JP2008215333A - 内燃機関の排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の冷却水と排気との熱交換の状態を排気の通過状態を切り替えずに変更できる内燃機関の排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気熱回収装置１Ａは内燃機関の排気が通過する排気通過部２の外周に、冷却水が流れる熱回収室３が配置され、排気通過部２を通過する排気と熱回収室３を流れる冷却水との間で熱交換を行う。熱回収室３には、冷却水が流入する入口部３ａと、冷却水が流出する出口部３ｂと、入口部３ａ及び出口部３ｂのそれぞれに連通して冷却水が流れる流通空間８と、流通空間８の容積を変化させることができるように熱回収室３内を移動するシールリング９とが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に導かれる排気と内燃機関の冷却水との間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置に関する。

内燃機関の排気の熱を回収する排気熱回収装置として、内燃機関の排気が通過する排気通過部を、冷媒を導く冷媒管に隣接する伝熱通路と、冷媒管を迂回するバイパス通路とに区分し、バイパス通路に設けられた開閉弁を開閉することにより排気の通過状態を切り替えるものが知られている（特許文献１）。特許文献１の装置は、開閉弁にてバイパス通路が閉じられたときに排気通過部に流入した排気の全てが伝熱通路へ導かれて出口から排出される。一方、そのバイパス通路が開閉弁にて開かれたときには排気通過部に流入した排気の一部がバイパス通路を経由して出口に排出されるため、排気から冷媒への熱移動量が減る。

特開平９−７６７３９号公報

しかしながら、特許文献１の装置では排気から冷媒への熱移動量を減少させるためにパイパス通路が開かれても伝熱通路が閉じられずに開かれたままであるので、一部の排気は伝熱通路を通過する。そのため、熱交換を制限すべき場合でも排気から冷媒への熱移動が生じるため、冷媒の温度が予期せずに上昇するおそれがある。

そこで、本発明は内燃機関の冷却水と排気との熱交換の状態を排気の通過状態を切り替えずに変更できる内燃機関の排気熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の排気熱回収装置は、内燃機関の排気が通過する排気通過部の外周に、前記内燃機関の冷却水が流れる熱回収室が配置され、前記排気通過部を通過する排気と前記熱回収室を流れる冷却水との間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置において、前記熱回収室には、冷却水が流入する入口部と、冷却水が流出する出口部と、前記入口部及び前記出口部のそれぞれに連通して冷却水が流れる流通空間と、前記流通空間の容積を変化させることができるように前記熱回収室内を移動する移動部材とが設けられていることことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気熱回収装置によれば、熱回収室に設けられた流通空間の容積を移動部材が移動することにより変化させることができるので、流通空間内に保持される冷却水の量を変更することができる。それにより、排気通過部を流れる排気の通過状態を敢えて変えなくても排気と冷却水との熱交換の状態を変更できる。

本発明の排気熱回収装置の一態様において、前記流通空間の容積が最大となる熱交換位置から前記流通空間の容積が最小となる熱交換制限位置までの間で前記移動部材を駆動する駆動手段を備えてもよい（請求項２）。この態様によれば熱回収室内を移動する移動部材を流通空間の容積が最大となる熱交換位置から最小となる熱交換制限位置までの範囲内で駆動することができる。駆動手段は種々の態様でよい。例えば、駆動手段が電力にて動作する電動アクチュエータを備え、これを利用して移動部材を駆動してもよい。この場合には、電動アクチュエータを適宜操作することにより移動部材を自在に駆動することができるので、種々の条件に応じた移動部材の移動を容易に実現できる。

また、前記移動部材は前記熱回収室を前記流通空間と密閉空間とに仕切るようにして前記熱回収室内を移動可能な状態で配置されており、前記駆動手段は、前記排気通過部を通過する排気と熱交換可能な状態で前記密閉空間に封入され、かつその熱交換によって体積が変化する作動流体を備えてもよい（請求項３）。この場合には、密閉空間に封入された作動流体が排気との間で熱交換することにより作動流体の体積が変化するため移動部材を移動できる。例えば、排気から作動流体へ熱が移動した場合は作動流体が膨張し、移動部材が移動する。そして作動流体が膨張した後に温度が低下すると作動流体の体積が元に戻るので、膨張によって移動した移動部材をその反対側に移動できる。このように、作動流体が排気との間で熱交換を行うことにより移動部材を移動できるため、移動部材を移動させるために電力等の他の動力源が不要となる利点がある。

本発明の排気熱回収装置の一態様において、前記熱交換制限位置は、前記移動部材にて前記流通空間内から冷却水が排除され、かつ前記入口部と前記出口部とが閉鎖される位置に設定されてもよい（請求項４）。この場合には熱交換制限位置に移動した場合は流通空間内に冷却水が残留することがない。そのため、仮に、運転中であった内燃機関が停止して冷却水の流れが止まった時であっても、移動部材を熱交換制限位置に移動することによって流通空間内での冷却水の沸騰を回避することが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、熱回収室に設けられた流通空間の容積を移動部材が移動することにより変化させることができるので、流通空間内に保持される冷却水の量を変更することができる。それにより、排気通過部を流れる排気の通過状態を敢えて変えなくても排気と冷却水との熱交換の状態を変更できる。

（第１の形態）
図１は本発明の排気熱回収装置の一形態を示し、図２は図１のII−II線に沿った断面図を示している。排気熱回収装置１Ａは不図示の内燃機関の排気通路１０１に取り付けられ、その排気通路１０１に導かれる排気が通過する排気通過部２と、排気通過部２の外周に配置されて内燃機関の冷却水が流れる熱回収室３とを備えている。排気熱回収装置１Ａは排気通過部２を通過した排気と熱回収室３を流れる冷却水との間で熱交換が行われ、熱交換後の冷却水は冷却水路１０２を通じて内燃機関の各部へ導かれる。

排気通過部２の内部には内管４が排気通過部２の入口２ａから出口２ｂに向かう方向に延びるようにして設けられ、排気通過部２は内管４によって内側通路５とその内側通路５の外側に位置する外側通路６とに区分される。図示の形態では外側通路６が内側通路５を取り囲むように配置されている（図２参照）。

排気通過部２には排気の通過状態を切り替えるための開閉弁７が設けられる。開閉弁７は内管４の下流側の端部に設けられて内側通路５を開閉する。図１の想像線で示すように開閉弁７にて内側通路５が開かれた場合には排気は内側通路５と外側通路６とを通過する。一方、内側通路５が開閉弁７にて閉じられた場合は排気が外側通路６のみを通るため、図に矢印線で示すように、外側通路６を通過する排気の流量が増えるため熱回収室３内の冷却水との熱交換が促進される。

熱回収室３には冷却水路１０２を流れる冷却水が流入する入口部３ａと、冷却水が流出する出口部３ｂとがそれぞれ設けられる。入口部３ａと出口部３ｂとはそれぞれ熱回収室３に設けられる流通空間８に連通する。また、熱回収室３にはその内部を排気通過部２の中心線方向に移動する移動部材としてのシールリング９が設けられる。シールリング９は熱回収室３を流通空間８と密封空間１０とに仕切るように配置される。シールリング９が熱回収室３内を移動することによって流通空間８の容積が変化する。シールリング９は流通空間８の容積が最大となる図１に示す熱交換位置から、その容積が最小となる図３に示す熱交換制限位置までの間で移動できる。図３の熱交換制限位置にシールリング９が移動すると、流通空間８から冷却水が排除されかつ入口部３ａと出口部３ｂとがそれぞれ塞がれる。つまり、この形態では熱交換制限位置にシールリング９が移動すると、流通空間８の容積は０となる。

図４はシールリング９の詳細を説明する平面図である。この図に示すように、シールリング９はその内周縁９ａと外周縁９ｂとが熱回収室３の内壁よりも柔らかな合成樹脂等のシール材料で構成されていて、これにより、シールリング９と熱回収室３の内壁との間で密着が保持されて流通空間８から密封空間１０への冷却水の漏れが防止されている。

排気熱回収装置１Ａにはシールリング９を移動させるために流体駆動装置１１が設けられる。流体駆動装置１１は本発明に係る駆動手段として機能する。流体駆動装置１１は密封空間１０に封入される作動流体１２を備える。作動流体１２は排気通過部２を流れる排気との間で熱交換が可能であり、その熱交換によって体積が変化する。即ち、作動流体１２へ熱が移動した場合は、温度が上昇して作動流体１２の体積が増加する。なお、作動流体１２の構成材料は、シールリング９を図１の熱交換位置から図３の熱交換制限位置までの間で冷却水の温度変化に連動して適切に移動できるように、適宜選択される。例えば、作動流体１２の構成材料として水を選択できる。その場合には、水の沸点を境にした体積の膨張を利用してシールリング９を熱交換位置から熱交換制限位置へ移動させることができる。

シールリング９の移動タイミングは、水と他の液体とを混合した混合液を作動流体１２として用い、水と他の液体との配分を調整して変化させることもできる。また、水に他の物質を溶かした水溶液を作動流体１２として用い、他の物質の濃度を調整してシールリン津９の移動タイミングを変化させることもできる。図５は内燃機関の水温の変化に対するシールリング９の位置変化の一例を示している。図５に示すように、水温Ｔｗが上昇するとその上昇に伴って排気温度が上昇して、排気から作動流体１２への熱移動量が増えるため、水温ＴｗがＴｗ１の時に作動流体１２の一部が液体から気体に変化する。それにより、作動流体１２の体積が増加してシールリング９は熱交換制限位置の側へ移動をはじめる。更に、水温Ｔｗが上昇すると作動流体１２の気体の割合が増えてゆき、Ｔｗ２の時に完全に作動流体１２が気体に変化してシールリング９が熱交換制限位置に移動する。作動流体１２の組成及びその量は、排気熱回収装置１Ａによる熱回収を制限すべき温度が温度Ｔｗ２となるように調整されている。なお、図示のように液体から気体への相変化を伴う材料を作動流体１２として選択することは必須ではなく、例えば作動流体１２として各種の気体を密封空間１０に封入することもできる。

（第２の形態）
次に、図６〜図８を参照して第２の形態を説明する。図６及び図７は第２の形態に係る排気熱回収装置を示し、図６はシールリングが熱交換位置にある状態を、図７はシールリングが熱交換制限状態にある状態をそれぞれ示している。以下、第１の形態と共通する構成は同一の符号を図面に付して説明を省略する。図６及び図７に示すように、第２の形態に係る排気熱回収装置１Ｂは、シールリング９を駆動するために、駆動手段としての電動駆動装置１５を備えている。電動駆動装置１５の駆動により、シールリング９は第１の形態と同様に、図６の熱交換位置から図７の熱交換制限位置までの範囲内で移動できる。電動駆動装置１５は電力を動力源とする電動アクチュエータ１６とその運動をシールリング９に伝達する伝達機構１７とを備えている。電動アクチュエータ１６は直線運動を発生させるものでも回転運動を発生させるものでもよい。伝達機構１７は電動アクチュエータ１６の運動をシールリング９の直線運動へ変換できるリンク機構等の周知の機構でよい。

電動駆動装置１５の制御は制御装置２０にて実施される。制御装置２０はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を内蔵するコンピュータとして構成されていて、ＲＯＭに格納された各種プログラムを実行することにより電動駆動装置１５の動作を制御する。なお、制御装置２０は、内燃機関の運転状態を制御するコンピュータであるエンジンコントロールユニットと兼用させてもよい。制御装置２０には内燃機関に設けられた水温センサ（不図示）からの冷却水の水温Ｔｗに対応する信号が入力される。

図８は制御装置２０が行う制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。図８の制御ルーチンは内燃機関の始動に応じて開始され、所定間隔で繰り返し実行される。制御装置２０は、まずステップＳ１において水温Ｔｗが閾値Ｘよりも低いか否かを判定し、水温Ｔｗが閾値Ｘよりも低い場合はステップＳ２に進み、そうでない場合はステップＳ４に進む。ステップＳ２では、制御装置２０はシールリング９が熱交換位置に移動するように電動駆動装置１５を制御する。これにより、流通空間８の容積が最大となって冷却水と排気との熱交換が促進される。一方、ステップＳ４では、制御装置２０はシールリング９が熱交換制限位置に移動するように電動駆動装置１５を制御する。これにより、冷却水が流通空間８から排除されるため排気からの熱回収が制限される。

ステップＳ３では水温Ｔｗが閾値Ｘ以上であるか否かを判定し、水温Ｔｗが閾値Ｘ以上になるまでの間、ステップＳ２の処理が繰り返されてシールリング９が熱交換位置に保持される。ステップＳ５では水温Ｔｗが目標値Ｙと等しいか又はそれよりも高いか否かを判定し、水温Ｔｗが目標値Ｙと等しい場合又はそれよりも高い場合はステップＳ４の処理が繰り返されてシールリング９が熱交換制限位置に保持される。目標値Ｙは閾値Ｘと等しくてもよいし異なっていてもよい。水温Ｔｗが目標値Ｙよりも低い場合はステップＳ６に進み、制御装置２０はシールリング９が熱交換制限位置から熱交換位置の側へ所定量移動するように電動駆動装置１５を制御する。そして、今回のルーチンを終了する。

図８の制御ルーチンによれば、水温Ｔｗの変化に連動させてシールリング９を移動できるので、水温Ｔｗに応じて冷却水と排気との熱交換の状態を変化させることができる。

本発明は以上の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上記の各形態のように、排気通過部２を内管４にて内側通路５と外側通路６とに区分し、かつ内管４に設けられた開閉弁７にて内側通路５を開閉して排気の通過状態を切り替えることは必須の構成ではない。そこで、例えば排気通過部２を単一の通路で構成して排気の通過状態を変更不能としてもよい。

また、上記の各形態では熱交換制限位置で冷却水を流通空間８から完全に排除しているが、シールリング９にて流通空間８の容積を最大から最小までの間で変化させることができればよい。つまり、熱交換制限位置において冷却水が流通空間８内にある程度残る形態で本発明を実施することもできる。

本発明の排気熱回収装置の一形態を示した図。 図１のII−II線に沿った断面図。 図１の排気熱回収装置のシールリングが熱交換制限位置に移動した状態を示した図。 シールリングの詳細図。 内燃機関の水温変化に対するシールリングの位置変化の一例を示した図。 第２の形態に係る排気熱回収装置を示した図。 図６の排気熱回収装置のシールリングが熱交換制限位置に移動した状態を示した図。 制御装置が実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャート。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 排気熱回収装置
２ 排気通過部
３ 熱回収室
３ａ 入口部
３ｂ 出口部
８ 流通空間
９ シールリング（移動部材）
１０ 密封空間
１１ 流体駆動装置（駆動手段）
１２ 作動流体
１５ 電動駆動装置（駆動手段）

Claims (4)

1. 内燃機関の排気が通過する排気通過部の外周に、前記内燃機関の冷却水が流れる熱回収室が配置され、前記排気通過部を通過する排気と前記熱回収室を流れる冷却水との間で熱交換を行う内燃機関の排気熱回収装置において、
   前記熱回収室には、冷却水が流入する入口部と、冷却水が流出する出口部と、前記入口部及び前記出口部のそれぞれに連通して冷却水が流れる流通空間と、前記流通空間の容積を変化させることができるように前記熱回収室内を移動する移動部材とが設けられていることを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。
2. 前記流通空間の容積が最大となる熱交換位置から前記流通空間の容積が最小となる熱交換制限位置までの間で前記移動部材を駆動する駆動手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
3. 前記移動部材は前記熱回収室を前記流通空間と密閉空間とに仕切るようにして前記熱回収室内を移動可能な状態で配置されており、
   前記駆動手段は、前記排気通過部を通過する排気と熱交換可能な状態で前記密閉空間に封入され、かつその熱交換によって体積が変化する作動流体を備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気熱回収装置。
4. 前記熱交換制限位置は、前記移動部材にて前記流通空間内から冷却水が排除され、かつ前記入口部と前記出口部とが閉鎖される位置に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気熱回収装置。

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