(57)【要約】【課題】過給機の加圧空気の冷却機能を高めながら、他の熱源における熱交換効率を向上する。【解決手段】加圧空気を過給機１５により供給する吸気回路５を備えた内燃機関１に、ランキンサイクル回路６を設ける。ランキンサイクル回路６の主流管１８には、給気利用熱交換器１７を設ける。給気利用熱交換器１７の内部において主流管１８から第１分流管１８Ａ及び第２分流管１９を分岐する。第１分流管１８Ａには、再循環ガス利用熱交換器１３を設け、第２分流管１９には、内部熱交換器２２及び放出ガス利用熱交換器１１を設ける。従って、ポンプからの作動流体を全て給気利用熱交換器１７に供給するため、加圧空気を十分に冷却できる。また、第２分流管１９を給気利用熱交換器１７の内部で分岐するため、昇温途中の作動流体を第２分流管１９に導入でき、第２分流管１９の内部熱交換器２２及び放出ガス利用熱交換器１１の熱交換効率を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機により加圧空気を内燃機関に供給する給気回路と、ポンプにより作動流体を膨張機に供給するランキンサイクル回路を有する内燃機関の廃熱利用装置において、
前記ランキンサイクル回路における前記ポンプと前記膨張機の間であって、前記給気回路における前記過給機と前記内燃機関との間には、前記加圧空気と前記作動流体との熱交換を行う給気利用熱交換器が配置され、前記ランキンサイクル回路における前記給気利用熱交換器と前記膨張機との間には、前記内燃機関から外部に放出される排ガスと前記作動流体との熱交換を行う放出ガス利用熱交換器と、前記内燃機関へ再循環される排ガスと前記作動流体との熱交換を行う再循環ガス利用熱交換器が並列に配置されていることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項２】
前記給気利用熱交換器と放出ガス利用熱交換器と再循環ガス利用熱交換器と前記膨張機は、内部に作動流体が流れる流通管によって接続され、前記流通管は、前記給気利用熱交換器の内部において分岐されるとともに、前記給気利用熱交換器の外部にて合流されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記ランキンサイクル回路は、前記給気利用熱交換器と前記放出ガス利用熱交換器との間にある前記作動流体と、前記膨張機の下流側にある前記作動流体とを熱交換する内部熱交換器を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、内燃機関の廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数の熱源からの廃熱の回収を目的として、ランキンサイクル回路における作動流体の流通管を複数の熱源に対応する各熱交換器に並列に接続した廃熱利用装置が開示されている。具体的には、特許文献１の図６に示されるように、ＥＧＲ（排気再循環）ガス、過給機で昇圧された吸気、冷却水及び内燃機関のオイル（例えば、エンジンオイル）を熱源とし、各熱源の熱交換器に作動流体の流通管を並列に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３６０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、作動流体を供給するポンプに接続した流通管は、開示されている４つの熱交換器に対して並列に接続しているため、各熱交換器には単純に４分の１の作動流体が供給される。従って、各熱交換器では単純に４分の１の熱交換効率に低下することになる。しかし、熱源として利用される吸気及び冷却水の場合は、冷却効果も期待された熱交換器であるにも関わらず、特許文献２の構成では、十分な冷却効果を得られないという問題がある。
【０００５】
本願発明は、過給機の加圧空気の冷却機能を高めながら、他の熱源における熱交換効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１は、過給機により加圧空気を内燃機関に供給する給気回路と、ポンプにより作動流体を膨張機に供給するランキンサイクル回路を有する内燃機関の廃熱利用装置において、前記ランキンサイクル回路における前記ポンプと前記膨張機の間であって、前記給気回路における前記過給機と前記内燃機関との間には、前記加圧空気と前記作動流体との熱交換を行う給気利用熱交換器が配置され、前記ランキンサイクル回路における前記給気利用熱交換器と前記膨張機との間には、前記内燃機関から外部に放出される排ガスと前記作動流体との熱交換を行う放出ガス利用熱交換器と、前記内燃機関へ再循環される排ガスと前記作動流体との熱交換を行う再循環ガス利用熱交換器が並列に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１によれば、給気利用熱交換器では、ランキンサイクル回路のポンプから送り出された作動流体の全てを利用して熱交換を行うことができるため、過給機から送り出される加圧空気を十分に冷却することができ、エア式の給気利用熱交換器を特別に設ける必要が無い。また、給気利用熱交換器の下流において、外部放出する排ガスと再循環させる排ガスの両方から熱交換するので、排ガスが有する熱を余すことなくランキンサイクル回路へと渡すことができ、熱交換効率が高い。さらに、それぞれの排ガスとの熱交換は、直列でなく並列に行われるため、互いが影響を及ぼすことによる熱交換効率の低下も少ない。
【０００８】
請求項２は、前記給気利用熱交換器と放出ガス利用熱交換器と再循環ガス利用熱交換器と前記膨張機は、内部に作動流体が流れる流通管によって接続され、前記流通管は、前記給気利用熱交換器の内部において分岐されるとともに、前記給気利用熱交換器の外部にて合流されることを特徴とする。請求項２によれば、給気利用熱交換器において、加圧空気により最大に加熱される前の作動流体を分流するため、その分流先に設けた熱交換器における熱交換効率を高い状態に維持することができる。
【０００９】
請求項３は、前記ランキンサイクル回路は、前記給気利用熱交換器と前記放出ガス利用熱交換器との間にある前記作動流体と、前記膨張機の下流側にある前記作動流体とを熱交換する内部熱交換器を備えていることを特徴とする。請求項３によれば、膨張機から吐出される作動流体を内部熱交換器によって冷却できるため、凝縮器における作動流体を冷却するための負荷を低減することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明は、過給機の加圧空気の冷却機能を高めることができるとともに、他の熱源における熱交換効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図２】第２の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
図１に示した第１の実施形態は、例えば、車両に搭載されたガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機関１における廃熱利用装置を示す。内燃機関１は、内燃機関１を冷却する冷却水循環回路２、内燃機関１の排ガスを外部に放出する放出ガス回路３、放出ガス回路３から分岐された再循環される排ガスの再循環ガス回路４及び加圧空気を内燃機関１に供給する吸気回路５を備えている。また、内燃機関１には、廃熱を利用するために、冷媒及び潤滑油からなる作動流体を循環するランキンサイクル回路６が付設されている。
【００１３】
冷却水循環回路２は、内燃機関１を介して循環される冷却水の流通管７と、流通管７に介在された冷却水ポンプ８及びラジエータ９とを備えている。冷却水ポンプ８は冷却水を内燃機関１に供給し、内燃機関１の冷却を行う。内燃機関１で加熱された冷却水は、ラジエータ９において冷却される。冷却された冷却水は冷却水ポンプ８により内燃機関１に再度供給され、内燃機関１を冷却するために循環する。
【００１４】
放出ガス回路３は、一端を内燃機関１に接続された放出ガス管１０を有し、放出ガス管１０の他端はランキンサイクル回路６に設けた放出ガス利用熱交換器１１及び図示しないマフラーを介して車外の大気に開口している。また、放出ガス回路３から再循環ガス回路４の再循環ガス管１２が分岐されている。再循環ガス管１２は、ランキンサイクル回路６に設けた再循環ガス利用熱交換器１３を介して吸気回路５の吸気管１４に接続し、吸気管１４から排ガスの一部である再循環ガスが内燃機関１に供給される。
【００１５】
吸気回路５は、吸気管１４が接続する過給機１５を備えている。過給機１５は図示しないタービン及び圧縮機から構成される。過給機１５では、タービンが放出ガス回路３の放出ガス管１０から供給される排ガスにより回転され、タービンの回転により圧縮機が回転し、吸入管１６により大気中から吸入された空気を圧縮し、加圧空気を吸気管１４に吐出する。吸気管１４は、圧縮により昇温した加圧空気を冷却するためにランキンサイクル回路６に設けられた給気利用熱交換器１７を介して内燃機関１に接続されている。
【００１６】
ランキンサイクル回路６は、作動流体が流れる流通管としての主流管１８、第１分流管１８Ａ、第２分流管１９、作動流体を供給するために機械的又は電気的に駆動されるポンプ２０、給気利用熱交換器１７、再循環ガス利用熱交換器１３、膨張機２１、内部熱交換器２２、凝縮器２３及びレシーバ２４を備えている。
【００１７】
主流管１８は、給気利用熱交換器１７との接続部より下流側となる給気利用熱交換器１７の内部から第１分流管１８Ａと第２分流管１９に分岐されている。第１分流管１８Ａには、再循環ガス利用熱交換器１３が接続され、第２分流管１９には、内部熱交換器２２、放出ガス利用熱交換器１１が順に接続される。第１分流管１８Ａと第２分流管１９は、給気利用熱交換器１７の外部において、膨張機２１の上流側で一つに合流されている。なお、膨張機２１には、発電機２５が連結されている。
【００１８】
従って、第１の実施形態では、放出ガス回路３に流れる燃焼ガス、再循環ガス回路４に流れる再循環ガス、吸気回路５を流れる加圧空気及び膨張機２１の下流側に接続される主流管１８を流れる作動流体が、ランキンサイクル回路６の熱源として利用されている。また、本願発明における加圧空気以外の他の熱源には、排ガス、再循環ガス及び作動流体が該当する。
【００１９】
内燃機関１の運転に伴い、冷却水循環回路２、吸気回路５及びランキンサイクル回路６が動作を開始する。ランキンサイクル回路６では、ポンプ２０から供給された作動流体が主流管１８を流れ、全流量が給気利用熱交換器１７に供給される。給気利用熱交換器１７内では、主流管１８を流れる作動流体と過給機１５から吐出され、吸気管１４を流れる加圧空気との間で熱交換が行なわれ、加圧空気が所望の温度にまで冷却されるとともに作動流体の加熱が行なわれる。冷却された加圧空気は、吸気管１４を介して内燃機関１に供給される。
【００２０】
給気利用熱交換器１７で加熱された作動流体は、主流管１８から分岐された第１分流管１８Ａにより再循環ガス利用熱交換器１３に供給される。再循環ガス管１２を流れる再循環ガスは過給機１５から供給される加圧空気に比して高温であるため、給気利用熱交換器１７で昇温した作動流体であっても、高い熱交換効率が維持され、作動流体をさらに加熱することができる。再循環ガス利用熱交換器１３で加熱された作動流体は膨張機２１に向けて第１分流管１８Ａを流れる。また、再循環ガス利用熱交換器１３を通過した再循環ガスは再循環ガス管１２から吸気管１４に合流し、加圧空気と共に内燃機関１に供給される。
【００２１】
一方、第２分流管１９は給気利用熱交換器１７内部の中間の位置において主流管１８から分岐されているため、第２分流管１９には、給気利用熱交換器１７内において高温に加熱される前、即ち、給気利用熱交換器１７の出口側よりも低い温度状態の作動流体が流入する。主流管１８から分流された作動流体は第２分流管１９によって内部熱交換器２２に供給される。
【００２２】
内部熱交換器２２内は、膨張機２１から吐出された高温の作動流体が主流管１８によって供給されている。このため、主流管１８を流れる高温の作動流体と第２分流管１９を流れる低温の作動流体との間で熱交換が行なわれ、主流管１８の作動流体が冷却されるとともに第２分流管１９の作動流体が加熱される。内部熱交換器２２において冷却された主流管１８の作動流体は凝縮器２３に供給され、さらに冷却される。従って、凝縮器２３では、作動流体を冷却するための負荷が大きく低減される。
【００２３】
内部熱交換器２２において加熱された第２分流管１９の作動流体は、放出ガス利用熱交換器１１に供給される。放出ガス管１０により放出ガス利用熱交換器１１に供給される排ガスは、膨張機２１から吐出される作動流体の温度に比べると、極めて高温である。このため、放出ガス管１０を流れる排ガスと第２分流管１９を流れる作動流体との間では、効率良く熱交換が行なわれ、作動流体の加熱が行なわれる。
【００２４】
また、放出ガス管１０を流れる排ガスと再循環ガス管１２を流れる再循環ガスとは同程度の高温である。しかし、放出ガス利用熱交換器１１及び再循環ガス利用熱交換器１３は並列に設けられているため、排ガス及び再循環ガスと各作動流体との間を高い温度差にすることができ、放出ガス利用熱交換器１１及び再循環ガス利用熱交換器１３はそれぞれ高い熱交換効率を得ることができる。
【００２５】
放出ガス利用熱交換器１１において加熱された作動流体は、第２分流管１９が第１分流管１８Ａに接続しているため、第１分流管１８Ａを流れる作動流体に合流する。給気利用熱交換器１７及び各熱交換器２２、１１、１３において加熱され、気化された作動流体は、第１分流管１８Ａによって膨張機２１に供給される。膨張機２１は作動流体の膨張により機械的な駆動力を発生し、膨張機２１に連結された発電機２５を駆動する。膨張機２１から吐出された作動流体は、内部熱交換器２２及び凝縮器２３において冷却され、凝縮液化される。また、凝縮された作動流体は、レシーバ２４において気液二層に分離され、液化された作動流体のみがポンプ２０に導入される。
【００２６】
なお、第２分流管１９は、仮想線で示した第２分流管１９Ａのように、給気利用熱交換器１７を通過した下流側の主流管１８から分岐するように構成しても良い。第２分流管１９Ａに導入される作動流体は、給気利用熱交換器１７の内部において主流管１８から分岐された場合に比し、昇温された状態にあるが、第２分流管１９Ａに設けた内部熱交換器２２あるいは放出ガス利用熱交換器１１の熱源との間に温度差があれば、熱交換を行うことができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図２は第２の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態は、給気利用熱交換器１７の内部において主流管１８から分岐した第２分流管２６には、放出ガス管１０を流れる排ガスを熱源とする放出ガス利用熱交換器１１のみが設けられている。放出ガス利用熱交換器１１を通過した第２分流管２６は、膨張機２１の上流側で第１分流管１８Ａに接続し、第２分流管２６の作動流体を第１分流管１８Ａの作動流体に合流させている。
【００２８】
熱源である排ガスと再循環ガスとは同程度の高温状態にある。しかし、放出ガス利用熱交換器１１及び再循環ガス利用熱交換器１３を並列に設けることにより、排ガス及び再循環ガスと各作動流体との間を高い温度差にすることができ、放出ガス利用熱交換器１１及び再循環ガス利用熱交換器１３はそれぞれ高い熱交換効率を得ることができる。
【００２９】
なお、第２分流管２６は、仮想線で示した第２分流管２６Ａのように、給気利用熱交換器１７を通過した下流側の主流管１８から分岐するように構成しても良い。
【００３０】
本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。
【００３１】
（１）第１の実施形態及び第２の実施形態において、給気利用熱交換器１７の下流側となる第１分流管１８Ａあるいは第２分流管１９、１９Ａ、２６、２６Ａに冷却水循環回路２の冷却水を熱源とする熱交換器を設けるように構成しても良い。
（２）第１の実施形態及び第２の実施形態において、放出ガス利用熱交換器１１を第１分流管１８Ａに、再循環ガス利用熱交換器１３を第２分流管１９、２６に設けるように構成しても良い。
（３）第１の実施形態及び第２の実施形態において、作動流体の流通管は第１分流管１８Ａ及び第２分流管１９、１９Ａ、２６、２６Ａの２列に限らず、複数の分流管を並列に配設しても良い。
（４）第１の実施形態及び第２の実施形態は、車両以外の機械に設置された内燃機関においても実施することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  内燃機関
２  冷却水循環回路
３  放出ガス回路
４  再循環ガス回路
５  吸気回路
６  ランキンサイクル回路
１１  放出ガス利用熱交換器
１３  再循環ガス利用熱交換器
１５  過給機
１７  給気利用熱交換器
１８  主流管
１８Ａ  第１分流管
１９、１９Ａ、２６、２６Ａ  第２分流管
２０  ポンプ
２１  膨張機
２２  内部熱交換器
２３  凝縮器
【図１】
2016033331.tif 000003
【図２】
2016033331.tif 000004