JP2010503795A - 熱交換器配列 - Google Patents

Abstract

膨張装置（４）を利用して作動媒体の高温蒸気を運動エネルギに変換する熱機関（３）を有する内燃機関（２）用の熱交換器配列（１）であって、ポンプ（５）により圧送可能な作動媒体を、第１の熱交換器（６）の内部ではクーラントにより、第２の熱交換器（７）の内部では前記内燃機関（２）の排出ガスにより加熱可能である、熱交換器配列において、作動媒体は、圧送方向でまず前記第１の熱交換器（６）を通って、続いて前記第２の熱交換器（７）を通って流れ、また排出ガスは、前記第１の熱交換器（６）を通って流れることができる。提案される構成方式により、熱機関（３）を有する内燃機関（２）の非常に高い効率が達成される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に記載の特徴を具備した内燃機関用の熱交換器配列に関する。

本発明は、特許文献１を前提技術としてなされたものである。これには、ランキンサイクルに基づき作動する熱機関を有する内燃機関が説明されている。この熱機関は、一つの膨張装置を利用して、作動媒体の高温蒸気を、燃料消費量を低減する、および／または内燃機関の出力を増大するために、内燃機関の出力側に結合させることができる運動エネルギに変換するようになっている。そのために、高温回路と低温回路とがこの熱機関の利用に供されている。低温回路には、内燃機関のクーラントを冷却してその熱エネルギを作動媒体に伝達するために利用される熱交換器が備えられている。作動媒体を圧送するために、ポンプが備えられている。高温回路には、内燃機関の高温の排気管まわりに配置されるさらにもう一つの熱交換機に通して作動媒体を圧送する、さらにもう一つのポンプ配列が備えられている。それにより低温回路および高温回路から発生された高温蒸気は、続いて、高温蒸気の運動エネルギを機械的な運動エネルギに変換する膨張装置に供給される。作動媒体は引き続いて凝縮器の内部で液化され、再び低温回路および交換回路に供給される。

欧州特許出願公開第１２４９５８０号明細書 ドイツ特許出願公開第１００５４０２２号明細書

上述の種類の内燃機関と熱機関から成る配列には、固有の短所が皆無であるとはいえ、本発明は、システム全体の効率の最適化をはかることを課題とする。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の特徴により解決される。
本発明にしたがった配列により、内燃機関のクーラントおよび内燃機関の排出ガスから作動媒体への熱伝達が、従来技術に対して大幅に改善されるようになる。それにより配列全体の効率が向上する。

請求項２にしたがった配列により、効率のさらなる向上が達成される。
請求項３および４にしたがった配列は、第１の熱交換器に関する二通りの非常に好ましい実施例である。

請求項５にしたがった構成例は、請求項４にしたがった配列の非常に好ましい実施形態である。
請求項６および７にしたがった配列により、第１の熱交換器の内部における排出ガスおよびクーラントから作動媒体への熱流を、最適な形で開ループまたは閉ループ制御することができる。

請求項８および９にしたがった構成例により、第２の熱交換器の内部における排出ガスから作動媒体への熱流を、簡単な形で閉ループ制御することができる。
請求項１０にしたがった構成例により、熱機関の効率が再度向上されるようになる。

請求項１１および１２にしたがった構成例により、第３の熱交換器の内部における排出ガスおよびクーラントからの作動媒体への熱流を、非常に良好に調節することができる。
請求項１３にしたがった配列により、それぞれの伝熱装置の内部の急速な温度制御が可能となる。

請求項１４にしたがった構成例により、作動媒体の急速な加熱が可能となる。
請求項１５にしたがった構成例により、熱交換器配列の効率がさらに向上されるようになる。

請求項１６にしたがった構成例により、非常にコンパクトでしかも高度集積型の構造が可能となる。
請求項１７にしたがった配列も同様に、熱交換器配列の効率にプラスの影響をもたらすようになっている。

熱機関を有する内燃機関用の本発明にしたがった熱交換器配列の構成図である。 第１の熱交換器の第１および第２の実施例の構成図である。 第２の熱交換器の実施例の構成図である。 第３の熱交換器の実施例の構成図である。 補助ヒータを有する加熱装置の構成図である。

次に、五つの図に示される非常に好ましい実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。
以下では、図１から５の同じ構成部品について、同じ符号が適用されている。クーラント、排出ガス、および作動媒体が、それぞれの構成部品を通って流れる向きについては、全ての図において、矢印により示されている。

図１には、熱機関３を有する内燃機関２用の本発明にしたがった熱交換器配列１の非常に好ましい実施例が示されている。内燃機関２は、内燃機関２の運転時の余剰熱エネルギを排出するためのクーラント回路２９を利用できるようになっている。そのためにクーラントは、クーラント回路２９の内部を、クーラントポンプ２５により、内燃機関２から高温状態で排出されて、冷却のために第１の熱交換器６に通して送られて、冷却された状態で再び内燃機関２の内部に送られるようになっている。この第１の熱交換器６は、内燃機関をクーラントにより暖機するために、第１の短絡ライン３０によりこれをバイパスできるようになっている。

内燃機関２の排出ガスは、内燃機関２から出て排気管３１を通り、三つの第３の熱交換器１６および三つの第２の熱交換器７に続いて第１の熱交換器６および消音器２６を通り流れるようになっている。

熱機関３の作動媒体回路３２の内部をポンプ５により圧送される作動媒体は、排出ガスが流れる向きとは逆向きに、第１の熱交換器６、第２の熱交換器７、および第３の熱交換器を通って流れるようになっており、これらの熱交換器は、高温の排出ガスと高温のクーラントとにより、高温蒸気が発生するまで加熱されるようになっている。引き続いてこの気体状の作動媒体は、膨張装置４、いわゆるエキスパンダを通って流れ、そこで高温蒸気の熱エネルギが機械的な運動エネルギに変換される。この膨張装置４の図示されない出力軸の回転方向は、矢印により図式的に示唆されている。引き続いて冷却された作動媒体は、凝縮器２２を通って流れ、そこで作動媒体はさらに冷却され液化される。凝縮器２２は、極端な場合には内燃機関２のクーラント用の冷却装置としても利用することができる。液化作動媒体は引き続いてさらにポンプ５により熱交換器６、７、１６に向かって送られる。膨張装置４の内部の圧力を制御できるようにするために、膨張装置４に対して並列に、第２の短絡ライン３３の中に絞り２４が配置されている。それによりこの短絡ライン３３を、たとえば作動媒体の加熱時にはバイパスラインとして使用して、蒸気質量流量の一部または全量を、膨張装置４を迂回して導くことが可能となる。

熱交換器６、７、１６と並列に，第２のポンプ２３を有する作動媒体噴射回路３４が配置されている。このさらにもう一つの作動媒体噴射回路３４から、それぞれ一つの絞り２４を介して、第１の熱交換器６ならびに第３の熱交換器１６には、ポンプ２３を利用して、図１には示されていない噴射装置２０を介して作動媒体を追加して送り込むことができるようになっている。そのような噴射装置２０は、特許文献２（ドイツ特許出願公開第１００５４０２２号明細書）から知られている。噴射装置２０の作動方式については、特許文献２を直接参照されたい。

極度に簡素化された熱交換器配列１の実施形態においては、二つの第２の熱交換器７ならびに全ての第３の熱交換器１６、または第２、第３の熱交換器７、１６とも一つずつだけ廃止することができる。しかしながら、図示される非常に好ましい実施例により、効率の大幅な向上が達成される。この非常に好ましい実施形態に対してさらに一段と向上される効率を達成できるようにするためには、この配列に追加して、さらに幾つかの第２の熱交換器７ならびに第３の熱交換器１６が配列内に組み込まれるようにするとよい。もっともその場合は、それにより達成される効率向上と見比べても、設計構造が非常に複雑となり極めてコスト高となる。

さらにもう一つの実施例においては、排出ガスから、これが第１の熱交換器１に至る途上で、既に過大な熱エネルギが取り去られている場合は、排出ガスを第１の熱交換器６に通して流さない、すなわちフラップ２７により排気管３１が部分的または完全に閉じられるようになっており、排出ガスは、この場合には、第１の熱交換器を迂回して消音器２６に向かって導かれるようになっている。さらにもう一つの作動方式として、このフラップ２７を利用して、作動媒体の過熱を防止することもできる。

さらに別の実施例として、発生された機械的なエネルギを、内燃機関のクランクシャフトに直接結合させたり、または発電機を介して電流に変換したりするようにしてもよい。このエネルギは、蓄熱器や蒸気アキュムレータにより、またはバッテリやたとえばスーパーキャップなどのキャパシタに一時的に貯蔵されるようにするとよい。

作動媒体としては、たとえば不凍液やアルコールを加えた水、またはアルコール混合物、またはたとえばＲ７２３などの冷媒などの、凍結防止剤が使用されるとよい。
図２ａと図２ｂの二つの図に分かれている図２には、第１の熱交換器６の内部構造の二通りの変形例が示されている。

図２ａには、排出ガスおよび作動媒体用の第１の伝熱装置８と、クーラントおよび作動媒体用の第２の伝熱装置９とを並列に配置したパラレルオプションが示されている。第１の伝熱装置８は第１のバイパス１０を有しており、第２の伝熱装置９は第２のバイパス１２を有している。排出ガスが流れる向きで第１の伝熱装置８の下流側のバイパス１０と排気管３１との間にはフラップ２７が配置され、これを利用してこの伝熱装置８を通る排出ガスの流量を閉ループまたは開ループ制御できるようにしている。

クーラントが流れる向きで第２の伝熱装置９の上流側には、バイパス１２とクーラント回路２９との間にフラップ２７が配置され、これを利用して第２の伝熱装置９を通るクーラントの流量を閉ループまたは開ループ制御できるようにしている。

ほかにも作動媒体用として第１の伝熱装置８は第２のバイパス１１を、また第２の伝熱装置９は第４のバイパス１３を有している。作動媒体が流れる向きで第1の伝熱装置８および第２の伝熱装置９の上流側には、作動媒体回路３２が分岐している全てのところに絞り２４が一つずつ配置されており、これらを利用して第１の伝熱装置８および第２の伝熱装置９を通る作動媒体の流量を開ループまたは閉ループ制御できるようにしている。

ほかにも第１の伝熱装置８は、作動媒体用の上記で言及した噴射装置２０を有しており、これを利用して、急速な温度制御のために第１の伝熱装置８の内部に作動媒体を追加噴射できるようにしている。

さらに別の実施例として、それぞれのフラップ２７が第１および第２の伝熱装置８、９の上流側に配置され、また複数の絞り２４が第１および第２の伝熱装置８、９の下流側にも配置するようにしてもよい。

図２ｂには、第１の熱交換器６の第２の構成上の変形例の概要が示されている。この実施形態においては、作動媒体が、第１および第２の伝熱装置８、９を順番に通って流れるようになっているが、図示される好ましい実施形態においては、作動媒体が最初に第２の伝熱装置９を通り、続いて第１の伝熱装置８を通り流れるようになっている。図２ａに関する説明は全て、第１および第２の伝熱装置８、９がシリアルオプションとして直列に配置される点を除き、図２ｂについてもあてはまる。

さらにもう一つの実施形態においては、作動媒体が最初に第２の伝熱装置９を通り、続いて第１の伝熱装置８を通り流れるようになっているが、しかしそこではその結果として効率が一段と低くなる。

図３には、第２の熱交換器７の内部構造の概要が示されている。この第２の熱交換器７を通り、既に図１に関して説明したように、排出ガスが流れるようになっているが、その際に排出ガスは、この第２の熱交換器７の内部で、第３の伝熱装置１４を通り流れるようになっている。それに加えてさらに作動媒体が、この第３の伝熱装置１４を通り流れるようになっているが、そこではこの第３の伝熱装置１４が作動媒体用の第５のバイパス１５を有している。作動媒体が流れる向きでこの第３の伝熱装置１４の上流側には、作動媒体回路３２が分岐しているところに絞り２４が配置されており、これらを利用して、第３の伝熱装置１４を通り流れる作動媒体の流量をそれぞれ開ループまたは閉ループ制御できるようにしている。

さらにもう一つの実施例として、これらの絞り２４は第３の伝熱装置１４の下流側に配置されてもかまわない。
第２の熱交換器７は、たとえば酸化触媒、三元触媒、Ｄｅ−ＮＯｘ触媒（窒素酸化物低減触媒）、またはパティキュレートフィルタなどの、排気浄化装置であることが好ましい。ほかにも、これらを組み合わせたものや、その他の排気後処理システムが考えられる。

図４には、第３の熱交換器１６の内部構造の概要が示されている。この第３の熱交換器１６もまた、上記で図１に関して既に説明したように、排出ガスおよび作動媒体がこれを通り流れるようになっている。排出ガスは、この第３の熱交換器１６の内部で第４の伝熱装置１７を通り流れるようになっており、またこの第４の伝熱装置１７は、排出ガス用の第７のバイパス１９を有している。第４の伝熱装置１７を通る排出ガスの流量は、ここでも第４の伝熱装置１７の下流側の排気管３１の分岐部に配置されるフラップ２７を利用して、開ループまたは閉ループ制御できるようになっている。これは、一方では後続の排気後処理システムのために、たとえば触媒機能に支障を一切来たさないようにする目的で、最低温度を守るために、他方ではたとえば構成部品を保護する目的で最高温度を守るために、利用されるものである。最高温度の遵守は、それに加えてさらに上述の噴射装置２０によっても支援されるようになっている。それにより排気管３１全体の狙い通りの最適熱管理を可能としている。

それ以外にもこの第４の伝熱装置１７を通り作動媒体も流れるようになっているが、そこには作動媒体用の第６のバイパス１８が備えられている。この第４の伝熱装置１７を通る作動媒体の流量は、ここでも第４の伝熱装置１７の上流側の作動媒体回路３２が分岐しているところに配置される二つの絞り２４を介して、開ループまたは閉ループ制御できるようになっている。

この第４の伝熱装置１７も同様に、既述の噴射装置２０を有していることが好ましい。さらに別の実施例として、フラップ２７が第４の伝熱装置１７の上流側に配置され、また絞り２４が第４の伝熱装置１７の下流側にも配置されるようにしてもよい。

図５には、図１には示されていない、本発明にしたがった熱交換器配列１に追加される補助モジュールである加熱装置３５が示されている。この加熱装置３５は、作動媒体用の補助ヒータ２１を有している。この補助ヒータ２１を通り作動媒体が流れるようになっており、またこの補助ヒータ２１は、第８のバイパス２８を有している。補助ヒータ２１を通る作動媒体の流量を（開ループまたは閉ループ制御可能であるように）調節するために、補助ヒータ２１の上流側には、作動媒体回路３２とバイパス２８とに分岐しているところに、二つの絞り２４が備えられている。

さらにもう一つの実施例として、これらの絞り２４は補助ヒータ２１の下流側に配置されるようにしてもよい。
補助ヒータ２１は、補助ヒータ２１の排出ガスを通常の排気管３１に送ることができるようにするために、内燃機関の燃料を使用して作動できるようにすることが好ましい。あるいはその代わりに、作動媒体を電気により加熱したり、他の燃料を使用して加熱したりすることも考えられる。加熱装置３５は、可能な限り内燃機関２の近傍に配置されるとともに、非常に急速な温度制御を保証するために、同様に噴射装置２０を有していることが好ましい。

熱交換器６、７、１６は、図示される実施例においては、クーラント、排出ガス、および作動媒体を使用して、向流式の原理により作動できるようになっている。しかしさらに別の実施例として、並行流式、または直交流式の原理が適用されてもかまわない。

熱機関３を有する内燃機関２用の本発明にしたがった熱交換器配列１の本質的な長所は、次のようにまとめることができる。
提案されるコンセプトは、内燃機関２、熱機関３、ひいてはシステム全体の効率が非常に高い：
熱機関３の動特性は、絞り（２４）とフラップ（２７）から成る調節装置、ポンプ５、２３、ならびに噴射装置２０を介して、非常に良好に制御可能である：
第２の熱交換器７ならびに第３の熱交換器１６を排気後処理システムに組み込むことにより、極端にコンパクトな構造が可能となる。

１ 熱交換器配列
２ 内燃機関
３ 熱機関
４ 膨張装置
５ ポンプ
６ 第１熱交換器
７ 第２熱交換器
８ 第１伝熱装置
９ 第２伝熱装置
１０ 第１バイパス
１１ 第２バイパス
１２ 第３バイパス
１３ 第４バイパス
１４ 第３伝熱装置
１５ 第５バイパス
１６ 第３熱交換器
１７ 第４伝熱装置
１８ 第６バイパス
１９ 第７バイパス
２０ 噴射装置
２１ 補助ヒータ
２２ 凝縮器
２３ 第２ポンプ
２４ 絞り
２５ クーラントポンプ
２６ 消音器
２７ フラップ
２８ 第８バイパス
２９ クーラント回路
３０ 第１短絡ライン
３１ 排気管
３２ 作動媒体回路
３３ 第２短絡ライン
３４ 作動媒体噴射回路
３５ 加熱装置

Claims (17)

1. 膨張装置（４）を利用して作動媒体の高温蒸気を運動エネルギに変換する熱機関（３）を有する内燃機関（２）用の熱交換器配列（１）であって、ポンプ（５）により圧送可能な作動媒体を、第１の熱交換器（６）の内部ではクーラントにより、第２の熱交換器（７）の内部では前記内燃機関（２）の排出ガスにより加熱可能である、熱交換器配列において、
   作動媒体が圧送方向でまず前記第１の熱交換器（６）を通り、続いて前記第２の熱交換器（７）を通って流れること、またその際には排出ガスが前記第１の熱交換器（６）を通って流れることを特徴とする、熱交換器配列。
2. 請求項１に記載の熱交換器配列において、
   前記第1の熱交換器（６）の内部に、排出ガスおよび作動媒体用の第１の伝熱装置（８）と、クーラントおよび作動媒体用の第２の伝熱装置（９）とが配置されていることを特徴とする、熱交換器配列。
3. 請求項２に記載の熱交換器配列において、
   作動媒体が並列に前記第１および前記第２の伝熱装置（８、９）を通って流れることを特徴とする、熱交換器配列。
4. 請求項２の記載の熱交換器配列において、
   作動媒体が順番に前記第１および前記第２の伝熱装置（８、９）を通って流れることを特徴とする、熱交換器配列。
5. 請求項４に記載の熱交換器配列において、
   作動媒体がまず前記第２の伝熱装置（９）を通り、続いて前記第１の伝熱装置（８）を通って流れることを特徴とする、熱交換器配列。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
   前記第１の熱交換器（６）の内部に、前記第１の伝熱装置（８）を迂回するための、排出ガス用の第１のバイパス（１０）と、作動媒体用の第２のバイパス（１１）とが備えられていることを特徴とする、熱交換器配列。
7. 請求項２〜６のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
   前記第１の熱交換器（６）の内部に、前記第２の伝熱装置（９）を迂回するための、クーラント用の第３のバイパス（１２）と、作動媒体用の第４のバイパス（１３）とが備えられていることを特徴とする、熱交換器配列。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
   前記第２の熱交換器（７）の内部に、排出ガスおよび作動媒体用の第３の伝熱装置（１４）が配置されていることを特徴とする、熱交換器配列。
9. 請求項８に記載の熱交換器配列において、
   前記第２の熱交換器（７）の内部に、前記第３の伝熱装置（１４）を迂回するための、作動媒体用の第５のバイパス（１５）が備えられていることを特徴とする、熱交換器配列。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
    作動媒体が流れる向きにて前記第２の熱交換器（７）の下流側に第３の熱交換器（１６）が配置されていることを特徴とする、熱交換器配列。
11. 請求項１０に記載の熱交換器配列において、
    前記第３の熱交換器（１６）の内部に、作動媒体および排出ガス用の第４の伝熱装置（１７）が配置されていることを特徴とする、熱交換器配列。
12. 請求項１１に記載の熱交換器配列において、
    前記第３の熱交換器（１６）の内部に、前記第４の伝熱装置（１７）を迂回するための、作動媒体用の第６のバイパス（１８）と、排出ガス用の第７のバイパス（１９）とが備えられていることを特徴とする、熱交換器配列。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
    少なくとも一つの伝熱装置（８、９、１４、１７）の内部に、作動媒体用の噴射装置（２０）が配置されていることを特徴とする、熱交換器配列。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
    少なくとも一つの伝熱装置（６、７、１６）の内部に、作動媒体用の補助ヒータ（２１）が備えられていることを特徴とする、熱交換器配列。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
    作動媒体が流れる向きにて前記第２の熱交換器（７）の下流側に、少なくとも一つの第２の第２熱交換器（７）および／または一つの第２の第３熱交換器（１６）が備えられていることを特徴とする、熱交換器配列。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
    前記第２熱交換器（７）が排気浄化装置であることを特徴とする、熱交換器配列。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の熱交換器配列において、
    排出ガスおよび／またはクーラントが、作動媒体に対して向流式の原理で前記各熱交換器（６、７、１６）を通って流れることを特徴とする、熱交換器配列。

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