WO2001053670A1 - Echangeurs de chaleur d'un moteur a combustion interne a plusieurs cylindres - Google Patents

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WO2001053670A1
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heat exchanger
exhaust
combustion engine
internal combustion
exhaust gas
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PCT/JP2001/000348
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Masashi Shinohara
Tsuneo Endoh
Tsutomu Takahashi
Hideharu Izumi
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Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for performing heat exchange between exhaust gas of a multi-cylinder internal combustion engine and a heat medium.
  • a multi-cylinder internal combustion engine in which an exhaust manifold is provided with a heat exchanger of an evaporator that heats water by the heat of the exhaust gas and vaporizes the steam at the collecting portion of the exhaust manifold is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H05-34092. This is known from Japanese Patent Publication No. Further, a multi-cylinder internal combustion engine in which a heat exchanger of an evaporator is arranged for each cylinder is known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-156407.
  • the exhaust gas described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-340210 described above has a problem that the exhaust gas that has exited the exhaust port passes through the exhaust manifold and flows into the heat exchanger.
  • the temperature of the heat exchanger drops while passing through the exhaust manifold, and the heat exchange efficiency of the heat exchanger decreases.
  • the one described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-156407 does not only require the number of evaporators by the number of cylinders, but also has pulsation immediately after exiting the exhaust port. Since the exhaust gas acts on the heat exchanger, there is a problem that the heat exchange efficiency of the heat exchanger decreases at the moment when the flow of the exhaust gas pulsates and stops.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to enhance the performance of a heat exchanger that exchanges heat between an exhaust gas of a multi-cylinder internal combustion engine and a heat medium.
  • a first heat exchanger is arranged for each exhaust passage extending from each combustion chamber of a multi-cylinder internal combustion engine, and at least two exhaust passages are collectively formed.
  • a heat exchanger for a multi-cylinder internal combustion engine characterized by disposing a second heat exchanger is proposed.
  • the first heat exchanger is arranged for each exhaust passage extending from each combustion chamber of the multi-cylinder internal combustion engine, high-temperature exhaust gas immediately after exiting the combustion chamber is supplied to the first heat exchanger.
  • the exhaust gas immediately after leaving the combustion chamber has a small pressure drop, it can be expected to improve the heat exchange efficiency due to the heat transfer promoting effect of the exhaust pulsating flow.
  • the second heat exchanger is arranged in the confluence of at least two exhaust passages, the pulsation is eliminated by the merging and the exhaust gas whose temperature has become uniform acts on the second heat exchanger. Heat exchange efficiency can be increased.
  • a multi-cylinder internal combustion engine characterized in that a first heat exchanger located on the upstream side in the exhaust gas flow direction and a second heat exchanger located on the downstream side communicate with each other. Is proposed.
  • the first heat exchanger on the upstream side and the second heat exchanger on the downstream side communicate with each other, so that the exhaust gas passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger. Heat is exchanged effectively through successive passes.
  • a heat exchanger for a multi-cylinder internal combustion engine characterized by integrating the first heat exchanger and the second heat exchanger in addition to the above configuration is proposed.
  • the first heat exchanger and the second heat exchanger are integrated, not only can the heat exchanger be easily attached to and detached from the internal combustion engine, so that maintenance can be improved.
  • the dangling structure improves the OJ performance of the heat exchanger and improves the durability of the internal combustion engine against vibration.
  • the second heat exchanger is stacked on the outer peripheral portion of the first heat exchanger, the heat of the exhaust gas passing through the first heat exchanger is prevented from leaking to the outside. Heat can be suppressed by the heat exchanger 2 and exhaust gas heat can be recovered without waste.
  • the heat medium flows from the second heat exchanger, which is in the opposite direction to the flow direction of the exhaust gas, to the first heat exchanger, so that the temperature of the exhaust gas and the temperature of the heat medium are different.
  • a large difference can be secured over the entire area of the exhaust passage so that the heat of the exhaust gas can be recovered without waste.
  • the first stage heat exchanger HI of the embodiment corresponds to the second heat exchanger of the present invention
  • the second to fourth stage heat exchangers H2 to H4 of the embodiment correspond to the first heat exchanger HI of the present invention.
  • the heat exchanger corresponds to the second heat exchanger of the present invention.
  • FIGS. 1 to 18 show an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a diagram showing an entire configuration of a drive device using a Rankine cycle
  • FIG. 2 is a diagram showing a structure of a power transmission device of the drive device
  • Fig. 3 is a vertical cross-sectional view of the cylinder head of the internal combustion engine
  • Fig. 4 is a cross-sectional view taken along the line 4-14 of Fig. 3
  • Fig. 5 is an enlarged cross-sectional view of the main part of Fig. 3
  • Fig. 6 is 6-6 of Fig. 5.
  • 7 is an enlarged view of the main part of FIG. 5
  • FIG. 8 is an enlarged view of the main part of FIG. 6, FIG.
  • FIG. 9A is a diagram showing the heat transfer tubes of the fourth-stage heat exchanger
  • FIG. 9B is FIG. 9A
  • Fig. 9C is a view in the direction of the arrow c in Fig. 9A
  • Fig. 10 is an exploded perspective view of the pre-catalyst device
  • Fig. 11 is a schematic diagram showing a water supply path of the evaporator
  • Fig. 13 is a diagram showing the arrangement of the catalyst device and the heat exchanger of the example and the comparative example
  • Fig. 14 is a graph showing the relationship between the distance from the exhaust port and the exhaust gas temperature at a low temperature start.
  • Figure 15 is high Graph showing the relationship between the distance from the exhaust port and the exhaust gas temperature at different times
  • Figure 16 is a graph illustrating the effect of multiple water supply
  • Figure 17 is a graph showing the relationship between Reynolds number and heat transfer performance in steady flow and pulsation
  • Fig. 18 is a graph showing the relationship between Reynolds number and heat transfer performance for different exhaust pressures.
  • a waste heat recovery device 2 of an internal combustion engine 1 as a combustion device mounted on an automobile is configured to generate waste heat of the internal combustion engine 1, for example, steam whose temperature and pressure are increased using exhaust gas as a heat source, that is, high-pressure steam.
  • It has a water supply pump 6 for supplying water from the condenser 5 to the evaporator 3.
  • the power transmission device 1 2 1 connected to the waste heat recovery device 2 includes a planetary gear mechanism 1 2 2, a belt-type continuously variable transmission 1 2 3, and a generator / motor. 1 2 4 is provided.
  • the planetary gear mechanism 1 2 2 is supported by a sun gear 1 2 5, a ring gear 1 2 6, a planetary carrier 1 2 7, and a planetary carrier 1 2 26 and a plurality of planetary gears 1 28 connected simultaneously. Swelling
  • the planetary carrier 127 connected to the output shaft 127 of the stretcher 4 can be fastened to a casing (not shown) by a carrier brake 130.
  • the sun gear 1 25 connected to the output shaft 1 3 1 can be fastened to a casing (not shown) by the sun gear brake 1 32.
  • the ring gear 1 26 can be fastened to a casing (not shown) by a ring gear brake 13 3.
  • the Carrier Brake 130, Sun Gear Brake 13 2 and Ring Gear Brake 13 33 consist of hydraulic brakes or electromagnetic brakes.
  • the motor 1 2 4 is connected to a chargeable / dischargeable battery 1 3 4.
  • the electric motor 1 2 4 When the electric motor 1 2 4 is driven by the expander 4 or the shaft output of the internal combustion engine 1 and functions as a generator, it charges the battery 13 4 and is supplied with power from the battery 13 4 to be an electric motor.
  • the internal combustion engine 1 When the internal combustion engine 1 functions, the driving of the drive wheels by the internal combustion engine 1 is assisted, or the internal combustion engine 1 is started.
  • the belt-type continuously variable transmission 1 2 3 includes a drive pulley 13 6 provided on the input shaft 13 5, a driven pulley 13 8 provided on the output shaft 13 7, and both pulleys 1 3 6, 1 An endless belt 13 9 wound around 38.
  • the groove width of the driving pulley 1 36 and the groove width of the driven pulley 1 3 8 can be changed by hydraulic control or electric control, respectively, and the groove width of the driven pulley 1 36 is increased by increasing the groove width of the driving pulley 1 36.
  • the gear ratio changes steplessly to the LOW side, and when the groove width of the driving pulley 1336 is reduced and the groove width of the driven pulley 1338 is increased, the gear ratio is not Change in stages.
  • the driving gear 140 provided on the ring gear 1 26 of the planetary gear mechanism 122 engages with the driven gear 141 provided on the input shaft 135 of the belt-type continuously variable transmission 123.
  • the shaft output of the internal combustion engine 1 is transmitted to the transmission 144 via the output shaft 142, and the output of the transmission 144 is transmitted to drive wheels (not shown).
  • the drive gear 144 provided on the output shaft 133 of the belt-type continuously variable transmission 123 engages the driven gear 144 provided on the output shaft 142 of the internal combustion engine 1.
  • Torque limiters 1 4 6 and 1 4 7 are provided on the output shaft 1 2 9 of the expander 4 and on the power generator 1 2 4 input and output shafts 13 1, respectively.
  • the torque limiters 1 4 6 and 1 4 7 slip when the expander 4 or the generator / motor 1 2 4 is applied with a torque equal to or more than a predetermined value, thereby preventing an excessive load from being generated.
  • the torque limiters 1 4 6 and 1 4 7 can be replaced by clutches that are released when an overload torque exceeding a specified value occurs. Can be.
  • a clutch 148 is provided on the output shaft 133 of the belt-type continuously variable transmission 123. The clutch 148 is for preventing the overload from being applied to the expander 4 by the driving force transmitted reversely from the internal combustion engine 1 or the drive wheels. At the time of release, the internal combustion engine 1 and the expander 4 are disconnected.
  • the expander 4 or the generator / motor 1 24 becomes the input element and the output element, respectively.
  • Driving power input to evening carrier 127 is output through sun gear 125 to power generatormotor 124, and power generator motor 124 is made to function as a generator to charge battery 134. can do.
  • the expander 4 can be started smoothly by the power generation functioning as the electric motor and the shaft output of the electric motor 124.
  • the sun gear 125 and the ring gear 126 become input elements or output elements, respectively. Therefore, the driving force input to the sun gear 1 25 from the generator 1 24 that functions as the motor is output to the ring gear 126, from which the driving gear 140, the driven gear 140, and the belt-type continuously variable
  • the power is transmitted to the output shaft 144 of the internal combustion engine 1 via the transmission 1 2 3, the drive gear 144, and the driven gear 144, and assists the shaft output of the internal combustion engine 1 and starts the internal combustion engine 1.
  • the shaft output of the internal combustion engine 1 is transmitted to the generator / motor 1 24 via the reverse route to that described above, and the battery 1 34 can be charged by operating the generator / motor 1 24 as a generator. .
  • the structure of the evaporator 3 of the waste heat recovery device 2 of the internal combustion engine 1 will be described in detail with reference to FIGS.
  • the in-line three-cylinder internal combustion engine 1 includes a cylinder block 11, a cylinder head 12, and a head cover 13, which are stacked one above another, and three cylinder blocks 11 formed in the cylinder block 11. Pistons 15 are fitted into cylinder pores 14 slidably, respectively.
  • the intake port 17 and exhaust port 18 connected to the three combustion chambers 16 formed in the cylinder head 12, respectively the intake port 17 is connected to the cylinder as before.
  • the exhaust ports 18 are formed as separate members and are connected to the cylinder head 12.
  • the upper end of the stem 21 of the intake valve 20 that opens and closes the intake valve hole 19 abuts one end of the intake rocker arm 23 pivotally supported by the intake rocker arm shaft 22 to open and close the exhaust valve hole 24.
  • the upper end of the stem 26 of the exhaust valve 25 comes into contact with one end of the exhaust rocker arm 28 pivotally supported by the exhaust rocker arm shaft 27.
  • the other end of the intake rocker arm 23 and the other end of the exhaust rocker arm 28 contact an intake cam 30 and an exhaust cam 31 provided on a camshaft 29 that rotates in conjunction with a crankshaft (not shown). The contact causes the intake valve 20 and the exhaust valve 25 to open and close.
  • an evaporator 3 for generating steam whose temperature and pressure have been increased using exhaust gas of the internal combustion engine 1 as a heat source, that is, high-pressure steam.
  • the evaporator 3 has an exhaust passage 33 connected to the exhaust pipe 32 with the three exhaust ports 18... As a base end, and three pre-catalyst devices 34 and 3 arranged in the exhaust passage 33. , And heat exchangers H 1 to H 5, which perform heat exchange between the exhaust gas flowing through the exhaust passage 33 and the main catalyst devices 35.
  • Each air port 18 is located at the upstream side in the length direction of the exhaust gas and has an approximately constant diameter portion 18a having a substantially constant diameter.
  • a fifth-stage heat exchanger H5 is provided on the outer periphery of the equal-diameter portion 18a, and a fifth-stage heat exchanger H5 is provided inside the enlarged-diameter portion 18b.
  • a four-stage heat exchanger H4 is provided.
  • the fifth-stage heat exchanger H5 is composed of one heat transfer tube 37 wound around the outer circumference of the equal-diameter portion 18a approximately five times.
  • the fourth-stage heat exchanger H4 is composed of one multi-stage heat transfer tube 38 housed inside the enlarged diameter portion 18b, and the fifth-stage heat exchanger H5 Heat tube 3 7 is exhaust port 1 It is connected to the heat transfer tube 38 of the fourth-stage heat exchanger H4 through an opening (not shown) formed in FIG.
  • the heat transfer tube 38 of the fourth-stage heat exchanger H 4 is tapered along the internal shape of the enlarged portion 18 b of the exhaust port 18.
  • the coil of the inner layer is wound while reducing the diameter from the rear (left side in the figure) to the front (right side in the figure), and the coil of the middle layer after being folded at the front end is wound in a triple coil shape.
  • the outer layer coil which is wound at the rear end while increasing in diameter from the front to the rear, is wound with the diameter decreasing from the rear to the front.
  • the water inlet shown in Fig. 9B is connected to the upstream third-stage heat exchanger H3 described later, and the water outlet shown in Fig. 9C is connected to the heat transfer tube 3 of the downstream fifth-stage heat exchanger H5. Connected to 7.
  • the circled numbers 1 to ⁇ ⁇ shown in Fig. 9A indicate the paths through which water flows in the heat transfer tubes 38.
  • the heat transfer tube 38 of the fourth-stage heat exchanger H4 was wound in a triple coil shape tapered along the internal shape of the expanded portion 18b of the exhaust port 18. A rectifying action can be given to the exhaust gas flowing through the section 18b to contribute to the reduction of the flow resistance.
  • annular distribution passage forming member 41 is formed at the rear end of the enlarged diameter portion 18 b of the exhaust port 18.
  • a third circular distribution passage 43 is formed between the two distribution passage forming members 41 and 42.
  • the upstream end of the heat transfer tube 38 of the fourth-stage heat exchanger H4 is connected to the third circular distribution passage 43.
  • the front end of the cylindrical case 44 that covers the outer periphery of the pre-catalyst device 34 is connected to the distribution passage forming member 42, and the two cases that are connected to the rear end of the cylindrical case 44 so as to overlap each other.
  • a second circular distribution passage 47 is formed between the annular distribution passage forming members 45, 46. Then, a pre-catalyst device 34 and a third-stage heat exchanger H 3 are arranged inside the cylindrical case 44.
  • the pre-catalyst device 34 includes seven catalyst carriers 48 formed in a honeycomb plate shape, and a known exhaust gas purification catalyst is supported on the surface thereof.
  • the third-stage heat exchanger H 3 arranged so as to surround the seven catalyst carriers 48 inside the cylindrical case 44 consists of two bent heat transfer tubes 49, 49. (See Figure 10). Each heat transfer tube 49, 49 After being bent zigzag in a circular plane, it is transferred to the next plane separated by one pitch in the axial direction and bent into the same zigzag shape. .
  • the seven catalyst carriers 48 are accommodated in the internal space of a combination of the two heat transfer tubes 49, 49. At this time, the two heat transfer tubes 49 and 49 are in close contact with the surfaces of the seven catalyst carriers 48.
  • the upstream ends of the two heat transfer tubes 49, 49 are connected to a second circular distribution passage 47 formed between the distribution passage forming members 45, 46, and the downstream ends are connected to the distribution passage forming member. It is connected to a third circular distribution passage 43 formed between 41 and 42.
  • Two cylindrical cases 50 and 51 are coaxially arranged radially outside of the cylindrical case 44 of the pre-catalyst device 34 and a second-stage heat treatment is provided between the cylindrical cases 50 and 51.
  • the exchanger H 2 is arranged in a ring.
  • the second-stage heat exchanger H 2 is composed of a number of heat transfer tubes 5 2... wound in one direction and a number of heat transfer tubes 5 3... wound in the other direction.
  • the heat transfer tubes 52 in the space are arranged alternately in a state where the parts are put together, thereby increasing the arrangement density of the heat transfer tubes 52, 53, ... in the space.
  • the outer periphery of the pre-catalyst device 34 is surrounded by the heat transfer tubes 52, 53, ....
  • a first circular distribution passage 5 6 is provided between a distribution passage forming member 54 fixed to the front end of the outer cylindrical case 50 and a distribution passage forming member 55 coupled to the front surface of the distribution passage forming member 54. Is formed.
  • the upstream ends of the heat transfer tubes 5 2 ⁇ , 5 3 ⁇ are connected to the first circular distribution passage 56.
  • the downstream ends of the heat transfer tubes 5 2 ⁇ 5 3 ⁇ are the second circular distribution passages 4 7. Connected to.
  • the three pre-catalyst devices 3 4... are collectively fixed to the cylinder head 12 by a plate-like mounting plate 57 formed by pressing a metal plate.
  • the mounting plate 57 has three openings 57 a... Force S formed therein, and the distribution passage forming members of the enlarged portions 18 b of the three exhaust ports 18. 4 1 is fixed and integrated.
  • An oval flange 58 fixed to the outer periphery of the mounting plate 57 is fixed to the cylinder head 12 with 16 bolts 59.
  • the main catalyst devices 35 are each a catalyst carrier carried on the surface of a catalyst carrier 60 having a honeycomb structure formed in a cylindrical shape as a whole, and a thick ring member 61 is fitted on the outer periphery thereof. You.
  • the diameter of the main catalytic device 35 is larger than the diameter of the pre-catalyst device 34.
  • the main catalytic device 35 ... has an inner layer 3 5a with the same diameter as the pre-catalyst device 34, and the pre-catalyst device.
  • the outer layer portions 3 5 b which protrude outward from the outer periphery of 3 4.
  • a sealing member 63 supported on a rear surface of the distribution passage forming member 46 via a spring 62 to seal a facing portion between the pre-catalyst device 34 and the main catalyst device 35 is a main catalyst device. It comes into contact with the front of 3 5 ... resiliently.
  • End caps 65 are supported at the rear ends of the ring members 61 on the outer periphery of the main catalyst devices 35 via springs 64. The rear surfaces of the three end caps 65 are pressed forward by contacting projections 66 a provided on the front surface of an inner wall member 66 described later.
  • the outsides of the three pre-catalysts 3 4... and the three main catalysts 3 5... are covered with a removable common cover 71.
  • the cover 71 has a plate-shaped distribution passage forming member 72 in which a mounting hole 72 a of the exhaust pipe 32 is formed in the center, and a triple ring-shaped member coupled to the front surface of the distribution passage forming member 72. And a distribution passage forming member 73.
  • a first triple ring-shaped distribution passage 74 is formed between the two distribution passage forming members 72, 73.
  • a cylindrical member 75 located radially outward and a cylindrical member 76 located radially inward extend forward with a small interval, and
  • An oval flange 77 provided at the front end of the cylindrical member 75 is overlapped with the flange 58 and fastened together with bolts 59.
  • a triple ring-shaped distribution passage forming member 78 is fixed to the front end of the inner cylindrical member 76, and a substantially identical distribution passage forming member 79 is connected to the front surface of the distribution passage forming member 78.
  • a second triple ring-shaped distribution passage 80 is formed.
  • the first triple ring-shaped distribution passage 74 and the second triple ring-shaped distribution passage 80 have the same shape and face each other.
  • the inner wall member 66 formed in a cup shape is housed inside the cover 71, and the inner wall member 66 is formed between the outer peripheral surface of the inner wall member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical member 76.
  • One-stage heat exchanger H1 is arranged.
  • the first-stage heat exchanger HI has a structure similar to that of the second-stage heat exchanger H2, and includes a number of heat transfer tubes 81 in a one-way coil shape and a coil shape in the other direction.
  • a large number of heat transfer tubes 8 2... wound around the second stage heat exchanger H 2 are arranged alternately in a state in which a part of them is joined together, and these heat transfer tubes 8 1-, 8 2... Outer circumference and main catalyst unit 35- Is surrounded.
  • the upstream ends of the heat transfer tubes 81,..., 82 are connected to the first triple ring-shaped distribution passage 74, and the downstream ends thereof are connected to the second triple ring-shaped distribution passage 80.
  • the heat transfer tubes 5 2..., 5 3 of the second-stage heat exchanger H 2..., the heat transfer tubes 8 1..., 8 2... of the first-stage heat exchanger HI are made of heat-resistant stainless steel (austenitic stainless steel).
  • austenitic stainless steel for example, SUS316L, SUS310S, or ferrite-based, for example, SUS430, SUS444), or a nickel-based heat-resistant alloy is preferable.
  • brazing or mechanical constraint is preferable for the connection of the heat transfer tubes.
  • the catalyst carrier 48 of the pre-catalyst device 34 is made of a heat-resistant stainless steel (for example, 20% by weight Cr_5% by weight A1 ferritic stainless steel) or a metal foil (thickness) of a nickel-based heat-resistant alloy. 0.1 mm or less).
  • the catalyst carriers 60 of the main catalyst devices 35 are preferably cordierite.
  • a water supply port 83 to which water as a source of high-pressure steam is supplied is provided at the center of the first triple ring-shaped distribution passage 74, and the first triple
  • the ring-shaped distribution passages 74 are connected to a plurality of heat transfer tubes 8 ", 82,... Of the first-stage heat exchanger HI arranged so as to surround the outer periphery of the three main catalyst devices 35,.
  • the second triple ring-shaped distribution passage 80 communicates with the three ring-shaped distribution passages 56 through two detachable joints 84. I do.
  • the three first circular distribution passages 56 are connected to the heat transfer tubes 52 of the second heat exchanger H2 arranged so as to surround the outer periphery of the three pre-catalyst devices 34. ... Through three second circular distribution passages 47. These three second circular distribution passages 47 are respectively disposed inside the three pre-catalyst devices 34.
  • the three-stage heat exchangers H 3 communicate with three third circular distribution passages 43 through two heat transfer tubes 49.
  • the three third circular distribution passages 4 3... each have one heat transfer tube 3 8... of the fourth stage heat exchanger H 4... passing through the inside of three exhaust ports 18... and three After passing through each one heat transfer tube 3 7... of the fifth stage heat exchanger H 5... passing through the outside of the exhaust port 18..., it joins at the joint 85, and expands later through the drain port 86. Machine 4 is supplied.
  • the water supplied from the water supply port 87 on the way is branched in three directions by the distributor 88, and a part of the water is supplied to the three first circular distribution passages 56 through the joints 84, and the water is supplied.
  • Some Water is supplied to the three second circular distribution passages 47 on the way, and part of the water is supplied to the three third circular distribution passages 43 on the way.
  • the water supplied from the water supply port 83 is supplied to the first-stage heat exchanger HI ⁇ the second-stage heat exchanger H 2... —the third-stage heat exchanger H 3... —the fourth-stage heat exchanger H 4 Heat exchange between the exhaust gas that exits the internal combustion engine 1 and flows in the opposite direction to the flow direction of the water before reaching the drain port 86 through the fifth-stage heat exchanger H5. It becomes steam.
  • the exhaust gas exiting the main catalytic device 35... is a second-stage heat exchanger consisting of heat transfer tubes 52-, 53-arranged between a pair of cylindrical cases 50 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 51 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Heat is exchanged while H2 ...
  • the three main catalyst devices 35 from the rear of the three pre-catalyst devices 34 are brought close to each other, and the outer periphery of the front end of the ring member 6 1. Fit to the outer periphery of the rear end of the cylindrical case 50 of the heat exchanger H2.
  • the sealing members 63 supported on the rear surface of the distribution passage forming members 46 via springs 62 elastically abut against the front surface of the main catalyst devices 35 (see FIG. 4). .
  • the cover 71 is moved forward, and the three-stage first-stage heat exchanger H1, which is formed by displacing three circles in a horizontal direction, has three main catalyst units 35 ... and three Covering the outer periphery of the second-stage heat exchanger H2, the flange 77 provided on the cylindrical member 75 of the cover 71 is superimposed on the rear surface of the flange 58 of the mounting plate 57, and 16 bolts 5 Connect to cylinder head 1 and 2 with 9 ...
  • the end caps 65 of the main catalytic converter 35 are pressed forward by the projections 6 6 a of the inner wall member 66 inside the cover 71 1, and are provided on the outer periphery of the end caps 65.
  • the springs 6 4 are compressed between the panel seats 6 7 and the spring seats 6 8 provided at the rear end of the ring member 6 1-on the outer periphery of the main catalyst device 3 5 ... (see Fig. 4).
  • the inner layer portion including the pre-catalyst device 34 and the main catalyst device 35 ... and the cover 71, which is the outer layer portion covering the outer periphery thereof, are assembled with a slight gap in the radial direction. However, their radial thermal expansion can be absorbed.
  • the main catalyst devices 35 are elastically held between the rear surface of the pre-catalyst devices 34 and the front surface of the inner wall member 6 6 of the cover 7 1 by springs 6 2, 6 4. The thermal expansion in the axial direction of the pre-catalyst device 34 and the main catalyst device 35 can be absorbed.
  • the three first circular distribution passages 56 are connected to the second triple ring-shaped distribution passage 80 at the front end of the cover 71 via the joints 84, respectively.
  • the three heat transfer tubes 37 of the fifth stage heat exchanger H5 extending from the ports 18 are joined at the joint 85 to complete the assembly of the evaporator 3.
  • a catalyst for purifying exhaust gas is used.
  • the device is divided into a pre-catalyst device 34 on the upstream side and a main catalyst device 35 on the downstream side, and a fourth-stage heat exchanger H is disposed upstream of the pre-catalyst device 34 in the exhaust gas flow direction.
  • the 4th and 5th stage heat exchangers H5 are arranged, and the 1st stage heat exchanger HI and the 2nd stage heat exchanger H2 are arranged downstream of the main catalyst unit 3 5 in the exhaust gas flow direction. ing.
  • the third-stage heat exchangers H 3 are housed inside the pre-catalyst units 34.
  • Comparative Example C-10 has no catalytic device and no heat exchanger
  • Comparative Example C-11 has only the main catalytic device
  • Comparative Example C-12 has a main catalyst after the pre-catalyst device.
  • Comparative Example C-3 is provided with a heat exchanger at each of the front and rear stages of the main catalyst device.
  • Fig. 14 shows that in the cold state immediately after the start of the internal combustion engine 1, the exhaust gas temperature changes from upstream to downstream (L0 ⁇ L1 ⁇ L2 ⁇ L3 ⁇ L4 ⁇ L5) It shows how it changes toward
  • the pre-catalyst devices 34 are arranged on the upstream side of the exhaust passage 33, and the capacity of the pre-catalyst devices 34 is set to be small, so that the pre-catalyst devices 34 can be used even in the cold state.
  • the temperature of the catalyst devices 34 is quickly and rapidly raised to a temperature equal to or higher than the catalyst activation temperature, so that harmful components in the exhaust gas can be effectively reduced.
  • the exhaust gas purification capacity is insufficient with only the small-capacity pre-catalysts 3 4..., the large-capacity pre-catalysts 3 4... Exhaust gas purification capacity is sufficiently supplemented. Further, since the flow direction of the exhaust gas is reversed between the inner layer portion 35a of the main catalyst device 35 and the outer layer portion 35b, the exhaust gas is firstly discharged to the inner layer portion 35a of the main catalyst device 35. The temperature rises due to the catalytic reaction when passing through, and the exhaust gas whose temperature has risen is supplied to the outer layer portions 35b of the main catalyst device 35, and the exhaust gas is inverted by 180 °.
  • the harmful components in the exhaust gas can be effectively mixed to promote the catalytic reaction in the outer layer portions 35b, and the exhaust gas purification performance of the main catalyst device 35 as a whole can be enhanced.
  • the exhaust gas in the inner layer portions 35a ... is covered with the exhaust gas in the outer layer portions 35b ... to prevent thermal leaks and prevent a decrease in heat exchange efficiency.
  • FIG. 15 shows how the temperature of the exhaust gas changes from the upstream side to the downstream side during the high-temperature operation of the internal combustion engine 1.
  • the catalyst temperature of the pre-catalyst units 34 ... is heat-resistant because the fourth stage heat exchanger H4 ... and the fifth stage heat exchanger H5 ... are arranged in the exhaust ports 18 ... Exceeding the temperature can be prevented.
  • the catalyst carrier 48 of the third-stage heat exchanger H3 is divided into seven parts, each of which has a narrow width, and is provided around the catalyst carrier 48 ...
  • the zigzag bent heat transfer tubes 49 of the third-stage heat exchanger H 3 are brought into direct contact, so that the catalyst temperature of the pre-catalyst units 34-4 is more reliably prevented from exceeding the heat-resistant temperature. be able to.
  • first-stage heat exchanger HI, the second-stage heat exchanger H2... ⁇ , the third-stage heat exchanger H3 ---, the fourth-stage heat exchanger H4..., and the fifth-stage heat exchanger H5 ... are connected in series, and water is supplied sequentially from the first-stage heat exchanger H1 side to the fifth-stage heat exchanger H5... side (this water supply method is called one-way water supply).
  • this water supply method is called one-way water supply.
  • the line of the pre-catalysts 3 4 ... is on the left and the line of the main catalysts 3 5 ... is on the right because the capacity of the pre-catalysts 3 4 ... is small and the main catalysts 3 5. This is because the capacity of ⁇ is large.
  • the temperature of the pre-catalyst devices 34 ... and the main catalyst devices 35 ... can be more precisely controlled by separately controlling the water supply amounts of the three way water supply ports.
  • Example P-1 the exhaust gas purification performance and the durability of the catalyst device can be comprehensively improved as compared with Comparative Examples C_0 to C-13.
  • the third-stage heat exchanger H3 is integrally provided inside the pre-catalyst device 34, the temperature of the pre-catalyst device 34 can be actively controlled.
  • the second circular distribution passage 47, and the third circular distribution passage 43 near the precatalyst device 34 only at the temperature of the precatalyst device 34 itself.
  • the temperature of the main catalytic converters 35 located downstream therefrom can be accurately controlled, and the overall exhaust gas purification performance can be greatly increased.
  • the heat transfer surface density (heat transfer area Z volume) of the five-stage heat exchangers HI to H5... is the largest for the first-stage heat exchanger HI, and then goes to the fifth-stage heat exchanger H5... And gradually decrease.
  • the cross-sectional area of the five-stage heat exchangers HI to H5 is the smallest in the first-stage heat exchanger HI, and gradually increases from there to the fifth-stage heat exchanger H5.
  • Table 3 shows the heat transfer surface densities and passage cross-sectional areas of the first-stage heat exchanger H1 to the fourth-stage heat exchanger H4 ... [Table 3]
  • the heat transfer surface density (heat transfer area Z volume) is gradually reduced from the first stage heat exchanger HI to the fifth stage heat exchanger H5..., the temperature is high because it is close to the combustion chamber 16... Heat transfer surface density of the fifth stage heat exchanger H5 through which the exhaust gas passes is minimized, and the heat transfer of the first stage heat exchanger H1 through which the exhaust gas whose temperature has decreased through the exhaust passage 33 passes.
  • the evaporator 3 is made compact by minimizing the passage cross-sectional area of the first-stage heat exchanger H1. can do.
  • Table 4 summarizes the effects of setting the heat transfer surface density and passage cross-sectional area of the first-stage heat exchanger H1 to the fourth-stage heat exchanger H4 ... as shown in Table 3.
  • the second- to fifth-stage heat exchangers H2 to H5 which are the heat exchangers at the preceding stage viewed from the internal combustion engine 1 side, are provided for each exhaust port 18 ... Since the exhaust gas discharged from 18 ... does not mix, it is possible to avoid the occurrence of exhaust interference and prevent the output of the internal combustion engine 1 from decreasing. Exhaust gas pressure pulsation is present at the outlet of the exhaust ports 18 and the exhaust pressure is high, so that an effect of promoting heat transfer can be expected.
  • Fig. 17 compares the heat transfer performance at each Reynolds number of the hot air system without exhaust pulsation and the internal combustion engine with exhaust pulsation.The internal combustion engine with exhaust pulsation has better heat transfer performance. It is confirmed that it is high.
  • Figure 18 compares the heat transfer performance at two different exhaust pressures at each Reynolds number in a single-cylinder internal combustion engine equipped with a heat exchanger of the zobe tube type, but the exhaust pressure is high. It is confirmed that the heat transfer performance is higher.
  • the exhaust gas from the three exhaust ports 18 collects into a flow without pulsation.
  • Exhaust gas can be maintained at a high temperature and constant temperature, and the heat exchange performance can be prevented from deteriorating by a steady flow in which the flow of the exhaust gas is not stationary unlike the pulsating flow.
  • exhaust gas flows from the internal combustion engine 1 to the exhaust pipe 32, while water flows from the exhaust pipe 32 to the internal combustion engine 1, so that the exhaust gas and water form a cross flow.
  • 1st to 5th heat exchangers H1 to H5 ... ensure the maximum temperature difference between exhaust gas and water over the entire area, contributing to the improvement of heat exchange efficiency between the two. be able to.
  • the width of the evaporator 3 (the width in the direction of the crankshaft of the internal combustion engine 1) is not much different from the width of the three cylinder pores 14, and is extremely compact.
  • the evaporator 3 can be removed from the cylinder head 12 simply by loosening the 16 ports 59, so that maintenance is easy and the entire evaporator 3 is covered by the cover 71. Since the rigidity is increased, the durability of the internal combustion engine 1 against vibration is also improved.
  • the exhaust passage 33 is bent in a three-stage zigzag shape and the first- to fourth-stage heat exchangers H1 to H4 are stacked in the radial direction, thermal leakage is minimized.
  • the overall dimensions of the evaporator 3 can be made as small as possible, and can be arranged compactly in the cylinder head 12 of the internal combustion engine E while suppressing the noise and preventing the noise from being radiated from inside the evaporator 3.
  • the first to fifth stage heat exchangers H 1 to H 5 ...
  • the pre-catalyst unit 34 and the main catalyst unit 35 are stacked in a radial direction and arranged in a maze, so that the waste heat recovery unit Not only can effectively prevent the exhaust noise from leaking to the outside of the device 2, but also obtain the effect of reducing the exhaust gas temperature mainly by the first to fifth stage heat exchangers H1 to H5. Can be.
  • the exhaust muffler can be simplified or omitted, and the exhaust device itself can be made compact and lightweight.
  • the temperature of the exhaust passage particularly on the downstream side of the first-stage heat exchanger H1
  • decreases due to the decrease in the exhaust gas temperature the degree of freedom in designing heat resistance increases, and materials such as plastic are used for the exhaust passage. It becomes possible.
  • the first heat exchanger is composed of three heat exchangers of the second-stage heat exchanger H2, the third-stage heat exchanger H3, and the fourth-stage heat exchanger H4.
  • it can be composed of more than three heat exchangers.
  • the second heat exchanger is composed of only the first-stage heat exchanger H1, but it can be composed of any number of heat exchangers other than two.
  • the three-cylinder internal combustion engine 1 is illustrated, but the present invention can be applied to a multi-cylinder internal combustion engine other than the three cylinders.
  • the heat exchanger for a multi-cylinder internal combustion engine according to the present invention is suitably applicable to an internal combustion engine for an automobile, but is also applicable to an internal combustion engine for any use other than an automobile. is there.

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Description

明細書 多気筒内燃機関の熱交換器
発明の分野
本発明は、 多気筒内燃機関の排気ガスと熱媒との間で熱交換を行うための熱交換 器に関する。
背景技術
多気筒内燃機関の排気マ二ホールドの集合部に、 排気ガスの熱で水を加熱して蒸 気にする蒸発器の熱交換器を配置したものが、 日本特開平 5 _ 3 4 0 2 4 1号公報 により公知である。 また多気筒内燃機関の各気筒毎に蒸発器の熱交換器を配置した ものが、 日本特開昭 5 6 - 1 5 6 4 0 7号公報により公知である。
しかしながら、 上記日本特開平 5— 3 4 0 2 4 1号公報に記載されたものは、 排 気ポートを出た排気ガスが排気マ二ホールドを通過して熱交換器に流入するため、 排気ガスの温度が排気マ二ホールドを通過する間に低下してしまい、 熱交換器の熱 交換効率が低下する問題がある。
また上記日本特開昭 5 6 - 1 5 6 4 0 7号公報に記載されたものは、 蒸発器の個 数が気筒数だけ必要になるだけでなく、 排気ポートを出た直後の脈動のある排気ガ スが熱交換器に作用するため、 排気ガスの流れが脈動して停止した瞬間に熱交換器 の熱交換効率が低下する問題がある。
発明の開示
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、多気筒内燃機関の排気ガスと熱媒 との間で熱交換を行う熱交換器の性能を高めることを目的とする。
上記目的を達成するために、 本発明によれば、 多気筒内燃機関の各燃焼室から延 びる排気通路毎に第 1の熱交換器を配置するとともに、 少なくとも 2個の排気通路 の集合部に第 2の熱交換器を配置したことを特徴とする多気筒内燃機関の熱交換器 が提案される。
上記構成によれば、 多気筒内燃機関の各燃焼室から延びる排気通路毎に第 1の熱 交換器を配置したので、 燃焼室から出た直後の高温の排気ガスを第 1の熱交換器に 作用させて高い熱交換効率を得ることができ、 しかも排気干渉の発生を回避して内 燃機関の出力低下を防止することができる。 また燃焼室から出た直後の排気ガスは 圧力低下が少ないため、 排気脈動流の伝熱促進効果による熱交換効率の向上を期待 することができる。 更に少なくとも 2個の排気通路の集合部に第 2の熱交換器を配 置したので、 合流により脈動がなくなり、 かつ温度が均一になった排気ガスを第 2 の熱交換器に作用させることにより熱交換効率を高めることができる。
また上記構成に加えて、 排気ガスの流れ方向上流側に位置する第 1の熱交換器と 下流側に位置する第 2の熱交換器とが相互に連通することを特徴とする多気筒内燃 機関の熱交換器が提案される。
上記構成によれば、 上流側の第 1の熱交換器と下流側の第 2の熱交換器とが相互 に連通するので、 排気ガスは第 1の熱交換器および第 2の熱交換器を順次通過して 有効に熱交換される。
また上記構成に加えて、 第 1の熱交換器および第 2の熱交換器を一体化したこと を特徴とする多気筒内燃機関の熱交換器が提案される。
上記構成によれば、 第 1の熱交換器および第 2の熱交換器を一体化したので、 内 燃機関に対する熱交換器の着脱が容易になってメンテナンス性が向上するだけでな く、 一体ィ匕構造により熱交換器の岡 IJ性が向上して内燃機関の振動に対する耐久性が 向上する。
また上記構成に加えて、 第 1の熱交換器の外周部に第 2の熱交換器を積層したこ とを特徴とする多気筒内燃機関の熱交換器が提案される。
上記構成によれば、 第 1の熱交換器の外周部に第 2の熱交換器を積層したので、 第 1の熱交換器を通過する排気ガスの熱が外部にリークするのを外側の第 2の熱交 換器で抑制し、 排気ガスの熱を無駄なく回収することができる。
また上記構成に加えて、 熱媒は第 2の熱交換器から第 1の熱交換器へと流れるこ とを特徴とする多気筒内燃機関の熱交換器が提案される。
上記構成によれば、 熱媒は排気ガスの流れ方向と逆方向である第 2の熱交換器か ら第 1の熱交換器へと流れるので、 排気ガスの温度と熱媒の温度との温度差を排気 通路の全域に亘って大きく確保して排気ガスの熱を無駄なく回収することができる。 尚、 実施例の第 1段熱交換器 H Iは本発明の第 2の熱交換器に対応し、 実施例の 第 2段〜第 4段熱交換器 H 2〜H 4は本発明の第 1の熱交換器に対応する。 図面の簡単な説明
図 1〜図 1 8は本発明の一実施例を示すもので、 図 1はランキンサイクルを用い た駆動装置の全体構成を示す図、 図 2は駆動装置の動力伝達装置の構造を示す図、 図 3は内燃機関のシリンダへッド部の縦断面図、 図 4は図 3の 4一 4線断面図、 図 5は図 3の要部拡大断面図、 図 6は図 5の 6— 6線断面図、 図 7は図 5の要部拡大 図、 図 8は図 6の要部拡大図、 図 9 Aは第 4段熱交換器の伝熱管を示す図、 図 9 B は図 9 Aの b方向矢視図、 図 9 Cは図 9 Aの c方向矢視図、 図 1 0はプレ触媒装置 の分解斜視図、 図 1 1は蒸発器の給水経路を示す模式図、 図 1 2は蒸発器の分解斜 視図、 図 1 3は実施例および比較例の触媒装置および熱交換器の配置を示す図、 図 1 4は低温始動時における排気ポートからの距離と排気ガス温度との関係を示すグ ラフ、 図 1 5は高温時における排気ポートからの距離と排気ガス温度との関係を示 すグラフ、 図 1 6は複数給水の効果を説明するグラフ、 図 1 7はレイノルズ数と伝 熱性能との関係を定常流および脈動流について示したグラフ、 図 1 8はレイノルズ 数と伝熱性能との関係を異なる排気圧力について示したグラフである。
発明を実施するための最良の形態
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。
図 1において、 自動車に搭載された燃焼装置としての内燃機関 1の廃熱回収装置 2は、 内燃機関 1の廃熱、 例えば排気ガスを熱源として温度および圧力を上昇させ た蒸気、 つまり高圧蒸気を発生する蒸発器 3と、 その高圧蒸気の膨脹によって軸出 力を発生する膨張機 4と、 膨張機 4から排出される前記膨張後の温度および圧力が 下降した蒸気、 つまり低圧蒸気を液化する凝縮器 5と、 凝縮器 5からの水を蒸発器 3に供給する給水ポンプ 6とを有する。
図 2を併せて参照すると明らかなように、 廃熱回収装置 2に接続された動力伝達 装置 1 2 1は、 遊星歯車機構 1 2 2、 ベルト式無段変速機 1 2 3および発電 ·電動 機 1 2 4を備える。
遊星歯車機構 1 2 2は、 サンギヤ 1 2 5と、 リングギヤ 1 2 6と、 プラネ夕リキ ャリャ 1 2 7と、 プラネタリキヤリャ 1 2 7に軸支されて前記サンギヤ 1 2 5およ びリングギヤ 1 2 6に同時に嚙合する複数のプラネ夕リギヤ 1 2 8とを備える。 膨 張機 4の出力軸 1 2 9に接続されたプラネタリキヤリャ 1 2 7は、 キヤリャブレー キ 1 3 0によって図示せぬケーシングに締結可能である。発電 '電動機 1 2 4の入. 出力軸 1 3 1に接続されたサンギヤ 1 2 5は、 サンギヤブレーキ 1 3 2によって図 示せぬケーシングに締結可能である。 リングギヤ 1 2 6はリングギヤブレーキ 1 3 3によって図示せぬケーシングに締結可能である。 キヤリャブレーキ 1 3 0、 サン ギヤブレーキ 1 3 2およびリングギヤブレーキ 1 3 3は、 油圧ブレーキあるいは電 磁ブレーキで構成される。
発電 ·電動機 1 2 4は充放電可能なバッテリ 1 3 4に接続される。 発電 ·電動機 1 2 4は、 膨張機 4あるいは内燃機関 1の軸出力により駆動されて発電機として機 能する場合にはバッテリ 1 3 4を充電し、 バッテリ 1 3 4から給電されて電動機と して機能する場合には、 内燃機関 1による駆動輪の駆動をアシストし、 あるいは内 燃機関 1の始動を行う。
ベルト式無段変速機 1 2 3は、 入力軸 1 3 5に設けられた駆動プーリ 1 3 6と、 出力軸 1 3 7に設けられた従動プーリ 1 3 8と、 両プーリ 1 3 6 , 1 3 8に巻き掛 けられた無端ベルト 1 3 9とを備える。 駆動プーリ 1 3 6の溝幅および従動プーリ 1 3 8の溝幅は油圧制御あるいは電気制御によってそれぞれ可変であり、 駆動プ一 リ 1 3 6の溝幅を増加させて従動プーリ 1 3 8の溝幅を減少させると変速比が L O W側に無段階に変化し、 駆動プーリ 1 3 6の溝幅を減少させて従動プーリ 1 3 8の 溝幅を増加させると変速比が T〇 P側に無段階に変化する。
遊星歯車機構 1 2 2のリングギヤ 1 2 6に設けた駆動ギヤ 1 4 0はベルト式無段 変速機 1 2 3の入力軸 1 3 5に設けた従動ギヤ 1 4 1に嚙合する。 内燃機関 1の軸 出力は出力軸 1 4 2を介して変速機 1 4 3に伝達され、 変速機 1 4 3の出力は図示 せぬ駆動輪に伝達される。 ベルト式無段変速機 1 2 3の出力軸 1 3 7に設けた駆動 ギヤ 1 4 4が内燃機関 1の出力軸 1 4 2に設けた従動ギヤ 1 4 5に嚙合する。 膨張機 4の出力軸 1 2 9および発電 ·電動機 1 2 4の入 ·出力軸 1 3 1に、 それ ぞれトルクリミッタ 1 4 6 , 1 4 7が設けられる。 トルクリミッタ 1 4 6 , 1 4 7 は、 膨張機 4あるいは発電 ·電動機 1 2 4に所定値以上のトルクが加わった場合に スリップし、 過剰な負荷の発生を防止する。 トルクリミッタ 1 4 6 , 1 4 7は所定 値以上の過負荷となるトルクの発生時に締結を解除されるクラッチで置き換えるこ とができる。 ベルト式無段変速機 1 2 3の出力軸 1 3 7にクラッチ 1 4 8が設けら れる。 クラッチ 1 4 8は内燃機関 1あるいは駆動輪から逆伝達される駆動力で膨張 機 4に過負荷が加わるのを防止するためのもので、 締結時に内燃機関 1および膨張 機 4を接続し、 締結解除時に内燃機関 1および膨張機 4を切り離す。
而して、 遊星歯車機構 1 2 2のサンギヤブレーキ 1 3 2を締結してサンギヤ 1 2 5を固定するとプラネタリキヤリャ 1 2 7およびリングギヤ 1 2 6がそれぞれ入力 要素あるいは出力要素になり、 膨張機 4からプラネタリキヤリャ 1 2 7に入力され た駆動力がリングギヤ 1 2 6に出力され、 そこから駆動ギヤ 1 4 0、 従動ギヤ 1 4 1、 ベルト式無段変速機 1 2 3、 駆動ギヤ 1 4 4および従動ギヤ 1 4 5を介して内 燃機関 1の出力軸 1 4 2に伝達されるため、 膨張機 4の軸出力で内燃機関 1の軸出 力をアシストすることができる。 一方、 膨張機 4の始動時に前述と逆の経路で駆動 力を伝達すれば、 内燃機関 1の軸出力で膨張機 4をスムーズに始動することができ る。
また遊星歯車機構 1 2 2のリングギヤブレーキ 1 3 3を締結してリングギヤ 1 2 6を固定すると膨張機 4あるいは発電 ·電動機 1 2 4がそれぞれ入力要素および出 力要素になり、 膨張機 4からブラネ夕リキヤリャ 1 2 7に入力された駆動力がサン ギヤ 1 2 5を経て発電 ·電動機 1 2 4に出力され、 発電 ·電動機 1 2 4を発電機と して機能させてバッテリ 1 3 4を充電することができる。 一方、 膨張機 4の始動時 に前述と逆の経路で駆動力を伝達すれば、 電動機として機能する発電，電動機 1 2 4の軸出力で膨張機 4をスムーズに始動することができる。
また遊星歯車機構 1 2 2のキヤリャブレーキ 1 3 0を締結してプラネタリキヤリ ャ 1 2 7を固定するとサンギヤ 1 2 5およびリングギヤ 1 2 6がそれぞれ入力要素 あるいは出力要素になる。 従って、 電動機として機能する発電 ·電動機 1 2 4から サンギヤ 1 2 5に入力された駆動力がリングギヤ 1 2 6に出力され、 そこから駆動 ギヤ 1 4 0、 従動ギヤ 1 4 1、 ベルト式無段変速機 1 2 3、 駆動ギヤ 1 4 4および 従動ギヤ 1 4 5を介して内燃機関 1の出力軸 1 4 2に伝達され、 内燃機関 1の軸出 力のアシストや内燃機関 1の始動が行われる。 一方、 内燃機関 1の軸出力を前述と 逆の経路で発電 ·電動機 1 2 4に伝達し、 該発電 ·電動機 1 2 4を発電機として機 能させてバッテリ 1 3 4を充電することができる。 次に、 内燃機関 1の廃熱回収装置 2の蒸発器 3の構造を、 図 3〜図 1 2に基づい て詳細に説明する。
図 3〜図 8に示すように、 直列 3気筒内燃機関 1は上下に積層されたシリンダブ ロック 1 1、 シリンダヘッド 1 2およびヘッドカバー 1 3を備えており、 シリンダ ブロック 1 1に形成した 3個のシリンダポア 1 4…にそれぞれピストン 1 5…が摺 動自在に嵌合する。 シリンダへッド 1 2に形成された 3個の燃焼室 1 6…にそれぞ れ連なる吸気ポート 1 7…および排気ポート 1 8…のうち、 吸気ポート 1 7 ···は従 来どおりシリンダへッド 1 2の内部に穿設されているが、 排気ポート 1 8…は別部 材で構成されてシリンダへッド 1 2に結合される。
吸気弁孔 1 9を開閉する吸気弁 2 0のステム 2 1の上端は、 吸気ロッカーアーム 軸 2 2に枢支された吸気ロッカーアーム 2 3の一端に当接し、 排気弁孔 2 4を開閉 する排気弁 2 5のステム 2 6の上端は、 排気ロッカーアーム軸 2 7に枢支された排 気ロッカーアーム 2 8の一端に当接する。 そして図示せぬクランクシャフトに連動 して回転するカムシャフト 2 9に設けた吸気カム 3 0および排気カム 3 1に前記吸 気ロッカーアーム 2 3の他端および排気ロッカーアーム 2 8の他端が当接すること により、 吸気弁 2 0および排気弁 2 5が開閉駆動される。
シリンダへッド 1 2の排気側の側面には、 内燃機関 1の排気ガスを熱源として温 度および圧力を上昇させた蒸気、つまり高圧蒸気を発生する蒸発器 3が設けられる。 蒸発器 3は前記 3個の排気ポート 1 8…を基端として排気管 3 2に連なる排気通路 3 3と、 この排気通路 3 3中に配置された 3個のプレ触媒装置 3 4…および 3個の メイン触媒装置 3 5…と、 排気通路 3 3を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う熱 交換器 H 1〜H 5…とを備える。
各お気ポート 1 8は、 排気ガスの長れ方向上流側に位置して略一定の直径を有す る等径部 1 8 aと、 等径部 1 8 aの下流側に連設されて直径がラッパ状の拡径する 拡径部 1 8 bとからなり、等径部 1 8 aの外周には第 5段熱交換器 H 5が設けられ、 拡径部 1 8 bの内部には第 4段熱交換器 H 4が設けられる。第 5段熱交換器 H 5は、 等径部 1 8 aの外周に約 5回転巻き付けられた 1本の伝熱管 3 7から構成される。 第 4段熱交換器 H 4は拡径部 1 8 bの内部に収納された多段に巻回された 1本の伝 熱管 3 8から構成されており、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 7は、 排気ポート 1 8に形成した開口 （図示せず） を通って第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8に連続し ている。
図 9 A〜図 9 Cを参照すると明らかなように、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8 は、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの内部形状に沿うようにテーパーした 3重コィ ル状に巻き付けられており、 内層のコイルは後方（図中左側） から前方（図中右側） に向かって直径を縮小しながら巻かれ、 前端で折り返した後の中間層のコイルは前 方から後方に向かって直径を拡大しながら巻かれ、 後端で折り返した後の外層のコ ィルは後方から前方に向かって直径を縮小しながら巻かれている。 図 9 Bに示す水 入口は後述する上流側の第 3段熱交換器 H 3に接続され、 図 9 Cに示す水出口は前 記下流側の第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 7に接続される。 図 9 Aに示す丸付数字 ①〜⑥は伝熱管 3 8内を水が流れる経路を示している。
尚、 第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8を、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの内部 形状に沿うようにテーパーした 3重コイル状に巻き付けたことにより、 この拡径部 1 8 bを流れる排気ガスに整流作用を与えて流通抵抗の軽減に寄与することができ る。
図 7および図 8に最も良く示されるように、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの後 端に環状の分配通路形成部材 4 1がー体に形成されており、 この分配通路形成部材 4 1の後面に別の環状の分配通路形成部材 4 2を結合することにより、 両分配通路 形成部材 4 1 , 4 2間に第 3円形分配通路 4 3が形成される。 この第 3円形分配通 路 4 3に、 前記第 4段熱交換器 H 4の伝熱管 3 8の上流端が接続される。
プレ触媒装置 3 4の外周を覆う円筒状ケース 4 4の前端が前記分配通路形成部材 4 2に結合され、 また円筒状ケース 4 4の後端に相互に重ね合わされた状態で結合 された 2枚の環状の分配通路形成部材 4 5 , 4 6間に第 2円形分配通路 4 7が形成 される。 そして円筒状ケース 4 4の内部にプレ触媒装置 3 4および第 3段熱交換器 H 3が配置される。
プレ触媒装置 3 4はハニカム板状に形成された 7枚の触媒担体 4 8…を備えてお り、 その表面に公知の排気ガス浄化触媒が担持されている。 円筒状ケース 4 4の内 部で 7枚の触媒担体 4 8…を囲むように配置された第 3段熱交換器 H 3は、 屈曲さ せた 2本の伝熱管 4 9 , 4 9から構成される （図 1 0参照)。 各伝熱管 4 9， 4 9は 円形の平面内でジグザグに折り曲げられた後に、 軸方向に 1ピッチ離間した次の平 面に移つて同形状のジグザグに折り曲げられ、 これを複数ピッチ分繰り返した円筒 状の外形を有している。 そして 2本の伝熱管 4 9， 4 9を相互に組み合わせたもの の内部空間に、 前記 7枚の触媒担体 4 8…が収納される。 このとき 2本の伝熱管 4 9 , 4 9は 7枚の触媒担体 4 8…の表面に密着する。 そして 2本の伝熱管 4 9， 4 9の上流端は前記分配通路形成部材 4 5， 4 6間に形成された第 2円形分配通路 4 7に接続され、 また下流端は前記分配通路形成部材 4 1 , 4 2間に形成された第 3 円形分配通路 4 3に接続される。
プレ触媒装置 3 4の円筒状ケース 4 4の半径方向外側に 2個の円筒状ケース 5 0 , 5 1が同軸に配置されており、 両円筒状ケース 5 0， 5 1間に第 2段熱交換器 H 2 が環状に配置される。 第 2段熱交換器 H 2は、 一方向のコイル状に巻かれた多数の 伝熱管 5 2…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管 5 3…とが、 それらの 一部を嚙み合わせた状態で交互に配置されており、 これにより空間内の伝熱管 5 2 …， 5 3…の配置密度を高めている。 而して、 プレ触媒装置 3 4の外周は、 伝熱管 5 2 ···, 5 3…によって取り囲まれる。
外側の円筒状ケース 5 0の前端に固定した分配通路形成材 5 4と、 この分配通路 形成部材 5 4の前面に結合された分配通路形成部材 5 5との間に第 1円形分配通路 5 6が形成される。 伝熱管 5 2 ···, 5 3…の上流端は前記第 1円形分配通路 5 6に 接続され、 伝熱管 5 2 ···, 5 3…の下流端は前記第 2円形分配通路 4 7に接続され る。
3個のプレ触媒装置 3 4…は、 金属板をプレス加工した板状の取付板 5 7で一纏 めにしてシリンダへッド 1 2に固定される。 取付板 5 7には 3個の開口 5 7 a…力 S 形成されており、 これら開口に 5 7 a…に 3個の排気ポート 1 8…の拡径部 1 8 b …の分配通路形成部材 4 1がそれぞれ固定されて一体化される。 取付板 5 7の外周 に固定した小判形のフランジ 5 8が 1 6本のボルト 5 9…でシリンダへッド 1 2に 固定される。
3個のプレ触媒装置 3 4…の後方に 3個のメイン触媒装置 3 5…が配置される。 メイン触媒装置 3 5…は全体として円筒状に形成されたハニカム構造の触媒担体 6 0…の表面に触媒を担持したもので、 その外周に厚肉のリング部材 6 1…が嵌合す る。 メイン触媒装置 3 5…の直径はプレ触媒装置 3 4…の直径よりも大きく、 メイ ン触媒装置 3 5…はプレ触媒装置 3 4…と同じ直径の内層部 3 5 a…と、 プレ触媒 装置 3 4…の外周から外側にはみ出した外層部 3 5 b…とに別れている。 プレ触媒 装置 3 4…とメイン触媒装置 3 5…との対向部をシールすべく、 分配通路形成部材 4 6の後面にスプリング 6 2…を介して支持したシール部材 6 3…がメイン触媒装 置 3 5…の前面に弾発的に当接する。 メイン触媒装置 3 5…の外周のリング部材 6 1…の後端にスプリング 6 4…を介してエンドキャップ 6 5…が支持される。 3個 のエンドキャップ 6 5…の後面は、 後述する内壁部材 6 6の前面に設けた突起 6 6 a…に当接して前方に押圧されている。
3個のプレ触媒装置 3 4…および 3個のメイン触媒装置 3 5…の外側は、 着脱自 在な共通のカバー 7 1で覆われる。 カバー 7 1は、 中央に排気管 3 2の取付孔 7 2 aが形成された板状の分配通路形成部材 7 2と、 この分配通路形成部材 7 2の前面 に結合された三連リング状の分配通路形成部材 7 3とを備えており、 両分配通路形 成部材 7 2， 7 3間に第 1三連リング状分配通路 7 4が形成される。 三連リング状 の分配通路形成部材 7 3からは半径方向外側に位置する筒状部材 7 5と、 半径方向 内側に位置する筒状部材 7 6とが微小な間隔をもって前方に延びており、 外側の筒 状部材 7 5の前端に設けた小判形のフランジ 7 7が、 前記フランジ 5 8と重ね合わ されてボルト 5 9…で共締めされる。
内側の筒状部材 7 6の前端には三連リング状の分配通路形成部材 7 8が固定され ており、 この分配通路形成部材 7 8の前面に略同形の分配通路形成部材 7 9を結合 することにより、 第 2三連リング状分配通路 8 0が形成される。 第 1三連リング状 分配通路 7 4および第 2三連リング状分配通路 8 0は同形であって前後に向かい合 つている。 カバー 7 1の内部には、 カップ状に形成された前記内壁部材 6 6が収納 されており、 この内壁部材 6 6の外周面と内側の筒状部材 7 6の内周面との間に第 1段熱交換器 H 1が配置される。
第 1段熱交換器 H Iは、 前記第 2段熱交換器 H 2…と類似の構造で、 一方向のコ ィル状に巻かれた多数の伝熱管 8 1…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱 管 8 2…とが、 それらの一部を嚙み合わせた状態で交互に配置され、 これら伝熱管 8 1 -, 8 2…によって第 2段熱交換器 H 2…の外周およびメイン触媒装置 3 5〜 の外周が取り囲まれる。 伝熱管 8 1 ···, 8 2…の上流端は第 1三連リング状分配通 路 7 4に接続され、 下流端は第 2三連リング状分配通路 8 0に接続される。
第 5段熱交換器 H 5…の伝熱管 3 7 ···、 第 4段熱交換器 H 4…の伝熱管 3 8—、 第 3段熱交換器 H 3…の伝熱管 4 9ー、 第 2段熱交換器 H 2…の伝熱管 5 2…， 5 3 ， 第 1段熱交換器 H Iの伝熱管 8 1 ···, 8 2…の材質は、 耐熱性ステンレス鋼 (オーステナイト系の、 例えば S U S 3 1 6 L、 S U S 3 1 0 Sや、 フェライト系 の、例えば S U S 4 3 0、 S U S 4 4 4 ) , あるいはニッケル基耐熱合金が好ましい。 尚、 伝熱管の結合にはろう付けや機械的拘束が好ましい。
またプレ触媒装置 3 4…の触媒担体 4 8…としては、 耐熱ステンレス鋼 （例えば 2 0重量％C r _ 5重量％A 1フェライト系ステンレス鋼） や、 ニッケル基耐熱合 金の金属箔 （厚さ 0 . 1 mm以下） が好ましく、 メイン触媒装置 3 5…の触媒担体 6 0…としては、 コ一デユライトが好ましい。
図 1 1を参照すると明らかなように、 高圧蒸気の元となる水が供給される給水口 8 3が第 1三連リング状分配通路 7 4の中央部に設けられており、 第 1三連リング 状分配通路 7 4は、 3個のメイン触媒装置 3 5…の外周を囲むように配置された第 1段熱交換器 H Iの多数の伝熱管 8 "， 8 2…を介して第 2三連リング状分配通 路 8 0に連通し、 この第 2三連リング状分配通路 8 0は着脱自在な 2個の継ぎ手 8 4…を介して 3個の第 1円形分配通路 5 6…に連通する。
3個の第 1円形分配通路 5 6…は、 3個のプレ触媒装置 3 4…の外周を囲むよう に配置された第 2熱交換器 H 2…の伝熱管 5 2 ···, 5 3…を介して 3個の第 2円形 分配通路 4 7…に連通し、 これら 3個の第 2円形分配通路 4 7…は、 それぞれ 3個 のプレ触媒装置 3 4…の内部に配置された第 3段熱交換器 H 3…の各 2本の伝熱管 4 9…を介して 3個の第 3円形分配通路 4 3…に連通する。 そして 3個の第 3円形 分配通路 4 3…は、 3個の排気ポート 1 8…の内部を通る第 4段熱交換器 H 4…の 各 1本の伝熱管 3 8…と、 3個の排気ポート 1 8…の外部を通る第 5段熱交換器 H 5…の各 1本の伝熱管 3 7…とを通った後に、 継ぎ手 8 5で合流して排水口 8 6か ら後段の膨張機 4に供給される。
また途中給水口 8 7から給水された水は分配器 8 8で 3方向に分岐し、 その一部 が継ぎ手 8 4…を介して 3個の第 1円形分配通路 5 6に途中給水され、 その一部が 3個の第 2円形分配通路 4 7…に途中給水され、 その一部が 3個の第 3円形分配通 路 4 3…に途中給水される。
このように、 給水口 8 3から供給された水が第 1段熱交換器 H I→第 2段熱交換 器 H 2…—第 3段熱交換器 H 3…—第 4段熱交換器 H 4 ···→第 5段熱交換器 H 5… を経て排水口 8 6に達するまでに、 内燃機関 1から出て前記水の流れ方向と逆方向 に流れる排気ガスとの間で熱交換を行って蒸気となる。
即ち、 内燃機関 1から出た排気ガスは、 3個の排気ポート 1 8…の等径部 1 8 a …を通過する間に、 その等径部 1 8 a…の外周面に巻き付けた伝熱管 3 7…よりな る第 5段熱交換器 H 5…との間で熱交換を行う。 排気ポート 1 8…の等径部 1 8 a …から拡径部 1 8 b…に流入した排気ガスは、 その拡径部 1 8 b…の内部に収納し た 3重コイル状に巻いた伝熱管 3 8…よりなる第 4段熱交換器 H 4…に直接接触し て熱交換を行う。 排気ガスは排気ポート 1 8…から 3個のプレ触媒装置 3 4…の各 7個の触媒担体 4 8…の内部を通過して有害成分を浄化され、 その際に前記触媒担 体 4 8…の周囲を囲む伝熱管 4 9…よりなる第 3段熱交換器 H 3…との間で熱交換 を行う。
3個のプレ触媒装置 3 4…を通過した排気ガスは 3個のメイン触媒装置 3 5…の 内層部 3 5 a…を前方から後方に通過した後、 エンドキャップ 6 5…に阻止されて Uターンし、 メイン触媒装置 3 5…の外層部 3 5 b…を後方から前方に通過し、 そ の間にメイン触媒装置 3 5…によって排気ガス中の有害成分が浄化される。 メイン 触媒装置 3 5…を出た排気ガスは、 一対の円筒状ケース 5 0 ···， 5 1…間に配置さ れた伝熱管 5 2 -, 5 3…よりなる第 2段熱交換器 H 2…を後方から前方に流れる 間に熱交換され、 その後に 1 8 0 ° 方向変換して筒状部材 7 6および内壁部材 6 6 間に配置された伝熱管 8 1 ···， 8 2…よりなる第 1段熱交換器 H Iを前方から後方 に流れる間に熱交換され、 最後に分配通路形成部材 7 2の取付孔 7 2 aから排気管 3 2に排出される。
上記構造の蒸発器 3を組み立てる手順を、 主に図 1 2を参照して説明する。 先ず、 第 4段熱交換器 H 4…および第 5段熱交換器 H 5…を予め組み付けた 3個 の排気ポート 1 8…と、 第 2段熱交換器 H 2…および第 3段熱交換器 H 3…を予め 組み付けた 3個のプレ触媒装置 3 4…とを一体化したサブァセンブリをシリンダへ ッド 1 2に取り付ける。 即ち、 板状の取付板 5 7の 3個の開口 5 7 a…に、 3個の 排気ポート 1 8…に設けた分配通路形成部材 4 1をそれぞれ固定して一体化し、 そ の取付板 5 7の外周に固定した小判形のフランジ 5 8をシリンダへッド 1 2に位置 決めする。
続いて、 3個のプレ触媒装置 3 4…の後方から 3個のメイン触媒装置 3 5…を接 近させ、 メイン触媒装置 3 5…の外周のリング部材 6 1…の前端外周を第 2段熱交 換器 H 2…の円筒状ケース 5 0…の後端外周に嵌合させる。 このとき、 分配通路形 成部材 4 6…の後面にスプリング 6 2…を介して支持したシール部材 6 3…がメイ ン触媒装置 3 5…の前面に弾発的に当接する （図 4参照)。
続いて、 カバー 7 1を前方に移動させ、 円を横方向にずらせて 3個重ねた三連形 状の第 1段熱交換器 H 1で 3個のメイン触媒装置 3 5…および 3個の第 2段熱交換 器 H 2…の外周を覆い、 カバー 7 1の筒状部材 7 5に設けたフランジ 7 7を取付板 5 7のフランジ 5 8の後面に重ね合わせ、 1 6本のボルト 5 9…でシリンダへッド 1 2に結合する。 このとき、 カバ一 7 1の内部の内壁部材 6 6の突起 6 6 a…でメ イン触媒装置 3 5…のエンドキャップ 6 5…を前方に押圧し、 エンドキャップ 6 5 …の外周に設けたパネ座 6 7…とメイン触媒装置 3 5…の外周のリング部材 6 1— の後端に設けたバネ座 6 8…との間にスプリング 6 4…を圧縮する （図 4参照)。 以上のように、 プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…を含む内層部分 と、 それらの外周を覆う外層部分であるカバー 7 1とを半径方向に若干の隙間を持 たせて組み付けるので、 それらの半径方向の熱膨張を吸収することができる。 また メイン触媒装置 3 5…はプレ触媒装置 3 4…の後面とカバー 7 1の内壁部材 6 6の 前面との間にスプリング 6 2 ···， 6 4…によって弾発的に保持されるので、 プレ触 媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の軸方向の熱膨張を吸収することができ る。
そして最後に、 3個の第 1円形分配通路 5 6…をそれぞれ継ぎ手 8 4…を介して カバー 7 1の前端の第 2三連リング状分配通路 8 0に接続するとともに、 3個の排 気ポート 1 8…から延びる第 5段熱交換器 H 5…の 3本の伝熱管 3 7…を継ぎ手 8 5で合流させて蒸発器 3の組み立てを完了する。
ところで、 図 1 3に示すように、 本実施例 P _ lでは、 排気ガスを浄化する触媒 装置を、上流側のプレ触媒装置 3 4…と下流側のメイン触媒装置 3 5…とに分害 ijし、 プレ触媒装置 3 4…の排気ガス流れ方向上流側に第 4段熱交換器 H 4…および第 5 段熱交換器 H 5…を配置し、 メイン触媒装置 3 5…の排気ガス流れ方向下流側に第 1段熱交換器 H Iおよび第 2段熱交換器 H 2…を配置している。 尚、 前述したよう に、 第 3段熱交換器 H 3…はプレ触媒装置 3 4…の内部に収納される。
一方、 比較例 C一 0は触媒装置および熱交換器を一切備えないもの、 比較例 C一 1はメイン触媒装置だけを備えたもの、 比較例 C一 2はプレ触媒装置の後段にメイ ン触媒装置を備えたもの、 比較例 C— 3はメイン触媒装置の前段および後段にそれ ぞれ熱交換器を備えたものである。
図 1 4は、 内燃機関 1の始動直後の冷間時において、 排気ガスの温度が上流側か ら下流側に向けて （L 0→L 1→L 2→L 3→L 4→L 5 ) に向けてどのように変 化するかを示すものである。 本実施例 P— 1によれば、 プレ触媒装置 3 4…を排気 通路 3 3の上流側に配置し、 かつプレ触媒装置 3 4…の容量を小さく設定したこと により、 冷間時においてもプレ触媒装置 3 4…の温度を触媒活性化温度以上に速や 力、に昇温させ、 排気ガス中の有害成分を効果的に低減することができる。
また容量の小さいプレ触媒装置 3 4…だけでは排気ガス浄化能力が不足するが、 その下流側に大容量のメイン触媒装置 3 5…を配置することにより、 小容量のプレ 触媒装置 3 4…の排気ガス浄化能力を充分に補っている。 更にメイン触媒装置 3 5 …の内層部 3 5 a…と外層部 3 5 b…とで排気ガスの流れ方向が反転するので、 先 ず排気ガスがメイン触媒装置 3 5…の内層部 3 5 a…を通過する際に触媒反応によ り温度上昇し、 その温度上昇した排気ガスをメイン触媒装置 3 5…の外層部 3 5 b …に供給するとともに、 排気ガスを 1 8 0 ° が反転する際に排気ガス中の有害成分 を効果的に混合せしめて外層部 3 5 b…における触媒反応を促進し、 メイン触媒装 置 3 5…全体としての排気ガス浄化性能を高めることができる。 しかも内層部 3 5 a…の排気ガスを外層部 3 5 b…の排気ガスで覆ってサーマルリークを防止し、 熱 交換効率の低下を防止することができる。
図 1 5は、 内燃機関 1の高温運転時において排気ガスの温度が上流側から下流側 に向けてどのように変化するかを示すものである。 本実施例 P— 1によれば、 プレ 触媒装置 3 4…の位置が排気ポート 1 8…に近いために高温の排気ガスに晒されて 劣化する虞があるが、 排気ポート 1 8…に第 4段熱交換器 H 4…および第 5段熱交 換器 H 5…を配置したことにより、 プレ触媒装置 3 4…の触媒温度が耐熱温度を越 えるのを防止することができる。 またプレ触媒装置 3 4…の内部においても、 第 3 段熱交換器 H 3の触媒担体 4 8…を 7個に分割してそれそれを細幅にし、 且つ前記 触媒担体 4 8…の周囲に第 3段熱交換器 H 3…のジグザグ状の折り曲げた伝熱管 4 9…を直接接触させたことにより、 プレ触媒装置 3 4…の触媒温度が耐熱温度を越 えるのを一層確実に防止することができる。
しかも、 第 1段熱交換器 H I、 第 2段熱交換器 H 2…ゝ 第 3段熱交換器 H 3 --·、 第 4段熱交換器 H 4…および第 5段熱交換器 H 5…を直列に接続し、 第 1段熱交換 器 H 1側から第 5段熱交換器 H 5…側に順次給水するようになっているため （この 給水方法をワンウェイ給水という）、その給水量を増減することにより内燃機関 1の 運転状態に応じてプレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の温度を適切に 制御することができる （表 1参照)。
【表 1】
低温始動性および高温耐熱性の比 ！乂 低温始動性 高温耐熱性
(早期活性化） (触媒の劣化） 総合判定 比較例 C-1 不良 不良 不良
C-2 良 不良 不良
C— 3 不良 良 不良
：熱交換器中
の低温媒体 ：なし ：なし
の流量制御
実施例 P— 1 良 良 良
：熱交換器中
の低温媒体 ：有り ：有り
の流量制御 (流量：少） (流量：多）
また第 1段熱交換器 H 1力 ^ら第 5段熱交換器 H 5…までの給水経路の途中の 3個 所、 つまり第 2段熱交換器 H 2…の直上流の第 1円形分配通路 5 6…と、 第 3段熱 交換器 H 3…の直上流の第 2円形分配通路 4 7…と、 第 4段熱交換器 H 4…の直上 流の第 3円形分配通路 4 3…とに途中給水し、 第 2段〜第 4段熱交換器 H 2…， H 3 -, H 4…に対する給水量を内燃機関 1の運転状態 （排気ガスの流量や排気ガス の温度） や触媒温度の変化に応じて個別に制御すれば （この給水方法を複数給水と いう）、プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の触媒温度を触媒反応に適 した温度に一層きめ細かく制御することができる （表 2および図 1 6参照)。
【表 2】 熱負荷変動時の触媒温度の追従性 燃焼装置の運転状況（熱負荷）
流量制 触媒の状態 低熱負荷 中熱負荷 高熱負荷
御力；
温度域 追従性 浄化性能 温度域 追従性 浄化性能 温度域 追従性 浄化性能 ワンウェイ プレ触媒 良 早い 良 良 早い 良 良 早い 良 給水
メイン触媒 低目 遅い 不足 低目 不足 低目 遅い 不足
•途中 (なし） (なし） (なし） 給水
二総糸 pTKji ：少 ：中 ：多
複数給水 プレ触媒 —良 早い 良 良 早い 良 良 早い 良 メイン触媒 良 早い 良 良 早い 良 良 早い 良
•途中 (途中給 (A) (B) (C) (A) (B) (C) (A) (B) (C) 給水 水位置）
：途中給水量 ：微少 ：微少 ：微少 ：微少 ：少 ：少 ：少 ：中 ： 多
：総給水量 ：少 ： 中 ：多
複数給水の効果を図 1 6に基づいて更に説明する。 破線で示すワンウェイ給水を 行う場合、 内燃機関 1の低負荷状態にあわせて給水量を少なく設定すると、 触媒温 度は早めに下限温度 （触媒活性化温度） を越えるが、 上限温度 （触媒耐熱温度） を 越えるのも早くなつてしまう。 逆に、 内燃機関 1の高負荷状態にあわせて給水量を 多く設定すると、触媒温度が下限温度（触媒活性化温度） を越えるのが遅れる反面、 上限温度 （触媒耐熱温度） を越えるのを遅らせることができる。 このように、 ワン ウェイ給水では触媒の早期活性化と耐久性とを両立させるのが難しくなるが、 内燃 機関 1の低負荷状態で給水量を少なく設定し、 負荷が増大する途中で途中給水によ り給水量を増加させることにより、 触媒の早期活性化と耐久性とを両立させること が可能となる。
尚、 図中でプレ触媒装置 3 4…のラインが左側にあり、 メイン触媒装置 3 5…の ラインが右側にあるのは、 プレ触媒装置 3 4…の容量が小さく、 メイン触媒装置 3 5 ···の容量が大きいためである。 勿論、 3個所の途中給水口の給水量をそれぞれ別 個に制御することによる、 プレ触媒装置 3 4…およびメイン触媒装置 3 5…の温度 を一層精密に制御することができる。
以上のように、 本実施例 P— 1によれば、 比較例 C _ 0〜C一 3に比べて排気ガ ス浄ィ匕性能および触媒装置の耐久性能を総合的に高めることができる。 特に、 プレ 触媒装置 3 4…の内部に第 3段熱交換器 H 3を一体に設けたことによりプレ触媒装 置 3 4…の温度を能動的に制御することができ、 またプレ触媒装置 3 4…の近傍の 第 1円形分配通路 5 6 ···、 第 2円形分配通路 4 7…および第 3円形分配通路 4 3 に途中給水することにより、 プレ触媒装置 3 4…自体の温度だけでなく、 その下流 に位置するメイン触媒装置 3 5…の温度をも的確に制御し、 総合的な排気ガス浄化 性能を大幅に高めることができる。
5段の熱交換器 H I〜H 5…の伝熱面密度 （伝熱面積 Z体積） は、 第 1段熱交換 器 H Iが最大であり、 そこから第 5段熱交換器 H 5…に向かって漸減する。 また 5 段の熱交換器 H I〜H 5…の通路断面積は、 第 1段熱交換器 H Iが最小であり、 そ こから第 5段熱交換器 H 5…に向かって漸増する。 第 1段熱交換器 H 1〜第 4段熱 交換器 H 4…の伝熱面密度および通路断面積は表 3に示される。 【表 3】
各段の熱交換器の伝熱面密度および通路断面積の比較 伝熱面密度（ m—1 ) 通路断面積（ m 2 ) 第 1段熱交換器 680 0.0008 第 2段熱交換器 480 0.0009 第 3段熱交換器 440 0.0009 第 4段熱交換器 90 0.001
伝熱面密度 （伝熱面積 Z体積） を第 1段熱交換器 H Iから第 5段熱交換器 H 5… に向かって漸減させたことにより、 燃焼室 1 6…に近いために温度が高い排気ガス が通過する第 5段熱交換器 H 5…の伝熱面密度を最小にし、 排気通路 3 3を通過し て温度低下した排気ガスが通過する第 1段熱交換器 H 1の伝熱面密度を最大にする ことにより、 5段の熱交換器 H 1〜H 5…の全域に直って平均的な熱交換効率を得 ることができる。
また燃焼室 1 6…から出た排気ガスは高温で体積が大きいために流速が速くなる ため、 燃焼室 1 6…に近い第 5段熱交換器 H 5…の通路断面積を最大にして圧損を 最小限に抑えることができる。 一方、 排気通路 3 3を通過して温度低下した排気ガ スは体積が低下して流速も低下するため、 第 1段熱交換器 H 1の通路断面積を最小 にして蒸発器 3をコンパクト化することができる。
第 1段熱交換器 H 1〜第 4段熱交換器 H 4…の伝熱面密度および通路断面積を表 3のように設定した効果は、 表 4に纏められている。
【表 4】
o従来技術の場合（均一構造）
Figure imgf000023_0001
排ガス、 水の通過面積
前段≥後段 伝熱面密度
o本発明の場合 前段≤後段 前 部（排ガス高温部）後段部（排ガス低^部） o更に期待できる効果 熱交換 1 高い ' 1高い卜一 J ' コンパク卜になる 排ガス圧損 - . . 一 . + 氐い 低い 低圧損になる 水（蒸気）圧損 氣 低い
ところで、 内燃機関 1側から見た前段の熱交換器である第 2段〜第 5段熱交換器 H 2〜〜H 5…は各排気ポート 1 8…毎に設けられており、 各排気ポート 1 8…か ら出た排気ガスが混合することがないため、 排気干渉の発生を回避して内燃機関 1 の出力低下を防止することができる。 また排気ポート 1 8…の出口では排気ガスの 圧力の脈動が存在し、 かつ排気圧力も高いために伝熱促進効果が期待できる。 図 1 7は、 排気脈動のない熱風装置と排気脈動のある内燃機関とについて、 各レイノル ズ数における伝熱性能を比較したものであるが、 排気脈動のある内燃機関の方が伝 熱性能が高いことが確認される。 図 1 8は、 ゾ°イブ管群式の熱交換器を設けた単気 筒内燃機関において、 2種類の排気圧力で各レイノルズ数における伝熱性能を比較 したものであるが、 排気圧力が高い方が伝熱性能が高いこと力確認される。
また内燃機関 1側から見た後段の熱交換器である第 1段熱交換器 H 1では、 3個 の排気ポート 1 8…からの排気ガスが一集合して脈動のない流れになるため、 排気 ガスを高温かつ一定温度に維持し、 かつ脈動流と異なつて排気ガスの流れが静止し ない定常流にして熱交換性能の低下を防止することができる。
しかも、 排気ガスは内燃機関 1側から排気管 3 2側に流れるのに対して、 水は排 気管 3 2側から内燃機関 1側に流れるため、 排気ガスおよび水はクロスフローの状 態になり、 第 1段〜第 5段熱交換器 H 1〜H 5…の全域に亘って排気ガスと水との 間の温度差を最大限に確保し、両者間の熱交換効率の向上に寄与することができる。 また図 4から明らかなように、 蒸発器 3の幅 （内燃機関 1のクランクシャフト方 向の幅）は 3個のシリンダポア 1 4…の幅と大差がなく、極めてコンパクトである。 しかも 1 6本のポルト 5 9…を緩めるだけで蒸発器 3をシリンダヘッド 1 2から取 り外すことができるので、 メンテナンスが容易であるばかりか、 カバー 7 1によつ て蒸発器 3全体が高剛性に一体ィ匕されるので、 内燃機関 1の振動に対する耐久性も 向上する。
更に、 排気通路 3 3を 3段のジグザグ状に折り曲げるとともに、 第 1段〜第 4段 熱交換器 H 1〜H 4…を半径方向に積層して配置したので、 サ一マルリークを最小 限に抑え、 力つ蒸発器 3の内部からの騒音の放散を防止しながら、 蒸発器 3全体の 寸法を極力小型化して内燃機関 Eのシリンダへッド 1 2にコンパクトに配置するこ とができる。 また第 1段〜第 5段熱交換器 H 1〜H 5… プレ触媒装置 3 4およびメイン触媒 装置 3 5を半径方向に積層して迷路状に配置したので、 その消音効果で廃熱回収装 置 2の外部に排気騒音が漏れるのを効果的に防止することができるだけでなく、 主 に第 1段〜第 5段熱交換器 H 1〜H 5…により排気ガス温度の低減効果を得ること ができる。 これにより、 排気マフラ一を簡略化したり省略したりすることが可能に なり、 排気装置そのもののコンパクト化や軽量ィヒが可能になる。 しかも排気ガス温 度の低下により特に第 1段熱交換器 H 1の下流側の排気通路の温度が低下するので、 耐熱性に対する設計自由度が増加して排気通路にプラスティック等の材料を使用す ることが可能となる。その結果、排気通路の形状の自由度、車両への取付の自由度、 冷却性に対する自由度等が増加し、 従来排気装置によって制約を受けていた車両全 体の設計自由度を高めるとともに、 排気装置全体の軽量化に資することができる。 以上、 本発明の実施例を詳述したが、 本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々 の設計変更を行うことが可能である。
例えば、 実施例では第 1の熱交換器が第 2段熱交換器 H 2， 第 3段熱交換器 H 3 および第 4段熱交換器 H 4の 3個の熱交換器から構成されているが、 それを 3個以 外の個数の熱交換器から構成することができる。 同様に、 実施例では第 2の熱交換 器が第 1段熱交換器 H 1だけから構成されているが、 それを 2個以外の個数の熱交 換器から構成することができる。
また実施例では 3気筒の内燃機関 1を例示したが、 本発明は 3気筒以外の多気筒 内燃機関に対しても適用することができる。
産業上の利用可能性
以上のように本発明に係る多気筒内燃機関の熱交換器は、 自動車用の内燃機関に 好適に適用可能であるが、 自動車用以外の任意の用途の内燃機関に対しても適用可 能である。

Claims

請求の範囲
1. 多気筒内燃機関 （1) の各燃焼室 （16) から延びる排気通路 （33) 毎に第 1の熱交換器 （H2〜H4) を配置するとともに、 少なくとも 2個の排気通路 （3 3) の集合部に第 2の熱交換器 (HI) を配置したことを特徴とする多気筒内燃機 関の熱交換器。
2. 排気ガスの流れ方向上流側に位置する第 1の熱交換器 （H2〜H4) と下流側 に位置する第 2の熱交換器 (HI) とが相互に連通することを特徴とする、 請求項 1に記載の多気筒内燃機関の熱交換器。
3. 第 1の熱交換器 （H2〜H4) および第 2の熱交換器 （HI) を一体化したこ とを特徴とする、 請求項 1または請求項 2に記載の多気筒内燃機関の熱交換器。
4. 第 1の熱交換器 （H2〜H4) の外周部に第 2の熱交換器 (HI) を積層した ことを特徴とする、 請求項 1〜請求項 3の何れか 1項に記載の多気筒内燃機関の熱 交換器。
5. 熱媒は第 2の熱交換器 (HI) から第 1の熱交換器 （H2〜H4) へと流れる ことを特徴とする、 請求項 1〜請求項 4の何れか 1項に記載の多気筒内燃機関の熱 交換器。
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