JP2018035764A - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン本体1の気筒2内で生成された排気ガスを流通する排気ポート17と、受熱水Wを収容する水収容部48と、これら排気ポート17と水収容部48とに跨ぐように配置され、内部に媒体Sが封入されたヒートパイプ5151を備え、ヒートパイプ51は、媒体Sの作動温度域の違いに応じて複数備え、排気ポート17においては、高温域作動媒体Shが封入された高温域作動ヒートパイプ51Hを排気方向上流側に設置するとともに、低温域作動媒体Slが封入された低温域作動ヒートパイプ51Lを排気方向下流側に設置し、水収容部48においては、高温域作動ヒートパイプ51Hを水流通方向下流側に設置するとともに、低温域作動ヒートパイプ51Lを水流通方向上流側に設置する構成とした。
【選択図】図2
Description
ヒートパイプによる熱回収装置に関する先行文献として例えば特許文献1が提案されている。
なお、ヒートパイプに封入する媒体(作動流体)は、第1ループ式と第2ループ式のヒートパイプ間で特に区別することなく純水等と記載されている。
その一方で、エンジンの高負荷域においては、トルク優先の領域であり、燃料噴射量が相対的に多くなり、空燃比のRich化(λ=1化)も伴って、排気温度が大きく上昇する。
図1は、本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施形態のエンジンシステムは、4ストロークのエンジン本体1と、エンジン本体1に燃焼用の空気を導入するための吸気通路30と、エンジン本体1で生成された排気を排出するための排気通路35と、水循環装置40と、熱回収装置50とを備える。
図2は、エンジン本体1の概略断面図である。
吸気通路30には、上流側から順に、エアクリーナ31と、スロットルバルブ32とが設けられており、エアクリーナ31およびスロットルバルブ32を通過した後の空気がエンジン本体1に導入される。
排気通路35には、上流側から順に、排気を浄化するための浄化装置36、熱交換器37、コンデンサー(凝縮器)38、排気シャッターバルブ39が設けられている。熱交換器37およびコンデンサー38は、水循環装置40の一部を構成するものである。浄化装置36は、例えば、三元触媒からなる。
水循環装置40は、排気の熱エネルギーを利用して後述する熱回収装置50と協働して超臨界水を生成するものである。
そのため、水供給通路41のうち高圧ポンプ44よりも下流側の高圧の超臨界水が流通する部分には、高圧用の配管が用いられる。
図2に示すように、第1実施形態の熱回収装置50は、排気ポート17と、受熱水W(水)が流通する下流側水タンク45と、内部に媒体Sが封入されたヒートパイプ51(51H,51L)と、排気ポート17内においてヒートパイプ51を支持する支持部材25(25a,25b,25c)を備え、水噴射装置22に水供給前に、排気通路35を通過する排気ガスの熱を、ヒートパイプ51を介して高圧ポンプ44から圧送された受熱水Wにより回収して該受熱水Wをさらに昇温する装置である。
これにより、水流通路48を流れる受熱水Wを低温域作動ヒートパイプ51L側から高温域作動ヒートパイプ51H側へ流す構成としている。
上述した本実施例のエンジンの排熱回収装置50は、エンジン本体1の気筒2内で生成された排気ガスが流通する排気ポート17と、受熱水Wが流通する下流側水タンク45内の水流通路48(図3参照)と、これら排気ポート17と水流通路48とに跨ぐように配置され、内部に媒体Sが封入されたヒートパイプ51を備え、排気ポート17の排気流路17Sの排気ガスの熱をヒートパイプ51を介して水流通路48を流通する受熱水Wにより受熱して熱回収するエンジンの排熱回収装置であって(図1参照)、ヒートパイプ51は、媒体Sの作動温度域の違いに応じて複数備え、排気ポート17においては、高温域で作動する高温域媒体Shとしてのとしてのナトリウムが封入された高温域作動ヒートパイプ51Hの放熱側端部53hを、排気方向Dg上流側に設置するとともに、高温域媒体Shよりも相対的に低温域で作動する低温域媒体Slとしての水が封入された低温域作動ヒートパイプ51Lの放熱側端部53lを、高温域作動ヒートパイプ51Hよりも相対的に排気方向Dg下流側に設置し、さらに水流通路48においては、高温域作動ヒートパイプ51Hの受熱側端部52hを水流方向Dw下流側に設置するとともに、低温域作動ヒートパイプ51Lの受熱側端部52lを水流方向Dw上流側に設置する構成としたものである(図2、図3参照)。
換言すると、排気ガスは、低温になる程高密度になり、さらに高密度になる程流速が遅くなる特性を有する。すなわち、排気ガスは低温になる程熱伝達率が低くなる特性を有する。
・(圧力損失)∝(密度)×(流速)2
以上により、支持部材25は、排気方向Dgの上流側の方が下流側よりも受熱部26の間隙空間を大きくする(「粗」にする)ことで、例えば上流側支持部材25aを流速が速い排気方向Dg上流側に配置しても圧力損失増加を抑制することができつつ、上流側支持部材25aの間隙空間が大きくても排気ポート17の排気流路17Sにおける排気ガス温度が高いが故に大きな熱交換量を確保することができる。一方、支持部材25は、排気方向Dgの下流側の方が上流側よりも受熱部26の間隙空間を小さくする(「密」にする)ことで、例えば下流側支持部材25cの伝達面積を確保して受熱量を増やし、熱交換量を増やすことができる。
図5は、第2実施形態の熱回収装置の模式図を示している。以下、この第2実施形態の熱回収装置50Aについて説明するが、上述した第1の実施形態の熱回収装置50と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、下流側水タンク45Aの水流通路48においては、排気ガスの排気方向Dgと逆方向(対向方向)に受熱水Wを流す構成としたものである。
ここで、ヒートパイプ51Aの周方向の略下側部分、すなわち排気ガスとの接触部分を受熱側部52A(52Ah,52Al)に設定するとともに、ヒートパイプ51Aの周方向の略上側部分、すなわち受熱水Wとの接触部分を放熱側部53A(53Ah,53Al)に設定する。
また上記構成により、本実施形態のヒートパイプ51Aは、放熱側長辺部55が受熱側長辺部54よりも上側に配置された位置関係となる。
上記構成によれば、本実施形態の排熱回収装置50Aは、作動温度帯域が異なる媒体sh,slに応じた2種類のストレート状のヒートパイプ51H,51Lを備えた第1実施形態の排熱回収装置50と同様に、エンジンの低負荷運転領域から高負荷運転領域までの広範囲の運転状態に伴って排気温度域が幅広くなるが、このような幅広い排気温度域の排気熱を高温域と低温域との夫々の温度帯域に見合ったヒートパイプ51AH,51ALにより幅広い温度状態で排気熱を効率的に回収することが可能となるという効果を奏することができる。
図6は、第3実施形態の熱回収装置の模式図を示している。以下、この第3実施形態の熱回収装置50Bについて説明するが、上述した第1、第2の実施形態の熱回収装置50,50Aと同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
低温域作動ヒートパイプ51BLの周方向の略下側部分を受熱側部52Blに設定するとともに、ヒートパイプ51Bの周方向の略上側部分を放熱側部53Blに設定する。
高温域作動ヒートパイプ51BHの周方向の略下側部分を受熱側部52Bhに設定するとともに、ヒートパイプ51Bの周方向の略上側部分を放熱側部53Bhに設定する。
2…気筒
16…排気ポート
25…支持部材
25a…上流側支持部材
25b…中間支持部材
25c…下流側支持部材
26…受熱部
45,45A…下流側水タンク(水収容部)
45B…ウォータジャケット(水収容部)
50,50A,50B…熱回収装置
51,51A,51B…ヒートパイプ
51H…高温域作動ヒートパイプ
51L…低温域作動ヒートパイプ
S…媒体
Sh…高温域作動媒体
Sl…低温域作動媒体
W…受熱水
Dg…排気方向
Claims (4)
- エンジンの気筒内で生成された排気ガスを流通する排気ポートと、受熱水を収容する水収容部と、これら排気ポートと水収容部とに跨ぐように配置され、内部に媒体が封入されたヒートパイプを備え、排気ガスの熱を媒体を介して受熱水が受熱することで熱回収するエンジンの排熱回収装置であって、前記ヒートパイプは、排気ポートの排気方向上流側に、媒体の作動温度域の違いに応じて複数備え、前記排気ポートにおいては、高温域で作動する高温域作動媒体が封入された高温域作動ヒートパイプを、排気方向上流側に設置するとともに、前記高温域作動媒体よりも相対的に低温域で作動する低温域作動媒体が封入された低温域作動ヒートパイプを、前記高温域作動ヒートパイプよりも相対的に排気方向下流側に設置し、さらに前記水収容部においては、前記高温域作動ヒートパイプを、水流通方向下流側に設置するとともに、前記低温域作動ヒートパイプを、水流通方向上流側に設置する構成とした
エンジンの排熱回収装置。 - 前記排気ポート内に、前記ヒートパイプを支持する支持部材が設けられ、
前記支持部材は、熱伝導性を有するとともに排気ガスから受熱する受熱部を備えた
請求項1に記載のエンジンの排熱回収装置。 - 前記支持部材は金属製である
請求項2に記載のエンジンの排熱回収装置。 - 前記支持部材は、複数の該ヒートパイプに対応して複数備え、
前記受熱部は多孔質状に形成され、
排気方向上流側の方が、排気方向下流側よりも前記受熱部の間隙空間が大きく形成された
請求項2又は3に記載のエンジンの排熱回収装置。
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