JP2018003682A - Engine with exhaust heat recovery function - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気の熱を回収して仕事に変換することが可能な排熱回収機能付きエンジンに関する。 The present invention relates to an engine with an exhaust heat recovery function capable of recovering heat of exhaust and converting it into work.
上記のような排熱回収機能付きエンジンとして、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1のエンジンは、気筒から排出された排気が流通する排気通路と、排気通路を流通する排気に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器(コンデンサ)と、凝縮器で生成された凝縮水を排気との熱交換により昇温させる熱交換器と、熱交換器による昇温処理等を経て生成された高温水(臨界温度以上かつ臨界圧力以上の水)を気筒に噴射する高温水噴射弁とを備えている。
As an engine with an exhaust heat recovery function as described above, one disclosed in
上記のような構成の特許文献1のエンジンによれば、排気熱を利用して生成された高温水が気筒に噴射されることにより、当該高温水が気筒内で膨張して気筒内の圧力を上昇させる。そして、このように高温水のエネルギーが圧力(仕事)に変換されることにより、エンジンの熱効率が向上するとされている。
According to the engine of
ここで、本願発明者は、エンジンの燃費性能を従来比で大幅に引き上げるために研究を行う中で、従来から多用されている熱エネルギーを基準とした評価ではなく、現実に利用可能な仕事であるエクセルギーを基準とした評価を行うことが重要であるという結論に至った。そして、このようなエクセルギー基準での評価を進めたところ、上記特許文献1のように排気の回収熱を利用して生成した高温水を気筒に噴射しても、期待通りの燃費改善効果が得られない可能性があることが分かった。
Here, the inventor of the present application is conducting research to significantly increase the fuel efficiency of the engine compared to the conventional one. It came to the conclusion that it is important to make an assessment based on a certain exergy. And when the evaluation based on such an exergy standard was advanced, even if the high-temperature water generated using the exhaust heat recovered as in
すなわち、気筒に高温水を噴射した場合、高温水を生成する過程で生じるエクセルギーの損失や、噴射された高温水と気筒内のガスとの熱交換により生じるエクセルギーの損失が生じ、これらの損失の合計が無視できないレベルに達することが分かった。そして、このような損失の発生が、高温水を噴射することによるプラスの効果を減殺する結果、投入エネルギー(燃料のエネルギー)のうち外部仕事として取り出される割合である図示効率がほとんど向上しない場合があることが分かった。 That is, when high temperature water is injected into a cylinder, there is a loss of exergy that occurs in the process of generating high temperature water, and an exergy loss that occurs due to heat exchange between the injected high temperature water and the gas in the cylinder. It turned out that the total loss reached a non-negligible level. And, the occurrence of such a loss diminishes the positive effect of injecting high-temperature water, and as a result, the efficiency of illustration, which is the ratio of the input energy (fuel energy) taken out as external work, may not be improved. I found out.
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、エンジンの図示効率を効果的に向上させることが可能な排熱回収機能付きエンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an engine with an exhaust heat recovery function that can effectively improve the efficiency of illustration of the engine.
前記課題を解決するための本発明の排熱回収機能付きエンジンは、燃料と空気との混合気が内部で燃焼する気筒と、前記気筒に導入される吸気が流通する吸気通路と、前記気筒から排出された排気が流通する排気通路と、前記排気通路を流通する排気に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成するコンデンサと、前記コンデンサに流入する前の排気との熱交換により前記凝縮水を昇温させる水昇温装置と、前記水昇温装置での前記凝縮水の昇温処理を経て生成された超臨界水または亜臨界水を前記気筒に噴射する水噴射装置と、前記水昇温装置よりも下流側の排気通路を流通する排気との熱交換により前記吸気を昇温させる吸気昇温装置とを備えた、ことを特徴とするものである(請求項1)。 An engine with an exhaust heat recovery function according to the present invention for solving the above-described problems includes a cylinder in which a mixture of fuel and air burns, an intake passage through which intake air introduced into the cylinder flows, and the cylinder The condensed water is exchanged by heat exchange between an exhaust passage through which the discharged exhaust gas flows, a condenser for condensing water vapor contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage to generate condensed water, and the exhaust gas before flowing into the condenser. A water temperature raising device for raising the temperature of the water, a water injection device for injecting supercritical water or subcritical water generated through the temperature raising treatment of the condensed water in the water temperature raising device into the cylinder, and the water rising temperature And an intake air temperature raising device for raising the temperature of the intake air by exchanging heat with the exhaust gas flowing through the exhaust passage on the downstream side of the temperature device (Claim 1).
本発明によれば、気筒に導入される吸気の温度が吸気昇温装置により高められるので、燃焼が高温化し、燃焼エクセルギー損失を減らすことができる。ここで、エクセルギーとは、系から理論上取り出し得る最大の仕事量のことであり、燃焼エクセルギー損失とは、混合気の燃焼によるエントロピーの増大に伴い生じるエクセルギーの損失のことである。燃焼エクセルギー損失は、不可逆な現象である混合気の燃焼に伴う損失であるため、エンジンを運転する上では避けることのできない純損失である。したがって、このような性質の燃焼エクセルギー損失を減らすことができれば、エンジンの図示効率(投入エネルギーのうち外部仕事として取り出される割合)が向上する可能性がある。 According to the present invention, the temperature of the intake air introduced into the cylinder is increased by the intake air temperature raising device, so that the temperature of the combustion is increased and the combustion exergy loss can be reduced. Here, exergy is the maximum amount of work that can be theoretically extracted from the system, and combustion exergy loss is a loss of exergy caused by an increase in entropy due to combustion of the air-fuel mixture. The combustion exergy loss is a loss accompanying combustion of the air-fuel mixture, which is an irreversible phenomenon, and is a net loss that cannot be avoided when operating the engine. Therefore, if the combustion exergy loss having such a property can be reduced, the efficiency of the engine (the ratio of the input energy taken out as external work) may be improved.
ただし、単に吸気温度を高めただけでは、燃焼エクセルギー損失は減少するものの、気筒から排出される排気の温度が上昇するので、排気エクセルギー損失、つまり排気そのものがもつエクセルギー(排気エクセルギー)のうち仕事として利用されずに捨てられる分が増大し、かえって図示効率が低下してしまう。これに対し、本発明では、コンデンサにより排気から取り出された凝縮水が、コンデンサよりも上流側に設けられた水昇温装置により昇温され、このような処理を経て生成された超臨界水または亜臨界水が水噴射装置から気筒に噴射されるので、噴射された超臨界水/亜臨界水を気筒内で膨張させることにより、排気から回収した熱を効率よく仕事に変換することができる。これにより、排気エクセルギー損失が減少するので、前述した燃焼エクセルギー損失の減少と相俟って、エンジンの図示効率を効果的に向上させることができる。 However, simply increasing the intake air temperature reduces the combustion exergy loss, but the temperature of the exhaust exhausted from the cylinder rises. Therefore, the exhaust exergy loss, that is, the exergy of the exhaust itself (exhaust exergy) Of these, the amount discarded without being used as work increases, and on the contrary, the efficiency of illustration decreases. On the other hand, in the present invention, the condensed water taken out from the exhaust gas by the condenser is heated by a water temperature raising device provided on the upstream side of the condenser, and the supercritical water generated through such treatment or Since the subcritical water is injected from the water injection device into the cylinder, the heat recovered from the exhaust can be efficiently converted into work by expanding the injected supercritical water / subcritical water in the cylinder. As a result, the exhaust exergy loss is reduced, and in combination with the reduction in the combustion exergy loss described above, the illustrated efficiency of the engine can be effectively improved.
好ましくは、前記吸気昇温装置は、前記水昇温装置よりも下流側でかつ前記コンデンサよりも上流側を流通する排気との熱交換により前記吸気を昇温させる(請求項2)。 Preferably, the intake air temperature raising device raises the temperature of the intake air by heat exchange with the exhaust gas flowing downstream from the water temperature raising device and upstream from the condenser.
この構成によれば、水昇温装置により凝縮水を十分に昇温させつつコンデンサをコンパクト化することができる。すなわち、水昇温装置では、吸気に熱を奪われる前の(吸気昇温装置に流入する前の)高温の排気との熱交換により凝縮水が昇温されるので、昇温後の凝縮水の温度を十分に高い値にすることができる。また、コンデンサには吸気に熱を奪われた後の比較的低温の排気が流入するので、排気に含まれる水蒸気を凝縮(液化)させるのに必要な冷却容量が少なく済み、冷却容量の確保のためにコンデンサが大型化するのを効果的に防止することができる。 According to this configuration, the condenser can be made compact while sufficiently raising the temperature of the condensed water by the water temperature raising device. That is, in the water temperature raising device, the temperature of the condensed water is raised by heat exchange with the high-temperature exhaust before the heat is taken away by the intake air (before flowing into the intake air temperature raising device). Can be made sufficiently high. In addition, since the low-temperature exhaust after the heat is taken away by the intake air flows into the condenser, the cooling capacity necessary for condensing (liquefying) the water vapor contained in the exhaust is small, and securing the cooling capacity Therefore, it is possible to effectively prevent the capacitor from becoming large.
前記構成において、より好ましくは、前記水昇温装置は、前記コンデンサよりも上流側の排気通路を流通する排気との熱交換により前記凝縮水を昇温させる第1熱交換器と、第1熱交換器に流入する前の排気との熱交換により前記凝縮水をさらに昇温させる第2熱交換器とを有し、前記吸気昇温装置は、前記第1熱交換器での昇温後の凝縮水の温度よりも低くかつ外気温よりも高い温度まで前記吸気を昇温させる(請求項3)。 In the above-described configuration, more preferably, the water temperature raising device includes a first heat exchanger that raises the temperature of the condensed water by heat exchange with exhaust gas flowing through an exhaust passage upstream of the condenser, and a first heat. A second heat exchanger that further raises the temperature of the condensed water by exchanging heat with the exhaust before flowing into the exchanger, and the intake air temperature raising device is provided with a temperature after the temperature rise in the first heat exchanger. The intake air is heated to a temperature lower than the temperature of the condensed water and higher than the outside air temperature.
このように、コンデンサに流入する前の排気との熱交換により凝縮水を昇温させる第1熱交換器だけでなく、第1熱交換器に流入する前の排気との熱交換により凝縮水をさらに昇温させる第2熱交換器を設けた場合には、これら2つの熱交換器により排気の熱を十分に回収することができ、回収した熱により凝縮水を十分に昇温させて超臨界水/亜臨界水を効率よく生成することができる。 Thus, not only the first heat exchanger that raises the temperature of the condensed water by heat exchange with the exhaust before flowing into the condenser, but also the condensed water by heat exchange with the exhaust before flowing into the first heat exchanger. If a second heat exchanger is provided that further raises the temperature, the heat of the exhaust can be sufficiently recovered by these two heat exchangers, and the condensed water is sufficiently heated by the recovered heat to be supercritical. Water / subcritical water can be generated efficiently.
また、第1熱交換器での昇温後の凝縮水の温度よりも、吸気昇温装置での昇温後の吸気の温度の方が低く設定されているので、吸気が過度に高温化することによる弊害、例えば吸気通路に設けられる各種部品を耐熱化する措置が必要になるといった弊害を回避することができる。 In addition, since the temperature of the intake air after the temperature rise in the intake air temperature riser is set lower than the temperature of the condensed water after the temperature rise in the first heat exchanger, the intake air is excessively heated. Therefore, it is possible to avoid the adverse effects such as the need for heat-treating various components provided in the intake passage.
好ましくは、前記水噴射装置は、少なくともエンジンの高負荷域において前記超臨界水または亜臨界水を前記気筒に噴射し、少なくとも前記高負荷域での運転時は、前記気筒内の混合気の空気過剰率が1もしくはその近傍に設定される(請求項4)。 Preferably, the water injection device injects the supercritical water or subcritical water into the cylinder at least in a high load region of the engine, and air in the air-fuel mixture in the cylinder at least during operation in the high load region. The excess ratio is set to 1 or the vicinity thereof (Claim 4).
このように、超臨界水/亜臨界水が噴射される高負荷域での空気過剰率を1もしくはその近傍に設定した場合には、空気過剰率が1よりもかなり大きくなるリーンな環境下と比べて、高負荷域での混合気の燃焼温度を高くすることができる。これにより、気筒から排出される排気の温度が高くなるので、その排気の熱を利用して凝縮水を十分に昇温させることができ、高負荷運転時に必要な超臨界水/亜臨界水を効率よく生成することができる。 As described above, when the excess air ratio in the high load region where supercritical water / subcritical water is injected is set to 1 or in the vicinity thereof, the lean environment where the excess air ratio is considerably larger than 1 is set. In comparison, the combustion temperature of the air-fuel mixture in the high load region can be increased. As a result, the temperature of the exhaust gas discharged from the cylinder becomes high, so that the condensed water can be sufficiently heated using the heat of the exhaust gas, and the supercritical water / subcritical water necessary for high-load operation can be obtained. It can be generated efficiently.
前記構成において、より好ましくは、前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流するEGRを実行するEGR装置がエンジンに備えられ、前記EGR装置は、エンジンの低負荷域で前記EGRを実行するとともに、エンジンの高負荷域では前記EGRを停止するかまたは前記低負荷域よりもEGR量を減少させる(請求項5)。 In the above-described configuration, more preferably, the engine is provided with an EGR device that performs EGR for returning a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage, and the EGR device is configured to perform the EGR in a low load region of the engine. And the EGR is stopped in the high load range of the engine or the EGR amount is decreased more than in the low load range.
この構成によれば、低負荷域でのポンピングロスを低減できるとともに、高負荷域では排気の温度を高めて超臨界水/亜臨界水の生成を促進することができる。 According to this configuration, the pumping loss in the low load region can be reduced, and the temperature of the exhaust can be increased in the high load region to promote the generation of supercritical water / subcritical water.
以上説明したように、本発明の排熱回収機能付きエンジンによれば、エンジンの図示効率を効果的に向上させることができる。 As described above, according to the engine with the exhaust heat recovery function of the present invention, the illustrated efficiency of the engine can be effectively improved.
(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態にかかる排熱回収機能付きエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ4つの気筒2を含む直列多気筒型のエンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路20と、エンジン本体1から排出される排気が流通する排気通路30と、排気通路30を流通する排気の一部を吸気通路20に還流するEGR装置40と、排気通路30を流通する排気から取り出した水をエンジン本体1の各気筒2に供給する水供給システム50とを備えている。
(1) Overall Configuration of Engine FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an engine with an exhaust heat recovery function according to an embodiment of the present invention. The engine shown in the figure is a four-cycle gasoline engine mounted on a vehicle as a driving power source, and includes an in-line multi-cylinder engine
図2および図3は、エンジン本体1の構造を概略的に示す平面図および断面図である。これらの図に示すように、エンジン本体1は、気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、気筒2を上から塞ぐようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、各気筒2にそれぞれ往復動可能に挿入されたピストン5とを有している。
2 and 3 are a plan view and a cross-sectional view schematically showing the structure of the
ピストン5の上方には燃焼室Cが画成されており、この燃焼室Cには、後述する燃料噴射装置11から噴射されるガソリンを主成分とする燃料が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室Cで燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動するようになっている。
A combustion chamber C is defined above the
ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸15が配設されている。クランク軸15は、ピストン5とコネクティングロッド14を介して連結され、ピストン5の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。シリンダブロック3には、クランク軸15の回転速度つまりエンジン本体1の出力回転速度を検出するエンジン回転センサSN1が設けられている。
Below the
ピストン5の冠面(上面)には、その中央部をシリンダヘッド4とは反対側(下方)に凹ませたキャビティ10が形成されている。キャビティ10は、ピストン5が上死点まで上昇したときの燃焼室Cの大部分を占める容積を有するように形成されている。
A
シリンダヘッド4には、図外の燃料ポンプから供給された燃料(ガソリン)を燃焼室Cに噴射する燃料噴射装置11が、各気筒2につき1つずつ(合計4つ)設けられている。各燃料噴射装置11は、気筒2の中心軸の近傍において燃焼室Cに露出する先端部を有し、当該先端部からピストン5のキャビティ10に向けて燃料を噴射するように設けられている。
The
燃料噴射装置11は、圧縮上死点よりも前(吸気行程中または圧縮行程中)に燃焼室Cに燃料を噴射する。噴射された燃料は、燃焼室Cに導入された空気(吸気)と混合された後に圧縮上死点付近で自着火する。すなわち、当実施形態のエンジンでは、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼(混合気を火花点火により強制燃焼させる燃焼)ではなく、燃料と空気との混合気をピストン5による圧縮に伴い自着火させるHCCI燃焼(予混合圧縮自己着火燃焼)がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、当実施形態のエンジンには混合気に点火するための点火プラグが設けられていない。ただし、これに代わる態様として、エンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてHCCI燃焼に代えて火花点火燃焼を実行することが考えされ、また、エンジンの暖機後にHCCI燃焼を補助するためにいわゆるスパークアシストを実行することが考えられる。したがって、このような制御を行うために点火プラグを設けてもよい。
The
シリンダヘッド4には、気筒2ごとに、吸気通路20から供給される空気を燃焼室Cに導入するための吸気ポート6と、燃焼室Cで生成された排気を排気通路30に導出するための排気ポート7と、吸気ポート6の燃焼室C側の開口を開閉する吸気弁8と、排気ポート7の燃焼室C側の開口を開閉する排気弁9とがそれぞれ設けられている。なお、当実施形態では、1つの気筒2の燃焼室Cに対し吸気ポート6および排気ポート7が2つずつ開口している。また、これに対応して、吸気弁8および排気弁9が1つの気筒2につき2つずつ設けられている。
In the
図1および図2に示すように、吸気通路20は、各気筒2に吸気ポート6を介して連通するように枝分かれした吸気マニホールド21と、吸気マニホールド21に上流側から接続された単管状の共通吸気管22とを有している。なお、本明細書において、吸気通路20における上流(または下流)とは、吸気通路20を流通する吸気の流れ方向の上流(または下流)のことをいう。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
共通吸気管22には、吸気中に含まれる異物を除去するエアクリーナ25と、排気通路30を流通する排気との熱交換により吸気を昇温させる吸気昇温装置26と、共通吸気管22を流通する吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁27とが、上流側からこの順に設けられている。
The
また、共通吸気管22におけるスロットル弁27よりも下流側には、共通吸気管22を流通する吸気の流量を検出するエアフローセンサSN2が設けられている。
Further, an air flow sensor SN <b> 2 that detects the flow rate of the intake air flowing through the
排気通路30は、各気筒2に排気ポート7を介して連通するように枝分かれした排気マニホールド31と、排気マニホールド31に上流側から接続された単管状の共通排気管32とを有している。なお、本明細書において、排気通路30における上流(または下流)とは、排気通路30を流通する排気の流れ方向の上流(または下流)のことをいう。
The
共通排気管32には、触媒装置35、第1熱交換器51、コンデンサ52、および排気シャッタ弁36が、上流側からこの順に設けられている。
The
触媒装置35は、排気中に含まれる有害成分を浄化するためのものであり、例えば、三元触媒、酸化触媒、およびNOx触媒のいずれかもしくはその組合せからなる触媒を内蔵している。なお、このような触媒に加えて、排気中に含まれるPMを捕集するためのフィルターが含まれていてもよい。
The
排気シャッタ弁36は、共通排気管32におけるコンデンサ52よりも下流側の位置に開閉可能に設けられている。この排気シャッタ弁36は、通常は全開もしくはその近傍の開度に保持されているが、例えば、EGR装置40による排気の還流操作(つまり排気通路30を流通する排気の一部を吸気通路20に還流させる操作;以下、EGRという)を行う必要がある場合に、このEGRを促進するために必要に応じて閉弁側に駆動される。すなわち、排気シャッタ弁36が閉弁側に駆動されてその開度が低減されると、排気通路30内の排気の圧力が高まり、吸気通路20内の吸気の圧力との差が大きくなる。これにより、排気通路30から吸気通路20への排気の流れが促進されて、十分なEGR量が確保される。
The
コンデンサ52は、排気中に含まれる水蒸気を凝縮させるものであり、第1熱交換器51は、コンデンサ52で生成された凝縮水を昇温させるものである。これら第1熱交換器51およびコンデンサ52は、水供給システム50の一部を構成する要素である(詳細は後述する)。
The
共通排気管32における第1熱交換器51とコンデンサ52との間の部分32bには、当該部分32bから共通吸気管22側に拡張された拡張部26aが一体に形成されている。第1熱交換器51を通過した排気は、少なくともその一部が拡張部26aを通過した後にコンデンサ52に導入されるようになっている。また、吸気昇温装置26は、当該拡張部26aの内部に、吸気昇温装置26の上流側および下流側の共通吸気管22に比べて断面積が十分に小さくされた多数の分岐した細管を有している。これらの細管の内部に導入された吸気は、拡張部26aを流通する排気との熱交換により昇温される。このように、吸気昇温装置26は、第1熱交換器51とコンデンサ52との間(拡張部26a)を流通する排気との熱交換によって吸気を昇温させるように構成されている。
In the
上記のような吸気昇温装置26を通過した後の吸気の温度は、エンジンの運転状態や外気温等に応じて異なるものの、概ね100〜150℃まで上昇させられる。この温度は、第1熱交換器51を通過した後の凝縮水の温度(後述するように約150〜250℃)よりも低く設定されている。
Although the temperature of the intake air after passing through the intake air
EGR装置40は、共通排気管32と共通吸気管22とを連通するEGR通路41と、EGR通路41に設けられたEGR弁42およびEGRクーラ43とを有している。
The
EGR通路41は、共通排気管32における触媒装置35よりも上流側の部分と、共通吸気管22におけるスロットル弁27よりも下流側の部分とを接続している。EGR弁42は、EGR通路41を通じて共通排気管32から共通吸気管22に還流される排気(EGRガス)の流量を調整するための開閉弁である。EGRクーラ43は、EGR通路41を流通するEGRガスを所定の冷媒(例えばエンジンの冷却水)との熱交換により冷却する熱交換器である。
The
(2)水供給システムの具体的構成
図1に示すように、水供給システム50は、上述した第1熱交換器51およびコンデンサ52と、コンデンサ52で生成された凝縮水を貯留する水タンク53と、水タンク53内に貯留された凝縮水を圧送する低圧ポンプ54と、低圧ポンプ54から圧送されて第1熱交換器51を経由した凝縮水をさらに加圧する高圧ポンプ55と、高圧ポンプ55から圧送された凝縮水をさらに昇温させて超臨界水を生成する第2熱交換器56と、第2熱交換器56で生成された超臨界水を各気筒2に噴射する複数の(4つの)水噴射装置57と、コンデンサ52と水タンク53とを接続する第1水配管61と、水タンク53と第1熱交換器51とを接続する第2水配管62と、第1熱交換器51と第2熱交換器56とを接続する第3水配管63とを有している。なお、第1熱交換器51および第2熱交換器56の組合せは、請求項にいう「水昇温装置」に相当する。また、詳細は後述するが、超臨界水とは、647K(374℃)以上の温度と22MPa以上の圧力を有することにより、液体と気体の性質を併せ持った(液体、気体、固体の三相のいずれにもあてはまらない)特殊な状態とされた水のことである。
(2) Specific Configuration of Water Supply System As shown in FIG. 1, the
コンデンサ52は、共通排気管32を流通する排気中に含まれる水蒸気を凝縮させるための熱交換器であり、所定の冷媒との熱交換により排気を冷却することで、当該排気に含まれる水蒸気を凝縮させる。具体的に、コンデンサ52は、冷媒としてのエンジンの冷却水が流通する長尺形状の細管を内蔵しており、当該細管の外側を通過する排気に含まれる水蒸気を上記冷却水との熱交換により冷却して凝縮(液化)させるように構成されている。コンデンサ52で生成された凝縮水は、第1水配管61を通じて水タンク53へと自然流下し、水タンク53内に貯留される。
The
低圧ポンプ54は、第2水配管62の途中部に設けられており、水タンク53内に貯留された凝縮水を加圧して第1熱交換器51(後述する細管65)に送り込む。
The
第1熱交換器51は、コンデンサ52で生成された凝縮水を、コンデンサ52に流入する前の排気との熱交換により昇温させる熱交換器である。具体的に、第1熱交換器51は、共通排気管32のうち触媒装置35の直ぐ下流側に位置する部分である触媒下流配管部32aの内部に挿入された長尺形状の細管65と、触媒下流配管部32aを覆う二重管構造の保温ケース66と、保温ケース66の周囲空間部(外管と内管との間)に充填された蓄熱材67とを有している。細管65は、その内部をコンデンサ52からの凝縮水が流通するように設けられ、この細管65内の凝縮水は、細管65の外側を通過する高温の排気との熱交換により昇温させられる。なお、昇温後の凝縮水の温度は、エンジンの運転状態等によって異なるものの、概ね150〜250℃に達する。
The
保温ケース66は、共通排気管32の触媒下流配管部32aだけでなく、触媒装置35の外周をも覆うように形成されている。このような保温ケース66内に充填された蓄熱材67には、触媒装置35および触媒下流配管部32aを流通する排気の熱と、触媒装置35での反応熱とが伝達され、伝達された熱が蓄熱材67に蓄えられる。そして、熱を蓄えた蓄熱材67およびこれを収容する保温ケース66が触媒装置35および細管65を保温することにより、触媒装置35の活性状態が維持され易くなるとともに、細管65を流通する凝縮水の昇温効果が高められるようになっている。なお、蓄熱材67の具体例としては、加熱に伴う溶融により熱エネルギーを蓄積するエリスリトール等の潜熱蓄熱材や、加熱に伴う化学反応により熱エネルギーを蓄積する塩化カルシウム等の化学蓄熱材を挙げることができる。
The
高圧ポンプ55は、第3水配管63の途中部に設けられており、低圧ポンプ54で加圧されかつ第1熱交換器51で昇温された凝縮水をさらに加圧して第2熱交換器56に送り込む。具体的に、高圧ポンプ55は、後述する蓄圧レール75内の圧力が22MPa以上になるように第3水配管63内の凝縮水を加圧する。
The high-
図2および図3に示すように、第2熱交換器56は、各気筒2の排気ポート7に対応するシリンダヘッド4内の複数箇所に取り付けられた複数のヒートパイプ70と、排気ポート7の上側の近傍に位置するシリンダヘッド4の側面において気筒列方向に延びるように取り付けられた単一の蓄圧レール75とを有している。蓄圧レール75には第3水配管63の下流端部が接続され、高圧ポンプ55から第3水配管63を通じて圧送された凝縮水がこの蓄圧レール75の内部に蓄圧状態で貯留されるようになっている。蓄圧レール75からは複数の(4つの)枝管76が延びており、各枝管76は水噴射装置57にそれぞれ接続されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
蓄圧レール75には、その内部に貯留されている水の圧力を検出する水圧センサSN3が設けられている。
The
図4は、ヒートパイプ70の動作を説明するための概略断面図である。この図4および先の図3に示すように、ヒートパイプ70は、概ね上下方向に延びる略円柱状の外形を有しており、その下端部70aが排気ポート7の内部に挿入されて当該排気ポート7内の排気と接触するとともに、上端部70bが蓄圧レール75の内部に挿入されて当該蓄圧レール75内の水と接触するように配設されている。なお、以下では、排気ポート7の内部に挿入されるヒートパイプ70の下端部70aのことを受熱側端部といい、蓄圧レール75の内部に挿入されるヒートパイプ70の上端部70bのことを放熱側端部という。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the
当実施形態では、1つの気筒2につき2つずつ排気ポート7が設けられるとともに、これら合計8つの排気ポート7にそれぞれ1つずつ(合計8つの)ヒートパイプ70が取り付けられている。そして、これら8つのヒートパイプ70がそれぞれ排気ポート7から上方に延びて共通の蓄圧レール75に接続されている。
In this embodiment, two exhaust ports 7 are provided for each
ヒートパイプ70は、熱伝導性および耐熱性に優れた金属材料等から構成されており、その内部には液体の作動媒体Sが真空状態で封入されている。ヒートパイプ70の内壁には、いわゆる毛細管現象により作動媒体Sを移動させるためのウィック71が設けられている。ウィック71は、例えば目の細かい金属メッシュ等から構成されている。ヒートパイプ70の受熱側端部70aには、上下方向に近接配置された多数の金属板からなるスタックフィン72が取り付けられている。スタックフィン72は、排気ポート7内の排気から受熱側端部70aに伝達される熱量を増大させる役割を果たす。
The
以上のような構造のヒートパイプ70は、排気の温度が高いときにのみ排気の熱エネルギーを蓄圧レール75内の水に伝達するように機能する。すなわち、気筒2から排気ポート7に流入する排気の温度が十分に高いときには、ヒートパイプ70の受熱側端部70aが排気ポート7内の排気により十分に加熱されて、受熱側端部70a内の作動媒体Sが蒸発する。当該蒸発により生成された作動媒体Sの蒸気は、図4の矢印Y1に示すように、ヒートパイプ70の放熱側端部70bに向かって上方に移動する。放熱側端部70bに到達した作動媒体Sの蒸気は、蓄圧レール75内の水に放熱することで凝縮し、再び液体に戻される。また、これに伴って、蓄圧レール75内の水が作動媒体Sから熱エネルギーを受けて昇温される。液体に戻された作動媒体Sは、ウィック71による毛細管現象により、図4の矢印Y2に示すように受熱側端部70aに向かって下方に移動する。受熱側端部70aに到達した液体の作動媒体は、排気からの受熱によって再び蒸発するとともに、放熱側端部70bへと移動して蓄圧レール75内の水を昇温させる。
The
当実施形態では、上記のような熱の移動が生じる排気の温度(以下、これを基準温度という)が650K程度に設定されており、これに適合するような沸点を有する作動媒体Sがヒートパイプ70に封入されている。このような性質の作動媒体Sとして、例えばナトリウムを用いることができる。 In the present embodiment, the temperature of the exhaust gas in which the above heat transfer occurs (hereinafter referred to as a reference temperature) is set to about 650 K, and the working medium S having a boiling point suitable for this is a heat pipe. 70 is enclosed. As the working medium S having such properties, for example, sodium can be used.
以上のように、当実施形態のヒートパイプ70は、気筒2から排気ポート7に流入する排気の温度が所定の基準温度(約650K)以上のときに、その排気の熱エネルギーを蓄圧レール75内の水に伝達して当該水を昇温させるように構成されている。そして、当該ヒートパイプ70を含んだ第2熱交換器56において断続的に(排気温度が高いときにのみ)行われる加熱と、その前段階として第1熱交換器51で常時行われる加熱と、低圧ポンプ54および高圧ポンプ55による加圧とにより、蓄圧レール75内の水が十分に高温・高圧化されて超臨界状態(温度:647K以上、かつ圧力:22MPa以上)に維持されるようになっている。
As described above, the
蓄圧レール75内に貯留された超臨界水は、枝管76を通じて各気筒2の水噴射装置57に供給される。水噴射装置57は、シリンダヘッド4における排気ポート7の下方位置に取り付けられており、各気筒2の燃焼室Cに排気側の側方から超臨界水を噴射する。
The supercritical water stored in the
ここで、水噴射装置57から気筒2に超臨界水を噴射するのは、排気の熱を利用して生成した超臨界水を気筒2に噴射して膨張仕事を行わせることにより、エンジンの燃費性能を高めるためである。以下、詳しく説明する。
Here, the supercritical water is injected from the
図5は、エンタルピーおよび圧力の増減に伴う水の状態変化を示す図であり、横軸をエンタルピー(kJ/kg)、縦軸を圧力(MPa)としている。この図5において、領域Z2は液体の領域、領域Z3は気体の領域、領域Z4は液体と気体が共存する領域である。実線で示したラインLT350,LT400,‥‥LT1000は、それぞれ温度が同一の等温線であって、LTに続く数字が温度(K)を表している。例えば、LT350は350Kの等温線であり、LT1000は1000Kの等温度線である。破線で示したラインLD0.01,LD0.1,‥‥LD1000は、それぞれ密度が同一の等密度線であって、LDに続く数字が密度(kg/m3)を表している。例えば、LD0.01は密度が0.01kg/m3の等密度線であり、LD1000は密度が1000kg/m3の等密度線である。 FIG. 5 is a diagram showing changes in the state of water accompanying increases and decreases in enthalpy and pressure, with the horizontal axis representing enthalpy (kJ / kg) and the vertical axis representing pressure (MPa). In FIG. 5, a region Z2 is a liquid region, a region Z3 is a gas region, and a region Z4 is a region where liquid and gas coexist. Lines LT350, LT400,..., LT1000 indicated by solid lines are isothermal lines having the same temperature, and the number following LT represents the temperature (K). For example, LT350 is a 350K isotherm, and LT1000 is a 1000K isotherm. Lines LD0.01, LD0.1,..., LD1000 indicated by broken lines are isodensity lines having the same density, and the number following the LD represents the density (kg / m 3 ). For example, LD0.01 the density of isopycnic line of 0.01kg / m 3, LD1000 density is isopycnic line of 1000 kg / m 3.
また、図5上の点Xは水の臨界点であり、この臨界点Xの温度は647K(より正確には647.3K)、圧力は22MPa(より正確には22.12MPa)である。超臨界水とは、この臨界点Xよりも温度および圧力が高い領域Z1に含まれる水、つまり温度が647K以上でかつ圧力が22MPa以上の水である。 5 is a critical point of water, the temperature of the critical point X is 647K (more precisely 647.3K), and the pressure is 22 MPa (more precisely 22.12 MPa). Supercritical water is water contained in the region Z1 having a temperature and pressure higher than the critical point X, that is, water having a temperature of 647 K or higher and a pressure of 22 MPa or higher.
特に、当実施形態では、超臨界水として、領域Z1の中でも比較的密度の高い領域、詳しくは、領域Z1から密度250kg/m3未満の領域(ラインLD250よりも右側の領域)を除いた領域Z1aに含まれる水を噴射する。すなわち、当実施形態において水噴射装置57から噴射される超臨界水は、647K以上の温度と、22MPa以上の圧力と、250kg/m3以上の密度とを有する水である。
In particular, in this embodiment, as supercritical water, a region having a relatively high density in the region Z1, more specifically, a region excluding a region having a density of less than 250 kg / m 3 (a region on the right side of the line LD250) from the region Z1. Water contained in Z1a is jetted. That is, the supercritical water jetted from the
このような超臨界水(領域Z1aに含まれる水)を水噴射装置57から気筒2に噴射することにより、噴射に伴う気筒2内の温度低下を抑制しながら、比較的多量の水を気筒2内に供給して効率よく膨張仕事を行わせることができる。
By injecting such supercritical water (water contained in the region Z1a) into the
すなわち、当実施形態で用いられる超臨界水(領域Z1aに含まれる水)は、領域Z3に含まれる気体の水(水蒸気)よりも密度が高い。このため、当実施形態のように超臨界水を噴射した場合には、気体の水を噴射する場合に比べて、多量の水を効率よく気筒2内に供給することができる。気筒2内に供給された多量の水は、気筒2内で急速に膨張してピストン5を押し下げる仕事をする。これにより、同等のエンジン出力を確保しながら、燃料噴射装置11から噴射すべき燃料の量を減少させることができる。
That is, the density of supercritical water (water included in the region Z1a) used in the present embodiment is higher than that of gaseous water (water vapor) included in the region Z3. For this reason, when supercritical water is injected as in this embodiment, a large amount of water can be supplied into the
また、図5において矢印W1で示すように、超臨界水は、気体の水に変化するのにほとんどエンタルピー(潜熱)を必要としない。これに対し、領域Z2に含まれる液体の水は、矢印W2で示すように、気体に変化するために大きなエンタルピー(潜熱)を必要とする。このため、当実施形態のように超臨界水を噴射した場合には、液体の水を噴射する場合に比べて、水の吸収潜熱により気筒2内の温度が大幅に低下するのを回避でき、排気から回収した熱を効率よく仕事に変換することができる。
Further, as indicated by an arrow W1 in FIG. 5, supercritical water requires little enthalpy (latent heat) to change into gaseous water. On the other hand, the liquid water contained in the region Z2 requires a large enthalpy (latent heat) in order to change into a gas as indicated by an arrow W2. For this reason, when supercritical water is injected as in this embodiment, it is possible to avoid a significant decrease in the temperature in the
(3)エンジンの制御系統
図6は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるPCM100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
(3) Engine Control System FIG. 6 is a block diagram showing the engine control system. The
PCM100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、PCM100は、上述したエンジン回転センサSN1、エアフローセンサSN2、および水圧センサSN3と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりエンジン回転速度、吸気流量、水圧等)が電気信号としてPCM100に逐次入力されるようになっている。
Detection signals from various sensors are input to the
また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル(図示省略)の開度を検出するアクセルセンサSN4が設けられており、このアクセルセンサSN4による検出信号もPCM100に入力される。
Further, the vehicle is provided with an accelerator sensor SN4 that detects an opening degree of an accelerator pedal (not shown) operated by a driver driving the vehicle, and a detection signal from the accelerator sensor SN4 is also input to the
PCM100は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、PCM100は、燃料噴射装置11、スロットル弁27、排気シャッタ弁36、EGR弁42、低圧ポンプ54、高圧ポンプ55、および水噴射装置57等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
The
例えば、PCM100は、水圧センサSN3により検出される蓄圧レール75内の圧力(蓄圧レール75内に貯留されている水の圧力)に基づいて、当該圧力が超臨界水としての必要圧力(22MPa)以上に保持されるように低圧ポンプ54および高圧ポンプ55を駆動する。
For example, the
また、PCM100は、エアフローセンサSN2およびアクセルセンサSN4の各検出値(吸気流量およびアクセル開度)から特定されるエンジン負荷と、エンジン回転センサSN1により検出されるエンジン回転速度とに基づいて、燃料噴射装置11からの噴射の燃料量および噴射タイミングの目標値と設定するとともに、水噴射装置57からの超臨界水の噴射量および噴射タイミングの目標値を設定し、それぞれの目標値に一致する噴射量および噴射タイミングが得られるように燃料噴射装置11および水噴射装置57を制御する。また、気筒2に導入される全ガス量に占めるEGRガスの割合であるEGR率の目標値をエンジン負荷等に基づいて設定し、その目標値に一致するEGR率が得られるようにEGR弁42および排気シャッタ弁36を制御する。より詳しくは、PCM100は、燃料噴射装置11、水噴射装置57、EGR弁42、および排気シャッタ弁36を次のように制御する。
Further, the
(4)運転状態に応じた制御
図7は、エンジンの運転状態(負荷/回転速度)に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。先にも述べたとおり、当実施形態では、エンジンの全ての運転領域において、燃料と空気との混合気をピストンによる圧縮に伴い自着火させるHCCI燃焼が実行される。ただし、当実施形態におけるHCCI燃焼の種類は、水噴射装置57からの超臨界水の噴射を伴うHCCI燃焼と、水噴射装置57からの超臨界水の噴射を伴わないHCCI燃焼とに大別される。すなわち、図7に示すように、エンジンの運転領域を第1運転領域A1とこれよりも負荷の低い第2運転領域A2とに分けたとき、高負荷側の第1運転領域A1では、水噴射装置57から超臨界水が噴射されつつHCCI燃焼が実行され、低負荷側の第2運転領域A2では超臨界水の噴射が停止された状態でHCCI燃焼が実行される。以下、各運転領域A1,A2での制御について説明する。
(4) Control According to Operating State FIG. 7 is a map for explaining the difference in control according to the operating state (load / rotational speed) of the engine. As described above, in the present embodiment, HCCI combustion is performed in all operating regions of the engine, in which an air-fuel mixture of fuel and air is self-ignited with compression by the piston. However, the types of HCCI combustion in the present embodiment are roughly classified into HCCI combustion accompanied by supercritical water injection from the
(a)第1運転領域での制御
水噴射を伴うHCCI燃焼の実行領域である第1運転領域A1では、高負荷側ほど超臨界水の噴射量が増大するように水噴射装置57が制御される。また、超臨界水の噴射タイミングは、噴射された超臨界水が膨張して仕事に変換される割合ができるだけ多くなるように、水噴射の重心クランク角(水の噴射量が所要噴射量の半分になるクランク角)が圧縮上死点の近傍の所定のクランク角範囲に収まるようなタイミングに設定される。
(A) Control in the first operation region In the first operation region A1, which is the execution region of HCCI combustion with water injection, the
燃料噴射装置11からの燃料の噴射量は、高負荷側ほど多くなるように制御される。また、燃料の噴射タイミングは、超臨界水が噴射された環境下において燃料が適正なタイミング(圧縮上死点の近傍)で自着火するように、予想される着火遅れ時間を考慮した適宜のタイミングに設定される。
The amount of fuel injected from the
スロットル弁27は特に開閉制御されず、原則として全開相当の開度に維持される。
The
EGR弁42および排気シャッタ弁36の開度は、スロットル弁27が全開相当とされた状態で空気過剰率λが1もしくはその近傍になるように制御される。すなわち、スロットル弁27を全開にした場合に気筒2に導入されるガスが、λ≒1相当の空気(新気)とEGRガスとによって占められるように、言い換えると、スロットル全開時の全ガス量からλ≒1相当の空気量を差し引いた分のEGRガス量が確保されるように、EGR弁42および排気シャッタ弁36の開度が制御される。なお、空気過剰率λとは、気筒2に導入される実際の空気量を、理論空燃比(空気量/燃料量=14.7)を実現するのに必要な空気量で割った値のことである。
The opening degrees of the
ここで、燃料噴射量はエンジン負荷が高いほど増やされるので、これに伴って、λ≒1相当の空気量も負荷が高いほど増大する。このため、気筒2内の全ガス量に占めるEGRガスの割合であるEGR率は、高負荷側ほど小さくする必要がある。特に、第1運転領域A1の中でも最も負荷の高い部分(エンジンの全負荷ラインおよびその近傍)では、負荷に見合った多量の空気を確保するためにEGR率(EGR量)がゼロに設定されている(つまりEGR自体が停止される)。EGR弁42および排気シャッタ弁36の開度は、このような傾向で変化するEGR率(EGR量)が実現されるように制御される。
Here, since the fuel injection amount increases as the engine load increases, the air amount corresponding to λ≈1 also increases as the load increases. For this reason, the EGR rate, which is the ratio of the EGR gas to the total gas amount in the
(b)第2運転領域での制御
水噴射を伴わないHCCI燃焼の実行領域である第2運転領域A2では、水噴射装置57が閉弁状態に維持されて、超臨界水の噴射が停止される。燃料噴射装置11からの燃料の噴射量は、高負荷側ほど多くなるように制御されるが、その噴射量は第1運転領域A1のときよりも総じて少なくされる。スロットル弁27は全開相当の開度に維持され、また、この状態でλ≒1相当の空気量が確保されるように、EGR弁42および排気シャッタ弁36が制御される。なお、第2運転領域A2では第1運転領域A1よりも燃料噴射量が少ないため、これに適合するλ≒1相当の空気量(つまり第2運転領域A2よりも少ない空気量)を気筒2に導入するために、第2運転領域A2でのEGR率(EGR量)は第1運転領域A1よりも高い値に設定される。
(B) Control in the second operation region In the second operation region A2, which is an execution region of HCCI combustion not accompanied by water injection, the
(5)作用効果
以上説明したように、当実施形態のエンジンは、排気通路30を流通する排気に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成するコンデンサ52と、コンデンサ52に流入する前の排気との熱交換により凝縮水を昇温させる第1および第2の熱交換器51,56(水昇温装置)と、各熱交換器51,56での昇温処理を経て生成された超臨界水を気筒2に噴射する水噴射装置57と、第1熱交換器51よりも下流側でかつコンデンサ52よりも上流側を流通する排気との熱交換により吸気を昇温させる吸気昇温装置26とを備えている。このような構成によれば、燃焼エクセルギー損失および排気エクセルギー損失の双方を減らすことができ、エンジンの図示効率を効果的に向上できるという利点がある。
(5) Operational Effects As described above, the engine of the present embodiment condenses water vapor contained in the exhaust gas flowing through the
すなわち、上記実施形態では、気筒2に導入される吸気の温度が吸気昇温装置26により高められるので、燃焼が高温化し、燃焼エクセルギー損失を減らすことができる。ここで、エクセルギーとは、系から理論上取り出し得る最大の仕事量のことであり、燃焼エクセルギー損失とは、混合気の燃焼によるエントロピーの増大に伴い生じるエクセルギーの損失のことである。燃焼エクセルギー損失は、不可逆な現象である混合気の燃焼に伴う損失であるため、エンジンを運転する上では避けることのできない純損失である。したがって、このような性質の燃焼エクセルギー損失を減らすことができれば、エンジンの図示効率、つまり投入エネルギー(燃料のエネルギー)のうち外部仕事として取り出される割合が向上する可能性がある。
That is, in the above-described embodiment, the temperature of the intake air introduced into the
ただし、単に吸気温度を高めただけでは、燃焼エクセルギー損失は減少するものの、気筒2から排出される排気の温度が上昇するので、排気エクセルギー損失、つまり排気そのものがもつエクセルギー(排気エクセルギー)のうち仕事として利用されずに捨てられる分が増大し、かえって図示効率が低下してしまう。これに対し、上記実施形態では、コンデンサ52により排気から取り出された凝縮水が、コンデンサ52よりも上流側に設けられた第1および第2熱交換器51,56により昇温され、このような処理を経て生成された超臨界水が水噴射装置57から気筒2に噴射されるので、噴射された超臨界水を気筒2内で膨張させることにより、排気から回収した熱を効率よく仕事に変換することができる。これにより、排気エクセルギー損失が減少するので、上述した燃焼エクセルギー損失の減少と相俟って、エンジンの図示効率を効果的に向上させることができる。
However, simply increasing the intake air temperature reduces the combustion exergy loss, but the temperature of the exhaust discharged from the
上記の作用効果を図8〜図10を用いてより詳しく説明する。 The above effect will be described in more detail with reference to FIGS.
図8は、横軸をエントロピー(J/K)、縦軸を温度(K)としたT−S線図であり、環境温度T0(298K)の下で運転されたエンジンの燃焼サイクルを表している。この場合、圧縮行程の開始時の点P1と、圧縮行程の終了時(燃焼の開始時)の点P2と、燃焼の終了時(膨張行程の開始時)の点P3と、膨張行程の終了時の点P4とで囲まれた領域の面積が、外部に取り出される仕事量、つまりサイクル仕事に相当する。また、点P1とP4とを結ぶラインQと、環境温度T0一定の等温線であるラインRとの間の領域の面積が排気エクセルギーに相当し、ラインRよりも下の領域の面積が燃焼エクセルギー損失に相当する。 FIG. 8 is a TS diagram in which the horizontal axis is entropy (J / K) and the vertical axis is temperature (K), and represents the combustion cycle of an engine operated at ambient temperature T0 (298 K). Yes. In this case, point P1 at the start of the compression stroke, point P2 at the end of the compression stroke (at the start of combustion), point P3 at the end of combustion (at the start of the expansion stroke), and at the end of the expansion stroke The area surrounded by the point P4 corresponds to the work amount taken out to the outside, that is, the cycle work. Further, the area of the region between the line Q connecting the points P1 and P4 and the line R, which is an isotherm with a constant environmental temperature T0, corresponds to exhaust exergy, and the area of the region below the line R burns. Equivalent to exergy loss.
混合気の燃焼に伴うエントロピーの増大量を生成エントロピーΔSとすると、燃焼エクセルギー損失は、生成エントロピーΔSと環境温度T0との積であるT0×ΔSにより算出される。環境温度T0以下の熱は仕事として取り出すことが不可能なので、この燃焼エクセルギー損失は、仕事に変換できない純損失である。 When the amount of increase in entropy accompanying the combustion of the air-fuel mixture is the generated entropy ΔS, the combustion exergy loss is calculated by T0 × ΔS, which is the product of the generated entropy ΔS and the environmental temperature T0. Since heat below the ambient temperature T0 cannot be taken out as work, this combustion exergy loss is a net loss that cannot be converted into work.
ここで、吸気温度つまり燃焼前温度を高くすると、燃焼に伴う熱拡散が抑制される結果、生成エントロピーが減少することが分かっている。したがって、環境温度T0が同じであれば、吸気温度を高くすることにより、生成エントロピーΔSが減少し、これに伴って燃焼エクセルギー損失(T0×ΔS)も減少する。このことから、純損失である燃焼エクセルギー損失を減らすには、吸気温度(燃焼前温度)の高温化が有効であるといえる。 Here, it is known that increasing the intake air temperature, that is, the pre-combustion temperature, reduces the generation entropy as a result of suppressing thermal diffusion associated with combustion. Therefore, if the ambient temperature T0 is the same, the generation entropy ΔS is reduced by increasing the intake air temperature, and accordingly, the combustion exergy loss (T0 × ΔS) is also reduced. From this, it can be said that increasing the intake air temperature (temperature before combustion) is effective in reducing the combustion exergy loss, which is a net loss.
ただし、吸気温度が高くなると、燃焼サイクルの各点P1〜P4が全体的に高温側に移動する。これにより、ラインQとラインRとの間の領域である排気エクセルギーは、生成エントロピーΔSの減少にかかわらずかえって増大してしまう。すなわち、吸気温度の上昇に伴い生成エントロピーΔSが減少しても、そのことによる排気エクセルギーの減少分を、サイクルの各点が高温側に移動することによる排気エクセルギーの増分が上回ることになり、結果として排気エクセルギーが増大する。 However, when the intake air temperature rises, each point P1 to P4 of the combustion cycle moves to the high temperature side as a whole. As a result, the exhaust exergy, which is the region between the line Q and the line R, increases on the contrary regardless of the decrease in the generation entropy ΔS. That is, even if the generation entropy ΔS decreases as the intake air temperature increases, the increase in exhaust exergy due to the movement of each point of the cycle to the high temperature side exceeds the decrease in exhaust exergy due to that. As a result, exhaust exergy increases.
図9は、燃焼エクセルギー損失と、排気エクセルギーと、サイクル仕事との割合が、吸気温度との関係でどのように変化するかを示したグラフである。このグラフに示すように、吸気温度が高くなるほど、燃焼エクセルギー損失の割合は減少するものの、逆に排気エクセルギーの割合は増大し、結果としてサイクル仕事の割合(図示効率)が減少する。ただし、排気エクセルギーは、上述したとおり、純損失ではなく、仕事に変換可能なエクセルギーである。そこで、ここでは排気エクセルギーの割合とサイクル仕事の割合とを足したものを限界効率とする。この限界効率は、吸気温度が高くなるほど大きくなっている。限界効率が大きいということは、排気エクセルギーをうまく仕事に変換してサイクル仕事として取り出せば、サイクル仕事の割合つまり図示効率を向上できることを意味する。 FIG. 9 is a graph showing how the ratio of combustion exergy loss, exhaust exergy, and cycle work changes in relation to the intake air temperature. As shown in this graph, the higher the intake air temperature, the lower the combustion exergy loss rate, but the exhaust exergy rate increases. As a result, the cycle work rate (shown efficiency) decreases. However, as described above, the exhaust exergy is not a net loss but an exergy that can be converted into work. Therefore, the limit efficiency is defined as the sum of the ratio of exhaust exergy and the ratio of cycle work. This marginal efficiency increases as the intake air temperature increases. A large marginal efficiency means that if the exhaust exergy is successfully converted into work and extracted as cycle work, the ratio of cycle work, that is, the efficiency of illustration can be improved.
そこで、排気エクセルギーを仕事に変換するべく超臨界水を気筒に噴射することとし、その場合のエクセルギー割合を計算して図10のような結果を得た。この図10において、右側のグラフG3は、超臨界水を噴射しかつ吸気温度を高めた場合のエクセルギー割合を示し、中央のグラフG2は、超臨界水を噴射せずに吸気温度を高めた場合のエクセルギー割合を示し、左側のグラフG1は、超臨界水を噴射せず吸気温度も高めなかった場合のエクセルギー割合を示している。より具体的に、各グラフの横軸に示したパラメータW/Fは、超臨界水の噴射量を燃料の噴射量で割った値(水噴射比)のことであり、この値が大きいほど超臨界水の噴射量が多いことを表している。また、パラメータTinは吸気温度(K)のことである。右側のグラフG3(水噴射あり、吸気昇温あり)は、水噴射比W/Fを3とし(つまり超臨界水の噴射量を燃料噴射量の3倍に設定し)、かつ吸気温度Tinを環境温度よりも112K高い410K(137℃)とした場合のエクセルギー割合を示している。中央のグラフG2(水噴射なし、吸気昇温あり)は、水噴射比W/Fを0、吸気温度Tinを410Kとした場合のエクセルギー割合を示している。左側のグラフG1(水噴射なし、吸気昇温なし)は、水噴射比W/Fを0、吸気温度Tinを環境温度と同じ298K(25℃)とした場合のエクセルギー割合を示している。 Therefore, supercritical water was injected into the cylinder to convert the exhaust exergy into work, and the exergy ratio in that case was calculated to obtain the result shown in FIG. In FIG. 10, the graph G3 on the right side shows the exergy ratio when supercritical water is injected and the intake air temperature is increased, and the center graph G2 increases the intake air temperature without injecting supercritical water. The graph G1 on the left side shows the exergy ratio when the supercritical water is not injected and the intake air temperature is not increased. More specifically, the parameter W / F shown on the horizontal axis of each graph is a value (water injection ratio) obtained by dividing the injection amount of supercritical water by the injection amount of fuel. This means that the injection amount of critical water is large. The parameter Tin is the intake air temperature (K). The graph G3 on the right (with water injection and intake air temperature rise) sets the water injection ratio W / F to 3 (that is, sets the injection amount of supercritical water to 3 times the fuel injection amount) and sets the intake air temperature Tin. The exergy ratio in the case of 410K (137 ° C.) that is 112K higher than the environmental temperature is shown. The central graph G2 (without water injection and with intake air temperature rise) shows the exergy ratio when the water injection ratio W / F is 0 and the intake air temperature Tin is 410K. The graph G1 on the left (no water injection, no intake air temperature rise) shows the exergy ratio when the water injection ratio W / F is 0 and the intake air temperature Tin is 298K (25 ° C.) which is the same as the environmental temperature.
グラフG1とG2との比較から理解されるように、吸気昇温のみを行って水噴射を行わなかった場合には(G2)、吸気昇温も水噴射も行わない通常の場合(G1)に比べて、燃焼エクセルギー損失は減少するものの、排気エクセルギー損失(排気セクセルギーのうち仕事に利用されずに捨てられる分)はやや増大する。さらに、新たな損失として、吸気昇温に伴う損失、つまり、吸気と排気との熱交換に伴うエクセルギーの減少による損失が発生する。この結果、エンジンのサイクル仕事(図示効率)は、吸気を昇温しなかった場合に比べてやや減少する。 As understood from the comparison between the graphs G1 and G2, when only the intake air temperature rise is performed and water injection is not performed (G2), the normal case where neither the intake air temperature rise nor water injection is performed (G1). In comparison, although the combustion exergy loss is reduced, the exhaust exergy loss (the amount of exhaust sexual energy that is discarded without being used for work) is slightly increased. Furthermore, as a new loss, a loss due to a rise in intake air temperature, that is, a loss due to a decrease in exergy due to heat exchange between the intake air and the exhaust occurs. As a result, the cycle work (shown efficiency) of the engine is slightly reduced as compared with the case where the intake air is not heated.
一方、グラフG1とG3との比較から理解されるように、吸気を昇温させた上でさらに超臨界水を噴射するようにした場合には(G3)、吸気昇温も水噴射も行わない通常の場合(G1)に比べて、燃焼エクセルギー損失が減少(G2と同じだけ減少)する上に、排気エクセルギー損失が大幅に減少する。一方で、新たな損失として、水噴射に伴う損失と、水昇温に伴う損失と、吸気昇温に伴う損失とが発生するが、排気エクセルギー損失の減少量が十分に大きいため、これら新たな損失を差し引いても、エンジンのサイクル仕事(図示効率)は増大する。なお、水噴射に伴う損失とは、噴射後の水と筒内ガスとの熱交換に伴うエクセルギーの減少による損失であり、水昇温に伴う損失とは、水と排気との熱交換に伴うエクセルギーの減少による損失である。 On the other hand, as understood from the comparison between the graphs G1 and G3, when the temperature of the intake air is raised and supercritical water is injected (G3), neither the intake air temperature rise nor the water injection is performed. Compared to the normal case (G1), the combustion exergy loss is reduced (as much as G2), and the exhaust exergy loss is greatly reduced. On the other hand, as new losses, there are losses associated with water injection, losses associated with water temperature rise, and losses associated with intake air temperature rise, but the amount of reduction in exhaust exergy loss is sufficiently large. Even if a large loss is subtracted, the cycle work (illustration efficiency) of the engine increases. The loss due to water injection is the loss due to the decrease in exergy due to heat exchange between the water after injection and the in-cylinder gas, and the loss due to water temperature rise is due to the heat exchange between water and exhaust. This is a loss due to a decrease in exergy.
以上のことから理解されるように、上記実施形態によれば、排気との熱交換による吸気の昇温と、排気熱を利用して生成した超臨界水の噴射とを組み合わせることにより、燃焼エクセルギー損失および排気エクセルギー損失を減らすことができ、図示効率を向上させることができる。 As understood from the above, according to the above embodiment, combustion Excel is combined by combining the temperature rise of the intake air by heat exchange with the exhaust and the injection of supercritical water generated using the exhaust heat. Ghee loss and exhaust exergy loss can be reduced, and the efficiency of illustration can be improved.
また、上記実施形態では、吸気昇温装置26において、第1熱交換器51よりも下流側でかつコンデンサ52よりも上流側を流通する排気との熱交換により吸気が昇温されるため、第1熱交換器51により凝縮水を十分に昇温させつつコンデンサ52をコンパクト化することができる。すなわち、第1熱交換器51では、吸気に熱を奪われる前の(吸気昇温装置26に流入する前の)高温の排気との熱交換により凝縮水が昇温されるので、昇温後の凝縮水の温度を十分に高い値にすることができる。また、コンデンサ52には吸気に熱を奪われた後の比較的低温の排気が流入するので、排気に含まれる水蒸気を凝縮(液化)させるのに必要な冷却容量が少なく済み、冷却容量の確保のためにコンデンサ52が大型化するのを効果的に防止することができる。
Further, in the above embodiment, in the intake air
また、上記実施形態では、コンデンサ52に流入する前の排気との熱交換により凝縮水を昇温させる第1熱交換器51だけでなく、第1熱交換器51に流入する前の排気(排気ポート7内の排気)との熱交換により凝縮水をさらに昇温させる第2熱交換器56が設けられているため、これら2つの熱交換器51,56により排気の熱を十分に回収することができ、回収した熱により凝縮水を十分に昇温させて超臨界水を効率よく生成することができる。
Moreover, in the said embodiment, not only the
特に、上記実施形態では、排気ポート7に挿入されたヒートパイプ70が第2熱交換器56に用いられているため、気筒2から排出された直後の高温の排気の熱をヒートパイプ70により効率よく吸収して凝縮水を十分に昇温させることができる。また、例えばエンジンの低負荷運転時のように、気筒2から排出される排気の温度がそれほど高くない場合(上記実施形態では650K未満の場合)には、ヒートパイプ70による排気からの熱吸収がされなくなるので、ヒートパイプ70よりも下流側でかつ第1熱交換器51よりも上流側に設けられた触媒装置35に流入する排気の温度が極端に低下するのを防止することができ、触媒装置35の温度を適切な範囲(活性状態を維持するのに必要な温度範囲)に維持することができる。
In particular, in the above embodiment, since the
また、上記実施形態では、第1熱交換器51での昇温後の凝縮水の温度(150〜250℃程度)と、吸気昇温装置26での昇温後の吸気の温度(100〜150℃程度)とを比較した場合に、前者の方が後者よりも高く設定されているので、吸気が過度に高温化することによる弊害、例えば吸気通路20に設けられる各種部品を耐熱化する措置が必要になるといった弊害を回避することができる。
Moreover, in the said embodiment, the temperature (about 150-250 degreeC) of the condensed water after the temperature rise in the
また、上記実施形態では、高負荷側の第1運転領域A1において超臨界水の気筒2への噴射が行われるとともに、この第1運転領域A1での空気過剰率λが1もしくはその近傍に設定されるので、λが1よりもかなり大きくなるリーンな環境下と比べて、混合気の燃焼温度を高くすることができる。これにより、気筒2から排出される排気の温度が高くなるので、その排気の熱を利用して凝縮水を十分に昇温させることができ、第1運転領域A1での運転時に必要な超臨界水を効率よく生成することができる。
Further, in the above embodiment, supercritical water is injected into the
また、上記実施形態では、低負荷側の第2運転領域A2でEGR装置40によるEGR(排気の一部を吸気通路20に還流する操作)が行われる一方、高負荷側の第1運転領域A1ではEGRが停止されるかまたは第2運転領域A2よりもEGR量が低減されるので、低負荷域(第2運転領域A2)でのポンピングロスを低減できるとともに、高負荷域(第1運転領域A1)では排気の温度を高めて超臨界水の生成を促進することができる。
In the above embodiment, the
(6)変形例
上記実施形態では、水噴射装置57から気筒2内に噴射される水として、647K以上の温度と22MPa以上の圧力と250kg/m3以上の密度とを有する比較的高密度の超臨界水(図5の領域Z1aに含まれる水)を用いたが、これに代えて、超臨界水に近い性質を有する亜臨界水を用いてもよい。例えば、図11に示す領域Z10に含まれる水、つまり600K以上647K未満の温度と250kg/m3以上の密度とを有する水を亜臨界水として用いることができる。この亜臨界水の性質も、密度が水蒸気よりも高くかつ潜熱が非常に小さいという意味で超臨界水に類似している。このような亜臨界水を気筒に噴射した場合でも、排気エクセルギー損失を十分に減らしてエンジンの図示効率を向上させることができる。
(6) Modification In the above embodiment, the water injected from the
また、上記実施形態では、コンデンサ52と吸気昇温装置26とを別々に設けたが、これらコンデンサおよび吸気昇温装置を実質的に同じ熱交換器に組み込んでもよい。これによれば、外気温とほぼ同温度の吸気によって排気を冷却できるとともに、排気中の水蒸気が凝縮するときに放出される熱を利用して吸気を昇温させることができる。
Moreover, in the said embodiment, although the capacitor |
また、上記実施形態では、スロットル弁27の開度を全開相当に維持しつつEGR量を負荷に応じて増減させることにより、エンジンの全ての運転領域で空気過剰率λを1もしくはその近傍に設定したが、例えば、比較的負荷の低い第2運転領域A2では、気筒2に導入される全ガス量のうち空気(新気)が占める割合を十分に増やす(言い換えるとEGR量を減らす)ことにより、空気過剰率λが1よりも大きくなるリーンな空燃比下でエンジンを運転するようにしてもよい。
Further, in the above embodiment, the excess air ratio λ is set to 1 or in the vicinity thereof in the entire operation region of the engine by increasing or decreasing the EGR amount according to the load while maintaining the opening degree of the
また、上記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるHCCI燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、一部の運転領域でHCCI燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、全ての運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンにも本発明を適用可能であり、さらには、圧縮により高温化した気筒内に軽油を噴射して自着火させるディーゼルエンジンにも本発明を適用可能である。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the example which applied this invention to the gasoline engine by which the HCCI combustion which compresses and self-ignites the mixture of gasoline and air is performed in all the operation areas, this invention is applied. Possible engines are not limited to such engines. For example, the present invention is also applied to a gasoline engine in which HCCI combustion is executed in a part of the operation region and spark ignition combustion is executed in the remaining operation region, or a gasoline engine in which spark ignition combustion is executed in the whole operation region. Further, the present invention can also be applied to a diesel engine that self-ignites by injecting light oil into a cylinder heated to high temperature by compression.
2 気筒
20 吸気通路
26 吸気昇温装置
30 排気通路
40 EGR装置
51 第1熱交換器(水昇温装置)
52 コンデンサ
56 第2熱交換器(水昇温装置)
57 水噴射装置
2
52
57 Water injection device
Claims (5)
前記気筒に導入される吸気が流通する吸気通路と、
前記気筒から排出された排気が流通する排気通路と、
前記排気通路を流通する排気に含まれる水蒸気を凝縮させて凝縮水を生成するコンデンサと、
前記コンデンサに流入する前の排気との熱交換により前記凝縮水を昇温させる水昇温装置と、
前記水昇温装置での前記凝縮水の昇温処理を経て生成された超臨界水または亜臨界水を前記気筒に噴射する水噴射装置と、
前記水昇温装置よりも下流側の排気通路を流通する排気との熱交換により前記吸気を昇温させる吸気昇温装置とを備えた、ことを特徴とする排熱回収機能付きエンジン。 A cylinder in which a mixture of fuel and air burns,
An intake passage through which intake air introduced into the cylinder flows;
An exhaust passage through which the exhaust discharged from the cylinder flows;
A condenser for condensing water vapor contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage to generate condensed water;
A water temperature raising device for raising the temperature of the condensed water by heat exchange with the exhaust before flowing into the condenser;
A water injection device for injecting supercritical water or subcritical water generated through the temperature raising process of the condensed water in the water temperature raising device into the cylinder;
An engine with an exhaust heat recovery function, comprising: an intake air temperature raising device that raises the temperature of the intake air by exchanging heat with exhaust gas flowing through an exhaust passage downstream of the water temperature raising device.
前記吸気昇温装置は、前記水昇温装置よりも下流側でかつ前記コンデンサよりも上流側を流通する排気との熱交換により前記吸気を昇温させる、ことを特徴とする排熱回収機能付きエンジン。 The engine with exhaust heat recovery function according to claim 1,
The intake air temperature raising device raises the temperature of the intake air by exchanging heat with exhaust flowing downstream from the water temperature raising device and upstream from the condenser. engine.
前記水昇温装置は、前記コンデンサよりも上流側の排気通路を流通する排気との熱交換により前記凝縮水を昇温させる第1熱交換器と、第1熱交換器に流入する前の排気との熱交換により前記凝縮水をさらに昇温させる第2熱交換器とを有し、
前記吸気昇温装置は、前記第1熱交換器での昇温後の凝縮水の温度よりも低くかつ外気温よりも高い温度まで前記吸気を昇温させる、ことを特徴とする排熱回収機能付きエンジン。 The engine with exhaust heat recovery function according to claim 2,
The water temperature raising device includes a first heat exchanger that raises the temperature of the condensed water by heat exchange with the exhaust gas that flows through an exhaust passage upstream of the condenser, and an exhaust gas before flowing into the first heat exchanger. A second heat exchanger that further raises the temperature of the condensed water by heat exchange with
The exhaust air temperature raising device raises the temperature of the intake air to a temperature lower than the temperature of the condensed water after the temperature rise in the first heat exchanger and higher than the outside air temperature. With engine.
前記水噴射装置は、少なくともエンジンの高負荷域において前記超臨界水または亜臨界水を前記気筒に噴射し、
少なくとも前記高負荷域での運転時は、前記気筒内の混合気の空気過剰率が1もしくはその近傍に設定される、ことを特徴とする排熱回収機能付きエンジン。 The engine with an exhaust heat recovery function according to any one of claims 1 to 3,
The water injection device injects the supercritical water or subcritical water into the cylinder at least in a high load region of the engine,
An engine with an exhaust heat recovery function, wherein the excess air ratio of the air-fuel mixture in the cylinder is set to 1 or in the vicinity thereof at least during operation in the high load region.
前記排気通路を流通する排気の一部を前記吸気通路に還流するEGRを実行するEGR装置をさらに備え、
前記EGR装置は、エンジンの低負荷域で前記EGRを実行するとともに、エンジンの高負荷域では前記EGRを停止するかまたは前記低負荷域よりもEGR量を減少させる、ことを特徴とする排熱回収機能付きエンジン。 The engine with exhaust heat recovery function according to claim 4,
An EGR device for performing EGR for returning a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage;
The EGR device performs the EGR in a low load region of the engine, and stops the EGR in the high load region of the engine or reduces the EGR amount more than the low load region. Engine with recovery function.
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