JP2014034922A - Exhaust heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの排気の熱を冷媒、例えばエンジンの冷却水に回収する排気熱回収装置に関する。 The present invention relates to an exhaust heat recovery device that recovers heat of engine exhaust into a refrigerant, for example, engine coolant.
従来より、自動車用内燃機関(自動車用エンジン;以下エンジンと称する)の排気の熱を回収する機器として、排気熱回収装置が知られている。このような排気熱回収装置は、エンジンの排気管の途中に設置され、排気管を通過するエンジンからの排気とエンジンの冷却水との間で熱交換を行う。エンジンの冷却水を介して回収された排気熱は、例えばエンジンの暖機運転を早期に完了させるために、エンジンの冷間時に冷却水温度を急激に上昇させることに利用され、あるいは車室内の暖房にも利用される。 2. Description of the Related Art Conventionally, an exhaust heat recovery device is known as a device that recovers the heat of exhaust gas from an automobile internal combustion engine (automobile engine; hereinafter referred to as an engine). Such an exhaust heat recovery device is installed in the middle of the exhaust pipe of the engine, and performs heat exchange between the exhaust from the engine passing through the exhaust pipe and the cooling water of the engine. The exhaust heat recovered via the engine coolant is used to rapidly increase the coolant temperature when the engine is cold, for example, in order to complete the warm-up operation of the engine at an early stage. It is also used for heating.
現在実用化されている排気熱回収装置は、特許文献1に開示された第1従来技術(図5)と、特許文献2に開示された第2従来技術(不図示)に大別されるが、コスト面などの理由から第1従来技術が主流である。 Exhaust heat recovery devices that are currently in practical use are broadly divided into a first prior art disclosed in Patent Document 1 (FIG. 5) and a second prior art disclosed in Patent Document 2 (not shown). The first prior art is mainstream for reasons such as cost.
第1従来技術の排気熱回収器100は、排気を通過させるバイパス流路104を形成する内筒部101と、この内筒部101の下流側でバイパス流路104を開閉する排気バルブ102と、内筒部101の外周側に間隔をもって設けられた外筒部103と、内筒部101と外筒部103との間に設けられた熱交換部(排気熱回収流路105及び106並びに冷却水流路107及び108)とを備えている。
The exhaust
排気熱回収を行う場合には排気バルブ102を閉動作させ、内筒部101内に導入された排気を、内筒部101の側部に設けられた多数の小孔109から、内筒部101の外周に設けられた第1排気熱回収流路105及び第2排気熱回収流路106へ順次流し、内側冷却水流路107及び外側冷却水流路108を流れる冷却水との間で熱交換を行わせる。
When exhaust heat recovery is performed, the
この排気熱回収器100は、前述のように、エンジン始動時の暖機や車室内の暖房を主目的とすることから、エンジンの始動から一定時間経過して暖機や暖房のニーズが低下したときには、排気熱の回収を行わず排気を排出(廃棄)している。この排気熱の廃棄時にはバルブ102を開動作して、内筒部101内に導入された排気を直接下流側へ排出し、排気を第1熱回収流路105及び第2熱回収流路106へ流動させないようにして、必要以上の冷却水の温度上昇を抑制すると共に、排気の圧力損失を抑制している。
As described above, the exhaust
一方、第2従来技術の排気熱回収装置(車両用蓄熱システム)は、エンジンの冷却水系統に排熱回収手段と蓄熱器を備え、排熱回収手段は、エンジンから排出された排気とエンジンの冷却水の間で熱交換可能に、二股に分岐された一方のエンジンの排気系統に沿って配置されたものである。 On the other hand, the exhaust gas heat recovery device (vehicle heat storage system) of the second prior art is provided with an exhaust heat recovery means and a heat storage device in the engine cooling water system, and the exhaust heat recovery means includes the exhaust discharged from the engine and the engine exhaust. It is arranged along the exhaust system of one of the engines that is bifurcated so that heat can be exchanged between the cooling water.
ところが、排気熱回収装置には、エンジンの暖機や車室内の暖房の目的を達成した後、エンジンの定常運転時や高負荷運転時にも継続的に排気熱を回収できるようにして、燃費を向上させたいとする要請がある。例えば、ランキンサイクルシステムを搭載した車両において、排気の熱を冷却水に常時回収し、その回収熱をランキンサイクル加熱器の熱源とするような場合である。 However, the exhaust heat recovery device achieves the fuel efficiency by enabling the exhaust heat to be recovered continuously even during steady engine operation or high load operation after achieving the purpose of warming up the engine or heating the passenger compartment. There is a request to improve. For example, in a vehicle equipped with a Rankine cycle system, the exhaust heat is always recovered in cooling water, and the recovered heat is used as a heat source for the Rankine cycle heater.
しかしながら、第1及び第2従来技術では、エンジンの定常運転時に継続的に排気熱を回収しようとすると、次のような課題が生じる。 However, in the first and second conventional techniques, the following problems occur when exhaust heat is continuously collected during steady operation of the engine.
第1に、走行風により冷却水が冷却されて熱回収効率が低下してしまう。つまり、前部にエンジンが搭載されている車両では、排気管が車両前部からフロア下面を通って後方へ延びているため、排気熱回収器100はフロア下面に設置されることになる。ところが、排気熱回収器100では冷却水が外筒部103近傍を流れるため、エンジンの定常運転時や高速運転時のような流れの強い走行風によって、排気熱を回収した冷却水が冷却されやすく、熱損失が発生して排気熱の回収効率が低下してしまう。この点は、第2従来技術においても同様である。
First, the cooling water is cooled by the traveling wind, and the heat recovery efficiency is reduced. That is, in a vehicle in which an engine is mounted on the front, the exhaust pipe extends rearward from the front of the vehicle through the floor lower surface, so that the exhaust
第2に、排気及び冷却水の圧力損失が大きい。つまり、排気側について、排気熱回収器100は小孔109を通して排気を第1排気熱回収流路105に流出させ、その後更に上流側で排気の流れを折り返して第2排気熱回収流路106へ流すことから、排気の圧力損失が大きい。このため、特にエンジンの高負荷時の出力及び燃費の低下が課題となる。また、冷却水側においても、内側冷却水流路107及び外側冷却水流路108の流路断面が狭小なため、冷却水の圧力損失が大きく、ウォータポンプ負荷が高くなって燃費の低下が課題となる。第2従来技術は、この点においても同様である。
Second, the pressure loss of exhaust and cooling water is large. In other words, on the exhaust side, the exhaust
尚、エンジンの定常運転時に継続的に排気熱を回収する排気熱回収装置であっても、ランキンサイクルシステムなどからの要請により、排気熱回収量を容易に制御できる必要がある。 Even in an exhaust heat recovery device that continuously recovers exhaust heat during steady operation of the engine, it is necessary to easily control the exhaust heat recovery amount in response to a request from a Rankine cycle system or the like.
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、走行風の影響により回収熱量が低下せず、且つ熱交換を行う排気及び冷媒の圧力損失を低減でき、更に熱回収量を容易に制御できる排気熱回収装置を提供することにある。 The object of the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the amount of recovered heat does not decrease due to the influence of the traveling wind, and the pressure loss of the exhaust and refrigerant for heat exchange can be reduced. It is an object of the present invention to provide an exhaust heat recovery device that can easily control the above.
本発明に係る排気熱回収装置は、内部に冷媒が流動する内筒部と、この内筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記内筒部との間に、導入された排気の熱を前記内筒部内の冷媒に回収させる熱回収流路を形成する中間筒部と、この中間筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記中間筒部との間に、バイパスされた排気を流動させるバイパス流路を形成する外筒部と、前記中間筒部における排気の流れ方向上流端に設置され、排気を前記熱回収流路と前記バイパス流路に切り替えて流す排気バルブと、を有して構成されたことを特徴とするものである。 The exhaust heat recovery apparatus according to the present invention is arranged with a predetermined interval on the outer side of the inner cylinder part through which the refrigerant flows, and between the inner cylinder part. An intermediate cylinder part that forms a heat recovery flow path to be recovered by the refrigerant in the inner cylinder part and an outer side of the intermediate cylinder part are arranged at a predetermined interval, and the bypassed exhaust gas flows between the intermediate cylinder part. An outer cylinder part that forms a bypass flow path, and an exhaust valve that is installed at an upstream end in the flow direction of the exhaust gas in the intermediate cylinder part and flows the exhaust gas by switching to the heat recovery flow path and the bypass flow path. It is characterized by having been comprised.
本発明によれば、冷媒が流れる内筒部は、内筒部と中間筒部により形成される熱回収流路、中間筒部と外筒部により形成されるバイパス流路により順次覆われることになるので、冷媒に回収された回収熱量が走行風の影響により低下することを防止できる。また、熱回収流路が直線形状に形成されて、この熱回収流路内を流れる排気の流れがスムーズであり、また冷媒が流れる内筒部の流路断面積も確保されるので、排気及び冷媒の圧力損失を共に低減できる。更に、排気バルブの開度を調節して、熱回収流路内へ流れる排気の流量を調整することで、冷媒による熱回収量を容易に制御できる。 According to the present invention, the inner cylinder part through which the refrigerant flows is sequentially covered by the heat recovery channel formed by the inner cylinder part and the intermediate cylinder part and the bypass channel formed by the intermediate cylinder part and the outer cylinder part. Therefore, it is possible to prevent the recovered heat amount recovered by the refrigerant from being lowered due to the influence of the traveling wind. Further, since the heat recovery flow path is formed in a linear shape, the flow of the exhaust flowing through the heat recovery flow path is smooth, and the flow path cross-sectional area of the inner cylinder portion through which the refrigerant flows is ensured. Both the pressure loss of the refrigerant can be reduced. Furthermore, the amount of heat recovered by the refrigerant can be easily controlled by adjusting the opening of the exhaust valve and adjusting the flow rate of the exhaust flowing into the heat recovery flow path.
以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
[A]第1実施形態(図1、図2)
図1は、本発明に係る排気熱回収装置の第1実施形態における非熱回収状態を示し、(A)は横断面図、(B)は図1(A)のI−I線に沿う断面図である。また、図2は、図1の排気熱回収装置における熱回収状態を示し、(A)は横断面図、(B)は図2(A)のII−II線に沿う断面図である。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
[A] First embodiment (FIGS. 1 and 2)
FIG. 1 shows a non-heat recovery state in the first embodiment of the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, where (A) is a cross-sectional view, and (B) is a cross section taken along the line I-I in FIG. FIG. 2 shows a heat recovery state in the exhaust heat recovery apparatus of FIG. 1, (A) is a cross-sectional view, and (B) is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 2 (A).
図1及び図2に示す排気熱回収装置10は、図示しないエンジンの始動時のほか、エンジンの定常運転時や高負荷運転時にも継続的に、エンジンからの排気1の熱を冷媒(本実施形態ではエンジンの冷却水2)に回収して、その回収熱をエンジンの暖機運転、車室内の暖房、ランキンサイクル加熱器の熱源に利用するものであり、内筒部11、中間筒部12、外筒部13及び排気バルブ14を有して構成される。
The exhaust
内筒部11は例えば円筒形状であって、内部に冷却水2が流動するものであり、スタティックミキサー15が内蔵されている。このスタティックミキサー15は、右方向に捩られた右捩り羽根15Aと、左方向に捩られた左捩り羽根15Bとが、軸方向に交互に複数接合されて構成されたものである。隣接する右捩り羽根15Aと左捩り羽根15Bとの交叉角度は例えば90度である。従って、内筒部11に内蔵されたスタティックミキサー15によって、内筒部11内を流れる冷却水2は撹拌される。
The
中間筒部12は例えば円筒形状であって、内筒部11の外周側に所定間隔をもって配置される。この中間筒部12と内筒部11との間に熱回収流路16が形成される。この熱回収流路16は、導入される排気1の熱を、熱交換によって内筒部11内の冷却水2に回収させるものである。
The
外筒部13は例えば円筒形状であって、中間筒部12の外周側に所定間隔をもって配置される。この外筒部13と中間筒部12との間に、熱回収流路16内に導入されずにバイパスされた排気1を流動させるバイパス流路17が形成される。
The
排気バルブ14は、例えば円板形状の弁体18と、この弁体18の略中央位置(例えば直径位置)に設けられた弁体棒19と、を有して構成される。この排気バルブ14は、中間筒部12における排気1の流れ方向上流端に設置される。具体的には、排気バルブ14の弁体棒19は、中間筒部12における排気1の流れ方向上流端であって、中間筒部12の直径方向または幅方向(本実施形態では直径方向D)略中央位置に、回転可能に枢支される。
The
排気バルブ14の弁体18が中間筒部12の軸心Oに対し直交して位置づけられることで、排気バルブ14はその開度が全閉となる(図1)。このとき、外筒部13内に導入された排気1は、排気バルブ14の弁体18に遮られて中間筒部12内の熱回収流路16には流入せず、図1の矢印Aに示すように、略全量が外筒部13内のバイパス流路17を流動する。従って、排気1の熱は、内筒部11内の冷却水にほとんど回収されない。
Since the
排気バルブ14の弁体18が中間筒部12の軸心Oに対し平行に位置づけられると、排気バルブ14はその開度が全開となる(図2)。このとき、外筒部13内に導入された排気1は、図2の矢印B、Cにそれぞれ示すように、中間筒部12内の熱回収流路16と外筒部13内のバイパス流路17とを流れ、熱回収流路16を流動する排気1の熱が、内筒部11内を流動する冷却水2に回収される。
When the
排気バルブ14の弁体18が中間筒部12の軸心Oに対し直交状態から平行状態までの所定の位置に位置づけられる排気バルブ14の開度で、外筒部13内の排気1は、排気バルブ14の開度に応じて中間筒部12内の熱回収流路16に流入し、この排気1の熱が、内筒部11内を流動する冷却水2に回収される。
The
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果(1)〜(5)を奏する。
(1)冷却水2が流れる内筒部11が、この内筒部11と中間筒部12により形成される熱回収流路16により覆われ、この更にこの熱回収流路16が、中間筒部12と外筒部13により形成されるバイパス流路17により覆われているので、冷却水2に回収された回収熱が、外筒部13の外側を流れる走行風の影響により低下することを防止できる。この結果、排気熱の回収効率が向上する。
With the configuration as described above, according to the present embodiment, the following effects (1) to (5) are obtained.
(1) The
(2)内筒部11と中間筒部12とにより形成される熱回収流路16が直線形状に形成されて、この熱回収流路16内を流れる排気1の流れがスムーズあることと、冷却水2が流れる内筒部11が、スタティックミキサー15を内蔵するに十分な流路断面積に確保されていることとから、排気1及び冷却水2の圧力損失を共に低減できる。この結果、エンジンの定常運転時や高負荷運転時における出力及び燃費の低下を防止でき、エンジンの定常運転時や高負荷運転時に継続的に熱回収を行うに適した排気熱回収装置10とすることができる。
(2) The
(3)排気バルブ14の開度を調整して、熱回収流路16内へ流れる排気1の流量を調整することで、内筒部11内を流動する冷却水2による熱回収量を容易に制御できる。この結果、排気回収熱をランキンサイクル加熱器の熱源として利用する場合にも、そのランキンサイクルシステムの要請である熱量の制御に対応することができる。
(3) By adjusting the opening degree of the
(4)内筒部11には、冷却水2を撹拌して流動させるスタティックミキサー15が内蔵されたので、内筒部11の外側の熱回収流路16を流れる排気1と、内筒部11内の冷却水2との熱交換効率が向上して、冷却水2による排気1の回収熱量を増大させることができる。
(4) Since the
(5)排気バルブ14は、中間筒部12における排気1の流れ方向上流端に設置されるが、このとき弁体18の略中央位置に設けられた弁体棒19が、中間筒部12の直径方向Dの略中央位置に配置されている。このため、排気1は、中間筒部12内の熱回収流路16に流入する際に、弁体18及び弁体棒19により撹拌されて乱流状態になる。この結果、熱回収流路16における乱流状態の排気1の熱を、内筒部11内を流動する冷却水2に回収させる熱回収量を増大させることができる。
(5) The
[B]第2実施形態(図3、図4)
図3は、本発明に係る排気熱回収装置の第2実施形態における非熱回収状態を示し、(A)は横断面図、(B)は図3(A)のIII−III線に沿う断面図である。また、図4は、図3の排気熱回収装置における熱回収状態を示し、(A)は横断面図、(B)は図4(A)のIV−IV線に沿う断面図である。この第2実施形態において、前記第1実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
[B] Second Embodiment (FIGS. 3 and 4)
FIG. 3 shows a non-heat recovery state in the second embodiment of the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, where (A) is a cross-sectional view, and (B) is a cross section taken along the line III-III in FIG. FIG. 4 shows a heat recovery state in the exhaust heat recovery apparatus of FIG. 3, wherein (A) is a cross-sectional view, and (B) is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 4 (A). In the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is simplified or omitted.
本第2実施形態の排気熱回収装置20が前記第1実施形態と異なる点は、中間筒部21及び外筒部22が角筒形状に形成された点と、排気バルブ23が複数のバルブアッセンブリ24を備えて構成された点である。
The exhaust
各バルブアッセンブリ24は、例えば四角板形状の弁体25と、この弁体25の端部に設けられた弁体棒26とを有して構成される。このバルブアッセンブリ24が観音開き構造に複数、例えば本実施形態では一対配置されて排気バルブ23が構成される。このとき、各バルブアッセンブリ24の弁体棒26は、中間筒部21における排気1の流れ方向上流端であって、中間筒部21の幅方向または直径方向(本実施形態では幅方向W)の端部に配置される。
Each
具体的には、一方のバルブアッセンブリ24の弁体棒26と他方のバルブアッセンブリ24の弁体棒26は、中間筒部21の幅方向Wにおける対向する両端部にそれぞれ配置されて、両バルブアッセンブリ24が観音開き構造に構成される。
Specifically, the
更に、排気バルブ23を構成する全てのバルブアッセンブリ24の弁体25は、その面積及び形状が、中間筒部21における排気1の流れ方向上流端の流路断面と同等以上に設定される。従って、排気バルブ23の全閉時(図3)には、複数の全てのバルブアッセンブリ24の弁体25によって、中間筒部21における排気1の流れ方向上流端の流路断面が閉塞される。このとき、外筒部22内に導入された排気1は、図3の矢印Pに示すようにバイパス流路17を流れ、熱回収流路16には流れない。
Further, the
また、図4に示すように、排気バルブ23を構成する全てのバルブアッセンブリ24の弁体25は、その先端部分25Aが、排気バルブ23の全開時に外筒部22に接近して、バイパス流路17における排気1の流れ方向上流端が略閉塞されるよう構成される。このため、排気バルブ23の全開時には、外筒部22内の排気1はバイパス流路17内へ流入せず、図4の矢印Qに示すように、バルブアッセンブリ24の弁体25に案内されて熱回収流路16内へ略全量流れる。ここで、本実施形態においても、熱回収流路16は内筒部11と中間筒部21との間に形成され、バイパス流路17は中間筒部21と外筒部22との間に形成される。
Further, as shown in FIG. 4, the
以上のように構成されたことから、本第2実施形態においても、前記第1実施形態の効果(1)〜(4)と同様な効果を奏するほか、次の効果(6)を奏する。 Due to the above configuration, the second embodiment also provides the following effect (6) in addition to the same effects as the effects (1) to (4) of the first embodiment.
(6)排気バルブ23の全開時に、全てのバルブアッセンブリ24の弁体25の先端部分25Aが外筒部22に接近して、バイパス流路17における排気1の流れ方向上流端が、全てのバルブアッセンブリ24の弁体25によって略閉塞される。このため、外筒部22内からバイパス流路17へ流れる排気1の流量を略ゼロとし、外筒部22内の全ての排気1を熱回収流路16へ導くことができる。この結果、内筒部11内を流れる冷却水2による排気1の熱回収量を著しく増大させることができる。
(6) When the
以上各実施形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施形態の具体的構成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、第1及び第2実施形態において、内筒部11の外表面にフィンなどの凹凸を設けて、排気1の熱回収量を更に増大させてもよい。また、内筒部11、中間筒部12、21、外筒部13、22は、断面形状が円形状または多角形状の何れであってもよい。
Each embodiment has been described above, but the present invention is not limited to the specific configuration of each embodiment as described above, and can be variously modified without departing from the gist of the present invention. For example, in the first and second embodiments, the heat recovery amount of the
1 排気
2 冷却水(冷媒)
10 排気熱回収装置
11 内筒部
12 中間筒部
13 外筒部
14 排気バルブ
15 スタティックミキサー
16 熱回収流路
17 バイパス流路
18 弁体
19 弁体棒
20 排気熱回収装置
21 中間筒部
22 外筒部
23 排気バルブ
24 バルブアッセンブリ
25 弁体
25A 先端部分
26 弁体棒
1
DESCRIPTION OF
Claims (4)
この内筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記内筒部との間に、導入された排気の熱を前記内筒部内の冷媒に回収させる熱回収流路を形成する中間筒部と、
この中間筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記中間筒部との間に、バイパスされた排気を流動させるバイパス流路を形成する外筒部と、
前記中間筒部における排気の流れ方向上流端に設置され、排気を前記熱回収流路と前記バイパス流路に切り替えて流す排気バルブと、を有して構成されたことを特徴とする排気熱回収装置。 An inner cylinder part in which refrigerant flows,
An intermediate cylinder portion that is disposed outside the inner cylinder portion at a predetermined interval, and forms a heat recovery flow path for recovering the heat of the introduced exhaust gas to the refrigerant in the inner cylinder portion between the inner cylinder portion,
An outer cylinder portion that is disposed outside the intermediate cylinder portion at a predetermined interval, and forms a bypass flow path for allowing the bypassed exhaust to flow between the intermediate cylinder portion,
An exhaust heat recovery system comprising an exhaust valve installed at an upstream end in the exhaust gas flow direction in the intermediate cylinder portion and configured to switch exhaust gas to the heat recovery flow path and the bypass flow path. apparatus.
全閉時には、複数の前記バルブアッセンブリの前記弁体により前記中間筒部における排気の流れ方向上流端が閉塞され、全開時には、複数の前記バルブアッセンブリにおける前記弁体の先端部分が外筒部に接近して、バイパス流路における排気の流れ方向上流端が略閉塞されるよう構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の排気熱回収装置。 The exhaust valve is configured by a plurality of valve assemblies each including a valve body and a valve body rod provided at an end of the valve body in a double door structure, and the valve body rod of each valve assembly. Is disposed at the end of the intermediate tube portion in the width direction or the diametrical direction,
When fully closed, the upstream ends of the intermediate cylinder portions in the exhaust flow direction are closed by the valve bodies of the plurality of valve assemblies, and when fully opened, the tip portions of the valve bodies of the plurality of valve assemblies approach the outer cylinder portions. The exhaust heat recovery apparatus according to claim 1, wherein an upstream end in a flow direction of the exhaust gas in the bypass flow path is substantially closed.
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