JP4229559B2 - 多気筒内燃機関の熱交換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多気筒内燃機関の排気マニ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、特開平５−３４０２４１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、特開昭５６−１５６４０７号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５−３４０２４１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ニ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ニ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。
【０００４】
また上記特開昭５６−１５６４０７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。
【０００５】
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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、多気筒内燃機関の並列する複数の燃焼室からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路に、第１の熱交換器を各排気通路毎に設けるとともに、少なくとも２個の排気通路の集合部に第２の熱交換器を設けた多気筒内燃機関の熱交換装置であって、前記少なくとも２個の排気通路にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器を、燃焼室の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして前記 第２の熱交換器を該外周部に積層、配置し、その第２の熱交換器を前記少なくとも２個の第１の熱交換器に互いに並列に連通させたことを特徴とする多気筒内燃機関の熱交換装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、多気筒内燃機関の並列する複数の燃焼室からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路毎に第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。
【０００８】
また、上流側の第１の熱交換器と下流側の第２の熱交換器とが互いに並列に連通するので、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。
【０００９】
更に、少なくとも２個の排気通路にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器を、燃焼室の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして第２の熱交換器を該外周部に積層、配置ししたので、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。
【００１０】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、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装置が提案される。
【００１１】
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装置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、一体化構造により熱交換装置の剛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。
【００１２】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または２の構成に加えて、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装置が提案される。
【００１３】
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。
【００１４】
尚、実施例の第１段熱交換器Ｈ１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Ｈ２〜Ｈ４は本発明の第１の熱交換器に対応する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
図１〜図１８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ヘッド部の縦断面図、図４は図３の４−４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は第４段熱交換器の伝熱管を示す図、図１０はプレ触媒装置の分解斜視図、図１１は蒸発器の給水経路を示す模式図、図１２は蒸発器の分解斜視図、図１３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１４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１５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１６は複数給水の効果を説明するグラフ、図１７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１８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。
【００１７】
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脹器４と、膨脹器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。
【００１８】
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１２１は、遊星歯車機構１２２、ベルト式無段変速機１２３および発電・電動機１２４を備える。
【００１９】
遊星歯車機構１２２は、サンギヤ１２５と、リングギヤ１２６と、プラネタリキャリヤ１２７と、プラネタリキャリヤ１２７に軸支されて前記サンギヤ１２５およびリングギヤ１２６に同時に噛合する複数のプラネタリギヤ１２８とを備える。膨張器４の出力軸１２９に接続されたプラネタリキャリヤ１２７は、キャリヤブレーキ１３０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１２４の入・出力軸１３１に接続されたサンギヤ１２５は、サンギヤブレーキ１３２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１２６はリングギヤブレーキ１３３によって図示せぬケーシングに締結可能である。キャリヤブレーキ１３０、サンギヤブレーキ１３２およびリングギヤブレーキ１３３は、油圧ブレーキあるいは電磁ブレーキで構成される。
【００２０】
発電・電動機１２４は充放電可能なバッテリ１３４に接続される。発電・電動機１２４は、膨張器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１３４を充電し、バッテリ１３４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。
【００２１】
ベルト式無段変速機１２３は、入力軸１３５に設けられた駆動プーリ１３６と、出力軸１３７に設けられた従動プーリ１３８と、両プーリ１３６，１３８に巻き掛けられた無端ベルト１３９とを備える。駆動プーリ１３６の溝幅および従動プーリ１３８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、駆動プーリ１３６の溝幅を増加させて従動プーリ１３８の溝幅を減少させると変速比がＬＯＷ側に無段階に変化し、駆動プーリ１３６の溝幅を減少させて従動プーリ１３８の溝幅を増加させると変速比がＴＯＰ側に無段階に変化する。
【００２２】
遊星歯車機構１２２のリングギヤ１２６に設けた駆動ギヤ１４０はベルト式無段変速機１２３の入力軸１３５に設けた従動ギヤ１４１に噛合する。内燃機関１の軸出力は出力軸１４２を介して変速機１４３に伝達され、変速機１４３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１２３の出力軸１３７に設けた駆動ギヤ１４４が内燃機関１の出力軸１４２に設けた従動ギヤ１４５に噛合する。
【００２３】
膨張器４の出力軸１２９および発電・電動機１２４の入・出力軸１３１に、それぞれトルクリミッタ１４６，１４７が設けられる。トルクリミッタ１４６，１４７は、膨張器４あるいは発電・電動機１２４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１４６，１４７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１２３の出力軸１３７にクラッチ１４８が設けられる。クラッチ１４８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器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および膨張器４を接続し、締結解除時に内燃機関１および膨張器４を切り離す。
【００２４】
而して、遊星歯車機構１２２のサンギヤブレーキ１３２を締結してサンギヤ１２５を固定するとプラネタリキャリヤ１２７およびリングギヤ１２６がそれぞれ入力要素あるいは出力要素になり、膨張器４からプラネタリキャリヤ１２７に入力された駆動力がリングギヤ１２６に出力され、そこから駆動ギヤ１４０、従動ギヤ１４１、ベルト式無段変速機１２３、駆動ギヤ１４４および従動ギヤ１４５を介して内燃機関１の出力軸１４２に伝達されるため、膨張器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、膨張器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の軸出力で膨張器４をスムーズに始動することができる。
【００２５】
また遊星歯車機構１２２のリングギヤブレーキ１３３を締結してリングギヤ１２６を固定すると膨張器４あるいは発電・電動機１２４がそれぞれ入力要素および出力要素になり、膨張器４からプラネタリキャリヤ１２７に入力された駆動力がサンギヤ１２５を経て発電・電動機１２４に出力され、発電・電動機１２４を発電機として機能させてバッテリ１３４を充電することができる。一方、膨張器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１２４の軸出力で膨張器４をスムーズに始動することができる。
【００２６】
また遊星歯車機構１２２のキャリヤブレーキ１３０を締結してプラネタリキャリヤ１２７を固定するとサンギヤ１２５およびリングギヤ１２６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１２４からサンギヤ１２５に入力された駆動力がリングギヤ１２６に出力され、そこから駆動ギヤ１４０、従動ギヤ１４１、ベルト式無段変速機１２３、駆動ギヤ１４４および従動ギヤ１４５を介して内燃機関１の出力軸１４２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１２４に伝達し、該発電・電動機１２４を発電機として機能させてバッテリ１３４を充電することができる。
【００２７】
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１２に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
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１１、シリンダヘッド１２およびヘッドカバー１３を備えており、シリンダブロック１１に形成した３個のシリンダボア１４…にそれぞれピストン１５…が摺動自在に嵌合する。シリンダヘッド１２に形成された３個の燃焼室１６…にそれぞれ連なる吸気ポート１７…および排気ポート１８…のうち、吸気ポート１７…は従来どおりシリンダヘッド１２の内部に穿設されているが、排気ポート１８…は別部材で構成されてシリンダヘッド１２に結合される。
【００２９】
吸気弁孔１９を開閉する吸気弁２０のステム２１の上端は、吸気ロッカーアーム軸２２に枢支された吸気ロッカーアーム２３の一端に当接し、排気弁孔２４を開閉する排気弁２５のステム２６の上端は、排気ロッカーアーム軸２７に枢支された排気ロッカーアーム２８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２９に設けた吸気カム３０および排気カム３１に前記吸気ロッカーアーム２３の他端および排気ロッカーアーム２８の他端が当接することにより、吸気弁２０および排気弁２５が開閉駆動される。
【００３０】
シリンダヘッド１２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１８…を基端として排気管３２に連なる排気通路３３と、この排気通路３３中に配置された３個のプレ触媒装置３４…および３個のメイン触媒装置３５…と、排気通路３３を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…とを備える。
【００３１】
各排気ポート１８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１８ａと、等径部１８ａ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１８ｂとからなり、等径部１８ａの外周には第５段熱交換器Ｈ５が設けられ、拡径部１８ｂの内部には第４段熱交換器Ｈ４が設けられる。第５段熱交換器Ｈ５は、等径部１８ａの外周に約５回転巻き付けられた１本の伝熱管３７から構成される。第４段熱交換器Ｈ４は拡径部１８ｂの内部に収納された多段に巻回された１本の伝熱管３８から構成されており、第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３７は、排気ポート１８に形成した開口（図示せず）を通って第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８に連続している。
【００３２】
図９を参照すると明らかなように、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８は、排気ポート１８の拡径部１８ｂ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イ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Ｈ３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Ｈ５の伝熱管３７に接続される。図９（ａ）に示すカッコ付数字(1)〜(6)は伝熱管３８内を水が流れる経路を示している。
【００３３】
尚、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８を、排気ポート１８の拡径部１８ｂ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１８ｂ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。
【００３４】
図７および図８に最も良く示されるように、排気ポート１８の拡径部１８ｂの後端に環状の分配通路形成部材４１が一体に形成されており、この分配通路形成部材４１の後面に別の環状の分配通路形成部材４２を結合することにより、両分配通路形成部材４１，４２間に第３円形分配通路４３が形成される。この第３円形分配通路４３に、前記第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８の上流端が接続される。
【００３５】
プレ触媒装置３４の外周を覆う円筒状ケース４４の前端が前記分配通路形成部材４２に結合され、また円筒状ケース４４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４５，４６間に第２円形分配通路４７が形成される。そして円筒状ケース４４の内部にプレ触媒装置３４および第３段熱交換器Ｈ３が配置される。
【００３６】
プレ触媒装置３４はハニカム板状に形成された７枚の触媒担体４８…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４４の内部で７枚の触媒担体４８…を囲むように配置された第３段熱交換器Ｈ３は、屈曲させた２本の伝熱管４９，４９から構成される（図１０参照）。各伝熱管４９，４９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っ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４９，４９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４８…が収納される。このとき２本の伝熱管４９，４９は７枚の触媒担体４８…の表面に密着する。そして２本の伝熱管４９，４９の上流端は前記分配通路形成部材４５，４６間に形成された第２円形分配通路４７に接続され、また下流端は前記分配通路形成部材４１，４２間に形成された第３円形分配通路４３に接続される。
【００３７】
プレ触媒装置３４の円筒状ケース４４の半径方向外側に２個の円筒状ケース５０，５１が同軸に配置されており、両円筒状ケース５０，５１間に第２段熱交換器Ｈ２が環状に配置される。第２段熱交換器Ｈ２は、一方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管５２…と、他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管５３…とが、それらの一部を噛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５２…，５３…の配置密度を高めている。而して、プレ触媒装置３４の外周は、伝熱管５２…，５３…によって取り囲まれる。
【００３８】
外側の円筒状ケース５０の前端に固定した分配通路形成材５４と、この分配通路形成部材５４の前面に結合された分配通路形成部材５５との間に第１円形分配通路５６が形成される。伝熱管５２…，５３…の上流端は前記第１円形分配通路５６に接続され、伝熱管５２…，５３…の下流端は前記第２円形分配通路４７に接続される。
【００３９】
３個のプレ触媒装置３４…は、金属板をプレス加工した板状の取付板５７で一纏めにしてシリンダヘッド１２に固定される。取付板５７には３個の開口５７ａ…が形成されており、これら開口に５７ａ…に３個の排気ポート１８…の拡径部１８ｂ…の分配通路形成部材４１がそれぞれ固定されて一体化される。取付板５７の外周に固定した小判形のフランジ５８が１６本のボルト５９…でシリンダヘッド１２に固定される。
【００４０】
３個のプレ触媒装置３４…の後方に３個のメイン触媒装置３５…が配置される。メイン触媒装置３５…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６０…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６１…が嵌合する。メイン触媒装置３５…の直径はプレ触媒装置３４…の直径よりも大きく、メイン触媒装置３５…はプレ触媒装置３４…と同じ直径の内層部３５ａ…と、プレ触媒装置３４…の外周から外側にはみ出した外層部３５ｂ…とに別れている。プレ触媒装置３４…とメイン触媒装置３５…との対向部をシールすべく、分配通路形成部材４６の後面にスプリング６２…を介して支持したシール部材６３…がメイン触媒装置３５…の前面に弾発的に当接する。メイン触媒装置３５…の外周のリング部材６１…の後端にスプリング６４…を介してエンドキャップ６５…が支持される。３個のエンドキャップ６５…の後面は、後述する内壁部材６６の前面に設けた突起６６ａ…に当接して前方に押圧されている。
【００４１】
３個のプレ触媒装置３４…および３個のメイン触媒装置３５…の外側は、着脱自在な共通のカバー７１で覆われる。カバー７１は、中央に排気管３２の取付孔７２ａが形成された板状の分配通路形成部材７２と、この分配通路形成部材７２の前面に結合された三連リング状の分配通路形成部材７３とを備えており、両分配通路形成部材７２，７３間に第１三連リング状分配通路７４が形成される。三連リング状の分配通路形成部材７３からは半径方向外側に位置する筒状部材７５と、半径方向内側に位置する筒状部材７６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７５の前端に設けた小判形のフランジ７７が、前記フランジ５８と重ね合わされてボルト５９…で共締めされる。
【００４２】
内側の筒状部材７６の前端には三連リング状の分配通路形成部材７８が固定されており、この分配通路形成部材７８の前面に略同形の分配通路形成部材７９を結合することにより、第２三連リング状分配通路８０が形成される。第１三連リング状分配通路７４および第２三連リング状分配通路８０は同形であって前後に向かい合っている。カバー７１の内部には、カップ状に形成された前記内壁部材６６が収納されており、この内壁部材６６の外周面と内側の筒状部材７６の内周面との間に第１段熱交換器Ｈ１が配置される。
【００４３】
第１段熱交換器Ｈ１は、前記第２段熱交換器Ｈ２…と類似の構造で、一方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管８１…と、他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管８２…とが、それらの一部を噛み合わせた状態で交互に配置され、これら伝熱管８１…，８２…によって第２段熱交換器Ｈ２…の外周およびメイン触媒装置３５…の外周が取り囲まれる。伝熱管８１…，８２…の上流端は第１三連リング状分配通路７４に接続され、下流端は第２三連リング状分配通路８０に接続される。
【００４４】
第５段熱交換器Ｈ５…の伝熱管３７…、第４段熱交換器Ｈ４…の伝熱管３８…、第３段熱交換器Ｈ３…の伝熱管４９…、第２段熱交換器Ｈ２…の伝熱管５２…，５３…，第１段熱交換器Ｈ１の伝熱管８１…，８２…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ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓや、フェライト系の、例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４）、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。
【００４５】
またプレ触媒装置３４…の触媒担体４８…としては、耐熱ステンレス鋼（例えば２０重量％Ｃｒ−５重量％Ａｌ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０．１ｍｍ以下）が好ましく、メイン触媒装置３５…の触媒担体６０…としては、コーデュライトが好ましい。
【００４６】
図１１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８３が第１三連リング状分配通路７４の中央部に設けられており、第１三連リング状分配通路７４は、３個のメイン触媒装置３５…の外周を囲むように配置された第１段熱交換器Ｈ１の多数の伝熱管８１…，８２…を介して第２三連リング状分配通路８０に連通し、この第２三連リング状分配通路８０は着脱自在な２個の継ぎ手８４…を介して３個の第１円形分配通路５６…に連通する。
【００４７】
３個の第１円形分配通路５６…は、３個のプレ触媒装置３４…の外周を囲むように配置された第２熱交換器Ｈ２…の伝熱管５２…，５３…を介して３個の第２円形分配通路４７…に連通し、これら３個の第２円形分配通路４７…は、それぞれ３個のプレ触媒装置３４…の内部に配置された第３段熱交換器Ｈ３…の各２本の伝熱管４９…を介して３個の第３円形分配通路４３…に連通する。そして３個の第３円形分配通路４３…は、３個の排気ポート１８…の内部を通る第４段熱交換器Ｈ４…の各１本の伝熱管３８…と、３個の排気ポート１８…の外部を通る第５段熱交換器Ｈ５…の各１本の伝熱管３７…とを通った後に、継ぎ手８５で合流して排水口８６から後段の膨張器４に供給される。
【００４８】
また途中給水口８７から給水された水は分配器８８で３方向に分岐し、その一部が継ぎ手８４…を介して３個の第１円形分配通路５６に途中給水され、その一部が３個の第２円形分配通路４７…に途中給水され、その一部が３個の第３円形分配通路４３…に途中給水される。
【００４９】
このように、給水口８３から供給された水が第１段熱交換器Ｈ１→第２段熱交換器Ｈ２…→第３段熱交換器Ｈ３…→第４段熱交換器Ｈ４…→第５段熱交換器Ｈ５…を経て排水口８６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。
【００５０】
即ち、内燃機関１から出た排気ガスは、３個の排気ポート１８…の等径部１８ａ…を通過する間に、その等径部１８ａ…の外周面に巻き付けた伝熱管３７…よりなる第５段熱交換器Ｈ５…との間で熱交換を行う。排気ポート１８…の等径部１８ａ…から拡径部１８ｂ…に流入した排気ガスは、その拡径部１８ｂ…の内部に収納した３重コイル状に巻いた伝熱管３８…よりなる第４段熱交換器Ｈ４…に直接接触して熱交換を行う。排気ガスは排気ポート１８…から３個のプレ触媒装置３４…の各７個の触媒担体４８…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４８…の周囲を囲む伝熱管４９…よりなる第３段熱交換器Ｈ３…との間で熱交換を行う。
【００５１】
３個のプレ触媒装置３４…を通過した排気ガスは３個のメイン触媒装置３５…の内層部３５ａ…を前方から後方に通過した後、エンドキャップ６５…に阻止されてＵターンし、メイン触媒装置３５…の外層部３５ｂ…を後方から前方に通過し、その間にメイン触媒装置３５…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３５…を出た排気ガスは、一対の円筒状ケース５０…，５１…間に配置された伝熱管５２…，５３…よりなる第２段熱交換器Ｈ２…を後方から前方に流れる間に熱交換され、その後に１８０°方向変換して筒状部材７６および内壁部材６６間に配置された伝熱管８１…，８２…よりなる第１段熱交換器Ｈ１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７２の取付孔７２ａから排気管３２に排出される。
【００５２】
上記構造の蒸発器３を組み立てる手順を、主に図１２を参照して説明する。
【００５３】
先ず、第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を予め組み付けた３個の排気ポート１８…と、第２段熱交換器Ｈ２…および第３段熱交換器Ｈ３…を予め組み付けた３個のプレ触媒装置３４…とを一体化したサブアセンブリをシリンダヘッド１２に取り付ける。即ち、板状の取付板５７の３個の開口５７ａ…に、３個の排気ポート１８…に設けた分配通路形成部材４１をそれぞれ固定して一体化し、その取付板５７の外周に固定した小判形のフランジ５８をシリンダヘッド１２に位置決めする。
【００５４】
続いて、３個のプレ触媒装置３４…の後方から３個のメイン触媒装置３５…を接近させ、メイン触媒装置３５…の外周のリング部材６１…の前端外周を第２段熱交換器Ｈ２…の円筒状ケース５０…の後端外周に嵌合させる。このとき、分配通路形成部材４６…の後面にスプリング６２…を介して支持したシール部材６３…がメイン触媒装置３５…の前面に弾発的に当接する（図４参照）。
【００５５】
続いて、カバー７１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Ｈ１で３個のメイン触媒装置３５…および３個の第２段熱交換器Ｈ２…の外周を覆い、カバー７１の筒状部材７５に設けたフランジ７７を取付板５７のフランジ５８の後面に重ね合わせ、１６本のボルト５９…でシリンダヘッド１２に結合する。このとき、カバー７１の内部の内壁部材６６の突起６６ａ…でメイン触媒装置３５…のエンドキャップ６５…を前方に押圧し、エンドキャップ６５…の外周に設けたバネ座６７…とメイン触媒装置３５…の外周のリング部材６１…の後端に設けたバネ座６８…との間にスプリング６４…を圧縮する（図４参照）。
【００５６】
以上のように、プレ触媒装置３４…およびメイン触媒装置３５…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７１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３５…はプリ触媒装置３４…の後面とカバー７１の内壁部材６６の前面との間にスプリング６２…，６４…によって弾発的に保持されるので、プリ触媒装置３４…およびメイン触媒装置３５…の軸方向の熱膨張を吸収することができる。
【００５７】
そして最後に、３個の第１円形分配通路５６…をそれぞれ継ぎ手８４…を介してカバー７１の前端の第２三連リング状分配通路８０に接続するとともに、３個の排気ポート１８…から延びる第５段熱交換器Ｈ５…の３本の伝熱管３７…を継ぎ手８５で合流させて蒸発器３の組み立てを完了する。
【００５８】
ところで、図１３に示すように、本実施例Ｐ−１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３４…と下流側のメイン触媒装置３５…とに分割し、プレ触媒装置３４…の排気ガス流れ方向上流側に第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を配置し、メイン触媒装置３５…の排気ガス流れ方向下流側に第１段熱交換器Ｈ１および第２段熱交換器Ｈ２…を配置している。尚、前述したように、第３段熱交換器Ｈ３…はプレ触媒装置３４…の内部に収納される。
【００５９】
一方、比較例Ｃ−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−１はメイン触媒装置だけを備えたもの、比較例Ｃ−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。
【００６０】
図１４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（Ｌ０→Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４→Ｌ５）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３４…を排気通路３３の上流側に配置し、かつプレ触媒装置３４…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３４…の温度を触媒活性化温度以上に速やかに昇温させ、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。
【００６１】
また容量の小さいプレ触媒装置３４…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３５…を配置することにより、小容量のプレ触媒装置３４…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３５…の内層部３５ａ…と外層部３５ｂ…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３５…の内層部３５ａ…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３５…の外層部３５ｂ…に供給するとともに、排気ガスを１８０°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３５ｂ…における触媒反応を促進し、メイン触媒装置３５…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３５ａ…の排気ガスを外層部３５ｂ…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。
【００６２】
図１５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３４…の位置が排気ポート１８…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１８…に第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を配置したことにより、プレ触媒装置３４…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３４…の内部においても、第３段熱交換器Ｈ３の触媒担体４８…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４８…の周囲に第３段熱交換器Ｈ３…のジグザグ状の折り曲げた伝熱管４９…を直接接触させたことにより、プレ触媒装置３４…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。
【００６３】
しかも、第１段熱交換器Ｈ１、第２段熱交換器Ｈ２…、第３段熱交換器Ｈ３…、第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を直列に接続し、第１段熱交換器Ｈ１側から第５段熱交換器Ｈ５…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３４…およびメイン触媒装置３５…の温度を適切に制御することができる（表１参照）。
【００６４】
【表１】
【００６５】
また第１段熱交換器Ｈ１から第５段熱交換器Ｈ５…までの給水経路の途中の３個所、つまり第２段熱交換器Ｈ２…の直上流の第１円形分配通路５６…と、第３段熱交換器Ｈ３…の直上流の第２円形分配通路４７…と、第４段熱交換器Ｈ４…の直上流の第３円形分配通路４３…とに途中給水し、第２段〜第４段熱交換器Ｈ２…，Ｈ３…，Ｈ４…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３４…およびメイン触媒装置３５…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１６参照）。
【００６６】
【表２】
【００６７】
複数給水の効果を図１６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ってしまう。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。
【００６８】
尚、図中でプレ触媒装置３４…のラインが左側にあり、メイン触媒装置３５…のラインが右側にあるのは、プレ触媒装置３４…の容量が小さく、メイン触媒装置３５…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、プリ触媒装置３４…およびメイン触媒装置３５…の温度を一層精密に制御することができる。
【００６９】
以上のように、本実施例Ｐ−１によれば、比較例Ｃ−０〜Ｃ−３に比べて排気ガス浄化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、プリ触媒装置３４…の内部に第３段熱交換器Ｈ３を一体に設けたことによりプリ触媒装置３４…の温度を能動的に制御することができ、またプリ触媒装置３４…の近傍の第１円形分配通路５６…、第２円形分配通路４７…および第３円形分配通路４３…に途中給水することにより、プリ触媒装置３４…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３５…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。
【００７０】
５段の熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…の伝熱面密度（伝熱面積／体積）は、第１段熱交換器Ｈ１が最大であり、そこから第５段熱交換器Ｈ５…に向かって漸減する。また５段の熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…の通路断面積は、第１段熱交換器Ｈ１が最小であり、そこから第５段熱交換器Ｈ５…に向かって漸増する。第１段熱交換器Ｈ１〜第４段熱交換器Ｈ４…の伝熱面密度および通路断面積は表３に示され。
【００７１】
【表３】
【００７２】
伝熱面密度（伝熱面積／体積）を第１段熱交換器Ｈ１から第５段熱交換器Ｈ５…に向かって漸減させたことにより、燃焼室１６…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Ｈ５…の伝熱面密度を最小にし、排気通路３３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Ｈ１の伝熱面密度を最大にすることにより、５段の熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…の全域に亘って平均的な熱交換効率を得ることができる。
【００７３】
また燃焼室１６…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１６…に近い第５段熱交換器Ｈ５…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３３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Ｈ１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。
【００７４】
第１段熱交換器Ｈ１〜第４段熱交換器Ｈ４…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。
【００７５】
【表４】
【００７６】
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Ｈ２…〜Ｈ５…は各排気ポート１８…毎に設けられており、各排気ポート１８…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１８…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１７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１８は、パイプ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が確認される。
【００７７】
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Ｈ１では、３個の排気ポート１８…からの排気ガスがー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、かつ脈動流と異なっ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。
【００７８】
しかも、排気ガスは内燃機関１側から排気管３２側に流れるのに対して、水は排気管３２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Ｈ１〜Ｈ５…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。
【００７９】
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個のシリンダボア１４…の幅と大差がなく、極めてコンパクトである。しかも１６本のボルト５９…を緩めるだけで蒸発器３をシリンダヘッド１２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７１によって蒸発器３全体が高剛性に一体化されるので、内燃機関１の振動に対する耐久性も向上する。
【００８０】
更に、排気通路３３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Ｈ１〜Ｈ４…を半径方向に積層して配置したので、サーマルリークを最小限に抑え、かつ蒸発器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のシリンダヘッド１２にコンパクトに配置することができる。
【００８１】
また第１段〜第５段熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…、プレ触媒装置３４およびメイン触媒装置３５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Ｈ１〜Ｈ５…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、排気マフラー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化が可能になる。しかも排気ガス温度の低下により特に第１段熱交換器Ｈ１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。
【００８２】
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。
【００８３】
例えば、実施例では第１の熱交換器が第２段熱交換器Ｈ２，第３段熱交換器Ｈ３および第４段熱交換器Ｈ４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Ｈ１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。
【００８４】
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。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、多気筒内燃機関の並列する複数の燃焼室からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路毎に第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。
【００８６】
また、上流側の第１の熱交換器と下流側の第２の熱交換器とが互いに並列に連通するので、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。
【００８７】
更に、少なくとも２個の排気通路にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器を、燃焼室の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして第２の熱交換器を該外周部に積層、配置ししたので、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。
【００８８】
また請求項２に記載された発明によれば、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装置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、一体化構造により熱交換装置の剛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。
【００８９】
また請求項３に記載された発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 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】 駆動装置の動力伝達装置の構造を示す図
【図３】 内燃機関のシリンダヘッド部の縦断面図
【図４】 図３の４−４線断面図
【図５】 図３の要部拡大断面図
【図６】 図５の６−６線断面図
【図７】 図５の要部拡大図
【図８】 図６の要部拡大図
【図９】 第４段熱交換器の伝熱管を示す図
【図１０】 プレ触媒装置の分解斜視図
【図１１】 蒸発器の給水経路を示す模式図
【図１２】 蒸発器の分解斜視図
【図１３】 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１４】 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１５】 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１６】 複数給水の効果を説明するグラフ
【図１７】 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１８】 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
【符号の説明】
１ 多気筒内燃機関
３３ 排気通路
Ｈ１ 第１段熱交換器（第２の熱交換器）
Ｈ２ 第２段熱交換器（第１の熱交換器）
Ｈ３ 第３段熱交換器（第１の熱交換器）
Ｈ４ 第４段熱交換器（第１の熱交換器）
【発明の属する技術分野】
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装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多気筒内燃機関の排気マニ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、特開平５−３４０２４１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、特開昭５６−１５６４０７号公報により公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平５−３４０２４１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ニ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ニ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。
【０００４】
また上記特開昭５６−１５６４０７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。
【０００５】
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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、多気筒内燃機関の並列する複数の燃焼室からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路に、第１の熱交換器を各排気通路毎に設けるとともに、少なくとも２個の排気通路の集合部に第２の熱交換器を設けた多気筒内燃機関の熱交換装置であって、前記少なくとも２個の排気通路にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器を、燃焼室の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして前記 第２の熱交換器を該外周部に積層、配置し、その第２の熱交換器を前記少なくとも２個の第１の熱交換器に互いに並列に連通させたことを特徴とする多気筒内燃機関の熱交換装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、多気筒内燃機関の並列する複数の燃焼室からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路毎に第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。
【０００８】
また、上流側の第１の熱交換器と下流側の第２の熱交換器とが互いに並列に連通するので、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。
【０００９】
更に、少なくとも２個の排気通路にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器を、燃焼室の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして第２の熱交換器を該外周部に積層、配置ししたので、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。
【００１０】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、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装置が提案される。
【００１１】
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装置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、一体化構造により熱交換装置の剛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。
【００１２】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または２の構成に加えて、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装置が提案される。
【００１３】
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。
【００１４】
尚、実施例の第１段熱交換器Ｈ１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Ｈ２〜Ｈ４は本発明の第１の熱交換器に対応する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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。
【００１６】
図１〜図１８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ヘッド部の縦断面図、図４は図３の４−４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は第４段熱交換器の伝熱管を示す図、図１０はプレ触媒装置の分解斜視図、図１１は蒸発器の給水経路を示す模式図、図１２は蒸発器の分解斜視図、図１３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１４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１５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１６は複数給水の効果を説明するグラフ、図１７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１８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。
【００１７】
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脹器４と、膨脹器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。
【００１８】
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１２１は、遊星歯車機構１２２、ベルト式無段変速機１２３および発電・電動機１２４を備える。
【００１９】
遊星歯車機構１２２は、サンギヤ１２５と、リングギヤ１２６と、プラネタリキャリヤ１２７と、プラネタリキャリヤ１２７に軸支されて前記サンギヤ１２５およびリングギヤ１２６に同時に噛合する複数のプラネタリギヤ１２８とを備える。膨張器４の出力軸１２９に接続されたプラネタリキャリヤ１２７は、キャリヤブレーキ１３０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１２４の入・出力軸１３１に接続されたサンギヤ１２５は、サンギヤブレーキ１３２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１２６はリングギヤブレーキ１３３によって図示せぬケーシングに締結可能である。キャリヤブレーキ１３０、サンギヤブレーキ１３２およびリングギヤブレーキ１３３は、油圧ブレーキあるいは電磁ブレーキで構成される。
【００２０】
発電・電動機１２４は充放電可能なバッテリ１３４に接続される。発電・電動機１２４は、膨張器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１３４を充電し、バッテリ１３４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。
【００２１】
ベルト式無段変速機１２３は、入力軸１３５に設けられた駆動プーリ１３６と、出力軸１３７に設けられた従動プーリ１３８と、両プーリ１３６，１３８に巻き掛けられた無端ベルト１３９とを備える。駆動プーリ１３６の溝幅および従動プーリ１３８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、駆動プーリ１３６の溝幅を増加させて従動プーリ１３８の溝幅を減少させると変速比がＬＯＷ側に無段階に変化し、駆動プーリ１３６の溝幅を減少させて従動プーリ１３８の溝幅を増加させると変速比がＴＯＰ側に無段階に変化する。
【００２２】
遊星歯車機構１２２のリングギヤ１２６に設けた駆動ギヤ１４０はベルト式無段変速機１２３の入力軸１３５に設けた従動ギヤ１４１に噛合する。内燃機関１の軸出力は出力軸１４２を介して変速機１４３に伝達され、変速機１４３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１２３の出力軸１３７に設けた駆動ギヤ１４４が内燃機関１の出力軸１４２に設けた従動ギヤ１４５に噛合する。
【００２３】
膨張器４の出力軸１２９および発電・電動機１２４の入・出力軸１３１に、それぞれトルクリミッタ１４６，１４７が設けられる。トルクリミッタ１４６，１４７は、膨張器４あるいは発電・電動機１２４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１４６，１４７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１２３の出力軸１３７にクラッチ１４８が設けられる。クラッチ１４８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器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および膨張器４を接続し、締結解除時に内燃機関１および膨張器４を切り離す。
【００２４】
而して、遊星歯車機構１２２のサンギヤブレーキ１３２を締結してサンギヤ１２５を固定するとプラネタリキャリヤ１２７およびリングギヤ１２６がそれぞれ入力要素あるいは出力要素になり、膨張器４からプラネタリキャリヤ１２７に入力された駆動力がリングギヤ１２６に出力され、そこから駆動ギヤ１４０、従動ギヤ１４１、ベルト式無段変速機１２３、駆動ギヤ１４４および従動ギヤ１４５を介して内燃機関１の出力軸１４２に伝達されるため、膨張器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、膨張器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の軸出力で膨張器４をスムーズに始動することができる。
【００２５】
また遊星歯車機構１２２のリングギヤブレーキ１３３を締結してリングギヤ１２６を固定すると膨張器４あるいは発電・電動機１２４がそれぞれ入力要素および出力要素になり、膨張器４からプラネタリキャリヤ１２７に入力された駆動力がサンギヤ１２５を経て発電・電動機１２４に出力され、発電・電動機１２４を発電機として機能させてバッテリ１３４を充電することができる。一方、膨張器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１２４の軸出力で膨張器４をスムーズに始動することができる。
【００２６】
また遊星歯車機構１２２のキャリヤブレーキ１３０を締結してプラネタリキャリヤ１２７を固定するとサンギヤ１２５およびリングギヤ１２６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１２４からサンギヤ１２５に入力された駆動力がリングギヤ１２６に出力され、そこから駆動ギヤ１４０、従動ギヤ１４１、ベルト式無段変速機１２３、駆動ギヤ１４４および従動ギヤ１４５を介して内燃機関１の出力軸１４２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１２４に伝達し、該発電・電動機１２４を発電機として機能させてバッテリ１３４を充電することができる。
【００２７】
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１２に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
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１１、シリンダヘッド１２およびヘッドカバー１３を備えており、シリンダブロック１１に形成した３個のシリンダボア１４…にそれぞれピストン１５…が摺動自在に嵌合する。シリンダヘッド１２に形成された３個の燃焼室１６…にそれぞれ連なる吸気ポート１７…および排気ポート１８…のうち、吸気ポート１７…は従来どおりシリンダヘッド１２の内部に穿設されているが、排気ポート１８…は別部材で構成されてシリンダヘッド１２に結合される。
【００２９】
吸気弁孔１９を開閉する吸気弁２０のステム２１の上端は、吸気ロッカーアーム軸２２に枢支された吸気ロッカーアーム２３の一端に当接し、排気弁孔２４を開閉する排気弁２５のステム２６の上端は、排気ロッカーアーム軸２７に枢支された排気ロッカーアーム２８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２９に設けた吸気カム３０および排気カム３１に前記吸気ロッカーアーム２３の他端および排気ロッカーアーム２８の他端が当接することにより、吸気弁２０および排気弁２５が開閉駆動される。
【００３０】
シリンダヘッド１２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１８…を基端として排気管３２に連なる排気通路３３と、この排気通路３３中に配置された３個のプレ触媒装置３４…および３個のメイン触媒装置３５…と、排気通路３３を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…とを備える。
【００３１】
各排気ポート１８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１８ａと、等径部１８ａ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１８ｂとからなり、等径部１８ａの外周には第５段熱交換器Ｈ５が設けられ、拡径部１８ｂの内部には第４段熱交換器Ｈ４が設けられる。第５段熱交換器Ｈ５は、等径部１８ａの外周に約５回転巻き付けられた１本の伝熱管３７から構成される。第４段熱交換器Ｈ４は拡径部１８ｂの内部に収納された多段に巻回された１本の伝熱管３８から構成されており、第５段熱交換器Ｈ５の伝熱管３７は、排気ポート１８に形成した開口（図示せず）を通って第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８に連続している。
【００３２】
図９を参照すると明らかなように、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８は、排気ポート１８の拡径部１８ｂ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イ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Ｈ３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Ｈ５の伝熱管３７に接続される。図９（ａ）に示すカッコ付数字(1)〜(6)は伝熱管３８内を水が流れる経路を示している。
【００３３】
尚、第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８を、排気ポート１８の拡径部１８ｂ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１８ｂ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。
【００３４】
図７および図８に最も良く示されるように、排気ポート１８の拡径部１８ｂの後端に環状の分配通路形成部材４１が一体に形成されており、この分配通路形成部材４１の後面に別の環状の分配通路形成部材４２を結合することにより、両分配通路形成部材４１，４２間に第３円形分配通路４３が形成される。この第３円形分配通路４３に、前記第４段熱交換器Ｈ４の伝熱管３８の上流端が接続される。
【００３５】
プレ触媒装置３４の外周を覆う円筒状ケース４４の前端が前記分配通路形成部材４２に結合され、また円筒状ケース４４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４５，４６間に第２円形分配通路４７が形成される。そして円筒状ケース４４の内部にプレ触媒装置３４および第３段熱交換器Ｈ３が配置される。
【００３６】
プレ触媒装置３４はハニカム板状に形成された７枚の触媒担体４８…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４４の内部で７枚の触媒担体４８…を囲むように配置された第３段熱交換器Ｈ３は、屈曲させた２本の伝熱管４９，４９から構成される（図１０参照）。各伝熱管４９，４９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っ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４９，４９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４８…が収納される。このとき２本の伝熱管４９，４９は７枚の触媒担体４８…の表面に密着する。そして２本の伝熱管４９，４９の上流端は前記分配通路形成部材４５，４６間に形成された第２円形分配通路４７に接続され、また下流端は前記分配通路形成部材４１，４２間に形成された第３円形分配通路４３に接続される。
【００３７】
プレ触媒装置３４の円筒状ケース４４の半径方向外側に２個の円筒状ケース５０，５１が同軸に配置されており、両円筒状ケース５０，５１間に第２段熱交換器Ｈ２が環状に配置される。第２段熱交換器Ｈ２は、一方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管５２…と、他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管５３…とが、それらの一部を噛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５２…，５３…の配置密度を高めている。而して、プレ触媒装置３４の外周は、伝熱管５２…，５３…によって取り囲まれる。
【００３８】
外側の円筒状ケース５０の前端に固定した分配通路形成材５４と、この分配通路形成部材５４の前面に結合された分配通路形成部材５５との間に第１円形分配通路５６が形成される。伝熱管５２…，５３…の上流端は前記第１円形分配通路５６に接続され、伝熱管５２…，５３…の下流端は前記第２円形分配通路４７に接続される。
【００３９】
３個のプレ触媒装置３４…は、金属板をプレス加工した板状の取付板５７で一纏めにしてシリンダヘッド１２に固定される。取付板５７には３個の開口５７ａ…が形成されており、これら開口に５７ａ…に３個の排気ポート１８…の拡径部１８ｂ…の分配通路形成部材４１がそれぞれ固定されて一体化される。取付板５７の外周に固定した小判形のフランジ５８が１６本のボルト５９…でシリンダヘッド１２に固定される。
【００４０】
３個のプレ触媒装置３４…の後方に３個のメイン触媒装置３５…が配置される。メイン触媒装置３５…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６０…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６１…が嵌合する。メイン触媒装置３５…の直径はプレ触媒装置３４…の直径よりも大きく、メイン触媒装置３５…はプレ触媒装置３４…と同じ直径の内層部３５ａ…と、プレ触媒装置３４…の外周から外側にはみ出した外層部３５ｂ…とに別れている。プレ触媒装置３４…とメイン触媒装置３５…との対向部をシールすべく、分配通路形成部材４６の後面にスプリング６２…を介して支持したシール部材６３…がメイン触媒装置３５…の前面に弾発的に当接する。メイン触媒装置３５…の外周のリング部材６１…の後端にスプリング６４…を介してエンドキャップ６５…が支持される。３個のエンドキャップ６５…の後面は、後述する内壁部材６６の前面に設けた突起６６ａ…に当接して前方に押圧されている。
【００４１】
３個のプレ触媒装置３４…および３個のメイン触媒装置３５…の外側は、着脱自在な共通のカバー７１で覆われる。カバー７１は、中央に排気管３２の取付孔７２ａが形成された板状の分配通路形成部材７２と、この分配通路形成部材７２の前面に結合された三連リング状の分配通路形成部材７３とを備えており、両分配通路形成部材７２，７３間に第１三連リング状分配通路７４が形成される。三連リング状の分配通路形成部材７３からは半径方向外側に位置する筒状部材７５と、半径方向内側に位置する筒状部材７６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７５の前端に設けた小判形のフランジ７７が、前記フランジ５８と重ね合わされてボルト５９…で共締めされる。
【００４２】
内側の筒状部材７６の前端には三連リング状の分配通路形成部材７８が固定されており、この分配通路形成部材７８の前面に略同形の分配通路形成部材７９を結合することにより、第２三連リング状分配通路８０が形成される。第１三連リング状分配通路７４および第２三連リング状分配通路８０は同形であって前後に向かい合っている。カバー７１の内部には、カップ状に形成された前記内壁部材６６が収納されており、この内壁部材６６の外周面と内側の筒状部材７６の内周面との間に第１段熱交換器Ｈ１が配置される。
【００４３】
第１段熱交換器Ｈ１は、前記第２段熱交換器Ｈ２…と類似の構造で、一方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管８１…と、他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管８２…とが、それらの一部を噛み合わせた状態で交互に配置され、これら伝熱管８１…，８２…によって第２段熱交換器Ｈ２…の外周およびメイン触媒装置３５…の外周が取り囲まれる。伝熱管８１…，８２…の上流端は第１三連リング状分配通路７４に接続され、下流端は第２三連リング状分配通路８０に接続される。
【００４４】
第５段熱交換器Ｈ５…の伝熱管３７…、第４段熱交換器Ｈ４…の伝熱管３８…、第３段熱交換器Ｈ３…の伝熱管４９…、第２段熱交換器Ｈ２…の伝熱管５２…，５３…，第１段熱交換器Ｈ１の伝熱管８１…，８２…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ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓや、フェライト系の、例えばＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４）、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。
【００４５】
またプレ触媒装置３４…の触媒担体４８…としては、耐熱ステンレス鋼（例えば２０重量％Ｃｒ−５重量％Ａｌ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０．１ｍｍ以下）が好ましく、メイン触媒装置３５…の触媒担体６０…としては、コーデュライトが好ましい。
【００４６】
図１１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８３が第１三連リング状分配通路７４の中央部に設けられており、第１三連リング状分配通路７４は、３個のメイン触媒装置３５…の外周を囲むように配置された第１段熱交換器Ｈ１の多数の伝熱管８１…，８２…を介して第２三連リング状分配通路８０に連通し、この第２三連リング状分配通路８０は着脱自在な２個の継ぎ手８４…を介して３個の第１円形分配通路５６…に連通する。
【００４７】
３個の第１円形分配通路５６…は、３個のプレ触媒装置３４…の外周を囲むように配置された第２熱交換器Ｈ２…の伝熱管５２…，５３…を介して３個の第２円形分配通路４７…に連通し、これら３個の第２円形分配通路４７…は、それぞれ３個のプレ触媒装置３４…の内部に配置された第３段熱交換器Ｈ３…の各２本の伝熱管４９…を介して３個の第３円形分配通路４３…に連通する。そして３個の第３円形分配通路４３…は、３個の排気ポート１８…の内部を通る第４段熱交換器Ｈ４…の各１本の伝熱管３８…と、３個の排気ポート１８…の外部を通る第５段熱交換器Ｈ５…の各１本の伝熱管３７…とを通った後に、継ぎ手８５で合流して排水口８６から後段の膨張器４に供給される。
【００４８】
また途中給水口８７から給水された水は分配器８８で３方向に分岐し、その一部が継ぎ手８４…を介して３個の第１円形分配通路５６に途中給水され、その一部が３個の第２円形分配通路４７…に途中給水され、その一部が３個の第３円形分配通路４３…に途中給水される。
【００４９】
このように、給水口８３から供給された水が第１段熱交換器Ｈ１→第２段熱交換器Ｈ２…→第３段熱交換器Ｈ３…→第４段熱交換器Ｈ４…→第５段熱交換器Ｈ５…を経て排水口８６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。
【００５０】
即ち、内燃機関１から出た排気ガスは、３個の排気ポート１８…の等径部１８ａ…を通過する間に、その等径部１８ａ…の外周面に巻き付けた伝熱管３７…よりなる第５段熱交換器Ｈ５…との間で熱交換を行う。排気ポート１８…の等径部１８ａ…から拡径部１８ｂ…に流入した排気ガスは、その拡径部１８ｂ…の内部に収納した３重コイル状に巻いた伝熱管３８…よりなる第４段熱交換器Ｈ４…に直接接触して熱交換を行う。排気ガスは排気ポート１８…から３個のプレ触媒装置３４…の各７個の触媒担体４８…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４８…の周囲を囲む伝熱管４９…よりなる第３段熱交換器Ｈ３…との間で熱交換を行う。
【００５１】
３個のプレ触媒装置３４…を通過した排気ガスは３個のメイン触媒装置３５…の内層部３５ａ…を前方から後方に通過した後、エンドキャップ６５…に阻止されてＵターンし、メイン触媒装置３５…の外層部３５ｂ…を後方から前方に通過し、その間にメイン触媒装置３５…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３５…を出た排気ガスは、一対の円筒状ケース５０…，５１…間に配置された伝熱管５２…，５３…よりなる第２段熱交換器Ｈ２…を後方から前方に流れる間に熱交換され、その後に１８０°方向変換して筒状部材７６および内壁部材６６間に配置された伝熱管８１…，８２…よりなる第１段熱交換器Ｈ１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７２の取付孔７２ａから排気管３２に排出される。
【００５２】
上記構造の蒸発器３を組み立てる手順を、主に図１２を参照して説明する。
【００５３】
先ず、第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を予め組み付けた３個の排気ポート１８…と、第２段熱交換器Ｈ２…および第３段熱交換器Ｈ３…を予め組み付けた３個のプレ触媒装置３４…とを一体化したサブアセンブリをシリンダヘッド１２に取り付ける。即ち、板状の取付板５７の３個の開口５７ａ…に、３個の排気ポート１８…に設けた分配通路形成部材４１をそれぞれ固定して一体化し、その取付板５７の外周に固定した小判形のフランジ５８をシリンダヘッド１２に位置決めする。
【００５４】
続いて、３個のプレ触媒装置３４…の後方から３個のメイン触媒装置３５…を接近させ、メイン触媒装置３５…の外周のリング部材６１…の前端外周を第２段熱交換器Ｈ２…の円筒状ケース５０…の後端外周に嵌合させる。このとき、分配通路形成部材４６…の後面にスプリング６２…を介して支持したシール部材６３…がメイン触媒装置３５…の前面に弾発的に当接する（図４参照）。
【００５５】
続いて、カバー７１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Ｈ１で３個のメイン触媒装置３５…および３個の第２段熱交換器Ｈ２…の外周を覆い、カバー７１の筒状部材７５に設けたフランジ７７を取付板５７のフランジ５８の後面に重ね合わせ、１６本のボルト５９…でシリンダヘッド１２に結合する。このとき、カバー７１の内部の内壁部材６６の突起６６ａ…でメイン触媒装置３５…のエンドキャップ６５…を前方に押圧し、エンドキャップ６５…の外周に設けたバネ座６７…とメイン触媒装置３５…の外周のリング部材６１…の後端に設けたバネ座６８…との間にスプリング６４…を圧縮する（図４参照）。
【００５６】
以上のように、プレ触媒装置３４…およびメイン触媒装置３５…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７１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３５…はプリ触媒装置３４…の後面とカバー７１の内壁部材６６の前面との間にスプリング６２…，６４…によって弾発的に保持されるので、プリ触媒装置３４…およびメイン触媒装置３５…の軸方向の熱膨張を吸収することができる。
【００５７】
そして最後に、３個の第１円形分配通路５６…をそれぞれ継ぎ手８４…を介してカバー７１の前端の第２三連リング状分配通路８０に接続するとともに、３個の排気ポート１８…から延びる第５段熱交換器Ｈ５…の３本の伝熱管３７…を継ぎ手８５で合流させて蒸発器３の組み立てを完了する。
【００５８】
ところで、図１３に示すように、本実施例Ｐ−１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３４…と下流側のメイン触媒装置３５…とに分割し、プレ触媒装置３４…の排気ガス流れ方向上流側に第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を配置し、メイン触媒装置３５…の排気ガス流れ方向下流側に第１段熱交換器Ｈ１および第２段熱交換器Ｈ２…を配置している。尚、前述したように、第３段熱交換器Ｈ３…はプレ触媒装置３４…の内部に収納される。
【００５９】
一方、比較例Ｃ−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−１はメイン触媒装置だけを備えたもの、比較例Ｃ−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。
【００６０】
図１４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（Ｌ０→Ｌ１→Ｌ２→Ｌ３→Ｌ４→Ｌ５）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３４…を排気通路３３の上流側に配置し、かつプレ触媒装置３４…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３４…の温度を触媒活性化温度以上に速やかに昇温させ、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。
【００６１】
また容量の小さいプレ触媒装置３４…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３５…を配置することにより、小容量のプレ触媒装置３４…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３５…の内層部３５ａ…と外層部３５ｂ…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３５…の内層部３５ａ…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３５…の外層部３５ｂ…に供給するとともに、排気ガスを１８０°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３５ｂ…における触媒反応を促進し、メイン触媒装置３５…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３５ａ…の排気ガスを外層部３５ｂ…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。
【００６２】
図１５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３４…の位置が排気ポート１８…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１８…に第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を配置したことにより、プレ触媒装置３４…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３４…の内部においても、第３段熱交換器Ｈ３の触媒担体４８…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４８…の周囲に第３段熱交換器Ｈ３…のジグザグ状の折り曲げた伝熱管４９…を直接接触させたことにより、プレ触媒装置３４…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。
【００６３】
しかも、第１段熱交換器Ｈ１、第２段熱交換器Ｈ２…、第３段熱交換器Ｈ３…、第４段熱交換器Ｈ４…および第５段熱交換器Ｈ５…を直列に接続し、第１段熱交換器Ｈ１側から第５段熱交換器Ｈ５…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３４…およびメイン触媒装置３５…の温度を適切に制御することができる（表１参照）。
【００６４】
【表１】
また第１段熱交換器Ｈ１から第５段熱交換器Ｈ５…までの給水経路の途中の３個所、つまり第２段熱交換器Ｈ２…の直上流の第１円形分配通路５６…と、第３段熱交換器Ｈ３…の直上流の第２円形分配通路４７…と、第４段熱交換器Ｈ４…の直上流の第３円形分配通路４３…とに途中給水し、第２段〜第４段熱交換器Ｈ２…，Ｈ３…，Ｈ４…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３４…およびメイン触媒装置３５…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１６参照）。
【００６６】
【表２】
複数給水の効果を図１６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ってしまう。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。
【００６８】
尚、図中でプレ触媒装置３４…のラインが左側にあり、メイン触媒装置３５…のラインが右側にあるのは、プレ触媒装置３４…の容量が小さく、メイン触媒装置３５…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、プリ触媒装置３４…およびメイン触媒装置３５…の温度を一層精密に制御することができる。
【００６９】
以上のように、本実施例Ｐ−１によれば、比較例Ｃ−０〜Ｃ−３に比べて排気ガス浄化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、プリ触媒装置３４…の内部に第３段熱交換器Ｈ３を一体に設けたことによりプリ触媒装置３４…の温度を能動的に制御することができ、またプリ触媒装置３４…の近傍の第１円形分配通路５６…、第２円形分配通路４７…および第３円形分配通路４３…に途中給水することにより、プリ触媒装置３４…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３５…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。
【００７０】
５段の熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…の伝熱面密度（伝熱面積／体積）は、第１段熱交換器Ｈ１が最大であり、そこから第５段熱交換器Ｈ５…に向かって漸減する。また５段の熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…の通路断面積は、第１段熱交換器Ｈ１が最小であり、そこから第５段熱交換器Ｈ５…に向かって漸増する。第１段熱交換器Ｈ１〜第４段熱交換器Ｈ４…の伝熱面密度および通路断面積は表３に示され。
【００７１】
【表３】
伝熱面密度（伝熱面積／体積）を第１段熱交換器Ｈ１から第５段熱交換器Ｈ５…に向かって漸減させたことにより、燃焼室１６…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Ｈ５…の伝熱面密度を最小にし、排気通路３３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Ｈ１の伝熱面密度を最大にすることにより、５段の熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…の全域に亘って平均的な熱交換効率を得ることができる。
【００７３】
また燃焼室１６…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１６…に近い第５段熱交換器Ｈ５…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３３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Ｈ１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。
【００７４】
第１段熱交換器Ｈ１〜第４段熱交換器Ｈ４…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。
【００７５】
【表４】
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Ｈ２…〜Ｈ５…は各排気ポート１８…毎に設けられており、各排気ポート１８…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１８…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１７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１８は、パイプ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が確認される。
【００７７】
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Ｈ１では、３個の排気ポート１８…からの排気ガスがー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、かつ脈動流と異なっ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。
【００７８】
しかも、排気ガスは内燃機関１側から排気管３２側に流れるのに対して、水は排気管３２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Ｈ１〜Ｈ５…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。
【００７９】
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個のシリンダボア１４…の幅と大差がなく、極めてコンパクトである。しかも１６本のボルト５９…を緩めるだけで蒸発器３をシリンダヘッド１２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７１によって蒸発器３全体が高剛性に一体化されるので、内燃機関１の振動に対する耐久性も向上する。
【００８０】
更に、排気通路３３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Ｈ１〜Ｈ４…を半径方向に積層して配置したので、サーマルリークを最小限に抑え、かつ蒸発器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のシリンダヘッド１２にコンパクトに配置することができる。
【００８１】
また第１段〜第５段熱交換器Ｈ１〜Ｈ５…、プレ触媒装置３４およびメイン触媒装置３５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Ｈ１〜Ｈ５…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、排気マフラー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化が可能になる。しかも排気ガス温度の低下により特に第１段熱交換器Ｈ１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。
【００８２】
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。
【００８３】
例えば、実施例では第１の熱交換器が第２段熱交換器Ｈ２，第３段熱交換器Ｈ３および第４段熱交換器Ｈ４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Ｈ１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。
【００８４】
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。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、多気筒内燃機関の並列する複数の燃焼室からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路毎に第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。
【００８６】
また、上流側の第１の熱交換器と下流側の第２の熱交換器とが互いに並列に連通するので、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。
【００８７】
更に、少なくとも２個の排気通路にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器を、燃焼室の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして第２の熱交換器を該外周部に積層、配置ししたので、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。
【００８８】
また請求項２に記載された発明によれば、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装置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、一体化構造により熱交換装置の剛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。
【００８９】
また請求項３に記載された発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 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】 駆動装置の動力伝達装置の構造を示す図
【図３】 内燃機関のシリンダヘッド部の縦断面図
【図４】 図３の４−４線断面図
【図５】 図３の要部拡大断面図
【図６】 図５の６−６線断面図
【図７】 図５の要部拡大図
【図８】 図６の要部拡大図
【図９】 第４段熱交換器の伝熱管を示す図
【図１０】 プレ触媒装置の分解斜視図
【図１１】 蒸発器の給水経路を示す模式図
【図１２】 蒸発器の分解斜視図
【図１３】 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１４】 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１５】 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１６】 複数給水の効果を説明するグラフ
【図１７】 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１８】 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
【符号の説明】
１ 多気筒内燃機関
３３ 排気通路
Ｈ１ 第１段熱交換器（第２の熱交換器）
Ｈ２ 第２段熱交換器（第１の熱交換器）
Ｈ３ 第３段熱交換器（第１の熱交換器）
Ｈ４ 第４段熱交換器（第１の熱交換器）
Claims (3)
- 多気筒内燃機関（１）の並列する複数の燃焼室（１６）からそれぞれ同側に延びる複数の排気通路（３３）に、第１の熱交換器（Ｈ２〜Ｈ４）を各排気通路（３３）毎に設けるとともに、少なくとも２個の排気通路（３３）の集合部に第２の熱交換器（Ｈ１）を設けた多気筒内燃機関の熱交換装置であって、
前記少なくとも２個の排気通路（３３）にそれぞれ対応した複数の第１の熱交換器（Ｈ２〜Ｈ４）を、燃焼室（１６）の配列方向に沿う方向で互いに隣接配置するとともに、その隣接配置された第１の熱交換器（Ｈ２〜Ｈ４）群の外周部を全周に亘り取り囲むようにして前記第２の熱交換器（Ｈ１）を該外周部に積層、配置し、その第２の熱交換器（Ｈ１）を前記少なくとも２個の第１の熱交換器（Ｈ２〜Ｈ４）に互いに並列に連通させたことを特徴とする多気筒内燃機関の熱交換装置。 - 第１の熱交換器（Ｈ２〜Ｈ４）および第２の熱交換器（Ｈ１）を一体化したことを特徴とする、請求項１に記載の多気筒内燃機関の熱交換装置。
- 熱媒は第２の熱交換器（Ｈ１）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または２に記載の多気筒内燃機関の熱交換装置。
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