JP2008240614A - Engine waste heat recovery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの廃熱から機械的エネルギーを回収し得るように構成された、エンジン廃熱回収システムに関する。 The present invention relates to an engine waste heat recovery system configured to recover mechanical energy from engine waste heat.
この種のエンジン廃熱回収システムとして、例えば、特開平6−88523号公報、特開2000−73753号公報、特開2000−345835号公報、等に記載されたものが知られている。これらのエンジン廃熱回収システムは、燃焼熱や摩擦熱等の廃熱によって冷却水(冷却媒体)から蒸気を発生させ、この蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換することで、廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。 As this type of engine waste heat recovery system, for example, those described in JP-A-6-88523, JP-A-2000-73753, JP-A-2000-345835 and the like are known. These engine waste heat recovery systems generate steam from cooling water (cooling medium) by waste heat such as combustion heat and friction heat, and convert the expansion energy of this steam into mechanical energy, thereby converting energy from waste heat. It is comprised so that it can collect | recover.
具体的には、この種のエンジン廃熱回収システムは、一般に、シリンダブロックと、供給ポンプと、流入路と、流出路と、加熱器(過熱器)と、エキスパンダ(タービン)と、コンデンサと、を備えている。 Specifically, this type of engine waste heat recovery system generally includes a cylinder block, a supply pump, an inflow path, an outflow path, a heater (superheater), an expander (turbine), a condenser, It is equipped with.
前記シリンダブロックには、ウォータージャケットが設けられている。前記供給ポンプは、前記流入路を介して、前記ウォータージャケットに前記冷却水を供給するように構成されている。 The cylinder block is provided with a water jacket. The supply pump is configured to supply the cooling water to the water jacket via the inflow passage.
前記流出路は、前記加熱器と連通している。この加熱器は、比較的高温の排気ガスと、前記ウォータージャケットから流出した蒸気と、の間での熱交換により、当該蒸気をさらに加熱(過熱)するように構成されている。 The outflow passage communicates with the heater. This heater is configured to further heat (overheat) the steam by heat exchange between the relatively high temperature exhaust gas and the steam flowing out of the water jacket.
前記エキスパンダは、過熱蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換するように構成されている。 The expander is configured to convert the expansion energy of superheated steam into mechanical energy.
前記コンデンサは、エネルギーを失って低圧となった蒸気を冷却することで、当該蒸気を液体に凝縮するように構成されている。 The condenser is configured to condense the vapor into a liquid by cooling the vapor that has lost its energy and has become low pressure.
かかる構成のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却水が、前記流入路から前記ウォータージャケットに供給される。このウォータージャケット内にて、前記冷却水から蒸気が発生する。この蒸気が、前記加熱器により、排気ガスとの熱交換でさらに加熱(過熱)される。 In the engine waste heat recovery system having such a configuration, the cooling water is supplied from the inflow path to the water jacket. Within the water jacket, steam is generated from the cooling water. The steam is further heated (overheated) by heat exchange with the exhaust gas by the heater.
そして、前記エキスパンダにて、加熱(過熱)された蒸気が膨張する。これにより、機械的エネルギーが回収される。その後、エネルギーを失った低圧蒸気は、前記コンデンサに流入し、凝縮されて液体となる。このようにコンデンサにて凝縮されることで液体となった前記冷却水は、再び前記供給ポンプによって前記ウォータージャケットに供給される。
この種のエンジン廃熱回収システムにおいて、前記冷却媒体は、(1)オーバーヒート防止のためのエンジンの冷却、及び(2)廃熱の吸収及び膨張による機械的エネルギーの回収(冷却損失の低減及び燃費向上)、という、2つの機能を有する。 In this type of engine waste heat recovery system, the cooling medium includes (1) engine cooling to prevent overheating, and (2) mechanical energy recovery by absorption and expansion of waste heat (reduction of cooling loss and fuel consumption). Improvement).
この点、従来のこの種のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却媒体の供給状態に改良の余地があった。 In this regard, the conventional engine waste heat recovery system of this type has room for improvement in the supply state of the cooling medium.
本発明は、前記エンジンの運転状態に応じて前記冷却媒体の供給状態がより適切に制御され得る、エンジン廃熱回収システムを提供するものである。 The present invention provides an engine waste heat recovery system in which the supply state of the cooling medium can be more appropriately controlled in accordance with the operating state of the engine.
本発明のエンジン廃熱回収システムは、エンジンブロックと、冷却媒体噴射部と、蒸気導出路と、蒸気加熱器と、膨張器(expander)と、凝縮器(condenser)と、冷却媒体供給ポンプと、を備えている。 The engine waste heat recovery system of the present invention includes an engine block, a cooling medium injection section, a steam outlet, a steam heater, an expander, a condenser, a cooling medium supply pump, It has.
前記エンジンブロックには、シリンダと、燃焼室と、排気通路と、冷却媒体ジャケットと、が形成されている。前記排気通路は、前記燃焼室と連通するように設けられている。前記冷却媒体ジャケットは、前記シリンダ、前記燃焼室、及び前記排気通路に隣接するように設けられている。 The engine block is formed with a cylinder, a combustion chamber, an exhaust passage, and a cooling medium jacket. The exhaust passage is provided so as to communicate with the combustion chamber. The cooling medium jacket is provided adjacent to the cylinder, the combustion chamber, and the exhaust passage.
前記冷却媒体噴射部は、液体状の冷却媒体を前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射するように構成されている。 The cooling medium injection unit is configured to inject a liquid cooling medium toward an inner wall surface of the cooling medium jacket.
前記蒸気導出路は、前記冷却媒体ジャケットと接続されている。この蒸気導出路は、前記冷却媒体噴射部によって噴射された後に気化した前記冷却媒体の蒸気を、前記冷却媒体ジャケットの外に導出するように構成されている。 The steam outlet path is connected to the cooling medium jacket. The steam lead-out path is configured to lead out the steam of the cooling medium vaporized after being injected by the cooling medium injection unit to the outside of the cooling medium jacket.
前記蒸気加熱器は、前記蒸気導出路に介装されている。この蒸気加熱器は、前記排気通路内を通過する前記排気ガスと前記蒸気との熱交換によって、当該蒸気を加熱するように構成されている。 The steam heater is interposed in the steam lead-out path. The steam heater is configured to heat the steam by heat exchange between the exhaust gas passing through the exhaust passage and the steam.
前記膨張器は、前記蒸気導出路に介装されている。この膨張器は、前記蒸気加熱器を経た前記蒸気から機械的エネルギーを回収するように構成されている。この膨張器としては、例えば、タービン又はピストンを備えた構成が用いられ得る。 The expander is interposed in the steam outlet path. The expander is configured to recover mechanical energy from the steam that has passed through the steam heater. As this expander, the structure provided with the turbine or the piston may be used, for example.
前記凝縮器は、前記膨張器を経た前記蒸気を凝縮するように構成されている。すなわち、前記膨張器を経た前記蒸気が前記凝縮器を通過することで、当該蒸気から液体状の前記冷却媒体が生じるように、当該凝縮器が構成されている。 The condenser is configured to condense the vapor that has passed through the expander. That is, the condenser is configured such that the vapor that has passed through the expander passes through the condenser, so that the liquid cooling medium is generated from the vapor.
前記冷却媒体供給ポンプは、前記凝縮器を経て凝縮された液体状の前記冷却媒体を、前記エンジンの運転状態に応じて前記冷却媒体噴射部に供給するように構成されている。 The cooling medium supply pump is configured to supply the liquid cooling medium condensed through the condenser to the cooling medium injection unit according to the operating state of the engine.
かかる構成を有する本発明のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却媒体供給ポンプによって、液体状の前記冷却媒体が、前記エンジンの運転状態に応じて、前記冷却媒体噴射部に供給される。すると、前記冷却媒体噴射部によって、液体状の前記冷却媒体が、前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射される。これにより、前記エンジンブロックが冷却される。また、当該エンジンブロックの冷却に伴い、前記冷却媒体が吸熱し、前記冷却媒体の蒸気が発生する。 In the engine waste heat recovery system of the present invention having such a configuration, the cooling medium supply pump supplies the liquid cooling medium to the cooling medium injection unit according to the operating state of the engine. Then, the liquid cooling medium is injected toward the inner wall surface of the cooling medium jacket by the cooling medium injection unit. Thereby, the engine block is cooled. Further, as the engine block is cooled, the cooling medium absorbs heat and steam of the cooling medium is generated.
この蒸気は、前記蒸気導出路に導出され、前記蒸気加熱器に達する。この蒸気加熱器において、前記蒸気は、前記排気通路内を通過する前記排気ガスと前記蒸気との熱交換によって加熱(過熱)される。 This steam is led out to the steam lead-out path and reaches the steam heater. In this steam heater, the steam is heated (overheated) by heat exchange between the exhaust gas passing through the exhaust passage and the steam.
加熱された前記蒸気は、前記膨張器にて膨張する。これにより、前記蒸気から機械的エネルギーが回収される。この膨張器を経た前記蒸気は、前記凝縮器に達する。この凝縮器にて、前記蒸気が凝縮される。すなわち、当該凝縮器にて、前記冷却媒体が液体となる。液体となった前記冷却媒体は、再度前記冷却媒体噴射部に供給され得る。 The heated steam expands in the expander. Thereby, mechanical energy is recovered from the steam. The steam passing through the expander reaches the condenser. In this condenser, the steam is condensed. That is, the cooling medium becomes a liquid in the condenser. The cooling medium that has become liquid can be supplied again to the cooling medium ejection unit.
本発明のエンジン廃熱回収システムによれば、液体状の前記冷却媒体の前記冷却媒体噴射部及び前記冷却媒体ジャケットへの供給状態が、前記エンジンの運転状態に応じて、より適切に制御され得る。したがって、前記冷却媒体の吸熱によるエネルギー回収、及び前記エンジンブロックの冷却が、適切に行われ得る。 According to the engine waste heat recovery system of the present invention, the supply state of the liquid cooling medium to the cooling medium injection unit and the cooling medium jacket can be more appropriately controlled according to the operating state of the engine. . Therefore, energy recovery by heat absorption of the cooling medium and cooling of the engine block can be appropriately performed.
・前記冷却媒体噴射部は、前記冷却媒体を(細かい)液滴状にして、前記エンジンブロックに向けて噴射するように構成され得る。 The cooling medium injection unit may be configured to inject the cooling medium into a (fine) droplet shape and inject it toward the engine block.
かかる構成によれば、前記冷却媒体が噴射された前記冷却媒体ジャケットの内壁面における、膜沸騰現象の発生が、緩和又は抑制され得る。よって、前記エンジンブロックの冷却効率、及び廃熱からのエネルギー回収効率が、いずれも、より高くされ得る。 According to such a configuration, the occurrence of the film boiling phenomenon on the inner wall surface of the cooling medium jacket to which the cooling medium is injected can be reduced or suppressed. Therefore, the cooling efficiency of the engine block and the energy recovery efficiency from waste heat can both be made higher.
・前記エンジン廃熱回収システムは、ブロック温度センサをさらに備えていてもよい。このブロック温度センサは、前記エンジンブロックの温度に応じた出力を生じるように構成されている。この場合、前記冷却媒体供給ポンプは、前記エンジンブロックの温度が所定の噴射開始温度以上である場合の前記ブロック温度センサの前記出力に基づいて、液体状の前記冷却媒体を、前記冷却媒体噴射部に供給するように構成されている。 The engine waste heat recovery system may further include a block temperature sensor. The block temperature sensor is configured to generate an output corresponding to the temperature of the engine block. In this case, the coolant supply pump supplies the liquid coolant to the coolant injection unit based on the output of the block temperature sensor when the temperature of the engine block is equal to or higher than a predetermined injection start temperature. It is comprised so that it may supply.
かかる構成においては、前記ブロック温度センサにて、前記エンジンブロックの温度に応じた出力が生じる。この出力に応じて、前記冷却媒体ポンプの作動が制御される。すなわち、前記エンジンブロックの温度が所定の噴射開始温度以上となった場合に、前記ブロック温度センサの出力に基づいて、前記冷却媒体ポンプが駆動される。これにより、液体状の前記冷却媒体が、前記冷却媒体噴射部に供給され、前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射される。 In such a configuration, the block temperature sensor generates an output corresponding to the temperature of the engine block. The operation of the cooling medium pump is controlled according to this output. That is, when the temperature of the engine block becomes equal to or higher than a predetermined injection start temperature, the cooling medium pump is driven based on the output of the block temperature sensor. As a result, the liquid cooling medium is supplied to the cooling medium injection unit and is injected toward the inner wall surface of the cooling medium jacket.
・前記冷却媒体噴射部は、前記エンジンブロックにおける複数の位置に対応して設けられた複数のノズルを備えていて、前記エンジンの運転状態に応じて、複数の前記ノズルにおける前記冷却媒体の噴射状態を変更し得るように構成されていてもよい。 The cooling medium injection unit includes a plurality of nozzles provided corresponding to a plurality of positions in the engine block, and the cooling medium injection state at the plurality of nozzles according to the operating state of the engine You may be comprised so that it can change.
かかる構成においては、前記エンジンの運転状態に応じて、複数の前記ノズルにおける前記冷却媒体の噴射状態が変更される。したがって、前記冷却媒体の吸熱によるエネルギー回収、及び前記エンジンブロックの冷却が、より適切に行われ得る。 In such a configuration, the injection state of the cooling medium in the plurality of nozzles is changed according to the operating state of the engine. Therefore, energy recovery by heat absorption of the cooling medium and cooling of the engine block can be performed more appropriately.
・前記エンジン廃熱回収システムは、熱交換部をさらに備えていてもよい。この熱交換部は、前記冷却媒体噴射部に向かって送出される前記冷却媒体(例えば前記凝縮器を経て凝縮された液体状の前記冷却媒体)と、前記膨張器を経た前記蒸気と、の間で熱交換を行うように構成されている。 The engine waste heat recovery system may further include a heat exchange unit. This heat exchanging section is between the cooling medium sent out toward the cooling medium injection section (for example, the liquid cooling medium condensed through the condenser) and the steam through the expander. It is comprised so that heat exchange may be performed.
かかる構成においては、前記冷却媒体噴射部に向かって送出される液体状の前記冷却媒体が、前記膨張器を経た前記蒸気によって加温される。この加温された前記冷却媒体は、前記冷却媒体供給ポンプの作動によって、前記冷却媒体噴射部に再度供給される。一方、前記膨張器を経た前記蒸気は、前記冷却媒体との熱交換によって冷却される。 In this configuration, the liquid cooling medium delivered toward the cooling medium ejecting unit is heated by the steam that has passed through the expander. The heated cooling medium is supplied again to the cooling medium injection unit by the operation of the cooling medium supply pump. On the other hand, the steam that has passed through the expander is cooled by heat exchange with the cooling medium.
かかる構成によれば、前記膨張器を経た前記蒸気の熱のうちの一部が、前記凝縮器によって外部に捨てられることなく、前記冷却媒体噴射部に向かって送出される前記冷却媒体に再度取り込まれる。よって、冷却損失がよりいっそう低減され得る。 According to this configuration, a part of the heat of the steam that has passed through the expander is re-taken into the cooling medium that is sent out toward the cooling medium injection unit without being discarded outside by the condenser. It is. Therefore, the cooling loss can be further reduced.
また、かかる構成によれば、前記冷却媒体噴射部に向かって送出される液体状の前記冷却媒体が加温されることで、前記冷却媒体噴射部による前記冷却媒体の噴射の際の前記エンジンブロックに対する熱衝撃が緩和され得る。 In addition, according to this configuration, the engine block at the time of the injection of the cooling medium by the cooling medium injection unit is heated by heating the liquid cooling medium delivered toward the cooling medium injection unit The thermal shock to can be reduced.
・前記エンジン廃熱回収システムは、蒸気温度センサと、蒸気圧センサと、異常判断部と、異常報知部と、をさらに備えていてもよい。 The engine waste heat recovery system may further include a steam temperature sensor, a steam pressure sensor, an abnormality determination unit, and an abnormality notification unit.
ここで、前記蒸気温度センサは、前記蒸気導出路に介装されていて、前記蒸気の温度に応じた出力を生じるように構成されている。前記蒸気圧センサは、前記蒸気導出路に介装されていて、前記蒸気の圧力に応じた出力を生じるように構成されている。前記異常判断部は、前記蒸気温度センサ及び前記蒸気圧センサの出力に基づいて、異常の発生の有無を判断するように構成されている。前記異常報知部は、前記異常判断部によって異常の発生が判断された場合に、異常発生を報知するように構成されている。 Here, the steam temperature sensor is interposed in the steam lead-out path, and is configured to generate an output corresponding to the temperature of the steam. The steam pressure sensor is interposed in the steam lead-out path, and is configured to generate an output corresponding to the pressure of the steam. The abnormality determination unit is configured to determine whether or not an abnormality has occurred based on outputs of the steam temperature sensor and the vapor pressure sensor. The abnormality notifying unit is configured to notify the occurrence of an abnormality when the abnormality determining unit determines that an abnormality has occurred.
かかる構成においては、前記蒸気温度センサにて、前記蒸気の温度に応じた出力が生じる。また、前記蒸気圧センサにて、前記蒸気の圧力に応じた出力が生じる。これらの出力に基づいて、前記異常判断部により、本システムにおける異常の発生の有無が判断される。そして、本システムにおける異常の発生が判断された場合に、前記異常報知部により、当該異常の発生が報知される。 In such a configuration, the steam temperature sensor generates an output corresponding to the steam temperature. The vapor pressure sensor generates an output corresponding to the vapor pressure. Based on these outputs, the abnormality determination unit determines whether an abnormality has occurred in the system. When the occurrence of an abnormality in the system is determined, the abnormality notification unit notifies the occurrence of the abnormality.
・前記エンジン廃熱回収システムは、異常時運転制御部をさらに備えていてもよい。この異常時運転制御部は、前記異常判断部によって異常の発生が判断された場合に、前記エンジンの運転状態を所定の異常時運転モードに制御するように構成されている。 The engine waste heat recovery system may further include an abnormal operation control unit. The abnormal-time operation control unit is configured to control the operation state of the engine to a predetermined abnormal-time operation mode when occurrence of an abnormality is determined by the abnormality determination unit.
かかる構成においては、前記異常判断部によって本システムにおける異常の発生が判断された場合に、前記異常時運転制御部によって、前記エンジンの運転状態が、所定の異常時運転モードに制御される。 In such a configuration, when the occurrence of an abnormality in the system is determined by the abnormality determination unit, the operation state of the engine is controlled to a predetermined abnormality operation mode by the abnormality operation control unit.
以下、本発明の実施形態(本願の出願時点において取り敢えず出願人が最良と考えている実施形態)について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention (embodiments that the applicant considers best at the time of filing of the present application) will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係るエンジン廃熱回収システム100の概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an engine waste
<エンジンブロックの構成>
図1を参照すると、エンジン廃熱回収システム100は、直列多気筒型のガソリンエンジンの本体を構成するエンジンブロック110を備えている。このエンジンブロック110は、シリンダブロック120と、シリンダヘッド130と、から構成されている。シリンダヘッド130の下端面は、シリンダブロック120の上端面と接合されている。
<Engine block configuration>
Referring to FIG. 1, an engine waste
シリンダブロック120には、略円筒形状の貫通孔であるシリンダ121が形成されている。シリンダ121は、その上端部が燃焼室CCと連通するように設けられている。このシリンダ121内には、ピストン122が、シリンダ121の高さ方向(図中上下方向)に沿って往復運動可能に収容されている。
The
また、シリンダブロック120には、本発明の冷却媒体ジャケットを構成するロアジャケット123が形成されている。ロアジャケット123は、シリンダ121を囲むように設けられている。すなわち、ロアジャケット123は、シリンダ121に隣接するように設けられている。このロアジャケット123は、平面視にて略リング状の空間であって、その内部を冷却水及びその蒸気が通過し得るように構成されている。
Further, the
シリンダヘッド130には、吸気ポート131と、排気ポート132と、が形成されている。吸気ポート131と排気ポート132は、シリンダ121の上端部及び燃焼室CCと連通するように設けられている。また、排気ポート132は、排気通路133と接続されている。すなわち、排気通路133は、燃焼室CCと連通するように設けられている。
An
本実施形態においては、吸気ポート131は、気筒配列方向に沿って2つ設けられている。そして、一対の吸気ポート131は、シリンダ121の軸中心を通る平面を挟んで、ほぼ対称に形成されている。同様に、排気ポート132も、気筒配列方向に沿って2つ設けられている。
In the present embodiment, two
シリンダヘッド130の内部には、本発明の冷却媒体ジャケットを構成するアッパージャケット134が形成されている。
An
アッパージャケット134は、その内部を、液体状の冷却水及びその蒸気が通過し得るように構成された空間である。このアッパージャケット134は、吸気ポート131、排気ポート132、及び燃焼室CCに隣接するように設けられている。すなわち、アッパージャケット134は、一対の吸気ポート131の間、一対の排気ポート132の間、及び吸気ポート131と排気ポート132との間、に設けられている。また、アッパージャケット134は、ロアジャケット123の上端部と連通するように設けられている。
The
シリンダヘッド130の上部には、蒸気排出口135が形成されている。具体的には、蒸気排出口135は、アッパージャケット134の最上部から上方に延びるように設けられている。蒸気排出口135は、アッパージャケット134の最上部と接続されている。この蒸気排出口135は、アッパージャケット134内の蒸気を、当該アッパージャケット134の外に排出し得るように構成されている。
A
<廃熱回収部の構成>
エンジン廃熱回収システム100は、廃熱回収部140を備えている。廃熱回収部140は、アッパージャケット134から蒸気排出口135を介して排出された蒸気、及び排気ポート132を介して排気通路133に排出された排気ガスの熱を機械的エネルギーに変換して回収し得るように、以下の構成を備えている。
<Configuration of waste heat recovery unit>
The engine waste
蒸気導出路141は、蒸気排出口135を介して、アッパージャケット134と接続されている。この蒸気導出路141は、蒸気排出口135から排出された蒸気の通路であって、ロアジャケット123及びアッパージャケット134にて発生した冷却水の蒸気をエンジンブロック110(ロアジャケット123及びアッパージャケット134)の外に導出するように構成されている。
The steam lead-out
蒸気導出路141には、本発明の蒸気加熱器としての過熱器142が介装されている。また、過熱器142は、排気通路133と接続されている。この過熱器142は、排気ガスと蒸気との熱交換によって、蒸気を加熱し得るように構成されている。すなわち、過熱器142は、蒸気排出口135から排出された蒸気を排気ガスで加熱することで、過熱蒸気を生成し得るように構成されている。
A
蒸気導出路141の、過熱器142よりも蒸気の流動方向における下流側には、本発明の膨張器としてのタービン143が介装されている。このタービン143は、過熱器142を経て生成された過熱蒸気から、機械的エネルギーを回収し得るように構成されている。すなわち、タービン143は、回転羽根を備えていて、過熱器142から導入された過熱蒸気の膨張によって当該回転羽根が回転するように構成されている。
A
蒸気導出路141の、タービン143よりも蒸気の流動方向における下流側には、本発明の凝縮器としてのコンデンサ144が介装されている。このコンデンサ144は、タービン143を経た蒸気を、外気との熱交換によって冷却することで、凝縮し得るように構成されている。このコンデンサ144は、ラジエータと同様の構成を有している。
A
コンデンサ144には、冷却水流路145が接続されている。冷却水流路145は、コンデンサ144によって凝縮されて液体となった冷却水の通路であって、その始端部にコンデンサ144が接続され、前記始端部と反対側の末端部に冷却水供給ポンプ146が接続されている。
A cooling
本発明の冷却媒体供給ポンプとしての冷却水供給ポンプ146は、電動ポンプであって、コンデンサ144を経て凝縮された液体状の冷却水を、エンジンの運転状態に応じて、後述する冷却水噴射部150に供給するように構成されている。
The cooling
冷却水流路145の中途から分岐するように、分岐路147が設けられている。分岐路147は、熱交換器148に向けて冷却水を供給し、熱交換器148を経た冷却水を冷却水流路145に戻すように構成されている。
A
本発明の熱交換部としての熱交換器148は、蒸気導出路141におけるタービン143とコンデンサ144との間の位置に介装されている。この熱交換器148は、コンデンサ144を経て凝縮された液体状の冷却水と、タービン143を経た蒸気と、の間での熱交換により、分岐路147内の冷却水を加温し得るように構成されている。
The
冷却水流路145と分岐路147との分岐箇所には、三方弁149が介装されている。
A three-
<冷却水噴射部の構成>
上述のように、冷却水噴射部150は、冷却水供給ポンプ146と接続されている。この冷却水噴射部150は、エンジンの運転状態に応じて、液体状の冷却水を、ロアジャケット123及びアッパージャケット134の内壁面に向けて噴射し得るように、以下の構成を備えている。
<Configuration of cooling water injection unit>
As described above, the cooling
エンジンブロック110には、複数のノズル151(151Aないし151E)が装着されている。これら複数のノズル151は、エンジンブロック110における異なる位置に対応して設けられていて、ロアジャケット123やアッパージャケット134の内壁面に液体状の冷却水を噴射するように構成されている。
The
具体的には、ノズル151は、燃料噴射用ノズルと同様の構造を有していて、冷却水を微小液滴状にして勢いよく噴射し得るように構成されている。
Specifically, the
ノズル151Aは、シリンダヘッド130に装着されている。このノズル151Aは、アッパージャケット134の内壁面における、隣り合う排気ポート132の間であって且つ燃焼室CCの近傍の位置に対応するように設けられている。
The
ノズル151Bは、シリンダブロック120に装着されている。このノズル151Bは、ロアジャケット123のシリンダ121側の内壁面における上端部であって、燃焼室CCの近傍の位置に対応するように設けられている。
The
ノズル151Cは、シリンダヘッド130に装着されている。このノズル151Cは、アッパージャケット134の内壁面における、隣り合う燃焼室CCの間の位置に対応するように設けられている。
The
ノズル151Dは、シリンダヘッド130に装着されている。このノズル151Dは、アッパージャケット134の内壁面の、気筒配列方向における両端部(例えば直列4気筒エンジンであればNo.1シリンダのフロント側の端部及びNo.4シリンダのリヤ側の端部)であって、燃焼室CCの近傍の位置に対応するように設けられている。
The
ノズル151Eは、シリンダブロック120に装着されている。このノズル151Eは、ロアジャケット123のシリンダ121側の内壁面における上端部よりもやや下方の位置に対応するように設けられている。
The
ノズル151A、151B、151C、151D、及び151Eは、冷却水供給路152を介して、冷却水供給ポンプ146と接続されている。
The
冷却水供給路152には、複数のノズル制御弁153が介装されている。このノズル制御弁153は、開閉弁からなり、ノズル151における冷却水の噴射の有無を切り換えるように構成されている。すなわち、ノズル制御弁153A、153B、153C、153D、及び153Eは、それぞれ、ノズル151A、151B、151C、151D、及び151Eにおける冷却水の噴射の有無を切り換えるように、構成及び配置されている。
A plurality of
冷却水噴射部150は、エンジンの運転状態に応じて、電子制御ユニット(ECU)160の制御下でノズル制御弁153A、153B、153C、153D、及び153Eの開閉状態を変更することで、ノズル151A、151B、151C、151D、及び151Eにおける冷却水の噴射状態を変更し得るように構成されている。
The cooling
<制御部の構成>
エンジン廃熱回収システム100は、電子制御ユニット(ECU)160と、ブロック壁温センサ161と、ヘッド壁温センサ162と、蒸気温度センサ163と、蒸気圧センサ164と、を備えている。
<Configuration of control unit>
The engine waste
ECU160は、CPU、ROM、RAM、インタフェース等を備えている。ROMには、CPUによって実行されるルーチン(プログラム)や、ルーチン実行の際に参照されるテーブル(ルックアップテーブル、マップ)及びパラメータ等が予め記憶されている。RAMは、CPUによるルーチン実行の際に、必要に応じてデータを一時的に格納し得るようになっている。ECU160は、インタフェースを介して、冷却水供給ポンプ146、三方弁149、ノズル制御弁153、ブロック壁温センサ161、ヘッド壁温センサ162、蒸気温度センサ163、及び蒸気圧センサ164と電気的に接続されている。
The
本発明のブロック温度センサとしてのブロック壁温センサ161は、シリンダブロック120の温度に応じた出力を生じるように構成されている。このブロック壁温センサ161は、シリンダブロック120の上端部における、最も高温となるような位置に設けられている。具体的には、ブロック壁温センサ161は、気筒配列方向における中央寄りの隣り合うシリンダ121の間(例えば直列4気筒エンジンであればNo.2シリンダとNo.3シリンダとの間)であって、燃焼室CCの近傍の位置に設けられている。
The block
本発明のブロック温度センサとしてのヘッド壁温センサ162は、シリンダヘッド130の温度に応じた出力を生じるように構成されている。このヘッド壁温センサ162は、シリンダヘッド130における、最も高温となるような位置に設けられている。具体的には、ヘッド壁温センサ162は、気筒配列方向における最も中央寄りのシリンダ121(例えば直列4気筒エンジンであればNo.2シリンダ及びNo.3シリンダ)に対応する排気ポート132の近傍位置(隣り合う排気ポート132の間)に設けられている。
The head
蒸気温度センサ163及び蒸気圧センサ164は、蒸気導出路141に介装されている。蒸気温度センサ163は、蒸気導出路141内の蒸気の温度に応じた出力を生じるように構成されている。蒸気圧センサ164は、蒸気導出路141内の蒸気の圧力に応じた出力を生じるように構成されている。
The
本発明の異常判断部、異常報知部、及び異常時運転制御部を構成するECU160は、上述の各センサからの出力信号に基づいて、エンジンやエンジン廃熱回収システム100の各部の動作を制御するように構成されている。
ECU160 which comprises the abnormality determination part of this invention, the abnormality alerting | reporting part, and the abnormality time operation control part controls operation | movement of each part of an engine or the engine waste
すなわち、ECU160は、シリンダブロック120又はシリンダヘッド130の温度が所定の噴射開始温度以上である場合の、ブロック壁温センサ161又はヘッド壁温センサ162の出力に基づいて、冷却水供給ポンプ146を駆動させつつノズル制御弁153Aないし153Eの開閉状態を制御することで、ノズル151Aないし151Eに液体状の冷却水をロアジャケット123やアッパージャケット134の内壁面に向けて噴射させるように構成されている。
That is,
また、ECU160は、蒸気温度センサ163及び蒸気圧センサ164の出力に基づいて、異常の発生の有無を判断し、異常の発生が判断された場合に、図示しないウォーニングランプ等によって異常発生を運転者に報知するように構成されている。
The
また、ECU160は、異常の発生が判断された場合に、エンジンの運転状態を所定の異常時運転モード(デフォルトモード)に制御するように構成されている。
Further,
<実施形態のエンジン廃熱回収システムの動作>
以下、上述の構成を有する本実施形態のエンジン廃熱回収システム100の動作について、図1の符号を適宜参照しつつ説明する。
<Operation of Engine Waste Heat Recovery System of Embodiment>
Hereinafter, the operation of the engine waste
<<廃熱回収動作>>
図2は、図1に示されている冷却水噴射部150の、シリンダブロック120の温度(ブロック壁温)に応じた動作の様子を示す表である。図3は、図2に対応して、冷却水噴射部150の動作の様子を時系列で示すグラフである。なお、図2の表は、冷却水温や運転履歴(積算燃料噴射量等)に応じて複数用意されている。
<< Waste heat recovery operation >>
FIG. 2 is a table showing how the cooling
図2及び図3を参照すると、エンジン始動直後からブロック壁温がTAに達するまでは、冷却水供給ポンプ146は停止していて、ノズル制御弁153Aないし153Eはすべて閉弁している。よって、ノズル151による冷却水の噴射は行われない。
Referring to FIGS. 2 and 3, the cooling
ブロック壁温がTA以上に達すると、冷却水供給ポンプ146が作動し、ノズル制御弁153Aないし153Eの開閉状態が制御される。すると、ノズル151から、ロアジャケット123やアッパージャケット134の内壁面の特定の部分に向けて冷却水が噴射される(スプレー冷却)。これにより、当該部分が冷却されるとともに、冷却水が蒸発して飽和蒸気が発生する。
When the block wall temperature reaches TA or higher, the cooling
ブロック壁温がTA以上TB未満の場合、冷却水供給ポンプ146の作動電圧がVAとされ、ノズル制御弁153Aないし153Eのうちの153Aのみが開弁される(それ以外は閉弁される:以下同様)。すると、ノズル151Aから冷却水が噴射される(スプレー冷却1)。これにより、ノズル151Aに対向する冷却部位A(アッパージャケット134の内壁面における、隣り合う排気ポート132の間であって且つ燃焼室CCの近傍の部分)が冷却されるとともに、アッパージャケット134内にて飽和蒸気が発生する。
When the block wall temperature is TA or more and less than TB, the operating voltage of the cooling
なお、この場合、冷却水温は低い。そこで、この場合、三方弁149によって、冷却水流路145における最上流部(コンデンサ144と三方弁149との間の部分)と分岐路147とが連通され、当該最上流部と冷却水流路145における三方弁149よりも下流側との直接的な連通が遮断される。
In this case, the cooling water temperature is low. Therefore, in this case, the three-
すると、コンデンサ144を経た冷却水が、分岐路147を介して熱交換器148に流される。この熱交換器148にて、冷却水噴射部150に向かう冷却水が、蒸気との熱交換により加温される。これにより、冷却水の噴射によるシリンダヘッド130に対する熱衝撃が緩和されるとともに、冷却水の飽和蒸気化が促進される。
Then, the cooling water that has passed through the
ブロック壁温がTB以上TC未満の場合、冷却水供給ポンプ146の作動電圧がVAよりも高いVBとされ、ノズル制御弁153Aないし153Eのうちの153A及び153Bが開弁される。すると、ノズル151A及びノズル151Bから冷却水が噴射される(スプレー冷却2)。これにより、冷却部位Aに加えて、ノズル151Bに対向する冷却部位B(ロアジャケット123のシリンダ121側の内壁面における上端部であって、燃焼室CCの近傍の部分)が冷却されるとともに、ロアジャケット123及びアッパージャケット134内にて飽和蒸気が発生する。
When the block wall temperature is equal to or higher than TB and lower than TC, the operating voltage of the cooling
ブロック壁温がTC以上TD未満の場合、冷却水供給ポンプ146の作動電圧がVBよりも高いVCとされ、ノズル制御弁153Aないし153Eのうちの153Aないし153Cが開弁される。すると、ノズル151Aないしノズル151Cから冷却水が噴射される(スプレー冷却3)。これにより、冷却部位A及びBに加えて、ノズル151Cに対向する冷却部位C(アッパージャケット134の内壁面における、隣り合う燃焼室CCの間の部分)が冷却されるとともに、ロアジャケット123及びアッパージャケット134内にて飽和蒸気が発生する。
When the block wall temperature is equal to or higher than TC and lower than TD, the operating voltage of the cooling
なお、この場合、三方弁149によって、冷却水流路145における前記最上流部と分岐路147との連通が遮断され、当該最上流部と冷却水流路145における三方弁149よりも下流側とが直接的に連通される。すなわち、熱交換器148はバイパスされる。これにより、冷却効率が良好になる。
In this case, the three-
ブロック壁温がTD以上TE未満の場合、冷却水供給ポンプ146の作動電圧がVCよりも高いVDとされ、ノズル制御弁153Aないし153Eのうちの153Aないし153Dが開弁される。すると、ノズル151Aないしノズル151Dから冷却水が噴射される(スプレー冷却4)。これにより、冷却部位AないしCに加えて、ノズル151Dに対向する冷却部位D(アッパージャケット134の内壁面の気筒配列方向における両端部であって、燃焼室CCの近傍の部分)が冷却されるとともに、ロアジャケット123及びアッパージャケット134内にて飽和蒸気が発生する。
When the block wall temperature is equal to or higher than TD and lower than TE, the operating voltage of the cooling
ブロック壁温がTE以上の場合、冷却水供給ポンプ146の作動電圧がVDよりも高いVEとされ、ノズル制御弁153Aないし153Eのすべてが開弁される。すると、ノズル151Aないしノズル151Eから冷却水が噴射される(スプレー冷却5)。これにより、冷却部位AないしDに加えて、ノズル151Eに対向する冷却部位E(ロアジャケット123のシリンダ121側の内壁面における上端部よりもやや下方の部分:すなわち冷却部位Bよりやや下方の部分)が冷却されるとともに、ロアジャケット123及びアッパージャケット134内にて飽和蒸気が発生する。
When the block wall temperature is equal to or higher than TE, the operating voltage of the cooling
このようにしてロアジャケット123及びアッパージャケット134内にて発生した飽和蒸気は、アッパージャケット134の最上部に設けられた蒸気排出口135を介して、蒸気導出路141に導出される。
The saturated steam generated in the
蒸気導出路141に導出された蒸気は、過熱器142にて、排気ガスとの熱交換によって加熱され、過熱蒸気となる。過熱器142にて発生した過熱蒸気は、タービン143にて、膨張により、前記回転羽根を回転させる。これにより、過熱蒸気の有する熱エネルギーが、タービン143の前記回転羽根の運動(回転)のエネルギーに変換される。すなわち、過熱蒸気から機械的エネルギーが回収される。
The steam led out to the steam lead-out
タービン143を経て低エネルギーとなった蒸気は、コンデンサ144にて冷却されることで、凝縮される。コンデンサ144にて液体状となった冷却水は、冷却水流路145を介して再び冷却水供給ポンプ146に供給される。
The steam that has become low energy through the
<<異常検知・異常時運転制御動作>>
図4は、図1に示されているECU160によって実行される異常検知ルーチン400を示すフローチャートである。以下、図4及び必要に応じて図1の符号を参照しつつ、本実施形態のエンジン廃熱回収システム100の異常検知及び異常時運転制御動作について説明する。
<< Abnormality detection / operation control during abnormality >>
FIG. 4 is a flowchart showing an
なお、本動作例においては、上述の動作例とは異なり、以下の条件で冷却水供給ポンプ146が作動する:(1)ブロック壁温Teが所定温度TA(例えば105℃)未満である場合、冷却水供給ポンプ146が停止される。(2)ブロック壁温TeがTA以上である場合であって、エンジン回転数Neが所定値Ne1以上且つ現在のサイクルの燃料噴射量Gが所定値G1以上であるときには、冷却水供給ポンプ146が駆動電圧V1で駆動される。(3)ブロック壁温TeがTA以上である場合であっても、エンジン回転数NeがNe1未満又は燃料噴射量GがG1未満のときには、冷却水供給ポンプ146が停止される。
In this operation example, unlike the above-described operation example, the cooling
また、本動作例においては、蒸気温度と蒸気圧との関係を表すアントワン式
LogP=X−(Y/(T+Z))
(Pは水蒸気圧[mmHg]、Tは水蒸気温度[℃]、XないしZは定数で、
X=8.02754、Y=1705.616、Z=231.505)
に基づいて、蒸気温度と蒸気圧が以下の関係を満たさない場合に、蒸気温度センサ163や蒸気圧センサ164の異常、あるいは蒸気漏れ等の、エンジン廃熱回収システム100の異常が検知されるようになっている。
P=(10α)±β
(α=X−(Y/(T+Z)、
βは蒸気圧のばらつきを考慮した定数でβ=50)
Moreover, in this operation example, the Antoine formula representing the relationship between the steam temperature and the steam pressure.
LogP = X− (Y / (T + Z))
(P is the water vapor pressure [mmHg], T is the water vapor temperature [° C.], X to Z are constants,
X = 8.002754, Y = 1705.616, Z = 231.505)
On the basis of the above, when the steam temperature and the steam pressure do not satisfy the following relationship, an abnormality of the
P = (10 α ) ± β
(Α = X− (Y / (T + Z),
β is a constant that takes into account variations in vapor pressure, β = 50)
本ルーチン400は、所定のタイミング毎(例えば所定時間毎)に繰り返し実行される。また、以下のフローチャートにおいて、ブロック壁温Teはブロック壁温センサ161の出力に基づくブロック壁温の検出値であり、蒸気温度Tvは蒸気温度センサ163の出力に基づく蒸気温度の検出値であり、蒸気圧Pvは蒸気圧センサ164の出力に基づく蒸気圧の検出値である。
This routine 400 is repeatedly executed at every predetermined timing (for example, every predetermined time). In the following flowchart, the block wall temperature Te is a detected value of the block wall temperature based on the output of the block
本ルーチン400が起動されると、まず、ステップ405(以下、ステップを「S」と略記する。)にて、ブロック壁温TeがTA以上であるか否かが判定される。ブロック壁温TeがTA未満である場合(S405=No)、処理がS410に進み、冷却水供給ポンプ146が停止され、本ルーチンがいったん終了する。ブロック壁温TeがTA以上である場合(S405=Yes)、処理がS415に進む。
When the routine 400 is started, first, at step 405 (hereinafter, step is abbreviated as “S”), it is determined whether or not the block wall temperature Te is equal to or higher than TA. When the block wall temperature Te is less than TA (S405 = No), the process proceeds to S410, the cooling
S415にて、エンジン回転数NeがNe1以上であるか否かが判定される。エンジン回転数NeがNe1未満である場合(S415=No)、処理がS410に進み、冷却水供給ポンプ146が停止され、本ルーチンがいったん終了する。エンジン回転数Neが所定値Ne1以上である場合(S415=Yes)、処理がS420に進む。
In S415, it is determined whether or not the engine speed Ne is Ne1 or more. When the engine speed Ne is less than Ne1 (S415 = No), the process proceeds to S410, the cooling
S420にて、燃料噴射量GがG1以上であるか否かが判定される。燃料噴射量GがG1未満である場合(S420=No)、処理がS410に進み、冷却水供給ポンプ146が停止され、本ルーチンがいったん終了する。燃料噴射量GがG1以上である場合(S420=Yes)、処理がS425に進む。
In S420, it is determined whether or not the fuel injection amount G is G1 or more. When the fuel injection amount G is less than G1 (S420 = No), the process proceeds to S410, the cooling
S425にて、冷却水供給ポンプ146が通常時の作動電圧V1で駆動開始されるとともに、ノズル151における冷却水噴射が開始される。その後、S430にて、冷却水供給ポンプ146の駆動開始から所定時間t1が経過するまで待機される。
In S425, the cooling
冷却水供給ポンプ146の駆動開始から所定時間t1が経過すると(S430=Yes)、S440にて、蒸気温度Tvが所定温度Tb(例えば240℃)と所定温度Tc(例えば325℃)との間にあるか否かが判定される。 When the predetermined time t1 has elapsed from the start of driving of the cooling water supply pump 146 (S430 = Yes), in S440, the steam temperature Tv is between a predetermined temperature Tb (for example, 240 ° C.) and a predetermined temperature Tc (for example, 325 ° C.). It is determined whether or not there is.
蒸気温度TvがTbとTcとの間にある場合(S440=Yes)、処理がS445に進み、蒸気圧PvがPd−50(Pdはアントワン式にT=Tbを代入した場合のPの値)とPe+50(Peはアントワン式にT=Tcを代入した場合のPの値)との間にあるか否かが判定される。PvがPd−50とPe+50との間にある場合(S445=Yes)、本ルーチンがいったん終了する。 When the steam temperature Tv is between Tb and Tc (S440 = Yes), the process proceeds to S445, and the steam pressure Pv is Pd-50 (Pd is the value of P when T = Tb is substituted into the Antoine equation). And Pe + 50 (Pe is the value of P when T = Tc is substituted into the Antoine equation). When Pv is between Pd−50 and Pe + 50 (S445 = Yes), this routine is once ended.
蒸気温度TvがTbとTcとの間でない場合(S440=No)、処理がS450に進む。S450においては、蒸気温度TvがTbより低いか否かが判定される。 When the steam temperature Tv is not between Tb and Tc (S440 = No), the process proceeds to S450. In S450, it is determined whether or not the steam temperature Tv is lower than Tb.
蒸気温度TvがTbより低い場合(S450=Yes)、処理がS455に進む。S445においては、蒸気圧PvがPd+50より低いか否かが判定される。蒸気圧PvがPd+50より低い場合(S455=Yes)、処理がS410に進み、冷却水供給ポンプ146が停止され、本ルーチンがいったん終了する。
When the steam temperature Tv is lower than Tb (S450 = Yes), the process proceeds to S455. In S445, it is determined whether or not the vapor pressure Pv is lower than Pd + 50. When the vapor pressure Pv is lower than Pd + 50 (S455 = Yes), the process proceeds to S410, the cooling
蒸気温度TvがTbより低くない場合(S450=No)、処理がS460に進む。S460においては、蒸気温度TvがTcより高いか否かが判定される。蒸気温度TvがTcより高い場合(S460=Yes)、蒸気温度センサ163による蒸気温度Tvの検出温度が、正常運転時における蒸気の最高到達温度よりも高いこととなる。
When the steam temperature Tv is not lower than Tb (S450 = No), the process proceeds to S460. In S460, it is determined whether or not the steam temperature Tv is higher than Tc. When the steam temperature Tv is higher than Tc (S460 = Yes), the detected temperature of the steam temperature Tv by the
よって、この場合、エンジン廃熱回収システム100の異常(蒸気温度センサ163の異常や冷却水不足等)が生じていると考えられる。そこで、処理がS465に進み、冷却水供給ポンプ146が、通常時の駆動電圧V1よりも高い電圧V2で所定時間駆動された後、さらに高い電圧V3で所定時間駆動される。その後、処理がS470に進み、エンジンの運転モードがデフォルトモード(アクセル開度にかかわらず一定の低負荷運転のみが可能となるモード)に設定され、本ルーチンがいったん終了する。
Therefore, in this case, it is considered that an abnormality of the engine waste heat recovery system 100 (an abnormality of the
蒸気温度Tvが、TbとTcとの間になく、Tbより低くなく、且つTcより高くない場合(S440=No→S450=No→S460=No)は、論理的には通常あり得ない。よって、この場合、エンジン廃熱回収システム100の異常、特に、蒸気温度センサ163が故障していて当該蒸気温度センサ163からの出力がないか異常値となっていることが想定される。そこで、この場合、処理がS470に進み、エンジンの運転モードがデフォルトモードに設定され、本ルーチンがいったん終了する。
When the steam temperature Tv is not between Tb and Tc, is not lower than Tb, and is not higher than Tc (S440 = No → S450 = No → S460 = No), it is logically impossible. Therefore, in this case, it is assumed that the engine waste
蒸気温度TvがTbより低いにもかかわらず、蒸気圧Pvが、Pd+50(Pdはアントワン式にT=Tbを代入した場合の蒸気圧。Pd+50は、ばらつきを考慮した、蒸気温度がTbである場合に対応する蒸気圧。)より低くない場合(S450=Yes→S455=No)、蒸気圧センサ164による蒸気圧の検出値が、本来の蒸気圧よりも高めに出ていることになる。すなわち、エンジン廃熱回収システム100の異常(蒸気圧センサ164の異常等)が生じていることが想定される。そこで、この場合、処理がS470に進み、エンジンの運転モードがデフォルトモードに設定され、本ルーチンがいったん終了する。
Despite the vapor temperature Tv being lower than Tb, the vapor pressure Pv is Pd + 50 (Pd is the vapor pressure when T = Tb is substituted into the Antoine equation. Pd + 50 is the case where the vapor temperature is Tb considering variation (S450 = Yes → S455 = No), the detected value of the vapor pressure by the
蒸気温度TvがTbとTcとの間にあるにもかかわらず、PvがPd−50とPe+50との間(Pdはアントワン式にT=Tbを代入した場合のPの値、Peはアントワン式にT=Tcを代入した場合のPの値)にない場合(S440=Yes→S445=No)、蒸気温度センサ163の出力と蒸気圧センサ164の出力とに食い違いが生じていることとなる。すなわち、エンジン廃熱回収システム100の異常(蒸気温度センサ163の異常、蒸気圧センサ164の異常、等)が生じていることが想定される。そこで、この場合、この場合、処理がS470に進み、エンジンの運転モードがデフォルトモードに設定され、本ルーチンがいったん終了する。
Despite the steam temperature Tv between Tb and Tc, Pv is between Pd−50 and Pe + 50 (Pd is the value of P when T = Tb is substituted for the Antoine equation, Pe is the Antoine equation) If T = the value of P when Tc is substituted) (S440 = Yes → S445 = No), there is a discrepancy between the output of the
<実施形態の構成による効果>
以下、上述のような本実施形態の構成による効果について説明する。
<Effects of Configuration of Embodiment>
Hereinafter, effects of the configuration of the present embodiment as described above will be described.
・本実施形態の構成によれば、冷却水供給ポンプ146、ノズル151、及びノズル制御弁153の動作状態が、エンジンの運転状態に応じて制御されることで、ノズル151(151Aないし151E)による冷却水の噴射状態(噴射タイミング、噴射圧力、噴射水量、及び噴射部位)が、エンジンの運転状態に応じて適切に制御される。したがって、エンジンブロック110の冷却及び廃熱回収が、より適切に行われ得る。
-According to the configuration of the present embodiment, the operating states of the cooling
・本実施形態の構成においては、微小液滴状の冷却水が、冷却水噴射部150によって、ロアジャケット123及びアッパージャケット134の内壁面に、勢いよく噴射される。すなわち、当該内壁面に対して、液体状の冷却水が、勢いよく衝突する。
In the configuration of the present embodiment, the cooling water in the form of fine droplets is jetted vigorously on the inner wall surfaces of the
これにより、当該内壁面に付着している、冷却水の蒸気による気泡が、良好に弾き飛ばされる。よって、高負荷運転等により、エンジンブロック110(特にシリンダヘッド130における排気ポート132付近)が高温になって、当該内壁面にて大量の気泡が発生した場合であっても、膜沸騰現象の発生が、緩和又は抑制され得る。
Thereby, the bubble by the vapor | steam of the cooling water adhering to the said inner wall surface is blown off favorably. Therefore, even when the engine block 110 (particularly near the
したがって、かかる構成によれば、エンジンブロック110(特にシリンダヘッド130における排気ポート132付近)の冷却が、良好に行われる。
Therefore, according to this configuration, the engine block 110 (particularly, the vicinity of the
また、エンジンブロック110にて発生している廃熱による冷却水の昇温及び気化が、効率的に行われる。よって、廃熱からの機械的エネルギーの回収効率が良好となる。
Further, the temperature rise and vaporization of the cooling water by the waste heat generated in the
・本実施形態の構成によれば、コンデンサ144を経た冷却水が、熱交換器148にて、タービン143を経た蒸気との熱交換により加温される。これにより、タービン143を経た蒸気の熱のうちの一部が、コンデンサ144によって外部に捨てられることなく、冷却水噴射部150に向かって送出される冷却水に再度取り込まれる。よって、本エンジン廃熱回収システム100における冷却損失が、よりいっそう低減され得る。
According to the configuration of the present embodiment, the cooling water that has passed through the
また、かかる構成によれば、冷却水噴射部150に向かって送出される冷却水が加温されることで、ノズル151からの冷却水の噴射による、シリンダヘッド130における熱衝撃が緩和されるとともに、冷却水の飽和蒸気化が促進される。
In addition, according to this configuration, the cooling water delivered toward the cooling
<変形例の例示列挙>
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。
<List of examples of modification>
Note that, as described above, the above-described embodiments are merely examples of typical embodiments of the present invention that the applicant has considered to be the best at the time of filing of the present application. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment. Therefore, it goes without saying that various modifications can be made to the above-described embodiment without departing from the essential part of the present invention.
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材に対しては、上述の実施形態と同様の符号が付されているものとする。また、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が援用され得るものとする。 Hereinafter, some typical modifications will be exemplified. In the following description of modifications, members having the same configuration and function as those described in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals as those in the above-described embodiment. Moreover, within the range which is not technically contradictory, description in the above-mentioned embodiment shall be used.
もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたもの限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。 However, it goes without saying that the modifications are not limited to those listed below. In addition, a plurality of modified examples can be applied in a composite manner as appropriate within a technically consistent range.
本発明(特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの)は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、(先願主義の下で出願を急ぐ)出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。 The present invention (especially those expressed functionally and functionally in the constituent elements constituting the means for solving the problems of the present invention) is based on the above-described embodiment and the description of the following modifications. Should not be construed as limited. Such a limited interpretation is unacceptable and improper for imitators, while improperly harming the applicant's interests (rushing to file under a prior application principle).
(A)本発明の適用対象は、直列型エンジンに限定されない。例えば、本発明は、V型、W型、水平対向型のいずれにも好適に適用され得る。 (A) The application target of the present invention is not limited to an inline engine. For example, the present invention can be suitably applied to any of V type, W type, and horizontally opposed type.
また、本発明の適用対象は、ガソリンエンジンに限定されない。例えば、本発明は、ディーゼルエンジンにも適用され得る。 Moreover, the application object of this invention is not limited to a gasoline engine. For example, the present invention can be applied to a diesel engine.
(B)本発明において、バルブ数に限定はない。すなわち、吸気ポート131及び排気ポート132の数に限定はない。
(B) In the present invention, the number of valves is not limited. That is, the number of
(C)タービン143に備えられた前記回転羽根の回転エネルギーは、電気に変換されてもよいし、他の回転駆動系の動力源として用いられてもよい。
(C) The rotational energy of the rotary blades provided in the
また、タービン143に代えて、ピストンを備えた機構が用いられてもよい。
Moreover, it replaces with the
(D)冷却水供給ポンプ146の構成や駆動方式に限定はない。
(D) There is no limitation on the configuration and driving method of the cooling
例えば、冷却水供給ポンプ146は、エンジンの出力軸にて発生した駆動力を、クラッチを含む動力伝達機構を介して受け取るように構成されていてもよい。
For example, the cooling
あるいは、冷却水供給ポンプ146は、タービン143の前記回転羽根にて発生した駆動力を、動力伝達機構を介して受け取るように構成されていてもよい。
Alternatively, the cooling
あるいは、冷却水供給ポンプ146は、タービン143を介して回収された電気エネルギーによって回転駆動されるように構成されていてもよい。
Alternatively, the cooling
(E)異常検知及び異常時の処理の動作も、図4のフローチャートにて示された態様以外に、様々な態様が用いられ得る。 (E) Various aspects other than the aspect shown in the flowchart of FIG. 4 may be used for the operation of abnormality detection and processing at the time of abnormality.
例えば、ブロック壁温Teは、ヘッド壁温センサ162の出力に基づくものであってもよい。
For example, the block wall temperature Te may be based on the output of the head
また、異常検知のために用いられる、蒸気温度と蒸気圧との関係としては、アントワン式に限定されない。例えば、クラウジウス−クラペイロンの式等も用いられ得る。 Further, the relationship between the steam temperature and the steam pressure used for abnormality detection is not limited to the Antoine type. For example, the Clausius-Clapeyron equation may be used.
(F)センサによる温度や圧力の取得に代えて、エンジン運転履歴に基づく温度や圧力の推定が行われてもよい。 (F) Instead of acquiring temperature and pressure by a sensor, estimation of temperature and pressure based on the engine operation history may be performed.
(G)デフォルトモードも、上述の実施形態に記載の態様に限定されない。あるいは、本エンジン廃熱回収システム100がハイブリッド車に搭載される場合、「デフォルトモード」は、エンジンによる運転を禁止してモータによる運転のみを許可するモードとされてもよい。
(G) The default mode is not limited to the aspect described in the above embodiment. Alternatively, when the engine waste
(H)その他、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能な、いかなる構造をも含む。 (H) Other elements that are functionally expressed in the elements constituting the means for solving the problems of the present invention are the specific structures disclosed in the above-described embodiments and modifications. In addition, any structure capable of realizing the operation / function is included.
100…エンジン廃熱回収システム 110…エンジンブロック
120…シリンダブロック 123…ロアジャケット
130…シリンダヘッド 132…排気ポート
133…排気通路 134…アッパージャケット
135…蒸気排出口 140…廃熱回収部
141…蒸気導出路 142…過熱器
143…タービン 144…コンデンサ
145…冷却水流路 146…冷却水供給ポンプ
147…分岐路 148…熱交換器
150…冷却水噴射部 151…ノズル
152…冷却水供給路 153…ノズル制御弁
160…電子制御ユニット(ECU) 161…ブロック壁温センサ
162…ヘッド壁温センサ 163…蒸気温度センサ
164…蒸気圧センサ CC…燃焼室
DESCRIPTION OF
Claims (6)
シリンダと、燃焼室と、前記燃焼室と連通する排気通路と、前記シリンダ、前記燃焼室、及び前記排気通路に隣接するように設けられた冷却媒体ジャケットと、が形成された、エンジンブロックと、
液体状の冷却媒体を前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射するように構成された、冷却媒体噴射部と、
前記冷却媒体ジャケットと接続されていて、前記冷却媒体噴射部によって噴射された後に気化した前記冷却媒体の蒸気を、前記冷却媒体ジャケットの外に導出するように構成された、蒸気導出路と、
前記蒸気導出路に介装されていて、前記排気通路内を通過する前記排気ガスと前記蒸気との熱交換によって当該蒸気を加熱するように構成された、蒸気加熱器と、
前記蒸気導出路に介装されていて、前記蒸気加熱器を経た前記蒸気から機械的エネルギーを回収するように構成された、膨張器と、
前記蒸気導出路に介装されていて、前記膨張器を経た前記蒸気を凝縮するように構成された、凝縮器と、
前記凝縮器を経て凝縮された液体状の前記冷却媒体を、前記エンジンの運転状態に応じて前記冷却媒体噴射部に供給するように構成された、冷却媒体供給ポンプと、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。 In an engine waste heat recovery system configured to recover mechanical energy from engine waste heat,
An engine block formed with a cylinder, a combustion chamber, an exhaust passage communicating with the combustion chamber, and a coolant jacket provided adjacent to the cylinder, the combustion chamber, and the exhaust passage;
A cooling medium injection unit configured to inject a liquid cooling medium toward the inner wall surface of the cooling medium jacket;
A vapor outlet path connected to the cooling medium jacket and configured to extract the vapor of the cooling medium vaporized after being injected by the cooling medium injection unit to the outside of the cooling medium jacket;
A steam heater that is interposed in the steam lead-out path and configured to heat the steam by heat exchange between the exhaust gas passing through the exhaust passage and the steam;
An expander interposed in the steam outlet and configured to recover mechanical energy from the steam that has passed through the steam heater;
A condenser interposed in the steam outlet path and configured to condense the steam that has passed through the expander;
A cooling medium supply pump configured to supply the liquid cooling medium condensed through the condenser to the cooling medium injection unit according to an operating state of the engine;
An engine waste heat recovery system characterized by comprising:
前記エンジンブロックの温度に応じた出力を生じるように構成されたブロック温度センサを、さらに備えていて、
前記冷却媒体供給ポンプは、前記エンジンブロックの温度が所定の噴射開始温度以上である場合の前記ブロック温度センサの前記出力に基づいて、液体状の前記冷却媒体を、前記冷却媒体噴射部に供給するように構成されたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。 The engine waste heat recovery system according to claim 1,
A block temperature sensor configured to generate an output corresponding to the temperature of the engine block;
The cooling medium supply pump supplies the liquid cooling medium to the cooling medium injection unit based on the output of the block temperature sensor when the temperature of the engine block is equal to or higher than a predetermined injection start temperature. An engine waste heat recovery system characterized by being configured as described above.
前記冷却媒体噴射部は、
前記エンジンブロックにおける複数の位置に対応して設けられた複数のノズルを備えていて、
前記エンジンの運転状態に応じて、複数の前記ノズルにおける前記冷却媒体の噴射状態を変更し得るように構成されたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。 The engine waste heat recovery system according to claim 1 or 2,
The cooling medium injection unit is
Comprising a plurality of nozzles provided corresponding to a plurality of positions in the engine block;
An engine waste heat recovery system configured to change an injection state of the cooling medium in the plurality of nozzles according to an operating state of the engine.
前記冷却媒体噴射部に向かって送出される液体状の前記冷却媒体と、前記膨張器を経た前記蒸気と、の間で熱交換を行う、熱交換部をさらに備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。 The engine waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 3,
The engine further comprising a heat exchanging unit for exchanging heat between the liquid cooling medium delivered toward the cooling medium ejecting unit and the steam having passed through the expander. Waste heat recovery system.
前記蒸気導出路に介装されていて、前記蒸気の温度に応じた出力を生じるように構成された、蒸気温度センサと、
前記蒸気導出路に介装されていて、前記蒸気の圧力に応じた出力を生じるように構成された、蒸気圧センサと、
前記蒸気温度センサ及び前記蒸気圧センサの出力に基づいて、異常の発生の有無を判断する、異常判断部と、
前記異常判断部によって異常の発生が判断された場合に、異常発生を報知する、異常報知部と、
をさらに備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。 The engine waste heat recovery system according to any one of claims 1 to 4,
A steam temperature sensor interposed in the steam lead-out path and configured to generate an output corresponding to the temperature of the steam;
A vapor pressure sensor interposed in the vapor outlet path and configured to generate an output corresponding to the pressure of the vapor;
An abnormality determination unit that determines whether or not an abnormality has occurred based on outputs of the steam temperature sensor and the vapor pressure sensor;
An abnormality notifying unit for notifying the occurrence of an abnormality when the occurrence of an abnormality is determined by the abnormality determining unit;
An engine waste heat recovery system, further comprising:
前記異常判断部によって異常の発生が判断された場合に、前記エンジンの運転状態を所定の異常時運転モードに制御する、異常時運転制御部を、さらに備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。 The engine waste heat recovery system according to claim 5,
The engine waste heat, further comprising: an abnormal operation control unit that controls the operation state of the engine to a predetermined abnormal operation mode when occurrence of an abnormality is determined by the abnormality determination unit. Collection system.
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