JP2018071414A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暖機後の通常時に排気ガスが熱交換部に至って、冷却媒体の温度が必要以上に上昇してしまうことを抑制できる排気熱回収装置を得る。
【解決手段】排気熱回収装置１３は、排気管部２０と熱交換部６０とを有している。排気管部２０の内部には、排気ガスが流通する主流路２５と、流路を開閉する板状バルブ３０とが設けられている。板状バルブ３０は、第１弁体部３１と第２弁体部３２とを有している。第１弁体部３１は、第２弁体部３２により主流路２５が開放された場合に、主流路２５から熱交換部６０に排気ガスを導く導入流路５１を、熱交換部６０に至る前で閉じる。また、第１弁体部３１は、第２弁体部３２により主流路２５が閉じられた場合に、導入流路５１を開放する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

内燃機関（エンジン）より排出される排気ガスから熱を回収すべく、エンジンの排気装置に設けられる排気熱回収装置が知られている。排気熱回収装置では、エンジンの冷間始動後の暖機時に、排気ガスから冷却媒体（冷却水等）に熱を回収して当該冷却媒体を所定の設定温度まで暖め、その暖められた冷却媒体がエンジン暖機の促進や暖房性能の向上に利用される。

排気熱回収装置には、排気ガスが流通する主流路と、主流路から分岐して、その後、主流路に戻る迂回流路とが設けられている。迂回流路の流路途中には、当該迂回流路を流通する排気ガスと冷却媒体との間で熱交換が行われる熱交換部が設けられている。エンジンの冷間始動後の暖機時には、バルブによって主流路を閉じ、排気ガスを迂回流路に流入させる。これにより、熱交換部に排気ガスが導入され、その熱を回収することができる（例えば、特許文献１参照）。冷却媒体が所定の設定温度に達した後は、主流路を閉じていたバルブが開かれ、排気ガスは主流路を流通することとなる。

特開２０１６−４４６６６号公報

ところで、従来の排気熱回収装置では、上記特許文献１がそうであるように、主流路の管壁には迂回流路への導入口と導出口とが別々に独立して設けられ、暖機後の通常時には、導出口がバルブで閉じられる構成となっている。もっとも、この構成では、導出口が閉じられた状態でも排気ガスは導入口から流入して熱交換部に至る。エンジン駆動中において、冷却媒体は常に流通していることから、導出口が閉じられた状態でも、迂回流路に流入した排気ガスと冷却媒体との間で熱交換が行われ、冷却媒体の温度が必要以上に上昇してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、暖機後の通常時に排気ガスが熱交換部に至って、冷却媒体の温度が必要以上に上昇してしまうことを抑制できる排気熱回収装置を得ることを目的とする。

上記課題を解決すべく、第１の発明では、排気ガスが流通する主流路と、前記主流路に流入した排気ガスを利用して内燃機関の冷却媒体と熱交換する熱交換部と、前記主流路から分岐して前記熱交換部の導入側に排気ガスを導く導入流路と、前記熱交換部の導出側から排気ガスを前記主流路へ導く導出流路と、前記導入流路の流路入口よりも下流側で前記主流路を開閉する主弁体部と、を備え、前記主弁体部により前記主流路を閉じることにより前記主流路に流入した排気ガスを前記導入流路に流入させ、排気ガスの熱を前記熱交換部で回収する排気熱回収装置において、前記主弁体部により前記主流路が開放された場合には、前記導入流路を前記熱交換部に至る前で閉じる一方、前記主弁体部により前記主流路が閉じられた場合には、前記導入流路を開放する分岐弁体部が設けられていることを特徴とする。

第２の発明では、第１の発明において、前記導入流路及び前記導出流路は、前記主流路と接続される所定範囲において、区画壁部を介して並列に隣接して設けられていることを特徴とする。

第３の発明では、第２の発明において、前記主流路に開口し、前記主流路から分岐する分岐流路を備え、前記導入流路と前記導出流路とは、前記分岐流路が区画されることによって形成されるものであり、前記区画壁部の少なくとも一部は、前記導入流路を開放した状態にある前記分岐弁体部によって形成されていることを特徴とする。

第４の発明では、第３の発明において、前記主弁体部は、前記分岐弁体部と一体化されて当該分岐弁体部とともに弁体が構成されており、前記弁体は、前記分岐流路の分岐開口部において、前記主弁体部と前記分岐弁体部との境界部に設けられた回動軸部を中心に回動可能となるように設けられ、当該回動によって、前記分岐弁体部が前記分岐開口部を閉じかつ前記主弁体部が前記主流路を開放する第１位置と、前記分岐弁体部が前記導入流路及び前記導出流路を区画して前記導入流路を開放しかつ前記主弁体部が前記主流路を閉じる第２位置とのいずれかに配置されるようにしたことを特徴とする。

第５の発明では、第４の発明において、前記弁体は、前記回動軸部が片寄って設けられ、前記主弁体部が前記排気ガスを受ける面積は前記分岐弁体部が前記排気ガスを受ける面積よりも大きく形成されており、前記弁体は、前記第２位置にある場合に、前記主弁体部が受ける排気ガスの圧力が設定圧を超えると前記主流路の下流側へ回動するように構成されていることを特徴とする。

第６の発明では、第１の発明乃至第５の発明のいずれか一つの発明において、前記熱交換部は前記主流路に沿った方向に延びており、前記導入流路から前記導出流路へ至る流路は、前記方向に往復させた往路及び復路を含んで形成されており、前記往路及び前記復路のいずれにおいても前記排気ガスと前記冷却媒体との熱交換が行われる構成であることを特徴とする。

第７の発明では、第６の発明において、前記内燃機関からの排気ガスは、ホットエンド部、コールドエンド部の順に流通して排出されるものであり、その排気ガスの経路における前記ホットエンド部に設けられていることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関の暖機時に、主流路から導入流路に流入した排気ガスの熱を利用して冷却媒体と熱交換が行われる。これにより、排気ガスの熱を回収することができる。そして、暖機後の通常時には、主弁体部により主流路が開放される一方で、分岐弁体部により導入流路が熱交換部に至る前で閉じられる。このため、暖機後の通常時に、排気ガスが熱交換部に導入されて冷却媒体と熱交換され、冷却媒体の温度が必要以上に上昇してしまうことを抑制できる。

第２の発明によれば、導入流路と導出流路とが、主流路との接続部位において並列に隣接して設けられているため、両流路が熱交換部を介して大きく離間した状態で主流路につながる構成に比べ、両流路の流路長が小さくなり、排気熱回収装置を小型化することができる。

第３の発明によれば、導入流路を開放した状態にある分岐弁体部によって、分岐流路が導入流路と導出流路とに区画される。このように、分岐弁体部が導入流路を開放する状態に配置されることで、当該分岐弁体部が区画壁部の役割も果たすため、区画壁部が不要となる。これにより、導入流路及び導出流路の流路構成をより簡素化して、排気熱回収装置をより小型化することができる。

第４の発明によれば、回動軸部を中心に弁体を回動させることにより、弁体は第１位置と第２位置とのいずれかに配置される。弁体が第１位置に配置されると、主流路に流入した排気ガスはそのまま主流路を流通して排出される。他方、弁体が第２位置に配置されると、主流路に流入した排気ガスは導入流路に流入して熱交換部に導入される。熱交換部から導出された排気ガスは、導出流路を流通して主流路に至る。このように、弁体を回動させることによって排気ガスの流通経路の切替が可能となるため、主弁体部と分岐弁体部とをそれぞれ個別に切替配置させる構成が不要となり、流通経路を切り替える構成を簡素することができる。これにより、排気熱回収装置を小型化することができる。なお、弁体は、暖機後の通常時には第１位置に配置され、暖機時には第２位置に配置される。

第５の発明によれば、弁体が第２位置に配置された状態で、主流路に流入した排気ガスから主弁体部が受ける圧力が設定圧を超えた場合に、排気ガスの圧力によって主弁体部を主流路の下流側へ回動させることができるようになる。そのため、内燃機関の暖気時に車両を急発進させたい場合に、主流路を通じた排気ガスの放出を優先した挙動を簡単に実現することができる。

第６の発明によれば、熱交換部が主流路に沿って延びるようにして排気熱回収装置のコンパクト化を図りつつ、流路を往路及び復路のいずれにおいても熱交換を行うようにして、更なるコンパクト化を図ることができる。なお、第２〜第５の発明との関係では、第６の発明との組合せにより、導入流路と導出流路とを隣接して配置した構成を容易に実現することができる。

第７の発明によれば、第６の発明によって排気熱回収装置が大幅にコンパクト化されることにより、排気熱回収装置を、スペースに余裕のないホットエンド部にも、無理なく設けることができる。その結果、排気ガスの温度が高い状態で排気熱を回収することができるようになって回収熱量を多くでき、また冷却媒体を内燃機関に戻す流路長も短くすることができるようになって暖気を短期間で行うことができる。

排気装置を示す斜視図。 排気熱回収装置を示す斜視図。 図２のＡ−Ａ断面を示す斜視図であり、板状バルブが第１位置に配置された状態を示す図。 板状バルブを示す分解斜視図。 図２のＡ−Ａ断面を示す斜視図であり、板状バルブが第２位置に配置された状態を示す図。 排気ガスが流れる様子を説明する断面図であり、（ａ）は通常時の流れを示し、（ｂ）は暖機時における流れを示す。 排気熱回収装置の別例を示す断面図。 排気熱回収装置の別例を示す断面図。 排気熱回収装置の別例を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の排気熱回収装置では、自動車等の車両に搭載される内燃機関（エンジン）に適用されるものとして具体化されている。なお、排気熱回収装置は船舶用エンジン等にも適用可能である。排気熱回収装置は、エンジンから排出される排気ガスを車両外へ排出する排気装置の一部を構成している。

図１に示すように、排気装置１０は、排気マニホールド１１、触媒装置１２及び排気熱回収装置１３を有している。排気マニホールド１１は、エンジン（図示略）に取り付けられ、エンジンのシリンダ（気筒）から排出される排気ガスを集合させる。図１には、４気筒のエンジンに取り付けられる排気マニホールド１１が示されている。触媒装置１２は、排気マニホールド１１の下流側で、当該排気マニホールド１１に取り付けられている。触媒装置１２は、装置内部に設けられた触媒によって排気ガスを浄化する。

排気熱回収装置１３は、触媒装置１２の下流側で、当該触媒装置１２に取り付けられている。このため、排気熱回収装置１３は、排気ガスの排気経路におけるホットエンド部に設けられている。排気熱回収装置１３には、触媒装置１２を通過したばかりで高温状態が比較的維持された状態の排気ガスが流通し、その排気ガスから熱が回収される。このような排気熱の回収は、エンジンの冷間始動後の暖機時において、エンジンの冷却等に利用される冷却媒体によって行われる。本実施形態では、冷却媒体として冷却水が用いられている。排気ガスから回収された熱によって暖められた冷却水は、エンジン暖機の促進や暖房性能の向上に利用される。以下、本発明の実施形態である排気熱回収装置１３について、さらに詳しく説明する。

図２に示すように、排気熱回収装置１３は、排気管部２０と、熱交換部６０とを有している。排気管部２０には、排気ガスが流通する流路が形成されている。熱交換部６０では、冷却水への熱回収が必要な場合に排気ガスが導入され、熱交換によって排気ガスから熱を回収し、冷却水を暖める。排気熱回収装置１３は、高温の排気ガスを流通させるものであるから、高耐熱性を有する鋳鉄、鋳鋼又はステンレス等の金属材料を用いて形成されている。

図３に示すように、排気管部２０は、主管部２１と、分岐管部２２とを有している。主管部２１には、排気入口２３と排気出口２４とが設けられ、排気入口２３は触媒装置１２の出口側と接続される。主管部２１の内部には、流路断面形状が円形状をなす主流路２５が形成されている。主流路２５は排気入口２３及び排気出口２４とつながっている。主流路２５には、エンジン駆動時において、触媒装置１２を経て排出された排気ガスが、排気入口２３を通じて流入する。流入した排気ガスは、主流路２５を流通して排気出口２４から排出される。なお、以下では、必要に応じて、排気入口２３が設けられた側を入口側、排気出口２４が設けられた側を出口側として説明する。

分岐管部２２は、主管部２１から当該主管部２１の延びる方向に対して略直交する方向へ分岐して設けられている。分岐管部２２の内部には、分岐流路２６が形成されている。分岐流路２６は、主流路２５と略直交する方向に向けて、主流路２５から分岐している。図４に示すように、分岐流路２６の流路断面形状は略矩形状に形成されている。そして、図３に示すように、分岐管部２２の延びる方向の全域にわたって同じ流路断面が維持されている。分岐管部２２において、主管部２１とは反対側となる下流側端部（図３における上端部）はその全域が開口している。

分岐流路２６において、主流路２５からの分岐口２７には、弁体としての板状バルブ３０が設けられている。図４に示すように、板状バルブ３０は、分岐流路２６の流路断面に合わせた板状部材によって形成され、分岐流路２６の延びる方向に対し略垂直をなす状態で設けられている。そのため、図３に示すように、分岐口２７では、板状バルブ３０によって分岐流路２６の略全域が塞がれている。また、この状態では、主流路２５の全領域が開放されている。このため、排気入口２３から流入した排気ガスは、主流路２５を流通して排気出口２４から流出する。このように分岐口２７を塞いだ状態にある板状バルブ３０を、第１位置に配置されたものとする。なお、分岐口２７は分岐開口部に相当する。

図４に示すように、板状バルブ３０は、第１弁体部３１と、第２弁体部３２と、板状バルブ３０の短手方向全域にわたって設けられた軸取付部３３とを有している。第１弁体部３１は分岐弁体部に、第２弁体部３２は主弁体部に相当する。軸取付部３３を境界部として、板状バルブ３０は、入口側に設けられた第１弁体部３１と、出口側に設けられた第２弁体部３２とに区画されている。軸取付部３３は、板状バルブ３０が有する一対の短辺部同士の間において、両者の中央よりも入口側の短辺部寄りに片寄って設けられている。そのため、第１弁体部３１の板面積は第２弁体部３２の板面積よりも小さく形成されている。

軸取付部３３には軸挿通孔３３ａが設けられ、軸挿通孔３３ａに軸取付部３３の延びる方向と同じ方向に延びる回動軸部３４が挿通されている。回動軸部３４が軸挿通孔３３ａに挿通された状態で、回動軸部３４は軸取付部３３と一体化されている。回動軸部３４の両端部は、分岐管部２２に設けられた軸支部２８にブッシュ３５を介して挿通されている。これにより、板状バルブ３０は、排気管部２０に形成された流路内で回動可能に設けられている。そして、図２に示すように、排気熱回収装置１３は、回動可能な板状バルブ３０を回動させて、その配置位置を制御する回動機構４０を有している。

回動機構４０は、シリンダ装置４１、当該シリンダ装置４１と回動軸部３４とを連結する連結機構４２を備えている。シリンダ装置４１及び連結機構４２は、排気管部２０の外側に設けられている。シリンダ装置４１は、分岐管部２２の外側において、外面に沿ってロッド４１ａが出没するように設置されている。シリンダ装置４１のロッド４１ａは、軸支部２８から突出した回動軸部３４の端部と、連結機構４２を介して連結されている。シリンダ装置４１からロッド４１ａを出没させると、連結機構４２により、ロッド４１ａの直線運動が回動軸部３４の回動に変換される。

ここで、図３に示す第１位置の板状バルブ３０は、シリンダ装置４１のロッド４１ａが突出した状態に維持されることにより、その位置が保持されている。シリンダ装置４１のロッド４１ａをその突出状態から没入させると、板状バルブ３０は回動して位置変更される。すなわち、板状バルブ３０は、第１弁体部３１が分岐流路２６の側へ、第２弁体部３２が主流路２５の側へ（図３における時計回りの矢印方向へ）移動するように回動する。併せて、板状バルブ３０の回動角は第１位置に対して略９０度に設定されている。そのため、回動後の板状バルブ３０は、図５に示すように、一対の板面をそれぞれ主管部２１の排気入口２３及び排気出口２４の側に向けるとともに、長手方向が分岐流路２６の延びる方向に沿った状態となっている。つまり、板状バルブ３０は、主流路２５及び分岐流路２６の流路内で起立している。この状態にある板状バルブ３０は、第２位置に配置されたものとする。第２位置に配置された状態の板状バルブ３０も、シリンダ装置４１のロッド４１ａが没入した状態で維持されることにより、その位置が保持されている。

第２位置において、第１弁体部３１は、分岐管部２２の下流側端部まで延びている。板状バルブ３０の短手方向でも、第１弁体部３１及び軸取付部３３は、分岐流路２６の略全域にわたる長さを有している（図４参照）。そのため、分岐流路２６は、第１弁体部３１によって、当該流路の延びる方向に沿って入口側と出口側との２つの流路に区画されている。入口側に形成された流路は、熱交換部６０の導入側に排気ガスを導く導入流路５１となり、出口側に形成された流路は、熱交換部６０の導出側から排気ガスを主流路２５に導く導出流路５２となる。このように第１弁体部３１によって分岐流路２６が区画されるため、第１弁体部３１は区画壁部に相当する。

第１弁体部３１における出口側の板面は、熱交換部６０の底面部６１ａから分岐流路２６内に向けて立設された当接板部５３に、緩衝部材５４を介して当接している。当接板部５３がストッパの役割を担い、板面と当接板部５３とが面同士で当接することにより板状バルブ３０が第２位置に位置決めされる。また、当接板部５３は、分岐流路２６において、一対の内面同士の間の略全域にわたって設けられている。そのため、当接板部５３も、そこに当接した第１弁体部３１とともに、導入流路５１と導出流路５２とを区画する区画壁部としての役割を担っている。

一方、第２弁体部３２は、第２位置において、主流路２５の流路断面の全域を、導入流路５１の流路入口５１ａよりも下流側において塞いでいる。そのため、排気入口２３から主流路２５に流入した排気ガスは、導入流路５１に流入する。この場合に、第２弁体部３２の板面は、排気入口２３から流入した排気ガスの圧力を受け止める。第２弁体部３２には重り部３６が設けられており、重り部３６によって、排気ガスの圧力により第２弁体部３２が振動することが抑制される。これにより、第２弁体部３２によって主流路２５を塞いだ状態が安定して保持される。なお、この重り部３６は省略することも可能である。

第２弁体部３２では、排気ガスの漏れを抑制するため、主流路２５を形成する主管部２１の流路内面に第１内周突条５５が設けられており、第１内周突条５５に第２弁体部３２の周縁部が当接している。より詳しく説明すると、第１内周突条５５は、第２弁体部３２が配置される部分において、流路の周方向に沿って設けられている。第１内周突条５５が設けられた部分では、主流路２５の流路断面が四角形状をなしている。第１内周突条５５には、第２弁体部３２が有する３辺の周縁部が当接している。図５に拡大して示すように、第２弁体部３２の周縁部は断面が円弧状をなし、曲面が形成されている。第１内周突条５５の下流側には、第２弁体部３２の曲面と当接する第１凹状面５６が形成されている。第２弁体部３２の周縁部に形成された曲面が、第１内周突条５５の第１凹状面５６に当接することで、両者は面接触した状態となる。これにより、第２弁体部３２の周縁部と第１内周突条５５との当接部分から、主流路２５の下流側へ排気ガスが漏れ出すことが抑制される。

板状バルブ３０が第２位置に配置された状態において、シリンダ装置４１によって回動軸部３４を、第１位置から第２位置へ回動の方向とは逆方向（図５における反時計回りの矢印方向）へ回動させると、板状バルブ３０は、図３に示す第１位置へ復帰する。これにより、板状バルブ３０によって分岐口２７が再び閉塞され、主流路２５が開放される。そのため、排気入口２３から流入した排気ガスは、分岐流路２６に流入することなく、主流路２５を流通して排気出口２４から流出する。

この場合において、分岐流路２６を形成する分岐管部２２の流路内面には第２内周突条５７が設けられ、第２内周突条５７に第１弁体部３１の周縁部が当接している。より詳しく説明すると、第２内周突条５７は、第１弁体部３１が配置される部分において、流路の周方向に沿って設けられている。第２内周突条５７には、第１弁体部３１が有する３辺の周縁部が当接している。図３に拡大して示すように、第１弁体部３１の周縁部は断面が円弧状をなし、曲面が形成されている。第２内周突条５７の下流側には、第１弁体部３１の曲面と当接する第２凹状面５８が形成されている。第１弁体部３１の周縁部に形成された曲面が、第２内周突条５７の第２凹状面５８に当接することで、両者は面接触した状態となる。これにより、第１弁体部３１の周縁部と第２内周突条５７との当接部分から排気ガスが漏れ出し、分岐流路２６、特にその中でも導入流路５１が形成される領域へ、排気ガスが漏れ出すことが抑制される。

ちなみに、シリンダ装置４１のロッド４１ａにはバネ等の付勢部材（図示略）が設けられており、ロッド４１ａは付勢部材を介在させつつ突出し、それにより板状バルブ３０を第２位置に保持させている。そのため、第２弁体部３２の板面に、付勢部材の付勢力を超える排気ガスの圧力が開放方向へ作用すると、板状バルブ３０は付勢力に抗して第１位置の側へ向けて回動し、第２弁体部３２が開放される。

以上が排気管部２０に関する基本構成であり、次に、熱交換部６０の構成について説明する。排気管部２０の基本構成以外の部分については、以下で、熱交換部６０の構成を説明しながら随時説明することとする。

熱交換部６０は、図３及び図５に示すように、主流路２５に沿った方向に延びるようにして、排気管部２０に設けられている。熱交換部６０は、本体ケース６１、熱交換流路６３及び筒外空間７３を有して構成されている。本体ケース６１は、図２に示すように、平面視において略矩形状をなす比較的薄型の箱状に形成されている。図示された本体ケース６１は、成形された複数の構成部材が溶接等によって接合されることによって形成されている。本体ケース６１は、その底面部６１ａによって分岐流路２６の下流側開口を塞ぐように、分岐管部２２の一端に設けられている。この場合、本体ケース６１は、その長手方向が主管部２１の延びる方向に沿うように設けられている。

本体ケース６１の内部には、熱交換筒部６２が設けられている。熱交換筒部６２は、本体ケース６１の長手方向両端部を除く中間領域において、その長手方向に沿って延びるように設けられている。熱交換筒部６２の延びる方向において、その方向に直交する断面は、横長の略長方形状をなしている。熱交換筒部６２の筒壁は、強度を確保しながら比較的薄肉に形成されている。熱交換筒部６２の内側には、排気ガスが流通する熱交換流路６３が形成されている。熱交換流路６３は、熱交換筒部６２の両端において、本体ケース６１の長手方向に向けて開口している。そのため、入口側（排気入口２３が設けられた側）の開口部は導入空間６４と連通し、出口側（排気出口２４が設けられた側）の開口部は導出空間６５と連通している。

熱交換筒部６２は、両端部にそれぞれ設けられた取付端部７１と、外周凹部７２とを有している。取付端部７１は周方向全域にわたって設けられ、本体ケース６１の内面に接合されている。この接合により、熱交換筒部６２が本体ケース６１に取り付けられている。外周凹部７２は、取付端部７１を除く領域の外周部において、周方向全域にわたって凹状をなすように形成されている。外周凹部７２の存在により、本体ケース６１の内面と外周凹部７２とによって、本体ケース６１の内部に、熱交換筒部６２の周方向全域を取り囲むように筒外空間７３が形成されている。筒外空間７３は、熱交換筒部６２の筒壁を介して熱交換流路６３と隣接している。なお、取付端部７１と本体ケース６１の内面との接合部分では、シール等の漏れ防止用の措置が施されている。

図３及び図５に示すように、本体ケース６１の底面部６１ａには、本体ケース６１の内外を連通するガス導入孔７４及びガス導出孔７５が設けられている。ガス導入孔７４は、本体ケース６１の長手方向における入口側端部において、板状バルブ３０が第２位置に配置された場合に形成される導入流路５１の下流側に設けられている。ガス導入孔７４は、本体ケース６１の導入空間６４に連通している。ガス導出孔７５は、本体ケース６１の長手方向における出口側端部に設けられ、本体ケース６１の導出空間６５に連通している。このため、板状バルブ３０が図５に示す第２位置に配置されると、導入流路５１に流入した排気ガスは、ガス導入孔７４から本体ケース６１の導入空間６４に導入される。また、熱交換流路６３を流通して導出空間６５に流入した排気ガスは、ガス導出孔７５から本体ケース６１の外へ流出する。なお、熱交換流路６３は、導入流路５１から導出流路５２へ至る排気ガスの流路のうち、熱交換部６０の延びる方向沿った往路に相当する。

なお、導入空間６４には、導入空間６４に流入した排気ガスを熱交換流路６３へ導くための導入案内部材７６が設けられている。導出空間６５には、導出空間６５に流入した排気ガスをガス導出孔７５へ導くための導出案内部材７７が設けられている。これらの案内部材７６，７７により、排気ガスの流通が案内されてその流通が円滑に行われる。

ここで、本実施形態の排気熱回収装置１３には、リターン流路８１が設けられている。リターン流路８１は、熱交換部６０のガス導出孔７５から流出した排気ガスを、分岐流路２６へ戻すための流路である。リターン流路８１は、その上流側において、ガス導出孔７５を介して本体ケース６１の導出空間６５と連通し、下流側において分岐流路２６に連通している。図５に示すように、板状バルブ３０が第２位置に配置された状態では、リターン流路８１は導出流路５２に連通している。

リターン流路８１は、排気管部２０と熱交換部６０とが組み付けられることにより形成されている。より詳しく説明すると、分岐管部２２の下流側端部には、主管部２１の延びる方向に沿って延びる流路形成凹部８２が設けられている。流路形成凹部８２は、分岐流路２６の下流側開口と同様に全域が開口している。熱交換部６０の本体ケース６１を分岐管部２２の一端に取り付けることで、流路形成凹部８２の開口部分は、分岐流路２６の下流側開口とともに本体ケース６１の底面部６１ａによって塞がれる。これにより、流路形成凹部８２と本体ケース６１の底面部６１ａとで、主管部２１の延びる方向に沿って延びるリターン流路８１が形成されている。

リターン流路８１を形成する底面部６１ａの一部は、当該底面部６１ａを介して熱交換筒部６２の筒外空間７３と隣接している。そのため、筒外空間７３のうちリターン流路８１と接する部分では、熱交換流路６３とリターン流路８１との両者に挟まれた状態となっている。本体ケース６１の底面部６１ａには、リターン流路８１の延びる方向に沿って延びる複数のリブ８３が並列に設けられている。これら複数のリブ８３が設けられることにより、リブ８３が設けられていない構成に比べ、熱交換筒部６２の筒外空間７３との底面部６１ａを介した接触面積が拡げられている。

リターン流路８１が設けられていることにより、板状バルブ３０が図５に示す第２位置に配置された状態では、ガス導出孔７５から本体ケース６１の外へ流出した排気ガスは、このリターン流路８１に流入して当該リターン流路８１を流通する。リターン流路８１を流通した排気ガスは、その後、導出流路５２に至り、導出流路５２を流通した後に主流路２５に戻り、排気出口２４から排出される。なお、リターン流路８１は、導入流路５１から導出流路５２へ至る排気ガスの流路のうち、熱交換部６０の延びる方向沿った復路に相当する。

次に、熱交換部６０では以上のように排気ガスが流通する一方で、熱交換筒部６２の筒外空間７３には冷却水が流通する。図２に示すように、本体ケース６１には、冷却水を導入する導入配管９１と、冷却水を導出する導出配管９２が設けられている。導入配管９１及び導出配管９２は、いずれも図３及び図５に示す筒外空間７３に連通している。導入配管９１及び導出配管９２は、冷却水循環装置（図示略）の一部を構成している。そのため、導入配管９１を通じて筒外空間７３に導入された冷却水は、筒外空間７３を流通した後、導出配管９２から導出される。導出された冷却水は、エンジンの冷却等に利用され、その後再び導入配管９１に至り、筒外空間７３に再び導入される。このように、冷却水は循環している。

導出配管９２には温度センサ（図示略）が内蔵されており、筒外空間７３から導出された冷却水の水温が温度センサによって検知される。前述したように、冷却水への熱回収は、エンジンの冷間始動後の暖機時において、冷却水の水温が設定温度に達していない場合に行われる。そのため、温度センサによって検知された冷却水の水温が設定温度に達していれば、板状バルブ３０が第１位置に配置され、水温が設定温度に達していなければ、板状バルブ３０が第２位置に配置される。温度センサからの温度情報に基づいて、シリンダ装置４１が有するロッド４１ａの出没を温度センサが制御して、板状バルブ３０を第１位置又は第２位置に配置させる。

本実施形態の排気熱回収装置１３は、以上の構成を有している。次に、この排気熱回収装置１３を用いて、排気ガスから熱回収する場合の作用を説明する。

車両のエンジンが駆動され、暖機後の通常駆動時のように、排気熱回収装置１３の導出配管９２から導出された冷却水が設定温度に達している場合には、シリンダ装置４１の駆動により、排気熱回収装置１３の板状バルブ３０を第１位置に配置させる。この場合、図６（ａ）に示すように、主流路２５が開放されているため、触媒装置１２から排気入口２３を経て流入した排気ガスは、主流路２５を流通し、その後、排気出口２４から流出する。この状態では、熱交換部６０の筒外空間７３を冷却水が流通しているものの、熱交換流路６３やリターン流路８１を排気ガスが流通しないため、冷却水と排気ガスとの熱交換は行われない。

エンジンの冷間始動後の暖機時において、導出配管９２から導出された冷却水の水温が設定温度に達していない場合、シリンダ装置４１の駆動により、板状バルブ３０を第２位置に配置させる。この場合、図６（ｂ）に示すように、主流路２５が閉じられるため、排気入口２３から主流路２５に流入した排気ガスは、導入流路５１に流入する。その排気ガスは、熱交換部６０の導入空間６４を経て熱交換流路６３に至り、熱交換流路６３を流通して導出空間６５に至る。その後、リターン流路８１を流通し、導出流路５２を経て主流路２５に至り、排気出口２４から流出する。

このような排気ガスの流通経路において、熱交換流路６３及びリターン流路８１が筒外空間７３と隣接しているため、筒外空間７３を流通する冷却水と排気ガスとの間で熱交換が行われる。この熱交換により、排気ガスの熱で冷却水が暖められる。つまり、排気ガスの熱が回収される。排気ガスの熱で暖められて温度上昇した冷却水は、導出配管９２を通じて筒外空間７３から流出する。冷却水が設定温度に達すると、板状バルブ３０を第１位置に配置させ、排気ガスからの熱回収は終了する。

なお、板状バルブ３０を第２位置に配置して熱回収が行われている状態で、車両の急発進により排気ガスの量が増大することがある。この場合に、第２弁体部３２が受ける排気ガスの圧力が設定圧を超えると、板状バルブ３０を第２位置に維持させる力に抗して排気ガスの圧力が第２弁体部３２を下流側へ回動させ、開放する。これにより、主流路２５を通じた排気ガスの排出が優先される。

本実施形態の排気熱回収装置１３の構成と作用は、以上に説明したとおりであり、この排気熱回収装置１３によって得られる効果を以下に列挙する。

（１）エンジンの暖機時において、冷却水が設定温度に達していない場合に、主流路２５から導入流路５１に流入した排気ガスの熱を利用して冷却水と熱交換が行われる。これにより、排気ガスの熱を回収することができる。そして、暖機後の通常時には、第２弁体部３２により主流路２５が開放される一方で、第１弁体部３１により導入流路５１が熱交換部６０に至る前で閉じられる。このため、暖機後の通常時においても排気ガスが熱交換部６０に導入されて冷却水と熱交換され、冷却水の温度が必要以上に上昇することを抑制できる。

（２）導入流路５１と導出流路５２とが、主流路２５との接続部位において並列に隣接して設けられている。このため、従来のように、両流路５１，５２が熱交換部６０を介して大きく離間した状態で主流路２５につながる構成に比べ、両流路５１，５２の流路長が小さくなり、排気熱回収装置１３を小型化することができる。

（３）導入流路５１を開放した状態にある第１弁体部３１によって、分岐流路２６が導入流路５１と導出流路５２とに区画される。このように、第１弁体部３１が導入流路５１を開放する状態に配置されることで、当該第１弁体部３１が両流路５１，５２を区画する区画壁部の役割を果たす。そのため、両流路５１，５２を区画する区画壁部を分岐流路２６内に設置する必要がない。これにより、導入流路５１及び導出流路５２の流路構成をより簡素化して、排気熱回収装置１３をより小型化することができる。

（４）回動軸部３４を中心に板状バルブ３０を回動させることにより、板状バルブ３０は第１位置と第２位置とのいずれかに配置される。板状バルブ３０が第１位置に配置されると、主流路２５に流入した排気ガスはそのまま主流路２５を流通して排出される。他方、板状バルブ３０が第２位置に配置されると、主流路２５に流入した排気ガスは導入流路５１に流入して熱交換部６０に導入される。熱交換部６０から導出された排気ガスは、導出流路５２を流通して主流路２５に至る。このように、板状バルブ３０を回動させることによって排気ガスの流通経路の切替が可能となる。このため、第１弁体部３１と第２弁体部３２とをそれぞれ個別に切替配置させる構成が不要となり、流通経路を切り替える構成を簡素化できる。これにより、排気熱回収装置１３を小型化することができる。

（５）板状バルブ３０が第２位置に配置された状態で、主流路２５に流入した排気ガスから第２弁体部３２が受ける圧力が設定圧を超えると、排気ガスの圧力によって第２弁体部３２は主流路２５の下流側へ回動する。そのため、エンジンの暖気時に車両を急発進させたい場合に、主流路２５を通じた排気ガスの放出を優先した挙動を簡単に実現することができる。

（６）熱交換部６０は主流路２５に沿った方向に延び、導入流路５１から導出流路５２へ至る流路は、前記方向への往路である熱交換流路６３と、復路であるリターン流路８１とを含んで形成されている。そして、熱交換流路６３及びリターン流路８１のいずれにおいても、排気ガスと冷却水との熱交換が行われる。そのため、熱交換部６０が主流路２５に沿って延びるように設けられることで排気熱回収装置１３のコンパクト化を図りつつ、流路を往復いずれにおいても熱交換を行うようにして更なるコンパクト化を図ることができる。

（７）排気装置１０では、触媒装置１２が排気マニホールド１１に取り付けられ、さらにその触媒装置１２に排気熱回収装置１３が取り付けられている。このため、排気熱回収装置１３は、排気ガスの排気経路において、エンジンにより近いホットエンド部に設けられている。上記したように排気熱回収装置１３が大幅にコンパクト化されることにより、排気熱回収装置１３を、スペースに余裕のないホットエンド部にも、無理なく設けることができる。その結果、排気ガスの温度が高い状態で排気熱を回収することができるようになって回収熱量を多くすることができ、また冷却水をエンジンに戻す流路長も短くすることができるようになって暖気を短期間で行うことができる。

なお、本発明は、上記した実施形態の排気熱回収装置１３に限られるものではなく、例えば次のような構成を採用してもよい。

（ａ）本実施の形態では、排気熱回収装置１３にリターン流路８１が設けられた構成を採用したが、図７に示す排気熱回収装置１００ａのように、リターン流路８１のない構成を採用してもよい。この構成では、熱交換流路６３を通過して導出空間６５に至った排気ガスは、本体ケース６１のガス導出孔７５から導出流路５２に流入することとなる。

（ｂ）本実施の形態では、一つの板状部材である板状バルブ３０に第１弁体部３１と第２弁体部３２とが設けられた構成としたが、図８に示す排気熱回収装置１００ｂのように、第１弁体部１０１と第２弁体部１０２とが別々に設けられた構成を採用してもよい。この場合、第１弁体部１０１及び第２弁体部３２には、それぞれ個別に回動軸部１０１ａ，１０２ａが設けられている。そして、第１弁体部１０１の回動により導入流路５１が開閉され、第２弁体部１０２の回動により主流路２５が開閉される。この場合、第１弁体部１０１の設置箇所は、分岐口２７でなくても、導入流路５１の流路途中等、導入流路５１を熱交換部６０に至る前の段階で開閉する位置であればその位置は任意である。

（ｃ）本実施の形態では、第１位置にある第１弁体部３１によって分岐流路２６が導入流路５１と導出流路５２とに区画されている。これに代えて、図９に示す排気熱回収装置１００ｃのように、分岐流路２６に、板状バルブ３０とは別の区画壁部１０３が設けられた構成を採用してもよい。この場合、区画壁部１０３は、第１弁体部３１と異なり回動しないため、分岐流路２６は常に導入流路５１と導出流路５２とに区画された状態となっている。そして、導入流路５１や主流路２５の開閉は、図示のように、第１弁体部１０１と第２弁体部１０２とを別々に設けて行ってもよいし、本実施形態のように、板状バルブ３０が有する第１弁体部３１と第２弁体部３２とで行われるようにしてもよい。

（ｄ）本実施の形態では、分岐流路２６によって区画された導入流路５１及び導出流路５２は、主流路２５との接続部位において並列して隣接するように設けられている。これに代えて、従来のように、導入流路５１の主流路２５との接続部位と、導出流路５２の主流路２５との接続部位とを大きく離間させた構成を採用してもよい。

（ｅ）本実施の形態では、板状バルブ３０において、軸取付部３３を一方に片寄らせているため、第１弁体部３１の板面積よりも第２弁体部３２の板面積が大きく形成されている。これに代えて、両弁体部３１，３２の板面積が略同一となる中央部に軸取付部３３が設けられた構成を採用してもよい。

（ｆ）本実施の形態では、排気熱回収装置１３は、排気ガスの排気経路において、ホットエンド部に設けられている。これに代えて、マフラー装置の直上流側等、排気熱回収装置１３が、排気ガスの排気経路におけるコールドエンド部に設けられた構成を採用してもよい。

１３…排気熱回収装置、２５…主流路、２６…分岐流路、２７…分岐口（分岐開口部）、３０…板状バルブ（弁体）、３１…第１弁体部（分岐弁体部、区画壁部）、３２…第２弁体部（主弁体部）、３４…回動軸部、５１…導入流路、５２…導出流路、６０…熱交換部、６３…熱交換流路（往路）、８１…リターン流路（復路）。

Claims (7)

1. 排気ガスが流通する主流路と、
   前記主流路に流入した排気ガスを利用して内燃機関の冷却媒体と熱交換する熱交換部と、
   前記主流路から分岐して前記熱交換部の導入側に排気ガスを導く導入流路と、
   前記熱交換部の導出側から排気ガスを前記主流路へ導く導出流路と、
   前記導入流路の流路入口よりも下流側で前記主流路を開閉する主弁体部と、
   を備え、
   前記主弁体部により前記主流路を閉じることにより前記主流路に流入した排気ガスを前記導入流路に流入させ、排気ガスの熱を前記熱交換部で回収する排気熱回収装置において、
   前記主弁体部により前記主流路が開放された場合には、前記導入流路を前記熱交換部に至る前で閉じる一方、前記主弁体部により前記主流路が閉じられた場合には、前記導入流路を開放する分岐弁体部が設けられていることを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記導入流路及び前記導出流路は、前記主流路と接続される所定範囲において、区画壁部を介して並列に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記主流路に開口し、前記主流路から分岐する分岐流路を備え、
   前記導入流路と前記導出流路とは、前記分岐流路が区画されることによって形成されるものであり、
   前記区画壁部の少なくとも一部は、前記導入流路を開放した状態にある前記分岐弁体部によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記主弁体部は、前記分岐弁体部と一体化されて当該分岐弁体部とともに弁体が構成されており、
   前記弁体は、前記分岐流路の分岐開口部において、前記主弁体部と前記分岐弁体部との境界部に設けられた回動軸部を中心に回動可能となるように設けられ、
   当該回動によって、前記分岐弁体部が前記分岐開口部を閉じかつ前記主弁体部が前記主流路を開放する第１位置と、前記分岐弁体部が前記導入流路及び前記導出流路を区画して前記導入流路を開放しかつ前記主弁体部が前記主流路を閉じる第２位置とのいずれかに配置されるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の排気熱回収装置。
5. 前記弁体は、前記回動軸部が片寄って設けられ、前記主弁体部が前記排気ガスを受ける面積は前記分岐弁体部が前記排気ガスを受ける面積よりも大きく形成されており、
   前記弁体は、前記第２位置にある場合に、前記主弁体部が受ける排気ガスの圧力が設定圧を超えると前記主流路の下流側へ回動するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の排気熱回収装置。
6. 前記熱交換部は前記主流路に沿った方向に延びており、
   前記導入流路から前記導出流路へ至る流路は、前記方向に往復させた往路及び復路を含んで形成されており、
   前記往路及び前記復路のいずれにおいても前記排気ガスと前記冷却媒体との熱交換が行われる構成であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排気熱回収装置。
7. 前記内燃機関からの排気ガスは、ホットエンド部、コールドエンド部の順に流通して排出されるものであり、
   その排気ガスの経路における前記ホットエンド部に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の排気熱回収装置。

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