JP5652109B2

JP5652109B2 - Ｄｍｅ自動車における過熱ｄｍｅ発電システム

Info

Publication number: JP5652109B2
Application number: JP2010231678A
Authority: JP
Inventors: 岡本　毅; 毅岡本
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: JP2012082798A

Description

本発明は、燃料タンク内のＤＭＥを用いて発電を行うＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システムに関するものである。

近年、ディーゼルエンジンの分野では、軽油の代替燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ：ＤｉＭｅｔｈｙｌＥｔｈｅｒ）を燃料とするディーゼルエンジンの開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。ＤＭＥは、天然ガスやバイオガスから合成され、排ガスによる汚染の原因となる硫黄や窒素、芳香炭化水素等の物質を含まないことから、エンジンで燃焼しても煤等が排出されず排ガスがクリーンである。

ＤＭＥは常温で気体であるが、ＤＭＥを常温で０．５ＭＰａ程度に加圧すると液化するため、ディーゼルエンジンで使用する場合、燃料タンクには高圧ボンベを用い、また、燃料供給ライン内で燃料が気化しないように、高圧ボンベ内に設置されたインタンクポンプを用いて燃料を２．２〜２．７ＭＰａ程度に加圧してエンジンに供給している。

ところで、自動車の排ガス低減方法に、エンジンからの排気の一部を吸気に戻す方法（ＥＧＲ：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）がある。ＥＧＲを行うことでＮＯ_Xの排出量を低減することができるため、現在のエンジンで一般的に使用されているが、高温の排気を直接吸気すると吸気温度が上昇して、吸気充填効率の低下を招いてしまうことから、排ガスはＥＧＲクーラで一旦冷却されてから吸気に投入される。

特開２００１−１１５９１６号公報

そのため、排ガスの熱の一部がＥＧＲクーラにより排熱され、その分の熱エネルギが無駄に捨てられている。

そこで、本発明の目的は、ＥＧＲクーラで捨てられている熱エネルギを利用して発電を行うことで、廃熱を再利用して燃費低減を図ることができるＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システムを提供することにある。

この目的を達成するために創案された本発明は、ＤＭＥを貯留する燃料タンク内のインタンクポンプの吐出側から前記燃料タンクの戻し口にかけ、ＥＧＲクーラ、タービン、気化したＤＭＥを全て液化させる冷却器を順次設置して、ＤＭＥの循環による発電サイクルを構成し、循環するＤＭＥで前記ＥＧＲクーラの廃熱を回収すると共に前記タービンを駆動して発電を行い、前記インタンクポンプは、エンジンのコモンレールにＤＭＥを供給するための高圧ポンプにＤＭＥを液体として供給する圧力でＤＭＥを加圧すると共に前記ＥＧＲクーラによりＤＭＥが気体となる圧力でＤＭＥを加圧するＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システムである。

前記燃料タンク内のＤＭＥは、前記インタンクポンプで送液されると共に加圧された後、前記ＥＧＲクーラで加熱されて蒸発すると共に更に過熱されて気化膨張し、前記タービンを駆動した後、前記冷却器で冷却されて前記燃料タンク内に戻されると良い。

本発明によれば、ＥＧＲクーラで捨てられている熱エネルギを利用して発電を行うことで、廃熱を再利用して燃費低減を図ることができる。

本発明に係るＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システムを示す概略図である。本実施の形態におけるサイクル配置図である。ＤＭＥの蒸気圧線図である。本実施の形態におけるＰ−ｓ線図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係るＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システムを示す概略図であり、図２は、そのサイクル配置図である。

図１，２に示すように、本実施の形態に係るＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システム１０は、ＤＭＥを貯留する燃料タンク１１内のインタンクポンプ１２の吐出側から燃料タンク１１の戻し口にかけ、ＥＧＲクーラ１３、タービン１４、冷却器１５を順次設置して、ＤＭＥの循環による発電サイクルを構成し、循環するＤＭＥでＥＧＲクーラ１３の廃熱を回収すると共にタービン１４を駆動して発電を行うシステムである。

本システムを搭載するＤＭＥ自動車においては、エンジン１６からの排気の一部を吸気に戻すＥＧＲを行うことでＮＯ_Xの排出量を低減している。この際、高温の排気を直接吸気すると吸気温度が上昇して、吸気充填効率の低下を招いてしまうことから、排ガスはＥＧＲクーラ１３で一旦冷却されてから吸気に投入される。ＥＧＲクーラ１３では、冷媒を導入し、冷却機構で吸収した熱をラジエータにより排熱することで排ガスを冷却する。

エンジン１６は、ＤＭＥを燃料とするディーゼルエンジンであり、自動車の駆動用として車両に搭載される。このエンジン１６は、複数気筒（図１では４気筒）のコモンレール式とされ、コモンレール１７に蓄圧したＤＭＥを噴射ノズルである各インジェクタ１８に供給するようになっている。そのため、エンジン１６には、コモンレール１７にＤＭＥを所定の圧力、例えば、６０ＭＰａ程度に加圧して圧送する高圧ポンプ１９が設けられる。

燃料タンク１１は、燃料としてのＤＭＥを液体として貯留する高圧ボンベからなり、この燃料タンク１１内には、燃料タンク１１内のＤＭＥの温度、圧力、水位等を計測するセンサや、燃料タンク１１内のＤＭＥを燃料供給ライン２０を通じてエンジン１６側の高圧ポンプ１９に供給する、或いは冷媒ＤＭＥ流路２１を通じてＥＧＲクーラ１３と燃料タンク１１との間でＤＭＥを循環させるインタンクポンプ１２が設けられる。燃料供給ライン２０を構成する燃料配管は、その一端が燃料タンク１１の底部を気密に貫通してインタンクポンプ１２に接続される。インタンクポンプ１２には、これを駆動する電動モータが接続される。電動モータは、エンジン１６を動力としている。

また、燃料タンク１１には、ＤＭＥを充填する燃料充填部、気化したＤＭＥを所定の圧力以上で大気に放出する安全弁等が設けられる。なお、燃料タンク１１内の圧力は、タンク内温度（燃料タンク１１内の温度）に対応する蒸気圧となっている。

図３に示すように、ＤＭＥを高圧ポンプ１９に供給する場合、液体で供給しなければならず、高圧ポンプ１９内の燃料通路の温度が８０℃であれば、ＤＭＥをその温度の蒸気圧２．２ＭＰａよりも高い圧力にすれば、ＤＭＥの気化を防止することができる。また、高圧ポンプ１９内の燃料通路の温度が９０℃であれば、ＤＭＥをその温度の蒸気圧２．７ＭＰａよりも高い圧力にする必要がある。

さて、本実施の形態に係る過熱ＤＭＥ発電システム１０は、ＥＧＲクーラ１３の廃熱を再利用して燃費低減を図るべくなした発明であり、ＥＧＲクーラ１３の廃熱を利用して発電を行うものである。

そのため、過熱ＤＭＥ発電システム１０には、発電機２２が搭載される。この発電機２２を用いて発電を行うためには、発電機２２に接続されたタービン１４を駆動する必要があり、タービン１４に蒸気エネルギを供給する必要がある。ＥＧＲクーラ１３の廃熱を蒸気エネルギに変換する方法としては、ＥＧＲクーラ１３の廃熱で冷媒を気化させる方法がある。

ところで、通常ディーゼルエンジンにおける排ガスの温度は１００℃以上あり、ＥＧＲクーラ１３の廃熱の温度は８０〜９０℃程度である。従来の構成では、冷媒としてエンジン１６の冷却水の一部を分流してＥＧＲクーラ１３に導入していたため（図１の旧ＥＧＲ冷却水流路参照）、冷却水を廃熱の温度で気化させることは困難であった。

そこで、本発明者は、ＤＭＥ自動車の燃料であるＤＭＥに着目し、これをＥＧＲクーラ１３の冷媒として用いようと考えた。ＤＭＥの沸点は、−２４．９℃であるのでＥＧＲクーラ１３の廃熱で容易に気化させることが可能である。

発電機２２と燃料タンク１１との間には、発電に用いられたＤＭＥを冷却する冷却器１５が設けられ、冷却器１５で冷却されたＤＭＥを燃料タンク１１に戻すようにされる。冷却器１５は、例えば、フィンからなる空冷装置である。

このサイクルを図示したＰ−ｓ線図を図４に示す。

図２，４に示すように、燃料タンク１１内のＤＭＥは、インタンクポンプ１２で送液されると共に加圧された後（図中（３）→（４）へ状態遷移）、ＥＧＲクーラで加熱されて蒸発する（図中（４）→（５）へ状態遷移）と共に更に過熱されて気化膨張し（図中（５）→（１）へ状態遷移）、タービン１４を駆動した後（図中（１）→（２）へ状態遷移）、冷却器１５で冷却されて（図中（２）→（３）へ状態遷移）燃料タンク１１内に戻される。

そのため、過熱ＤＭＥ発電システム１０では、燃料タンク１１からＥＧＲクーラ１３に導入されたＤＭＥは、ＥＧＲクーラ１３の廃熱により容易に気化し、気化した際の蒸発潜熱で排ガスの冷却を行い、気化膨張したＤＭＥは発電機２２に接続されたタービン１４へと導かれ、発電が行われる。つまり、ＤＭＥは、その総量を減少させることなく発電に用いられ、燃料の損失は無い。

発電により得られた電気エネルギは、バッテリ等に蓄電しておき、例えば、前述のインタンクポンプ１２を作動させる電動モータの動力源とすると良い。

このような構成の過熱ＤＭＥ発電システム１０によれば、ＥＧＲで廃棄されている熱を利用して発電を行うことで、発電した電力をエンジン１６の動力補助とすることができる。

以上要するに、本発明によれば、ＥＧＲクーラで捨てられている熱エネルギを利用して発電を行うことで、廃熱を再利用して燃費低減を図ることができる。

１０ＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システム
１１燃料タンク
１２インタンクポンプ
１３ＥＧＲクーラ
１４タービン
１５冷却器
１６エンジン
１７コモンレール
１８インジェクタ
１９高圧ポンプ
２０燃料供給ライン
２１冷媒ＤＭＥ流路
２２発電機

Claims

ＤＭＥを貯留する燃料タンク内のインタンクポンプの吐出側から前記燃料タンクの戻し口にかけ、ＥＧＲクーラ、タービン、気化したＤＭＥを全て液化させる冷却器を順次設置して、ＤＭＥの循環による発電サイクルを構成し、循環するＤＭＥで前記ＥＧＲクーラの廃熱を回収すると共に前記タービンを駆動して発電を行い、前記インタンクポンプは、エンジンのコモンレールにＤＭＥを供給するための高圧ポンプにＤＭＥを液体として供給する圧力でＤＭＥを加圧すると共に前記ＥＧＲクーラによりＤＭＥが気体となる圧力でＤＭＥを加圧することを特徴とするＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システム。
前記燃料タンク内のＤＭＥは、前記インタンクポンプで送液されると共に加圧された後、前記ＥＧＲクーラで加熱されて蒸発すると共に更に過熱されて気化膨張し、前記タービンを駆動した後、前記冷却器で冷却されて前記燃料タンク内に戻される請求項１に記載のＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ発電システム。