(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設置する熱交換器において、酸化機能を有する触媒の周りに筒状の複数の排気ガス通路層と触媒側の排気ガス通路層の外側に排気ガス通路層と交互に配置した複数の冷却水通路層とからなる熱交換器を配置し、
複数の排気ガス通路層を複数の連通部で連通し、円周方向に延びる波型の第２フィンを有する複数の冷却水通路層を前記第２フィンを円周上内外同位置で分断して生ずる複数の分断部で連通し、
排気ガスが前記触媒を通過した後に前記熱交換器の排気ガス通路層に流入するように触媒と熱交換器とを接続し、
前記排気ガス通路層内に排気ガスを軸方向に導く第１フィンを設けると共に円周上複数の分断部を設け、前記冷却水通路層内で冷却水を円周方向に導く第２フィンの分断部を前記排気ガス通路層の分断部と合わせて設け、前記第２フィンは円周上の複数の分断部で前記排気ガス通路層と連通することなく連通していることを特徴とする内燃機関の触媒付き熱交換器。
【請求項２】
前記触媒と熱交換器の間に筒状の断熱材を設け、断熱材の外周壁に第１排気通路層を隣接配置した、請求項１に記載の内燃機関の触媒付き熱交換器。
【請求項３】
前記熱交換器内で生じた凝縮水が前記触媒内に侵入しないように熱交換器内から排出可能な姿勢で前記熱交換器を内燃機関に設置した請求項１に記載の内燃機関の触媒付き熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気通路に設置する排気ガス冷却用の熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、排気通路９０に触媒９１と熱交換器９２とを備えた従来の内燃機関３００の概略系統図である。内燃機関３００では、空気と燃料ガスとが混合した混合気が給気管９６を介して内燃機関本体９５に供給され、混合気は図示しない燃焼室で燃焼し、排気ガスが排気通路９０を介して外部へと排出される。内燃機関本体９５に接続された排気管９４の途中には、上流側から順に触媒９１，熱交換器９２及びサイレンサ９３が設置されている。
【０００３】
触媒９１で行われる排気ガスの酸化反応は、所定の温度以下では行われないので、図７に示すように触媒９１は熱交換器９２よりも上流側に配置するのが一般的である。ところで、この触媒９１と熱交換器９２とを図７に示すように別体として排気通路９０上に配置すると、大きな設置スペースが必要となる。そこで両者を一体にすると、熱交換器９２内に凝縮水が蓄積し易くなり、この凝縮水に不純物が吸収されて熱交換器９２内の排気ガス通路が目詰まりを起こす恐れがあるため、従来は両者を一体に構成して省スペース化を図ることが困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、触媒と熱交換器の一体化による省スペース化と、高い冷却性を備えた内燃機関の触媒付き熱交換器を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１の発明では、内燃機関の排気通路に設置する熱交換器において、酸化機能を有する触媒の周りに筒状の複数の排気ガス通路層と触媒側の排気ガス通路層の外側に排気ガス通路層と交互に配置した複数の冷却水通路層とからなる熱交換器を配置し、
複数の排気ガス通路層を複数の連通部で連通し、円周方向に延びる波型の第２フィンを有する複数の冷却水通路層を前記第２フィンを円周上内外同位置で分断して生ずる複数の分断部で連通し、
排気ガスが前記触媒を通過した後に前記熱交換器の排気ガス通路層に流入するように触媒と熱交換器とを接続し、
前記排気ガス通路層内に排気ガスを軸方向に導く第１フィンを設けると共に円周上複数の分断部を設け、前記冷却水通路層内で冷却水を円周方向に導く第２フィンの分断部を前記排気ガス通路層の分断部と合わせて設け、前記第２フィンは円周上の複数の分断部で前記排気ガス通路層と連通することなく連通している。
請求項２の発明では、内燃機関の排気通路に設置する熱交換器において、前記触媒と熱交換器の間に筒状の断熱材を設け、断熱材の外周壁に第１排気通路層を隣接配置した。
請求項３の発明は請求項１の発明において、前記熱交換器内で生じた凝縮水が前記触媒内に侵入しないように熱交換器内から排出可能な姿勢で前記熱交換器を内燃機関に設置した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図５は、請求項１の発明を実施した内燃機関１００の概略系統図である。内燃機関１００は、空気供給管３０から供給される空気と燃料供給管３１から供給される燃料ガスとがミキサ３２内で混合されて混合気を生成し、スロットル３３の開度を調整することにより内燃機関本体３４への混合気の供給量が調整される。混合気は、内燃機関本体３４に設けられた図示しない燃焼室で燃焼し、排気ガス２０ａが内燃機関本体３４に接続された排気管５から排出される。
【０００７】
排気管５には触媒付き熱交換器１０が設けてある。この触媒付き熱交換器１０には、熱交換器３の排気ガスの流れの上流側に触媒２が設けてあり、触媒２としては、酸化機能を有する酸化触媒、三元触媒、NOＸ吸蔵触媒等を採用することができる。高温でかつ有害成分（ＮＯＸ）を含む排気ガス２０ａが、触媒付き熱交換器１０を通過することにより低温で有害成分を含まない排気ガス２０ｂとなり、サイレンサ４を経て外気へと排出される。
【０００８】
図１は、触媒付き熱交換器１０の一部を縦断した斜視図である。図１に示すように触媒付き熱交換器１０は、酸化機能を有する円柱状の触媒２の周囲を円筒状の断熱材６を介して円筒状の熱交換器３が取り巻いた構造を備えている。
【０００９】
円筒状の熱交換器３は、内周側から順に第１排気通路層１１，第１冷却水通路層１３，第２排気通路層１２，第２冷却水通路層１４を備えている。第１排気通路層１１には排気ガスを円筒の長手方向に導く波形のプレートフィン（フィン１５）が設置されている。
【００１０】
フィン１５は円周上の４箇所で分断されており、４つのフィン１５が環状に第１排気通路層１１内に配置されている。フィン１５は、第１排気通路層１１を形成する内周側壁と外周側壁とで挟持させて第１排気通路層１１内で円周方向に移動しないようにしてもよいが、隣接するフィン１５同士で押圧させ合うようにしてもよい。
【００１１】
いずれにしても、フィン１５を外周側壁に接触させておくことにより、排気ガスと第１冷却水通路層１３内の冷却水の間の熱伝達を円滑に行うことができるようにするのが好ましい。なお、フィン１５は、製造の容易性を考慮してピース数（分断箇所数）を設定すればよく、形状，中心角（４ピースであれば約９０度，３ピースであれば約１２０度）等が均一となるようにすれば製造型が一つで済む。
【００１２】
第２排気通路層１２の内周側壁は、第１冷却水通路層１３（後述）に接しており、外周側壁は第２冷却水通路層１４（後述）と接している。第２排気通路層１２は、４つの領域に分かれている。これを触媒付き熱交換器１０の縦断側面図である図２及び図２のIV−IV断面図である図４を用いて説明する。
【００１３】
図２に示すように第２排気通路層１２は、円周上の４つの分断部１９ａ，１９ｂ，１９ｃ及び１９ｄで分断されている。中心軸３７（図４）と平行に延びる４つの第２排気通路層１２は、両端が図４に示す障壁２２，３６に一体固着されている。また、第１排気通路層１１と第２排気通路層１２は、円周上の複数箇所（例えば４箇所）に設けた連通部３５により連通しており、触媒２によって浄化され熱交換器３により低温化された排気ガス２０ｂが排気管３８から排出されるようになっている。
【００１４】
図２に示すように、第２排気通路層１２内にはフィン１５と同様に中心軸３７と平行に延びるフィン１６（図２）が設置されている。フィン１６は、第２排気通路層１２の内周側壁と外周側壁の両方に接しており、内周側では第１冷却水通路層１３内の冷却水との熱交換の容易化が図られており、外周側では第２冷却水通路層１４内の冷却水との熱交換の容易化が図られている。
【００１５】
第１冷却水通路層１３には、円周方向に延びる波型のプレートフィン（フィン１７）が設けてある。このフィン１７は、図２に示すように第２排気通路層１２に沿って円周上の４箇所で分断されている。
【００１６】
また、第２冷却水通路層１４には、フィン１７と同様に円周方向に延びるフィン１８が設けてある。フィン１８もフィン１７と同様に第２排気通路層１２に沿って円周上の４箇所で分断されている。
【００１７】
図３は、触媒付き熱交換器１０の熱交換器３の最外殻の円筒状側壁の図示を省略した触媒付き熱交換器１０の正面図である。図３では、主に第２冷却水通路層１４内の冷却水の流れが詳細に示されている。
【００１８】
低温の冷却水２１ａが冷却水供給管７から触媒付き熱交換器１０内の第２冷却水通路層１４に供給される。冷却水２１ａは、円周上の４箇所に設けられた分断部１９ａ〜１９ｄを介して第２冷却水通路層１４内から第１冷却水通路層１３内へ侵入可能となっている。
【００１９】
第２冷却水通路層１４内の冷却水は、円周方向に延びる複数のフィン１８に沿って細い矢印（図３）で示すように流れる。途中、冷却水は分断部１９ａ〜１９ｄにおいて中心軸３７の延びる方向に流れ、昇温しながら冷却水排出管８に近付いていく。冷却水は、冷却水排出管８に到達する途中で、第１排気通路層１１内と第２排気通路層１２内の高温の排気ガスから熱伝達されて昇温し、昇温した冷却水２１ｂが冷却水排出管８から排出される。冷却水は、排気ガスと熱交換を行う際には、熱交換効率の観点から排気ガスと対向流となるように触媒付き熱交換器１０に供給するのが好ましい。
【００２０】
排気ガス２０ａを触媒付き熱交換器１０で浄化しかつ低温化する過程で、排気ガス２０ａ中に含まれる水分が凝縮し、第１排気通路層１１及び第２排気通路層１２内において凝縮水が生じる。
【００２１】
図５に示すように触媒付き熱交換器１０は、熱交換器３の内部で排気ガス２０ａが上下方向に流れるように内燃機関１００に設置されているので、生じた凝縮水は、図５に示すドレン管９を介して円滑に排出され、熱交換器３内における蓄積を回避することができる。
【００２２】
このように触媒付き熱交換器１０は、熱交換器３内に凝縮水が蓄積することを回避することができるので、凝縮水により不純物が付着して第１排気通路層１１及び第２排気通路層１２内の排気ガスの通過を妨げるような目詰まりを防ぐことができる。
【００２３】
図１〜図４に示す触媒付き熱交換器１０では、排気ガスと冷却水とを通過させる通路をそれぞれ２層設ける例を示したが、排気ガスの浄化と低温化を十分に図ることができるように構成する。
【００２４】
また、触媒２と熱交換器３の間には筒状の断熱材６を設け、さらに図２に示すように断熱材６の外周壁に第１排気通路層１１を隣接配置すると、第１排気通路層１１内の排気ガスが第１冷却水通路層１３内の低温の冷却水によって低温化が図られるが、第１冷却水通路層１３内の冷却水によって触媒２の温度まで低下させられることを抑制することができ、触媒２の浄化作用の低下を防ぐことができる。
【００２５】
図１〜図４に示す触媒付き熱交換器１０では、排気ガスが中心軸３７と平行に流れるようにフィン１５，１６を設け、冷却水が円周方向に流れるようにフィン１７，１８を設けたが、排気ガスと冷却水が平行に流れるように各フィンを設けてもよい。
【００２６】
触媒付き熱交換器１０の大きさは、例えば長さを２０ｃｍ程度、直径を１５ｃｍ程度に設定し、フィン１５〜１８は、５mm程度のピッチでそれぞれ第１，第２排気通路層１１，１２内と第１，第２冷却水通路層１３，１４内を仕切る。これらの寸法は、排出される全ての排気ガスの浄化処理と低温化処理が可能な範囲で任意に設定する。
【００２７】
図６は、本発明を実施した別の内燃機関２００の概略系統図である。内燃機関２００の排気管５より上流側の構成は、図５の内燃機関１００の構成と全く同じであり、排気通路４０に設けた触媒付き熱交換器４１の構成のみが相違している。
【００２８】
図６に示すように触媒付き熱交換器４１は、触媒２５が熱交換器２６の排気ガスの流れの上流側に直列に一体固着されている。排気管５内を流れる高温でＮＯＸ等の有害成分を含む排気ガス２４ａは、触媒２５で浄化され、熱交換器２６で低温化されて、熱交換器２６の下流側で障壁４２に当って反転し、触媒２５と熱交換器２６の側壁に一体固着されたサイレンサ２７を介して排気ガス２４ｂとして大気へ排出される。
【００２９】
熱交換器２６には冷却水供給管４３を介して低温の冷却水２９ａが供給される。冷却水２９ａは、熱交換器２６内で排気ガスから熱伝達されて昇温し、高温の冷却水２９ｂが冷却水排出管４４を介して排出される。
【００３０】
障壁４２にはドレン管２８が設けてある。熱交換器２６で生じた凝縮水は、重力によりドレン管２８から外部へ排出され、熱交換器２６内に蓄積しないようになっている。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明によると、伝熱面積を多くとることができるので、触媒２により浄化された排気ガスは熱交換器３において冷却水と効率よく熱交換を行うことができ、分断部１９ａ〜１９ｄを介して連通しているため、冷却水を略均一に分配することができ、さらに効率よく熱交換を行うことができるようになる。
【００３２】
また、触媒付き熱交換器１０は、触媒２と熱交換器３とを同芯状に形成すると小型化を図ることができ、内燃機関１００の設置空間を小さくすることができる。
【００３３】
請求項２の発明によると、第１排気通路層１内の低温の冷却水によって低温化が図られるが、排気ガスが第１冷却水通路層１３内の冷却水によって触媒２の温度まで低下させられることを抑制することができる。
【００３４】
請求項３の発明では、請求項１の発明による触媒付き熱交換器１０を、熱交換器３内で生じる凝縮水が触媒２内へ侵入しないように熱交換器３内から排出可能な姿勢にする（図５において熱交換器３内の排気通路の上流側から重力により凝縮水のみがドレン管９から排出されるように触媒付き熱交換器１０を傾斜させる、又は鉛直にする）ので、熱交換器３内に不純物が蓄積しにくくなり、目詰まりを防止することができるので、熱交換器３の機能低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  請求項１の発明による触媒付き熱交換器の一部を縦断した斜視図である。
【図２】  請求項１の発明による触媒付き熱交換器の縦断側面図である
【図３】  熱交換器の最外殻の円筒状側壁の図示を省略した触媒付き熱交換器の正面図である。
【図４】  図２のIV−IV断面図である。
【図５】  請求項１の発明を実施した内燃機関の概略系統図である。
【図６】  本発明を実施した別の内燃機関の概略系統図である。
【図７】  排気通路に触媒と熱交換器とを備えた従来の内燃機関の概略系統図である。
【符号の説明】
１    排気通路
２    触媒
３    熱交換器
４    サイレンサ
５    排気管
６    断熱材
７    冷却水供給管
８    冷却水排出管
９    ドレン管
１０  触媒付き熱交換器
１１，１２  第１，第２排気通路層（排気ガス通路層）
１３，１４  第１，第２冷却水通路層（冷却流体通路層）
１５，１６  フィン（第１フィン）
１７，１８  フィン（第２フィン）
１９ａ〜１９ｄ  分断部
２０ａ，２０ｂ  排気ガス
２１ａ，２１ｂ  冷却水
２５  触媒
２６  熱交換器
２７  サイレンサ
２８  ドレン管
２９ａ，２９ｂ  冷却水
３０  空気供給管
３１  燃料供給管
３２  ミキサ
３３  スロットル
３４  内燃機関本体
３７  中心軸
３８  排気管
４０  排気通路
４１  触媒付き熱交換器
４３  冷却水供給管
４４  冷却水排出管
１００，２００  内燃機関
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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