JP2012007500A

JP2012007500A - 内燃機関の排気熱回収装置

Info

Publication number: JP2012007500A
Application number: JP2010142209A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Taga; 文浩田賀
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】比較的簡単かつ安価な構成でありながら、ターボチャージャ及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、効率良く排気熱損失を回収して動力として回生することで更なる熱効率の改善を図ることができる内燃機関の排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】本発明は、内燃機関１００の排気通路に介装される排気過給機１１００と、排気過給機１１００より排気上流側の排気通路から分岐して排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関の燃焼室へ還流させるＥＧＲシステムと、を備えた内燃機関の排気熱回収装置であって、ＥＧＲガスと作動媒体との間で熱交換する第１の熱交換器２００と、第１の熱交換器２００から流出する作動媒体と排気過給機から流出する排気との間で熱交換する第２の熱交換器３００と、第２の熱交換器３００から流出する作動媒体により膨張機４００を駆動することで内燃機関の排気熱を回収することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気熱回収装置に関する。より詳しくは、ランキンサイクルにより内燃機関の排気熱を回収する技術に関する。

従来、この種の装置として、例えば、特許文献１に記載されているような内燃機関の排ガス廃熱回収装置がある。

しかし、特許文献１に記載される内燃機関の排ガス廃熱回収装置は、ターボチャージャ（排気過給機）を備えず、またＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）を行うことを前提としていない。

このため、ターボチャージャを備えると共にＥＧＲシステムを備えた内燃機関に対して、特許文献１に記載の技術をそのまま適用することはできず、また例えそのまま適用できたとしても、排気熱を有効に回収することはできないといった実情がある。

更に、例えば、特許文献２には、排気通路にターボチャージャを介装すると共にＥＧＲシステムを備えた内燃機関においてエネルギ回収装置（排気熱回収装置）を備えたものが記載されている。

特許文献２に記載される内燃機関のエネルギ回収装置（排気熱回収装置）では、図２に示すように、ターボチャージャ３と、その後流の第１熱交換器４と、第１熱交換器４の後流に配置されたＥＧＲ制御弁７と、ＥＧＲ制御弁７からの排気ガスをコンプレッサ２１に送り込む吸気系に設けられた水分離器８と、コンプレッサ２１から送り出されるＥＧＲガスと空気とを冷却すると共に第１熱交換器４へ送り込む蒸気を発生させる第２熱交換器５と、及び第１熱交換器４で発生した高温蒸気によって駆動される蒸気タービン３５が備えられている。

すなわち、特許文献２に記載される内燃機関のエネルギ回収装置は、ターボチャージャ３により圧縮されて高温となっているＥＧＲガス及び給気の熱を利用して第２熱交換器５にて熱湯（ランキンサイクルの作動媒体）を蒸気に変化させ、更に、この蒸気をターボチャージャ３から流出してエンジンの燃焼室に還流されるＥＧＲガスの熱を利用して第１熱交換器４にて高温蒸気とし、この高温蒸気により蒸気タービン３５を駆動することで発電・電動機８を駆動して発電し、蒸気エネルギを電気エネルギに変換して回収しようとするものである。

ここにおいて、ＥＧＲガスとは、エンジンからの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムにおいて、前記燃焼室内に還流させられる排気のことである。

実公昭６３−１９６８３号公報特開２００１−１３２４４２号公報

しかし、特許文献２に記載される内燃機関のエネルギ回収装置では、ターボチャージャ３により圧縮された給気（新気＋ＥＧＲガス）の持つ熱を利用して、第２熱交換器５にて蒸気タービン３５の作動媒体（熱湯）を蒸気に気化させる構成であるため、効果的に排気熱を回収できているとは言い難い面がある。

また、特許文献２に記載される内燃機関のエネルギ回収装置では、ターボチャージャ３から流出し内燃機関の燃焼室に還流されるＥＧＲガスの熱を利用して第１熱交換器４にて蒸気タービン３５の駆動媒体（前記蒸気）を高温蒸気とする構成であり、高温蒸気とするためには比較的多くの熱量が必要とされることになるが、ＥＧＲガスの流量自体が比較的少量であるため十分な熱量の供給ができないおそれがあり、言い換えれば十分に排気熱を回収することができていないおそれがある。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、ターボチャージャ（排気過給機）及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、効率良く排気熱損失を回収して動力として回生することで更なる熱効率の改善を図ることができる内燃機関の排気熱回収装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の排気熱回収装置は、
内燃機関の排気通路に介装される排気過給機と、
排気過給機より排気上流側の排気通路から分岐して排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関の燃焼室へ還流させるＥＧＲシステムと、
を備えた内燃機関の排気熱回収装置であって、
ＥＧＲガスと、作動媒体と、の間で熱交換する第１の熱交換器と、
第１の熱交換器から流出する作動媒体と、排気過給機から流出する排気と、の間で熱交換する第２の熱交換器と、
第２の熱交換器から流出する作動媒体により膨張機を駆動することで内燃機関の排気熱を回収することを特徴とする。

本発明において、前記膨張機には発電機が接続され、当該発電機が駆動されることで得られる電気エネルギにより電動モーターが駆動され、該電動モーターの出力が内燃機関の軸出力に動力として回生されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、ターボチャージャ（排気過給機）及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、効率良く排気熱損失を回収し、動力として回生することで更なる熱効率の改善を図ることができる内燃機関の排気熱回収装置及び内燃機関の排気熱動力回生装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係るターボチャージャとＥＧＲシステムを備えた内燃機関の排気熱回収装置の全体構成の一例を概略的に示した図である。従来におけるターボチャージャとＥＧＲシステムを備えた内燃機関の排気熱回収装置の全体構成の一例を概略的に示した図である。

以下に、本発明の一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る排気熱回収装置（排気熱動力回生装置）を備えた内燃機関１００の全体的な構成を示している。
なお、内燃機関の排気熱を回収する装置を内燃機関の排気熱回収装置と称し、内燃機関の排気熱を動力として回生する構成までを含めた装置は内燃機関の排気熱動力回生装置と称する。

図１では、内燃機関１００として直列式４気筒のディーゼル燃焼機関（エンジン）を例示しているが、これに限定されるものではない。

本実施の形態に係る排気熱回収装置を備えた内燃機関１００では、排気熱損失をランキンサイクルにより回収して発電に利用し、この発電により得られた電気エネルギによって電動モーターを駆動して内燃機関１００の軸出力（クランク軸出力）として回生するように構成されている。

より具体的に説明すると、図１に示したように、本実施の形態においては、内燃機関１００の排気の一部が、ＥＧＲガスとして、第１の熱交換器である蒸発器２００に導かれるようになっている。

蒸発器２００では、ＥＧＲガスの熱を利用して排気熱回収システム（ランキンサキクル）の作動媒体である圧縮液（例えば熱湯）を蒸発させる。

なお、蒸発器２００により熱を奪われて冷却されたＥＧＲガスは、内燃機関１００の吸気通路に導かれて給気と共に燃焼室内へ導かれて再燃焼されるが、このようなＥＧＲを行うことで、燃焼温度の低減が図られて排気中のＮＯｘ排出量の低減が図られるようになっている。

本実施の形態に係る内燃機関１００の排気熱回収装置では、作動媒体は圧縮機（電動ポンプ等）６００によって圧縮され、蒸発器２００、過熱器３００、膨張機（蒸気タービン）４００、凝縮器５００が介装される排気熱回収システム（ランキンサキクル）内を循環されるが、凝縮器５００で作動媒体である蒸気が冷却されて圧縮液（熱湯）にされ、前述した蒸発器２００にてこの熱湯が蒸気に気化され、更に過熱器３００にて過熱蒸気とされた後、膨張機（蒸気タービン）４００へ送り込まれて発電機７００を駆動することで蒸気エネルギを電気エネルギに変換し、この得られた電気エネルギを電動モーター８００によって内燃機関１００の動力として回生するようになっている。

本実施の形態に係る過熱器３００（第２の熱交換器）では、蒸発器２００から送られてくる蒸気に排気熱を与えて過熱蒸気に過熱するが、ここではターボチャージャ（排気過給機）１１００で過給の仕事に供されターボチャージャ（排気過給機）１１００から流出してくる排気の熱を利用している。

そして、過熱器３００にて過熱蒸気にされた作動媒体は、膨張機（蒸気タービン）４００に導かれるが、ここでタービンを回転駆動して発電機７００を駆動するようになっている。

本実施の形態では、発電機７００において蒸気エネルギ（排気熱）を電気エネルギに変換する一方、この電気エネルギによって電動モーター８００を駆動することにより、排気熱を効率良く回収し内燃機関１００の軸出力（クランク軸出力）に連結された動力として回生するようになっている。

なお、本実施の形態に係る凝縮器５００（第３の熱交換器）は、ターボチャージャ１１００により圧縮されて高温となった給気を冷却するためのインタークーラー（熱交換器）１０００と、内燃機関１００の冷却媒体（冷却水）を冷却するラジエータ（熱交換器）１２００と、の間に配設され、内燃機関１００によって駆動されるクーリングファン９００によって冷却可能な構成となっている。

ただし、本実施の形態に係る凝縮器５００は、図示しない電動ファンにより、或いは／及び冷却水を吹き付けることで冷却するような構成によって冷却されるような構成とすることもできる。

ラジエータ１２００により冷却された冷却媒体（冷却水）は、図１に示したように、ウォーターポンプ１３００により圧送されて、内燃機関１００のウォータージャケット等の冷却通路を通って内燃機関１００を冷却した後、再びラジエータ１２００に循環されるようになっている。

なお、図示しないサーモスタットを冷却媒体の循環通路に介装し、冷却媒体が所定温度以下ではラジエータ１２００をバイパスさせる構成として内燃機関１００の暖機を促進するような構成とすることができるのは勿論である。

このように、本実施の形態に係る内燃機関１００の排気熱回収装置では、ランキンサイクルの作動媒体である圧縮液を、蒸発器２００にてＥＧＲガスの熱により蒸発させ、その後、過熱器３００にて排気の熱により過熱して過熱蒸気とし、この過熱蒸気を膨張機４００にて膨張させることで内燃機関１００の排気熱を動力として回生すると共に、膨張機４００にて過熱蒸気は膨張されて膨張蒸気となり、これが凝縮器５００により冷却されて凝縮液に液化され、この凝縮液が圧縮機６００にて圧縮されて再び圧縮液とされるように構成したので、蒸発器２００にてＥＧＲガスを効果的に冷却しつつＥＧＲガスの熱を有効に回収することができると共に、ターボチャージャ１１００から流出する排気の熱を過熱器３００にて有効に回収することができ、以ってターボチャージャ（排気過給機）とＥＧＲシステムとを備えた内燃機関において効率良く排気熱損失を回収することができる排気熱回収装置を実現することができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関１００の排気熱回収装置によれば、上述したように効率良く排気熱を回収することができるため、この回収した排気熱を効率良く動力として回生することが可能となり、延いては内燃機関１００の更なる熱効率の改善を図ることが可能となる。

なお、本実施の形態では、蒸発器２００にてＥＧＲガスを効果的に冷却することができるので、従来において別途設けていたＥＧＲガスクーラーシステム（熱交換器、冷却媒体通路など）を省略することができるため、構成の簡略化や装置の小型化や軽量化を図ることができると共に、低コスト化や部品点数削減による生産能率の向上等を促進することができる。

ところで、本実施の形態では、回収した排気熱を利用して膨張機（蒸気タービン）４００延いては発電機７００を駆動し、これにより得られた電気エネルギを電動モーター８００を介して内燃機関１００の軸出力（クランク軸出力）へ回生する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＰＴＯ（ＰｏｗｅｒＴａｋｅＯｆｆ）の動力として回生するような構成とすることもできる。

また、本発明は上記構成に限らず、回収した排気熱を電気エネルギに変換してこれを電動モーター８００を介して内燃機関１００の軸出力（クランク軸出力）へ回生する構成とすることなく、例えば、回収した排気熱を利用して駆動される膨張機（蒸気タービン）４００の回転を減速機、増速機或いは無段変速機などを介して直接的に内燃機関のクランク軸（出力軸）或いはＰＴＯ（ＰｏｗｅｒＴａｋｅＯｆｆ）の動力として回生するような構成とすることもできる。

また、本実施の形態では、排気熱回収装置（ランキンサキクル）の作動媒体として水（熱湯、蒸気、過熱蒸気等の相変化を利用）を用いた場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要求等に応じて他の作動媒体を採用することも可能である。

なお、内燃機関１００はディーゼル機関に限定されるものではなく、例えば、ガソリンエンジンその他の内燃機関とすることができ、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の内燃機関に本発明は適用可能である。

また、内燃機関に供給される燃料としては特に限定されるものでなく、軽油、ガソリン、アルコール、ＬＮＧ（ＬｉｑｕｉｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ）などの化石燃料の他、例えばバイオ燃料やバイオ燃料を混合した燃料（例えば、バイオ燃料混合軽油やバイオ燃料混合ガソリン等）を燃料とする燃焼装置などにも適用可能である。

本実施の形態では、ＥＧＲガス冷却（クーラー）システムを省略した場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、要求等に応じて適宜ＥＧＲガスクーラーシステムを搭載することも可能である。

ところで、本実施の形態に係る内燃機関１００の排気熱回収装置は、図１において、ＥＧＲガスが流れるＥＧＲガス通路に介装されるＥＧＲ制御弁の図示が省略されているが、従来同様ＥＧＲガス通路にＥＧＲ制御弁（ＥＧＲガス通路を流れるＥＧＲガス量を調整する開度調整弁）や、給気がＥＧＲガス通路側に流入するのを抑制する一方向弁などを介装することができるものである。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜変更を加え得ることは可能である。

本発明に係る内燃機関の排気熱回収装置は、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、ターボチャージャ（排気過給機）及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、効率良く排気熱損失を回収し、動力として回生することで更なる熱効率の改善を図ることができ、有益である。

１００内燃機関
２００蒸発器（第１の熱交換器）
３００過熱器（第２の熱交換器）
４００膨張機（蒸気タービン）
５００凝縮器（第３の熱交換器）
６００圧縮機
７００発電機
８００電動モーター
９００クーリングファン
１０００インタークーラー
１１００ターボチャージャ（排気過給機）
１２００ラジエータ
１３００ウォーターポンプ

Claims

内燃機関の排気通路に介装される排気過給機と、
排気過給機より排気上流側の排気通路から分岐して排気の一部をＥＧＲガスとして内燃機関の燃焼室へ還流させるＥＧＲシステムと、
を備えた内燃機関の排気熱回収装置であって、
ＥＧＲガスと、作動媒体と、の間で熱交換する第１の熱交換器と、
第１の熱交換器から流出する作動媒体と、排気過給機から流出する排気と、の間で熱交換する第２の熱交換器と、
第２の熱交換器から流出する作動媒体により膨張機を駆動することで内燃機関の排気熱を回収することを特徴とする内燃機関の排気熱回収装置。
前記膨張機には発電機が接続され、当該発電機が駆動されることで得られる電気エネルギにより電動モーターが駆動され、該電動モーターの出力が内燃機関の軸出力に動力として回生されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気熱回収装置。