JP2010255604A - Waste heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat of an internal combustion engine.
従来、内燃機関の冷却廃熱や排気廃熱をランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、内燃機関の廃熱と熱交換することで蒸発した液相媒体の蒸気により膨張機(例えば、タービン)を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a waste heat recovery device that recovers cooling waste heat and exhaust waste heat of an internal combustion engine using a Rankine cycle. In such a waste heat recovery device, for example, an expander (for example, a turbine) is driven by the vapor of the liquid phase medium evaporated by exchanging heat with the waste heat of the internal combustion engine, and the thermal energy of the steam is obtained. Some are converted to electrical energy and collected.
このような廃熱回収装置としては、膨張機の下流側に接続される凝縮器の上流側の気相部の冷却効率を下流側の液相部の冷却効率よりも高めることで、膨張機が排出した蒸気の凝縮性能を高めると共に、凝縮された冷媒の過冷却を防止して蒸発器における冷媒蒸発の消費エネルギーを節減する技術が特許文献1に開示されている。 As such a waste heat recovery device, the expander is designed to increase the cooling efficiency of the upstream gas phase part of the condenser connected to the downstream side of the expander than the cooling efficiency of the downstream liquid phase part. Patent Document 1 discloses a technique for improving the condensation performance of discharged steam and reducing the consumption energy of refrigerant evaporation in the evaporator by preventing the overcooling of the condensed refrigerant.
また、内燃機関の排気ガスと液相媒体とを第1熱交換器によって熱交換させ、一定の温度に熱交換された液相媒体とランキンサイクルの冷媒とを第2熱交換器によって熱交換させて、冷媒の熱エネルギーをランキンサイクルによって機械エネルギーに変換させることで、排気ガスの熱エネルギーを有効活用する技術が特許文献2に開示されている。 Further, the exhaust gas of the internal combustion engine and the liquid phase medium are heat-exchanged by the first heat exchanger, and the liquid phase medium heat-exchanged to a constant temperature and the Rankine cycle refrigerant are heat-exchanged by the second heat exchanger. Patent Document 2 discloses a technique for effectively using the heat energy of exhaust gas by converting the heat energy of the refrigerant into mechanical energy by the Rankine cycle.
ランキンサイクル発電において、水冷式の内燃機関の冷却廃熱を用いる場合、内燃機関の冷却水温は常温域で80℃程度であるために回収できる熱エネルギー量は低い。そのため、内燃機関の冷却水をより高温の排気廃熱と熱交換させて高い熱エネルギーを回収する手段が用いられる。しかしながら、冷却水に不凍液を使用していることから、冷却水を沸騰させると溶解物質が析出して装置に付着したり、冷却水が変質して劣化したりする、といった問題点がある。それに対して、内燃機関の冷却水を沸騰させないよう他の液相媒体へ熱交換をする対策が実行されているが、数種類の液相媒体が必要となるために、それら液相媒体が充分な温度に暖められてランキンサイクル発電が開始されるまでに長時間が必要とされる、といった問題点がある。 In the Rankine cycle power generation, when cooling waste heat of a water-cooled internal combustion engine is used, the amount of heat energy that can be recovered is low because the cooling water temperature of the internal combustion engine is about 80 ° C. in the normal temperature range. Therefore, a means for recovering high thermal energy by exchanging heat of the cooling water of the internal combustion engine with higher temperature exhaust waste heat is used. However, since the antifreezing liquid is used for the cooling water, there is a problem that when the cooling water is boiled, the dissolved substance is deposited and adheres to the apparatus, or the cooling water is altered and deteriorated. On the other hand, measures have been taken to exchange heat with other liquid phase media so as not to boil the cooling water of the internal combustion engine, but since several types of liquid phase media are required, these liquid phase media are sufficient. There is a problem that a long time is required until the Rankine cycle power generation is started after being heated to the temperature.
また、内燃機関の排気ガスはその流量および温度が運転状態によって大きく変動するために、排気廃熱量は大幅に変化する。そのため、排気廃熱と熱交換することで液相媒体から蒸気を発生させる場合、運転状態によっては熱エネルギーを効率的に回収することが困難になる、といった問題点がある。更に、浄化触媒等の上流側にて液相媒体と熱交換すると、排気廃熱の温度が低下することで浄化触媒の浄化作用が低下してしまう等の懸念がある。そして、浄化触媒等の下流側にて液相媒体と熱交換すると、排気廃熱が低温であるために回収できる熱エネルギー量が低い場合がある、といった問題点がある。 Further, since the flow rate and temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine greatly fluctuate depending on the operating state, the exhaust waste heat amount changes greatly. Therefore, when steam is generated from the liquid phase medium by exchanging heat with exhaust waste heat, there is a problem that it is difficult to efficiently recover thermal energy depending on the operating state. Furthermore, when heat exchange with the liquid phase medium is performed on the upstream side of the purification catalyst or the like, there is a concern that the purification action of the purification catalyst is reduced due to a decrease in the temperature of exhaust waste heat. When heat is exchanged with the liquid phase medium on the downstream side of the purification catalyst or the like, there is a problem that the amount of heat energy that can be recovered may be low because exhaust waste heat is low temperature.
しかしながら、従来技術および特許文献1、2の技術では、前述した問題点を解決するための手段が設けられていない。そのため、内燃機関の冷却廃熱および排気廃熱を高効率で回収することが困難である、といった問題点がある。 However, the conventional technique and the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 do not include means for solving the above-described problems. Therefore, there is a problem that it is difficult to efficiently recover the cooling waste heat and the exhaust waste heat of the internal combustion engine.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、内燃機関自体を空冷式として、内燃機関の冷却廃熱、すなわち内燃機関と熱交換した外気の有する熱を熱源として用いることで、空冷式の内燃機関の冷却廃熱および排気廃熱を高効率で回収することができる廃熱回収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and the internal combustion engine itself is air-cooled, and the cooling waste heat of the internal combustion engine, that is, the heat of the outside air heat-exchanged with the internal combustion engine is used as a heat source. An object of the present invention is to provide a waste heat recovery device capable of recovering cooling waste heat and exhaust waste heat of an internal combustion engine with high efficiency.
上記目的を達成するために、本発明の廃熱回収装置は、空冷式内燃機関と熱交換した後の外気の熱を用いて液相媒体から蒸気を発生させる蒸気発生手段と、当該蒸気発生手段によって発生した蒸気を、前記内燃機関の排気廃熱を用いて過熱する蒸気過熱手段と、当該蒸気過熱手段によって過熱された蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーとして回収するエネルギー回収手段と、当該エネルギー回収手段を通過した後の蒸気を液相媒体へと凝縮する凝縮手段と、当該凝縮手段によって凝縮された液相媒体を前記蒸気発生手段へ供給する液相媒体供給手段と、を備えることを特徴とする(請求項1)。
このような構成とすることにより、空冷式の内燃機関の冷却廃熱および排気廃熱を高効率で回収することができる。
In order to achieve the above object, a waste heat recovery apparatus according to the present invention includes a steam generating means for generating steam from a liquid phase medium using heat of outside air after heat exchange with an air-cooled internal combustion engine, and the steam generating means. Steam overheating means for heating the steam generated by using the exhaust heat of the internal combustion engine, energy recovery means for recovering thermal energy of the steam superheated by the steam overheating means as kinetic energy, and the energy recovery means A condensing means for condensing the vapor after passing through the liquid phase medium, and a liquid phase medium supplying means for supplying the liquid phase medium condensed by the condensing means to the vapor generating means. (Claim 1).
With such a configuration, the cooling waste heat and exhaust waste heat of the air-cooled internal combustion engine can be recovered with high efficiency.
特に、本発明の廃熱回収装置は、前記凝縮手段が、前記蒸気発生手段にて熱交換した後の外気を用いて蒸気を液相媒体へと凝縮することを特徴とすることができる(請求項2)。
このような構成とすることで、蒸気を凝縮させるための外気を凝縮手段へ導入する負荷を軽減することができることから、エネルギー回収効率を向上させることができる。
In particular, the waste heat recovery apparatus of the present invention may be characterized in that the condensing means condenses the steam into a liquid phase medium using the outside air after heat exchange by the steam generating means (claim). Item 2).
By setting it as such a structure, since the load which introduces the external air for condensing a vapor | steam to a condensing means can be reduced, energy recovery efficiency can be improved.
また、本発明の廃熱回収装置は、前記内燃機関と熱交換した外気とは異なる外気を前記凝縮手段へと導入する外気導入手段を備え、前記凝縮手段が、前記外気導入手段が導入する外気を用いて蒸気を液相媒体へと凝縮することを特徴とすることができる(請求項3)。
このような構成とすることで、より低温の外気を凝縮手段へ導入することができることから、蒸気を液相媒体へと凝縮する効率を向上させることができる。また、凝縮された液相媒体をより低温化することができることから、キャビテーションの発生を抑制することができる。
The waste heat recovery apparatus of the present invention further includes outside air introduction means for introducing outside air different from outside air heat-exchanged with the internal combustion engine into the condensation means, and the condensation means is outside air introduced by the outside air introduction means. To condense the vapor into a liquid phase medium (claim 3).
By setting it as such a structure, since cooler external air can be introduce | transduced into a condensing means, the efficiency which condenses a vapor | steam to a liquid phase medium can be improved. In addition, since the condensed liquid phase medium can be further cooled, the occurrence of cavitation can be suppressed.
本発明の廃熱回収装置によれば、内燃機関と熱交換した外気の熱を用いて蒸気を発生させて、発生させた蒸気を排気廃熱を用いて過熱し、過熱した蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーとして回収することができる。よって、高効率のランキンサイクル発電を実現することができることから、空冷式の内燃機関の冷却廃熱および排気廃熱を高効率で回収することができる。 According to the waste heat recovery apparatus of the present invention, steam is generated using the heat of the outside air heat-exchanged with the internal combustion engine, the generated steam is superheated using exhaust waste heat, and the heat energy of the superheated steam is reduced. It can be recovered as kinetic energy. Accordingly, since highly efficient Rankine cycle power generation can be realized, the cooling waste heat and exhaust waste heat of the air-cooled internal combustion engine can be recovered with high efficiency.
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for implementing the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の廃熱回収装置51を組み込んだエンジンシステム1の概略構成を示した構成図である。なお、図1において、矢印は冷媒ガス(外気)の流れ方向を示している。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of an engine system 1 incorporating a waste
図1に示す廃熱回収装置51はランキンサイクルを形成している。エンジンシステム1は、内燃機関であるエンジン100を備えており、廃熱回収装置51およびエンジン100の運転動作を総括的に制御するECU(Electronic Control Unit)10を備えている。また、エンジンシステム1は、エンジン100を冷却する外気を取り込みつつ、熱交換後の外気を蒸気発生器22へ送るための第1ファン21を備えている。そして、エンジンシステム1は、エンジン100と熱交換した外気とは異なる外気を凝縮器25へ送るための第2ファン30を備えている。
The waste
エンジン100は、車両に搭載される空冷式の多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室を構成するピストンを備えている。各燃焼室のピストンはそれぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
吸気ポートから燃焼室内へ流入した混合ガスは、ピストンの上昇運動により燃焼室内で圧縮される。ECU10は、クランク角センサからのピストンの位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、点火タイミングを決定しイグナイタに信号を送る。イグナイタはECU10の信号に従って、指示された点火タイミングでバッテリからの電力を点火プラグに通電する。点火プラグはバッテリからの電力により点火し、圧縮混合ガスを着火させて、燃焼室内を膨張させピストンを下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン100は動力を得る。
The
The mixed gas flowing into the combustion chamber from the intake port is compressed in the combustion chamber by the upward movement of the piston. The ECU 10 determines the ignition timing based on the position of the piston from the crank angle sensor and the cam shaft rotation phase information from the intake cam angle sensor, and sends a signal to the igniter. The igniter energizes the spark plug with the electric power from the battery at the instructed ignition timing according to the signal from the
燃焼後の排気ガスは、各気筒の排気弁が開いた際に排気ポートを通って排気通路31で合流し、浄化触媒32を通過してエンジン100の外部へと排出される。浄化触媒32は、エンジン100の排気ガス中のHC、CO、NOxを浄化することができる三元触媒である。浄化触媒32は、流入する排気ガスの空燃比がリーンのときにNOxを吸蔵し、空燃比がストイキまたはリッチのときに吸蔵しているNOxを還元成分(HC等)にて還元浄化する。この場合、浄化触媒32は、エンジン100の排気量、使用地域等の違いによって複数個組み合わせて用いてもよい。
排気通路31には排気温センサ33、A/FセンサおよびO2センサが設けられており、燃焼室から排出される排気ガスの温度、空燃比を検出し、その結果をECU10へと送信する。また、浄化触媒32には触媒温度センサ34が設けられており、浄化触媒32の温度を検出し、その結果をECU10へと送信する。ECU10は、触媒温度センサ34の検出結果に基づいて、浄化触媒32が活性温度域にあるか否かを判断する。
The exhaust gas after combustion merges in the
The
エンジン100は、エンジン100内部の潤滑油の温度を検出する油温センサ35を備えており、潤滑油の温度の検出結果をECU10へ送信する。ECU10は、油温センサ35の検出結果に基づいてエンジン100の温度を認識し、後述する第1ファン21の動作を制御して外気の導入量を調節する。それによって、エンジン100を適切な温度に冷却することができる。
The
廃熱回収装置51は、蒸気発生器22、蒸気過熱器23、回収機24、凝縮器25、キャッチタンク26、供給ポンプ27を備えており、これらは流通経路28によって連結されている。また、廃熱回収装置51は、第1ファン21を備えており、外気をエンジン100へと導入し、かつエンジン100と熱交換した外気を蒸気発生器22へと送風する。
The waste
第1ファン21は、エンジン100と蒸気発生器22との間に設けられ、ECU10の指示に従って外気をエンジン100へと導入することにより、エンジン100を適度な温度に冷却する。第1ファン21は、アクチュエータ等の動力源によってファンを回転可能な構成をとる。ECU10は、油温センサ35、外気温センサ36の検出結果に基づいて第1ファン21の回転数を制御することで、システム外部から導入されエンジン100を冷却する外気の流量を調節する。これにより、エンジン100の冷却能力をほぼ一定に保持することが可能であることから、空冷式内燃機関の問題点である壁温のバラツキが発生することを抑制することができる。
更に、第1ファン21は、エンジン100と熱交換した外気を蒸気発生器22へと送風することにより、外気の熱を蒸気発生器22にて回収させる。この場合、第1ファン21に代えて、エンジン100へ外気を導入しつつ、エンジン100と熱交換した外気を蒸気発生器22へと送風することができるその他の手段を適用してもよい。
The
Further, the
エンジン100と第1ファン21との間には外気温センサ36が設けられている。ECU10は、外気温センサ36の検出結果に基づいて、エンジン100と熱交換した外気の温度を認識する。そして、ECU10は、認識した外気の温度および第1ファン21の運転状態から推測される外気の導入量に基づいて供給ポンプ27の動作を制御することで、エンジン100の廃熱温度に応じた適切な量の液相媒体を蒸気発生器22に供給する。
なお、供給ポンプ27は、本発明の液相媒体供給手段に相当する。
An outside
The
蒸気発生器22は、その内部に供給ポンプ27から供給された液相媒体が流通しており、第1ファン21から送風されるエンジン100と熱交換した外気の熱を回収することで液相媒体から蒸気を発生させる。蒸気発生器22にて発生した蒸気は、流通経路28を通じて蒸気過熱器23へと進む。この場合、廃熱回収装置51内部を流通する液相媒体としては水を用いるが、液相媒体はこれに特定されずフロン、合成樹脂系有機熱媒体油等の周知の液相媒体を適用することもできる。
なお、蒸気発生器22は、本発明の蒸気発生手段に相当する。
In the
The
蒸気過熱器23は、エンジン100の排気通路31から浄化触媒32を経てマフラに至る排気ガスの経路上において、浄化触媒32の下流側の任意の場所に設置される。蒸気過熱器23は、その内部を蒸気が流通しており、エンジン100の排気廃熱を回収することで蒸気を過熱して高温化させる。この場合、蒸気過熱器23は、排気ガスの経路上において、浄化触媒32の上流側の任意の場所に設置されてもよい。蒸気過熱器23にて過熱された蒸気は、流通経路28を通じて回収機24へと進む。
なお、蒸気過熱器23は、本発明の蒸気過熱手段に相当する。
The steam superheater 23 is installed at any location downstream of the
The steam superheater 23 corresponds to the steam superheating means of the present invention.
回収機24は、タービンと発電機とを備えている。タービンは、蒸気過熱器23から流入する蒸気によって駆動され、蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーに変換する。タービンと発電機とは共通の駆動軸を備えており、タービンが駆動されると、駆動軸を通じて発電機に動力、すなわち運動エネルギーが伝達される。発電機は、伝達された運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する。回収機24にて熱エネルギーの一部を回収された蒸気は、流通経路28を通じて凝縮器25へと進む。
なお、回収機24は、本発明のエネルギー回収手段に相当する。
The
The
凝縮器25は、回収機24を通過して熱エネルギーの一部を回収された蒸気と外気とを熱交換させることで、蒸気を液相媒体へと凝縮させる。凝縮器25は、第1ファン21から送風されて蒸気発生器22にて熱交換されることで冷却された外気が流通する位置に設置される。このような構成を採用することで、凝縮器25へ冷媒ガスを導入する負荷を軽減することができることから、エネルギーの回収効率を向上させることができる。凝縮器25にて凝縮された液相媒体は、流通経路28を通じてキャッチタンク26へと進む。
なお、凝縮器25は、本発明の凝縮手段に相当する。
The
The
また、凝縮器25には圧力センサ37および温度センサ38が設けられている。ECU10は、圧力センサ37の検出結果に基づいて、凝縮器25内部の蒸気の圧力を認識し、温度センサ38の検出結果に基づいて、凝縮器25内部の液相媒体の温度を認識する。そして、ECU10は、認識した凝縮器25内部の蒸気の圧力、液相媒体の温度に基づいて後述する第2ファン30の動作を制御することで、凝縮器25へ導入する外気の温度を調節する。
Further, the
キャッチタンク26は、凝縮器25にて凝縮された液相媒体を貯留する。そして、供給ポンプ27は、ECU10の指示に従って、キャッチタンク26に貯留された液相媒体を流通経路28を通じて蒸気発生器22へと圧送供給する。供給ポンプ27と蒸気発生器22との間の流通経路28には逆止弁29が備えられている。これにより、液相媒体が供給ポンプ27側に逆流することを抑制する。
The
第2ファン30は、第1ファン21から蒸気発生器22、凝縮器25へと流通する外気の流通経路とは別に設けられ、エンジン100と熱交換した外気とは異なる外気をシステム外部から凝縮器25へ直接導入できる構成をとる。第2ファン30は、ECU10の指示に従ってより低温の外気を凝縮器25へと導入することにより、凝縮器25の凝縮性能を向上させる。第2ファン30は、第1ファン21と同様にアクチュエータ等の動力源によってファンを回転可能な構成をとる。ECU10は、圧力センサ37および温度センサ38の検出結果に基づいて第2ファン30の回転数を制御することで、システム外部から導入される外気の流量および温度を調節する。この場合、第2ファン30に代えて、エンジン100と熱交換した外気とは異なる外気をシステム外部から凝縮器25へ直接導入できるその他の手段を適用してもよい。
なお、第2ファン30は、本発明の外気導入手段に相当する。
The
The
ECU10は、演算処理を行うCPU(Central Processing Unit)と、プログラム等を記憶するROM(Read Only Memory)と、データ等を記憶するRAM(Random Access Memory)やNVRAM(Non Volatile RAM)と、を備えるコンピュータである。ECU10は、排気温センサ33、触媒温度センサ34、油温センサ35等の種々のセンサの検出結果を読み込み、スロットルバルブの動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタの動作、点火プラグの点火時期など、エンジン100の運転動作を統合的に制御する。
The
また、ECU10は、油温センサ35、外気温センサ36、圧力センサ37、温度センサ38の検出結果に基づいて第1ファン21、第2ファン30および供給ポンプ27の動作を制御することで、エンジン100の廃熱回収の効率を向上させる制御を実行する。
以下に、ECU10が実行する制御の一例を説明する。まず、ECU10は、油温センサ35の検出結果を受信し、エンジン100の温度を認識する。ECU10は、エンジン100の温度の認識結果に基づいて、第1ファン21の回転数を制御することで、エンジン100へ導入する外気の量を所望する量に調節する。この制御を実行することにより、エンジン100の温度に応じて冷却能力を調整することができることから、エンジン100の温度を適温に保持することができる。
Further, the
Below, an example of the control which ECU10 performs is demonstrated. First, the
つづいて、ECU10は、外気温センサ36の検出結果を受信し、エンジン100と熱交換した外気の温度を認識する。ECU10は、外気の温度の認識結果および第1ファン21の運転状態から推測される外気の導入量に基づいて、供給ポンプ27の動作を制御することで、蒸気発生器22へ圧送供給される液相媒体の量を所望する量に調節する。この制御を実行することにより、エンジン100の廃熱温度に応じた適切な量の液相媒体を蒸気発生器22に供給することができる。よって、蒸気の発生効率を向上させることができることから、エンジン100の廃熱を効率よく回収することができる。
Subsequently, the
そして、ECU10は、圧力センサ37および温度センサ38の検出結果を受信し、凝縮器25内部の蒸気の圧力および液相媒体の温度を認識する。ECU10は、凝縮器25内部の蒸気の圧力および液相媒体の温度の認識結果に基づいて第2ファン30の回転数を制御することで、蒸気発生器22にて熱交換された後に凝縮器25へと導入される外気の量および温度を所望する値に調節する。
この制御を実行することで、凝縮器25の内部の蒸気圧力および液相媒体の温度に応じた適切な量および温度の冷媒ガスを凝縮器25へ導入することができる。よって、蒸気の凝縮効率を向上させつつ、液相媒体の温度を適切に調節することができることから、エンジン100の廃熱回収の効率を向上させることができる。
Then, the
By executing this control, it is possible to introduce into the condenser 25 a refrigerant gas having an appropriate amount and temperature according to the vapor pressure inside the
例えば、凝縮器25内部の蒸気の圧力および液相媒体の温度がいずれも低い場合、ECU10は、凝縮器25の凝縮能力が充分で、かつ液相媒体の温度が適当であると判断し、第1ファン21の回転数を維持しつつ、第2ファン30の回転を停止させる。
一方、凝縮器25内部の蒸気の圧力が高い場合、ECU10は、凝縮器25の凝縮能力が充分でないと判断し、第1ファン21の回転数を維持しつつ、第2ファン30を回転させてより低温の外気を導入する。この制御によって、より低温の冷媒ガスを凝縮器25へ導入することができることから、凝縮器25の凝縮効率を向上させることができる。
また、液相媒体の温度が高い場合、ECU10は、供給ポンプ27が液相媒体を圧送供給する際にキャビテーションが発生するおそれがあると判断し、第1ファン21の回転数を維持しつつ、第2ファン30を回転させてより低温の外気を導入する。この制御によって、より低温の冷媒ガスを凝縮器25へ導入することができることから、凝縮器25内部の液相媒体の温度を低下させることができ、液相媒体が圧送供給される際のキャビテーションの発生を抑制することができる。
そして、凝縮器25内部の蒸気の圧力および液相媒体の温度がいずれも高い場合、ECU10は、凝縮器25の凝縮能力が充分でなく、かつ液相媒体の温度が適当でなくキャビテーション発生のおそれがあると判断し、第1ファン21の回転数を維持しつつ、第2ファン30を大きく回転させてより低温の外気を導入する。この制御によって、凝縮器25へ導入する冷媒ガスの量を増大させることができることから、凝縮器25の凝縮効率を向上させつつ、凝縮器25内部の液相媒体の温度を低下させてキャビテーションの発生を抑制することができる。
For example, when the vapor pressure inside the
On the other hand, when the pressure of the steam inside the
When the temperature of the liquid medium is high, the
When the vapor pressure inside the
このように、凝縮器25の凝縮性能が充分で、かつ凝縮器25内部の液相媒体の温度が低い場合に第1ファン21のみを稼動させることによって、蒸気を凝縮させるための外気を凝縮手段へ導入する負荷を軽減することができる。一方、凝縮器25の凝縮性能が充分でない場合、または凝縮器25内部の液相媒体の温度が高い場合に第1ファン21と第2ファン30とを稼動させることによって、より低温の外気を凝縮器25へ導入することができる。よって、蒸気の凝縮効率を向上させつつ、液相媒体のキャビテーション発生を抑制することができる。
Thus, when the condensation performance of the
上記の制御を実行することにより、エンジン100と熱交換した外気の熱を用いて高効率のランキンサイクル発電を実現することができることから、空冷式の内燃機関の冷却廃熱および排気廃熱を高効率で回収することができる。
By executing the above control, it is possible to realize highly efficient Rankine cycle power generation using the heat of the outside air exchanged with the
以上のように、本実施例のエンジンシステム1は、蒸気発生手段と、蒸気過熱手段と、エネルギー回収手段と、凝縮手段と、液相媒体供給手段とを備えることで、内燃機関と熱交換した外気の熱を用いて蒸気を発生させて、発生させた蒸気を排気廃熱を用いて過熱し、過熱した蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーとして回収することができることから、空冷式の内燃機関の冷却廃熱および排気廃熱を高効率で回収することができる。 As described above, the engine system 1 of the present embodiment exchanges heat with the internal combustion engine by including the steam generation means, the steam superheating means, the energy recovery means, the condensation means, and the liquid phase medium supply means. Since steam can be generated using the heat of the outside air, the generated steam can be superheated using exhaust waste heat, and the heat energy of the overheated steam can be recovered as kinetic energy. Waste heat and exhaust waste heat can be recovered with high efficiency.
また、本実施例のエンジンシステム1は、内燃機関と熱交換した外気とは異なる外気を凝縮手段へと導入する外気導入手段を備え、外気導入手段が導入する外気を用いて凝縮手段が蒸気を液相媒体へと凝縮する制御を実行することで、より低温の冷媒ガスを凝縮手段へ導入することができることから、蒸気の凝縮効率を向上させつつ、液相媒体のキャビテーション発生を抑制することができる。 The engine system 1 of the present embodiment also includes outside air introduction means for introducing outside air different from outside air heat-exchanged with the internal combustion engine into the condensation means, and the condensation means uses the outside air introduced by the outside air introduction means to cause the condensation means to generate steam. By executing the control to condense into the liquid phase medium, it is possible to introduce a lower temperature refrigerant gas into the condensing means, thereby suppressing the occurrence of cavitation in the liquid phase medium while improving the vapor condensing efficiency. it can.
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The above embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to these, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.
例えば、本発明の廃熱回収装置を水冷式の内燃機関に適用してもよい。その場合、ラジエータと熱交換した外気を蒸気発生器へと導入することで、内燃機関の廃熱を有効に用いることもできる。
また、システム内部に導入する外気としては、システム外部の空気を用いるが、外気はこれに特定されず周知の冷却媒体を用いることもできる。
For example, the waste heat recovery apparatus of the present invention may be applied to a water-cooled internal combustion engine. In that case, the waste heat of the internal combustion engine can be effectively used by introducing the outside air heat-exchanged with the radiator into the steam generator.
Further, as the outside air introduced into the system, air outside the system is used, but the outside air is not limited to this and a known cooling medium can be used.
1 エンジンシステム
10 ECU
21 第1ファン
22 蒸気発生器(蒸気発生手段)
23 蒸気過熱器(蒸気過熱手段)
24 回収機(エネルギー回収手段)
25 凝縮器(凝縮手段)
26 キャッチタンク
27 供給ポンプ(液相媒体供給手段)
28 流通経路
29 逆止弁
30 第2ファン(外気導入手段)
31 排気通路
32 浄化触媒
33 排気温センサ
34 触媒温度センサ
35 油温センサ
36 外気温センサ
37 圧力センサ
38 温度センサ
51 廃熱回収装置
100 エンジン
1
21
23 Steam superheater (steam superheater)
24 Recovery machine (energy recovery means)
25 Condenser (condensing means)
26
28
31
Claims (3)
当該蒸気発生手段によって発生した蒸気を、前記内燃機関の排気廃熱を用いて過熱する蒸気過熱手段と、
当該蒸気過熱手段によって過熱された蒸気の熱エネルギーを運動エネルギーとして回収するエネルギー回収手段と、
当該エネルギー回収手段を通過した後の蒸気を液相媒体へと凝縮する凝縮手段と、
当該凝縮手段によって凝縮された液相媒体を前記蒸気発生手段へ供給する液相媒体供給手段と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。 Steam generating means for generating steam from the liquid phase medium using heat of the outside air after heat exchange with the air-cooled internal combustion engine;
Steam overheating means for heating the steam generated by the steam generation means using exhaust heat of the internal combustion engine;
Energy recovery means for recovering thermal energy of the steam superheated by the steam superheating means as kinetic energy;
Condensing means for condensing the vapor after passing through the energy recovery means into a liquid phase medium;
A liquid phase medium supplying means for supplying the liquid phase medium condensed by the condensing means to the vapor generating means;
A waste heat recovery apparatus comprising:
前記凝縮手段は、前記外気導入手段が導入する外気を用いて蒸気を液相媒体へと凝縮することを特徴とする請求項2記載の廃熱回収装置。 An outside air introduction means for introducing outside air different from outside air heat-exchanged with the internal combustion engine into the condensing means;
The waste heat recovery apparatus according to claim 2, wherein the condensing unit condenses the vapor into a liquid phase medium using the outside air introduced by the outside air introducing unit.
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