JP2002115540A - 内燃機関の廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の排気ポートの耐久性を確保しなが
ら、熱交換器が排気ガスのエネルギーを有効利用できる
ようにする。 【解決手段】 シリンダヘッド１２の内部に設けられた
排気ポート１７を上流側排気ポート２９および下流側排
気ポート３０に分割し、燃焼室１４から排気バルブ２４
のバルブステム２４ａを越える位置まで延びる上流側排
気ポート２９をシリンダヘッド本体３１に直接穿設し、
上流側排気ポート２９に連なる下流側排気ポート３０を
シリンダヘッド本体３１と別部材で構成して外周を断熱
層２５，２７，２９で囲み、その下流側排気ポート３０
の内部に熱交換器３ａを収納する。そしてシリンダヘッ
ド本体３１のウオータジャケット４５は、下流側排気ポ
ート３０の周囲を避けて上流側排気ポート２９の周囲に
設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
スを熱交換器に供給して廃熱回収を行う内燃機関の廃熱
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
クル装置において、供給ポンプから蒸発器に供給される
液相作動媒体を内燃機関のシリンダヘッドおよびシリン
ダブロックの内部を通過させて熱交換を行わせることに
より、液相作動媒体の予熱および内燃機関の冷却を図る
ものが記載されている。

【０００３】また特開平５６−１５６４０７号公報に
は、内燃機関の廃熱を利用したランキンサイクル装置に
おいて、シリンダおよび排気管をケーシングで覆って蒸
発器を構成し、この蒸発器に液相作動媒体を供給して加
熱することにより蒸気を発生させるものが記載されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記実開昭５
９−１７４３０８号公報に記載されたランキンサイクル
装置の如く内燃機関の排気ガスのエネルギーを利用する
ものでは、排気ガスの温度をできるだけ高温に保ったま
ま蒸発器に供給することが望ましい。この要請を満たす
ために排気ポートを断熱材で覆い、かつウオータジャケ
ットを循環する冷却水による冷却効果を弱めると、特に
燃焼室に近い部分で排気ポートが高温に晒されて変形し
易くなり、その耐久性を低下させる原因となる。これを
回避するために排気ポート全体を充分に冷却すると、そ
こを通過する間に排気ガスの温度が低下して蒸発器の性
能を充分に発揮させることができなくなる。

【０００５】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、内燃機関の排気ポートの耐久性を確保しながら、熱
交換器が排気ガスのエネルギーを有効利用できるように
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前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、内燃機関の排
気ガスを熱交換器に供給して廃熱回収を行う内燃機関の
廃熱回収装置において、内燃機関のシリンダヘッドの内
部に設けられた排気ポートが上流側排気ポートおよび下
流側排気ポートから構成され、燃焼室から排気バルブの
バルブステムを越える位置まで延びる上流側排気ポート
はシリンダヘッド本体に直接穿設され、上流側排気ポー
トの下流側に連なる下流側排気ポートはシリンダヘッド
本体と別部材で構成されて断熱層を介してシリンダヘッ
ド本体に嵌合され、シリンダヘッドの冷却手段は上流側
排気ポートの周囲に設けられ、熱交換器の少なくとも一
部は下流側排気ポートの内部に収納されたことを特徴と
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、上流側排気ポート、つ
まり燃焼室から排気バルブのバルブステムを越える位置
までの部分がシリンダヘッド本体に直接穿設されてお
り、かつシリンダヘッドの冷却手段が上流側排気ポート
の周囲に設けられているので、排気ポートの最も高温の
排気ガスに晒される部分の剛性および冷却効果を高めて
耐久性を向上させることができる。また上流側排気ポー
トの下流側に連なる下流側排気ポートはシリンダヘッド
本体と別部材で構成されて断熱層を介してシリンダヘッ
ド本体に嵌合しており、かつ該下流側排気ポートの周囲
には冷却手段が設けられていないので、上流側排気ポー
トを通過する際に若干温度低下した排気ガスが下流側排
気ポートを通過する間に更に温度低下するのを最小限に
抑えることができる。従って、少なくとも一部が下流側
排気ポートの内部に収納された熱交換器に可能な限り高
温の排気ガスを作用させて熱交換効率を高めることがで
きる。このように、上流側排気ポートでは積極的な冷却
を行って耐久性を確保し、下流側排気ポートでは断熱を
行って排気ガスの温度低下を抑制することにより、排気
ポートの耐久性と熱交換器の熱交換効率の確保とを両立
させることが可能となる。

【０００８】尚、実施例の蒸発器３は本発明の熱交換器
に対応し、実施例の断熱材３５、第１断熱空間３７およ
び第２断熱空間３８は本発明の断熱層に対応し、実施例
のウオータジャケット４５および冷却オイル通路４７は
本発明の冷却手段に対応する。

【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３は本発明の一実施例を示すもの
で、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、
図２は図１の要部拡大図（図３の２−２線断面図）、図
３は図２の３−３線断面図である。

【００１１】図１に示すように、内燃機関１の排気ガス
の熱エネルギーを回収して機械エネルギーを出力するラ
ンキンサイクル装置２は、内燃機関１の排気ガスを熱源
として水を加熱することにより高温高圧蒸気を発生させ
る蒸発器３と、その高温高圧蒸気の膨張によって軸トル
クを出力する膨張機４と、その膨張機４から排出された
降温降圧蒸気を冷却して液化する凝縮器５と、凝縮器５
から排出された水を加圧して再び蒸発器３に供給する供
給ポンプ６とを有する。本実施例では排気ガスの流れ方
向に見て蒸発器３の下流側に排気ガス浄化装置７が一体
に設けられ、その下流側に排気管８が接続される。

【００１２】図２および図３を併せて参照すると明らか
なように、内燃機関１はシリンダブロック１１と、その
上面に結合されたシリンダヘッド１２とを備えており、
シリンダボア１１ａに摺動自在に嵌合するピストン１３
の頂面に対向する燃焼室１４がシリンダヘッド１２の下
面に形成される。シリンダヘッド１２に形成された吸気
ポート１５の下流側は二股に分岐して燃焼室１４に臨む
一対の吸気バルブシート１６，１６に連なっており、ま
たシリンダヘッド１２に形成された排気ポート１７の上
流側は二股に分岐して燃焼室１４に臨む一対の排気バル
ブシート１８，１８に連なっている。バルブステム１９
ａ，１９ａをバルブガイド２０，２０に案内されて摺動
する一対の吸気バルブ１９，１９は、シリンダヘッド１
２に支持したスプリングシート２１，２１とステムエン
ドに支持したスプリングシート２２，２２との間に縮設
したバルブスプリング２３，２３で付勢されて吸気バル
ブシート１６，１６に着座する。バルブステム２４ａ，
２４ａをバルブガイド２５，２５に案内されて摺動する
一対の排気バルブ２４，２４は、シリンダヘッド１２に
支持したスプリングシート２６，２６とステムエンドに
支持したスプリングシート２７，２７との間に縮設した
バルブスプリング２８，２８で付勢されて排気バルブシ
ート１８，１８に着座する。そして吸気バルブ１９，１
９および排気バルブ２４，２４は、図示せぬ動弁機構に
より駆動されて吸気ポート１５および排気ポート１７を
それぞれ開閉する。

【００１３】排気ポート１７は、燃焼室１４に近い一対
の上流側排気ポート２９，２９と燃焼室１４から遠い下
流側排気ポート３０とから構成されており、上流側排気
ポート２９，２９はアルミニウム合金製のシリンダヘッ
ド本体３１に直接穿設され、下流側排気ポート３０は断
面が楕円形のパイプ材から構成される。上流側排気ポー
ト２９，２９の上流端は燃焼室１４に連なり、下流端は
排気バルブ２４，２４のバルブステム２４ａ，２４ａを
越えた位置まで延びている。シリンダヘッド本体３１の
側面３１ａには凹部３１ｂが開口しており、この凹部３
１ｂを囲む位置に複数本のスタッドボルト３９…が植設
される。蒸発器３の後半部分３ｂおよび排気ガス浄化装
置７を収納するケーシング４０の上流端に取付フランジ
４１が形成されており、その取付フランジ４１のボルト
孔４１ａ…を貫通するスタッドボルト３９…にナット４
２…を螺合することにより、ケーシング４０がシリンダ
ヘッド本体３１に固定される。

【００１４】内部に蒸発器３の前半部分３ａを収納した
排気ポート断熱ユニット３２がケーシング４０の取付フ
ランジ４１から突出しており、この突出部分はシリンダ
ヘッド本体３１の側面３１ａに開口する凹部３１ｂに嵌
合する。排気ポート断熱ユニット３２は、前記下流側排
気ポート３０と、その両端に固定された断熱材ホルダ３
３，３４と、両断熱材ホルダ３３，３４間に挟まれるよ
うに固定された楕円筒状の断熱材３５とを一体化して構
成されており、下流側排気ポート３０の内部に蒸発器３
の前半部分３ａが収納される。排気ポート断熱ユニット
３２をシリンダヘッド本体３１の凹部３１ｂに装着した
状態で、上流側の断熱材ホルダ３３と凹部３１ｂの底面
との間に断熱性を有するシール部材３６が挟持され、上
流側排気ポート２９，２９および下流側排気ポート３０
の接続部からの排気ガスの漏れが防止される。また下流
側排気ポート３０の外周面と断熱材３５の内周面との間
に第１断熱空間３７が形成され、断熱材３５の外周面と
凹部３１ｂの内周面との間に第２断熱空間３８が形成さ
れる。断熱材３５および両断熱空間３７，３８は本発明
の断熱層を構成する。

【００１５】シリンダブロック１１およびシリンダヘッ
ド本体３１には冷却水が循環するウオータジャケット４
４，４５がそれぞれ形成される。シリンダヘッド本体３
１のウオータジャケット４５は上流側排気ポート２９，
２９の周囲を囲むように配置されているが、下流側排気
ポート３０の周囲には配置されていない。特に、シリン
ダヘッド本体３１のウオータジャケット４５は高温にな
る排気バルブ２４，２４やプラグ孔４６の近傍に集中的
に配置されており、これにより上流側排気ポート２９，
２９はウオータジャケット４５によって積極的に冷却さ
れるが、下流側排気ポート３０はウオータジャケット４
５によって殆ど冷却されることはない。また排気バルブ
２４，２４のバルブガイド２５，２５の周辺は冷却用の
オイルが流通する冷却オイル通路４７が形成される。シ
リンダヘッド本体３１のウオータジャケット４５および
冷却オイル通路４７は本発明の冷却手段を構成する。

【００１６】次に、上記構成を備えた本発明の実施例の
作用について説明する。

【００１７】排気バルブ２４，２４の開弁によって燃焼
室１４から排出された排気ガスは、排気ポート１７の上
流側排気ポート２９，２９および下流側排気ポート３０
を経て蒸発器３に供給され、そこから排気ガス浄化装置
７を経て排気管８に排出される。燃焼室１４から排出さ
れた排気ガスが流入する上流側排気ポート２９，２９は
高温に晒されるが、シリンダヘッド本体３１に直接穿設
された上流側排気ポート２９，２９は熱変形に対して強
く、しかも周囲をウオータジャケット４５や冷却オイル
通路４７に囲まれていて充分に冷却されるため、排気ガ
スの熱による上流側排気ポート２９，２９および排気バ
ルブ２４，２４の損傷や変形が防止されて耐久性が確保
される。

【００１８】排気ガスが有する熱エネルギーおよび運動
エネルギーは燃焼室１４を出た直後が最も高く、それ以
降は放熱および流速の低下でエネルギーが低下する。し
かしながら、仮に蒸発器３を排気ガスのエネルギーが高
い燃焼室１４の出口直後に配置すると、熱交換効率は高
まるものの、音速に近い排気ガスの流速によって熱交換
を行う時間が短くなるために充分な熱交換量が得難くな
る問題がある。しかも燃焼室１４の出口直後に蒸発器３
を配置すると、排気ガスの流れによる脈動流変化（反射
波等）により排気効率が低下してしまい、特に内燃機関
１の高速回転領域において性能低下の原因となってしま
う。

【００１９】それに対して、本実施例では上流側排気ポ
ート２９，２９の下流側に連なる下流側排気ポート３０
内に蒸発器３の上流部分３ａを配置し、更にその直後に
蒸発器３の下流部分３ｂを配置したので、上記不具合を
解消して蒸発器３の性能を最大限に発揮させることがで
きる。しかも上流側排気ポート２９，２９を通過して下
流側排気ポート３０に流入する排気ガスは若干温度低下
しており、かつ下流側排気ポート３０は熱源である燃焼
室１４からの距離も遠いため、上流側排気ポート２９，
２９に比べて下流側排気ポート３０の熱に対する耐久性
は元々高いものとなる。従って、下流側排気ポート３０
の周囲にウオータジャケット４５を形成せず、かつ排気
ポート断熱ユニット３２の第１、第２断熱空間３７，３
８および断熱材３５で周囲を囲まれていても、下流側排
気ポート３０の耐久性に支障を来すことはない。

【００２０】そして断熱された下流側排気ポート３０を
通過する排気ガスは温度低下が最小限に抑えられるた
め、そこに収納された蒸発器３の前半部分３ａ、ケーシ
ング４０内に収納された蒸発器３の後半部分３ｂおよび
排気ガス浄化装置８に高温の排気ガスを作用させ、蒸発
器３における蒸気発生効率および排気ガス浄化装置８に
おける排気ガス浄化効率を最大限に高めることができ
る。しかも下流側排気ポート３０およびその下流側で
は、未燃ＨＣの再燃焼現象による発熱と、蒸発器３自身
の圧力損失とで熱溜まり領域が形成され、上流側排気ポ
ート２９，２９に蒸発器３を配置する場合に比べて効果
的な熱交換を行うことができる。更に、下流側排気ポー
ト３０の周囲にウオータジャケット４５を形成する必要
がないため、冷却水の量を従来の６０％に減少させるこ
とができる。

【００２１】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。

【００２２】例えば、実施例ではランキンサイクル装置
２を備えた内燃機関１を例示したが、本発明は排気ガス
の廃熱を利用する任意の内燃機関１に対して適用するこ
とができる。

【００２３】

【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、上流側排気ポート、つまり燃焼室から排気バ
ルブのバルブステムを越える位置までの部分がシリンダ
ヘッド本体に直接穿設されており、かつシリンダヘッド
の冷却手段が上流側排気ポートの周囲に設けられている
ので、排気ポートの最も高温の排気ガスに晒される部分
の剛性および冷却効果を高めて耐久性を向上させること
ができる。また上流側排気ポートの下流側に連なる下流
側排気ポートはシリンダヘッド本体と別部材で構成され
て断熱層を介してシリンダヘッド本体に嵌合しており、
かつ該下流側排気ポートの周囲には冷却手段が設けられ
ていないので、上流側排気ポートを通過する際に若干温
度低下した排気ガスが下流側排気ポートを通過する間に
更に温度低下するのを最小限に抑えることができる。従
って、少なくとも一部が下流側排気ポートの内部に収納
された熱交換器に可能な限り高温の排気ガスを作用させ
て熱交換効率を高めることができる。このように、上流
側排気ポートでは積極的な冷却を行って耐久性を確保
し、下流側排気ポートでは断熱を行って排気ガスの温度
低下を抑制することにより、排気ポートの耐久性と熱交
換器の熱交換効率の確保とを両立させることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図

【図２】図１の要部拡大図（図３の２−２線断面図）

【図３】図２の３−３線断面図

【符号の説明】

１ 内燃機関 ３ 蒸発器（熱交換器） １２ シリンダヘッド １４ 燃焼室 １７ 排気ポート ２４ 排気バルブ ２４ａ バルブステム ２９ 上流側排気ポート ３０ 下流側排気ポート ３１ シリンダヘッド本体 ３５ 断熱材（断熱層） ３７ 第１断熱空間（断熱層） ３８ 第２断熱空間（断熱層） ４５ ウオータジャケット（冷却手段） ４７ 冷却オイル通路（冷却手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｃ Ｋ (72)発明者 吉田 一夫 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 (72)発明者 佐藤 卓哉 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） 3G024 AA11 AA15 CA05 DA06 FA11 3G081 BA01 BA20 BB00 BC07 BD00

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関（１）の排気ガスを熱交換器
   （３）に供給して廃熱回収を行う内燃機関の廃熱回収装
   置において、 内燃機関（１）のシリンダヘッド（１２）の内部に設け
   られた排気ポート（１７）が上流側排気ポート（２９）
   および下流側排気ポート（３０）から構成され、 燃焼室（１４）から排気バルブ（２４）のバルブステム
   （２４ａ）を越える位置まで延びる上流側排気ポート
   （２９）はシリンダヘッド本体（３１）に直接穿設さ
   れ、 上流側排気ポート（２９）の下流側に連なる下流側排気
   ポート（３０）はシリンダヘッド本体（３１）と別部材
   で構成されて断熱層（３５，３７，３８）を介してシリ
   ンダヘッド本体（３１）に嵌合され、 シリンダヘッド（１２）の冷却手段（４５，４７）は上
   流側排気ポート（２９）の周囲に設けられ、 熱交換器（３）の少なくとも一部は下流側排気ポート
   （３０）の内部に収納されたことを特徴とする内燃機関
   の廃熱回収装置。