JPWO2016189680A1

JPWO2016189680A1 - 排熱回収装置

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Publication number: JPWO2016189680A1
Application number: JP2017520146A
Authority: JP
Inventors: 徹深見; 将史越島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: US20180147933A1; WO2016189680A1; CN107614844A; US10124663B2; EP3306047B1; EP3306047A4; JP6399219B2; EP3306047A1; CN107614844B

Abstract

排熱回収装置は、車両用内燃機関の排気ガスの熱を回収する排熱回収器（１０）と、内燃機関と排熱回収器とを接続する流入側配管（１４）及び排出側配管（１３）と、を含んで構成される。流入側配管（１４）と排出側配管（１３）とは、弾性体（４、５、６）を介して車体（２）に支持される非車体振動系に含まれる部品にのみマウントされる。

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に介装された排熱交換器によって前記内燃機関を循環する熱媒体に前記内燃機関の排気ガスの熱を回収する排熱回収装置に関する。

排熱回収装置として、ＪＰ２００８−２７４８８５Ａには、内燃機関から排出された熱媒体がまずヒータコアに送られ、ヒータコアを通過した熱媒体がそのまま熱交換器に流入する熱媒体回路を備えるものが開示されている。

ところで、一般的に、内燃機関は弾性部材を介して車体にマウントされて機関振動系を形成し、排気通路は弾性部材を介して車体にマウントされて排気振動系を形成する。これに対して、一般的にヒータコアは車体のエンジンコンパートメント付近に固定支持されるので、車体振動系に含まれる。

すなわち、上記文献の排熱回収装置では、異なる振動系の部品間を熱媒体配管で連結する熱媒体回路となっている。このため、車両運転中における各振動系の相対変位を熱媒体配管で吸収する必要がある。相対変位を吸収するために、例えばゴムやシリコン等で形成した柔軟性のあるホースを、金属製の配管同士を接続する継手として使用する構成が知られている。しかし、上記文献におけるヒータコアと排熱交換器のように相対変位が大きくなると、振動を吸収するために必要なホースの長さが増加して、熱媒体配管のレイアウト性の低下やコストアップを招く。また、ホースは金属製の配管に比べて耐熱温度が低いので、排気通路等からの遮熱対策が必要となる。このため、ホース長が増加すると、材料コストだけでなく遮熱対策のためのコストも増大してしまう。

そこで本発明では、配管のレイアウト性の低下やコストアップを招くことのない熱媒体流路を備える排熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、車両用内燃機関の排気ガスの熱を回収する排熱回収器と、内燃機関と排熱回収器とを接続する流入側配管及び排出側配管と、を含んで構成される排熱回収装置が提供される。排熱回収装置の流入側配管と排出側配管とは、弾性体を介して車体に支持される非車体振動系に含まれる部品にのみマウントされる。

図１は、第１実施形態にかかる排熱回収装置の構成図である。図２は、比較例としての排熱回収装置の構成図である。図３は、第１実施形態の他の例としての排熱回収装置の構成図である。図４は、第２実施形態にかかる排熱回収装置の構成図である。図５は、第３実施形態にかかる排熱回収装置の構成図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る排熱回収装置１００の構成について説明する。

図１は、排熱回収装置１００の構成を模式的に示す図である。

内燃機関（以下、「エンジン」ともいう）１は弾性を有するエンジンマウント４を介して車体２にマウントされている。これにより、エンジン１とエンジンマウント４とを含む機関振動系が形成される。機関振動系には、図示しないオルタネータやスロットルボディ等といったエンジン１に付随する部品も含まれる。

排気通路７は、一方の端部がエンジン１に接続され、弾性を有する排気マウント５、６を介して車体にマウントされている。これにより、排気通路７と排気マウント５、６とを含む排気振動系が形成される。なお、「排気通路７」には、排気マニホールド７Ａも含むものとする。

また、排気通路７には、排気マニホールド７Ａ側から出口側へ向かって、マニホールド触媒８、床下触媒９、排熱交換器１０が介装されている。マニホールド触媒８は排気マニホールド７Ａのすぐ下流側に配置されている。つまり、マニホールド触媒８はエンジンコンパートメント内に配置されている。一方の床下触媒９は、車体２の下面に配置されている。但し、図面では、簡便のため模式的に排気通路７を車体２の上方に示している。

排熱交換器１０は、排気通路７の流路に配置された格子状またはハニカム状の受熱部材１０Ａと、内部に熱媒体流路を備え受熱部材１０Ａの外周に接する環状部材１０Ｂと、を含んで構成される。受熱部材１０Ａは、例えば金属素材で形成されており、排気通路７を流れる排気ガスの熱によって加熱される。受熱部材１０Ａが加熱されると、受熱部材１０Ａの外周に接する環状部材１０Ｂの温度も上昇し、内部を循環する熱媒体との間で熱交換が行われる。環状部材１０Ｂの内部を循環する熱媒体はエンジン１の冷却液である。冷却液は流入側配管１４を介してエンジン１から環状部材１０Ｂに供給され、環状部材１０Ｂ内の流路で熱交換した後、排出側配管１３を介してエンジン１に戻される。

流入側配管１４は、金属素材で形成されており、一端が環状部材１０Ｂに接続される熱媒体供給口１４Ａ、他端がエンジン１に接続される熱媒体取り出し口１４Ｂとなっている。流入側配管１４は、機関振動系の部品および排気振動系の部品にマウントされている。例えば、図１に示すように、機関振動系に含まれるエンジン１に第１マウント１５を介してマウントされ、排気振動系に含まれる排気通路７に第２マウント１６、第３マウント１７及び第４マウント１８を介してマウントされている。この場合、熱媒体供給口１４Ａから第１マウント１５までが第１流入側配管部となり、第１マウント１５から熱媒体取り出し口１４Ｂまでが第１流入側配管部となる。

なお、流入側配管１４には、第１マウント１５と第２マウント１６との間に振動吸収部としてのホース１９が介装されている。ホース１９は、例えばゴムやシリコン等といった弾性素材で形成されている。

排出側配管１３は、流入側配管１４と同様に、金属素材で形成されており、一端が環状部材１０Ｂに接続される熱媒体排出口１３Ａ、他端がエンジン１に接続される熱媒体戻し口１３Ｂとなっている。そして、排出側配管１３は第１マウント１５−第４マウント１８を介してエンジン１及び排気通路７にマウントされている。この場合、熱媒体排出口１３Ａから第１マウント１５までが第１排出側配管部となり、第１マウント１５から熱媒体戻し口１３Ｂまでが第２排出側配管部となる。

なお、排出側配管１３にも流入側配管１４と同様にホース２０が介装されている。

第１マウント１５−第４マウント１８は、金属や耐熱樹脂等といった耐熱性に優れる素材で形成されており、流入側配管１４及び排出側配管１３を固定支持する。

なお、図１では各マウント１５−１８がそれぞれ流入側配管１４及び排出側配管１３を固定支持しているが、流入側配管１４を固定支持するマウントと排出側配管１３を固定支持するマウントとが独立していてもよい。

排熱交換器１０は、上述した構成のものに限られない。例えば、熱媒体が流れる配管が排気通路７の内部に露出しており、当該配管と排気ガスとの間で熱交換を行う構成であってもよい。

本実施形態の排熱回収装置１００は、上述した排熱交換器１０と、流入側配管１４及び排出側配管１３と、を含んで構成される。なお、冷却液を循環させるためのポンプは、液冷式内燃機関に一般的に備えられるウォータポンプを用いてもよいし、排熱回収用に新たなポンプを設けてもよい。

ヒータコア３は、車室温度を調整する空調装置に含まれる部品である。ヒータコア３にはヒータ入り側配管１１を介して冷却液が供給され、ヒータコア３で空気と熱交換をした冷却液はヒータ出側配管１２を介してエンジン１へ戻される。ヒータコア３は車室の前端付近に固定支持されているため、車体振動系に含まれる。

次に、排熱回収装置１００を上述したように構成することの効果について説明する。

上述したように、本実施形態の排熱回収装置１００は、熱媒体供給口１４Ａ及び熱媒体排出口１３Ａが排気振動系に含まれる部品に接続され、熱媒体取り出し口１４Ｂ及び熱媒体戻し口１３Ｂが機関振動系に含まれる部品に接続される。

車両運転中は、機関振動系に含まれる部品及び排気振動系に含まれる部品が車体振動系とは異なる振動をするので、機関振動系に含まれる部品と車体振動系に含まれる部品とに相対変位が生じる。そこで、第２マウント１６−第４マウント１８は、流入側配管１４及び排出側配管１３を、車体２ではなく排熱交換器１０と同じ排気振動系に含まれる排気通路７にマウントする。すなわち、熱媒体供給口１４Ａと第１マウント１５との間、つまり第１流入側配管部には、機関振動系及び排気振動系とは異なる振動系の部品に支持される部分がない。熱媒体排出口１３Ａと第１マウント１５との間、つまり第１排出側配管部についても同様である。

また、車両運転中は、機関振動系に含まれる部品と排気振動系に含まれる部品とが互いに異なる振動をして、機関振動系に含まれる部品と排気振動系に含まれる部品とに相対変位が生じることもある。すなわち、第１マウント１５と第２マウント１６との間には相対変位が生じる事もある。そこで、本実施形態では上記の相対変位を吸収するために、流入側配管１４の第１マウント１５と第２マウント１６との間にはホース１９を、排出側配管１３の第１マウント１５と第２マウント１６との間にはホース２０を、それぞれ介装している。

ただし、エンジン１と排気通路７とが連結されているので、機関振動系に含まれる部品と排気振動系に含まれる部品との相対変位は、機関振動系に含まれる部品と車体振動系に含まれる部品との相対変位、及び排気振動系に含まれる部品と車体振動系に含まれる部品との相対変位に比べると小さい。したがって、後述する図２に示す熱媒体取り出し口１４Ｂまたは熱媒体戻し口１３Ｂを車体２に支持する場合に比べて、ホース１９及びホース２０の長さ（以下、ホース長ともいう）を短くできる。

図２は、比較例としての排熱回収装置１００の構成を示す図であり、図１と同じ機能を有する部品には同じ符号が付されている。

図１では、エンジン１とヒータコア３とを循環する熱媒体回路と、エンジン１と排熱交換器１０とを循環する熱媒体回路とが独立しているのに対し、図２ではエンジン１と排熱交換器１０とを循環する熱媒体回路にヒータコア３が組み込まれている。つまり、図２では熱媒体取り出し口１４Ｂが車体振動系に含まれるヒータコア３に接続されている。

上述したように、機関振動系と排気振動系との相対変位に比べて、排気振動系と車体振動系との相対変位は大きくなるので、ホース２０は本実施形態の構成に比べて大きな相対変位を吸収しなければならない。そのために、比較例では本実施形態に比べてホース２０を長くする必要がある。

また、車室内に配置されるヒータコア３から床下に配置される排熱交換器１０までの配管経路は、車室内からバルクヘッドを貫通してエンジンコンパートメントへ入り、そこから床下へとつながるものとなる。また、ホース２０と流入側配管１４との接続作業を考慮すると、接続部分は車体下面からアクセスし易い位置にあることが望ましい。そうすると、エンジンコンパートメントから床下まで排気通路７に沿うような配管経路が望ましいことになる。しかし、ホース２０は金属配管に比べて耐熱温度が低いので、ホース２０が排気通路７からの熱の影響を受けないようにするための遮熱対策が必要となる。遮熱対策としては、例えばホース２０に断熱部材を巻き付ける、ホース２０と排気通路７との間に遮熱板を設ける等が考えられるが、いずれもコストアップを招来する。

一方、遮熱対策によるコストアップを回避するために、ホース２０を排気通路７から遠ざけるような配管経路にすることも考えられる。しかし、このためには、エンジンコンパートメント内では他の装置等との干渉を避けつつホース２０を排気通路７から遠ざけ、かつ、床下では排気通路７に設けた第２マウント１６−第４マウント１８にマウントされる配管経路にすることが必要となる。その結果、経路が複雑化してレイアウト性が低下してしまう。

これに対して本実施形態では、熱媒体供給口１４Ａ及び熱媒体排出口１３Ａと、流入側配管１４及び排出側配管１３を内燃機関１にマウントする第１マウント１５との相対変位を抑制できるので、比較例のように長いホースを用いる必要がなくなる。その結果、本実施形態によれば遮熱対策に伴うコストアップや配管経路の複雑化を抑制できる。

ヒータ入り側配管１１及びヒータ出側配管１２は、いずれも一端が機関振動系に含まれるエンジン１に接続され、他端が車体振動系に含まれるヒータコア３に接続される。したがって、これらの配管についても、相対変位を吸収するためにホース１９、２０と同様のホースの介装が好ましい。ただし、ヒータ入り側配管１１及びヒータ出側配管１２を排気通路７から離してレイアウトすることは容易なので、仮にホースを介装した場合でも遮熱対策等によるコストアップを抑制できる。

なお、図３に示すように、排気通路７のマニホールド触媒８と床下触媒９との間にフレキシブルチューブ２１が設けられている場合でも、本実施形態の排熱回収装置１００は上述した効果を奏する。

また、上記説明では流入側配管１４及び排出側配管１３の両端の相対変位を吸収するためにホース１９、２０を用いたが、ホース１９、２０は必須の構成要素ではない。金属製の配管であっても弾性を有し、配管長が伸びるほど弾性による変位が大きくなるので、例えば、エンジン１に設けられた第１マウント１５と排気通路７に設けられた第２マウント１６との間隔次第では、ホース１９、２０を設けなくても相対変位を吸収し得るからである。

以上のように本実施形態の排熱回収装置１００は、排気通路７に介装されて内燃機関１の排気ガスの熱を回収する排熱回収器１００と、内燃機関１と排熱回収器１００とを接続する流入側配管１４及び排出側配管１３とを含んで構成される。流入側配管１４は、排熱回収器１００側から第１流入側配管部と第２流入側配管部とで構成される。排出側配管１３は、排熱回収器１００側から第１排出側配管部と第２排出側配管部とで構成される。第１流入側配管部及び第１排出側配管部は、いずれも排熱回収器１００との接続部（熱媒体供給口１４Ａ、熱媒体排出口１３Ａ）から内燃機関１へのマウント位置(第１マウント１５)までであり、排熱回収器１００との接続部から内燃機関１へのマウント位置までは、弾性体５、６を介して車体に支持される排気通路７が構成する排気振動系に含まれる部品、または弾性体４を介して車体に支持される内燃機関１が構成する機関振動系に含まれる部品にのみマウントされる。これにより、熱媒体供給口１４Ａ及び熱媒体排出口１３Ａと、第１マウント１５との車両運転中における相対変位を抑制できる。その結果、配管レイアウトを簡素化し、かつ、上述した遮熱対策に伴うコストを抑制できる。

本実施形態において、第２流入側配管部及び第２排出側配管部は、第１マウント（内燃気機関１へのマウント位置）１５から熱媒体取り出し口１４Ｂ及び熱媒体戻し口１３Ｂ（内燃機関１との接続部）までである。したがって、熱媒体取り出し口１４Ｂ及び熱媒体戻し口１３Ｂに車両運転に伴う振動に起因する捩りモーメントや曲げモーメントが作用することを防止できる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。

図４は、本実施形態にかかる排熱回収装置１００の構成を模式的に示す図である。

図１に示す構成と図４に示す構成との相違点は、ヒータ出側配管１２がヒータコア３からＥＧＲクーラ３０へ接続されている点、及び流入側配管１４の熱媒体取り出し口１４ＢがＥＧＲクーラ３０に接続されている点である。

ＥＧＲクーラ３０は、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムの一部であり、エンジン１の冷却液とＥＧＲガス（排気ガス）との間で熱交換を行わせることによって、ＥＧＲガスの温度を低下させるものである。ＥＧＲクーラ３０はエンジン１に固定支持されているため、機関振動系に含まれる。

上記の構成でも、図１に示した構成と同様に、流入側配管１４と排出側配管１３とは、内燃機関１に支持される第１マウント１５と排熱回収器１０との間で、機関振動系及び排気振動系とは異なる振動系の部品に支持される部分はなく、機関振動系の部品または排気振動系の部品にのみマウントされている。したがって、第２実施形態にかかる排熱回収装置１００でも第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

また、上記の構成によれば、ヒータコア３で空気との熱交換によって温度低下した冷却液がＥＧＲクーラ３０に流入することとなるので、ＥＧＲクーラ３０の冷却効率を高めることができる。

上述したように本実施形態では、熱媒体取り出し口１４Ｂが機関振動系に含まれるＥＧＲクーラ３０に接続されるので、第１実施形態と同様の効果に加え、さらにＥＧＲクーラ３０の冷却効率を高めることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。

図５は、本実施形態にかかる排熱回収装置１００の構成を模式的に示す図である。

図１に示す構成と図５示す構成との相違点は、図５では第１マウント１５が排気通路７に設けられている点と、ホース１９及びホース２０を備えない点である。第１マウント１５は内燃機関１との接続部に近い位置に配置されている。ここでいう「近い位置」とは、後述するように機関振動系とみなされる位置である。

排気通路７は、内燃機関１との接続部においては内燃機関１と同じ振動系といえる。しかし、金属製の排気通路７は弾性変形し得るので、例えば排気通路７の出口付近のように内燃機関１から離れた位置では、内燃機関１との接続部との相対変位が大きくなり、内燃機関１とは異なる振動モードになり得る。つまり、排気通路７全体としてみると、機関振動系とは異なる振動系を形成することとなる。

上記のように、排気通路７は排気通路７全体としてみると機関振動系とは異なる排気振動系を形成する。しかし、排気通路７の内燃機関１との接続部は、当然、機関振動系と同じ振動をする。そして、排気通路７の、内燃機関１との接続部に近い所定範囲は、機関振動系とみなすことができる。具体的にどこまでが所定範囲に含まれるのかは、排気通路７の径や材質等といった仕様により定まる。

そこで本実施形態では、排気通路７の仕様に基づいて上記の所定範囲を設定し、その範囲内に第１マウント１５を配置する。この構成であれば、熱媒体供給口１４Ａから第１マウント１５までを第１流入側配管、熱媒体排出口１３Ａから第１マウント１５までを第１排出側配管、第１マウント１５から内燃機関１までを第２流入側配管、第１マウント１５から内燃機関１までを第２排出側配管、とみなすことができる。すなわち、本実施形態の構成は、第１実施形態の構成と同様の構成とみなすことができる。

したがって、本実施形態の構成であっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図１、図３−図５には第１マウント１５−第４マウント１８の４つのマウントを示したが、マウントの数はこれに限られるわけではない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims

車両用内燃機関の排気ガスの熱を回収する排熱回収器と、
前記内燃機関と前記排熱回収器とを接続する流入側配管及び排出側配管と、
を含んで構成される排熱回収装置において、
前記流入側配管と前記排出側配管とが、弾性体を介して車体に支持される非車体振動系に含まれる部品にのみマウントされる排熱回収装置。
請求項１に記載の排熱回収装置において、
前記非車体振動系に含まれる部品として、前記内燃機関と、前記排気ガスが流れる排気通路との少なくとも一方を含む排熱回収装置。
請求項２に記載の排熱回収装置において、
前記流入側配管と前記排出側配管の少なくとも一方が、その両端以外の位置で前記内燃機関と前記排気通路とにマウントされていると共に、前記内燃機関へのマウント位置と、これに隣り合う前記排気通路へのマウント位置との間に振動吸収部を備える排熱回収装置。
請求項１から３のいずれかに記載の排熱回収装置において、
前記流入側配管の熱媒体取出し口が、前記内燃機関に固定支持されるＥＧＲクーラに接続されている排熱回収装置。