JP2015200196A - エンジンの排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気流量が多い運転状態では排熱回収効率を低く維持しつつ、排気流量が少ない運転状態では排熱回収効率を従来よりも高めることが可能なエンジンの排気装置を提供する。【解決手段】エンジンから排出された排気を外部へ導くエンジンの排気装置であって、エンジンから排出された排気を分配して流す複数の分配通路と、複数の分配通路に一つずつ設けられ、排気の熱を回収する排熱回収器と、を備え、排熱回収器は、分配通路内に設けられ、通過する排気の熱を回収する筒状の排熱回収部と、冷却流体を介して排熱回収部を外周側から冷却する冷却部と、を備えるとともに、排熱回収部の直径が排熱回収部の軸方向長さよりも大きくなるように構成される、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの排気装置に関する。

特許文献１には、エンジンから排出された排気を流す排気通路と、排気通路に設けられ、冷却水を用いて排気の熱を回収する排熱回収器と、を備える排気装置が開示されている。排熱回収器で回収された熱は、エンジンの暖機や暖房等に利用される。

特開２０１１−１６９５１４号公報

上記した排気装置に設けられる排熱回収器は、冷却水を用いて、排熱回収部を通過する排気から熱を奪う装置である。そのため、排熱回収器での排熱回収量は、排熱回収部を通過する排気の流量に応じて変化する。このような排熱回収器では、できる限り排熱回収効率が高く設定されることが望しい。しかしながら、排熱回収器では、排気流量が多い運転状態が継続した場合であっても冷却水温度が高くなり過ぎないように排熱回収効率が設定され、このように排気流量が多い運転状態を基準に排熱回収効率が設定される場合には、排気流量が少ない運転状態においても排熱回収効率が低くなってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、排気流量が多い運転状態では排熱回収効率を低く維持しつつ、排気流量が少ない運転状態では排熱回収効率を従来よりも高めることが可能なエンジンの排気装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンから排出された排気を外部へ導くエンジンの排気装置である。この排気装置は、エンジンから排出された排気を分配して流す複数の分配通路と、複数の分配通路に一つずつ設けられ、排気の熱を回収する排熱回収器と、を備える。排熱回収器は、分配通路内に設けられ、通過する排気の熱を回収する筒状の排熱回収部と、冷却流体を介して排熱回収部を外周側から冷却する冷却部と、を備えるとともに、排熱回収部の直径が排熱回収部の軸方向長さよりも大きくなるように構成されている。

本発明によれば、排気装置は、エンジンから排出された排気を分配して流す分配通路に排熱回収器を備えている。排熱回収器の排熱回収部は、その直径が軸方向長さよりも大きくなるように構成されている。このように排熱回収部を形成することで、排熱回収器での排熱回収効率は、排熱回収部を通過する排気流量が多くなるほど指数関数的に低下する特性となる。このような特性の排熱回収器を分配通路に配置することで、排熱回収部を通過する排気の流量を低減することができ、排気流量が多い運転状態では排熱回収器での排熱回収効率を低く維持しつつ、排気流量が少ない運転状態では排熱回収器での排熱回収効率を従来よりも高めることが可能となる。

図１は、第１実施形態による排気装置を備えるエンジンの概略構成図である。 図２は、排気装置に設けられる排熱回収器の断面図である。 図３は、排熱回収器の排熱回収部の側面図である。 図４Ａは、排気流量が多いエンジン運転状態での排気の流れを説明する図である。 図４Ｂは、排気流量が少ないエンジン運転状態での排気の流れを説明する図である。 図５は、排気流量と排熱回収器での排熱回収効率との関係を示す図である。 図６は、第２実施形態による排気装置を備えるエンジンの概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による排気装置６０を備えるエンジン１の概略構成図である。

図１に示すエンジン１は、例えば車両に搭載されるＶ型６気筒内燃機関である。エンジン１は、第１，第３，及び第５気筒を有する右バンク１１と、第２，第４，及び第６気筒を有する左バンク１２と、を備える。また、エンジン１には、当該エンジン１から排出された排気を外部へ導く排気装置６０が設けられている。

排気装置６０は、右バンク１１の各気筒から排出された排気を流す第１排気マニホールド２０Ｒと、第１排気マニホールド２０Ｒの下流端に接続する第１排気管３０Ｒと、左バンク１２の各気筒から排出された排気を流す第２排気マニホールド２０Ｌと、第２排気マニホールド２０Ｌの下流端に接続する第２排気管３０Ｌと、第１排気管３０Ｒと第２排気管３０Ｌの下流端に接続する合流管４０と、を備える。

第１排気マニホールド２０Ｒは、右バンク１１の各気筒から排出された排気を集合させ、第１排気管３０Ｒへと導く。第１排気マニホールド２０Ｒには、当該マニホールド内を流れる排気を浄化するマニホールド触媒コンバータ２１が設けられている。第１排気管３０Ｒには、排気を浄化する床下触媒コンバータ３１と排気の熱を回収する排熱回収器７０とが上流側から順に配置されている。

一方、第２排気マニホールド２０Ｌは、左バンク１２の各気筒から排出された排気を集合させ、第２排気管３０Ｌへと導く。第２排気マニホールド２０Ｌには、当該マニホールド内を流れる排気を浄化するマニホールド触媒コンバータ２１が設けられている。第２排気管３０Ｌには、排気を浄化する床下触媒コンバータ３１と排気の熱を回収する排熱回収器７０とが上流側から順に配置されている。

第２排気マニホールド２０Ｌに設置されるマニホールド触媒コンバータ２１は、第１排気マニホールド２０Ｒに設置されるマニホールド触媒コンバータ２１と同じ構成の触媒コンバータである。第２排気管３０Ｌに設置される床下触媒コンバータ３１及び排熱回収器７０も、第１排気管３０Ｒに設置される床下触媒コンバータ３１及び排熱回収器７０と同じ構成のものである。

第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌは、それぞれの下流端が合流するように構成されている。合流管４０は、これら第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌの合流部分に接続されている。合流管４０には、排気音を抑制するためのマフラ４１が設けられる。

エンジン１の右バンク１１から排出された排気は、第１排気マニホールド２０Ｒに設けられたマニホールド触媒コンバータ２１及び第１排気管３０Ｒに設けられた床下触媒コンバータ３１で浄化され、床下触媒コンバータ３１を通過した後に排熱回収器７０で排気の熱が回収される。また、エンジン１の左バンク１２から排出された排気は、第２排気マニホールド２０Ｌに設けられたマニホールド触媒コンバータ２１及び第２排気管３０Ｌに設けられた床下触媒コンバータ３１で浄化され、床下触媒コンバータ３１を通過した後に排熱回収器７０で排気の熱が回収される。第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌを通過した排気は、合流管４０内に流入し、マフラ４１を通過した後に外部へ排出される。

なお、２つの排熱回収器７０によって回収された排熱は、エンジン１の暖機や暖房等に利用される。

上記したエンジン１の排気装置６０では、右バンク１１から排出された排気を流す第１排気マニホールド２０Ｒ及び第１排気管３０Ｒと、左バンク１２から排出された排気を流す第２排気マニホールド２０Ｌ及び第２排気管３０Ｌとは、エンジン１から排出された排気を分配して流す分配排気通路として機能している。

次に、図２及び図３を参照して、排熱回収器７０の構成について説明する。図２は排気通路の延在方向に対して直交する方向に沿う排熱回収器７０の断面図であり、図３は排熱回収器７０を構成する排熱回収部７１の側面図である。

図２に示すように、排熱回収器７０は、排気の熱を回収する排熱回収部７１と、冷却水を介して排熱回収部７１の熱を奪う冷却部７２と、を備える。

冷却部７２は円筒部材であって、冷却部７２の内部７２Ｄに円筒状の排熱回収部７１が配置されている。冷却部７２の内径は排熱回収部７１の外径よりも僅かに大きく形成されており、排熱回収部７１は冷却部７２内に嵌め込まれている。冷却部７２の内部７２Ｄは、排気を流す排気通路の一部として構成されている。

図２及び図３に示すように、排熱回収部７１は、第１及び第２排気マニホールド２０Ｒ，２０Ｌや第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌを形成する材料よりも高熱伝導率の材料、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）によって形成されている。排熱回収部７１は排気が通過可能な複数の貫通孔７１Ａを有する格子状の円筒部材であり、排熱回収部７１の直径（外径）Ｄは排熱回収部７１の軸方向長さ（通路延在方向長さ）Ｌよりも大きく設定されている。排熱回収部７１の貫通孔７１Ａは、排熱回収部７１の上流側端面から下流側端面まで軸方向に貫通している。

なお、排熱回収部７１は、貫通孔７１Ａの断面形状が六角形であるハニカム構造体として構成されてもよい。貫通孔７１Ａの断面形状は、四角形や六角形に限られず、円形や三角形等のその他の形状でもよい。

上記のように構成される排熱回収部７１は、貫通孔７１Ａを通過する排気により加熱される。したがって、排熱回収部７１を通過した後の排気の温度は、通過前の排気の温度よりも低くなる。

冷却部７２は、排熱回収部７１の周囲に形成される。冷却部７２は、排熱回収部７１の外周に沿って形成される環状流路７２Ａと、環状流路７２Ａに冷却水を導入する導入口７２Ｂと、環状流路７２Ａから冷却水を排出する排出口７２Ｃと、を備える。導入口７２Ｂと排出口７２Ｃとは、排熱回収部７１の周方向に１８０度ずらして配置される。

排熱回収器７０の環状流路７２Ａには、エンジン１のウォータポンプ（図示省略）により圧送された冷却水が導入口７２Ｂを通じて流入する。冷却水は、環状流路７２Ａ内を流れ、排熱回収部７１を外周側から冷却する。環状流路７２Ａを通過した冷却水は、排熱回収部７１の熱を奪うことによって暖められ、排出口７２Ｃを通じて排熱回収器７０から排出される。このように排出された冷却水は、エンジン１のシリンダブロック等に形成されたウォータジャケットや図示しない暖房装置に供給され、エンジン１の暖機や車室内の暖房に利用される。

上述の通り、排気の熱を奪う排熱回収部７１は、その直径Ｄが軸方向長さＬよりも大きくなるように構成されている。このように排熱回収部７１を構成することで、排熱回収器７０での排熱回収効率は図５に示すような特性となる。つまり、図５に示すように、排熱回収器７０の排熱回収効率は、排熱回収部７１を通過する排気の流量が多くなるほど指数関数的に低下する。

本実施形態では、図５に示すような効率特性を有する排熱回収器７０を用いて、排気流量が少ない運転状態において排熱回収効率を従来よりも高められるように排気装置６０を構築する。つまり、従来の排気装置では、排熱回収器は排気が集められる合流管に１つ設置されていたが、本実施形態では、図１に示すように排熱回収器７０は合流管４０（排気が合流する部分）よりも上流側の第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌのそれぞれに設置されている。

図４Ａ、図４Ｂ、及び図５を参照して、排熱回収器７０における排熱回収効率について説明する。図４Ａは排気流量が多いエンジン運転状態での排気の流れを説明する図であり、図４Ｂは排気流量が少ないエンジン運転状態での排気の流れを説明する図である。

図４Ａに示すように、エンジン１の右バンク１１から排出された排気は第１排気マニホールド２０Ｒ及び第１排気管３０Ｒを通じて合流管４０に流れ込み、エンジン１の左バンク１２から排出された排気は第２排気マニホールド２０Ｌ及び第２排気管３０Ｌを通じて合流管４０に流れこむ。このようにエンジン１から排出された排気は、マニホールド触媒コンバータ２１及び床下触媒コンバータ３１で浄化された後、排熱回収器７０によって排熱が回収される。

図４Ａのようにエンジン運転状態が高負荷かつ高エンジン回転速度である場合、つまりエンジン１から排出される排気の流量が多い運転状態では、排熱回収器７０の排熱回収効率は図５に示すように低排気流量時と比較して低くなる。

エンジン運転状態が高負荷かつ高エンジン回転速度である場合に、エンジン１から排出されて第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌを通過する排気の流量がＲ３であるとすると、合流管４０を流れる排気の流量はＲ３の２倍程度のＲ４となる。排熱回収器７０の排熱回収効率は図５に示すような特性となっているため、排熱回収器７０での排熱回収効率は、排気流量Ｒ３である第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌに排熱回収器７０を配置した場合であっても、従来手法のように排気流量がＲ４となる合流管４０に排熱回収器７０を配置した場合と同程度の低い値となる。

したがって、排熱回収器７０を合流管４０よりも上流側の第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌのそれぞれに設けた場合であっても、排気流量が多い運転状態での排熱回収効率を低く維持することができる。したがって、高負荷かつ高エンジン回転速度の運転状態が継続した場合であっても、冷却水の温度が高くなり過ぎることがない。

一方、エンジン運転状態が低負荷かつ低エンジン回転速度である場合には、エンジン１から排出される排気の流量は、高負荷かつ高エンジン回転速度時よりも低下する。このようにエンジン１から排出される排気の流量が少ない運転状態では、排熱回収器７０の排熱回収効率は図５に示すように高排気流量時と比較して高くなる。

エンジン運転状態が低負荷かつ低エンジン回転速度である場合に、エンジン１から排出されて第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌを通過する排気の流量がＲ１であるとすると、合流管４０を流れる排気の流量はＲ１の２倍程度のＲ２となる。排熱回収器７０の排熱回収効率は図５に示すような特性となっているため、排熱回収器７０での排熱回収効率は、排熱回収器７０を従来手法のように排気流量がＲ２となる合流管４０に配置した場合と比較して、排熱回収器７０を低排気流量Ｒ１となる第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌに配置した場合の方が高くなる。

このように本実施形態では、排熱回収器７０を合流管４０ではなく第１排気管３０Ｒ及び第２排気管３０Ｌに設けることで、低排気流量時に排熱回収器７０を通過する排気の流量をより少なくできる。その結果、エンジン１から排出される排気の流量が少ない運転状態において、排熱回収器７０での排熱回収効率を従来よりも高めることが可能となる。

上記したエンジン１の排気装置６０によれば、以下の効果を得ることができる。

エンジン１の排気装置６０は、エンジン１から排出された排気を分配して流す第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌに排熱回収器７０を備えている。排熱回収器７０の排熱回収部７１は、その直径Ｄが軸方向長さＬよりも大きくなるように構成されている。このように排熱回収部７１を形成することで、排熱回収器７０での排熱回収効率は、排熱回収部７１を通過する排気流量が多くなるほど指数関数的に低下する特性となる。このような特性の排熱回収器７０を分配された排気が合流する前の第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌに配置することで、排熱回収部７１を通過する排気の流量を低減することができ、排気流量が多い運転状態では排熱回収器７０での排熱回収効率を低く維持しつつ、排気流量が少ない運転状態では排熱回収器７０での排熱回収効率を従来よりも高めることが可能となる。また、排熱回収器７０を第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌのそれぞれに配置するので、小型の排熱回収器７０を採用することができる。

第１及び第２排気管３０Ｒ，３０Ｌに配置される排熱回収器７０は同じ構成となっており、これら２つの排熱回収器７０における排熱回収部７１及び冷却部７２はそれぞれ同一構造である。したがって、２つの排熱回収器７０の排熱回収効率をそろえることができ、両排熱回収器７０間での排熱回収量のばらつきを抑制できる。したがって、排熱回収器７０で加熱される冷却水の温度管理等が容易となる。

なお、排熱回収器７０の排熱回収部７１は、貫通孔７１Ａの断面形状が六角形であるハニカム構造体として構成されることが好ましい。このように構成することで、排熱回収部７１において貫通孔７１Ａを密に配置することができ、排熱回収効率特性を維持したまま排熱回収部７１を小型化することが可能となる。したがって、排熱回収器７０を小型軽量化でき、エンジン１の排気装置６０をコンパクトに構成できる。

（第２実施形態）
図６を参照して、本発明の第２実施形態によるエンジン１の排気装置６０について説明する。

第２実施形態による排気装置６０は、排熱回収器７０の配置の仕方において、第１実施形態の排気装置と相違する。なお、以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。

図６に示すように、第２実施形態による排気装置６０では、合流管４０は、当該合流管４０を流れる排気を分配する分配管４０Ａ，４０Ｂを備えている。分配管４０Ａ，４０Ｂは、合流管４０の途中から分岐して下流側で再び合流するように構成されている。分配管４０Ａ，４０Ｂの合流後の通路は合流管４０として構成されており、この合流管４０にマフラ４１が設けられている。

第２実施形態では、排熱回収器７０は、分配管４０Ａ，４０Ｂのそれぞれに一つずつ設けられている。排熱回収器７０は、分配管４０Ａ，４０Ｂを流れる排気によって加熱された排熱回収部７１の熱を、冷却部７２を流れる冷却水によって回収するように構成されている。排気の熱を奪う排熱回収部７１はその直径Ｄが軸方向長さＬよりも大きくなるように構成されており、排熱回収器７０での排熱回収効率は図５に示すような特性となっている。

上述の通り、排熱回収器７０は合流管４０から分岐する分配管４０Ａ，４０Ｂのそれぞれに設けられるので、各排熱回収器７０の排熱回収部７１を通過する排気の流量を合流管４０を流れる排気の流量より少なくできる。その結果、第２実施形態による排気装置６０では、第１実施形態による排気装置と同様に、エンジン１から排出される排気の流量が多い運転状態では排熱回収器７０での排熱回収効率を低く維持しつつ、排気流量が少ない運転状態では排熱回収器７０での排熱回収効率を従来よりも高めることが可能となる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

第１及び第２の各実施形態における技術的思想は、必要に応じて任意に組み合わせることが可能である。

第２実施形態による排気装置６０では、合流管４０から２つの分配管４０Ａ，４０Ｂが分岐する。しかしながら、合流管４０から分岐する分配管の数は、２つではなく、３つ以上であってもよい。この場合には、各分配管に排熱回収器７０を設けてもよいし、任意の分配管にのみ排熱回収器７０を設けてもよい。

１ エンジン
１１ 右バンク
１２ 左バンク
２０Ｒ 第１排気マニホールド
２０Ｌ 第２排気マニホールド
３０Ｒ 第１排気管
３０Ｌ 第２排気管
４０ 合流管
４０Ａ 分配管
６０ 排気装置
７０ 排熱回収器
７１ 排熱回収部
７１Ａ 貫通孔
７２ 冷却部

Claims (4)

1. エンジンから排出された排気を外部へ導くエンジンの排気装置であって、
   エンジンから排出された排気を分配して流す複数の分配通路と、
   複数の前記分配通路に一つずつ設けられ、排気の熱を回収する排熱回収器と、を備え、
   前記排熱回収器は、
   前記分配通路内に設けられ、通過する排気の熱を回収する筒状の排熱回収部と、
   冷却流体を介して前記排熱回収部を外周側から冷却する冷却部と、を備えるとともに、
   前記排熱回収部の直径が前記排熱回収部の軸方向長さよりも大きくなるように構成される、
   ことを特徴とするエンジンの排気装置。
2. 前記排熱回収部は、排気が通過可能な複数の貫通孔を有するハニカム構造体として構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排気装置。
3. 前記分配通路ごとに設けられる前記排熱回収器は、それぞれ同一の構成である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの排気装置。
4. 前記エンジンは、二つのバンクを有するＶ型エンジンであって、
   前記分配通路は、一方のバンクから排出された排気を流す第１排気通路、及び他方のバンクから排出された排気を流す第２排気通路であり、
   前記排熱回収器は、前記第１排気通路と前記第２排気通路とが合流する合流部分よりも上流側の前記第１排気通路及び前記第２排気通路のそれぞれに設けられる、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のエンジンの排気装置。

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