排気熱回収装置
【課題】冷却水温が低い場合は、冷却水に排気熱を効率よく回収させて昇温を促進させると共に、排気熱が高温化した場合は冷却水の昇温を抑制する。
【解決手段】冷態始動時、排気切換弁２８にて排気連通管２２が閉塞されているため、排気ガスは排気バイパス通路２７ａへ導かれ、その外周に形成されている熱交換通路２７ｂを流れる冷却水に排気熱が回収される。又、外筒管２４内に形成されている断熱空間２９が、排気切換弁２８に連動して動作する外気遮断弁３１にて遮断されているため、排気熱を効率よく回収することができる。そして、冷却水温が上昇すると、排気切換弁２８と外気遮断弁３１とが開弁し、排気ガスは排気連通管２２を通り排出され、又、断熱空間２９には外気が導入されるため、冷却水温の上昇が抑制される。
【解決手段】冷態始動時、排気切換弁２８にて排気連通管２２が閉塞されているため、排気ガスは排気バイパス通路２７ａへ導かれ、その外周に形成されている熱交換通路２７ｂを流れる冷却水に排気熱が回収される。又、外筒管２４内に形成されている断熱空間２９が、排気切換弁２８に連動して動作する外気遮断弁３１にて遮断されているため、排気熱を効率よく回収することができる。そして、冷却水温が上昇すると、排気切換弁２８と外気遮断弁３１とが開弁し、排気ガスは排気連通管２２を通り排出され、又、断熱空間２９には外気が導入されるため、冷却水温の上昇が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスの熱を利用して始動後の冷却水温を早期に昇温させるようにした排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気ガスの熱（以下、「排気熱」と称する）をエンジン冷却水にて回収し、回収した熱をエンジン及び空調システムのヒータに循環させることでエンジンの早期暖機完了、及び車室内の暖房を補う排気熱回収装置が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１（特開２００１−３０７４１号公報）には、排気管に分岐管をバイパス接続し、この分岐管に、エンジン冷却水が流通する熱交換器を配設し、更に、この分岐管の上流に開閉弁を設け、熱交換器の温度が所定値よりも高くなった場合、この分岐管を閉じて、熱交換器に対する排気ガスの供給を遮断し、熱交換器の異常過熱を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３０７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、車体前部にエンジンが搭載されている車両では、このエンジンから延出する排気管が、車体フロア下面を通り後方へ導かれている。従って、排気管は外気に常時晒されているため、排気熱は排気管から外部に放熱される。特に、走行時おいては、走行風により冷却されるため、熱ロスが生じ、エンジン冷却水による排気熱の回収効率が低下してしまう問題がある。
【０００５】
この対策として、排気管の周囲に断熱空間を形成して熱ロスの発生を抑制することも考えられる。しかし、暖機完了後の排気熱は高温化しており、この排気熱によってエンジン冷却水が却って過熱されてしまう不都合がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、エンジン冷却水温が低い場合は、このエンジン冷却水に排気熱を効率よく回収させて昇温を促進させると共に、排気熱が高温化した場合は、エンジン冷却水の昇温を抑制させることのできる排気熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明による排気熱回収装置は、排気ガスが流通する第１管路と、前記第１管路をバイパスする第２管路と、エンジン冷却水の温度が低い場合、前記第１管路を閉塞して前記排気ガスを前記第２管路へ導く第１弁体と、前記第２管路に隣接して配設されていると共にエンジン冷却水が流通する熱交換部と、前記熱交換部の外周を覆う外筒管と、前記外筒管と前記熱交換部との間に形成される断熱空間を、前記第１弁体に連動し、該第１弁体が前記第１管路を閉塞した際に遮断し、該第１弁体が前記第１管路を開放した際に開放する第２弁体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱交換部の外周を覆う外筒管と熱交換部との間に形成される断熱空間を、第１管路を開閉する第１弁体に連動して動作する第２弁体で開閉させるようにしたので、エンジン冷却水温が低い場合は、第２弁体を遮断することで、断熱空間に対する外気の導入が抑制され、エンジン冷却水に対して排気熱を効率よく回収させることができる。一方、エンジン冷却水温が所定温度以上に達した場合は、第２弁体を開放することで、断熱空間に外気が流入され、エンジン冷却水の昇温を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１〜図５に本発明の第１実施形態を示す。図１に排気熱回収装置を備えたエンジン冷却系の概略構成図を示す。
【００１１】
同図の符号１はエンジンであり、図示しない車両の前部に配設されている。又、このエンジン１から延出する排気管２が車体後部側へ車体フロアの底面に沿って延出されている。尚、符号３はマフラである。
【００１２】
又、符号１１はエンジン冷却系であり、エンジン冷却水（以下、単に「冷却水」と称する）主通路１２とエンジン冷却水通路としての冷却水副通路１３とを備えている。冷却水主通路１２は、エンジン１に形成されているウォータジャケット１ａの上流端と下流端に循環接続されており、ラジエータ１４が介装されていると共に、このラジエータ１４の下流側にウォータポンプ１５が介装されている。尚、本実施形態では、ウォータポンプ１５としてエンジン駆動式を採用しているが、このウォータポンプ１５はモータ駆動式であっても良い。
【００１３】
更に、このウォータポンプ１５とラジエータ１４との間にサーモスタットバルブ１６が介装されている。又、冷却水副通路１３は、その下流端が、冷却水主通路１２のサーモスタットバルブ１６とウォータポンプ１５との間に連通され、又、上流端が冷却水主通路１２のラジエータ１４の上流側に分岐接続されている。サーモスタットバルブ１６は、冷却水温度が設定温度以下の場合、閉弁して、冷却水主通路１２を循環する冷却水を遮断し、一方、冷却水温度が設定温度以上の場合は開弁して、冷却水を冷却水主通路１２側へも循環させる。尚、符号１４ａはラジエータファンである。
【００１４】
この冷却水副通路１３に受熱手段としてのヒータコア１７が介装されている。このヒータコア１７は、冷却水副通路１３を流れる冷却水の熱を熱源として、車室内へ供給する空気を暖めるもので、空調装置の空気ダクト内に配設されて、この空気ダクト内を通過して車室内に供給される内気或いは外気を暖めるものである。
【００１５】
更に、冷却水副通路１３のヒータコア１７の下流側に排気熱回収装置２１が配設されている。この排気熱回収装置２１は、排気管２を流れる排気ガスの熱（排気熱）と冷却水の温度（冷却水温）との温度差を利用して熱交換するものである。例えば冷態始動後の暖機運転において、排気ガスは冷却水よりも早期に温度上昇する。そのため、この排気熱回収装置２１にて排気熱を冷却水に回収させることで、冷却水の温度上昇を促進させることができる。
【００１６】
図２〜５に示すように、排気熱回収装置２１は、その中央に、第１管路としての排気連通管２２を有し、その外周に排気熱交換器２３が設けられ、更に、その外周に外筒管２４が配設されている。排気連通管２２は排気管２の中途に介装されて、その両端が排気管２に気密状体で接合されている。又、排気熱交換器２３は、インナ部材２５とアウタ部材２６とを重ね合わせた二重構造を有しており、両部材２５，２６は鉄等の伝熱性材料で形成されている。尚、図において、排気ガスは、図の左側から右側へ流れる。従って、図の左側が上流となる。
【００１７】
インナ部材２５は排気連通管２２の外周を囲繞する円筒状に形成されており、その両端が絞られて排気連通管２２に対し、溶接等の手段により気密を保持した状態で固設されている。又、アウタ部材２６はインナ部材２５の外周に配設されており、その両端が絞られて、インナ部材２５の両端部に対し、溶接等の手段により気密を保持した状態で固設されている。このインナ部材２５の内壁と排気管２の外周とで囲まれた空間に、第２管路としての排気バイパス通路２７ａが円環状に形成され、又、インナ部材２５の外壁とアウタ部材２６の内壁とで囲まれた空間に熱交換部としての熱交換通路２７ｂが円環状に形成されている。尚、排気熱交換器２３は一体成形品であっても良い。
【００１８】
又、排気バイパス通路２７ａの上流側と下流側に位置する排気連通管２２に、上流側排気口２２ａと下流側排気口２２ｂとが形成されている。この両排気口２２ａ，２２ｂは、排気連通管２２の外周に沿って帯状に形成された複数のパンチング孔で構成されている。
【００１９】
更に、排気連通管２２の両排気口２２ａ，２２ｂ間にバタフライ状に形成された第１弁体としての排気切換弁２８が配設されている。この排気切換弁２８は回転軸２８ａを中心に、この回転軸２８ａと一体に回転し、この排気切換弁２８にて排気連通管２２が閉塞されると、図２の矢印Ｂで示すように、排気連通管２２に流入された排気ガスは、上流側排気口２２ａから排気バイパス通路２７ａへ流入し、排気切換弁２８の下流側排気口２２ｂから排気連通管２２側へ流出する。一方、図３に示すように、排気切換弁２８が全開状態になると、殆どの排気ガスは矢印Ｂで示すよう排気連通管２２を流れる。
【００２０】
更に、この排気連通管２２、及び排気熱交換器２３を覆う外筒管２４は、その両側が車体の前後方向に開口され、前部開口端及び後部開口端から内方へやや入り込んだ位置が排気連通管２２に対し、ステー２９ａ，２９ｂを介して支持されて、外筒管２４の内壁と排気連通管２２及び排気熱交換器２３の外壁との間に断熱空間２９が形成されている。
【００２１】
又、排気熱交換器２３の外周の上流側と下流側とに、熱交換通路２７ｂに連通する流入ポート２３ａと流出ポート２３ｂとが突設されており、この両ポート２３ａ，２３ｂが外筒管２４を貫通して、この外筒管２４の外周に突出されている。更に、この各ポート２３ａ，２３ｂが、冷却水副通路１３の中途に接続されて、熱交換通路２７ｂが冷却水副通路１３の一部を構成している。従って、図１、及び図２、図３の矢印Ｂで示すように、ヒータコア１７から流出した冷却水は、流入ポート２３ａから熱交換通路２７ｂ内に流入し、流出ポート２３ｂから下流側の冷却水副通路１３に吐出される。
【００２２】
この流出ポート２３ｂに接続されている冷却水副通路１３に、サーモアクチュエータ３０が固設されている。このサーモアクチュエータ３０に、冷却水副通路１３に連通する冷却水導入通路３０ａが形成されており、この冷却水導入通路３０ａを通過する冷却水によって、このサーモアクチュエータ３０に内蔵するサーモワックス（例えばパラフィンワックス）３０ｂが熱膨張或いは熱収縮する。そして、このサーモワックス３０ｂの熱膨張或いは熱収縮を利用して、サーモアクチュエータ３０に設けられているロッド３０ｃ（図５参照）が進退動作する。
【００２３】
又、外筒管２４の上流端に形成した開口部２４ａが拡径されており、この開口部２４ａに位置する排気連通管２２の外周に、第２弁体としての外気遮断弁３１のハブ３１ａが進退自在に支持されている。更に、外筒管２４の拡径された開口部２４ａの基部側内周にストッパ３２が固設されている。このストッパ３２は、外気遮断弁３１の下流方向への移動を規制すると共に、このストッパ３２に外気遮断弁３１の外縁を当接させることで、断熱空間２９への外気の流入が遮断される。又、この外気遮断弁３１とステー２９ａとの間にリターンスプリング３３が介装されており、図３に示すように、外気遮断弁３１はリターンスプリング３３にて開放方向へ常時付勢されている。
【００２４】
又、図５に示すように、排気切換弁２８の回転軸２８ａに固設されている動作レバー３４がリンク機構３５ａを介してサーモアクチュエータ３０のロッド３０ｃに連設されている。更に、外気遮断弁３１のハブ３１ａがリンク機構３５ｂを介してサーモアクチュエータ３０に設けられてるロッド３０ｃに連設されている。従って、この動作レバー３４と外気遮断弁３１とは互いに連動して開閉動作される。
【００２５】
上述したように、サーモアクチュエータ３０のロッド３０ｃは内蔵するサーモワックス３０ｂの熱膨張或いは熱収縮によって進退動作するもので、冷却水温が低く、サーモワックス３０ｂが熱収縮すると、ロッド３０ｃが後退する。すると、このロッド３０ｃに連設するリンク機構３５ａ，３５ｂを介して動作レバー３４、外気遮断弁３１が各々引かれ、排気切換弁２８、外気遮断弁３１が互いに閉弁動作される。一方、冷却水温が高くなり、サーモワックス３０ｂが熱膨張すると、リンク機構３５ａを介して動作レバー３４が押され、又、外気遮断弁３１に対する引き力が解除されて、排気切換弁２８、外気遮断弁３１が互いに開弁動作される。
【００２６】
次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。長時間放置した後の始動時等、エンジン１が冷えた状態では、当然冷却水も冷えているため、排気熱回収装置２１の下流側に設けられているサーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂは熱収縮し、このサーモワックス３０ｂの動作に連動するロッド３０ｃが後退している。
【００２７】
従って、このロッド３０ｃにリンク機構３５ａを介して連設されている動作レバー３４が、排気切換弁２８を図５の時計回り方向へ回転させているため、この排気切換弁２８によって排気連通管２２が閉塞されている。更に、このロッド３０ｃにリンク機構３５ｂを介して連設されている外気遮断弁３１がリターンスプリング３３の付勢力に抗して引かれているため、その外周縁がストッパ３２に当接されて、断熱空間２９が遮断されている（図２参照）。
【００２８】
そして、運転者がスタータスイッチ（図示せず）をＯＮして、エンジン１を起動させると、ウォータポンプ１５が駆動し冷却水が循環する。その際、冷却水が冷えているため、サーモスタットバルブ１６は閉弁しており、従って、冷却水の大部分は冷却水副通路１３側を循環する。冷却水副通路１３の中途には排気熱回収装置２１の熱交換通路２７ｂが介装されており、冷却水副通路１３を循環する冷却水は、図２に矢印Ａで示すように熱交換通路２７ｂを通過して循環される。
【００２９】
エンジン１から排出される排気ガスは、排気管２を通り、マフラ３を経て放出される。排気管２の中途には、排気熱回収装置２１に設けられている排気連通管２２が一体化された状態で介装されており、この排気連通管２２が、上述したように排気切換弁２８によって閉塞されているため、エンジン１から排出された排気ガスは、図２に矢印Ｂで示すように、排気切換弁２８の手前に開口されている上流側排気口２２ａから排気連通管２２の外周に形成されている排気バイパス通路２７ａに流入し、この排気バイパス通路２７ａを通り、排気切換弁２８の下流側に開口されている下流側排気口２２ｂを経て排気連通管２２に戻される。
【００３０】
エンジン１を始動した後の排気ガスの温度は、冷却水の温度よりも早く上昇するため、差温が発生し、排気バイパス通路２７ａを流れる排気ガスの熱により、この排気バイパス通路２７ａに対してインナ部材２５を介して隔絶されている熱交換通路２７ｂを流れる冷却水が加温される。その結果、冷却水が早期に昇温され、暖機時間が短縮されると共に、ヒータコア１７の発熱が促進されて車室内の暖房に供することができる。
【００３１】
更に、排気熱交換器２３と、その外周に配設されている外筒管２４との間に形成されている断熱空間２９の上流が外気遮断弁３１にて閉塞されているため、例えば、暖機運転中に車両が走行しても、この断熱空間２９を外気が流通しないので断熱状態が保持され、排気熱を冷却水に効率よく回収させることができ、冷却水の昇温を一層促進させることができる。
【００３２】
その後、冷却水温が更に上昇してサーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱膨張すると、このサーモワックス３０ｂに連動するロッド３０ｃが次第に突出し、このロッド３０ｃに各リンク機構３５ａ，３５ｂを介して連設する排気切換弁２８、外気遮断弁３１が次第に開弁される。そして、冷却水温が所定温度（例えば７５〜８５[℃]）に達すると、図３に示すように、排気切換弁２８及び外気遮断弁３１が全開となる。
【００３３】
その結果、図３に矢印Ｂで示すように、大部分の排気ガスは、排気連通管２２を通り外部へ排出される。又、外気遮断弁３１が開弁しているので、矢印Ｃで示すように、外気が外筒管２４に形成した開口部２４ａと外気遮断弁３１との間を抜けて、断熱空間２９に導入される。そのため、排気熱が高温化しても、その熱が断熱空間２９にこもることが無く、冷却水の高温化を抑制することができる。従って、走行中においては、断熱空間２９を流れる外気によって冷却水、及び排気ガスをより効率的に冷却することができる。
【００３４】
このように、本実施形態では、冷態始動及び始動後の暖機運転において、サーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱収縮している状態では、排気熱回収装置２１の排気切換弁２８が排気連通管２２を遮断して、排気ガスを排気バイパス通路２７ａ側へ導くと共に、外気遮断弁３１を閉弁させて断熱空間２９を遮断するようにしたので、排気バイパス通路２７ａを流れる排気ガスにより冷却水を効率よく昇温させることができる。
【００３５】
又、冷却水が所定温度まで昇温した後は、排気切換弁２８が排気連通管２２を連通させ、且つ外気遮断弁３１が開弁して、断熱空間２９に外気が導入されるため、冷却水の昇温を抑制することができる。
【００３６】
更に、本実施形態では、排気切換弁２８、外気遮断弁３１の動作を、熱交換通路２７ｂの下流側に配設したサーモアクチュエータ３０の動作により機械的に制御しているため、これらをユニット化することで、既存の車両に対しても比較的簡単に取付けることができ、高い汎用性を得ることができる。
【００３７】
［第２実施形態］
図６、図７に本発明の第２実施形態を示す。上述した第１実施形態では、排気熱回収装置２１に設けられている外気遮断弁３１を、外筒管２４の上流側に配設したが、本実施形態では外気遮断弁３１を断熱空間２９の下流側に配設したものである。
【００３８】
すなわち、本実施形態による外筒管２４は、第１実施形態の外筒管２４を、排気連通管２２に対し、上流側と下流側とを逆にして配設したものであり、作用効果は、上述した第１実施形態と同一である。
【００３９】
［第３実施形態］
図８、図９に本発明の第３実施形態を示す。上述した第１、第２実施形態では、排気熱回収装置２１の排気切換弁２８と外気遮断弁３１との開閉動作をサーモアクチュエータ３０を用いて機械的に開閉動作させているが、本実施形態では、この両弁２８，３１を電子的に制御するようにしたものである。尚、排気熱回収装置２１の構成は、第１、第２実施形態のサーモアクチュエータ３０に代えて水温センサ４２を配設し、又、各リンク機構３５ａ，３５ｂを省略し、更に、各弁２８，３１に排気用電動アクチュエータ４３と外気用電動アクチュエータ４４とを連設して、各弁２８，３１を電動アクチュエータ４３，４４により動作させるようにしたものである。
【００４０】
電子制御装置（ＥＣＵ）４１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを主体に構成されており、ＲＯＭには、制御プログラムや固定データ等が記憶されている。ＥＣＵ４１では、水温センサ４２で検出した、熱交換通路２７ｂに連通する流出ポート２３ｂ側から吐出する冷却水温に基づき、両電動アクチュエータ４３，４４に動作信号を出力する。
【００４１】
このＥＣＵ４１で実行される各電動アクチュエータ４３，４４の制御は、具体的には、図９に示すフローチャートに従って実行される。
【００４２】
このフローチャートは、予め設定した演算周期毎に実行され、先ず、ステップＳ１で水温センサ４２で検出した冷却水温と予め設定した暖機完了温度とを比較し、暖機完了か否かを調べる。そして、冷却水温が暖機完了温度以下の暖機中と判定したときは、ステップＳ２へ進み、排気切換弁２８を閉弁させる閉信号を出力した後、ステップＳ３へ進み、外気遮断弁３１を閉弁させる閉信号を出力した後、ルーチンを抜ける。
【００４３】
尚、本実施形態で採用する排気切換弁２８は、図示しないリターンスプリングにより開弁方向へ常時付勢されており、一方、外気遮断弁３１はリターンスプリング３３の付勢力で開弁方向へ常時付勢されている。従って、この排気切換弁２８は、排気用電動アクチュエータ４３がＯＦＦで全開となり、ＯＮで全閉となる。又、外気遮断弁３１は外気用電動アクチュエータ４４がＯＦＦで全開となり、ＯＮで全閉となる。
【００４４】
ＥＣＵ４１から出力される閉信号（ＯＮ信号）は、排気用電動アクチュエータ４３と外気用電動アクチュエータ４４とに通電され、この各電動アクチュエータ４３，４４が動作して、排気切換弁２８と外気遮断弁３１とが閉弁動作される（図２、図６の状態）。
【００４５】
一方、ステップＳ１で、冷却水温が暖機完了温度を超過した暖機完了と判定したときは、ステップＳ４へ進み、排気切換弁２８を開弁させる開信号を出力した後、ステップＳ５へ進み、外気遮断弁３１を開弁させる開信号を出力して、ルーチンを抜ける。
【００４６】
ＥＣＵ４１から排気用電動アクチュエータ４３と外気用電動アクチュエータ４４とに開信号（ＯＦＦ信号）が出力されると、この両電動アクチュエータ４３，４４に対する通電が遮断され、排気切換弁２８がリターンスプリング（図示せず）の付勢力で全開状態となり、更に外気遮断弁３１がリターンスプリング３３の付勢力で開放状態となる（図３、図７の状態）。尚、各弁２８，３１の全閉状態、或いは全開状態における排気ガス、及び断熱空間２９の外気の流れ、及び冷却水の温度変化は、上述した第１、第２実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４７】
本実施形態によれば、排気切換弁２８と外気遮断弁３１との開閉を、水温センサ４２で検出した冷却水温に応じて開閉動作させるようにしたので、この両弁２８，３１の開閉を冷却水温に応じて正確に制御することができる。更に、両弁２８，３１の開閉時期を車種毎に微調整することができる。
【００４８】
尚、本実施形態では、排気切換弁２８と外気遮断弁３１とを異なる電動アクチュエータ４３，４４で開閉動作させているが、１つのアクチュエータで両弁２８，３１を開閉動作させるようにしても良い。
【００４９】
［第４実施形態］
図１０、図１１に本発明の第４実施形態を示す。上述した第１〜第３実施形態では、排気管２に一体化されている排気連通管２２の外周に排気熱交換器２３を円環状に形成したが、本実施形態では、排気管２の中途に一体化されている排気連通管５１を、第１管路としての排気本通路５１ａと、第２管路としての排気副通路５１ｂとに分岐し、この排気副通路５１ｂに、熱交換部としての熱交換器５２を内装したものである。更に、この排気連通管２２の外周に、第１、第２実施形態と同様、外筒管２４が配設され、この外筒管２４と排気連通管２２との間に断熱空間２９が形成されて、この断熱空間２９が外気遮断弁３１によって開閉自在にされている。尚、この外気遮断弁３１の構成は上述した第１実施形態と同一である。
【００５０】
又、熱交換器５２の流入ポート５２ａと流出ポート５２ｂとが、冷却水副通路１３の中途に接続され、冷却水は熱交換器５２を通り、冷却水副通路１３を循環する。更に、この排気連通管２２の排気本通路５１ａと排気副通路５１ｂとの上流側の分岐部に、第１弁体としての排気切換弁５３が配設されている。この排気切換弁５３の基部に設けた回転軸５３ａに固設されているレバー（図示せず）及び外気遮断弁３１が、第１実施形態と同様、リンク機構３５ａ，３５ｂ（図５参照）を介してサーモアクチュエータ３０のロッド３０ｃに連設されている。
【００５１】
エンジン１（図１参照）が冷えた状態では、サーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱収縮しているため、このサーモワックス３０ｂに連動するロッド３０ｃがリンク機構３５ａ，３５ｂを介して、排気切換弁５３の回転軸５３ａに固設されているレバー及び外気遮断弁３１を引いている。その結果、図１０に示すように、排気切換弁５３が、排気本通路５１ａの流入口を閉塞していると共に排気副通路５１ｂの流入口を開口している。
【００５２】
そして、運転者がスタータスイッチ（図示せず）をＯＮして、エンジン１を起動させると、ウォータポンプ１５の駆動により冷却水の大部分が冷却水副通路１３（図１参照）を循環する。
【００５３】
一方、エンジン１の排気ガスは排気連通管２２の排気本通路５１ａが閉塞されているため、矢印Ｂで示すように、排気副通路５１ｂを経てマフラ３（図１参照）の方向へ流出される。冷却水副通路１３を循環する冷却水は、熱交換器５２に対し、矢印Ａで示すように、熱交換器５２の流入ポート５２ａから入り、流出ポート５２ｂから吐出される。排気ガスの温度上昇は冷却水よりも早いため、熱交換器５２を通過する冷却水は排気熱を回収して昇温されて、暖機時間の短縮が図れる。
【００５４】
尚、この場合、外気遮断弁３１が断熱空間２９を閉塞しているため、排気副通路５１ｂを流れる排気ガスの熱の大気への不必要な放熱が抑制され、冷却水を効率よく昇温させることができる。
【００５５】
その後、冷却水温が更に上昇して、サーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱膨張し、ロッド３０ｃが突出すると、リンク機構３５ａを介して排気切換弁５３が、図の一点鎖線で示すように、排気副通路５１ｂを閉塞すると共に、排気本通路５１ａを開放する。その結果、排気ガスは排気本通路５１ａを通過して外部へ排出される。同時に、リンク機構３５ｂを介して外気遮断弁３１が開弁し、外気が断熱空間２９に導入される。従って、断熱空間２９に熱がこもることが無く、冷却水が不必要に加熱されることがない。
【００５６】
このように、本実施形態では、排気副通路５１ｂに熱交換器５２を内装して、排気ガスを直接通過させるようにしたので、冷却水に排気熱をより効率よく回収させることができる。尚、この熱交換器５２として既存のものを採用すれば、コスト低減を実現することができる。
【００５７】
又、本実施形態では、１つのリンク機構で排気切換弁５３と外気遮断弁３１とを開閉動作させるようにしても良い。更に、排気切換弁５３を、排気連通管２２の下流側の排気本通路５１ａと排気副通路５１ｂとの合流部分に配設するようにしても良い。同様に、外気遮断弁３１を外筒管２４の下流側に配設するようにしても良い。
【００５８】
［第５実施形態］
図１２〜図１４に本発明の第５実施形態を示す。本実施形態は上述した第２実施形態の変形例である。尚、第２実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
第２実施形態では、排気熱交換器２３の外周から外部に突出されている流入ポート２３ａと流出ポート２３ｂとに対して冷却水副通路１３の中途を接続しただけの構造であるが、本実施形態では、この流入ポート２３ａと流出ポート２３ｂとに接続するエンジン冷却水通路としての冷却水副通路１３の一部、具体的には、排気熱交換器２３の流入ポート２３ａに接続されている冷却水副通路１３の直上流と流出ポート２３ｂに接続されている冷却水副通路１３の直下流とを、外筒管２４と排気連通管２２との間に形成されている断熱空間２９に挿通して排気管２の上流方向へ導くようにしたものである。
【００６０】
すなわち、排気熱交換器２３の外筒管２４の車体前部方向の開口端２９ｃ（図１２参照）側がエンジン１側へ排気管２に沿って延出されている。又、両ポート２３ａ，２３ｂに接続されている冷却水副通路１３は、両ポート２３ａ，２３ｂに接続されている直近の部分が断熱空間２９に挿通されている。そして、この断熱空間２９に挿通された冷却水副通路１３が、排気管２に沿ってエンジン１側へ延出され、開口端２９ｃから外部に露呈されている。
【００６１】
外筒管２４は、断熱空間２９に２本の冷却水副通路１３が収容可能な断面形状に形成されており、図１４に示すように、本実施形態では、断面舟形形状に形成され、その船尾側に２本の冷却水副通路１３が、排気管２に沿って収容されている。
【００６２】
尚、排気切換弁２８と外気遮断弁３１との開閉動作は、第２実施形態と同一であるため説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、排気熱交換器２３に形成されている断熱空間２９に冷却水副通路１３を挿通したので、暖機運転時における冷却水副通路１３を流れる冷却水の放熱が抑制されると共に、排気管を流れる排気ガスからの熱を冷却水にて受熱されるので、冷却水温をより早期に昇温させることができる。又、冷却水温が所定温度（例えば７５〜８５[℃]）に達すると、外気遮断弁３１が全開となり、断熱空間２９に外気が導入されるため、冷却水が必要以上に昇温されてしまうことはない。
【００６４】
その結果、本実施形態によれば、上述した第２実施形態に比し、暖機運転時においては冷却水をより効率よく昇温させることができる。尚、排気熱交換部２３は、第４実施形態に示すような排気管２の中途に一体化されている排気連通管５１を排気本通路５１ａと、第２管路としての排気副通路５１ｂとに分岐し、この排気副通路５１ｂに熱交換器５２を内装したものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態による排気熱回収装置を備えたエンジン冷却系の概略構成図
【図２】同、排気熱回収装置の断面側面図
【図３】同、図２の状態別の断面側面図
【図４】同、図３のIV-IV断面図
【図５】同、排気熱回収装置の駆動系の概略構成図
【図６】第２実施形態による排気熱回収装置の断面側面図
【図７】同、図６の状態別の断面側面図
【図８】第３実施形態による排気熱回収装置の制御系の構成図
【図９】同、排気切換弁と外気遮断弁との切換制御を示すフローチャート
【図１０】第４実施形態による排気熱回収装置の断面側面図
【図１１】図１０のXI-XI断面図
【図１２】第５実施形態による排気熱回収装置を備えた車両の概略構成図
【図１３】同、図６相当の断面図
【図１４】図１３のXIV-XIV断面図
【符号の説明】
【００６６】
１…エンジン、
２…排気管、
１１…エンジン冷却系、
１３…冷却水副通路、
１７…ヒータコア、
２１…排気熱回収装置、
２２，５１…排気連通管、
２２ａ…上流側排気口、
２２ｂ…下流側排気口、
２３…排気熱交換部、
２３ａ…流入ポート、
２３ｂ…流出ポート、
２４…外筒管、
２４ａ…開口部、
２５…インナ部材、
２６…アウタ部材、
２７ａ…排気バイパス通路、
２７ｂ…熱交換通路、
２８，５３…排気切換弁、
２９…断熱空間、
３０…サーモアクチュエータ、
３０ｂ…サーモワックス、
３０ｃ…ロッド、
３１…外気遮断弁、
３５ａ，３５ｂ…リンク機構、
４２…水温センサ、
４３…排気用アクチュエータ、
４４…外気用アクチュエータ、
５１ａ…排気本通路、
５１ｂ…排気副通路、
５２…熱交換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスの熱を利用して始動後の冷却水温を早期に昇温させるようにした排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気ガスの熱（以下、「排気熱」と称する）をエンジン冷却水にて回収し、回収した熱をエンジン及び空調システムのヒータに循環させることでエンジンの早期暖機完了、及び車室内の暖房を補う排気熱回収装置が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１（特開２００１−３０７４１号公報）には、排気管に分岐管をバイパス接続し、この分岐管に、エンジン冷却水が流通する熱交換器を配設し、更に、この分岐管の上流に開閉弁を設け、熱交換器の温度が所定値よりも高くなった場合、この分岐管を閉じて、熱交換器に対する排気ガスの供給を遮断し、熱交換器の異常過熱を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３０７４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般に、車体前部にエンジンが搭載されている車両では、このエンジンから延出する排気管が、車体フロア下面を通り後方へ導かれている。従って、排気管は外気に常時晒されているため、排気熱は排気管から外部に放熱される。特に、走行時おいては、走行風により冷却されるため、熱ロスが生じ、エンジン冷却水による排気熱の回収効率が低下してしまう問題がある。
【０００５】
この対策として、排気管の周囲に断熱空間を形成して熱ロスの発生を抑制することも考えられる。しかし、暖機完了後の排気熱は高温化しており、この排気熱によってエンジン冷却水が却って過熱されてしまう不都合がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑み、エンジン冷却水温が低い場合は、このエンジン冷却水に排気熱を効率よく回収させて昇温を促進させると共に、排気熱が高温化した場合は、エンジン冷却水の昇温を抑制させることのできる排気熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明による排気熱回収装置は、排気ガスが流通する第１管路と、前記第１管路をバイパスする第２管路と、エンジン冷却水の温度が低い場合、前記第１管路を閉塞して前記排気ガスを前記第２管路へ導く第１弁体と、前記第２管路に隣接して配設されていると共にエンジン冷却水が流通する熱交換部と、前記熱交換部の外周を覆う外筒管と、前記外筒管と前記熱交換部との間に形成される断熱空間を、前記第１弁体に連動し、該第１弁体が前記第１管路を閉塞した際に遮断し、該第１弁体が前記第１管路を開放した際に開放する第２弁体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱交換部の外周を覆う外筒管と熱交換部との間に形成される断熱空間を、第１管路を開閉する第１弁体に連動して動作する第２弁体で開閉させるようにしたので、エンジン冷却水温が低い場合は、第２弁体を遮断することで、断熱空間に対する外気の導入が抑制され、エンジン冷却水に対して排気熱を効率よく回収させることができる。一方、エンジン冷却水温が所定温度以上に達した場合は、第２弁体を開放することで、断熱空間に外気が流入され、エンジン冷却水の昇温を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
【００１０】
［第１実施形態］
図１〜図５に本発明の第１実施形態を示す。図１に排気熱回収装置を備えたエンジン冷却系の概略構成図を示す。
【００１１】
同図の符号１はエンジンであり、図示しない車両の前部に配設されている。又、このエンジン１から延出する排気管２が車体後部側へ車体フロアの底面に沿って延出されている。尚、符号３はマフラである。
【００１２】
又、符号１１はエンジン冷却系であり、エンジン冷却水（以下、単に「冷却水」と称する）主通路１２とエンジン冷却水通路としての冷却水副通路１３とを備えている。冷却水主通路１２は、エンジン１に形成されているウォータジャケット１ａの上流端と下流端に循環接続されており、ラジエータ１４が介装されていると共に、このラジエータ１４の下流側にウォータポンプ１５が介装されている。尚、本実施形態では、ウォータポンプ１５としてエンジン駆動式を採用しているが、このウォータポンプ１５はモータ駆動式であっても良い。
【００１３】
更に、このウォータポンプ１５とラジエータ１４との間にサーモスタットバルブ１６が介装されている。又、冷却水副通路１３は、その下流端が、冷却水主通路１２のサーモスタットバルブ１６とウォータポンプ１５との間に連通され、又、上流端が冷却水主通路１２のラジエータ１４の上流側に分岐接続されている。サーモスタットバルブ１６は、冷却水温度が設定温度以下の場合、閉弁して、冷却水主通路１２を循環する冷却水を遮断し、一方、冷却水温度が設定温度以上の場合は開弁して、冷却水を冷却水主通路１２側へも循環させる。尚、符号１４ａはラジエータファンである。
【００１４】
この冷却水副通路１３に受熱手段としてのヒータコア１７が介装されている。このヒータコア１７は、冷却水副通路１３を流れる冷却水の熱を熱源として、車室内へ供給する空気を暖めるもので、空調装置の空気ダクト内に配設されて、この空気ダクト内を通過して車室内に供給される内気或いは外気を暖めるものである。
【００１５】
更に、冷却水副通路１３のヒータコア１７の下流側に排気熱回収装置２１が配設されている。この排気熱回収装置２１は、排気管２を流れる排気ガスの熱（排気熱）と冷却水の温度（冷却水温）との温度差を利用して熱交換するものである。例えば冷態始動後の暖機運転において、排気ガスは冷却水よりも早期に温度上昇する。そのため、この排気熱回収装置２１にて排気熱を冷却水に回収させることで、冷却水の温度上昇を促進させることができる。
【００１６】
図２〜５に示すように、排気熱回収装置２１は、その中央に、第１管路としての排気連通管２２を有し、その外周に排気熱交換器２３が設けられ、更に、その外周に外筒管２４が配設されている。排気連通管２２は排気管２の中途に介装されて、その両端が排気管２に気密状体で接合されている。又、排気熱交換器２３は、インナ部材２５とアウタ部材２６とを重ね合わせた二重構造を有しており、両部材２５，２６は鉄等の伝熱性材料で形成されている。尚、図において、排気ガスは、図の左側から右側へ流れる。従って、図の左側が上流となる。
【００１７】
インナ部材２５は排気連通管２２の外周を囲繞する円筒状に形成されており、その両端が絞られて排気連通管２２に対し、溶接等の手段により気密を保持した状態で固設されている。又、アウタ部材２６はインナ部材２５の外周に配設されており、その両端が絞られて、インナ部材２５の両端部に対し、溶接等の手段により気密を保持した状態で固設されている。このインナ部材２５の内壁と排気管２の外周とで囲まれた空間に、第２管路としての排気バイパス通路２７ａが円環状に形成され、又、インナ部材２５の外壁とアウタ部材２６の内壁とで囲まれた空間に熱交換部としての熱交換通路２７ｂが円環状に形成されている。尚、排気熱交換器２３は一体成形品であっても良い。
【００１８】
又、排気バイパス通路２７ａの上流側と下流側に位置する排気連通管２２に、上流側排気口２２ａと下流側排気口２２ｂとが形成されている。この両排気口２２ａ，２２ｂは、排気連通管２２の外周に沿って帯状に形成された複数のパンチング孔で構成されている。
【００１９】
更に、排気連通管２２の両排気口２２ａ，２２ｂ間にバタフライ状に形成された第１弁体としての排気切換弁２８が配設されている。この排気切換弁２８は回転軸２８ａを中心に、この回転軸２８ａと一体に回転し、この排気切換弁２８にて排気連通管２２が閉塞されると、図２の矢印Ｂで示すように、排気連通管２２に流入された排気ガスは、上流側排気口２２ａから排気バイパス通路２７ａへ流入し、排気切換弁２８の下流側排気口２２ｂから排気連通管２２側へ流出する。一方、図３に示すように、排気切換弁２８が全開状態になると、殆どの排気ガスは矢印Ｂで示すよう排気連通管２２を流れる。
【００２０】
更に、この排気連通管２２、及び排気熱交換器２３を覆う外筒管２４は、その両側が車体の前後方向に開口され、前部開口端及び後部開口端から内方へやや入り込んだ位置が排気連通管２２に対し、ステー２９ａ，２９ｂを介して支持されて、外筒管２４の内壁と排気連通管２２及び排気熱交換器２３の外壁との間に断熱空間２９が形成されている。
【００２１】
又、排気熱交換器２３の外周の上流側と下流側とに、熱交換通路２７ｂに連通する流入ポート２３ａと流出ポート２３ｂとが突設されており、この両ポート２３ａ，２３ｂが外筒管２４を貫通して、この外筒管２４の外周に突出されている。更に、この各ポート２３ａ，２３ｂが、冷却水副通路１３の中途に接続されて、熱交換通路２７ｂが冷却水副通路１３の一部を構成している。従って、図１、及び図２、図３の矢印Ｂで示すように、ヒータコア１７から流出した冷却水は、流入ポート２３ａから熱交換通路２７ｂ内に流入し、流出ポート２３ｂから下流側の冷却水副通路１３に吐出される。
【００２２】
この流出ポート２３ｂに接続されている冷却水副通路１３に、サーモアクチュエータ３０が固設されている。このサーモアクチュエータ３０に、冷却水副通路１３に連通する冷却水導入通路３０ａが形成されており、この冷却水導入通路３０ａを通過する冷却水によって、このサーモアクチュエータ３０に内蔵するサーモワックス（例えばパラフィンワックス）３０ｂが熱膨張或いは熱収縮する。そして、このサーモワックス３０ｂの熱膨張或いは熱収縮を利用して、サーモアクチュエータ３０に設けられているロッド３０ｃ（図５参照）が進退動作する。
【００２３】
又、外筒管２４の上流端に形成した開口部２４ａが拡径されており、この開口部２４ａに位置する排気連通管２２の外周に、第２弁体としての外気遮断弁３１のハブ３１ａが進退自在に支持されている。更に、外筒管２４の拡径された開口部２４ａの基部側内周にストッパ３２が固設されている。このストッパ３２は、外気遮断弁３１の下流方向への移動を規制すると共に、このストッパ３２に外気遮断弁３１の外縁を当接させることで、断熱空間２９への外気の流入が遮断される。又、この外気遮断弁３１とステー２９ａとの間にリターンスプリング３３が介装されており、図３に示すように、外気遮断弁３１はリターンスプリング３３にて開放方向へ常時付勢されている。
【００２４】
又、図５に示すように、排気切換弁２８の回転軸２８ａに固設されている動作レバー３４がリンク機構３５ａを介してサーモアクチュエータ３０のロッド３０ｃに連設されている。更に、外気遮断弁３１のハブ３１ａがリンク機構３５ｂを介してサーモアクチュエータ３０に設けられてるロッド３０ｃに連設されている。従って、この動作レバー３４と外気遮断弁３１とは互いに連動して開閉動作される。
【００２５】
上述したように、サーモアクチュエータ３０のロッド３０ｃは内蔵するサーモワックス３０ｂの熱膨張或いは熱収縮によって進退動作するもので、冷却水温が低く、サーモワックス３０ｂが熱収縮すると、ロッド３０ｃが後退する。すると、このロッド３０ｃに連設するリンク機構３５ａ，３５ｂを介して動作レバー３４、外気遮断弁３１が各々引かれ、排気切換弁２８、外気遮断弁３１が互いに閉弁動作される。一方、冷却水温が高くなり、サーモワックス３０ｂが熱膨張すると、リンク機構３５ａを介して動作レバー３４が押され、又、外気遮断弁３１に対する引き力が解除されて、排気切換弁２８、外気遮断弁３１が互いに開弁動作される。
【００２６】
次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。長時間放置した後の始動時等、エンジン１が冷えた状態では、当然冷却水も冷えているため、排気熱回収装置２１の下流側に設けられているサーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂは熱収縮し、このサーモワックス３０ｂの動作に連動するロッド３０ｃが後退している。
【００２７】
従って、このロッド３０ｃにリンク機構３５ａを介して連設されている動作レバー３４が、排気切換弁２８を図５の時計回り方向へ回転させているため、この排気切換弁２８によって排気連通管２２が閉塞されている。更に、このロッド３０ｃにリンク機構３５ｂを介して連設されている外気遮断弁３１がリターンスプリング３３の付勢力に抗して引かれているため、その外周縁がストッパ３２に当接されて、断熱空間２９が遮断されている（図２参照）。
【００２８】
そして、運転者がスタータスイッチ（図示せず）をＯＮして、エンジン１を起動させると、ウォータポンプ１５が駆動し冷却水が循環する。その際、冷却水が冷えているため、サーモスタットバルブ１６は閉弁しており、従って、冷却水の大部分は冷却水副通路１３側を循環する。冷却水副通路１３の中途には排気熱回収装置２１の熱交換通路２７ｂが介装されており、冷却水副通路１３を循環する冷却水は、図２に矢印Ａで示すように熱交換通路２７ｂを通過して循環される。
【００２９】
エンジン１から排出される排気ガスは、排気管２を通り、マフラ３を経て放出される。排気管２の中途には、排気熱回収装置２１に設けられている排気連通管２２が一体化された状態で介装されており、この排気連通管２２が、上述したように排気切換弁２８によって閉塞されているため、エンジン１から排出された排気ガスは、図２に矢印Ｂで示すように、排気切換弁２８の手前に開口されている上流側排気口２２ａから排気連通管２２の外周に形成されている排気バイパス通路２７ａに流入し、この排気バイパス通路２７ａを通り、排気切換弁２８の下流側に開口されている下流側排気口２２ｂを経て排気連通管２２に戻される。
【００３０】
エンジン１を始動した後の排気ガスの温度は、冷却水の温度よりも早く上昇するため、差温が発生し、排気バイパス通路２７ａを流れる排気ガスの熱により、この排気バイパス通路２７ａに対してインナ部材２５を介して隔絶されている熱交換通路２７ｂを流れる冷却水が加温される。その結果、冷却水が早期に昇温され、暖機時間が短縮されると共に、ヒータコア１７の発熱が促進されて車室内の暖房に供することができる。
【００３１】
更に、排気熱交換器２３と、その外周に配設されている外筒管２４との間に形成されている断熱空間２９の上流が外気遮断弁３１にて閉塞されているため、例えば、暖機運転中に車両が走行しても、この断熱空間２９を外気が流通しないので断熱状態が保持され、排気熱を冷却水に効率よく回収させることができ、冷却水の昇温を一層促進させることができる。
【００３２】
その後、冷却水温が更に上昇してサーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱膨張すると、このサーモワックス３０ｂに連動するロッド３０ｃが次第に突出し、このロッド３０ｃに各リンク機構３５ａ，３５ｂを介して連設する排気切換弁２８、外気遮断弁３１が次第に開弁される。そして、冷却水温が所定温度（例えば７５〜８５[℃]）に達すると、図３に示すように、排気切換弁２８及び外気遮断弁３１が全開となる。
【００３３】
その結果、図３に矢印Ｂで示すように、大部分の排気ガスは、排気連通管２２を通り外部へ排出される。又、外気遮断弁３１が開弁しているので、矢印Ｃで示すように、外気が外筒管２４に形成した開口部２４ａと外気遮断弁３１との間を抜けて、断熱空間２９に導入される。そのため、排気熱が高温化しても、その熱が断熱空間２９にこもることが無く、冷却水の高温化を抑制することができる。従って、走行中においては、断熱空間２９を流れる外気によって冷却水、及び排気ガスをより効率的に冷却することができる。
【００３４】
このように、本実施形態では、冷態始動及び始動後の暖機運転において、サーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱収縮している状態では、排気熱回収装置２１の排気切換弁２８が排気連通管２２を遮断して、排気ガスを排気バイパス通路２７ａ側へ導くと共に、外気遮断弁３１を閉弁させて断熱空間２９を遮断するようにしたので、排気バイパス通路２７ａを流れる排気ガスにより冷却水を効率よく昇温させることができる。
【００３５】
又、冷却水が所定温度まで昇温した後は、排気切換弁２８が排気連通管２２を連通させ、且つ外気遮断弁３１が開弁して、断熱空間２９に外気が導入されるため、冷却水の昇温を抑制することができる。
【００３６】
更に、本実施形態では、排気切換弁２８、外気遮断弁３１の動作を、熱交換通路２７ｂの下流側に配設したサーモアクチュエータ３０の動作により機械的に制御しているため、これらをユニット化することで、既存の車両に対しても比較的簡単に取付けることができ、高い汎用性を得ることができる。
【００３７】
［第２実施形態］
図６、図７に本発明の第２実施形態を示す。上述した第１実施形態では、排気熱回収装置２１に設けられている外気遮断弁３１を、外筒管２４の上流側に配設したが、本実施形態では外気遮断弁３１を断熱空間２９の下流側に配設したものである。
【００３８】
すなわち、本実施形態による外筒管２４は、第１実施形態の外筒管２４を、排気連通管２２に対し、上流側と下流側とを逆にして配設したものであり、作用効果は、上述した第１実施形態と同一である。
【００３９】
［第３実施形態］
図８、図９に本発明の第３実施形態を示す。上述した第１、第２実施形態では、排気熱回収装置２１の排気切換弁２８と外気遮断弁３１との開閉動作をサーモアクチュエータ３０を用いて機械的に開閉動作させているが、本実施形態では、この両弁２８，３１を電子的に制御するようにしたものである。尚、排気熱回収装置２１の構成は、第１、第２実施形態のサーモアクチュエータ３０に代えて水温センサ４２を配設し、又、各リンク機構３５ａ，３５ｂを省略し、更に、各弁２８，３１に排気用電動アクチュエータ４３と外気用電動アクチュエータ４４とを連設して、各弁２８，３１を電動アクチュエータ４３，４４により動作させるようにしたものである。
【００４０】
電子制御装置（ＥＣＵ）４１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを主体に構成されており、ＲＯＭには、制御プログラムや固定データ等が記憶されている。ＥＣＵ４１では、水温センサ４２で検出した、熱交換通路２７ｂに連通する流出ポート２３ｂ側から吐出する冷却水温に基づき、両電動アクチュエータ４３，４４に動作信号を出力する。
【００４１】
このＥＣＵ４１で実行される各電動アクチュエータ４３，４４の制御は、具体的には、図９に示すフローチャートに従って実行される。
【００４２】
このフローチャートは、予め設定した演算周期毎に実行され、先ず、ステップＳ１で水温センサ４２で検出した冷却水温と予め設定した暖機完了温度とを比較し、暖機完了か否かを調べる。そして、冷却水温が暖機完了温度以下の暖機中と判定したときは、ステップＳ２へ進み、排気切換弁２８を閉弁させる閉信号を出力した後、ステップＳ３へ進み、外気遮断弁３１を閉弁させる閉信号を出力した後、ルーチンを抜ける。
【００４３】
尚、本実施形態で採用する排気切換弁２８は、図示しないリターンスプリングにより開弁方向へ常時付勢されており、一方、外気遮断弁３１はリターンスプリング３３の付勢力で開弁方向へ常時付勢されている。従って、この排気切換弁２８は、排気用電動アクチュエータ４３がＯＦＦで全開となり、ＯＮで全閉となる。又、外気遮断弁３１は外気用電動アクチュエータ４４がＯＦＦで全開となり、ＯＮで全閉となる。
【００４４】
ＥＣＵ４１から出力される閉信号（ＯＮ信号）は、排気用電動アクチュエータ４３と外気用電動アクチュエータ４４とに通電され、この各電動アクチュエータ４３，４４が動作して、排気切換弁２８と外気遮断弁３１とが閉弁動作される（図２、図６の状態）。
【００４５】
一方、ステップＳ１で、冷却水温が暖機完了温度を超過した暖機完了と判定したときは、ステップＳ４へ進み、排気切換弁２８を開弁させる開信号を出力した後、ステップＳ５へ進み、外気遮断弁３１を開弁させる開信号を出力して、ルーチンを抜ける。
【００４６】
ＥＣＵ４１から排気用電動アクチュエータ４３と外気用電動アクチュエータ４４とに開信号（ＯＦＦ信号）が出力されると、この両電動アクチュエータ４３，４４に対する通電が遮断され、排気切換弁２８がリターンスプリング（図示せず）の付勢力で全開状態となり、更に外気遮断弁３１がリターンスプリング３３の付勢力で開放状態となる（図３、図７の状態）。尚、各弁２８，３１の全閉状態、或いは全開状態における排気ガス、及び断熱空間２９の外気の流れ、及び冷却水の温度変化は、上述した第１、第２実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４７】
本実施形態によれば、排気切換弁２８と外気遮断弁３１との開閉を、水温センサ４２で検出した冷却水温に応じて開閉動作させるようにしたので、この両弁２８，３１の開閉を冷却水温に応じて正確に制御することができる。更に、両弁２８，３１の開閉時期を車種毎に微調整することができる。
【００４８】
尚、本実施形態では、排気切換弁２８と外気遮断弁３１とを異なる電動アクチュエータ４３，４４で開閉動作させているが、１つのアクチュエータで両弁２８，３１を開閉動作させるようにしても良い。
【００４９】
［第４実施形態］
図１０、図１１に本発明の第４実施形態を示す。上述した第１〜第３実施形態では、排気管２に一体化されている排気連通管２２の外周に排気熱交換器２３を円環状に形成したが、本実施形態では、排気管２の中途に一体化されている排気連通管５１を、第１管路としての排気本通路５１ａと、第２管路としての排気副通路５１ｂとに分岐し、この排気副通路５１ｂに、熱交換部としての熱交換器５２を内装したものである。更に、この排気連通管２２の外周に、第１、第２実施形態と同様、外筒管２４が配設され、この外筒管２４と排気連通管２２との間に断熱空間２９が形成されて、この断熱空間２９が外気遮断弁３１によって開閉自在にされている。尚、この外気遮断弁３１の構成は上述した第１実施形態と同一である。
【００５０】
又、熱交換器５２の流入ポート５２ａと流出ポート５２ｂとが、冷却水副通路１３の中途に接続され、冷却水は熱交換器５２を通り、冷却水副通路１３を循環する。更に、この排気連通管２２の排気本通路５１ａと排気副通路５１ｂとの上流側の分岐部に、第１弁体としての排気切換弁５３が配設されている。この排気切換弁５３の基部に設けた回転軸５３ａに固設されているレバー（図示せず）及び外気遮断弁３１が、第１実施形態と同様、リンク機構３５ａ，３５ｂ（図５参照）を介してサーモアクチュエータ３０のロッド３０ｃに連設されている。
【００５１】
エンジン１（図１参照）が冷えた状態では、サーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱収縮しているため、このサーモワックス３０ｂに連動するロッド３０ｃがリンク機構３５ａ，３５ｂを介して、排気切換弁５３の回転軸５３ａに固設されているレバー及び外気遮断弁３１を引いている。その結果、図１０に示すように、排気切換弁５３が、排気本通路５１ａの流入口を閉塞していると共に排気副通路５１ｂの流入口を開口している。
【００５２】
そして、運転者がスタータスイッチ（図示せず）をＯＮして、エンジン１を起動させると、ウォータポンプ１５の駆動により冷却水の大部分が冷却水副通路１３（図１参照）を循環する。
【００５３】
一方、エンジン１の排気ガスは排気連通管２２の排気本通路５１ａが閉塞されているため、矢印Ｂで示すように、排気副通路５１ｂを経てマフラ３（図１参照）の方向へ流出される。冷却水副通路１３を循環する冷却水は、熱交換器５２に対し、矢印Ａで示すように、熱交換器５２の流入ポート５２ａから入り、流出ポート５２ｂから吐出される。排気ガスの温度上昇は冷却水よりも早いため、熱交換器５２を通過する冷却水は排気熱を回収して昇温されて、暖機時間の短縮が図れる。
【００５４】
尚、この場合、外気遮断弁３１が断熱空間２９を閉塞しているため、排気副通路５１ｂを流れる排気ガスの熱の大気への不必要な放熱が抑制され、冷却水を効率よく昇温させることができる。
【００５５】
その後、冷却水温が更に上昇して、サーモアクチュエータ３０のサーモワックス３０ｂが熱膨張し、ロッド３０ｃが突出すると、リンク機構３５ａを介して排気切換弁５３が、図の一点鎖線で示すように、排気副通路５１ｂを閉塞すると共に、排気本通路５１ａを開放する。その結果、排気ガスは排気本通路５１ａを通過して外部へ排出される。同時に、リンク機構３５ｂを介して外気遮断弁３１が開弁し、外気が断熱空間２９に導入される。従って、断熱空間２９に熱がこもることが無く、冷却水が不必要に加熱されることがない。
【００５６】
このように、本実施形態では、排気副通路５１ｂに熱交換器５２を内装して、排気ガスを直接通過させるようにしたので、冷却水に排気熱をより効率よく回収させることができる。尚、この熱交換器５２として既存のものを採用すれば、コスト低減を実現することができる。
【００５７】
又、本実施形態では、１つのリンク機構で排気切換弁５３と外気遮断弁３１とを開閉動作させるようにしても良い。更に、排気切換弁５３を、排気連通管２２の下流側の排気本通路５１ａと排気副通路５１ｂとの合流部分に配設するようにしても良い。同様に、外気遮断弁３１を外筒管２４の下流側に配設するようにしても良い。
【００５８】
［第５実施形態］
図１２〜図１４に本発明の第５実施形態を示す。本実施形態は上述した第２実施形態の変形例である。尚、第２実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
第２実施形態では、排気熱交換器２３の外周から外部に突出されている流入ポート２３ａと流出ポート２３ｂとに対して冷却水副通路１３の中途を接続しただけの構造であるが、本実施形態では、この流入ポート２３ａと流出ポート２３ｂとに接続するエンジン冷却水通路としての冷却水副通路１３の一部、具体的には、排気熱交換器２３の流入ポート２３ａに接続されている冷却水副通路１３の直上流と流出ポート２３ｂに接続されている冷却水副通路１３の直下流とを、外筒管２４と排気連通管２２との間に形成されている断熱空間２９に挿通して排気管２の上流方向へ導くようにしたものである。
【００６０】
すなわち、排気熱交換器２３の外筒管２４の車体前部方向の開口端２９ｃ（図１２参照）側がエンジン１側へ排気管２に沿って延出されている。又、両ポート２３ａ，２３ｂに接続されている冷却水副通路１３は、両ポート２３ａ，２３ｂに接続されている直近の部分が断熱空間２９に挿通されている。そして、この断熱空間２９に挿通された冷却水副通路１３が、排気管２に沿ってエンジン１側へ延出され、開口端２９ｃから外部に露呈されている。
【００６１】
外筒管２４は、断熱空間２９に２本の冷却水副通路１３が収容可能な断面形状に形成されており、図１４に示すように、本実施形態では、断面舟形形状に形成され、その船尾側に２本の冷却水副通路１３が、排気管２に沿って収容されている。
【００６２】
尚、排気切換弁２８と外気遮断弁３１との開閉動作は、第２実施形態と同一であるため説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、排気熱交換器２３に形成されている断熱空間２９に冷却水副通路１３を挿通したので、暖機運転時における冷却水副通路１３を流れる冷却水の放熱が抑制されると共に、排気管を流れる排気ガスからの熱を冷却水にて受熱されるので、冷却水温をより早期に昇温させることができる。又、冷却水温が所定温度（例えば７５〜８５[℃]）に達すると、外気遮断弁３１が全開となり、断熱空間２９に外気が導入されるため、冷却水が必要以上に昇温されてしまうことはない。
【００６４】
その結果、本実施形態によれば、上述した第２実施形態に比し、暖機運転時においては冷却水をより効率よく昇温させることができる。尚、排気熱交換部２３は、第４実施形態に示すような排気管２の中途に一体化されている排気連通管５１を排気本通路５１ａと、第２管路としての排気副通路５１ｂとに分岐し、この排気副通路５１ｂに熱交換器５２を内装したものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】第１実施形態による排気熱回収装置を備えたエンジン冷却系の概略構成図
【図２】同、排気熱回収装置の断面側面図
【図３】同、図２の状態別の断面側面図
【図４】同、図３のIV-IV断面図
【図５】同、排気熱回収装置の駆動系の概略構成図
【図６】第２実施形態による排気熱回収装置の断面側面図
【図７】同、図６の状態別の断面側面図
【図８】第３実施形態による排気熱回収装置の制御系の構成図
【図９】同、排気切換弁と外気遮断弁との切換制御を示すフローチャート
【図１０】第４実施形態による排気熱回収装置の断面側面図
【図１１】図１０のXI-XI断面図
【図１２】第５実施形態による排気熱回収装置を備えた車両の概略構成図
【図１３】同、図６相当の断面図
【図１４】図１３のXIV-XIV断面図
【符号の説明】
【００６６】
１…エンジン、
２…排気管、
１１…エンジン冷却系、
１３…冷却水副通路、
１７…ヒータコア、
２１…排気熱回収装置、
２２，５１…排気連通管、
２２ａ…上流側排気口、
２２ｂ…下流側排気口、
２３…排気熱交換部、
２３ａ…流入ポート、
２３ｂ…流出ポート、
２４…外筒管、
２４ａ…開口部、
２５…インナ部材、
２６…アウタ部材、
２７ａ…排気バイパス通路、
２７ｂ…熱交換通路、
２８，５３…排気切換弁、
２９…断熱空間、
３０…サーモアクチュエータ、
３０ｂ…サーモワックス、
３０ｃ…ロッド、
３１…外気遮断弁、
３５ａ，３５ｂ…リンク機構、
４２…水温センサ、
４３…排気用アクチュエータ、
４４…外気用アクチュエータ、
５１ａ…排気本通路、
５１ｂ…排気副通路、
５２…熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスが流通する第１管路と、
前記第１管路をバイパスする第２管路と、
エンジン冷却水の温度が低い場合、前記第１管路を閉塞して前記排気ガスを前記第２管路へ導く第１弁体と、
前記第２管路に隣接して配設されていると共にエンジン冷却水が流通する熱交換部と、
前記熱交換部の外周を覆う外筒管と、
前記外筒管と前記熱交換部との間に形成される断熱空間を、前記第１弁体に連動し、該第１弁体が前記第１管路を閉塞した際に遮断し、該第１弁体が前記第１管路を開放した際に開放する第２弁体と
を備えることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記第２管路が前記第１管路の外周に形成され、
前記第２管路の外周に前記熱交換部が配設されている
ことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記第２管路が前記第１管路に隣接して設けられ、
前記第２管路内に前記熱交換部が配設されている
ことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
【請求項４】
前記外筒管の両端が車体の前後方向に開口されており、
前記第２弁体が前記外筒管の前部開口端と後部開口端との一方に配設されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項５】
前記第１弁体と前記第２弁体とが、前記エンジン冷却水の温度で熱膨張或いは熱収縮するサーモワックスを有するサーモアクチュエータにて駆動される
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項６】
前記第１弁体と前記第２弁体とを開閉動作させる電動アクチュエータと、
前記電動アクチュエータを動作させる制御手段と、
前記エンジン冷却水の温度を検知する水温センサと
を備え、
前記制御手段は前記水温センサで検出した前記エンジン冷却水温が設定温度以下の低温と判定した場合、前記電動アクチュエータに前記第１弁体と第２弁体とを閉弁させる信号を出力する
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項７】
前記熱交換部に接続されて前記エンジン冷却水を流通させるエンジン冷却水通路の少なくとも一部が前記断熱空間に挿通されている
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項１】
排気ガスが流通する第１管路と、
前記第１管路をバイパスする第２管路と、
エンジン冷却水の温度が低い場合、前記第１管路を閉塞して前記排気ガスを前記第２管路へ導く第１弁体と、
前記第２管路に隣接して配設されていると共にエンジン冷却水が流通する熱交換部と、
前記熱交換部の外周を覆う外筒管と、
前記外筒管と前記熱交換部との間に形成される断熱空間を、前記第１弁体に連動し、該第１弁体が前記第１管路を閉塞した際に遮断し、該第１弁体が前記第１管路を開放した際に開放する第２弁体と
を備えることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記第２管路が前記第１管路の外周に形成され、
前記第２管路の外周に前記熱交換部が配設されている
ことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記第２管路が前記第１管路に隣接して設けられ、
前記第２管路内に前記熱交換部が配設されている
ことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
【請求項４】
前記外筒管の両端が車体の前後方向に開口されており、
前記第２弁体が前記外筒管の前部開口端と後部開口端との一方に配設されている
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項５】
前記第１弁体と前記第２弁体とが、前記エンジン冷却水の温度で熱膨張或いは熱収縮するサーモワックスを有するサーモアクチュエータにて駆動される
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項６】
前記第１弁体と前記第２弁体とを開閉動作させる電動アクチュエータと、
前記電動アクチュエータを動作させる制御手段と、
前記エンジン冷却水の温度を検知する水温センサと
を備え、
前記制御手段は前記水温センサで検出した前記エンジン冷却水温が設定温度以下の低温と判定した場合、前記電動アクチュエータに前記第１弁体と第２弁体とを閉弁させる信号を出力する
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【請求項７】
前記熱交換部に接続されて前記エンジン冷却水を流通させるエンジン冷却水通路の少なくとも一部が前記断熱空間に挿通されている
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の排気熱回収装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１６３８９９（Ｐ２０１０−１６３８９９Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０５６（Ｐ２００９−５０５６）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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