JP6613158B2 - 熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱回収装置に関し、特に車両に搭載される内燃機関の排気ガスからの熱回収に好適な熱回収装置に関する。

内燃機関を搭載する車両においては、燃費と環境性能に対する高度な要求に応えるべく、排気エミッションの低減に加えて排気で捨てられる熱等の回収が重要になっており、各種の熱回収装置や回収したエネルギを基に電力回生等を行うシステムが提案されている。

また、そのような車両においては、排気中の窒素酸化物濃度の低減に有効なＥＧＲ（排気再循環）システムが多用されているが、ＥＧＲシステムでは、吸気側に還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラでも排気の熱が失われるため、その熱の回収も必要である。さらに、近時、ターボ過給機の排気タービンを通過する前の高圧の排気ガスを吸気側に還流させる高圧ＥＧＲ方式に加えて、排気タービンを通過した後の低圧の排気ガスをターボ過給機のコンプレッサより上流側に還流させることで大量の排気再循環を可能にする低圧ＥＧＲ方式も提案されており、ＥＧＲクーラからの熱回収の重要性が増している。

車両に搭載される従来の熱回収装置として、エンジン冷却水や排気ガス等の熱源を利用して作動媒体を加熱し蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発させた作動媒体を利用して発電を行う膨張機と、膨張機での発電に利用された作動媒体を車両の冷熱源等により冷却し凝縮する凝縮器と、凝縮後の作動媒体を蒸発器に圧送するポンプとを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、エンジンの暖機時には、排気側熱交換器で作動媒体を排気ガスと熱交換させて過熱蒸気化した後、バルブ切換えにより膨張器をバイパスさせて冷却水側熱交換器に通し、膨張器で減圧膨張していない高温高圧の作動媒体により冷却水を迅速に昇温させる一方、暖機完了後には、バルブ切換えにより作動媒体を膨張器に通し、取り出した動力により発電機を駆動するようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−３４９６１号公報 特開２０１３−１８１３９４号公報

しかしながら、上述のような従来の熱回収装置にあっては、熱回収用の作動媒体の蒸発用の熱交換器や凝縮用の熱交換器が排気再循環経路中のＥＧＲクーラとは別々に構成されていたため、それぞれ熱交換機能を有する類似する部品の点数が多くなっていた。そのため、排気再循環と併せて熱回収する装置のコンパクト化が容易でないという未解決の課題があった。

本発明は、かかる未解決の課題を解決すべくなされたものであり、部品点数を抑えたコンパクトな熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱回収装置は、上記目的達成のため、熱回収用の作動媒体と他の高温の流体とを通す熱交換器を備え、該熱交換器により前記高温の流体から前記熱回収用の作動媒体に熱を回収させる熱回収装置であって、前記熱交換器は、前記熱回収用の作動媒体が予め設定された媒体通過方向に通過する作動媒体通路部と、内燃機関の排気経路中で互いに温度が相違する複数の排気ガスが前記媒体通過方向とは異なるガス通過方向に通過するとともに、それぞれの前記温度の低い順に前記媒体通過方向で上流側となる位置に配置された複数の排気ガス通路部と、を有していることを特徴とする。

この構成により、熱回収用の作動媒体が熱交換器の作動媒体通路部を通るとき、この作動媒体と温度の低い順に媒体通過方向で上流側となる位置に配置された複数の排気ガス通路部内を通る複数の排気ガスとの間で順次熱交換がなされる。したがって、熱回収用の作動媒体と温度の異なる複数の排気ガスとの間に、それぞれの熱交換に必要な温度差が確保された状態で、複数の排気ガスから作動媒体への十分な熱回収がなされることになる。

本発明においては、前記媒体通過方向が、鉛直方向の下方側から上方側に向けて設定され、前記複数の排気ガス通路部が、前記複数の排気ガスの前記温度が高いほど前記鉛直方向の上方側に位置している構成とすることができる。

また、前記複数の排気ガス通路部のいずれかに、前記内燃機関に装着されるターボ過給機の排気タービンより下流側を流れる低圧の排気ガスが導入される構成とすることもできる。その場合、前記複数の排気ガス通路部のうち一の排気ガス通路部を、前記排気タービンより下流側に配置される排気後処理装置を通過した後の前記低圧の排気ガスが通過し、前記複数の排気ガス通路部のうち他の一の排気ガス通路部を、前記排気後処理装置の上流側から前記ターボ過給機のコンプレッサより上流側の吸気通路内に還流する低圧ＥＧＲガスが通過するようにしてもよい。あるいは、前記複数の排気ガス通路部のいずれかに、前記内燃機関に装着されるターボ過給機の排気タービンより上流側を流れる高圧の排気ガスが導入される構成とすることもできる。

さらに、本発明においては、前記熱交換器の前記作動媒体通路部に前記熱回収用の作動媒体を圧送するポンプと、前記熱交換器により前記複数の排気ガスからの熱回収後の作動媒体を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した前記作動媒体を冷却して凝縮させる凝縮器と、を更に備え、前記熱交換器によって前記作動媒体を蒸発させつつ前記膨張機によって前記熱回収後の作動媒体からエネルギを回生させるランキンサイクルが構成されていてもよい。

本発明によれば、部品点数を抑えたコンパクトな熱回収装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱回収装置の概略システム構成図である。 第１の実施の形態に係る熱回収装置における一例の熱交換器の概略斜視図である。 図２に示す一例の熱交換器における通路配置の説明図である。 比較例の熱回収装置の概略システム構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱回収装置の概略システム構成図である。 第２の実施の形態に係る熱回収装置における一例の熱交換器の概略斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱回収装置の概略システム構成図である。 第３の実施の形態に係る熱回収装置における一例の熱交換器の概略斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱回収装置における他の一例の熱交換器の概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施の形態）
図１ないし図３は、本発明の第１の実施の形態に係る熱回収装置を示す図であり、内燃機関を搭載する車両上で、排気ガスから回収した熱エネルギを基に機械的な回生エネルギを取り出すランキンサイクルシステムとして構成した例を示している。

図１に示す本実施形態のエンジン１０は、複数の気筒１１を有する多気筒の内燃機関であり、トラックやバス等の車両に搭載されている。

このエンジン１０には、各気筒１１の燃焼室１２内に燃料を噴射する図示しない燃料噴射装置と、所定の吸気タイミングで各燃焼室１２に空気を吸入させる吸気装置１３と、所定の排気タイミングで各燃焼室１２から排気ガスを排気させる排気装置１４と、内部の冷却通路を通った冷却水を走行風等の空気と熱交換させて冷却するラジエータ１５と、冷却水温度が低い始動時等にラジエータ１５をバイパスする冷却水循環経路を形成するサーモスタット１６とが設けられている。

また、エンジン１０には、ターボ過給機２０が装着されている。ターボ過給機２０は、排気装置１４内の排気エネルギによって回転駆動される排気タービン２１と、この排気タービン２１に直結するコンプレッサ２２とを有しており、コンプレッサ２２によって吸気装置１３内で吸入空気を圧縮しつつ燃焼室１２内に過給するようになっている。

さらに、エンジン１０には、ターボ過給機２０より上流側の高圧の排気ガスの一部を吸気側に還流させ再循環させる高圧側の排気再循環装置であるＨＰＬ（High Pressure Loop）−ＥＧＲ装置２５と、このターボ過給機２０の排気タービン２１より下流側の低圧の排気ガスの一部を吸気側に還流させ再循環させる低圧側の排気再循環装置であるＬＰＬ（Low Pressure Loop）−ＥＧＲ装置２７とが装備されている。

エンジン１０の吸気装置１３には、吸気マニホールド３１と、それより上流側の吸気通路部３２と、コンプレッサ２２での圧縮により昇温したより吸気通路部３２内の吸入空気を冷却するインタークーラ３３とが、設けられている。

エンジン１０の排気装置１４には、排気マニホールド４１と、それより下流側の排気通路部４２と、ターボ過給機２０の排気タービン２１より下流側の排気通路部４２ｂ内で大気汚染物質等を除去して排気ガスを浄化する排気後処理装置４３とが設けられている。

排気後処理装置４３は、例えばＰＭ等の粒子状物質を捕集するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）４４と、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）方式のＳＣＲ触媒４５とを組み合わせている。

なお、ここで、吸気通路部３２や排気通路部４２等の通路部とは、吸気管や排気管等の配管を主体とする通路形成部材を意味し、複数の部材で構成され得るものである。

ＨＰＬ−ＥＧＲ装置２５には、ターボ過給機２０の排気タービン２１より上流側の排気通路部４２ａからターボ過給機２０のコンプレッサ２２より下流側の吸気通路部３２ｂ内、例えばインタークーラ３３より下流側の吸気通路部３２ｃ内に高圧の排気ガスの一部を還流させる高圧ＥＧＲ通路部５１が設けられている。併せて、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置２５には、高圧ＥＧＲ通路部５１を通る高圧の還流排気ガスの流量を調整可能な高圧ＥＧＲバルブ５２と、高圧ＥＧＲ通路部５１を通る高圧の還流排気ガスを冷却しつつ熱回収することができるＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３とが設けられている。

ＬＰＬ−ＥＧＲ装置２７には、ターボ過給機２０の排気タービン２１より下流側の排気通路部４２ｂからターボ過給機２０のコンプレッサ２２より上流側の吸気通路部３２ａ内に、排気タービン２１通過後の低圧の排気ガスの一部を還流させる低圧ＥＧＲ通路部７１が設けられている。また、ＬＰＬ−ＥＧＲ装置２７には、低圧ＥＧＲ通路部７１を通る低圧の還流排気ガスの流量を調整可能な低圧ＥＧＲバルブ７２と、低圧ＥＧＲ通路部７１を通る低圧の還流排気ガスを適度に冷却しつつ熱回収することができるＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３とが設けられている。

ＨＰＬ−ＥＧＲ装置２５のＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３は、熱回収用の作動媒体（例えば水）Ｍを通す熱媒体通路部５３ａと、他の高温の流体である高圧の還流排気ガスＧＨを通す排気ガス通路部５３ｂとを有しており、これら熱媒体通路部５３ａおよび排気ガス通路部５３ｂを通る温度の異なる流体間で熱交換させる熱交換器となっている。高温とは、熱回収用の作動媒体Ｍに対し熱を回収させて確実に蒸気にしたり過熱蒸気にしたりすることができる程度に高い温度を意味する。

ＬＰＬ−ＥＧＲ装置２７のＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３は、熱回収用の作動媒体Ｍと、他の高温の流体であるＳＣＲ触媒４５通過前の低圧の還流排気ガスＧＬ１およびＳＣＲ触媒４５通過後の低圧の排気ガスＧＬ２とを通す熱交換器で、低圧の排気ガスＧＬ２から熱回収する排気熱交換器を低圧側のＥＧＲクーラに一体化した構成となっている。

熱回収用の作動媒体Ｍは、エンジン１０を搭載する車両に装備されたランキンサイクルシステム６０内に充填されており、ランキンサイクルシステム６０は、蒸発器の機能を有するＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３に加えて、ポンプ６１、熱媒通路部６２、膨張機６３および凝縮器６４を含んで構成されている。

ポンプ６１は、凝縮された熱回収用の作動媒体Ｍを、ＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３に圧送する機械式ポンプである。

ポンプ６１によりＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３に給送された熱回収用の作動媒体Ｍは、互いに温度の異なる複数の排気ガスから熱を回収しつつ蒸発し、さらに過熱蒸気まで加熱されるようになっている。

膨張機６３は、ＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３により互いに温度の異なる高温の複数の排気ガスから熱回収した後の作動媒体Ｍを膨張させつつ、一体に連結された発電機６３Ｇを駆動可能な蒸気タービンあるいはアキシャルピストン型のポンプモータ等で構成されている。

凝縮器６４は、膨張機６３を通過した作動媒体Ｍを、車両の走行風等の空気あるいは暖房用の空気等との熱交換により冷却し、凝縮させるようになっている。

すなわち、ランキンサイクルシステム６０は、ＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３により熱回収用の作動媒体Ｍを蒸発させつつ、膨張機６３により熱回収後の作動媒体Ｍから機械的エネルギを取り出すことができるように構成されている。

図２に示すように、このランキンサイクルシステム６０の一部を構成するＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３は、熱回収用の作動媒体Ｍが予め設定された媒体通過方向Ｄ１（図２中の上下方向）に通過する作動媒体通路部８１と、エンジン１０の排気経路中で互いに温度が相違する複数の排気ガスＧＬ１、ＧＬ２が媒体通過方向Ｄ１とは異なるガス通過方向Ｄ２（図２中の左方向）に通過するとともに、それぞれのガス温度の低い順に媒体通過方向Ｄ１で上流側となる位置（図２中で下方側）に配置された複数の排気ガス通路部８２、８３とを有している。

図３において、作動媒体通路部８１の概略の延在方向である媒体通過方向Ｄ１は、鉛直方向Ｖの下方側から上方側に向けて設定されている。ただし、作動媒体通路部８１の延在方向が部分的に交互に傾斜するように蛇行したり全体として傾斜したりしてもよいことはいうまでもない。

また、図２および図３中では、作動媒体通路部８１と複数の排気ガス通路部８２、８３とが、それぞれ扁平な略長方形の横断面を有し、かつ、多層に積層されつつその積層方向に交互に配置されているが、断面形状や配置が任意であることはいうまでもない。

例えば、図３中に点線で示すように、作動媒体通路部８１や複数の排気ガス通路部８２、８３が積層方向に多数の凹凸部８１ｂ、８２ａ、８３ａを有していたり、横断面形状が湾曲したりしていてもよい。また、作動媒体通路部８１と複数の排気ガス通路部８２、８３とのうちいずれかが、蛇管形状等を有していてもよい。

ただし、複数の排気ガス通路部８２、８３は、内部を通る排気ガスの温度が高いほど鉛直方向における上方側に位置し、内部を通る排気ガスの温度が低いほど鉛直方向における下方側に位置するように配置されている。

鉛直方向における複数の排気ガス通路部８２、８３の間には、作動媒体通路部８１の複数の枝通路部８１ａの一部を形成する複数の通路孔８５ａが形成され、複数の通路孔８５ａの間で複数の排気ガス通路部８２、８３の間を仕切る隔壁８５が設けられている。隔壁８５の熱伝導率は、作動媒体通路部８１および複数の排気ガス通路部８２、８３のそれぞれを形成する通路形成部材の熱伝導率より小さくなっている。

このように、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３においては、複数の排気ガス通路部８２、８３のうち一方の排気ガス通路部８２に、ターボ過給機２０の排気タービン２１より下流側を流れる低圧の排気ガスであって排気後処理装置４３のＳＣＲ触媒４５を通過する前の低圧の還流排気ガスＧＬ１が導入され、他方の排気ガス通路部８３に、ＳＣＲ触媒４５を通過した後の低圧の排気ガスＧＬ２が導入される。低圧の還流排気ガスＧＬ１、ＧＬ２は、いずれも高圧の還流排気ガスＧＨより低温であるが、熱回収用の作動媒体Ｍの沸点より十分に高いガス温度を有する。また、ＳＣＲ触媒４５を通過する前の低圧の還流排気ガスＧＬ１の方が、ＳＣＲ触媒４５を通過した後の低圧の排気ガスＧＬ２より高温である。

次に、作用について説明する。

上述のように構成された本実施形態の熱回収装置においては、ランキンサイクルシステム６０内の熱回収用の作動媒体Ｍがポンプ６１により所定の循環方向（図１中の反時計回り方向）に送られながら、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３の作動媒体通路部８１内を通り、さらに、ＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３の熱媒体通路部５３ａ内を通る。

このとき、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３内では、複数の排気ガス通路部８２、８３のうち相対的に温度が低く、鉛直方向の下方側に配置された排気ガス通路部８３内を通る低圧の排気ガスＧＬ２から熱回収用の作動媒体Ｍに熱回収されるように最初の熱交換がなされた後、相対的に温度が高く鉛直方向の上方側に配置された排気ガス通路部８２内を通る低圧の排気ガスＧＬ１から熱回収用の作動媒体Ｍに熱回収されるように熱交換がなされる。

したがって、熱回収用の作動媒体Ｍが低圧の排気ガスＧＬ２との熱交換で温度上昇しても、次の低圧の還流排気ガスＧＬ１は排気ガスＧＬ２よりも温度が高く、熱回収用の作動媒体Ｍとの間の十分な温度差が確保されるので、十分な熱回収効率が確保される。また、低圧の排気ガスＧＬ１、ＧＬ２がいずれも熱回収用の作動媒体Ｍの沸点より十分に高いガス温度を有している。その結果、熱回収用の作動媒体Ｍが膨張機６３に導入されるときには十分に加熱された蒸気を用いて膨張機６３を作動させることができる。

しかも、本実施形態では、単一のＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３の複数の排気ガス通路部８２、８３に互いに温度の異なる低圧の排気ガスＧＬ１、ＧＬ２をそれぞれ導入し、これら複数の排気ガスＧＬ１、ＧＬ２から効率良く熱回収できる。したがって、熱交換器の数やそれに応じた周辺部品の点数を抑えることができ、コンパクトな熱回収装置となる。

さらに、本実施形態では、媒体通過方向Ｄ１が、鉛直方向の下方側から上方側に向けて設定されているので、ポンプ６１からＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３内に供給される凝縮後の作動媒体Ｍが蒸発器として機能するＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３内で加熱されて順次蒸発し、その蒸気がＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３の出口側に上昇しながら更に加熱されることになる。したがって、膨張機６３により機械的エネルギを効率良く取り出すことができ、発電機６３Ｇによる高効率の電力回生を行うことができる。

また、本実施形態では、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３の複数の排気ガス通路部８２、８３に低圧の排気ガスＧＬ２および低圧の還流排気ガスＧＬ１が導入されるので、排気タービン２１を通過して圧力が低下しても依然として摂氏数百度程度の高温の還流排気ガスＧＬ１を適度に冷却しながら排気ガスＧＬ１、ＧＬ２から排気の熱を効率よく回収できる。

また、ＨＰＬ−ＥＧＲ装置２５とＬＰＬ−ＥＧＲ装置２７を併用することで、エンジン１０の運転状態に応じてＮＯｘ低減に効果的な排気再循環量を十分に増量できる。

加えて、本実施形態では、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３にエンジン１０の冷却水を通さずに、ランキンサイクルシステム６０の作動媒体Ｍを用いて有効な熱回収を行うので、燃費向上に寄与できるとともに、低圧側の排気還流経路中での凝縮水の発生を有効に抑制でき、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３の腐食を防止できる。

（比較例）
ちなみに、第１の実施の形態におけるＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３に代えて、図４に示す比較例のように、排気後処理装置４３のＳＣＲ触媒４５を通過する前の低圧の還流排気ガスＧＬ１と熱回収用の作動媒体Ｍとの間で熱交換させるＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７４と、ＳＣＲ触媒４５を通過した後の低圧の排気ガスＧＬ２と熱回収用の作動媒体Ｍとの間で熱交換させる排気熱交換器７５とを、併設する構成を採用することも可能である。

しかし、この比較例の場合、ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７４と排気熱交換器７５を別々に設ける構成であるため、これらの熱交換器の数やそれに応じた周辺部品の点数が増えてしまい、コンパクトな熱回収装置とすることが困難になってしまう。

（第２の実施の形態）
図５および図６は、本発明の第２の実施の形態に係る熱回収装置を示している。

なお、以下に述べる各実施の形態は、上述の第１の実施の形態とＥＧＲクーラや排気熱交換器の構成が相違するものの、他の構成は第１の実施の形態と同一または類似するものである。よって、以下、第１の実施の形態と同一または類似する構成については、図１ないし図３中に示した対応する構成要素の符号を用いて重複する説明を省き、第１の実施の形態と相違する点について具体的に説明する。

図５に示す本実施形態のエンジン１０においては、第１の実施の形態のＨＰＬ−ＥＧＲ装置２５におけるＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３に代えて、ランキンサイクルシステム６０の一部を構成するＬＰＬ−ＥＧＲクーラを一体化した一体型のＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５４が設けられている。

図５および図６に示すように、このＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５４は、熱回収用の作動媒体Ｍが予め設定された媒体通過方向Ｄ１に通過する作動媒体通路部５５と、エンジン１０の排気経路中で互いに温度が相違する複数の還流排気ガスＧＨ、ＧＬ１が媒体通過方向Ｄ１とは異なるガス通過方向Ｄ２に通過するとともに、それぞれガス温度の低い順に媒体通過方向Ｄ１で上流側となる位置に配置された複数の排気ガス通路部５６、５７とを有している。ここでの還流排気ガスＧＨは、前述の通り、ターボ過給機２０の排気タービン２１より上流側の高圧の排気ガスの一部であり、還流排気ガスＧＬ１は、ＳＣＲ触媒４５を通過する前の低圧の排気ガスの一部である。

作動媒体通路部５５の概略の延在方向である媒体通過方向Ｄ１は、鉛直方向の下方側から上方側に向けて設定されている。そして、本実施形態においても、複数の排気ガス通路部５６、５７は、内部を通る排気ガスの温度が高いほど鉛直方向における上方側に位置し、内部を通る排気ガスの温度が低いほど鉛直方向における下方側に位置するように配置されている。

本実施形態のエンジン１０においては、また、第１の実施の形態のＬＰＬ−ＥＧＲ装置２７における排気熱交換器一体型のＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３に代え、図５に示すように、比較例と同様の排気熱交換器７５がランキンサイクルシステム６０の一部を構成するよう設けられている。

この排気熱交換器７５は、熱回収用の作動媒体Ｍを通す熱媒体通路部７５ａと、他の高温の流体である低圧の還流排気ガスＧＬ２を通すガス通路部７５ｂとを有しており、これら熱媒体通路部７５ａおよびガス通路部７５ｂを通る温度の異なる流体間で熱交換させる熱交換器となっている。

本実施形態においても、熱回収用の作動媒体Ｍが低圧の還流排気ガスＧＬ１との熱交換で温度上昇しても、次の高圧の還流排気ガスＧＨは排気ガスＧＬ２よりも温度が高く、熱回収用の作動媒体Ｍとの間の十分な温度差が確保されるので、十分な熱回収効率が確保される。また、複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１がいずれも十分に高いガス温度を有しており、特に、高圧の排気ガスＧＨは高温である。その結果、熱回収用の作動媒体Ｍが膨張機６３に導入されるときには十分に加熱された蒸気を用いて膨張機６３および発電機６３Ｇにより高効率の電力回生を行うことができる。

しかも、本実施形態では、単一のＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５４の複数の排気ガス通路部５６、５７に互いに温度の異なる排気ガスＧＨ、ＧＬ１をそれぞれ導入し、これら複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１から効率良く熱回収できる。したがって、熱交換器の数やそれに応じた周辺部品の点数を抑えることができ、コンパクトな熱回収装置となる。

（第３の実施の形態）
図７ないし図９は、本発明の第３の実施の形態に係る熱回収装置を示している。

図７に示す本実施形態のエンジン１０においては、第１の実施の形態のＨＰＬ−ＥＧＲ装置２５におけるＨＰＬ−ＥＧＲクーラ５３およびＬＰＬ−ＥＧＲクーラ７３に代えて、ランキンサイクルシステム６０の一部を構成する排気熱交換器一体型のＥＧＲクーラ７６あるいはＥＧＲクーラ７７が設けられている。

図８に示すように、ＥＧＲクーラ７６は、熱回収用の作動媒体Ｍが予め設定された媒体通過方向Ｄ１に通過する作動媒体通路部８１と、エンジン１０の排気経路中で互いに温度が相違する複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２が媒体通過方向Ｄ１とは異なるガス通過方向Ｄ２に通過するとともに、それぞれのガス温度の低い順に媒体通過方向Ｄ１で上流側となる位置に配置された複数の排気ガス通路部８２、８３、８４とを有している。前述の通り、排気ガスＧＨは、排気タービン２１より上流側の高圧の排気ガスの一部であり、排気ガスＧＬ１は、ＳＣＲ触媒４５を通過する前の低圧の還流排気ガスであり、排気ガスＧＬ２は、ＳＣＲ触媒４５を通過した後の低圧の排気ガスである。

作動媒体通路部８１の概略の延在方向である媒体通過方向Ｄ１は、鉛直方向の下方側から上方側に向けて設定されている。そして、本実施形態においても、複数の排気ガス通路部８２、８３、８４は、内部を通る排気ガスの温度が高いほど鉛直方向における上方側に位置し、内部を通る排気ガスの温度が低いほど鉛直方向における下方側に位置する温度順（図８中では、下方から排気ガス通路部８３、８２、８４の順）に配置されている。

図９に示すように、ＥＧＲクーラ７７は、熱回収用の作動媒体Ｍが同図中に双方向矢印で示す略水平のガス通過方向Ｄ３に蛇行しながら鉛直方向の下方側から上方側に向かう媒体通過方向Ｄ１に通過する作動媒体通路部８１と、エンジン１０の排気経路中で互いに温度が相違する複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２が媒体通過方向Ｄ１とは異なるガス通過方向Ｄ３に通過するとともに、それぞれのガス温度の低い順に媒体通過方向Ｄ１で上流側となる位置に配置された複数の排気ガス通路部８２、８３、８４とを有している。これら複数の排気ガス通路部８２、８３、８４における複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２の通過方向は、図９中の左右方向に蛇行しながら流れる熱回収用の作動媒体Ｍがそれぞれに隣接する作動媒体通路部８１中を通過するときの通過方向とは逆向きとなっており、図９に示すＥＧＲクーラ７７は、いわゆるカウンターフロータイプの熱交換器となっている。

具体的には、図９に示すＥＧＲクーラ７７の複数の排気ガス通路部８２、８３、８４は、上段、中段、下段の３段に分けて互いに平行な姿勢に並列配置されて、複数の作動媒体通路部８１のうちそれぞれに対応する通路区間と隣り合うようになっている。この点で、ＥＧＲクーラ７７は、図８に示すＥＧＲクーラ７６と同様である。しかし、ＥＧＲクーラ７６では、複数の作動媒体通路部８１における熱回収用の作動媒体Ｍの流れが媒体通過方向Ｄ１への直線的な流れで、複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２の通過方向が全て媒体通過方向Ｄ１と略直交するガス通過方向Ｄ２（同方向）となっている。これに対し、ＥＧＲクーラ７７では、複数の作動媒体通路部８１における媒体通過方向Ｄ１が所定方向に蛇行し、複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２の通過方向が全て略同方向ではなく、一部逆向きになっている。

より具体的には、図９に示すように、ＥＧＲクーラ７７において、下段の複数の排気ガス通路部８３を通る排気ガスＧＬ２の通過方向は、それぞれ同図中の左向き方向であるのに対し、複数の排気ガス通路部８３に対し伝熱方向（媒体通過方向Ｄ１およびガス通過方向Ｄ３と直交する方向）に隣接する複数の作動媒体通路部８１中を通過する熱回収用の作動媒体Ｍの通過方向は、それぞれ同図中の右向き方向となっている。同様に、上段の並列する複数の排気ガス通路部８４を通る排気ガスＧＨの通過方向は、それぞれ同図中の左向き方向であるのに対し、複数の排気ガス通路部８４に対し伝熱方向に隣接する複数の作動媒体通路部８１中を通過する熱回収用の作動媒体Ｍの通過方向は、それぞれ同図中の右向き方向となっている。一方、図９において、中断の並列する複数の排気ガス通路部８２を通る排気ガスＧＬ１の通過方向は、それぞれ同図中の右向き方向であり、複数の排気ガス通路部８２に対し伝熱方向に隣接する複数の作動媒体通路部８１中を通過する熱回収用の作動媒体Ｍの通過方向は、それぞれ同図中の左向き方向である。そして、同図中に折返し矢印で示すように、複数の作動媒体通路部８１は、複数の排気ガス通路部８３に隣り合う下段の通路区間から複数の排気ガス通路部８２に隣り合う中断の通路区間に移行する部分で右向き方向から左向き方向に折り返され、複数の排気ガス通路部８２に隣り合う中断の通路区間から複数の排気ガス通路部８４に隣り合う上段の通路区間に移行する部分で左向き方向から右向き方向に再度折り返されている。これにより、複数の作動媒体通路部８１は、下段、中断および上段の排気ガス通路部８３、８２および８４に隣り合うように蛇行した経路で、鉛直方向の下方側から上方側に向かう媒体通過方向Ｄ１に延び、複数の作動媒体通路部８１の内部を通る熱回収用の作動媒体Ｍが、下段、中断および上段の排気ガス通路部８３、８２および８４を通る排気ガスＧＬ２、ＧＬ１、ＧＨの流れに対してそれぞれに逆行しながら熱交換できるように構成されている。

本実施形態においても、作動媒体通路部８１の概略の延在方向である媒体通過方向Ｄ１は、鉛直方向の下方側から上方側に向けて設定されている。そして、本実施形態においても、複数の排気ガス通路部８２、８３、８４は、内部を通る排気ガスの温度が高いほど鉛直方向における上方側に位置し、内部を通る排気ガスの温度が低いほど鉛直方向における下方側に位置するように温度順に配置されている。

したがって、作動媒体通路部８１に沿って蛇行しながら鉛直上方側に流れる熱回収用の作動媒体Ｍが、低圧の排気ガスＧＬ２との熱交換で温度上昇しても、次の低圧の還流排気ガスＧＬ１は排気ガスＧＬ２よりも高温であり、熱回収用の作動媒体Ｍと各排気ガスＧＬ１、ＧＬ２との間の十分な温度差が確保される。さらに、この低圧の還流排気ガスＧＬ１との熱交換で作動媒体Ｍが更に温度上昇しても、次の高圧の還流排気ガスＧＨは還流排気ガスＧＬ１よりも更に温度が高いので、熱回収用の作動媒体Ｍと高圧側の還流排気ガスＧＨとの間の十分な温度差が確保され、十分な熱回収効率が確保される。加えて、複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１がいずれも十分に高いガス温度を有している。その結果、熱回収用の作動媒体Ｍが膨張機６３に導入されるときには十分に加熱された蒸気を用いて膨張機６３により高効率の電力回生を行うことができる。

しかも、本実施形態では、単一のＥＧＲクーラ７６またはＥＧＲクーラ７７の複数の排気ガス通路部８２、８３、８４に互いに温度の異なる排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２をそれぞれ導入し、これら複数の排気ガスＧＨ、ＧＬ１、ＧＬ２から効率良く熱回収できる。したがって、熱交換器の数やそれに応じた周辺部品の点数を抑えることができ、コンパクトな熱回収装置となる。

なお、上述の各実施形態においては、ＥＧＲクーラや熱交換器に接続する配管等のガス通路部については詳述しなかったが、トラックやバス等の車両においては、車両によってエンジンの吸排気経路が大きく変化し得るので、配管経路や熱交換器の設置スペース等を考慮した上で一体化するＥＧＲクーラや熱交換器を適宜選択することができる。

また、上述の各実施形態においては、膨張機６３に発電機６３Ｇを一体化するものとして説明したが、回生エネルギの形態は任意であり、本発明は、膨張機から機械的にエネルギを取り出すランキンサイクルを構成するものに限定されるものではない。

さらに、複数の排気ガス通路部におけるガス流量を、排気ガスの温度や圧力、エンジン１０の運転状態等に応じて適宜調整する手段を設けることも考えられる。

以上説明したように、本発明の熱回収装置は、部品点数を抑えたコンパクトな熱回収装置を提供できるものであり、かかる本発明は、車両に搭載される内燃機関の排気ガスからの熱回収に好適な熱回収装置全般に有用である。

１０ エンジン（車両用の内燃機関）
１１ 気筒
２０ ターボ過給機
２１ 排気タービン
２２ コンプレッサ
２５ ＨＰＬ−ＥＧＲ装置（高圧ＥＧＲ装置）
２７ ＬＰＬ−ＥＧＲ装置（低圧ＥＧＲ装置）
３１ 吸気マニホールド
３２ａ 上流側の吸気通路部
３２ｂ、３２ｃ 下流側の吸気通路部
４１ 排気マニホールド
４２ａ 上流側の排気通路部
４２ｂ 下流側の排気通路部
４３ 排気後処理装置
４４ ＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）
４５ ＳＣＲ触媒
５１ 高圧ＥＧＲ通路部
５２ 高圧ＥＧＲバルブ
５４ ＨＰＬ−ＥＧＲクーラ（熱交換器）
５５、８１ 作動媒体通路部
５６、５７、８２、８３、８４ 排気ガス通路部（複数の排気ガス通路部）
６０ ランキンサイクルシステム
６１ ポンプ
６３ 膨張機
６４ 凝縮器
７１ 低圧ＥＧＲ通路部
７２ 低圧ＥＧＲバルブ
７３ ＬＰＬ−ＥＧＲクーラ（熱交換器）
７６、７７ ＥＧＲクーラ（熱交換器）
Ｄ１ 媒体通過方向
Ｄ２、Ｄ３ ガス通過方向
ＧＨ 高圧側の排気ガス
ＧＬ１ 低圧の還流排気ガス
ＧＬ２ 低圧の排気ガス

Claims (4)

1. 熱回収用の作動媒体と他の高温の流体とを通す熱交換器を備え、該熱交換器により前記高温の流体から前記熱回収用の作動媒体に熱を回収させる熱回収装置であって、
   前記熱交換器は、前記熱回収用の作動媒体が予め設定された媒体通過方向に通過する作動媒体通路部と、内燃機関の排気経路中で互いに温度が相違する複数の排気ガスが前記媒体通過方向とは異なるガス通過方向に通過するとともに、それぞれの前記温度の低い順に前記媒体通過方向で上流側となる位置に配置された複数の排気ガス通路部と、を有するとともに、前記複数の排気ガス通路部が、前記内燃機関に装着されるターボ過給機の排気タービンより下流側を流れる低圧の排気ガスを導入するＥＧＲクーラと一体に構成されており、
   前記複数の排気ガス通路部のうち一の排気ガス通路部を、前記排気タービンより下流側に配置される排気後処理装置を通過した後の前記低圧の排気ガスが通過し、
   前記複数の排気ガス通路部のうち他の一の排気ガス通路部を、前記排気後処理装置の上流側から前記ターボ過給機のコンプレッサより上流側の吸気通路内に還流する低圧ＥＧＲガスが通過することを特徴とする熱回収装置。
2. 前記媒体通過方向が、鉛直方向の下方側から上方側に向けて設定され、
   前記複数の排気ガス通路部が、前記複数の排気ガスの前記温度が高いほど前記鉛直方向の上方側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の熱回収装置。
3. 前記複数の排気ガス通路部のいずれかに、前記ターボ過給機の排気タービンより上流側を流れる高圧の排気ガスが導入されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱回収装置。
4. 前記熱交換器の前記作動媒体通路部に前記熱回収用の作動媒体を圧送するポンプと、前記熱交換器により前記複数の排気ガスからの熱回収後の作動媒体を膨張させる膨張機と、前記膨張機を通過した前記作動媒体を冷却して凝縮させる凝縮器と、を更に備え、前記熱交換器によって前記作動媒体を蒸発させつつ前記膨張機によって前記熱回収後の作動媒体からエネルギを回生させるランキンサイクルが構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱回収装置。

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