JP6970070B2 - 排気熱回収器 - Google Patents

Description

本開示は、排気熱回収器に関する。

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排気熱回収器が公知である。排気熱回収器は、排気ガスの排出流路に設けられる。排気熱回収器内で冷却水によって回収された排気熱は、車内の暖房、内燃機関の暖機等に供される。

このような排気熱回収器において、排気熱の回収量を調整するために、熱交換部への排気ガスの供給量を調整するためのバルブが設けられたものが知られている（特許文献１参照）。

上記文献では、アクチュエータによって駆動するバルブが、熱交換部に対し排気ガスの流れ方向における上流側に配置されている。

特開２０１５−２０３４００号公報

上述のようにバルブが熱交換部に対し上流側に配置されると、排気熱回収器の排気ガスの流れ方向に沿った長さが大きくなる。そこで、例えば、バルブを排気ガスの流れ方向において熱交換部と並ぶ位置に配置することで、排気熱回収器の長さを小さくすることができる。

しかし、このようにバルブを配置すると、熱交換部の入口への排気ガスの流れを遮断するようにバルブを駆動させた際、排気ガスの主流路の一部もバルブによって閉塞される。その結果、排気ガスの通過面積が小さくなり、圧損が大きくなる。これに対し、圧損を低減するために主流路の径を広げると、排気熱回収器のサイズが大きくなる。

本開示の一局面は、小型化を図りつつ、圧損を低減できる排気熱回収器を提供することを目的としている。

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、主流路内において少なくとも一部が供給口と排気ガスの流れ方向で重なる位置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バルブと、バルブを動作させるアクチュエータと、を備える排気熱回収器である。

また、バルブは、アクチュエータにより軸回転する棒体と、棒体に固定されると共に、棒体から棒体の径方向外側に延伸する第１羽と、棒体を中心軸として回転可能なように棒体に取り付けられると共に、棒体から棒体の径方向外側に延伸する第２羽と、を有する。第２羽は、供給口への排気ガスの供給量を制限する際に、主流路の排気ガスの通過面積を拡大する方向に回転可能である。

このような構成によれば、バルブが主流路内において熱交換部への供給口と重なる位置に配置されるため、排気熱回収器を小型化できる。また、熱交換部への排気ガスの流れを規制する際に、バルブの第２羽が排気ガスの通過面積を拡大する方向に回転することで、主流路における圧損を低減できる。

本開示の一態様では、第１羽が排気ガスの圧力を受ける面積は、第２羽が排気ガスの圧力を受ける面積と等しくてもよい。このような構成によれば、第１羽が排気ガスから受ける圧力と第２羽が排気ガスから受ける圧力とがほぼ等しくなる。そのため、バルブを回転させるアクチュエータの負荷を低減することができる。

本開示の一態様では、第２羽は、排気ガスの圧力によって拡大する方向に回転可能であってもよい。このような構成によれば、第２羽を回転させる機構を簡素化することができる。

本開示の一態様では、熱交換部は、主流路に向けて排気ガスを排出する第１排出口と、内燃機関に排気ガスを供給する排気再循環流路に排気ガスを排出する第２排出口と、を有してもよい。このような構成によれば、バルブの開度の調整によって、排気ガスの一部を内燃機関に再循環させることができる。つまり、排気熱回収器を小型化しつつ、ＥＧＲ機能を排気熱回収器に付加することができる。

図１は、実施形態の排気熱回収器の模式的な斜視図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線での模式的な断面図である。 図３Ａは、図１の排気熱回収器におけるバルブの模式的な正面図であり、図３Ｂは、図３Ａのバルブの模式的な背面図であり、図３Ｃは、図３Ａのバルブの模式的な平面図である。 図４Ａは、図１の排気熱回収器における非回収モードを示す模式的な断面図であり、図４Ｂは、図１の排気熱回収器におけるＥＧＲモードを示す模式的な断面図である。 図５Ａは、図３Ａとは異なる実施形態におけるバルブの模式的な正面図であり、図５Ｂは、図１とは異なる実施形態における排気熱回収器の模式的な正面図であり、図５Ｃは、図５Ｂの排気熱回収器の模式的な平面図である。

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１に示す排気熱回収器１は、内燃機関の排気ガス流路内に設けられ、排気ガスＧの熱を冷却水に回収する。排気熱回収器１が設けられる内燃機関としては、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は、主流路２と、熱交換部３と、バルブ４と、アクチュエータ５とを備える。排気熱回収器１は、排熱回収を行う回収モードと、排熱回収を行わない非回収モードと、排気再循環を行うＥＧＲモードとに切り替え可能である。

＜主流路＞
主流路２は、導入口２１と、主排出口２２と、供給口２３と、戻り口２４（図２参照）とを有する。

導入口２１は、排気ガスＧを排気熱回収器１の内部へ導入する。主排出口２２は、排気ガスＧを排気熱回収器１の外部に排出する。供給口２３は、熱交換部３へ排気ガスＧを供給する。戻り口２４は、熱交換部３を通過した排気ガスＧが主流路２へ戻る開口である。

主流路２内には、バルブ４が配置されている。また、本実施形態では、導入口２１と主排出口２２とは、対向するように配置されている。つまり、導入口２１における排気ガスＧの流れ方向と、主排出口２２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２１の中心は、導入口２１における排気ガスＧの流れ方向から視て、主排出口２２と重なっている。なお、主流路２は、その一部が湾曲していてもよい。

＜熱交換部＞
熱交換部３は、内燃機関の排気ガスＧと冷却水との間で熱交換を行う部位である。熱交換部３は、主流路２に対し、主流路２において排気ガスＧが流れる第１方向Ｄ１と垂直な第２方向Ｄ２側に並んで配置されている。

熱交換部３は、図２に示すように、伝熱部材３１と、取込口３２と、第１排出口３３とを有する。また、熱交換部３は、図１に示すように、第２排出口３４と、第１通水口３５と、第２通水口３６とをさらに有する。

熱交換部３は、伝熱部材３１の外側を流れる排気ガスと、伝熱部材３１の内側を流れる冷却水との間で伝熱部材３１を介して熱交換を行う。これにより、熱交換部３は、排気ガスの熱を冷却水に与える。伝熱部材３１としては、外面に複数のフィンが取り付けられたチューブ、複数のプレート等が使用できる。

取込口３２は、図２に示すように、主流路２の供給口２３と連結されている。第１排出口３３は、主流路２の戻り口２４と連結されている。主流路２内に導入された排気ガスＧは、供給口２３及び取込口３２から熱交換部３の内部に進入し、伝熱部材３１で熱交換を行った後、戻り口２４及び第１排出口３３から主流路２内に排出される。

排気ガスＧを冷却する冷却水は、第１通水口３５及び第２通水口３６の一方から熱交換部３内に供給され、伝熱部材３１を通過した後、第１通水口３５及び第２通水口３６の他方から排出される。

伝熱部材３１は、それぞれ、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とに直交する第３方向Ｄ３に排気ガスＧが流れる第１部３１Ａと、第３方向Ｄ３と逆向きの第４方向Ｄ４に排気ガスＧが流れる第２部３１Ｂとを有する。

第２部３１Ｂは、第１部３１Ａよりも排気ガスの流れ方向において下流側に位置し、第１部３１Ａの第１方向Ｄ１側に配置されている。第１部３１Ａを通過した排気ガスＧは、第１方向Ｄ１に流れたのち、第２部３１Ｂに進入する。第２部３１Ｂを通過した排気ガスＧは、第１排出口３３に向かって第２方向Ｄ２と逆向きの第５方向Ｄ５に流れる。

図１に示す第２排出口３４は、内燃機関に排気ガスＧを供給する排気再循環流路（図示省略）に排気ガスＧを排出するための開口である。つまり、第２排出口３４には、排気再循環経路１００が接続される。

第２排出口３４は、熱交換部３における排気ガスＧの流路の途中に設けられている。本実施形態では、第２排出口３４は、排気ガスＧの流れにおける伝熱部材３１の第１部３１Ａと第２部３１Ｂとの間に設けられている。第２排出口３４は、伝熱部材３１よりも上流側に配置されている。

そのため、排気再循環を行うＥＧＲモードでは、熱交換部３に供給された排気ガスの一部は、第２排出口３４から内燃機関に向かって排出される。

＜バルブ＞
バルブ４は、主流路２から熱交換部３への排気ガスＧの供給量を調整する。バルブ４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４は、図２に示すように、主流路２内において少なくとも一部が供給口２３と排気ガスＧの流れ方向で重なる位置に配置されたバタフライバルブである。

バルブ４は、回収モードと、非回収モードと、ＥＧＲモードとの間で変位可能である。ただし、バルブ４は、これ以外のモード（つまり、任意のバルブ開度）に変位可能であってもよい。

バルブ４は、後述するアクチュエータ５によって開閉動作する。バルブ４は、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃに示すように、棒体４１と、第１羽４２と、第２羽４３と、バネ４４とを有する。

（棒体）
棒体４１は、アクチュエータ５に接続された棒状の部材（つまりステム）である。棒体４１は、アクチュエータ５の駆動によって軸回転する。棒体４１の軸回転によって、第１羽４２及び第２羽４３が変位する。本実施形態では、図２に示すように、棒体４１は、主流路２の径方向の中心を通るように配置されている。

（第１羽）
第１羽４２は、棒体４１に固定されると共に、棒体４１から棒体４１の径方向外側に延伸しているディスクである。具体的には、第１羽４２は、図３Ａに示すように、第１受圧部４２Ａと、２つの取付部４２Ｂ，４２Ｃとを有する。

第１受圧部４２Ａは、回収モード又は非回収モードにおいて主流路２の一部を閉塞するための部位であり、排気ガスＧとの衝突により排気ガスＧの流れの向きを変える。第１受圧部４２Ａの外形は、主流路２の断面形状に合わせて設計される。

２つの取付部４２Ｂ，４２Ｃは、第１受圧部４２Ａから棒体４１の径方向に延伸した部位であり、棒体４１の外周面に重なっている。２つの取付部４２Ｂ，４２Ｃは、互いに棒体４１の軸方向に離間した位置で、棒体４１に固定されている。また、２つの取付部４２Ｂ，４２Ｃは、第１受圧部４２Ａに対し棒体４１よりも遠い位置まで（つまり棒体４１を越える位置まで）延伸している。

（第２羽）
第２羽４３は、棒体４１を中心軸として回転可能なように棒体４１に取り付けられると共に、棒体４１から棒体４１の径方向外側に延伸しているディスクである。具体的には、第２羽４３は、図３Ｂに示すように、第２受圧部４３Ａと、係止部４３Ｂと、２つの規制部４３Ｃ，４３Ｄとを有する。

第２受圧部４３Ａは、第１羽４２の第１受圧部４２Ａと協働して主流路２の一部を閉塞するための部位である。第２受圧部４３Ａは、主に回収モードにおいて排気ガスＧとの衝突により排気ガスＧの流れの向きを変える。

第２受圧部４３Ａは、第１受圧部４２Ａと同形状である。つまり、第１羽４２が棒体４１を第１回転方向Ｃ１に回転させる向きの排気ガスＧの圧力を受ける面積（つまり、第１受圧部４２Ａの面積）は、第２羽４３が棒体４１を第２回転方向Ｃ２に回転させる向きの排気ガスＧの圧力を受ける面積（つまり、第２受圧部４３Ａの面積）と等しい。

係止部４３Ｂは、第２受圧部４３Ａから棒体４１の径方向に延伸した部位であり、棒体４１の外周面に重なっている。係止部４３Ｂは、第１羽４２の２つの取付部４２Ｂ，４２Ｃの間に配置されている。係止部４３Ｂは、棒体４１の外周面に沿って湾曲しており、棒体４１の外周面の一部を周方向に被覆している。係止部４３Ｂは、棒体４１に当接するが、棒体４１には固定されていない。

２つの規制部４３Ｃ，４３Ｄは、それぞれ、第２受圧部４３Ａから棒体４１の外周面に沿って第１回転方向Ｃ１（図３Ｃ参照）に延伸している。２つの規制部４３Ｃ，４３Ｄは、係止部４３Ｂを挟むように配置されている。

一方の規制部４３Ｃは、図３Ｃに示すように、第１受圧部４２Ａと第２受圧部４３Ａとが平行に配置された状態で、第１羽４２の一方の取付部４２Ｂと当接する。他方の規制部４３Ｄと他方の取付部４２Ｃとの関係も同様である。

係止部４３Ｂによって、第２羽４３は、棒体４１を中心軸として、任意の方向（つまり、第１回転方向Ｃ１及び第２回転方向Ｃ２）に回転可能である。また、２つの規制部４３Ｃ，４３Ｄによって、第１受圧部４２Ａと第２受圧部４３Ａとが平行な状態から、第２回転方向Ｃ２に回転することが規制される。つまり、図３Ｃの状態では、第２羽４３は、第１回転方向Ｃ１にのみ回転可能である。

（バネ）
バネ４４は、棒体４１を中心として第２回転方向Ｃ２に第２羽４３を付勢する弾性体である。具体的には、バネ４４は、棒体４１の外周面に巻かれたねじりバネである。バネ４４の軸と、棒体４１の軸とは平行に配置されている。

バネ４４は、図３Ｂに示すように、中央部４４Ａと、２つの端部４４Ｂ，４４Ｃとを有する。中央部４４Ａは、バネ４４の２つの端部４４Ｂ，４４Ｃの間で径方向に突出した部位であり、第２羽４３の第２受圧部４３Ａにおける第１回転方向Ｃ１側の面に当接している。２つの端部４４Ｂ，４４Ｃは、それぞれ、中央部４４Ａとは反対側に突出し、第１羽４２の第１受圧部４２Ａにおける第２回転方向Ｃ２側の面に当接している。

第２羽４３に外力が加わっていない状態では、第２受圧部４３Ａは、バネ４４と２つの規制部４３Ｃ，４３Ｄとによって、第１受圧部４２Ａと平行な位置に保持される。第２羽４３に第１回転方向Ｃ１の一定の大きさの力が加わると、バネ４４を弾性変形させながら第２羽４３が第１回転方向Ｃ１に回転する。

（バルブのモード）
図２に示す回収モードでは、第１羽４２の第１受圧部４２Ａ及び第２羽４３の第２受圧部４３Ａは互いに平行に配置される。第１羽４２の径方向の端部は、主流路２の内面のうち、供給口２３と反対側の部分に当接する。

また、第２羽４３の径方向の端部は、主流路２の内面のうち、供給口２３の下流側に当接する。第２羽４３には、第１回転方向Ｃ１側の面に排気ガスＧが衝突する。したがって、第２羽４３は第２回転方向Ｃ２のガス圧を受けるが、２つの規制部４３Ｃ，４３Ｄによって回転が規制される。そのため、第２羽４３は、棒体４１に対して回転しない。

回収モードでは、第１羽４２及び第２羽４３によって、供給口２３よりも下流側の主流路２への流路が閉塞される。そのため、排気ガスＧは、全量が供給口２３に誘導され、熱交換部３に供給される。

図４Ａに示す非回収モードでは、第１羽４２は、回収モードから棒体４１を中心に１８０°回転した位置に配置される。第１羽４２の径方向の端部は、主流路２の内面のうち、供給口２３の上流側に当接する。

第２羽４３は、第２回転方向Ｃ２側の面への排気ガスＧの衝突（つまり、排気ガスＧの圧力）によって、回収モードから棒体４１を中心に９０°回転した位置からさらに第１回転方向Ｃ１に回転する。つまり、第２羽４３は、供給口２３への排気ガスＧの供給量を制限する際に（つまり非回収モードにおいて）、主流路２の排気ガスＧの通過面積を拡大する方向に回転可能である。

第２羽４３の回転により、非回収モードでは、第１羽４２の第１受圧部４２Ａと第２羽４３の第２受圧部４３Ａとは交差する向きに配置される。排気ガスＧは、第１羽４２と第２羽４３とによって、供給口２３をバイパスして主流路２を主排出口２２に向かって流動する。これにより、熱交換部３への排気ガスＧの供給が規制される。

図４Ｂに示すＥＧＲモードでは、第１羽４２及び第２羽４３は、それぞれの受圧部が排気ガスＧの流れ方向と平行となるように配置される。第２羽４３の第２受圧部４３Ａは、排気ガスＧによる圧力をほとんど受けないか、又は圧力がバネ４４の弾性力よりも小さいため、第１受圧部４２Ａと平行な状態に維持される。

ＥＧＲモードでは、一部の排気ガスＧは、供給口２３を介して熱交換部３に供給され、熱交換部３の第２排出口３４から排気再循環経路１００に供給される。残りの排気ガスＧは、熱交換部３をバイパスして主排出口２２から排出される。

なお、いずれのモードにおいても、第２羽４３の第２受圧部４３Ａは、第１羽４２の第１受圧部４２Ａよりも主流路２における排気ガスＧの流れの下流側（つまり第１方向Ｄ１側）に位置する。

＜アクチュエータ＞
アクチュエータ５は、バルブ４を動作させる。具体的には、アクチュエータ５は、棒体４１を軸回転させることにより、バルブ４を少なくとも回収モード、非回収モード及びＥＧＲモードのいずれかに変位させる。

アクチュエータ５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。

［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）バルブ４が主流路２内において熱交換部３への供給口２３と重なる位置に配置されるため、排気熱回収器１を小型化できる。また、熱交換部３への排気ガスＧの流れを規制する際に、バルブ４の第２羽４３が排気ガスＧの通過面積を拡大する方向に回転することで、主流路２における圧損を低減できる。

（１ｂ）第１羽４２が排気ガスＧの圧力を受ける面積と第２羽４３が排気ガスＧの圧力を受ける面積とが等しいことで、第１羽４２が排気ガスＧから受ける圧力と第２羽４３が排気ガスＧから受ける圧力とがほぼ等しくなる。そのため、バルブ４を回転させるアクチュエータ５の負荷を低減することができる。

（１ｃ）第２羽４３が排気ガスＧの圧力によって排気ガスＧの通過面積を拡大する方向に回転可能であることで、第２羽４３を回転させる機構を簡素化することができる。

（１ｄ）熱交換部３が第２排出口３４を有するので、バルブ４の開度の調整によって、排気ガスＧの一部を内燃機関に再循環させることができる。つまり、排気熱回収器１を小型化しつつ、ＥＧＲ機能を排気熱回収器１に付加することができる。

［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。

（２ａ）上記実施形態の排気熱回収器１において、第１羽４２が排気ガスＧの圧力を受ける面積は、第２羽４３が排気ガスＧの圧力を受ける面積と異なっていてもよい。また、棒体４１は、必ずしも主流路２の径方向の中心を通る位置に配置されなくてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の排気熱回収器１において、バルブ４の構成は一例であり、第２羽４３が主流路２の排気ガスＧの通過面積を拡大する方向に回転可能であれば、上記構成に限定されない。

例えば、図５Ａに示すように、バネ４４の代わりに、２つのバネ４５Ａ，４５Ｂをバルブ４に設けてもよい。２つのバネ４５Ａ，４５Ｂは、それぞれ、第１羽４２の第１受圧部４２Ａと第２羽４３の第２受圧部４３Ａとに跨って配置された板バネである。２つのバネ４５Ａ，４５Ｂによって、第２受圧部４３Ａは棒体４１を中心とした回転方向の付勢を受ける。

また、第２羽４３は、排気ガスＧの圧力の替わりに、動力によって回転してもよい。例えば、第２羽４３は、アクチュエータによって棒体４１に対して回転するように構成されてもよい。

（２ｃ）上記実施形態の排気熱回収器１において、熱交換部３は、必ずしも第２排出口３４を有しなくてもよい。つまり、排気熱回収器１は、必ずしもＥＧＲ機能を有しなくてもよい。

（２ｄ）上記実施形態の排気熱回収器１において、熱交換部３の形状は一例である。例えば、図５Ｂ，５Ｃに示す排気熱回収器１１は、主流路２の外周に円環状に配置された同軸型の熱交換部１３を備える。熱交換部１３は、主流路２の供給口２３から排気ガスＧを取り込む。バルブ４は、供給口２３と重なる位置に配置されている。

（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。

１，１１…排気熱回収器、２…主流路、３，１３…熱交換部、４…バルブ、
５…アクチュエータ、２１…導入口、２２…主排出口、２３…供給口、２４…戻り口、
３１…伝熱部材、３１Ａ…第１部、３１Ｂ…第２部、３２…取込口、
３３…第１排出口、３４…第２排出口、３５…第１通水口、３６…第２通水口、
４１…棒体、４２…第１羽、４２Ａ…第１受圧部、４２Ｂ，４２Ｃ…取付部、
４３…第２羽、４３Ａ…第２受圧部、４３Ｂ…係止部、
４３Ｃ，４３Ｄ…規制部、４４…バネ、４４Ａ…中央部、４４Ｂ，４４Ｃ…端部、
４５Ａ，４５Ｂ…バネ、１００…排気再循環経路。

Claims (5)

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、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、
   前記主流路内において少なくとも一部が前記供給口と前記排気ガスの流れ方向で重なる位置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バルブと、
   前記バルブを動作させるアクチュエータと、
   を備え、
   前記バルブは、
   前記アクチュエータにより軸回転する棒体と、
   前記棒体に固定されると共に、前記棒体から前記棒体の径方向外側に延伸する第１羽と、
   前記棒体を中心軸として回転可能なように前記棒体に取り付けられると共に、前記棒体から前記棒体の径方向外側に延伸する第２羽と、
   を有し、
   前記第２羽は、前記供給口への前記排気ガスの供給量を制限する際に、前記主流路の前記排気ガスの通過面積を拡大する方向に回転可能であり、
   前記棒体は、前記第１羽と前記第２羽とによって前記主流路が閉塞されるように軸回転可能である、排気熱回収器。
2. 請求項１に記載の排気熱回収器であって、
   前記第１羽が前記排気ガスの圧力を受ける面積は、前記第２羽が前記排気ガスの圧力を受ける面積と等しい、排気熱回収器。
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、
   前記第２羽は、前記排気ガスの圧力によって前記拡大する方向に回転可能である、排気熱回収器。
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、
   前記熱交換部は、
   前記主流路に向けて前記排気ガスを排出する第１排出口と、
   前記内燃機関に前記排気ガスを供給する排気再循環流路に前記排気ガスを排出する第２排出口と、
   を有する、排気熱回収器。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の排気熱回収器であって、
   前記棒体は、前記主流路の内部に配置される、排気熱回収器。

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