特許 7590307 排気熱回収器

(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】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】排気熱回収器

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/16 20160101AFI20241119BHJP

   F01N 3/24 20060101ALI20241119BHJP

   F02M 26/01 20160101ALI20241119BHJP

   F01N 5/02 20060101ALI20241119BHJP

【ＦＩ】

F02M26/16

F01N3/24 L

F01N3/24 S

F02M26/01

F01N5/02 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021192371

(22)【出願日】2021-11-26

(65)【公開番号】P2023078999

(43)【公開日】2023-06-07

【審査請求日】2023-09-05

(73)【特許権者】

【識別番号】391002498

【氏名又は名称】フタバ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】小堀 清道

【審査官】上田 真誠

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１７３２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２１４５２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２５０５２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ３／０４－ ３／３８

Ｆ０１Ｎ ５／０２

Ｆ０２Ｍ ２６／００－２６／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内燃機関の排気ガスと、冷却水との間で熱交換を行う熱交換部と、
前記排気ガスを導入する導入口と、前記排気ガスを外部に排出する主排出口と、球面の一部を構成する内周面を有するバルブ収容部と、前記内周面に配置され前記熱交換部へ前記排気ガスを供給する供給口と、を有する主流路と、
前記バルブ収容部の内部に配置されると共に、前記主流路から前記熱交換部への前記排気ガスの供給量を調整するように構成されたバルブ機構と、
を備え、
前記熱交換部は、前記主流路の少なくとも一部を径方向外側から囲む円環形状を有し、前記円環の中心軸が前記主流路の中心軸と一致するように配置され、
前記バルブ収容部は、前記主流路において前記熱交換部によって囲まれた部位よりも前記排気ガスの流れ方向における下流側に位置し、
前記バルブ機構は、
前記主排出口への前記排気ガスの流量を調整するように構成されたメインバルブと、
前記内周面に沿う移動面を有し、前記移動面が前記内周面に沿うように回転することにより前記供給口の開度を調整するように構成されたサブバルブと、
前記メインバルブと前記サブバルブとが取り付けられると共に、軸回転により前記メインバルブと前記サブバルブとを回転させるように構成された軸部と、
を有する、排気熱回収器。

【請求項2】

請求項１に記載の排気熱回収器であって、
前記サブバルブは、前記軸部によって前記メインバルブと一体となって回転する、排気熱回収器。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の排気熱回収器であって、
前記サブバルブは、前記軸部の径方向において、前記軸部と対向する、排気熱回収器。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の排気熱回収器であって、
前記熱交換部を通過した前記排気ガスが流れるＥＧＲ流路をさらに備え、
前記ＥＧＲ流路内にはバルブが存在しない、排気熱回収器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、排気熱回収器に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車用の内燃機関における排気ガスの熱を冷却水によって回収すると共に、ＥＧＲ（排気再循環）ガスとして内燃機関に循環させる排気熱回収器が公知である（特許文献１参照）。

【0003】

この排気熱回収器では、排気ガスの主流路内に設けられたバルブによって熱交換器への流入量を制御し、さらにＥＧＲ流路内に設けられた別のバルブによってＥＧＲガス量を制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－８２７０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述の排気熱回収器では、２つのバルブが別々の流路に独立して設けられる。そのため、バルブの取り付け構造や、制御機構が煩雑となりやすい。

【0006】

本開示の一局面は、バルブの構成を簡素化できる排気熱回収器を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、内燃機関の排気ガスと、冷却水との間で熱交換を行う熱交換部と、排気ガスを導入する導入口と、排気ガスを外部に排出する主排出口と、熱交換部へ排気ガスを供給する供給口と、を有する主流路と、主流路の内部に配置されると共に、主流路から熱交換部への排気ガスの供給量を調整するように構成されたバルブ機構と、を備える排気熱回収器である。

【0008】

バルブ機構は、主排出口への排気ガスの流量を調整するように構成されたメインバルブと、供給口の開度を調整するように構成されたサブバルブと、メインバルブとサブバルブとが取り付けられると共に、軸回転によりメインバルブとサブバルブとを回転させるように構成された軸部と、を有する。

【0009】

このような構成によれば、共通する軸部に取り付けられたメインバルブとサブバルブとによって、ＥＧＲ流路に供給される排気ガスの流量を調整することができる。そのため、バルブの構成を簡素化できる。

【0010】

本開示の一態様では、サブバルブは、軸部によってメインバルブと一体となって回転してもよい。このような構成によれば、メインバルブとサブバルブとの制御を同時に行えるため、バルブの構成の簡素化を促進できる。

【0011】

本開示の一態様では、熱交換部は、主流路の少なくとも一部を径方向外側から囲むように配置されてもよい。このような構成によれば、主流路から熱交換部への流路を短縮できると共に、排気熱回収器を小型化することができる。

【0012】

本開示の一態様では、サブバルブは、軸部の径方向において、軸部と対向してもよい。このような構成によれば、主流路に設けられる供給口の開口面積を大きくすることができる。その結果、排気ガスの最大循環量を大きくすることができる。

【0013】

本開示の一態様は、熱交換部を通過した排気ガスが流れるＥＧＲ流路をさらに備えてもよい。ＥＧＲ流路内にはバルブが存在しなくてもよい。このような構成によれば、ＥＧＲ流路に遮蔽物が存在しないため、排気ガスの最大循環量を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態の排気熱回収器の配置を示す模式図である。

【図2】図２Ａは、ＥＧＲモードにおける実施形態の排気熱回収器の模式的な断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの排気熱回収器におけるバルブ機構の模式的な斜視図である。

【図3】図３は、図２Ａの排気熱回収器における熱交換部の模式的な正面図である。

【図4】図４Ａは、中間状態における図２Ａの排気熱回収器の模式的な断面図であり、図４Ｂは、図４Ａの排気熱回収器におけるバルブ機構の模式的な斜視図である。

【図5】図５Ａは、非ＥＧＲモードにおける図２Ａの排気熱回収器の模式的な断面図であり、図５Ｂは、図５Ａの排気熱回収器におけるバルブ機構の模式的な斜視図である。

【図6】図６Ａ及び図６Ｂは、図２Ａとは異なる実施形態の排気熱回収器の模式的な断面図である。

【図7】図７Ａは、図２Ａとは異なる実施形態の排気熱回収器のＥＧＲモードにおけるバルブ機構の模式的な正面図であり、図７Ｂは、図７Ａのバルブ機構の模式的な側面図であり、図７Ｃは、中間状態における図７Ａのバルブ機構の模式的な正面図であり、図７Ｄは、図７Ｃのバルブ機構の模式的な側面図であり、図７Ｅは、非ＥＧＲモードにおける図７Ａのバルブ機構の模式的な正面図であり、図７Ｆは、図７Ｅのバルブ機構の模式的な側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１Ａ及び図１Ｂに示す排気熱回収器１は、内燃機関１０１の排気ガス流路内に設けられている。

【0016】

排気熱回収器１は、排気ガスの浄化を行う。また、排気熱回収器１は、浄化した排気ガスの一部の熱を冷却水に回収した上で、冷却された排気ガスをＥＧＲガスとして内燃機関１０１に循環させる。

【0017】

排気熱回収器１が設けられる内燃機関１０１としては、例えば、自動車に用いられるガソリンエンジン又はディーゼルエンジンが挙げられる。排気熱回収器１においてＥＧＲガスとして循環されなかった排気ガスは、下流側のサブマフラ１０４及びメインマフラ１０５を通過して、系外に排出される。

【0018】

排気熱回収器１は、図１Ａに示すように、ＳＣ（Ｓｔａｒｔ Ｃａｔａｌｙｓｔ）触媒装置１０２の下流側に配置されてもよい。この場合、排気熱回収器１は、ＵＦ（Ｕｎｄｅｒ Ｆｌｏｏｒ）触媒装置として機能する。また、排気熱回収器１は、図１Ｂに示すように、ＵＦ触媒装置１０３の上流側に配置されてもよい。この場合、排気熱回収器１は、ＳＣ触媒装置として機能する。

【0019】

図２Ａに示すように、排気熱回収器１は、触媒ケース２と、触媒３と、熱交換部４と、主流路５と、ＥＧＲ流路６と、バルブ機構７と、アクチュエータ８とを備える。

【0020】

＜触媒ケース＞
触媒ケース２は、内燃機関１０１の排気ガスＧが軸方向に流れる内部空間を有する筒状の部材である。触媒ケース２の下流側には、主流路５が接続されている。

【0021】

＜触媒＞
触媒３は、排気ガスＧとの接触によって排気ガスＧ中の環境汚染物質を改質又は捕集し、排気ガスＧを浄化する。

【0022】

触媒３は、触媒ケース２に格納されている。触媒３は、例えば、触媒ケース２の軸方向に延伸する複数の仕切り板が格子状に配置された立体形状（例えばハニカム形状）を有する。

【0023】

＜熱交換部＞
熱交換部４は、内燃機関１０１の排気ガスＧと、冷却水との間で熱交換を行う部位である。

【0024】

熱交換部４は、主流路５の少なくとも一部を径方向（つまり、排気ガスＧの流れ方向と交差する方向）外側から囲むように配置されている。図３に示すように、熱交換部４は、主流路５が内部に挿通された円環形状を有する。熱交換部４は、第１通水口４１と、第２通水口４２と、伝熱部材４３とを有する。

【0025】

排気ガスＧを冷却する冷却水は、第１通水口４１及び第２通水口４２の一方から熱交換部４内に供給され、伝熱部材４３を通過後、第１通水口４１及び第２通水口４２の他方から排出される。

【0026】

伝熱部材４３は、主流路５における排気ガスＧの流れ方向に沿って並置された複数の伝熱プレートを有する。伝熱プレートは、一方の面に接触する排気ガスＧと、他方の面に接触する冷却水との間で熱交換を行う。伝熱プレートは、主流路５を径方向外側から囲っている。なお、伝熱プレートの代わりに、複数のフィンを有するチューブが用いられてもよい。

【0027】

排気ガスＧは、主流路５の供給口５３から熱交換部４の内部へ供給される。熱交換後の排気ガスＧは、熱交換部４の内部からＥＧＲ流路６へと排出され、ＥＧＲ流路６を経由して内燃機関１０１に送られる。

【0028】

＜主流路＞
図２Ａに示す主流路５は、導入口５１と、主排出口５２と、供給口５３と、バルブ収容部５４とを有する配管である。

【0029】

導入口５１は、触媒３を通過した排気ガスＧを主流路５の内部へ導入する。主排出口５２は、排気ガスＧを排気熱回収器１の外部に排出する。本実施形態では、導入口５１と主排出口５２とは、対向するように配置されている。

【0030】

つまり、導入口５１における排気ガスＧの流れ方向と、主排出口５２における排気ガスＧの流れ方向とは平行である。さらに、導入口５１の中心は、導入口５１における排気ガスＧの流れ方向から視て、主排出口５２と重なっている。なお、主流路５内において排気ガスＧの流れ方向が湾曲していてもよい。

【0031】

供給口５３は、熱交換部４へ排気ガスＧを供給する。供給口５３は、バルブ収容部５４に設けられている。供給口５３は、主流路５の内周面に設けられており、導入口５１及び主排出口５２とは対向していない。

【0032】

バルブ収容部５４は、バルブ機構７が配置される部位であり、主流路５の他の部位よりも拡径している。具体的には、図２Ｂに示すように、バルブ収容部５４は、真球から排気ガスＧの流れ方向における上流側と下流側とが切り取られた球台形状を有する。バルブ収容部５４の側面には、供給口５３が設けられている。

【0033】

＜ＥＧＲ流路＞
ＥＧＲ流路６は、熱交換部４を通過した排気ガスＧが流れる配管である。ＥＧＲ流路６は、熱交換部４の排気ガスＧの排出口と、内燃機関１０１のＥＧＲ導入口とを連結している。本実施形態では、ＥＧＲ流路６内には、ＥＧＲ流路６における排気ガスＧの流量を調整するバルブが存在しない。

【0034】

＜バルブ機構＞
バルブ機構７は、主流路５の内部に配置されると共に、主流路５から熱交換部４への排気ガスＧの供給量を調整するように構成されている。バルブ機構７は、排気熱回収器１のモードに応じて、開度が変化する。バルブ機構７は、メインバルブ７１と、サブバルブ７２と、軸部７３とを有する。

【0035】

メインバルブ７１は、主排出口５２への排気ガスＧの流量を調整するように構成されている。つまり、メインバルブ７１は、主流路５（具体的にはバルブ収容部５４）の開度を調整する。

【0036】

メインバルブ７１は、円盤状であり、軸部７３に固定されている。軸部７３の軸回転により、メインバルブ７１は、図２Ａ及び図２Ｂに示す主流路５を完全に塞ぐ位置（つまり、主流路５の開度をゼロとする位置）から、図４Ａ及び図４Ｂに示す主流路５が中間開度となる位置を経て、図５Ａ及び図５Ｂに示す主流路５の開度を１００％とする位置まで回転する。主流路５の開度を１００％とする位置にメインバルブ７１があるとき、メインバルブ７１の板面は、排気ガスＧの流れ方向と平行となる。

【0037】

サブバルブ７２は、供給口５３の開度を調整するように構成されている。サブバルブ７２は、メインバルブ７１と共に、主流路５から熱交換部４に供給される排気ガスＧの流量を調整する。

【0038】

サブバルブ７２は、バルブ収容部５４の内面形状に沿って湾曲した帯状であり、メインバルブ７１と共に軸部７３に固定されている。サブバルブ７２は、軸部７３によってメインバルブ７１と一体となって回転する。つまり、サブバルブ７２のメインバルブ７１に対する相対的な位置は、メインバルブ７１の位置によらず不変である。

【0039】

軸部７３の軸回転により、サブバルブ７２は、図２Ａ及び図２Ｂに示す供給口５３から離れた位置（つまり供給口５３の開度を１００％とする位置）から、図４Ａ及び図４Ｂに示す供給口５３の一部を塞ぐ中間開度となる位置を経て、図５Ａ及び図５Ｂに示す供給口５３を完全に塞ぐ（つまり供給口５３の開度をゼロとする位置）まで回転する。

【0040】

このように、バルブ機構７は、図２Ａ及び図２Ｂに示すＥＧＲモードと、図５Ａ及び図５Ｂに示す非ＥＧＲモードと、これら２つのモードの中間状態である図４Ａ及び図４Ｂに示す任意のバルブ開度とに変位可能である。

【0041】

ＥＧＲモードでは、排気ガスＧの全量が熱交換部４を経てＥＧＲ流路６に供給される。非ＥＧＲモードでは、排気ガスＧの全量が主排出口５２から排出され、ＥＧＲ流路６には排気ガスＧは供給されない。

【0042】

また、ＥＧＲモードでは、サブバルブ７２は、メインバルブ７１よりも排気ガスＧの流れ方向上流側に位置する。また、サブバルブ７２は、バルブ収容部５４の外側（具体的にはバルブ収容部５４よりも上流側）に位置する。

【0043】

中間状態では、一部の排気ガスＧが熱交換部４を経てＥＧＲ流路６に供給され、残りの排気ガスＧが主排出口５２から排出される。ＥＧＲ流路６に供給される排気ガスＧの量と、主排出口５２から排出される排気ガスＧの量との比は、メインバルブ７１及びサブバルブ７２の開度によって決まる。

【0044】

軸部７３は、アクチュエータ８に接続された棒状の部材（つまりステム）である。軸部７３は、バルブ収容部５４に回転可能に取り付けられている。軸部７３は、アクチュエータ８の駆動によって軸回転する。軸部７３の軸方向は、バルブ収容部５４における排気ガスＧの流れ方向と直交する。

【0045】

サブバルブ７２は、軸部７３の径方向において、軸部７３と対向している。つまり、サブバルブ７２は、軸部７３の周方向に移動するように軸部７３に取り付けられている。また、供給口５３は、軸部７３の径方向外側に設けられている。

【0046】

＜アクチュエータ＞
アクチュエータ８は、バルブ機構７を動作させる。具体的には、アクチュエータ８は、軸部７３を軸回転させることにより、バルブ機構７を変位させる。

【0047】

アクチュエータ８としては、電力、空気圧、油圧等の動力を用いて駆動するモータ、冷却水の温度に対応して伸縮する熱膨張体を用いたサーモアクチュエータ等を使用することができる。

【0048】

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）共通する軸部７３に取り付けられたメインバルブ７１とサブバルブ７２とによって、ＥＧＲ流路６に供給される排気ガスＧの流量を調整することができる。そのため、バルブの構成を簡素化できる。

【0049】

（１ｂ）サブバルブ７２がメインバルブ７１と一体となって回転することで、メインバルブ７１とサブバルブ７２との制御を同時に行えるため、バルブの構成の簡素化を促進できる。

【0050】

（１ｃ）熱交換部４が主流路５の少なくとも一部を径方向外側から囲むように配置されることで、主流路５から熱交換部４への流路を短縮できると共に、排気熱回収器１を小型化することができる。

【0051】

（１ｄ）サブバルブ７２が軸部７３の径方向において軸部７３と対向することで、主流路５に設けられる供給口５３の開口面積を大きくすることができる。その結果、排気ガスＧの最大循環量を大きくすることができる。

【0052】

（１ｅ）ＥＧＲ流路６内に遮蔽物となるバルブが存在しないことで、排気ガスＧの最大循環量を大きくすることができる。

【0053】

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

【0054】

（２ａ）上記実施形態の排気熱回収器において、熱交換部は、必ずしも主流路の少なくとも一部を径方向外側から囲まなくてもよい。例えば、図６Ａに示すように、熱交換部４は、主流路５から離れて配置されると共に、補助流路９によって供給口５３と接続されてもよい。さらに、図６Ｂに示すように、熱交換部４は、主流路５の側方に隣接して配置されてもよい。

【0055】

（２ｂ）上記実施形態の排気熱回収器において、サブバルブは、必ずしも軸部の径方向において軸部と対向しなくてもよい。例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、サブバルブ７２は、軸部７３の軸方向と直交する面内で移動するように構成されてもよい。このケースでは、熱交換部４への供給口５３は、主流路５において軸部７３の軸と交差する側面に設けられている。サブバルブ７２は、供給口５３が設けられた側面に沿って移動する。

【0056】

図７Ａ及び図７Ｂに示すＥＧＲモードでは、サブバルブ７２が供給口５３と重ならない位置に存在すると共に、メインバルブ７１が主流路５を完全に塞ぐ位置に存在する。図７Ｃ及び図７Ｄに示す中間状態では、サブバルブ７２が供給口５３の一部と重なると共に、メインバルブ７１が主流路５の流量を絞る位置に存在する。図７Ｅ及び図７Ｆに示す非ＥＧＲモードでは、サブバルブ７２が供給口５３全体と重なると共に、メインバルブ７１が主流路５の開度を１００％とする。

【0057】

（２ｃ）上記実施形態の排気熱回収器において、サブバルブは必ずしもメインバルブと一体となって回転しなくてもよい。例えば、バルブ機構は、メインバルブとサブバルブとがそれぞれ異なるタイミングで回転する構成を有してもよい。

【0058】

（２ｄ）上記実施形態の排気熱回収器において、ＥＧＲ流路に排気ガスの流量を調整するバルブが設けられてもよい。

【0059】

（２ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0060】

１…排気熱回収器、２…触媒ケース、３…触媒、４…熱交換部、５…主流路、
６…ＥＧＲ流路、７…バルブ機構、８…アクチュエータ、９…補助流路、
４１…第１通水口、４２…第２通水口、４３…伝熱部材、５１…導入口、
５２…主排出口、５３…供給口、５４…バルブ収容部、７１…メインバルブ、
７２…サブバルブ、７３…軸部、１０１…内燃機関、１０２…触媒装置、
１０３…触媒装置、１０４…サブマフラ、１０５…メインマフラ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】