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WO2002025077A1 - Dispositif de recuperation de la chaleur perdue d'un moteur thermique - Google Patents

Dispositif de recuperation de la chaleur perdue d'un moteur thermique Download PDF

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WO2002025077A1
WO2002025077A1 PCT/JP2001/008258 JP0108258W WO0225077A1 WO 2002025077 A1 WO2002025077 A1 WO 2002025077A1 JP 0108258 W JP0108258 W JP 0108258W WO 0225077 A1 WO0225077 A1 WO 0225077A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
exhaust gas
stage
exhaust
combustion engine
Prior art date
Application number
PCT/JP2001/008258
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tsuneo Endoh
Masashi Shinohara
Hiroyuki Tanaka
Original Assignee
Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha filed Critical Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority to EP01970191A priority Critical patent/EP1321644B1/en
Priority to DE60109468T priority patent/DE60109468T2/de
Priority to US10/380,999 priority patent/US6823668B2/en
Publication of WO2002025077A1 publication Critical patent/WO2002025077A1/ja

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    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0075Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with particular circuits for the same heat exchange medium, e.g. with the same heat exchange medium flowing through sections having different heat exchange capacities or for heating or cooling the same heat exchange medium at different temperatures
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24Cylinder heads
    • F02F2001/244Arrangement of valve stems in cylinder heads
    • F02F2001/245Arrangement of valve stems in cylinder heads the valve stems being orientated at an angle with the cylinder axis
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat recovery device for an internal combustion engine located immediately downstream.
  • the evaporator that heats the liquid-phase working medium with the exhaust gas of the internal combustion engine to generate steam and the steam driven by the steam generated by the evaporator Expander, a condenser that cools the vapor that has passed through the expander and returns it to the liquid phase working medium, and a supply pump that pressurizes the liquid phase working medium from the condenser and supplies it to the evaporator.
  • a Rankine cycle device is described.
  • water as a liquid-phase working medium is passed not only through an evaporator provided in an exhaust pipe of an internal combustion engine but also through a cooling passage formed in a cylinder head and a cylinder block. It heats up, so that the waste heat of the internal combustion engine can be used more effectively, and the cylinder head and the cylinder block are cooled with a liquid-phase working medium to eliminate the conventional Lager system. ing.
  • the working medium whose temperature has risen through the cooling passages of the cylinder head and the cylinder block is supplied to the evaporator, so that the temperature difference between the working medium and the exhaust gas becomes small.
  • the working medium passing through the evaporator cannot sufficiently recover the heat energy of the exhaust gas, and the heat energy of the exhaust gas that can still be recovered is discharged as it is, thereby increasing the waste heat recovery efficiency of the internal combustion engine as a whole. May decrease.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and has an object to effectively cool a high-temperature exhaust passage immediately downstream of an exhaust valve while securing the efficiency of recovering waste heat from exhaust gas of an internal combustion engine. I do.
  • At least three stages of heat exchangers through which a working medium that exchanges heat with exhaust gas flows are provided on an exhaust passage, and the heat exchanger in the exhaust gas flow direction is provided with at least three stages.
  • a working medium is first supplied to a heat exchanger arranged most downstream in a flow direction of exhaust gas.
  • a waste heat recovery device for an internal combustion engine which is configured to be supplied to a heat exchanger arranged at an uppermost stream in a flow direction of exhaust gas.
  • the working medium is first supplied to the heat exchanger arranged at the most downstream in the flow direction of the exhaust gas, and then the exhaust gas is exhausted. Since it is supplied to the heat exchanger arranged at the uppermost stream in the gas flow direction, a relatively low-temperature working medium is supplied to the heat exchanger arranged at the uppermost stream in the exhaust gas flow direction, so that the internal combustion engine is cooled.
  • the high-temperature portion immediately downstream of the exhaust valve can be effectively cooled, and the durability of the high-temperature exhaust passage and the peripheral devices can be increased.
  • the coldest working medium is supplied to the heat exchanger located at the most downstream in the flow direction of the exhaust gas to which the relatively low-temperature exhaust gas is supplied, a temperature difference between the exhaust gas and the working medium is secured.
  • the thermal energy of the exhaust gas that can still be recovered can be recovered without waste, and the heat exchange efficiency can be improved.
  • first-stage heat exchanger H1 of the embodiment corresponds to the heat exchanger disposed at the most downstream in the exhaust gas flow direction of the present invention
  • second-stage heat exchanger H2 of the embodiment is Invented exhaust gas Corresponds to the heat exchanger located at the most upstream in the flow direction.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cylinder head portion of an internal combustion engine
  • FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of FIG. 1
  • FIG. Fig. 4 is a sectional view taken along the line 4-4 in Fig. 2
  • Fig. 5 is a sectional view taken along the line 5-5 in Fig. 2
  • Fig. 6 is an enlarged view of a main part of Fig. 2
  • Fig. Fig. 7 is an enlarged view of part 7 of Fig. 4
  • Fig. 8 is a sectional view taken along line 8-8 in Fig. 3
  • Figs. 9A to 9C are diagrams showing heat transfer tubes of the fifth stage heat exchanger
  • Fig. 9A to 9C are diagrams showing heat transfer tubes of the fifth stage heat exchanger
  • FIG. 10 is a metal catalyst unit and Exploded perspective view of a four-stage heat exchanger
  • Fig. 11 is a schematic diagram showing the water supply path of the evaporator
  • Fig. 12 A shows changes in exhaust gas temperature and steam temperature with respect to the integrated heat transfer area of a conventional heat exchanger
  • FIG. 12B is a graph showing changes in the exhaust gas temperature and the steam temperature with respect to the integrated heat transfer area of the heat exchanger of the present embodiment.
  • FIGS. 1 to 12B An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 12B.
  • the internal combustion engine E includes a cylinder block 11, a cylinder head 12, and a head force bar 13, which are vertically stacked, and a cylinder bore 1 formed in a cylinder block 11.
  • Piston 15 is slidably fitted to 4.
  • the intake port 17 and exhaust port 18 connected to the combustion chamber 16 formed in the cylinder head 12 the intake port 1 ⁇ is bored inside the cylinder head 12 as before.
  • the exhaust port 18 is formed of a separate member and connected to the cylinder head 12.
  • the upper end of the stem 26 of the exhaust valve 25 comes into contact with one end of an exhaust rocker arm 28 pivotally supported by an exhaust rocker arm shaft 27.
  • the other end of the intake rocker arm 23 and the other end of the exhaust rocker arm 28 correspond to an intake cam 30 and an exhaust cam 31 provided on a camshaft 29 that rotates in conjunction with a crank shaft (not shown). The contact causes the intake valve 20 and the exhaust valve 25 to open and close.
  • An exhaust gas purifying device C integrated with an evaporator is provided on the side of the cylinder head 12 on the exhaust side.
  • an exhaust gas purifying apparatus C integrated with an evaporator will be described. The structure of will be described.
  • the evaporator uses the exhaust gas of the internal combustion engine E as a heat source to generate steam whose temperature and pressure have been increased.
  • the evaporator has an exhaust port 18 as a base end and an exhaust passage 33 connected to an exhaust pipe 32, and an exhaust passage 3 3 and a heat exchanger H1 to H5 for exchanging heat with the exhaust gas.
  • the metal catalyst devices 46A to 46D described below are provided in the fourth stage heat exchanger H. Incorporated in 4.
  • the exhaust port 18 is located on the upstream side in the lengthwise direction of the exhaust gas and has an approximately constant diameter portion 18a having a substantially constant diameter.
  • a second-stage heat exchanger H2 is provided on the outer periphery of the equal-diameter portion 18a, and a second-stage heat exchanger H2 is provided inside the enlarged-diameter portion 18b.
  • a five-stage heat exchanger H5 is provided.
  • the second-stage heat exchanger H2 is composed of one heat transfer tube 34 wound around the outer circumference of the equal-diameter portion 18a by about 5 turns.
  • the fifth-stage heat exchanger H5 is composed of one heat transfer tube 35 wound in multiple stages and housed inside the enlarged diameter portion 18b.
  • the heat transfer tube 35 of the fifth-stage heat exchanger H5 is tapered along the internal shape of the enlarged diameter portion 18b of the exhaust port 18.
  • the inner layer coil is wound in a triple coil shape with the diameter decreasing from the back (left side in the figure) to the front (right side in the figure), and the coil in the middle layer after being folded at the front end is forward.
  • the coil of the outer layer which is wound while increasing its diameter from the back to the back, is wound while reducing the diameter from the back to the front after being folded at the rear end.
  • the water inlet shown in FIG. 9B is connected to the upstream fourth-stage heat exchanger H4 described later, and the water outlet shown in FIG. 9C is connected to the steam outlet 90 described later.
  • Circled numbers 1 to ⁇ ⁇ shown in FIG. 9A indicate paths through which water flows in the heat transfer tubes 35.
  • the heat transfer tube 35 of the fifth-stage heat exchanger H5 was wound in a triple coil shape tapered so as to follow the inner shape of the enlarged portion 18b of the exhaust port 18. A rectifying action can be given to the exhaust gas flowing through the diameter portion 18b, thereby contributing to a reduction in flow resistance.
  • a disc-shaped distribution passage forming member 41 is connected to the rear end of the enlarged diameter portion 18b of the exhaust port 18.
  • a second spiral distribution passage 43 is formed between the two distribution passage forming members 41, 42.
  • the upstream end of the heat transfer tube 35 of the fifth-stage heat exchanger H5 is connected to the radially inner end of the second spiral distribution passage 43.
  • Both distribution passage forming members 41 and 42 include the second spiral distribution passage.
  • a spiral opening 44 is formed along 43.
  • the cross section of the second helical opening 4 4 has a radially outward slope on the outlet side along the slope of the enlarged diameter portion 18 b of the exhaust port 18, and a number of guide vanes 4 5 inside. ... Is attached at an angle. Therefore, the exhaust gas supplied from the enlarged diameter portion 18b of the exhaust port 18 is swirled while diffusing outward in the radial direction when passing through the spiral opening 44.
  • the outer periphery of the first stage metal catalyst unit 46 A to the fourth stage metal catalyst unit 46 D and the fourth stage heat exchanger H 4 The front end of the cylindrical case 47 covering the cylindrical case 47 is connected to the distribution passage forming member 42, and the two annular distribution passages are connected to the rear end of the cylindrical case 47 in a state of being overlapped with each other.
  • a fourth circular distribution passage 50 is formed between the forming members 48, 49, and an outer end of a first spiral distribution passage 51 formed by spirally bending a pipe is connected to the fourth circular distribution passage 50. Is done.
  • Each of the first-stage metal catalyst device 46 A to the fourth-stage metal catalyst device 46 D arranged in series has four types of corrugated metal carriers 52 to 55 carrying a catalyst for purifying exhaust gas on the surface. It is formed in the shape of a ring having a diameter and arranged concentrically. As shown in an enlarged manner in FIG. 7, the phases of the waveforms of the metal carriers 52 to 55 of the metal catalyst devices 46 A to 46 D at the respective stages are shifted from each other by a half pitch.
  • the fourth-stage heat exchanger H4 is composed of four heat transfer tubes 56 to 59 wound in a coil shape having different diameters (see Fig. 10).
  • the four heat transfer tubes 56 to 59 are arranged concentrically and alternately with the four metal carriers 52 to 55 of the first-stage metal catalyst unit 46 A to the fourth-stage metal catalyst unit 46 D. It is stored in a cylindrical case 47. 4 heat transfer tubes
  • the downstream ends of 56 to 59 are connected to the intermediate portion of the second spiral distribution passage 43, and the upstream ends of the four heat transfer tubes 56 to 59 are intermediate to the first spiral distribution passage 51.
  • Two cylindrical cases 60 and 61 are coaxially arranged, and the third-stage heat exchange between both cylindrical cases 60 and 61
  • the vessel H3 is arranged in an annular shape.
  • the third-stage heat exchanger H 3 is composed of a number of heat transfer tubes 6 2... wound in one direction and a number of heat transfer tubes 6 3... wound in the other direction.
  • the heat transfer tubes are arranged alternately in a state where the parts are combined, thereby increasing the arrangement density of the heat transfer tubes 62, 63, ... in the space.
  • the outer circumferences of the first-stage metal catalyst unit 46 A to the fourth-stage metal catalyst unit 46 D and the fourth-stage heat exchanger H 4 are connected to the heat transfer tubes 6 3 of the third-stage heat exchanger H 3. -, Surrounded by 6 3 ...
  • annular distribution passage forming member 64 fixed to the front end of the outer cylindrical case 60 and an annular distribution passage forming member 65 coupled to the front surface of the distribution passage forming member 64
  • Three circular distribution passages 66 are formed.
  • the upstream end of the heat transfer tubes 62, 63, ... of the third stage heat exchanger H3 is connected to the third circular distribution passage 66, and the downstream end of the heat transfer tubes 62, 63, ... 4 Connected to circular distribution passage 50.
  • the first-stage metal catalyst unit 46A to the fourth-stage metal catalyst unit 46D and the fourth-stage heat exchanger H A dish-shaped end cap 6 7 covering the rear surface of 4 is fixed.
  • the detachable cover 71 constituting the outer shell of the exhaust gas purifying apparatus C integrated with the evaporator is provided with a plate-shaped distribution passage forming member 72 having an exhaust hole 72 at the center thereof, which is connected to the exhaust pipe 32.
  • a cylindrical case 75 located radially outward and a cylindrical case 76 located radially inward extend from the distribution passage forming member 73 at a small interval, and the outer cylindrical shape is formed.
  • the flange 77 provided at the front end of the case 75 is overlapped with the flange 79 provided at the rear end of the mounting plate 78 fixed to the distribution passage forming member 42, and the cylinder head 1 Will be tightened together.
  • An annular distribution passage forming member 81 is fixed to the front end of the inner cylindrical case 76, and the annular distribution passage forming member 82 is connected to the front surface of the distribution passage forming member 81 to form the second distribution passage forming member 82.
  • a circular distribution passage 83 is formed.
  • the first circular distribution channel 74 and the second circular distribution channel 83 are identical and face each other.
  • An inner wall member 84 formed in a cup shape is housed inside the cover 71, and the first wall member 84 is disposed between the outer peripheral surface of the inner wall member 84 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical case 76.
  • Stage heat exchanger H1 is located You.
  • the first-stage heat exchanger HI has a structure similar to that of the third-stage heat exchanger H3, and includes a number of heat transfer tubes 85 wound in one direction and a coil in the other direction. A large number of heat transfer tubes 86 are alternately arranged with a part of them joined together, and the outer circumference of the third-stage heat exchanger H3 is surrounded by the heat transfer tubes 85 ', 86 ... .
  • the upstream ends of the heat transfer tubes 85... 86 are connected to the first circular distribution passage 74, and the downstream ends are connected to the second circular distribution passage 83.
  • the heat transfer tubes 62..., 63— and the heat transfer tubes 85, 86... of the first stage heat exchanger HI are made of heat-resistant stainless steel (austenitic, for example, SUS 316L, SUS 310 S, or ferrite).
  • austenitic for example, SUS 316L, SUS 310 S, or ferrite.
  • SUS430, SUS444 or a nickel-based heat-resistant alloy is preferable.
  • brazing or mechanical constraint is preferable for the connection of the heat transfer tubes.
  • the metal carriers 52 to 55 of the first-stage metal catalyst unit 46 A to the fourth-stage metal catalyst unit 46 D are heat-resistant stainless steel (for example, 20 wt% Cr—5 wt% A 1 ferrite stainless steel). Also, a metal foil of nickel-base heat-resistant alloy (having a thickness of 0.1 mm or less) is preferable.
  • a water supply port 87 for supplying water which is a source of high-pressure steam is provided in the first circular distribution passage 7, and the first circular distribution passage 74 is provided in the first stage heat exchange.
  • HI communicates with the second circular distribution passage 83 via a number of heat transfer tubes 85, 86,...,
  • the second circular distribution passage 83 communicates with the second stage heat exchanger H 2 through a communication passage 88. It communicates with one end of the heat transfer tube.
  • the other end of the heat transfer tube 34 of the second-stage heat exchanger H2 communicates with the third circular distribution passage 66 via the communication passage 89, and the third circular distribution passage 66 is connected to the heat transfer tube 62 of the third-stage heat exchanger H3. , 63..
  • the fourth circular distribution passage 50 communicates with the four heat transfer tubes 56 to 59 of the fourth stage heat exchanger H4 via the first spiral distribution passage 51.
  • the four heat transfer tubes 56 to 59 of the fourth stage heat exchanger H4 are connected to the steam outlet 90 via the second spiral distribution passage 43 and the heat transfer tubes 35 of the fifth stage heat exchanger H5. Communicate.
  • the water supplied from the water supply port 87 is supplied to the first-stage heat exchanger H1—the second-stage heat exchanger.
  • the exhaust gas discharged from the internal combustion engine E passes through the equal-diameter portion 18a of the exhaust port 18 while being passed through the second heat-transfer tube 34 wound around the outer peripheral surface of the equal-diameter portion 18a.
  • Exhaust gas flowing into the enlarged diameter portion 18b from the equal diameter portion 18a of the exhaust port 18 is formed by a third coil heat transfer tube 35 housed inside the enlarged diameter portion 18b.
  • the heat exchange is performed by directly contacting the stage heat exchanger H5.
  • the exhaust gas exiting the exhaust port 18 passes through the inside of the first-stage metal catalyst unit 46A to the fourth-stage metal catalyst unit 46D to purify harmful components.
  • the fourth-stage metal catalyst unit 46 A to 46 D exchanges heat with the fourth-stage heat exchanger H 4 including heat transfer tubes 56 to 59 arranged concentrically.
  • Exhaust gas that has passed through the first to fourth metal catalyst units 46 A to 46 D and the fourth stage heat exchanger H 4 is blocked by the end cap 67 and makes a U-turn, and a pair of cylindrical Heat is exchanged while flowing from the rear to the front through the third-stage heat exchanger H3 composed of heat transfer tubes 6 2... °
  • the first-stage heat exchanger consisting of heat transfer tubes 8 5-, 86 ... arranged between the cylindrical case 76 and the inner wall member 84 by changing the direction and exchanging heat while flowing from the front to the back.
  • the exhaust gas is discharged from the exhaust hole 72 a of the distribution passage forming member 72 to the exhaust pipe 32.
  • the exhaust gas that has passed through the fifth-stage heat exchanger H5 diffuses radially outward when passing through the spiral opening 44 connected to the enlarged portion 18b of the exhaust port 18, and the spiral opening 4 A swirling flow is created by the guide vanes 4 5 ... mounted inside 4.
  • the exhaust gas uniformly acts on the entire first to fourth stage metal catalyst devices 46 A to 46 D, and the inside of the first to fourth stage metal catalyst devices 46 A to 46 D ,
  • the residence time of the exhaust gas can be lengthened to enhance the exhaust gas purification effect. Also, as shown in FIG.
  • the pipe length are connected to the radially outer side of the first helical distribution passage 51 and the radially inner side of the second helical distribution passage 43, and the inner heat transfer tube having a shorter pipe length.
  • the first and second spiral distributing passages 51, 43 are connected.
  • the flow path lengths of the four heat transfer tubes 56 to 59, including a part of the flow path lengths, can be made as uniform as possible, and the pressure drop difference between the heat transfer tubes 56 to 59 can be reduced.
  • first-stage to fourth-stage metal catalyst units 46 A to 46 D and the fourth-stage heat exchanger H 4 are integrated so that they can exchange heat with each other.
  • the reaction heat generated in 46 A to 46 D can be recovered by the fourth-stage heat exchanger H 4 to increase the thermal energy recovery effect, and the flow rate of water flowing through the fourth-stage heat exchanger H 4
  • the first- to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 46 D are heated and activated, and the first to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 46 A It is possible to improve the durability by cooling 46D.
  • Exhaust gas that has passed through the first- to fourth-stage metal catalyst devices 46 A to 46 D and the fourth-stage heat exchanger H 4 is supplied to the first spiral distribution passage 5 composed of a spiral pipe material. It also exchanges heat when passing through 1. Since the exhaust gas flow is dispersed by the first spiral distribution passage 51, a heat spot is prevented from being generated at the end cap 67 located at the position where the exhaust gas is turned back, and severe thermal conditions are applied. It is possible to protect the end cap 67 below and prevent heat radiation from the end cap 67. Moreover, since the first spiral distribution passage 51 made of a spiral pipe material is flexible, it can absorb the difference in the amount of thermal expansion between the four heat transfer tubes 56 to 59 having different total lengths. it can.
  • exhaust gas flows from the internal combustion engine E side to the exhaust pipe 32 side, while water flows from the exhaust pipe 32 side to the internal combustion engine E side, so that the exhaust gas and water have high heat exchange efficiency. It becomes the state of the cross lip.
  • the first-stage heat exchanger H1—the third-stage heat exchanger H3 ⁇ the fourth-stage heat exchanger H4 ⁇ the fifth-stage heat exchanger Although it is necessary to flow water in the order of heat exchanger H5 ⁇ second-stage heat exchanger H2, in this embodiment, the first-stage heat exchanger H1—the second-stage heat exchanger H2 ⁇ Water is flowing in the order of three-stage heat exchanger H3 ⁇ fourth-stage heat exchanger H4 ⁇ fifth-stage heat exchanger H5.
  • the water first passes through the first-stage heat exchanger H1 located at the most downstream in the exhaust gas flow direction, and then is supplied to the second-stage heat exchanger H2 located at the most upstream in the exhaust gas flow direction. From there, it is returned to the third stage heat exchanger H3, which is located downstream in the exhaust gas flow direction.
  • the heat exchange with the fifth stage heat exchanger H5 located at the most downstream in the exhaust gas flow direction that is, the fifth stage heat exchanger H5 through which the exhaust gas whose temperature has been reduced after the end of the heat exchange flows.
  • the combustion chamber 16 By supplying relatively low-temperature water that has passed only through the fifth-stage heat exchanger H5 to the second-stage heat exchanger H2 located immediately downstream of the exhaust valve 25, the combustion chamber 16 By exchanging heat with the high-temperature exhaust gas that has just come out, the exhaust port 18 and the exhaust valve 25 that are exposed to high temperatures are sufficiently cooled to increase durability, and the exhaust port 18 and By lowering the temperature of the fifth-stage heat exchanger H5, thermal leakage due to radiant heat can be reduced, and the thermal effect on devices such as a valve train which needs to maintain accuracy can be reduced.
  • FIG. 12A shows the horizontal axis shows the integrated heat transfer area of the heat exchangers H1 to H5 measured from the water supply port 87, and the vertical axis shows the exhaust gas and water (steam).
  • Figure 12A shows the first-stage heat exchanger HI—the third-stage heat exchanger H 3—the fourth-stage heat exchanger H4 ⁇ the fifth-stage heat exchanger H5 ⁇ the A conventional example in which water is flowed in the order of the two-stage heat exchanger H2 is shown in Fig. 12B.
  • the first-stage heat exchanger HI ⁇ the second-stage heat exchanger H2-the third-stage heat exchanger H3 ⁇ the second This embodiment illustrates the flow of water in the order of the four-stage heat exchanger H4—the fifth-stage heat exchanger H5.
  • the exhaust gas temperature and the water temperature increase as the integrated heat transfer area increases, that is, as the combustion chamber 16 of the internal combustion engine E approaches.
  • the temperature difference ⁇ ⁇ ⁇ between the exhaust gas temperature and water in the second-stage heat exchanger H2, which is the final stage is relatively small, and the exhaust port 18 And the cooling performance of the exhaust valve 25 will be reduced.
  • FIG. 12B showing the present embodiment since the temperature of the water passing through the second-stage heat exchanger H2 immediately downstream of the exhaust valve 35 is relatively low, The temperature difference ⁇ ⁇ from the exhaust gas passing therethrough becomes relatively large, and the exhaust ports 18 and the exhaust valves 25 exposed to high temperatures can be effectively cooled.
  • the exhaust passage 33 is bent in a three-stage zigzag shape, and the first, third, and fourth stage heat exchangers HI, H3, and H4 are laminated in the radial direction, thermal leakage is prevented. While minimizing emissions and preventing noise from radiating from the inside, the overall size of the exhaust gas purifier C integrated with the evaporator is made as small as possible and placed compactly on the cylinder head 12 of the internal combustion engine E. be able to.
  • the first, third and fourth stage heat exchangers HI, H3 and H4 and the first to fourth stage metal catalyst units 46A to 46D are laminated in the radial direction to form a maze.
  • the noise reduction effect not only prevents the exhaust noise from leaking to the outside of the exhaust gas purifier C with the integrated evaporator, but also mainly reduces the heat from the first to fifth stages.
  • the effects of reducing the exhaust gas temperature can be obtained by the exchangers H1 to H5.
  • the exhaust muffler can be simplified or omitted, and the exhaust device itself can be reduced in size and weight.
  • the temperature of the exhaust passage especially downstream of the first stage heat exchanger HI, decreases due to the decrease in the exhaust gas temperature, the degree of freedom in heat resistance design increases, and the use of a material such as plastic for the exhaust passage is required. Becomes possible.
  • the evaporator of the embodiment has a total of five stages of heat exchangers HI to H5, but the present invention can be applied to a device having a total of three or more stages of heat exchangers.
  • the exhaust gas purifying apparatus C integrated with the evaporator is exemplified.
  • the present invention can be applied to a heat exchanger configured separately from the exhaust gas purifying apparatus.
  • water is exemplified as the working medium, but a working medium other than water may be employed. It is possible.
  • the waste heat recovery device for an internal combustion engine can be suitably applied to an evaporator of a Rankine cycle device of an internal combustion engine, but any device that utilizes waste heat of exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the present invention can be applied to a waste heat recovery device for any other use.

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Description

内燃機関の廃熱回収装置
発明の分野
本発明は、 排気ガスとの間で熱交換する作動媒体が流れる少なくとも 3段の熱 交換器を排気通路上に備え、 排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交換器 が排気弁の直下流に位置する内燃機関の廃熱回収装置に関する。
背景技術 明
日本実開昭 5 9 - 1 7 4 3 0 8号公報田には、 内燃機関の排気ガスで液相作動媒 体を加熱して蒸気を発生させる蒸発器と、 蒸発器で発生した蒸気で駆動される膨 張機と、 膨張機を通過した蒸気を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器と、 凝縮器 からの液相作動媒体を加圧して蒸発器に供給する供給ポンプとを備えたランキン サイクル装置が記載されている。 上記従来のものは、 液相作動媒体としての水を 内燃機関の排気管に設けた蒸発器の内部だけでなく、 シリンダへッドおよびシリ. ンダブロックに形成した冷却通路の内部を通過させて加熱するようになっており 、 これにより内燃機関の廃熱を一層有効に利用するとともに、 シリンダヘッドお よびシリンダブ口ックを液相作動媒体で冷却して従来のラジェ一夕の廃止を図つ ている。
ところで上記従来のものは、 シリンダへッドおよびシリンダブロックの冷却通 路を通過して温度上昇した作動媒体を蒸発器に供給するため、 作動媒体と排気ガ スとの温度差が小さくなることから、 蒸発器を通過する作動媒体が排気ガスの熱 エネルギーを充分に回収することができなくなり、 まだ回収できる排気ガスの熱 エネルギーをそのまま排出することになつて内燃機関全体としての廃熱回収効率 が低下する可能性がある。
排気ガスの熱エネルギーを最大限に回収するには、 排気ガスおよび作動媒体が 相互に逆方向に流れるクロスフロー方式を採用することが望ましい。 即ち、 排気 ガスの温度は熱交換に伴って低下し、 作動媒体の温度は熱交換に伴って上昇する ため、 作動媒体が蒸発器内を排気ガスの流れ方向下流側から上流側に向かって流 れるようにすれば、 蒸発器の全域において作動媒体および排気ガス間の温度差を 大きく保って熱交換効率を最大限に高めることができる。 しかしながら、 このよ うに構成すると、 内燃機関の排気通路の高温部である排気弁の直下流位置に達し た作動媒体が既に温度上昇しているため、 前記高温部を充分に冷却することがで きなくなる可能性がある。
発明の開示
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、 内燃機関の排気ガスからの廃熱 回収効率を確保しながら、 排気弁の直下流の高温の排気通路を効果的に冷却する ことを目的とする。
上記目的を達成するために、 本発明の特徴によれば、 排気ガスとの間で熱交換 する作動媒体が流れる少なくとも 3段の熱交換器を排気通路上に備え、 排気ガス の流れ方向の最上流に配置された熱交換器が排気弁の直下流に位置する内燃機関 の廃熱回収装置において、 作動媒体は先ず排気ガスの流れ方向の最下流に配置さ れた熱交換器に供給され、 続いて排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交 換器に供給されるように構成したことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置が提 案される。
上記構成によれば、 少なくとも 3段の熱交換器を排気通路上に備えた内燃機関 において、 作動媒体は先ず排気ガスの流れ方向の最下流に配置された熱交換器に 供給され、 続いて排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交換器に供給され るので、 比較的に低温の作動媒体を排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱 交換器に供給して内燃機関の排気弁の直下流の高温部を効果的に冷却し、 高温と なる排気通路およびその周辺のデバイスの耐久性を高めることができる。 また比 較的に低温の排気ガスが供給される排気ガスの流れ方向の最下流に配置された熱 交換器に最も低温の作動媒体が供給されるので、 排気ガスおよび作動媒体の温度 差を確保してまだ回収できる排気ガスの熱エネルギーを無駄なく回収し、 熱交換 効率を高めることができる。 その結果、 内燃機関の排気ガスからの廃熱回収効率 を確保しながら、 排気弁の直下流の高温の排気通路を効果的に冷却することがで さる。
尚、 実施例の第 1段熱交換器 H 1は本発明の排気ガスの流れ方向の最下流に配 置された熱交換器に対応し、 実施例の第 2段熱交換器 H 2は本発明の排気ガスの 流れ方向の最上流に配置された熱交換器に対応する。
図面の簡単な説明
図 1〜図 1 2 Bは本発明の一実施例を示すもので、 図 1は内燃機関のシリンダ ヘッド部の縦断面図、 図 2は図 1の要部拡大断面図、 図 3は図 2の 3— 3線矢視 図、 図 4は図 2の 4一 4線断面図、 図 5は図 2の 5— 5線断面図、 図 6は図 2の 要部拡大図、 図 7は図 4の 7部拡大図、 図 8は図 3の 8— 8線断面図、 図 9 A〜 図 9 Cは第 5段熱交換器の伝熱管を示す図、 図 1 0はメタル触媒装置および第 4 段熱交換器の分解斜視図、 図 1 1は蒸発器の給水経路を示す模式図、 図 1 2 Aは 従来の熱交換器の積算伝熱面積に対する排気ガス温度および蒸気温度の変化を示 すグラフ、 図 1 2 Bは本実施例の熱交換器の積算伝熱面積に対する排気ガス温度 および蒸気温度の変化を示すグラフである。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図 1〜図 1 2 Bに基づいて本発明の実施例を説明する。
図 1に示すように、 内燃機関 Eは上下に積層されたシリンダブロック 1 1、 シ リンダヘッド 1 2およびへッド力バー 1 3を備えており、 シリンダブ口ック 1 1 に形成したシリンダポア 1 4にピストン 1 5が摺動自在に嵌合する。 シリンダへ ッド 1 2に形成された燃焼室 1 6にそれぞれ連なる吸気ポート 1 7および排気ポ ート 1 8のうち、 吸気ポ一ト 1 Ίは従来どおりシリンダへッド 1 2の内部に穿設 されているが、 排気ポート 1 8は別部材で構成されてシリンダへッド 1 2に結合 される。
吸気弁孔 1 9を開閉する吸気弁 2 0のステム 2 1の上端は、 吸気ロッカーァー ム軸 2 2に枢支された吸気ロッカーアーム 2 3の一端に当接し、 排気弁孔 2 4を 開閉する排気弁 2 5のステム 2 6の上端は、 排気ロッカーアーム軸 2 7に枢支さ れた排気ロッカーアーム 2 8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 2 9に設けた吸気カム 3 0および排気カム 3 1に前記吸気ロッカーアーム 2 3の他端および排気ロッカーアーム 2 8の他端が 当接することにより、 吸気弁 2 0および排気弁 2 5が開閉駆動される。
シリンダへッド 1 2の排気側の側面に.は蒸発器一体型の排気ガス浄化装置 Cが 設けられる。 以下、 図 2〜図 1 1に基づいて蒸発器一体型の排気ガス浄化装置 C の構造を説明する。
蒸発器は内燃機関 E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 を発生させるもので、 排気ポート 1 8を基端として排気管 3 2に連なる排気通路 3 3と、 この排気通路 3 3中に配置されて排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換 器 H 1〜H 5とを備えており、 後述するメタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dは第 4段 熱交換器 H 4に組み込まれる。
排気ポート 1 8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 1 8 aと、 等径部 1 8 a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 1 8 bとからなり、 等径部 1 8 aの外周には第 2段熱交換器 H 2が設け られ、 拡径部 1 8 bの内部には第 5段熱交換器 H 5が設けられる。 第 2段熱交換 器 H 2は、 等径部 1 8 aの外周に約 5回転巻き付けられた 1本の伝熱管 3 4から 構成される。 第 5段熱交換器 H 5は拡径部 1 8 bの内部に収納された多段に巻回 された 1本の伝熱管 3 5から構成される。
図 9 A〜図 9 Cを参照すると明らかなように、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 5は、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 b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 4段熱交換器 H 4に接続され、 図 9 C に示す水出口は後述する蒸気排出口 9 0に接続される。 図 9 Aに示す丸付数字① 〜⑥は伝熱管 3 5内を水が流れる経路を示している。
尚、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 5を、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 b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 1 8 b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。
図 2、 図 3および図 8に最も良く示されるように、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの後端に円板状の分配通路形成部材 4 1が結合されており、 この分配通路形 成部材 4 1の後面に別の円板状の分配通路形成部材 4 2を結合することにより、 両分配通路形成部材 4 1 , 4 2間に第 2螺旋形分配通路 4 3が形成される。 第 2 螺旋形分配通路 4 3の半径方向内端に前記第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 3 5の上 流端が接続される。 両分配通路形成部材 4 1, 4 2には前記第 2螺旋形分配通路
4 3に沿うように螺旋形開口 4 4が形成される。 第 2螺旋形開口 4 4の断面は排 気ポート 1 8の拡径部 1 8 bの傾斜に沿うように出口側が半径方向外側に傾斜し ており、 その内部に多数のガイドべーン 4 5…が傾斜して取り付けられる。 従つ て、 排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bから供給された排気ガスは、 螺旋形開口 4 4 を通過する際に半径方向外側に拡散しながら旋回流となる。
図 2、 図 4〜図 6および図 1 0に最も良く示されるように、 第 1段メタル触媒 装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dおよび第 4段熱交換器 H 4の外周を覆 う円筒状ケース 4 7の前端が前記分配通路形成部材 4 2に結合され、 また円筒状 ケース 4 7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 4 8, 4 9間に第 4円形分配通路 5 0が形成され、 この第 4円形分配 通路 5 0にパイプを螺旋形に湾曲させた第 1螺旋形分配通路 5 1の外端が接続さ れる。 直列に配置された第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dの各々は、 表面に排気ガス浄化触媒を担持した波形の金属担体 5 2〜5 5を 4種類の直径を有する環状に形成し、 それらを同心円状に配置して構成される。 図 7に拡大して示すように、 各段のメタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dの金属担体 5 2〜 5 5の波形の位相は相互に半ピッチずつずれている。
第 4段熱交換器 H 4は異なる直径を有するコイル状に巻かれた 4本の伝熱管 5 6〜5 9から構成される (図 1 0参照)。 4本の伝熱管 5 6〜5 9は前記第 1段 メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dの 4個の金属担体 5 2〜5 5と同心かつ交互に配置されて円筒状ケース 4 7内に収納される。 4本の伝熱管
5 6〜5 9の下流端は前記第 2螺旋形分配通路 4 3の中間部に接続され、 4本の 伝熱管 5 6〜 5 9の上流端は前記第 1螺旋形分配通路 5 1の中間部に接続される 第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dおよび第 4段熱交 換器 H 4の外周を覆う円筒状ケ一ス 4 7の半径方向外側に 2個の円筒状ケース 6 0, 6 1が同軸に配置されており、 両円筒状ケース 6 0 , 6 1間に第 3段熱交換 器 H 3が環状に配置される。 第 3段熱交換器 H 3は、 一方向のコイル状に巻かれ た多数の伝熱管 6 2…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の伝熱管 6 3…とが 、 それらの一部を嚙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 6 2 ···, 6 3…の配置密度を高めている。 而して、 第 1段メタル触媒装 置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dおよび第 4段熱交換器 H 4の外周は、 第 3段熱交換器 H 3の伝熱管 6 2 -, 6 3…によって取り囲まれる。
外側の円筒状ケース 6 0の前端に固定された環状の分配通路形成材 6 4と、 こ の分配通路形成部材 6 4の前面に結合された環状の分配通路形成部材 6 5との間 に第 3円形分配通路 6 6が形成される。 第 3段熱交換器 H 3の伝熱管 6 2 ·'·, 6 3…の上流端は前記第 3円形分配通路 6 6に接続され、 伝熱管 6 2 , 6 3…の 下流端は前記第 4円形分配通路 5 0に接続される。 第 3段熱交換器 H 3の外側を 覆う円筒状ケース 6 0の後端に、 第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触 媒装置 4 6 Dおよび第 4段熱交換器 H 4の後面を覆う皿状のエンドキャップ 6 7 が固定される。
蒸発器一体型の排気ガス浄化装置 Cの外郭を構成する着脱自在なカバー 7 1は 、 中央に排気管 3 2に連なる排気孔 7 2 aが形成された板状の分配通路形成部材 7 2と、 この分配通路形成部材 7 2の前面に結合された環状の分配通路形成部材 7 3とを備えており、 両分配通路形成部材 7 2, 7 3間に第 1円形分配通路 7 4 が形成される。 分配通路形成部材 7 3から、 半径方向外側に位置する円筒状ケー ス 7 5と、 半径方向内側に位置する円筒状ケース 7 6とが微小な間隔をもって前 方に延びており、 外側の円筒状ケース 7 5の前端に設けたフランジ 7 7が、 分配 通路形成部材 4 2に固定した取付板 7 8の後端に設けたフランジ 7 9と重ね合わ されてポルト 8 0…でシリンダへッド 1 2に共締めされる。
内側の円筒状ケース 7 6の前端に環状の分配通路形成部材 8 1が固定されてお り、 この分配通路形成部材 8 1の前面に環状の分配通路形成部材 8 2を結合する ことにより第 2円形分配通路 8 3が形成される。 第 1円形分配通路 7 4および第 2円形分配通路 8 3は同形であって前後に向かい合つている。 カバ一 7 1の内部 にカップ状に形成された内壁部材 8 4が収納されており、 この内壁部材 8 4の外 周面と内側の円筒状ケース 7 6の内周面との間に第 1段熱交換器 H 1が配置され る。
第 1段熱交換器 HIは、 前記第 3段熱交換器 H 3と類似の構造で、 一方向のコ ィル状に巻かれた多数の伝熱管 85…と、 他方向のコイル状に巻かれた多数の伝 熱管 86…とが、 それらの一部を嚙み合わせた状態で交互に配置され、 これら伝 熱管 85'··, 86…によって第 3段熱交換器 H3の外周が取り囲まれる。 伝熱管 85···, 86…の上流端は第 1円形分配通路 74に接続され、 下流端は第 2円形 分配通路 83に接続される。
第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 34、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 35、 第 4段 熱交換器 H 4の伝熱管 56〜 59、 第 3段熱交換器 H 3の伝熱管 62…, 63— 、 第 1段熱交換器 HIの伝熱管 85···, 86…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 SUS 316L、 SUS 310 Sや、 フェライト系 の、 例えば SUS 430、 SUS 444)、 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。
また第 1段メタル触媒装置 46 A〜第 4段メタル触媒装置 46 Dの金属担体 5 2〜 55としては、 耐熱ステンレス鋼 (例えば 20重量%C r— 5重量%A 1フ エ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) が好ましい。
図 1 1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 87が第 1円形分配通路 7 に設けられており、 第 1円形分配通路 74は第 1 段熱交換器 HIの多数の伝熱管 85···, 86…を介して第 2円形分配通路 83に 連通し、 この第 2円形分配通路 83は連通路 88を介して第 2段熱交換器 H 2の 伝熱管 34の一端に連通する。 第 2段熱交換器 H 2の伝熱管 34の他端は連通路 89を介して第 3円形分配通路 66に連通し、 第 3円形分配通路 66は第 3段熱 交換器 H3の伝熱管 62 , 63…を介して第 4円形分配通路 50に連通し、 第 4円形分配通路 50は第 1螺旋形分配通路 5 1を介して第 4段熱交換器 H4の 4 本の伝熱管 56〜59に連通する。 第 4段熱交換器 H 4の 4本の伝熱管 56〜5 9は、 第 2螺旋形分配通路 43と、 第 5段熱交換器 H 5の伝熱管 35とを介して 蒸気排出口 90に連通する。
このように、 給水口 87から供給された水が第 1段熱交換器 H 1—第 2段熱交 換器 H 2→第 3段熱交換器 H 3→第 4段熱交換器 H 4→第 5段熱交換器 H 5を経 て蒸気排出口 9 0に達するまでに、 内燃機関 Eの排気通路 3 3を流れる排気ガス との間で熱交換を行って蒸気となる。
即ち、 内燃機関 Eから出た排気ガスは、 排気ポート 1 8の等径部 1 8 aを通過 する間に、 その等径部 1 8 aの外周面に巻き付けた伝熱管 3 4よりなる第 2段熱 交換器 H 2との間で熱交換を行う。 排気ポート 1 8の等径部 1 8 aから拡径部 1 8 bに流入した排気ガスは、 その拡径部 1 8 bの内部に収納した 3重コイル状の 伝熱管 3 5よりなる第 5段熱交換器 H 5に直接接触して熱交換を行う。 排気ポー ト 1 8を出た排気ガスは第 1段メタル触媒装置 4 6 A〜第 4段メタル触媒装置 4 6 Dの内部を通過して有害成分を浄化され、 その際に前記第 1段〜第 4段メタル 触媒装置 4 6 A〜4 6 Dと同心に配置された伝熱管 5 6〜5 9よりなる第 4段熱 交換器 H 4との間で熱交換を行う。
第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dおよび第 4段熱交換器 H 4を通 過した排気ガスはエンドキャップ 6 7に阻止されて Uターンし、 一対の円筒状ケ ース 6 0, 6 1間に配置された伝熱管 6 2 ···, 6 3…よりなる第 3段熱交換器 H 3を後方から前方に流れる間に熱交換され、 その後に 1 8 0 ° 方向変換して円筒 状ケ一ス 7 6および内壁部材 8 4間に配置された伝熱管 8 5 -, 8 6…よりなる 第 1段熱交換器 H I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 7 2の排気孔 7 2 aから排気管 3 2に排出される。
第 5段熱交換器 H 5を通過した排気ガスは排気ポート 1 8の拡径部 1 8 bに連 なる螺旋形開口 4 4を通過する際に半径方向外側に拡散し、 かつ螺旋形開口 4 4 の内部に装着されたガイドべーン 4 5…によって旋回流となる。 これにより、 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜 4 6 Dの全体に排気ガスを均一に作用させ 、 かつ第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 D内における排気ガスの滞留 時間を長くして排気ガス浄化効果を高めることができる。 また図 7に拡大して示 すように、 各段のメタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dの金属担体 5 2〜5 5の波形の 位相は相互に半ピッチずつずれているため、 排気ガスの流れに強い乱流を発生さ せることができる。 これにより、 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 D 内における排気ガスの滞留時間を長くして排気ガス浄化効果を高めるとともに、 隣接する第 4段熱交換器 H 4の熱交換効率を高めることができる。
また第 4段熱交換器 H 4の 4本の伝熱管 5 6〜5 9を第 1螺旋形分配通路 5 1 および第 2螺旋形分配通路 4 3の最適な位置に接続することにより、 つまり管長 が長い半径方向外側の伝熱管 5 6の両端を第 1螺旋形分配通路 5 1の半径方向外 側および第 2螺旋形分配通路 4 3の半径方向内側に接続し、 管長が短い内側の伝 熱管 5 9の両端を第 1螺旋形分配通路 5 1の半径方向内側および第 2螺旋形分配 通路 4 3の半径方向外側に接続することにより、 第 1、 第 2螺旋形分配通路 5 1 , 4 3の一部の流路長を含む 4本の伝熱管 5 6〜5 9の流路長をできるだけ均一 化し、 各伝熱管 5 6〜5 9の圧損差を減少させることができる。
また第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dと第 4段熱交換器 H 4とを 相互に熱交換可能に一体化したので、 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dで発生した反応熱を第 4段熱交換器 H 4で回収して熱エネルギーの回収効果 を高めることができ、 しかも第 4段熱交換器 H 4を流れる水の流量を制御するこ とで、 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dを加熱して活性化を図った. り、 第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜4 6 Dを冷却して耐久性の向上を図 つたりすることができる。
第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A〜 4 6 Dおよび第 4段熱交換器 H 4を通 過した排気ガスは、 螺旋形のパイプ材で構成された第 1螺旋形分配通路 5 1を通 過する際にも熱交換する。 この第 1螺旋形分配通路 5 1により排気ガスの流れが 分散されるため、 その後方の排気ガス折り返し位置にあるエンドキャップ 6 7に ヒートスポットが発生するのを防止し、 かつ熱的に厳しい条件下にあるエンドキ ヤップ 6 7の保護とエンドキャップ 6 7からの放熱とを防止することができる。 しかも螺旋形のパイプ材ょりなる第 1螺旋形分配通路 5 1は可撓性を有するため 、 全長がそれぞれ異なる 4本の伝熱管 5 6〜5 9の熱膨張量の差を吸収すること ができる。
基本的に、 排気ガスは内燃機関 E側から排気管 3 2側に流れるのに対して、 水 は排気管 3 2側から内燃機関 E側に流れるため、 排気ガスおよび水は熱交換効率 が高いクロスフ口一の状態になる。 但し、 完全なクロスフロー状態を実現するに は、 第 1段熱交換器 H 1—第 3段熱交換器 H 3→第 4段熱交換器 H 4→第 5段熱 交換器 H 5→第 2段熱交換器 H 2の順序で水を流すことが必要であるが、 本実施 例では敢えて第 1段熱交換器 H 1—第 2段熱交換器 H 2→第 3段熱交換器 H 3→ 第 4段熱交換器 H 4→第 5段熱交換器 H 5の順序で水を流している。 即ち、 水は 先ず排気ガスの流れ方向の最下流に位置する第 1段熱交換器 H 1を通過した後、 排気ガスの流れ方向の最上流に位置する第 2段熱交換器 H 2に供給され、 そこか ら排気ガスの流れ方向下流寄りの第 3段熱交換器 H 3に戻されるようになつてい る。
このように、 排気ガスの流れ方向の最下流に位置する第 5段熱交換器 H 5、 つ まり熱交換を終了して温度低下した排気ガスが流れる第 5段熱交換器 H 5に熱交 換を開始する前の低温の水を供給することにより、 排気ガスおよび水の温度差を 確保してまだ回収できる排気ガスの熱エネルギーを無駄なく回収し、 排気ガスか らの] ¾熱回収効率を高めることができる。 また第 5段熱交換器 H 5だけを通過し た比較的に低温の水を排気弁 2 5の直下流に位置する第 2段熱交換器 H 2に供給 することにより、 燃焼室 1 6から出た直後の高温の排気ガスとの間で熱交換を行 わせ、 高温に晒される排気ポート 1 8や排気弁 2 5を充分に冷却して耐久性を高 めるとともに、 排気ポート 1 8および第 5段熱交換器 H 5の温度を下げることで 、 放射熱によるサーマルリークを低減させ、 また精度維持を必要とする動弁機構 等のデバイスに対する熱的影響を軽減することができる。
図 1 2 Aおよび図 1 2 Bのグラフは、 横軸に給水口 8 7から測った熱交換器 H 1〜H 5の積算伝熱面積をとり、 縦軸に排気ガスおよび水 (蒸気) の温度をとつ たものであり、 図 1 2 Aは第 1段熱交換器 H I—第 3段熱交換器 H 3—第 4段熱 交換器 H 4→第 5段熱交換器 H 5→第 2段熱交換器 H 2の順序で水を流す従来例 を示し、 図 1 2 Bは第 1段熱交換器 H I→第 2段熱交換器 H 2—第 3段熱交換器 H 3→第 4段熱交換器 H 4—第 5段熱交換器 H 5の順序で水を流す本実施例示し ている。
従来例を示す図 1 2 Aから明らかなように、 積算伝熱面積が増加するに伴って 、 つまり内燃機関 Eの燃焼室 1 6に近づくに伴って排気ガスの温度および水の温 度は増加するが、 最終段となる第 2段熱交換器 H 2における排気ガスの温度およ び水の温度差 Δ Τは比較的に小さなものとなり、 高温に晒される排気ポート 1 8 や排気弁 2 5の冷却性能が低下してしまう。 それに対して、 本実施例を示す図 1 2 Bから明らかなように、 排気弁 3 5の直下流の第 2段熱交換器 H 2を通過する 水の温度は比較的に低温であるため、 そこを通過する排気ガスとの温度差 Δ Τは 比較的に大きなものとなり、 高温に晒される排気ポート 1 8や排気弁 2 5を効果 的に冷却することができる。
更に、 排気通路 3 3を 3段のジグザグ状に折り曲げるとともに、 第 1段、 第 3 段および第 4段熱交換器 H I, H 3 , H 4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、 かつ内部からの騒音の放散を防止しながら、 蒸 発器一体型の排気ガス浄化装置 C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 1 2にコンパクトに配置することができる。 また第 1段、 第 3段およ び第 4段熱交換器 H I , H 3, H 4および第 1段〜第 4段メタル触媒装置 4 6 A 〜4 6 Dを半径方向に積層して迷路状に配置したので、 その消音効果で蒸発器一 体型の排気ガス浄化装置 C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 H 1〜H 5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、 排気マフラ一を簡略化したり省 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ゃ軽量化が可 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 H I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 にブ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、 車両用の内 燃機関 Eにあっては、 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。 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。
例えば、 実施例の蒸発器は合計 5段の熱交換器 H I〜H 5を備えているが、 本 発明は合計 3段以上の熱交換器を備えたものに対して適用することができる。 ま た実施例では蒸発器一体型の排気ガス浄化装置 Cを例示したが、 本発明は排気ガ ス浄化装置と別体に構成された熱交換器に対しても適用することができる。 また 実施例では作動媒体として水を例示したが、 水以外の作動媒体を採用することも 可能である。
産業上の利用可能性
以上のように本発明に係る内燃機関の廃熱回収装置は、 内燃機関のランキンサ ィクル装置の蒸発器に好適に適用可能であるが、 内燃機関の排気ガスの廃熱を利 用するものであれば他の任意の用途の廃熱回収装置に適用することができる。

Claims

請求の範囲
1. 排気ガスとの間で熱交換する作動媒体が流れる少なくとも 3段の熱交換器 ( H1〜H5) を排気通路 (33) 上に備え、 排気ガスの流れ方向の最上流に配置 された熱交換器 (H2) が排気弁 (25) の直下流に位置する内燃機関の廃熱回 収装置において、
作動媒体は先ず排気ガスの流れ方向の最下流に配置された熱交換器 (HI) に 供給され、 続いて排気ガスの流れ方向の最上流に配置された熱交換器 (H2) に 供給されるように構成したことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置。
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