JP2002097946A - 内燃機関の廃熱回収装置 - Google Patents

内燃機関の廃熱回収装置

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JP2002097946A
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恒雄 遠藤
Masashi Shinohara
雅志 篠原
Hiroyuki Tanaka
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の排気ガスからの廃熱回収効率を確
保しながら、排気弁の直下流の高温の排気通路を効果的
に冷却する。 【解決手段】 内燃機関の排気通路３３に排気ガスの流
れ方向上流側から下流側に第２熱交換器Ｈ２、第５熱交
換器Ｈ５、第４熱交換器Ｈ４、第３熱交換器Ｈ３および
第１熱交換器Ｈ１を順次配置し、作動媒体としての水を
第１熱交換器Ｈ１、第２熱交換器Ｈ２、第３熱交換器Ｈ
３、第４熱交換器Ｈ４および第５熱交換器Ｈ５に順次供
給する。比較的に低温の排気ガスが供給される排気ガス
の流れ方向の最下流の第１熱交換器Ｈ１に最も低温の水
を供給して熱交換効率を高めることができ、しかも第１
熱交換器Ｈ１だけを通過した比較的に低温の水を排気ガ
スの流れ方向の最上流の第２熱交換器Ｈ２に供給して内
燃機関の排気弁２５の直下流の高温部を効果的に冷却す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスとの間で
熱交換する作動媒体が流れる少なくとも３段の熱交換器
を排気通路上に備え、排気ガスの流れ方向の最上流に配
置された熱交換器が排気弁の直下流に位置する内燃機関
の廃熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】実開昭５９−１７４３０８号公報には、
内燃機関の排気ガスで液相作動媒体を加熱して蒸気を発
生させる蒸発器と、蒸発器で発生した蒸気で駆動される
膨張機と、膨張機を通過した蒸気を冷却して液相作動媒
体に戻す凝縮器と、凝縮器からの液相作動媒体を加圧し
て蒸発器に供給する供給ポンプとを備えたランキンサイ
クル装置が記載されている。上記従来のものは、液相作
動媒体としての水を内燃機関の排気管に設けた蒸発器の
内部だけでなく、シリンダヘッドおよびシリンダブロッ
クに形成した冷却通路の内部を通過させて加熱するよう
になっており、これにより内燃機関の廃熱を一層有効に
利用するとともに、シリンダヘッドおよびシリンダブロ
ックを液相作動媒体で冷却して従来のラジエータの廃止
を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで上記従来のも
のは、シリンダヘッドおよびシリンダブロックの冷却通
路を通過して温度上昇した作動媒体を蒸発器に供給する
ため、作動媒体と排気ガスとの温度差が小さくなること
から、蒸発器を通過する作動媒体が排気ガスの熱エネル
ギーを充分に回収することができなくなり、まだ回収で
きる排気ガスの熱エネルギーをそのまま排出することに
なって内燃機関全体としての廃熱回収効率が低下する可
能性がある。
【０００４】排気ガスの熱エネルギーを最大限に回収す
るには、排気ガスおよび作動媒体が相互に逆方向に流れ
るクロスフロー方式を採用することが望ましい。即ち、
排気ガスの温度は熱交換に伴って低下し、作動媒体の温
度は熱交換に伴って上昇するため、作動媒体が蒸発器内
を排気ガスの流れ方向下流側から上流側に向かって流れ
るようにすれば、蒸発器の全域において作動媒体および
排気ガス間の温度差を大きく保って熱交換効率を最大限
に高めることができる。しかしながら、このように構成
すると、内燃機関の排気通路の高温部である排気弁の直
下流位置に達した作動媒体が既に温度上昇しているた
め、前記高温部を充分に冷却することができなくなる可
能性がある。
【０００５】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、内燃機関の排気ガスからの廃熱回収効率を確保しな
がら、排気弁の直下流の高温の排気通路を効果的に冷却
することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば、排気ガスとの
間で熱交換する作動媒体が流れる少なくとも３段の熱交
換器を排気通路上に備え、排気ガスの流れ方向の最上流
に配置された熱交換器が排気弁の直下流に位置する内燃
機関の廃熱回収装置において、作動媒体は先ず排気ガス
の流れ方向の最下流に配置された熱交換器に供給され、
続いて排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交換
器に供給されるように構成したことを特徴とする内燃機
関の廃熱回収装置が提案される。
【０００７】上記構成によれば、少なくとも３段の熱交
換器を排気通路上に備えた内燃機関において、作動媒体
は先ず排気ガスの流れ方向の最下流に配置された熱交換
器に供給され、続いて排気ガスの流れ方向の最上流に配
置された熱交換器に供給されるので、比較的に低温の作
動媒体を排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交
換器に供給して内燃機関の排気弁の直下流の高温部を効
果的に冷却し、高温となる排気通路およびその周辺のデ
バイスの耐久性を高めることができる。また比較的に低
温の排気ガスが供給される排気ガスの流れ方向の最下流
に配置された熱交換器に最も低温の作動媒体が供給され
るので、排気ガスおよび作動媒体の温度差を確保してま
だ回収できる排気ガスの熱エネルギーを無駄なく回収
し、熱交換効率を高めることができる。その結果、内燃
機関の排気ガスからの廃熱回収効率を確保しながら、排
気弁の直下流の高温の排気通路を効果的に冷却すること
ができる。
【０００８】尚、実施例の第１段熱交換器Ｈ１は本発明
の排気ガスの流れ方向の最下流に配置された熱交換器に
対応し、実施例の第２段熱交換器Ｈ２は本発明の排気ガ
スの流れ方向の最上流に配置された熱交換器に対応す
る。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】図１〜図１２は本発明の一実施例を示すも
ので、図１は内燃機関のシリンダヘッド部の縦断面図、
図２は図１の要部拡大断面図、図３は図２の３−３線矢
視図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図２の５−
５線断面図、図６は図２の要部拡大図、図７は図４の７
部拡大図、図８は図３の８−８線断面図、図９は第５段
熱交換器の伝熱管を示す図、図１０はメタル触媒装置お
よび第４段熱交換器の分解斜視図、図１１は蒸発器の給
水経路を示す模式図、図１２は熱交換器の積算伝熱面積
に対する排気ガス温度および蒸気温度の変化を示すグラ
フである。
【００１１】図１に示すように、内燃機関Ｅは上下に積
層されたシリンダブロック１１、シリンダヘッド１２お
よびヘッドカバー１３を備えており、シリンダブロック
１１に形成したシリンダボア１４にピストン１５が摺動
自在に嵌合する。シリンダヘッド１２に形成された燃焼
室１６にそれぞれ連なる吸気ポート１７および排気ポー
ト１８のうち、吸気ポート１７は従来どおりシリンダヘ
ッド１２の内部に穿設されているが、排気ポート１８は
別部材で構成されてシリンダヘッド１２に結合される。
【００１２】吸気弁孔１９を開閉する吸気弁２０のステ
ム２１の上端は、吸気ロッカーアーム軸２２に枢支され
た吸気ロッカーアーム２３の一端に当接し、排気弁孔２
４を開閉する排気弁２５のステム２６の上端は、排気ロ
ッカーアーム軸２７に枢支された排気ロッカーアーム２
８の一端に当接する。そして図示せぬクランクシャフト
に連動して回転するカムシャフト２９に設けた吸気カム
３０および排気カム３１に前記吸気ロッカーアーム２３
の他端および排気ロッカーアーム２８の他端が当接する
ことにより、吸気弁２０および排気弁２５が開閉駆動さ
れる。
【００１３】シリンダヘッド１２の排気側の側面には蒸
発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃが設けられる。以下、
図２〜図１１に基づいて蒸発器一体型の排気ガス浄化装
置Ｃの構造を説明する。
【００１４】蒸発器は内燃機関Ｅの排気ガスを熱源とし
て温度および圧力を上昇させた蒸気を発生させるもの
で、排気ポート１８を基端として排気管３２に連なる排
気通路３３と、この排気通路３３中に配置されて排気ガ
スとの間で熱交換を行う熱交換器Ｈ１〜Ｈ５とを備えて
おり、後述するメタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄは第４段
熱交換器Ｈ４に組み込まれる。
【００１５】排気ポート１８は、排気ガスの長れ方向上
流側に位置して略一定の直径を有する等径部１８ａと、
等径部１８ａの下流側に連設されて直径がラッパ状の拡
径する拡径部１８ｂとからなり、等径部１８ａの外周に
は第２段熱交換器Ｈ２が設けられ、拡径部１８ｂの内部
には第５段熱交換器Ｈ５が設けられる。第２段熱交換器
Ｈ２は、等径部１８ａの外周に約５回転巻き付けられた
１本の伝熱管３４から構成される。第５段熱交換器Ｈ５
は拡径部１８ｂの内部に収納された多段に巻回された１
本の伝熱管３５から構成される。
【００１６】図９を参照すると明らかなように、第５段
熱交換器Ｈ５の伝熱管３５は、排気ポート１８の拡径部
１８ｂの内部形状に沿うようにテーパーした３重コイル
状に巻き付けられており、内層のコイルは後方（図中左
側）から前方（図中右側）に向かって直径を縮小しなが
ら巻かれ、前端で折り返した後の中間層のコイルは前方
から後方に向かって直径を拡大しながら巻かれ、後端で
折り返した後の外層のコイルは後方から前方に向かって
直径を縮小しながら巻かれている。図９（ｂ）に示す水
入口は後述する上流側の第４段熱交換器Ｈ４に接続さ
れ、図９（ｃ）に示す水出口は後述する蒸気排出口９０
に接続される。図９（ａ）に示す丸付数字〜は伝熱
管３５内を水が流れる経路を示している。
【００１７】尚、第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３５を、
排気ポート１８の拡径部１８ｂの内部形状に沿うように
テーパーした３重コイル状に巻き付けたことにより、こ
の拡径部１８ｂを流れる排気ガスに整流作用を与えて流
通抵抗の軽減に寄与することができる。
【００１８】図２、図３および図８に最も良く示される
ように、排気ポート１８の拡径部１８ｂの後端に円板状
の分配通路形成部材４１が結合されており、この分配通
路形成部材４１の後面に別の円板状の分配通路形成部材
４２を結合することにより、両分配通路形成部材４１，
４２間に第２螺旋形分配通路４３が形成される。第２螺
旋形分配通路４３の半径方向内端に前記第５段熱交換器
Ｈ５の伝熱管３５の上流端が接続される。両分配通路形
成部材４１，４２には前記第２螺旋形分配通路４３に沿
うように螺旋形開口４４が形成される。第２螺旋形開口
４４の断面は排気ポート１８の拡径部１８ｂの傾斜に沿
うように出口側が半径方向外側に傾斜しており、その内
部に多数のガイドベーン４５…が傾斜して取り付けられ
る。従って、排気ポート１８の拡径部１８ｂから供給さ
れた排気ガスは、螺旋形開口４４を通過する際に半径方
向外側に拡散しながら旋回流となる。
【００１９】図２、図４〜図６および図１０に最も良く
示されるように、第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段
メタル触媒装置４６Ｄおよび第４段熱交換器Ｈ４の外周
を覆う円筒状ケース４７の前端が前記分配通路形成部材
４２に結合され、また円筒状ケース４７の後端に相互に
重ね合わされた状態で結合された２枚の環状の分配通路
形成部材４８，４９間に第４円形分配通路５０が形成さ
れ、この第４円形分配通路５０にパイプを螺旋形に湾曲
させた第１螺旋形分配通路５１の外端が接続される。直
列に配置された第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メ
タル触媒装置４６Ｄの各々は、表面に排気ガス浄化触媒
を担持した波形の金属担体５２〜５５を４種類の直径を
有する環状に形成し、それらを同心円状に配置して構成
される。図７に拡大して示すように、各段のメタル触媒
装置４６Ａ〜４６Ｄの金属担体５２〜５５の波形の位相
は相互に半ピッチずつずれている。
【００２０】第４段熱交換器Ｈ４は異なる直径を有する
コイル状に巻かれた４本の伝熱管５６〜５９から構成さ
れる（図１０参照）。４本の伝熱管５６〜５９は前記第
１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６
Ｄの４個の金属担体５２〜５５と同心かつ交互に配置さ
れて円筒状ケース４７内に収納される。４本の伝熱管５
６〜５９の下流端は前記第２螺旋形分配通路４３の中間
部に接続され、４本の伝熱管５６〜５９の上流端は前記
第１螺旋形分配通路５１の中間部に接続される。
【００２１】第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタ
ル触媒装置４６Ｄおよび第４段熱交換器Ｈ４の外周を覆
う円筒状ケース４７の半径方向外側に２個の円筒状ケー
ス６０，６１が同軸に配置されており、両円筒状ケース
６０，６１間に第３段熱交換器Ｈ３が環状に配置され
る。第３段熱交換器Ｈ３は、一方向のコイル状に巻かれ
た多数の伝熱管６２…と、他方向のコイル状に巻かれた
多数の伝熱管６３…とが、それらの一部を噛み合わせた
状態で交互に配置されており、これにより空間内の伝熱
管６２…，６３…の配置密度を高めている。而して、第
１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６
Ｄおよび第４段熱交換器Ｈ４の外周は、第３段熱交換器
Ｈ３の伝熱管６２…，６３…によって取り囲まれる。
【００２２】外側の円筒状ケース６０の前端に固定され
た環状の分配通路形成材６４と、この分配通路形成部材
６４の前面に結合された環状の分配通路形成部材６５と
の間に第３円形分配通路６６が形成される。第３段熱交
換器Ｈ３の伝熱管６２…，６３…の上流端は前記第３円
形分配通路６６に接続され、伝熱管６２…，６３…の下
流端は前記第４円形分配通路５０に接続される。第３段
熱交換器Ｈ３の外側を覆う円筒状ケース６０の後端に、
第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４
６Ｄおよび第４段熱交換器Ｈ４の後面を覆う皿状のエン
ドキャップ６７が固定される。
【００２３】蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃの外郭
を構成する着脱自在なカバー７１は、中央に排気管３２
に連なる排気孔７２ａが形成された板状の分配通路形成
部材７２と、この分配通路形成部材７２の前面に結合さ
れた環状の分配通路形成部材７３とを備えており、両分
配通路形成部材７２，７３間に第１円形分配通路７４が
形成される。分配通路形成部材７３から、半径方向外側
に位置する円筒状ケース７５と、半径方向内側に位置す
る円筒状ケース７６とが微小な間隔をもって前方に延び
ており、外側の円筒状ケース７５の前端に設けたフラン
ジ７７が、分配通路形成部材４２に固定した取付板７８
の後端に設けたフランジ７９と重ね合わされてボルト８
０…でシリンダヘッド１２に共締めされる。
【００２４】内側の円筒状ケース７６の前端に環状の分
配通路形成部材８１が固定されており、この分配通路形
成部材８１の前面に環状の分配通路形成部材８２を結合
することにより第２円形分配通路８３が形成される。第
１円形分配通路７４および第２円形分配通路８３は同形
であって前後に向かい合っている。カバー７１の内部に
カップ状に形成された内壁部材８４が収納されており、
この内壁部材８４の外周面と内側の円筒状ケース７６の
内周面との間に第１段熱交換器Ｈ１が配置される。
【００２５】第１段熱交換器Ｈ１は、前記第３段熱交換
器Ｈ３と類似の構造で、一方向のコイル状に巻かれた多
数の伝熱管８５…と、他方向のコイル状に巻かれた多数
の伝熱管８６…とが、それらの一部を噛み合わせた状態
で交互に配置され、これら伝熱管８５…，８６…によっ
て第３段熱交換器Ｈ３の外周が取り囲まれる。伝熱管８
５…，８６…の上流端は第１円形分配通路７４に接続さ
れ、下流端は第２円形分配通路８３に接続される。
【００２６】第２段熱交換器Ｈ２の伝熱管３４、第５段
熱交換器Ｈ５の伝熱管３５、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱
管５６〜５９、第３段熱交換器Ｈ３の伝熱管６２…，６
３…、第１段熱交換器Ｈ１の伝熱管８５…，８６…の材
質は、耐熱性ステンレス鋼（オーステナイト系の、例え
ばＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓや、フェライト系
の、例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４）、あるいはニ
ッケル基耐熱合金が好ましい。尚、伝熱管の結合にはろ
う付けや機械的拘束が好ましい。
【００２７】また第１段メタル触媒装置４６Ａ〜第４段
メタル触媒装置４６Ｄの金属担体５２〜５５としては、
耐熱ステンレス鋼（例えば２０重量％Ｃｒ−５重量％Ａ
ｌフェライト系ステンレス鋼）や、ニッケル基耐熱合金
の金属箔（厚さ０．１ｍｍ以下）が好ましい。
【００２８】図１１を参照すると明らかなように、高圧
蒸気の元となる水が供給される給水口８７が第１円形分
配通路７４に設けられており、第１円形分配通路７４は
第１段熱交換器Ｈ１の多数の伝熱管８５…，８６…を介
して第２円形分配通路８３に連通し、この第２円形分配
通路８３は連通路８８を介して第２段熱交換器Ｈ２の伝
熱管３４の一端に連通する。第２段熱交換器Ｈ２の伝熱
管３４の他端は連通路８９を介して第３円形分配通路６
６に連通し、第３円形分配通路６６は第３段熱交換器Ｈ
３の伝熱管６２…，６３…を介して第４円形分配通路５
０に連通し、第４円形分配通路５０は第１螺旋形分配通
路５１を介して第４段熱交換器Ｈ４の４本の伝熱管５６
〜５９に連通する。第４段熱交換器Ｈ４の４本の伝熱管
５６〜５９は、第２螺旋形分配通路４３と、第５段熱交
換器Ｈ５の伝熱管３５とを介して蒸気排出口９０に連通
する。
【００２９】このように、給水口８７から供給された水
が第１段熱交換器Ｈ１→第２段熱交換器Ｈ２→第３段熱
交換器Ｈ３→第４段熱交換器Ｈ４→第５段熱交換器Ｈ５
を経て蒸気排出口９０に達するまでに、内燃機関Ｅの排
気通路３３を流れる排気ガスとの間で熱交換を行って蒸
気となる。
【００３０】即ち、内燃機関Ｅから出た排気ガスは、排
気ポート１８の等径部１８ａを通過する間に、その等径
部１８ａの外周面に巻き付けた伝熱管３４よりなる第２
段熱交換器Ｈ２との間で熱交換を行う。排気ポート１８
の等径部１８ａから拡径部１８ｂに流入した排気ガス
は、その拡径部１８ｂの内部に収納した３重コイル状の
伝熱管３５よりなる第５段熱交換器Ｈ５に直接接触して
熱交換を行う。排気ポート１８を出た排気ガスは第１段
メタル触媒装置４６Ａ〜第４段メタル触媒装置４６Ｄの
内部を通過して有害成分を浄化され、その際に前記第１
段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄと同心に配置
された伝熱管５６〜５９よりなる第４段熱交換器Ｈ４と
の間で熱交換を行う。
【００３１】第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４
６Ｄおよび第４段熱交換器Ｈ４を通過した排気ガスはエ
ンドキャップ６７に阻止されてＵターンし、一対の円筒
状ケース６０，６１間に配置された伝熱管６２…，６３
…よりなる第３段熱交換器Ｈ３を後方から前方に流れる
間に熱交換され、その後に１８０°方向変換して円筒状
ケース７６および内壁部材８４間に配置された伝熱管８
５…，８６…よりなる第１段熱交換器Ｈ１を前方から後
方に流れる間に熱交換され、最後に分配通路形成部材７
２の排気孔７２ａから排気管３２に排出される。
【００３２】第５段熱交換器Ｈ５を通過した排気ガスは
排気ポート１８の拡径部１８ｂに連なる螺旋形開口４４
を通過する際に半径方向外側に拡散し、かつ螺旋形開口
４４の内部に装着されたガイドベーン４５…によって旋
回流となる。これにより、第１段〜第４段メタル触媒装
置４６Ａ〜４６Ｄの全体に排気ガスを均一に作用させ、
かつ第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄ内に
おける排気ガスの滞留時間を長くして排気ガス浄化効果
を高めることができる。また図７に拡大して示すよう
に、各段のメタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄの金属担体５
２〜５５の波形の位相は相互に半ピッチずつずれている
ため、排気ガスの流れに強い乱流を発生させることがで
きる。これにより、第１段〜第４段メタル触媒装置４６
Ａ〜４６Ｄ内における排気ガスの滞留時間を長くして排
気ガス浄化効果を高めるとともに、隣接する第４段熱交
換器Ｈ４の熱交換効率を高めることができる。
【００３３】また第４段熱交換器Ｈ４の４本の伝熱管５
６〜５９を第１螺旋形分配通路５１および第２螺旋形分
配通路４３の最適な位置に接続することにより、つまり
管長が長い半径方向外側の伝熱管５６の両端を第１螺旋
形分配通路５１の半径方向外側および第２螺旋形分配通
路４３の半径方向内側に接続し、管長が短い内側の伝熱
管５９の両端を第１螺旋形分配通路５１の半径方向内側
および第２螺旋形分配通路４３の半径方向外側に接続す
ることにより、第１、第２螺旋形分配通路５１，４３の
一部の流路長を含む４本の伝熱管５６〜５９の流路長を
できるだけ均一化し、各伝熱管５６〜５９の圧損差を減
少させることができる。
【００３４】また第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ
〜４６Ｄと第４段熱交換器Ｈ４とを相互に熱交換可能に
一体化したので、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ
〜４６Ｄで発生した反応熱を第４段熱交換器Ｈ４で回収
して熱エネルギーの回収効果を高めることができ、しか
も第４段熱交換器Ｈ４を流れる水の流量を制御すること
で、第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄを加
熱して活性化を図ったり、第１段〜第４段メタル触媒装
置４６Ａ〜４６Ｄを冷却して耐久性の向上を図ったりす
ることができる。
【００３５】第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４
６Ｄおよび第４段熱交換器Ｈ４を通過した排気ガスは、
螺旋形のパイプ材で構成された第１螺旋形分配通路５１
を通過する際にも熱交換する。この第１螺旋形分配通路
５１により排気ガスの流れが分散されるため、その後方
の排気ガス折り返し位置にあるエンドキャップ６７にヒ
ートスポットが発生するのを防止し、かつ熱的に厳しい
条件下にあるエンドキャップ６７の保護とエンドキャッ
プ６７からの放熱とを防止することができる。しかも螺
旋形のパイプ材よりなる第１螺旋形分配通路５１は可撓
性を有するため、全長がそれぞれ異なる４本の伝熱管５
６〜５９の熱膨張量の差を吸収することができる。
【００３６】基本的に、排気ガスは内燃機関Ｅ側から排
気管３２側に流れるのに対して、水は排気管３２側から
内燃機関Ｅ側に流れるため、排気ガスおよび水は熱交換
効率が高いクロスフローの状態になる。但し、完全なク
ロスフロー状態を実現するには、第１段熱交換器Ｈ１→
第３段熱交換器Ｈ３→第４段熱交換器Ｈ４→第５段熱交
換器Ｈ５→第２段熱交換器Ｈ２の順序で水を流すことが
必要であるが、本実施例では敢えて第１段熱交換器Ｈ１
→第２段熱交換器Ｈ２→第３段熱交換器Ｈ３→第４段熱
交換器Ｈ４→第５段熱交換器Ｈ５の順序で水を流してい
る。即ち、水は先ず排気ガスの流れ方向の最下流に位置
する第１段熱交換器Ｈ１を通過した後、排気ガスの流れ
方向の最上流に位置する第２段熱交換器Ｈ２に供給さ
れ、そこから排気ガスの流れ方向下流寄りの第３段熱交
換器Ｈ３に戻されるようになっている。
【００３７】このように、排気ガスの流れ方向の最下流
に位置する第５段熱交換器Ｈ５、つまり熱交換を終了し
て温度低下した排気ガスが流れる第５段熱交換器Ｈ５に
熱交換を開始する前の低温の水を供給することにより、
排気ガスおよび水の温度差を確保してまだ回収できる排
気ガスの熱エネルギーを無駄なく回収し、排気ガスから
の廃熱回収効率を高めることができる。また第５段熱交
換器Ｈ５だけを通過した比較的に低温の水を排気弁２５
の直下流に位置する第２段熱交換器Ｈ２に供給すること
により、燃焼室１６から出た直後の高温の排気ガスとの
間で熱交換を行わせ、高温に晒される排気ポート１８や
排気弁２５を充分に冷却して耐久性を高めるとともに、
排気ポート１８および第５段熱交換器Ｈ５の温度を下げ
ることで、放射熱によるサーマルリークを低減させ、ま
た精度維持を必要とする動弁機構等のデバイスに対する
熱的影響を軽減することができる。
【００３８】図１２（ａ），（ｂ）のグラフは、横軸に
給水口８７から測った熱交換器Ｈ１〜Ｈ５の積算伝熱面
積をとり、縦軸に排気ガスおよび水（蒸気）の温度をと
ったものであり、図１２（ａ）は第１段熱交換器Ｈ１→
第３段熱交換器Ｈ３→第４段熱交換器Ｈ４→第５段熱交
換器Ｈ５→第２段熱交換器Ｈ２の順序で水を流す従来例
を示し、図１２（ｂ）は第１段熱交換器Ｈ１→第２段熱
交換器Ｈ２→第３段熱交換器Ｈ３→第４段熱交換器Ｈ４
→第５段熱交換器Ｈ５の順序で水を流す本実施例示して
いる。
【００３９】従来例を示す図１２（ａ）から明らかなよ
うに、積算伝熱面積が増加するに伴って、つまり内燃機
関Ｅの燃焼室１６に近づくに伴って排気ガスの温度およ
び水の温度は増加するが、最終段となる第２段熱交換器
Ｈ２における排気ガスの温度および水の温度差ΔＴは比
較的に小さなものとなり、高温に晒される排気ポート１
８や排気弁２５の冷却性能が低下してしまう。それに対
して、本実施例を示す図１２（ｂ）から明らかなよう
に、排気弁３５の直下流の第２段熱交換器Ｈ２を通過す
る水の温度は比較的に低温であるため、そこを通過する
排気ガスとの温度差ΔＴは比較的に大きなものとなり、
高温に晒される排気ポート１８や排気弁２５を効果的に
冷却することができる。
【００４０】更に、排気通路３３を３段のジグザグ状に
折り曲げるとともに、第１段、第３段および第４段熱交
換器Ｈ１，Ｈ３，Ｈ４を半径方向に積層して配置したの
で、サーマルリークを最小限に抑え、かつ内部からの騒
音の放散を防止しながら、蒸発器一体型の排気ガス浄化
装置Ｃ全体の寸法を極力小型化して内燃機関Ｅのシリン
ダヘッド１２にコンパクトに配置することができる。ま
た第１段、第３段および第４段熱交換器Ｈ１，Ｈ３，Ｈ
４および第１段〜第４段メタル触媒装置４６Ａ〜４６Ｄ
を半径方向に積層して迷路状に配置したので、その消音
効果で蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃの外部に排気
騒音が漏れるのを効果的に防止することができるだけで
なく、主に第１段〜第５段熱交換器Ｈ１〜Ｈ５により排
気ガス温度の低減効果を得ることができる。これによ
り、排気マフラーを簡略化したり省略したりすることが
可能になり、排気装置そのもののコンパクト化や軽量化
が可能になる。しかも排気ガス温度の低下により特に第
１段熱交換器Ｈ１の下流側の排気通路の温度が低下する
ので、耐熱性に対する設計自由度が増加して排気通路に
プラスティック等の材料を使用することが可能となる。
その結果、車両用の内燃機関Ｅにあっては、排気通路の
形状の自由度、車両への取付の自由度、冷却性に対する
自由度等が増加し、従来排気装置によって制約を受けて
いた車両全体の設計自由度を高めるとともに、排気装置
全体の軽量化に資することができる。
【００４１】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
【００４２】例えば、実施例の蒸発器は合計５段の熱交
換器Ｈ１〜Ｈ５を備えているが、本発明は合計３段以上
の熱交換器を備えたものに対して適用することができ
る。また実施例では蒸発器一体型の排気ガス浄化装置Ｃ
を例示したが、本発明は排気ガス浄化装置と別体に構成
された熱交換器に対しても適用することができる。また
実施例では作動媒体として水を例示したが、水以外の作
動媒体を採用することも可能である。
【００４３】
【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、少なくとも３段の熱交換器を排気通路上に備
えた内燃機関において、作動媒体は先ず排気ガスの流れ
方向の最下流に配置された熱交換器に供給され、続いて
排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交換器に供
給されるので、比較的に低温の作動媒体を排気ガスの流
れ方向の最上流に配置された熱交換器に供給して内燃機
関の排気弁の直下流の高温部を効果的に冷却し、高温と
なる排気通路およびその周辺のデバイスの耐久性を高め
ることができる。また比較的に低温の排気ガスが供給さ
れる排気ガスの流れ方向の最下流に配置された熱交換器
に最も低温の作動媒体が供給されるので、排気ガスおよ
び作動媒体の温度差を確保してまだ回収できる排気ガス
の熱エネルギーを無駄なく回収し、熱交換効率を高める
ことができる。その結果、内燃機関の排気ガスからの廃
熱回収効率を確保しながら、排気弁の直下流の高温の排
気通路を効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関のシリンダヘッド部の縦断面図
【図２】図１の要部拡大断面図
【図３】図２の３−３線矢視図
【図４】図２の４−４線断面図
【図５】図２の５−５線断面図
【図６】図２の要部拡大図
【図７】図４の７部拡大図
【図８】図３の８−８線断面図
【図９】第５段熱交換器の伝熱管を示す図
【図１０】メタル触媒装置および第３段熱交換器の分解
斜視図
【図１１】蒸発器の給水経路を示す模式図
【図１２】熱交換器の積算伝熱面積に対する排気ガス温
度および蒸気温度の変化を示すグラフ
【符号の説明】
２５ 排気弁 ３３ 排気通路 Ｈ１ 第１段熱交換器（熱交換器） Ｈ２ 第２段熱交換器（熱交換器） Ｈ３ 第３段熱交換器（熱交換器） Ｈ４ 第４段熱交換器（熱交換器） Ｈ５ 第５段熱交換器（熱交換器）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 宏幸 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3G081 BA20 DA30

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 排気ガスとの間で熱交換する作動媒体が
    流れる少なくとも３段の熱交換器（Ｈ１〜Ｈ５）を排気
    通路（３３）上に備え、排気ガスの流れ方向の最上流に
    配置された熱交換器（Ｈ２）が排気弁（２５）の直下流
    に位置する内燃機関の廃熱回収装置において、 作動媒体は先ず排気ガスの流れ方向の最下流に配置され
    た熱交換器（Ｈ１）に供給され、続いて排気ガスの流れ
    方向の最上流に配置された熱交換器（Ｈ２）に供給され
    るように構成したことを特徴とする内燃機関の廃熱回収
    装置。
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