JP2017115682A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱の回収を抑制するためにバルブを閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気熱回収装置３０は、開口１２１を介して排気通路１２と連通する分岐室４０と、開口１２１を排気通路１２における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸３２１を中心に回転して開口１２１を閉塞するバルブ３２とを備える。分岐室４０は、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部４１と、熱交換部４１よりも開口１２１側に位置する接続部４３とを含む。接続部４３には、同接続部４３の内部を、熱交換部４１に繋がる第１の接続部４３１と、熱交換部４１に繋がる第２の接続部４３２とに区画する区画壁４５が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

特許文献１には、燃焼室から排出された排気の熱を利用して内燃機関を早期に暖機させるための排気熱回収装置の一例が記載されている。この排気熱回収装置は、排気が流れる排気通路に接続されているバイパス通路と、バイパス通路の途中に設けられた熱交換器とを備えている。バイパス通路の上流端は排気通路からバイパス通路に排気を流入させるための流入部であり、バイパス通路の下流端はバイパス通路から排気通路に排気を戻すための流出部である。そして、排気通路での排気の流れる方向を排気流動方向とした場合、流出部は、排気通路における流入部との接続部位よりも排気流動方向下流側で同排気通路に接続されている。

熱交換器は、排気の流れる排気用通路と、機関冷却水の流れる冷却水用通路とを有している。そして、バイパス通路を流れる排気が排気用通路を通過するようになっている。そのため、排気用通路を流れる排気の熱が冷却水用通路を流れる機関冷却水に伝わることで機関冷却水が暖められ、内燃機関を暖機させることができる。

また、この排気熱回収装置には、排気通路からバイパス通路への排気の流入の許可及び停止を切り替える切替装置が設けられている。この切替装置は、アクチュエータの作動によって回転する弁体を有している。排気通路からバイパス通路への排気の流入を許可する場合、この弁体は、排気通路における、上記流入部が接続されている部位と上記流出部が接続されている部位との間で、通路断面積を狭める態様になるように位置が制御される。その結果、弁体によって排気通路の当該部分における排気の流通が妨げられ、排気通路の当該部分を排気が流れにくくなる。これにより、排気通路を流れる排気が流入部を介してバイパス通路に流入し、熱交換器を通過するようになる。そして、熱交換器を通過した排気が流出部を介して排気通路に戻されるようになる。

一方、この排気熱回収装置では、内燃機関の暖気完了後などのように機関冷却水を暖める必要がない場合には、排気通路からバイパス通路への排気の流入を停止する。この場合、アクチュエータの作動によって弁体が回転することにより、バイパス通路の流出部が同弁体によって閉塞される。そして、この排気熱回収装置では、このように弁体の位置を変更することで、排気通路での排気の流通が弁体によって妨げられなくなる。そのため、排気通路からバイパス通路に排気が流入しなくなり、バイパス通路での排気の流動が停止する。その結果、排気の熱の回収が抑制されるようになる。

特開２０１１−２３１７１４号公報

しかしながら、上記の排気熱回収装置では、弁体によってバイパス通路の流出部を閉塞しても、流入部を介した排気通路とバイパス通路との連通は維持されている。そのため、流出部を閉塞しているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が、熱交換器の排気用通路に滞留している排気に伝わり、冷却水用通路を流れる機関冷却水に伝わってしまう。すなわち、上記の構成では、排気の熱の回収を十分に抑制できないおそれがある。

本発明の目的は、熱の回収を抑制するためにバルブを閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる排気熱回収装置を提供することにある。

上記課題を解決するための排気熱回収装置は、排気通路に設けられた開口を介して同排気通路と連通する分岐室と、開口を排気通路における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸を中心に回転して同開口を閉塞する板状のバルブと、を備える。また、分岐室が、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部と、同熱交換部よりも前記開口側に位置する接続部と、を含む。また、接続部には、熱交換部に繋がる部分を、同熱交換部に繋がる第１の接続部と、同熱交換部に繋がる第２の接続部とに区画する区画壁が設けられている。そして、バルブにおける回転軸を挟んで位置する部位のうち一方の部位である第１の部位が区画壁における開口側の端部と当接する位置まで前記バルブが回転したときには、バルブにおける回転軸を挟んで位置する部位のうち他方の部位である第２の部位が、排気通路を流れる排気の流れを遮る。また、このとき、第１の部位が、区画壁とともに、接続部内を、排気通路における第２の部位よりも上流側の部分を開口及び第１の接続部を介して熱交換部に連通させる入口側通路と、排気通路における第２の部位よりも下流側の部分を開口及び第２の接続部を介して熱交換部に連通させる出口側通路と、に区画する。

上記構成によれば、バルブの第１の部位が区画壁に当接している場合には、接続部内は、入口側通路と、出口側通路とに区画される。また、この場合には、バルブの第２の部位が排気通路を流れる排気を遮るようになる。そのため、排気通路を流れる排気が、入口側通路を介して熱交換部に導かれる。すると、熱交換部において排気と機関冷却水との熱交換が行われ、熱交換部を通過した排気は、出口側通路を介して排気通路に戻る。

また、熱交換部への排気の流入を停止させる場合には、回転軸を中心にバルブを回転させ、バルブによって開口を閉塞するようにすればよい。こうして、開口がバルブによって閉塞されると、分岐室と排気通路との連通が遮断される。そのため、従来のように、流入部及び流出部の一方と排気通路との連通は遮断するものの、他方と排気通路との連通が維持される場合と比較し、排気通路を流れる排気の熱が、分岐室に滞留する排気に伝わりにくくなる。

したがって、熱の回収を抑制するためにバルブを閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができるようになる。

車両に搭載されている状態における実施形態の排気熱回収装置と内燃機関との関係を示す構成図。 同排気熱回収装置において、バルブが開放状態になっているときの様子を示す断面図。 同排気熱回収装置において、バルブが閉塞状態になっているときの様子を示す断面図。 図２における４−４線矢視断面図。

以下、排気熱回収装置の一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の排気熱回収装置３０は、内燃機関１０の排気通路１２に取り付けられている。

内燃機関１０は、燃料及び空気を含む混合気が燃焼される燃焼室１１を備えており、この燃焼室１１で発生した排気は排気通路１２に排出されるようになっている。
機関冷却水の流通回路２０は、内燃機関１０内を循環した機関冷却水をラジエータ１５に導く第１の通路２１と、ラジエータ１５で冷却された機関冷却水を内燃機関１０内に導く第２の通路２２とを備えている。また、流通回路２０には、第２の通路２２を介して内燃機関１０内に導かれた機関冷却水を排気熱回収装置３０に導く第３の通路２３と、排気熱回収装置３０から流出した機関冷却水を内燃機関１０内に導く第４の通路２４とが設けられている。そして、第４の通路２４から内燃機関１０内に流入した機関冷却水は、内燃機関１０内を循環した後、第１の通路２１を介してラジエータ１５に導かれる。なお、内燃機関１０には、各通路２１〜２４の中に矢印で示した方向に機関冷却水を流通させるためのポンプ２５が設けられている。

図１に示すように、排気熱回収装置３０は、排気通路１２に設けられた開口１２１を介して排気通路１２と連通する分岐室４０と、開口１２１を介して排気通路１２に分岐室４０を連通させたり、開口１２１を介した排気通路１２と分岐室４０との連通を解除したりするバルブ装置３１とを備えている。

バルブ装置３１には、開口１２１を閉塞可能なバルブ３２と、このバルブ３２を回転させるアクチュエータ３３とが設けられている。アクチュエータ３３として、例えば、第３の通路２３を介して排気熱回収装置３０内に流入する機関冷却水の水温に応じて作動するサーモスタット式のアクチュエータ、モータなどの電動機を駆動源とする電動式のアクチュエータを挙げることができる。

図２及び図３に白抜き矢印で示した排気通路１２における排気の流動方向を排気流動方向とした場合、バルブ３２は、排気通路１２の開口１２１を排気流動方向と直交する方向に横断（図２及び図３では、紙面と直交する方向に横断）するように配設された回転軸３２１と、回転軸３２１に固定されている板状の弁体３２２とを有している。

この弁体３２２は、図３に示すように、開口１２１を閉塞可能に構成されている。具体的には、弁体３２２における回転軸３２１を挟んで位置する部位のうち、一方の部位である第１の部位３２２１は、開口１２１における回転軸３２１よりも排気流動方向上流側の部分を閉塞し、他方の部位である第２の部位３２２２は、開口１２１における回転軸３２１よりも排気流動方向下流側の部分を閉塞するようになっている。具体的には、第１の部位３２２１の先端全体が、排気通路１２の内壁に当接する一方、第２の部位３２２２に設けられたストッパ部材３５が、排気通路１２の内壁に当接する。これにより、分岐室４０が、排気通路１２から隔絶された状態となる。

ここで、開口１２１を介した排気通路１２と分岐室４０との連通を遮断する状態、すなわち図３に示すバルブ３２の状態を「閉塞状態」とし、開口１２１を介して排気通路１２に分岐室４０を連通させる状態、すなわち図２に示すバルブ３２の状態を「開放状態」とする。この場合、バルブ３２を閉塞状態から開放状態に移行させるときには、アクチュエータ３３の作動によって、バルブ３２は、第１の部位３２２１を分岐室４０内に進入させる方向、すなわち図２及び図３における時計回り方向に回転する。すると、図２に示すように、弁体３２２の第２の部位３２２２が、排気通路１２内に位置し、排気通路１２を流れる排気の流れを遮るようになる。そして、開口１２１における回転軸３２１よりも排気流動方向上流側の部分を介して、分岐室４０が、排気通路１２における第２の部位３２２２よりも排気流動方向上流側の部分と連通する。また、開口１２１における回転軸３２１よりも排気流動方向下流側の部分を介して、分岐室４０が、排気通路１２における第２の部位３２２２よりも下流側の部分と連通するようになる。

図２及び図３に示すように、分岐室４０は、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部４１と、熱交換部４１よりも開口１２１から離れた側に位置する流動方向反転部４２と、熱交換部４１よりも開口１２１側に位置する接続部４３とを含んでいる。

接続部４３には、同接続部４３の内部を、熱交換部４１に繋がる第１の接続部４３１と、熱交換部４１に繋がる第２の接続部４３２とに区画する区画壁４５が設けられている。本実施形態では、第１の接続部４３１は、第２の接続部４３２よりも車両上方に位置している。そして、図２に示すように、バルブ３２が開放状態である場合、弁体３２２の第１の部位３２２１の先端が、区画壁４５において開口１２１に近い側の端部４５１に当接するようになっている。この場合、第１の接続部４３１は、開口１２１における回転軸３２１よりも排気流動方向上流側の部分と連通し、第２の接続部４３２は、開口１２１における回転軸３２１よりも排気流動方向下流側の部分と連通する。

なお、ここでは、接続部４３のうち、排気通路１２における第２の部位３２２２よりも排気流動方向上流側の部分を開口１２１及び第１の接続部４３１を介して熱交換部４１に連通させる部分を入口側通路４０Ａとする。そして、接続部４３のうち、排気通路１２における第２の部位３２２２よりも下流側の部分を開口１２１及び第２の接続部４３２を介して熱交換部４１に連通させる部分を出口側通路４０Ｂとする。

このように本実施形態では、バルブ３２を開放状態にすることにより、第１の部位３２２１及び区画壁４５によって、接続部４３内が、入口側通路４０Ａと、出口側通路４０Ｂとに区画される。

図４に示すように、熱交換部４１は、冷却水入口５１１を介して機関冷却水が流入し、冷却水出口５１２を介して機関冷却水が流出する冷却水室５１を備えている。冷却水入口５１１には第３の通路２３が接続され、冷却水出口５１２には第４の通路２４が接続されている。冷却水室５１の内部には、円筒形状をなす境界部材５２の内側に収容されたハニカム構造体５３が配設されている。そして、冷却水室５１における境界部材５２よりも外側の空間が、機関冷却水が流れる冷却水用通路５１Ａとして機能するようになっている。この場合、車両上下方向において冷却水室５１の下端に冷却水入口５１１が配置され、車両上下方向において冷却水室５１の上端に冷却水出口５１２が配置されている。そのため、冷却水用通路５１Ａでは、冷却水入口５１１を介して流入した機関冷却水が車両上方に向けて流れ、冷却水出口５１２を介して熱交換部４１外に流出されるようになっている。

ハニカム構造体５３には、第１の接続部４３１及び第２の接続部４３２の延伸方向（図２及び図３における左右方向）である規定方向に延びる複数の排気用通路５３１が並列に設けられている。このハニカム構造体５３は押出成形によって形成されており、各排気用通路５３１は、ハニカム構造体５３の規定方向における一端及び他端の双方に開口している。本実施形態では、ハニカム構造体５３の外周面が境界部材５２の内周面に当接している。そして、ハニカム構造体５３の規定方向における一端は第１の接続部４３１及び第２の接続部４３２に面している。したがって、排気用通路５３１の中には、第１の接続部４３１と連通しているものと、第２の接続部４３２と連通しているものとが存在する。

図２及び図３示すように、ハニカム構造体５３の規定方向における他端は流動方向反転部４２に面している。したがって、ハニカム構造体５３の各排気用通路５３１は流動方向反転部４２に連通している。そのため、図２に示すようにバルブ３２が開放状態である場合、排気通路１２から導入され、入口側通路４０Ａを流れてきた排気は、入口側通路４０Ａと連通する各排気用通路５３１に流入する。そして、当該各排気用通路５３１を流れてハニカム構造体５３を通過した排気は、流動方向反転部４２に流入する。このように流動方向反転部４２に流入した排気は、出口側通路４０Ｂと連通する各排気用通路５３１に流入し、当該各排気用通路５３１を流れて再びハニカム構造体５３を通過する。そして、ハニカム構造体５３を通過した排気は、出口側通路４０Ｂに流入し、この出口側通路４０Ｂを流れて排気通路１２に戻るようになっている。

次に、排気熱回収装置３０の作用について説明する。
排気通路１２を排気が流れており、図２に示すようにバルブ３２が開放状態であるときには、バルブ３２の弁体３２２の第２の部位３２２２によって排気通路１２での排気の流れが遮られるとともに、第１の部位３２２１と区画壁４５とによって、分岐室４０内が、入口側通路４０Ａと出口側通路４０Ｂとに区画される。

そのため、排気通路１２を流れてきて弁体３２２の第２の部位３２２２によって遮られた排気が入口側通路４０Ａに流入し、入口側通路４０Ａを流れる排気が、入口側通路４０Ａと連通するハニカム構造体５３の各排気用通路５３１に流入する。すると、当該各排気用通路５３１を流れる排気の熱が、ハニカム構造体５３及び境界部材５２を通じて、冷却水用通路５１Ａを流れる機関冷却水に伝わる。すなわち、当該各排気用通路５３１内を流れる排気と冷却水用通路５１Ａを流れる機関冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、機関冷却水が暖められる。

また、入口側通路４０Ａと連通する各排気用通路５３１から流動方向反転部４２に流出した排気は、出口側通路４０Ｂと連通するハニカム構造体５３の各排気用通路５３１に流入する。すると、当該各排気用通路５３１を流れる排気の熱が、ハニカム構造体５３及び境界部材５２を通じて、冷却水用通路５１Ａを流れる機関冷却水に伝わる。すなわち、排気と冷却水用通路５１Ａを流れる機関冷却水との間で再び熱交換が行われ、排気の熱がさらに回収される。そして、このように熱交換を行った排気は、出口側通路４０Ｂに流入した後、出口側通路４０Ｂを流れて排気通路１２に戻る。

一方、図３に示すようにバルブ３２が閉塞状態になると、開口１２１がバルブ３２によって閉塞され、開口１２１を介した排気通路１２と分岐室４０との連通が遮断される。これにより、分岐室４０への排気の流入が停止され、分岐室４０内では排気の流動が停止し、排気が滞留する。その結果、分岐室４０に設けられているハニカム構造体５３内、すなわち各排気用通路５３１に滞留する排気は、冷却水用通路５１Ａを流れる機関冷却水に熱を奪われ、温度が低くなる。その結果、熱交換部４１での熱交換が沈静化し排気の熱の回収が抑制される。

以上、上記構成及び作用によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）バルブ３２によって開口１２１を閉塞することにより、排気通路１２と分岐室４０との連通を遮断することができる。これにより、従来のように、流入部及び流出部の一方と排気通路との連通は遮断するものの、他方と排気通路との連通が維持される場合と比較し、排気通路１２を流れる排気の熱が、分岐室４０に滞留する排気に伝わりにくくなる。したがって、熱の回収を抑制するためにバルブ３２を閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路１２を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる。

（２）また、このように開口１２１をバルブ３２によって閉塞して排気通路１２と分岐室４０との連通を遮断し、機関冷却水への熱の移動を抑制することにより、第４の通路２４を介して内燃機関１０内に流入する機関冷却水の温度が高くなりにくくなる。その結果、内燃機関１０内を循環してからラジエータ１５内に流入する機関冷却水の温度も高くなりにくくなる。すなわち、暖機が完了してバルブ３２を閉塞状態にしたときにラジエータ１５に流入する機関冷却水の温度が高くなりにくくなる。これにより、ラジエータ１５を大きくしなくても、すなわち冷却効率の高いラジエータを採用しなくても、内燃機関１０のオーバーヒートを抑制することが可能となる。したがって、ラジエータ１５を小型化させることも可能となる。

１２…排気通路、１２１…開口、３０…排気熱回収装置、４０…分岐室、４０Ａ…入口側通路、４０Ｂ…出口側通路、３２…バルブ、３２１…回転軸、３２２１…第１の部位、３２２２…第２の部位、４１…熱交換部、４３…接続部、４３１…第１の接続部、４３２…第２の接続部、４５…区画壁。

Claims (1)

1. 排気通路に設けられた開口を介して同排気通路と連通する分岐室と、
   前記開口を前記排気通路における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸を中心に回転して同開口を閉塞する板状のバルブと、を備え、
   前記分岐室が、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部と、同熱交換部よりも前記開口側に位置する接続部と、を含み、
   前記接続部には、同接続部の内部を、前記熱交換部に繋がる第１の接続部と、同熱交換部に繋がる第２の接続部とに区画する区画壁が設けられており、
   前記バルブにおける前記回転軸を挟んで位置する部位のうち一方の部位である第１の部位が前記区画壁における前記開口側の端部と当接する位置まで前記バルブが回転したときには、
   前記バルブにおける前記回転軸を挟んで位置する部位のうち他方の部位である第２の部位が、前記排気通路を流れる排気の流れを遮る一方、前記第１の部位が、前記区画壁とともに、前記接続部内を、前記排気通路における前記第２の部位よりも上流側の部分を前記開口及び前記第１の接続部を介して前記熱交換部に連通させる入口側通路と、前記排気通路における前記第２の部位よりも下流側の部分を前記開口及び前記第２の接続部を介して前記熱交換部に連通させる出口側通路と、に区画する
   排気熱回収装置。

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