JP2007239513A

JP2007239513A - Ｅｇｒガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置

Info

Publication number: JP2007239513A
Application number: JP2006060327A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Tsuji; 幸浩辻
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: JP4855105B2

Abstract

【課題】ＥＧＲガスの排熱エネルギを有効に利用しつつ過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うことができるようにする。
【解決手段】排気ガスをＥＧＲガス路（２８）を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路（１０）を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する過給機（１２）とを備えたエンジン（２）に使用されるものであって、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを用いてランキンサイクル作動媒体を気化させる熱交換手段（３０）と、この熱交換手段が気化したランキンサイクル作動媒体によって回転駆動されて発生した回転力により上記過給機の過給圧を高めるランキンサイクル用タービン（３２）とを有するランキンサイクルシステムを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲシステムと排気ガス駆動の過給機とを備えたエンジンに使用されて好適な、ＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置に関する。

従来、例えば、トラック等の車両に搭載されるエンジンのＥＧＲシステムは、エンジンの排気ガスの一部を再度エンジンに吸気させ、吸気中の酸素濃度を低下させることによりエンジンの燃焼温度を下げて、主にＮＯ_Xの低減を図るものである。

特に、近年におけるディーゼルエンジン等のＮＯ_X低減対策として極めて重要なシステムであり、排気ガスのうちＥＧＲガスとしてエンジンに再給気させる割合はますます増大している。将来的には、最大時にエンジンの排気ガスの約６０％がＥＧＲガスとしてエンジンに再吸気されるようになることも想定される。

しかしながら、このＥＧＲガスは、エンジン吸気前にＥＧＲクーラによってエンジン冷却水との熱交換を行い、適温にまで冷却される。この場合、ＥＧＲガスから排出される多量の熱エネルギをエンジンラジエータによって放出しなければならず、将来の高ＥＧＲ化を考えた場合、エンジンラジエータを大型化しなければならないという問題が生じる。この高ＥＧＲ化に伴うラジエータの大型化は、エンジン収納スペースとの関係で、特に車両用エンジンにおいて極めて重要な問題である。

また、エンジンラジエータからの排熱は大気への無駄な熱エネルギの放出であり、環境問題としても重要である。このため、ＥＧＲガスの熱エネルギを単に大気へ放出するのではなく、それを他のシステムの熱源等として有効利用するため、種々の装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この一方、エンジンの排気ガス駆動の過給機を備えたエンジンでは、エンジンの排気ガスの熱エネルギを利用して吸気圧を高め、それによってエンジン出力の増大を図るものである。しかしながら、上述のように、将来的には最大時にエンジンの排気ガスの約６０％がＥＧＲガスとしてエンジンに再吸気されることを考慮すると、この過給機を駆動させる熱エネルギが減少して駆動力不足、すなわち過給圧不足が発生する恐れがある。
特開平７−１８０６２０号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、高ＥＧＲ化に伴う過給機の駆動力不足及びエンジンラジエータの大型化の問題を同時に解決するものであって、ＥＧＲガスの排熱エネルギを有効に利用しつつ過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うことができる、ＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、排気ガスをＥＧＲガス路を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する過給機とを備えたエンジンに使用されるものであって、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを用いてランキンサイクル作動媒体を気化させる熱交換手段と、この熱交換手段が気化したランキンサイクル作動
媒体によって回転駆動されて発生した回転力により上記過給機の過給圧を高めるランキンサイクル用タービンとを有するランキンサイクルシステムを備えたＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置を提供することにある。

このように、本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置によれば、ランキンサイクルシステムの熱交換手段が、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを用いてランキンサイクル作動媒体を気化させ、この熱交換手段が気化したランキンサイクル作動媒体によって回転駆動されるランキンサイクル用タービンがその回転力により過給機の過給圧を高めるから、例えば、高ＥＧＲ化によって過給機の駆動力不足が発生した場合にも、多量に使用するＥＧＲガスがその熱エネルギによって過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うという、いわば自己完結型の優れた作用を奏する。

これと共に、ＥＧＲガスは熱交換手段を通ることによりランキンサイクル作動媒体との間で熱交換を行って温度低下するから、ＥＧＲガスのエンジン冷却水による冷却が不要になり、あるいは、仮にＥＧＲガスのエンジン冷却水による追加冷却が必要になった場合にも、エンジンラジエータへの負担が大幅に減少し、その大型化が確実に防止される。

好ましくは、上記熱交換手段は、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスによってランキンサイクル作動媒体を気化させる第１のランキンサイクル熱交換器を備える。

このようなランキンサイクル熱交換器を配設すれば、具体的にＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行なう従来のＥＧＲガス熱交換器を排除することが可能となる。これにより、エンジン冷却水システム、特にその配管等が単純化され、大幅なコスト削減を図ることができる。

又は、熱交換手段は、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスによってエンジン冷却水を加熱するＥＧＲガス熱交換器と、ＥＧＲガス熱交換器によって加熱されたエンジン冷却水によりランキンサイクル作動媒体を気化させる第２のランキンサイクル熱交換器とを備える。

このようにすれば、ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行なう従来のＥＧＲガス熱交換器をそのまま利用する一方、エンジン冷却水とランキンサイクル作動媒体との間で熱交換を行なう第２のランキンサイクル熱交換器を追加装備するだけで、上記熱交換手段を簡易に構築することができる。

例えば、上述のランキンサイクル用タービンは、その回転軸が上記過給機の回転軸に連結されてこの過給機の回転駆動力を補助するタービンである。このように、過給機の回転駆動力を直接補助するタービンが、過給機の過給圧を高めるためのものとして構造的に簡易であり、効率的にも優れている。

本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置は、排気ガスをＥＧＲガス路を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する過給機とを備えたエンジンに使用されるものであって、ＥＧＲガス路を通るＥＧＲガスの熱エネルギを用いてランキンサイクル作動媒体を気化させる熱交換手段と、この熱交換手段が気化したランキンサイクル作動媒体によって回転駆動されて発生した回転力により上記過給機の過給圧を高めるためのランキンサイクル用タービンとを有するランキンサイクルシステムを備えるから、高ＥＧＲ化に伴う過給機の駆動力不足及びエンジンラジエータの大型化の問題を同時に解決するものであって、ＥＧＲガスの排熱エネルギを有効に利用しつつ過給機の駆動力不足、すなわち過給圧不足を補うことができる、という優れた効果を奏する。

本発明に係るＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置の発明を実施するための最良の形態を、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１に示すように、エンジン２の吸気側にインテークマニホールド４が、排気側にはエクゾーストマニホールド６がそれぞれ接続される。インテークマニホールド４はエンジン吸気路８に、エクゾーストマニホールド６はエンジン排気ガス路１０にそれぞれ接続される。

エンジン２には、吸気を加圧するのため排気タービン過給機１２が配設され、過給機１２のコンプレッサ１４が上述の吸気路８に介挿され、タービン１６が上述のエンジン排気ガス路１０に介挿される。コンプレッサ１４とタービン１６は、回転軸１５により連結される。

すなわち、過給機１２は、エンジン排気ガス路１０を通して排気されるエンジン２の排気ガスによりそのタービン１６が回転駆動され、回転軸１５を介してタービン１６に連結されるコンプレッサ１４が吸気を過給する。このコンプレッサ１４で過給されて温度上昇した吸気は、インタークーラ１８で空気冷却されて温度が低下した後、インテークマニホールド４を通してエンジン２へ供給される。一方、過給機１２のタービン１６を出たエンジン２の排気ガスは、図示しない大気汚染物質除去のための後処理装置や消音のためのマフラー等を通して大気中へ排気される。

エンジン２とエンジンラジエータ２０との間にはエンジン冷却水路２２が配設され、エンジン２の出口側にはサーモスタット２４が、エンジンラジエータ２０の出口側には冷却水ポンプ２６がそれぞれ配設される。すなわち、エンジンラジエータ２０によって空気冷却されたエンジン冷却水は、冷却水ポンプ２６によって加圧されてエンジン２のシリンダヘッドへ送られて、エンジン２の冷却を行なう。

エンジン２の冷却によって温度上昇したエンジン冷却水はサーモスタット２４に入り、このサーモスタット２４の作動により、エンジン冷却水温度が所定温度以下の場合にはそのまま冷却水ポンプ２６に送られて、再びエンジン２へ加圧供給される。一方、エンジン冷却水温度が所定温度を超える場合には、エンジンラジエータ２０へ送られて空気冷却される。

エンジン２には、エクゾーストマニホールド６から排気されるエンジン２の排気ガスの一部を、ＥＧＲガスとしてインテークマニホールド４に戻して再吸気させるためのＥＧＲシステムが配設される。このＥＧＲシステムは、上述のようにエンジン２の排気ガスの一部を再度エンジン２に吸気させ、吸気中の酸素濃度を低下させることによりエンジンの燃焼温度を下げて、主にＮＯ_Xの低減を図るものである。特に、エンジン２の一例としてのディーゼルエンジン等のＮＯ_X低減対策として極めて重要なシステムであり、ＥＧＲガスとしてエンジン２に再吸気させる割合は、最大時に排気ガス総量の約６０％にも達する。

具体的には、エクゾーストマニホールド６とインテークマニホールド４との間にＥＧＲガス路２８が配設され、ＥＧＲガス路２８には、ＥＧＲガス路２８を通るＥＧＲガスとランキンサイクル作動媒体との間で熱交換を行なう第１のランキンサイクル熱交換器（熱交換手段）３０、及びＥＧＲガスの流量調節を行なう流量調節弁２９等が、エクゾーストマニホールド６側からこの順にそれぞれ配設される。

第１のランキンサイクル熱交換器３０は、上述のランキンサイクル用タービン３２と共
働して、エンジン２のランキンサイクルシステムを形成する。具体的には、第１のランキンサイクル熱交換器３０とランキンサイクル用タービン３２との間にランキンサイクル路３４が配設され、このランキンサイクル路３４内には、例えば、エアコン用冷媒、水等のランキンサイクル作動媒体が充填されている。

ランキンサイクル用タービン３２の出口から第１のランキンサイクル熱交換器３０の入口までの間のランキンサイクル路３４には、気化したランキンサイクル作動媒体を液化させるコンデンサ３６、及びこの液化したランキンサイクル作動媒体を加圧循環させるランキンサイクル用ポンプ３８が、ランキンサイクル用タービン３２の出口側からこの順にそれぞれ介挿される。

次に、上述のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置の作動について説明する。エンジン２のエクゾーストマニホールド６からＥＧＲガス路２８へ、流量調節弁２９により流量調節を受けたＥＧＲガスが、エンジン２の排気圧力で流入する。そして、ＥＧＲガスが第１のランキンサイクル熱交換器３０を通る間に、その熱エネルギが、ランキンサイクル用ポンプ３８によって加圧供給された液体のランキンサイクル作動媒体を気化させる。

このとき、エンジン２のエクゾーストマニホールド６からエンジン排気ガス路１０を通して排気された排気ガスが、過給機１２のタービン１６を回転させてコンプレッサ１４を回転させている。これと共に、ランキンサイクル用ポンプ３８によって気化されたランキンサイクル作動媒体がランキンサイクル用タービン３２を回転させ、その発生した回転力により過給機１２のコンプレッサ１４を回転させる。

このように、エンジン２の排気ガスによって回転駆動される過給機１２のタービン１６と、ランキンサイクル作動媒体によって回転駆動されるランキンサイクル用タービン３２とが共働して、過給機１２のコンプレッサ１４を回転させる。したがって、例えば、高ＥＧＲ化によって過給機１２の駆動力不足が発生した場合にも、多量に使用するＥＧＲガスがその熱エネルギによって過給機１２の駆動力不足を補い、その過給圧不足を解消する。

この一方、ＥＧＲガスは第１のランキンサイクル熱交換器３０を通ることにより温度低下する。このため、本実施の形態では、エンジン冷却水によってＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲガス熱交換器が装備されていない。このため、エンジン冷却水システム、特にその配管等が単純化され、大幅なコスト削減を図ることができると共に、エンジンラジエータの負担が大幅に減少し、その大型化が確実に防止される。

また、ランキンサイクル作動媒体はランキンサイクル用タービン３２を回転させることにより温度低下し、さらにコンデンサ３６に送られて液化される。

このように、本発明のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置によれば、高ＥＧＲ化による過給機１２の駆動力不足を、多量のＥＧＲガスが有する熱エネルギを用いて補い、いわば自己完結型の解決を行なうと共に、これまで問題となっていたエンジンラジエータへの負担の増大という問題も併せて解決できる、極めて優れたものである。

図２を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。図２において、図１と同一の構成要素は同一の符号によって示される。図２に示されるように、第２の実施の形態では、上述の第１の実施の形態の第１のランキンサイクル熱交換器３０と流量調節弁２９との間のＥＧＲガス路２８に、ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間の熱交換を行なうＥＧＲガス熱交換器４０が追加装備されている。

このように、第１のランキンサイクル熱交換器３０の後流側にこれと直列にＥＧＲガス熱交換器４０を追加装備することにより、例えばエンジン２の排気ガスによる過給機１２の駆動力が充分に得られている場合などにおいて、ＥＧＲガス路２８を通るＥＧＲガスの温度低下を充分に行うことができ、確実にＮＯ_Xの低減を図ることができる。

また、ＥＧＲガスの排熱エネルギの一部は第１のランキンサイクル熱交換器３０によってランキンサイクル作動媒体の気化に使用されるから、エンジン冷却水が排熱しなければならないＥＧＲガスの熱エネルギは減少する。したがって、エンジンラジエータ２０への負担は大幅に減少し、その大型化が確実に防止される。その他は、上述の第１の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。

図３を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。図３に示されるように、第３の実施の形態では、上述の第２の実施の形態のＥＧＲガス熱交換器４０と同様のＥＧＲガス熱交換器４２が、エンジン２のエクゾーストマニホールド６と第１のランキンサイクル熱交換器３０と間のＥＧＲガス路２８に介挿される。

この場合には、ＥＧＲガス熱交換器４２により温度低下したのちのＥＧＲガスによってランキンサイクル作動媒体の気化が行われる。したがって、ランキンサイクル作動媒体が、より低温で気化しやすい作動媒体の場合に有効である。その他は、上述の第２の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。

図４を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。図４において、図１と同一の構成要素は同一の符号によって示される。図４に示されるように、第４の実施の形態では、上述のＥＧＲガス路２８を通るＥＧＲガスとエンジン冷却水との間の熱交換を行なってＥＧＲガスによりエンジン冷却水を加熱するＥＧＲガス熱交換器５０と、このＥＧＲガス熱交換器５０によって加熱されたエンジン冷却水によりランキンサイクル作動媒体を気化させる第２のランキンサイクル熱交換器５２とが、冷却水ポンプ２６からサーモスタット２４まで延びるエンジン冷却路５４に、上流側からこの順にそれぞれ配設される。

この場合、ＥＧＲガスの熱エネルギは、ＥＧＲガスによって加熱されるエンジン冷却水を介してランキンサイクル作動媒体の気化に使用される。すなわち、第２のランキンサイクル熱交換器５２によってエンジンラジエータ２０が放熱しなければならないＥＧＲガスの排熱エネルギの一部をランキンサイクル作動媒体の気化に使用するから、エンジンラジエータ２０への負担は大幅に減少し、その大型化が確実に防止される。その他は、上述の第１の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。

図５を参照して、本発明の第５の実施の形態について説明する。図５に示されるように、第５の実施の形態では、上述の第４の実施の形態のＥＧＲガス熱交換器５０と流量調節弁２９との間のＥＧＲガス路２８に、ＥＧＲガス熱交換器５０を通ったＥＧＲガスと第２のランキンサイクル熱交換器５２を通ったエンジン冷却水との間の熱交換を行なうＥＧＲガス熱交換器５６が追加装備される。

この場合には、ＥＧＲガス熱交換器５０を通って温度低下したＥＧＲガスが、第２のランキンサイクル熱交換器５２を通って温度低下したエンジン冷却水によって冷却されるから、ＥＧＲガスの冷却が充分に行われる。これにより、さらに確実にＮＯ_Xの低減を図ることができる。その他は、上述の第４の実施の形態と同様であり、その説明を省略する。

本発明は上述の５つの実施の形態に制約されるものでない。例えば、熱交換手段及びそれを含むランキンサイクルシステムは、上述のものに限定されるものではなく、種々の形態のものが考えられる。また、ランキンサイクル用タービンは、その回転軸が過給機の回
転軸に連結され、過給機の回転駆動力を直接補助するタービンに限定されるものではなく、例えば、自らコンプレッサを有し、過給機に送られる排気ガスの圧力をそのコンプレッサによって予め高める補助過給機のタービンであってもよい。

本発明に係るＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機補助装置の第１の実施の形態を示す模試図である。同第２の実施の形態を示す模試図である。同第３の実施の形態を示す模試図である。同第４の実施の形態を示す模試図である。同第５の実施の形態を示す模試図である。

符号の説明

２エンジン
４インテークマニホールド
６エクゾーストマニホールド
８エンジン吸気路
１０エンジン排気ガス路
１２過給機
１４コンプレッサ
１５回転軸
１６タービン
１８インタークーラ
２０エンジンラジエータ
２２エンジン冷却水路
２４サーモスタット
２６冷却水ポンプ
２８ＥＧＲガス路
２９流量調節弁
３０第１のランキンサイクル熱交換器
３２ランキンサイクル用タービン
３４ランキンサイクル路
３６コンデンサ
３８ランキンサイクル用ポンプ
４０ＥＧＲガス熱交換器
４２ＥＧＲガス熱交換器
５０ＥＧＲガス熱交換器
５２第２のランキンサイクル熱交換器
５４エンジン冷却路
５６ＥＧＲガス熱交換器

Claims

排気ガスをＥＧＲガス路（２８）を通してＥＧＲガスとして再吸気させるＥＧＲシステムと、エンジン排気ガス路（１０）を通して排気される排気ガスにより回転駆動されて吸気を過給する過給機（１２）とを備えたエンジン（２）に使用されるものであって、前記ＥＧＲガス路を通る前記ＥＧＲガスの熱エネルギを用いてランキンサイクル作動媒体を気化させる熱交換手段（３０，５０，５２）と、前記熱交換手段が気化した前記ランキンサイクル作動媒体によって回転駆動されて発生した回転力により前記過給機の過給圧を高めるランキンサイクル用タービン（３２）とを有するランキンサイクルシステムを備えたことを特徴とするＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
前記熱交換手段は、前記ＥＧＲガス路を通る前記ＥＧＲガスによって前記ランキンサイクル作動媒体を気化させる第１のランキンサイクル熱交換器（３０）を備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
前記熱交換手段は、前記ＥＧＲガス路を通る前記ＥＧＲガスによってエンジン冷却水を加熱するＥＧＲガス熱交換器（５０）と、前記ＥＧＲガス熱交換器によって加熱された前記エンジン冷却水により前記ランキンサイクル作動媒体を気化させる第２のランキンサイクル熱交換器（５２）とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。
前記ランキンサイクル用タービンは、回転軸が前記過給機（１２）の回転軸（１５）に連結されて前記過給機の回転駆動力を補助するタービン（３２）であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のＥＧＲガスの排熱エネルギを利用した過給機の補助装置。