排気マニホルド、ＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置
【課題】コンパクト且つ低コストの熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供する。
【解決手段】エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路５を有する排気マニホルド本体１０と、排気ガスの少なくとも一部を主流路５から取り出すべく排気マニホルド本体１０に設けた分岐部２０と、分岐部２０に取り出された排気ガスを排気マニホルド本体１０から流出する流出口２０ａとを備え、排気マニホルド本体１０のうち流出口２０ａの設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、排気ガスの熱を回収する熱交換器３０を設けてある。
【解決手段】エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路５を有する排気マニホルド本体１０と、排気ガスの少なくとも一部を主流路５から取り出すべく排気マニホルド本体１０に設けた分岐部２０と、分岐部２０に取り出された排気ガスを排気マニホルド本体１０から流出する流出口２０ａとを備え、排気マニホルド本体１０のうち流出口２０ａの設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、排気ガスの熱を回収する熱交換器３０を設けてある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路を有する排気マニホルド本体と、前記排気ガスの少なくとも一部を前記主流路から取り出すべく前記排気マニホルド本体に設けた分岐部と、前記分岐部に取り出された排気ガスを前記排気マニホルド本体から流出する流出口とを備えた排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等のエンジンから排出される排気ガスには、環境汚染の原因物質の一つである窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。排気ガス中のＮＯｘを低減する技術の一つとして、エンジンに設けられるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置がある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
ＥＧＲ装置は、エンジンから排出される排気ガスを再循環させる装置である。排気ガスは、水蒸気、窒素、および二酸化炭素を主成分とする。この排気ガスをＥＧＲ装置によりエンジンの吸入空気に混合すると、吸入空気の酸素濃度が低下するため、エンジンの燃焼温度および燃焼速度が低下する。その結果、ＮＯｘの生成量を減少させることができる。
【０００４】
ところが、エンジンから排出される排気ガスは高温であるため、そのままの状態の排気ガスを吸入空気に混合すると吸入空気の温度が上昇する。吸入空気の温度が高くなると燃焼温度が上昇するため、ＮＯｘの低減効果はあまり得られない。そこで、吸入空気に排気ガスを混合する前に、当該排気ガスの温度を低下させる必要がある。このための手段として、エンジンの排気マニホルドと吸気マニホルドとの間に設けられる排気ガス冷却用のクーラーがある。
【０００５】
特許文献１のＥＧＲ装置では、エンジンの排気マニホルドに分岐管を設け、この分岐管を吸気マニホルドの側に接続している。分岐管の中間部付近には、排気ガスの熱を除去する熱交換器としてのＥＧＲクーラーが設けられている。
【０００６】
また、別の従来技術として、エンジンから排出される高温の排気ガスを熱源として有効に利用するための装置が開発されている。このような装置として、排気ガスが流通する排気管に熱回収器を設けた排熱回収装置がある（例えば、特許文献２を参照）。
排熱回収装置の内部にはエンジン冷却水が循環しており、当該エンジン冷却水と熱交換を行うことで排気ガスの熱を回収している。回収された熱は、例えば、車内暖房用のヒータの熱源として利用される。
【０００７】
なお、特許文献２の排熱回収装置は、排気ガスの熱に加えて、排気ガス浄化用触媒の反応熱も回収している。これにより、低温時の車内の暖房効率の向上を図っている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−９４０４号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のＥＧＲ装置は、図５に示すように、ＥＧＲクーラー８０が排気マニホルド８１と別体で設けられている。排気マニホルド８１とＥＧＲクーラー８０とを接続している分岐管８２は排気ガスの熱により高温状態になるため、分岐管の周辺にある部品に悪影響を及ぼす場合がある。これを防ぐためには、熱の影響を受けない程度に分岐管を周辺部品から一定の距離だけ離間させておかなければならない。また、ＥＧＲクーラー８０を排気マニホルド８１と別体で設けると、ＥＧＲクーラー８０がエンジン本体８３から大きく張り出してしまうため、大きなスペースを占有することになる。
【００１０】
さらに、ＥＧＲクーラー８０は構造上、内部に冷却用の冷媒を含むため、重量が比較的大きくなる。このため、ＥＧＲクーラー８０を排気マニホルド８１と別体で設けると、ＥＧＲクーラー８０を確実に固定するために多くの取付部材８４を使用する必要があり、コストがかかる。
【００１１】
一方、特許文献２の排熱回収装置は、図６に示すように、排気ガスと冷媒との間で熱交換を行う熱交換器８５を備えている。しかし、この排熱回収装置も熱交換器８５が排気マニホルドから離れた位置に設けられているため、上記特許文献１のＥＧＲ装置と同様に、設置スペースが大きくなるという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は上記従来技術の課題に鑑み、コンパクトな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することにある。また、本発明の目的は、低コストな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る排気マニホルドの特徴構成は、エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路を有する排気マニホルド本体と、前記排気ガスの少なくとも一部を前記主流路から取り出すべく前記排気マニホルド本体に設けた分岐部と、前記分岐部に取り出された排気ガスを前記排気マニホルド本体から流出する流出口とを備え、前記排気マニホルド本体のうち前記流出口の設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、前記排気ガスの熱を回収する熱交換器を設けたことにある。
【００１４】
本構成の排気マニホルドでは、排気マニホルド本体のうち、分岐部に取り出された排気ガスを排気マニホルド本体から流出する流出口の設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、排気ガスの熱を回収する熱交換器を設けている。つまり、本構成では、熱交換器を従来のように分岐部から延出する分岐路に設けるのではなく、排気マニホルド本体に一体に設けてある。このため、排気マニホルドの分岐部から分岐する分岐路には既に熱交換が行われた比較的低温の排気ガスが流通し、分岐路が高温状態となることはない。
このように、本構成の排気マニホルドであれば、周辺部品が熱の影響を受けないため、排気マニホルドの分岐部から分岐する分岐路を、周辺部品からそれ程離間させずに配設することができる。その結果、熱交換器および分岐路がエンジンから大きく張り出すことなくコンパクトな構成となる。
また、重量物である熱交換器を排気マニホルド本体に設けることにより、例えば、熱交換器の取付部品と排気マニホルド本体の取付部品とを兼用することができる。このため、多くの取付部材を使用する必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１５】
本発明に係る排気マニホルドにおいて、前記排気マニホルド本体が、前記エンジンが有する複数のシリンダに各別に接続される各別流路を備え、前記主流路は前記各別流路を統合するものであり、当該主流路の周囲に前記熱交換器を備えることが好ましい。
【００１６】
本構成の排気マニホルドでは、排気マニホルド本体が、エンジンが有する複数のシリンダに各別に接続される各別流路を備え、当該各別流路を統合して主流路とし、当該主流路の周囲に熱交換器を設置してある。このため、熱交換器にエンジンから排出される全ての排気ガスを通過させることも可能である。排気ガスの全量が熱交換器を通過した場合、排気ガスと冷媒との間における熱交換量が大きくなり、熱交換効率が向上する。また、熱交換器は主流路の周囲に設置されていることから、主流路内の排気ガスの流通が阻害されることなく、スムーズに熱交換を行うことができる。
【００１７】
本発明に係る排気マニホルドにおいて、前記主流路から前記分岐部に分流する排気ガスの流量を調節するバルブを前記主流路に設けることが好ましい。
【００１８】
本構成の排気マニホルドでは、主流路から分岐部に分流する排気ガスの流量を調節するバルブを主流路に設けてある。このため、熱交換を積極的に行う場合には、バルブを絞って分岐部に分流する排気ガスの流量を増大させるように調整し、熱交換をあまり行う必要がない場合には、バルブを開放して分岐部に分流する排気ガスの流量を減少させればよい。このように、本構成では、簡単なバルブ操作を行うだけで、熱交換の調節を容易に行うことができる。
【００１９】
本発明に係る排気マニホルドにおいて、前記熱交換器が、前記排気ガスを前記エンジンの吸気マニホルドに還流させるためのＥＧＲクーラーの機能を有することが好ましい。
【００２０】
本構成の排気マニホルドでは、熱交換器が、排気ガスをエンジンの吸気マニホルドに還流させるためのＥＧＲクーラーの機能を有している。従って、排気ガス中のＮＯｘを低減するために設けられる、エンジンから排出される排気ガスを吸気側に再循環させるＥＧＲ装置に好適に使用することができる。
【００２１】
本発明に係るＥＧＲ装置の特徴構成は、上記の排気マニホルドを前記エンジンに接続すると共に、前記分岐部から延出する分岐路を前記吸気マニホルドに接続したことにある。
【００２２】
本構成のＥＧＲ装置では、上記のＥＧＲクーラーの機能を有する排気マニホルドを採用し、当該排気マニホルドをエンジンに接続すると共に、排気マニホルド本体の分岐部から延出する分岐路をエンジンの吸気マニホルドに接続している。これにより、ＥＧＲ装置によるＮＯｘの低減を実現しつつ、分岐路を周辺部品からそれ程離間させずに配設可能としたＥＧＲ装置を構築することができる。このＥＧＲ装置は省スペース化に優れるとともに、コスト面でも有利である。
【００２３】
本発明に係る排気ガス利用装置の特徴構成は、上記の排気マニホルドが前記エンジンに接続され、前記分岐部から延出する分岐路が、前記吸気マニホルドに接続される第１分岐路と、前記主流路の下流側に再び接続される第２分岐路とを備えていることにある。
【００２４】
本構成の排気ガス利用装置では、上記のＥＧＲクーラーの機能を有する排気マニホルドを採用し、当該排気マニホルドをエンジンに接続し、さらに排気マニホルド本体の分岐部から延出する分岐路が、エンジンの吸気マニホルドに接続される第１分岐路と、主流路の下流側に再び接続される第２分岐路とを備えている。これにより、排気ガス利用装置をＥＧＲ装置として使用することを可能にしつつ、分岐路を周辺部品からそれ程離間させずに配設可能とした排ガス利用装置を構築することができる。この排ガス利用装置は省スペース化に優れるとともに、コスト面でも有利である。
なお、本構成の排気ガス利用装置において、排気ガスの循環（ＥＧＲ）を行わない場合は、排気ガスを第２分岐路のみに流通させればよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、コンパクトな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することが可能となる。また、本発明により、低コストな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施形態および図面に記載される構成に限定されるものではなく、これらと均等な構成も含む。
【００２７】
〔第１実施形態〕
図１ａおよび図１ｂは、本発明の第１実施形態であり、排気マニホルド５０を備えたＥＧＲ装置１００の概略構成図である。図２は、排気マニホルド５０の縦断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩにおける排気マニホルド５０の横断面図である。
【００２８】
排気マニホルド５０は、エンジンＥで生じた排気ガスを排出する排気マニホルド本体１０を備える。排気マニホルド本体１０は、エンジンＥの各シリンダＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に各別に接続される各別流路１，２，３，４と、これら各別流路１，２，３，４を統合した主流路５とを備える。
【００２９】
主流路５には第１触媒装置６を設けてある。第１触媒装置６は、エンジンＥから排出される排気ガス中の有害物質（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ））を、一次的にある程度まで除去する三元触媒である。排気ガス中の上記有害物質は、排気マニホルド５０の下流に設置される図示しない第２触媒装置により、所定の値（例えば、自動車排出ガス規制値）以下に低減される。
第１触媒装置６は、後述する熱交換器３０より上流側であれば、主流路５または各別流路１，２，３，４の任意の位置に設けることができる。ただし、第１触媒装置６を省略し、第２触媒装置のみで上記有害物質を除去する構成でも構わない。
【００３０】
本実施形態の排気マニホルド本体１０は、４つの各別流路１，２，３，４を主流路５で一つに統合する構成であるが、初めに各別流路１，２および３，４を夫々統合し、次いでこれらを主流路５で一つに統合する構成であってもよい。また、排気マニホルド５０を取り付けているエンジンＥとして、直列４気筒エンジンを図示しているが、他の多気筒エンジンであってもよい。この場合、各別流路の構成は、エンジンの形状や気筒数等に応じて適宜変更可能である。
【００３１】
排気マニホルド本体１０には、排気ガスの少なくとも一部を主流路５から取り出すための分岐部２０が設けてある。さらに、排気マニホルド本体１０には、分岐部２０に取り出された排気ガスを排気マニホルド本体１０から流出する流出口２０ａが設けてある。排気マニホルド本体１０から取り出された排気ガスは、分岐部２０に流出口２０ａを介して接続される分岐路６０を通って、エンジンＥの吸気マニホルドＩに送られる。つまり、本実施形態の排気マニホルド５０は、エンジンＥで生じた排気ガスを吸気側に再循環させるＥＧＲ装置に好適に使用できるものである。
【００３２】
分岐部２０は、排気マニホルド本体１０のうち、主流路５または各別流路１，２，３，４のいずれに設けてもよいが、主流路５に設ければ、各別流路１，２，３，４の間での排気ガス流量が略均等となってエンジンＥからの排気が安定するため好ましい。また、図２に示すように、分岐部２０にエンジンＥから排出される排気ガスがスムーズに流入するように、分岐部２０の開口方向を排気ガスの流通方向に概ね沿わせた状態で設けることが好ましい。
【００３３】
排気マニホルド本体１０のうち、流出口２０ａの設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側（すなわち、エンジンＥ側）に、排気ガスの熱を回収する熱交換器３０を設けてある。熱交換機３０の内部には、排気ガスとの熱交換を行う冷媒（例えば、エンジン冷却水）が循環する冷媒循環路３１が通っている。
【００３４】
熱交換器３０は、従来のように分岐部２０から延出する分岐路６０に設けるのではなく、排気マニホルド本体１０に一体に設けてある。排気マニホルド５０の分岐部２０から分岐する分岐路６０には、排気マニホルド本体１０の側で既に熱交換が行われた比較的低温の排気ガスが流通し、分岐部２０の流出口２０ａより下流側にある分岐路６０が高温状態になることはない。このため、排気マニホルド５０の周辺部品が熱の影響を受けることはなく、排気マニホルド５０の分岐部２０から分岐する分岐路６０を、周辺部品からそれ程離間させずに配設することが可能となる。そして、熱交換器３０がエンジンＥから大きく張り出すこともない。その結果、排気マニホルド５０を備えたエンジンＥがコンパクトになり、省スペース化を実現することができる。
また、本実施形態の排気マニホルド５０では、重量物である熱交換器３０を排気マニホルド本体１０に設けることにより、例えば、熱交換器３０の取付部品と排気マニホルド本体１０の取付部品とを兼用することができる。このため、多くの取付部品を使用する必要もなく、製造コストを低減することができる。
【００３５】
熱交換器３０は、第１触媒装置６より下流側であれば、主流路５または各別流路１，２，３，４の任意の位置に設けることができるが、主流路５に設けることにより、熱交換器３０にエンジンＥから排出される全ての排気ガスを通過させることが可能となる。排気ガスの全量が熱交換器３０を通過した場合、排気ガスと冷媒との間における熱交換量が大きくなり、熱交換効率が向上する。また、各別流路１，２，３，４の間での排気ガスの流量は略均等となるので、排気が安定する。
熱交換器３０は、図３に示すように、円筒状に形成して主流路５の周囲に設置することが好ましい。このように構成すれば、主流路５内の排気ガスの流通が阻害されることなく、スムーズに熱交換を行うことができる。
【００３６】
熱交換器３０は、各種装置の熱源（マルチパーパスヒータ）として利用可能であるが、本実施形態では、特に排気ガスをエンジンＥの吸気マニホルドＩに還流させるＥＧＲクーラーとして機能する。
そこで次に、排気マニホルド５０をエンジンＥに接続し、排気マニホルド本体１０の分岐部２０から延出する分岐路６０を吸気マニホルドＩに接続したＥＧＲ装置１００の構成および動作について説明する。
【００３７】
ＥＧＲ装置１００は、上述したように排気マニホルド５０および分岐路６０を備え、さらに、図示しない消音器へと続くセンターパイプ７０を主流路５の下流に備える。分岐路６０には、排気ガスを循環させる「ＥＧＲ起動状態」と、循環させない「ＥＧＲ停止状態」との２状態の間で切り換え可能なＥＧＲバルブ６１が設けてある。以下、ＥＧＲ装置１００の各状態について説明する。
【００３８】
＜ＥＧＲ起動状態＞
図１ａは、ＥＧＲ起動状態にあるＥＧＲ装置１００を示す。この状態では、ＥＧＲバルブ６１は開に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスの一部は主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０を通って吸気マニホルドＩに戻される。
このように、ＥＧＲ起動状態では排気ガスが分岐路６０に流入するので、ＥＧＲが有効状態（スイッチＯＮ）となる。熱交換器３０を通過した後の排気ガスは、熱交換により温度が低下しているため、吸気マニホルドＩの側の吸入空気と混合しても燃焼温度が顕著に上昇することはない。
【００３９】
なお、熱交換器３０には排気ガスの流動抵抗が存在するが、吸気マニホルドＩと分岐路６０との接続部がアスピレータとして作用し、分岐路６０から排気ガスを吸い込む負圧が発生するため、排気ガスの再循環が妨げられることはない。
【００４０】
図示しないが、主流路５から分岐部２０に分流する排気ガスの流量を調節するために、後で説明する第２実施形態と同様のバルブを主流路５に設けることもできる。ここで、熱交換（ＥＧＲ）を積極的に行う場合には、バルブを絞って分岐部２０に分流する排気ガスの流量を増大させるように調節する。熱交換（ＥＧＲ）をあまり行う必要がない場合には、バルブを開いて分岐部２０に分流する排気ガスの流量を減少させる。このようにバルブを設ければ、簡単な操作で熱交換（ＥＧＲ）の調節を容易に行うことができる。
【００４１】
＜ＥＧＲ停止状態＞
図１ｂは、ＥＧＲ停止状態にあるＥＧＲ装置１００を示す。この状態では、ＥＧＲバルブ６１は閉に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４、主流路５、第１触媒装置６を通過した後、熱交換器３０を通過することなくセンターパイプ７０に送られる。その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
このように、ＥＧＲ停止状態では排気ガスは分岐路６０に流入しないので、ＥＧＲは無効状態（スイッチＯＦＦ）となる。つまり、通常の排気マニホルドと同じように機能する。
【００４２】
〔第２実施形態〕
図４ａ〜図４ｄは、本発明の第２実施形態であり、排気マニホルド５０を備えた排気ガス利用装置２００の概略構成図である。この第２実施形態では、第１実施形態と同様の構成については同じ参照符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。
【００４３】
第２実施形態の排気マニホルド５０は、エンジンＥで生じた排気ガスを再循環させるための分岐路６０を排気マニホルド本体１０の分岐部２０に流出口２０ａを介して接続してある。排気マニホルド５０の主流路５には、分岐部２０から分岐路６０の側へと分流する排気ガスの流量を調節するバルブ４０を設けてある。
排気マニホルド５０を備えた排気ガス利用装置２００は、分岐路６０が吸気マニホルドＩに接続される第１分岐路６２と、主流路５の下流側に再び接続される第２分岐路６３とを備えている。
【００４４】
この第２実施形態においても、熱交換器３０は従来のように分岐部２０から延出する分岐路６０に設けるのではなく、排気マニホルド本体１０に一体に設けてある。従って、排気マニホルド５０の分岐部２０から分岐する分岐路６０ならびに第１分岐路６２および第２分岐路６３には、排気マニホルド本体１０の側で既に熱交換が行われた比較的低温の排気ガスが流通し、分岐路６０ならびに第１分岐路６２および第２分岐路６３が高温状態となることはない。このため、排気マニホルド５０の周辺部品が熱の影響を受けることはなく、排気マニホルド５０の分岐路６０ならびに第１分岐路６２および第２分岐路６３を、周辺部品からそれ程離間させずに配設することが可能となる。そして、熱交換器３０がエンジンＥから大きく張り出すこともない。その結果、排気マニホルド５０を備えたエンジンＥがコンパクトになり、省スペース化を実現することができる。
また、本実施形態の排気マニホルド５０では、重量物である熱交換器３０を排気マニホルド本体１０に設けることにより、例えば、熱交換器３０の取付部品と排気マニホルド本体１０の取付部品とを兼用することができる。このため、多くの取付部品を使用する必要もなく、製造コストを低減することができる。
【００４５】
排気マニホルド５０を備えた排気ガス利用装置２００は、各種装置の熱源（マルチパーパスヒータ）として利用することもできる。第２実施形態では特に、排気ガスをエンジンＥの吸気マニホルドＩに還流させるＥＧＲ装置、および排気ガスの熱を回収して再利用する排熱回収装置の２つの機能を有する。
そこで次に、本実施形態における排気ガス利用装置２００の構成および動作について説明する。
【００４６】
排気ガス利用装置２００は、上述したように排気マニホルド５０および分岐路６０を備え、さらに、図示しない消音器へと続くセンターパイプ７０を主流路５の下流に備える。分岐路６０には切換バルブ６４が設けられる。切換バルブ６４は、排気ガスを、吸気マニホルドＩおよびセンターパイプ７０の双方に送る「ＥＧＲ・排熱利用状態」と、吸気マニホルドＩのみに送る「ＥＧＲ起動状態」と、センターパイプ７０のみに送る「排熱利用状態」と、吸気マニホルドＩおよびセンターパイプ７０の何れにも送らない「完全停止状態」との４状態の間で切り換えることができる。切換バルブ６４は三方バルブで構成されている。以下、排気ガス利用装置２００の各状態について説明する。
【００４７】
＜ＥＧＲ・排熱利用状態＞
図４ａは、ＥＧＲ・排熱利用状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０、吸気マニホルドＩ、およびセンターパイプ７０に夫々通じる状態に設定され、バルブ４０は閉に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスは主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０に流入する。排気ガスは、切換バルブ６４でさらに二つに分流し、一方は第１分岐路６２を通って吸気マニホルドＩに戻される。他方は第２分岐路６３を通ってセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
このＥＧＲ・排熱利用状態では、熱交換器３０には排気ガスの略全量が通過するため、回収される排熱量は大きい。また、熱交換器３０で熱交換された排気ガスは第１分岐路６２にも流入する。従って、ＥＧＲ装置および排熱回収装置の両方が有効状態（スイッチＯＮ）にされる。
【００４８】
＜ＥＧＲ起動状態＞
図４ｂは、ＥＧＲ起動状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０および吸気マニホルドＩには通じるが、センターパイプ７０には通じない状態に設定され、バルブ４０は開に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスの一部は主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０に流入する。この排気ガスは、切換バルブ６４を経由して第１分岐路６２を通り、吸気マニホルドＩに戻される。また、排気ガスの残部（ＥＧＲに使用されない実線矢印で示された排気ガス）は、主流路５から下流のセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
このＥＧＲ起動状態では、熱交換器３０には排気ガスの一部だけが通過するため、回収される排熱量は小さい。また、熱交換器３０で熱交換された一部の排気ガスが第１分岐路６２に流入する。従って、ＥＧＲ装置は有効状態（スイッチＯＮ）にあるが、排熱回収装置は実質的に無効状態（スイッチＯＦＦ）にされる。
このＥＧＲ起動状態では、バルブ４０の開度を適宜調節することも可能である。ＥＧＲを行う場合、通常バルブ４０を全開状態にするが、ＥＧＲを多めに行いたい場合には、バルブ４０を絞って分岐部２０に分流する排気ガスの流量を増大させればよい。このように簡単なバルブ操作だけで、ＥＧＲの調節を容易に行うことができる。
【００４９】
＜排熱利用状態＞
図４ｃは、排熱利用状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０およびセンターパイプ７０には通じるが、吸気マニホルドＩには通じない状態に設定され、バルブ４０は閉に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスは主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０に流入する。この排気ガスは、切換バルブ６４を経由して第２分岐路６３を通り、下流のセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
この排熱利用状態では、熱交換器３０には排気ガスの略全量が通過するため、回収される排熱量は大きい。また、熱交換器３０で熱交換された排気ガスは第１分岐路６２に流入しない。従って、ＥＧＲ装置は無効状態（スイッチＯＦＦ）にあるが、排熱回収装置は有効状態（スイッチＯＮ）にされる。
【００５０】
＜完全停止状態＞
図４ｄは、完全停止状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０、吸気マニホルドＩ、およびセンターパイプ７０のいずれにも通じない状態に設定され、バルブ４０は開に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。そして、排気ガスは、分岐部２０の側に分流することなく、主流路５から下流のセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
この完全停止状態では、熱交換器３０に排気ガスは全く通過しないため、排熱回収は行われない。また、第１分岐路６２に排気ガスが流入することもない。従って、ＥＧＲ装置および排熱回収装置の両方が無効状態（スイッチＯＦＦ）にされる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】本発明の第１実施形態によるＥＧＲ装置の概略構成図
【図１ｂ】本発明の第１実施形態によるＥＧＲ装置の概略構成図
【図２】排気マニホルドの縦断面図
【図３】排気マニホルドの横断面図
【図４ａ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図４ｂ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図４ｃ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図４ｄ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図５】従来技術によるＥＧＲ装置の概略構成図
【図６】従来技術による排熱回収装置の概略構成図
【符号の説明】
【００５２】
１，２，３，４ 各別流路
５ 主流路
１０ マニホルド本体
２０ 分岐部
２０ａ 流出口
３０ 熱交換器
４０ バルブ
５０ 排気マニホルド
６０ 分岐路
６２ 第１分岐路
６３ 第２分岐路
１００ ＥＧＲ装置
２００ 排気ガス利用装置
Ｅ エンジン
Ｉ 吸気マニホルド
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ シリンダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路を有する排気マニホルド本体と、前記排気ガスの少なくとも一部を前記主流路から取り出すべく前記排気マニホルド本体に設けた分岐部と、前記分岐部に取り出された排気ガスを前記排気マニホルド本体から流出する流出口とを備えた排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等のエンジンから排出される排気ガスには、環境汚染の原因物質の一つである窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。排気ガス中のＮＯｘを低減する技術の一つとして、エンジンに設けられるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置がある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
ＥＧＲ装置は、エンジンから排出される排気ガスを再循環させる装置である。排気ガスは、水蒸気、窒素、および二酸化炭素を主成分とする。この排気ガスをＥＧＲ装置によりエンジンの吸入空気に混合すると、吸入空気の酸素濃度が低下するため、エンジンの燃焼温度および燃焼速度が低下する。その結果、ＮＯｘの生成量を減少させることができる。
【０００４】
ところが、エンジンから排出される排気ガスは高温であるため、そのままの状態の排気ガスを吸入空気に混合すると吸入空気の温度が上昇する。吸入空気の温度が高くなると燃焼温度が上昇するため、ＮＯｘの低減効果はあまり得られない。そこで、吸入空気に排気ガスを混合する前に、当該排気ガスの温度を低下させる必要がある。このための手段として、エンジンの排気マニホルドと吸気マニホルドとの間に設けられる排気ガス冷却用のクーラーがある。
【０００５】
特許文献１のＥＧＲ装置では、エンジンの排気マニホルドに分岐管を設け、この分岐管を吸気マニホルドの側に接続している。分岐管の中間部付近には、排気ガスの熱を除去する熱交換器としてのＥＧＲクーラーが設けられている。
【０００６】
また、別の従来技術として、エンジンから排出される高温の排気ガスを熱源として有効に利用するための装置が開発されている。このような装置として、排気ガスが流通する排気管に熱回収器を設けた排熱回収装置がある（例えば、特許文献２を参照）。
排熱回収装置の内部にはエンジン冷却水が循環しており、当該エンジン冷却水と熱交換を行うことで排気ガスの熱を回収している。回収された熱は、例えば、車内暖房用のヒータの熱源として利用される。
【０００７】
なお、特許文献２の排熱回収装置は、排気ガスの熱に加えて、排気ガス浄化用触媒の反応熱も回収している。これにより、低温時の車内の暖房効率の向上を図っている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−９４０４号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のＥＧＲ装置は、図５に示すように、ＥＧＲクーラー８０が排気マニホルド８１と別体で設けられている。排気マニホルド８１とＥＧＲクーラー８０とを接続している分岐管８２は排気ガスの熱により高温状態になるため、分岐管の周辺にある部品に悪影響を及ぼす場合がある。これを防ぐためには、熱の影響を受けない程度に分岐管を周辺部品から一定の距離だけ離間させておかなければならない。また、ＥＧＲクーラー８０を排気マニホルド８１と別体で設けると、ＥＧＲクーラー８０がエンジン本体８３から大きく張り出してしまうため、大きなスペースを占有することになる。
【００１０】
さらに、ＥＧＲクーラー８０は構造上、内部に冷却用の冷媒を含むため、重量が比較的大きくなる。このため、ＥＧＲクーラー８０を排気マニホルド８１と別体で設けると、ＥＧＲクーラー８０を確実に固定するために多くの取付部材８４を使用する必要があり、コストがかかる。
【００１１】
一方、特許文献２の排熱回収装置は、図６に示すように、排気ガスと冷媒との間で熱交換を行う熱交換器８５を備えている。しかし、この排熱回収装置も熱交換器８５が排気マニホルドから離れた位置に設けられているため、上記特許文献１のＥＧＲ装置と同様に、設置スペースが大きくなるという問題がある。
【００１２】
本発明の目的は上記従来技術の課題に鑑み、コンパクトな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することにある。また、本発明の目的は、低コストな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る排気マニホルドの特徴構成は、エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路を有する排気マニホルド本体と、前記排気ガスの少なくとも一部を前記主流路から取り出すべく前記排気マニホルド本体に設けた分岐部と、前記分岐部に取り出された排気ガスを前記排気マニホルド本体から流出する流出口とを備え、前記排気マニホルド本体のうち前記流出口の設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、前記排気ガスの熱を回収する熱交換器を設けたことにある。
【００１４】
本構成の排気マニホルドでは、排気マニホルド本体のうち、分岐部に取り出された排気ガスを排気マニホルド本体から流出する流出口の設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、排気ガスの熱を回収する熱交換器を設けている。つまり、本構成では、熱交換器を従来のように分岐部から延出する分岐路に設けるのではなく、排気マニホルド本体に一体に設けてある。このため、排気マニホルドの分岐部から分岐する分岐路には既に熱交換が行われた比較的低温の排気ガスが流通し、分岐路が高温状態となることはない。
このように、本構成の排気マニホルドであれば、周辺部品が熱の影響を受けないため、排気マニホルドの分岐部から分岐する分岐路を、周辺部品からそれ程離間させずに配設することができる。その結果、熱交換器および分岐路がエンジンから大きく張り出すことなくコンパクトな構成となる。
また、重量物である熱交換器を排気マニホルド本体に設けることにより、例えば、熱交換器の取付部品と排気マニホルド本体の取付部品とを兼用することができる。このため、多くの取付部材を使用する必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１５】
本発明に係る排気マニホルドにおいて、前記排気マニホルド本体が、前記エンジンが有する複数のシリンダに各別に接続される各別流路を備え、前記主流路は前記各別流路を統合するものであり、当該主流路の周囲に前記熱交換器を備えることが好ましい。
【００１６】
本構成の排気マニホルドでは、排気マニホルド本体が、エンジンが有する複数のシリンダに各別に接続される各別流路を備え、当該各別流路を統合して主流路とし、当該主流路の周囲に熱交換器を設置してある。このため、熱交換器にエンジンから排出される全ての排気ガスを通過させることも可能である。排気ガスの全量が熱交換器を通過した場合、排気ガスと冷媒との間における熱交換量が大きくなり、熱交換効率が向上する。また、熱交換器は主流路の周囲に設置されていることから、主流路内の排気ガスの流通が阻害されることなく、スムーズに熱交換を行うことができる。
【００１７】
本発明に係る排気マニホルドにおいて、前記主流路から前記分岐部に分流する排気ガスの流量を調節するバルブを前記主流路に設けることが好ましい。
【００１８】
本構成の排気マニホルドでは、主流路から分岐部に分流する排気ガスの流量を調節するバルブを主流路に設けてある。このため、熱交換を積極的に行う場合には、バルブを絞って分岐部に分流する排気ガスの流量を増大させるように調整し、熱交換をあまり行う必要がない場合には、バルブを開放して分岐部に分流する排気ガスの流量を減少させればよい。このように、本構成では、簡単なバルブ操作を行うだけで、熱交換の調節を容易に行うことができる。
【００１９】
本発明に係る排気マニホルドにおいて、前記熱交換器が、前記排気ガスを前記エンジンの吸気マニホルドに還流させるためのＥＧＲクーラーの機能を有することが好ましい。
【００２０】
本構成の排気マニホルドでは、熱交換器が、排気ガスをエンジンの吸気マニホルドに還流させるためのＥＧＲクーラーの機能を有している。従って、排気ガス中のＮＯｘを低減するために設けられる、エンジンから排出される排気ガスを吸気側に再循環させるＥＧＲ装置に好適に使用することができる。
【００２１】
本発明に係るＥＧＲ装置の特徴構成は、上記の排気マニホルドを前記エンジンに接続すると共に、前記分岐部から延出する分岐路を前記吸気マニホルドに接続したことにある。
【００２２】
本構成のＥＧＲ装置では、上記のＥＧＲクーラーの機能を有する排気マニホルドを採用し、当該排気マニホルドをエンジンに接続すると共に、排気マニホルド本体の分岐部から延出する分岐路をエンジンの吸気マニホルドに接続している。これにより、ＥＧＲ装置によるＮＯｘの低減を実現しつつ、分岐路を周辺部品からそれ程離間させずに配設可能としたＥＧＲ装置を構築することができる。このＥＧＲ装置は省スペース化に優れるとともに、コスト面でも有利である。
【００２３】
本発明に係る排気ガス利用装置の特徴構成は、上記の排気マニホルドが前記エンジンに接続され、前記分岐部から延出する分岐路が、前記吸気マニホルドに接続される第１分岐路と、前記主流路の下流側に再び接続される第２分岐路とを備えていることにある。
【００２４】
本構成の排気ガス利用装置では、上記のＥＧＲクーラーの機能を有する排気マニホルドを採用し、当該排気マニホルドをエンジンに接続し、さらに排気マニホルド本体の分岐部から延出する分岐路が、エンジンの吸気マニホルドに接続される第１分岐路と、主流路の下流側に再び接続される第２分岐路とを備えている。これにより、排気ガス利用装置をＥＧＲ装置として使用することを可能にしつつ、分岐路を周辺部品からそれ程離間させずに配設可能とした排ガス利用装置を構築することができる。この排ガス利用装置は省スペース化に優れるとともに、コスト面でも有利である。
なお、本構成の排気ガス利用装置において、排気ガスの循環（ＥＧＲ）を行わない場合は、排気ガスを第２分岐路のみに流通させればよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、コンパクトな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することが可能となる。また、本発明により、低コストな熱交換機能を有する排気マニホルド、当該排気マニホルドを備えたＥＧＲ装置、および排気ガス利用装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施形態および図面に記載される構成に限定されるものではなく、これらと均等な構成も含む。
【００２７】
〔第１実施形態〕
図１ａおよび図１ｂは、本発明の第１実施形態であり、排気マニホルド５０を備えたＥＧＲ装置１００の概略構成図である。図２は、排気マニホルド５０の縦断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩにおける排気マニホルド５０の横断面図である。
【００２８】
排気マニホルド５０は、エンジンＥで生じた排気ガスを排出する排気マニホルド本体１０を備える。排気マニホルド本体１０は、エンジンＥの各シリンダＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に各別に接続される各別流路１，２，３，４と、これら各別流路１，２，３，４を統合した主流路５とを備える。
【００２９】
主流路５には第１触媒装置６を設けてある。第１触媒装置６は、エンジンＥから排出される排気ガス中の有害物質（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ））を、一次的にある程度まで除去する三元触媒である。排気ガス中の上記有害物質は、排気マニホルド５０の下流に設置される図示しない第２触媒装置により、所定の値（例えば、自動車排出ガス規制値）以下に低減される。
第１触媒装置６は、後述する熱交換器３０より上流側であれば、主流路５または各別流路１，２，３，４の任意の位置に設けることができる。ただし、第１触媒装置６を省略し、第２触媒装置のみで上記有害物質を除去する構成でも構わない。
【００３０】
本実施形態の排気マニホルド本体１０は、４つの各別流路１，２，３，４を主流路５で一つに統合する構成であるが、初めに各別流路１，２および３，４を夫々統合し、次いでこれらを主流路５で一つに統合する構成であってもよい。また、排気マニホルド５０を取り付けているエンジンＥとして、直列４気筒エンジンを図示しているが、他の多気筒エンジンであってもよい。この場合、各別流路の構成は、エンジンの形状や気筒数等に応じて適宜変更可能である。
【００３１】
排気マニホルド本体１０には、排気ガスの少なくとも一部を主流路５から取り出すための分岐部２０が設けてある。さらに、排気マニホルド本体１０には、分岐部２０に取り出された排気ガスを排気マニホルド本体１０から流出する流出口２０ａが設けてある。排気マニホルド本体１０から取り出された排気ガスは、分岐部２０に流出口２０ａを介して接続される分岐路６０を通って、エンジンＥの吸気マニホルドＩに送られる。つまり、本実施形態の排気マニホルド５０は、エンジンＥで生じた排気ガスを吸気側に再循環させるＥＧＲ装置に好適に使用できるものである。
【００３２】
分岐部２０は、排気マニホルド本体１０のうち、主流路５または各別流路１，２，３，４のいずれに設けてもよいが、主流路５に設ければ、各別流路１，２，３，４の間での排気ガス流量が略均等となってエンジンＥからの排気が安定するため好ましい。また、図２に示すように、分岐部２０にエンジンＥから排出される排気ガスがスムーズに流入するように、分岐部２０の開口方向を排気ガスの流通方向に概ね沿わせた状態で設けることが好ましい。
【００３３】
排気マニホルド本体１０のうち、流出口２０ａの設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側（すなわち、エンジンＥ側）に、排気ガスの熱を回収する熱交換器３０を設けてある。熱交換機３０の内部には、排気ガスとの熱交換を行う冷媒（例えば、エンジン冷却水）が循環する冷媒循環路３１が通っている。
【００３４】
熱交換器３０は、従来のように分岐部２０から延出する分岐路６０に設けるのではなく、排気マニホルド本体１０に一体に設けてある。排気マニホルド５０の分岐部２０から分岐する分岐路６０には、排気マニホルド本体１０の側で既に熱交換が行われた比較的低温の排気ガスが流通し、分岐部２０の流出口２０ａより下流側にある分岐路６０が高温状態になることはない。このため、排気マニホルド５０の周辺部品が熱の影響を受けることはなく、排気マニホルド５０の分岐部２０から分岐する分岐路６０を、周辺部品からそれ程離間させずに配設することが可能となる。そして、熱交換器３０がエンジンＥから大きく張り出すこともない。その結果、排気マニホルド５０を備えたエンジンＥがコンパクトになり、省スペース化を実現することができる。
また、本実施形態の排気マニホルド５０では、重量物である熱交換器３０を排気マニホルド本体１０に設けることにより、例えば、熱交換器３０の取付部品と排気マニホルド本体１０の取付部品とを兼用することができる。このため、多くの取付部品を使用する必要もなく、製造コストを低減することができる。
【００３５】
熱交換器３０は、第１触媒装置６より下流側であれば、主流路５または各別流路１，２，３，４の任意の位置に設けることができるが、主流路５に設けることにより、熱交換器３０にエンジンＥから排出される全ての排気ガスを通過させることが可能となる。排気ガスの全量が熱交換器３０を通過した場合、排気ガスと冷媒との間における熱交換量が大きくなり、熱交換効率が向上する。また、各別流路１，２，３，４の間での排気ガスの流量は略均等となるので、排気が安定する。
熱交換器３０は、図３に示すように、円筒状に形成して主流路５の周囲に設置することが好ましい。このように構成すれば、主流路５内の排気ガスの流通が阻害されることなく、スムーズに熱交換を行うことができる。
【００３６】
熱交換器３０は、各種装置の熱源（マルチパーパスヒータ）として利用可能であるが、本実施形態では、特に排気ガスをエンジンＥの吸気マニホルドＩに還流させるＥＧＲクーラーとして機能する。
そこで次に、排気マニホルド５０をエンジンＥに接続し、排気マニホルド本体１０の分岐部２０から延出する分岐路６０を吸気マニホルドＩに接続したＥＧＲ装置１００の構成および動作について説明する。
【００３７】
ＥＧＲ装置１００は、上述したように排気マニホルド５０および分岐路６０を備え、さらに、図示しない消音器へと続くセンターパイプ７０を主流路５の下流に備える。分岐路６０には、排気ガスを循環させる「ＥＧＲ起動状態」と、循環させない「ＥＧＲ停止状態」との２状態の間で切り換え可能なＥＧＲバルブ６１が設けてある。以下、ＥＧＲ装置１００の各状態について説明する。
【００３８】
＜ＥＧＲ起動状態＞
図１ａは、ＥＧＲ起動状態にあるＥＧＲ装置１００を示す。この状態では、ＥＧＲバルブ６１は開に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスの一部は主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０を通って吸気マニホルドＩに戻される。
このように、ＥＧＲ起動状態では排気ガスが分岐路６０に流入するので、ＥＧＲが有効状態（スイッチＯＮ）となる。熱交換器３０を通過した後の排気ガスは、熱交換により温度が低下しているため、吸気マニホルドＩの側の吸入空気と混合しても燃焼温度が顕著に上昇することはない。
【００３９】
なお、熱交換器３０には排気ガスの流動抵抗が存在するが、吸気マニホルドＩと分岐路６０との接続部がアスピレータとして作用し、分岐路６０から排気ガスを吸い込む負圧が発生するため、排気ガスの再循環が妨げられることはない。
【００４０】
図示しないが、主流路５から分岐部２０に分流する排気ガスの流量を調節するために、後で説明する第２実施形態と同様のバルブを主流路５に設けることもできる。ここで、熱交換（ＥＧＲ）を積極的に行う場合には、バルブを絞って分岐部２０に分流する排気ガスの流量を増大させるように調節する。熱交換（ＥＧＲ）をあまり行う必要がない場合には、バルブを開いて分岐部２０に分流する排気ガスの流量を減少させる。このようにバルブを設ければ、簡単な操作で熱交換（ＥＧＲ）の調節を容易に行うことができる。
【００４１】
＜ＥＧＲ停止状態＞
図１ｂは、ＥＧＲ停止状態にあるＥＧＲ装置１００を示す。この状態では、ＥＧＲバルブ６１は閉に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４、主流路５、第１触媒装置６を通過した後、熱交換器３０を通過することなくセンターパイプ７０に送られる。その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
このように、ＥＧＲ停止状態では排気ガスは分岐路６０に流入しないので、ＥＧＲは無効状態（スイッチＯＦＦ）となる。つまり、通常の排気マニホルドと同じように機能する。
【００４２】
〔第２実施形態〕
図４ａ〜図４ｄは、本発明の第２実施形態であり、排気マニホルド５０を備えた排気ガス利用装置２００の概略構成図である。この第２実施形態では、第１実施形態と同様の構成については同じ参照符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。
【００４３】
第２実施形態の排気マニホルド５０は、エンジンＥで生じた排気ガスを再循環させるための分岐路６０を排気マニホルド本体１０の分岐部２０に流出口２０ａを介して接続してある。排気マニホルド５０の主流路５には、分岐部２０から分岐路６０の側へと分流する排気ガスの流量を調節するバルブ４０を設けてある。
排気マニホルド５０を備えた排気ガス利用装置２００は、分岐路６０が吸気マニホルドＩに接続される第１分岐路６２と、主流路５の下流側に再び接続される第２分岐路６３とを備えている。
【００４４】
この第２実施形態においても、熱交換器３０は従来のように分岐部２０から延出する分岐路６０に設けるのではなく、排気マニホルド本体１０に一体に設けてある。従って、排気マニホルド５０の分岐部２０から分岐する分岐路６０ならびに第１分岐路６２および第２分岐路６３には、排気マニホルド本体１０の側で既に熱交換が行われた比較的低温の排気ガスが流通し、分岐路６０ならびに第１分岐路６２および第２分岐路６３が高温状態となることはない。このため、排気マニホルド５０の周辺部品が熱の影響を受けることはなく、排気マニホルド５０の分岐路６０ならびに第１分岐路６２および第２分岐路６３を、周辺部品からそれ程離間させずに配設することが可能となる。そして、熱交換器３０がエンジンＥから大きく張り出すこともない。その結果、排気マニホルド５０を備えたエンジンＥがコンパクトになり、省スペース化を実現することができる。
また、本実施形態の排気マニホルド５０では、重量物である熱交換器３０を排気マニホルド本体１０に設けることにより、例えば、熱交換器３０の取付部品と排気マニホルド本体１０の取付部品とを兼用することができる。このため、多くの取付部品を使用する必要もなく、製造コストを低減することができる。
【００４５】
排気マニホルド５０を備えた排気ガス利用装置２００は、各種装置の熱源（マルチパーパスヒータ）として利用することもできる。第２実施形態では特に、排気ガスをエンジンＥの吸気マニホルドＩに還流させるＥＧＲ装置、および排気ガスの熱を回収して再利用する排熱回収装置の２つの機能を有する。
そこで次に、本実施形態における排気ガス利用装置２００の構成および動作について説明する。
【００４６】
排気ガス利用装置２００は、上述したように排気マニホルド５０および分岐路６０を備え、さらに、図示しない消音器へと続くセンターパイプ７０を主流路５の下流に備える。分岐路６０には切換バルブ６４が設けられる。切換バルブ６４は、排気ガスを、吸気マニホルドＩおよびセンターパイプ７０の双方に送る「ＥＧＲ・排熱利用状態」と、吸気マニホルドＩのみに送る「ＥＧＲ起動状態」と、センターパイプ７０のみに送る「排熱利用状態」と、吸気マニホルドＩおよびセンターパイプ７０の何れにも送らない「完全停止状態」との４状態の間で切り換えることができる。切換バルブ６４は三方バルブで構成されている。以下、排気ガス利用装置２００の各状態について説明する。
【００４７】
＜ＥＧＲ・排熱利用状態＞
図４ａは、ＥＧＲ・排熱利用状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０、吸気マニホルドＩ、およびセンターパイプ７０に夫々通じる状態に設定され、バルブ４０は閉に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスは主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０に流入する。排気ガスは、切換バルブ６４でさらに二つに分流し、一方は第１分岐路６２を通って吸気マニホルドＩに戻される。他方は第２分岐路６３を通ってセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
このＥＧＲ・排熱利用状態では、熱交換器３０には排気ガスの略全量が通過するため、回収される排熱量は大きい。また、熱交換器３０で熱交換された排気ガスは第１分岐路６２にも流入する。従って、ＥＧＲ装置および排熱回収装置の両方が有効状態（スイッチＯＮ）にされる。
【００４８】
＜ＥＧＲ起動状態＞
図４ｂは、ＥＧＲ起動状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０および吸気マニホルドＩには通じるが、センターパイプ７０には通じない状態に設定され、バルブ４０は開に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスの一部は主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０に流入する。この排気ガスは、切換バルブ６４を経由して第１分岐路６２を通り、吸気マニホルドＩに戻される。また、排気ガスの残部（ＥＧＲに使用されない実線矢印で示された排気ガス）は、主流路５から下流のセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
このＥＧＲ起動状態では、熱交換器３０には排気ガスの一部だけが通過するため、回収される排熱量は小さい。また、熱交換器３０で熱交換された一部の排気ガスが第１分岐路６２に流入する。従って、ＥＧＲ装置は有効状態（スイッチＯＮ）にあるが、排熱回収装置は実質的に無効状態（スイッチＯＦＦ）にされる。
このＥＧＲ起動状態では、バルブ４０の開度を適宜調節することも可能である。ＥＧＲを行う場合、通常バルブ４０を全開状態にするが、ＥＧＲを多めに行いたい場合には、バルブ４０を絞って分岐部２０に分流する排気ガスの流量を増大させればよい。このように簡単なバルブ操作だけで、ＥＧＲの調節を容易に行うことができる。
【００４９】
＜排熱利用状態＞
図４ｃは、排熱利用状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０およびセンターパイプ７０には通じるが、吸気マニホルドＩには通じない状態に設定され、バルブ４０は閉に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。その後、排気ガスは主流路５から外れて周囲に配置した熱交換器３０および分岐部２０を通過し（図中の点線矢印）、流出口２０ａから分岐路６０に流入する。この排気ガスは、切換バルブ６４を経由して第２分岐路６３を通り、下流のセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
この排熱利用状態では、熱交換器３０には排気ガスの略全量が通過するため、回収される排熱量は大きい。また、熱交換器３０で熱交換された排気ガスは第１分岐路６２に流入しない。従って、ＥＧＲ装置は無効状態（スイッチＯＦＦ）にあるが、排熱回収装置は有効状態（スイッチＯＮ）にされる。
【００５０】
＜完全停止状態＞
図４ｄは、完全停止状態にある排気ガス利用装置２００を示す。この状態では、切換バルブ６４は分岐部２０、吸気マニホルドＩ、およびセンターパイプ７０のいずれにも通じない状態に設定され、バルブ４０は開に設定される。
エンジンＥから排気マニホルド５０の側に排出された高温の排気ガス（図中の実線矢印）は、排気マニホルド本体１０の各別流路１，２，３，４から主流路５に集められ、第１触媒装置６を通過する。そして、排気ガスは、分岐部２０の側に分流することなく、主流路５から下流のセンターパイプ７０に送られ、その後、図示しない第２触媒装置、消音器等を経て外部に排出される。
この完全停止状態では、熱交換器３０に排気ガスは全く通過しないため、排熱回収は行われない。また、第１分岐路６２に排気ガスが流入することもない。従って、ＥＧＲ装置および排熱回収装置の両方が無効状態（スイッチＯＦＦ）にされる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１ａ】本発明の第１実施形態によるＥＧＲ装置の概略構成図
【図１ｂ】本発明の第１実施形態によるＥＧＲ装置の概略構成図
【図２】排気マニホルドの縦断面図
【図３】排気マニホルドの横断面図
【図４ａ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図４ｂ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図４ｃ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図４ｄ】本発明の第２実施形態による排気ガス利用装置の概略構成図
【図５】従来技術によるＥＧＲ装置の概略構成図
【図６】従来技術による排熱回収装置の概略構成図
【符号の説明】
【００５２】
１，２，３，４ 各別流路
５ 主流路
１０ マニホルド本体
２０ 分岐部
２０ａ 流出口
３０ 熱交換器
４０ バルブ
５０ 排気マニホルド
６０ 分岐路
６２ 第１分岐路
６３ 第２分岐路
１００ ＥＧＲ装置
２００ 排気ガス利用装置
Ｅ エンジン
Ｉ 吸気マニホルド
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ シリンダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路を有する排気マニホルド本体と、
前記排気ガスの少なくとも一部を前記主流路から取り出すべく前記排気マニホルド本体に設けた分岐部と、
前記分岐部に取り出された排気ガスを前記排気マニホルド本体から流出する流出口と、
を備え、
前記排気マニホルド本体のうち前記流出口の設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、前記排気ガスの熱を回収する熱交換器を設けてある排気マニホルド。
【請求項２】
前記排気マニホルド本体が、前記エンジンが有する複数のシリンダに各別に接続される各別流路を備え、前記主流路は前記各別流路を統合するものであり、
当該主流路の周囲に前記熱交換器を備えてある請求項１に記載の排気マニホルド。
【請求項３】
前記主流路から前記分岐部に分流する排気ガスの流量を調節するバルブを前記主流路に設けてある請求項１または２に記載の排気マニホルド。
【請求項４】
前記熱交換器が、前記排気ガスを前記エンジンの吸気マニホルドに還流させるためのＥＧＲクーラーの機能を有する請求項１から３の何れか一項に記載の排気マニホルド。
【請求項５】
請求項４に記載の排気マニホルドを前記エンジンに接続すると共に、
前記分岐部から延出する分岐路を前記吸気マニホルドに接続してあるＥＧＲ装置。
【請求項６】
請求項４に記載の排気マニホルドが前記エンジンに接続され、
前記分岐部から延出する分岐路が、前記吸気マニホルドに接続される第１分岐路と、前記主流路の下流側に再び接続される第２分岐路とを備えている排気ガス利用装置。
【請求項１】
エンジンで生じた排気ガスを排出するための主流路を有する排気マニホルド本体と、
前記排気ガスの少なくとも一部を前記主流路から取り出すべく前記排気マニホルド本体に設けた分岐部と、
前記分岐部に取り出された排気ガスを前記排気マニホルド本体から流出する流出口と、
を備え、
前記排気マニホルド本体のうち前記流出口の設置箇所よりも排気ガスの流通方向に沿った上流側に、前記排気ガスの熱を回収する熱交換器を設けてある排気マニホルド。
【請求項２】
前記排気マニホルド本体が、前記エンジンが有する複数のシリンダに各別に接続される各別流路を備え、前記主流路は前記各別流路を統合するものであり、
当該主流路の周囲に前記熱交換器を備えてある請求項１に記載の排気マニホルド。
【請求項３】
前記主流路から前記分岐部に分流する排気ガスの流量を調節するバルブを前記主流路に設けてある請求項１または２に記載の排気マニホルド。
【請求項４】
前記熱交換器が、前記排気ガスを前記エンジンの吸気マニホルドに還流させるためのＥＧＲクーラーの機能を有する請求項１から３の何れか一項に記載の排気マニホルド。
【請求項５】
請求項４に記載の排気マニホルドを前記エンジンに接続すると共に、
前記分岐部から延出する分岐路を前記吸気マニホルドに接続してあるＥＧＲ装置。
【請求項６】
請求項４に記載の排気マニホルドが前記エンジンに接続され、
前記分岐部から延出する分岐路が、前記吸気マニホルドに接続される第１分岐路と、前記主流路の下流側に再び接続される第２分岐路とを備えている排気ガス利用装置。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図４ｄ】
【図５】
【図６】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図４ｄ】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１６３７７３（Ｐ２００８−１６３７７３Ａ）
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３５１６２４（Ｐ２００６−３５１６２４）
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２７日（２００６．１２．２７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【出願人】（０００１００８０５）アイシン高丘株式会社 (202)
【Ｆターム（参考）】
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