专利名称：发动机排气气体热回收器以及使用它的能量供给装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在发动机驱动式空调机、热电联供系统等使用的发动机的排气气体热回收器。
背景技术：
以往，作为发动机的排气气体热回收器，在排气气体通路设置挡板，限制排气气体 流，从发动机排气气体进行热回收的结构已被公知(参照专利文献1)。但是，上述以往的发动机排气气体热回收器是通过挡板限制排气气体的结构，热 传递路径为排气气体一挡板一传热管或内筒部(均为发动机冷却水通路的隔壁)一发动机 冷却水。即，仅挡板处于排气气体和发动机冷却水通路的隔壁之间这部分，就使得排气气体 流量的运动能量损失，排热回收率降低。另外，由于挡板使得排气气体的通过路径复杂化，因此，排气气体的通过路径容易 压力损失增大或结露水滞留。特别是，根据发动机的不同，在排气气体中的氮氧化物滞留的 情况下，存在氮氧化物凝集，成为硝酸，使排气气体的通过路径腐蚀的可能性。另外，在这样的发动机的排气气体热回收器中内置催化剂的结构也被公知(参照 专利文献2)。但是，因为上述以往的发动机排气气体热回收器仅仅单用冷却水套覆盖排气气体 通路进行热回收，所以，为了有效地进行排气气体和冷却水的热交换，必须使排气气体路径 复杂地弯曲。因此，排气压力损失大，制造成本也高。另外，由于在这样的弯曲部的途中内置催 化剂，所以，产生了构造复杂这样的问题。专利文献1 日本特开2002-372394号公报专利文献2 日本特开平10-299464号公报
发明内容
本发明是借鉴相关实际情况而做出的发明，提供一种不使部件处于排气气体和发 动机冷却水通路的隔壁之间，能够通过使排气气体直接碰撞发动机冷却水通路的隔壁，来 提高热交换部的气体流速，进一步提高排热回收率的结构。另外，提供一种能够在这样的结构中，不使排气气体路径复杂化并内置催化剂，使 排气压力损失以及制造成本降低的结构。S卩，本发明的发动机排气气体热回收器是通过在发动机排气气体和发动机冷却水 之间进行热交换，来进行来自发动机排气气体的热回收的发动机排气气体热回收器，在排 气气体流入管周壁设置朝向冷却水通路的隔壁的多个喷孔，使排气气体直接与冷却水通路 的隔壁碰撞。在上述发动机排气气体热回收器中，从各喷孔到冷却水通路的隔壁的最短距离在 喷孔直径的1.5 7倍的范围。
在上述发动机排气气体热回收器中，各喷孔的开口面积的总和和排气气体流量的 关系为(总喷孔面积/排气气体质量流量)=2. 0 4. 5 (cm2/ (kg/min))。另外，本发明的发动机排气气体热回收器是在上述发动机排气气体热回收器中， 在排气气体流入部的排气气体流动路径上配置发动机排气气体净化用催化剂，将上述催化 剂的一部分或全部装入排气气体流入管内。另外，在与催化剂外周接合的催化剂支撑件的 一个部位或多个部位设置气体能够流通的切口部。再有，本发明的能量供给装置是发动机驱动式热泵以及热电联供等的能量供给装 置，在发动机的排气气体路径上使用上述任一项所述的发动机排气气体热交换器。发明效果根据本发明，能够谋求排热回收效率的提高。另外，根据本发明，通过将发动机排气气体净化用催化剂装在排气气体流入管，将 热回收器的内壁和热回收器的外壁之间作为发动机冷却水通路，能够从排气气体路径去除 弯曲部，能够降低排气压力损失，同时，能够谋求制造成本的降低。另外，因为将发动机排气气体净化用催化剂装在排气气体流入管，所以，能够使排 气气体路径整体紧凑化，与另行设置催化剂收纳用部件的结构相比，能够降低排气气体路 径整体的成本。
图1中，(a)是有关本发明的发动机排气气体热回收器的剖视图，(b)是该图(a) 的I-I线剖视图。图2是设置了图1所示的发动机排气气体热回收器的发动机的冷却水回路图。图3是表示平均热通过率相对于有关本发明的发动机排气气体热回收器的排气 气体压力损失的关系的图表。图4是表示平均热通过率相对于截止到喷射有来自有关本发明的发动机排气气 体热回收器的喷孔的排气气体的内筒管的距离和喷孔的直径的比的关系的图表。图5是表示平均热通过率以及排气气体压力损失相对于有关本发明的发动机排 气气体热回收器的总喷孔面积和排气气体质量流量的比的关系的图表。图6中，(a)是有关本发明的发动机排气气体热回收器的其它的实施方式的剖视 图，(b)是该图(a)的II-II线剖视图。图7中，(a)是有关本发明的催化剂内置型的发动机排气气体热回收器的剖视图， (b)是该图(a)的III-III线剖视图。图8中，(a)是有关本发明的催化剂内置型的发动机排气气体热回收器的其它的 实施方式的剖视图，(b)是该图(a)的IV-IV线剖视图。图9中，(a)是有关本发明的催化剂内置型的发动机排气气体热回收器的又一其 它的实施方式的剖视图，(b)是该图(a)的V-V线剖视图。图10中，(a)是有关本发明的催化剂内置型的发动机排气气体热回收器的又一其 它的实施方式的剖视图，(b)是该图(a)的VI-VI线剖视图。符号说明1 发动机排气气体热回收器；11 发动机；2 排气气体流入管；20 喷孔；22 夕卜管；3 冷却水通路；31 内筒管(隔壁)；32 外筒管；4 发动机排气气体净化用催化剂；41 支撑部件(支撑件)；41b:切口部。
具体实施例方式根据附图，说明本发明的实施方式。
[无催化剂型的发动机排气气体热回收器]图1是表示有关本发明的发动机排气气体热回收器1，图2是表示设置了该发动机 排气气体热回收器1的气体发动机10的冷却水回路图的一个例子。S卩，该发动机排气气体热回收器1中，在排气气体流入管2的外管22设置朝向冷 却水通路3的内筒管31的多个喷孔20，使排气气体直接碰撞冷却水通路3的内筒管31。发动机排气气体热回收器1如图2所示，以从发动机11向消音器12的排气通过 排气气体流入管2的方式设置，并且，以发动机11的冷却水通过冷却水通路3，然后导入发 动机11的方式设置。以通过了发动机11后的冷却水通过泵13循环的方式构成。另外，冷 却水能够由节温器14进行温度管理，能够通过三通阀15，切换向水箱16或热交换器17的 流动。排气气体流入管2为内管21和外管22的双重管构造，内管21的一端侧为排气气 体流入的入口 21a。内管21在从其一端的排气气体的入口 21a流入的很近的位置被阻塞，在截止到该 被阻塞的位置的流入基端侧的外周面设置开口部21b。因此，排气气体从内管21的一端的 入口 21a流入，经开口部21b向外管22通过。外管22沿长度方向以及圆周方向等间隔设置多个喷孔20。因此，从内管21的开 口部21b向外管22通过的排气气体从这些喷孔20喷出。 冷却水通路3以在与上述排气气体流入管2之间存在空间S，覆盖该排气气体流入 管2的整体的方式构成。该冷却水通路3由内筒管31和外筒管32构成，是冷却水在其间隙通过的双重管 构造，在与上述排气气体流入管2的排气气体的入口 21a相对的外筒管32的另一端侧的端 面连接着冷却水的流入管33。另外，在外筒管32的一端侧的外周面连接排水管34，从该流 入管33流入并通过了冷却水通路3的冷却水能够从该排水管34排水。再有，在冷却水通 路3的另一端侧的外周面连接贯通内筒管31以及外筒管32的排气管35，能够从该排气管 35对从排气气体流入管2的喷孔20喷出到空间S的排气气体进行排气。根据这样地构成的发动机排气气体热回收器1，虽然来自发动机的排气气体从内 管21的开口部21b经外管22从喷孔20喷射，但是，从该喷孔20喷射的排气气体能够以高 速的喷出速度直接向在与冷却水之间成为唯一隔壁的内筒管31喷射，而不会有在到冷却 水通路3为止之间，其它的部件造成妨碍，有损气体流量的运动能量的情况。因此，通过冷 却水通路3的冷却水能够热效率良好地进行来自排气气体的排热回收。另外，因为该排气气体热回收器1不存在像以往那样通过挡板等部件使排气气体 的通过路径复杂化的情况，而是做成极其简单的气体通过路径，所以，能够防止排气气体的 滞留、压力损失的增大等。因此，能够防止因结露水的产生、氮氧化物的凝集造成的硝酸的 产生等所带来的腐蚀，能够得到优异的耐久性。
另外，虽然在本实施方式中，将发动机排气气体热回收器1的排气气体流入管2做 成内管21和外管22的双重管构造，但是，并不特别限定于这样的双重管构造，也可以是在 一根排气气体流入管2上直接设置喷孔20，进一步谋求了结构的简单化的构造。另外，在本实施方式中，排气气体的入口 21a和冷却水的流入管33以与发动机排 气气体热回收器1的端面相对的方式设置，冷却水的排水管34和排气气体的排气管35被 设置在发动机排气气体热回收器1的外周面的相对的位置，但是，本发明中最重要的是来 自喷孔20的排气气体直接喷射在成为与冷却水的隔壁的内筒管31这点，对设置除此之外 的上述排气气体的入口 21a、冷却水的流入管33、冷却水的排水管34、排气气体的排气管35 等的位置没有特别限定，也可以恰当地变更。再有，虽然在本实施方式中，从喷孔20喷出的排气气体的喷出方向相对于成为隔 壁的内筒管31呈直角，但是并非被特别限定于在直角方向喷出，也可以从斜方向喷出。图3是表示设将以往的技术所示的基于挡板的排气气体热回收器(洋马公司制， 零件号码124593-13370)用于气体发动机(洋马公司制，3GPG88)时的压力损失为100%， 设此时的平均热通过率(K值)为100%时的、有关本申请发明的排气气体热回收器1的压 力损失和平均热通过率(K值)的关系。就有关本申请发明的排气气体热回收器1的压力 损失而言，通过增减喷孔20的数量，进行调整。其结果可以确认，有关本申请发明的排气气 体热回收器1即使是基于以往的排气气体热回收器的压力损失的40 80%程度的压力损 失，也能够得到以往的两倍以上的平均热通过率(K值)，能够谋求排热回收率的提高。图4是表示恰当地变更了截止到喷射有来自有关本发明的排气气体热回收器1的 喷孔20的排气气体的内筒管31的距离h和喷孔20的直径D的比(h/D)时的、该比(h/D) 和平均热通过率(K值)的关系。关于平均热通过率(K值)与上述图3的情况同样，将以 往的技术所示的基于挡板的排气气体热回收器(洋马公司制，零件号码124593-13370)用 于气体发动机(洋马公司制，3GPG88)时的平均热通过率(K值)为100%。其结果可以确认，通过将该比(h/D)保持在1.7 7的范围，能够维持向排气气体 的内筒管31的碰撞速度，在谋求排热回收率的提高的同时，能够防止排气气体压力损失的 增大的情况。在该比(h/D)不到1.7的情况下，排气气体压力损失增大。另外，在该比(h/ D)超过7的情况下，虽然能够获得效果，但是，不能得到作为目标的与以往相比两倍以上的 平均热通过率(K值)。图5是表示恰当地变更了有关本发明的排气气体热回收器1的各喷孔20的面积 的总合计与排气气体质量流量的比时的、该比与平均热通过率(K值)以及排气气体压力损 失的关系。与上述图3的情况同样，将以往的技术所示的基于挡板的排气气体热回收器(洋 马公司制，零件号码124593-13370)用于气体发动机(洋马公司制，3GPG88)时的平均热通 过率(K值)以及压力损失为100%。其结果可以确认，通过将该比保持在2. 0 4. 5的范围，能够恰当地保持排气气体向内筒管31的碰撞速度，在谋求排热回收率(K值)的提高的同时，能够防止排气气体压力 损失的增大的情况。在该比不到2.0的情况下，排气气体压力损失增大。另外，在该比超过 4.5的情况下，虽然能够获得效果，但是，不能得到作为目标的与以往相比两倍以上的平均 热通过率(K值)。另外，虽然在本实施方式中，来自喷孔20的排气气体向冷却水通路3的内筒管31喷射，但是，只要能够将来自喷孔20的排气气体直接向冷却水流动的通路的隔壁喷射，则 并不特别限定于这样的排气气体热回收器1，例如，也可以是图6所示那样的排气气体热回 收器1。即，该排气气体热回收器1去除了排气气体流入管2的外管22，做成仅有内管21的 结构，获取大的空间S，在该空间S设置多根与在冷却水通路3流动的冷却水同样的冷却水 流动的冷却水管30，向该各冷却水管30喷射来自设置在内管21上的喷孔20的排气气体。 图6中，对与图1所示的排气气体热回收器1相同的部件标注相同的符号，省略说明。[内置催化剂型的发动机排气气体热回收器]根据附图，说明本发明的实施方式。图7是表示有关本发明的发动机排气气体热回收器1。S卩，该发动机排气气体热回收器1以将发动机排气气体净化用催化剂(下面单称 催化剂。)4装在排气气体流入管2的外管22，使设在该外管22上的多个喷孔20与冷却水 通路3的内筒管31相对的方式构成。另外，对与上述图1所示的发动机排气气体热回收器 1相同的部件标注相同的符号，省略说明。催化剂4可以是三元催化剂、氧化催化剂或还原催化剂中的至少一种，或混合或 串联配置多个催化剂的催化剂。作为该催化剂4的形状，可以是形成为能够从一端向另一 端通气的筒状。内部可以是能够通气的蜂巢构造，也可以是将加工成颗粒状的催化剂可通 气地设置在筒状内部而构成。排气气体流入管2的外管22形成为直径为可内装上述催化剂4的圆筒状，在其周 壁沿长度方向以及圆周方向等间隔地设置多个喷孔20。在该外管22内的一端部，设置从气体流入管2的内管21将排气气体导入该外管 22内并成为排气气体路径的催化剂连接管23，在该外管22内的中央部设置分散在圆周方 向的四个部位，开设了气体放出孔24a的气体放出管24。上述的催化剂4被设置在该外管22的催化剂连接管23和气体放出管24之间。 即，在催化剂4的两端部设置具有扩径部41a的支撑部件41，在该支撑部件41的扩径部41a 的内侧，分别插入并连接催化剂连接管23和气体放出管24，设置催化剂4。冷却水通路3以从上述的排气气体流入管2的外管22的内侧一直进入到气体放 出管24的位置的方式从另一端侧设置芯管36。另外，在该冷却水通路3的另一端部，延伸 设置冷却水流入管33，该冷却水流入管33以下述方式构成，即，从冷却水通路3的另一端部 侧向气体放出管24的方向流入，在其流入下游侧从在冷却水流入管33上开口的开口部33a 向芯管36流动，流入到芯管36的冷却水再次向冷却水通路3的另一端部侧流动，然后，向 内筒管31和外筒管32的间隙流入。根据这样地构成的发动机排气气体热回收器1，虽然来自发动机的排气气体从排 气气体流入管2的内管21经催化剂连接管23、催化剂4、气体放出管24，从该气体放出管 24的气体放出孔24a向外管22放出，从该外管22的喷孔20向冷却水通路3内喷射，但是， 从该喷孔20喷射的排气气体能够以高速的喷出速度直接向在与冷却水之间成为唯一隔壁 的内筒管31喷射，而不会在到冷却水通路3为止的中间，其它的部件造成妨碍，有损气体流 量的运动能量的情况。因此，通过冷却水通路3的冷却水能够热效率良好地进行来自排气 气体的排热回收，而不会像以往那样无益地形成弯曲部。然后，因为催化剂4设置在排气气体流入管2的外管22内，所以，能够使排气路径紧凑化，不必获取浪费的空间，即使与另行设置催化剂4的情况相比，也能够谋求紧凑化， 同时，能够通过结构的简单化降低成本，防止排气气体的滞留、压力损失的增大等。另外，通过催化剂4设置在排气气体流入管2的外管22内，高温气体在催化剂的 周围流动，因为不存在用冷却水直接冷却的情况，所以，能够防止催化剂4的温度降低，提 高净化率，使催化剂4小型化。另外，虽然在本实施方式中，发动机排气气体热回收器1的催化剂4设置在催化剂 连接管23和气体放出管24之间，但是，也可以如图8所示，将设置在外管2内的一端部的 催化剂连接管23从该一端部延伸设置在外管22的内外，去除气体放出管24，在延伸设置在 外管22内的催化剂连接管23内设置催化剂4。图8中，对与图7相同的部件标注相同的符号，省略说明。在该构造的情况下，发动机排气气体热回收器1做成进一步省略了气体放出管24 的结构，能够谋求结构的简单化。另外，虽然在本实施方式中，在催化剂4的两端部设置支撑部件41，安装催化剂4， 但是也可以如图9所示，从外管22的一端部仅在外管22的外侧延伸设置催化剂连接管23， 由设在该一端部附近的一个支撑部件41仅将催化剂4的中央部安装在催化剂连接管23 上。图9中，对与图7相同的部件标注相同的符号，省略说明。在为该构造的情况下，发动机排气气体热回收器1去除了在外管22内延伸设置的 催化剂连接管23，能够进一步谋求构造的简单化。再有，虽然在本实施方式中使用催化剂连接管23，将催化剂4安装在外管22内，但 是，也可以如图10所示，从外管22的一端部将与外管22直径相同的催化剂连接管23延伸 设置在外侧，在外管22内设置支撑部件41，直接安装催化剂4。但是，在这种情况下，由于支撑部件41，排气气体的流动受到妨碍，因此，必须在支 撑部件41的扩径部41a设置切口部41b，确保排气气体的路径。另外，优选切口部41b的截 面积的合计面积在设置于支撑部件41间的外管22的喷孔20的合计面积的两倍以上。图10中，对与图7相同的部件标注相同的符号，省略说明。根据该构造，发动机排气气体热回收器1能够进一步使外管22内的构造简单化， 同时，能够有效利用外管22内的空间，或能够使用大口径的催化剂4。产业上利用的可能性本发明可以作为空调装置、热电联供系统中使用的各种发动机的排气气体热回收 器使用。
权利要求
一种发动机排气气体热回收器，是通过在来自发动机的排气气体和发动机冷却水之间进行热交换，来进行来自排气气体的热回收的发动机排气气体热回收器，其特征在于，在排气气体流入管周壁设置朝向冷却水通路的隔壁的多个喷孔，使排气气体直接与冷却水通路的隔壁碰撞。
2.如权利要求1所述的发动机排气气体热回收器，其特征在于，从各喷孔到冷却水通 路的隔壁的最短距离在喷孔直径的1. 5 7倍的范围。
3.如权利要求1所述的发动机排气气体热回收器，其特征在于，各喷孔的开口面积的 总和和排气气体流量的关系为(总喷孔面积/排气气体质量流量)=2. O 4. 5 (cm2/ (kg/ min)) ο
4.如权利要求1至3中的任一项所述的发动机排气气体热回收器，其特征在于，在排气 气体流入部的排气气体流动路径上配置发动机排气气体净化用催化剂，将上述催化剂的一 部分或全部装入设置了喷孔的排气气体流入管内。
5.如权利要求4所述的发动机排气气体热回收器，其特征在于，在与催化剂外周接合 的催化剂支撑件的一个部位或多个部位设置气体能够流通的切口部。
6.一种能量供给装置，是发动机驱动式热泵以及热电联供等的能量供给装置，其特征 在于，在发动机的排气气体路径上使用权利要求1至5中的任一项所述的发动机排气气体 热交换器。
全文摘要
本发明提供一种不使部件处于排气气体和发动机冷却水通路的隔壁之间，能够通过使排气气体直接碰撞发动机冷却水通路的隔壁，来提高热交换部的气体流速，进一步提高排热回收率的结构。本发明中，是通过在发动机排气气体和发动机冷却水之间进行热交换，来进行来自发动机排气气体的热回收的发动机排气气体热回收器(1)，在排气气体流入管(2)的外管(22)设置朝向冷却水通路(3)的内筒管(31)的多个喷孔(20)，使排气气体直接与冷却水通路(3)的内筒管(31)碰撞。从各喷孔(20)到冷却水通路(3)的内筒管(31)的最短距离在喷孔直径的1.5～7倍的范围。各喷孔(20)的开口面积的总和和排气气体流量的关系为(总喷孔面积/排气气体质量流量)＝2.0～4.5(cm2/(kg/min))。
文档编号F01N5/02GK101809260SQ200880109698
公开日2010年8月18日 申请日期2008年10月9日 优先权日2007年10月10日
发明者杉本雅隆, 福留二朗 申请人:洋马株式会社