(57)【要約】【課題】ハウジング内への異物の侵入を阻止するとともに、排出音による騒音を低減しつつ、内燃機関の排熱を回収する内燃機関の排熱回収用タービン機構を提供することを課題とする。【解決手段】エンジン１０の排気管１１にフィン２４を設け、フィン２４を囲むようにハウジング２０を設ける。ハウジング２０内のフィン２４の入口開口部２０ａ側にコンプレッサ２２を設け、ハウジング２０内のフィン２４の出口開口部２０ｂ側にタービン２３を設ける。コンプレッサ２２と、タービン２３とは、連結軸２１によって一体にする。連結軸２１には、電動発電機２８を接続する。出口開口部２０ｂと、入口開口部２０ａとは、エア流路３０によって連通接続する。【選択図】図１
2010101204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気管に設けられた熱交換部材と、
前記熱交換部材を囲むように配置され、少なくとも空気が導入される入口開口部と、空気が排出される出口開口部とを有するハウジングと、
前記ハウジング内であって前記熱交換部材よりも前記入口開口部側に配置されたコンプレッサと、
前記ハウジング内であって前記熱交換部材よりも前記出口開口部側に配置されたタービンと、
前記コンプレッサと前記タービンとを一体回転可能に連結する連結部材と、
前記連結部材に接続され、電動時に駆動力を発生し、発電時に電力を発生する電動発電機と、
前記出口開口部と前記入口開口部とを連通接続し、前記出口開口部から排出された空気を前記入口開口部に還流させるエア流路と、を備えたことを特徴とする内燃機関の排熱回収用タービン機構。
【請求項２】
前記エア流路に冷却手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排熱回収用タービン機構。
【請求項３】
前記エア流路に消音手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排熱回収用タービン機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排熱回収用タービン機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の問題から二酸化炭素の排出量の削減が求められているのは周知のことであり、化石燃料を燃料とする内燃機関においても燃費の向上が緊急の課題である。自動車等において使用されている内燃機関は、ガソリン等の燃料を燃焼させ、その爆発力によりピストン、クランクなどの機構を駆動して、動力を取り出しているが、一方で燃料が有するエネルギーの約３割は排気熱として排出されている。このことからすると、内燃機関の排気熱を回収して有効に利用することが、燃費の向上のために効果的であると考えられる。そして、内燃機関の排熱を回収する手段として用い得るものとしては、例えば特許文献１に記載の熱タービン装置が考えられる。
【０００３】
図８は、従来の熱タービン装置の構成を示す縦断面図である。図８に示すように、従来の熱タービン装置１００は、内部を高温流体が流通する円管２００と、円管２００に設けられた熱交換部材３００と、入口開口部４２０と出口開口部４４０とを有するハウジング４００と、入口開口部４２０側に配設されたコンプレッサ５００と、出口開口部４４０側に配設されたタービン６００と、コンプレッサ５００とタービン６００とを連結するシャフト７００とを備えている。また、シャフト７００の出口開口部４４０側の先端には、出力機（図示省略）が連結されている。このような構成により、コンプレッサ５００で圧縮された空気は、熱交換部材３００を介して高温流体の熱エネルギーを受け取り、熱膨張する。そして、熱膨張した空気は、出口開口部４４０側に向かい、タービン６００を回転させる。その結果、タービン６００が回転することにより、シャフト７００が回転し、シャフト７００に連結された出力機から動力を取り出すことができる。つまり、前記熱タービン装置１００は、高温流体の熱エネルギーを動力に変換する点で非常に有用であり、内燃機関の排熱を回収する手段として利用することが可能である。
【０００４】
【特許文献１】実開昭５８−７０４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記熱タービン装置では、入口開口部が開放されており、ハウジング内とその外部とが連通しているため、外部の空気といっしょに埃、ゴミ、水等の異物がハウジング内に入り、これに起因してハウジング内に詰まりが発生し、ひいては、熱タービン装置自体の作動が不安定になるとともに耐用性（耐用年数）が低下するという弊害があった。
また、熱膨張した空気をそのまま外部に排出すると、排出音が発生して騒音になるが、前記熱タービン装置では、出口開口部が開放されており、排出音を低減する手段が何ら講じられていなかった。
【０００６】
本発明は、このような観点から創案されたものであり、ハウジング内への異物の侵入を阻止するとともに、排出音による騒音を低減しつつ、内燃機関の排熱を回収する内燃機関の排熱回収用タービン機構を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の排気管に設けられた熱交換部材と、前記熱交換部材を囲むように配置され、少なくとも空気が導入される入口開口部と、空気が排出される出口開口部とを有するハウジングと、前記ハウジング内であって前記熱交換部材よりも前記入口開口部側に配置されたコンプレッサと、前記ハウジング内であって前記熱交換部材よりも前記出口開口部側に配置されたタービンと、前記コンプレッサと前記タービンとを一体回転可能に連結する連結部材と、前記連結部材に接続され、電動時に駆動力を発生し、発電時に電力を発生する電動発電機と、前記出口開口部と前記入口開口部とを連通接続し、前記出口開口部から排出された空気を前記入口開口部に還流させるエア流路と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、入口開口部から導入された空気が、排気管により加熱された熱交換部材に接触し、加熱される。そのため、加熱された空気が膨張した上で出口開口部に向かい、タービンを回転させる。タービンは、連結部材によりコンプレッサと一体になっていることから、コンプレッサが回転し、新たな空気がハウジング内へ流入される。こうして、コンプレッサ及びタービンが連続して回転することにより、排熱を動力として回収することができる。
また、エア流路が出口開口部と入口開口部とを連通接続しているため、このエア流路とハウジングとにより閉回路が構成される。換言すると、入口開口部から導入され、ハウジング内を通過して出口開口部から排出された空気が、エア流路内を流通して入口開口部に戻り、入口開口部からハウジング内に再び導入されることになり、内部の空気が循環し続ける。従って、ハウジング内への異物の侵入を阻止することができるため、ハウジング内に詰まりが発生せず、ひいては、排熱回収用タービン機構自体の作動が安定するとともに耐用性（耐用年数）が向上することになる。つまり、長期的に安定した作動を実現することができる。また、熱膨張した空気は、出口開口部からエア流路内に排出されるため、排出音による騒音を低減することができる。
【０００９】
また、エア流路に冷却手段を設けることが好ましい。このようにすると、出口開口部から排出された空気の温度を一旦下げることが可能となり、温度の下がった空気が入口開口部からハウジング内に導入されることにより、空気の熱膨張を促進することができるため、安定した動力を得ることができる。
【００１０】
また、エア流路に消音手段を設けることが好ましい。このようにすると、排出音による騒音をより一層低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る内燃機関の排熱回収用タービン機構によれば、ハウジング内への異物の侵入を阻止するとともに、排出音による騒音を低減しつつ、内燃機関の排熱を回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明の実施形態に係る排熱回収用タービン機構の基本構成を示す概念図であり、図２は、実施形態に係る排熱回収用タービン機構を適用した内燃機関自動車の側面図であり、図３は、図２の排熱回収用タービン機構を平面的に見た断面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であり、図５は、図２に示す内燃機関自動車における走行風の流れを示す側面図である。
【００１３】
図１に示すように、実施形態に係る排熱回収用タービン機構１は、内燃機関であるエンジン１０から排気管１１を通じて排出された排気ガスが有する熱を回収して電動発電機２８により発電を行う装置である。この例では、得られた動力を電動発電機２８で電力に変換することとしているが、その利用用途は電力に限られない。
【００１４】
エンジン１０に連結された排気管１１は、排気を外部へ排出するまでの経路中に、キャタライザ１２、フィン２４、および周知の消音器であるマフラー１３が設けられている。
キャタライザ１２は、排気ガスに含まれる未燃成分を触媒燃焼により酸化させるものであり、エンジン１０の作動中には、非常に高温（例えば、７００〜８００℃）となる。
フィン２４は、熱交換部材に相当し、排気管１１の外側に設けられ、排気管１１内の排気ガスの熱を排気管１１の外へ導く機能を果たす。
【００１５】
排気管１１のフィン２４の外側には、フィン２４を取り囲むようにハウジング２０が設けられている。ハウジング２０には、空気を取り込む入口開口部２０ａと、取り込んだ空気を排出する出口開口部２０ｂとが形成されている。ハウジング２０内のフィン２４と入口開口部２０ａの間には、コンプレッサ２２が設けられ、フィン２４と出口開口部２０ｂの間には、タービン２３が設けられている。コンプレッサ２２とタービン２３は、連結部材である連結軸２１により一体に連結されており、連結軸２１の軸線周りに回転可能となっている。連結軸２１は、電動発電機２８と連結されている。電動発電機２８は、排熱回収用タービン機構１の始動時には電動機として機能し、その駆動力により連結軸２１を回転させて、コンプレッサ２２とタービン２３を始動させる。また、電動発電機２８は、排熱回収用タービン機構１の始動後は発電機として機能し、連結軸２１の回転により駆動されて電力が発生するようになっている。出口開口部２０ｂと入口開口部２０ａとの間には、出口開口部２０ｂから排出された空気を入口開口部２０ａに還流させるエア流路３０が設けられている。
【００１６】
このような排熱回収用タービン機構１は、入口開口部２０ａから流入した空気がハウジング２０内でフィン２４により加熱され、膨張する。膨張した空気は、タービン２３を回転させ、タービン２３の動力によりコンプレッサ２２を回転させ、新たな空気をハウジング２０内に導入し、これを繰り返すことによりコンプレッサ２２、タービン２３、および連結軸２１が回転を続け、排熱の回収が可能となる。
また、出口開口部２０ｂから排出された空気は、エア流路３０内を流通して入口開口部２０ａに戻り、入口開口部２０ａからハウジング２０内に再び流入することになる。
【００１７】
このような基本構成の排熱回収用タービン機構１を自動車に搭載した、より具体的な例について説明する。
図２に示すように内燃機関自動車４は、エンジン１０を前方（図２における左側。以下、前後、上下左右は、内燃機関自動車４を基準とする。）に搭載し、エンジン１０の動力により車体４０を駆動するよう構成されている。
エンジン１０に連結された排気管１１には、上流から順にキャタライザ１２、排熱回収用タービン機構１、およびマフラー１３が設けられ、これらがともに車体４０の下面に固定されている。排熱回収用タービン機構１は、高温になるキャタライザ１２の直後（下流）に設けられている。このため、高温の排熱を動力源とすることができ、排熱を効率よく回収することができる。
【００１８】
図３に示すように、ハウジング２０は、円筒状に形成され、排気管１１は、ハウジング２０を横断するように貫通している。
ハウジング２０の軸中心には、連結軸２１が配置されている。連結軸２１は、前側軸受２５と、後側軸受２６とにより回転可能に支持されている。なお、前側軸受２５は、ハウジング２０内の前方で連結軸２１へ向けて伸びた軸受フレーム２５ａに支持され、後側軸受２６は、ハウジング２０内の後方で連結軸２１へ向けて伸びた軸受フレーム２６ａに支持されている。
【００１９】
ハウジング２０の前方は、入口開口部２０ａが開口し、後方は、出口開口部２０ｂが開口している。連結軸２１の前方における入口開口部２０ａ付近には、軸流型のコンプレッサ２２が配置され、連結軸２１の後方における出口開口部２０ｂ付近には軸流型のタービン２３が配置されている。
【００２０】
連結軸２１の後端には、ベベルギヤ２１ａが設けられており、電動発電機２８の入力軸２８ａの先端に設けられたベベルギヤ２８ｂと噛合している。電動発電機２８は、ハウジング２０の側方に配置されている。入力軸２８ａは、ハウジング２０の側部に形成された孔２０ｃから内部へ挿通されて、連結軸２１と直交している。なお、電動発電機２８の入力軸２８ａは、ハウジング２０の側部に固定された軸受箱２９内の軸受２９ａ，２９ｂにより回転可能に支持されている。
【００２１】
出口開口部２０ｂと入口開口部２０ａとは、エア流路３０を介して連通接続されている。エア流路３０は、円筒状に形成され、ハウジング２０に連続して一体的に形成されている。エア流路３０とハウジング２０とにより環状の閉回路が形成されている。また、エア流路３０には、図５に示すように、車体４０の前部に形成された導風孔（図示省略）から流入した走行風や車体４０の下方を流れる走行風が当たって、その内部を流通する空気が冷却されている。
尚、本実施形態のエア流路３０は、ハウジング２０と一体的に形成したが、別体で形成し、ハウジング２０と接合しても構わない。
【００２２】
排気管１１は、図３および図４に示すように、ハウジング２０に入る前に複数、例えば４つの排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに並列に分岐しており、排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、ハウジング２０を横切って出た後に再び集合して一つの排気管１１となっている。
分岐した排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、それぞれ薄い板状の流路を形成しており、ハウジング２０内で連結軸２１を取り巻くように配置されている。換言すると、分岐した排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、ハウジング２０の内周に沿って湾曲している。
そして、排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの外側には、ハウジング２０内の空気流に沿う方向、すなわち前後方向に沿って複数のフィン２４ａが設けられている。また、各排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの内部には、排気の流れに沿って、すなわち左右方向に沿って複数のフィン２４ｂが設けられている。なお、排気管１１が分岐しているのは、ハウジング２０内での熱交換の効率を良くするためであり、この分岐した部分とフィン２４ａ，２４ｂが熱交換部材に相当する。排気管１１の分岐の仕方は、適用される装置に応じて適宜な変更をすることができ、例えば、板状でなく、円管状に分岐してもよいし、ハウジング２０内に入った後で分岐してもよい。
【００２３】
以上のように構成された排熱回収用タービン機構１を搭載した内燃機関自動車４の動作について説明する。まず、ガソリンや軽油を燃料としたエンジン１０を作動させると、排気ガスが排気管１１を通じて外部へ放出される。この際、排気ガスは、キャタライザ１２、排熱回収用タービン機構１、マフラー１３を通じて外部へ放出される。排気ガスは、キャタライザ１２を通過すると未燃成分が燃焼して高温になる。高温になった排気ガスは、分岐した排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄへと分流し、フィン２４ｂ，２４ａを介してハウジング２０内を流れる空気流と熱交換を行う。熱交換が済んで冷却された排気ガスは、マフラー１３を介して外部へ排出される。
【００２４】
一方、熱交換により加熱されたハウジング２０内の空気は熱膨張して体積が増え、ハウジング２０内の圧力を高める。高圧になった空気は、タービン２３を回転させ、出口開口部２０ｂからエア流路３０へ放出される。
タービン２３が回転されると、連結軸２１により一体になったコンプレッサ２２も回転し、入口開口部２０ａから新たな空気（加熱前の空気）をハウジング２０内へ導入する。そして、この空気がフィン２４ａにより加熱されることで、再びタービン２３を回転させ、連結軸２１の回転を継続させる。
【００２５】
連結軸２１の回転は、後端のベベルギヤ２１ａ，２８ｂを介して電動発電機２８へ伝達され、電動発電機２８で電力を発生して有効利用される。
また、ハウジング２０からエア流路３０へ放出された空気は、エア流路３０内を流通して入口開口部２０ａに戻り、入口開口部２０ａからハウジング２０内に再び流入する。つまり、排熱回収用タービン機構１の内部の空気が循環し続ける。
【００２６】
以上のように、本実施形態の排熱回収用タービン機構１およびこれを搭載した内燃機関自動車４によれば、排気ガスが有する熱を、連結軸２１の回転を通じ、電力として回収することができる。したがって、内燃機関自動車４の燃費を向上させる。特に、本実施形態の排熱回収用タービン機構１をＦ１用の自動車に搭載すると非常に有用である。すなわち、排熱回収用タービン機構１は、排気ガスの温度が高ければ高いほど熱効率が向上するため、エンジンが超高速で回転する頻度が高く、排気ガスの温度も高温になるＦ１用の自動車に排熱回収用タービン機構１を搭載すると、熱効率をより一層向上させることができる。尚、排気ガスの流れに対しては、排気管１１のカーブ、分岐やフィン２４ｂなどを除いては、抵抗とならないため、エンジン１０自体の効率に与える影響は最小限で済む。
また、エア流路３０が出口開口部２０ｂと入口開口部２０ａとを連通接続し、ハウジング２０とエア流路３０とにより閉回路が構成されるため、内部の空気が循環し続ける。従って、ハウジング２０内への異物の侵入を阻止することができるため、ハウジング２０内に詰まりが発生せず、ひいては、排熱回収用タービン機構１自体の作動が安定するとともに耐用性（耐用年数）を向上させることができる。また、熱膨張した空気は、出口開口部２０ｂからエア流路３０内に排出されるため、排出音による騒音を低減することができる。
【００２７】
また、エア流路３０を設けることで、ハウジング２０内への異物の侵入を阻止するとともに、排出音による騒音を低減することが可能となり、異物の侵入を阻止するためのエアフィルター等の除去装置や排出音を低減させるための消音装置を別途設ける必要がないため、排熱回収用タービン機構の小型化に貢献することができる。
また、車体４０に形成された導風孔からの走行風や車体４０の下方からの走行風がエア流路３０に当たり、出口開口部２０ｂから排出された空気の温度を一旦下げることが可能となり、温度の下がった空気が入口開口部２０ａからハウジング２０内に導入されることにより、空気の熱膨張を促進することができるため、安定した動力を得ることができる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
本実施形態の排熱回収用タービン機構１内を循環する作動流体は、空気であるが、これに限定されることなく、同様の作用効果が期待できれば他のものに変更してもよい。
【００２９】
また、電動発電機２８を設けることなく、連結軸２１の回転力を、エアコンのコンプレッサ、オイルポンプなどの駆動力として利用することもできる。
【００３０】
また、コンプレッサ２２やタービン２３は、軸流型ではなく、遠心型のコンプレッサやタービンであっても構わない。さらに、コンプレッサ２２やタービン２３を軸状の部材で連結するのではなく、筒状の部材でコンプレッサ２２やタービン２３の外周を連結してもよい。
【００３１】
また、図６に示すように、エア流路３０の途中に冷却手段である冷却水流路５０を設けてもよい。尚、図６は、冷却水流路５０を設けた排熱回収用タービン機構１の構成を示す概略図である。
【００３２】
図６に示すように、ラジエータ６０からエンジン１０に向かう冷却水流路５０は、分岐して、その一部がエア流路３０の内部に挿通されている。冷却水流路５０は、エア流路３０内において螺旋状に形成され、エア流路３０内の空気の流れに沿って延在している。エア流路３０から出た冷却水流路５０は、エンジン１０からラジエータ６０に向かう冷却水流路５０に合流している。
このようにすると、冷却水流路５０内を流通する冷却水が、エア流路３０内を流通する空気の熱を奪い、冷やされた空気がハウジング２０内に導入されることにより、空気の熱膨張を促進することができるため、安定した動力を得ることができる。また、冷却水流路５０が螺旋状に形成されることにより、エア流路３０内を流通する空気が冷却水流路５０に触れる面積が大きくなり、熱交換の効率が良くなる。
【００３３】
尚、冷却水流路５０をエア流路３０の外周に螺旋状に巻いてもよい。また、冷却水流路５０を並列に分岐してもよい。冷却水流路５０を分岐させると、エア流路３０内を流通する空気が冷却水流路５０に触れる面積がより大きくなり、エア流路３０内での熱交換の効率がより一層向上する。また、エア流路３０の外周にフィンを設けて、外気によりエア流路３０内に流通する空気を冷やしてもよい。さらに、エア流路３０から出た冷却水流路５０をヒーター（図示省略）等に接続してもよい。このようにすると、エア流路３０内を流通する空気の熱を、ヒーターの発熱等に利用することができる。
【００３４】
また、本実施形態のエア流路３０は、一重管であるが、これに限定されることなく、適宜変更してよい。例えば、図７に示すように、消音手段としてエア流路３０を二重管で形成してもよい。尚、図７は、変形例に係るエア流路３０の縦断面図である。
【００３５】
図７に示すように、変形例に係るエア流路３０は、内管３０ａと、内管３０ａより大径の外管３０ｂと、内管３０ａと外管３０ｂとの間に形成された複数のリブ３０ｃ，３０ｃ・・・とから主に構成されている。
内管３０ａは、円筒状に形成されている。外管３０ｂは、円筒状に形成され、内管３０ａと同心円状に形成されている。リブ３０ｃは、等しい間隔を空けて放射状に配置されており、内管３０ａと外管３０ｂとは、リブ３０ｃを介して一体的に結合している。また、リブ３０ｃ相互間には、間隙部３０ｄ，３０ｄ・・・が形成されている。このようにすると、間隙部３０ｄの空気層によって、排出音による騒音をより一層低減することができる。
【００３６】
また、消音手段としてエア流路３０を消音部材で形成してもよい。このようにすると、排出音による騒音をより一層低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態に係る排熱回収用タービン機構の基本構成を示す概念図である。
【図２】実施形態に係る排熱回収用タービン機構を適用した内燃機関自動車の側面図である。
【図３】図２の排熱回収用タービン機構を平面的に見た断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図２に示す内燃機関自動車における走行風の流れを示す側面図である。
【図６】変形例に係る排熱回収用タービン機構の構成を示す概略図である。
【図７】変形例に係るエア流路の構成を示す縦断面図である
【図８】従来例に係る熱タービン装置の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１      排熱回収用タービン機構
４      内燃機関自動車
１０    エンジン（内燃機関）
１１    排気管
１２    キャタライザ
２０    ハウジング
２０ａ  入口開口部
２０ｂ  出口開口部
２１    連結軸（連結部材）
２２    コンプレッサ
２３    タービン
２４    フィン（熱交換部材）
２８    電動発電機
３０    エア流路
５０    冷却水流路（冷却手段）
【図１】
2010101204.tif 000003
【図２】
2010101204.tif 000004
【図３】
2010101204.tif 000005
【図４】
2010101204.tif 000006
【図５】
2010101204.tif 000007
【図６】
2010101204.tif 000008
【図７】
2010101204.tif 000009
【図８】
2010101204.tif 000010