(57)【要約】【課題】内燃機関の排気熱エネルギーを回収して有効利用する。【解決手段】内燃機関７の排気系と熱交換可能に外燃機関２３の加熱器１１を設け、前記内燃機関７の吸気系と熱交換可能に前記外燃機関２３の冷却器５を設けたことを特徴とする排気熱回収装置。【選択図】        図１
2004270625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系と熱交換可能に外燃機関の加熱器を設け、
前記内燃機関の吸気系と熱交換可能に前記外燃機関の冷却器を設けたことを特徴とする排気熱エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記内燃機関の吸気通路に、
前記冷却器より上流に入口、下流に出口を有し前記冷却器を迂回する吸気バイパス通路と、
前記吸気バイパス通路の入口付近および出口付近の少なくとも一方に、前記吸気バイパス通路と前記吸気通路のいずれか一方の連通を遮断する吸気通路切り替え手段を設け、
前記内燃機関の排気通路に、
前記加熱器より上流に入口、下流に出口を有し前記加熱器を迂回する排気バイパス通路と、
前記排気バイパス通路の入口付近および出口付近の少なくとも一方に、前記排気バイパス通路と前記排気通路のいずれか一方の連通を遮断する排気通路切り替え手段とを設け、
前記吸気通路切り替え手段および排気通路切り替え手段の制御をする吸排気通路制御手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の排気熱エネルギー回収装置。
【請求項３】
前記冷却器を前記内燃機関の吸入空気量を調整するスロットルバルブより下流の吸気通路に設けたことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の排気熱エネルギー回収装置。
【請求項４】
前記加熱器を前記内燃機関の排気系に設けた排気浄化用触媒より下流の排気通路に設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の排気熱エネルギー回収装置。
【請求項５】
内燃機関にノッキング検出手段を設け、ノッキングが検出された場合には、少なくとも吸気通路については前記吸気通路制御バルブが前記吸気バイパス通路を選択することを特徴とする請求項２〜４に記載の排気熱エネルギー回収装置。
【請求項６】
外気温もしくは内燃機関の冷却水温が予め定めた所定値を超えた場合には、吸気通路、排気通路ともにバイパス通路を選択することを特徴とする請求項２〜５のいずれか一つに記載の排気熱エネルギー回収装置。
【請求項７】
前記外燃機関をスターリングエンジンとしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の排気熱エネルギー回収装置。
【請求項８】
前記スターリングエンジンのクランクシャフトに発電機が接続されたことを特徴とする請求項７に記載の排気熱エネルギー回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気熱エネルギーを外燃機関の駆動エネルギーとして活用する為に回収する排気熱エネルギー回収装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
内燃機関の排気系に排気浄化用触媒を介装し、前記触媒とスターリングエンジン等の外燃機関の加熱部とを接続する方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２６６７０１号公報
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１においては外燃機関の加熱部が排気浄化用の触媒から受熱しているので、触媒が昇温するまでの時間、つまり内燃機関始動後に浄化されない排気が排出される時間が長くなるという問題があった。なお、特許文献１には、触媒を並列に配置し、一方の触媒は排気の浄化のみを行い、他方の触媒に外燃機関の加熱部を接続する方法も開示されているが、この方法であっても他方の触媒に関しては前述した実施形態と同様に、内燃機関始動後に浄化されない排気を排出する時間が長くなることには変わりはない。
【０００５】
そこで本発明では、触媒の昇温時間を長くすることなく、内燃機関の排気熱エネルギーを外燃機関の駆動エネルギーとして活用することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気熱エネルギー回収装置は、内燃機関の排気系と熱交換可能に外燃機関の加熱器を設け、前記内燃機関の吸気系と熱交換可能に前記外燃機関の冷却器を設けたことを特徴とする。
【０００７】
【作用・効果】
本発明によれば、外燃機関の加熱部が内燃機関の排気系との熱交換によって加熱され、外燃機関の冷却部が内燃機関の吸気系との熱交換によって冷却されることで外燃機関（スターリングエンジン）が駆動されるので、内燃機関の排気熱エネルギーを外燃機関の駆動エネルギーとして回収することが可能となる。例えば、スターリングエンジンのクランクシャフトに発電機を設ければ、スターリングエンジンが駆動することによって内燃機関から排出される排気の熱エネルギーを電力として回収することができ、この電力を補機駆動等に用いることによってオルタネータの発電量を低減し、燃費消費量を低減して燃費向上を図れる。
【０００８】
また、外燃機関の冷却部との熱交換によって加熱された内燃機関の吸気は膨張し、空気密度が低下する。これにより、吸気を加熱しない場合と同等のトルクを得る為にはスロットル開度が大きくなり、インテークマニホールド内の圧力が上昇するのでポンピングロスが低減し、燃費の向上を図れる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は第１実施形態のシステムの構成を示した図である。７はエンジン、６はエンジン７の吸気通路、８は排気通路である。
【００１１】
吸気通路６には、エアクリーナ１と、エアクリーナ１を通過した吸気量を測定するエアフローメータ２ａ及び吸気温度を測定する吸気温センサ２ｂとが配置され、その下流にはエンジン７へ供給する吸気量を調整するスロットルバルブ３が配置される。
【００１２】
スロットルバルブ３の下流の吸気通路６は、一部が吸気バイパス通路２１と冷却器側通路２４に分岐しており、吸気通路６内に設けられた吸気通路切換バルブ４によって選択的にいずれか一方が閉鎖される。冷却器側通路２４には後述する外燃機関としてのスターリングエンジン２３の冷却器５が設けられる。
【００１３】
排気通路８には排気浄化用触媒９が設けられ、排気浄化用触媒９の下流の一部が加熱器側通路２５と排気バイパス通路２２とに分岐し、排気通路８内に設けられた排気通路切換バルブ１０によって選択的にいずれか一方が閉鎖される。加熱器側通路２５には後述する外燃機関としてのスターリングエンジン２３の加熱器１１が設けられる。
【００１４】
なお、加熱器１１と冷却器５とは再生器１２を介して接続されている。
【００１５】
スターリングエンジン２３はディスプレーサシリンダ２６とパワーシリンダ２７を有する。ディスプレーサシリンダ２６内には、その頭部側に膨張室２８、底部側に圧縮室２９を画成する撹拌用のディスプレーサピストン１３が摺動自在に介装され、パワーシリンダ２７内には、その頭部側にポート３２を介して前記圧縮室２９と連通する作動室３０を画成するパワーピストン１４が摺動自在に介装される。また、膨張室２８は加熱管１８によって前記加熱器１１と接続されており、圧縮室２９は冷却管１７によって前記冷却器５と接続されている。
【００１６】
ディスプレーサピストン１３とパワーピストン１４は、それぞれコネクティングロッド３５、３６を介してクランクシャフト１６に接続される。その際、パワーピストン１４はディスプレーサピストン１３に対して、クランク角度で略９０度位相が遅れるように接続する。
【００１７】
クランクシャフト１６の一方の端部はフライホイール３３を介して発電機１５に接続する。これにより、クランクシャフト１６の回転によって発電機１５が駆動される。
【００１８】
上記のように構成されるシステムの作用について説明する。
【００１９】
エンジン７運転時には、原則として吸気バイパス通路２１および排気バイパス通路２２は閉塞された状態とする。また、吸気バイパス通路２１が閉塞されているときは排気バイパス通路２２が閉塞され、冷却器側通路２４が閉塞されているときは加熱器側通路２５が閉塞される。
【００２０】
エアクリーナ１から吸入された吸気は冷却器側通路２４を通過する際に冷却器５と熱交換を行う。これにより吸気は加熱され、冷却器５内のスターリングエンジン２３の作動ガスは冷却されるので、冷却管１７によって冷却器５と連通している圧縮室２９が冷却される。
【００２１】
エンジン７から排出された排気は加熱器側通路２５を通過する際に加熱器１１と熱交換を行う。これにより排気は冷却され、加熱器１１内のスターリングエンジン２３の作動ガスは加熱されるので、加熱管１８によって加熱器１１と連通している膨張室２８が加熱される。
【００２２】
したがって、ディスプレーサピストン１３がディスプレーサシリンダ２６内の加熱された作動ガスと冷却された作動ガスとを撹拌することによってスターリングエンジン２３は駆動され、スターリングエンジン２３に接続された発電機１５も駆動され、発電を行う。
【００２３】
これにより、エンジン７の排気の熱エネルギーを電力として回収することが可能となる。
【００２４】
また、吸気が冷却器５と熱交換することによって高温になり、膨張するので、インテークマニホールド３４の空気密度が低下する。したがって等トルクを得ようとした場合に、吸気が低温の場合に比べてスロットルバルブ３の開度を大きくする必要があり、これによりインテークマニホールド３４の圧力が高くなる。この結果ポンピングロスを低減することが可能となるので燃費の向上を図れる。特に本実施形態では、スロットルバルブ３の下流に冷却器５を配置したので、インテークマニホールド３４の圧力を効率よく上げることが可能である。
【００２５】
ただし、吸気の温度が上昇し過ぎると、燃焼温度が上昇してノッキングを起こし易くなるという問題がある。
【００２６】
そこで、エンジン７に設けたノックセンサ２０がノッキングを検出した場合には、吸気は吸気バイパス通路２１、排気は排気バイパス通路２２を通過するように吸気通路切換バルブ４および排気通路切換バルブ１０を制御する。これにより吸気が高温になることによるノッキングを回避できる。これらの動作を制御する為に、コントロールユニット（ＥＣＭ）１９が備えられる。ここで、ＥＣＭ１９が行う制御の内容を図２のフローチャートにしたがって、更に詳しく説明する。
【００２７】
ステップＳ１０１ではノッキングセンサ２０がノッキングを検出したか否かの判定を行い、検出した場合にはステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では冷却器側通路２４および加熱器側通路２５が開放されているか否かの判定を行い、解放されている場合にはステップＳ１０３に進み、冷却器側通路２４および加熱器側通路２５を閉塞する。解放されていない場合にはそのままの状態とする。
【００２８】
ステップＳ１０１でノッキングを検出しない場合にはステップＳ１０４に進み、冷却器側通路２４および加熱器側通路２５が開放されているか否かの判定を行い、解放されている場合にはそのままの状態とし、解放されていない場合にはステップＳ１０５に進み、冷却器側通路２４および加熱器側通路２５を開放する。
【００２９】
ところで、外気が高温である場合も同様にノッキングを発生しやすくなる等、エンジン７は熱的に厳しい状況になるので、吸気温センサ２ｂの検出値が予め定めた所定値を超えた場合には、ＥＣＭ１９は上記と同様に、吸気は吸気バイパス通路２１、排気は排気バイパス通路２２を通過するよう吸気通路切換バルブ４および排気通路切換バルブ１０を制御する。
【００３０】
図３はＥＣＭ１９が実行する上記の制御のフローチャートである。
【００３１】
ステップＳ２０１で吸気温センサ２ｂによって測定した吸気温と予め定めた所定値を比較し、吸気温が所定値を超えていた場合にはステップＳ２０２に進み、冷却器側通路２４および加熱器側通路２５を閉塞する。吸気温が所定値より低い場合はステップＳ２０３に進み、冷却器側通路２４および加熱器側通路２５が解放されているか否かの判定を行い、解放されている場合にはそのままの状態とし、解放されていない場合にはステップＳ１０５に進み、冷却器側通路２４および加熱器側通路２５を開放する。なお、エンジン冷却水温が非常に高温になった場合にはエンジン７の温度が上昇し、ノッキングを発生し易くなる等、エンジン７は熱的に厳しい状況になる。そこで、図３において外気温の代わりに水温センサ３７を利用して、図３と同様の制御を行う方法も考えられる。
【００３２】
以上により、本実施形態では以下のような効果が得られる。
【００３３】
外燃機関であるスターリングエンジン２３の冷却器５および加熱器１１を内燃機関であるエンジン７の吸気通路６および排気通路８と熱交換可能に配置することによって、スターリングエンジン２３およびこれに接続された発電機１５を駆動するので、排気の熱エネルギーを電力として回収することが可能となる。この電力を補機の駆動等に利用することによって、オルタネータ等による発電量を低減できるので、燃料消費量を低減し、燃費の向上を図れる。
【００３４】
前記従来例のように、加熱器１１が排気浄化用触媒９から直接熱を受け取ることがないので、エンジン７始動後に排気浄化用触媒９の昇温を妨げることがなく、エンジン始動初期の排気成分が悪化することがない。
【００３５】
スロットルバルブ３の下流に設けた冷却器５との熱交換によって吸気は膨張する。これによって、エンジン７が発生するトルクが等しい場合には、吸気を加熱しない場合と比べてインテークマニホールド圧が高くなるのでポンピングロスを低減でき、燃費の向上を図れる。
【００３６】
吸気温、外気温、冷却水温が上昇してエンジン７が熱的に厳しい状況になった場合には、冷却部５、加熱部１１と吸気の熱交換を中止するので、エンジン７のノッキングなどの不具合を防止できる。
【００３７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のシステム構成を表す図である。
【図２】第１実施形態のノッキング検出に基づく制御のフローチャートである。
【図３】第１実施形態の外気温もしくは冷却水温に基づく制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１  エアクリーナ
２ａ  エアフローメータ（ＡＦＭ）
２ｂ  吸気温センサ
３  スロットルバルブ
４  吸気通路切換バルブ（吸気通路切り替え手段）
５  冷却器
６  吸気通路
７  エンジン
８  排気通路
９  排気浄化用触媒
１０  排気通路切換バルブ（排気通路切り替え手段）
１１  加熱器
１２  再生器
１３  ディスプレーサピストン
１４  パワーピストン
１５  発電機
１６  スターリングエンジンのクランクシャフト
１７  冷却管
１８  加熱管
１９  コントロールユニット（ＥＣＭ）（吸排気通路制御手段）
２０  ノッキングセンサ
２１  吸気バイパス通路
２２  排気バイパス通路
２３  スターリングエンジン
２４  冷却器側通路
２５  加熱器側通路
２６  ディスプレーサシリンダ
２７  パワーシリンダ
２８  膨張室
２９  圧縮室
３０  作動室
３２  ポート
３３  フライホイール
３４  インテークマニホールド
３５  コネクティングロッド
３６  コネクティングロッド
３７  水温センサ
【図１】
2004270625.tif 000003
【図２】
2004270625.tif 000004
【図３】
2004270625.tif 000005