JPS6133973B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関の運転に伴つて廃棄される
冷却熱エネルギと排気熱エネルギとを回転エネル
ギに変換して回収するようにした内燃機関の廃棄
エネルギ回収装置に関する。

従来、内燃機関の運転時に廃棄される熱エネル
ギはほとんど回収されていなかつた。わずかに、
自動車用等の内燃機関において冷却による熱エネ
ルギを車室内の暖房用として利用したり、或は、
航空機又は自動車用等の内燃機関において排気ガ
スの熱エネルギを利用して排気タービンを駆動
し、過給機を回転させる程度であつた。一方、純
理論的には、廃棄エネルギ回収方法として、冷却
エネルギを利用して蒸気タービンを、また排気エ
ネルギを利用して排気タービンをそれぞれ駆動す
ることも可能であるが、装置が複雑になる等の欠
点がある。

本発明は、上記欠点を除去するためになされた
もので、内燃機関が廃棄する冷却熱エネルギと排
気熱エネルギとを合体させ、この両者の熱エネル
ギによつて同一のタービンを駆動することにより
上記廃棄エネルギを、簡単な構造により効果的に
回収するようにした内燃機関の廃棄エネルギ回収
装置を提供することを目的とする。

以下、本発明による内燃機関の廃棄エネルギ回
収装置の実施例を添付図面に基いて詳細に説明す
る。

第１図において、内燃機関１のシリンダ部２に
は、該シリンダ部２を内包して流体通路を形成す
るように冷却ダクト３が設けられている。この冷
却ダクト３は、適宜の筒状に形成されて、その内
部に上記シリンダ部２の一方側から他方側へ冷却
用の流体を流通させ、内燃機関１の運転に伴つて
過熱したシリンダ部２を冷却するものである。な
お、上記シリンダ部２の外壁にはその冷却効果を
高めるために冷却フイン４が付設されている。

上記冷却ダクト３の入口５側には、後述のター
ビン１９の出力軸２０に結合されて回転されるコ
ンプレツサ６が設けられている。このコンプレツ
サ６は、タービン１９によつて高速回転され上記
入口５から空気を吸入し、冷却ダクト３内に圧縮
空気を吐出する。このとき、上記入口５側には負
圧が生ずるが、この負圧により該入口５に供給さ
れる水を吸引して霧状とし、この霧状の水と上記
圧縮空気とを混合して冷却ダクト３内に吐出す
る。

上記冷却ダクト３内の上記コンプレツサ６の後
流側にて内燃機関１の吸気管７の吸気口８の前方
には、水分離器９が設けられている。この水分離
器９は、第２図に示すように、冷却ダクト３の中
心部に設けられたコーン１０とこのコーン１０に
適宜の捩り角で植設された整流羽根１１とからな
る。上記コンプレツサ６から吐出された空気と霧
状の水との混合体は、この水分離器９を通過する
と、上記整流羽根１１の捩り角によつて回転を与
えられ、この回転による遠心力によつて水の粒子
は冷却ダクト３の外周に集中され、中心部のコー
ン１０の後方には水の粒子の少い混合体が流れ
る。このように水分離された混合体の水分濃度の
高いものは、冷却ダクト３の外周に沿つて後方に
流れ、水分濃度の低いものは、上記コーン１０の
後方に位置する吸気口８から吸気管７内に流入す
る。なお、この水分離器９は、第２図に示すもの
に限られず、第３図に示すように冷却ダクト３の
経路をコンプレツサ６の後流側にて折り曲げ、こ
の折り曲げ経路の内側から吸気管７を分岐させて
もよい。この場合は、上記折曲部を混合体が通過
するときに、水の粒子はその慣性で外側に集中
し、内側に設けられた吸気管７には水分濃度の低
い混合体が流入することとなる。

上記水分離器９によつて水分濃度の高くされた
混合体は、さらに冷却ダクト３の中を進み、該冷
却ダクト３の流体通路内に包み込まれた内燃機関
１のシリンダ部２に至り、運転により過熱された
シリンダ部２の外壁及び冷却フイン４に接触して
加熱される。この加熱により上記空気と霧状の水
との混合体は、昇温空気と水蒸気とになり、空気
との熱交換及び水の蒸発潜熱を奪うことによりシ
リンダ部２は冷却される。すなわち、上記シリン
ダ部２の冷却熱エネルギを、昇温空気と水蒸気と
の混合気として取り出したことになる。

一方、水分濃度の低くされた混合体は、吸気口
８から吸気管７内に流入し、キヤブレータ１２を
介してシリンダ内に吸気される。ここで、上記コ
ンプレツサ６は圧縮空気を吐出しているので、上
記吸気は加圧されており、コンプレツサ６は内燃
機関１の過給機を兼ねることとなる。

上記シリンダ部２を通過した後の昇温空気と水
蒸気との混合気１３は、冷却ダクト３の排出側を
内燃機関１の排気管１４に沿つて流れ、該排気管
１４の排気口１５のところで上記内燃機関１から
排出される高温の排気ガス１６と混合される。従
つて、この部位で内燃機関１の冷却熱エネルギと
排気熱エネルギとが混合合体されることとなる。
このように混合された排出混合気１７は、冷却ダ
クト３の出口１８から膨張すべく噴出される。

この冷却ダクト３の出口１８には、タービン１
９が設けられている。このタービン１９は、上記
排出混合気１７の噴出によつて高速回転され、内
燃機関１から廃棄される混合気１３中に含有され
る冷却熱エネルギと排気ガス１６中に含有される
排気熱エネルギとを回転エネルギとしてその出力
軸２０から取り出すものである。

上記タービン１９の排気通路２１には、水分離
器２２が設けられている。この水分離器２２は、
第２図に示す水分離器９と同様に、中心部のコー
ンとこれに植設された整流羽根とからなり、この
整流羽根によつて排気に回転を与え、上記タービ
ン１９での断熱膨張および排気通路での冷却によ
り排気中の水蒸気が凝結した水の粒子をその後方
の通路の外周に集中し、ここでさらに冷却して水
滴とし、排気と水とを分離する。分離された水
は、回収パイプ２３によつて水タンク２４に導び
かれて蓄えられ、排気は排気パイプ２５から外部
へ放出される。なお、この水分離器２２は、第２
図に示すものと同様のものに限られず、第４図に
示すように、自動車等に適用した場合において車
室内暖房用の暖気を得るための熱交換器２６と組
み合せて排気を積極的に冷却するようにしてもよ
い。すなわち、上記熱交換器２６のコア２７を排
気通路２１内を適宜通過させ、その入口２８から
冷たい外気又は車室内空気を吸入すると、該冷気
がコア２７を通過する間に該コア２７周囲の排気
を冷却して水蒸気又は水の粒子を凝結させて排気
と水とを分離することができる。この熱交換によ
つて得られた暖気は、出口２９から車室内へ導か
れて暖房に供され、或は夏季等においては外部へ
放出される。

上記水タンク２４に蓄えられた水は、給水管３
０によつて冷却ダクト３の入口５に連絡され、該
冷却ダクト３内で高速回転するコンプレツサ６に
より生起される負圧によつて吸引され、噴出口３
１から霧状となつて冷却ダクト３内に噴射され
る。従つて、水タンク２４内の水は、上記冷却ダ
クト３、排気通路２１および給水管３０の系内に
おいて循環再使用されることとなる。なお、給水
管３０の途中には、上記シリンダ部２の近傍に設
けられた温度センサー３２によつて制御される流
量調整バルブ３３が設けられており、上記噴出口
３１から噴射する水の量を適宜調整する。すなわ
ち、シリンダ部２の周囲の温度が高い場合はバル
ブ３３をより大きく開いて水の噴射量を多くし、
温度が低い場合はバルブ３３の開度を小さくして
噴射量を少くする。これによつて内燃機関１のオ
ーバヒート又は過冷却を防止することができる。

このように構成された内燃機関１の廃棄エネル
ギ回収装置によつて回収した回転エネルギの利用
方法は各種考えられるが、第１図には油圧ポンプ
によつて油圧エネルギを発生させる場合が図示さ
れている。すなわち、タービン１９の出力軸２０
の延長軸３４に油圧ポンプ３５を連結して上記タ
ービン１９の回転エネルギで油圧ポンプ３５を回
転させ、その発生油圧をアキユムレータ３６に蓄
積しておき、このアキユムレータ３６からの油圧
エネルギによつて内燃機関１に隣接設置された油
圧モータ３７を駆動して、上記内燃機関１の出力
を補助するものである。この場合、油圧ポンプ３
５には負荷調節機構を設け、油圧ポンプ３５及び
タービン１９の回転数を一定に保つた方がより安
定した作動が得られる。なお、第１図中、符号３
８は作動油リザーバ、３９はチエツクバルブ、４
０はリリーフバルブ、４１は内燃機関１の駆動軸
側ギア、４２は上記ギア４１とかみ合う油圧モー
タ３７側のギアである。他の利用方法としては、
上記タービン１９に発電機を連結して回転させ電
気エネルギとして利用するもの、或は冷房用のコ
ンプレツサその他の各種の補機類を駆動するもの
等がある。

本発明は以上のように構成されたので、内燃機
関１の運転時に廃棄される冷却熱エネルギと排気
熱エネルギとを混合合体させてタービン１９を駆
動することにより、上記内燃機関１の廃棄エネル
ギを回転エネルギとして回収することができる。
ここで、シリンダ部２の冷却に空気と霧状の水と
の混合体を使用するので、内燃機関１の作動温度
域で効率よく冷却できると共に高い冷却熱エネル
ギを得ることができる。また、その際のタービン
１９の作動温度域はあまり高くないので、タービ
ンブレードの材料として高価な耐熱合金等を使用
する必要はない。さらに、シリンダ部２へ空気と
霧状の水との混合体を給送するコンプレツサ６は
タービン１９によつて高速回転されるので、吸気
管７への吸入は加圧されて、上記コンプレツサ６
は内燃機関１の過給機をも兼ねることとなり、過
給機を別個に設けることなく構造を簡単にするこ
とができる。さらにまた、上記霧状の水の噴射に
よつて吸気管７へ吸入される加圧空気の温度上昇
が抑えられて、燃焼室内への吸入効率の低下及び
異常燃焼を防止することができる。また、水分離
器２２及び水タンク２４により冷却ダクト３の入
口５側に噴射した水の再使用を図るため、該水タ
ンク２４の容量を小さくして装置全体の重量の増
大を軽減できると共に、水の補給の手間を削減す
ることができる。さらに、シリンダ部２の冷却
は、空気と霧状の水との混合体で行なうので、そ
の熱容量が小さく暖機運転の時間を短くして燃料
を節約することができると共に、始動後短時間で
廃棄エネルギの回収が可能となる。さらにまた、
内燃機関１の冷却装置として別個の冷却手段を必
要とせず機関全体の重量を軽減できる等の効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の廃棄エネルギ
回収装置を示す慨要図、第２図は水分離器を示す
拡大斜視図、第３図は吸気管前方に設けられた水
分離器の他の実施例を示す説明図、第４図は排気
通路に設けられた水分離器の他の実施例を示す説
明図である。 １……内燃機関、２……シリンダ部、３……冷
却ダクト、５……冷却ダクトの入口、６……コン
プレツサ、７……吸気管、９，９′……水分離
器、１３……混合気、１４……排気管、１６……
排気ガス、１７……排出混合気、１８……冷却ダ
クトの出口、１９……タービン、２０……出力
軸、２１……排気通路、２２，２２′……水分離
器、２４……水タンク、３０……給水管、３１…
…噴出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関のシリンダ部を内包して流体通路を
   形成するように冷却ダクトを設け、この冷却ダク
   トの入口側から空気と霧状の水との混合体を給送
   して上記内燃機関の冷却を行い、この結果加熱さ
   れて昇温空気と水蒸気とになつた上記混合体と該
   内燃機関の排気ガスとを混合して上記冷却ダクト
   の出口側から排出し、この排出混合気によつて上
   記出口側に設けられたタービンを駆動することに
   より内燃機関から廃棄される冷却熱エネルギと排
   気熱エネルギとを回転エネルギとして取り出すよ
   うにしたことを特徴とする内燃機関の廃棄エネル
   ギ回収装置。 ２ 上記冷却ダクトの入口側に上記タービンの出
   力軸に結合して回転されるコンプレツサを設け、
   このコンプレツサの回転により空気と霧状の水と
   の混合体を冷却ダクト内に吸入し、この混合体の
   うち一部を内燃機関の吸気管に供給すると共に残
   部は内燃機関の冷却用として使用するようにした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内
   燃機関の廃棄エネルギ回収装置。 ３ タービンの排気通路に水分離器を設け、上記
   タービンからの排気中の水分を回収して蓄え、こ
   の水を再び冷却ダクトの入口側に供給するように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の内燃機関の廃棄エネルギ回収装置。