JP4109759B2 - エンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排ガスを浄化するための触媒と、その排ガス熱を回収するための熱交換器をエンジンに一体的に設けたものにおいて、触媒の交換、メンテナンスを容易に行なうことができるようにした、新規なエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に空調システムの空調機器の駆動用の駆動源として電動モータに代えて内燃エンジンを使用したものが知られている。ところでかかるエンジンには、エミッション対策や臭気対策のため、触媒が付設され、さらに排ガス熱を回収してその排熱を再利用するための熱交換器が付設されるのが通常であるが、従来の空調システムでは、前記触媒および熱交換器は、それぞれエンジンとは別の場所に据付けられているのが一般的である。このため空調システム全体が大型化してしまい、広い据付けスペースが必要になるばかりでなく、触媒および熱交換器がエンジンから離れるため、排ガス浄化および熱交換効率が悪くなるという不都合がある。
【0003】
そこでかかる不都合を解消すべく、一つのケース内に触媒および熱交換器を纏めて設けた触媒一体型排ガス熱交換器(特開昭58−144620号公報参照)も提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが一般に触媒は、熱交換器に比べてその寿命が短く、しかも長期間使用するとその浄化効率が低下してしまうことから、その交換、清掃等のメンテナンスを行なう必要があるが、前記従来の触媒一体型排ガス熱交換器では、触媒の交換、メンテナンスがしにくいという問題があった。
【0005】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、前記問題を解決できるようにした、新規なエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置を提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的達成のため、本請求項1記載の発明によれば、エンジンのシリンダヘッド直下に接続される筒状の触媒と、この触媒の外側にこれと同心円状に配設される熱交換器とを備えたエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置において、前記触媒は、軸線方向の一端に導入パイプを同心に有して円筒状に形成され、前記導入パイプには、第1の連結フランジと第2の連結フランジとが軸方向に間隔をあけて平行に設けられ、前記熱交換器は内外筒間に冷却水の流通する熱交換室を有して有底円筒状に形成されるとともに、その一端の開口から前記触媒が出入れ可能に収容され、前記第1の連結フランジには、エンジンのシリンダヘッド下面に設けたエキゾーストパイプが第1の取付手段を介して着脱可能に取り付けられ、さらに前記第2の連結フランジには、前記熱交換器が第2の取付手段を介して着脱可能に取り付けられ、前記第1,第2の取付手段は、前記第1,第2の連結フランジの径方向に互いにずれた位置にあって、いずれも前記触媒の軸線方向からの連結、解除操作が可能とされており、また、前記第1,第2の連結フランジには、それらに跨って連絡パイプが形成され、この連絡パイプを通して前記熱交換室内の冷却水がエンジンの水ジャケットに流入するようにされ、前記第1の連結フランジの前記エキゾーストパイプからの取り外しにより、前記導入パイプと前記連絡パイプとが前記エキゾーストパイプから同時に分離し、前記第2の連結フランジの前記熱交換器からの取り外しにより、前記触媒が前記第1,第2の連結フランジとともに前記熱交換器から分離して、前記熱交換器の開口を開放することを特徴としており、かかる特徴によれば、触媒の交換、清掃等のメンテナンスをきわめて簡単容易に行なうことができる。
【0007】
さらに前記目的達成のため、本請求項2記載の発明によれば、前記請求項1記載のものにおいて、前記第1および第2の取付手段は、ボルトおよびナットよりなることを特徴としており、かかる特徴によれば、触媒の交換、清掃等のメンテナンスをきわめて簡単容易に行なうことができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【0009】
図1は、空調機全体の概略正面図、図2は、エンジンの頭部と、触媒および熱交換器の一部破断拡大図、図3は、触媒および熱交換器の図4の3−3線に沿う縦断面図、図4は、図3の4−4線に沿う横断面図、図5は、図3の5−5線に沿う横断面図、図6は、図3の6−6線に沿う横断面図、図7は、触媒および熱交換器の分解縦断面図である。
【0010】
図1において、室外用空調機の密閉状ケーシングC内には、空調機本体Aと、該空調機本体Aを駆動する、後述の触媒CAおよび熱交換器H付きの内燃エンジンEと、該エンジンEから排出される排ガスを消音するためにその排気系に接続される第1および第2消音器M1 ,M2 が設けられ、排気系の出口はケーシングCの外に開口される。
【0011】
前記内燃エンジンEは、水冷式、バーチカル(クランク軸が鉛直方向に配置)型の単気筒四サイクルエンジンであり、その内燃エンジンEのシリンダ中心線は略水平に延びており、そのシリンダヘッド1は片持状に略水平に延長されており、このシリンダヘッド1内には、通常のようにシリンダボア2に連通する燃焼室3と、この燃焼室3に連通する吸、排気ポート4,5がユニフロー式に形成されており、吸気ポート4はシリンダヘッド1の上面に開口されて吸気系7に接続され、また排気ポート5はシリンダヘッド1の下面に開口して後述する排気系の触媒CAに接続される。またシリンダヘッド1には前記吸、排気ポート4,5を開閉する吸、排気弁8,9およびそれらを開閉駆動する動弁機構10が設けられる。
【0012】
シリンダヘッド1の下面には、エキゾーストパイプ11がガスケットGを介して一体に接続されており、このエキゾーストパイプ11にエンジンEの排ガス浄化装置としての二元触媒CAおよび熱交換器Hが一体に懸吊支持される。
【0013】
二元触媒CAは、円筒状のケーシング13内に触媒エレメント12を担持させて構成されており、その導入パイプ14には、第1の連結フランジ15および第2の連結フランジ16の、中央部が軸方向に間隔をあけて貫通固着されている。第1の連結フランジ15には、周方向に間隔をあけて複数本のスタッドボルト17が立設されており、これらのスタッドボルト17は、前記エキゾーストパイプ11のフランジ部に穿設したボルト孔18を貫通し、それらの上端にナット19が螺着されてエキゾーストパイプ11のフランジ部には、第1の連結フランジ15およびガスケットGを介して前記二元触媒CAが着脱自在に一体に取り付けられる。そして二元触媒CAの導入パイプ14は、エキゾーストパイプ11の通孔20を介してシリンダヘッド1の排気ポート5に連通され、この排気ポート5の中心軸線は、二元触媒CAの中心軸線と略一致しており、排気ポート5から排出される排ガスは二元触媒CAの中央部に直接導入される。
【0014】
而して前記スタッドボルト17およびナット19は第1の取付手段S1 を構成している。
【0015】
また前記熱交換器Hは、円筒状の二元触媒CAを囲繞するように、同じく円筒状に形成されてその二元触媒CAの外側に配設される。
【0016】
次にこの熱交換器Hの構造について説明するに、この熱交換器Hのハウジング22は有底の中空円筒状に形成されていて、その上面に盤状の接続プレート23が一体に設けられ、この接続プレート23には、その周方向に間隔をあけて複数のスタッドボルト24が立設され、これらのスタッドボルト24は、ガスケットGを挟んで前記第2の連結フランジ16に穿設した複数のボルト孔25を貫通してその上端にナット26が螺着され、これによりこの熱交換器Hは、シリンダヘッド1に着脱自在に取り付けられ、さらにその一側がブラケットBを介してエンジンEの下部に着脱可能に取り付けられる。
【0017】
而して前記スタッドボルト24およびナット26は、第2の取付手段S2 を構成している。
【0018】
前記熱交換器Hのハウジング22内には、前記二元触媒CAを同心円状に囲繞する円筒状の熱交換器本体28が収容されている。この熱交換器本体28は、二元触媒CAの外側に空隙を存してこれと同心円状に配置される有底円筒状の内筒29と、その外側に同じく同心円状に配置される円筒状の外筒30とを有して、それらの間には環状の熱交換室31が形成され、この熱交換室31には、周方向に等間隔を存して複数本(24本)の熱交換パイプ32が縦方向に配設されており、これらの熱交換パイプ32の上端および下端は、熱交換器本体28の上端壁33および下端壁34により支持されている。前記熱交換室31内は、複数枚(3枚)の環状の仕切板35により複数の室C1 〜C4 に区画されており、前記熱交換パイプ32の中間部は、それらの環状の仕切板35により支持されている。図4,5に示すように各仕切板35には、中心角が約45°の三角状の切欠孔36がそれぞれ開口されており、互いに隣り合う上下の仕切板35の、前記三角状切欠孔36は相互に略180°位相がずらされており、したがって複数枚の仕切板35は熱交換室31内に迷路を形成して、後に述べるように、熱交換室31を流れる排ガスは、熱交換パイプ32の回りを迂回して流れるようになっている。
【0019】
前記二元触媒CAと内筒29との間には一次排ガス室37が形成されており、二元触媒CAの出口は、この一次排ガス室37の下部に連通されている。内筒29の上部には、周方向に間隔を存して複数の連通孔38が穿設されており、前記一次排ガス室37は、これらの連通孔38を通して排ガス流通路を形成する前記熱交換室31の上部に連通されており、さらにこの熱交換室31(排ガス流通路)は、ハウジング22の底壁221 と内筒29の底部間に形成される二次排ガス室39に連通されている。ハウジング22の底壁221 の中央部には、この二次排ガス室39を大気に開口するテールパイプ40が接続されている。したがって二次触媒CAにより浄化された排ガスは、一次排ガス室37から連通孔38を通って熱交換室31へと流れ、ここで熱交換が行なわれた後、二次排ガス室39へと流れ、そこからテールパイプ40を通り、前記第1、第2消音器M1 ,M2 (図1参照)を通って大気に放出される。
【0020】
ハウジング22の外周壁と、外筒30との間には、環状の流体通路すなわち冷却水通路41が画成されており、この冷却水通路41の上部の入口には、エルボ状に湾曲される冷却水導入パイプ42が接続されている。この冷却水導入パイプはエンジンEのシリンダヘッド1の水ジャケットの出口に連通される。また冷却水通路41の下部の出口は、ハウジング22の下部に形成される下部貯留室44を介して前記複数本の熱交換パイプ32下端の入口に連通され、さらにこれらの熱交換パイプ32の上端の出口は、ハウジング22の上部に形成される上部貯留室43に連通されている。この上部貯留室43は、前記第1および第2の連結フランジ15,16に設けられる連絡パイプ45およびエキゾーストパイプ11に形成した連通路46を介して前記エンジンEのシリンダヘッド1に形成される水ジャケットの入口に連通される。したがってエンジンEの水ジャケット内を流れる冷却水の一部は、冷却水導入パイプ42よりハウジング22内の冷却水通路41に入り、下部貯留室44より複数の熱交換パイプ32に分流して流れ、ここで排ガスとの間に熱交換を行なった後、上部貯留室43よりエンジンEの水ジャケット内に還流される。
【0021】
次にこの実施例の作用について説明する。
【0022】
いま空調機を運転すべく、エンジンを始動すると、その排気ポート5より排出される排ガスは、その排気ポート5直下の二元触媒CAに入り、ここでHC、CO等の有害成分を酸化除去するとともに臭気を消去して浄化する。図3実線矢印に示すように、二元触媒CAにより排出された浄化後の排ガスは、一次排ガス室37に入り、二元触媒CA直下の、内筒29の底壁に当たった後、上向きに流れて一次排ガス室37内を上昇して連通孔38より熱交換室31内に流入する。熱交換室31に入った排ガスは複数の環状の仕切板35に開口した切欠孔36を通って複数の室C1 〜C4 を上から下へと複数の熱交換パイプ32の外周を迂回して流れ、その下部の出口より二次排ガス室39を通ってテールパイプ40より、第1、第2消音器M1 ,M2 を通って大気に放出される。
【0023】
ところで二元触媒CAは、一次排ガス室37により囲繞されているため、該二元触媒CAを通過する排ガスは、その一次排ガス室37内を流れる高温の排ガスで保温されて高温度に維持されたままになり、二元触媒CAの浄化効率を高めることができる。
【0024】
一方、図3二点鎖線で示すように、エンジンEのシリンダヘッド1の水ジャケット内の冷却水の一部は、冷却水導入パイプ42を通ってハウジング22内の環状の冷却水通路41内を下向きに流れて下部貯留室44に達し、そこから複数の熱交換パイプ32内に分流され、それらの熱交換パイプ32内を上昇して上部貯留室43に至り、そこから連絡パイプ45、連通路46を通り、エンジンEのシリンダヘッド1の水ジャケットに還流される。
【0025】
ところで前記熱交換器H内では、熱交換室31内を流れる高温の排ガスと、複数本の熱交換パイプ32内を流れる、エンジンEからの冷却水との間で熱交換が行なわれ、すなわち高温の排ガス熱は、それよりも低温の冷却水へと伝導されて、その冷却水を適温に加熱することができる。
【0026】
而して前述のように排ガスと冷却水との間で熱の授受が行なわれるとき、高温の排ガスは、冷却水の流れる複数本の熱交換パイプ32の回りを上下方向に迂回して、すなわち、複数の環状仕切板35に順次略180°の位相差を存して開口した三角状切欠孔36を通って流れるので、排ガスは熱交換パイプ32の外周面に万遍なく接触させることができ、しかもその接触時間を長くとることができる。また熱交換室31の外周は、外気よりも高温の冷却水が流れる冷却水通路41により囲繞されており、高温の排ガスにさらされる熱交換器Hの壁面が、外気との境界壁であるハウジング22の外壁と直接対面する面積を可及的に低減することができるので、熱交換器Hの熱損失を低減することができる。
【0027】
したがって排ガスと冷却水との間できわめて効率のよい熱交換が行なわれる。
【0028】
なお、前記空調機の駆動用として内燃エンジンが使用される場合、図1に示すように限られたスペース内に第1、第2消音器M1 ,M2 が配設されるが、これらの軽量化のため樹脂製であったり、レイアウトの自由度を高めるため、ゴム製のパイピングを使用したりすることがあり、できるだけエンジンの排ガス温度を下げたい要望があり、それ故排ガス温度を熱交換器により一気に低下させたい狙いがある。
【0029】
また、エンジンの冷却水を排ガス熱により加熱する理由は、エンジンの冷却水の温度を予め一定の高温に保持しておくためであり、エンジン内の冷却水と排ガスとの温度差およびエンジン始動直後から暖機に至るまでの冷却水の温度変化を考慮するとき、排ガス熱で冷却水の水温を上昇させることが望ましい。
【0030】
ところで前記触媒CAの浄化機能が低下して、その交換あるいは清掃等のメンテナンスの必要が生じたときは、以下のようにして触媒CAをエンジンEのシリンダヘッド1および熱交換器Hより分離することができる。
【0031】
(1).前記第1の取付手段S1 のナット19を、そのスタッドボルト17から外せば、触媒CAは、熱交換器Hと共にエンジンEから離脱することができる。
【0032】
(2).次いで第2の取付手段S2 のナット26を、そのスタッドボルト24から外せば、図7に示すように触媒CAを熱交換器Hの一端の開口からその軸方向に分離することができる。
【0033】
以上により触媒CAは、外部に露出状態となり、その交換、清掃等のメンテナンスを容易に行なうことができる。
【0034】
またこの触媒CAを熱交換器HおよびエンジンEに取り付けるには、前記と逆の操作を行なえばよい。
【0035】
なお、触媒CAの前記分離にあたっては、前記第2の取付手段S2 を先に外して触媒CAから熱交換器Hを分離した後、第2の取付手段S2 を外して触媒CAをエンジンEから分離するようにしてもよい。
【0036】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明はその実施例に限定されることなく、本発明の範囲内で種々の実施例が可能である。たとえば前記実施例の二元触媒CAに代えて三元触媒を使用してもよい。また前記実施例の熱交換器の外筒を、そのハウジングに兼用してもよく、さらに排ガス熱により加熱される冷却水は、他の用途に使用してもよい。さらに前記第1および第2取付手段は、ボルトとナットに代えて他の公知の取付装置であってもよい。
【0037】
【発明の効果】
以上のにように、本請求項1,2記載の発明によれば、エンジンのシリンダヘッド直下に接続される筒状の触媒と、この触媒の外側にこれと同心円状に配設される熱交換器とを備えたエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置において、触媒の交換、清掃等のメンテナンスをきわめて簡単容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 空調機全体の概略正面図
【図2】 エンジンの頭部と、触媒および熱交換器の一部破断拡大図
【図3】 触媒および熱交換器の図4の3−3線に沿う縦断面図
【図4】 図3の4−4線に沿う横断面図
【図5】 図3の5−5線に沿う横断面図
【図6】 図3の6−6線に沿う横断面図
【図7】 触媒および熱交換器の分解縦断面図
【符号の説明】
1・・・・・・・・シリンダヘッド
11・・・・・・・エキゾーストパイプ
14・・・・・・・導入パイプ
15・・・・・・・第1の連結フランジ
16・・・・・・・第2の連結フランジ
29,30・・・・内外筒
31・・・・・・・熱交換室
45・・・・・・・連絡パイプ
CA・・・・・・・触媒
E・・・・・・・・エンジン
H・・・・・・・・熱交換器
S1 ・・・・・・・第1の取付手段
S2 ・・・・・・・第2の取付手段
Claims (2)
- エンジン(E)のシリンダヘッド(1)直下に接続される筒状の触媒(CA)と、この触媒(CA)の外側にこれと同心円状に配設される熱交換器(H)とを備えたエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置において、
前記触媒(CA)は、軸線方向の一端に導入パイプ(14)を同心に有して円筒状に形成され、前記導入パイプ(14)には、第1の連結フランジ(15)と第2の連結フランジ(16)とが軸方向に間隔をあけて平行に設けられ、
前記熱交換器(H)は内外筒(29,30)間に冷却水の流通する熱交換室(31)を有して有底円筒状に形成されるとともに、その一端の開口から前記触媒(CA)が出入れ可能に収容され、
前記第1の連結フランジ(15)には、エンジン(E)のシリンダヘッド(1)下面に設けたエキゾーストパイプ(11)が第1の取付手段(S1 )を介して着脱可能に取り付けられ、さらに前記第2の連結フランジ(16)には、前記熱交換器(H)が第2の取付手段(S2 )を介して着脱可能に取り付けられ、
前記第1,第2の取付手段(S 1 ,S 2 )は、前記第1,第2の連結フランジ(15,16)の径方向に互いにずれた位置にあって、いずれも前記触媒(CA)の軸線方向からの連結、解除操作が可能とされており、
また、前記第1,第2の連結フランジ(15,16)には、それらに跨って連絡パイプ(45)が形成され、この連絡パイプ(45)を通して前記熱交換室(31)内の冷却水がエンジン(E)の水ジャケットに流入するようにされ、
前記第1の連結フランジ(15)の前記エキゾーストパイプ(11)からの取り外しにより、前記導入パイプ(14)と前記連絡パイプ(45)とが前記エキゾーストパイプ(11)から同時に分離し、
前記第2の連結フランジ(16)の前記熱交換器(H)からの取り外しにより、前記触媒(CA)が前記第1,第2の連結フランジ(15,16)とともに前記熱交換器(H)から分離して、前記熱交換器(H)の開口を開放することを特徴とする、エンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置。 - 前記第1および第2の取付手段は、ボルトおよびナットよりなることを特徴とする、前記請求項1記載のエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置。
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