JP2006002676A - エンジン排熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】潤滑油の過加熱を防止しつつ、排気熱を有効利用して潤滑油を加温することが可能なエンジン排熱利用装置を提供する。
【解決手段】エンジン排熱利用装置は、エンジンの排気経路に設置された熱交換部４を有する。熱交換部４は、第１の排気ガス通路２１を構成する中央配管１１と、中央配管２１を包囲するように設けられて中央配管１１との間に軸直交断面が環状をなす第２の排気ガス通路２２を構成する筒状の内側ケーシング１２と、内側ケーシング１２を包囲するように設けられて内側ケーシング１２との間に軸直交断面が環状をなす潤滑油通路２３を構成する筒状の外側ケーシング１３とを備えている。中央配管１１の下流側端部には、第１及び第２の排気ガス通路２１，２２間で排気ガスの流れを制御するためのガス流通切替え機構３０が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車輌用エンジンの排熱利用装置に関する。特に、エンジンの潤滑油を排気ガスで加温すべくエンジンの排気経路に設置された熱交換部を有するエンジン排熱利用装置に関するものである。

従来、車輌エンジンの冷間始動時におけるフリクションロスを早期に解消するために、エンジンからの排気ガスが有する熱（以下、排熱又は排気熱という）を利用して、潤滑油（エンジンオイル）を加温する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１のエンジン排気装置では、Ｖ型エンジンの各バンクから延びる排気管をエンジンのオイルパンの直下で合流させ、その合流部の直前に触媒コンバータを設置すると共に、合流部には支持ブラケットを設け、その支持ブラケットをオイルパンの底部に取り付けている。こうして、排気熱及び触媒コンバータでの反応熱をブラケットを介してオイルパン内の潤滑油に伝達可能とし、冷間始動時のフリクション低減を図っている。

しかしながら、特許文献１の排熱利用技術にもいくつかの欠点がある。第１に、エンジンの運転状態とは無関係に排気熱がブラケット等を介してオイルパン内の潤滑油に伝達されるため、潤滑油が所期の温度範囲を逸脱して加熱され過ぎるおそれがある。第２に、合流部における排気熱を、合流部のケーシング、ブラケット及びオイルパン底部というやや長い伝熱経路を経由してオイルパン内の潤滑油に伝達するため、排気ガスの熱量を潤滑油に効率的に伝えにくい。このため、潤滑油全体の均等な加温に時間を要し、冷間始動時におけるフリクションロスを早期に解消するという本来の目的を十分に達成できないおそれがある。

特開平７−１１９４５７号公報（要約、発明の効果）

本発明の目的は、潤滑油の過加熱を防止しつつ、排気熱を有効利用して潤滑油を加温することが可能なエンジン排熱利用装置を提供することにある。

請求項１の発明は、エンジンの潤滑油を排気ガスで加温すべくエンジンの排気経路に設置された熱交換部を有するエンジン排熱利用装置であって、前記熱交換部は、第１の排気ガス通路を構成する中央配管と、前記中央配管を包囲するように設けられて当該中央配管との間に軸直交断面が略環状をなす第２の排気ガス通路を構成する筒状の内側ケーシングと、前記内側ケーシングを包囲するように設けられて当該内側ケーシングとの間に軸直交断面が略環状をなす潤滑油通路を構成する筒状の外側ケーシングと、前記第１及び第２の排気ガス通路間で排気ガスの流れを制御するためのガス流通切替え機構とを備えることを特徴とするエンジン排熱利用装置である。

請求項１によれば、中央配管、内側ケーシング及び外側ケーシングを重合的に配設することで、熱交換部には、第１の排気ガス通路、それを取り囲む第２の排気ガス通路、更にそれを取り囲む潤滑油通路の三通路が断面同心円状に構築される。そして、ガス流通切替え機構によって当該熱交換部における排気ガスの主な流れを第１及び第２の排気ガス通路間で適宜切り替えて制御することにより、必要に応じて第２の排気ガス通路に排気ガスを流通させることができる。第２の排気ガス通路に排気ガスを流通させた場合には、内側ケーシングを介して排気ガスの熱が潤滑油通路を流れる潤滑油に伝達され、潤滑油が加温される。他方、第１の排気ガス通路に排気ガスを流通させた場合には、第２の排気ガス通路が事実上の環状中空断熱層となり、排気ガスの熱が潤滑油通路にほとんど伝達されず、潤滑油の加温が禁止、中断又は抑制される。

但し、第１の排気ガス通路を流れる排気ガスは中央配管の管壁を暖める。つまり、第１の排気ガス通路を排気ガスが流れるときには、中央配管の管壁が予熱される。従って、排気ガスの主な流れが第１の排気ガス通路から第２の排気ガス通路に切り替えられたときでも、前記予熱効果により、切り替え直後の排気ガスの温度低下が極力抑制され、排気ガスによる潤滑油の迅速且つ効率的な加温が実現する。また、潤滑油通路は第１及び第２の排気ガス通路を取り囲んで最も外側に位置するため、両排気ガス通路から外に拡散する熱を漏らすことなく捉える。このように本発明のエンジン排熱利用装置によれば、ガス流通切替え機構の操作に基づいて潤滑油の過加熱を防止しつつ、排気熱を有効利用して潤滑油を加温することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のエンジン排熱利用装置において、前記内側ケーシングには、第２の排気ガス通路と潤滑油通路の双方に露出するように熱交換媒体封入型のエバポレータが取り付けられていることを特徴とする。

請求項２によれば、内側ケーシングに、第２の排気ガス通路と潤滑油通路とにまたがる熱交換媒体封入型のエバポレータを取り付けたことで、第２の排気ガス通路を流れる排気ガスから潤滑油通路を流れる潤滑油への熱伝達の効率を向上させることができる。

請求項３の発明は、請求項１に記載のエンジン排熱利用装置において、前記潤滑油通路を構成している内側ケーシング及び外側ケーシングの少なくとも一方には、潤滑油通路内に突出するフィンが形成されていることを特徴とする。

請求項３によれば、潤滑油通路内に突出形成されたフィンによって伝熱面積が増大し、潤滑油通路を流れる潤滑油に関する熱交換効率が向上する。例えば、内側ケーシングに突出形成されたフィンは、第２の排気ガス通路を流れる排気ガスの持つ熱量を潤滑油通路内の潤滑油に効率的に伝達するのに役立つ。他方、外側ケーシングに突出形成されたフィンは、潤滑油通路を流れる潤滑油から熱を奪って外側ケーシングの外表面に接する外気に伝達（放熱）し、潤滑油の過度な加熱を防止するのに役立つ。

請求項４の発明は、請求項１〜３に記載のエンジン排熱利用装置において、エンジンのオイルパンと前記熱交換部との間を潤滑油が循環し得るように構成されていることを特徴とする。

請求項４によれば、エンジンのオイルパンに貯留されている潤滑油がオイルパンと熱交換部との間を循環することができるので、潤滑油の全体が均等に加温される。

（付記）本発明の更に好ましい態様や追加的構成要件を以下に列挙する。
付記Ａ：請求項１〜４に記載のエンジン排熱利用装置において、前記中央配管は、第１の排気ガス通路の入口付近においてフレアー形状部（１１ａ）を有し、そのフレアー形状部には、排気ガスを第２の排気ガス通路に導くためのガス導入孔（１７）が形成されており、前記ガス流通切替え機構は、前記第１の排気ガス通路の出口を開閉する開閉弁機構として構成されていること。

付記Ａによれば、ガス流通切替え機構（開閉弁機構）が第１の排気ガス通路の出口を閉塞するときには、第２の排気ガス通路が排気ガスの主流通路として選択される。他方、ガス流通切替え機構（開閉弁機構）が第１の排気ガス通路の出口を開放するときには、第１の排気ガス通路の入口付近に設けられたフレアー形状部のガイド作用により、上流からの排気ガスが主に第１の排気ガス通路に導かれるので、第１の排気ガス通路が排気ガスの主流通路として選択される。

各請求項に記載のエンジン排熱利用装置によれば、潤滑油の過加熱を防止しつつ、排気熱を有効利用して潤滑油を加温することができる。

以下、本発明のエンジン排熱利用装置の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。図１に示すように、車輌用エンジン１の排気経路は、排気マニホルド２、フロント触媒コンバータ３、熱交換部４及びリア触媒コンバータ５を少なくとも備えている。排気マニホルド２は、好ましくは高断熱タイプである。高断熱性の排気マニホルド２としては、内管及び外管からなる二重管構造を採用したものや、管の周囲に断熱材を巻き付けたものを例示できる。

エンジン１と熱交換部４との間には、潤滑油用のオイル循環経路６が設定されている。このオイル循環経路６には特に、エンジン１のオイルパン７中の潤滑油を熱交換部４に圧送するためのオイルポンプ８と、そのオイルポンプ８の下流側に設置された開閉弁９が設けられている。オイルポンプ８を含むオイル循環経路６により、エンジンのオイルパン７と熱交換部４との間を潤滑油が循環し得るようになっている。なお、オイルポンプ８は流量固定タイプ又は流量可変タイプのいずれでもよい。

熱交換部４の具体的構成例として、図２、図３及び図４を示す。図３及び図４の各熱交換部４は、図２に示す熱交換部４を基本としてそこへ追加的な要素を付加したものに相当する。それ故、図２に関する以下の説明は、図３及び図４の説明をも兼ねている。

図２に示すように熱交換部４は、排気経路の上流部と直接連結される概略パイプ状の中央配管１１と、その中央配管１１を包囲するように設けられた筒状の内側ケーシング１２と、その内側ケーシング１２を更に包囲するように設けられた筒状の外側ケーシング１３と、これら部材（１１，１２及び１３）の下流側端部に位置する弁座フランジ１４とを備えている。

中央配管１１の一部１１ａ（図２に示す範囲での中央配管１１の上流側端部付近）はフレアー形状に形成されている。フレアー形状とは、例えば漏斗のように上端に向かうほど拡開又は拡径するような形状をいう。この中央配管のフレアー形状部１１ａの上側周縁に対しては、内側ケーシング１２の上端部（上流側端部）及び外側ケーシング１３の上端部（上流側端部）がそれぞれ全周溶接により連結されている。他方、中央配管１１並びに内側及び外側ケーシング１２，１３の下端部（下流側端部）は、弁座フランジ１４に連結されている。より具体的には、弁座フランジ１４の中央に設けられた弁孔１５の内周縁に対して、中央配管１１の下端部が全周溶接により連結されている。また、弁座フランジ１４の外周縁部に対して、内側及び外側ケーシング１２，１３の各下端部が全周溶接により連結されている。

中央配管のフレアー形状部１１ａには、複数のガス導入孔１７が貫通形成されている。これらのガス導入孔１７は、中央配管１１の中心軸線Ｌを等角度間隔で取り囲むように配列され、エンジン１からの排気ガスを中央配管１１と内側ケーシング１２との間の領域に導入する役目を担う。また、弁座フランジ１４には、複数のガス導出孔１６が貫通形成されている。これらのガス導出孔１６は弁孔１５を取り囲むように配列され、中央配管１１と内側ケーシング１２との間の領域に導入された排気ガスを排気経路の下流側に逃がす役目を担う。

こうして図２に示すように、中央配管１１の内側には、エンジン１からの排気ガスが直接的に導かれる第１の排気ガス通路２１が構築されている。また、中央配管１１の管壁外周面と内側ケーシング１２の内周面との間には、中心軸線Ｌに対する軸直交断面が略環状（好ましくは円環状）となる第２の排気ガス通路２２が構築されている。更に、内側ケーシング１２の外周面と外側ケーシング１３の内周面との間には、中心軸線Ｌに対する軸直交断面が略環状（好ましくは円環状）となる潤滑油通路２３が構築されている。つまり熱交換部４は、第１の排気ガス通路２１を中心として、それを取り囲む第２の排気ガス通路２２、更にそれを取り囲む潤滑油通路２３の三通路が同心円状に配置された三層（又は三系統）重合配管構造をなしている。

尚、外側ケーシング１３には、オイルポンプ８によってオイルパン７から圧送される潤滑油を前記潤滑油通路２３に導入する導入口２４と、潤滑油通路２３から潤滑油を導出する導出口２５とが設けられている。

弁座フランジ１４の下流側にはケース１８が連結され、このケース１８内にはガス流通切替え機構３０の主要部が配設されている。ガス流通切替え機構３０は、前記ケース１８を貫通する回動シャフト３１、その回動シャフト３１から延びるアーム３２、アーム３２の先端に固定された皿形の弁体３３および前記弁座フランジ１４からなる開閉弁機構として構成されている。回動シャフト３１の回動操作に応じて、皿形の弁体３３が弁座フランジ１４に着座して前記弁孔１５を閉塞したり開放したりする。回動シャフト３１は、アクチュエータ及び制御回路を含む弁駆動制御機構３４に作動連結されている。弁駆動制御機構３４は、エンジン１の電子制御ユニットＥＣＵと電気的に接続されており、ＥＣＵを介して提供されるエンジンの運転状態に関する各種情報（例えば、潤滑油の温度、ラジエータ冷却水温度、エンジン回転数など）に基づいて弁体３３の開閉動作を制御する。

弁体３３が弁座フランジ１４から離れて弁孔１５が開放状態にあるときには、エンジン１からの排気ガスの多くが中央配管１１内（つまり第１の排気ガス通路２１）を経由して熱交換部４を通過する。これに対し、弁体３３が弁座フランジ１４に着座して弁孔１５が閉塞状態にあるときには、エンジン１からの排気ガスの全てが、中央配管フレアー形状部１１ａのガス導入孔１７、第２の排気ガス通路２２および弁座フランジ１４のガス導出孔１６を経由して熱交換部４を通過する。このように、ガス流通切替え機構３０は、第１及び第２の排気ガス通路２１，２２間で排気ガスの主な流れを切り替える働き、即ち流れを制御する働きをする。

図２のエンジン排熱利用装置は、エンジン１の暖機状態や運転状況に応じて、例えば次のように作動する。

エンジン１の冷間始動時などの潤滑油が冷えているときには、弁駆動制御機構３４により皿形の弁体３３が弁座フランジ１４に着座させられ、第１の排気ガス通路２１が完全閉塞されると共に、第２の排気ガス通路２２が熱交換部４における排気ガスの流通経路として選択される。すると、エンジン１からの排気ガスは、フロント触媒コンバータ３を通過後、前記フレアー形状部１１ａのガス導入孔１７から第２の排気ガス通路２２に進入し、弁座フランジ１４のガス導出孔１６を通ってリア触媒コンバータ５に向かう。第２の排気ガス通路２２を流れるとき、排気ガスの熱が内側ケーシング１２の管壁を介して潤滑油通路２３の潤滑油に伝達され、潤滑油が加温される。加温された潤滑油は、オイル循環経路６を経由してエンジン１に送られた後、再びオイルポンプ８によって熱交換部４の潤滑油通路２３に戻されるので、オイルパン７に貯留される潤滑油全体が早期に且つ均等に加温される。加温された潤滑油は粘性が低下するので、エンジン１におけるフリクションロスが低減され、ひいては燃費が向上する。

エンジン１の暖機後などの潤滑油が十分に暖められているときには、弁駆動制御機構３４により皿形の弁体３３が弁座フランジ１４から離間させられ、第１の排気ガス通路２１が完全開放される。その場合、第２の排気ガス通路２２も開放状態にあるが、弁孔１５が開いた状態では、第２排気ガス通路２２よりも第１排気ガス通路２１のガス流通断面積の方が大きいことと、中央配管のフレアー形状部１１ａによる第１排気ガス通路２１への排気ガスガイド作用とに基づいて、第１の排気ガス通路２１が熱交換部４における排気ガスの主たる流通経路として選択される。その結果、エンジン１からの排気ガスは、フロント触媒コンバータ３を通過後、前記フレアー形状部１１ａに導かれて第１の排気ガス通路２１に進入し、弁座フランジ１４の弁孔１５を通ってリア触媒コンバータ５に向かう。このとき、第１の排気ガス通路２１に対して第２の排気ガス通路２２はいわば環状中空断熱層として位置付けられるため、排気ガスの熱が潤滑油通路２３に伝達されない。従って、排気ガスが第１の排気ガス通路２１を主に流れるときには、潤滑油の加温が禁止又は中断される。これにより潤滑油の過加熱が回避され、潤滑油の劣化が防止される。

なお、排気ガスが第１の排気ガス通路２１を流れるとき、排気ガスは中央配管１１の管壁を暖め、一種の予熱効果が醸し出される。このため、排気ガスの主な流れが第１の排気ガス通路２１から第２の排気ガス通路２２に再び切り替えられたときでも、前記予熱効果により、切り替え直後の排気ガスの温度低下が抑制され、排気ガスによる潤滑油の迅速且つ効率的な加温が実現する。また、潤滑油通路２３は第１及び第２の排気ガス通路２１，２２を取り囲んで最も外側に位置するため、両排気ガス通路２１，２２から外に拡散する熱を漏らすことなく捉えることができる。

図３に示す熱交換部４にあっては、複数個のエバポレータ４１が追加されている。この場合のエバポレータ（蒸発器）４１とは、例えばチューブ状の密閉容器内に、相変化による熱交換作用を有する熱交換媒体（例えばフロンガス）を封入した熱交換器をいう。熱交換媒体封入型のエバポレータ４１の各々は、その下半部が第２の排気ガス通路２２に露出すると共に、その上半部が潤滑油通路２３に露出するように内側ケーシング１２に取り付けられている。エバポレータ４１の装着により、エバポレータ４１が無い場合に比べて、第２の排気ガス通路２２を流れる排気ガスから潤滑油通路２３を流れる潤滑油への熱伝達効率が向上する。

図４に示す熱交換部４にあっては、潤滑油通路２３を構成している内側ケーシング１２及び外側ケーシング１３のそれぞれにフィン４２，４３が追加されている。具体的には、内側ケーシング１２の外表面には、潤滑油通路２３内に突出する複数の第１フィン４２が突設されている。また、外側ケーシング１３の内表面には、潤滑油通路２３内に突出する複数の第２フィン４３が突設されている。

図４の構成によれば、第２の排気ガス通路２２を流れる排気ガスの熱は、内側ケーシング１２の管壁を介して当該内側ケーシング１２の外表面に伝達されるが、その外表面は第１フィン４２の形成により伝熱面積が大きくなっているため、第２の排気ガス通路２２の排気ガスから潤滑油通路２３の潤滑油への熱伝達効率が高いという特徴がある。この意味で第１フィン４２は、第２の排気ガス通路２２から潤滑油通路２３への伝熱フィンとして機能する。

他方、潤滑油通路２３の潤滑油の熱は、外側ケーシング１３の管壁を介して当該外側ケーシング１３の外表面に伝達されて大気中に放熱され得るが、外側ケーシング１３の内表面は第２フィン４３の形成により伝熱面積が大きくなっているため、潤滑油通路２３の潤滑油から外気への熱伝達効率が高いという特徴がある。この意味で第２フィン４３は、熱交換部４において潤滑油が過度に加熱されるのを未然防止するための放熱フィンとして機能する。なお、外側ケーシング１３の外表面に放熱用の第３のフィン（図示略）が形成されてもよいことは言うまでもない。

エンジンの排気経路及び排熱利用装置の概要を示すシステム構成図。 熱交換部の一例を示す拡大断面図。 熱交換部の変更例を示す拡大断面図。 熱交換部の変更例を示す拡大断面図。

符号の説明

１…エンジン、２…排気マニホルド、４…熱交換部、６…オイル循環経路、７…オイルパン、８…オイルポンプ、１１…中央配管、１１ａ…中央配管のフレアー形状部、１２…内側ケーシング、１３…外側ケーシング、２１…第１の排気ガス通路、２２…第２の排気ガス通路、２３…潤滑油通路、３０…ガス流通切替え機構、４１…エバポレータ、４２…第１フィン（伝熱フィン）、４３…第２フィン（放熱フィン）、Ｌ…中心軸線。

Claims (4)

1. エンジンの潤滑油を排気ガスで加温すべくエンジンの排気経路に設置された熱交換部を有するエンジン排熱利用装置であって、
   前記熱交換部は、
   第１の排気ガス通路を構成する中央配管と、
   前記中央配管を包囲するように設けられて当該中央配管との間に軸直交断面が略環状をなす第２の排気ガス通路を構成する筒状の内側ケーシングと、
   前記内側ケーシングを包囲するように設けられて当該内側ケーシングとの間に軸直交断面が略環状をなす潤滑油通路を構成する筒状の外側ケーシングと、
   前記第１及び第２の排気ガス通路間で排気ガスの流れを制御するためのガス流通切替え機構とを備えることを特徴とするエンジン排熱利用装置。
2. 前記内側ケーシングには、第２の排気ガス通路と潤滑油通路の双方に露出するように熱交換媒体封入型のエバポレータが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン排熱利用装置。
3. 前記潤滑油通路を構成している内側ケーシング及び外側ケーシングの少なくとも一方には、潤滑油通路内に突出するフィンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン排熱利用装置。
4. エンジンのオイルパンと前記熱交換部との間を潤滑油が循環し得るように構成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載のエンジン排熱利用装置。

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