状態なので、吐出流量Qが維持されるように今回のルーチンを終了する。図4の制御ルーチンによっても、冷却水が核沸騰する状態に維持することができるため、第1の形態と同等の効果を得ることができる。
以上の各形態において、図3又は図4の制御ルーチンを実行することにより、ECU24は本発明に係る電動ポンプ制御手段として機能する。但し、本発明は上記の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上述した電動ポンプ13の吐出流量を増加させる際の流量増加量Δiと吐出流量を低下させる際の流量低下量Δrとは適宜に定めてよく、これらを一定値としてもよいし、内燃機関1の運転状態に応じて変化させてもよい。また、流量増加量Δiと流量低下量Δrとが等しくてもよいし、流量増加量Δiが流量低下量Δrよりも大きくてもよい。後者の場合には、冷却水を核沸騰の状態に維持しつつ、冷却水の温度を下げる方向へ電動ポンプ13が制御されるので、冷却水が核沸騰から膜沸騰へ遷移することを効果的に抑止できる。
また、上記の各形態では、水圧又はその変動の周波数に基づいて冷却水の状態を判定しているが、これらとは異なる物理量をその判定の際に考慮してもよい。水圧が沸騰以外の要因で変化する場合も考えられるため、水圧センサ23の出力信号のみによる判定では誤判定が生じる可能性がある。そこで、例えば冷却水温を水温センサ22の出力信号に基づいて取得し、水圧による冷却水の状態判定の際に冷却水温の値を補完的に利用することにより、その判定精度を向上させることもできる。
1 内燃機関
12 冷却水路
13 電動ポンプ
23 水圧センサ(水圧検出手段)
24 ECU(電動ポンプ制御手段、)
12 冷却水路
13 電動ポンプ
23 水圧センサ(水圧検出手段)
24 ECU(電動ポンプ制御手段、)
Claims (4)
- 内燃機関に設けられて冷却水を導く冷却水路と、前記冷却水路に冷却水を流通させるための電動ポンプとを有し、前記冷却水路を流れる冷却水と前記内燃機関から排出された排気ガスとの間で熱交換を行う排気熱回収装置であって、
前記冷却水路内の水圧を検出する水圧検出手段と、前記水圧検出手段の検出結果に基づいて、冷却水が核沸騰した状態で前記冷却水路内を流通するように前記電動ポンプを制御する電動ポンプ制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。 - 前記電動ポンプ制御手段は、前記水圧検出手段の検出結果が冷却水が核沸騰する所定の水圧範囲の下限値よりも小さい場合に前記電動ポンプの吐出流量を低下させ、かつ前記水圧検出手段の検出結果が前記水圧範囲の上限値よりも大きい場合に前記電動ポンプの吐出流量を増加させるべく前記電動ポンプを制御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。
- 前記電動ポンプ制御手段は、前記電動ポンプの吐出流量を増加させる際の流量増加量が前記電動ポンプの吐出流量を低下させる際の流量低下量よりも大きくなるように前記電動ポンプを制御す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。
- 前記水圧検出手段の検出結果に基づいて水圧変動の周波数を取得する周波数取得手段を更に備え、
前記電動ポンプ制御手段は、周波数取得手段が取得した水圧変動の周波数に基づいて冷却水が核沸騰した状態か否かを判定し、その判定結果に基づいて前記電動ポンプを制御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。
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2006
- 2006-12-22 JP JP2006345887A patent/JP2008157090A/ja active Pending
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