JP2018053787A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関を直接冷却しつつ廃熱を回収することができる、又は排気後処理装置からの熱によって内燃機関が加熱されて内燃機関の放熱効果が低下することを抑制しつつ廃熱を回収することができる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置５０，５０ａは、内燃機関１０に適用され、作動流体が循環する循環通路５２に順に配置された熱交換器５４，５４ａ、膨張器５５及び凝縮器５６を有するランキンサイクルシステム５１，５１ａを備え、ランキンサイクルシステムが、熱交換器が内燃機関の壁面１２に配置された第１構造、又は熱交換器が内燃機関と内燃機関に近接して配置された排気後処理装置２０，２０ｂとの間に配置された第２構造を有し、第１構造において熱交換器は、熱交換器に供給された作動流体と壁面との間で熱交換を行い、第２構造において熱交換器は、熱交換器に供給された作動流体と内燃機関及び排気後処理装置との間で熱交換を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、廃熱回収装置に関し、詳しくは内燃機関に適用された廃熱回収装置に関する。

従来、内燃機関に適用された廃熱回収装置として、ランキンサイクルシステムを備えるものが知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。具体的には特許文献１，２のランキンサイクルシステムは、作動流体が循環する循環通路に順に配置された熱交換器、膨張器及び凝縮器を備えている。作動流体は、熱交換器において、内燃機関の排気及び内燃機関の冷媒の熱との間で熱交換をする。熱交換器を経由した作動流体は、膨張器で膨張し、このときにエネルギーを出力する。膨張器を経由した作動流体は凝縮器で凝縮して、その後、熱交換器に戻る。このようなサイクルを繰り返しながら、特許文献１，２に係るランキンサイクルシステムは、内燃機関の排気及び冷媒の熱（すなわち廃熱）を回収して、エネルギーを出力している。

特開２０１１−２２０３２２号公報 特開２０１３−１８１３９４号公報

上述したような従来の廃熱回収装置は、内燃機関の壁面と作動流体との間で熱交換できる構造になっていない。そのため、このような従来の廃熱回収装置では、廃熱回収装置によって内燃機関を直接冷却することは困難である。また、従来の廃熱回収装置は、熱交換器が内燃機関及び排気後処理装置と作動流体との間で熱交換できる構造にもなっていない。したがって、このような従来の廃熱回収装置では、排気後処理装置からの熱によって内燃機関が加熱されて内燃機関の放熱効果が低下するおそれもある。

本発明は上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関を直接冷却しつつ廃熱を回収することができる廃熱回収装置、又は排気後処理装置からの熱によって内燃機関が加熱されて内燃機関の放熱効果が低下することを抑制しつつ廃熱を回収することができる廃熱回収装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る廃熱回収装置は、内燃機関に適用され、作動流体が循環する循環通路に順に配置された熱交換器、膨張器及び凝縮器を有するランキンサイクルシステムを備え、前記ランキンサイクルシステムが、前記熱交換器が前記内燃機関の壁面に配置された第１構造、又は、前記熱交換器が前記内燃機関と前記内燃機関に近接して配置された排気後処理装置との間に配置された第２構造を有し、前記第１構造において前記熱交換器は、前記熱交換器に供給された前記作動流体と前記壁面との間で熱交換を行い、前記第２構造において前記熱交換器は、前記熱交換器に供給された前記作動流体と前記内燃機関及び前記排気後処理装置との間で熱交換を行うことを特徴とする。

本発明によれば、ランキンサイクルシステムが第１構造を有する場合には、熱交換器によって内燃機関の壁面の熱（すなわち廃熱）を回収することができるので、内燃機関を直
接冷却しつつ内燃機関の廃熱を回収することができる。また、ランキンサイクルシステムが第２構造を有する場合には、熱交換器によって内燃機関及び排気後処理装置の熱（すなわち廃熱）を回収することができるので、排気後処理装置からの熱によって内燃機関が加熱されて内燃機関の放熱効果が低下することを抑制しつつ、内燃機関の廃熱を回収することができる。

実施形態１に係る内燃機関システムの構成を模式的に示す構成図である。 実施形態２に係る内燃機関システムの構成を模式的に示す構成図である。 実施形態２の変形例に係る内燃機関システムの構成を模式的に示す構成図である。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る廃熱回収装置５０を有する内燃機関システム１の構成を模式的に示す構成図である。この内燃機関システム１は、車両に搭載されている。内燃機関システム１は、内燃機関１０と、この内燃機関１０に適用された廃熱回収装置５０とを備えている。内燃機関１０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を用いることができる。本実施形態においては、内燃機関１０の一例として、ディーゼルエンジンが用いられている。また、図１に例示されている内燃機関１０は、一例として、＃１〜＃４の気筒１１を有する多気筒型の内燃機関であるが、内燃機関１０の気筒１１の個数はこれに限定されるものではない。

廃熱回収装置５０はランキンサイクルシステム５１を備えている。このランキンサイクルシステム５１は、作動流体（Ｆ）が循環する循環通路である作動流体循環通路５２と、この作動流体循環通路５２に順に配置されたポンプ５３、熱交換器５４、膨張器５５及び凝縮器５６を備えている。なお、本実施形態においては、作動流体の一例として、水を用いている。

ポンプ５３は、作動流体を圧送するポンプである。ポンプ５３によって圧送された作動流体（液体状態の作動流体）は、熱交換器５４に供給される。

熱交換器５４は、内燃機関１０の壁面１２に配置されている（第１構造）。熱交換器５４は、熱交換器５４に供給された作動流体と内燃機関１０の壁面１２との間で熱交換を行う。熱交換器５４が配置されている内燃機関１０の壁面１２の具体的な箇所は、特に限定されるものではないが、本実施形態に係る熱交換器５４は、一例として、内燃機関１０のシリンダブロックの壁面１２に配置されている。具体的には、本実施形態に係る熱交換器５４は、一例として、シリンダブロックの壁面１２のうち、気筒１１の配列方向に延在した壁面１２（すなわち長手方向に延在した壁面１２）に配置されている。

熱交換器５４に供給された作動流体は、熱交換器５４において内燃機関１０の壁面１２との間で熱交換することで、加熱されて気体（具体的には蒸気）になる。この気体となった作動流体は、膨張器５５に供給される。

膨張器５５は、膨張器５５に供給された作動流体を膨張させて、エネルギーを出力する装置である。本実施形態においては、膨張器５５の一例として、蒸気タービンを用いている。この膨張器５５としての蒸気タービンには、発電機（図示せず）が装着されている。蒸気タービンは、蒸気タービンに供給された作動流体からの圧力を受けて回転し、この回転によって発電機が発電する。この発電された電力は、バッテリー等の充電装置（図示せず）に充電される。このようにして、本実施形態に係る膨張器５５は、作動流体を膨張さ
せて、電気エネルギーを出力している。

膨張器５５を経由した作動流体は凝縮器５６に供給される。凝縮器５６は、供給された作動流体を凝縮させて液体に戻す装置である。このような機能を有するものであれば、凝縮器５６の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る凝縮器５６は、凝縮器５６に供給された作動流体を外気との熱交換によって凝縮させて液体に戻すように構成されている。凝縮器５６を経由した作動流体（液体）は、ポンプ５３に戻り、再び熱交換器５４に供給される。

以上のように、本実施形態に係る廃熱回収装置５０は、ランキンサイクルシステム５１によって、内燃機関１０の壁面１２の熱（廃熱）を回収して、エネルギー（具体的には電気エネルギー）を出力している。

本実施形態に係る廃熱回収装置５０によれば、ランキンサイクルシステム５１が、熱交換器５４が内燃機関１０の壁面１２に配置された第１構造を有しており、この熱交換器５４が熱交換器５４に供給された作動流体と内燃機関１０の壁面１２との間で熱交換を行っているので、熱交換器５４によって内燃機関１０の壁面１２の熱（すなわち廃熱）を回収することができる。すなわち、熱交換器５４によって内燃機関１０を直接冷却しつつ、廃熱を回収することができる。

（実施形態２）
続いて本発明の実施形態２に係る廃熱回収装置５０ａについて説明する。図２は本実施形態に係る廃熱回収装置５０ａを有する内燃機関システム１ａの構成を模式的に示す構成図である。廃熱回収装置５０ａのランキンサイクルシステム５１ａは、熱交換器５４に代えて、熱交換器５４ａを備えている点において、図１で説明した廃熱回収装置５０と異なっている。

ここで、図２には、内燃機関１０の排気後処理装置２０が図示されている。この排気後処理装置２０は、内燃機関１０の排気通路に配置されており、内燃機関１０から排出された排気を浄化する装置である。この排気後処理装置２０は、内燃機関１０に近接して配置されている。具体的には排気後処理装置２０は、内燃機関１０と排気後処理装置２０との間に、熱交換器５４ａを配置できるスペースを有しつつ、熱交換器５４ａに供給された作動流体が内燃機関１０及び排気後処理装置２０の発生する熱との間で熱交換できるように、内燃機関１０の近くに配置されている。

また、本実施形態に係る排気後処理装置２０は、一例として、排気浄化用の酸化触媒２１と、この酸化触媒２１よりも下流側に配置された排気浄化用のフィルター２２とを備えている。

熱交換器５４ａは、内燃機関１０と排気後処理装置２０との間に配置されており（第２構造）、熱交換器５４ａに供給された作動流体と内燃機関１０及び排気後処理装置２０との間で熱交換を行う。具体的には熱交換器５４ａは、内燃機関１０の壁面１２の発生する熱が熱交換器５４ａ内の作動流体に伝達され、且つ、少なくとも酸化触媒２１の発生する熱が熱交換器５４ａ内の作動流体に伝達されるように、内燃機関１０と排気後処理装置２０との間の部分に配置されている。これにより、熱交換器５４ａに供給された作動流体は、内燃機関１０の熱及び排気後処理装置２０の少なくとも酸化触媒２１の熱によって加熱されて、気体となる。

この熱交換器５４ａにおいて気化した作動流体は、作動流体循環通路５２を流動して膨張器５５に供給される。この膨張器５５以降の作動流体の循環経路は図１で説明した実施
形態１の場合と同様であるので、これ以上詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る廃熱回収装置５０ａによれば、ランキンサイクルシステム５１ａが、熱交換器５４ａが内燃機関１０と内燃機関１０に近接して配置された排気後処理装置２０との間に配置された第２構造を有しており、この熱交換器５４ａは、熱交換器５４ａに供給された作動流体と内燃機関１０及び排気後処理装置２０との間で熱交換を行っているので、熱交換器５４ａによって内燃機関１０及び排気後処理装置２０の熱（すなわち廃熱）を回収することができる。したがって、排気後処理装置２０からの熱によって内燃機関１０が加熱されて内燃機関１０の放熱効果が低下することを抑制しつつ、廃熱を回収することができる。

（実施形態２の変形例）
なお、排気後処理装置２０の構成は上述した酸化触媒２１とフィルター２２とを有する構成に限定されるものではない。図３は、実施形態２の変形例に係る内燃機関システム１ｂの構成を模式的に示す構成図である。本変形例に係る内燃機関システム１ｂは、排気後処理装置２０ｂとして、排気中のＮＯｘを選択的に除去する排気後処理装置である尿素ＳＣＲ装置を用いている。この尿素ＳＣＲ装置としての排気後処理装置２０ｂは、排気中に尿素水を噴射するように排気通路に配置された尿素水噴射弁２３と、この尿素水噴射弁２３よりも下流側に配置された尿素ＳＣＲ触媒２４と、この尿素ＳＣＲ触媒２４よりも下流側に配置されたアンモニアスリップ触媒２５とを備えている。なお、尿素ＳＣＲ触媒２４は、排気中のＮＯｘを選択的に還元する触媒であり、例えば、バナジウム、モリブデン、タングステン等の卑金属酸化物等を用いることができる。アンモニアスリップ触媒２５は、尿素ＳＣＲ触媒２４を通過したアンモニアを酸化させる酸化触媒である。

この排気後処理装置２０ｂは以下の手法によって排気中のＮＯｘ濃度を低減させている。まず、排気中のＮＯｘは尿素ＳＣＲ触媒２４に吸着される。制御装置（図示せず）からの指示を受けて尿素水噴射弁２３が排気中に尿素水溶液を噴射すると、噴射された尿素水溶液中の尿素は加水分解され、この結果、アンモニアが生成される。このアンモニアは、尿素ＳＣＲ触媒２４の触媒作用を利用して、尿素ＳＣＲ触媒２４に吸着している排気中のＮＯｘを還元させる。これにより、ＮＯｘは窒素と水とに分解される。このようにして、排気後処理装置２０ｂは、排気中のＮＯｘ濃度を低減させて、ＮＯｘの大気への放出の抑制を効果的に図っている。また、ＮＯｘの還元に寄与しなかったアンモニアは、アンモニアスリップ触媒２５によって酸化される。これにより、アンモニアが内燃機関システム１ｂの外部に漏出することが抑制されている。

本変形例に係る熱交換器５４ａは、内燃機関１０の壁面１２の発生する熱が熱交換器５４ａ内の作動流体に伝達され、且つ排気後処理装置２０ｂの構成部材のうち少なくとも尿素ＳＣＲ触媒２４の発生する熱が熱交換器５４ａ内の作動流体に伝達されるように、内燃機関１０と排気後処理装置２０との間の部分に配置されている。なお、本変形例に係る熱交換器５４ａは、排気後処理装置２０ｂの構成部材のうち、尿素ＳＣＲ触媒２４の発生する熱のみならずアンモニアスリップ触媒２５の発生する熱も熱交換器５４ａ内の作動流体に伝達されるように配置されている。

本変形例に係る廃熱回収装置５０ａにおいても、熱交換器５４ａによって内燃機関１０及び排気後処理装置２０ｂの熱（すなわち廃熱）を回収することができるので、排気後処理装置２０ｂからの熱によって内燃機関１０が加熱されて内燃機関１０の放熱効果が低下することを抑制しつつ、廃熱を回収することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、
種々の変形・変更が可能である。

１，１ａ 内燃機関システム
１０ 内燃機関
１２ 壁面
２０，２０ｂ 排気後処理装置
５０，５０ａ 廃熱回収装置
５１，５１ａ ランキンサイクルシステム
５２ 作動流体循環通路（循環通路）
５３ ポンプ
５４，５４ａ 熱交換器
５５ 膨張器
５６ 凝縮器

Claims (2)

1. 内燃機関に適用され、作動流体が循環する循環通路に順に配置された熱交換器、膨張器及び凝縮器を有するランキンサイクルシステムを備え、
   前記ランキンサイクルシステムが、前記熱交換器が前記内燃機関の壁面に配置された第１構造、又は、前記熱交換器が前記内燃機関と前記内燃機関に近接して配置された排気後処理装置との間に配置された第２構造を有し、
   前記第１構造において前記熱交換器は、前記熱交換器に供給された前記作動流体と前記壁面との間で熱交換を行い、前記第２構造において前記熱交換器は、前記熱交換器に供給された前記作動流体と前記内燃機関及び前記排気後処理装置との間で熱交換を行うことを特徴とする廃熱回収装置。
2. 前記排気後処理装置は、酸化触媒及び前記酸化触媒よりも下流側に配置されたフィルターを有する排気後処理装置、又は尿素ＳＣＲ触媒を有する排気後処理装置である請求項１記載の廃熱回収装置。

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