排気熱交換装置
【課題】高温な排気ガスが流れる排気マニホールドの部分で排気ガスの熱エネルギーを効率良く回収する。
【解決手段】排気マニホールド４０には、排気ガスが流れる排気管部４３と、この排気管部４３の周囲を覆うケーシング４７と、の間に冷却水室Ｒ１が形成される。高負荷域では、高負荷用冷却水入口６２より冷却水室Ｒ１に冷却水を導入し、主に機関上下方向α３及び機関幅方向α２に冷却水流れを形成する。低負荷域では、低負荷用冷却水入口６１より冷却水室Ｒ１に冷却水を導入し、主に気筒列方向に沿って冷却水流れを形成することで、高負荷域よりも冷却水の流通経路を長くする。
【解決手段】排気マニホールド４０には、排気ガスが流れる排気管部４３と、この排気管部４３の周囲を覆うケーシング４７と、の間に冷却水室Ｒ１が形成される。高負荷域では、高負荷用冷却水入口６２より冷却水室Ｒ１に冷却水を導入し、主に機関上下方向α３及び機関幅方向α２に冷却水流れを形成する。低負荷域では、低負荷用冷却水入口６１より冷却水室Ｒ１に冷却水を導入し、主に気筒列方向に沿って冷却水流れを形成することで、高負荷域よりも冷却水の流通経路を長くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気マニホールドを利用して排気ガスと冷却水やＬＬＣ等の作動流体との熱交換を行う排気熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関のシリンダヘッドに固定される排気マニホールドに、排気ガスが流れる排気集合管部と、この排気集合管部を囲繞して冷却水が流通する冷却水通路と、を設け、冷却水により排気集合管部を冷却して、排気集合管部が過度に高温となることを回避する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７７９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人等は特開２０１０−７７９６４号公報に記載されているように、内燃機関の排気ガスの熱エネルギーを、冷却水やＬＬＣ等の作動流体、更にはこの作動流体よりも沸点の低いフロンＲ１３４ａ等の冷媒を用いて回収し、ランキンサイクルを利用して回収した熱エネルギーから駆動力を発生して、廃熱を有効に利用することを検討している。
【０００５】
ここで、上記の特許文献１のように、排気ガスとの熱交換を、排気ガス温度が高い排気マニホールドの部分で行うようにすることで、例えば車両の床下に配置された排気管の近傍で排気ガスとの熱交換を行う場合に比して、排気熱の熱交換量や熱交換効率、つまりは排気熱の回収量や回収効率を大幅に向上することができる。
【０００６】
しかしながら、機関負荷に応じて排気ガスの温度が異なることから、排気ガスの温度が低い低負荷側では、熱回収量が不十分となり易い。また、高負荷側では、過剰に熱交換が行われる傾向にあり、例えば作動流体として水冷式内燃機関の冷却水（ＬＬＣ）を用いた場合に、冷却水の循環経路中に設けられたラジエータがオーバーヒートとなり易い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、内燃機関の排気ガスと作動流体との間で熱交換を行う排気熱交換装置において、上記内燃機関のシリンダヘッドに固定される排気マニホールドを有している。この排気マニホールドは、上記排気ガスが流れる排気管部と、この排気管部の周囲を覆うケーシングと、を有するとともに、このケーシングと排気管部との間に、上記作動流体が流れる流体室が形成されている。そして、機関負荷が低い低負荷域では、この低負荷域よりも機関負荷が高い高負荷域に比して、上記流体室内を流れる作動流体の流通経路が長くなるように、機関負荷に応じて上記作動流体の流通経路を切り換えることを特徴としている。
【０００８】
上記の「流通経路」とは、流体室内における平均的な流れの方向を意味しており、必ずしも冷却水の全量が流通経路に沿って流れるものではない。
【発明の効果】
【０００９】
このような本発明によれば、内燃機関のシリンダヘッドに固定された排気マニホールドの部分で排気ガスと作動流体との熱交換を行うことができるために、例えば車両床下の排気管の近傍で熱交換を行う場合に比して、燃焼室に近く排気ガス温度の高い位置で熱交換を行うことができるために、熱交換の量や効率が大幅に向上する。
【００１０】
そして、排気ガス温度が相対的に低い低負荷域では、作動流体の流通経路を長く確保することで、排気ガスと作動流体との熱交換効率を高めて、十分な熱回収量を確保することができるとともに、排気ガス温度が相対的に高く、熱交換が過剰となり易い高負荷域では、作動流体の流通経路を短くすることで、過剰な熱交換を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施例に係る排気マニホールドを示す斜視図。
【図２】図１の排気マニホールドの本体を示す斜視図。
【図３】図１の排気マニホールドの蓋体を示す斜視図。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。
【図５】図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】本発明の第２実施例に係る排気マニホールドを示す斜視図。
【図８】本発明に係る排気熱交換装置の一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を図示実施例に基づいて説明する。先ず、図８を参照して、本発明に係る排気熱交換装置の一例として、ランキンサイクルを利用した排気熱回収装置について説明する。なお、この装置の基本構成は上記の特開２０１０−７７９６４号公報に記載のように公知である。
【００１３】
この排気熱回収装置は、例えば車両に搭載され、車両の水冷式の内燃機関２を冷却するのに用いられる作動流体としての冷却水あるいはＬＬＣが流れる冷却水回路４と、内燃機関２の排気ガスの熱エネルギーすなわち廃熱を回収するランキンサイクル６（以下、ＲＣ回路という）と、を備えている。冷却水回路４は、内燃機関２から延設される冷却水の循環路５に、冷却水の流れ方向から順に排気ガス熱交換器８、過熱器１０、蒸発器１２、ラジエータ１４、サーモスタット１６、冷却水ポンプ１８が介挿されて閉回路を構成している。
【００１４】
排気ガス熱交換器８は、内燃機関２を経由し、内燃機関２のシリンダブロック３やシリンダヘッド等の機関本体を冷却することにより加熱された冷却水（例えば９５℃）を、内燃機関２の排気管９から排出される排気ガスと熱交換させて、所定の設定温度Ｔｓ（例えば１３０℃）まで更に加熱し、沸騰状態とする。また、排気ガス熱交換器８と過熱器１０との間の循環路５には温度センサ２０が装着され、温度センサ２０は排気ガス熱交換器８の出口の冷却水温度Ｔcを検出する。ラジエータ１４は、蒸発器１２と直列に配列され、蒸発器１２にて冷媒に吸熱されて冷却された冷却水を外気などとの熱交換により更に冷却する。
【００１５】
サーモスタット１６は、ラジエータ１４へ通水される冷却水の量をサーモスタット１６に流入する冷却水の温度に応じて制御する機械式の三方弁であって、２つの入口ポートと１つの出口ポートとを有している。２つの入口ポートには、ラジエータ１４から延設される循環路５の流路５ａと、蒸発器１２とラジエータ１４との間の循環路５の流路５ｂからラジエータ１４を迂回して接続される循環路５のラジエータバイパス路５ｃとがそれぞれ接続され、これにより、ラジエータ１４へ通水される冷却水の量が冷却水温度に応じて増減されて、冷却水温度、ひいてはシリンダブロック３の温度が適正に保持される。冷却水ポンプ１８は、内燃機関２に装着され、内燃機関２の回転に連動して駆動されて冷却水を冷却水回路４に好適に循環させる機械式のポンプである。
【００１６】
一方、ＲＣ回路６は、冷却水（作動流体）よりも沸点の低い例えばフロンＲ１３４ａなどの冷媒の循環路７に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器１２、過熱器１０、膨張機２２、凝縮器２４、気液分離器２６、冷媒ポンプ（ポンプ）２８が介挿されて閉回路を構成している。蒸発器１２は、冷媒ポンプ２８にて圧送された冷媒を内燃機関２、排気ガス熱交換器８、過熱器１０を順次経由した冷却水（例えば１１０℃）と熱交換させて所定の蒸発温度（例えば９０℃）にて蒸発させる。尚、冷媒の蒸発に伴い吸熱された冷却水は例えば１００℃まで温度低下する。過熱器１０は、蒸発器１２を経由した冷媒を排気ガス熱交換器８を経由した冷却水（１３０℃）と熱交換させて過熱状態（例えば１１０℃）にする。
【００１７】
膨張機２２は、過熱器１０を経由して過熱状態にされた冷媒を膨張させて駆動力を発生する回転機器であって、膨張機２２には、膨張機２２にて発生した駆動力を電力に変換して排気熱回収装置の外部で利用可能とする発電機３０が機械的に連結されている。
【００１８】
凝縮器２４は、膨張機２２を経由した冷媒を外気などとの熱交換により凝縮液化させる放熱器である。気液分離器２６は、凝縮器２４にて凝縮された冷媒を気液二層に分離し、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ２８側に流出される。冷媒ポンプ２８は、気液分離器２６にて分離された液冷媒を蒸発器１２側に圧送し、ＲＣ回路６に好適に循環させる。このように構成される冷却水回路４及びＲＣ回路６は、車両を総合的に制御する電子制御装置であるＥＣＵ３２により制御され、ＥＣＵ３２には、冷媒ポンプ２８の駆動部が電気的に接続されている。
【００１９】
そして、ＥＣＵ３２が内燃機関２の運転状況に応じて冷媒ポンプ２８の駆動を制御することにより、排気熱回収装置は、内燃機関２の廃熱、即ち、シリンダブロック３及び排気ガスの廃熱を冷却水を介して回収する。ＲＣ回路６では、シリンダブロック３の廃熱で蒸発器１２にて冷媒の蒸発が行われた後に、排気ガスの熱で過熱器１０にて冷媒の過熱が行われ、段階的に過熱状態にされた冷媒は、膨張機２２、発電機３０を介して排気熱回収装置の外部にて利用可能なエネルギーを発生する。
【００２０】
ここで、冷却水回路４には、内燃機関２を経由した冷却水を排気ガス熱交換器８及び過熱器１０をバイパスして蒸発器１２に直接に流入させるバイパス路３４が設けられている。バイパス路３４にはバイパス路３４を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁３６が介挿されており、ＥＣＵ３２には流量調整弁３６の駆動部及び上述した温度センサ２０も電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ３２は、温度センサ２０からの入力信号に応じて流量調整弁３６の駆動部に駆動信号を出力することにより、バイパス路３４を流れる冷却水の流量を調整し、排気ガス熱交換器８に流入する冷却水の流量を規制する流量制御を行っている。
【００２１】
次に、本発明の第１実施例に係る排気熱交換装置の要部をなす排気マニホールド４０の構造について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。この排気マニホールド４０は、図示せぬシリンダヘッドの排気側の側壁にボルトによって固定されるものであり、板状をなす取付フランジ部４１には、上記のボルトが貫通する複数のボルト孔４２が形成されている。図２にも示すように、この排気マニホールド４０には、排気ガスが流れる排気管部４３が設けられている。この排気管部４３は、シリンダヘッドの排気側の側壁に開口する３つの排気ポートに連通する３本のブランチ管部４４と、これら３本のブランチ管部４４が下流側で合流・集合する集合管部４５と、を有する枝管構造をなしている。ブランチ管部４４の上流側端部は取付フランジ部４１の外側の側面に開口している。集合管部４５は、後述するケーシング４７の本体４８より突出する下流側のフランジ部４６に、図示せぬ排気管が接続される。
【００２２】
図１にも示すように、排気マニホールド４０は、上記の排気管部４３を覆うケーシング４７を有している。このケーシング４７は、枝管形状をなす排気管部４３の形状に対応して、ブランチ管部４４が並設された気筒列方向α１に幅広な箱形の形状をなしており、そのシリンダヘッド側の側壁を構成する上記の取付フランジ部４１と上壁と下壁とが平坦な板状をなす一方、取付フランジ部４１よりも反シリンダヘッド側の側壁が、両側のブランチ管部４４に沿うように半円弧状に湾曲している。このケーシング４７と排気管部４３の間に形成される空間が、作動流体としての冷却水が流れる冷却水室（流体室）Ｒ１を構成している。
【００２３】
また、このケーシング４７は、上方が開放する深底形状の本体４８（図２参照）と、この本体４８の上面を閉塞する浅底形状の蓋体４９（図３参照）と、により上下に分割構成されており、両者４８，４９は、ボルト孔５０を貫通・螺合する複数本のボルトによって液密に固定される。そして、蓋体４９の裏面側・下面側に、後述する熱交換器５１が予め取り付けられており、組付状態では冷却水が満たされた冷却水室Ｒ１内に熱交換器５１が配置される。
【００２４】
なお、これらのケーシング４７，排気管部４３及び熱交換器５１等の排気マニホールドを構成する各部品は、耐熱性・強度に優れたアルミ合金等の金属材料により形成されている。
【００２５】
図５及び図６にも示すように、熱交換器５１は、偏平形状をなす複数の冷媒管部５２が所定間隙を隔てて積層配置されており、各冷媒管部５２の内部に、冷媒が流れる冷媒室Ｒ２が形成されている。この冷媒室Ｒ２内を流れる冷媒と、冷却水室Ｒ１内における隣り合う冷媒管部５２の間の隙間５３を流れる冷却水と、の間で熱交換がなされるように構成されている。複数の冷媒管部５２は、その積層方向（図５及び図６の上下方向）に貫通する複数の支持部５４により固定・支持されている。図３，図５及び図６に示すように、複数の支持部５４のうちの２つは、内部に冷媒通路５５が形成された筒状をなし、この冷媒通路５５が各冷媒管部５２内の冷媒室Ｒ２と連通している。冷媒は、ケーシング４７の上面に開口する冷媒入口５６より一方の支持部５４の冷媒通路５５に導入され、各冷媒管部５２内の冷媒室Ｒ２を流れた後、他方の支持部５４の冷媒通路５５を経由して、ケーシング４７の上面に開口する冷媒出口５７より排出される。なお、図示していないが、冷媒入口５６や冷媒出口５７には適宜な冷媒配管が接続される。
【００２６】
また、冷媒管部５２の外面には、隣り合う冷媒管部５２の隙間へ向けて張り出した複数の突条５８が所定間隔置きに平行に形成されている。各突条５８は、機関幅方向α２に帯状に延在しており、従って、隣り合う突条５８の間には、機関幅方向α２に延びる溝が形成されている。
【００２７】
このような本実施例の排気マニホールド４０にあっては、排気管部４３を流れる排気ガスと冷却水室Ｒ１内を流れる冷却水との熱交換部が、図８のランキンサイクル（ＲＣ回路）６における排気ガス熱交換器８として機能し、冷却水室Ｒ１を流れる冷却水と冷媒管部５２内の冷媒室Ｒ２内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる熱交換器５１が、図８のランキンサイクル６における蒸発器１２及び過熱器１０の少なくとも一方として機能している。
【００２８】
そして本実施例にあっては、内燃機関の機関負荷（出力・要求トルク）によって排気ガス温度が異なることから、機関負荷に応じて、冷却水室Ｒ１内を流れる冷却水の流通経路を切り換えている。つまり、排気ガス温度が低い（例えば４００℃以下）低負荷域では、熱交換の効率を高めて、十分な熱交換量・熱回収量を確保するために、この低負荷域よりも機関負荷が高く排気ガス温度が高い（例えば８００℃以上）高負荷域に比して、冷却水室Ｒ１内を流れる冷却水の流通経路が長くなるように構成している。
【００２９】
このような流通経路の切換を実現する具体的な構造について、図面を参照して説明する。ケーシング４７の上壁には、冷却水室Ｒ１から冷却水を排出する冷却水出口６０が開口形成されているとともに、ケーシング４７の下壁には、冷却水室Ｒ１へ冷却水を導入する冷却水入口として、低負荷域で用いられる低負荷用冷却水入口６１と、高負荷域で用いられる高負荷用冷却水入口６２と、の２つが形成されている。これらの低負荷用冷却水入口６１と高負荷用冷却水入口６２にそれぞれ接続する冷却水配管には、上記のＥＣＵ３２により開閉制御される切換弁６３，６４が設けられている。低負荷域では、低負荷用冷却水入口６１側の切換弁６３が「開」、高負荷用冷却水入口６２側の切換弁６４が「閉」とされ、高負荷域では、低負荷用冷却水入口６１側の切換弁６３が「閉」、高負荷用冷却水入口６２側の切換弁６４が「開」とされる（流路切換手段）。
【００３０】
図１にも示すように、冷却水出口６０は、気筒列方向α１に関して一方の端部寄りに配置されるとともに、機関幅方向α２に関して、シリンダヘッドから遠い側の端部寄りに配置されている。低負荷用冷却水入口６１は、冷却水出口６０の下方付近に配置されており、つまり冷却水出口６０と同様に、気筒列方向α１に関して一方の端部寄りに配置されるとともに、機関幅方向α２に関して、シリンダヘッドから遠い側の端部寄りに配置されている。一方、高負荷用冷却水入口６２は、気筒列方向α１に関してケーシング４７の中央に配置されるとともに、機関幅方向α２に関しては、冷却水出口６０や低負荷用冷却水入口６１とは逆に、シリンダヘッドに近い端部寄りに配置されている。
【００３１】
ここで、図２及び図６に示すように、冷却水出口６０と低負荷用冷却水入口６１とが配置される気筒列方向α１に関して一方の端部寄りの部分では、ケーシング４７の内面と排気管部４３の外面とにわたって隔壁６５が一体的に設けられており、つまりケーシング４７と排気管部４３との隙間が隔壁６５によって閉塞されている。一方、気筒列方向α１に関して反対側の端部寄りの部分６６には、上記の隔壁６５が設けられておらず、ケーシング４７と排気管部４３との隙間を通して冷却水が上下に流通可能となっている。
【００３２】
図４及び図５は、高負荷域における冷却水室Ｒ１内の冷却水の主たる流通経路を示している。図２及び図４に示すように、排気マニホールド４０にあっては、隣り合うブランチ管部４４の間に大きなブランチ間隙６７が、機関幅方向α２についてシリンダヘッド寄りの部分に形成されている。従って、機関幅方向α２についてシリンダヘッド寄りに配置された高負荷用冷却水入口６２から導入された冷却水は、図４の矢印Ｙ１に示すように、その大部分が、ブランチ間隙６７を通して、機関上下方向α３に沿って上方側へと流れることで、排気ガスと冷却水との熱交換が行われ、次いで、図５の矢印Ｙ２に示すように、熱交換器５１における冷媒管部５２の隙間５３を機関幅方向α２に沿って流れることで、排気ガスにより加熱された排気ガスと冷媒との熱交換が行われた後、冷却水出口６０より排出される。
【００３３】
このように、高負荷域にあっては、機関上下方向α３及び機関幅方向α２に沿う冷却水流れが形成され、つまり流通経路が機関上下方向α３及び機関幅方向α２に沿うものとなるために、後述する低負荷域に比して流通経路が短いものとなる。
【００３４】
次に、図６は、低負荷域における冷却水室Ｒ１内の冷却水の主たる流通経路を示している。図６に示すように、機関幅方向α２についてシリンダヘッドより遠い側の部分においては、上述したブランチ間隙６７が存在せず、間隙のない一本の集合管部４５が気筒列方向に広く延在しており、かつ、低負荷用冷却水入口６１が設けられた気筒列方向の一方の端部寄りの部分では、ケーシング４７と排気管部４３との上下方向の隙間が隔壁６５によって閉塞されている。従って、低負荷用冷却水入口６１から導入された冷却水は、図６の矢印Ｙ３に示すように、その大部分が、集合管部４５の下方の隙間を気筒列方向α１に沿って流れた後、図６の矢印Ｙ４に示すように、気筒列方向で隔壁６５のないケーシング４７と排気管部４３との隙間の部分６６を通して、上方側へと流れることで、排気ガスと冷却水との熱交換が行われる。そして、図６の矢印Ｙ５に示すように、熱交換器５１内における隣り合う冷媒管部５２の隙間を気筒列方向に沿って流れることで、排気ガスによる加熱後の冷却水と冷媒との間で熱交換が行われた後、冷却水出口６０より排出される。
【００３５】
このように、低負荷域にあっては、主として気筒列方向α１に沿う冷却水流れが形成され、流通経路が気筒列方向α１に沿うものとなる。排気マニホールド４０は、ケーシング４７及びその内部の冷却水室Ｒ１を含めて、複数のブランチ管部４４が並設される気筒列方向α１の寸法が、機関幅方向α２の寸法や機関上下方向α３の寸法に比して長い形状となっている。従って、この低負荷域においては、上記の高負荷域に比して流通経路が長くなる。また、この低負荷域では、冷却水が熱交換器５１内の隙間５３を気筒列方向α１に流れる際に、機関幅方向α２に延在する複数の突条５８を乗り越える形となり、これらの突条５８によって通水抵抗が増し、機関幅方向α２に冷却水が流れる高負荷域に比して、その流量つまり流速が小さなものとなる。
【００３６】
以上のように本実施例においては、内燃機関のシリンダヘッドに固定され、燃焼室に近く排気ガス温度の高い排気マニホールド４０の部分で、排気ガスと冷却水との熱交換、更には冷却水と冷媒との熱交換を行うようにしたので、その熱回収効率・熱回収量が向上し、廃熱の利用効率が向上するために、燃費性能を向上することができる。しかも、これらの熱交換部分を排気マニホールド４０の部分に集約して設けることができるために、例えば排気ガスと冷却水との熱交換器を床下の排気管の近傍に配置した場合に比して、冷却水の配管長さを短縮し、構成の簡素化・軽量化・小型化等を図ることができる。
【００３７】
また、排気ガス温度が低い低負荷域にあっては、冷却水の流通経路が長くなり、かつ、冷却水の流量・流速が小さくなる。つまり、冷却水が長い時間をかけて冷却水室Ｒ１内をゆっくりと流通することとなる。このために、排気ガスから冷却水、更には冷却水から冷媒への熱交換・熱回収の効率が向上し、排気ガスの温度が低い低負荷域であるにもかかわらず、十分な熱回収量を確保して、燃費性能を向上することができるとともに、低負荷域での冷却水の温度を高めることで、例えば内燃機関の暖機を促進するなどの効果が得られる。
【００３８】
一方、排気ガス温度が高い高負荷域にあっては、冷却水の流通経路が短くなり、かつ、冷却水の流量・流速が大きくなる。つまり、大量の冷却水が一気に冷却水室Ｒ１内を流通することとなる。このために、排気ガスから冷却水、更には冷却水から冷媒への熱交換・熱回収の効率は低くなり、冷却水や冷媒の過剰な温度上昇を抑制することができる。このために、冷却水の過熱によるラジエータ１４のオーバーヒート等を抑制・回避することができる。その一方で、冷却水の流量は多くなるために、排気ガスの過熱を抑制するとともに、排気マニホールド４０を含めた排気系部品の過度な温度上昇を抑制することができる。
【００３９】
また、車載状態でケーシング４７における天地方向の地側となる底面側に、冷却水入口６１，６２を設けるとともに、天地方向の天側となる上面に冷却水出口６０を設けたので、冷却水室Ｒ１内に混入した気泡を天側の冷却水出口６０より良好に排出することができる。
【００４０】
図７は、本発明の第２実施例に係る排気マニホールド４０Ａを示しており、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。この第２実施例の排気マニホールド４０Ａでは、内部に冷却水室Ｒ１Ａが形成されたケーシング４７の更に外側を覆うように外側ケーシング７０が設けられており、この外側ケーシング７０と内側のケーシング４７との間の空間が、冷媒が流れる冷媒室Ｒ２Ａを構成している。つまり、排気管部４３と内側のケーシング４７と外側ケーシング７０とにより三重管構造を呈している。また、ケーシング４７の外面には、冷媒室Ｒ２Ａ側へ張り出した複数の突起部７１が所定間隔置きに形成されている。これらの突起部７１は、冷媒の流れ方向Ｙ６と直交する方向に延在している。つまり、ケーシング４７の外面に、冷媒の流れ方向Ｙ６に直交する凹凸が形成されている。
【００４１】
このように第２実施例の三重管構造の排気マニホールド４０にあっては、上記第１実施例のような熱交換器５１を設けることなく、排気ガスと冷却水との熱交換部と、冷却水と冷媒との熱交換部との双方を設けることができ、更なる簡素化・軽量化を図ることができる。また、上記の突起部７１によって、冷媒の流通抵抗を増加させることで、冷媒の流量・流速を小さくして、冷媒室Ｒ２Ａ内の冷媒流れを緩慢なものとすることで、冷却水と冷媒との熱交換の効率を更に高めることができる。
【００４２】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、突条５８の位置や形状は上記実施例のものに限られず、ケーシング４７の内壁面や排気管部４３の外壁面に、流量・流速を調整する突条を設けるようにしても良い。
【符号の説明】
【００４３】
４０，４０Ａ…排気マニホールド
４３…排気管部
４４…ブランチ管部
４５…集合管部
４７…ケーシング
５１…熱交換器
５２…冷媒管部
５８…突条
６５…隔壁
Ｒ１，Ｒ１Ａ…冷却水室（流体室）
Ｒ２，Ｒ２Ａ…冷媒室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気マニホールドを利用して排気ガスと冷却水やＬＬＣ等の作動流体との熱交換を行う排気熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関のシリンダヘッドに固定される排気マニホールドに、排気ガスが流れる排気集合管部と、この排気集合管部を囲繞して冷却水が流通する冷却水通路と、を設け、冷却水により排気集合管部を冷却して、排気集合管部が過度に高温となることを回避する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７７９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人等は特開２０１０−７７９６４号公報に記載されているように、内燃機関の排気ガスの熱エネルギーを、冷却水やＬＬＣ等の作動流体、更にはこの作動流体よりも沸点の低いフロンＲ１３４ａ等の冷媒を用いて回収し、ランキンサイクルを利用して回収した熱エネルギーから駆動力を発生して、廃熱を有効に利用することを検討している。
【０００５】
ここで、上記の特許文献１のように、排気ガスとの熱交換を、排気ガス温度が高い排気マニホールドの部分で行うようにすることで、例えば車両の床下に配置された排気管の近傍で排気ガスとの熱交換を行う場合に比して、排気熱の熱交換量や熱交換効率、つまりは排気熱の回収量や回収効率を大幅に向上することができる。
【０００６】
しかしながら、機関負荷に応じて排気ガスの温度が異なることから、排気ガスの温度が低い低負荷側では、熱回収量が不十分となり易い。また、高負荷側では、過剰に熱交換が行われる傾向にあり、例えば作動流体として水冷式内燃機関の冷却水（ＬＬＣ）を用いた場合に、冷却水の循環経路中に設けられたラジエータがオーバーヒートとなり易い。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、内燃機関の排気ガスと作動流体との間で熱交換を行う排気熱交換装置において、上記内燃機関のシリンダヘッドに固定される排気マニホールドを有している。この排気マニホールドは、上記排気ガスが流れる排気管部と、この排気管部の周囲を覆うケーシングと、を有するとともに、このケーシングと排気管部との間に、上記作動流体が流れる流体室が形成されている。そして、機関負荷が低い低負荷域では、この低負荷域よりも機関負荷が高い高負荷域に比して、上記流体室内を流れる作動流体の流通経路が長くなるように、機関負荷に応じて上記作動流体の流通経路を切り換えることを特徴としている。
【０００８】
上記の「流通経路」とは、流体室内における平均的な流れの方向を意味しており、必ずしも冷却水の全量が流通経路に沿って流れるものではない。
【発明の効果】
【０００９】
このような本発明によれば、内燃機関のシリンダヘッドに固定された排気マニホールドの部分で排気ガスと作動流体との熱交換を行うことができるために、例えば車両床下の排気管の近傍で熱交換を行う場合に比して、燃焼室に近く排気ガス温度の高い位置で熱交換を行うことができるために、熱交換の量や効率が大幅に向上する。
【００１０】
そして、排気ガス温度が相対的に低い低負荷域では、作動流体の流通経路を長く確保することで、排気ガスと作動流体との熱交換効率を高めて、十分な熱回収量を確保することができるとともに、排気ガス温度が相対的に高く、熱交換が過剰となり易い高負荷域では、作動流体の流通経路を短くすることで、過剰な熱交換を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施例に係る排気マニホールドを示す斜視図。
【図２】図１の排気マニホールドの本体を示す斜視図。
【図３】図１の排気マニホールドの蓋体を示す斜視図。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。
【図５】図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図。
【図６】図１のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】本発明の第２実施例に係る排気マニホールドを示す斜視図。
【図８】本発明に係る排気熱交換装置の一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を図示実施例に基づいて説明する。先ず、図８を参照して、本発明に係る排気熱交換装置の一例として、ランキンサイクルを利用した排気熱回収装置について説明する。なお、この装置の基本構成は上記の特開２０１０−７７９６４号公報に記載のように公知である。
【００１３】
この排気熱回収装置は、例えば車両に搭載され、車両の水冷式の内燃機関２を冷却するのに用いられる作動流体としての冷却水あるいはＬＬＣが流れる冷却水回路４と、内燃機関２の排気ガスの熱エネルギーすなわち廃熱を回収するランキンサイクル６（以下、ＲＣ回路という）と、を備えている。冷却水回路４は、内燃機関２から延設される冷却水の循環路５に、冷却水の流れ方向から順に排気ガス熱交換器８、過熱器１０、蒸発器１２、ラジエータ１４、サーモスタット１６、冷却水ポンプ１８が介挿されて閉回路を構成している。
【００１４】
排気ガス熱交換器８は、内燃機関２を経由し、内燃機関２のシリンダブロック３やシリンダヘッド等の機関本体を冷却することにより加熱された冷却水（例えば９５℃）を、内燃機関２の排気管９から排出される排気ガスと熱交換させて、所定の設定温度Ｔｓ（例えば１３０℃）まで更に加熱し、沸騰状態とする。また、排気ガス熱交換器８と過熱器１０との間の循環路５には温度センサ２０が装着され、温度センサ２０は排気ガス熱交換器８の出口の冷却水温度Ｔcを検出する。ラジエータ１４は、蒸発器１２と直列に配列され、蒸発器１２にて冷媒に吸熱されて冷却された冷却水を外気などとの熱交換により更に冷却する。
【００１５】
サーモスタット１６は、ラジエータ１４へ通水される冷却水の量をサーモスタット１６に流入する冷却水の温度に応じて制御する機械式の三方弁であって、２つの入口ポートと１つの出口ポートとを有している。２つの入口ポートには、ラジエータ１４から延設される循環路５の流路５ａと、蒸発器１２とラジエータ１４との間の循環路５の流路５ｂからラジエータ１４を迂回して接続される循環路５のラジエータバイパス路５ｃとがそれぞれ接続され、これにより、ラジエータ１４へ通水される冷却水の量が冷却水温度に応じて増減されて、冷却水温度、ひいてはシリンダブロック３の温度が適正に保持される。冷却水ポンプ１８は、内燃機関２に装着され、内燃機関２の回転に連動して駆動されて冷却水を冷却水回路４に好適に循環させる機械式のポンプである。
【００１６】
一方、ＲＣ回路６は、冷却水（作動流体）よりも沸点の低い例えばフロンＲ１３４ａなどの冷媒の循環路７に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器１２、過熱器１０、膨張機２２、凝縮器２４、気液分離器２６、冷媒ポンプ（ポンプ）２８が介挿されて閉回路を構成している。蒸発器１２は、冷媒ポンプ２８にて圧送された冷媒を内燃機関２、排気ガス熱交換器８、過熱器１０を順次経由した冷却水（例えば１１０℃）と熱交換させて所定の蒸発温度（例えば９０℃）にて蒸発させる。尚、冷媒の蒸発に伴い吸熱された冷却水は例えば１００℃まで温度低下する。過熱器１０は、蒸発器１２を経由した冷媒を排気ガス熱交換器８を経由した冷却水（１３０℃）と熱交換させて過熱状態（例えば１１０℃）にする。
【００１７】
膨張機２２は、過熱器１０を経由して過熱状態にされた冷媒を膨張させて駆動力を発生する回転機器であって、膨張機２２には、膨張機２２にて発生した駆動力を電力に変換して排気熱回収装置の外部で利用可能とする発電機３０が機械的に連結されている。
【００１８】
凝縮器２４は、膨張機２２を経由した冷媒を外気などとの熱交換により凝縮液化させる放熱器である。気液分離器２６は、凝縮器２４にて凝縮された冷媒を気液二層に分離し、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ２８側に流出される。冷媒ポンプ２８は、気液分離器２６にて分離された液冷媒を蒸発器１２側に圧送し、ＲＣ回路６に好適に循環させる。このように構成される冷却水回路４及びＲＣ回路６は、車両を総合的に制御する電子制御装置であるＥＣＵ３２により制御され、ＥＣＵ３２には、冷媒ポンプ２８の駆動部が電気的に接続されている。
【００１９】
そして、ＥＣＵ３２が内燃機関２の運転状況に応じて冷媒ポンプ２８の駆動を制御することにより、排気熱回収装置は、内燃機関２の廃熱、即ち、シリンダブロック３及び排気ガスの廃熱を冷却水を介して回収する。ＲＣ回路６では、シリンダブロック３の廃熱で蒸発器１２にて冷媒の蒸発が行われた後に、排気ガスの熱で過熱器１０にて冷媒の過熱が行われ、段階的に過熱状態にされた冷媒は、膨張機２２、発電機３０を介して排気熱回収装置の外部にて利用可能なエネルギーを発生する。
【００２０】
ここで、冷却水回路４には、内燃機関２を経由した冷却水を排気ガス熱交換器８及び過熱器１０をバイパスして蒸発器１２に直接に流入させるバイパス路３４が設けられている。バイパス路３４にはバイパス路３４を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁３６が介挿されており、ＥＣＵ３２には流量調整弁３６の駆動部及び上述した温度センサ２０も電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ３２は、温度センサ２０からの入力信号に応じて流量調整弁３６の駆動部に駆動信号を出力することにより、バイパス路３４を流れる冷却水の流量を調整し、排気ガス熱交換器８に流入する冷却水の流量を規制する流量制御を行っている。
【００２１】
次に、本発明の第１実施例に係る排気熱交換装置の要部をなす排気マニホールド４０の構造について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。この排気マニホールド４０は、図示せぬシリンダヘッドの排気側の側壁にボルトによって固定されるものであり、板状をなす取付フランジ部４１には、上記のボルトが貫通する複数のボルト孔４２が形成されている。図２にも示すように、この排気マニホールド４０には、排気ガスが流れる排気管部４３が設けられている。この排気管部４３は、シリンダヘッドの排気側の側壁に開口する３つの排気ポートに連通する３本のブランチ管部４４と、これら３本のブランチ管部４４が下流側で合流・集合する集合管部４５と、を有する枝管構造をなしている。ブランチ管部４４の上流側端部は取付フランジ部４１の外側の側面に開口している。集合管部４５は、後述するケーシング４７の本体４８より突出する下流側のフランジ部４６に、図示せぬ排気管が接続される。
【００２２】
図１にも示すように、排気マニホールド４０は、上記の排気管部４３を覆うケーシング４７を有している。このケーシング４７は、枝管形状をなす排気管部４３の形状に対応して、ブランチ管部４４が並設された気筒列方向α１に幅広な箱形の形状をなしており、そのシリンダヘッド側の側壁を構成する上記の取付フランジ部４１と上壁と下壁とが平坦な板状をなす一方、取付フランジ部４１よりも反シリンダヘッド側の側壁が、両側のブランチ管部４４に沿うように半円弧状に湾曲している。このケーシング４７と排気管部４３の間に形成される空間が、作動流体としての冷却水が流れる冷却水室（流体室）Ｒ１を構成している。
【００２３】
また、このケーシング４７は、上方が開放する深底形状の本体４８（図２参照）と、この本体４８の上面を閉塞する浅底形状の蓋体４９（図３参照）と、により上下に分割構成されており、両者４８，４９は、ボルト孔５０を貫通・螺合する複数本のボルトによって液密に固定される。そして、蓋体４９の裏面側・下面側に、後述する熱交換器５１が予め取り付けられており、組付状態では冷却水が満たされた冷却水室Ｒ１内に熱交換器５１が配置される。
【００２４】
なお、これらのケーシング４７，排気管部４３及び熱交換器５１等の排気マニホールドを構成する各部品は、耐熱性・強度に優れたアルミ合金等の金属材料により形成されている。
【００２５】
図５及び図６にも示すように、熱交換器５１は、偏平形状をなす複数の冷媒管部５２が所定間隙を隔てて積層配置されており、各冷媒管部５２の内部に、冷媒が流れる冷媒室Ｒ２が形成されている。この冷媒室Ｒ２内を流れる冷媒と、冷却水室Ｒ１内における隣り合う冷媒管部５２の間の隙間５３を流れる冷却水と、の間で熱交換がなされるように構成されている。複数の冷媒管部５２は、その積層方向（図５及び図６の上下方向）に貫通する複数の支持部５４により固定・支持されている。図３，図５及び図６に示すように、複数の支持部５４のうちの２つは、内部に冷媒通路５５が形成された筒状をなし、この冷媒通路５５が各冷媒管部５２内の冷媒室Ｒ２と連通している。冷媒は、ケーシング４７の上面に開口する冷媒入口５６より一方の支持部５４の冷媒通路５５に導入され、各冷媒管部５２内の冷媒室Ｒ２を流れた後、他方の支持部５４の冷媒通路５５を経由して、ケーシング４７の上面に開口する冷媒出口５７より排出される。なお、図示していないが、冷媒入口５６や冷媒出口５７には適宜な冷媒配管が接続される。
【００２６】
また、冷媒管部５２の外面には、隣り合う冷媒管部５２の隙間へ向けて張り出した複数の突条５８が所定間隔置きに平行に形成されている。各突条５８は、機関幅方向α２に帯状に延在しており、従って、隣り合う突条５８の間には、機関幅方向α２に延びる溝が形成されている。
【００２７】
このような本実施例の排気マニホールド４０にあっては、排気管部４３を流れる排気ガスと冷却水室Ｒ１内を流れる冷却水との熱交換部が、図８のランキンサイクル（ＲＣ回路）６における排気ガス熱交換器８として機能し、冷却水室Ｒ１を流れる冷却水と冷媒管部５２内の冷媒室Ｒ２内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる熱交換器５１が、図８のランキンサイクル６における蒸発器１２及び過熱器１０の少なくとも一方として機能している。
【００２８】
そして本実施例にあっては、内燃機関の機関負荷（出力・要求トルク）によって排気ガス温度が異なることから、機関負荷に応じて、冷却水室Ｒ１内を流れる冷却水の流通経路を切り換えている。つまり、排気ガス温度が低い（例えば４００℃以下）低負荷域では、熱交換の効率を高めて、十分な熱交換量・熱回収量を確保するために、この低負荷域よりも機関負荷が高く排気ガス温度が高い（例えば８００℃以上）高負荷域に比して、冷却水室Ｒ１内を流れる冷却水の流通経路が長くなるように構成している。
【００２９】
このような流通経路の切換を実現する具体的な構造について、図面を参照して説明する。ケーシング４７の上壁には、冷却水室Ｒ１から冷却水を排出する冷却水出口６０が開口形成されているとともに、ケーシング４７の下壁には、冷却水室Ｒ１へ冷却水を導入する冷却水入口として、低負荷域で用いられる低負荷用冷却水入口６１と、高負荷域で用いられる高負荷用冷却水入口６２と、の２つが形成されている。これらの低負荷用冷却水入口６１と高負荷用冷却水入口６２にそれぞれ接続する冷却水配管には、上記のＥＣＵ３２により開閉制御される切換弁６３，６４が設けられている。低負荷域では、低負荷用冷却水入口６１側の切換弁６３が「開」、高負荷用冷却水入口６２側の切換弁６４が「閉」とされ、高負荷域では、低負荷用冷却水入口６１側の切換弁６３が「閉」、高負荷用冷却水入口６２側の切換弁６４が「開」とされる（流路切換手段）。
【００３０】
図１にも示すように、冷却水出口６０は、気筒列方向α１に関して一方の端部寄りに配置されるとともに、機関幅方向α２に関して、シリンダヘッドから遠い側の端部寄りに配置されている。低負荷用冷却水入口６１は、冷却水出口６０の下方付近に配置されており、つまり冷却水出口６０と同様に、気筒列方向α１に関して一方の端部寄りに配置されるとともに、機関幅方向α２に関して、シリンダヘッドから遠い側の端部寄りに配置されている。一方、高負荷用冷却水入口６２は、気筒列方向α１に関してケーシング４７の中央に配置されるとともに、機関幅方向α２に関しては、冷却水出口６０や低負荷用冷却水入口６１とは逆に、シリンダヘッドに近い端部寄りに配置されている。
【００３１】
ここで、図２及び図６に示すように、冷却水出口６０と低負荷用冷却水入口６１とが配置される気筒列方向α１に関して一方の端部寄りの部分では、ケーシング４７の内面と排気管部４３の外面とにわたって隔壁６５が一体的に設けられており、つまりケーシング４７と排気管部４３との隙間が隔壁６５によって閉塞されている。一方、気筒列方向α１に関して反対側の端部寄りの部分６６には、上記の隔壁６５が設けられておらず、ケーシング４７と排気管部４３との隙間を通して冷却水が上下に流通可能となっている。
【００３２】
図４及び図５は、高負荷域における冷却水室Ｒ１内の冷却水の主たる流通経路を示している。図２及び図４に示すように、排気マニホールド４０にあっては、隣り合うブランチ管部４４の間に大きなブランチ間隙６７が、機関幅方向α２についてシリンダヘッド寄りの部分に形成されている。従って、機関幅方向α２についてシリンダヘッド寄りに配置された高負荷用冷却水入口６２から導入された冷却水は、図４の矢印Ｙ１に示すように、その大部分が、ブランチ間隙６７を通して、機関上下方向α３に沿って上方側へと流れることで、排気ガスと冷却水との熱交換が行われ、次いで、図５の矢印Ｙ２に示すように、熱交換器５１における冷媒管部５２の隙間５３を機関幅方向α２に沿って流れることで、排気ガスにより加熱された排気ガスと冷媒との熱交換が行われた後、冷却水出口６０より排出される。
【００３３】
このように、高負荷域にあっては、機関上下方向α３及び機関幅方向α２に沿う冷却水流れが形成され、つまり流通経路が機関上下方向α３及び機関幅方向α２に沿うものとなるために、後述する低負荷域に比して流通経路が短いものとなる。
【００３４】
次に、図６は、低負荷域における冷却水室Ｒ１内の冷却水の主たる流通経路を示している。図６に示すように、機関幅方向α２についてシリンダヘッドより遠い側の部分においては、上述したブランチ間隙６７が存在せず、間隙のない一本の集合管部４５が気筒列方向に広く延在しており、かつ、低負荷用冷却水入口６１が設けられた気筒列方向の一方の端部寄りの部分では、ケーシング４７と排気管部４３との上下方向の隙間が隔壁６５によって閉塞されている。従って、低負荷用冷却水入口６１から導入された冷却水は、図６の矢印Ｙ３に示すように、その大部分が、集合管部４５の下方の隙間を気筒列方向α１に沿って流れた後、図６の矢印Ｙ４に示すように、気筒列方向で隔壁６５のないケーシング４７と排気管部４３との隙間の部分６６を通して、上方側へと流れることで、排気ガスと冷却水との熱交換が行われる。そして、図６の矢印Ｙ５に示すように、熱交換器５１内における隣り合う冷媒管部５２の隙間を気筒列方向に沿って流れることで、排気ガスによる加熱後の冷却水と冷媒との間で熱交換が行われた後、冷却水出口６０より排出される。
【００３５】
このように、低負荷域にあっては、主として気筒列方向α１に沿う冷却水流れが形成され、流通経路が気筒列方向α１に沿うものとなる。排気マニホールド４０は、ケーシング４７及びその内部の冷却水室Ｒ１を含めて、複数のブランチ管部４４が並設される気筒列方向α１の寸法が、機関幅方向α２の寸法や機関上下方向α３の寸法に比して長い形状となっている。従って、この低負荷域においては、上記の高負荷域に比して流通経路が長くなる。また、この低負荷域では、冷却水が熱交換器５１内の隙間５３を気筒列方向α１に流れる際に、機関幅方向α２に延在する複数の突条５８を乗り越える形となり、これらの突条５８によって通水抵抗が増し、機関幅方向α２に冷却水が流れる高負荷域に比して、その流量つまり流速が小さなものとなる。
【００３６】
以上のように本実施例においては、内燃機関のシリンダヘッドに固定され、燃焼室に近く排気ガス温度の高い排気マニホールド４０の部分で、排気ガスと冷却水との熱交換、更には冷却水と冷媒との熱交換を行うようにしたので、その熱回収効率・熱回収量が向上し、廃熱の利用効率が向上するために、燃費性能を向上することができる。しかも、これらの熱交換部分を排気マニホールド４０の部分に集約して設けることができるために、例えば排気ガスと冷却水との熱交換器を床下の排気管の近傍に配置した場合に比して、冷却水の配管長さを短縮し、構成の簡素化・軽量化・小型化等を図ることができる。
【００３７】
また、排気ガス温度が低い低負荷域にあっては、冷却水の流通経路が長くなり、かつ、冷却水の流量・流速が小さくなる。つまり、冷却水が長い時間をかけて冷却水室Ｒ１内をゆっくりと流通することとなる。このために、排気ガスから冷却水、更には冷却水から冷媒への熱交換・熱回収の効率が向上し、排気ガスの温度が低い低負荷域であるにもかかわらず、十分な熱回収量を確保して、燃費性能を向上することができるとともに、低負荷域での冷却水の温度を高めることで、例えば内燃機関の暖機を促進するなどの効果が得られる。
【００３８】
一方、排気ガス温度が高い高負荷域にあっては、冷却水の流通経路が短くなり、かつ、冷却水の流量・流速が大きくなる。つまり、大量の冷却水が一気に冷却水室Ｒ１内を流通することとなる。このために、排気ガスから冷却水、更には冷却水から冷媒への熱交換・熱回収の効率は低くなり、冷却水や冷媒の過剰な温度上昇を抑制することができる。このために、冷却水の過熱によるラジエータ１４のオーバーヒート等を抑制・回避することができる。その一方で、冷却水の流量は多くなるために、排気ガスの過熱を抑制するとともに、排気マニホールド４０を含めた排気系部品の過度な温度上昇を抑制することができる。
【００３９】
また、車載状態でケーシング４７における天地方向の地側となる底面側に、冷却水入口６１，６２を設けるとともに、天地方向の天側となる上面に冷却水出口６０を設けたので、冷却水室Ｒ１内に混入した気泡を天側の冷却水出口６０より良好に排出することができる。
【００４０】
図７は、本発明の第２実施例に係る排気マニホールド４０Ａを示しており、第１実施例と異なる部分についてのみ説明する。この第２実施例の排気マニホールド４０Ａでは、内部に冷却水室Ｒ１Ａが形成されたケーシング４７の更に外側を覆うように外側ケーシング７０が設けられており、この外側ケーシング７０と内側のケーシング４７との間の空間が、冷媒が流れる冷媒室Ｒ２Ａを構成している。つまり、排気管部４３と内側のケーシング４７と外側ケーシング７０とにより三重管構造を呈している。また、ケーシング４７の外面には、冷媒室Ｒ２Ａ側へ張り出した複数の突起部７１が所定間隔置きに形成されている。これらの突起部７１は、冷媒の流れ方向Ｙ６と直交する方向に延在している。つまり、ケーシング４７の外面に、冷媒の流れ方向Ｙ６に直交する凹凸が形成されている。
【００４１】
このように第２実施例の三重管構造の排気マニホールド４０にあっては、上記第１実施例のような熱交換器５１を設けることなく、排気ガスと冷却水との熱交換部と、冷却水と冷媒との熱交換部との双方を設けることができ、更なる簡素化・軽量化を図ることができる。また、上記の突起部７１によって、冷媒の流通抵抗を増加させることで、冷媒の流量・流速を小さくして、冷媒室Ｒ２Ａ内の冷媒流れを緩慢なものとすることで、冷却水と冷媒との熱交換の効率を更に高めることができる。
【００４２】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、突条５８の位置や形状は上記実施例のものに限られず、ケーシング４７の内壁面や排気管部４３の外壁面に、流量・流速を調整する突条を設けるようにしても良い。
【符号の説明】
【００４３】
４０，４０Ａ…排気マニホールド
４３…排気管部
４４…ブランチ管部
４５…集合管部
４７…ケーシング
５１…熱交換器
５２…冷媒管部
５８…突条
６５…隔壁
Ｒ１，Ｒ１Ａ…冷却水室（流体室）
Ｒ２，Ｒ２Ａ…冷媒室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスと作動流体との間で熱交換を行う排気熱交換装置において、
上記内燃機関のシリンダヘッドに固定される排気マニホールドを有し、
この排気マニホールドは、上記排気ガスが流れる排気管部と、この排気管部の周囲を覆うケーシングと、を有するとともに、このケーシングと排気管部との間に、上記作動流体が流れる流体室が形成され、
機関負荷が低い低負荷域では、この低負荷域よりも機関負荷が高い高負荷域に比して、上記流体室内を流れる作動流体の流通経路が長くなるように、機関負荷に応じて上記作動流体の流通経路を切り換えることを特徴とする排気熱交換装置。
【請求項２】
上記排気マニホールドの排気管部が、上記シリンダヘッドの複数の排気ポートに連通する複数のブランチ管部を有し、
上記流体室は、上記複数のブランチ管部が並設される気筒列方向寸法が、この気筒列方向寸法に直交する機関幅方向寸法もしくは機関上下方向寸法よりも長く設定されており、
上記低負荷域では、上記気筒列方向に沿って作動流体の流れを形成し、
上記高負荷域では、上記機関幅方向もしくは機関上下方向に沿って作動流体の流れを形成することを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換装置。
【請求項３】
上記低負荷域では、高負荷域に比して、上記流体室内を流れる作動流体の流量もしくは流速を小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気熱交換装置。
【請求項４】
上記低負荷域での作動流体の流通方向に平行で、かつ、上記高負荷域での作動流体の流通方向に直交する方向に延在する突条を上記流体室内に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項５】
上記ケーシングにおける天地方向の地側に、上記流体室へ作動流体を導入する流体入口を設けるとともに、天側に、上記流体室から作動流体を排出する流体出口を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項６】
上記流体室内へ作動流体を導入する流体入口として、上記低負荷域で用いられる低負荷用流体入口と、上記高負荷域で用いられる高負荷用流体入口と、を有するともに、
機関負荷に応じて上記低負荷用入口と高負荷用入口とを切り換える切換手段を有し、
上記高負荷用流体入口の上方には、上記ケーシングと排気管部との隙間を塞ぐ隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項７】
上記排気マニホールドに、上記作動流体よりも沸点の低い冷媒が流れる冷媒室が形成され、この冷媒室は、上記冷媒と上記流体室内の作動流体との間で熱交換が行われるように、上記冷媒室に近接して配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項８】
上記低負荷域では、上記高負荷域に比して、上記作動流体から上記冷媒への熱回収量が増大するように、機関負荷に応じて、上記流体室内を流通する作動流体の流通経路及び流量の少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項７に記載の排気熱交換装置。
【請求項９】
上記排気マニホールドの流体室内に熱交換器が設置され、
この熱交換器は、複数の偏平な冷媒管部が所定の間隙を隔てて積層配置され、各冷媒管部内に、上記冷媒が流れる冷媒室が形成されるとともに、隣り合う冷媒管部の隙間を上記作動流体が流れ、
上記低負荷域では、上記冷媒管部の隙間を作動流体が気筒列方向に沿って流れ、
上記高負荷域では、上記冷媒管部の隙間を作動流体が機関幅方向に沿って流れるように構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の排気熱交換装置。
【請求項１０】
上記冷媒管部の外面より上記冷媒管部の隙間側へ張り出して、上記機関幅方向に沿って延びる複数の突条を有することを特徴とする請求項９に記載の排気熱交換装置。
【請求項１１】
上記排気マニホールドが、上記ケーシングの周囲を覆う外側ケーシングを有し、上記ケーシングと外側ケーシングとの間に、上記冷媒が流れる上記冷媒室が形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の排気熱交換装置。
【請求項１２】
上記冷媒室内に、上記冷媒の流れ方向に対して直交する方向に延在する突起部が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の排気熱交換装置。
【請求項１３】
上記作動流体を介して排気ガスの熱エネルギーを回収する排気熱回収装置を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の記載の排気熱交換装置。
【請求項１】
内燃機関の排気ガスと作動流体との間で熱交換を行う排気熱交換装置において、
上記内燃機関のシリンダヘッドに固定される排気マニホールドを有し、
この排気マニホールドは、上記排気ガスが流れる排気管部と、この排気管部の周囲を覆うケーシングと、を有するとともに、このケーシングと排気管部との間に、上記作動流体が流れる流体室が形成され、
機関負荷が低い低負荷域では、この低負荷域よりも機関負荷が高い高負荷域に比して、上記流体室内を流れる作動流体の流通経路が長くなるように、機関負荷に応じて上記作動流体の流通経路を切り換えることを特徴とする排気熱交換装置。
【請求項２】
上記排気マニホールドの排気管部が、上記シリンダヘッドの複数の排気ポートに連通する複数のブランチ管部を有し、
上記流体室は、上記複数のブランチ管部が並設される気筒列方向寸法が、この気筒列方向寸法に直交する機関幅方向寸法もしくは機関上下方向寸法よりも長く設定されており、
上記低負荷域では、上記気筒列方向に沿って作動流体の流れを形成し、
上記高負荷域では、上記機関幅方向もしくは機関上下方向に沿って作動流体の流れを形成することを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換装置。
【請求項３】
上記低負荷域では、高負荷域に比して、上記流体室内を流れる作動流体の流量もしくは流速を小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気熱交換装置。
【請求項４】
上記低負荷域での作動流体の流通方向に平行で、かつ、上記高負荷域での作動流体の流通方向に直交する方向に延在する突条を上記流体室内に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項５】
上記ケーシングにおける天地方向の地側に、上記流体室へ作動流体を導入する流体入口を設けるとともに、天側に、上記流体室から作動流体を排出する流体出口を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項６】
上記流体室内へ作動流体を導入する流体入口として、上記低負荷域で用いられる低負荷用流体入口と、上記高負荷域で用いられる高負荷用流体入口と、を有するともに、
機関負荷に応じて上記低負荷用入口と高負荷用入口とを切り換える切換手段を有し、
上記高負荷用流体入口の上方には、上記ケーシングと排気管部との隙間を塞ぐ隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項７】
上記排気マニホールドに、上記作動流体よりも沸点の低い冷媒が流れる冷媒室が形成され、この冷媒室は、上記冷媒と上記流体室内の作動流体との間で熱交換が行われるように、上記冷媒室に近接して配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項８】
上記低負荷域では、上記高負荷域に比して、上記作動流体から上記冷媒への熱回収量が増大するように、機関負荷に応じて、上記流体室内を流通する作動流体の流通経路及び流量の少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項７に記載の排気熱交換装置。
【請求項９】
上記排気マニホールドの流体室内に熱交換器が設置され、
この熱交換器は、複数の偏平な冷媒管部が所定の間隙を隔てて積層配置され、各冷媒管部内に、上記冷媒が流れる冷媒室が形成されるとともに、隣り合う冷媒管部の隙間を上記作動流体が流れ、
上記低負荷域では、上記冷媒管部の隙間を作動流体が気筒列方向に沿って流れ、
上記高負荷域では、上記冷媒管部の隙間を作動流体が機関幅方向に沿って流れるように構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の排気熱交換装置。
【請求項１０】
上記冷媒管部の外面より上記冷媒管部の隙間側へ張り出して、上記機関幅方向に沿って延びる複数の突条を有することを特徴とする請求項９に記載の排気熱交換装置。
【請求項１１】
上記排気マニホールドが、上記ケーシングの周囲を覆う外側ケーシングを有し、上記ケーシングと外側ケーシングとの間に、上記冷媒が流れる上記冷媒室が形成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の排気熱交換装置。
【請求項１２】
上記冷媒室内に、上記冷媒の流れ方向に対して直交する方向に延在する突起部が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の排気熱交換装置。
【請求項１３】
上記作動流体を介して排気ガスの熱エネルギーを回収する排気熱回収装置を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の記載の排気熱交換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２７２２０（Ｐ２０１２−１２７２２０Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７６５５（Ｐ２０１０−２７７６５５）
【出願日】平成２２年１２月１４日（２０１０．１２．１４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１４日（２０１０．１２．１４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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