JP6425915B2 - 内燃機関の排気熱リサイクルシステム - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気熱リサイクルシステムに係り、より詳細には、内燃機関の排気熱を利用して作動流体を循環させるリサイクル方式を含む内燃機関の排気熱リサイクルシステムに関する。
内燃機関は車両、船舶、小型発電機などで広く用いられ、内燃機関の効率を高める試みが引続いている。内燃機関では、多量の熱量が排気熱で排出されるのが一般的であり、このような排気熱を回収して内燃機関全体の効率を増加させる幾多のシステムが開発されている。排気熱回収システムの構成に必要な装置及び部品、荷重の増加などを考慮したとき、排気量が小さく軽い小型車両よりは、排気量が大きく多数の人員又は貨物を運ぶことができる大型車両に排気熱リサイクルシステムを取り付けることが一層効率的である。
車両の場合、排気熱をリサイクルするシステムには、代表的にターボコンパウンドを利用したシステムと、熱電素子を利用したシステムがある。ターボコンパウンドを利用したシステムは、排気ラインに排気タービンを貼り付け、排気圧でこの排気タービンを回転させて出力を得る方式であり、この方式は、内燃機関が設けられたシステム全体の熱効率を高めることができるが、排気タービンが排気抵抗として働くため、エンジン自体の出力は低くなるとの欠点がある。
熱電素子を利用したシステムは、温度差により電気が発生する熱電素子を利用して電気を充電するか、この電気で補助モータを駆動してエンジンを補助する方式を用いる。しかし、熱電素子自体の費用を無視することができず、熱電素子を取り付けることができる空間が狭小なので、実際の量産車両で熱電素子を取り付けるとしても、有意義にエンジンの熱効率を高めることは容易でないとの問題がある。
特開平０９−０３２６３６号公報
本発明は、前述の問題点を解決するためになされたものであって、内燃機関自体の出力を低下させず、効率よく内燃機関の排気熱をリサイクルすることができるシステムを提供することに目的がある。本発明の他の目的は、排気ガスの排出を妨げないながらも内燃機関の排気熱をリサイクルすることができるシステムを提供することにある。
本発明の内燃機関の排気熱リサイクルシステムは、内燃機関で発生した排気ガスの一部を吸気側に循環させるＥＧＲラインと、前記ＥＧＲラインから伝えられた熱により気化された作動流体でタービンを回転させる作動流体循環ラインと、前記ＥＧＲラインと前記作動流体循環ラインを熱的に連結し、ＥＧＲガスと前記作動流体を熱交換して前記ＥＧＲガスを冷却し、前記ＥＧＲガスからの熱を前記作動流体に伝えるＥＧＲ側熱交換ユニットと、前記排気ガスを外部へ排出する排気ラインに設けられ、前記排気ガスからの熱を前記作動流体に伝える排気側熱交換ユニットと、を備え、前記排気側熱交換ユニットは、排気ガスが通過する排気管と、前記排気管を内部に収容し前記作動流体が流入されるチャンバ入口と、前記作動流体が抜け出すチャンバ出口とを有する熱交換チャンバと、前記熱交換チャンバの内部空間を前記排気管の長さ方向に沿って複数の区域に区画するバッフルと、を備え、前記バッフルの少なくとも一部には、前記熱交換チャンバの内部空間の一区域からこれと隣接した他区域まで前記作動流体の移動を許可する連通孔が形成されていることを特徴とする。
さらに、前記作動流体はランキンサイクル条件を満足することを特徴とする。
さらに、前記内燃機関の排気熱リサイクルシステムは、前記タービンの回転軸とともに回転することができるモータジェネレータを備え、前記モータジェネレータは、前記タービンから回転力の伝達を受けてバッテリーに貯蔵するか、内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加することができ、前記バッテリーから電力の供給を受けて前記内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加することができることを特徴とする。
さらに、前記作動流体は前記排気側熱交換ユニットを常に通過し、前記作動流体は前記ＥＧＲラインを流れる排気ガスの温度が特定の温度（Ｔ１）以上のときのみ前記ＥＧＲ側熱交換ユニットを通過することを特徴とする。
一方、前記Ｔ１は５００℃であることを特徴とする。
さらに、前記排気側熱交換ユニットは、前記ＥＧＲ側熱交換ユニットより前記作動流体循環ラインの上流側に配置されていることを特徴とする。
さらに、前記内燃機関の排気熱リサイクルシステムは、液体状態の作動流体を貯蔵し流入口と流出口を有するリザーバタンクと、前記リザーバタンクの流入口及び流出口全部と流体連通され前記リザーバタンクへ流入される作動流体と、前記リザーバタンクから流れ出る作動流体との相互間を熱交換させるレキュペレータとを備えることを特徴とする。
さらに、前記レキュペレータは、前記流入口を基準に前記リザーバタンクの上流側に配置され、前記流出口を基準に前記リザーバタンクの下流側に配置されることを特徴とする。
さらに、前記排気側熱交換ユニットは、前記排気ガスの汚染物質低減のため前記排気ラインに設けられる後処理ユニットの下流側に設けられることを特徴とする。
さらに、前記ＥＧＲ側熱交換ユニットは、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、前記排気側熱交換ユニットを通過した前記作動流体にＥＧＲガスからの熱を伝えるスーパヒータとを有することを特徴とする。
さらに、前記ＥＧＲガスが前記ＥＧＲ側熱交換ユニットへ流入される流れを基準に、前記スーパヒータは前記ＥＧＲクーラより上流側に配置されることを特徴とする。
さらに、何れか一つのバッフルに形成された連通孔、及びこれと隣接した他のバッフルに形成された連通孔は、互いに反対側に位置することを特徴とする。
さらに、前記排気側熱交換ユニットは、前記熱交換チャンバの内側面から離隔された状態で、前記熱交換チャンバの内部に形成される複数の区域のうち、前記チャンバ入口と連結されている区域である入口区域に形成され、但し、前記作動流体を微粒化させるための複数の噴霧孔を有するノズルプレートを有することを特徴とする。
さらに、前記チャンバ入口の前記熱交換チャンバの内部空間側端部は漏斗状であることを特徴とする。
さらに、内燃機関の排気熱リサイクルシステムは、前記リザーバタンクと前記レキュペレータの間に配置された作動流体ポンプをさらに備え、前記リザーバタンクと前記作動流体ポンプを繋ぐ配管は断熱処理されることを特徴とする。
さらに、前記作動流体循環ラインは、前記ＥＧＲ側熱交換ユニットと前記タービンの間の地点、及び前記タービンと前記レキュペレータの間の地点を連結する作動流体バイパスと、前記作動流体バイパスに設けられ、前記作動流体を前記レキュペレータに選択的にバイパスさせる作動流体バイパスバルブとを備えることを特徴とする。
前記作動流体循環ラインは、前記タービンとレキュペレータの間の配管に形成され、前記タービンから排出されるタービン潤滑油を分離するオイル分離器をさらに備えることを特徴とする。
前記作動流体循環ラインは、前記リザーバタンクの流入口と前記レキュペレータの間に配置され、前記作動流体から熱量を奪い取るＴＥＧコンデンサをさらに備えることを特徴とする。
さらに、前記作動流体循環ラインは冷却ファンをさらに備え、前記レキュペレータと前記ＴＥＧコンデンサの間の配管は、冷却効率を高めるため複数回ほど曲がっている作動流体ラジエータで形成され、前記作動流体ラジエータは前記冷却ファンにより冷却されることを特徴とする。
本発明によれば、内燃機関自体の出力を低下させなくとも効率よく内燃機関の排気熱をリサイクルすることができるシステムを提供することができる。さらに、排気ガスの排出を妨げないながらも内燃機関の排気熱をリサイクルすることができるシステムを提供することができる。
次の図は本発明の好ましい実施形態を例示するものである。前述の発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすので、本発明は図に記載された事項のみに限定され解釈されてはならない。
本発明の内燃機関の排気熱リサイクルシステムの概念図である。 作動流体ラジエータの斜視図である。 オイル分離器の斜視図である。 排気側熱交換ユニットの斜視図である。 図４に示した排気側熱交換ユニットの縦断面図である。 排気側熱交換ユニットに設けたノズルプレートの斜視図である。 チャンバ入口の変形例の縦断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳しく説明する。本発明は、以下の実施形態により制限され、また限定されるものではない。本明細書及び請求の範囲に用いられた用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するため用語の概念を適宜定義することができるとの原則に即し、本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈されなければならない。
図面での各構成要素又はその構成要素をなす特定の部分の大きさは、説明の便宜及び明確性のため誇張又は省略されるか概略的に示されている。したがって、各構成要素の大きさは実際の大きさを全的に反映するものではない。関連した公知機能或いは構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不要ににごす場合、そのような説明は省いている。
図１は、本発明に係る内燃機関の排気熱リサイクルシステムの概念図である。図１に示す通り、本発明に係る内燃機関の排気熱リサイクルシステム（以下、「リサイクルシステム」と記す）は、内燃機関で発生した排気ガスの一部を吸気側に循環させるＥＧＲライン２００と、ＥＧＲライン２００から伝えられた熱により気化された作動流体でタービン３３０を回転させる作動流体循環ライン１００と、ＥＧＲガスからの熱を作動流体に伝えるＥＧＲ側熱交換ユニット３００を備える。
さらに、リサイクルシステムは、排気ガスを外部へ排出する排気ラインに設けられ、排気ガスからの熱を作動流体に伝える排気側熱交換ユニット４００をさらに備える。作動流体は、排気側熱交換ユニット４００を常に通過し、但し、ＥＧＲライン２００を流れる排気ガスの温度が特定の温度（Ｔ１）以上のときのみ作動流体がＥＧＲ側熱交換ユニット３００を通過する。ディーゼルエンジン１を基準にしたとき、Ｔ１は５００℃に設定されてもよい。
以下では、Ｔ１が５００℃に設定されたときを例に挙げて、ＥＧＲガスのＥＧＲライン２００を通じた循環経路に対し説明する。排気マニホールド３からＥＧＲバルブ２１０を介しＥＧＲバイパスバルブ２２０に印加されるＥＧＲガスが５００℃以上であれば、ＥＧＲバイパスバルブ２２０は開放され、図１を基準にＥＧＲガスはＥＧＲバイパスバルブ２２０の右側に移動し、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００を通過して吸気マニホールド２側に供給される。その反面、ＥＧＲガスが５００℃未満であれば、ＥＧＲバイパスバルブ２２０は閉鎖され、図１を基準にＥＧＲガスはＥＧＲバイパスバルブ２２０の上方に移動し、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００を通過しないまま吸気マニホールド２側に供給される。
このように初期エンジン始動時のように排気ガスの温度が低い時は、ＥＧＲガスをＥＧＲ側熱交換ユニット３００を通過させることなく直ちに吸気マニホールド２へ流入させることによりエンジン１を速やかに予熱することができ、排気ガスの温度が十分上昇したあと排気ガスをＥＧＲ側熱交換ユニット３００に印加することにより、排気熱をリサイクルすることができる。
一方、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００は、ＥＧＲライン２００と作動流体循環ライン１００を熱的に連結し、ＥＧＲガスと作動流体を熱交換してＥＧＲガスを冷却し、ＥＧＲガスからの熱を作動流体に伝える。さらに、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００は、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２０と、排気側熱交換ユニット４００を通過した作動流体にＥＧＲガスからの熱を伝えるスーパヒータ３１０を有する。
ＥＧＲガスがＥＧＲ側熱交換ユニット３００へ流入される流れを基準に、スーパヒータ３１０はＥＧＲクーラ３２０より上流側に配置されてもよく、この場合、ＥＧＲガスはスーパヒータ３１０を通過しながら作動流体に熱量を多く伝えることができ、作動流体に未だ伝えられていない熱量を有するＥＧＲガスが始めてＥＧＲクーラ３２０により冷却されるため、作動流体はＥＧＲガスから最大限多い熱量を回収することができるとの利点がある。
以下では、作動流体循環ライン１００上で作動流体が循環する経路に対し説明する。液体状態の作動流体を貯蔵し流入口６２と流出口６４を有するリザーバタンク６０の流出口６４を介し、作動流体が作動流体ポンプ７０に供給され、作動流体ポンプ７０によりポンピングされた作動流体はレキュペレータ５０を通過しながら加熱される。レキュペレータ５０を通過した作動流体は、排気側熱交換ユニット４００に供給され再度熱が伝えられ、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００に備えられたスーパヒータ３１０を介し熱が伝えられる。スーパヒータ３１０を通過する時までも未だ気化されていない液体状態の作動流体は気液分離器３１２により分離され、タービン３３０にはスーパヒータ３１０を通過した気体状態の作動流体だけが供給される。
つまり、作動流体はレキュペレータ５０から熱が伝えられ、排気側熱交換ユニット４００は、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００より作動流体循環ライン１００の上流側に配置されているので、順に排気側熱交換ユニット４００と、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００とを通過して追加的に熱が伝えられる。気体状態の作動流体は、タービン３３０に供給されタービン３３０を回転させ、タービン３３０を回転させることによりエネルギーを失った作動流体は、レキュペレータ５０を通過してリザーバタンク６０の流入口６２に差し戻される。
このような経路を介し循環される作動流体はランキンサイクル条件を満足することができるところ、ここでランキンサイクルとは、二つの断熱変化と二つの等圧変化で構成されるサイクルであって、作動流体が蒸気と液体の相変化を伴うサイクルを言う。ランキンサイクルは広く知られているサイクル中の一つなので、これに対するこれ以上の具体的な説明は省略する。
レキュペレータ５０は、リザーバタンク６０の流入口６２及び流出口６４全部と流体連通されリザーバタンク６０へ流入される作動流体と、リザーバタンク６０から流れ出る作動流体との相互間を熱交換させる。リザーバタンク６０の流出口６４から流れ出る作動流体の観点から見れば、タービン３３０を通過したあとレキュペレータ５０へ流入される作動流体から熱が伝えられて加熱され、逆に、タービン３３０を通過したあとレキュペレータ５０へ流入される作動流体の観点から見れば、リザーバタンク６０の流出口６４から流れ出る作動流体により冷却される。このようにレキュペレータ５０は、リザーバタンク６０の流入口６２を基準にリザーバタンク６０の上流側に配置され、リザーバタンク６０の流出口６４を基準にリザーバタンク６０の下流側に配置され、リザーバタンク６０に供給される作動流体が液体状態で安定的に供給され得るようにし、これと同時に、作動流体を排気側熱交換ユニット４００に供給される前に予め加熱して排気熱回収の効率を高めることができる。
図２は、作動流体ラジエータの斜視図である。図１及び図２に示す通り、作動流体循環ライン１００は、ＴＥＧコンデンサ３７０と、冷却ファン３６０とを備えることができる。ＴＥＧコンデンサ３７０は、リザーバタンク６０の流入口６２とレキュペレータ５０の間に配置され、作動流体から熱量を奪い取りリザーバタンク６０へ流れ込む作動流体を液体状態にするために所定の役割を果たす。さらに、レキュペレータ５０とＴＥＧコンデンサ３７０の間の配管は、冷却効率を高めるため複数回ほど曲がっている作動流体ラジエータ３６２で形成されてもよく、この作動流体ラジエータ３６２は冷却ファン３６０により冷却されてもよい。作動流体ラジエータ３６２の端部３６４はＴＥＧコンデンサ３７０側に連結され、作動流体ラジエータ３６２と冷却ファン３６０により冷却された作動流体がＴＥＧコンデンサ３７０によって追加的に冷却されてもよい。
一方、作動流体ポンプ７０はリザーバタンク６０とレキュペレータ５０の間に配置され、但し、リザーバタンク６０と作動流体ポンプ７０を繋ぐ配管を流れる作動流体が周辺から熱を吸収して気化される場合、ポンピング効率が低下する場合もある。このようなポンピング効率の低下を防止するため、リザーバタンク６０と作動流体ポンプ７０を繋ぐ配管は断熱処理されてもよい。
作動流体循環ライン１００で、ＥＧＲ側熱交換ユニット３００とタービン３３０の間の地点、そして、タービン３３０とレキュペレータ５０の間の地点、この二つの地点は作動流体バイパス３５０により連結されており、この作動流体バイパス３５０には作動流体をレキュペレータ５０に選択的にバイパスさせる作動流体バイパスバルブ３５２が設けられている。作動流体は、特定の温度及び圧力を超過する場合、分子構造が破壊され作動流体固有の物性値を失うことになり得る。このように作動流体が固有の物性値を失い得る場合は、作動流体がタービン３３０を通過する前に再度正常状態にするため、作動流体バイパスバルブ３５２を利用し作動流体をレキュペレータ５０に供給させる。レキュペレータ５０にバイパスされた作動流体は、レキュペレータ５０を通過して正常状態に差し戻され得る。
図３は、オイル分離器の斜視図である。作動流体循環ライン１００では作動流体のみ循環するのが理想的であるが、高温の作動流体はタービン３３０を回転させなければならず、タービン３３０が高速で回転しながら破損されることを防止するため、タービン３３０はタービン潤滑油により潤滑になる。したがって、タービン３３０を通過した作動流体にはタービン潤滑油が混合されることがあり得、タービン３３０から排出されるタービン潤滑油を含めて、作動流体でない他の流体等を作動流体循環ライン１００から分離するためのオイル分離器３４０は、タービン３３０とレキュペレータ５０の間の配管に形成されてもよく、オイル分離器３４０の例示的な構造を図３に示している。
オイル分離器３４０の入口３４２とオイル分離器３４０の出口３４８との間には壁部が形成され、但し、オイル分離器３４０の入口３４２とオイル分離器３４０の出口３４８とは平行せず、例えば、壁部３４４を挟んで直角をなして配置されてもよい。この場合、オイル分離器３４０の入口３４２から高速で流入されたタービン潤滑油と混合されている作動流体が壁部３４４に衝突しながら、タービン潤滑油は壁部３４４の下に形成されている分離ホール３４６を介し抜け出され、このタービン潤滑油は再度タービン３３０に供給され得る。そして、タービン潤滑油成分が分離された作動流体は、オイル分離器３４０の出口３４８を介しレキュペレータ５０へ流入される。レキュペレータ５０へ流入された作動流体は、既に説明したところのように、レキュペレータ５０、作動流体ラジエータ３６２及びＴＥＧコンデンサ３７０を経由しながら冷却される。
図４は、排気側熱交換ユニットの斜視図である。図５は、図４に示した排気側熱交換ユニットの縦断面図である。図１、図４及び図５を参照しつつ、排気ガスの排出経路と排気側熱交換ユニット４００に対し説明する。
ターボチャージャが取り付けられた内燃機関は、図１に示す通り、排気マニホールド３を介し排出された排気ガスが、排気管４０４の排気マニホールド３側の端部に形成された羽根車６Ｂを高速で回転させながら、この羽根車６Ｂとは同軸に形成された吸気側羽根車６Ａを回転させ、これにより過給された空気は、インタクーラ５とエンジンラジエータ４を経由して吸気マニホールド２へ流入されてもよい。羽根車６Ｂを通過した排気ガスは、排気管４０４を介し後処理ユニット４０２と、排気側熱交換ユニット４００とを順次通過し内燃機関の外部へ排出されてもよい。後処理ユニット４０２は、排気ガスの汚染物質の低減のため排気ラインに設けられるものであって、触媒コンバータ、活性炭などが内蔵され得る。後処理ユニット４０２が排気ガスを浄化するためには排気ガスの温度が高くなければならない場合が大部分であり、このため排気側熱交換ユニット４００は、排気ラインに設けられている後処理ユニット４０２の下流側に形成されてもよい。
図１を参照して、ターボチャージャが取り付けられた内燃機関における排気ガスの排出経路を説明したが、羽根車６Ａ、６Ｂなどが形成されていない自然吸気型内燃機関の場合は、排気マニホールド３から排出された排気ガスが排気管４０４を介し後処理ユニット４０２と、排気側熱交換ユニット４００とを順次通過して内燃機関の外部へ排出されてもよい。
排気側熱交換ユニット４００は、排気ガスが通過する排気管４０６と、この排気管４０６を内部に収容して作動流体が流入されるチャンバ入口４３０と、作動流体が抜け出すチャンバ出口４４０とを有する熱交換チャンバ４１０と、熱交換チャンバ４１０の内部空間を排気管４０６の長さ方向に沿って複数の区域に区画するバッフル４２０とを備え、このバッフル４２０の少なくとも一部には、熱交換チャンバ４１０の内部空間の一区域からこれと隣接した他区域まで作動流体の移動を許可する連通孔４１２が形成されてもよい。
何れか一つのバッフル４２０に形成された連通孔４１２、及びこれと隣接した他のバッフル４２０に形成された連通孔４１２は互いに反対側に位置することができ、この場合、作動流体はバッフル４２０等により区画されている区域を、図５に示した矢印方向に沿ってジグザグに移動することができ、熱交換チャンバ４１０内の排気管４０６は複数に分岐されているため、作動流体は排気管４０６との広い接触面積を確保することができ、最大限に長い時間の間排気ガスから排気熱の伝達を受けることができる。
図６は、排気側熱交換ユニットに設けられるノズルプレートの斜視図である。図５及び図６に示す通り、排気側熱交換ユニット４００は、作動流体を微粒化させるための複数の噴霧孔４６２を有するノズルプレート４６０を有することができる。このノズルプレート４６０は、熱交換チャンバ４１０の内側面から離隔された状態で、熱交換チャンバ４１０の内部に形成される複数の区域のうち、チャンバ入口４３０と連結されている区域である入口区域に形成され、複数の噴霧孔４６２はノズルプレート４６０の周囲にかけて形成されてもよい。したがって、チャンバ入口４３０を介し熱交換チャンバ４１０の内部へ流入された作動流体は、ノズルプレート４６０の外周部と熱交換チャンバ４１０の内周部との間に形成された空間へ先ず流入され、複数の噴霧孔４６２を通過し入口区域に全体的に噴射され、複数の区域を全て通過し、チャンバ出口４４０を介して抜け出すことができる。作動流体の気化に最適の条件中一つは、液体状態の作動流体が最大限に微粒化されるようにすることであり、噴霧孔４６２が形成されたノズルプレート４６０は作動流体の微粒化に大いに役立つことができる。
図７は、チャンバ入口の変形例の縦断面図である。図７に示す通り、チャンバ入口４３０の熱交換チャンバ４１０の内部空間側端部は漏斗状に形成されてもよい。この場合、作動流体はチャンバ入口４３０を通過するとすぐ噴霧されてもよく、ノズルプレート４６０を省くことが可能である。勿論、チャンバ入口４３０を図７に示した変形例に形成するとしても、排気側熱交換ユニット４００はノズルプレート４６０まで備えることが可能であり、この際はチャンバ入口４３０を通過し、多少太めの粒子に噴霧された作動流体が複数の噴霧孔４６２を通過しながら一層細い粒子に噴霧され得るので、作動流体がさらによく微粒化可能であるとの利点がある。
以下では、作動流体により回転するタービン３３０の回転力を利用する方式について説明する。図１に示す通り、モータジェネレータ１０はタービン３３０の回転軸とともに回転することができ、タービン３３０から回転力の伝達を受けてバッテリー２０に貯蔵するか、内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加することができ、バッテリー２０から電力の供給を受けて内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加することができる。
より詳しく説明すると、タービン３３０とモータジェネレータ１０の回転子は同軸で連結されており、タービン３３０は滑車（図１を基準にタービンの上方端部に連結されてもよい）とクラッチにより連結されてもよく、このクラッチはタービン３３０と滑車を互いに断続することができる。タービン３３０が回転すればモータジェネレータ１０は電力を生産し、この電力をバッテリー２０に貯蔵しておくことができる。もしクラッチがタービン３３０と滑車を互いに断絶させた状態であれば、タービン３３０の回転は電力生産のみに用いられ、クラッチがタービン３３０と滑車を互いに接続させた状態であれば、タービン３３０の回転力は電力生産だけでなく、内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加するために用いられてもよい。ここで、内燃機関に設けられた回転軸とは、駆動軸に動力を伝えるエンジン１のメイン駆動軸になってもよいが、これに限定されるものではなく、例えば、エアコンポンプ、冷却水ポンプなど、エンジン１に付加的に取り付けられ回転力を利用して稼動する装置等を駆動する軸になってもよい。
さらに、作動流体が循環しないためモータジェネレータ１０がタービン３３０から駆動力の伝達を受けない場合、モータジェネレータ１０はモータの役割を果たすことができる。より詳しく説明すると、タービン３３０と滑車はクラッチにより互いに接続され、バッテリー２０を電力ソースにしてインバータ３０を通過した電力がモータジェネレータ１０に供給され、モータジェネレータ１０、及びこれに連結されたタービン３３０と滑車を全て回転させ、滑車は内燃機関に設けられた回転軸にベルト（チェーン又はギアなどに代替可能である）により連結されているため、結局モータジェネレータ１０は内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加することができる。
一方、エンジン１のギアトレーン７には動力伝達部４０が噛み合うように設けられてもよい。動力伝達部４０はバッテリー２０からインバータ３０を介し電力が伝えられてエンジン１の始動に用いられてもよく、エンジン１を補助する駆動源としての役割を果たしてエンジン１の出力を上昇させるか、エンジン１の負荷を低下させてエンジン１の燃費を向上させる役割を果たすことができる。
前述の本発明に係る内燃機関の排気熱リサイクルシステムによれば、排気側熱交換ユニット４００が排気抵抗として働かないため、内燃機関自体の出力が低下せず効率よく内燃機関の排気熱をリサイクルすることができる。以上具体的な実施形態で本発明を説明したが、本発明の範疇から外れない範囲で多様な変形が可能である。また、本発明の技術的思想は、実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲（均等なものを含む）から定められなければならない。
１ エンジン
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ エンジンラジエータ
５ インタクーラ
７ ギアトレーン
１０ モータジェネレータ
２０ バッテリー
３０ インバータ
４０ 動力伝達部
５０ レキュペレータ
６０ リザーバタンク
６２ 流入口
６４ 流出口
７０ 作動流体ポンプ
１００ 作動流体循環ライン
２００ ＥＧＲライン
２１０ ＥＧＲバルブ
２２０ ＥＧＲバイパスバルブ
３００ ＥＧＲ側熱交換ユニット
３１０ スーパヒータ
３１２ 気液分離器
３２０ ＥＧＲクーラ
３３０ タービン
３４０ オイル分離器
３４６ 分離ホール
３５０ 作動流体バイパス
３５２ 作動流体バイパスバルブ
３６０ 冷却ファン
３６２ 作動流体ラジエータ
３７０ ＴＥＧコンデンサ
４００ 排気側熱交換ユニット
４０２ 後処理ユニット
４０４、４０６ 排気管
４１０ 熱交換チャンバ
４１２ 連通孔
４２０ バッフル
４３０ チャンバ入口
４４０ チャンバ出口
４６０ ノズルプレート
４６２ 噴霧孔

Claims (19)

  1. 内燃機関で発生した排気ガスの一部を吸気側に循環させるＥＧＲラインと、
    前記ＥＧＲラインから伝えられた熱により気化された作動流体でタービンを回転させる作動流体循環ラインと、
    前記ＥＧＲラインと前記作動流体循環ラインを熱的に連結し、ＥＧＲガスと前記作動流体を熱交換して前記ＥＧＲガスを冷却し、前記ＥＧＲガスからの熱を前記作動流体に伝えるＥＧＲ側熱交換ユニットと、
    前記排気ガスを外部へ排出する排気ラインに設けられ、前記排気ガスからの熱を前記作動流体に伝える排気側熱交換ユニットと、を備え、
    前記排気側熱交換ユニットは、
    前記排気ガスが通過する排気管と、
    前記排気管を内部に収容し前記作動流体が流入されるチャンバ入口と、前記作動流体が抜け出すチャンバ出口とを有する熱交換チャンバと、
    前記熱交換チャンバの内部空間を前記排気管の長さ方向に沿って複数の区域に区画するバッフルと、を備え、
    前記バッフルの少なくとも一部には、前記熱交換チャンバの内部空間の一区域からこれと隣接した他区域まで前記作動流体の移動を許可する連通孔が形成されていることを特徴とする内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  2. 前記作動流体は、ランキンサイクル条件を満足す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リサイクルシステム。
  3. 前記タービンの回転軸とともに回転することができるモータジェネレータをさらに備え、
    前記モータジェネレータは、前記タービンから回転力の伝達を受けてバッテリーに貯蔵するか、前記バッテリーから電力の供給を受けて前記内燃機関に設けられた回転軸に動力を印加することができ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リサイクルシステム。
  4. 前記作動流体は前記排気側熱交換ユニットを常に通過し、
    前記作動流体は前記ＥＧＲラインを流れる前記排気ガスの温度が特定の温度（Ｔ１）以上のときのみ前記ＥＧＲ側熱交換ユニットを通過す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リサイクルシステム。
  5. 前記Ｔ１は５００℃であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  6. 前記排気側熱交換ユニットは、前記ＥＧＲ側熱交換ユニットより前記作動流体循環ラインの上流側に配置されてい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リサイクルシステム。
  7. 液体状態の前記作動流体を貯蔵し流入口と流出口を有するリザーバタンクと、
    前記リザーバタンクの流入口及び流出口全部と流体連通され前記リザーバタンクへ流入される前記作動流体と、
    前記リザーバタンクから流れ出る前記作動流体との相互間を熱交換させるレキュペレータと、
    をさらに備え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リサイクルシステム。
  8. 前記レキュペレータは、前記流入口を基準に前記リザーバタンクの上流側に配置され、前記流出口を基準に前記リザーバタンクの下流側に配置されることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  9. 前記排気側熱交換ユニットは、
    前記排気ガスの汚染物質低減のため前記排気ラインに設けられる後処理ユニットの下流側に設けられてい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リサイクルシステム。
  10. 前記ＥＧＲ側熱交換ユニットは、
    ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラと、
    前記排気側熱交換ユニットを通過した前記作動流体に前記ＥＧＲガスからの熱を伝えるスーパヒータと、
    を有す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リサイクルシステム。
  11. 前記ＥＧＲガスが前記ＥＧＲ側熱交換ユニットへ流入される流れを基準に、前記スーパヒータは前記ＥＧＲクーラより上流側に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  12. 何れか一つのバッフルに形成された連通孔、及びこれと隣接した他のバッフルに形成された連通孔は、互いに反対側に位置す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リサイクルシステム。
  13. 前記排気側熱交換ユニットは、
    前記熱交換チャンバの内側面から離隔された状態で、前記熱交換チャンバの内部に形成される複数の区域のうち、前記チャンバ入口と連結されている区域である入口区域に形成され、但し、前記作動流体を微粒化させるための複数の噴霧孔を有するノズルプレートを有す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リサイクルシステム。
  14. 前記チャンバ入口の前記熱交換チャンバの内部空間側端部は、漏斗状であることを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  15. 前記リザーバタンクと前記レキュペレータの間に配置された作動流体ポンプをさらに備え、
    前記リザーバタンクと前記作動流体ポンプを繋ぐ配管は断熱処理されていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  16. 前記作動流体循環ラインは、
    前記ＥＧＲ側熱交換ユニットと前記タービンの間の地点、及び前記タービンと前記レキュペレータの間の地点を連結する作動流体バイパスと、
    前記作動流体バイパスに設けられ、前記作動流体を前記レキュペレータに選択的にバイパスさせる作動流体バイパスバルブと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  17. 前記作動流体循環ラインは、
    前記タービンと前記レキュペレータの間の配管に形成され、前記タービンから排出されるタービン潤滑油を分離するオイル分離器をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  18. 前記作動流体循環ラインは、
    前記リザーバタンクの流入口と前記レキュペレータの間に配置され、前記作動流体から熱量を奪い取るＴＥＧコンデンサをさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
  19. 前記作動流体循環ラインは冷却ファンをさらに備え、
    前記レキュペレータと前記ＴＥＧコンデンサの間の配管は、冷却効率を高めるため複数回ほど曲がっている作動流体ラジエータで形成され、前記作動流体ラジエータは前記冷却ファンにより冷却されることを特徴とする請求項１８に記載の内燃機関の排気熱リサイクルシステム。
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