JP2015516543A - 排ガス回路からのエネルギーの回収装置 - Google Patents

Abstract

本発明は熱機関（１）の排気回路（３）からのエネルギーを回収するための装置に関する。エネルギー回収装置は、二つの室を備えた熱交換器を有する排ガスバイパス管（１２）を備えており、該バイパス管（１２）は、一方の室（１６）に延在する第一のマニホルド（１４）と、他方の室（１７）に延在する第二のマニホルド（１５）を備えている。エネルギー回収装置は、排気回路（３）に設置され、かつ各マニホルド（１４、１５）へのガスの流量を制御することができる第一のバルブ（１８）と、熱交換器（１３）の出口でのガスの流量を制御するための第二のバルブ（２０）とを備えている。本発明によるエネルギー回収装置の主な技術的特徴は、第一のバルブ（１８）が二つの位置のみで使用でき、第一の位置では第一のマニホルド（１４）を密閉し、第二の位置では排気回路（３）を密閉し、排ガスを第一のマニホルド（１４）に流入させることにある。

Description

本発明は排ガス回路からのエネルギーを回収するための装置に関する。本発明の背景は自動車用の熱機関であって、この熱機関は、一般に、流入気体が噴射燃料と共に各燃焼室内で良好な燃焼を行うことを確実にする必要がある。その場合、この燃焼の排ガスは、汚染除去された後、大気へ排出される。ある温度に上昇した排ガスは、特定の機能を持たない車両から排出されるよりは、例えば、車両の加熱に関与するため、車両それ自体内で再利用することができ、または、各燃焼室内の燃焼状態を改善するため、流入気体に再度導かれることが知られている。本発明はこれらの排ガスの利用に基づいた、最適化されたエネルギー回収装置に関するものである。

エネルギー回収装置は現存するものであって、すでに発明の課題となっている。例えば引用できる一つの特許は仏国特許第２９３３７４６号である。この特許は、再循環装置の下流の排気回路に設置されたバイパス管に関するものである。このバイパス管によって、排ガスを吸気回路に導くことができ、あるいは、熱交換器内で循環する熱伝達流体を加熱することによってエネルギーを回収することを可能としている。排ガスは高温であり、また、それ自体は吸気回路内へ再度導くことができ、あるいは、吸気回路に到達する前に、予め熱交換器によって冷却することができる。このバイパス管を利用する種々の構成は、再循環装置の下流であって、バイパス管の熱交換器の上流における排気回路に設置された第一のバルブ、および熱交換器の下流に配置された第二のバルブによって制御される。この第二のバルブは、開放位置と閉鎖位置の間で回動するのに適したシャッターを有し、開放位置では、熱交換器からの排ガスが流れて、吸気回路に再度流入し、閉鎖位置では、排ガスが熱交換器内を強制的に循環され、次いで、排気回路の出口を介して大気へと排出される。バイパス管は排気回路に平行に配置された二つの入口ノズルを有し、第一のノズルは熱交換器の第一の流通室と結合し、第二のノズルは熱交換器の第二の室と結合し、第二の室において、例えば、エンジン冷却水とすることのできる流体が循環し、これらの第一および第二の室は互いに接続されている。第一のバルブはシャッターを有し、このシャッターは、回動するように取り付けられ、また、三つの異なった位置を占めて、第二のバルブのシャッターの位置と共同して、このバイパス管を利用する三つの主な構成を再構成するのに適している。

− 第一のバルブのシャッターの第一の位置は、第一のノズルの遮断に対応する。この場合、排ガスの一部が第二のノズル内へ流れ込み、排ガスが冷却される熱交換器の第二の室に到達する。第二のバルブのシャッターを開放することによって、熱交換器から、冷却排ガスが吸気回路に導かれて流入ガスと混合される。
− 第一のバルブのシャッターの第二の位置は、二つのノズルの間における、排気回路の遮断に対応し、この第二の位置は、第一の位置から、シャッターが９０°だけ回転したものと推測される。高温排ガスは、すべて第一のノズルを流れて熱交換器の第一の室に再度導入される。第二のバルブのシャッターを閉じることによって、高温排ガスは、第二の室に移動し、第二の室に存在する流体を加熱し、次いで、第二のノズルを通過し、排気回路の出口を介して車両から排出される。
− 第一のバルブのシャッターの第三の位置は、第二のノズルの遮断に対応し、この第三の位置は、第二の位置から、シャッターが９０°だけ回転したものと推測され、また、第一の位置からシャッターが１８０°だけ回転したものと推測される。排ガスの一部が第一のノズルを流れて熱交換器の第一の室に入る。第二のバルブのシャッターを開放することによって、熱交換器で冷却されなかった排ガスが、吸気回路に導かれ、高温であるが、流入ガスと混合される。

第二のバルブのシャッターが閉鎖位置にあるとき、排ガスは熱交換器内を強制的にループ状に流れて、一方のノズルを流通し、次いで、二つの室を流通し、他方のノズルを介して排気回路に排出される。第一のバルブのシャッターが、二つのノズルの一方を遮断したとき、第二のバルブのシャッターは、必ず、開放しなければならない。そうでないと、熱交換器内のガスは、流出することができないまま増加する。

この特許に記載されたエネルギー回収装置は、特に、二つのバルブと、熱交換器を備えたバイパス管とを有し、高温または低温の排ガスを再循環させるため、あるいはエネルギーを回収するため、バイパス管を使用することができる。エネルギー回収機能とガス再循環機能は、ここでは、完全に無関係であり、交互にのみ、提供することができる。もしかしたら、機関の使用のあるフェーズ（ｐｈａｓｅ）において、特に、冷温始動において、ガスの良好な汚染除去を確保しつつ、機関温度を急速に上げる必要があるかもしれない。

仏国特許第２，９３３，７４６号公報

本発明によるエネルギー回収装置は、エネルギー回収機能と高温排ガス再循環機能を結び付けることによって、これらの二つの要求に対処することができる。従って、一例として、ガスの再循環とエネルギーの回収をほぼ同時に行うため、吸気回路における高温排ガスの再循環のフェーズに、極めて短時間、複数のエネルギー回収のフェーズを組み込む。

エンジンガス循環装置は、吸気回路を形成する上流部と、排気回路を形成する下流部とを有する。上流と下流の概念についてはエンジンに関して考慮しなければならない。

本発明の主題は、熱機関の排ガス回路からのエネルギーを回収するための装置である。該装置は、第一の流通室および排ガスを冷却するのに適した第二の室を有する熱交換器を備えた排ガスバイパス管を含み、これら第一および第二の室は連結しており、バイパス管は排気回路に並列に設置された二つの入口ノズルを有し、第一のノズルは第一の室に延在し、第二のノズルは第二の室に延在し、第一のノズルは第二のノズルの上流の排気回路に設置されている。該エネルギー回収装置はさらに、排気回路に設置され、かつ第一および第二のノズルのそれぞれのガスの流れを制御するのに適した第一のバルブと、熱交換器の出口のガスの流れを制御するのに適した第二のバルブを有している。該エネルギー回収装置において、第一のバルブは位置を二つのみ有し、第一の位置では第一のノズルを遮断し、第二のノズルでの排ガスの流れを可能とするとともに排気回路の出口への流れを可能とし、第二の位置では二つのノズルの排気回路との連結点の間で排気回路を遮断し、排ガスが第一のノズルのみを流れることを可能とすることを特徴としている。この第一のバルブは、排気回路の同じ位置に設置され、かつ同じ構成要素によって囲まれた従来技術のバルブと比較して簡易化された態様で作動する。これは、第一のバルブがたった二つの操作構成を有するからであり、それに対して、従来技術のバルブは、第二のノズルを遮断する第三の構成を備えている。この第一のバルブは、第二のバルブと共同して、三つの位置を有する第一のバルブを伴う既存のエネルギー回収方法の使用のすべての構成を得ることができる。これらの構成とは、高温排ガスの吸気回路への再循環、冷却排ガスの吸気回路への再循環、熱交換器内を循環する例えばエンジン冷却水などの熱伝達流体の高温排ガスによる加熱を介したエネルギーの回収である。第一の室を介してのみ熱交換器を通過することにより、排ガスが改質することはない。排ガスは、第二の室を流れる必要がある場合、低温流体と接触し流体を加熱するために冷却される傾向がある。熱機関は、吸気回路に配置された圧縮機と、排気回路に配置されたタービンを備えることができる。第一および第二のバルブはそれぞれ別々に制御されるものとする。

有利なことに、第一のバルブは回転可能なシャッターを有し、このシャッターは７０°〜９０°だけ回転して第一の位置から第二の位置に切り替わる。これは、良好に制御された正確な操作メカニズムである。７０°と９０°の角度は、ここでは理論的観点から考察されるべきである。実際、角度には約プラスマイナス５°の不明確な誤差がある。

選択的には、排気回路は粒子フィルターを有するガス再循環装置を備えており、第一のバルブはガス再循環装置の下流の排気回路に設置されている。換言すると、バイパス管は、排気回路の出口から外気へとわずかに後退した、排気回路の一方の端部に設置されている。熱交換器を通過する必要のある排ガスはクリーンであり、従って、熱交換器、第二のバルブ、および、適切な場合には吸気回路を汚染するリスクはない。選択的には、再循環装置は触媒およびＮＯｘトラップを備えてもよい。

有利なことに、第二のバルブは吸気回路に連結され、排ガスを熱交換器から吸気回路に導くのに適している。換言すると、この第二のバルブは吸気回路との連結点を有している。従って第二のバルブは、開放しているとき、排気ガスの吸気回路への再循環を確実なものとすることに寄与している。

選択的には、第二のバルブはシャッターを有し、このシャッターは回転可能であり、熱交換器の排ガスを遮断する閉鎖位置と、排ガスを吸気回路に流す開放位置との間を回動するのに適している。このバルブの制御は基本的なものであるが、それはバルブ制御が、本発明によるエネルギー回収装置の使用モードを調整し、再循環を確保するか、あるいはエネルギーの回収を実施するからである。

有利なことに、シャッターは、７０°〜９０°だけ回転して開放位置から閉鎖位置に切り替わるが、該シャッターはこの二つの位置の間に位置する少なくとも一つの中間位置に固定されるのに適している。本発明によるエネルギー回収装置の使用法に、ある融通性を付加するために、とりわけ熱機関の使用フェーズの機能として、第二のバルブの開度は可変であり、これにより吸気回路内に噴射する望ましい排ガスの流量を正確に制御することが可能となる。

選択的には、第二のバルブは第二のシャッターを有する。この第二のシャッターは、第二のバルブと吸気回路との連結点の上流において、吸気回路への排ガスの流量を制御する。この構成の場合、第二のバルブはチョークへ連結することができる。吸気回路に噴射される排ガスの流量の制御に加えて、この第二のバルブも、吸気回路のかなり上流であって、吸気回路の空気入口のすぐ後における吸気ガスの流量を管理する。従って、この第二のバルブは、熱機関の燃焼室に噴射される流入ガスの流量と品質の完全な管理を確実なものとする。

本発明の第二の主題は、本発明によるエネルギー回収装置の使用方法の第一の好適な実施態様であり、その主な技術的な特徴は下記のステップを有する。
− 第一のバルブによって第一のノズルを遮断し、排ガスの少なくとも一部が第二のノズルに流入して第二の室内で冷却される。
− 第二のバルブを開放して、冷却された排ガスを熱機関の吸気回路内に噴射する。
これは再循環タイプの使用法であって、熱機関の燃焼室の燃焼状態に影響を与えるため冷却排ガスが吸気回路に導かれる。本発明による方法の好適な実施態様によれば、二つのステップは両立するものである。

本発明の第三の主題は、本発明によるエネルギー回収装置の使用方法の第二の好適な実施態様であり、その主な技術的な特徴は下記のステップを有する。
− 第一のバルブによって、排気回路への二つのノズルの連結点の間で排気回路を遮断し、全排ガスを第一のノズルに強制的に流通させる。
− 第二のバルブを閉鎖して、排ガスが第二の室を流通した後に、熱交換器を離れて第二のノズルを通り、次いで排気回路の出口を通り車両から排出される。

以上がエネルギー回収タイプの使用法である。この場合、排ガスは、熱交換機を備えたバイパスループを流れた後、車両から排出される。高温排ガスは、バイパスループを流通するとき、熱交換器内を循環する、例えばエンジン冷却水などの流体を加熱するのに使用される。

有益なことに、本発明の使用方法の第二の好適な実施態様は、高温排ガスを熱交換器から吸気回路へ導くことを可能とするため、第二のバルブを開放する少なくとも一つのステップを有する。実際には、エネルギー回収ステップに、高温排ガスを吸気回路に導くことからなる高温排ガスの再循環の少なくとも一つのフェーズを組み込むことができる。従って、本発明による使用法の第二の好適な実施態様は、エネルギー回収フェーズおよび高温排ガスの再循環フェーズを交互に組み込むことができる。フェーズの一方のカテゴリから他方のカテゴリに切り替えるためには、閉鎖位置と開放位置との間で回動する第二のバルブのシャッターを備えれば十分である。

本発明によるエネルギー回収装置は、関連する二つのバルブの一方の操作メカニズムを簡易化することによって、三つの構成すなわち、高温排ガスの再循環、冷却排ガスの再循環、エネルギー回収による使用を可能とするという利点を提供する。加えて、エネルギー回収装置は、熱機関の温度がかなりゆっくりと上昇するので、常に管理するのが困難なフェーズである、熱機関の低温始動状態を改善する利点を有する。

本発明の特に有益な利点は、高温排ガス再循環の構成とエネルギー回収の構成を組み合わせることにある。

下記は、本発明によるエネルギー回収装置の好適な実施態様の詳細な説明であり、単一の図を参照する。

単一の図は、本発明による過給機を備えた熱機関およびエネルギー回収装置のバイパス管の構成を示す概略図である。

単一の図を参照すると、熱機関１のガス回路は、熱機関１の上流に位置する吸気回路２、および熱機関１の下流に位置する排気回路３を備えている。吸気回路２は、概略、入口ノズル６を介して圧縮機５に空気を供給する空気入口４を備えており、圧縮機５の過給空気は供給管８を介して熱機関１の燃焼室７に案内される。より詳しくは、この供給管８は、熱機関の各燃焼室７への空気の分配を可能とする吸気分配器内に延在する。この空気は燃焼室７での良好な燃焼状態を確保するのに必須である。燃焼室７で燃焼した排ガスは、排気分配器によって排出され、圧縮機５に連結されたタービン９に供給される。タービン９の出口のガスは、まず排ガス再循環装置１０に流入し、排気回路３の出口１１に直接案内されるか、あるいは熱交換器１３を備えたバイパス管１２に案内される。排ガス再循環装置１０は触媒、ＮＯｘトラップ、粒子フィルターを備えている。排気回路３は、すべての要素および排気分配器と出口１１の間に設置されたリンクパイプを備えている。バイパス管１２は、排気回路３内に平行に設置された二つの入口ノズル１４、１５を有している。第一の入口ノズル１４は熱交換器１３の第一の流通室１６に延在し、第二の入口ノズル１５は流体が循環する熱交換器１３の第二の室１７に延在している。これらの室１６、１７は互いに連結されている。第一の流通室１６は単に排ガス用流路を構成しており、それに対して、第二の室１７は排ガスの冷却を可能としている。実際には、例えば、熱機関１用の冷却水とすることのできる流体が第二の室１７内を循環し、第二の室１７に到達した高温排ガスは前述の流体と接触する。その結果、熱交換が行われてガスの初期温度を低下させ、流体の初期温度を上げることとなる。第一のノズル１４は第二のノズル１５の上流の排ガス回路３に設置されている。回転運動が可能なシャッター１９を備えた第一のバルブ１８が排気回路３に設置され、バイパス管１２の二つの入口ノズル１４、１５および排気回路３の出口１１への排ガスの流れを制御する。この第一のバルブは位置を二つのみ有してよい。第一の位置において、シャッター１９は第一のノズル１４を遮断するが、排ガスを第二のノズル１５に流すか、あるいは排ガス回路３の出口１１に流す。第二の位置は破線で示されているが、シャッター１９はその位置で排ガス回路３の二つのノズル１４、１５の設置された二つの位置の間で排ガス回路３を遮断する。この第二の位置において、シャッター１９はすべての排ガスを第一のノズル１４に強制的に流通させる。シャッター１９の第二の位置は、第一の位置から７０°から９０°だけ理論上回転したものと推測される。本例において、この値は９０°である。実際には、この理論上の回転は約５°の許容範囲を有すると考えるべきである。この第一のバルブ１８のシャッター１９は、第一の位置と第二の位置の間に位置する少なくとも一つの中間位置を占めるように制御されるのに適している。第二のバルブ２０がバイパス管１２における熱交換器１３の出口に設置され、熱交換器１３からの排ガスが吸気回路２に到達して流入ガスと混合することができる流路を形成している。この第二のバルブ２０は、吸気回路２に設置点を有しており、全開位置と閉鎖位置との間を回動可能なシャッター２１を備えている。全開位置では、排気ガスを吸気回路２に案内するため、熱交換器１３からの排ガスを流通させることができ、閉鎖位置では、排ガスを熱交換器１３内に維持することができる。この第二のバルブ２０のシャッター２１は、全開位置と閉鎖位置との間に位置する少なくとも一つの中間位置を占めるように制御されるのに適している。この第二のバルブ２０は、任意に第二のシャッター２２を備えることができ、この第二のシャッター２２は回動可能であり、第二のバルブ２０と吸気回路２の接続点の上流において、吸気回路２への流入ガスの流量を制御するのに適しており、熱交換器１３を出た排ガスを吸気回路２に流入させる。また、この第二のシャッター２２は、全開位置と閉鎖位置との間の任意の中間位置を占めるのに適している。二つのシャッター２１、２２を備えた第二のバルブ２０は、延いては、チョークに連結することができる。

本発明によるエネルギー回収装置は、第一のバルブ１８、第二のバルブ２０、二つのノズル１４、１５、と熱交換器１３を備えたバイパス管１２を備えている。

本発明によるエネルギー回収装置は、三つの方法に従って使用することができる。

第一の方法は次のステップを有している。
− 第一のバルブ１８によって第一のノズル１４を遮断し、排ガスの少なくとも一部を第二のノズル１５に流入させて第二の室１７内で冷却する。
− 第二のバルブ２０のシャッター２１を開放して、冷却された排ガスを熱機関の吸気回路２内に案内する。

この第一の方法は、冷却排ガス再循環の実施に対応する。

第二の方法は次のステップを有している。
− 第一のバルブ１８によって、排気回路３への二つのノズル１４、１５の連結点の間の排気回路３を遮断し、全排ガスを第一のノズル１４に強制的に流通させる。
− 第二のバルブ２０のシャッター２１を閉鎖して、排ガスを第一の室１６に流通させた後に第二の室１７を通過させ、次いで熱交換器１３から流出させて第二のノズル１５を通過させ、排気回路３の出口１１を介して車両から排出する。

第三の方法は、第二の方法の二つのステップを有し、かつ、熱交換器１３からの排ガスを吸気回路２へ導くことを可能とするため、第二のバルブ２０を開放する少なくとも一つのステップを有する。この方法の場合、第二のバルブ２０のシャッター２１は、少なくとも一つの開放フェーズと少なくとも一つの閉鎖フェーズを交互に実施して、高温排ガス再循環とエネルギー回収とを結び合わせ、それによって高温排ガスが流体を加熱する。

Claims (10)

1. 熱機関（１）の排ガス回路（３）からのエネルギーを回収するための装置であって、該装置は、第一の流通室（１６）および排ガスを冷却するのに適した第二の室（１７）を有する熱交換器（１３）が設けられた排ガスバイパス管（１２）を備え、前記第一および第二の室（１６、１７）は連結されており、前記バイパス管（１２）は前記排気回路（３）に並列に設置された二つの入口ノズル（１４、１５）を有し、第一のノズル（１４）は前記第一の室（１６）に延在し、第二のノズル（１５）は前記第二の室（１７）に延在し、前記第一のノズル（１４）は前記第二のノズル（１５）の上流の前記排気回路（３）に設置され、さらに、前記排気回路（３）に設置され、かつ前記ノズル（１４、１５）のそれぞれのガスの流れを制御するのに適した第一のバルブ（１８）と、前記熱交換器（１３）の出口のガスの流れを制御するのに適した第二のバルブ（２０）とを備え、
   前記第一のバルブ（１８）は位置を二つのみ有し、第一の位置では、前記第一のノズル（１４）を遮断し、前記第二のノズル（１５）での排ガスの流れを可能とするとともに前記排気回路（３）の出口（１１）への流れを可能とし、第二の位置では、前記二つのノズル（１４、１５）の前記排気回路（３）との連結点の間で排気回路（３）を遮断し、排ガスが前記第一のノズル（１４）のみを流れることを可能とすることを特徴とする装置。
2. 前記第一のバルブ（１８）は回転可能なシャッター（１９）を有し、 前記シャッター（１９）は７０°〜９０°だけ回転して、前記第一の位置から前記第二の位置に切り替わることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
3. 前記排気回路（３）は粒子フィルターを有するガス再循環装置（１０）を有し、前記第一のバルブ（１８）は前記ガス再循環装置（１０）の下流の前記排気回路（３）に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー回収装置。
4. 前記第二のバルブ（２０）は前記吸気回路（２）に連結され、排ガスを前記熱交換器（１３）から前記吸気回路（２）に導くのに適していることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載のエネルギー回収装置。
5. 前記第二のバルブ（２０）はシャッター（２１）を有し、該シャッター（２１）は回転可能であり、前記熱交換器（１３）の排ガスを遮断する閉鎖位置と、排ガスを前記吸気回路に流す開放位置との間を回動するのに適していることを特徴とする請求項４に記載のエネルギー回収装置。
6. 前記シャッター（２１）は７０°〜９０°だけ回転して、その開放位置から閉鎖位置に切り替わり、前記シャッター（２１）はこれら二つの位置の間に位置する少なくとも一つの中間位置に固定されるのに適していることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー回収装置。
7. 前記第二のバルブ（２０）は、前記吸気回路（２）との連結点の上流において、前記吸気回路（２）の気体の流量を制御する第二のシャッター（２２）を有することを特徴とする請求項５または６に記載のエネルギー回収装置。
8. 前記第一のバルブ（１８）によって前記第一のノズル（１４）を遮断し、排ガスの少なくとも一部を前記第二のノズル（１５）に流入させて前記第二の室（１７）内で冷却するステップと、
   前記第二のバルブ（２０）を開放して、冷却された排ガスを前記熱機関（１）の吸気回路（２）内に導くステップと
   を有することを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載のエネルギー回収装置を使用するための方法。
9. 前記第一のバルブ（１８）によって、前記排気回路（３）への前記二つのノズル（１４、１５）の連結点の間の前記排気回路（３）を遮断し、全排ガスを前記第一のノズル（１４）に強制的に流通させるステップと、
   前記第二のバルブ（２０）を閉鎖して、排ガスを前記第一の室（１６）に流入させた後に第二の室（１７）を通過させ、前記熱交換器（１３）から流出させて第二のノズル（１５）を通過させ、次いで、前記排気回路（３）の出口を通過させ前記車両から排出させるステップと
   を有することを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載のエネルギー回収装置を使用するための方法。
10. 前記高温排ガスを前記熱交換器（１３）から前記吸気回路（２）へ導くことを可能とするため、前記第二のバルブ（２０）を開放する少なくとも一つのステップを有することを特徴とする請求項９に記載の方法。

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