JP2017115682A - 排気熱回収装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱の回収を抑制するためにバルブを閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気熱回収装置30は、開口121を介して排気通路12と連通する分岐室40と、開口121を排気通路12における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸321を中心に回転して開口121を閉塞するバルブ32とを備える。分岐室40は、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部41と、熱交換部41よりも開口121側に位置する接続部43とを含む。接続部43には、同接続部43の内部を、熱交換部41に繋がる第1の接続部431と、熱交換部41に繋がる第2の接続部432とに区画する区画壁45が設けられている。
【選択図】図3
【解決手段】排気熱回収装置30は、開口121を介して排気通路12と連通する分岐室40と、開口121を排気通路12における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸321を中心に回転して開口121を閉塞するバルブ32とを備える。分岐室40は、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部41と、熱交換部41よりも開口121側に位置する接続部43とを含む。接続部43には、同接続部43の内部を、熱交換部41に繋がる第1の接続部431と、熱交換部41に繋がる第2の接続部432とに区画する区画壁45が設けられている。
【選択図】図3
Description
本発明は、排気熱回収装置に関する。
特許文献1には、燃焼室から排出された排気の熱を利用して内燃機関を早期に暖機させるための排気熱回収装置の一例が記載されている。この排気熱回収装置は、排気が流れる排気通路に接続されているバイパス通路と、バイパス通路の途中に設けられた熱交換器とを備えている。バイパス通路の上流端は排気通路からバイパス通路に排気を流入させるための流入部であり、バイパス通路の下流端はバイパス通路から排気通路に排気を戻すための流出部である。そして、排気通路での排気の流れる方向を排気流動方向とした場合、流出部は、排気通路における流入部との接続部位よりも排気流動方向下流側で同排気通路に接続されている。
熱交換器は、排気の流れる排気用通路と、機関冷却水の流れる冷却水用通路とを有している。そして、バイパス通路を流れる排気が排気用通路を通過するようになっている。そのため、排気用通路を流れる排気の熱が冷却水用通路を流れる機関冷却水に伝わることで機関冷却水が暖められ、内燃機関を暖機させることができる。
また、この排気熱回収装置には、排気通路からバイパス通路への排気の流入の許可及び停止を切り替える切替装置が設けられている。この切替装置は、アクチュエータの作動によって回転する弁体を有している。排気通路からバイパス通路への排気の流入を許可する場合、この弁体は、排気通路における、上記流入部が接続されている部位と上記流出部が接続されている部位との間で、通路断面積を狭める態様になるように位置が制御される。その結果、弁体によって排気通路の当該部分における排気の流通が妨げられ、排気通路の当該部分を排気が流れにくくなる。これにより、排気通路を流れる排気が流入部を介してバイパス通路に流入し、熱交換器を通過するようになる。そして、熱交換器を通過した排気が流出部を介して排気通路に戻されるようになる。
一方、この排気熱回収装置では、内燃機関の暖気完了後などのように機関冷却水を暖める必要がない場合には、排気通路からバイパス通路への排気の流入を停止する。この場合、アクチュエータの作動によって弁体が回転することにより、バイパス通路の流出部が同弁体によって閉塞される。そして、この排気熱回収装置では、このように弁体の位置を変更することで、排気通路での排気の流通が弁体によって妨げられなくなる。そのため、排気通路からバイパス通路に排気が流入しなくなり、バイパス通路での排気の流動が停止する。その結果、排気の熱の回収が抑制されるようになる。
しかしながら、上記の排気熱回収装置では、弁体によってバイパス通路の流出部を閉塞しても、流入部を介した排気通路とバイパス通路との連通は維持されている。そのため、流出部を閉塞しているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が、熱交換器の排気用通路に滞留している排気に伝わり、冷却水用通路を流れる機関冷却水に伝わってしまう。すなわち、上記の構成では、排気の熱の回収を十分に抑制できないおそれがある。
本発明の目的は、熱の回収を抑制するためにバルブを閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる排気熱回収装置を提供することにある。
上記課題を解決するための排気熱回収装置は、排気通路に設けられた開口を介して同排気通路と連通する分岐室と、開口を排気通路における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸を中心に回転して同開口を閉塞する板状のバルブと、を備える。また、分岐室が、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部と、同熱交換部よりも前記開口側に位置する接続部と、を含む。また、接続部には、熱交換部に繋がる部分を、同熱交換部に繋がる第1の接続部と、同熱交換部に繋がる第2の接続部とに区画する区画壁が設けられている。そして、バルブにおける回転軸を挟んで位置する部位のうち一方の部位である第1の部位が区画壁における開口側の端部と当接する位置まで前記バルブが回転したときには、バルブにおける回転軸を挟んで位置する部位のうち他方の部位である第2の部位が、排気通路を流れる排気の流れを遮る。また、このとき、第1の部位が、区画壁とともに、接続部内を、排気通路における第2の部位よりも上流側の部分を開口及び第1の接続部を介して熱交換部に連通させる入口側通路と、排気通路における第2の部位よりも下流側の部分を開口及び第2の接続部を介して熱交換部に連通させる出口側通路と、に区画する。
上記構成によれば、バルブの第1の部位が区画壁に当接している場合には、接続部内は、入口側通路と、出口側通路とに区画される。また、この場合には、バルブの第2の部位が排気通路を流れる排気を遮るようになる。そのため、排気通路を流れる排気が、入口側通路を介して熱交換部に導かれる。すると、熱交換部において排気と機関冷却水との熱交換が行われ、熱交換部を通過した排気は、出口側通路を介して排気通路に戻る。
また、熱交換部への排気の流入を停止させる場合には、回転軸を中心にバルブを回転させ、バルブによって開口を閉塞するようにすればよい。こうして、開口がバルブによって閉塞されると、分岐室と排気通路との連通が遮断される。そのため、従来のように、流入部及び流出部の一方と排気通路との連通は遮断するものの、他方と排気通路との連通が維持される場合と比較し、排気通路を流れる排気の熱が、分岐室に滞留する排気に伝わりにくくなる。
したがって、熱の回収を抑制するためにバルブを閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができるようになる。
以下、排気熱回収装置の一実施形態を図1〜図4に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態の排気熱回収装置30は、内燃機関10の排気通路12に取り付けられている。
図1に示すように、本実施形態の排気熱回収装置30は、内燃機関10の排気通路12に取り付けられている。
内燃機関10は、燃料及び空気を含む混合気が燃焼される燃焼室11を備えており、この燃焼室11で発生した排気は排気通路12に排出されるようになっている。
機関冷却水の流通回路20は、内燃機関10内を循環した機関冷却水をラジエータ15に導く第1の通路21と、ラジエータ15で冷却された機関冷却水を内燃機関10内に導く第2の通路22とを備えている。また、流通回路20には、第2の通路22を介して内燃機関10内に導かれた機関冷却水を排気熱回収装置30に導く第3の通路23と、排気熱回収装置30から流出した機関冷却水を内燃機関10内に導く第4の通路24とが設けられている。そして、第4の通路24から内燃機関10内に流入した機関冷却水は、内燃機関10内を循環した後、第1の通路21を介してラジエータ15に導かれる。なお、内燃機関10には、各通路21〜24の中に矢印で示した方向に機関冷却水を流通させるためのポンプ25が設けられている。
機関冷却水の流通回路20は、内燃機関10内を循環した機関冷却水をラジエータ15に導く第1の通路21と、ラジエータ15で冷却された機関冷却水を内燃機関10内に導く第2の通路22とを備えている。また、流通回路20には、第2の通路22を介して内燃機関10内に導かれた機関冷却水を排気熱回収装置30に導く第3の通路23と、排気熱回収装置30から流出した機関冷却水を内燃機関10内に導く第4の通路24とが設けられている。そして、第4の通路24から内燃機関10内に流入した機関冷却水は、内燃機関10内を循環した後、第1の通路21を介してラジエータ15に導かれる。なお、内燃機関10には、各通路21〜24の中に矢印で示した方向に機関冷却水を流通させるためのポンプ25が設けられている。
図1に示すように、排気熱回収装置30は、排気通路12に設けられた開口121を介して排気通路12と連通する分岐室40と、開口121を介して排気通路12に分岐室40を連通させたり、開口121を介した排気通路12と分岐室40との連通を解除したりするバルブ装置31とを備えている。
バルブ装置31には、開口121を閉塞可能なバルブ32と、このバルブ32を回転させるアクチュエータ33とが設けられている。アクチュエータ33として、例えば、第3の通路23を介して排気熱回収装置30内に流入する機関冷却水の水温に応じて作動するサーモスタット式のアクチュエータ、モータなどの電動機を駆動源とする電動式のアクチュエータを挙げることができる。
図2及び図3に白抜き矢印で示した排気通路12における排気の流動方向を排気流動方向とした場合、バルブ32は、排気通路12の開口121を排気流動方向と直交する方向に横断(図2及び図3では、紙面と直交する方向に横断)するように配設された回転軸321と、回転軸321に固定されている板状の弁体322とを有している。
この弁体322は、図3に示すように、開口121を閉塞可能に構成されている。具体的には、弁体322における回転軸321を挟んで位置する部位のうち、一方の部位である第1の部位3221は、開口121における回転軸321よりも排気流動方向上流側の部分を閉塞し、他方の部位である第2の部位3222は、開口121における回転軸321よりも排気流動方向下流側の部分を閉塞するようになっている。具体的には、第1の部位3221の先端全体が、排気通路12の内壁に当接する一方、第2の部位3222に設けられたストッパ部材35が、排気通路12の内壁に当接する。これにより、分岐室40が、排気通路12から隔絶された状態となる。
ここで、開口121を介した排気通路12と分岐室40との連通を遮断する状態、すなわち図3に示すバルブ32の状態を「閉塞状態」とし、開口121を介して排気通路12に分岐室40を連通させる状態、すなわち図2に示すバルブ32の状態を「開放状態」とする。この場合、バルブ32を閉塞状態から開放状態に移行させるときには、アクチュエータ33の作動によって、バルブ32は、第1の部位3221を分岐室40内に進入させる方向、すなわち図2及び図3における時計回り方向に回転する。すると、図2に示すように、弁体322の第2の部位3222が、排気通路12内に位置し、排気通路12を流れる排気の流れを遮るようになる。そして、開口121における回転軸321よりも排気流動方向上流側の部分を介して、分岐室40が、排気通路12における第2の部位3222よりも排気流動方向上流側の部分と連通する。また、開口121における回転軸321よりも排気流動方向下流側の部分を介して、分岐室40が、排気通路12における第2の部位3222よりも下流側の部分と連通するようになる。
図2及び図3に示すように、分岐室40は、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部41と、熱交換部41よりも開口121から離れた側に位置する流動方向反転部42と、熱交換部41よりも開口121側に位置する接続部43とを含んでいる。
接続部43には、同接続部43の内部を、熱交換部41に繋がる第1の接続部431と、熱交換部41に繋がる第2の接続部432とに区画する区画壁45が設けられている。本実施形態では、第1の接続部431は、第2の接続部432よりも車両上方に位置している。そして、図2に示すように、バルブ32が開放状態である場合、弁体322の第1の部位3221の先端が、区画壁45において開口121に近い側の端部451に当接するようになっている。この場合、第1の接続部431は、開口121における回転軸321よりも排気流動方向上流側の部分と連通し、第2の接続部432は、開口121における回転軸321よりも排気流動方向下流側の部分と連通する。
なお、ここでは、接続部43のうち、排気通路12における第2の部位3222よりも排気流動方向上流側の部分を開口121及び第1の接続部431を介して熱交換部41に連通させる部分を入口側通路40Aとする。そして、接続部43のうち、排気通路12における第2の部位3222よりも下流側の部分を開口121及び第2の接続部432を介して熱交換部41に連通させる部分を出口側通路40Bとする。
このように本実施形態では、バルブ32を開放状態にすることにより、第1の部位3221及び区画壁45によって、接続部43内が、入口側通路40Aと、出口側通路40Bとに区画される。
図4に示すように、熱交換部41は、冷却水入口511を介して機関冷却水が流入し、冷却水出口512を介して機関冷却水が流出する冷却水室51を備えている。冷却水入口511には第3の通路23が接続され、冷却水出口512には第4の通路24が接続されている。冷却水室51の内部には、円筒形状をなす境界部材52の内側に収容されたハニカム構造体53が配設されている。そして、冷却水室51における境界部材52よりも外側の空間が、機関冷却水が流れる冷却水用通路51Aとして機能するようになっている。この場合、車両上下方向において冷却水室51の下端に冷却水入口511が配置され、車両上下方向において冷却水室51の上端に冷却水出口512が配置されている。そのため、冷却水用通路51Aでは、冷却水入口511を介して流入した機関冷却水が車両上方に向けて流れ、冷却水出口512を介して熱交換部41外に流出されるようになっている。
ハニカム構造体53には、第1の接続部431及び第2の接続部432の延伸方向(図2及び図3における左右方向)である規定方向に延びる複数の排気用通路531が並列に設けられている。このハニカム構造体53は押出成形によって形成されており、各排気用通路531は、ハニカム構造体53の規定方向における一端及び他端の双方に開口している。本実施形態では、ハニカム構造体53の外周面が境界部材52の内周面に当接している。そして、ハニカム構造体53の規定方向における一端は第1の接続部431及び第2の接続部432に面している。したがって、排気用通路531の中には、第1の接続部431と連通しているものと、第2の接続部432と連通しているものとが存在する。
図2及び図3示すように、ハニカム構造体53の規定方向における他端は流動方向反転部42に面している。したがって、ハニカム構造体53の各排気用通路531は流動方向反転部42に連通している。そのため、図2に示すようにバルブ32が開放状態である場合、排気通路12から導入され、入口側通路40Aを流れてきた排気は、入口側通路40Aと連通する各排気用通路531に流入する。そして、当該各排気用通路531を流れてハニカム構造体53を通過した排気は、流動方向反転部42に流入する。このように流動方向反転部42に流入した排気は、出口側通路40Bと連通する各排気用通路531に流入し、当該各排気用通路531を流れて再びハニカム構造体53を通過する。そして、ハニカム構造体53を通過した排気は、出口側通路40Bに流入し、この出口側通路40Bを流れて排気通路12に戻るようになっている。
次に、排気熱回収装置30の作用について説明する。
排気通路12を排気が流れており、図2に示すようにバルブ32が開放状態であるときには、バルブ32の弁体322の第2の部位3222によって排気通路12での排気の流れが遮られるとともに、第1の部位3221と区画壁45とによって、分岐室40内が、入口側通路40Aと出口側通路40Bとに区画される。
排気通路12を排気が流れており、図2に示すようにバルブ32が開放状態であるときには、バルブ32の弁体322の第2の部位3222によって排気通路12での排気の流れが遮られるとともに、第1の部位3221と区画壁45とによって、分岐室40内が、入口側通路40Aと出口側通路40Bとに区画される。
そのため、排気通路12を流れてきて弁体322の第2の部位3222によって遮られた排気が入口側通路40Aに流入し、入口側通路40Aを流れる排気が、入口側通路40Aと連通するハニカム構造体53の各排気用通路531に流入する。すると、当該各排気用通路531を流れる排気の熱が、ハニカム構造体53及び境界部材52を通じて、冷却水用通路51Aを流れる機関冷却水に伝わる。すなわち、当該各排気用通路531内を流れる排気と冷却水用通路51Aを流れる機関冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、機関冷却水が暖められる。
また、入口側通路40Aと連通する各排気用通路531から流動方向反転部42に流出した排気は、出口側通路40Bと連通するハニカム構造体53の各排気用通路531に流入する。すると、当該各排気用通路531を流れる排気の熱が、ハニカム構造体53及び境界部材52を通じて、冷却水用通路51Aを流れる機関冷却水に伝わる。すなわち、排気と冷却水用通路51Aを流れる機関冷却水との間で再び熱交換が行われ、排気の熱がさらに回収される。そして、このように熱交換を行った排気は、出口側通路40Bに流入した後、出口側通路40Bを流れて排気通路12に戻る。
一方、図3に示すようにバルブ32が閉塞状態になると、開口121がバルブ32によって閉塞され、開口121を介した排気通路12と分岐室40との連通が遮断される。これにより、分岐室40への排気の流入が停止され、分岐室40内では排気の流動が停止し、排気が滞留する。その結果、分岐室40に設けられているハニカム構造体53内、すなわち各排気用通路531に滞留する排気は、冷却水用通路51Aを流れる機関冷却水に熱を奪われ、温度が低くなる。その結果、熱交換部41での熱交換が沈静化し排気の熱の回収が抑制される。
以上、上記構成及び作用によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)バルブ32によって開口121を閉塞することにより、排気通路12と分岐室40との連通を遮断することができる。これにより、従来のように、流入部及び流出部の一方と排気通路との連通は遮断するものの、他方と排気通路との連通が維持される場合と比較し、排気通路12を流れる排気の熱が、分岐室40に滞留する排気に伝わりにくくなる。したがって、熱の回収を抑制するためにバルブ32を閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路12を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる。
(1)バルブ32によって開口121を閉塞することにより、排気通路12と分岐室40との連通を遮断することができる。これにより、従来のように、流入部及び流出部の一方と排気通路との連通は遮断するものの、他方と排気通路との連通が維持される場合と比較し、排気通路12を流れる排気の熱が、分岐室40に滞留する排気に伝わりにくくなる。したがって、熱の回収を抑制するためにバルブ32を閉塞状態にしているにも拘わらず、排気通路12を流れる排気の熱が機関冷却水に伝わってしまうことを抑制することができる。
(2)また、このように開口121をバルブ32によって閉塞して排気通路12と分岐室40との連通を遮断し、機関冷却水への熱の移動を抑制することにより、第4の通路24を介して内燃機関10内に流入する機関冷却水の温度が高くなりにくくなる。その結果、内燃機関10内を循環してからラジエータ15内に流入する機関冷却水の温度も高くなりにくくなる。すなわち、暖機が完了してバルブ32を閉塞状態にしたときにラジエータ15に流入する機関冷却水の温度が高くなりにくくなる。これにより、ラジエータ15を大きくしなくても、すなわち冷却効率の高いラジエータを採用しなくても、内燃機関10のオーバーヒートを抑制することが可能となる。したがって、ラジエータ15を小型化させることも可能となる。
12…排気通路、121…開口、30…排気熱回収装置、40…分岐室、40A…入口側通路、40B…出口側通路、32…バルブ、321…回転軸、3221…第1の部位、3222…第2の部位、41…熱交換部、43…接続部、431…第1の接続部、432…第2の接続部、45…区画壁。
Claims (1)
- 排気通路に設けられた開口を介して同排気通路と連通する分岐室と、
前記開口を前記排気通路における排気の流動方向と直交する方向に横断するように配設された回転軸を中心に回転して同開口を閉塞する板状のバルブと、を備え、
前記分岐室が、排気と機関冷却水との熱交換を行う熱交換部と、同熱交換部よりも前記開口側に位置する接続部と、を含み、
前記接続部には、同接続部の内部を、前記熱交換部に繋がる第1の接続部と、同熱交換部に繋がる第2の接続部とに区画する区画壁が設けられており、
前記バルブにおける前記回転軸を挟んで位置する部位のうち一方の部位である第1の部位が前記区画壁における前記開口側の端部と当接する位置まで前記バルブが回転したときには、
前記バルブにおける前記回転軸を挟んで位置する部位のうち他方の部位である第2の部位が、前記排気通路を流れる排気の流れを遮る一方、前記第1の部位が、前記区画壁とともに、前記接続部内を、前記排気通路における前記第2の部位よりも上流側の部分を前記開口及び前記第1の接続部を介して前記熱交換部に連通させる入口側通路と、前記排気通路における前記第2の部位よりも下流側の部分を前記開口及び前記第2の接続部を介して前記熱交換部に連通させる出口側通路と、に区画する
排気熱回収装置。
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