(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水冷式エンジン（Ｅ）の排気ポート（５）から排出される排ガスが直接導入される触媒（ＣＡ）と、この触媒（ＣＡ）の外側にこれを囲繞して同心円状に配設される熱交換器（Ｈ）とよりなり、前記触媒（ＣＡ）は一端に排ガスの導入パイプ（１４）と、その他端に排ガス出口とを有してその軸線方向に排気ガスが導入されるように円筒状に形成され、前記熱交換器（Ｈ）は、前記触媒（ＣＡ）の排ガス出口に対面する底面を有すると共に前記触媒（ＣＡ）の外側に空隙を存して同心円状に配置される有底円筒状の内筒（２９）と、前記内筒（２９）に連結されると共に前記内筒（２９）の外側に空隙を存して同心円状に配置される円筒状の外筒（３０）と、前記内筒（２９）の底面との間に二次排ガス室（３９）を形成するハウジング（２２）と、前記触媒（ＣＡ）の外側と内筒（２９）との間の空隙及び前記二次排ガス室（３９）にそれぞれ連通し、前記内筒（２９）と前記外筒（３０）との間に迷路を形成する熱交換室（３１）と、前記ハウジング（２２）に前記触媒（ＣＡ）と同心状に設けられ、前記触媒（ＣＡ）の排ガス出口から前記熱交換室（３１）に導かれた浄化後の排ガスを、前記二次排ガス室（３９）の中央部から大気に放出するテールパイプ（４０）と、前記熱交換室（３１）内に間隙を存して前記迷路を貫通するようにして配設され、エンジン（Ｅ）の水ジャケットから導かれた冷却水を流通させる複数の熱交換パイプ（３２）とを備え、前記熱交換室（３１）を流れる排ガスと、前記熱交換パイプ（３２）を流れる冷却水との間で熱の授受が行われ、排ガス熱を冷却水を介して回収できるようにしたことを特徴とする、エンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排ガスを浄化すると共にその排ガス熱を回収するようにした、新規なエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に空調システムの空調機器の駆動用の駆動源として電動モータに代えて内燃エンジンを使用したものが知られている。ところでかかるエンジンには、エミッション対策や臭気対策のため、触媒が付設され、さらに排ガス熱を回収してその排熱を再利用するための熱交換器が付設されるのが通常であるが、従来の空調システムでは、前記触媒および熱交換器は、それぞれエンジンとは別の場所に据付けられているのが一般的である。このため空調システム全体が大型化してしまい、広い据付けスペースが必要になるばかりでなく、触媒および熱交換器がエンジンから離れるため、排ガス浄化および熱交換効率が悪くなるという不都合がある。
【０００３】
そこでかかる不都合を解消すべく、一つのケース内に触媒および熱交換器を纏めて設けた触媒一体型排ガス熱交換器（特開昭５８−１４４６２０号公報参照）も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのものでは触媒および熱交換器がいずれもエンジンの排気管から偏った位置に設けられるので、これも空調システム全体が大型化し、しかも触媒は排気管から離れた位置にあり、触媒性能および熱交換性能を十分に発揮することができないという問題がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、エンジンのシリンダヘッドに触媒および熱交換器を同心円状に配置できるようにして全体をコンパクトに構成できると共に触媒を早期に十分活性化することができ、さらに熱交換器の熱効率を大幅に高めることができるようにした、新規なエンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的達成のため、本請求項１記載の発明によれば、水冷式エンジンの排気ポートから排出される排ガスが直接導入される触媒と、この触媒の外側にこれを囲繞して同心円状に配設される熱交換器とよりなり、前記触媒は一端に排ガスの導入パイプと、その他端に排ガス出口とを有してその軸線方向に排気ガスが導入されるように円筒状に形成され、前記熱交換器は、前記触媒の排ガス出口に対面する底面を有すると共に前記触媒の外側に空隙を存して同心円状に配置される有底円筒状の内筒と、前記内筒に連結されると共に前記内筒の外側に空隙を存して同心円状に配置される円筒状の外筒と、前記内筒の底面との間に二次排ガス室を形成するハウジングと、前記触媒の外側と内筒との間の空隙及び前記二次排ガス室にそれぞれ連通し、前記内筒と前記外筒との間に迷路を形成する熱交換室と、前記ハウジングに前記触媒と同心状に設けられ、前記触媒の排ガス出口から前記熱交換室に導かれた浄化後の排ガスを、前記二次排ガス室の中央部から大気に放出するテールパイプと、前記熱交換室内に間隙を存して前記迷路を貫通するようにして配設され、エンジンの水ジャケットから導かれた冷却水を流通させる複数の熱交換パイプとを備え、前記熱交換室を流れる排ガスと、前記熱交換パイプを流れる冷却水との間で熱の授受が行われ、排ガス熱を冷却水を介して回収できるようにしたことを特徴としており、かかる特徴によれば、エンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置全体を可及的にコンパクトに構成することができ、また触媒を通過する排ガスは、触媒の外側と内筒との間の空隙を流れる高温の排ガスで保温されて高温度に維持されたままになり、触媒を早期に活性化すると共に該触媒の保温性を高めて排ガスの浄化効率を大幅に高めることができる。さらに、前記エンジンは水冷式であって、前記熱交換パイプ内を流れる流体は前記エンジンの水ジャケットを流れる冷却水であるので、エンジンの冷却水の温度を排ガス熱により高めて、略一定に保つことができ、エンジン性能の向上に寄与することができる。さらにまた、前記熱交換室は迷路に形成されており、前記熱交換パイプはその迷路を貫通しているので、熱交換器の熱交換効率を高めることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、空調機全体の概略正面図、図２は、エンジンの頭部と、触媒および熱交換器の一部破断拡大図、図３は、触媒および熱交換器の図４の３−３線に沿う縦断面図、図４は、図３の４−４線に沿う横断面図、図５は、図３の５−５線に沿う横断面図、図６は、図３の６−６線に沿う横断面図、図７は、触媒および熱交換器の分解縦断面図である。
【０００９】
図１において、室外用空調機の密閉状ケーシングＣ内には、空調機本体Ａと、該空調機本体Ａを駆動する、後述の触媒ＣＡおよび熱交換器Ｈ付きの内燃エンジンＥと、該エンジンＥから排出される排ガスを消音するためにその排気系に接続される第１および第２消音器Ｍ1 ，Ｍ2 が設けられ、排気系の出口はケーシングＣの外に開口される。
【００１０】
前記内燃エンジンは、水冷式、バーチカル（クランク軸が鉛直方向に配置）型の単気筒四サイクルエンジンであり、その内燃エンジンのシリンダ中心線は略水平に延びており、そのシリンダヘッド１は片持状に略水平に延長されており、このシリンダヘッド１内には、通常のようにシリンダボア２に連通する燃焼室３と、この燃焼室３に連通する吸、排気ポート４，５がユニフロー式に形成されており、吸気ポート４はシリンダヘッド１の上面に開口されて吸気系７に接続され、また排気ポート５はシリンダヘッド１の下面に開口して後述する排気系の触媒ＣＡに接続される。またシリンダヘッド１には前記吸、排気ポート４，５を開閉する吸、排気弁８，９およびそれらを開閉駆動する動弁機構１０が設けられる。
【００１１】
シリンダヘッド１の下面には、エキゾーストパイプ１１がガスケットＧを介して一体に接続されており、このエキゾーストパイプ１１にエンジンＥの排ガス浄化装置としての二元触媒ＣＡおよび熱交換器Ｈが一体に懸吊支持される。
【００１２】
二元触媒ＣＡは、円筒状のケーシング１３内に触媒エレメント１２を担持させて構成されており、その導入パイプ１４には、第１の連結フランジ１５および第２の連結フランジ１６の、中央部が軸方向に間隔をあけて貫通固着されている。第１の連結フランジ１５には、周方向に間隔をあけて複数本のスタッドボルト１７が立設されており、これらのスタッドボルト１７は、前記エキゾーストパイプ１１のフランジ部に穿設したボルト孔１８を貫通し、それらの上端にナット１９が螺着されてエキゾーストパイプ１１のフランジ部には、第１の連結フランジ１５を介して前記二元触媒ＣＡが着脱自在に一体に懸吊支持される。そして二元触媒ＣＡの導入パイプ１４は、エキゾーストパイプ１１の通孔２０を介してシリンダヘッド１の排気ポート５に連通され、この排気ポート５の中心軸線は、二元触媒ＣＡの中心軸線と略一致しており、排気ポート５から排出される排ガスは直接二元触媒ＣＡの中央部に直接導入される。
【００１３】
また前記熱交換器Ｈは、円筒状の二元触媒ＣＡを囲繞するように、同じく円筒状に形成されてその二元触媒ＣＡの外側に配設される。
【００１４】
次にこの熱交換器Ｈの構造について説明するに、この熱交換器Ｈのハウジング２２は有底の中空円筒状に形成されていて、その上面に盤状の接続プレート２３が一体に設けられ、この接続プレート２３には、その周方向に間隔をあけて複数のスタッドボルト２４が立設され、これらのスタッドボルト２４は、前記第２の連結フランジ１６に穿設した複数のボルト孔２５を貫通してその上端にナット２６が螺着され、これによりこの熱交換器Ｈは、シリンダヘッド１に着脱自在に懸吊支持され、さらにその一側がブラケットＢを介してエンジンＥの下部に着脱可能に支持される。
【００１５】
前記熱交換器Ｈのハウジング２２内には、前記二元触媒ＣＡを同心円状に囲繞する円筒状の熱交換器本体２８が収容されている。この熱交換器本体２８は、二元触媒ＣＡの外側に空隙を存してこれと同心円状に配置される有底円筒状の内筒２９と、その外側に同じく同心円状に配置される円筒状の外筒３０とを有して、それらの間には環状の熱交換室３１が形成され、この熱交換室３１には、周方向に等間隔を存して複数本（２４本）の熱交換パイプ３２が縦方向に配設されており、これらの熱交換パイプ３２の上端および下端は、熱交換器本体２８の上端壁３３および下端壁３４により支持されている。前記熱交換室３１内は、複数枚（３枚）の環状仕切板３５により複数の室Ｃ1 〜Ｃ4 に区画されており、前記熱交換パイプ３２の中間部は、それらの環状の仕切板３５により支持されている。図４，５に示すように各仕切板３５には、中心角が約４５°の三角状の切欠孔３６がそれぞれ開口されており、互いに隣り合う上下の仕切板３５の、前記三角状切欠孔３６は相互に略１８０°位相がずらされており、したがって複数枚の仕切板３５は熱交換室３１内に迷路を形成して、後に述べるように、熱交換室３１を流れる排ガスは、熱交換パイプ３２の回りを迂回して流れるようになっている。
【００１６】
前記二元触媒ＣＡと内筒２９との間には一次排ガス室３７が形成されており、二元触媒ＣＡの出口は、この一次排ガス室３７の下部に連通されている。内筒２９の上部には、周方向に間隔を存して複数の連通孔３８が穿設されており、前記一次排ガス室３７は、これらの連通孔３８を通して排ガス流通路を形成する前記熱交換室３１の上部に連通されており、さらにこの熱交換室３１（排ガス流通路）は、ハウジング２２の底壁２２1 と内筒２９の底部間に形成される二次排ガス室３９に連通されている。ハウジング２２の底壁２２1 の中央部には、この二次排ガス室３９を大気に開口するテールパイプ４０が接続されている。したがって二次触媒ＣＡにより浄化された排ガスは、一次排ガス室３７から連通孔３８を通って熱交換室３１へと流れ、ここで熱交換が行なわれた後、二次排ガス室３９へと流れ、そこからテールパイプ４０を通り、前記第１、第２消音器Ｍ1 、Ｍ2 （図１参照）を通って大気に放出される。
【００１７】
ハウジング２２の外周壁と、外筒３０との間には、環状の流体通路すなわち冷却水通路４１が画成されており、この冷却水通路４１の上部の入口には、エルボ状に湾曲される冷却水導入パイプ４２が接続されている。この冷却水導入パイプはエンジンＥのシリンダヘッド１の水ジャケットの出口に連通される。また冷却水通路４１の下部の出口は、ハウジング２２の下部に形成される下部貯留室４４を介して前記複数本の熱交換パイプ３２下端の入口に連通され、さらにこれらの熱交換パイプ３２の上端の出口は、ハウジング２２の上部に形成される上部貯留室４３に連通されている。この上部貯留室４３は、前記第１および第２の連結フランジ１５，１６に設けられる連絡パイプ４５およびエキゾーストパイプ１１に形成した連通路４６を介して前記エンジンＥのシリンダヘッド１に形成される水ジャケットの入口に連通される。したがってエンジンＥの水ジャケット内を流れる冷却水の一部は、冷却水導入パイプ４２よりハウジング２２内の冷却水通路４１に入り、下部貯留室４４より複数の熱交換パイプ３２に分流して流れ、ここで排ガスとの間に熱交換を行なった後、上部貯留室４３よりエンジンＥの水ジャケット内に還流される。
【００１８】
次にこの実施例の作用について説明するに、いま空調機を運転すべく、エンジンを始動すると、その排気ポート５より排出される排ガスは、その排気ポート５直下の二元触媒ＣＡに入り、ここでＨＣ、ＣＯ等の有害成分を酸化除去するとともに臭気を消去して浄化する。図３実線矢印に示すように、二元触媒ＣＡにより排出された浄化後の排ガスは、一次排ガス室３７に入り、二元触媒ＣＡ直下の、内筒２９の底壁に当たった後、上向きに流れて一次排ガス室３７内を上昇して連通孔３８より熱交換室３１内に流入する。熱交換室３１に入った排ガスは複数の環状の仕切板３５に開口した切欠孔３６を通って複数の室Ｃ1 〜Ｃ4 を上から下へと複数の熱交換パイプ３２の外周を迂回して流れ、その下部の出口より二次排ガス室３９を通ってテールパイプ４０より、第１、第２消音器Ｍ1 ，Ｍ2 を通って大気に放出される。
【００１９】
ところで二元触媒ＣＡは、一次排ガス室３７により囲繞されているため、該二元触媒ＣＡを通過する排ガスは、その一次排ガス室３７内を流れる高温の排ガスで保温されて高温度に維持されたままになり、二元触媒ＣＡの浄化効率を高めることができる。
【００２０】
一方、図３二点鎖線で示すように、エンジンＥのシリンダヘッド１の水ジャケット内の冷却水の一部は、冷却水導入パイプ４３を通ってハウジング２２内の環状の冷却水通路４１内を下向きに流れて下部貯留室４４に達し、そこから複数の熱交換パイプ３２内に分流され、それらの熱交換パイプ３２内を上昇して上部貯留室４３に至り、そこから連絡パイプ４５、連通路４６を通り、エンジンＥのシリンダヘッド１の水ジャケットに還流される。
【００２１】
ところで前記熱交換器Ｈ内では、熱交換室３１内を流れる高温の排ガスと、複数本の熱交換パイプ３２内を流れる、エンジンＥからの冷却水との間で熱交換が行なわれ、すなわち高温の排ガス熱は、それよりも低温の冷却水へと伝導されて、その冷却水を適温に加熱することができる。
【００２２】
而して前述のように排ガスと冷却水との間で熱の授受が行なわれるとき、
(1)．高温の排ガスは、冷却水の流れる複数本の熱交換パイプ３２の回りを上下方向に迂回して、すなわち、複数の環状仕切板３５に順次略１８０°の位相差を存して開口した三角状切欠孔３６を通って流れるので、排ガスは熱交換パイプ３２の外周面に万遍なく接触させることができ、しかもその接触時間を長くとることができる。
【００２３】
(2)．熱交換室３１の外周は、外気よりも高温の冷却水が流れる冷却水通路４１により囲繞されており、高温の排ガスにさらされる熱交換器Ｈの壁面が、外気との境界壁であるハウジング２２の外壁と直接対面する面積を可及的に低減することができるので、熱交換器Ｈの熱損失を低減することができる。
【００２４】
したがって排ガスと冷却水との間できわめて効率のよい熱交換が行なわれる。
【００２５】
なお、前記空調機の駆動用として内燃エンジンが使用される場合、図１に示すように限られたスペース内に第１、第２消音器Ｍ1 ，Ｍ2 が配設されるが、これらは軽量化のため樹脂製であったり、レイアウトの自由度を高めるため、ゴム製のパイピングを使用したりすることがあり、できるだけエンジンの排ガス温度を下げたい要望があり、それ故排ガス温度を熱交換器により一気に低下させたい狙いがある。
【００２６】
また、エンジンの冷却水を排ガス熱により加熱する理由は、エンジンの冷却水の温度を予め一定の高温に保持しておくためであり、エンジン内の冷却水と排ガスとの温度差およびエンジン始動直後から暖機に至るまでの冷却水の温度変化を考慮するとき、排ガス熱で冷却水の水温を上昇させることが望ましい。
【００２７】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明はその実施例に限定されることなく、本発明の範囲内で種々の実施例が可能である。たとえば前記実施例の二元触媒ＣＡに代えて三元触媒を使用してもよい。また前記実施例の熱交換器の外筒を、そのハウジングに兼用してもよく、さらに排ガス熱により加熱される冷却水は、他の用途に使用してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本請求項１記載の発明によれば、エンジンの排ガス浄化およびその排ガス熱回収装置全体を可及的にコンパクトに構成することができ、また触媒を通過する排ガスは、触媒の外側と内筒との間の空隙を流れる高温の排ガスで保温されて高温度に維持されたままになり、触媒を早期に活性化すると共に該触媒の保温性を高めて排ガスの浄化効率を大幅に高めることができる。また、前記記エンジンは水冷式であって、前記熱交換パイプ内を流れる流体は前記エンジンの水ジャケットを流れる冷却水であるので、エンジンの冷却水の温度を排ガス熱により高めて、略一定に保つことができ、エンジン性能の向上に寄与することができる。さらにまた、前記熱交換室は迷路に形成されており、前記熱交換パイプはその迷路を貫通しているので、熱交換器の熱交換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  空調機全体の概略正面図
【図２】  エンジンの頭部と、触媒および熱交換器の一部破断拡大図
【図３】  触媒および熱交換器の図４の３−３線に沿う縦断面図
【図４】  図３の４−４線に沿う横断面図
【図５】  図３の５−５線に沿う横断面図
【図６】  図３の６−６線に沿う横断面図
【図７】  触媒および熱交換器の分解縦断面図
【符号の説明】
１・・・・・・・・シリンダヘッド
３１・・・・・・・熱交換室
３２・・・・・・・熱交換パイプ
ＣＡ・・・・・・・触媒
Ｅ・・・・・・・・エンジン
Ｈ・・・・・・・・熱交換器
【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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