JP5304450B2

JP5304450B2 - 内燃機関の暖機装置

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Publication number: JP5304450B2
Application number: JP2009133830A
Authority: JP
Inventors: 元哉坂部; 昌夫戸井; 秀之幸光
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: JP2010281236A

Description

本発明は、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置で内燃機関の排気熱を回収して内燃機関の冷却水を昇温させるための暖機装置に関する。

従来から、自動車等の車両に搭載される内燃機関の排気ガスの熱を、ヒートパイプでもって回収し、内燃機関の暖機運転を促進させるためや、触媒の活性化を促進させるため等に利用することが知られている（特許文献１，２参照。）。

特許文献１に係る従来例は、内燃機関１０の排気管１１において触媒コンバータ１２より下流側に排気管部１３０を設け、この排気管部１３０に水タンク１４０を積層し、排気管部１３０と水タンク１４０とに跨ってヒートパイプ１１０を設け、水タンク１４０に内燃機関１０の冷却水流路３０を接続した構成である。

この従来例では、その要約書に示されているように、冷却水流路３０において水タンク１４０への冷却水流入側にバルブ３１を設け、排気熱を冷却水に輸送したい場合に、バルブ３１を閉じることで水タンク１４０への冷却水の流入を停止させるようにしている。

特許文献２に係る従来例は、内燃機関１０の排気熱によって内部の流体を蒸発させる蒸発部１１０と、この蒸発した流体を内燃機関１０の冷却水によって冷却する凝縮部１３０と、蒸発部１１０と凝縮部１３０とを連通する連通部１６１とを備えるループ式ヒートパイプ１０１を有している。

この従来例では、その明細書の段落００８７，００９０に示されているように、凝縮部１３０の下流側に弁機構１５０を設け、ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉが閉弁圧を超えると、弁機構１５０の弁体１５５が閉弁して凝縮水を蒸発部１１０に還流させないようにして、排気熱の回収を停止させるようにしている。

この特許文献１，２に係る従来例の排熱回収装置は、いずれも、蒸発部と凝縮部とを隣り合わせに一体化した構成になっている。

特開２００７−４６４６９号公報特開２００８−５１４７９号公報

上記特許文献１，２に係る従来例では、蒸発部と凝縮部とを隣り合わせに一体化した構成であるために、内燃機関の排気通路近傍に設置される凝縮部の存在位置まで、内燃機関の冷却水取り出し流路を引き延ばす必要がある。

つまり、排気熱を回収するという観点からは、排気通路において触媒より下流側がもっとも高温であるので、この位置に、前記の蒸発部を設置するのが好ましいが、その場合、前記のように蒸発部と凝縮部とが隣り合わせに配置される関係より、この凝縮部に付設される前記冷却水取り出し流路を長く引き延ばす必要がある。このようなことから、前記冷却水取り出し流路や還流流路などの配管の取り回しが煩雑になるとともに、冷却水の使用量を多くする必要が生じる等といった不具合が懸念される。

さらに、上記特許文献１に係る従来例では、蒸発部と凝縮部との間の作動媒体の循環量を制御するという技術思想がなく、当然ながら前記循環量を制御するためのバルブも設けられていない。

さらに、上記特許文献２に係る従来例では、排気ガスの熱によって冷却水を過剰に加熱することを回避するために、弁機構１５０を閉弁することにより凝縮部から蒸発部への凝縮水の還流を阻止するようになっているものの、内燃機関の冷却水は常に凝縮部内を流通するようになっている。そのために、排熱回収装置内に熱を蓄える状態にすることは不可能であり、また、そのようにするという技術思想も存在しない。

ところで、特開２００８−３８８２７号公報（参考例１）には、排気ガスと冷却水との間で直接、熱交換を行わせる装置において、内燃機関から取り出した冷却水を回収器４に流通させる経路と、内燃機関から取り出した冷却水を回収器４に流通させないようにする経路とを選択的に確保することが可能になっている。この経路の切り換えは、冷却水の取り出し通路に回収器４をバイパスするバイパス配管１７を設け、このバイパス配管１７に流路切り換え用のバルブＶ１を設けるようになっている。

また、特開２００８−２３１９４２号公報（参考例２）には、排気ガスと冷却水との間で直接、熱交換を行わせる装置において、排気熱回収器１５０からエンジン１００への冷却水の還流路に流量制御機構３００を設け、前記還流路の冷却水が低温時に流量制御機構３００による冷却水流量を非制限として、排気熱回収を実行する状態にする一方で、前記還流路の冷却水が上昇すると、冷却水流量を制限して排気熱回収を非実行にすることが開示されている。

しかしながら、この参考例１，２は、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置ではないので、本発明と前提構成が異なる。しかも、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置において、蒸発部（受熱部）と凝縮部（放熱部）との間の流体の循環量を制御するといった技術思想やそれを実現するための構成もない。そのため、当然ながら、排熱回収装置の流体循環量と、内燃機関の冷却水の循環量とを関連付けて制御するといった技術思想は見られない。

このような事情に鑑み、本発明は、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置で内燃機関の排気熱を回収して内燃機関の冷却水を昇温させるための暖機装置において、必要に応じて内燃機関の冷却水を排気熱で加熱可能にしたうえで、冷却水を排気熱で再加熱する必要が生じたときに素早く対応可能とすることを目的としている。

本発明に係る内燃機関の暖機装置は、内燃機関の冷却水を外部へ一旦取り出して戻す外部流路と、内燃機関の排気熱を回収して前記外部流路の熱交換領域で冷却水に伝達するための排熱回収装置とを備える。前記外部流路には、その熱交換領域をバイパスするためのバイパス路と、当該バイパス路への冷却水流入量を制御するためのバイパス制御弁とが設けられる。前記排熱回収装置は、内燃機関の排気通路に設けられかつ内部の流体を排気熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部と離隔した前記外部流路の熱交換領域に付設されかつ前記受熱部で蒸発された流体を受け入れて当該流体と前記熱交換領域を流通する冷却水との間で熱交換させるための放熱部と、前記受熱部で蒸発される気相状の流体を前記放熱部へ移送するための移送経路と、前記放熱部での熱交換に伴い凝縮される液相状の流体を前記受熱部へ戻すための還流経路とを含むループ式ヒートパイプ構造とされ、前記還流経路に前記放熱部から前記受熱部に流体を戻す量を制御するための循環制御弁が設けられている。前記バイパス制御弁は、前記外部流路に対する前記バイパス路の上流側接続部分に設けられ、かつ冷却水を前記外部流路の熱交換領域のみに流通させる熱交換経路と、前記バイパス路のみに流通させるバイパス経路とを選択的に確保するための三方弁とされている。

なお、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置とは、受熱部と放熱部との間で流体を相転移させながら循環させることによって、排気熱の回収と放熱とを繰り返すようなものである。

そして、循環制御弁とバイパス制御弁との各開度を連係して制御すれば、例えば前記排熱回収装置で前記外部流路内の冷却水を積極的に加熱するための処理と、前記外部流路内の冷却水を非加熱としながら排熱回収装置内に熱を蓄えるための処理と、前記排熱回収装置内の蓄熱を休止するための処理と、排熱回収装置の流体循環経路における内圧の過上昇による排熱回収装置の構成要素の万一の破損を防止するための処理とのうち、いずれかを必要に応じて実行することが可能になる。

まず、例えば内燃機関を冷間始動した状態で排気熱を利用して内燃機関の暖機運転を促進する場合には、バイパス制御弁で冷却水をバイパス路に流さずに熱交換領域のみに流通させる経路（熱交換経路）を確保して、循環制御弁を開放する。

これにより、受熱部内の液相状流体が排気熱で蒸発されて放熱部に移送され、放熱部内の気相状流体の熱が、内燃機関から取り出されて外部流路の熱交換領域を流通する冷却水に伝達されるようになるので、冷却水の昇温が促進される。

また、例えば内燃機関の冷却水が必要温度に昇温して暖機運転が終了した場合には、バイパス制御弁で冷却水をバイパス路のみに流して熱交換領域に流通させない経路（バイパス経路）を確保して、循環制御弁を開放する。

これにより、受熱部で排気熱を回収して流体の循環が継続されるものの、放熱部の熱が内燃機関の冷却水に伝達されなくなるので、内燃機関の冷却水を必要以上に加熱することが避けられるようになって、排熱回収装置内の流体循環経路内に熱を蓄えることが可能になる。そのため、後で排熱回収装置により冷却水を再加熱する場合に前記流体循環経路内に蓄えた熱を直ぐに使えるようになる等、応答性が良好となる。

さらに、内燃機関の温間運転中において排熱回収装置の蓄熱が十分になった場合には、バイパス制御弁で冷却水をバイパス路のみに流して熱交換領域に流通させない経路（バイパス経路）を確保して、循環制御弁を閉塞する。

これにより、放熱部で凝縮した液相状の流体が受熱部に戻されなくなるので、受熱部が空焚き状態になって放熱部に蒸気を送れなくなる。この状態が、排気熱の回収を停止した状態となる。そのため、外部流路の熱交換経路に残留している冷却水に、放熱部内に残留する熱が伝達されるものの、所定時間の経過に伴い残留熱が無くなるので、熱交換経路に残留している冷却水が沸騰せずに済むようになる。

この他、内燃機関の温間運転中において排熱回収装置の蓄熱が過剰になった場合には、例えばバイパス制御弁で冷却水をバイパス路に流さずに熱交換領域のみに流通させる経路（熱交換経路）を確保して、循環制御弁を閉塞する。

これにより、外部流路の熱交換領域内に冷却水が残留せずに流通するようになる。その一方で、排熱回収装置の放熱部で凝縮した液相状の流体が受熱部に戻されなくなるので、受熱部が空焚き状態になって放熱部に蒸気を送れなくなる。そのため、外部流路の熱交換経路を流れる冷却水が、所定期間にわたって放熱部内に残留する熱を奪うことになるので、放熱部が冷却されることになる。これに伴い排熱回収装置の内圧が低下することになって、排熱回収装置の構成要素が熱破損せずに済むようになる。しかも、外部流路の熱交換領域を流れる冷却水は放熱部内の残留熱を奪うだけで、この残留熱が無くなった後では冷却水が加熱されないので、内燃機関に付設されるラジエータの負荷が必要以上に増大することも避けられるようになる。

好ましくは、前記放熱部は、前記排気通路に設けられる触媒に、熱伝導性に優れた支持部材を介して支持される。

この構成では、放熱部と触媒とが支持部材を介して互いに熱伝導されるようになる。これにより、例えば放熱部が触媒よりも高温である場合には、放熱部の熱を触媒に伝達することが可能になって触媒が昇温されることになる。一方、触媒が放熱部よりも高温である場合には、触媒の熱を放熱部に伝達することが可能になって触媒が冷却されることになる他、放熱部に熱を蓄える状態のときには放熱部内の気相状の流体が凝縮されなくなる。

好ましくは、前記内燃機関を冷間始動した場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路に流さずに前記熱交換領域のみに流通させる熱交換経路を確保するとともに、前記循環制御弁を開放する処理が行われる。

好ましくは、前記内燃機関の暖機運転が終了した場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路のみに流して熱交換経路に流通させないバイパス経路を確保するとともに、前記循環制御弁を開放する処理が行われる。

好ましくは、前記内燃機関の温間運転中において排熱回収装置の蓄熱が目標に到達した場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路のみに流して熱交換経路に流通させないバイパス経路を確保するとともに、前記循環制御弁を閉塞する処理が行われる。

好ましくは、前記内燃機関の温間運転中において排熱回収装置の蓄熱が過剰になった場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路に流さずに前記熱交換領域のみに流通させる熱交換経路を確保するとともに、前記循環制御弁を閉塞する処理が行われる。

好ましくは、前記バイパス制御弁および循環制御弁は、それぞれ、弁体の駆動源としてアクチュエータを有するアクチュエータ駆動式とされ、予め設定される条件に従い前記アクチュエータを制御するための制御装置をさらに備える。

この構成によれば、制御装置は、例えば内燃機関の冷却水を排熱回収装置で加熱する必要がある場合、排熱回収装置に熱を蓄わえさせる場合、ならびに排熱回収装置の蓄熱が過剰になった場合等、必要に応じて、前記バイパス制御弁や前記循環制御弁を適宜に動作させることによって対応できるようになる。

本発明は、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置で内燃機関の排気熱を回収して内燃機関の冷却水を昇温させるための暖機装置において、必要に応じて内燃機関の冷却水を排気熱で加熱可能にしたうえで、冷却水を排気熱で再加熱する必要が生じたときに素早く対応することが可能になる。

本発明に係る内燃機関の暖機装置の一実施形態を示す概略構成図である。図１中の排熱回収装置の具体構成を示す断面図である。図１の暖機装置の動作説明に用いるフローチャートである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図３に本発明の一実施形態を示している。図１を参照して、車両に搭載される内燃機関の暖機装置の概略構成を説明する。図中、１は水冷式の内燃機関である。

この内燃機関１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合してなる混合気を内燃機関１の燃焼室に供給して燃焼させた後、燃焼室内の排気ガスを排気系から大気放出させるようになっている。

排気系は、内燃機関１に取り付けられるエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して接続される排気管４とを少なくとも有する構成である。エキゾーストマニホールド２と排気管４とが、排気通路を構成している。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、内燃機関１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。

排気管４には、２つの触媒５，６が直列に設置されており、この２つの触媒５，６により排気ガスが浄化される。

これらの触媒５，６のうち、排気管４において排気ガスの流れ方向の上流側に設置される触媒５は、いわゆるスタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるもので、上流側触媒と言うことにし、一方、排気管４において排気ガスの流れ方向の下流側に設置される触媒６は、いわゆるメインキャタリスト（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるもので、下流側触媒と言うことにする。

これらの触媒５，６は、共に、例えば三元触媒と呼ばれるものとすることができる。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させる、浄化作用を発揮するものである。

内燃機関１には、その内部に封入されるロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷媒（以下、単に冷却水と言う）が冷却水取り出し路８から一旦取り出されてラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水還流路９を経て内燃機関１に戻される。ラジエータ７は、ウォータポンプ１０によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却するものである。

そして、サーモスタット１１によってラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス路１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。例えば暖機時においてはバイパス路１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進され、ラジエータ７による冷却水の過冷却が防止される。

このような構成の内燃機関１の排気系には、排熱回収装置２０が付設されている。

この排熱回収装置２０は、内燃機関１から排出される排気ガスの熱を回収して例えば内燃機関１の冷却水の昇温促進に利用する形態としたもので、主として、受熱部２１、放熱部２２、移送路２３、還流路２４を含んだループ式ヒートパイプ構造になっている。

なお、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置２０とは、受熱部２１と放熱部２２との間で流体を相転移させながら循環させることによって、排気熱の回収と放熱とを繰り返すようなもののことである。

図示例の排熱回収装置２０は、受熱部２１と放熱部２２とを離隔して配置したセパレートタイプとされている。

この排熱回収装置２０の内部は、真空状態とされていて、そこに適量の流体が封入されている。流体は、例えば純水等とされる。水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、排気熱回収装置１内を減圧（例えば０．０１気圧）しているため、沸点は、例えば５〜１０℃となる。なお、流体は、純水の他に、例えばアルコール、フロロカーボン、フロン等とすることが可能である。また、排熱回収装置２０の主要構成要素は、例えば高耐食性を備えるステンレス材で形成されている。

受熱部２１は、排気管４において下流側触媒６より下流側に設置されており、内部に密封される液相状の流体が排気熱を受けて蒸発することにより気化熱として熱を取り込むように構成されている。

具体的に、受熱部２１は、排気管４に対してその排気ガス通過方向と直交する方向に設置されるものであって、例えば図２に示すように、上部タンク２１ａと下部タンク２１ｂとを複数の流体通路２１ｃ・・・で連通させて、隣り合う各流体通路２１ｃの対向間の排気通路２１ｄに、例えばコルゲートタイプのフィン２１ｅ・・・を設けた構成になっている。

なお、上部タンク２１ａは、主に蒸発された気相状の流体が集められるので、高温側タンクとなる。下部タンク２１ｂは、主に凝縮された液相状の流体が集められるので、低温側タンクとなる。

放熱部２２は、内燃機関１寄りに付設されており、受熱部２１で蒸気とされた流体を受け取って、この流体の熱を加熱対象（例えば内燃機関１の冷却水）に伝達させるものであり、流体は熱伝達後に凝縮されて受熱部２１に戻される。

具体的に、放熱部２２は、内部が密閉されたケース２２ａに移送路２３の下流端および還流路２４の上流端がそれぞれ接続された構成になっており、このケース２２ａの内部空間には、外部流路１３の一部領域が挿入されている。

この外部流路１３は、内燃機関１の冷却水を一旦取り出してから戻すためのものであり、冷却水取り出し路８の上流側と、冷却水還流路９においてウォータポンプ１０の上流側とに接続されている。

この外部流路１３において放熱部２２のケース２２ａ内に挿入された領域を熱交換領域１３ａと言う。この熱交換領域１３ａの外周には、熱交換面積を拡大するためのフィン１３ｂが設けられている。

この外部流路１３には、バイパス路１４と、バイパス制御弁１５とが設けられている。バイパス路１４は、外部流路１３において熱交換領域１３ａをバイパスするものである。バイパス制御弁１５は、外部流路１３に対するバイパス路１４の上流側接続部分に設置されており、必要に応じて、冷却水を外部流路の熱交換領域のみに流通させる経路（図１中の矢印Ｘ参照、以下、熱交換経路と言う）と、バイパス路１４のみに流通させる経路（図１中の矢印Ｙ参照、以下、バイパス経路と言う）とに切り換えられる。このバイパス制御弁１５は、例えば電磁式三方弁とされ、その弁体の駆動源としてのアクチュエータを制御装置３０で制御するような構成になっている。

さらに、外部流路１３においてバイパス路１４の下流側には、ヒータユニット１６が設けられている。このヒータユニット１６は、詳細に図示していないが、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源としてのヒータコアと、このヒータコアによって暖められた空気を車室内に導入するためのブロアファンとを含んだ構成である。

なお、放熱部２２は、上流側触媒５に支持部材としてのブラケット２７を介して支持されている。このブラケット２７は、熱伝導性の高い材料（例えばステンレス鋼等）とされており、それによって放熱部２２と上流側触媒５との間で熱交換が可能になっている。

移送路２３は、受熱部２１の上部タンク２１ａと放熱部２２の内部空間とを連通連結するための配管で、受熱部２１で蒸発された気相状の流体を放熱部２２へ移送するものである。

還流路２４は、放熱部２２の内部空間と受熱部２１の下部タンク２１ｂとを連通連結するための配管で、放熱部２２で凝縮された液相状の流体を受熱部２１へ戻すものである。この還流路２４は、放熱部２２で凝縮された液相状の流体を受熱部２１へ戻しやすくするために適宜の下り勾配がつけられている。

この還流路２４において放熱部２２寄りには、循環制御弁２５が設けられている。この循環制御弁２５は、必要に応じて、放熱部２２から受熱部２１への流体の流通を、許容する開放状態と禁止する閉塞状態とに切り換えられる。この循環制御弁２５は、詳細に図示していないが、例えば電磁弁等のように、弁体を駆動するための駆動源をアクチュエータとして、このアクチュエータを制御装置３０で制御する構成とされている。

なお、制御装置３０により循環制御弁２５の開度を無段階に制御することにより、放熱部２２から受熱部２１に流体を戻す量、つまり排熱回収装置２０の閉ループ内の流体循環量を調節するように設定することも可能である。

制御装置３０は、一般的に公知のＥＣＵ（Electronic Control Unit）とされ、双方向性バスによって相互に接続した中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラムメモリ（ＲＯＭ）、データメモリ（ＲＡＭ）、バックアップメモリ（不揮発性ＲＡＭ）等を含んだ構成になっている。

次に、排熱回収装置２０の基本的な動作について説明する。

内燃機関１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に排出された排気ガスが受熱部２１に到達すると、この受熱部２１内の液相状の流体が排気ガスの熱により加熱されて、蒸発されることになる。

この蒸発された気相状の流体は、移送路２３を経て放熱部２２に移送される。この放熱部２２に送り込まれた気相状の流体の熱は、外部流路１３の熱交換領域１３ａ内の冷却水に伝達されて、当該冷却水を加熱する。この放熱部２２内の気相状の流体と外部流路１３内の冷却水との間の熱交換により、放熱部２２内の気相状の流体が凝縮される。

この凝縮されてなる液相状の流体は、還流路２４から受熱部２１に戻される。以降、受熱部２１と放熱部２２との間を流体が相転移しながら循環されることによって、内燃機関１の冷却水が加熱される。

次に、図３のフローチャートを参照して、内燃機関１の動作に応じた制御装置３０の処理について説明する。図３のフローチャートは、内燃機関１の始動に伴いエントリーされる。

一般的に、内燃機関１を冷間始動すると、内燃機関１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に例えば３００〜４００℃の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５，６が内部から排気ガスで昇温されることになる一方、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス路１２を経て内燃機関１へ戻されることによって、暖機運転されることになる。この暖機運転中に排熱回収装置２０でさらに内燃機関１の冷却水を加熱することにより暖気運転を促進させるようにする。

その一方で、ステップＳ１において、内燃機関１の冷却水温度Ｔ_Lが第１閾値Ｔ_LX以上であるか否かを判定する。ここでは、内燃機関１が冷間始動であるか否か、つまり内燃機関１の冷却水を排熱回収装置２０で加熱する必要があるか否かを調べている。

第１閾値Ｔ_LXは、内燃機関１の温間運転時の冷却水温度に設定される。なお、内燃機関１の冷却水温度Ｔ_Lの計測は、外部流路１３の最下流付近に設置される水温センサ３１により行うようになっている。

例えば冷却水温度Ｔ_Lが第１閾値Ｔ_LX未満である場合には、内燃機関１を暖機運転する必要があるので、前記ステップＳ１で否定判定して、ステップＳ２において、バイパス制御弁１５で熱交換経路（図１の矢印Ｘ参照）を確保した後、循環制御弁２５を開放する。

これにより、内燃機関１から外部流路１３に取り出された冷却水が熱交換領域１３ａのみに流れるとともに、排熱回収装置２０の熱循環が行われる。このとき、排熱回収装置２０の受熱部２１で回収した排気熱が放熱部２２から熱交換領域１３ａを流通する冷却水に伝達されて、当該冷却水が加熱されるので、内燃機関１の暖機運転が促進されることになる。

このステップＳ２の後は、前記ステップＳ１に戻り、冷却水温度Ｔ_Lが第１閾値Ｔ_LX以上になるまでステップＳ１，Ｓ２を繰り返す。

一方、例えば冷却水温度Ｔ_Lが第１閾値Ｔ_LX以上である場合、例えば内燃機関１の暖機運転が終了した場合には、これ以上、冷却水を加熱する必要がないので、前記ステップＳ１で肯定判定して、ステップＳ３において、バイパス制御弁１５でバイパス経路（図１の矢印Ｙ参照）を確保した後、循環制御弁２５を開放する。

これにより、内燃機関１から外部流路１３に取り出された冷却水がバイパス路１４のみに流れるとともに、排熱回収装置２０の熱循環が継続される。このとき、冷却水に放熱部２２の熱を伝達できない状態になるので、冷却水を必要以上に加熱することが避けられるようになり、しかも、排熱回収装置２０の各構成要素２１〜２４内に高温の気相状流体が充満された状態、つまり熱が蓄えられた状態になる。

このような蓄熱状態にしておけば、後で、排熱回収装置２０で外部流路１３内の冷却水を再加熱する必要が生じた場合に、放熱部２２内に蓄えている熱を直ぐに使えるようになり、排熱回収装置２０の熱回収動作の立ち上がりロスを少なくできる等、応答性が良好となり、好ましい。

但し、前記のように蓄熱状態にしていると、外部流路１３の熱交換領域１３ａ内に残留している冷却水が過剰に加熱されて沸騰するおそれがあるとともに、排熱回収装置２０の内圧が徐々に上昇することになる。

そこで、前記ステップＳ３の後は、続くステップＳ４において、受熱部２１内の流体温度Ｔ_Cが第２閾値Ｔ_CX1以上であるか否かを判定する。ここでは、前記ステップＳ３で蓄熱状態とされた排熱回収装置２０の蓄熱が不要になったか否かを調べている。

第２閾値Ｔ_CX1は、排熱回収装置２０による内燃機関１の冷却水の再加熱時に前記冷却水との熱交換に必要となる熱を十分に蓄えたときの温度に設定される。この温度は、予めいろいろな実験を行うことにより設定される。なお、受熱部２１内の流体温度Ｔ_Cの計測は、受熱部２１の上部タンク２１ａに設置される温度センサ３２により行うようになっている。

例えば流体温度Ｔ_Cが第２閾値Ｔ_CX1未満である場合には、排熱回収装置２０の蓄熱が不十分であるので、前記ステップＳ４で否定判定して、前記ステップＳ１に戻る。

一方、流体温度Ｔ_Cが第２閾値Ｔ_CX1以上である場合には、排熱回収装置２０の蓄熱が十分であるので、前記ステップＳ４で肯定判定して、続くステップＳ５に移行する。

このステップＳ５では、バイパス制御弁１５でバイパス経路Ｙを確保した後、循環制御弁２５を閉塞する。

これにより、外部流路１３の熱交換領域１３ａ内に冷却水が流通せずにバイパス路１４のみに流れるようになる。その一方で、排熱回収装置２０の放熱部２２で凝縮した液相状の流体が受熱部２１に戻されなくなるので、受熱部２１が空焚き状態になって放熱部２２に蒸気を送れなくなる。そのため、外部流路１３の熱交換経路１３ａに残留している冷却水に、放熱部２２内に残留する熱が伝達されるものの、所定時間の経過に伴い残留熱が無くなるので、熱交換経路１３ａに残留している冷却水が沸騰せずに済むようになる。

このステップＳ５の後は、続くステップＳ６において、受熱部２１内の流体温度Ｔ_Cが第３閾値Ｔ_CX2以上であるか否かを判定する。ここでは、前記ステップＳ３で蓄熱状態とされた排熱回収装置２０の構成要素が、内圧上昇により破損する可能性があるか否かを調べている。

第３閾値Ｔ_CX2は、排熱回収装置２０の構成要素の許容限界圧と相関関係を持つ温度値に設定される。この第３閾値Ｔ_CX2は、予め排熱回収装置２０の構成要素の破損限界圧力をいろいろな実験を行うことにより把握したうえで適宜のマージンを持つように設定される。この第３閾値Ｔ_CX2と第２閾値Ｔ_CX1との関係は、Ｔ_CX2＞Ｔ_CX1となる。なお、受熱部２１内の流体温度Ｔ_Cの計測は、受熱部２１の上部タンク２１ａに設置される温度センサ３２により行うようになっている。

例えば流体温度Ｔ_Cが第２閾値Ｔ_CX2未満である場合には、排熱回収装置２０の流体循環経路の内圧が過上昇していないので、前記ステップＳ６で否定判定して、前記ステップＳ１に戻る。この場合、蓄熱が継続されることになる。

一方、流体温度Ｔ_Cが第２閾値Ｔ_CX2以上である場合には、排熱回収装置２０の流体循環路の内圧が過上昇しているので、前記ステップＳ６で肯定判定して、続くステップＳ７に移行する。

このステップＳ７では、バイパス制御弁１５で熱交換経路Ｘを確保した後、循環制御弁２５を閉塞する。

これにより、外部流路１３の熱交換領域１３ａ内に冷却水が残留せずに流通するようになる。その一方で、排熱回収装置２０の放熱部２２で凝縮した液相状の流体が受熱部２１に戻されなくなるので、受熱部２１が空焚き状態になって放熱部２２に蒸気を送れなくなる。そのため、外部流路１３の熱交換経路１３ａを流れる冷却水が、所定期間にわたって放熱部２２内に残留する熱を奪うことになるので、放熱部２２が冷却されることになる。これに伴い排熱回収装置２０の内圧が低下することになって、排熱回収装置２０の構成要素が熱により破損せずに済むようになる。しかも、外部流路１３の熱交換領域１３ａを流れる冷却水は放熱部２２内の残留熱を奪うものの、この残留熱が無くなった後では冷却水が加熱されなくなるので、内燃機関１に付設されるラジエータ７の負荷が必要以上に増大することも避けられるようになる。

このステップＳ７の後は、前記ステップＳ１に戻って、必要に応じてステップＳ１〜Ｓ７を繰り返す。

ところで、この実施形態では、放熱部２２を熱伝導性に優れたブラケット２７を介して上流側触媒５に支持させているので、上流側触媒５が活性化温度に到達していない状況では、放熱部２２の熱がブラケット２７を介して上流側触媒５に伝導されて当該上流側触媒５の昇温を促進させることが可能になる。一方、上流側触媒５が活性化温度以上でかつ排熱回収装置２０が蓄熱状態になっている場合には、前記とは逆に、上流側触媒５の熱がブラケット２７を介して放熱部２２へと伝導されるので、放熱部２２内の気相状流体が凝縮することを防止するうえで有利となる。

以上説明したように、本発明を適用した実施形態では、循環制御弁２５とバイパス制御弁１５とを連係して制御することにより、例えば排熱回収装置２０で外部流路１３内の冷却水を積極的に加熱するための処理と、外部流路１３内の冷却水を非加熱としながら排熱回収装置２０内に熱を蓄えるための処理と、排熱回収装置２０内の蓄熱を休止するための処理と、排熱回収装置２０の流体循環経路の内圧の過上昇による排熱回収装置２０の構成要素の万一の破損を防止するための処理とのうち、いずれかを必要に応じて実行することが可能になる。

これらの処理を適宜に実行することにより、まず、内燃機関１の暖機運転を促進することができる。また、内燃機関１の暖機後には冷却水の不必要な加熱を停止してラジエータ７の負担を軽減できるようになる。さらに、内燃機関１の冷却水の再加熱が必要なときには素早く排熱回収装置２０の熱を利用することが可能になる。この他、排熱回収装置２０の構成要素の熱による万一の破損を回避することが可能になる。

この他、この実施形態では、排熱回収装置２０の受熱部２１と放熱部２２とを離隔して設置する構成としたうえで、この放熱部２２を内燃機関１寄りに設置しているから、外部流路１３を長く引き延ばすように施工する必要がなくなる。したがって、受熱部２１と放熱部２２とを接近設置している場合のように冷却水取り出し流路や還流流路などの配管の取り回しが煩雑になるとともに、冷却水の使用量を多くする必要が生じる等といった不具合を回避できる。

また、上記実施形態では、放熱部２２を球面継手３より下流側に設置することで、放熱部２２と受熱部２１とを共に排気管４に取り付けるようにしているから、排気管４に車両本体と無関係の振動が発生したときでも、前記放熱部２２と受熱部２１とが相対的に変位せずに、同期して変位することになるので、それらに連通連結される移送路２３や還流路２４の付け根に、曲げ応力が作用せずに済む結果となる。したがって、排熱回収装置２０が経時的な疲労破損を起こしにくくなる等、長寿命化を達成することが可能になる他、移送路２３や還流路２４の板厚や外径サイズを大きくして剛性アップを図ったり、あるいは移送路２３や還流路２４をフレキシブルパイプで形成したりするといった対策が不要となる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）上記実施形態では、バイパス制御弁１５を三方弁とした例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばバイパス路１４、ならびに外部流路１３においてバイパス路１４の上流側接続部と熱交換領域１３ａとの間の計２箇所に、開閉弁を設置することができる。

この場合、バイパス路１４の開閉弁を閉塞して熱交換流路側の開閉弁を開放すれば、熱交換経路Ｘを確保することができる。一方、バイパス路１４の開閉弁を開放して熱交換流路側の開閉弁を閉塞すれば、バイパス経路Ｙを確保することができる。

（２）上記実施形態では、流量制御弁２５について、例えば電磁弁等のように弁体を駆動するための駆動源をアクチュエータとして、このアクチュエータを制御装置３０で制御する構成とした例を挙げている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、流量制御弁２５については、自己作動式の弁装置に置き換えることができる。この自己作動式の弁装置は、弁体の駆動源として例えばサーモスタットやダイアフラムスプリング等を用いるものが知られており、この駆動源は予め設定される条件に従い自動的に作動して弁体を開閉動作させる。

例えばサーモスタットを駆動源とする感熱タイプの弁装置では、排熱回収装置２０の還流路２４内の温度が適宜の設定温度未満であることを感知した場合に弁体を自動的に開いて、前記温度が設定温度以上であることを感知した場合に弁体を自動的に閉じるような構成になっている。

ダイアフラムスプリングを駆動源とする感圧タイプの弁装置では、排熱回収装置２０の還流路２４内の温度が適宜の設定温度未満である状態と相関関係が成立する内圧を感知した場合に、ダイアフラムスプリングが自然状態になって弁体を自動的に開いた状態とする一方で、前記温度が設定温度以上である状態と相関関係が成立する内圧を感知した場合に、ダイアフラムスプリングが弾性変形して弁体を自動的に閉じる状態とするような構成になっている。

このような自己作動式の弁装置を流量制御弁２５として用いる場合、弁体を駆動するための駆動源としてのアクチュエータ（不図示）や制御装置（３０）、ならびに感知対象となる情報の検出手段（温度センサ等）が不要になるので、設備コストを安く抑えるうえで有利となる。また、流量制御弁２５は、全開と全閉とに切り換わる開閉弁の他、弁開度つまり放熱部２２から受熱部２１への液相状の流体の還流量を任意に調整可能とする流量調整弁とすることも可能である。

（３）上記実施形態では、内燃機関１のみを搭載する一般車両に本発明を適用した例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば内燃機関１と電動機とを搭載するハイブリッド車両に本発明を適用することができる。

ハイブリッド車両では、例えば停車時等に、燃費向上のために、内燃機関１を停止するアイドルストップ処理を行うようにしている。このようなアイドルストップ処理中においては、内燃機関１の冷却水温度が適宜の閾値未満になると、内燃機関１を始動させるようになっている。その場合、アイドルストップ処理中に内燃機関１の冷却水の温度低下に伴い内燃機関１を始動した場合、その分、燃費の悪化につながる。

しかしながら、このようなハイブリッド車両に本発明を適用すると、上記実施形態で説明したように、図３のフローチャートのループ中において、制御装置３０がステップＳ１で冷却水温度Ｔ_Lが第１閾値Ｔ_LX未満になったと判定したときに、排熱回収装置２０を利用して冷却水を加熱して昇温させるようになる。そのため、アイドルストップ処理中において、冷却水温度が低下しても内燃機関１を始動せずに済むようになって、無駄な燃料消費を防止することが可能になる。そのため、ハイブリッド車両に本発明を適用すれば、燃費低下を可及的に防止することが可能になる。

（４）上記実施形態では、２つの触媒５，６を備える場合の例を挙げているが、触媒の数は限定されるものではなく、例えば１個、あるいは３個以上であってもよい。

（５）上記実施形態において、内燃機関１はガソリンエンジンやディーゼルエンジン、その他のエンジンに限定されるものではない。ディーゼルエンジンとする場合には、触媒５，６を例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate -NOx Reduction system）等とすることができる。

なお、ディーゼルエンジンの場合において、上流側触媒５をＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：NOx storage reduction）として、下流側触媒６をＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）とすることも可能である。

１内燃機関
２エキゾーストマニホールド
４排気管
５上流側触媒
６下流側触媒
７ラジエータ
８冷却水取り出し路
９冷却水還流路
１３外部流路
１３ａ外部流路の熱交換領域
１４バイパス路
１５バイパス制御弁
２０排熱回収装置
２１受熱部
２２放熱部
２３移送路
２４還流路
２５循環制御弁
２７ブラケット（支持部材）
３０制御装置

Claims

内燃機関の冷却水を外部へ一旦取り出して戻す外部流路と、内燃機関の排気熱を回収して前記外部流路の熱交換領域で冷却水に伝達するための排熱回収装置とを備え、
前記外部流路には、その熱交換領域をバイパスするためのバイパス路と、当該バイパス路への冷却水流入量を制御するためのバイパス制御弁とが設けられ、
前記排熱回収装置は、内燃機関の排気通路に設けられかつ内部の流体を排気熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部と離隔した前記外部流路の熱交換領域に付設されかつ前記受熱部で蒸発された流体を受け入れて当該流体と前記熱交換領域を流通する冷却水との間で熱交換させるための放熱部と、前記受熱部で蒸発される気相状の流体を前記放熱部へ移送するための移送経路と、前記放熱部での熱交換に伴い凝縮される液相状の流体を前記受熱部へ戻すための還流経路とを含むループ式ヒートパイプ構造とされ、前記還流経路に前記放熱部から前記受熱部に流体を戻す量を制御するための循環制御弁が設けられており、
前記バイパス制御弁は、前記外部流路に対する前記バイパス路の上流側接続部分に設けられ、かつ冷却水を前記外部流路の熱交換領域のみに流通させる熱交換経路と、前記バイパス路のみに流通させるバイパス経路とを選択的に確保するための三方弁とされている、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。
請求項１に記載の内燃機関の暖機装置において、
前記放熱部は、前記排気通路に設けられる触媒に、熱伝導性に優れた支持部材を介して支持される、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。
請求項１または２に記載の内燃機関の暖機装置において、
前記内燃機関を冷間始動した場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路に流さずに前記熱交換領域のみに流通させる熱交換経路を確保するとともに、前記循環制御弁を開放する処理が行われる、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。
請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の暖機装置において、
前記内燃機関の暖機運転が終了した場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路のみに流して熱交換経路に流通させないバイパス経路を確保するとともに、前記循環制御弁を開放する処理が行われる、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。
請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の暖機装置において、
前記内燃機関の温間運転中において排熱回収装置の蓄熱が目標に到達した場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路のみに流して熱交換経路に流通させないバイパス経路を確保するとともに、前記循環制御弁を閉塞する処理が行われる、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。
請求項１から５のいずれか１つに記載の内燃機関の暖機装置において、
前記内燃機関の温間運転中において排熱回収装置の蓄熱が過剰になった場合には、前記バイパス制御弁で冷却水をバイパス路に流さずに前記熱交換領域のみに流通させる熱交換経路を確保するとともに、前記循環制御弁を閉塞する処理が行われる、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。
請求項１から６のいずれか１つに記載の内燃機関の暖機装置において、
前記バイパス制御弁および循環制御弁は、それぞれ、弁体の駆動源としてアクチュエータを有するアクチュエータ駆動式とされ、
予め設定される条件に従い前記アクチュエータを制御するための制御装置をさらに備える、ことを特徴とする内燃機関の暖機装置。