(57)【要約】【課題】  比較的簡単かつ安価な構成でありながら、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と共に、効果的にＮＯｘ排出量を低減することができる排気熱回収装置を備えた内燃機関を提供する。【解決手段】  本発明は、内燃機関１の排気と、作動媒体と、の間で熱交換する熱交換器２を備え、該熱交換器２から流出する作動媒体により膨張機５を駆動することで内燃機関１の排気熱を回収する排気熱回収装置を備えた内燃機関であって、前記熱交換器２において排気から生じる凝縮水を内燃機関１の吸気に供給する凝縮水供給手段３を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気と、作動媒体と、の間で熱交換する熱交換器を備え、該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排気熱回収装置を備えた内燃機関であって、
前記熱交換器において排気から生じる凝縮水を内燃機関の吸気に供給する凝縮水供給手段を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記凝縮水供給手段は、内燃機関の吸気通路に凝縮水を噴射供給することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記凝縮水は、吸気通路に介装されるインタークーラの吸気下流側において噴射供給されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
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が駆動され、該電動モータ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〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気熱回収装置を備えた内燃機関に関する。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排気熱回収装置を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
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気熱回収装置がある。
【０００３】
特許文献１に記載されている内燃機関の排気熱回収装置は、図２に示すように、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ように構成されている。
【０００４】
そして、このような構成を備えた特許文献１に記載の内燃機関の排気熱回収装置によれば、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。
【０００５】
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（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０７５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に記載される内燃機関の排気熱回収装置は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関のための排気熱回収装置であるが、例えば、排気中のＮＯｘ排出量を低減するためにＥＧＲガス流量を増加させると内燃機関の燃料消費率が低下するため、ＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））をできるだけ小さく抑え、ＮＯｘ浄化率の高い尿素ＳＣＲなどの選択還元型ＮＯｘ触媒を利用することによって効果的にＮＯｘ排出量を低減することが排気ガス規制の対応策の一つとして有効である。
【０００８】
このため、ＥＧＲシステムを備えない、或いはＥＧＲシステムに強く依存しない内燃機関に排気熱回収装置を適用し、その適用に際して、一層、効率良く排気熱を回収することができるシステムを開発することが求められる。また、ＮＯｘ排出量を低減することができれば一層有益である。
【０００９】
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、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と共に、効果的にＮＯｘ排出量を低減することができる排気熱回収装置を備えた内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本発明に係る内燃機関は、
内燃機関の排気と、作動媒体と、の間で熱交換する熱交換器を備え、該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排気熱回収装置を備えた内燃機関であって、
前記熱交換器において排気から生じる凝縮水を内燃機関の吸気に供給する凝縮水供給手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記凝縮水供給手段は、内燃機関の吸気通路に凝縮水を噴射供給することを特徴とすることができる。
【００１２】
本発明において、前記凝縮水は、吸気通路に介装されるインタークーラの吸気下流側において噴射供給されることを特徴とすることができる。
【００１３】
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が駆動され、該電動モータ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。
【発明の効果】
【００１４】
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、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と共に、効果的にＮＯｘ排出量を低減することができる排気熱回収装置を備えた内燃機関を提供することができる。特に、本発明に係る排気熱回収装置を備えた内燃機関は、ＥＧＲシステムを備えない或いはＥＧＲシステムに強く依存しない内燃機関において有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る排気熱回収装置を備えた内燃機関の全体構成の一例を概略的に示した図である。
【図２】従来の排気熱回収装置を備えた内燃機関の全体構成の一例（特許文献１に記載のシステム）を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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１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。
【００１８】
図１では、内燃機関１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。
【００１９】
本実施の形態に係る排気熱回収装置を備えた内燃機関１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を駆動して内燃機関１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。
【００２０】
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１の排気は、ターボチャージャ（排気過給機）４に導かれてタービンＴを回転駆動した後、熱交換器２に導かれるようになっている。
【００２１】
本実施の形態に係る熱交換器２は、蒸発器（エバポレータ）の役割を果たし、タービンＴから流出してくる排気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。
【００２２】
本実施の形態に係る内燃機関１の排気熱回収装置では、作動媒体は、図１に示すように、圧縮機（電動ポンプ等）７によって圧縮され、熱交換器（蒸発器（エバポレータ））２、膨張機（蒸気タービン）５、凝縮器６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６で作動媒体である蒸気が冷却されて圧縮液（熱湯）にされ、前述した熱交換器２にてこの熱湯が蒸気に気化された後、膨張機（蒸気タービン）５へ送り込まれて発電機Ｅ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（図示せず）等によって内燃機関１の動力として回生するようになっている。
【００２３】
なお、本実施の形態に係る凝縮器６は、ターボチャージャ４のコンプレッサＣ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（熱交換器）８と、内燃機関１と、の間に配設され、内燃機関１によって駆動されるクーリングファンによって冷却可能な構成となっている。
【００２４】
ただし、本実施の形態に係る凝縮器６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。
【００２５】
ここで、本実施の形態に係る熱交換器２は、排気の熱を奪って、排気熱回収システム（ランキンサキクル）の作動流体を蒸気に気化するが、その際に、熱を奪われた排気が１００°Ｃ以下に冷却されて凝縮水が生じる。
【００２６】
本実施の形態に係る熱交換器２には、気水分離機能が備えられ、これにより発生した凝縮水は、外部へ排出される排気から分離されて、凝縮水収容部２Ａに貯留されるようになっている。
【００２７】
そして、本実施の形態では、気水分離機能付き熱交換器２により分離され凝縮水収容部２Ａに貯留された排気凝縮水（排気から生じた凝縮水）は、水噴射ポンプ３を介してインタークーラ８の下流側において、給気（吸気）に対して噴射供給されるようになっている。
【００２８】
このように、本実施の形態では、排気凝縮水を給気（吸気）に対して噴射供給する構成としているので、給気（吸気）温度延いては燃焼室内における燃焼温度を低減することができるので、ＮＯｘの生成量延いてはＮＯｘ排出量を大幅に低減することができる。
【００２９】
なお、排気凝縮水の噴射供給制御については、例えば、ＮＯｘ排出量が多くなる内燃機関１の運転領域（回転速度や負荷等）などに応じて、水噴射ポンプ３から所定に調量しながら排気凝縮水を吸気へ噴射供給するような構成とすることができる。また、排気凝縮水の噴射供給を必要としない運転領域では、排気凝縮水の噴射供給を停止することも可能である。
【００３０】
以上説明したように、本実施の形態に係る排気熱回収装置を備えた内燃機関１では、ランキンサイクルの作動媒体である圧縮液を、ターボチャージャ４から流出する排気の熱を利用した熱交換器（蒸発器（エバポレータ））２にて排気熱により蒸発させ、この蒸気を膨張機（蒸気タービン）５にて膨張させることで内燃機関の排気熱を動力として回生することで効率良く排気熱損失を回収することができると共に、熱交換器（蒸発器（エバポレータ））２において排気が冷却される際に生じる凝縮水を排気から分離し、この凝縮水を吸気に対して供給するように構成したので、内燃機関１の各気筒において行われる燃焼の燃焼温度を低減することができるため、ＮＯｘ排出量の低減に貢献することができる。
【００３１】
よって、ＥＧＲシステムを備えない或いはＥＧＲシステムに強く依存しない内燃機関であっても、効果的に排気熱を回収して燃費の改善を促進しながら、ＮＯｘ排出量の低減にも大きく貢献することができるため、ＥＧＲをかけない或いは低ＥＧＲ率での運転領域を拡大することが可能となり、以って燃費改善に大きく貢献することができると共に、ＮＯｘ浄化率の高い尿素ＳＣＲなどの選択還元型ＮＯｘ触媒を利用することによって一層効果的にＮＯｘ排出量を低減することなどが可能となる。
【００３２】
すなわち、本実施の形態に係る排気熱回収装置を備えた内燃機関１によれば、比較的簡単かつ安価な構成でありながら、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と共に、効果的にＮＯｘ排出量を低減することができる。特に、ＥＧＲシステムを備えない或いはＥＧＲシステムに強く依存しない内燃機関にとって有益である。
【００３３】
ところで、本実施の形態に係る気水分離機能付き熱交換器２の気水分離構造は、特に限定されるものではないが、例えば、特開２０１０−０２５０３４号公報に記載されているような気水分離構造を採用することなども可能である。
【００３４】
なお、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）５延いては発電機Ｅ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を介して内燃機関１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（Ｐｏｗｅｒ  Ｔａｋｅ  Ｏｆｆ）の動力として回生するような構成とすることもできる。
【００３５】
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を介して内燃機関１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）５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（Ｐｏｗｅｒ  Ｔａｋｅ  Ｏｆｆ）の動力として回生するような構成とすることもできる。
【００３６】
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。
【００３７】
また、内燃機関１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。
【００３８】
また、本実施の形態では、内燃機関１がターボチャージャ４を備えた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ターボチャージャ以外の過給器を備えた内燃機関、更には過給器を備えない所謂自然吸気方式の内燃機関に対しても本発明は適用可能である。
【００３９】
また、本実施の形態では、内燃機関１がＥＧＲシステムを備えていない場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関に対しても適用可能である。
【００４０】
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（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）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。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１    内燃機関
２    気水分離機能付き熱交換器（蒸発器、エバポレータ）
２Ａ  凝縮水収容部
３    水噴射ポンプ（凝縮水供給手段）
４    ターボチャージャ（排気過給機）
５    膨張機（蒸気タービン）
６    凝縮器
７    圧縮機（電動ポンプ等）
８    インタークーラ
【図１】
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【図２】
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