JP2004270625A - Device for recovering exhaust heat energy - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気熱エネルギーを外燃機関の駆動エネルギーとして活用する為に回収する排気熱エネルギー回収装置に関する。
【0002】
【従来技術】
内燃機関の排気系に排気浄化用触媒を介装し、前記触媒とスターリングエンジン等の外燃機関の加熱部とを接続する方法が特許文献1に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−266701号公報
【0004】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1においては外燃機関の加熱部が排気浄化用の触媒から受熱しているので、触媒が昇温するまでの時間、つまり内燃機関始動後に浄化されない排気が排出される時間が長くなるという問題があった。なお、特許文献1には、触媒を並列に配置し、一方の触媒は排気の浄化のみを行い、他方の触媒に外燃機関の加熱部を接続する方法も開示されているが、この方法であっても他方の触媒に関しては前述した実施形態と同様に、内燃機関始動後に浄化されない排気を排出する時間が長くなることには変わりはない。
【0005】
そこで本発明では、触媒の昇温時間を長くすることなく、内燃機関の排気熱エネルギーを外燃機関の駆動エネルギーとして活用することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の排気熱エネルギー回収装置は、内燃機関の排気系と熱交換可能に外燃機関の加熱器を設け、前記内燃機関の吸気系と熱交換可能に前記外燃機関の冷却器を設けたことを特徴とする。
【0007】
【作用・効果】
本発明によれば、外燃機関の加熱部が内燃機関の排気系との熱交換によって加熱され、外燃機関の冷却部が内燃機関の吸気系との熱交換によって冷却されることで外燃機関(スターリングエンジン)が駆動されるので、内燃機関の排気熱エネルギーを外燃機関の駆動エネルギーとして回収することが可能となる。例えば、スターリングエンジンのクランクシャフトに発電機を設ければ、スターリングエンジンが駆動することによって内燃機関から排出される排気の熱エネルギーを電力として回収することができ、この電力を補機駆動等に用いることによってオルタネータの発電量を低減し、燃費消費量を低減して燃費向上を図れる。
【0008】
また、外燃機関の冷却部との熱交換によって加熱された内燃機関の吸気は膨張し、空気密度が低下する。これにより、吸気を加熱しない場合と同等のトルクを得る為にはスロットル開度が大きくなり、インテークマニホールド内の圧力が上昇するのでポンピングロスが低減し、燃費の向上を図れる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0010】
図1は第1実施形態のシステムの構成を示した図である。7はエンジン、6はエンジン7の吸気通路、8は排気通路である。
【0011】
吸気通路6には、エアクリーナ1と、エアクリーナ1を通過した吸気量を測定するエアフローメータ2a及び吸気温度を測定する吸気温センサ2bとが配置され、その下流にはエンジン7へ供給する吸気量を調整するスロットルバルブ3が配置される。
【0012】
スロットルバルブ3の下流の吸気通路6は、一部が吸気バイパス通路21と冷却器側通路24に分岐しており、吸気通路6内に設けられた吸気通路切換バルブ4によって選択的にいずれか一方が閉鎖される。冷却器側通路24には後述する外燃機関としてのスターリングエンジン23の冷却器5が設けられる。
【0013】
排気通路8には排気浄化用触媒9が設けられ、排気浄化用触媒9の下流の一部が加熱器側通路25と排気バイパス通路22とに分岐し、排気通路8内に設けられた排気通路切換バルブ10によって選択的にいずれか一方が閉鎖される。加熱器側通路25には後述する外燃機関としてのスターリングエンジン23の加熱器11が設けられる。
【0014】
なお、加熱器11と冷却器5とは再生器12を介して接続されている。
【0015】
スターリングエンジン23はディスプレーサシリンダ26とパワーシリンダ27を有する。ディスプレーサシリンダ26内には、その頭部側に膨張室28、底部側に圧縮室29を画成する撹拌用のディスプレーサピストン13が摺動自在に介装され、パワーシリンダ27内には、その頭部側にポート32を介して前記圧縮室29と連通する作動室30を画成するパワーピストン14が摺動自在に介装される。また、膨張室28は加熱管18によって前記加熱器11と接続されており、圧縮室29は冷却管17によって前記冷却器5と接続されている。
【0016】
ディスプレーサピストン13とパワーピストン14は、それぞれコネクティングロッド35、36を介してクランクシャフト16に接続される。その際、パワーピストン14はディスプレーサピストン13に対して、クランク角度で略90度位相が遅れるように接続する。
【0017】
クランクシャフト16の一方の端部はフライホイール33を介して発電機15に接続する。これにより、クランクシャフト16の回転によって発電機15が駆動される。
【0018】
上記のように構成されるシステムの作用について説明する。
【0019】
エンジン7運転時には、原則として吸気バイパス通路21および排気バイパス通路22は閉塞された状態とする。また、吸気バイパス通路21が閉塞されているときは排気バイパス通路22が閉塞され、冷却器側通路24が閉塞されているときは加熱器側通路25が閉塞される。
【0020】
エアクリーナ1から吸入された吸気は冷却器側通路24を通過する際に冷却器5と熱交換を行う。これにより吸気は加熱され、冷却器5内のスターリングエンジン23の作動ガスは冷却されるので、冷却管17によって冷却器5と連通している圧縮室29が冷却される。
【0021】
エンジン7から排出された排気は加熱器側通路25を通過する際に加熱器11と熱交換を行う。これにより排気は冷却され、加熱器11内のスターリングエンジン23の作動ガスは加熱されるので、加熱管18によって加熱器11と連通している膨張室28が加熱される。
【0022】
したがって、ディスプレーサピストン13がディスプレーサシリンダ26内の加熱された作動ガスと冷却された作動ガスとを撹拌することによってスターリングエンジン23は駆動され、スターリングエンジン23に接続された発電機15も駆動され、発電を行う。
【0023】
これにより、エンジン7の排気の熱エネルギーを電力として回収することが可能となる。
【0024】
また、吸気が冷却器5と熱交換することによって高温になり、膨張するので、インテークマニホールド34の空気密度が低下する。したがって等トルクを得ようとした場合に、吸気が低温の場合に比べてスロットルバルブ3の開度を大きくする必要があり、これによりインテークマニホールド34の圧力が高くなる。この結果ポンピングロスを低減することが可能となるので燃費の向上を図れる。特に本実施形態では、スロットルバルブ3の下流に冷却器5を配置したので、インテークマニホールド34の圧力を効率よく上げることが可能である。
【0025】
ただし、吸気の温度が上昇し過ぎると、燃焼温度が上昇してノッキングを起こし易くなるという問題がある。
【0026】
そこで、エンジン7に設けたノックセンサ20がノッキングを検出した場合には、吸気は吸気バイパス通路21、排気は排気バイパス通路22を通過するように吸気通路切換バルブ4および排気通路切換バルブ10を制御する。これにより吸気が高温になることによるノッキングを回避できる。これらの動作を制御する為に、コントロールユニット(ECM)19が備えられる。ここで、ECM19が行う制御の内容を図2のフローチャートにしたがって、更に詳しく説明する。
【0027】
ステップS101ではノッキングセンサ20がノッキングを検出したか否かの判定を行い、検出した場合にはステップS102に進む。ステップS102では冷却器側通路24および加熱器側通路25が開放されているか否かの判定を行い、解放されている場合にはステップS103に進み、冷却器側通路24および加熱器側通路25を閉塞する。解放されていない場合にはそのままの状態とする。
【0028】
ステップS101でノッキングを検出しない場合にはステップS104に進み、冷却器側通路24および加熱器側通路25が開放されているか否かの判定を行い、解放されている場合にはそのままの状態とし、解放されていない場合にはステップS105に進み、冷却器側通路24および加熱器側通路25を開放する。
【0029】
ところで、外気が高温である場合も同様にノッキングを発生しやすくなる等、エンジン7は熱的に厳しい状況になるので、吸気温センサ2bの検出値が予め定めた所定値を超えた場合には、ECM19は上記と同様に、吸気は吸気バイパス通路21、排気は排気バイパス通路22を通過するよう吸気通路切換バルブ4および排気通路切換バルブ10を制御する。
【0030】
図3はECM19が実行する上記の制御のフローチャートである。
【0031】
ステップS201で吸気温センサ2bによって測定した吸気温と予め定めた所定値を比較し、吸気温が所定値を超えていた場合にはステップS202に進み、冷却器側通路24および加熱器側通路25を閉塞する。吸気温が所定値より低い場合はステップS203に進み、冷却器側通路24および加熱器側通路25が解放されているか否かの判定を行い、解放されている場合にはそのままの状態とし、解放されていない場合にはステップS105に進み、冷却器側通路24および加熱器側通路25を開放する。なお、エンジン冷却水温が非常に高温になった場合にはエンジン7の温度が上昇し、ノッキングを発生し易くなる等、エンジン7は熱的に厳しい状況になる。そこで、図3において外気温の代わりに水温センサ37を利用して、図3と同様の制御を行う方法も考えられる。
【0032】
以上により、本実施形態では以下のような効果が得られる。
【0033】
外燃機関であるスターリングエンジン23の冷却器5および加熱器11を内燃機関であるエンジン7の吸気通路6および排気通路8と熱交換可能に配置することによって、スターリングエンジン23およびこれに接続された発電機15を駆動するので、排気の熱エネルギーを電力として回収することが可能となる。この電力を補機の駆動等に利用することによって、オルタネータ等による発電量を低減できるので、燃料消費量を低減し、燃費の向上を図れる。
【0034】
前記従来例のように、加熱器11が排気浄化用触媒9から直接熱を受け取ることがないので、エンジン7始動後に排気浄化用触媒9の昇温を妨げることがなく、エンジン始動初期の排気成分が悪化することがない。
【0035】
スロットルバルブ3の下流に設けた冷却器5との熱交換によって吸気は膨張する。これによって、エンジン7が発生するトルクが等しい場合には、吸気を加熱しない場合と比べてインテークマニホールド圧が高くなるのでポンピングロスを低減でき、燃費の向上を図れる。
【0036】
吸気温、外気温、冷却水温が上昇してエンジン7が熱的に厳しい状況になった場合には、冷却部5、加熱部11と吸気の熱交換を中止するので、エンジン7のノッキングなどの不具合を防止できる。
【0037】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態のシステム構成を表す図である。
【図2】第1実施形態のノッキング検出に基づく制御のフローチャートである。
【図3】第1実施形態の外気温もしくは冷却水温に基づく制御のフローチャートである。
【符号の説明】
1 エアクリーナ
2a エアフローメータ(AFM)
2b 吸気温センサ
3 スロットルバルブ
4 吸気通路切換バルブ(吸気通路切り替え手段)
5 冷却器
6 吸気通路
7 エンジン
8 排気通路
9 排気浄化用触媒
10 排気通路切換バルブ(排気通路切り替え手段)
11 加熱器
12 再生器
13 ディスプレーサピストン
14 パワーピストン
15 発電機
16 スターリングエンジンのクランクシャフト
17 冷却管
18 加熱管
19 コントロールユニット(ECM)(吸排気通路制御手段)
20 ノッキングセンサ
21 吸気バイパス通路
22 排気バイパス通路
23 スターリングエンジン
24 冷却器側通路
25 加熱器側通路
26 ディスプレーサシリンダ
27 パワーシリンダ
28 膨張室
29 圧縮室
30 作動室
32 ポート
33 フライホイール
34 インテークマニホールド
35 コネクティングロッド
36 コネクティングロッド
37 水温センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust heat energy recovery device that recovers exhaust heat energy of an internal combustion engine for use as drive energy of an external combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Patent Document 1 discloses a method in which an exhaust purification catalyst is interposed in an exhaust system of an internal combustion engine and the catalyst is connected to a heating unit of an external combustion engine such as a Stirling engine.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-266701
[Problems to be solved by the present invention]
However, in Patent Literature 1, since the heating section of the external combustion engine receives heat from the exhaust gas purification catalyst, the time until the temperature of the catalyst increases, that is, the time during which exhaust gas that is not purified after the internal combustion engine is started is discharged for a long time. There was a problem of becoming. Patent Document 1 discloses a method in which catalysts are arranged in parallel, one of the catalysts only purifies exhaust gas, and the other catalyst is connected to a heating unit of an external combustion engine. Even in the case of the other catalyst, the time for discharging the exhaust gas that is not purified after the start of the internal combustion engine remains the same as in the above-described embodiment.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to utilize the exhaust heat energy of the internal combustion engine as the drive energy of the external combustion engine without increasing the temperature rise time of the catalyst.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The exhaust heat energy recovery device of the present invention is provided with a heater of the external combustion engine so as to be able to exchange heat with the exhaust system of the internal combustion engine, and is provided with a cooler of the external combustion engine so that it can exchange heat with the intake system of the internal combustion engine. It is characterized by the following.
[0007]
[Action / Effect]
According to the present invention, the heating section of the external combustion engine is heated by heat exchange with the exhaust system of the internal combustion engine, and the cooling section of the external combustion engine is cooled by heat exchange with the intake system of the internal combustion engine, so that the external combustion engine is cooled. Since the engine (the Stirling engine) is driven, it becomes possible to recover the exhaust heat energy of the internal combustion engine as the drive energy of the external combustion engine. For example, if a generator is provided on the crankshaft of the Stirling engine, the heat energy of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine by driving the Stirling engine can be recovered as electric power, and this electric power is used for driving auxiliary equipment and the like. As a result, the power generation amount of the alternator can be reduced, the fuel consumption can be reduced, and the fuel consumption can be improved.
[0008]
Further, the intake air of the internal combustion engine heated by heat exchange with the cooling unit of the external combustion engine expands, and the air density decreases. As a result, the throttle opening increases in order to obtain the same torque as in the case where the intake air is not heated, and the pressure in the intake manifold increases, so that pumping loss is reduced and fuel efficiency can be improved.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the system according to the first embodiment. Reference numeral 7 denotes an engine, 6 denotes an intake passage of the engine 7, and 8 denotes an exhaust passage.
[0011]
In the
[0012]
A part of the
[0013]
An
[0014]
The heater 11 and the
[0015]
The Stirling
[0016]
The displacer piston 13 and the
[0017]
One end of the crankshaft 16 is connected to the generator 15 via a flywheel 33. Thus, the generator 15 is driven by the rotation of the crankshaft 16.
[0018]
The operation of the system configured as described above will be described.
[0019]
During operation of the engine 7, the
[0020]
The intake air sucked from the air cleaner 1 exchanges heat with the
[0021]
The exhaust gas discharged from the engine 7 exchanges heat with the heater 11 when passing through the heater-
[0022]
Therefore, the
[0023]
This makes it possible to recover the heat energy of the exhaust gas of the engine 7 as electric power.
[0024]
Further, since the intake air becomes high temperature by exchanging heat with the
[0025]
However, if the temperature of the intake air rises too much, there is a problem that the combustion temperature rises and knocking easily occurs.
[0026]
Therefore, when knock sensor 20 provided in engine 7 detects knocking, intake
[0027]
In step S101, it is determined whether or not the knocking sensor 20 has detected knocking. If the knocking has been detected, the process proceeds to step S102. In step S102, it is determined whether or not the cooler-
[0028]
If knocking is not detected in step S101, the process proceeds to step S104, in which it is determined whether the cooler-
[0029]
By the way, when the outside air is at high temperature, the engine 7 is in a severe condition such that knocking is likely to occur. For example, when the detection value of the intake air temperature sensor 2b exceeds a predetermined value, Similarly, the
[0030]
FIG. 3 is a flowchart of the above control executed by the
[0031]
In step S201, the intake air temperature measured by the intake air temperature sensor 2b is compared with a predetermined value. If the intake air temperature exceeds the predetermined value, the process proceeds to step S202, where the cooler-
[0032]
As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained.
[0033]
The
[0034]
Since the heater 11 does not directly receive the heat from the
[0035]
The intake air expands due to heat exchange with a
[0036]
When the intake air temperature, the outside air temperature, and the cooling water temperature rise and the engine 7 becomes thermally severe, heat exchange between the cooling
[0037]
It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiment, and various changes can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a system configuration according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart of control based on knocking detection according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart of control based on an outside air temperature or a cooling water temperature according to the first embodiment.
[Explanation of symbols]
1 air cleaner 2a air flow meter (AFM)
2b Intake
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
Reference Signs List 20 knocking
Claims (8)
前記内燃機関の吸気系と熱交換可能に前記外燃機関の冷却器を設けたことを特徴とする排気熱エネルギー回収装置。A heater of the external combustion engine is provided so as to be able to exchange heat with the exhaust system of the internal combustion engine,
An exhaust heat energy recovery device, wherein a cooler of the external combustion engine is provided so as to exchange heat with an intake system of the internal combustion engine.
前記冷却器より上流に入口、下流に出口を有し前記冷却器を迂回する吸気バイパス通路と、
前記吸気バイパス通路の入口付近および出口付近の少なくとも一方に、前記吸気バイパス通路と前記吸気通路のいずれか一方の連通を遮断する吸気通路切り替え手段を設け、
前記内燃機関の排気通路に、
前記加熱器より上流に入口、下流に出口を有し前記加熱器を迂回する排気バイパス通路と、
前記排気バイパス通路の入口付近および出口付近の少なくとも一方に、前記排気バイパス通路と前記排気通路のいずれか一方の連通を遮断する排気通路切り替え手段とを設け、
前記吸気通路切り替え手段および排気通路切り替え手段の制御をする吸排気通路制御手段を設けたことを特徴とする請求項1に記載の排気熱エネルギー回収装置。In the intake passage of the internal combustion engine,
An intake bypass passage having an inlet upstream of the cooler and an outlet downstream and bypassing the cooler,
At least one of the vicinity of an inlet and the vicinity of an outlet of the intake bypass passage is provided with intake passage switching means for cutting off communication between any one of the intake bypass passage and the intake passage,
In the exhaust passage of the internal combustion engine,
An exhaust bypass passage having an inlet upstream of the heater and an outlet downstream and bypassing the heater;
At least one of the vicinity of the inlet and the outlet of the exhaust bypass passage is provided with exhaust passage switching means for cutting off communication with any one of the exhaust bypass passage and the exhaust passage,
The exhaust heat energy recovery device according to claim 1, further comprising an intake / exhaust passage control unit that controls the intake passage switching unit and the exhaust passage switching unit.
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