特許 7201575 排気熱回収装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-26

(45)【発行日】2023-01-10

(54)【発明の名称】排気熱回収装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 5/02 20060101AFI20221227BHJP

   F01N 13/08 20100101ALI20221227BHJP

   F02M 26/14 20160101ALI20221227BHJP

   F02M 26/32 20160101ALI20221227BHJP

【ＦＩ】

F01N5/02 B

F01N13/08 B

F02M26/14

F02M26/32

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019220968

(22)【出願日】2019-12-06

(65)【公開番号】P2021088981

(43)【公開日】2021-06-10

【審査請求日】2021-12-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000004765

【氏名又は名称】マレリ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 史朗

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼田 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】山中 真由美

(72)【発明者】

【氏名】久永 徹

(72)【発明者】

【氏名】井上 勝文

【審査官】畔津 圭介

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０４４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８４６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１４８１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１４２３６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ５／０２

Ｆ０１Ｎ １３／０８

Ｆ０２Ｍ ２６／１４

Ｆ０２Ｍ ２６／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排ガス再循環装置を備えた内燃機関からの排ガスが導かれる排気管に設置されるガス導入口とガス排出口を有する排気熱回収装置において、
前記排ガスが前記ガス導入口から前記ガス排出口に向かって流れる主排気流路を有する主排気流路部と、
前記主排気流路部に併設され前記主排気流路から分流した排ガスが冷却媒体と熱交換を行う熱交換流路を有する熱交換部と、
を備え、
前記熱交換部は、前記冷却媒体が流れる冷却媒体流路を有する熱交換器と、前記排ガスを前記熱交換流路から前記主排気流路部と前記排ガス再循環装置に分流する合流部より構成され、
前記主排気流路の排ガスの流れ方向における前記合流部の端部に前記排ガスが前記合流部から前記排ガス再循環装置に導入するＥＧＲ配管が設けられ、
前記主排気流路の排ガスの流れる方向における前記熱交換部の端部に前記冷却媒体流路を構成する冷却媒体入口管と冷却媒体出口管が設けられ、
前記主排気流路の排ガスの流れ方向から装置本体を見たときに、前記熱交換部は、前記主排気流路部を囲むように水平領域と垂直領域を有するコ字状となっており、
前記ＥＧＲ配管の前記合流部の接続位置は、前記主排気流路部と縦配置になって、前記コ字状の水平領域にあり、
前記冷却媒体入口管と前記冷却媒体出口管の前記熱交換部との接続位置は、お互い縦配置になって、前記コ字状の垂直領域にあることを特徴とする排気熱回収装置。

【請求項2】

請求項１記載の排気熱回収装置であって、
前記熱交換部に、前記排ガスが前記主排気流路から前記熱交換流路に流入する熱交換部ガス流入部と、前記排ガスが前記熱交換流路から前記熱交換器下流のガス流路に流出する熱交換部ガス流出部と、がそれぞれ設けられ、
前記熱交換部ガス流入部は、前記冷却媒体入口管側に配置され、前記熱交換部ガス流出部は、前記冷却媒体出口管側に配置されていることを特徴とする排気熱回収装置。

【請求項3】

請求項１記載の排気熱回収装置であって、
前記合流部に前記排ガスを前記合流部から前記主排気流路に戻す連通口が設けられ、
前記主排気流路部に前記排ガスが前記熱交換部に分流される開口部が設けられ、
前記開口部より前記主排気流路部の下流側に設けられて前記主排気流路及び前記熱交換流路を開閉する切換えバルブがあって、
前記切換えバルブは、前記主排気流路を開閉するバタフライバルブ部と前記連通口を開閉するシャッタバルブ部とを有して、前記バタフライバルブ部に設けられる駆動軸で回動できるように前記主排気流路部に固定され、
前記排ガスを前記熱交換流路と前記主排気流路とに振り分けることを特徴とする排気熱回収装置。

【請求項4】

請求項１記載の排気熱回収装置であって、
前記主排気流路の排ガスの流れ方向における前記合流部の前記排ガスの上流側の端部に前記排ガスが前記合流部から前記排ガス再循環装置に導入するＥＧＲ配管が設けられ、
前記主排気流路の排ガスの流れ方向における前記熱交換部の上流側の端部に前記冷却媒体入口管と冷却媒体出口管が設けられていることを特徴とする排気熱回収装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の排気熱回収装置であって、
前記ＥＧＲ配管は、前記熱交換部より前記排ガスの下流側に配置されていることを特徴とする排気熱回収装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動車の内燃機関に用いられる排気熱回収装置に関し、特に、排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えた内燃機関に用いて好適な排気熱回収装置に係る。

【背景技術】

【0002】

この種の排気熱回収装置として、特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に開示された排気熱回収装置は、内燃機関の排ガスを導入する主排気流路と、この主排気流路から分岐して該主排気流路に合流する迂回流路と、この迂回流路に介装され、該迂回流路内の排ガスを導入して冷却媒体と熱交換を行う熱交換器と、この熱交換器の下流側で主排気流路及び迂回流路を開閉する弁部材と、を備え、この弁部材と熱交換器との間の迂回流路を、再循環流路を介して排ガス再循環装置（ＥＧＲ）に連通接続するように構成されている。また、弁装置は、アクチュエータにより駆動するようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－４４６６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

前記従来の排気熱回収装置では、主排気流路と迂回流路の排ガスの流れを単一の弁部材で行うが、迂回流路の排ガスの流れを制御する部材が迂回流路に入り込む形状になっているため、迂回流路側にスペースが必要不可欠となり、その分装置全体が大型になる。

【0005】

また、主排気流路と熱交換器を含む迂回流路が並行に配置されているため、車両の前後方向の寸法が大きくなり、装置全体が大型になって車両の搭載性が課題になる。

【0006】

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、車両の搭載性に優れた小型の排気熱回収装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、排ガスが流れる上流側の排気管と下流側の排気管にそれぞれ接続される排気熱回収装置において、前記排ガスと熱交換を行う冷却媒体が循環する冷却媒体流路と、前記排ガスの熱交換流路と、を有する熱交換部と、前記排ガスを上流側の排気管から前記熱交換部に流れずに前記下流側の排気管から流れる主排気流路を形成する主排気流路部と、前記排ガスを前記熱交換流路から吸気側の排ガス再循環装置側に流す再循環流路を形成するＥＧＲ配管と、前記熱交換流路と前記主排気流路とに前記排ガスを振り分ける切換えバルブと、を備え、前記熱交換部に前記冷却媒体流路接続用の冷却媒体入口管と冷却媒体出口管がそれぞれ設けられ、前記冷却媒体入口管と前記冷却媒体出口管及び前記ＥＧＲ配管は、前記上流側の排気管側にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、熱交換部の冷却媒体入口管と冷却媒体出口管及びＥＧＲ配管を上流側の排気管側にそれぞれ配置したことにより、装置の全長を短くすることができて小型化を図ることができ、かつ、車両の搭載性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態の排気熱回収装置を示す斜視図である。

【図2】上記排気熱回収装置の平面図である。

【図3】上記排気熱回収装置の排熱回収モード時の断面図であり、（ａ）は図２中Ａ－Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は図２中Ｂ－Ｂ線に沿う断面図である。

【図4】上記排気熱回収装置の排ガス再循環モード時の断面図であり、（ａ）は図２中Ａ－Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は図２中Ｂ－Ｂ線に沿う断面図である。

【図5】上記排気熱回収装置の排熱非回収モード時の断面図であり、（ａ）は図２中Ａ－Ａ線に沿う断面図、（ｂ）は図２中Ｂ－Ｂ線に沿う断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

【0011】

図１は本発明の一実施形態の排気熱回収装置を示す斜視図、図２は排気熱回収装置の平面図、図３は排気熱回収装置の排熱回収モード時の断面図であり、図３（ａ）は図２中Ａ－Ａ線に沿う断面図、図３（ｂ）は図２中Ｂ－Ｂ線に沿う断面図、図４は排気熱回収装置の排ガス再循環モード時の断面図であり、図４（ａ）は図２中Ａ－Ａ線に沿う断面図、図４（ｂ）は図２中Ｂ－Ｂ線に沿う断面図、図５は排気熱回収装置の排熱非回収モード時の断面図であり、図５（ａ）は図２中Ａ－Ａ線に沿う断面図、図５（ｂ）は図２中Ｂ－Ｂ線に沿う断面図である。

【0012】

図１に示すように、排気熱回収装置１０は、排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えたエンジン（内燃機関）５５から排出される排ガスＧが流れる上流側の排気管１８と下流側の排気管１９にそれぞれ接続される装置本体１１を有し、排ガスＧの熱を回収すると共に、排ガスＧをエンジン５５へ再循環させるための装置であり、図３に示す排ガスＧの熱回収を行う排熱回収モードと、図４に示す排ガスＧをエンジン５５へ再循環させる排ガス再循環モードと、図５に示す熱回収を行わない排熱非回収モードと、を有する。

【0013】

図１～図５に示すように、排気熱回収装置１０の装置本体１１は、排ガスＧをガス導入口２１からガス排出口２２に流す排ガス主排気流路２３を形成する主排気流路部２０と、排ガスＧが主排気流路部２０から分岐して冷却水（冷却媒体）Ｗと熱交換を行う冷却媒体の冷却媒体流路３２と排ガスＧの熱交換流路３３を形成する熱交換器３１を有する熱交換部３０と、この熱交換部３０の熱交換流路３３の下流側と主排気流路２３を結ぶ熱交換部３０下流側のガス流路４１を形成する合流部４０と、この合流部４０に流れる排ガスＧを吸気側のエンジン５５に流す再循環流路５１を形成するＥＧＲ配管５０と、主排気流路２３と熱交換流路３３とに排ガスＧを振り分ける切換えバルブ６０と、を備えている。

【0014】

切換えバルブ６０と図示しない排ガス再循環装置側に設けられたバルブより排ガスＧの流れモードが以下のように切換する。

【0015】

排熱非回収モード時に、主排気流路２３と熱交換流路３３が開放されて、熱交換部３０下流側のガス流路４１と再循環流路５１が閉じられる。排熱回収モード時に、主排気流路２３と再循環流路５１が閉じられて、熱交換流路３と熱交換部３０下流側のガス流路４１が開放される。排ガス再循環モード時に、主排気流路２３と熱交換部３０下流側のガス流路４１が閉じられて、熱交換流路３３と再循環流路５１が開放される。

【0016】

図１、図２に示すように、装置本体１１は、一側面の下段側に位置して主排気流路２３を成す第１筐体１２と、この第１筐体１２上（一側面の上段側）に位置して合流部４０を成す第２筐体１３と、これら第１筐体１２及び第２筐体１３に併設され、他側面側に位置して熱交換部３０を成す第３筐体１４と、第２筐体１３と第３筐体１４の各上面開口側を覆って各筐体１３，１４をブロック状に組み付ける上蓋部１５（尚、第２筐体１３と上蓋部１５は一体部品でも良い）と、第１筐体１２と第３筐体１４の各下面開口側を覆って各筐体１２，１４をブロック状に組み付ける下蓋部１６（尚、下蓋部１６は２分割でも良い）と、で構成されている。尚、第３筐体１４の側面には、後述するアクチュエータ６５をボルト６６とナット６７を介して締結固定するアクチュエータ取付用筐体１７が取り付けられている。

【0017】

図１に示すように、主排気流路２３のガス導入口２１とガス排出口２２は円筒状に形成されていると共に、ガス導入口２１とガス排出口２２以外の主排気流路２３は四角筒状或いは円筒状に形成されている。そして、ガス導入口２１には上流側の排気管１８が接続され、ガス排出口２２には下流側の排気管１９が接続される。

【0018】

図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、熱交換部３０の冷却水（冷却媒体）Ｗが循環する冷却媒体流路３２と排ガスＧの熱交換流路３３とで熱交換器３１になっている。

【0019】

また、図１～図５に示すように、熱交換部３０には、冷却媒体流路３２の上流端側に接続される冷却媒体入口管３４と、冷却媒体流路３２の下流端側に接続される冷却媒体出口管３５がそれぞれ設けられている。熱交換器３１は、例えばアルミ材などの複数枚金属板より積層配置で構成され、筐体１２の排ガスＧの流れ方向に対して熱交換部３０の中に縦置き配置している。そして、冷却媒体入口管３４から流入した冷却水（冷却媒体）Ｗが、図３（ｂ）に示すように、熱交換部３０の中に排ガスＧの流れ方向（熱交換器３１の下側から上側に指す矢印）と同じ流れ方向で熱交換器３１の下側から上側に流れながら排ガスＧと熱交換を行い、冷却媒体出口管３５より流出する。これら冷却媒体入口管３４と冷却媒体出口管３５及びＥＧＲ配管５０は、装置本体１１の前面側である上流側の排気管１８側にそれぞれ配置されている。さらに、ＥＧＲ配管５０は、熱交換部３０より排ガスＧの下流側に配置されている。つまり、装置本体１１の前面側から見た時に、冷却媒体入口管３４と冷却媒体出口管３５が筐体１２の入口部分の右側に縦並びに配置してあると共に、ＥＧＲ配管５０が筐体１２のガス導入口１２の上側に配置してある。詳述すると、主排気流路２３の排ガスＧの流れ方向から装置本体１１を見たときに、熱交換部３０は、主排気流路部２０を囲むように水平領域と垂直領域を有するコ字状となっており、ＥＧＲ配管５０の合流部４０の接続位置は、主排気流路部２０と縦配置になって、コ字状の水平領域にあり、冷却媒体入口管３４と冷却媒体出口管３５の熱交換部３０との接続位置は、お互い縦配置になって、コ字状の垂直領域にある。

【0020】

さらに、図３（ｂ）に示すように、熱交換部３０には、排ガスＧが主排気流路２３から熱交換流路３３に流入する熱交換部ガス流入部３７と、排ガスＧが熱交換流路３３から合流部４０に流出する熱交換部ガス流出部３８とがそれぞれ設けられている。この熱交換部ガス流入部３７は、冷却媒体入口管３４側（下側）に配置され、熱交換部ガス流出部３８は、冷却媒体出口管３５側（上側）に配置されている。図３（ａ），（ｂ）に示すように、熱交換部３０の一部は主排気流路２３の下側まで延びていて、熱交換部３０の熱交換部ガス流入部３７の入口部３６と主排気流路２３の下側に形成された開口部２４とは連通している。さらに、熱交換部３０の上部は熱交換部ガス流出部３８を介して合流部４０と連通している。

【0021】

図１、図３～図５に示すように、主排気流路部２０を成す第２筐体１３の前面には、再循環流路５１を形成するＥＧＲ配管５０が設けられている。このＥＧＲ配管５０の先端には、エンジン５５から延びる排気管５３を接続するための取付フランジ５２が取り付けられている。

【0022】

さらに、図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の下流側の合流位置には、連通口２５，４５がそれぞれ設けられている。これら各連通口２５，４５と主排気流路２３を切換えバルブ６０により開閉することで、排ガスＧが主排気流路２３と熱交換流路３３とに振り分けられるようになっている。

【0023】

図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）に示すように、切換えバルブ６０は、主排気流路２３を開閉するバタフライバルブ部６１と、主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５を開閉するシャッタバルブ部６２と、を有している。このバタフライバルブ部６１とシャッタバルブ部６２とは、折り曲げ形成等により所定の間隔を有して平行に設けられている。また、バタフライバルブ部６１はシャッタバルブ部６２より大形に形成されている。このバタフライバルブ部６１より小形のシャッタバルブ部６２が主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５を閉じると、大形のバタフライバルブ部６１が主排気流路２３を開くようになっている。そして、バタフライバルブ部６１の中央に固定された駆動軸６３がアクチュエータ６５により回動することにより、切換えバルブ６０が揺動するようになっている。この切換えバルブ６０の揺動により、図３（ａ）に示すように、バタフライバルブ部６１で主排気流路２３が閉状態の場合に、シャッタバルブ部６２が主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５を開状態にし、また、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、バタフライバルブ部６１で主排気流路２３が開状態の場合に、シャッタバルブ部６２が主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５を閉状態に切換えるようになっている。

【0024】

以上実施形態の排気熱回収装置１０によれば、図３（ａ），（ｂ）に示すように、排熱回収モードでは、切換えバルブ６０のバタフライバルブ部６１で主排気流路２３が全閉され、切換えバルブ６０のシャッタバルブ部６２で主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５が全開されている。この状態で、エンジン５５から排出されて上流側の排気管１８より流れて来た排ガスＧは、主排気流路２３の下側の開口部２４から熱交換部ガス流入部３７に流れ、熱交換部ガス流入部３７から熱交換器３１と熱交換部ガス流出部３８を通り、熱交換部ガス流出部３８から合流部４０のガス流路４１を経由して、合流部４０のガス流路４１と主排気流路２３の各連通口４５，２５から主排気流路２３を通って下流側の排気管１９へ流れる。そして、エンジン５５から排出された排ガスＧが熱交換器３１の熱交換流路３３を通る際に、熱交換器３１の冷却媒体流路３２を通る冷却水Ｗとの熱交換が行われて排熱が回収される。

【0025】

また、図４（ａ），（ｂ）に示すように、排ガス再循環モードでは、切換えバルブ６０のバタフライバルブ部６１で主排気流路２３が全開され、切換えバルブ６０のシャッタバルブ部６２で主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５が全閉されている。この状態で、エンジン５５から排出されて上流側の排気管１８より流れて来た排ガスＧは、バタフライバルブ部６１で全開されている主排気流路２３を通って下流側の排気管１９へ流れる。この際、ＥＧＲ配管５０とエンジン５５を接続する排気管５３に設けられた図示しないバルブを開状態にすると、排気管５３側の負圧により、一部の排ガスＧ１が主排気流路２３の下側の開口部２４から熱交換部ガス流入部３７に流れ、熱交換部ガス流入部３７から熱交換器３１と熱交換部ガス流出部３８を通り、熱交換部ガス流出部３８から合流部４０のガス流路４１を経由して、ＥＧＲ配管５０の再循環流路５１に流れる。これにより、熱交換器３１で冷却水Ｗとの熱交換が行われて排熱が回収されると共に、エンジン５５に排ガスＧ１が再循環されて燃費の改善が図られる。

【0026】

さらに、図５（ａ），（ｂ）に示すように、排熱非回収モードでは、切換えバルブ６０のバタフライバルブ部６１で主排気流路２３が全開され、切換えバルブ６０のシャッタバルブ部６２で主排気流路２３と合流部４０のガス流路４１の各連通口２５，４５が全閉されている。この状態で、エンジン５５から排出されて上流側の排気管１８より流れて来た排ガスＧは、バタフライバルブ部６１で全開されている主排気流路２３を通って下流側の排気管１９へ流れる。この際、排ガスＧは熱交換器３１の熱交換流路３３を通らないため、排熱は回収されない。さらに、排気管５３に設けられたバルブは閉状態であるため、排ガスＧは、ＥＧＲ配管５０の再循環流路５１からエンジン５５へ再循環しない。

【0027】

また、排気熱回収装置１０によれば、図１に示すように、熱交換部３０の冷却媒体入口管３４と冷却媒体出口管３５及びＥＧＲ配管５０を上流側の排気管１８側にそれぞれ配置し、また、切換えバルブ６０を駆動させるアクチュエータ６５を装置本体１１の熱交換部３０を成す第３筐体１４の側面に取り付けたことにより、装置の全長及び横幅を短くすることができて小型化を図ることができ、かつ、車両の搭載性を向上させることができる。

【0028】

また、熱交換部３０の熱交換流路３３の開口面積が広く取れるため、通気抵抗を低くできる。さらに、切換えバルブ６０がバタフライバルブ部６１とシャッタバルブ部６２を有しているため、スペースを有効に活用することができ、主排気流路２３のみで対応が可能である。

【0029】

さらに、熱交換部３０とアクチュエータ６５を隣接して配置することで、排ガスエネルギーが高く高温のエキゾーストマニホールド直下の位置でも搭載が可能になる。また、排ガス温度が高い部分を効率的に冷却することができ、熱交換器３１の耐沸騰性を向上させることができる。

【0030】

尚、前記実施形態によれば、冷却媒体として冷却水を用いたが、冷却媒体は冷却水以外でも良い。

【符号の説明】

【0031】

１０ 排気熱回収装置
１１ 装置本体
１８ 上流側の排気管
１９ 下流側の排気管
２０ 主排気流路部
２１ ガス導入口
２２ ガス排出口
２３ 主排気流路
２４ 開口部
２５ 連通口
３０ 熱交換部
３２ 冷却媒体流路
３３ 熱交換流路
３４ 冷却媒体入口管
３５ 冷却媒体出口管
３７ 熱交換部ガス流入部
３８ 熱交換部ガス流出部
４０ 合流部
４１ 熱交換部下流のガス流路
４５ 連通口
５０ ＥＧＲ配管
５１ 再循環流路
５５ 排ガス再循環装置（ＥＧＲ）を備えたエンジン（内燃機関）
６０ 切換えバルブ
６１ バタフライバルブ部
６２ シャッタバルブ部
６３ 駆動軸
Ｇ，Ｇ１ 排ガス
Ｗ 冷却水（冷却媒体）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】