(57)【要約】【課題】等温膨張、等温圧縮、等圧加熱及び等圧冷却を繰り返すエリクソンサイクルの原理に基づいて、作動流体が排気熱によって膨張する等温膨張の行程から排気熱エネルギーを取り出す。【解決手段】排気を排出する熱機関１０と、吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部１と、排気の熱で作動流体を等圧加熱すると同時に、作動流体により排気を等圧冷却する再生機２と、作動流体と排気との間の熱交換によって、排気の持つ熱で作動流体を等圧膨脹させるエキスパンダ部３と、を備える。エキスパンダ部３での作動流体の膨脹によって作動する運動体１６の運動エネルギーを出力部４により取り出す。【選択図】　図１
2004084564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気を排出する熱機関と、
吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部と、
等温圧縮された前記作動流体と排気とを接触させ　排気の熱で作動流体を等圧加熱すると同時に、前記作動流体により前記排気を等圧冷却した後、前記排気を外部に排出する再生機と、
等圧加熱された前記作動流体と、熱機関から排出された排気との間の熱交換によって、排気の持つ熱で作動流体を等圧膨脹させた後、作動流体を排出すると共に、前記排気を前記再生機に排出するエキスパンダ部と、
前記エキスパンダ部での作動流体の膨脹と排出によって所定の作動をする　運動体の運動エネルギーを取り出す出力部と、
を備え、
この出力部から得られた排気熱エネルギーの一部は前記コンプレッサ部で作動流体を等温圧縮するために用いられることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記コンプレッサ部及びエキスパンダ部は、
気筒と、
この気筒内に設けた往復動可能なピストンと、
気筒内に作動流体を吸入するための吸気弁と、
作動流体を排出するための排気弁と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記エキスパンダ部では、作動流体を吸入する気筒の外壁に排気が接触し、この外壁に設けたフィンを介して排気の熱が前記作動流体に伝達されて作動流体と排気との間で熱交換が行われ、気筒内の作動流体が膨脹することを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
【請求項４】
熱機関の排気温度または／及び排気流量に基づいて、排気熱回収効率が最適になるように前記コンプレッサ部の出圧をコントロールすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気熱回収装置。
【請求項５】
前記コンプレッサ部の出圧は、気筒に設けた吸気弁と排気弁の開閉タイミングを変化させることでコントロールされることを特徴とする請求項４に記載の排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載された内燃機関等の排気が持つエネルギーを利用するものとしては、一般には排気を作動媒体として駆動される排気タービンと、この排気タービンの回転によって作動して吸気を加圧して内燃機関にこれを供給するコンプレッサを備えたターボチャジャが広く用いられているが、内燃機関の負荷が部分負荷の状態や低速時には、排気量が少なく、効率的な排気エネルギの利用は困難である。
【０００３】
また、特開平６−２８８２４２号公報では、排ガスエネルギーで駆動されるタービン及び該タービンに設けたシャフトに取り付けたコンプレッサを有するターボチャージャが開示されている。このターボチャージャでは、前記シャフトの外周に同一中心軸上に設けたシャフトとは独立して回転できる外側シャフト、該外側シャフトに設けた排ガスエネルギーで駆動される発電用タービン、外側シャフトに設けた発電用回転子を有する発電機を備え、前記タービンと前記発電用タービンとは排ガス流に直列に配置されているものが開示されている。
【０００４】
このような構成のターボチャージャによれば、排気系において一段目のタービンと、二段目のタービンとが同一中心軸上に設けられているので、発電・電動機を持つターボチャージャと発電タービンとを連結する排気管が不要となり、排気管を通じての熱の放散がなく、かつ機械損失が発生せず、高効率の排気エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のターボチャージャのような排気エネルギーの回収機構では、排気の流れによってタービンを回転させる構成であるので、排気の流れがタービンの抵抗によって阻害され、その円滑な流れがせき止められる状態となる。このような場合は、排圧が上昇して熱機関のポンピングロスが発生するので熱機関自体の効率が低下することになる。
【０００６】
そして、回収したエネルギーと、熱機関の効率低下による損失とを比較すると、全体として有効利用できる排気エネルギー量が少ないため、排気のエネルギーを回収する装置として、これを設けるメリットがきわめて少ないのが現状である。
【０００７】
本発明は、排気の流れを阻害することなく、排気の持つ熱エネルギーを回収することに着目して、熱機関の効率低下を招くことなく、効率的な排気熱の回収を実現するために完成されたものである。すなわち、本発明は、排気熱を効率的に回収する可能な排気熱回収装置を提供することを技術的課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を達成するために、等温膨張、等温圧縮、等圧加熱及び等圧冷却を繰り返すエリクソンサイクルの原理に基づいて、作動流体が排気熱によって膨張する等温膨張の行程から排気熱エネルギーを取り出すものであり、上記の技術的課題を解決するために以下のように構成されている。
【０００９】
すなわち、排気を排出する熱機関と、
吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部と、
等温圧縮された前記作動流体と排気とを接触させ　排気の熱で作動流体を等圧加熱すると同時に、前記作動流体により前記排気を等圧冷却した後、前記排気を外部に排出する再生機と、
等圧加熱された前記作動流体と、熱機関から排出された排気との間の熱交換によって、排気の持つ熱で作動流体を等圧膨脹させた後、作動流体を排出すると共に、前記排気を前記再生機に排出するエキスパンダ部と、
前記エキスパンダ部での作動流体の膨脹と排出によって所定の作動をす運動体の運動のエネルギーを取り出す出力部と、
を備え、
この出力部から得られた排気熱エネルギーの一部は前記コンプレッサ部で作動流体を等温圧縮するために用いられることを特徴とする。
【００１０】
この装置内に吸入された作動流体が、熱機関から排出された排気の持つ熱によって膨張し、このような等温膨張の行程を実行するエキスパンダ部から排気熱エネルギーを取り出すことができる。例えば、この排気熱エネルギーによって往復運動するピストンの作動によって、これに連結されたオルタネータを動すことができる。このオルタネータによって発電された電気を車両の各部に供給可能として、従来の内燃機関の回転によって直接駆動するオルタネータを廃止すること、発生した電気を冷房装置の駆動用に使用すること、または、その電気をバッテリーに蓄電すること、等による排気熱エネルギーの再利用が考えられる。特に、ハイブリッドカー、すなわち、走行用のモータと内燃機関の両方を搭載して駆動される車両では、発生した電気を直接、モータに供給してその駆動用に利用することができる。
【００１１】
前記熱機関としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関、またはガスタービン等、熱エネルギーをもつ排気を排出する各種のものが使用できる。
【００１２】
また、前記コンプレッサ部及びエキスパンダ部は、気筒と、この気筒内に設けた往復動可能なピストンと、気筒内に作動流体を吸入するための吸気弁と、作動流体を排出するための排出弁を備える構成とすることができる。
【００１３】
この場合、吸気弁と排気弁は、ピストンに連結されたクランクシャフトを介して回転するクランク軸に連動する動弁機構によって開閉するように設定することができる。すなわち、通常の内燃機関の気筒に設けた吸排気弁の作動と同様に、その開閉をピストンの動きに同期させて、吸気行程で吸気弁が開き、排気行程では排気弁が開かれる構造とすることができる。
【００１４】
また、ここでは作動体はクランク軸を回転させるピストンであるので、クランク軸に接続されたオルタネータ等が作動することで発電がされる構成としてもよい。
【００１５】
前記エキスパンダ部は、作動流体が吸入される気筒の外壁に熱機関から排出された直後の排気が接触し、この外壁に設けたフィンを介して排気の熱が前記作動流体に伝達されて、作動流体と排気との間で熱交換が行われ、気筒内の作動流体が膨脹するような構造とすることが好適である。
【００１６】
また、熱機関の排気温度または／及び排気流量に基づいて、排気熱回収効率が最適になるように前記コンプレッサ部の出圧をコントロールすることで、最も排気熱の回収効率のよい領域で運転することができる。
【００１７】
前記コンプレッサ部の出圧は、気筒に設けた吸排気弁の開閉タイミングを変化させることでコントロールすることが可能である。たとえば、吸気弁を閉じる時期をコンプレッサ内のピストンが下死点に到達するよりも早くするか、もしくは遅くすることにより、圧縮する空気量が減少するので、気筒内の圧力が低下してコンプレッサ部の出圧を低くすることができる。
【００１８】
また、コンプレッサ内のピストンが上死点付近に位置しているときに、早めに排気弁を開けば、コンプレッサ部の出圧は高くなる。
【００１９】
このような制御を実施するには、動弁機構として開閉度や開閉タイミングを可変としたものを用いることができる。または、電磁駆動弁等の独立した弁の開閉をするための装置を別個に設けることができる。
【００２０】
本発明によれば、排気の流れを阻害することなく、排気の持つ熱エネルギーを回収することができるので、熱機関自体の作動効率の低下を大きく招来せずに、効率的な排気熱の回収が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気熱回収装置を図面に示される実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は、排気熱回収装置の概要を示す全体図である。
【００２３】
この排気熱回収装置３０は、排気を排出する内燃機関１０と、吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部１と、排気の等圧冷却と、作動流体の等圧加熱をする再生機２と、作動流体を等温膨張させるエキスパンダ部３と、このエキスパンダ部３から排気の熱エネルギーを取り出す出力部４と、を備えている。
【００２４】
内燃機関１０は、ここでは車輌に搭載されたガソリンエンジンである。もちろん、内燃機関１０はディーゼルエンジンやその他のものであってもよく、燃料を燃焼させた後の排気を排気管に排出するものであればよい。
【００２５】
コンプレッサ部１は、円筒状の気筒６内に設けた往復動可能な圧縮用のピストン５を備えている。このピストン５の作動のために、後述するように、出力部４を介して、内燃機関１０が排出する排気から取り出されたエネルギーの一部が使用される。このピストン５は、図示しない電動機と、その回転軸に連結されたクランク軸１２を介して気筒６内で上下方向に往復動が可能である。
【００２６】
また、気筒６には、この気筒６内に作動流体を吸入するための吸気管１２　と、作動流体を気筒内から送出するための送出管１３がそれぞれ接続されている。さらに、気筒６内には、吸気管１２の開口部を開閉するための吸気弁７と、送出管１３の開口部を開閉する排出弁８とが設けられている。
【００２７】
これらの吸気弁７と排気弁８のそれぞれは、ピストン５に連結されたクランクシャフト１４を介して回転するクランク軸１５の回転に連動し作動する動弁機構によって開閉するように設定されている。
【００２８】
すなわち、内燃機関の気筒に設けた吸排気弁の作動と同様に、吸気行程で吸気弁７が開き、圧縮行程では、吸気弁７と排気弁８が閉じる。また排気行程では排気弁８が開かれるように、クランク軸１５の回転によってピストン５の動きに同期して開閉する構造とする。
【００２９】
このようにして、ピストン５がその下死点に向かって移動するときは、吸気弁７が開いて作動流体、ここでは空気を外部から、吸気管１２を介して気筒６内に吸入する。次に、ピストン５が下死点に到達したら吸気弁７を閉じ、その後、ピストン５が上死点に向けて動き、気筒６内の空気が圧縮される。
【００３０】
ピストン５が上死点に近づくと、排気弁８が開いて、圧縮された空気が送出管１３に排出される。このような動作を繰り返すことで、コンプレッサ部１は、吸入した空気を等温圧縮する。
【００３１】
圧縮された空気は、送出管１３を介してエキスパンダ部３に向かって流れるが、その送出管１３は、エキスパンダ部３との中間部で、内燃機関１０から排出される排気管１１と交差して、熱交換を行う再生機２を形成している。
【００３２】
再生機２は、図２に示すように通常の熱交換器に類似した構造である。この再生機２は、送出管１３が多数回にわたって往復曲成され、その外周は、上流と下流にそれぞれ排気管１１が接続され、外気から遮断した空間を形成する遮蔽体２７によって覆われている。遮蔽体２７により覆われている送出管１３の外周には熱伝達作用を持つ多数のフィン９が設けられている。
【００３３】
したがって、遮蔽体２７内を流れる排気の熱は、フィン９を介して送出管１３内を流れる作動流体である空気に伝達され、これらの間で熱交換が可能な構造となっている。
【００３４】
このような構造である再生機２によって、作動流体である空気の等圧加熱がされると同時に、排気の等圧冷却が行われる。
【００３５】
次に、エキスパンダ部３の構造を説明する。これは上述したコンプレッサ部１の構造と同様に、円筒状の気筒１７内に設けた往復動可能な圧縮用の第２ピストン１６を備えている。この第２ピストン１６の作動は、第２クランク軸１８を介してオルタネータ４の回転軸に伝達されるようになっている。
【００３６】
また、第２気筒１７には、この第２気筒１７内に作動流体である空気を吸入するための送出管１３が連結され、他方、前記空気を第２気筒１７内から排出するための排出路１９が接続されている。
【００３７】
さらに、第２気筒１７には、送出管１３の開口部を開閉するための第２吸気弁２０と、排出路１９の開口部を開閉する第２排気弁２０とが設けられている。
【００３８】
これらの第２吸気弁２０と第２排気弁２１は、前記のコンプレッサ部１の吸排気弁と同様に、それぞれ第２ピストン１６に連結されて回転する第２クランク軸１８に連動する動弁機構によって開閉するように設定されている。
【００３９】
したがって、第２吸気弁２０が開き、第２ピストン１６が上死点から下降すると、第２気筒１７内に作動流体が吸入され、第２吸気弁２０及び第２排気弁２１が共に閉じられた状態で熱交換による作動流体の膨張で第２ピストン１６はさらに下死点まで下降する。その後、第２排気弁２１を開いて膨張した作動流体を第２気筒１７外に排出する。
【００４０】
この第２気筒１７の外周面には多数の第２フィン２３が設けられている。また、前記排気管１１が接続された熱交換部２４が形成され、この熱交換部２４は第２気筒１７の上部の周囲を覆っている。熱交換部２４には排気管１１から排気が流れ込む排気の流入口２５、及び排気管１１に排気を流出させる流出口２６がそれぞれ設けられている。
【００４１】
エキスパンダ部３は、このような構造であるので、送出管１３から、第２吸気弁２０を介して作動流体が吸入する第２気筒１７の外壁に、排気管１１から熱交換部２４に流入した排気が接触する。この排気は、内燃機関１０から排出された直後の排気であるので高温である。この排気の熱は、第２気筒１７の外壁に設けた第２フィン２３を介して、前記作動流体に伝達されて作動流体と排気との間で熱交換を行うことができる。
【００４２】
その結果、第２気筒１７内の作動流体が膨脹し、第２ピストン１６が押し下げられるので、オルタネータ４が回転するために発電が可能である。オルタネータ４からの電気は、矢印Ｃで示すように、外部の図示しない車両の各部に供給され、また、余剰分はバッテリに充電される。すなわち、この実施の形態では、内燃機関１０の回転軸に接続され、内燃機関１０の回転が直接に伝達されて回転する従来のオルタネータは廃止され、排気熱により作動する第２ピストン１６の往復運動によって回転するオルタネータ４のみを設けている。
【００４３】
なお、オルタネータ４で発電された電気の一部は、図示しないモータを介してコンプレッサ部１のピストン５を作動させ、気筒６内に吸入した作動流体を圧縮するために使用される。
（排気と作動流体の流れ及び作用）
次に、この実施の形態における排気及び作動流体の流れを説明しつつ、各部の作用について述べる。
【００４４】
内燃機関１０から排出された排気の流れを矢印Ａにより、また、作動流体の流れを矢印Ｂによりそれぞれ示す。
【００４５】
内燃機関１０から排出される排気は、排気路１１を通り、エキスパンダ部３を構成する第２気筒１７の外周面に接触する。一方、第２気筒１７内には、第２吸気弁２０が開くと作動流体が吸入される。吸入後、第２吸気弁２０が閉じられると、この作動流体は第２フィン２３を介して伝達される排気の熱によって熱せられて、第２気筒１７内で膨張するので、第２ピストン１６が押し下げられる。第２ピストン１６が押し下げられると、第２コンロッド２２を介してその運動エネルギーが第２クランク軸１８に伝達され、上述のようにオルタネータ４を作動させる。
【００４６】
膨張した上記作動流体は、第２排気弁２１を開くことにより、排出路１９内に排出され、この排出路１９から　排気管１１に作動流体が流れ込み、内燃機関１０から排出される排気に混入し排気管１１を流下する。この作動流体が混入した排気は、再生機２において熱交換による等圧冷却を経て外部に排出される。
【００４７】
一方、作動流体である空気は、コンプレッサ部１の気筒６内に吸入され、等温圧縮された後、排出管１３を経て再生機２に至る。前述のように、再生機２では作動流体は等圧加熱がされた後、エキスパンダ部３の気筒１７内に吸入される。このような作動によって、等温膨張、等圧加熱、等圧冷却、及び等温圧縮の循環が形成され、内燃機関からの排気熱が回収される。
【００４８】
また、内燃機関１０から排出される排気温度Ｔｆ、または排ガス流量Ｇｅｘと、コンプレッサ部１の出圧Ｐ１と、回収効率との間には図３に示すような関係がある。すなわち、排気温Ｔｆが高いか、排気流量Ｇｅｘが多いときは回収効率が高くなるが、出圧Ｐ１をコントロールすることで最も効率の良い排気熱回収が行える領域になるように、気筒６内の圧力を変化させ、排気熱回収装置の運転を制御することができる。
【００４９】
そこで、気筒６内の圧力を吸気弁７及び排気弁の開閉タイミング、または開閉度合いを調整することで変化させる。ここでは、例えば、作動流体の吸気時に吸気弁７の開きを少なくすれば、気筒６内の圧力が低くなる。また吸入時に排気弁８を開くことで、気筒６内の圧力を低下させることもできる。このような吸排気弁の調整によって気筒６の出圧Ｐ１をコントロールすることができる。　このような吸気弁７、排気弁８の調整は、図３に示すような排気温度Ｔｆ、排気流量Ｇｅｘと出力Ｐ１の関係のマップを、図示しない車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ）に記憶させておき、可変動弁機構や電磁駆動弁の採用によって、ＥＣＵの指令によって吸排気弁の改変タイミング、開閉度合いを調整するように構成して、内燃機関１０の運転状態に基づいて最も効率のよい出圧Ｐ１を設定することが好ましい。
【００５０】
この実施の形態では、回収した排気熱によって発電をして、これを車両各部に給電するものとしたが、この電力をクーラーの作動に使用することや、その他の用途に利用することができるのはいうまでもない。また、エキスパンダ部３から取り出される排気熱によるピストンの作動を電気に変換することなく、他の形式で利用することも可能である。
【００５１】
この実施の形態の排気熱回収装置を用いることで、従来は外部に捨てられていた排気の熱を有効利用することができ、内燃機関を搭載した車両全体としてのエネルギー効率を上昇させることができる。
【００５２】
また、内燃機関の運転状態にかかわらず、排気温度が所定温度以上であれば排気熱回収が可能であり、特に内燃機関の回転数が低い状態でも、有効な排気エネルギーの回収が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、排気の持つ熱エネルギーを効果的に回収することができる。その際、排気の流れを阻害することで排圧が上昇し、熱機関の効率低下を招くことがない。
【００５４】
また、コンプレッサ部の出圧をコントロールすることで、回収効率の最もよい運転制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の排気熱回収装置の概略を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態である排気回収装置の再生機の構造を示す図である。
【図３】排気温度Ｔｆ、排気流量Ｇｅｘとコンプレッサ部の出力Ｐ１の関係を示すマップ図である。
【符号の説明】
１　　コンプレッサ部
２　　再生機
３　　エキスパンダ部
４　　出力部
５　　ピストン
６　　気筒
７　　吸気弁
８　　排気弁
９　　フィン
１０　内燃機関
１１　排気管
１２　吸気管
１３　送出管
１４　コンロッド
１５　クランク軸
１６　第２ピストン
１７　第２気筒
１８　第２クランク軸
１９　排出路
２０　第２吸気弁
２１　第２排気弁
２２　第２コンロッド
２３　第２フィン
２４　熱交換部
２５　流入口
２６　流出口
２７　遮蔽体
３０　排気熱回収装置
【図１】
2004084564.tif 000003
【図２】
2004084564.tif 000004
【図３】
2004084564.tif 000005