(57)【要約】【課題】エンジン本体から乾き度の高い良質な乾燥蒸気を取り出す廃熱回収装置を提供することを課題とする。【解決手段】廃熱回収装置１は、シリンダヘッド５と一体に形成され、エンジン２の排気が流通する排気通路１１ａを備えた排気マニホールド部１１と、この排気マニホールド部１１の周囲に形成され、エンジン２の廃熱により蒸発した蒸気が流通するヘッド側ウォータジャケット１３と、ウォータジャケット１３から流通する蒸気を介してエンジン２の廃熱を回収する動力回収機２１と、動力回収機２１を通過した蒸気を液相に戻す凝縮器２２と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気が流通する排気マニホールドと、
当該排気マニホールドの周囲に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、
当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、
蒸気を液相に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
エンジンの排気が流通する排気マニホールドと、
当該排気マニホールド内に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、
当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、
蒸気を液相に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の廃熱回収装置において、
前記排気マニホールドは、シリンダヘッドと一体に形成されたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の廃熱回収装置において、
前記冷媒通路内に障害物を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにおける廃熱を蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって蒸発した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような廃熱回収装置では、エンジン本体において蒸発した蒸気は温度が低く、水分を含む飽和蒸気である。このような蒸気は温度が僅かに低下することにより容易に液相へ戻るため、廃熱回収装置は、液相へ戻った冷媒と蒸気とを分離することを必要とする。さらに、蒸気は、乾き度の高い乾燥蒸気の状態でなければ膨張機において有効なエネルギーの回収が見込めない。また、液相へ戻った蒸気が膨張機に付着すると膨張機の腐食原因となる。
【０００５】
そこで、本発明は、エンジン本体から乾き度の高い良質な乾燥蒸気を取り出す廃熱回収装置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】
【０００６】
かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの排気が流通する排気マニホールドと、当該排気マニホールドの周囲に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、蒸発した冷媒を液相に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、排気マニホールドを流通する高温の排気から蒸気通路を流通する蒸気へ熱を伝達することができる。このように、ウォータジャケット内で蒸発した蒸気は、蒸気通路を通過する間に受熱し、過熱され、乾き度の高い状態へ変化する。これにより、廃熱回収装置は、良質な蒸気をエンジン本体から取り出し、膨張機を備える動力回収機へ導入することができる。また、従来の廃熱回収装置には、排気マニホールドの下流側に連続する排気管上に過熱器を配置し、この過熱器において排気と蒸気との熱交換を行う構成としたものもあった。ところが、排気管内の排気は熱源となる燃焼室から遠ざかる程温度が低くなるため、本発明では、熱源となる燃焼室により近い排気マニホールドにおいて、排気と蒸気との熱交換を行うこととした。これにより、熱交換効率を向上することができる。このように、エンジン内部で発生した蒸気を排気マニホールドで過熱することにより、効率良く熱交換を行うことができる。
【０００７】
また、本発明の廃熱回収装置は、エンジンの排気が流通する排気マニホールドと、当該排気マニホールド内に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、蒸気を液相に戻す凝縮器と、を備えた構成とすることができる（実施例２）。このような構成とすることにより、高温の排気から蒸気へ熱伝達が行われ、乾き度の高い良質な蒸気を生成することができる。このように、冷媒通路が排気マニホールド内に形成されたものも、冷媒通路を排気マニホールドの周囲に形成した場合と同様の効果を得ることができる。
【０００８】
さらに、このような廃熱回収装置において、前記排気マニホールドをシリンダヘッドと一体に形成することができる（請求項３）。このような構成とすることにより、排気の熱量をより効率的に回収することができる。排気マニホールドがシリンダヘッドと一体なので、排気マニホールドを通過する排気から得られる熱量は、シリンダヘッドへ伝わる。シリンダヘッドへ伝わった熱量は、冷媒通路を流通する蒸気へ伝達される。このように熱交換効率を高め、冷媒の回収する熱量を増加させるので、回収効率を向上することができる。
【０００９】
また、このような廃熱回収装置は、前記冷媒通路内に障害物を備えた構成とすることができる（請求項４）。このような構成とすることにより、蒸気通路を流れる蒸気は、冷媒通路を通過するのに時間を要する。このため、排気マニホールドを流通する排気から受熱する時間が増加し、さらに排気から蒸気への受熱量が増加する。これにより、蒸気の乾き度がさらに高まり、良質な乾燥蒸気を取り出すことができる。このような障害物として、壁、突起等を採用することができる。また、冷媒通路内を迷路構造に形成する構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の廃熱回収装置は、高温の排気からエンジン本体で蒸発した蒸気へ効率良く熱を伝達し、蒸気を過熱することにより、乾き度の高い良質な蒸気を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の廃熱回収装置１を組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。エンジン２は直列四気筒のエンジンで、ピストン３、シリンダブロック４、シリンダヘッド５を備えている。シリンダヘッド５内には、空気が導入される吸気ポート６と燃焼室７で発生した排気の排出される排気ポート８とが形成されている。また、吸気ポート６にはインテークバルブ９が配置され、排気ポート８にはエキゾーストバルブ１０が配置されている。さらに、シリンダヘッド５には、排気マニホールド部１１がシリンダヘッド５に一体となって形成されている。この排気マニホールド部１１に形成される排気通路１１ａは、排気ポート８と接続し、内部を排気が通過する構成となっている。
【００１３】
シリンダブロック４内にブロック側ウォータジャケット１２が形成されている。さらに、シリンダヘッド５内の吸気ポート７及び排気ポート８、排気マニホールド部１１の周囲には、ヘッド側ウォータジャケット１３が形成されている。このヘッド側ウォータジャケット１３は本発明の冷媒通路に相当する。
【００１４】
次に、排気マニホールド部１１、ヘッド側ウォータジャケット１３について詳細に説明する。図２は、図１中に示した排気マニホールド部１１の周辺を拡大して示した説明図である。また、図３は、図２中に示したＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線における各断面を示した説明図であり、（ａ）はＡ−Ａ断面、（ｂ）はＢ−Ｂ断面、（ｃ）はＣ−Ｃ断面を示した説明図である。また、図３における各図中に示すＤ−Ｄ線における断面は図２を示したものである。なお、図２、図３の説明図では、説明の都合上、エキゾーストバルブ１０を示していない。
【００１５】
排気マニホールド部１１に形成された排気通路１１ａは、各気筒から排出される排気ガスをまとめて、エンジン２の外部へ排出する。また、ヘッド側ウォータジャケット１３は、排気マニホールド１１の周囲に形成されている。すなわち、排気マニホールド１１を包み込むように形成されている。ヘッド側ウォータジャケット１３をこのように形成したことにより、ヘッド側ウォータジャケット１３を流通する冷媒が、排気通路１１ａを通過する高温の排気ガスから受熱する。
【００１６】
さらに、シリンダヘッド５には、本発明の障害物に相当する壁１４が備えられている。図２、図３に示すように、壁１４はヘッド側ウォータジャケット１３内を流通する冷媒の流路を遮るように配置されている。壁１４に流路を遮られる冷媒は、図３（ｃ）中に示す通路１５でのみ流通可能である。なお、この壁１４は、排気通路１１ａを流れる排気ガスの流通を遮断することなく配置されている。
【００１７】
また、図１に示すように、廃熱回収装置１は冷媒噴射ノズル１６、冷媒供給経路１７、ポンプ１８、ウォータタンク１９、蒸気回収経路２０、動力回収機２１、凝縮器２２を備えている。
【００１８】
冷媒噴射ノズル１６は、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３内へ噴射口を開口している。冷媒供給経路１７は、冷媒噴射ノズル１６とウォータタンク１９とを接続している。ポンプ１８は、冷媒供給経路１７上に配置され、ウォータタンク１９内の冷媒を冷媒噴射ノズル１６へ供給する。こうして供給される冷媒は、冷媒噴射ノズル１６により、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３内へ噴射される。冷媒噴射ノズル１６の冷媒噴射部位は、エンジン２内の高温となる部位であり、噴射された冷媒は蒸発して蒸気となる。
【００１９】
蒸気回収経路２０の一端はヘッド側ウォータジャケット１３と接続され、他端は凝縮器２２に接続されている。蒸気回収経路２０上には、動力回収機２１が配置されている。動力回収機２１は、膨張機と発電機と（いずれも図示しない）を備え、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３内で発生した蒸気を介してエンジン２の廃熱を回収する。凝縮器２２は、動力回収機２１を通過した蒸気を冷却し、液相の冷媒へ戻す。こうして液相に戻された冷媒は、ウォータタンク１９に送られる。
【００２０】
上述のブロック側ウォータジャケット１２及びヘッド側ウォータジャケット１３、動力回収機２１、凝縮器２２、ポンプ１８は、冷媒を作動流体として、蒸発した冷媒、すなわち、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するランキンサイクルシステムを構成している。
【００２１】
次に、廃熱回収装置１において発生する蒸気について説明する。冷媒噴射ノズル１６から噴射された液相の冷媒は、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３内において、エンジン２の燃焼によって発生する廃熱を吸収して蒸発し、蒸気となる。このようにブロック側ウォータジャケット１２、ヘッド側ウォータジャケット１３で発生した蒸気は、乾き度の低い飽和蒸気である。このような蒸気は、壁１４により、蒸気回収経路２０側へ向かう流れが抑制されて、ヘッド側ウォータジャケット１３内に滞留する。このようにヘッド側ウォータジャケット１３内で滞留する飽和蒸気は、排気通路１１ａを通過する排気ガスから受熱し温度が上昇する。これにより、蒸気は乾き度が上がり、エネルギー回収に適した乾燥蒸気となる。このような乾燥蒸気は、通路１５を通過し、蒸気回収経路２０へ流れ出る。この乾燥蒸気は、動力回収機２１において、エネルギーに変換され回収される。このような乾燥蒸気は、乾き度の高い良質な蒸気なので、動力回収機２１における回収効率も高くなる。
【００２２】
以上のように、廃熱回収装置１は、シリンダヘッド５内において排気ガスからウォータジャケット内で発生した飽和蒸気へ熱を付与することにより、エネルギー回収の可能な乾燥蒸気を効率よく生成することができる。
【実施例２】
【００２３】
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。但し、本実施例の廃熱回収装置は、排気マニホールド３０を備えている点で実施例１の廃熱回収装置１と相違している。また、本実施例の廃熱回収装置は、壁１４を備えていない点で実施例１の廃熱回収装置１と相違している。
【００２４】
図４は、本実施例の廃熱回収装置の排気マニホールド３０の周辺を拡大して示した説明図である。廃熱回収装置のシリンダヘッド３３は、実施例１のシリンダヘッド５とほぼ同一であるが、内部に排気マニホールド部１１、壁１４を備えていない点でシリンダヘッド５と相違している。シリンダヘッド３３は、ヘッド側ウォータジャケット３４を備えている。ヘッド側ウォータジャケット３４は、排気ポート３５の周囲に形成されている。また、ヘッド側ウォータジャケット３４は、シリンダヘッド３３の外部に開口している。
【００２５】
排気マニホールド３０には、排気通路３１と蒸気通路３２とが形成されている。排気通路３１は、各気筒の排気ポート３５と接続するように開口部を備えている。この排気通路３１は、各気筒から排出される排気ガスをまとめて、エンジン２の外部へ排出する。蒸気通路３２は、排気通路３１の周囲に形成されており、ヘッド側ウォータジャケット３４の接続口に対応するように開口している。この蒸気通路３２は本発明の冷媒通路に相当する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット３４内において、冷媒は、エンジン２の燃焼によって発生する廃熱を吸収して蒸発し、蒸気となる。このように発生した蒸気は、排気ポート３５を通過する排気ガスから受熱し、温度が上昇する。さらに、この蒸気はヘッド側ウォータジャケット３４から蒸気通路３２へ流入し、蒸気通路３２内において排気通路３１を通過する排気ガスから受熱し、高温となる。このような蒸気は、温度の上昇に伴って、乾き度が上がり、エネルギー回収に適した乾燥蒸気となり、蒸気回収経路２０へ流れ出る。このように良質な蒸気が得られるので、動力回収機２１において、効率良いエネルギーの回収に寄与する。
【００２７】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、本発明の廃熱回収装置は、冷媒通路内に迷路構造を形成することができる。迷路構造は蒸気を冷媒通路内に留まる時間を延長させるため、蒸気はヘッド内を抜ける間にさらに熱を付与される。このため、蒸気の温度が上昇し、乾き度が上がるため、良質な乾燥蒸気を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図２】図１における排気マニホールド部の周辺を拡大して示した説明図であり、図３中に示したＤ−Ｄ線における断面を示した説明図である。
【図３】図２中に示したＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線における各断面を示した説明図であって、（ａ）はＡ−Ａ断面、（ｂ）はＢ−Ｂ断面、（ｃ）はＣ−Ｃ断面を示した説明図である。
【図４】実施例２における排気マニホールドの周辺を拡大した説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  廃熱回収装置
２  エンジン
５、３３  シリンダヘッド
１１  排気マニホールド部
１１ａ、３１  排気通路
１２  ブロック側ウォータジャケット
１３、３４  ヘッド側ウォータジャケット
１４  壁
２１  動力回収機
２２  凝縮器
３０  排気マニホールド
３２  蒸気通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009108794.tif 000006