JP2001132442A - エネルギ回収装置を備えたエンジン - Google Patents
エネルギ回収装置を備えたエンジンInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B29/00—Engines characterised by provision for charging or scavenging not provided for in groups F02B25/00, F02B27/00 or F02B33/00 - F02B39/00; Details thereof
- F02B29/04—Cooling of air intake supply
- F02B29/045—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly
- F02B29/0468—Water separation or drainage means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
- F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
- F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
- F02M26/06—Low pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust downstream of the turbocharger turbine and reintroduced into the intake system upstream of the compressor
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
- F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
- F02M26/08—EGR systems specially adapted for supercharged engines for engines having two or more intake charge compressors or exhaust gas turbines, e.g. a turbocharger combined with an additional compressor
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
(57)【要約】
【課題】 このエネルギ回収装置を備えたエンジンは，
多量のＥＧＲガスを燃焼室に供給してＮＯX の発生を防
止し，排気ガスエネルギをターボチャージャ，熱交換
器，及び蒸気タービンで有効に回収して熱効率を向上さ
せる。 【解決手段】 このエンジンは，ターボチャージャ３，
その後流の第１熱交換器４，第１熱交換器４の後流に配
置されたＥＧＲ制御弁７，ＥＧＲ制御弁７からの排気ガ
スをコンプレッサ２１に送り込む吸気系に設けられた水
分離器８，コンプレッサ２１から送り出されるＥＧＲガ
スと空気とを冷却すると共に第１熱交換器４へ送り込む
蒸気を発生させる第２熱交換器５，及び第１熱交換器４
で発生した高温蒸気によって駆動される蒸気タービン３
５を備えている。
多量のＥＧＲガスを燃焼室に供給してＮＯX の発生を防
止し，排気ガスエネルギをターボチャージャ，熱交換
器，及び蒸気タービンで有効に回収して熱効率を向上さ
せる。 【解決手段】 このエンジンは，ターボチャージャ３，
その後流の第１熱交換器４，第１熱交換器４の後流に配
置されたＥＧＲ制御弁７，ＥＧＲ制御弁７からの排気ガ
スをコンプレッサ２１に送り込む吸気系に設けられた水
分離器８，コンプレッサ２１から送り出されるＥＧＲガ
スと空気とを冷却すると共に第１熱交換器４へ送り込む
蒸気を発生させる第２熱交換器５，及び第１熱交換器４
で発生した高温蒸気によって駆動される蒸気タービン３
５を備えている。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は，遮熱構造の燃焼
室から排出される排気ガスから排気ガスエネルギを回収
するため排気管に設けられたエネルギ回収装置を備えた
エンジンに関する。
室から排出される排気ガスから排気ガスエネルギを回収
するため排気管に設けられたエネルギ回収装置を備えた
エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，ターボチャージャを備えた遮熱型
エンジンは，排気系の一段目にタービンとコンプレッサ
を備えたターボチャージャを設置し，該ターボチャージ
ャの後流に発電機を持つタービンから成るエネルギー回
収装置を設置している。該遮熱型エンジンでは，燃焼室
がセラミック材によって遮熱構造に構成され，燃焼室か
ら排出される排気ガスの熱エネルギがターボチャージャ
やエネルギ回収装置によって電力として回収されたり，
ターボチャージャのコンプレッサを駆動によって過給す
ることによって回収されている。上記のような遮熱型エ
ンジンに対して排気ガスエネルギの回収効率を低減させ
ないようなエネルギ回収システムとして，例えば，特開
平５−１７９９７２号に開示されたものがある。
エンジンは，排気系の一段目にタービンとコンプレッサ
を備えたターボチャージャを設置し，該ターボチャージ
ャの後流に発電機を持つタービンから成るエネルギー回
収装置を設置している。該遮熱型エンジンでは，燃焼室
がセラミック材によって遮熱構造に構成され，燃焼室か
ら排出される排気ガスの熱エネルギがターボチャージャ
やエネルギ回収装置によって電力として回収されたり，
ターボチャージャのコンプレッサを駆動によって過給す
ることによって回収されている。上記のような遮熱型エ
ンジンに対して排気ガスエネルギの回収効率を低減させ
ないようなエネルギ回収システムとして，例えば，特開
平５−１７９９７２号に開示されたものがある。
【０００３】また，コージェネレーションシステムは，
動力を発電機で電気エネルギとして取り出し，排気ガス
が有する熱エネルギを電力や排気通路に設けた熱交換器
で水を加熱して温水にして給湯用として利用している。
上記コージェネレーションシステムとして，例えば，特
開平６−３３７０７号公報に開示されたものがある。コ
ージェネレーションシステムは，定格運転されて負荷変
動が小さく，都市部や山間地等で電力供給システムとし
て利用されることが期待され，排気ガスエネルギで蒸気
を発生させ，該蒸気エネルギを電気エネルギとして回収
して熱効率を向上させるものであり，排気ガスエネルギ
によってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージ
ャに設けた発電機から成るエネルギ回収装置を備えてい
る。
動力を発電機で電気エネルギとして取り出し，排気ガス
が有する熱エネルギを電力や排気通路に設けた熱交換器
で水を加熱して温水にして給湯用として利用している。
上記コージェネレーションシステムとして，例えば，特
開平６−３３７０７号公報に開示されたものがある。コ
ージェネレーションシステムは，定格運転されて負荷変
動が小さく，都市部や山間地等で電力供給システムとし
て利用されることが期待され，排気ガスエネルギで蒸気
を発生させ，該蒸気エネルギを電気エネルギとして回収
して熱効率を向上させるものであり，排気ガスエネルギ
によってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージ
ャに設けた発電機から成るエネルギ回収装置を備えてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで，往復運動型
エンジンの熱効率は，ガソリンエンジンが３０％であ
り，ディーゼルエンジンが４２％であるが，エンジンを
遮熱構造に構成すると，冷却系に移動する熱が排気ガス
へ加わることになるので，排気ガスの熱エネルギが増加
することになる。即ち，燃焼室をセラミックス等の材料
で形成した遮熱構造の断熱エンジンでは，排気ガスの温
度が高くなるので，排気ガスから熱エネルギを回収する
ことが熱効率を向上させることになる。一般に，断熱エ
ンジンから排出される排気ガスの温度は９００℃程度で
あり，該排気ガスからエネルギを回収する方法では，排
気タービンを駆動することが効率的である。
エンジンの熱効率は，ガソリンエンジンが３０％であ
り，ディーゼルエンジンが４２％であるが，エンジンを
遮熱構造に構成すると，冷却系に移動する熱が排気ガス
へ加わることになるので，排気ガスの熱エネルギが増加
することになる。即ち，燃焼室をセラミックス等の材料
で形成した遮熱構造の断熱エンジンでは，排気ガスの温
度が高くなるので，排気ガスから熱エネルギを回収する
ことが熱効率を向上させることになる。一般に，断熱エ
ンジンから排出される排気ガスの温度は９００℃程度で
あり，該排気ガスからエネルギを回収する方法では，排
気タービンを駆動することが効率的である。
【０００５】しかしながら，排気タービンを通過した後
の排気ガスは，依然として７００℃程度と高温であるの
で，このまま排気ガスを外部に排出すれば，大きな熱エ
ネルギを無駄にすることになる。一般に，冷却エンジン
では，エンジン出力が４２％，排気ガスによる損失が２
７％，エンジンの冷却による損失が２３％，及びエンジ
ン駆動に伴う機械損失が８％になるのに対し，セラミッ
ク材等によって断熱構造に構成した断熱エンジンでは，
ターボチャージャで排気ガスエネルギを回収するとエン
ジン出力が５２％，排気ガスによる損失が３５％，エン
ジンのボディから逃げる熱損失が５％，及びエンジン駆
動に伴う機械損失が８％になる。これらの現象を考慮す
ると，断熱エンジンでは，排気ガスエネルギを回収して
排気ガス損失を低減すれば，熱効率をアップできること
になるので，断熱エンジンでは排気ガスエネルギを如何
なるシステムによって回収するかの問題がある。
の排気ガスは，依然として７００℃程度と高温であるの
で，このまま排気ガスを外部に排出すれば，大きな熱エ
ネルギを無駄にすることになる。一般に，冷却エンジン
では，エンジン出力が４２％，排気ガスによる損失が２
７％，エンジンの冷却による損失が２３％，及びエンジ
ン駆動に伴う機械損失が８％になるのに対し，セラミッ
ク材等によって断熱構造に構成した断熱エンジンでは，
ターボチャージャで排気ガスエネルギを回収するとエン
ジン出力が５２％，排気ガスによる損失が３５％，エン
ジンのボディから逃げる熱損失が５％，及びエンジン駆
動に伴う機械損失が８％になる。これらの現象を考慮す
ると，断熱エンジンでは，排気ガスエネルギを回収して
排気ガス損失を低減すれば，熱効率をアップできること
になるので，断熱エンジンでは排気ガスエネルギを如何
なるシステムによって回収するかの問題がある。
【０００６】そこで，断熱エンジンから排出される排気
ガスの熱エネルギを回収して動力に変換するシステムと
して排気タービンが考えられる。しかしながら，排気タ
ービンによって回収される熱エネルギは，熱効率に換算
して６〜８％程度であり，依然として排気ガスの温度は
６００℃程であり，この熱エネルギを回収する必要があ
る。この排気ガスエネルギを回収するため，ターボチャ
ージャの後流に熱交換器を設けたランキンサイクルによ
って排気ガス熱エネルギを回収することが考えられる。
ターボチャージャを通過した排気ガスから熱エネルギを
回収する方法としてランキンサイクルが知られている
（例えば，特開平１１−６６０１号公報）。該ランキン
サイクルは，媒体として水を使用し，該水を排気ガスの
熱エネルギで蒸気に変換し，蒸気エネルギを動力変換
し，再び蒸気を復水させるものであるが，該ランキンサ
イクルでは，復水器等を必要とし，装置全体が大型にな
ると共に，装置自体の構造が複雑になるという問題があ
る。
ガスの熱エネルギを回収して動力に変換するシステムと
して排気タービンが考えられる。しかしながら，排気タ
ービンによって回収される熱エネルギは，熱効率に換算
して６〜８％程度であり，依然として排気ガスの温度は
６００℃程であり，この熱エネルギを回収する必要があ
る。この排気ガスエネルギを回収するため，ターボチャ
ージャの後流に熱交換器を設けたランキンサイクルによ
って排気ガス熱エネルギを回収することが考えられる。
ターボチャージャを通過した排気ガスから熱エネルギを
回収する方法としてランキンサイクルが知られている
（例えば，特開平１１−６６０１号公報）。該ランキン
サイクルは，媒体として水を使用し，該水を排気ガスの
熱エネルギで蒸気に変換し，蒸気エネルギを動力変換
し，再び蒸気を復水させるものであるが，該ランキンサ
イクルでは，復水器等を必要とし，装置全体が大型にな
ると共に，装置自体の構造が複雑になるという問題があ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の問題を解決することであり，燃焼室から排出される排
気ガスでターボチャージャを駆動し，ターボチャージャ
から排出された排気ガスが有する熱エネルギを熱交換器
によって回収し，更に，熱交換器から排出される排気ガ
スの一部を水分離器を通って燃焼室へ再循環させ，燃焼
室へ再循環させる排気ガスとターボチャージャから排出
する排気ガスとが有する熱エネルギで水を蒸気に変換
し，発生した蒸気によって発電・電動機を備えた蒸気タ
ービンを駆動し，更に蒸気タービンから排出された蒸気
をターボチャージャの後流の排気ガス中に送り込んで，
熱交換器に再度取り込んで，排気ガスから熱エネルギを
有効に回収して熱効率をアップさせるエネルギ回収装置
を備えたエンジンを提供することである。
の問題を解決することであり，燃焼室から排出される排
気ガスでターボチャージャを駆動し，ターボチャージャ
から排出された排気ガスが有する熱エネルギを熱交換器
によって回収し，更に，熱交換器から排出される排気ガ
スの一部を水分離器を通って燃焼室へ再循環させ，燃焼
室へ再循環させる排気ガスとターボチャージャから排出
する排気ガスとが有する熱エネルギで水を蒸気に変換
し，発生した蒸気によって発電・電動機を備えた蒸気タ
ービンを駆動し，更に蒸気タービンから排出された蒸気
をターボチャージャの後流の排気ガス中に送り込んで，
熱交換器に再度取り込んで，排気ガスから熱エネルギを
有効に回収して熱効率をアップさせるエネルギ回収装置
を備えたエンジンを提供することである。
【０００８】この発明は，燃焼室からの排気ガスを流す
排気管に設けられたターボチャージャ，前記ターボチャ
ージャのタービンの後流に設けられた排気ガスエネルギ
によって高温蒸気を発生させる第１熱交換器，前記第１
熱交換器を通過した排気ガスの一部をＥＧＲガスとして
前記ターボチャージャのコンプレッサへ供給するＥＧＲ
制御弁，前記ＥＧＲ制御弁からの前記ＥＧＲガスを前記
コンプレッサに送り込む吸気系に設けられた前記ＥＧＲ
ガスから水分を分離する水分離器，前記コンプレッサか
ら送り出される前記ＥＧＲガスと吸入空気とを冷却する
と共に前記第１熱交換器へ送り込む熱湯を発生させる第
２熱交換器，前記第１熱交換器で発生した高温蒸気によ
って駆動される蒸気タービン，及び前記蒸気タービンか
ら排出される前記蒸気を前記第１熱交換器の上流の前記
排気管に供給するため制御される蒸気弁，から成るエネ
ルギ回収装置を備えたエンジンに関する。
排気管に設けられたターボチャージャ，前記ターボチャ
ージャのタービンの後流に設けられた排気ガスエネルギ
によって高温蒸気を発生させる第１熱交換器，前記第１
熱交換器を通過した排気ガスの一部をＥＧＲガスとして
前記ターボチャージャのコンプレッサへ供給するＥＧＲ
制御弁，前記ＥＧＲ制御弁からの前記ＥＧＲガスを前記
コンプレッサに送り込む吸気系に設けられた前記ＥＧＲ
ガスから水分を分離する水分離器，前記コンプレッサか
ら送り出される前記ＥＧＲガスと吸入空気とを冷却する
と共に前記第１熱交換器へ送り込む熱湯を発生させる第
２熱交換器，前記第１熱交換器で発生した高温蒸気によ
って駆動される蒸気タービン，及び前記蒸気タービンか
ら排出される前記蒸気を前記第１熱交換器の上流の前記
排気管に供給するため制御される蒸気弁，から成るエネ
ルギ回収装置を備えたエンジンに関する。
【０００９】このエンジンは，前記第２熱交換器と前記
第１熱交換器へ水を供給する水ポンプ及び前記第１熱交
換器の熱水導入部に設けられた噴射ノズルを備えてい
る。
第１熱交換器へ水を供給する水ポンプ及び前記第１熱交
換器の熱水導入部に設けられた噴射ノズルを備えてい
る。
【００１０】前記蒸気タービンは，前記第１熱交換器で
加熱された高温蒸気で駆動される第１段蒸気タービン，
該第１段蒸気タービンにシャフトで連結され且つ前記第
１段蒸気タービンから排出される蒸気によって駆動され
る第２段蒸気タービン，及び前記シャフトに設けられた
発電・電動機から構成されている。
加熱された高温蒸気で駆動される第１段蒸気タービン，
該第１段蒸気タービンにシャフトで連結され且つ前記第
１段蒸気タービンから排出される蒸気によって駆動され
る第２段蒸気タービン，及び前記シャフトに設けられた
発電・電動機から構成されている。
【００１１】前記蒸気弁は，前記第２段蒸気タービンか
ら排出された前記蒸気を前記第１熱交換器に供給する蒸
気量を制御する。
ら排出された前記蒸気を前記第１熱交換器に供給する蒸
気量を制御する。
【００１２】前記ターボチャージャは，前記タービンと
前記コンプレッサとを連結するシャフトに設けられた発
電・電動機を有している。また，前記燃焼室は，セラミ
ック材で遮熱構造に構成されている。
前記コンプレッサとを連結するシャフトに設けられた発
電・電動機を有している。また，前記燃焼室は，セラミ
ック材で遮熱構造に構成されている。
【００１３】このエンジンには，前記第２熱交換器から
前記燃焼室に供給される前記ＥＧＲガスと前記吸入空気
から水分を分離する別の水分離器が前記第２熱交換器の
後流の吸気管に設けられている。
前記燃焼室に供給される前記ＥＧＲガスと前記吸入空気
から水分を分離する別の水分離器が前記第２熱交換器の
後流の吸気管に設けられている。
【００１４】前記ターボチャージャの前記タービンの後
流の前記排気管には，前記排気ガスと前記蒸気弁から送
り出される前記蒸気とが合流できるように，合流弁が設
けられている。
流の前記排気管には，前記排気ガスと前記蒸気弁から送
り出される前記蒸気とが合流できるように，合流弁が設
けられている。
【００１５】このエネルギ回収装置を備えたエンジン
は，上記のように，燃焼室へ再循環させる排気ガスとタ
ーボチャージャから排出する排気ガスとが有する熱エネ
ルギで熱交換器によって水を蒸気に変換し，発生した蒸
気を蒸気タービンに送り込んでタービンの回転力をアッ
プするので，排気ガスの熱エネルギを蒸気エネルギに変
換して動力として回収してエネルギ回収量を増大させる
ことができ，エンジン効率がアップし，熱効率を向上さ
せることができ，更に，熱エネルギが回収されて温度が
低下した排気ガスをＥＧＲガスとして燃焼室へ供給し，
その際にＥＧＲガスから十分に水分を分離して燃焼室に
多量供給し，ＮＯX の発生を抑制した燃焼をさせること
ができる。このエネルギ回収装置を備えたエンジンは，
エンジン熱効率は４２％であるが，エネルギ回収装置に
おけるターボチャージャによる熱エネルギの回収率が６
〜８％，蒸気タービン，第１及び第２熱交換器による熱
エネルギの回収率が４〜６％であるので，全体で熱効率
が５２〜５６％に向上する。更に，蒸気タービンから排
出される蒸気は，第１熱交換器にのみ送り込まずに，蒸
気弁の制御によって暖房や温水等に利用することもでき
る。
は，上記のように，燃焼室へ再循環させる排気ガスとタ
ーボチャージャから排出する排気ガスとが有する熱エネ
ルギで熱交換器によって水を蒸気に変換し，発生した蒸
気を蒸気タービンに送り込んでタービンの回転力をアッ
プするので，排気ガスの熱エネルギを蒸気エネルギに変
換して動力として回収してエネルギ回収量を増大させる
ことができ，エンジン効率がアップし，熱効率を向上さ
せることができ，更に，熱エネルギが回収されて温度が
低下した排気ガスをＥＧＲガスとして燃焼室へ供給し，
その際にＥＧＲガスから十分に水分を分離して燃焼室に
多量供給し，ＮＯX の発生を抑制した燃焼をさせること
ができる。このエネルギ回収装置を備えたエンジンは，
エンジン熱効率は４２％であるが，エネルギ回収装置に
おけるターボチャージャによる熱エネルギの回収率が６
〜８％，蒸気タービン，第１及び第２熱交換器による熱
エネルギの回収率が４〜６％であるので，全体で熱効率
が５２〜５６％に向上する。更に，蒸気タービンから排
出される蒸気は，第１熱交換器にのみ送り込まずに，蒸
気弁の制御によって暖房や温水等に利用することもでき
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下，図１を参照して，この発明
によるエネルギ回収装置を備えたエンジンの実施例を説
明する。
によるエネルギ回収装置を備えたエンジンの実施例を説
明する。
【００１７】図１に示すように，このエネルギ回収装置
を備えたエンジン１は，例えば，吸入行程，圧縮行程，
膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返すこと
によって作動されるものであり，定置式のコージェネレ
ーションシステムにおける負荷変動が小さいエンジンに
適用することが好ましいものである。このエネルギ回収
装置を備えたエンジン１は，天然ガス等のガス体，軽
油，ガソリン等を燃料とし，例えば，コージェネレーシ
ョンシステムや自動車用エンジンに適用できるものであ
る。エンジン１は，多気筒エンジンに構成され，各燃焼
室２からの排気ガスを排出するため排気マニホルド３１
と，吸気管２５を通じて燃焼室２へ吸気を供給するため
吸気マニホルド２７とを備えている。吸気管２５からの
吸入空気とＥＧＲガスとは吸気マニホルド２７を通じて
各気筒の燃焼室２へ供給され，また，各燃焼室２からの
排気ガスは排気マニホルド３１によって集合して排気管
１２へ排出される。燃焼室２は，セラミック部材，遮熱
層等によって遮熱構造に構成されている。
を備えたエンジン１は，例えば，吸入行程，圧縮行程，
膨張行程及び排気行程の４つの行程を順次繰り返すこと
によって作動されるものであり，定置式のコージェネレ
ーションシステムにおける負荷変動が小さいエンジンに
適用することが好ましいものである。このエネルギ回収
装置を備えたエンジン１は，天然ガス等のガス体，軽
油，ガソリン等を燃料とし，例えば，コージェネレーシ
ョンシステムや自動車用エンジンに適用できるものであ
る。エンジン１は，多気筒エンジンに構成され，各燃焼
室２からの排気ガスを排出するため排気マニホルド３１
と，吸気管２５を通じて燃焼室２へ吸気を供給するため
吸気マニホルド２７とを備えている。吸気管２５からの
吸入空気とＥＧＲガスとは吸気マニホルド２７を通じて
各気筒の燃焼室２へ供給され，また，各燃焼室２からの
排気ガスは排気マニホルド３１によって集合して排気管
１２へ排出される。燃焼室２は，セラミック部材，遮熱
層等によって遮熱構造に構成されている。
【００１８】エンジン１は，特に，燃焼室２から排出さ
れた排気ガスを流す排気系に設けられた一種のランキン
サイクル（復水器を備えていない）で発生した蒸気をタ
ーボチャージャ３のタービン２０へ供給してタービン２
０の駆動力をアップし，更に発電・電動機２２とコンプ
レッサ２１を駆動して排気ガスエネルギを回収し，次い
で，蒸気タービン３５を駆動して発電・電動機３８で排
気ガスエネルギを回収するエネルギ回収装置を有すると
共に，排気ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室２に再
循環させるＥＧＲ装置に設けたことを特徴とする。
れた排気ガスを流す排気系に設けられた一種のランキン
サイクル（復水器を備えていない）で発生した蒸気をタ
ーボチャージャ３のタービン２０へ供給してタービン２
０の駆動力をアップし，更に発電・電動機２２とコンプ
レッサ２１を駆動して排気ガスエネルギを回収し，次い
で，蒸気タービン３５を駆動して発電・電動機３８で排
気ガスエネルギを回収するエネルギ回収装置を有すると
共に，排気ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室２に再
循環させるＥＧＲ装置に設けたことを特徴とする。
【００１９】エンジン１は，燃焼室２から排出される排
気ガスを流す排気管１２に設けられたターボチャージャ
３，ターボチャージャ３の後流の排気管１３に設けられ
た熱交換器４（第１熱交換器），熱交換器４を通過した
排気ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室２に送り込む
ため熱交換器４の後流の排気管１４に設けられたＥＧＲ
制御弁７，及び熱交換器４によって発生した高温蒸気に
よって駆動される二段式蒸気タービン３５を有する。タ
ーボチャージャ３は，排気ガスで駆動されるタービン２
０，タービン２０に連結したシャフト２３に取り付けら
れたコンプレッサ２１及びタービン２０とコンプレッサ
２１との間でシャフト２３に設けられた発電・電動機２
２から構成されている。発電・電動機２２は，タービン
２０の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギ
を電気エネルギとして回収することができる。
気ガスを流す排気管１２に設けられたターボチャージャ
３，ターボチャージャ３の後流の排気管１３に設けられ
た熱交換器４（第１熱交換器），熱交換器４を通過した
排気ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室２に送り込む
ため熱交換器４の後流の排気管１４に設けられたＥＧＲ
制御弁７，及び熱交換器４によって発生した高温蒸気に
よって駆動される二段式蒸気タービン３５を有する。タ
ーボチャージャ３は，排気ガスで駆動されるタービン２
０，タービン２０に連結したシャフト２３に取り付けら
れたコンプレッサ２１及びタービン２０とコンプレッサ
２１との間でシャフト２３に設けられた発電・電動機２
２から構成されている。発電・電動機２２は，タービン
２０の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギ
を電気エネルギとして回収することができる。
【００２０】二段式蒸気タービン３５は，高温蒸気で駆
動される第１段蒸気タービン３６，第１段蒸気タービン
３６に連結したシャフト３９に取り付けられた第２段蒸
気タービン３７及び第１段蒸気タービン３６と第２段蒸
気タービン３７との間でシャフト３９に設けられた発電
・電動機３８から構成されている。発電・電動機３８
は，第１段蒸気タービン３６と第２段蒸気タービン３７
との回転力を電力として取り出して高温蒸気エネルギを
電気エネルギとして回収することができる。
動される第１段蒸気タービン３６，第１段蒸気タービン
３６に連結したシャフト３９に取り付けられた第２段蒸
気タービン３７及び第１段蒸気タービン３６と第２段蒸
気タービン３７との間でシャフト３９に設けられた発電
・電動機３８から構成されている。発電・電動機３８
は，第１段蒸気タービン３６と第２段蒸気タービン３７
との回転力を電力として取り出して高温蒸気エネルギを
電気エネルギとして回収することができる。
【００２１】エンジン１では，ＥＧＲ制御弁７からの排
気ガスをＥＧＲガスとしてターボチャージャ３のコンプ
レッサ２１に送り込むため，ＥＧＲ制御弁７から延びる
ＥＧＲガス通路１６がコンプレッサ２１へ吸入空気を供
給する吸気管１７に連結され，ＥＧＲガス通路１６と吸
気管１７との合流部に水分離装置８が設けられている。
吸入空気は，エアクリーナ２８を通じて水分離装置８へ
供給され，水分離装置８でＥＧＲガスと混合され，水分
が除去されたＥＧＲガスと吸入空気とが燃焼室２へ供給
され，水分はドレン管３３から外部へ排水されるように
なる。更に，コンプレッサ２１から送り出される吸気
は，熱交換器５（第２熱交換器）で冷却され，次いで，
吸気が冷却されることで蒸気が水滴になるが，その水分
は水分離装置１１を通ってドレン管３４から外部へ排水
され，水分が除去された吸気は吸気マニホルド２７から
それぞれの燃焼室２へ供給される。
気ガスをＥＧＲガスとしてターボチャージャ３のコンプ
レッサ２１に送り込むため，ＥＧＲ制御弁７から延びる
ＥＧＲガス通路１６がコンプレッサ２１へ吸入空気を供
給する吸気管１７に連結され，ＥＧＲガス通路１６と吸
気管１７との合流部に水分離装置８が設けられている。
吸入空気は，エアクリーナ２８を通じて水分離装置８へ
供給され，水分離装置８でＥＧＲガスと混合され，水分
が除去されたＥＧＲガスと吸入空気とが燃焼室２へ供給
され，水分はドレン管３３から外部へ排水されるように
なる。更に，コンプレッサ２１から送り出される吸気
は，熱交換器５（第２熱交換器）で冷却され，次いで，
吸気が冷却されることで蒸気が水滴になるが，その水分
は水分離装置１１を通ってドレン管３４から外部へ排水
され，水分が除去された吸気は吸気マニホルド２７から
それぞれの燃焼室２へ供給される。
【００２２】また，水道，水タンク等の水は，水ポンプ
９によって水通路２６を通って熱交換器５（第２熱交換
器）に加圧供給され，熱交換器５においてコンプレッサ
２１から送り出されるＥＧＲガスと吸入空気から成る吸
気の熱エネルギによって加熱されて熱湯となり，次い
で，熱湯は熱交換器４の熱水導入口に設けた噴射ノズル
５０によって熱交換器４へ噴霧されて熱交換器４に送り
込まれ，高温蒸気に変換される。一方，コンプレッサ２
１から熱交換器５に送り込まれた空気とＥＧＲガスとか
らなる吸気は，水ポンプ９からの水によって熱交換器５
で冷却され，水分離装置１１を経て燃焼室２へ供給され
る。
９によって水通路２６を通って熱交換器５（第２熱交換
器）に加圧供給され，熱交換器５においてコンプレッサ
２１から送り出されるＥＧＲガスと吸入空気から成る吸
気の熱エネルギによって加熱されて熱湯となり，次い
で，熱湯は熱交換器４の熱水導入口に設けた噴射ノズル
５０によって熱交換器４へ噴霧されて熱交換器４に送り
込まれ，高温蒸気に変換される。一方，コンプレッサ２
１から熱交換器５に送り込まれた空気とＥＧＲガスとか
らなる吸気は，水ポンプ９からの水によって熱交換器５
で冷却され，水分離装置１１を経て燃焼室２へ供給され
る。
【００２３】第１熱交換器４によって加熱された高温蒸
気は，二段式蒸気タービン３５に送り込まれる。二段式
蒸気タービン３５に送り込まれた高温蒸気は，先ず，第
１段蒸気タービン３６を駆動し，次いで，第１段蒸気タ
ービン３６から排出される蒸気は，蒸気通路４０を通っ
て第２段蒸気タービン３７に送り込まれて第２段蒸気タ
ービン３７を駆動する。第１段蒸気タービン３６と第２
段蒸気タービン３７との駆動は発電・電動機３８を発電
作動し，発電・電動機３８の発電によって蒸気エネルギ
が電気エネルギに変換される。更に，第２段蒸気タービ
ン３７から排出される蒸気は，蒸気弁４２の制御によっ
て，第１熱交換器４の上流側の排気管１３に再び送り込
まれて排気ガスに混合されるか，又は蒸気通路４３を通
って暖房や温水として利用される。
気は，二段式蒸気タービン３５に送り込まれる。二段式
蒸気タービン３５に送り込まれた高温蒸気は，先ず，第
１段蒸気タービン３６を駆動し，次いで，第１段蒸気タ
ービン３６から排出される蒸気は，蒸気通路４０を通っ
て第２段蒸気タービン３７に送り込まれて第２段蒸気タ
ービン３７を駆動する。第１段蒸気タービン３６と第２
段蒸気タービン３７との駆動は発電・電動機３８を発電
作動し，発電・電動機３８の発電によって蒸気エネルギ
が電気エネルギに変換される。更に，第２段蒸気タービ
ン３７から排出される蒸気は，蒸気弁４２の制御によっ
て，第１熱交換器４の上流側の排気管１３に再び送り込
まれて排気ガスに混合されるか，又は蒸気通路４３を通
って暖房や温水として利用される。
【００２４】また，エンジン１は，ＥＧＲ装置を備えて
いる。ＥＧＲ装置は，熱交換器４の後流の排気管１４に
設けられたＥＧＲ制御弁７によってエンジン１の作動状
態に応じて排気ガス流量が制御されるように構成されて
いる。エンジン１には，エンジン負荷を検出する負荷セ
ンサ２９，エンジン回転数を検出する回転センサ３０及
び排気ガス温度を検出する温度センサ３２が設けられて
いる。コントローラ１０は，負荷センサ２９，回転セン
サ３０及び温度センサ３２からの検出信号に応じて排気
ガス流量が制御されると共に，熱交換器４，５へ供給す
る水流量を水ポンプ９を制御することで制御し，最適な
エネルギ回収システムを構成することができる。ＥＧＲ
制御弁７からＥＧＲガス通路１６に送り込まれた排気ガ
スは，水分離装置８によって水分が分離されると共に，
エアクリーナ２８から取り入れられた吸入空気と混合さ
れる。
いる。ＥＧＲ装置は，熱交換器４の後流の排気管１４に
設けられたＥＧＲ制御弁７によってエンジン１の作動状
態に応じて排気ガス流量が制御されるように構成されて
いる。エンジン１には，エンジン負荷を検出する負荷セ
ンサ２９，エンジン回転数を検出する回転センサ３０及
び排気ガス温度を検出する温度センサ３２が設けられて
いる。コントローラ１０は，負荷センサ２９，回転セン
サ３０及び温度センサ３２からの検出信号に応じて排気
ガス流量が制御されると共に，熱交換器４，５へ供給す
る水流量を水ポンプ９を制御することで制御し，最適な
エネルギ回収システムを構成することができる。ＥＧＲ
制御弁７からＥＧＲガス通路１６に送り込まれた排気ガ
スは，水分離装置８によって水分が分離されると共に，
エアクリーナ２８から取り入れられた吸入空気と混合さ
れる。
【００２５】コントローラ１０は，発電・電動機２２，
３８の発電機運転によって発電した電力を補機で消費し
たり，或いはバッテリに蓄電する制御を行う。コントロ
ーラ１０は，場合によっては，発電・電動機２２を電動
機運転し，バッテリに蓄電した電力を使用してコンプレ
ッサ２１による過給等を行う制御をする。
３８の発電機運転によって発電した電力を補機で消費し
たり，或いはバッテリに蓄電する制御を行う。コントロ
ーラ１０は，場合によっては，発電・電動機２２を電動
機運転し，バッテリに蓄電した電力を使用してコンプレ
ッサ２１による過給等を行う制御をする。
【００２６】熱交換器４及び熱交換器５は，それらの構
造を詳細に示していないが，例えば，内部に多孔質セラ
ミック部材等の熱接触面積を増大させる構造を有してい
る。また，発電・電動機２２，３８で発電された電力
は，バッテリに蓄電されたり，補機を駆動するのに消費
される。エンジン１では，熱交換器４，５で加熱された
水は，高温蒸気に変換され，蒸気タービン３５を駆動
し，次いで第１熱交換器４を通過する排気ガスに混合さ
れて排気ガス中に含まれた状態で排気管１５から排出さ
れたり，蒸気通路４３を通って暖房や温水として利用し
たり，或いは水分離装置８，１１で蒸気から分離されて
ドレン管３３，３４から外部に排出されるので，このラ
ンキンサイクルでは復水器を備えておらず，構造が簡素
化される。
造を詳細に示していないが，例えば，内部に多孔質セラ
ミック部材等の熱接触面積を増大させる構造を有してい
る。また，発電・電動機２２，３８で発電された電力
は，バッテリに蓄電されたり，補機を駆動するのに消費
される。エンジン１では，熱交換器４，５で加熱された
水は，高温蒸気に変換され，蒸気タービン３５を駆動
し，次いで第１熱交換器４を通過する排気ガスに混合さ
れて排気ガス中に含まれた状態で排気管１５から排出さ
れたり，蒸気通路４３を通って暖房や温水として利用し
たり，或いは水分離装置８，１１で蒸気から分離されて
ドレン管３３，３４から外部に排出されるので，このラ
ンキンサイクルでは復水器を備えておらず，構造が簡素
化される。
【００２７】
【発明の効果】この発明によるエネルギ回収装置を備え
たエンジンは，上記のように，ターボチャージャ，第１
と第２の熱交換器及び蒸気タービンによって排気ガスが
有する熱エネルギが電気エネルギやコンプレッサの駆
動，或いは暖房や温水として回収されるので，全体とし
て熱効率を向上し，排気ガスの一部をＥＧＲガスとして
燃焼室に供給し，ＮＯX の発生を低減する。即ち，この
エンジンは，第１熱交換器で熱エネルギが回収された排
気ガスの一部がＥＧＲガスとしてターボチャージャのコ
ンプレッサで過給され，更にＥＧＲガスと吸入空気とか
ら成るガスが第２熱交換器で更に冷却され，燃焼室に多
量のＥＧＲガスを供給でき，ＮＯX の発生を低減でき
る。
たエンジンは，上記のように，ターボチャージャ，第１
と第２の熱交換器及び蒸気タービンによって排気ガスが
有する熱エネルギが電気エネルギやコンプレッサの駆
動，或いは暖房や温水として回収されるので，全体とし
て熱効率を向上し，排気ガスの一部をＥＧＲガスとして
燃焼室に供給し，ＮＯX の発生を低減する。即ち，この
エンジンは，第１熱交換器で熱エネルギが回収された排
気ガスの一部がＥＧＲガスとしてターボチャージャのコ
ンプレッサで過給され，更にＥＧＲガスと吸入空気とか
ら成るガスが第２熱交換器で更に冷却され，燃焼室に多
量のＥＧＲガスを供給でき，ＮＯX の発生を低減でき
る。
【００２８】また，第１と第２の熱交換器で加熱された
水は高温蒸気になって蒸気タービンを駆動し，蒸気ター
ビンの駆動力は発電・電動機による発電として電気エネ
ルギに変換されると共に，排気ガスはＥＧＲガスと空気
とを燃焼室へ供給する動力としてターボチャージャのコ
ンプレッサを作動するのに消費され，排気ガスエネルギ
は有効に回収され，熱効率を向上できる。更に，このエ
ンジンでは，コントローラによってＥＧＲガス流量がエ
ンジンの作動状態で制御され，排気ガス温度に応じて第
２熱交換器へ送り込まれる水流量が制御され，極めて適
正なエネルギ回収装置を提供することができる。また，
このエンジンは，従来のようなエネルギ回収タービンに
変えて，熱交換器によって排気ガスの熱エネルギが回収
されるので，従来のような背圧による損失がなく，ま
た，有効に排気ガスの熱エネルギが回収されるので，燃
費を低減することができる。
水は高温蒸気になって蒸気タービンを駆動し，蒸気ター
ビンの駆動力は発電・電動機による発電として電気エネ
ルギに変換されると共に，排気ガスはＥＧＲガスと空気
とを燃焼室へ供給する動力としてターボチャージャのコ
ンプレッサを作動するのに消費され，排気ガスエネルギ
は有効に回収され，熱効率を向上できる。更に，このエ
ンジンでは，コントローラによってＥＧＲガス流量がエ
ンジンの作動状態で制御され，排気ガス温度に応じて第
２熱交換器へ送り込まれる水流量が制御され，極めて適
正なエネルギ回収装置を提供することができる。また，
このエンジンは，従来のようなエネルギ回収タービンに
変えて，熱交換器によって排気ガスの熱エネルギが回収
されるので，従来のような背圧による損失がなく，ま
た，有効に排気ガスの熱エネルギが回収されるので，燃
費を低減することができる。
【図１】この発明によるエネルギ回収装置を備えたエン
ジンの一実施例を示す概略説明図である。
ジンの一実施例を示す概略説明図である。
１ エンジン ２ 燃焼室 ３ ターボチャージャ ４，５ 熱交換器 ６ 制御弁 ７ ＥＧＲ制御弁 ８，１１ 水分離装置 ９ 水ポンプ １０ コントローラ １２，１３，１４，１５ 排気管 １６ ＥＧＲガス通路 １７，１８，２５ 吸気管 １９ 蒸気通路 ２０ タービン ２１ コンプレッサ ２２，３８ 発電・電動機 ２４ 水・蒸気通路 ３５ 二段式蒸気タービン ３６ 第１段蒸気タービン ３７ 第２段蒸気タービン ４０，４１，４３，４４ 蒸気通路 ４２ 蒸気弁
Claims (8)
- 【請求項１】 燃焼室からの排気ガスを流す排気管に設
けられたターボチャージャ，前記ターボチャージャのタ
ービンの後流に設けられた排気ガスエネルギによって高
温蒸気を発生させる第１熱交換器，前記第１熱交換器を
通過した排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記ターボ
チャージャのコンプレッサへ供給するＥＧＲ制御弁，前
記ＥＧＲ制御弁からの前記ＥＧＲガスを前記コンプレッ
サに送り込む吸気系に設けられた前記ＥＧＲガスから水
分を分離する水分離器，前記コンプレッサから送り出さ
れる前記ＥＧＲガスと吸入空気とを冷却すると共に前記
第１熱交換器へ送り込む熱湯を発生させる第２熱交換
器，前記第１熱交換器で発生した高温蒸気によって駆動
される蒸気タービン，及び前記蒸気タービンから排出さ
れる前記蒸気を前記第１熱交換器の上流の前記排気管に
供給するため制御される蒸気弁，から成るエネルギ回収
装置を備えたエンジン。 - 【請求項２】 前記第２熱交換器と前記第１熱交換器へ
水を供給する水ポンプ，及び前記第１熱交換器の熱水導
入部に設けられた噴射ノズルを備えていることから成る
請求項１に記載のエネルギ回収装置を備えたエンジン。 - 【請求項３】 前記蒸気タービンは，前記第１熱交換器
で加熱された高温蒸気で駆動される第１段蒸気タービ
ン，該第１段蒸気タービンにシャフトで連結され且つ前
記第１段蒸気タービンから排出される蒸気によって駆動
される第２段蒸気タービン，及び前記シャフトに設けら
れた発電・電動機から構成されていることから成る請求
項１に記載のエネルギ回収装置を備えたエンジン。 - 【請求項４】 前記蒸気弁は，前記第２段蒸気タービン
から排出された前記蒸気を前記第１熱交換器に供給する
蒸気量を制御することから成る請求項３に記載のエネル
ギ回収装置を備えたエンジン。 - 【請求項５】 前記ターボチャージャは，前記タービン
と前記コンプレッサとを連結するシャフトに設けられた
発電・電動機を有していることから成る請求項１に記載
のエネルギ回収装置を備えたエンジン。 - 【請求項６】 前記燃焼室は，セラミック材で遮熱構造
に構成されていることから成る請求項１に記載のエネル
ギ回収装置を備えたエンジン。 - 【請求項７】 前記第２熱交換器から前記燃焼室に供給
される前記ＥＧＲガスと前記吸入空気から水分を分離す
る別の水分離器が前記第２熱交換器の後流の吸気管に設
けられていることから成る請求項１に記載のエネルギ回
収装置を備えたエンジン。 - 【請求項８】 前記ターボチャージャの前記タービンの
後流の前記排気管には，前記排気ガスと前記蒸気弁から
送り出される前記蒸気とが合流できるように，合流弁が
設けられていることから成る請求項１に記載のエネルギ
回収装置を備えたエンジン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31351999A JP2001132442A (ja) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | エネルギ回収装置を備えたエンジン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31351999A JP2001132442A (ja) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | エネルギ回収装置を備えたエンジン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001132442A true JP2001132442A (ja) | 2001-05-15 |
Family
ID=18042296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31351999A Pending JP2001132442A (ja) | 1999-11-04 | 1999-11-04 | エネルギ回収装置を備えたエンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001132442A (ja) |
Cited By (22)
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| FR2926599A1 (fr) * | 2008-01-18 | 2009-07-24 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Moteur a combustion interne et vehicule equipe d'un tel moteur |
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-
1999
- 1999-11-04 JP JP31351999A patent/JP2001132442A/ja active Pending
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