JP2009299567A - 排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】排熱の回収対象である内燃機関と排熱回収機関とをよりコンパクトに配置すること。
【解決手段】排熱回収システム１０は、排熱回収対象である内燃機関２０と、排熱回収機関であるスターリングエンジン１００とを備える。スターリングエンジン１００の排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２の位置は、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置と重ならないように構成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関の排熱を回収する排熱回収システムに関する。

熱機関を用いることにより、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱を回収する排熱回収装置がある。このような用途に用いられる排熱回収装置としては、例えば、理論熱効率に優れたスターリングエンジンがある。特許文献１には、熱機関と、熱機関が排出する排ガスの熱エネルギーを回収する排熱回収機関とを同一の構造体で構成し、また、熱機関の排気マニホールド内に排熱回収機関のヒータを配置した排熱回収装置が開示されている。

特開２００７−２０５２７３号公報

特許文献１に開示された排熱回収装置は、排熱回収機関の出力低下を抑制することや排熱回収機関を車両に搭載する際の自由度を向上させることについて効果がある。しかし、内燃機関と排熱回収機関とをよりコンパクトに配置することや、排ガスの熱エネルギーをより効率的に回収することについては改善の余地がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱の回収対象である内燃機関と排熱回収機関とをよりコンパクトに配置すること、排熱の回収対象である内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーの回収効率を向上させること、のうち少なくとも一つを達成することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収システムは、直列に配置される複数の内燃機関シリンダ、及びそれぞれの前記内燃機関シリンダの内部に配置される内燃機関ピストン、及び前記内燃機関ピストンの往復運動を回転運動に変換する内燃機関クランクシャフトを有する内燃機関と、ヒータと再生器とクーラーとを含んで構成される熱交換器、及び前記熱交換器との間で作動流体が流出入する複数の排熱回収機関シリンダと、それぞれの前記排熱回収機関シリンダ内に配置されて往復運動する排熱回収機関ピストン、及び前記排熱回収機関ピストンの往復運動を回転運動に変換する排熱回収機関クランクシャフトを有し、前記ヒータは前記内燃機関から排出される排ガスで加熱される排熱回収機関と、を含み、それぞれの前記排熱回収機関シリンダは、前記排熱回収機関クランクシャフトの回転軸と平行な方向における位置が、前記内燃機関シリンダに対してずらされて配置されることを特徴とする。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、前記排熱回収機関クランクシャフトの回転軸は、前記内燃機関クランクシャフトの回転軸と平行に配置されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、前記排熱回収機関シリンダは、前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入する高温側シリンダと、前記クーラーとの間で前記作動流体が流出入する低温側シリンダとで構成され、前記高温側シリンダは、前記内燃機関シリンダの配列方向における前記内燃機関シリンダの群の中央部に配置されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、前記排熱回収機関シリンダは、前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入する高温側シリンダと、前記クーラーとの間で前記作動流体が流出入する低温側シリンダとで構成されるとともに、複数の前記排熱回収機関が設けられ、一対の前記排熱回収機関においては、それぞれの前記排熱回収機関の前記高温側シリンダ同士を対向して配置されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、対向して配置される一対の前記高温側シリンダは、前記内燃機関シリンダの配列方向における前記内燃機関シリンダの群の中央部に配置されることが好ましい。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収システムは、複数の内燃機関シリンダ、及びそれぞれの前記内燃機関シリンダの内部に配置される内燃機関ピストン、及び前記内燃機関ピストンの往復運動を回転運動に変換する内燃機関クランクシャフト、及び複数の前記シリンダが直列に配列された内燃機関シリンダ群を有する内燃機関と、ヒータと再生器とクーラーとを含んで構成される熱交換器、及び前記ヒータとの間で作動流体が流出入する高温側シリンダ、及び前記クーラーとの間で作動流体が流出入する低温側シリンダ、及び前記高温側シリンダ内を往復運動する高温側ピストン、及び前記低温側シリンダ内を往復運動する低温側ピストン、及び高温側ピストンの往復運動と前記低温側ピストンの往復運動とを回転運動に変換する排熱回収機関クランクシャフトを有し、前記ヒータは前記内燃機関から排出される排ガスで加熱される複数の排熱回収機関と、を含み、一対の前記排熱回収機関においては、それぞれの前記排熱回収機関の前記高温側シリンダ同士が対向して配置されることを特徴とする。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、前記排熱回収機関クランクシャフトの回転軸は、前記内燃機関クランクシャフトの回転軸と平行に配置されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、対向して配置される一対の前記高温側シリンダは、前記内燃機関シリンダの配列方向における前記内燃機関シリンダの群の中央部に配置されることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、前記内燃機関は車両に搭載されて前記車両の動力発生源となり、また、前記排熱回収機関は、前記内燃機関とともに前記車両に搭載されて前記車両の動力発生源となるスターリングエンジンであることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収システムにおいて、前記スターリングエンジンが発生する動力は、前記内燃機関が発生する動力と合成されて取り出されることが好ましい。

本発明は、排熱の回収対象である内燃機関と排熱回収機関とをよりコンパクトに配置すること、排熱の回収対象である内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーの回収効率を向上させること、のうち少なくとも一つを達成できる。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収機関としてスターリングエンジンを用い、熱機関である内燃機関の排熱を回収する場合を例とする。排熱回収機関としては、スターリングエンジンの他、ブレイトンサイクルを利用した排熱回収機関等を用いてもよい。

本実施例は、シリンダ内でピストンが往復運動するレシプロ式の内燃機関を排熱回収対象とし、同じくシリンダ内でピストンが往復運動するレシプロ式の排熱回収機関で内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収するものであり、排熱回収機関が有するそれぞれの排熱回収機関シリンダは、排熱回収機関クランクシャフトの回転軸と平行な方向における位置が、排熱回収対象である内燃機関のシリンダに対してずらされて配置される点に特徴がある。まず、本実施例に係る排熱回収システムを構成する排熱回収機関であるスターリングエンジンの構成を説明する。

図１は、実施例１に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、実施例１に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持に用いる近似直線機構の構成例を示す断面図である。スターリングエンジン１００は、いわゆる外燃機関であり、内燃機関等から排出される排ガス等の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、クランクシャフト（以下排熱回収機関クランクシャフトという）１１０の回転運動として取り出すものである。すなわち、排熱回収機関クランクシャフト１１０は、スターリングエンジン１００の出力軸となる。なお、排熱回収機関クランクシャフト１１０は、回転軸（排熱回収機関回転軸）Ｚｓを中心として回転する。

本実施例において、スターリングエンジン１００は、外燃機関であり、α型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１の内部に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０３と、第２シリンダである低温側シリンダ１０２の内部に収められた第２ピストンである低温側ピストン１０４とが一列に並んで、すなわち、直列に配置されている。ここで、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２が排熱回収機関シリンダ（排熱回収機関であるスターリングエンジン１００のシリンダ）であり、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４が排熱回収機関ピストン（排熱回収機関であるスターリングエンジン１００のピストン）である。このように、スターリングエンジン１００は、レシプロ式の機関である。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とは、基準体である基板１１１に、直接、又は間接的に支持されるとともに固定されている。本実施例に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。

後述するように、本実施例に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３との間、及び低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４との間に気体軸受ＧＢを介在させる。基準体である基板１１１に、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持できるので、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２との間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が配置される。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排ガス通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置することができる。熱交換器１０８の構成要素のうち、少なくともヒータ１０５が、後述する排熱回収対象である内燃機関の排気マニホールド２８内に配置される。

ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ１０１と接続され、他方の端部は再生器１０６と接続される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５と接続され、他方の端部はクーラー１０７と接続される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６と接続され、他方の端部は低温側シリンダ１０２と接続される。高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施例では空気）が封入されており、高温側シリンダ１０１とヒータ１０５との間、及びヒータ１０５と再生器１０６との間、及び再生器１０６とクーラー１０７との間、及びクーラー１０７と低温側シリンダ１０２との間で前記作動流体が流出入する。

このような構成により、ヒータ１０５から作動流体へ供給される熱、及びクーラー１０７で作動流体から排出される熱によってスターリングサイクルが構成される。これによって、スターリングエンジン１００が動力を発生する。スターリングエンジン１００が発生した動力は、排熱回収機関クランクシャフト１１０から取り出される。ここで、高温側シリンダ１０１の内部であって作動流体が存在する空間を高温側作動空間ＭＳＨ、低温側シリンダ１０２の内部であって作動流体が存在する空間を低温側作動空間ＭＳＬという。両者を区別しない場合には、単に作動空間ＭＳという。作動空間ＭＳは、内部の作動流体が膨張し又は圧縮される空間である。

ここで、ヒータ１０５、クーラー１０７は、例えば、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料（例えば銅や銅合金）のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、熱源の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４は、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、潤滑油を用いないで、ピストンをシリンダ内で往復運動させる構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排ガスから熱エネルギーを回収する場合のように、低熱源、低温度差の運転条件下において排熱回収を行う場合でも、スターリングエンジン１００を運転して熱エネルギーを回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示す、高温側ピストン１０３と高温側シリンダ１０１とのクリアランスｔｃは、高温側ピストン１０３及びの高温側シリンダ１０１の全周にわたって十数μｍ〜数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０２も同様の構成である。高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３と低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。

本実施例においては、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の側壁に設けた給気口ＨＥから気体（本実施例では作動流体と同じ空気）ａを吹き出して、気体軸受ＧＢを形成する。図１、図２に示すように、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の内部には、それぞれ高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲが形成される。

高温側ピストン１０３には、高温側ピストン内空間１０３ＩＲへ気体ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられており、低温側ピストン１０４には、低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ気体ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられている。それぞれの気体導入口ＨＩには、気体供給管１１８が接続されている。気体供給管１１８の一端は、気体軸受用ポンプ１１７に接続されており、気体軸受用ポンプ１１７から吐出される気体ａを高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ導く。

高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ導入された気体ａは、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の側壁に設けた給気口ＨＥから流出して、気体軸受ＧＢを形成する。なお、この気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受である。また、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の頂部に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔から高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ作動流体である気体ａを取り込み、給気口ＨＥから流出させて気体軸受ＧＢを構成してもよい。なお、本実施例の気体軸受ＧＢは静圧気体軸受であるが、動圧気体軸受を用いてもよい。

高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コネクティングロッド１０９によって出力軸である排熱回収機関クランクシャフト１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。なお、コネクティングロッド１０９は、図２に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）１１９によって支持してもよい。このようにすれば、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４を略直線状に往復運動させることができる。

このように、コネクティングロッド１０９を近似直線機構１１９によって支持すれば、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦＳ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分に高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４を支持することができる。本実施例では、近似直線機構１１９によってサイドフォースＦＳの大部分を支持し、低温側ピストン１０４等の往復運動が近似直線運動から外れる際に発生する分のサイドフォースＦＳを気体軸受ＧＢによって支持する。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０３、コネクティングロッド１０９、排熱回収機関クランクシャフト１１０等の各構成要素は、排熱回収機関筐体１１４に格納される。ここで、スターリングエンジン１００の排熱回収機関筐体１１４は、排熱回収機関クランクケース１１４Ａと、排熱回収機関シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。排熱回収機関筐体１１４内は、筐体内加圧手段である加圧用ポンプ１１５により加圧される。このように、加圧用ポンプ１１５で排熱回収機関筐体１１４内を加圧して、高温側作動空間ＭＳＨ、低温側作動空間ＭＳＬ、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧することにより、作動流体が熱エネルギーを取り込むときにおける作動流体の容量を大きくする。これによって、スターリングエンジン１００の出力軸である排熱回収機関クランクシャフト１１０から、より多くの出力を取り出すことができる。

スターリングエンジン１００が規定の出力を発生する場合、排熱回収機関筐体１１４の内部は、例えば規定の圧力（例えば１ＭＰａ程度）に加圧されている。このため、排熱回収機関クランクシャフト１１０と排熱回収機関筐体１１４との間の気密を保持するように構成して、排熱回収機関クランクシャフト１１０の回転運動を排熱回収機関筐体１１４の外部へ取り出す必要がある。本実施例では、図１に示すように、排熱回収機関クランクシャフト１１０の回転を非接触で従動軸（磁気カップリング従動軸）２へ伝達する磁気カップリング９を介して、排熱回収機関クランクシャフト１１０の出力を排熱回収機関筐体１１４の外部へ取り出す。すなわち、スターリングエンジン１００の出力は、磁気カップリング９が備える従動軸２から取り出される。このように、従動軸２は、スターリングエンジン１００の出力軸となる。なお、磁気カップリング９の代わりに、排熱回収機関クランクシャフト１１０と排熱回収機関筐体１１４を構成する排熱回収機関クランクケース１１４との間にシール軸受を設けて、排熱回収機関クランクシャフト１１０と排熱回収機関筐体１１４との間の気密を保持するようにしてもよい。

ここで、図１に示すように、排熱回収機関クランクシャフト１１０のトルクを変化させて出力する変換手段である増速装置３を設け、排熱回収機関クランクシャフト１１０の回転速度を増速してから磁気カップリング９へ入力してもよい。これによって、排熱回収機関クランクシャフト１１０のトルクを低下させることができるので、磁気カップリング９のトルク伝達容量を抑えることができる。また、スターリングエンジン１００を起動する際には、電動機のような起動手段の出力を従動軸２へ入力して排熱回収機関クランクシャフト１１０を回転させるが、この場合には増速装置３が減速装置として機能する。これによって、従動軸２への入力トルク（すなわち起動トルク）を小さくできるので、磁気カップリング９のトルク伝達容量を抑えることができる。次に、本実施例に係る排熱回収システムを説明する。

図３は、実施例１に係る排熱回収システムの構成を示す正面図である。図４は、実施例１に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。図５、図６は、実施例１の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。排熱回収システム１０は、例えば、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力発生源となる。すなわち、排熱回収システム１０を構成する内燃機関２０は前記車両に搭載されて前記車両の動力発生源となり、また、排熱回収機関であるスターリングエンジン１００は、内燃機関２０とともに前記車両に搭載されて前記車両の動力発生源となる。また、スターリングエンジン１００を、前記車両に搭載される発電機等の補機の動力源としてもよい。排熱回収システム１０は、スターリングエンジン１００と、排熱回収対象である熱機関である内燃機関２０とを合体させ、一体として構成される。これによって、本実施例に係る排熱回収システム１０では、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とが同一の構造体として取り扱われる。

内燃機関２０は、レシプロ式の内燃機関であり、複数（図４に示す例では３個、図５に示す例では４個、図６に示す例では６個）のシリンダ（以下内燃機関シリンダという）２２が直列に、すなわち一方向に並んで配置される。内燃機関シリンダ２２の内部にはピストン（内燃機関ピストンに相当する）２１が配置されており、内燃機関シリンダ２２の内部を往復運動する。なお、内燃機関２０は、火花点火式であってもディーゼル式であってもよく、点火形式は問わない。また、内燃機関シリンダ２２の個数も問わない。

内燃機関シリンダ２２は、内燃機関２０の内燃機関シリンダブロック２６内に配置される。内燃機関シリンダ２２と、シリンダヘッド２３と、ピストン２１の頂面とで囲まれて形成される空間が、内燃機関２０へ供給される燃料が空気中の酸素と反応して燃焼する燃焼空間２０Ｂとなる。ピストン２１は、燃焼空間２０Ｂ内で燃料が空気中の酸素と反応して燃焼することによって内燃機関シリンダ２２内を往復運動する。ピストン２１の往復運動は、コネクティングロッド２４を介してクランクシャフト（以下内燃機関クランクシャフトという）２５に伝達され、回転運動に変換される。内燃機関シリンダ２２は内燃機関シリンダブロック２６内に設けられる。また、内燃機関クランクシャフト２５は内燃機関クランクケース２７内に配置される。内燃機関２０の内燃機関筐体２０Ｃは、内燃機関シリンダブロック２６と内燃機関クランクケース２７とを含んで構成される。

図４〜図６に示すように、それぞれの排熱回収機関シリンダは、排熱回収機関クランクシャフト１１０の回転軸、すなわち排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における位置が、内燃機関シリンダ２２に対してずらされて配置される。すなわち、スターリングエンジン１００の高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２は、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における位置が、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置に対してずらされて配置される。

これによって、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における排熱回収機関シリンダ、すなわち高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２の位置が、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置と重ならないように構成されることになる。後述するように、排熱回収システム１０は、排熱回収機関回転軸Ｚｓと内燃機関回転軸Ｚｅとが平行に配置される。したがって、排熱回収システム１０において、排熱回収機関回転軸Ｚｓ及び排熱回収機関シリンダのシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓに直交する直線は、内燃機関回転軸Ｚｅ及び内燃機関シリンダ２２のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｅに直交する直線と平行になり、両者は交差しない。このため、排熱回収機関回転軸Ｚｓ及び排熱回収機関シリンダのシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓに直交する方向から排熱回収システム１０を見た場合、内燃機関シリンダ２２同士の間にスターリングエンジン１００の高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とのうち少なくとも一方（図４〜図６に示す例では両方）が配置される。

このように、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２の位置を、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置に対してずらして配置することにより、隣接する内燃機関シリンダ２２同士の間に、高温側シリンダ１０１や低温側シリンダ１０２を配置できる。したがって、両者の位置をずらさない場合と比較して、内燃機関２０とスターリングエンジン１００とをより近接させて配置できる。その結果、排熱回収システム１０の幅方向における寸法の増加を効果的に抑制できるので、内燃機関２０とスターリングエンジン１００とをよりコンパクトに配置できる。

また、上記構成により、燃焼空間２０Ｂを有する内燃機関シリンダ２２とスターリングエンジン１００のヒータ１０５とを近接させて配置できるので、燃焼空間２０Ｂから排出された直後の最も温度が高い排ガスＥｘの温度低下を最小限に抑制した状態でヒータ１０５へ供給できる。その結果、スターリングエンジン１００の熱効率が向上するので、排熱回収システム１０は、内燃機関２０から排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率を向上させることができる。

排熱回収システム１０を構成するスターリングエンジン１００の高温側シリンダ１０１は、内燃機関シリンダ２２の配列方向（内燃機関回転軸Ｚｅと平行な方向）における内燃機関シリンダ２２の群の中央部に配置される。内燃機関シリンダ２２の群の中央部とは、直列配置される内燃機関シリンダ２２の群の両端部における内燃機関シリンダ２２間である。ここで、図４〜図６の例では、＃１、＃２、＃３等が内燃機関シリンダ２２の番号を示す。

図４に示す排熱回収システム１０、すなわち、排熱回収対象である内燃機関２０が直列３気筒である場合には、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃３の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、直列３気筒の内燃機関２０から排熱を回収する場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃３の内燃機関シリンダ２２との間（より具体的には＃１と＃２との間）に高温側シリンダ１０１が配置される。

また、図５に示す排熱回収システム１０ｂは、排熱回収対象である内燃機関２０ｂが直列４気筒であるが、この場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃４の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、スターリングエンジン１００が直列４気筒の内燃機関２０ｂから排熱を回収する場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃４の内燃機関シリンダ２２との間（より具体的には＃２と＃３との間）に高温側シリンダ１０１が配置される。

また、図６に示す排熱回収システム１０ｃは、排熱回収対象である内燃機関２０ｃが直列６気筒であるが、この場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃６の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、スターリングエンジン１００が直列６気筒の内燃機関２０ｃから排熱を回収する場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃６の内燃機関シリンダ２２との間（より具体的には＃３と＃４との間）に高温側シリンダ１０１が配置される。

これによって、高温側シリンダ１０１は、直列配置される内燃機関シリンダ２２の群の両端部よりも外側に配置されることはない。したがって、スターリングエンジン１００のヒータ１０５は、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群において、両端部の内燃機関シリンダ２２の間に配置される。その結果、燃焼空間２０Ｂから排出された直後の最も温度が高い排ガスＥｘが確実にヒータ１０５へ供給されるので、スターリングエンジン１００の熱効率が向上する。これによって、排熱回収システム１０ｃは、内燃機関２０、２０ｂ、２０ｃから排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率を、より向上させることができる。

スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５の取り回しに制限がある。特に、排熱回収対象が車両に搭載される内燃機関であるような場合、ヒータ１０５の取り回しの制限は大きくなる。ここで、より高い温度の排ガスＥｘを利用するためには、可能な限り、排熱回収対象である内燃機関２０に近い位置に搭載する必要がある。そして、内燃機関２０の排気口２３ｅから排出された直後の排ガスＥｘは温度が最も高くなるため、これを利用するためには、スターリングエンジン１００のヒータ１０５を、内燃機関２０に最接近させて配置する必要がある。

これを実現するため、排熱回収システム１０は、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２の位置を、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置と重ならないようにする。これによって、隣接する内燃機関シリンダ２２同士の間に、高温側シリンダ１０１や低温側シリンダ１０２を配置できるので、高温側シリンダ１０１を低温側シリンダ１０２を内燃機関シリンダ２２により接近させることができる。その結果、車両のように、ヒータ１０５の取り回しに制限が多いものに、排熱回収対象である内燃機関２０を搭載するような場合であっても、内燃機関２０の排気口２３ｅから排出された直後の温度の高い排ガスＥｘから効率的に熱エネルギーを回収できる。

排熱回収システム１０は、内燃機関２０の出力軸である内燃機関クランクシャフト２５と、スターリングエンジン１００の出力軸である排熱回収機関クランクシャフト１１０とが平行に配置される。すなわち、内燃機関クランクシャフト２５の回転中心（内燃機関回転軸）Ｚｅと、排熱回収機関クランクシャフト１１０の回転中心、すなわち排熱回収機関回転軸Ｚｓとが平行に配置される。これによって、排熱回収システム１０の幅方向における寸法の増加を抑制できる。ここで、排熱回収システム１０の幅方向とは、内燃機関回転軸Ｚｅ及び排熱回収機関回転軸Ｚｓに直交する方向であり、図３〜図６に示す矢印Ｗの方向である。また、平行とは、完全に平行の場合のみならず、完全に平行でない場合であっても公差や製造上の誤差の範囲内であれば平行の概念に含まれる（以下同様）。

また、内燃機関回転軸Ｚｅと排熱回収機関回転軸Ｚｓとが平行であるため、例えば、排熱回収機関クランクシャフト１１０からの動力を、内燃機関クランクシャフト２５と合成して取り出す場合には、比較的簡単な構造で済むという利点がある。例えば、排熱回収機関クランクシャフト１１０と内燃機関クランクシャフト２５とが直交して配置される場合、排熱回収機関クランクシャフト１１０の出力の方向を一旦９０度変更する必要があるが、両者が平行に配置される場合には、この必要はない。なお、本実施例において、内燃機関２０の動力は内燃機関クランクシャフト２５から取り出され、スターリングエンジン１００の動力は、磁気カップリング９を介して排熱回収機関クランクシャフト１１０に連結される従動軸２から取り出される。

上述したように、本実施例においては、排熱回収機関であるスターリングエンジン１００と、内燃機関２０とを合体させて、両者が一体として構成される。このようにするため、排熱回収システム１０では、スターリングエンジン１００の排熱回収機関筐体１１４と、内燃機関２０の内燃機関筐体２０Ｃとを合体し、両者を一体とした排熱回収装置筺体とする。これによって、本実施例に係る排熱回収システム１０では、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とは同一の構造体として取り扱われる。そして、内燃機関２０とスターリングエンジン１００とのうち少なくとも一方が運転中である場合には、両者は一体不可分の構造体として取り扱われる。

なお、排熱回収機関筐体１１４と内燃機関筐体２０Ｃとを合体させて一体とするにあたっては、すべてを同一の構造体とする必要はなく、一部を同一の構造体としてもよい。例えば、排熱回収機関クランクケース１１４Ａと内燃機関クランクケース２７とを同一の構造体として製造してもよい。もちろん、排熱回収機関シリンダブロック１１４Ｂと内燃機関シリンダブロック２６とを同一の構造体として製造してもよい。また、同一の構造体として製造した排熱回収機関クランクケース１１４Ａ及び内燃機関クランクケース２７と、排熱回収機関シリンダブロック１１４Ｂ及び内燃機関シリンダブロック２６とを合体させ一体として、排熱回収システム１０の筐体としてもよい。

スターリングエンジン１００と内燃機関２０とを合体させるためには、例えば、排熱回収機関筐体１１４と、内燃機関筐体２０Ｃとを鋳造によって同一の構造体として製造する手法がある。また、排熱回収機関筐体１１４と、内燃機関筐体２０Ｃとを別個の構造体として用意して、両者をボルト等の締結手段で取り付けて合体させたり、両者を溶接等の接合手段によって合体させたりする手法もある。

このように、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とを合体させ、両者を一体として排熱回収システム１０を構成することにより、排熱回収システム１０をコンパクトに構成できる。その結果、内燃機関２０を含む排熱回収システム１０を車両に搭載する際における配置の自由度が向上する。

なお、スターリングエンジン１００は、上述したように、排熱回収機関筐体１１４内が加圧される。すなわち、スターリングエンジン１００の運転中、すなわち排熱の回収中においては、排熱回収機関筐体１１４内の平均圧力は、内燃機関筐体２０Ｃ内の平均圧力よりも高くなる。このため、排熱回収機関筐体１１４内の気体が内燃機関筐体２０Ｃ内へ漏れないように、排熱回収機関筐体１１４の内部と内燃機関筐体２０Ｃの内部とは、仕切り手段（例えば仕切り板）１１によって仕切られる。これによって、排熱回収機関筐体１１４内の圧力を、内燃機関筐体２０Ｃ内の圧力とは別個独立に調整できる。

排熱回収システム１０は、内燃機関２０から排出される排ガスＥｘの熱エネルギーを、スターリングエンジン１００が発生する動力として回収する。排ガスＥｘは、内燃機関２０のシリンダヘッド２３に設けられる排気口２３ｅ、及び排気口２３ｅに取り付けられる排気マニホールド２８を通って内燃機関２０の燃焼空間２０Ｂから排出される。排気マニホールド２８は、内燃機関２０の各燃焼空間２０Ｂから排出される排ガスＥｘを通過させる排ガス通路である。排気マニホールド２８は浄化触媒２９に接続されており、内燃機関２０から排出された排ガスＥｘは、浄化触媒２９で未燃の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等が浄化されてから、大気中へ排出される。

排熱回収システム１０は、内燃機関２０の排気口２３ｅから浄化触媒２９までの間における排ガス通路内に、スターリングエンジン１００の熱交換器１０８（図１参照）のうち少なくともヒータ１０５が配置される。本実施例では、排気マニホールド２８が、内燃機関２０の排気口２３ｅから浄化触媒２９までの間における排ガス通路に相当する。

また、内燃機関２０のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｅと、スターリングエンジン１００のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓとは、略平行に配置される。これによって、スターリングエンジン１００を内燃機関２０により近づけて配置できる。その結果、内燃機関２０の燃焼空間２０Ｂから排出された直後における、最も温度が高い状態の排ガスＥｘの温度低下を抑制して、ヒータ１０５へ供給できるので、スターリングエンジン１００の熱効率の低下を効果的に抑制できる。

なお、内燃機関シリンダ２２と高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２とが遠ざかるように、内燃機関２０のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｅと、スターリングエンジン１００のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓとに角度を設けてもよい。これによって、排気マニホールド２８の仕様によって内燃機関シリンダ２２と高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２とを接近させることが難しい場合でも、ヒータ１０５を排気マニホールド２８の内部に配置でき、かつ、スターリングエンジン１００と内燃機関２０とを合体させて、両者を一体として構成できる。

図１に示すように、スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、略Ｕ字形状をしているので、排気マニホールド２８内のように比較的狭い空間内であっても容易に配置できる。なお、ヒータ１０５とともに、熱交換器１０８が備える再生器１０６（図１参照）を、内燃機関２０の排気口２３ｅから浄化触媒２９までの間における排ガス通路内（排気マニホールド２８内）に配置してもよい。

以上、本実施例では、シリンダ内でピストンが往復運動するレシプロ式の内燃機関を排熱回収対象とし、同じくシリンダ内でピストンが往復運動するレシプロ式の排熱回収機関で内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収するものにおいて、排熱回収機関回転軸と平行な方向におけるそれぞれの排熱回収機関シリンダの位置が、排熱回収機関回転軸と平行な方向における内燃機関シリンダの位置と重ならないようにする。これによって、内燃機関シリンダ同士の間に排熱回収機関シリンダを接近させることができるので、排熱回収対象である内燃機関と排熱回収機関とをよりコンパクトに配置できる。また、内燃機関の排ガスの出口と排熱回収機関のヒータとをより接近させることができるので、内燃機関から排出された直後で、かつ温度低下のほとんどない排ガスを排熱回収機関のヒータへ供給できる。これによって、排熱回収機関の熱効率が向上するので、排熱回収システムは、排熱回収対象である内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーの回収効率を向上させることができる。なお、本実施例で開示した構成は、以下の実施例でも適宜適用できる。

図７は、実施例２に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。図８は、実施例２に係る排熱回収システムにおけるスターリングエンジンの組み合わせ方を示す模式図である。図９、図１０は、実施例２の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。なお、実施例２において、排熱回収システム１０ｄ〜１０ｆの正面図は、図３に示す排熱回収システム１０と同様である。実施例２は、実施例１と略同様の構成であるが、排熱回収機関であるスターリングエンジンを複数備える点が異なる。他の構成は、実施例１と同様である。

図７に示す排熱回収システム１０ｄは、内燃機関２０ｄ及び複数（本実施例では２台）のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、又は多気筒化したスターリングエンジンを含んで構成される。内燃機関２０ｄは、３個の内燃機関シリンダ２２が一列に並んで配置される直列３気筒の内燃機関である。複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂは、それぞれの高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２が一列に並んで配列されるとともに、内燃機関シリンダ２２に対して一方の側、より具体的には排気側（図４の排気マニホールド２８側）のみに配置される。

隣接する一対のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂにおいては、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士が対向して配置される。また、実施例１と同様に、排熱回収システム１０ｄは、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２の位置が、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置と重ならないように構成される。

なお、実施例１で説明したように、磁気カップリング９の代わりに、排熱回収機関クランクシャフト１１０と図１に示す排熱回収機関クランクケース１１４との間にシール軸受を設けて、排熱回収機関クランクシャフト１１０を排熱回収機関クランクケース１１４から直接取り出してもよい。この場合、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂのそれぞれの排熱回収機関クランクシャフト１１０が、例えば、継ぎ手によって連結される。このように、本実施例では、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの排熱回収機関クランクシャフト１１０を一体化するとともに、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂのクランクケース１１４Ａを共通として一つのクランクケースとする。なお、それぞれの排熱回収機関クランクシャフト１１０は、継ぎ手等の連結手段を用いず、一体として構成してもよい。

それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂが備える排熱回収機関クランクシャフト１１０同士を連結することにより、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの発生する動力が合成される。合成された複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力は、スターリングエンジン１００Ａの磁気カップリング９を構成する従動軸２から出力される。

本実施例では、隣接する一対のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士が対向して配置される。これによって、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士を接近して配置できるので、それぞれの高温側シリンダ１０１に接続されるヒータ１０５（図１参照）も接近して配置できる。このようにすると、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂそれぞれの高温側シリンダ１０１側におけるヒータ１０５には、燃焼空間２０Ｂから排出された直後で最も温度が高く、かつ温度分布の小さい排ガスＥｘが供給される。その結果、それぞれのヒータ１０５の温度条件が略同様になるので、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力差を極めて小さくできる。これによって、本実施例のように、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力を合成する場合は、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力差を吸収する機構が不要、あるいは簡易な構成とすることができる。

また、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１は、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群の中央部に配置される。内燃機関シリンダ２２の群の中央部については、実施例１で説明した通りである。ここで、図７、図９、図１０の例では、＃１、＃２、＃３等が内燃機関シリンダ２２の番号を示す。

図７に示す排熱回収システム１０ｄ、すなわち、排熱回収対象である内燃機関２０ｄが直列３気筒である場合には、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃３の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂが直列３気筒の内燃機関２０から排熱を回収する場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃２の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ａの高温側シリンダ１０１が配置され、＃２の内燃機関シリンダ２２と＃３の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ｂの高温側シリンダ１０１が配置される。

また、図９に示す排熱回収システム１０ｅは、排熱回収対象である内燃機関２０ｅが直列４気筒であるが、この場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃４の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂが直列４気筒の内燃機関２０ｅから排熱を回収する場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃２の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ａの高温側シリンダ１０１が配置され、＃２の内燃機関シリンダ２２と＃３の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ｂの高温側シリンダ１０１が配置される。

また、図１０に示す排熱回収システム１０ｆは、排熱回収対象である内燃機関２０ｆが直列６気筒であるが、この場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃６の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂが直列６気筒の内燃機関２０ｆから排熱を回収する場合、＃２の内燃機関シリンダ２２と＃３の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ａの高温側シリンダ１０１が配置され、＃３の内燃機関シリンダ２２と＃４の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ｂの高温側シリンダ１０１が配置される。

これによって、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂが備える高温側シリンダ１０１は、直列配置される内燃機関シリンダ２２の群の両端部よりも外側に配置されることはない。したがって、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂのヒータ１０５は、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群において、両端部の内燃機関シリンダ２２の間に配置される。その結果、燃焼空間２０Ｂから排出された直後の最も温度が高い排ガスＥｘが確実にヒータ１０５へ供給されるので、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの熱効率が向上する。これによって、排熱回収システム１０ｆは、内燃機関２０ｄ、２０ｅ、２０ｆから排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率を向上させることができる。

図１１は、実施例２の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。図１２は、実施例２の変形例に係る排熱回収システムにおけるスターリングエンジンの組み合わせ方を示す模式図である。本変形例は、実施例２と略同様であるが、排熱回収機関であるスターリングエンジンの個数が実施例２よりも多い点が異なる。他の構成は、実施例２と同様である。

図１１に示す排熱回収システム１０ｇは、内燃機関２０ｇ及び複数（本実施例では３台）のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを含んで構成される。内燃機関２０ｇは、６個の内燃機関シリンダ２２が一列に並んで配置される直列６気筒の内燃機関である。複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃのうち、隣接する一対のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂにおいては、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士が対向して配置される。また、実施例１、実施例２と同様に、排熱回収システム１０ｇは、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２の位置を、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における内燃機関シリンダ２２の位置と重ならないように構成される。なお、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの排熱回収機関クランクシャフト１１０を一体化するとともに、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃのクランクケースを共通として一つのクランクケースとする。

それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが備える排熱回収機関クランクシャフト１１０同士を連結することにより、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの発生する動力が合成される。合成された複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの動力は、スターリングエンジン１００Ａの磁気カップリング９を構成する従動軸２から出力される。

本変形例のように、排熱回収機関であるスターリングエンジンを奇数個備える排熱回収システム１０ｇである場合、対向して配置できない高温側シリンダ１０１が発生する。図１１に示すように、本変形例では、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士は対向して配置されるが、スターリングエンジン１００Ｃの高温側シリンダ１０１は、スターリングエンジン１００Ｃに隣接して配置されるスターリングエンジン１００Ｂの低温側シリンダ１０２と対向して配置される。

排熱回収システム１０ｇでは、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃの高温側シリンダ１０１は、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群の中央部に配置される。図１１の例では、＃１、＃２、＃３等が内燃機関シリンダ２２の番号を示す。

図１１に示す排熱回収システム１０ｇは、排熱回収対象である内燃機関２０ｇが直列６気筒であるが、この場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃６の内燃機関シリンダ２２との間が、内燃機関シリンダ２２の群の中央部になる。すなわち、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが直列６気筒の内燃機関２０ｆから排熱を回収する場合、＃１の内燃機関シリンダ２２と＃２の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ａの高温側シリンダ１０１が配置され、＃３の内燃機関シリンダ２２と＃４の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ｂの高温側シリンダ１０１が配置される。また、＃４の内燃機関シリンダ２２と＃５の内燃機関シリンダ２２との間にスターリングエンジン１００Ｃの高温側シリンダ１０１が配置される。

このような構成により、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃが備えるヒータ１０５は、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群において、両端部の内燃機関シリンダ２２の間に配置される。これによって、内燃機関２０ｇから排出された直後の最も温度が高い排ガスＥｘが確実にヒータ１０５へ供給される。その結果、対向して配置できない高温側シリンダ１０１が発生しても、排熱回収システム１０ｇは、内燃機関２０ｇから排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率を向上させることができる。

以上、本実施例及びその変形例では、上述した実施例１の作用、効果に加え、排熱回収機関を複数備えるとともに、排熱回収機関の高温側シリンダを対向して配置する。これによって、それぞれの高温側シリンダに接続されるヒータも接近して配置できるので、それぞれのヒータには、排熱回収対象である内燃機関から排出された直後で最も温度が高く、かつ温度分布の小さい排ガスが供給される。その結果、それぞれのヒータの温度条件は略同様になるので、それぞれの排熱回収機関の動力差を極めて小さくできる。

また、本実施例及びその変形例では、複数の排熱回収機関の高温側シリンダは、排熱回収対象である内燃機関シリンダの配列方向における内燃機関シリンダの群の中央部に配置される。これによって、内燃機関から排出された直後の最も温度が高い排ガスが確実に排熱回収機関のヒータへ供給される。その結果、排熱回収機関の熱効率が向上して、排熱回収システムは、内燃機関から排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率をより向上させることができる。

図１３は、実施例３に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。実施例３は、実施例２及びその変形例と略同様であるが、複数の排熱回収機関である複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの排熱回収機関シリンダ（高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２）を、排熱回収機関回転軸Ｚｓと平行な方向における排熱回収対象である内燃機関２０ｈの内燃機関シリンダ２２の位置に揃える点が異なる。他の構成は、実施例２及びその変形例と同様である。

本実施例では、排熱の回収対象である内燃機関２０ｈから排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率を向上させることを目的としている。排熱回収システム１０ｈは、隣接する一対のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士が対向して配置される。これによって、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１同士を接近して配置できるので、それぞれの高温側シリンダ１０１に接続されるヒータ１０５（図１参照）も接近して配置できる。

このようにすると、スターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂそれぞれの高温側シリンダ１０１側におけるヒータ１０５には、燃焼空間２０Ｂから排出された直後で最も温度が高く、かつ温度分布の小さい排ガスＥｘが供給される。その結果、それぞれのヒータ１０５の温度条件が略同様になるので、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力差を極めて小さくできる。排熱回収システム１０ｈは、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力を合成して出力するが、このような場合、それぞれのスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの動力差を吸収する機構が不要、あるいは簡易な構成とすることができる。

また、排熱回収システム１０ｈでは、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの高温側シリンダ１０１が、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群の中央部に配置される。これによって、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂが備えるヒータ１０５は、内燃機関シリンダ２２の配列方向における内燃機関シリンダ２２の群において、両端部の内燃機関シリンダ２２の間に配置される。その結果、内燃機関２０ｈから排出された直後の最も温度が高い排ガスＥｘが確実にヒータ１０５へ供給されるので、複数のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂの熱効率が向上する。これによって、排熱回収システム１０ｈは、内燃機関２０ｇから排出される排ガスＥｘの熱エネルギーの回収効率をより向上させることができる。上記構成により、スターリングエンジンが３以上の場合であっても、同様の作用、効果が得られる。

このように、排熱回収システムにおいて、隣接する一対のスターリングエンジン（排熱回収機関）の高温側シリンダ同士が対向して配置される構成により、排熱回収機関回転軸と平行な方向における排熱回収機関シリンダと内燃機関シリンダとの位置関係に関わらず、同様の作用、効果が得られる。複数のスターリングエンジンの高温側シリンダが、内燃機関シリンダの配列方向における内燃機関シリンダの群の中央部に配置される構成についても同様である。

なお、本実施例において、排熱回収対象の内燃機関の内燃機関シリンダ配置は直列に限定されるものではなく、いわゆるＶ型（水平対向の内燃機関も含む）の内燃機関シリンダ配置の内燃機関に対しても適用できる。例えば、図１３に示す内燃機関２０ｈを、Ｖ型８気筒の内燃機関の片バンクとして、それぞれのバンクに複数（例えば２台）のスターリングエンジン１００Ａ、１００Ｂを設けてもよい。この場合でも、上述した実施例３で開示した作用、効果が得られる。

以上のように、本発明に係る排熱回収システムは、内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収することに有用であり、特に、排熱の回収対象である内燃機関と排熱回収機関とをよりコンパクトに配置すること、排熱の回収対象である内燃機関から排出される排ガスの熱エネルギーの回収効率を向上させること、のうち少なくとも一つに適している。

実施例１に係るスターリングエンジンを示す断面図である。 実施例１に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持に用いる近似直線機構の構成例を示す断面図である。 実施例１に係る排熱回収システムの構成を示す正面図である。 実施例１に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例１の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例１の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例２に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例２に係る排熱回収システムにおけるスターリングエンジンの組み合わせ方を示す模式図である。 実施例２の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例２の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例２の変形例に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。 実施例２の変形例に係る排熱回収システムにおけるスターリングエンジンの組み合わせ方を示す模式図である。 実施例３に係る排熱回収システムのシリンダ配置を平面で示した模式図である。

符号の説明

１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ 排熱回収システ
ム
２０、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ 内燃機関
２０Ｂ 燃焼空間
２１ ピストン
２２ 内燃機関シリンダ
２３ シリンダヘッド
２３ｅ 排気口
２４ コネクティングロッド
２５ 内燃機関クランクシャフト
２８ 排気マニホールド
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ スターリングエンジン
１０１ 高温側シリンダ
１０２ 低温側シリンダ
１０３ 高温側ピストン
１０４ 低温側ピストン
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラー
１０８ 熱交換器
１１０ 排熱回収機関クランクシャフト
１１４ 排熱回収機関筐体
１１９ 近似直線機構

Claims (10)

1. 直列に配置される複数の内燃機関シリンダ、及びそれぞれの前記内燃機関シリンダの内部に配置される内燃機関ピストン、及び前記内燃機関ピストンの往復運動を回転運動に変換する内燃機関クランクシャフトを有する内燃機関と、
   ヒータと再生器とクーラーとを含んで構成される熱交換器、及び前記熱交換器との間で作動流体が流出入する複数の排熱回収機関シリンダと、それぞれの前記排熱回収機関シリンダ内に配置されて往復運動する排熱回収機関ピストン、及び前記排熱回収機関ピストンの往復運動を回転運動に変換する排熱回収機関クランクシャフトを有し、前記ヒータは前記内燃機関から排出される排ガスで加熱される排熱回収機関と、を含み、
   それぞれの前記排熱回収機関シリンダは、前記排熱回収機関クランクシャフトの回転軸と平行な方向における位置が、前記内燃機関シリンダに対してずらされて配置されることを特徴とする排熱回収システム。
2. 前記排熱回収機関クランクシャフトの回転軸は、前記内燃機関クランクシャフトの回転軸と平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収システム。
3. 前記排熱回収機関シリンダは、前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入する高温側シリンダと、前記クーラーとの間で前記作動流体が流出入する低温側シリンダとで構成され、
   前記高温側シリンダは、前記内燃機関シリンダの配列方向における前記内燃機関シリンダの群の中央部に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収システム。
4. 前記排熱回収機関シリンダは、前記ヒータとの間で前記作動流体が流出入する高温側シリンダと、前記クーラーとの間で前記作動流体が流出入する低温側シリンダとで構成されるとともに、複数の前記排熱回収機関が設けられ、
   一対の前記排熱回収機関においては、それぞれの前記排熱回収機関の前記高温側シリンダ同士を対向して配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収システム。
5. 対向して配置される一対の前記高温側シリンダは、前記内燃機関シリンダの配列方向における前記内燃機関シリンダの群の中央部に配置されることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収システム。
6. 複数の内燃機関シリンダ、及びそれぞれの前記内燃機関シリンダの内部に配置される内燃機関ピストン、及び前記内燃機関ピストンの往復運動を回転運動に変換する内燃機関クランクシャフト、及び複数の前記シリンダが直列に配列された内燃機関シリンダ群を有する内燃機関と、
   ヒータと再生器とクーラーとを含んで構成される熱交換器、及び前記ヒータとの間で作動流体が流出入する高温側シリンダ、及び前記クーラーとの間で作動流体が流出入する低温側シリンダ、及び前記高温側シリンダ内を往復運動する高温側ピストン、及び前記低温側シリンダ内を往復運動する低温側ピストン、及び高温側ピストンの往復運動と前記低温側ピストンの往復運動とを回転運動に変換する排熱回収機関クランクシャフトを有し、前記ヒータは前記内燃機関から排出される排ガスで加熱される複数の排熱回収機関と、を含み、
   一対の前記排熱回収機関においては、それぞれの前記排熱回収機関の前記高温側シリンダ同士が対向して配置されることを特徴とする排熱回収システム。
7. 前記排熱回収機関クランクシャフトの回転軸は、前記内燃機関クランクシャフトの回転軸と平行に配置されることを特徴とする請求項６に記載の排熱回収システム。
8. 対向して配置される一対の前記高温側シリンダは、前記内燃機関シリンダの配列方向における前記内燃機関シリンダの群の中央部に配置されることを特徴とする請求項６又は７に記載の排熱回収システム。
9. 前記内燃機関は車両に搭載されて前記車両の動力発生源となり、また、前記排熱回収機関は、前記内燃機関とともに前記車両に搭載されて前記車両の動力発生源となるスターリングエンジンであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の排熱回収システム。
10. 前記スターリングエンジンが発生する動力は、前記内燃機関が発生する動力と合成されて取り出されることを特徴とする請求項９に記載の排熱回収システム。

Images