JP2004084564A - Exhaust heat recovering device - Google Patents

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JP2004084564A
JP2004084564A JP2002247146A JP2002247146A JP2004084564A JP 2004084564 A JP2004084564 A JP 2004084564A JP 2002247146 A JP2002247146 A JP 2002247146A JP 2002247146 A JP2002247146 A JP 2002247146A JP 2004084564 A JP2004084564 A JP 2004084564A
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JP
Japan
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exhaust
working fluid
exhaust gas
heat
cylinder
Prior art date
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JP2002247146A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiaki Asada
浅田 俊昭
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To take out exhaust heat energy from a process of isothermal expansion wherein working fluid is expanded by exhaust heat, based on the principle of the Ericsson cycle whereby isothermal expansion, isothermal compression, isobaric heating and isobaric cooling are repeated. <P>SOLUTION: This exhaust heat collecting device is equipped with a heat engine 10 to discharge exhaust, a compressor part 1 to discharge working fluid sucked by applying isothermal compression to it, a reproducer 2 to apply isobaric heating to the working fluid by heat of the exhaust and to apply isobaric cooling to the exhaust by the working fluid, and an expander part 3 to apply isobaric expansion to the working fluid by heat of the exhaust, which is obtained by heat exchange between the working fluid and the exhaust. Kinetic energy of a moving body 16 actuated by expansion of the working fluid in the expander part 3 is taken out from an output part 4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気熱回収装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
車両に搭載された内燃機関等の排気が持つエネルギーを利用するものとしては、一般には排気を作動媒体として駆動される排気タービンと、この排気タービンの回転によって作動して吸気を加圧して内燃機関にこれを供給するコンプレッサを備えたターボチャジャが広く用いられているが、内燃機関の負荷が部分負荷の状態や低速時には、排気量が少なく、効率的な排気エネルギの利用は困難である。
【0003】
また、特開平6−288242号公報では、排ガスエネルギーで駆動されるタービン及び該タービンに設けたシャフトに取り付けたコンプレッサを有するターボチャージャが開示されている。このターボチャージャでは、前記シャフトの外周に同一中心軸上に設けたシャフトとは独立して回転できる外側シャフト、該外側シャフトに設けた排ガスエネルギーで駆動される発電用タービン、外側シャフトに設けた発電用回転子を有する発電機を備え、前記タービンと前記発電用タービンとは排ガス流に直列に配置されているものが開示されている。
【0004】
このような構成のターボチャージャによれば、排気系において一段目のタービンと、二段目のタービンとが同一中心軸上に設けられているので、発電・電動機を持つターボチャージャと発電タービンとを連結する排気管が不要となり、排気管を通じての熱の放散がなく、かつ機械損失が発生せず、高効率の排気エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のターボチャージャのような排気エネルギーの回収機構では、排気の流れによってタービンを回転させる構成であるので、排気の流れがタービンの抵抗によって阻害され、その円滑な流れがせき止められる状態となる。このような場合は、排圧が上昇して熱機関のポンピングロスが発生するので熱機関自体の効率が低下することになる。
【0006】
そして、回収したエネルギーと、熱機関の効率低下による損失とを比較すると、全体として有効利用できる排気エネルギー量が少ないため、排気のエネルギーを回収する装置として、これを設けるメリットがきわめて少ないのが現状である。
【0007】
本発明は、排気の流れを阻害することなく、排気の持つ熱エネルギーを回収することに着目して、熱機関の効率低下を招くことなく、効率的な排気熱の回収を実現するために完成されたものである。すなわち、本発明は、排気熱を効率的に回収する可能な排気熱回収装置を提供することを技術的課題とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を達成するために、等温膨張、等温圧縮、等圧加熱及び等圧冷却を繰り返すエリクソンサイクルの原理に基づいて、作動流体が排気熱によって膨張する等温膨張の行程から排気熱エネルギーを取り出すものであり、上記の技術的課題を解決するために以下のように構成されている。
【0009】
すなわち、排気を排出する熱機関と、
吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部と、
等温圧縮された前記作動流体と排気とを接触させ 排気の熱で作動流体を等圧加熱すると同時に、前記作動流体により前記排気を等圧冷却した後、前記排気を外部に排出する再生機と、
等圧加熱された前記作動流体と、熱機関から排出された排気との間の熱交換によって、排気の持つ熱で作動流体を等圧膨脹させた後、作動流体を排出すると共に、前記排気を前記再生機に排出するエキスパンダ部と、
前記エキスパンダ部での作動流体の膨脹と排出によって所定の作動をす運動体の運動のエネルギーを取り出す出力部と、
を備え、
この出力部から得られた排気熱エネルギーの一部は前記コンプレッサ部で作動流体を等温圧縮するために用いられることを特徴とする。
【0010】
この装置内に吸入された作動流体が、熱機関から排出された排気の持つ熱によって膨張し、このような等温膨張の行程を実行するエキスパンダ部から排気熱エネルギーを取り出すことができる。例えば、この排気熱エネルギーによって往復運動するピストンの作動によって、これに連結されたオルタネータを動すことができる。このオルタネータによって発電された電気を車両の各部に供給可能として、従来の内燃機関の回転によって直接駆動するオルタネータを廃止すること、発生した電気を冷房装置の駆動用に使用すること、または、その電気をバッテリーに蓄電すること、等による排気熱エネルギーの再利用が考えられる。特に、ハイブリッドカー、すなわち、走行用のモータと内燃機関の両方を搭載して駆動される車両では、発生した電気を直接、モータに供給してその駆動用に利用することができる。
【0011】
前記熱機関としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関、またはガスタービン等、熱エネルギーをもつ排気を排出する各種のものが使用できる。
【0012】
また、前記コンプレッサ部及びエキスパンダ部は、気筒と、この気筒内に設けた往復動可能なピストンと、気筒内に作動流体を吸入するための吸気弁と、作動流体を排出するための排出弁を備える構成とすることができる。
【0013】
この場合、吸気弁と排気弁は、ピストンに連結されたクランクシャフトを介して回転するクランク軸に連動する動弁機構によって開閉するように設定することができる。すなわち、通常の内燃機関の気筒に設けた吸排気弁の作動と同様に、その開閉をピストンの動きに同期させて、吸気行程で吸気弁が開き、排気行程では排気弁が開かれる構造とすることができる。
【0014】
また、ここでは作動体はクランク軸を回転させるピストンであるので、クランク軸に接続されたオルタネータ等が作動することで発電がされる構成としてもよい。
【0015】
前記エキスパンダ部は、作動流体が吸入される気筒の外壁に熱機関から排出された直後の排気が接触し、この外壁に設けたフィンを介して排気の熱が前記作動流体に伝達されて、作動流体と排気との間で熱交換が行われ、気筒内の作動流体が膨脹するような構造とすることが好適である。
【0016】
また、熱機関の排気温度または/及び排気流量に基づいて、排気熱回収効率が最適になるように前記コンプレッサ部の出圧をコントロールすることで、最も排気熱の回収効率のよい領域で運転することができる。
【0017】
前記コンプレッサ部の出圧は、気筒に設けた吸排気弁の開閉タイミングを変化させることでコントロールすることが可能である。たとえば、吸気弁を閉じる時期をコンプレッサ内のピストンが下死点に到達するよりも早くするか、もしくは遅くすることにより、圧縮する空気量が減少するので、気筒内の圧力が低下してコンプレッサ部の出圧を低くすることができる。
【0018】
また、コンプレッサ内のピストンが上死点付近に位置しているときに、早めに排気弁を開けば、コンプレッサ部の出圧は高くなる。
【0019】
このような制御を実施するには、動弁機構として開閉度や開閉タイミングを可変としたものを用いることができる。または、電磁駆動弁等の独立した弁の開閉をするための装置を別個に設けることができる。
【0020】
本発明によれば、排気の流れを阻害することなく、排気の持つ熱エネルギーを回収することができるので、熱機関自体の作動効率の低下を大きく招来せずに、効率的な排気熱の回収が可能である。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の排気熱回収装置を図面に示される実施形態について詳細に説明する。
【0022】
図1は、排気熱回収装置の概要を示す全体図である。
【0023】
この排気熱回収装置30は、排気を排出する内燃機関10と、吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部1と、排気の等圧冷却と、作動流体の等圧加熱をする再生機2と、作動流体を等温膨張させるエキスパンダ部3と、このエキスパンダ部3から排気の熱エネルギーを取り出す出力部4と、を備えている。
【0024】
内燃機関10は、ここでは車輌に搭載されたガソリンエンジンである。もちろん、内燃機関10はディーゼルエンジンやその他のものであってもよく、燃料を燃焼させた後の排気を排気管に排出するものであればよい。
【0025】
コンプレッサ部1は、円筒状の気筒6内に設けた往復動可能な圧縮用のピストン5を備えている。このピストン5の作動のために、後述するように、出力部4を介して、内燃機関10が排出する排気から取り出されたエネルギーの一部が使用される。このピストン5は、図示しない電動機と、その回転軸に連結されたクランク軸12を介して気筒6内で上下方向に往復動が可能である。
【0026】
また、気筒6には、この気筒6内に作動流体を吸入するための吸気管12 と、作動流体を気筒内から送出するための送出管13がそれぞれ接続されている。さらに、気筒6内には、吸気管12の開口部を開閉するための吸気弁7と、送出管13の開口部を開閉する排出弁8とが設けられている。
【0027】
これらの吸気弁7と排気弁8のそれぞれは、ピストン5に連結されたクランクシャフト14を介して回転するクランク軸15の回転に連動し作動する動弁機構によって開閉するように設定されている。
【0028】
すなわち、内燃機関の気筒に設けた吸排気弁の作動と同様に、吸気行程で吸気弁7が開き、圧縮行程では、吸気弁7と排気弁8が閉じる。また排気行程では排気弁8が開かれるように、クランク軸15の回転によってピストン5の動きに同期して開閉する構造とする。
【0029】
このようにして、ピストン5がその下死点に向かって移動するときは、吸気弁7が開いて作動流体、ここでは空気を外部から、吸気管12を介して気筒6内に吸入する。次に、ピストン5が下死点に到達したら吸気弁7を閉じ、その後、ピストン5が上死点に向けて動き、気筒6内の空気が圧縮される。
【0030】
ピストン5が上死点に近づくと、排気弁8が開いて、圧縮された空気が送出管13に排出される。このような動作を繰り返すことで、コンプレッサ部1は、吸入した空気を等温圧縮する。
【0031】
圧縮された空気は、送出管13を介してエキスパンダ部3に向かって流れるが、その送出管13は、エキスパンダ部3との中間部で、内燃機関10から排出される排気管11と交差して、熱交換を行う再生機2を形成している。
【0032】
再生機2は、図2に示すように通常の熱交換器に類似した構造である。この再生機2は、送出管13が多数回にわたって往復曲成され、その外周は、上流と下流にそれぞれ排気管11が接続され、外気から遮断した空間を形成する遮蔽体27によって覆われている。遮蔽体27により覆われている送出管13の外周には熱伝達作用を持つ多数のフィン9が設けられている。
【0033】
したがって、遮蔽体27内を流れる排気の熱は、フィン9を介して送出管13内を流れる作動流体である空気に伝達され、これらの間で熱交換が可能な構造となっている。
【0034】
このような構造である再生機2によって、作動流体である空気の等圧加熱がされると同時に、排気の等圧冷却が行われる。
【0035】
次に、エキスパンダ部3の構造を説明する。これは上述したコンプレッサ部1の構造と同様に、円筒状の気筒17内に設けた往復動可能な圧縮用の第2ピストン16を備えている。この第2ピストン16の作動は、第2クランク軸18を介してオルタネータ4の回転軸に伝達されるようになっている。
【0036】
また、第2気筒17には、この第2気筒17内に作動流体である空気を吸入するための送出管13が連結され、他方、前記空気を第2気筒17内から排出するための排出路19が接続されている。
【0037】
さらに、第2気筒17には、送出管13の開口部を開閉するための第2吸気弁20と、排出路19の開口部を開閉する第2排気弁20とが設けられている。
【0038】
これらの第2吸気弁20と第2排気弁21は、前記のコンプレッサ部1の吸排気弁と同様に、それぞれ第2ピストン16に連結されて回転する第2クランク軸18に連動する動弁機構によって開閉するように設定されている。
【0039】
したがって、第2吸気弁20が開き、第2ピストン16が上死点から下降すると、第2気筒17内に作動流体が吸入され、第2吸気弁20及び第2排気弁21が共に閉じられた状態で熱交換による作動流体の膨張で第2ピストン16はさらに下死点まで下降する。その後、第2排気弁21を開いて膨張した作動流体を第2気筒17外に排出する。
【0040】
この第2気筒17の外周面には多数の第2フィン23が設けられている。また、前記排気管11が接続された熱交換部24が形成され、この熱交換部24は第2気筒17の上部の周囲を覆っている。熱交換部24には排気管11から排気が流れ込む排気の流入口25、及び排気管11に排気を流出させる流出口26がそれぞれ設けられている。
【0041】
エキスパンダ部3は、このような構造であるので、送出管13から、第2吸気弁20を介して作動流体が吸入する第2気筒17の外壁に、排気管11から熱交換部24に流入した排気が接触する。この排気は、内燃機関10から排出された直後の排気であるので高温である。この排気の熱は、第2気筒17の外壁に設けた第2フィン23を介して、前記作動流体に伝達されて作動流体と排気との間で熱交換を行うことができる。
【0042】
その結果、第2気筒17内の作動流体が膨脹し、第2ピストン16が押し下げられるので、オルタネータ4が回転するために発電が可能である。オルタネータ4からの電気は、矢印Cで示すように、外部の図示しない車両の各部に供給され、また、余剰分はバッテリに充電される。すなわち、この実施の形態では、内燃機関10の回転軸に接続され、内燃機関10の回転が直接に伝達されて回転する従来のオルタネータは廃止され、排気熱により作動する第2ピストン16の往復運動によって回転するオルタネータ4のみを設けている。
【0043】
なお、オルタネータ4で発電された電気の一部は、図示しないモータを介してコンプレッサ部1のピストン5を作動させ、気筒6内に吸入した作動流体を圧縮するために使用される。
(排気と作動流体の流れ及び作用)
次に、この実施の形態における排気及び作動流体の流れを説明しつつ、各部の作用について述べる。
【0044】
内燃機関10から排出された排気の流れを矢印Aにより、また、作動流体の流れを矢印Bによりそれぞれ示す。
【0045】
内燃機関10から排出される排気は、排気路11を通り、エキスパンダ部3を構成する第2気筒17の外周面に接触する。一方、第2気筒17内には、第2吸気弁20が開くと作動流体が吸入される。吸入後、第2吸気弁20が閉じられると、この作動流体は第2フィン23を介して伝達される排気の熱によって熱せられて、第2気筒17内で膨張するので、第2ピストン16が押し下げられる。第2ピストン16が押し下げられると、第2コンロッド22を介してその運動エネルギーが第2クランク軸18に伝達され、上述のようにオルタネータ4を作動させる。
【0046】
膨張した上記作動流体は、第2排気弁21を開くことにより、排出路19内に排出され、この排出路19から 排気管11に作動流体が流れ込み、内燃機関10から排出される排気に混入し排気管11を流下する。この作動流体が混入した排気は、再生機2において熱交換による等圧冷却を経て外部に排出される。
【0047】
一方、作動流体である空気は、コンプレッサ部1の気筒6内に吸入され、等温圧縮された後、排出管13を経て再生機2に至る。前述のように、再生機2では作動流体は等圧加熱がされた後、エキスパンダ部3の気筒17内に吸入される。このような作動によって、等温膨張、等圧加熱、等圧冷却、及び等温圧縮の循環が形成され、内燃機関からの排気熱が回収される。
【0048】
また、内燃機関10から排出される排気温度Tf、または排ガス流量Gexと、コンプレッサ部1の出圧P1と、回収効率との間には図3に示すような関係がある。すなわち、排気温Tfが高いか、排気流量Gexが多いときは回収効率が高くなるが、出圧P1をコントロールすることで最も効率の良い排気熱回収が行える領域になるように、気筒6内の圧力を変化させ、排気熱回収装置の運転を制御することができる。
【0049】
そこで、気筒6内の圧力を吸気弁7及び排気弁の開閉タイミング、または開閉度合いを調整することで変化させる。ここでは、例えば、作動流体の吸気時に吸気弁7の開きを少なくすれば、気筒6内の圧力が低くなる。また吸入時に排気弁8を開くことで、気筒6内の圧力を低下させることもできる。このような吸排気弁の調整によって気筒6の出圧P1をコントロールすることができる。 このような吸気弁7、排気弁8の調整は、図3に示すような排気温度Tf、排気流量Gexと出力P1の関係のマップを、図示しない車両の電子制御ユニット(ECU)に記憶させておき、可変動弁機構や電磁駆動弁の採用によって、ECUの指令によって吸排気弁の改変タイミング、開閉度合いを調整するように構成して、内燃機関10の運転状態に基づいて最も効率のよい出圧P1を設定することが好ましい。
【0050】
この実施の形態では、回収した排気熱によって発電をして、これを車両各部に給電するものとしたが、この電力をクーラーの作動に使用することや、その他の用途に利用することができるのはいうまでもない。また、エキスパンダ部3から取り出される排気熱によるピストンの作動を電気に変換することなく、他の形式で利用することも可能である。
【0051】
この実施の形態の排気熱回収装置を用いることで、従来は外部に捨てられていた排気の熱を有効利用することができ、内燃機関を搭載した車両全体としてのエネルギー効率を上昇させることができる。
【0052】
また、内燃機関の運転状態にかかわらず、排気温度が所定温度以上であれば排気熱回収が可能であり、特に内燃機関の回転数が低い状態でも、有効な排気エネルギーの回収が可能である。
【0053】
【発明の効果】
本発明によれば、排気の持つ熱エネルギーを効果的に回収することができる。その際、排気の流れを阻害することで排圧が上昇し、熱機関の効率低下を招くことがない。
【0054】
また、コンプレッサ部の出圧をコントロールすることで、回収効率の最もよい運転制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の排気熱回収装置の概略を示す図である。
【図2】本発明の一実施形態である排気回収装置の再生機の構造を示す図である。
【図3】排気温度Tf、排気流量Gexとコンプレッサ部の出力P1の関係を示すマップ図である。
【符号の説明】
1  コンプレッサ部
2  再生機
3  エキスパンダ部
4  出力部
5  ピストン
6  気筒
7  吸気弁
8  排気弁
9  フィン
10 内燃機関
11 排気管
12 吸気管
13 送出管
14 コンロッド
15 クランク軸
16 第2ピストン
17 第2気筒
18 第2クランク軸
19 排出路
20 第2吸気弁
21 第2排気弁
22 第2コンロッド
23 第2フィン
24 熱交換部
25 流入口
26 流出口
27 遮蔽体
30 排気熱回収装置
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust heat recovery device.
[0002]
[Prior art]
In general, an exhaust turbine driven by using the exhaust gas as a working medium, and an internal combustion engine that operates by rotating the exhaust turbine to pressurize intake air to use the energy of exhaust gas of an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like. Turbochargers equipped with a compressor for supplying the exhaust gas are widely used, but when the load of the internal combustion engine is a partial load or at a low speed, the amount of exhaust is small, and it is difficult to efficiently use exhaust energy.
[0003]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-288242 discloses a turbocharger having a turbine driven by exhaust gas energy and a compressor attached to a shaft provided in the turbine. In this turbocharger, an outer shaft rotatable independently of a shaft provided on the same central axis on the outer periphery of the shaft, a power generation turbine driven by exhaust gas energy provided on the outer shaft, and a power generator provided on the outer shaft There is disclosed a generator having a generator rotor, wherein the turbine and the power generation turbine are arranged in series in an exhaust gas flow.
[0004]
According to the turbocharger having such a configuration, the first-stage turbine and the second-stage turbine are provided on the same central axis in the exhaust system. An exhaust pipe to be connected is not required, heat is not dissipated through the exhaust pipe, and no mechanical loss occurs, and highly efficient exhaust energy can be recovered as electric energy.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the exhaust energy recovery mechanism such as the turbocharger, since the turbine is rotated by the flow of the exhaust gas, the flow of the exhaust gas is hindered by the resistance of the turbine and the smooth flow is stopped. . In such a case, since the exhaust pressure increases and pumping loss of the heat engine occurs, the efficiency of the heat engine itself decreases.
[0006]
Comparing the recovered energy with the loss due to the decrease in the efficiency of the heat engine, the amount of exhaust energy that can be effectively used as a whole is small. It is.
[0007]
The present invention focuses on recovering the thermal energy of the exhaust without obstructing the flow of the exhaust, and has been completed to realize efficient exhaust heat recovery without reducing the efficiency of the heat engine. It was done. That is, an object of the present invention is to provide an exhaust heat recovery device capable of efficiently recovering exhaust heat.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is based on the principle of the Ericsson cycle in which isothermal expansion, isothermal compression, isothermal heating, and isostatic cooling are repeated. It extracts heat energy and is configured as follows to solve the above technical problem.
[0009]
That is, a heat engine that discharges exhaust gas,
A compressor section for isothermally compressing and sucking out the sucked working fluid,
A regenerator that contacts the working fluid and the exhaust gas that have been isothermally compressed and heats the working fluid with the heat of the exhaust gas at the same pressure, and simultaneously cools the exhaust gas with the working fluid and then discharges the exhaust gas to the outside;
The heat exchange between the working fluid heated at the same pressure and the exhaust gas discharged from the heat engine causes the working fluid to expand at a constant pressure by the heat of the exhaust gas. An expander section discharging to the regenerator;
An output unit for extracting the kinetic energy of the moving body that performs a predetermined operation by expanding and discharging the working fluid in the expander unit;
With
A part of the exhaust heat energy obtained from the output section is used for isothermally compressing the working fluid in the compressor section.
[0010]
The working fluid sucked into the device expands due to the heat of the exhaust gas discharged from the heat engine, and the exhaust heat energy can be extracted from the expander unit that performs such an isothermal expansion process. For example, the alternator connected thereto can be moved by the operation of the piston reciprocating by the exhaust heat energy. The electric power generated by the alternator can be supplied to each part of the vehicle, and the alternator directly driven by the rotation of the conventional internal combustion engine is eliminated, the generated electricity is used for driving a cooling device, or the electric power is used. It is possible to reuse exhaust heat energy by storing electricity in a battery. In particular, in a hybrid car, that is, a vehicle driven by mounting both a traveling motor and an internal combustion engine, the generated electricity can be directly supplied to the motor and used for driving the motor.
[0011]
As the heat engine, various types of internal combustion engines such as a gasoline engine and a diesel engine, or various types of exhaust gas having heat energy, such as a gas turbine, can be used.
[0012]
The compressor section and the expander section each include a cylinder, a reciprocating piston provided in the cylinder, an intake valve for sucking a working fluid into the cylinder, and a discharge valve for discharging the working fluid. Can be provided.
[0013]
In this case, the intake valve and the exhaust valve can be set so as to be opened and closed by a valve mechanism linked to a crankshaft rotating via a crankshaft connected to a piston. That is, similar to the operation of the intake / exhaust valve provided in the cylinder of a normal internal combustion engine, the opening / closing of the intake / exhaust valve is synchronized with the movement of the piston so that the intake valve is opened in the intake stroke and the exhaust valve is opened in the exhaust stroke. be able to.
[0014]
In addition, since the operating body is a piston that rotates the crankshaft, power may be generated by operating an alternator or the like connected to the crankshaft.
[0015]
The expander unit is in contact with the exhaust immediately after being discharged from the heat engine on the outer wall of the cylinder where the working fluid is sucked, and the heat of the exhaust is transmitted to the working fluid via fins provided on the outer wall, It is preferable to adopt a structure in which heat exchange is performed between the working fluid and the exhaust gas, and the working fluid in the cylinder expands.
[0016]
Further, by controlling the output pressure of the compressor section based on the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas flow rate of the heat engine so as to optimize the exhaust heat recovery efficiency, the operation is performed in a region where the exhaust heat recovery efficiency is highest. be able to.
[0017]
The output pressure of the compressor section can be controlled by changing the opening / closing timing of an intake / exhaust valve provided in a cylinder. For example, by making the timing of closing the intake valve earlier or later than the piston in the compressor reaching the bottom dead center, the amount of air to be compressed decreases, so the pressure in the cylinder decreases and the compressor section Output pressure can be reduced.
[0018]
Further, when the exhaust valve is opened early when the piston in the compressor is located near the top dead center, the output pressure of the compressor section increases.
[0019]
In order to perform such control, it is possible to use a valve mechanism in which the opening / closing degree and the opening / closing timing are variable. Alternatively, a device for opening and closing an independent valve such as an electromagnetically driven valve can be separately provided.
[0020]
According to the present invention, it is possible to recover the heat energy of the exhaust gas without obstructing the flow of the exhaust gas. Therefore, it is possible to efficiently recover the exhaust heat without significantly reducing the operation efficiency of the heat engine itself. Is possible.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an exhaust heat recovery apparatus of the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the drawings.
[0022]
FIG. 1 is an overall view showing an outline of an exhaust heat recovery device.
[0023]
The exhaust heat recovery apparatus 30 includes an internal combustion engine 10 that discharges exhaust gas, a compressor unit 1 that compresses and discharges a suctioned working fluid at an isothermal temperature, a regenerator that performs constant pressure cooling of the exhaust gas, and heats the working fluid at a constant pressure. 2, an expander unit 3 for isothermally expanding the working fluid, and an output unit 4 for extracting thermal energy of exhaust gas from the expander unit 3.
[0024]
Here, the internal combustion engine 10 is a gasoline engine mounted on a vehicle. Of course, the internal combustion engine 10 may be a diesel engine or any other engine, as long as it exhausts exhaust gas after burning fuel to an exhaust pipe.
[0025]
The compressor section 1 includes a reciprocating compression piston 5 provided in a cylindrical cylinder 6. For the operation of the piston 5, a part of the energy extracted from the exhaust gas discharged from the internal combustion engine 10 via the output unit 4 is used as described later. The piston 5 can reciprocate up and down in the cylinder 6 via an electric motor (not shown) and a crankshaft 12 connected to a rotating shaft thereof.
[0026]
The cylinder 6 is connected to an intake pipe 12 for sucking a working fluid into the cylinder 6 and a delivery pipe 13 for sending the working fluid from the cylinder. Further, an intake valve 7 for opening and closing the opening of the intake pipe 12 and a discharge valve 8 for opening and closing the opening of the delivery pipe 13 are provided in the cylinder 6.
[0027]
Each of the intake valve 7 and the exhaust valve 8 is set to open and close by a valve mechanism that operates in conjunction with the rotation of a crankshaft 15 that rotates via a crankshaft 14 connected to the piston 5.
[0028]
That is, similarly to the operation of the intake and exhaust valves provided in the cylinder of the internal combustion engine, the intake valve 7 opens during the intake stroke, and the intake valve 7 and the exhaust valve 8 close during the compression stroke. In the exhaust stroke, the exhaust valve 8 is opened and opened and closed in synchronization with the movement of the piston 5 by the rotation of the crankshaft 15.
[0029]
In this way, when the piston 5 moves toward its bottom dead center, the intake valve 7 opens to suck working fluid, here air, from the outside into the cylinder 6 via the intake pipe 12. Next, when the piston 5 reaches the bottom dead center, the intake valve 7 is closed. Thereafter, the piston 5 moves toward the top dead center, and the air in the cylinder 6 is compressed.
[0030]
When the piston 5 approaches the top dead center, the exhaust valve 8 opens, and the compressed air is discharged to the delivery pipe 13. By repeating such an operation, the compressor unit 1 isothermally compresses the sucked air.
[0031]
The compressed air flows toward the expander section 3 via the delivery pipe 13, and the delivery pipe 13 intersects the exhaust pipe 11 discharged from the internal combustion engine 10 at an intermediate portion with the expander section 3. Thus, a regenerator 2 for performing heat exchange is formed.
[0032]
The regenerator 2 has a structure similar to a normal heat exchanger as shown in FIG. In the regenerator 2, the delivery pipe 13 is reciprocated and bent a number of times, and the outer periphery thereof is covered by a shield 27 that is connected to the exhaust pipe 11 upstream and downstream, respectively, and that forms a space shielded from the outside air. . A large number of fins 9 having a heat transfer function are provided on the outer periphery of the delivery pipe 13 covered by the shield 27.
[0033]
Therefore, the heat of the exhaust gas flowing in the shield 27 is transferred to the air, which is the working fluid flowing in the delivery pipe 13, via the fins 9, so that heat can be exchanged between them.
[0034]
With the regenerator 2 having such a structure, the air as the working fluid is heated at the same pressure and, at the same time, the exhaust gas is cooled at the same pressure.
[0035]
Next, the structure of the expander unit 3 will be described. This has a reciprocating compression second piston 16 provided in a cylindrical cylinder 17 similarly to the structure of the compressor section 1 described above. The operation of the second piston 16 is transmitted to the rotation shaft of the alternator 4 via the second crankshaft 18.
[0036]
The second cylinder 17 is connected to a delivery pipe 13 for sucking air serving as a working fluid into the second cylinder 17, and a discharge path for discharging the air from the second cylinder 17. 19 are connected.
[0037]
Further, the second cylinder 17 is provided with a second intake valve 20 for opening and closing an opening of the delivery pipe 13 and a second exhaust valve 20 for opening and closing an opening of the discharge passage 19.
[0038]
The second intake valve 20 and the second exhaust valve 21 are, similarly to the intake / exhaust valve of the compressor section 1 described above, a valve mechanism that is linked to a second piston 16 and that is linked to a second crankshaft 18 that rotates. It is set to open and close.
[0039]
Therefore, when the second intake valve 20 opens and the second piston 16 descends from the top dead center, the working fluid is sucked into the second cylinder 17 and both the second intake valve 20 and the second exhaust valve 21 are closed. In this state, the second piston 16 further descends to the bottom dead center due to the expansion of the working fluid due to heat exchange. Thereafter, the second exhaust valve 21 is opened to discharge the expanded working fluid to the outside of the second cylinder 17.
[0040]
A large number of second fins 23 are provided on the outer peripheral surface of the second cylinder 17. Further, a heat exchange part 24 to which the exhaust pipe 11 is connected is formed, and this heat exchange part 24 covers the periphery of the upper part of the second cylinder 17. The heat exchange section 24 is provided with an exhaust inlet 25 into which exhaust gas flows from the exhaust pipe 11 and an outlet 26 through which exhaust gas flows out into the exhaust pipe 11.
[0041]
Since the expander section 3 has such a structure, the expander section 3 flows from the delivery pipe 13 to the outer wall of the second cylinder 17 into which the working fluid is sucked via the second intake valve 20, and flows from the exhaust pipe 11 to the heat exchange section 24. Exhaust exhaust contacts. This exhaust gas has a high temperature because it is immediately after being exhausted from the internal combustion engine 10. The heat of the exhaust gas is transmitted to the working fluid via the second fins 23 provided on the outer wall of the second cylinder 17, so that heat can be exchanged between the working fluid and the exhaust gas.
[0042]
As a result, the working fluid in the second cylinder 17 expands, and the second piston 16 is pushed down, so that the alternator 4 rotates, so that power can be generated. Electricity from the alternator 4 is supplied to external parts of the vehicle (not shown) as indicated by an arrow C, and a surplus is charged to a battery. That is, in this embodiment, the conventional alternator that is connected to the rotation shaft of the internal combustion engine 10 and that is rotated by directly transmitting the rotation of the internal combustion engine 10 is eliminated, and the reciprocating motion of the second piston 16 that operates by exhaust heat. Only the alternator 4 rotating by the rotation is provided.
[0043]
Part of the electricity generated by the alternator 4 is used to operate the piston 5 of the compressor unit 1 via a motor (not shown) to compress the working fluid drawn into the cylinder 6.
(Flow and action of exhaust and working fluid)
Next, the operation of each part will be described while explaining the flow of exhaust gas and working fluid in this embodiment.
[0044]
The flow of exhaust gas discharged from the internal combustion engine 10 is indicated by an arrow A, and the flow of working fluid is indicated by an arrow B.
[0045]
Exhaust gas discharged from the internal combustion engine 10 passes through the exhaust path 11 and contacts the outer peripheral surface of the second cylinder 17 constituting the expander unit 3. On the other hand, when the second intake valve 20 is opened, the working fluid is sucked into the second cylinder 17. After the intake, when the second intake valve 20 is closed, the working fluid is heated by the heat of the exhaust transmitted through the second fins 23 and expands in the second cylinder 17, so that the second piston 16 Depressed. When the second piston 16 is depressed, its kinetic energy is transmitted to the second crankshaft 18 via the second connecting rod 22 to operate the alternator 4 as described above.
[0046]
The expanded working fluid is discharged into the discharge passage 19 by opening the second exhaust valve 21, the working fluid flows from the discharge passage 19 into the exhaust pipe 11, and mixes with the exhaust discharged from the internal combustion engine 10. The exhaust pipe 11 flows down. The exhaust gas mixed with the working fluid is discharged to the outside through equal pressure cooling by heat exchange in the regenerator 2.
[0047]
On the other hand, air as a working fluid is sucked into the cylinder 6 of the compressor section 1, is isothermally compressed, and reaches the regenerator 2 via the discharge pipe 13. As described above, in the regenerator 2, the working fluid is heated into the cylinder 17 of the expander unit 3 after the working fluid is heated at the same pressure. By such an operation, circulation of isothermal expansion, isothermal heating, isostatic cooling, and isothermal compression is formed, and exhaust heat from the internal combustion engine is recovered.
[0048]
Further, there is a relationship as shown in FIG. 3 between the exhaust gas temperature Tf or the exhaust gas flow rate Gex discharged from the internal combustion engine 10, the output pressure P1 of the compressor unit 1, and the recovery efficiency. That is, when the exhaust gas temperature Tf is high or the exhaust gas flow rate Gex is large, the recovery efficiency is high. However, by controlling the output pressure P1, the area inside the cylinder 6 is controlled so that the most efficient exhaust heat recovery can be performed. By changing the pressure, the operation of the exhaust heat recovery device can be controlled.
[0049]
Therefore, the pressure in the cylinder 6 is changed by adjusting the opening / closing timing or the opening / closing degree of the intake valve 7 and the exhaust valve. Here, for example, if the opening of the intake valve 7 is reduced during intake of the working fluid, the pressure in the cylinder 6 is reduced. Further, by opening the exhaust valve 8 at the time of suction, the pressure in the cylinder 6 can be reduced. The output pressure P1 of the cylinder 6 can be controlled by such adjustment of the intake and exhaust valves. Such adjustment of the intake valve 7 and the exhaust valve 8 is performed by storing a map of the relationship between the exhaust gas temperature Tf, the exhaust gas flow rate Gex, and the output P1 as shown in FIG. 3 in an electronic control unit (ECU) of the vehicle (not shown). In addition, by adopting a variable valve operating mechanism or an electromagnetically driven valve, the modification timing and the degree of opening and closing of the intake and exhaust valves are adjusted by an instruction of the ECU, and the most efficient output is performed based on the operating state of the internal combustion engine 10. It is preferable to set the pressure P1.
[0050]
In this embodiment, the generated exhaust heat is used to generate electric power and supply the electric power to various parts of the vehicle. However, this electric power can be used for the operation of the cooler or used for other purposes. Needless to say. Further, the operation of the piston by the exhaust heat taken out from the expander unit 3 can be used in another form without converting it into electricity.
[0051]
By using the exhaust heat recovery device of this embodiment, the heat of the exhaust gas that has been conventionally discarded to the outside can be effectively used, and the energy efficiency of the entire vehicle equipped with the internal combustion engine can be increased. .
[0052]
Further, regardless of the operation state of the internal combustion engine, exhaust heat recovery is possible if the exhaust gas temperature is equal to or higher than a predetermined temperature. In particular, even if the internal combustion engine is at a low rotation speed, effective exhaust energy can be recovered.
[0053]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermal energy which exhaust has can be effectively collect | recovered. At that time, the exhaust pressure is increased by obstructing the flow of the exhaust gas, and the efficiency of the heat engine is not reduced.
[0054]
Further, by controlling the output pressure of the compressor section, it is possible to perform operation control with the highest recovery efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view schematically showing an exhaust heat recovery device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a structure of a regenerator of the exhaust gas recovery apparatus according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a map diagram showing a relationship between an exhaust gas temperature Tf, an exhaust gas flow rate Gex, and an output P1 of a compressor section.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor part 2 Regenerator 3 Expander part 4 Output part 5 Piston 6 Cylinder 7 Intake valve 8 Exhaust valve 9 Fin 10 Internal combustion engine 11 Exhaust pipe 12 Intake pipe 13 Delivery pipe 14 Connecting rod 15 Crankshaft 16 Second piston 17 Second cylinder 18 Second crankshaft 19 Discharge path 20 Second intake valve 21 Second exhaust valve 22 Second connecting rod 23 Second fin 24 Heat exchange unit 25 Inlet 26 Outlet 27 Shield 30 Exhaust heat recovery device

Claims (5)

排気を排出する熱機関と、
吸入した作動流体を等温圧縮して排出するコンプレッサ部と、
等温圧縮された前記作動流体と排気とを接触させ 排気の熱で作動流体を等圧加熱すると同時に、前記作動流体により前記排気を等圧冷却した後、前記排気を外部に排出する再生機と、
等圧加熱された前記作動流体と、熱機関から排出された排気との間の熱交換によって、排気の持つ熱で作動流体を等圧膨脹させた後、作動流体を排出すると共に、前記排気を前記再生機に排出するエキスパンダ部と、
前記エキスパンダ部での作動流体の膨脹と排出によって所定の作動をする 運動体の運動エネルギーを取り出す出力部と、
を備え、
この出力部から得られた排気熱エネルギーの一部は前記コンプレッサ部で作動流体を等温圧縮するために用いられることを特徴とする排気熱回収装置。
A heat engine that emits exhaust gas,
A compressor section for isothermally compressing and sucking out the sucked working fluid,
A regenerator that contacts the working fluid and the exhaust gas that have been isothermally compressed and heats the working fluid with the heat of the exhaust gas at the same pressure, and simultaneously cools the exhaust gas with the working fluid and then discharges the exhaust gas to the outside;
The heat exchange between the working fluid heated at the same pressure and the exhaust gas discharged from the heat engine causes the working fluid to expand at a constant pressure by the heat of the exhaust gas. An expander section discharging to the regenerator;
An output unit that extracts a kinetic energy of a moving body that performs a predetermined operation by expanding and discharging the working fluid in the expander unit;
With
A part of the exhaust heat energy obtained from the output part is used for isothermally compressing the working fluid in the compressor part.
前記コンプレッサ部及びエキスパンダ部は、
気筒と、
この気筒内に設けた往復動可能なピストンと、
気筒内に作動流体を吸入するための吸気弁と、
作動流体を排出するための排気弁と、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載の排気熱回収装置。
The compressor section and the expander section,
A cylinder,
A reciprocable piston provided in the cylinder,
An intake valve for sucking a working fluid into the cylinder,
An exhaust valve for discharging the working fluid;
The exhaust heat recovery device according to claim 1, further comprising:
前記エキスパンダ部では、作動流体を吸入する気筒の外壁に排気が接触し、この外壁に設けたフィンを介して排気の熱が前記作動流体に伝達されて作動流体と排気との間で熱交換が行われ、気筒内の作動流体が膨脹することを特徴とする請求項2に記載の排気熱回収装置。In the expander section, the exhaust gas comes into contact with the outer wall of the cylinder that sucks the working fluid, and the heat of the exhaust gas is transmitted to the working fluid via the fins provided on the outer wall, thereby exchanging heat between the working fluid and the exhaust gas. The exhaust heat recovery device according to claim 2, wherein the operation is performed, and the working fluid in the cylinder expands. 熱機関の排気温度または/及び排気流量に基づいて、排気熱回収効率が最適になるように前記コンプレッサ部の出圧をコントロールすることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の排気熱回収装置。The exhaust gas according to any one of claims 1 to 3, wherein the output pressure of the compressor unit is controlled based on the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas flow rate of the heat engine so that the exhaust heat recovery efficiency is optimized. Heat recovery device. 前記コンプレッサ部の出圧は、気筒に設けた吸気弁と排気弁の開閉タイミングを変化させることでコントロールされることを特徴とする請求項4に記載の排気熱回収装置。The exhaust heat recovery device according to claim 4, wherein the output pressure of the compressor unit is controlled by changing the opening / closing timing of an intake valve and an exhaust valve provided in a cylinder.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008242958A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Kddi Corp Input device by touch panel and method
WO2018195618A1 (en) * 2017-04-25 2018-11-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Differential-cycle heat engine comprising four isobaric processes and four isothermal processes and a method for controlling the thermodynamic cycle of the heat engine
WO2018195619A1 (en) * 2017-04-25 2018-11-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Differential-cycle heat engine comprising four isobaric processes and four polytropic processes with regenerator and method for controlling the thermodynamic cycle of the heat engine
WO2020026215A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 Saulo Finco Integrated internal-combustion engine formed by an otto-cycle main unit and a secondary unit with pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine
JP2020509282A (en) * 2017-02-27 2020-03-26 ラビー, ヴィアニーRABHI Vianney Regenerative cooling system
CN111237037A (en) * 2020-01-14 2020-06-05 高长生 High-efficient recycle engine block of heat energy

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008242958A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Kddi Corp Input device by touch panel and method
JP2020509282A (en) * 2017-02-27 2020-03-26 ラビー, ヴィアニーRABHI Vianney Regenerative cooling system
JP7065106B2 (en) 2017-02-27 2022-05-11 ラビー,ヴィアニー Regenerative cooling system
WO2018195618A1 (en) * 2017-04-25 2018-11-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Differential-cycle heat engine comprising four isobaric processes and four isothermal processes and a method for controlling the thermodynamic cycle of the heat engine
WO2018195619A1 (en) * 2017-04-25 2018-11-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Differential-cycle heat engine comprising four isobaric processes and four polytropic processes with regenerator and method for controlling the thermodynamic cycle of the heat engine
WO2020026215A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 Saulo Finco Integrated internal-combustion engine formed by an otto-cycle main unit and a secondary unit with pistons and control process for the thermodynamic cycle of the engine
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