JP6917967B2 - 排気熱回収器 - Google Patents

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Description

本開示は、排気熱回収器に関する。
自動車用の内燃機関における排気ガスの熱を冷却水によって回収する排気熱回収器が公知である。排気熱回収器は、排気ガスの排出流路に設けられる。排気熱回収器内で冷却水によって回収された排気熱は、車内の暖房、内燃機関の暖機等に供される。
このような排気熱回収器において、排気熱の回収量を調整するために、熱交換部への排気ガスの供給量を調整するためのバルブと、このバルブを駆動するアクチュエータとが設けられたものが知られている(特許文献1参照)。
特開2016−44666号公報
上記公報では、主流路内の流れ方向に対し垂直な方向に熱交換部が配置される。熱交換部に導入された排気ガスは、主流路と平行に熱交換部内を流動したのち、主流路に戻る。上記公報では、アクチュエータの位置は明示されていないが、例えばアクチュエータを主流路の側方に配置すると、アクチュエータの上下にデッドスペースが発生する。
本開示の一局面は、スペース効率を高められる排気熱回収器を提供することを目的としている。
本開示の一態様は、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換部と、排気ガスを導入する導入口と、導入口に対向して配置されると共に導入口から第1方向に流れた排気ガスを外部に排出する主排出口と、熱交換部へ排気ガスを供給する供給口と、熱交換部を通過した排気ガスが戻る戻り口と、を有する主流路と、主流路から熱交換部への排気ガスの供給量を調整するバルブと、バルブを開閉させるアクチュエータと、を備える排気熱回収器である。
また、供給口は、排気ガスを第1方向と交差する第2方向に流すことで排気ガスを熱交換部へ供給する。熱交換部は、第1方向と第2方向とに交差する第3方向と、第1方向と、第3方向と逆向きの第4方向とに排気ガスを流す。戻り口は、排気ガスを第2方向と逆向きの第5方向に流すことで排気ガスを主流路に戻す。
このような構成によれば、主流路の流れ方向(つまり第1方向)に加え、主流路の流れ方向と直行する2つの第2方向及び第3方向にも排気ガスの流路を延長できる。そのため、熱交換部を通過する排気ガスの流路長が主流路の長さによって制限されないので、主流路、熱交換部及びアクチュエータを効率よく配置することで、スペース効率を高めることができる。その結果、排気熱回収器を従来よりも小型化することができる。あるいは、従来と同等のサイズとしたまま、排気熱回収器の性能を従来よりも高めることができる。
本開示の一態様では、アクチュエータは、主流路に対し第3方向側、かつ熱交換部に対し第5方向側に配置されてもよい。このような構成によれば、より確実にスペース効率を高めることができる。
本開示の一態様では、熱交換部は、主流路に向けて排気ガスを排出する第1排出口と、内燃機関に排気ガスを供給する排気再循環流路に排気ガスを排出する第2排出口と、を有してもよい。このような構成によれば、排気ガスの流路を3次元的に拡張しつつ、排気ガスの一部を内燃機関に再循環させることができる。つまり、スペース効率を高めつつ、EGR機能を排気熱回収器に付加することができる。
図1は、実施形態の排気熱回収器の模式的な斜視図である。 図2は、図1の排気熱回収器を異なる方向から視た模式的な部分透過斜視図である。 図3は、図1のIII−III線での模式的な断面図である。 図4Aは、図1の熱交換部の伝熱部材の模式的部分拡大図であり、図4Bは、図4Aとは異なる実施形態の伝熱部材の模式的部分拡大図である。 図5は、図1のV−V線での模式的な断面図である。 図6は、図1のVI−VI線での模式的な断面図である。 図7は、図1のVII−VII線での模式的な断面図である。 図8Aは、図1の排気熱回収器における非回収モードを示す模式的な断面図であり、図8Bは、図1の排気熱回収器におけるEGRモードを示す模式的な断面図である。
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[1.第1実施形態]
[1−1.構成]
図1に示す排気熱回収器1は、内燃機関の排気ガス流路内に設けられ、排気ガスGの熱を冷却水に回収する。排気熱回収器1が設けられる内燃機関としては、例えば、自動車に用いられるガソリンエンジン又はディーゼルエンジンが挙げられる。
排気熱回収器1は、主流路2と、熱交換部3と、バルブ4と、アクチュエータ5とを備える。排気熱回収器1は、排熱回収を行う回収モードと、排熱回収を行わない非回収モードと、排気再循環を行うEGRモードとに切り替え可能である。
<主流路>
主流路2は、導入口21と、主排出口22と、供給口23と、戻り口24(図3参照)とを有する。
導入口21は、排気ガスGを排気熱回収器1の内部へ導入する。主排出口22は、導入口21から第1方向D1に流れた排気ガスGを排気熱回収器1の外部に排出する。供給口23は、熱交換部3へ排気ガスGを供給する。戻り口24は、熱交換部3を通過した排気ガスGが主流路2へ戻る開口である。
主流路2内には、バルブ4が配置されている。また、導入口21と主排出口22とは、対向するように配置されている。つまり、導入口21における排気ガスGの流れ方向と、主排出口22における排気ガスGの流れ方向とは平行である。さらに、導入口21の中心は、導入口21における排気ガスGの流れ方向から視て、主排出口22と重なっている。なお、主流路2は、その一部が湾曲していてもよい。
供給口23は、排気ガスGを第1方向D1と垂直な第2方向D2に流すことで、排気ガスGを熱交換部3へ供給する。戻り口24は、排気ガスGを第2方向D2と逆向きの第5方向D5に流すことで、排気ガスGを主流路2に戻す。
<熱交換部>
熱交換部3は、内燃機関の排気ガスGと冷却水との間で熱交換を行う部位である。熱交換部3は、主流路2に対し第2方向D2側に並んで配置されている。
熱交換部3は、図2及び図3に示すように、伝熱部材31と、取込口32と、第1排出口33とを有する。また、熱交換部3は、図1に示すように、第2排出口34と、第1通水口35と、第2通水口36と、セパレータ38と、下部ケーシング39とをさらに有する。
本実施形態の伝熱部材31は、複数のプレートが重ね合わされたものである。図4Aに示すように、伝熱部材31を構成するプレートの間には、第1方向D1と第2方向D2とに直交する第3方向D3に沿って延伸する通路が形成されている。この通路に沿って、排気ガスGの第3方向D3、又は第3方向D3と逆向きの第4方向D4の流れを形成することができる。また、伝熱部材31の各プレートには、第1部31Aと第2部31Bとを区分けする仕切りが配置される。
また、伝熱部材31として、図4Bに示すように、外面に複数のフィン31Cが取り付けられたチューブを用いてもよい。つまり、熱交換部3は、フィンアンドチューブ型であってもよい。複数のフィン31Cは、第3方向D3に延伸した板状の部材であり、互いに平行に設けられている。フィン31Cは、平板状でもよいし、第1方向D1に湾曲(つまりウェービング)していてもよい。
熱交換部3は、伝熱部材31に設けられた通路を流れる排気ガスと、伝熱部材31に設けられた別の通路を流れる冷却水との間で伝熱部材31を介して熱交換を行う。これにより、熱交換部3は、排気ガスの熱を冷却水に与える。
取込口32は、図3に示すように、主流路2の供給口23と連結されている。取込口32から導入された排気ガスGは、セパレータ38(図2参照)によって第2方向D2に誘導される。セパレータ38は、第2方向D2に延伸する板状の部材であり、伝熱部材31の第4方向D4側に配置されている。排気ガスGは、セパレータ38と、熱交換部3の第4方向D4側に配置された下部ケーシング39とによって画定された流路を第2方向D2に流動する。
第1排出口33は、主流路2の戻り口24と連結されている。主流路2内に導入された排気ガスGは、図5に示すように、取込口32から第2方向D2に流れて熱交換部3の内部に進入する。伝熱部材31で熱交換を行った排気ガスGは、図6に示すように、第1排出口33から第5方向D5に流れて主流路2内に排出される。
排気ガスGを冷却する冷却水は、第1通水口35及び第2通水口36の一方から熱交換部3内に供給され、伝熱部材31を通過した後、第1通水口35及び第2通水口36の他方から排出される。
例えば、図7に示すように、第2通水口36から伝熱部材31に供給された冷却水Wは、熱交換部3の第1通水口35及び第2通水口36と対向する端部まで流れ、第1通水口35から排出される。また、冷却水Wの一部は、伝熱部材31に設けられたバイパス路を第3方向D3に通過する。
伝熱部材31は、図7に示すように、第3方向D3に排気ガスGが流れる第1部31Aと、第4方向D4に排気ガスGが流れる第2部31Bとを有する。第2部31Bは、第1部31Aよりも排気ガスの流れ方向において下流側に位置し、第1部31Aの第1方向D1側に配置されている。
第1部31Aを通過した排気ガスGは、伝熱部材31の第3方向D3側に設けられた内部空間37を第1方向D1に流れたのち、第2部31Bを通過して第1排出口33に向かう。したがって、熱交換部3は、第3方向D3と、第1方向D1と、第4方向D4とに排気ガスGを流す。
第2排出口34は、内燃機関に排気ガスGを供給する排気再循環流路(図示省略)に排気ガスGを排出するための開口である。つまり、第2排出口34には、排気再循環経路100が接続される。
第2排出口34は、熱交換部3における排気ガスGの流路の途中に設けられている。本実施形態では、第2排出口34は、排気ガスGの流れにおける伝熱部材31の第1部31Aと第2部31Bとの間に設けられている。つまり、第2排出口34は、第2部31Bよりも上流側に配置されている。
そのため、排気再循環を行うEGRモードでは、熱交換部3に供給された排気ガスの一部は、第2部31Bを通過することなく、第2排出口34から内燃機関に向かって排出される。
<バルブ>
バルブ4は、主流路2から熱交換部3への排気ガスGの供給量を調整する。バルブ4は、排気熱回収器1のモードに応じて、開度が変化する。
バルブ4は、図3に示すように、主流路2内において少なくとも一部が供給口23と排気ガスGの流れ方向で重なる位置に配置されたバタフライバルブである。ただし、バルブ4は、供給口23よりも排気ガスGの流れ方向における上流側に配置されてもよい。また、バルブ4は、バタフライバルブに限定されない。
バルブ4は、回収モードと、非回収モードと、EGRモードとの間で変位可能である。ただし、バルブ4は、これ以外のモード(つまり、任意のバルブ開度)に変位可能であってもよい。バルブ4は、後述するアクチュエータ5によって開閉動作をする。
図3に示す回収モードでは、バルブ4によって、供給口23よりも下流側の主流路2への流路が閉塞される。そのため、排気ガスGは、全量が供給口23に誘導され、熱交換部3に供給される。
図8Aに示す非回収モードでは、排気ガスGは、バルブ4によって、供給口23をバイパスして主流路2を主排出口22に向かって流動する。つまり、熱交換部3への排気ガスGの供給が規制される。
図8Bに示すEGRモードでは、一部の排気ガスGは、供給口23を介して熱交換部3に供給され、さらに第2排出口34から排気再循環経路100に供給される。残りの排気ガスGは、熱交換部3をバイパスして主排出口22から排出される。
<アクチュエータ>
アクチュエータ5は、バルブ4を動作させる。具体的には、アクチュエータ5は、バルブ4を軸回転させることにより、バルブ4を少なくとも回収モード、非回収モード及びEGRモードのいずれかに変位させる。
アクチュエータ5としては、電力、空気圧、油圧等の動力を用いて駆動するモータ、冷却水の温度に対応して伸縮する熱膨張体を用いたサーモアクチュエータ等を使用することができる。
本実施形態では、アクチュエータ5は、主流路2に対し第3方向D3側、かつ熱交換部3に対し第5方向D5側に配置されている。アクチュエータ5は、主流路2及び熱交換部3に隣接するように配置されている。
<排気ガスの流れ>
回収モード又はEGRモードにおいて、主流路2に導入された排気ガスGは、供給口23から熱交換部3へ供給される際に、第1方向D1と交差する第2方向D2に流れる。
次に、排気ガスGは、熱交換部3において、第3方向D3と、第1方向D1と、第4方向D4とにこの順に流れて熱交換を行う。最後に、排気ガスGは、熱交換部3から戻り口24へ戻される際に、第5方向D5に流れる。主流路2に戻った排気ガスGは、再び第1方向D1に流れて戻り口24から外部に排出される。
なお、非回収モード又はEGRモードにおいて、熱交換部3に供給されない(つまり熱交換部3をバイパスする)排気ガスGは、主流路2内を第1方向D1に流れて戻り口24から外部に排出される。
[1−2.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1a)主流路2の流れ方向(つまり第1方向D1)に加え、主流路の流れ方向と直行する2つの第2方向D2及び第3方向D3にも排気ガスの流路を延長できる。そのため、熱交換部3を通過する排気ガスの流路長が主流路2の長さによって制限されないので、主流路2、熱交換部3及びアクチュエータ5を効率よく配置することで、スペース効率を高めることができる。その結果、排気熱回収器1を従来よりも小型化することができる。あるいは、従来と同等のサイズとしたまま、排気熱回収器1の性能を従来よりも高めることができる。
(1b)アクチュエータ5が主流路2に対し第3方向D3側、かつ熱交換部3に対し第5方向D5側に配置されることで、より確実に排気熱回収器1のスペース効率を高めることができる。
(1c)熱交換部3が第2排出口34を有するので、排気ガスの流路を3次元的に拡張しつつ、排気ガスの一部を内燃機関に再循環させることができる。つまり、スペース効率を高めつつ、EGR機能を排気熱回収器1に付加することができる。
[2.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
(2a)上記実施形態の排気熱回収器1において、第2方向D2は、第1方向D1と交差する方向であれば、必ずしも第1方向D1と垂直な方向でなくてもよい。同様に、第3方向D3は、第1方向D1及び第2方向に交差する方向であれば、必ずしもこれらの方向と垂直な方向でなくてもよい。
(2b)上記実施形態の排気熱回収器1において、熱交換部3における排気ガスGの第3方向D3の流れの前あるいは後、第1方向D1の流れの後、又は第4方向D4の流れの後に、さらに別向きの排気ガスGの流れがあってもよい。
(2c)上記実施形態の排気熱回収器1において、アクチュエータ5は、必ずしも主流路2に対し第3方向D3側、かつ熱交換部3に対し第5方向D5側に配置されなくてもよい。アクチュエータ5は、任意の位置に配置可能である。
(2d)上記実施形態の排気熱回収器1において、熱交換部3は、必ずしも第2排出口34を有しなくてもよい。つまり、排気熱回収器1は、必ずしもEGR機能を有しなくてもよい。
(2e)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
1…排気熱回収器、2…主流路、3…熱交換部、4…バルブ、5…アクチュエータ、
21…導入口、22…主排出口、23…供給口、24…戻り口、31…伝熱部材、
31A…第1部、31B…第2部、31C…フィン、32…取込口、
33…第1排出口、34…第2排出口、35…第1通水口、36…第2通水口、
37…内部空間、38…セパレータ、39…下部ケーシング、
100…排気再循環経路。

Claims (3)

  1. 内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換部と、
    前記排気ガスを導入する導入口と、前記導入口に対向して配置されると共に前記導入口から第1方向に流れた前記排気ガスを外部に排出する主排出口と、前記熱交換部へ前記排気ガスを供給する供給口と、前記熱交換部を通過した前記排気ガスが戻る戻り口と、を有する主流路と、
    前記主流路から前記熱交換部への前記排気ガスの供給量を調整するバルブと、
    前記バルブを開閉させるアクチュエータと、
    を備え、
    前記供給口は、前記排気ガスを前記第1方向と交差する第2方向に流すことで前記排気ガスを前記熱交換部へ供給し、
    前記熱交換部は、前記第1方向と前記第2方向とに交差する第3方向と、前記第1方向と、前記第3方向と逆向きの第4方向とに前記排気ガスを流し、
    前記戻り口は、前記排気ガスを前記第2方向と逆向きの第5方向に流すことで前記排気ガスを前記主流路に戻す、排気熱回収器。
  2. 請求項1に記載の排気熱回収器であって、
    前記アクチュエータは、前記主流路に対し前記第3方向側、かつ前記熱交換部に対し前記第5方向側に配置される、排気熱回収器。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の排気熱回収器であって、
    前記熱交換部は、
    前記主流路に向けて前記排気ガスを排出する第1排出口と、
    前記内燃機関に前記排気ガスを供給する排気再循環流路に前記排気ガスを排出する第2排出口と、
    を有する、排気熱回収器。
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