JP4291748B2 - 内燃機関の排熱回収用タービン装置および内燃機関自動車 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排熱回収用タービン装置および内燃機関自動車に関する。

近年、地球温暖化の問題から二酸化炭素の排出量の削減が求められているのは周知のことであり、化石燃料を燃料とする内燃機関においても燃費の向上が緊急の課題である。自動車などにおいて使用されている内燃機関は、ガソリンなどの燃料を燃焼させ、その爆発力によりピストン、クランクなどの機構を駆動して、動力を取り出しているが、一方で燃料が有するエネルギーの約３割は排気熱として放出されている。このことからすると、内燃機関の排気熱を回収するのが燃費の向上のために効果的であると考えられるが、これまで効果的な回収方法は見出されていない。

従来、内燃機関において排熱を回収する手段として用い得るものとしては、いわゆるターボチャージャがある。ターボチャージャは、内燃機関の排気流によりタービンを回転させるとともに、この回転力で内燃機関に導入する空気を圧縮するものであり、一種の排熱を利用した機構である。しかしながら、ターボチャージャは、内燃機関の高出力化を目的として利用される場合がほとんどで、実際には燃費が悪化するのが通常である。
また、ターボチャージャのタービンに発電機を設け、タービンの回転により発電を行う発明も知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、ターボチャージャへ負荷を掛けることは、内燃機関の排圧を上げることになり、内燃機関自体の効率を下げる要因となる。すなわち、排熱の回収による効率の向上の一部は、内燃機関の効率低下により相殺されてしまうという問題がある。
特開２００４−１４３９９７号公報（段落００１７〜００２０）

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、内燃機関自体への効率の影響を極力無くしつつ、内燃機関の排熱を回収する内燃機関の排熱回収用タービン装置およびこれを備えた内燃機関自動車を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の内燃機関の排熱回収用タービン装置は、内燃機関の排気管に設けられた熱交換部材と、前記熱交換部材を囲むように配置され、少なくとも空気が導入される入口開口部と、空気が排出される出口開口部とを有するタービンハウジングと、前記タービンハウジング内の前記熱交換部材に対する前記入口開口部側に配置されたコンプレッサと、前記タービンハウジング内の前記熱交換部材に対する前記出口開口部側に配置された出口側タービンと、前記コンプレッサと前記出口側タービンとを一体回転可能に連結する連結部材とを備え、前記内燃機関の排気管にはキャタライザが配置され、前記熱交換部材は前記キャタライザよりも下流部分に設けられたことを特徴とする。

このような構成によれば、入口開口部から導入された空気が、排気管により加熱された熱交換部材に接触し、加熱される。そのため、加熱された空気が膨張した上で出口開口部に向かい、出口側タービンを回転させる。出口側タービンは、連結部材によりコンプレッサと一体になっていることから、コンプレッサが回転し、新たな空気がタービンハウジング内へ流入される。こうして、コンプレッサ及びタービンが連続して回転することにより、排熱を動力として回収することができる。また、この際に、内燃機関の排気流自体に負荷をかけないため、内燃機関自体の効率への影響は最小限で済ますことができる。

前記内燃機関の排気管にはキャタライザが配置され、前記熱交換部材は前記キャタライザよりも下流部分に設けられるのが望ましい。キャタライザにおいては、内燃機関において未燃の燃料が触媒燃焼され、高温になるため、その下流に熱交換部材を設けることで、排熱回収用タービン装置の出力を上げることができる。また、キャタライザの下流部分に熱交換部材を設ければ、キャタライザの温度を下げないので、キャタライザの機能を損なうことがない。

前記連結部材に発電機を接続、つまり連結部材に直接的または機構を介して間接的に発電機を接続することで、内燃機関の排熱回収用タービン装置から電力を得ることができる。

前記した内燃機関の排熱回収用タービン装置を車両に備えた内燃機関自動車を構成すれば、排熱を利用した駆動力、電力を用いた高効率の自動車が実現可能になる。

前記入口開口部は、前記車両の前方へ向けて設けられ、前記出口開口部は、前記車両の後方へ向けて設けるのが望ましい。このような構成により、排熱回収用タービン装置により発生する空気流自体を車両の補助駆動力として利用することができる。

本発明の内燃機関の排熱回収用タービン装置によれば、内燃機関自体の効率への影響を最小限にしつつ、排熱から動力を得ることができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は、本発明の実施形態に係る排熱回収用タービン装置の基本構成を示す概念図であり、図２は、実施形態に係る排熱回収用タービン装置を適用した内燃機関自動車の側面図であり、図３は、図２の排熱回収用タービン装置を平面的に見た断面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すように、実施形態に係る排熱回収用タービン装置１は、内燃機関であるエンジン１０から排気管１１を通じて排出された排気ガスが有する熱を回収して発電機２８により発電を行う装置である。この例では、得られた動力を発電機２８で電力に変換することとしているが、その利用用途は電力に限られず、そのまま自動車の駆動力にしたり、エアコンのコンプレッサの駆動力にしたりできることはいうまでもない。

エンジン１０に連結された排気管１１は、排気を外部へ排出するまでの経路中に、キャタライザ１２、フィン２４、および周知の消音器であるマフラー１３が設けられている。
キャタライザ１２は、排気ガスに含まれる未燃成分を触媒燃焼により酸化させるものであり、エンジン１０の作動中には、非常に高温（例えば、７００〜８００℃）となる。
フィン２４は、熱交換部材に相当し、排気管１１の外側に設けられ、排気管１１内の排気ガスの熱を排気管１１の外へ導く機能を果たす。

排気管１１のフィン２４の外側には、フィン２４を取り囲むようにタービンハウジング２０が設けられている。タービンハウジング２０は、外部空気を取り込む入口開口部２０ａと、取り込んだ空気を排出する出口開口部２０ｂとが形成されている。タービンハウジング２０内のフィン２４と入口開口部２０ａの間にはコンプレッサ２２が設けられ、フィン２４と出口開口部２０ｂの間には、出口側タービン２３が設けられている。コンプレッサ２２と出口側タービン２３は、連結部材である連結軸２１により一体に連結されており、連結軸２１の軸線周りに回転可能となっている。連結軸２１は、発電機２８と連結され、連結軸２１の回転により発電機２８が駆動されて電力が発生するようになっている。

このような排熱回収用タービン装置１は、入口開口部２０ａから流入した空気がタービンハウジング２０内でフィン２４により加熱され、膨張する。膨張した空気は、出口側タービン２３を回転させ、出口側タービン２３の動力によりコンプレッサ２２を回転させ、新たな空気をタービンハウジング２０内に導入し、これを繰り返すことによりコンプレッサ２２、出口側タービン２３、および連結軸２１が回転を続け、排熱の回収が可能となる。

このような基本構成の排熱回収用タービン装置１を自動車に搭載した、より具体的な例について説明する。
図２に示すように内燃機関自動車３は、エンジン１０を前方（図２における左側。以下、前後、上下左右は、内燃機関自動車３を基準とする。）に搭載し、エンジン１０の動力により車体３０を駆動するよう構成されている。
エンジン１０に連結された排気管１１には、上流から順にキャタライザ１２、排熱回収用タービン装置１、およびマフラー１３が設けられ、これらがともに車体３０の下面に固定されている。排熱回収用タービン装置１は、高温になるキャタライザ１２の直後（下流）に設けられている。このため、高温の排熱を動力源とすることができ、排熱を効率よく回収することができる。

図３に示すように、タービンハウジング２０は、円筒状に形成され、排気管１１は、タービンハウジング２０を横断するように貫通している。
タービンハウジング２０の軸中心には、連結軸２１が配置されている。連結軸２１は、前側軸受２５と、後側軸受２６とにより回転可能に支持されている。なお、前側軸受２５は、タービンハウジング２０内の前方で連結軸２１へ向けて伸びた軸受フレーム２５ａに支持され、後側軸受２６は、タービンハウジング２０内の後方で連結軸２１へ向けて伸びた軸受フレーム２６ａに支持されている。

タービンハウジング２０の前方は、入口開口部２０ａが開口し、後方は、出口開口部２０ｂが開口している。連結軸２１の前方における入口開口部２０ａ付近には、軸流型のコンプレッサ２２が配置され、連結軸２１の後方における出口開口部２０ｂ付近には軸流型の出口側タービン２３が配置されている。

連結軸２１の後端には、ベベルギヤ２１ａが設けられており、発電機２８の入力軸２８ａの先端に設けられたベベルギヤ２８ｂと噛合している。発電機２８は、タービンハウジング２０の側方に配置されている。入力軸２８ａは、タービンハウジング２０の側部に形成された孔２０ｃから内部へ挿通されて、連結軸２１と直交している。なお、発電機２８の入力軸２８ａは、タービンハウジング２０の側部に固定された軸受箱２９内の軸受２９ａ，２９ｂにより回転可能に支持されている。

排気管１１は、図３および図４に示すように、タービンハウジング２０に入る前に複数、例えば４つの排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに分岐しており、排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、タービンハウジング２０を横切って出た後に再び集合して一つの排気管１１となっている。
分岐した排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、それぞれ薄い板状の流路を形成しており、タービンハウジング２０内で連結軸２１を取り巻くように配置されている。そして、排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの外側には、タービンハウジング２０内の空気流に沿う方向、すなわち前後方向に沿って複数のフィン２４ａが設けられている。また、各排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの内部には、排気の流れに沿って、すなわち左右方向に沿って複数のフィン２４ｂが設けられている。なお、排気管１１が分岐しているのは、タービンハウジング２０内での熱交換の効率を良くするためであり、この分岐した部分とフィン２４ａ，２４ｂが熱交換部材に相当する。排気管１１の分岐の仕方は、適用される装置に応じて適宜な変更をすることができ、例えば、板状でなく、円管状に分岐してもよいし、タービンハウジング２０内に入った後で分岐してもよい。

以上のように構成された排熱回収用タービン装置１を搭載した内燃機関自動車３の動作について説明する。まず、ガソリンや軽油を燃料としたエンジン１０を作動させると、排気ガスが排気管１１を通じて外部へ放出される。この際、排気ガスは、キャタライザ１２、排熱回収用タービン装置１、マフラー１３を通じて外部へ放出される。排気ガスは、キャタライザ１２を通過すると未燃成分が燃焼して高温になる。高温になった排気ガスは、分岐した排気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄへと分流し、フィン２４ｂ，２４ａを介してタービンハウジング２０内を流れる空気流と熱交換を行う。熱交換が済んで冷却された排気ガスは、マフラー１３を介して外部へ排出される。

一方、熱交換により加熱されたタービンハウジング２０内の空気は熱膨張して体積が増え、タービンハウジング２０内の圧力を高める。高圧になった空気は、出口側タービン２３を回転させ、出口開口部２０ｂから外部へ放出される。
出口側タービン２３が回転されると、連結軸２１により一体になったコンプレッサ２２も回転し、入口開口部２０ａから新たな冷気（加熱前の空気）をタービンハウジング２０内へ導入する。そして、この冷気がフィン２４ａにより加熱されることで、再び出口側タービン２３を回転させ、連結軸２１の回転を継続させる。

連結軸２１の回転は、後端のベベルギヤ２１ａ，２８ｂを介して発電機２８へ伝達され、発電機２８で電力を発生して有効利用される。
また、タービンハウジング２０から放出された空気は、内燃機関自動車３の後方へと噴出されるため、内燃機関自動車３の走行駆動力を補助するように働く。

以上のように、本実施形態の排熱回収用タービン装置１およびこれを搭載した内燃機関自動車３によれば、排気ガスが有する熱を、連結軸２１の回転を通じ、電力および走行駆動力として回収することができる。したがって、内燃機関自動車３の燃費を向上させる。しかも、排気ガスの流れに対しては、排気管１１のカーブ、分岐やフィン２４ｂなどを除いては、抵抗とならないため、エンジン１０自体の効率に与える影響は最小限で済む。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、発電機２８を設けることなく、連結軸２１の回転力を、エアコンのコンプレッサ、オイルポンプなどの駆動力として利用することもできる。
また、コンプレッサ２２や出口側タービン２３は、軸流型ではなく、遠心型のコンプレッサやタービンであっても構わない。さらに、コンプレッサ２２や出口側タービン２３を軸状の部材で連結するのではなく、筒状の部材でコンプレッサ２２や出口側タービン２３の外周を連結してもよい。

本発明の実施形態に係る排熱回収用タービン装置の基本構成を示す概念図である。 実施形態にかかる排熱回収用タービン装置を適用した内燃機関自動車の側面図である。 図２の排熱回収用タービン装置を平面的に見た断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１ 排熱回収用タービン装置
３ 内燃機関自動車
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 排気管
１２ キャタライザ
２０ タービンハウジング
２０ａ 入口開口部
２０ｂ 出口開口部
２１ 連結軸（連結部材）
２２ コンプレッサ
２３ 出口側タービン
２４ フィン（熱交換部材）
２８ 発電機

Claims (5)

1. 内燃機関の排気管に設けられた熱交換部材と、前記熱交換部材を囲むように配置され、少なくとも空気が導入される入口開口部と、空気が排出される出口開口部とを有するタービンハウジングと、前記タービンハウジング内の前記熱交換部材に対する前記入口開口部側に配置されたコンプレッサと、前記タービンハウジング内の前記熱交換部材に対する前記出口開口部側に配置された出口側タービンと、前記コンプレッサと前記出口側タービンとを一体回転可能に連結する連結部材とを備え、
   前記内燃機関の排気管にはキャタライザが配置され、前記熱交換部材は前記キャタライザよりも下流部分に設けられたことを特徴とする内燃機関の排熱回収用タービン装置。
2. 前記タービンハウジングは、円筒状に形成され、
   前記熱交換部材は、前記タービンハウジング内において並列に分岐した前記排気管を有し、
   並列に分岐した前記排気管は、前記タービンハウジングの内周に沿って湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排熱回収用タービン装置。
3. 前記連結部材に発電機を接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排熱回収用タービン装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の排熱回収用タービン装置を車両に備えた内燃機関自動車。
5. 前記入口開口部は、前記車両の前方へ向けて設けられ、前記出口開口部は、前記車両の後方へ向けて設けられたことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関自動車。

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