JP4011973B2 - 内燃機関の触媒付き熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に設置する排気ガス冷却用の熱交換器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7は、排気通路90に触媒91と熱交換器92とを備えた従来の内燃機関300の概略系統図である。内燃機関300では、空気と燃料ガスとが混合した混合気が給気管96を介して内燃機関本体95に供給され、混合気は図示しない燃焼室で燃焼し、排気ガスが排気通路90を介して外部へと排出される。内燃機関本体95に接続された排気管94の途中には、上流側から順に触媒91,熱交換器92及びサイレンサ93が設置されている。
【0003】
触媒91で行われる排気ガスの酸化反応は、所定の温度以下では行われないので、図7に示すように触媒91は熱交換器92よりも上流側に配置するのが一般的である。ところで、この触媒91と熱交換器92とを図7に示すように別体として排気通路90上に配置すると、大きな設置スペースが必要となる。そこで両者を一体にすると、熱交換器92内に凝縮水が蓄積し易くなり、この凝縮水に不純物が吸収されて熱交換器92内の排気ガス通路が目詰まりを起こす恐れがあるため、従来は両者を一体に構成して省スペース化を図ることが困難であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、触媒と熱交換器の一体化による省スペース化と、高い冷却性を備えた内燃機関の触媒付き熱交換器を提供することを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項1の発明では、内燃機関の排気通路に設置する熱交換器において、酸化機能を有する触媒の周りに筒状の複数の排気ガス通路層と触媒側の排気ガス通路層の外側に排気ガス通路層と交互に配置した複数の冷却水通路層とからなる熱交換器を配置し、
複数の排気ガス通路層を複数の連通部で連通し、円周方向に延びる波型の第2フィンを有する複数の冷却水通路層を前記第2フィンを円周上内外同位置で分断して生ずる複数の分断部で連通し、
排気ガスが前記触媒を通過した後に前記熱交換器の排気ガス通路層に流入するように触媒と熱交換器とを接続し、
前記排気ガス通路層内に排気ガスを軸方向に導く第1フィンを設けると共に円周上複数の分断部を設け、前記冷却水通路層内で冷却水を円周方向に導く第2フィンの分断部を前記排気ガス通路層の分断部と合わせて設け、前記第2フィンは円周上の複数の分断部で前記排気ガス通路層と連通することなく連通している。
請求項2の発明では、内燃機関の排気通路に設置する熱交換器において、前記触媒と熱交換器の間に筒状の断熱材を設け、断熱材の外周壁に第1排気通路層を隣接配置した。
請求項3の発明は請求項1の発明において、前記熱交換器内で生じた凝縮水が前記触媒内に侵入しないように熱交換器内から排出可能な姿勢で前記熱交換器を内燃機関に設置した。
【0006】
【発明の実施の形態】
図5は、請求項1の発明を実施した内燃機関100の概略系統図である。内燃機関100は、空気供給管30から供給される空気と燃料供給管31から供給される燃料ガスとがミキサ32内で混合されて混合気を生成し、スロットル33の開度を調整することにより内燃機関本体34への混合気の供給量が調整される。混合気は、内燃機関本体34に設けられた図示しない燃焼室で燃焼し、排気ガス20aが内燃機関本体34に接続された排気管5から排出される。
【0007】
排気管5には触媒付き熱交換器10が設けてある。この触媒付き熱交換器10には、熱交換器3の排気ガスの流れの上流側に触媒2が設けてあり、触媒2としては、酸化機能を有する酸化触媒、三元触媒、NOX吸蔵触媒等を採用することができる。高温でかつ有害成分(NOX)を含む排気ガス20aが、触媒付き熱交換器10を通過することにより低温で有害成分を含まない排気ガス20bとなり、サイレンサ4を経て外気へと排出される。
【0008】
図1は、触媒付き熱交換器10の一部を縦断した斜視図である。図1に示すように触媒付き熱交換器10は、酸化機能を有する円柱状の触媒2の周囲を円筒状の断熱材6を介して円筒状の熱交換器3が取り巻いた構造を備えている。
【0009】
円筒状の熱交換器3は、内周側から順に第1排気通路層11,第1冷却水通路層13,第2排気通路層12,第2冷却水通路層14を備えている。第1排気通路層11には排気ガスを円筒の長手方向に導く波形のプレートフィン(フィン15)が設置されている。
【0010】
フィン15は円周上の4箇所で分断されており、4つのフィン15が環状に第1排気通路層11内に配置されている。フィン15は、第1排気通路層11を形成する内周側壁と外周側壁とで挟持させて第1排気通路層11内で円周方向に移動しないようにしてもよいが、隣接するフィン15同士で押圧させ合うようにしてもよい。
【0011】
いずれにしても、フィン15を外周側壁に接触させておくことにより、排気ガスと第1冷却水通路層13内の冷却水の間の熱伝達を円滑に行うことができるようにするのが好ましい。なお、フィン15は、製造の容易性を考慮してピース数(分断箇所数)を設定すればよく、形状,中心角(4ピースであれば約90度,3ピースであれば約120度)等が均一となるようにすれば製造型が一つで済む。
【0012】
第2排気通路層12の内周側壁は、第1冷却水通路層13(後述)に接しており、外周側壁は第2冷却水通路層14(後述)と接している。第2排気通路層12は、4つの領域に分かれている。これを触媒付き熱交換器10の縦断側面図である図2及び図2のIV−IV断面図である図4を用いて説明する。
【0013】
図2に示すように第2排気通路層12は、円周上の4つの分断部19a,19b,19c及び19dで分断されている。中心軸37(図4)と平行に延びる4つの第2排気通路層12は、両端が図4に示す障壁22,36に一体固着されている。また、第1排気通路層11と第2排気通路層12は、円周上の複数箇所(例えば4箇所)に設けた連通部35により連通しており、触媒2によって浄化され熱交換器3により低温化された排気ガス20bが排気管38から排出されるようになっている。
【0014】
図2に示すように、第2排気通路層12内にはフィン15と同様に中心軸37と平行に延びるフィン16(図2)が設置されている。フィン16は、第2排気通路層12の内周側壁と外周側壁の両方に接しており、内周側では第1冷却水通路層13内の冷却水との熱交換の容易化が図られており、外周側では第2冷却水通路層14内の冷却水との熱交換の容易化が図られている。
【0015】
第1冷却水通路層13には、円周方向に延びる波型のプレートフィン(フィン17)が設けてある。このフィン17は、図2に示すように第2排気通路層12に沿って円周上の4箇所で分断されている。
【0016】
また、第2冷却水通路層14には、フィン17と同様に円周方向に延びるフィン18が設けてある。フィン18もフィン17と同様に第2排気通路層12に沿って円周上の4箇所で分断されている。
【0017】
図3は、触媒付き熱交換器10の熱交換器3の最外殻の円筒状側壁の図示を省略した触媒付き熱交換器10の正面図である。図3では、主に第2冷却水通路層14内の冷却水の流れが詳細に示されている。
【0018】
低温の冷却水21aが冷却水供給管7から触媒付き熱交換器10内の第2冷却水通路層14に供給される。冷却水21aは、円周上の4箇所に設けられた分断部19a〜19dを介して第2冷却水通路層14内から第1冷却水通路層13内へ侵入可能となっている。
【0019】
第2冷却水通路層14内の冷却水は、円周方向に延びる複数のフィン18に沿って細い矢印(図3)で示すように流れる。途中、冷却水は分断部19a〜19dにおいて中心軸37の延びる方向に流れ、昇温しながら冷却水排出管8に近付いていく。冷却水は、冷却水排出管8に到達する途中で、第1排気通路層11内と第2排気通路層12内の高温の排気ガスから熱伝達されて昇温し、昇温した冷却水21bが冷却水排出管8から排出される。冷却水は、排気ガスと熱交換を行う際には、熱交換効率の観点から排気ガスと対向流となるように触媒付き熱交換器10に供給するのが好ましい。
【0020】
排気ガス20aを触媒付き熱交換器10で浄化しかつ低温化する過程で、排気ガス20a中に含まれる水分が凝縮し、第1排気通路層11及び第2排気通路層12内において凝縮水が生じる。
【0021】
図5に示すように触媒付き熱交換器10は、熱交換器3の内部で排気ガス20aが上下方向に流れるように内燃機関100に設置されているので、生じた凝縮水は、図5に示すドレン管9を介して円滑に排出され、熱交換器3内における蓄積を回避することができる。
【0022】
このように触媒付き熱交換器10は、熱交換器3内に凝縮水が蓄積することを回避することができるので、凝縮水により不純物が付着して第1排気通路層11及び第2排気通路層12内の排気ガスの通過を妨げるような目詰まりを防ぐことができる。
【0023】
図1〜図4に示す触媒付き熱交換器10では、排気ガスと冷却水とを通過させる通路をそれぞれ2層設ける例を示したが、排気ガスの浄化と低温化を十分に図ることができるように構成する。
【0024】
また、触媒2と熱交換器3の間には筒状の断熱材6を設け、さらに図2に示すように断熱材6の外周壁に第1排気通路層11を隣接配置すると、第1排気通路層11内の排気ガスが第1冷却水通路層13内の低温の冷却水によって低温化が図られるが、第1冷却水通路層13内の冷却水によって触媒2の温度まで低下させられることを抑制することができ、触媒2の浄化作用の低下を防ぐことができる。
【0025】
図1〜図4に示す触媒付き熱交換器10では、排気ガスが中心軸37と平行に流れるようにフィン15,16を設け、冷却水が円周方向に流れるようにフィン17,18を設けたが、排気ガスと冷却水が平行に流れるように各フィンを設けてもよい。
【0026】
触媒付き熱交換器10の大きさは、例えば長さを20cm程度、直径を15cm程度に設定し、フィン15〜18は、5mm程度のピッチでそれぞれ第1,第2排気通路層11,12内と第1,第2冷却水通路層13,14内を仕切る。これらの寸法は、排出される全ての排気ガスの浄化処理と低温化処理が可能な範囲で任意に設定する。
【0027】
図6は、本発明を実施した別の内燃機関200の概略系統図である。内燃機関200の排気管5より上流側の構成は、図5の内燃機関100の構成と全く同じであり、排気通路40に設けた触媒付き熱交換器41の構成のみが相違している。
【0028】
図6に示すように触媒付き熱交換器41は、触媒25が熱交換器26の排気ガスの流れの上流側に直列に一体固着されている。排気管5内を流れる高温でNOX等の有害成分を含む排気ガス24aは、触媒25で浄化され、熱交換器26で低温化されて、熱交換器26の下流側で障壁42に当って反転し、触媒25と熱交換器26の側壁に一体固着されたサイレンサ27を介して排気ガス24bとして大気へ排出される。
【0029】
熱交換器26には冷却水供給管43を介して低温の冷却水29aが供給される。冷却水29aは、熱交換器26内で排気ガスから熱伝達されて昇温し、高温の冷却水29bが冷却水排出管44を介して排出される。
【0030】
障壁42にはドレン管28が設けてある。熱交換器26で生じた凝縮水は、重力によりドレン管28から外部へ排出され、熱交換器26内に蓄積しないようになっている。
【0031】
【発明の効果】
請求項1の発明によると、伝熱面積を多くとることができるので、触媒2により浄化された排気ガスは熱交換器3において冷却水と効率よく熱交換を行うことができ、分断部19a〜19dを介して連通しているため、冷却水を略均一に分配することができ、さらに効率よく熱交換を行うことができるようになる。
【0032】
また、触媒付き熱交換器10は、触媒2と熱交換器3とを同芯状に形成すると小型化を図ることができ、内燃機関100の設置空間を小さくすることができる。
【0033】
請求項2の発明によると、第1排気通路層1内の低温の冷却水によって低温化が図られるが、排気ガスが第1冷却水通路層13内の冷却水によって触媒2の温度まで低下させられることを抑制することができる。
【0034】
請求項3の発明では、請求項1の発明による触媒付き熱交換器10を、熱交換器3内で生じる凝縮水が触媒2内へ侵入しないように熱交換器3内から排出可能な姿勢にする(図5において熱交換器3内の排気通路の上流側から重力により凝縮水のみがドレン管9から排出されるように触媒付き熱交換器10を傾斜させる、又は鉛直にする)ので、熱交換器3内に不純物が蓄積しにくくなり、目詰まりを防止することができるので、熱交換器3の機能低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 請求項1の発明による触媒付き熱交換器の一部を縦断した斜視図である。
【図2】 請求項1の発明による触媒付き熱交換器の縦断側面図である
【図3】 熱交換器の最外殻の円筒状側壁の図示を省略した触媒付き熱交換器の正面図である。
【図4】 図2のIV−IV断面図である。
【図5】 請求項1の発明を実施した内燃機関の概略系統図である。
【図6】 本発明を実施した別の内燃機関の概略系統図である。
【図7】 排気通路に触媒と熱交換器とを備えた従来の内燃機関の概略系統図である。
【符号の説明】
1 排気通路
2 触媒
3 熱交換器
4 サイレンサ
5 排気管
6 断熱材
7 冷却水供給管
8 冷却水排出管
9 ドレン管
10 触媒付き熱交換器
11,12 第1,第2排気通路層(排気ガス通路層)
13,14 第1,第2冷却水通路層(冷却流体通路層)
15,16 フィン(第1フィン)
17,18 フィン(第2フィン)
19a〜19d 分断部
20a,20b 排気ガス
21a,21b 冷却水
25 触媒
26 熱交換器
27 サイレンサ
28 ドレン管
29a,29b 冷却水
30 空気供給管
31 燃料供給管
32 ミキサ
33 スロットル
34 内燃機関本体
37 中心軸
38 排気管
40 排気通路
41 触媒付き熱交換器
43 冷却水供給管
44 冷却水排出管
100,200 内燃機関
Claims (3)
- 内燃機関の排気通路に設置する熱交換器において、酸化機能を有する触媒の周りに筒状の複数の排気ガス通路層と触媒側の排気ガス通路層の外側に排気ガス通路層と交互に配置した複数の冷却水通路層とからなる熱交換器を配置し、
複数の排気ガス通路層を複数の連通部で連通し、円周方向に延びる波型の第2フィンを有する複数の冷却水通路層を前記第2フィンを円周上内外同位置で分断して生ずる複数の分断部で連通し、
排気ガスが前記触媒を通過した後に前記熱交換器の排気ガス通路層に流入するように触媒と熱交換器とを接続し、
前記排気ガス通路層内に排気ガスを軸方向に導く第1フィンを設けると共に円周上複数の分断部を設け、前記冷却水通路層内で冷却水を円周方向に導く第2フィンの分断部を前記排気ガス通路層の分断部と合わせて設け、前記第2フィンは円周上の複数の分断部で前記排気ガス通路層と連通することなく連通していることを特徴とする内燃機関の触媒付き熱交換器。 - 前記触媒と熱交換器の間に筒状の断熱材を設け、断熱材の外周壁に第1排気通路層を隣接配置した、請求項1に記載の内燃機関の触媒付き熱交換器。
- 前記熱交換器内で生じた凝縮水が前記触媒内に侵入しないように熱交換器内から排出可能な姿勢で前記熱交換器を内燃機関に設置した請求項1に記載の内燃機関の触媒付き熱交換器。
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