JP6390469B2

JP6390469B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6390469B2
Application number: JP2015042595A
Authority: JP
Inventors: 入山　要次郎; 要次郎入山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: JP2016160889A

Description

本発明は、内燃機関の排気の熱を回収して再利用する熱交換器に関する。

従来、内燃機関の排気通路に、排気の熱を回収して再利用する熱交換器を配設したものが知られている。
こうした熱交換器としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載の熱交換器は、ハニカム構造体を有し、ハニカム構造体の互いに仕切られた各セルを排気が通過する際に排気の熱を回収する。そして、この熱を利用して発電を行うことにより、排気の熱を電気に変換する。

また、排気の熱を内燃機関の冷却水に伝えることにより、機関始動時に早期に暖機を完了させる熱交換器も知られている。

特開２００８‐１２８１２８号公報

ところで、上述したようなハニカム構造体を有する熱交換器を用いて冷却水を温める構成では、早期に暖機を完了させるため、排気の流量が少ないときでも多くの熱を回収できることが望まれる。

しかし、上述したような熱交換器では、暖機が完了した後もハニカム構造体を通じて排気の熱が冷却水に伝えられる。そのため、排気の流量が少ないときに多くの熱を回収することができるように設計されている場合には、エンジン回転速度が高く、ハニカム構造体を通過する排気の流量が多いときに、ハニカム構造体を通じて排気から冷却水に伝わる熱量が多くなりすぎてしまう。その結果、冷却水の温度が必要以上に上昇してしまい、冷却水による内燃機関の冷却効率が低下してしまうおそれがある。

本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気の流量が少ないときでも暖機の促進を図ることができ、排気の流量が多いときでも内燃機関の冷却効率の低下を抑制できる熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するための熱交換器は、内燃機関の排気通路内に収容され、同排気通路の延伸方向に沿って延びる中心軸線と直交する断面がメッシュ状であり、排気が流れる複数のセルを有するハニカム構造体と、排気通路におけるハニカム構造体が収容されている部分を取り囲み、内燃機関の冷却水が流れるウォータージャケットと、を備え、ハニカム構造体を通過する排気とウォータージャケットを流れる冷却水との熱交換を行う熱交換器であって、ハニカム構造体におけるウォータージャケットと隣接する外周部のメッシュが、同ハニカム構造体における外周部よりも中心軸線に近い中心部のメッシュに比べて細かくなっており、前記ハニカム構造体は、前記外周部の排気の流れ方向上流側に位置する端部が、前記中心部から離れるほど排気の流れ方向上流側に位置するように傾斜した形状である。

上記構成によれば、ハニカム構造体の外周部では、単位体積当たりで比較した場合、中心部に比して、排気とハニカム構造体との接触面積が大きくなっている。そのため、ハニカム構造体の外周部では中心部より多くの熱が回収される。また、ハニカム構造体の中心部では、単位体積当たりで比較した場合、外周部に比して排気との接触面積が小さくなるため、排気が中心部を通過する際の圧力損失は、排気が外周部を通過する際の圧力損失に比べて小さくなる。

排気の流量が多いときには、上述した圧力損失の差の影響を受けて、排気の多くが圧力損失の大きな外周部を避けて圧力損失の小さな中心部に流れ込むようになる。このときには、排気との接触面積が外周部よりも小さい中心部を排気が通過するため、排気の熱はハニカム構造体に伝わりにくい。その結果、排気の流量が多いときには、冷却水が流れるウォータージャケットと隣接する外周部に熱が伝わりにくくなる。したがって、暖機完了後であり且つ排気の流量が多いときに、冷却水が過剰に温められてしまうことを抑制し、内燃機関の冷却効率が低下してしまうことを抑制することができる。

一方で、排気の流量が少ないときには、上記のように中心部と外周部とで圧力損失に差が生じていたとしてもその影響は小さく、排気は中心部及び外周部の両方に流れる。すなわち、この熱交換器では、排気の流量が少ないときには、冷却水が流れるウォータージャケットと隣接しており、且つ中心部よりも多くの熱を回収することができる外周部にも排気が流れるようになる。したがって、暖機完了前であり且つ排気の流量が少ないときに、冷却水を温めて暖機の促進を図ることができる。

すなわち、上記構成によれば、排気の流量が少ないときでも暖機の促進を図ることができ、排気の流量が多いときでも内燃機関の冷却効率の低下を抑制できるようになる。

熱交換器の一実施形態を備える内燃機関の構成を示す断面図。同実施形態の熱交換器における中心軸線と直交する断面を示す模式図。同実施形態の熱交換器における排気の流量が多いときの排気の流れを示す断面図。同実施形態の熱交換器における排気の流量が少ないときの排気の流れを示す断面図。

以下、熱交換器の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関１０の排気通路１１には、触媒を担持する担体１２が設けられている。この触媒は、同担体１２を通過する排気を浄化する。

また、排気通路１１には、担体１２よりも排気の流れ方向下流側に位置する部分に熱交換器１３が設けられている。
熱交換器１３は、排気通路１１内に収容されたセラミック製のハニカム構造体１４を有している。ハニカム構造体１４は、略円柱状をなしており、その中心軸線Ｌが排気通路の延伸方向に沿って図１の左右方向に延びている。なお、ハニカム構造体１４は、セラミック材料の中でも炭化珪素や窒化珪素などのように熱伝導率の高い材料で形成されていることが望ましい。

また、熱交換器１３は、排気通路１１におけるハニカム構造体１４が収容されている部分を取り囲むウォータージャケット１５も有している。
内燃機関１０には、同内燃機関１０の各部を冷却する冷却水が循環している。ウォータージャケット１５は、内燃機関１０の冷却水の循環通路に接続通路１６を介して接続されており、図１に矢印で示すように、その内部を冷却水が流れている。

図２に示すように、ハニカム構造体１４は、その中心軸線Ｌと直交する断面がメッシュ状であり、排気が流れる複数のセル１７を有している。ハニカム構造体１４は、ウォータージャケット１５と隣接する外周部１８と、同外周部１８よりも中心軸線Ｌに近い中心部１９とからなる。ハニカム構造体１４における外周部１８のメッシュは、ハニカム構造体１４における中心部１９のメッシュに比べて細かくなっている。

また、図１に示すように、ハニカム構造体１４は、外周部１８の排気の流れ方向上流側（図１の左側）に位置する端部が、中心部１９から離れるほど、すなわちウォータージャケット１５に近づくほど排気の流れ方向上流側に位置するようにすり鉢状に傾斜した形状になっている。

この熱交換器１３では、ハニカム構造体１４を排気が通過することにより同ハニカム構造体１４に排気の熱が回収され、この回収した熱をウォータージャケット１５を流れる冷却水に伝えることにより、排気と冷却水との熱交換を行っている。

なお、熱交換器１３は、排気の流量が少ないときでも多くの熱を回収して内燃機関１０の暖機を早期に完了させることができるように、ハニカム構造体１４の外周部１８及び中心部１９の各セル１７の数や流路断面積や長さが設計されている。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態の熱交換器１３の作用について説明する。
本実施形態の熱交換器１３では、ハニカム構造体１４における外周部１８のメッシュが中心部１９のメッシュに比べて細かくなっている。このため、ハニカム構造体１４の外周部１８では、単位体積当たりで比較した場合、中心部１９に比して、排気とハニカム構造体１４との接触面積が大きくなり、ハニカム構造体１４の外周部１８では中心部１９より多くの熱が回収される。また、ハニカム構造体１４の中心部１９では、単位体積当たりで比較した場合、外周部１８に比して排気との接触面積が小さくなるため、排気が中心部１９を通過する際の圧力損失は、排気が外周部１８を通過する際の圧力損失に比べて小さくなる。

このため、図３に矢印で示すように、排気の流量が多いときには、上述した圧力損失の差の影響を受けて、排気の多くが圧力損失の大きな外周部１８を避けて圧力損失の小さな中心部１９に流れ込むようになる。このときには、排気との接触面積が外周部１８よりも小さい中心部１９を排気が通過するため、排気の熱はハニカム構造体１４に伝わりにくい。

また、排気は、外周部１８に流れにくくなりその多くが中心部１９に流れ込むため、中心部１９を通過する際の排気の流速が増大する。このため、排気が中心部１９を通過する際の排気とハニカム構造体１４との接触時間が短くなり、排気の熱はハニカム構造体１４に伝わりにくい。

したがって、排気の流量が多いときには、冷却水が流れるウォータージャケット１５と隣接する外周部１８に熱が伝わりにくくなり、冷却水への熱の移動が抑えられる。このため、暖機完了後であり且つ排気の流量が多いときに、冷却水が過剰に温められてしまうことが抑制される。

一方で、図４に矢印で示すように、排気の流量が少ないときには、上記のように中心部１９と外周部１８とで圧力損失に差が生じていたとしてもその影響は小さいため、排気は中心部１９及び外周部１８の両方に流れる。すなわち、本実施形態の熱交換器１３では、排気の流量が少ないときには、冷却水が流れるウォータージャケット１５と隣接しており、且つ中心部１９よりも多くの熱を回収することができる外周部１８にも排気が流れるようになる。したがって、暖機完了前であり且つ排気の流量が少ないときに、冷却水が温められ暖機の促進が図られる。

なお、ハニカム構造体１４は、外周部１８の端部が、ウォータージャケット１５に近づくほど排気の流れ方向上流側に位置するようにすり鉢状に傾斜した形状になっている。このため、外周部１８に設けられた各セルの開口に、熱交換器１３に流れ込んできた排気が流れ込みやすくなる。これにより、排気の流量が少ないときにより効率良く冷却水が温められる。

以上説明した実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）ハニカム構造体１４における外周部１８のメッシュが、同ハニカム構造体１４における中心部１９のメッシュに比べて細かくなっている。このため、排気が中心部１９を通過する際の圧力損失は、排気が外周部１８を通過する際の圧力損失に比べて小さくなる。これにより、排気の流量が多いときには排気の多くを中心部１９に流し込むことができる一方、排気の流量が少ないときには排気を中心部１９及び外周部１８の両方に流すことができる。その結果、排気の流量が多いときには、冷却水が流れるウォータージャケット１５と隣接する外周部１８に熱が伝わりにくくなる。また、排気の流量が少ないときには、冷却水が流れるウォータージャケット１５と隣接しており、且つ中心部１９よりも多くの熱を回収することができる外周部１８にも排気が流れるようになる。したがって、排気の流量が少ないときでも暖機の促進を図ることができ、排気の流量が多いときでも内燃機関１０の冷却効率の低下を抑制できるようになる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・ハニカム構造体１４は、外周部１８の排気の流れ方向上流側の端部が傾斜していなくてもよい。例えば、外周部１８の端部と中心部１９の端部とが同一平面上に位置していてもよい。

・熱交換器１３は、排気通路１１における担体１２よりも排気の流れ方向上流側の部分に設けてもよい。
・ハニカム構造体１４はセラミック材料以外の材料で形成されていてもよい。

・排気や冷却水のシール性を確保することができるのであれば、排気通路１１内に収容されたハニカム構造体１４をウォータージャケット１５内に露出させ、ハニカム構造体１４と冷却水とを直接接触させるようにしてもよい。

１０…内燃機関、１１…排気通路、１２…担体、１３…熱交換器、１４…ハニカム構造体、１５…ウォータージャケット、１６…接続通路、１７…セル、１８…外周部、１９…中心部。

Claims

内燃機関の排気通路内に収容され、同排気通路の延伸方向に沿って延びる中心軸線と直交する断面がメッシュ状であり、排気が流れる複数のセルを有するハニカム構造体と、
前記排気通路における前記ハニカム構造体が収容されている部分を取り囲み、前記内燃機関の冷却水が流れるウォータージャケットと、を備え、
前記ハニカム構造体を通過する排気と前記ウォータージャケットを流れる冷却水との熱交換を行う熱交換器であって、
前記ハニカム構造体における前記ウォータージャケットと隣接する外周部のメッシュが、同ハニカム構造体における前記外周部よりも前記中心軸線に近い中心部のメッシュに比べて細かくなっており、
前記ハニカム構造体は、前記外周部の排気の流れ方向上流側に位置する端部が、前記中心部から離れるほど排気の流れ方向上流側に位置するように傾斜した形状である熱交換器。