特許 5696425 ＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5696425

(24)【登録日】2015年2月20日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】ＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システム

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/08 20060101AFI20150319BHJP

   F02M 25/07 20060101ALI20150319BHJP

   F02M 21/08 20060101ALI20150319BHJP

   F02M 21/02 20060101ALI20150319BHJP

【ＦＩ】

   F02B39/08

   F02M25/07 580E

   F02M21/08

   F02M21/02 X

   F02M21/02 U

   F02M21/02 P

【請求項の数】2

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2010-231679(P2010-231679)

(22)【出願日】2010年10月14日

(65)【公開番号】特開2012-82799(P2012-82799A)

(43)【公開日】2012年4月26日

【審査請求日】2013年9月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100068021

【弁理士】

【氏名又は名称】絹谷 信雄

(72)【発明者】

【氏名】岡本 毅

【審査官】 佐々木 淳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２３９５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８５６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１７４６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３４６７４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ３９／０８

Ｆ０２Ｍ ２１／０２

Ｆ０２Ｍ ２１／０８

Ｆ０２Ｍ ２５／０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、スーパーチャージャのタービン、冷却器を順次設置して、ＤＭＥの循環による過給のためのサイクルを構成し、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スーパーチャージャのタービンを駆動して過給を行い、且つ、排気により吸気を過給するターボチャージャのコンプレッサの下流側から前記スーパーチャージャのコンプレッサの下流側に合流する吸気流路を設置すると共に前記吸気流路の途中であって前記吸気流路が前記スーパーチャージャのコンプレッサの下流側に合流する部分よりも上流側に前記ターボチャージャで過給された吸気を冷却するインタークーラを設置することを特徴とするＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システム。

【請求項2】

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、前記スーパーチャージャの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過給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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

【背景技術】

【0002】

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：ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｅｔｈｅｒ）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。

【0003】

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。

【0004】

ところで、自動車においては、燃費向上のため、過給システムとして排ガスを利用したターボチャージャが用いられている。ターボチャージャは、エンジンの排気エネルギを利用して排気タービンを駆動し、この力で吸気を圧縮してシリンダ内に高密度の空気を押し込み、吸気量を増やすことで燃焼効率を向上させるものである。

【0005】

一方、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：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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。

【0006】

これらの一般的な技術が、ＤＭＥ自動車にも用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００１−１１５９１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、ＥＧＲでは、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。

【0009】

また、ターボチャージャは、排ガスのエネルギを利用しているため、負荷がある程度ないと効率良く過給することができない。低負荷時の過給にはスーパーチャージャがあるが、動力源がエンジンであるため、機械損失の原因となってしまう。

【0010】

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過給を行うことで、廃熱を再利用して燃費低減を図ることができ、且つ、低負荷時においても過給が行えるＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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、スーパーチャージャのタービン、冷却器を順次設置して、ＤＭＥの循環による過給のためのサイクルを構成し、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スーパーチャージャのタービンを駆動して過給を行い、且つ、排気により吸気を過給するターボチャージャのコンプレッサの下流側から前記スーパーチャージャのコンプレッサの下流側に合流する吸気流路を設置すると共に前記吸気流路の途中であって前記吸気流路が前記スーパーチャージャのコンプレッサの下流側に合流する部分よりも上流側に前記ターボチャージャで過給された吸気を冷却するインタークーラを設置するＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システムである。

【0012】

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、前記スーパーチャージャの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。

【発明の効果】

【0013】

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過給を行うことで、廃熱を再利用して燃費低減を図ることができ、且つ、低負荷時においても過給が行える。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係るＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システムを示す概略図である。

【図2】本実施の形態におけるサイクル配置図である。

【図3】ＤＭＥの蒸気圧線図である。

【図4】本実施の形態におけるＰ−ｓ線図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

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。

【0016】

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過給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。

【0017】

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過給システム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、スーパーチャージャ１４のタービン１５、冷却器１６を順次設置して、ＤＭＥの循環による過給のためのサイクルを構成し、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１５を駆動して過給を行うシステムである。

【0018】

本システムを搭載するＤＭＥ自動車においては、エンジン１７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。

【0019】

また、本システムを搭載するＤＭＥ自動車においては、排ガスでターボチャージャ１８のタービン１９を駆動し、この力で吸気をコンプレッサ２０により圧縮してシリンダ内に高密度の空気を押し込み、吸気量を増やすことで燃焼効率を向上させている。このターボチャージャ１８はインタークーラ付ターボチャージャであり、ターボチャージャ１８で圧縮され高温になった吸気をインタークーラ２１にて一気に冷却した後、シリンダ内に送り込むようになっている。

【0020】

エンジン１７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１７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２２に蓄圧したＤＭＥを噴射ノズルである各インジェクタ２３に供給するようになっている。そのため、エンジン１７には、コモンレール２２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２４が設けられる。

【0021】

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２５を通じてエンジン１７側の高圧ポンプ２４に供給する、或いは冷媒ＤＭＥ流路２６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２５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１７を動力としている。

【0022】

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。

【0023】

図３に示すように、ＤＭＥを高圧ポンプ２４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２４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２４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。

【0024】

さて、本実施の形態に係る過熱ＤＭＥ過給システム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の廃熱を利用して過給を行うものである。

【0025】

そのため、過熱ＤＭＥ過給システム１０には、コンプレッサ２７とそのコンプレッサ２７に接続されたタービン１５を備えたスーパーチャージャ１４が搭載される。このスーパーチャージャ１４を用いて過給を行うためには、スーパーチャージャ１４のタービン１５を駆動する必要があり、タービン１５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。

【0026】

ところで、通常ディーゼルエンジンにおける低負荷時の排ガスの温度は１００℃以上であり、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１７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。

【0027】

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。

【0028】

スーパーチャージャ１４のタービン１５と燃料タンク１１との間には、タービン１５の駆動に用いられたＤＭＥを冷却する冷却器１６が設けられ、冷却器１６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１６は、例えば、フィンからなる空冷装置である。

【0029】

このサイクルを図示したＰ−ｓ線図を図４に示す。

【0030】

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１３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）、スーパーチャージャ１４のタービン１５を駆動した後（図中（１）→（２）へ状態遷移）、冷却器１６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。

【0031】

そのため、過熱ＤＭＥ過給システム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はコンプレッサ２７に接続されたタービン１５へと導かれ、過給が行われる。つまり、ＤＭＥは、その総量を減少させることなく過給に用いられ、燃料の損失は無い。

【0032】

このような構成の過熱ＤＭＥ過給システム１０によれば、ＥＧＲで廃棄されている熱を利用してスーパーチャージャ１４を動作させることで、エンジン１７の動力補助とし、燃費を低減することが可能である。

【0033】

また、ターボチャージャ１８で効率良く過給することができない低負荷時であっても、過給を行うことが可能となる。

【0034】

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過給を行うことで、廃熱を再利用して燃費低減を図ることができ、且つ、低負荷時においても過給が行える。

【符号の説明】

【0035】

１０ ＤＭＥ自動車における過熱ＤＭＥ過給システム
１１ 燃料タンク
１２ インタンクポンプ
１３ ＥＧＲクーラ
１４ スーパーチャージャ
１５ タービン
１６ 冷却器
１７ エンジン
１８ ターボチャージャ
１９ タービン
２０ コンプレッサ
２１ インタークーラ
２２ コモンレール
２３ インジェクタ
２４ 高圧ポンプ
２５ 燃料供給ライン
２６ 冷媒ＤＭＥ流路
２７ コンプレッサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】