JP4665828B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気系の途中に設けられる排気熱回収装置の構造に関する。

例えば、自動車等に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）の排気ガスの熱を回収して、車室内の暖房等に利用することが知られている。この場合、エンジンの排気系の途中に排気熱回収装置を配設して、エンジン冷却水が流れる冷却水配管を排気熱回収装置に接続する構成を採用している。これにより、排気熱回収装置の内部で排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換が行われ、エンジン冷却水によって回収された排気熱が車室内の暖房に利用されることになる。また、エンジンの冷間時（例えば、エンジンの始動初期時）に排気熱を回収して冷却水温度を急速に上昇させることで、エンジンの暖機運転を早期に完了させることも行われている。

ところで、上述のような排気熱回収装置において、排気熱回収動作を常時行うことは好ましくない。詳しく言えば、車室内の暖房時や、エンジンの冷間時には、排気熱回収動作を行うことが有効であるが、車室内の暖房が必要ない場合や、エンジンの暖機完了後に排気熱回収動作を行うと、かえって冷却水温度が高くなり過ぎ、エンジン本体の冷却性能が悪化してしまう可能性がある。したがって、車室内の暖房が必要ない場合や、エンジンの暖機完了後には、排気熱回収量を低減することが望まれる。つまり、排気熱回収装置としては、排気熱回収量をエンジンの運転状況等に応じて調整可能にする構成が望まれている。

従来では、排気熱回収量をエンジンの運転状況等に応じて調整可能にした排気熱回収装置として、内筒と外筒とを備え、内筒に流路切り替えバルブが設けられたものが知られている。そして、車室内の暖房時や、エンジンの冷間時には、流路切り替えバルブを閉じて、外筒と内筒との間の空間を排気ガスが通過するようにして、排気熱回収動作を行う一方で、車室内の暖房が必要ない場合や、エンジンの暖機完了後には、流路切り替えバルブを開き、内筒の内部空間を排気ガスが通過するようにして、排気熱回収量を低減している。そのような排気熱回収装置の一例には、特許文献１に開示されたものが知られている。
特開平９−７６７３９号公報

ところで、排気熱回収装置の排気ガス流れの上流側および下流側には、排気管が接続されており、その排気管の表面温度は、排気熱回収装置の表面温度に比べて高くなっている。しかし、排気熱回収装置の流路切り替えバルブの駆動用のアクチュエータが排気熱回収装置の排気ガス流れ方向の端部に配置され、排気管に向けて配置されている場合には、熱によってアクチュエータが故障する可能性がある。例えば、流路切り替えバルブのアクチュエータがゴムや樹脂からなるダイアフラムを用いたものである場合、そのダイアフラムが熱に影響されやすく損傷する場合がある。また、アクチュエータが電動モータを用いたものである場合、その電気部品が熱に影響されやすく損傷する場合がある。

一方、熱の影響を低減するためには、インシュレータ等の遮熱用部材を用いるか、あるいは、流路切り替えバルブのアクチュエータと排気熱回収装置との隙（距離）を大きくすることが考えられる。しかし、インシュレータ等が別途必要であり、また、アクチュエータと排気熱回収装置との隙を大きくしたのでは、省スペース化を図ることができず、車室内空間が狭くなる可能性がある。

したがって、排気熱回収装置の流路切り替えバルブのアクチュエータの配置位置については改善の余地がある。

また、流路切り替えバルブのアクチュエータ以外にも、排気系の周辺に配置される部品のうち熱に影響されやすい部品、例えば、排気熱回収装置に接続される冷却水循環用のゴムホース、ダイアフラム式のアクチュエータに接続される吸引用ホース、排気熱回収装置を支持するサポート部材等についても、同様の問題点がある。さらに、ハイブリッド車の場合には、排気系の上方にバッテリが配置されることがあり、その場合にも同様の問題点がある。したがって、そのような熱に影響されやすい部品の配置位置についても改善の余地がある。

なお、排気熱回収装置をエンジンの排気系の途中に設ける場合、熱交換効率を高くするためには、排気熱回収装置を排気ガス温度の高い箇所、つまり、エンジンに近い箇所に設けることが好ましい。しかし、そのような排気ガス温度の高い箇所に排気熱回収装置を設ける場合には、上述のような問題が一層懸念される。

本発明は、上述したような点に着目してなされたものであり、排気系の周辺に配置される部品のうち熱に影響されやすい部品の熱による故障や損傷、変形等を回避しながら、省スペース化を図ることができるような排気熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、内燃機関の排気系の途中に設けられる排気熱回収装置であって、外筒および内筒と、前記外筒と内筒との間の空間と、前記内筒の内部空間との間で、排気ガスの流路を切り替える流路切り替えバルブと、前記外筒と内筒との間の空間に設けられる排気熱回収部とを備えた排気熱回収装置において、前記排気熱回収部は、外側冷却水流路と、前記外側冷却水流路に連通された内側冷却水流路と、前記外側冷却水流路および内側冷却水流路に挟まれた排気ガス流路とを備え、冷却水が、前記外側冷却水流路に供給され、前記内側冷却水流路から排出される構成とされ、前記外筒は、前記外側冷却水流路に面しており、前記排気系の周辺に配置される部品のうち、熱に影響されやすい部品の排気ガス流れ方向の一部または全部と、前記排気熱回収部の排気ガス流れ方向の一部または全部とが対向して設けられていることを特徴としている。つまり、排気ガス流れ方向において、熱に影響されやすい部品の配置されている範囲の一部または全部が、排気熱回収部が設けられている範囲の一部または全部と重なり合っている。

ここで、熱に影響されやすい部品とは、ゴムまたは樹脂が用いられている部品、電気部品等を意味し、具体的には、排気熱回収装置に接続される冷却水循環用のゴムホース、排気熱回収装置を支持するサポート部材等である。また、排気熱回収装置の流路切り替えバルブを駆動するアクチュエータ、そのアクチュエータがダイアフラム式のアクチュエータである場合におけるアクチュエータに接続される吸引用のゴムホースである。さらには、ハイブリッド車の場合には、バッテリも熱に影響されやすい部品に含まれる。

これにより、それらの部品を排気熱回収装置の外筒に近づけて配置することができる。つまり、それらの部品と外筒との隙（距離）をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。一方、それらの部品と外筒との隙を小さくしても、熱によるそれらの部品の故障や損傷、変形等を防止することができる。

以上のように、熱によるそれらの部品の故障や損傷、変形等を回避しながら、それらの部品と排気熱回収装置の外筒との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。例えば、エンジンとモータとが駆動源として搭載されたハイブリッド車の場合、バッテリが排気系の上方に配置されることがあるが、そのバッテリの配置位置を排気熱回収装置の外筒の上方とすることによって、熱によるバッテリの故障を回避しながら、バッテリと排気熱回収装置の外筒との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間を広くすることができる。

また、流路切り替えバルブを駆動するアクチュエータの場合、そのアクチュエータを外筒に近づけて配置することができ、アクチュエータと外筒との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間を広くすることができる。

一方、アクチュエータと外筒との隙を小さくしても、インシュレータ等の遮熱用部材を別途用いることなく、熱によるアクチュエータの故障を防止することができる。例えば、アクチュエータがゴムや樹脂からなるダイアフラムを用いたものである場合、そのダイアフラムへの熱の影響を低減することができ、また、アクチュエータが電動モータを用いたものである場合、その電気部品への熱の影響を低減することができる。

ここで、外筒が排気熱回収部の外側冷却水流路に面しているので、外筒が排気ガス流路に面している場合に比べて、外筒の表面温度が低くなる。これにより、熱による上記部品の故障や損傷、変形等を回避しながら、上記部品と外筒との隙をさらに小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間をさらに広くすることができる。

本発明によれば、排気系の周辺に配置される部品のうち熱に影響されやすい部品の熱による故障や損傷、変形等を回避しながら、それらの部品と排気熱回収装置の外筒との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間を広くすることができる。

本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。以下では、本発明を自動車用エンジンの排気熱回収装置として適用した場合について説明する。

まず、内燃機関の排気系の概略について説明する。図１、図２は、本発明の排気熱回収装置を適用する内燃機関の排気系の概略側面図および概略平面図である。

図１、図２に示すように、内燃機関としてのエンジンは、例えば、自動車に搭載される直列４気筒エンジンであって、そのエンジン本体１には排気マニホールド２が設けられている。排気マニホールド２に排気系３が接続されている。排気系３には、排気ガスの流れ方向に沿って上流側から順に、触媒コンバータ４と、排気熱回収装置５と、メインマフラ６と、サブマフラ７とが配設されている。排気マニホールド２と触媒コンバータ４とは、フロントパイプ８を介して接続されている。排気熱回収装置５には、触媒コンバータ４から延びる上流側排気管４ａと、メインマフラ６から延びる下流側排気管６ａとが接続されている。メインマフラ６とサブマフラ７とは排気管７ａを介して接続されており、サブマフラ７から下流側に延びるテールパイプ９が大気に開放されている。また、排気系３は、複数のサポート部材１０によって車体に支持されている。このようなエンジンの排気系３では、触媒コンバータ４によってエンジン本体１からの排気ガスが浄化され、メインマフラ６とサブマフラ７とによって排気音が減衰される。

次に、排気系３の途中に設けられる排気熱回収装置５の構成について、図４〜図８を用いて詳しく説明する。

図４は排気熱回収装置５の側面図、図５は排気熱回収装置５の平面図である。図６は図４におけるＸ−Ｘ線断面図、図７は図６におけるＹ−Ｙ線断面図である。図８は流路切り替えバルブの閉鎖状態および開放状態を示す図である。

排気熱回収装置５は、外筒部材２１、内筒部材２２等によって略二重管構造に構成されている。そして、外筒部材２１と内筒部材２２との間の空間Ｃ１には、排気熱回収部３０が設けられており、後述するように、排気ガスが流れる流路と、冷却水が流れる流路とが形成されている。また、内筒部材２２の内部空間Ｃ２は、排気ガスが流れる流路となっている。

外筒部材２１は、その排気ガス流れ方向の中央部分が、比較的大径の円筒形状に形成された本体部２１ａとなっている。また、排気ガス流れ方向の両端部分が、それぞれ比較的小径の円筒形状に形成された導入側接続管部２１ｂおよび排出側接続管部２１ｃとなっている。そして、本体部２１ａと導入側接続管部２１ｂとの間の部分が、上流側に向かうほど絞られた絞り部２１ｄとなっている。本体部２１ａと排出側接続管部２１ｃとの間の部分が、下流側に向かうほど絞られた絞り部２１ｅとなっている。導入側接続管部２１ｂは、触媒コンバータ４から延びる上流側排気管４ａに接続されている。排出側接続管部２１ｃは、メインマフラ６から延びる下流側排気管６ａに接続されている。また、外筒部材２１の本体部２１ａには、冷却水循環用の導入用ホースＨ１と排出用ホースＨ２とが接続されている。

内筒部材２２は、外筒部材２１の導入側接続管部２１ｂとほぼ同径の円筒形状に形成されており、外筒部材２１の内部に挿入されている。内筒部材２２の上流端は、排気ガス流れ方向において外筒部材２１の導入側接続管部２１ｂとほぼ一致する位置まで延びており、外筒部材２１の導入側接続管部２１ｂに接続されている。内筒部材２２の上流側端部の両側面には、それぞれ連通孔２２ａが形成されている。図７では、連通孔２２ａが、排気ガス流れ方向において外筒部材２１の絞り部２１ｄとほぼ一致する位置に形成されている。そして、この連通孔２２ａを介して、外筒部材２１と内筒部材２２との間の空間Ｃ１と、内筒部材２２の内部空間Ｃ２とが連通されている。

一方、内筒部材２２の下流端は、外筒部材２１の排出側接続管部２１ｃに接続されていない。図７では、内筒部材２２の下流端は、排気ガス流れ方向において外筒部材２１の本体部２１ａと絞り部２１ｅとの境界とほぼ一致する位置まで延びている。外筒部材２１と内筒部材２２との間の空間Ｃ１は、排気ガス流れ方向において内筒部材２２の下流端が延びる位置まで形成されているが、その位置で空間Ｃ１が外筒部材２１の下流側端部の空間Ｃ３に連通されている。また、その位置で、内筒部材２２の内部空間Ｃ２も外筒部材２１の下流側端部の空間Ｃ３に連通されている。

内筒部材２２の連通孔２２ａの下流側近傍には、排気ガスの流路を切り替え可能とする流路切り替えバルブ２３が配設されている。流路切り替えバルブ２３は、図８（ａ）に示す状態で、内筒部材２２の内部空間Ｃ２を遮断することができる形状（ほぼ小判形状）の弁体２３ａが内筒部材２２を水平方向に貫通する回動軸２３ｂに支持された構成となっている。流路切り替えバルブ２３は、外筒部材２１の外側に配設されるアクチュエータ２４に接続されている。アクチュエータ２４の配置位置については詳しくは後述する。

アクチュエータ２４は、例えば、ダイアフラムにより流路切り替えバルブ２３を駆動してその閉鎖状態と開放状態とを切り替えるように構成されている。なお、電動モータ等により流路切り替えバルブ２３を駆動するように構成してもよい。この例では、ケース２４ａ内に収容されたダイアフラムに、排気ガス流れ方向に沿って延びるロッド２５の一端が連結されている。ロッド２５の他端側は、流路切り替えバルブ２３の回動軸２３ｂと平行な方向に折り曲がっており、ロッド２５の他端と流路切り替えバルブ２３の回動軸２３ｂとがアーム２６を介して連結されている。ロッド２５の他端はアーム２６に対し回動可能となっているが、流路切り替えバルブ２３の回動軸２３ｂはアーム２６に対し回動不能となっている。また、ケース２４ａ内の空気を吸引してダイアフラムを動作させる吸引用ホース２４ｂがケース２４ａに接続されている。なお、吸気管負圧を利用してダイアフラムを動作させることも可能である。

ダイアフラムが動作していない場合には、図８（ｂ）に示すように、回動軸２３ｂが回動して弁体２３ａがほぼ水平に（排気ガス流れに平行に）配置された状態、つまり、流路切り替えバルブ２３が開放している状態になっている。ダイアフラムの動作にともない、ロッド２５が排気ガス流れ方向に沿って移動され、その動きがアーム２６を介して流路切り替えバルブ２３の回動軸２３ｂに伝わる。このとき、ロッド２５が排気ガス流れ方向の下流側に向けて移動され、図８（ａ）に示すように、回動軸２３ｂが回動して弁体２３ａが内筒部材２２の内周面に突き当たった状態、つまり、流路切り替えバルブ２３が閉鎖している状態に切り替わる。

流路切り替えバルブ２３が閉鎖している状態（図８（ａ）に示す状態）では、内筒部材２２の内部空間Ｃ２の流路切り替えバルブ２３よりも上流側の空間（以下、上流側空間という）Ｃ２１と、流路切り替えバルブ２３よりも下流側の空間（以下、下流側空間という）Ｃ２２とが遮断される。この場合、エンジン本体１から排出され、排気系３の上流側から流れてきた排気ガスは、内筒部材２２の上流側空間Ｃ２１から排気熱回収装置５内に導入されるが、排気熱回収装置５内では、排気ガスは、内筒部材２２の上流側空間Ｃ２１から、連通孔２２ａを介して、外筒部材２１と内筒部材２２との間の空間Ｃ１に流入される。そして、排気ガスが空間Ｃ１を流れる際、後述するようにして、冷却水との間で熱交換が行われ、排気熱が回収される。その後、排気ガスは、外筒部材２１の下流側端部の空間Ｃ３から排気熱回収装置５外に排出され、メインマフラ６へ向けて流れる。

逆に、流路切り替えバルブ２３が開放している状態（図８（ｂ）に示す状態）では、内筒部材２２の上流側空間Ｃ２１と下流側空間Ｃ２２とが連通される。この場合、排気熱回収装置５内に導入された排気ガスは、内筒部材２２の上流側空間Ｃ２１から、下流側空間Ｃ２２に流れる。その後、排気ガスは、外筒部材２１の下流側端部の空間Ｃ３から排気熱回収装置５外に排出され、メインマフラ６へ向けて流れる。

次に、外筒部材２１と内筒部材２２との間の空間Ｃ１内に設けられる排気熱回収部（熱交換部）３０について説明する。排気熱回収部３０には、後述するような排気ガス流路および冷却水流路が形成されている。なお、以下では、空間Ｃ１のうち、排気ガス流路および冷却水流路以外の空間で、排気熱回収部３０よりも上流側を空間Ｃ１１、下流側をＣ１２とする。

空間Ｃ１内には、排気ガスと冷却水との間で熱交換を可能とする２重の熱交換用パイプ３１，３２が配設されている。熱交換用パイプ３１，３２は、ほぼ円筒形状で、排気ガス流れ方向において、流路切り替えバルブ２３が設けられている位置の下流側から、内筒部材２２の下流側端部の位置にわたって設けられている。熱交換用パイプ３１，３２の断面形状は、多数の凹凸がほぼ全周にわたって設けられた形状となっている。このように、多数の凹凸を設けることで、熱交換用パイプ３１，３２の表面積を大きくして、排気熱回収部３０における熱交換効率を向上させるようにしている。

そして、外側の熱交換用パイプ３１と外筒部材２１との間の空間が、外側冷却水流路ＰＷ１となっている。また、内側の熱交換用パイプ３２と後述する断熱用パイプ２７との間の空間が、内側冷却水流路ＰＷ２となっている。これに対し、熱交換用パイプ３１，３２の間の空間が、排気ガス流路ＰＧ１となっている。このように、排気熱回収部３０は、排気ガス流路ＰＧ１が２つの冷却水流路ＰＷ１，ＰＷ２によって挟まれた構成となっている。これにより、排気熱回収部３０における熱交換効率を向上させるようにしている。

なお、内筒部材２２と内側の熱交換用パイプ３２との間には、断熱用パイプ２７が設けられている。断熱用パイプ２７は、排気ガス流れ方向において、少なくとも内側冷却水流路ＰＷ２が形成されている部分に設けられており、断熱用パイプ２７と内筒部材２２との間の空間Ｃ４が断熱層として機能するようにしている。断熱用パイプ２７の排気ガス流れ方向の両端部には、内筒部材２２との間に支持部材２８，２９が介在されている。支持部材２８，２９は、熱膨張時の内筒部材２２と断熱用パイプ２７との相対移動を許容しながら両者を支持するために設けられており、シール効果も有する。

外側の熱交換用パイプ３１の排気ガス流れ方向の両端部は、外側に向けて屈曲されており、全周にわたって外筒部材２１の内周面に接着されている。このため、外側冷却水流路ＰＷ１は、空間Ｃ１１，Ｃ１２には連通されていない。外側冷却水流路ＰＷ１は、後述する冷却水の出入口を除き閉空間となっている。

外側冷却水流路ＰＷ１は、排気ガス流れ方向における下流側端部において、冷却水循環用の導入用ホースＨ１に接続されている。具体的には、外筒部材２１の本体部２１ａの側面には、冷却水の入口となる導入口２１ｆが形成されており、その導入口２１ｆに導入用ホースＨ１が差し込まれて接続されている。これにより、冷却水が導入用ホースＨ１を介してヒータコア１１から排気熱回収部３０に供給される（図３）。

また、内側の熱交換用パイプ３２の排気ガス流れ方向の両端部は、内側に向けて屈曲されており、全周にわたって断熱用パイプ２７の外周面に接着されている。このため、内側冷却水流路ＰＷ２は、空間Ｃ１１，Ｃ１２には連通されていない。内側冷却水流路ＰＷ２は、後述する冷却水の出入口を除き閉空間となっている。

内側冷却水流路ＰＷ２は、排気ガス流れ方向における下流側端部において、冷却水循環用の排出用ホースＨ２に接続されている。具体的には、外筒部材２１の本体部２１ａおよび熱交換用パイプ３１，３２のそれぞれの上面には、冷却水の出口となる貫通孔２１ｇ，３１ｂ，３２ｂが形成されており、それらの貫通孔２１ｇ，３１ｂ，３２ｂに排出用ホースＨ２が差し込まれて接続されている。これにより、排気熱回収部３０の冷却水が排出用ホースＨ２を介してエンジン本体１のウォータジャケットに供給される（図３）。

ここで、外側冷却水流路ＰＷ１と内側冷却水流路ＰＷ２とは、排気ガス流れ方向における各冷却水流路ＰＷ１，ＰＷ２の上流側端部において互いに連通されている。具体的には、熱交換用パイプ３１，３２の上流側端部の上下に互いに重なり合う位置に連通孔３１ａ，３２ａが形成されており、これらの連通孔３１ａ，３２ａを介して、外側冷却水流路ＰＷ１と内側冷却水流路ＰＷ２とが連通されている。これにより、冷却水が、連通孔３１ａ，３２ａを介して、外側冷却水流路ＰＷ１から排出され、内側冷却水流路ＰＷ２に供給される。このように、連通孔３１ａ，３２ａは、外側冷却水流路ＰＷ１における冷却水の出口となっているとともに、内側冷却水流路ＰＷ２における冷却水の入口となっている。ただし、連通孔３１ａ，３２ａの周囲では、熱交換用パイプ３１，３２が互いに接着されているため、両冷却水流路ＰＷ１，ＰＷ２と排気ガス流路ＰＧ１とは連通されていない。

したがって、排気熱回収装置５の排気熱回収部３０においては、冷却水は、導入用ホースＨ１→外側冷却水流路ＰＷ１→連通孔３１ａ，３２ａ→内側冷却水流路ＰＷ２→排出用ホースＨ２のような流通経路で流通される。

次に、排気ガス流路ＰＧ１は、排気ガス流れ方向における両端部において、空間Ｃ１１，Ｃ１２に連通されている。これにより、流路切り替えバルブ２３が閉鎖している場合、内筒部材２２の連通孔２２ａから空間Ｃ１１に流入した排気ガスが、排気ガス流路ＰＧ１に流れ込む。そして、排気ガスが排気ガス流路ＰＧ１を流れる際、外側冷却水流路ＰＷ１および内側冷却水流路ＰＷ２を流れる冷却水との間で熱交換が行われる。これにともない、排気ガスの熱が冷却水に与えられて排気ガスの温度が低下するとともに、冷却水の温度が上昇することになる。このようにして、排気熱回収部３０における排気熱回収が行われる。排気ガスは、排気ガス流路ＰＧ１を流れた後、空間Ｃ１２を経て、空間Ｃ３に流入される。

したがって、排気熱回収装置５の排気熱回収部３０においては、流路切り替えバルブ２３が閉鎖している場合、排気ガスは、上流側空間Ｃ２１→空間Ｃ１１→排気ガス流路ＰＧ１→空間Ｃ１２→空間Ｃ３のような流通経路で流通される。一方、流路切り替えバルブ２３が開放している場合、排気ガスは、上流側空間Ｃ２１→下流側空間Ｃ２２→空間Ｃ３のような流通経路で流通される。

ここで、排気熱回収装置５における排気熱回収動作について説明する。

例えば、エンジンの始動初期時のような冷間時（暖気未完了時）等には、ヒータスイッチ（空調スイッチ）のオンによりアクチュエータ２４が駆動し、これにともない、流路切り替えバルブ２３が、図８（ａ）に示すように閉鎖される。このため、排気熱回収装置５に流入した排気ガスが、ほとんど全て排気熱回収部３０の排気ガス流路ＰＧ１を流れることになる。これにより、排気熱回収部３０において、排気ガスと、外側冷却水流路ＰＷ１および内側冷却水流路ＰＷ２を流れる冷却水との間で熱交換が行われ、排気熱が回収される。冷却水は、例えば、図３に示すように、排出用ホースＨ２を介して排気熱回収装置５からエンジン本体１のウォータジャケットに送られ、また、エンジン本体１のウォータジャケットから循環用ホースＨ３を介してヒータコア１１に送られる。これにより、上述のような排気熱回収動作で回収された熱がエンジン暖機や車室暖房のために利用される。

一方、エンジンの暖機完了後等には、ヒータスイッチのオフによりアクチュエータ２４が元の状態に戻り、これにともない、流路切り替えバルブ２３が、図８（ｂ）に示すように開放される。このため、排気熱回収装置５に流入した排気ガスの大部分は、直進して、下流側空間Ｃ２２を通過することになる。つまり、排気熱回収部３０の排気ガス流路ＰＧ１における排気ガスの通過量が低減され、これにともなって排気熱回収量が低減される。したがって、冷却水温度が高くなり過ぎることがなく、エンジン本体１の冷却性能を良好に確保できる。また、排気ガスの大部分が、排気熱回収部３０の排気ガス流路ＰＧ１よりも通路断面積の大きな下流側空間Ｃ２２を流れることで、排気ガスの排出性能が向上し、エンジン出力を高く維持することもできる。

この例では、上述したように、排気熱回収装置５において、流路切り替えバルブ２３の駆動用のアクチュエータ２４が外筒部材２１の外側に配置されているが、その排気ガス流れ方向における位置が次のような位置となっている。

アクチュエータ２４は、排気熱回収装置５の外筒部材２１の表面温度が排気系３の排気管の表面温度に比べて低くなっているので、外筒部材２１の近傍に配置されている。具体的には、アクチュエータ２４は、排気ガス流れ方向において、排気熱回収部３０の上流端からその中途部の位置にかけて配置されている。したがって、アクチュエータ２４の排気ガス流れ方向の全部と、排気熱回収部３０の排気ガス流れ方向の上流側の一部とが対向して設けられている。言い換えれば、排気ガス流れ方向において、アクチュエータ２４の配置されている範囲の全部が、排気熱回収部３０が設けられている範囲の一部と重なり合っている。

このように、アクチュエータ２４が、排気熱回収装置５の上流側に接続される表面温度の高い上流側排気管４ａ側に向けてではなく、表面温度の低い排気熱回収部３０側に向けて配置されている。これにより、アクチュエータ２４を外筒部材２１に近づけて配置することができる。つまり、アクチュエータ２４と外筒部材２１との隙（距離）をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。

一方、アクチュエータ２４と外筒部材２１との隙を小さくしても、インシュレータ等の遮熱用部材を別途用いることなく、熱の影響が低減され、熱によるアクチュエータ２４の故障を防止することができる。例えば、アクチュエータがゴムや樹脂からなるダイアフラムを用いたものである場合、そのダイアフラムへの熱の影響を低減することができ、また、アクチュエータが電動モータを用いたものである場合、その電気部品への熱の影響を低減することができる。

以上のように、アクチュエータ２４への熱の影響を低減してその故障を回避しながら、アクチュエータ２４と外筒部材２１との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間を広くすることができる。

そして、上述したように、排気熱回収部３０は、排気ガス流路ＰＧ１が２つの冷却水流路ＰＷ１，ＰＷ２によって挟まれた構成となっている。つまり、外筒部材２１が外側冷却水流路ＰＷ１に面している。したがって、外筒部材２１の内側が排気ガス流路である場合に比べて、外筒部材２１の表面温度が低くなる。しかも、外側冷却水流路ＰＷ１には、ヒータコア１１からの冷却水が導入用ホースＨ１を介して供給されるため、外筒部材２１の表面温度がさらに低くなる。これにより、アクチュエータ２４への熱の影響をさらに低減してアクチュエータ２４の故障を回避しながら、アクチュエータ２４と外筒部材２１との隙をさらに小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間をさらに広くすることができる。

ところで、排気熱回収装置５の排気熱回収部３０における熱交換効率を高くするためには、排気熱回収装置５を排気ガス温度の高い箇所、つまり、エンジン本体１に近い箇所に設けることが望ましいが、このように、排気熱回収装置５をエンジン本体１に近い箇所に配置した場合にも、熱によるアクチュエータ２４の故障を回避しながら、アクチュエータ２４と外筒部材２１との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。

以上では、排気熱回収装置５において、流路切り替えバルブ２３のアクチュエータ２４の排気ガス流れ方向の全部と、排気熱回収部３０の排気ガス流れ方向の上流側の一部とが対向して設けられている場合について説明したが、アクチュエータの排気ガス流れ方向の一部または全部と、排気熱回収部の排気ガス流れ方向の一部または全部とが対向して設けられていれば、アクチュエータの配置位置は特に限定されない。つまり、アクチュエータが熱の影響を低減できる許容範囲に配置されていれば、必ずしもアクチュエータの排気ガス流れ方向の全部と、排気熱回収部の排気ガス流れ方向の一部または全部とを対向させて設ける必要はない。したがって、排気ガス流れ方向において、アクチュエータの配置されている範囲の一部が、排気熱回収部が設けられている範囲に含まれていなくてもよい。ただし、上述のように、アクチュエータの排気ガス流れ方向の全部と、排気熱回収部の排気ガス流れ方向の一部または全部とを対向して設ければ、排気ガス流れ方向において、アクチュエータの配置されている範囲の全部が、排気熱回収部が設けられている範囲に含まれていることになり、アクチュエータへの熱の影響を効率よく低減することができる。

また、この例では、流路切り替えバルブ２３のアクチュエータ２４以外にも、排気系３の周辺に配置される部品のうち熱に影響されやすい部品を排気熱回収装置５の外筒部材２１（排気熱回収部３０）の近傍に配置するようにして、それらの部品の排気ガス流れ方向の一部または全部と、排気熱回収部３０の排気ガス流れ方向の一部または全部とを対向して設けるようにしている。熱に影響されやすい部品とは、ゴムまたは樹脂が用いられている部品、電気部品等を意味し、具体的には、排気熱回収装置５に接続される導入用ホースＨ１および排出用ホースＨ２、ダイアフラム式のアクチュエータ２４に接続される吸引用ホース２４ｂ、排気熱回収装置５に連結されるサポート部材１０等である。

これにより、それらの部品への熱の影響を低減してそれらの部品の故障や損傷、変形等を回避しながら、それらの部品と排気熱回収装置５の外筒部材２１との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間を広くすることができる。

また、エンジンとモータとが駆動源として搭載されたハイブリッド車の場合、バッテリも熱に影響されやすい部品に含まれる。ハイブリッド車の場合、バッテリが排気系３の上方に配置されることがあるが、そのバッテリの配置位置を排気熱回収装置５の外筒部材２１（排気熱回収部３０）の上方に配置することによって、バッテリへの熱の影響を低減してその故障を回避しながら、バッテリと排気熱回収装置５の外筒部材２１との隙をできるだけ小さくでき、省スペース化を図ることができる。これにともない、車室内空間を広くすることができる。

本発明の排気熱回収装置を適用する内燃機関の排気系の概略を示す側面図である。 本発明の排気熱回収装置を適用する内燃機関の排気系の概略を示す平面図である。 排気熱回収装置による排気熱回収時の冷却水の流れを模式的に示す図である。 排気熱回収装置を示す側面図である。 排気熱回収装置を示す平面図である。 図４におけるＸ−Ｘ線断面図である。 図６におけるＹ−Ｙ線断面図である。 流路切り替えバルブの閉鎖状態および開放状態を示す図である。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 排気系
５ 排気熱回収装置
２１ 外筒部材
２２ 内筒部材
２３ 流路切り替えバルブ
２４ アクチュエータ
３０ 排気熱回収部
３１，３２ 熱交換用パイプ
Ｈ１ 導入用ホース
Ｈ２ 排出用ホース
ＰＷ１ 外側冷却水流路
ＰＷ２ 内側冷却水流路
ＰＧ１ 排気ガス流路

Claims (2)

1. 内燃機関の排気系の途中に設けられる排気熱回収装置であって、
   外筒および内筒と、
   前記外筒と内筒との間の空間と、前記内筒の内部空間との間で、排気ガスの流路を切り替える流路切り替えバルブと、
   前記外筒と内筒との間の空間に設けられる排気熱回収部とを備えた排気熱回収装置において、
   前記排気熱回収部は、外側冷却水流路と、前記外側冷却水流路に連通された内側冷却水流路と、前記外側冷却水流路および内側冷却水流路に挟まれた排気ガス流路とを備え、冷却水が、前記外側冷却水流路に供給され、前記内側冷却水流路から排出される構成とされ、
   前記外筒は、前記外側冷却水流路に面しており、
   前記排気系の周辺に配置される部品のうち、熱に影響されやすい部品の排気ガス流れ方向の一部または全部と、前記排気熱回収部の排気ガス流れ方向の一部または全部とが対向して設けられていることを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記排気系の周辺に配置される部品が、前記流路切り替えバルブを駆動するアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。

Images