JP2019183793A - Exhaust heat recovery device of engine - Google Patents

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Abstract

To improve heat efficiency of an engine by heat recovery of an exhaust gas even when a temperature of the exhaust gas is low.SOLUTION: An exhaust heat recovery device 3 of an engine 1 includes a water recovery portion (condenser 32) disposed in an exhaust passage 40 for recovering water in an exhaust gas, a heating portion (heat exchanger 31) heating the water recovered by the water recovery portion, and a water injection portion (water injection valve 5) having a passage portion 52 in which the water heated by the heating portion flows, and a nozzle 53 communicated to the passage portion and opened to a combustion chamber, and injecting the water into the combustion chamber through the nozzle. The water injection portion is mounted on the engine, heat of the exhaust gas is supplied to the water flowing in the nozzle, a temperature of the water in the passage portion is 280°C or more and less than 374°C, a pressure of the water in the passage portion is 10 MPa or more and 30 MPa or less, a diameter D of the nozzle is 0.1 mm or more and 1 mm or less, and a length L of the nozzle is determined to satisfy that L/D is 5 or more and 50 or less.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

ここに開示する技術は、エンジンの排熱回収装置に関する。   The technology disclosed herein relates to an exhaust heat recovery device for an engine.

特許文献1には、燃焼室内に亜臨界水又は超臨界水を噴射することによって、効率の向上を図るディーゼルエンジンが記載されている。より詳細に、このディーゼルエンジンは、水と排気ガスとの熱交換を行うことによって亜臨界水又は超臨界水を生成する。生成した亜臨界水又は超臨界水は、水噴射弁により、圧縮行程において混合気が着火する前に、燃焼室内に噴射される。   Patent Document 1 describes a diesel engine that improves efficiency by injecting subcritical water or supercritical water into a combustion chamber. More specifically, the diesel engine generates subcritical water or supercritical water by performing heat exchange between water and exhaust gas. The generated subcritical water or supercritical water is injected into the combustion chamber by the water injection valve before the air-fuel mixture is ignited in the compression stroke.

特許文献2には、ディーゼルエンジンの燃焼室内に水を噴射する噴射制御装置が記載されている。水噴射弁は、燃焼期間中に水を噴射する。水が燃焼火炎から受熱して気化することにより気化膨張力を増大し、ディーゼルエンジンの燃費の向上が図られる。   Patent Document 2 describes an injection control device that injects water into a combustion chamber of a diesel engine. The water injection valve injects water during the combustion period. Water receives heat from the combustion flame and is vaporized, thereby increasing the vaporization expansion force and improving the fuel efficiency of the diesel engine.

特許第4648466号公報Japanese Patent No. 4648466 特開2012−112326号公報JP 2012-112326 A

例えばエンジンが高負荷で運転しているときには、排気ガスの温度が高い。エンジンが高負荷で運転しているときには、特許文献1に記載されているように、水と排気ガスとの熱交換を行うことにより水の温度が臨界温度以上に高まって、超臨界水を生成することが可能である。超臨界水を燃焼室内に噴射すると、燃焼室内の熱を使うことなく過熱蒸気が生成される。超臨界水を、例えば圧縮行程から圧縮上死点付近のタイミングで燃焼室内に噴射することにより、膨張行程における作動ガス量を増やすことができて、エンジンの熱効率が向上する。つまり、この構成の排熱回収装置は、水を媒介として排気ガスの熱を回収することによって、エンジンの熱効率を向上させることができる。   For example, when the engine is operating at a high load, the temperature of the exhaust gas is high. When the engine is operating at a high load, as described in Patent Document 1, heat exchange between water and exhaust gas causes the water temperature to rise above the critical temperature, generating supercritical water. Is possible. When supercritical water is injected into the combustion chamber, superheated steam is generated without using the heat in the combustion chamber. By injecting supercritical water into the combustion chamber, for example, at a timing near the compression top dead center from the compression stroke, the amount of working gas in the expansion stroke can be increased, and the thermal efficiency of the engine is improved. In other words, the exhaust heat recovery apparatus having this configuration can improve the thermal efficiency of the engine by recovering the heat of the exhaust gas through water.

しかしながら、エンジンが低負荷で運転しているとき、及び/又は、エンジンの燃焼空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときには、排気ガスの温度が低くなる。そのため、水と排気ガスとの熱交換を行っても、超臨界水を生成することができなくなる。超臨界水を生成することができないと、特許文献2に記載されているように、燃焼室内に噴射した水が燃焼室内の熱を使って気化することになる。この場合は、排気ガスの熱を利用して生成した超臨界水を燃焼室内に噴射する場合よりも、熱効率が低下してしまう。   However, when the engine is operating at a low load and / or when the combustion air-fuel ratio of the engine is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, the temperature of the exhaust gas becomes low. Therefore, even if heat exchange between water and exhaust gas is performed, supercritical water cannot be generated. If supercritical water cannot be generated, the water injected into the combustion chamber is vaporized using the heat in the combustion chamber, as described in Patent Document 2. In this case, the thermal efficiency is lower than when supercritical water generated using the heat of the exhaust gas is injected into the combustion chamber.

ここに開示する技術は、排気ガスの温度が低いときでも、排気ガスの熱回収によりエンジンの熱効率を向上させる。   The technique disclosed here improves the thermal efficiency of the engine by recovering heat of the exhaust gas even when the temperature of the exhaust gas is low.

本願発明者らは、排気ガスの温度が低いため、排気ガスの熱回収によって超臨界水を生成することができないときには、減圧沸騰現象を利用して、燃焼室内に飽和蒸気を供給する点に着目をした。   The inventors of the present application focus on supplying saturated steam into the combustion chamber using the reduced-pressure boiling phenomenon when the temperature of the exhaust gas is low and supercritical water cannot be generated by heat recovery of the exhaust gas. Did.

しかしながら、排気ガスの熱エネルギが低いことと、水を燃焼室内に噴射するタイミングでの燃焼室内の圧力状態との関係から、減圧沸騰現象のみで、必要量の飽和蒸気を生成することができないことに、本願発明者らは気づいた。   However, due to the relationship between the low heat energy of the exhaust gas and the pressure state in the combustion chamber at the timing when water is injected into the combustion chamber, the required amount of saturated steam cannot be generated only by the reduced-pressure boiling phenomenon. In addition, the present inventors have noticed.

そこで、本願発明者らは、水噴射部のノズル内を水(液体)が流れる間にノズルの壁面を通じて熱を供給することにより、ノズル内において、減圧沸騰と、減圧沸騰に伴い引き起こされる沸騰熱伝達との両方を利用して飽和蒸気を生成することとした。そして、ノズル内において飽和蒸気を生成することが可能となるようなノズルの形状を見いだし、ここに開示する技術を完成するに至った。   Therefore, the inventors of the present invention supply the heat through the wall surface of the nozzle while water (liquid) flows through the nozzle of the water injection unit, whereby the boiling heat caused by the vacuum boiling and the vacuum boiling is generated in the nozzle. Saturated steam was generated using both transmission and transmission. And the shape of the nozzle which became possible to produce | generate saturated vapor | steam in a nozzle was discovered, and it came to complete the technique disclosed here.

具体的に、ここに開示する技術は、エンジンの排熱回収装置に係る。このエンジンの排熱回収装置は、燃焼室を有するエンジンと、前記エンジンの排気通路に設けられ、前記排気通路内を流れる排気ガス中の水を回収する水回収部と、前記水回収部が回収した水を加熱する加熱部と、前記加熱部において加熱された水が流れる通路部と、前記通路部に連通すると共に前記燃焼室内に開口するノズルと、を有し、前記ノズルを通じて前記燃焼室内に水を噴射する水噴射部と、を備える。   Specifically, the technology disclosed herein relates to an engine exhaust heat recovery device. The engine exhaust heat recovery device includes an engine having a combustion chamber, a water recovery unit that is provided in an exhaust passage of the engine and recovers water in exhaust gas flowing in the exhaust passage, and the water recovery unit recovers A heating section that heats the heated water, a passage section through which water heated in the heating section flows, and a nozzle that communicates with the passage section and opens into the combustion chamber, and through the nozzle into the combustion chamber. A water injection unit for injecting water.

そして、前記水噴射部は前記エンジンに取り付けられ、排気ガスの熱は前記ノズル内を流れる水に供給され、前記通路部内における水の温度は280℃以上でかつ374℃未満でかつ、前記通路部内における水の圧力は10MPa以上30MPa以下であり、前記ノズルの径Dは0.1mm以上でかつ1mm以下であり、前記ノズルの長さLは、L/Dが5以上でかつ50以下となるように、設定されている。   The water injection unit is attached to the engine, and the heat of the exhaust gas is supplied to the water flowing through the nozzle. The temperature of the water in the passage unit is 280 ° C. or more and less than 374 ° C. The pressure of water is 10 MPa or more and 30 MPa or less, the nozzle diameter D is 0.1 mm or more and 1 mm or less, and the nozzle length L is such that L / D is 5 or more and 50 or less. Is set.

この構成によると、排気ガスから回収された水は、加熱部において加熱された後、水噴射部によって、燃焼室内に噴射される。ここで、水噴射部はエンジンに取り付けられており、排気ガスの熱は、ノズルの内周面からノズル内を流れる水に伝達される。   According to this configuration, the water recovered from the exhaust gas is heated in the heating unit and then injected into the combustion chamber by the water injection unit. Here, the water injection part is attached to the engine, and the heat of the exhaust gas is transmitted from the inner peripheral surface of the nozzle to the water flowing in the nozzle.

水噴射部の通路部内において、水の温度は280℃以上でかつ374℃未満である。つまり、水の温度は臨界温度以下である、この構成の排熱回収装置において、水噴射部は、超臨界水を燃焼室内に噴射しない。   In the passage part of the water injection part, the temperature of the water is 280 ° C. or more and less than 374 ° C. In other words, in the exhaust heat recovery apparatus having this configuration in which the water temperature is equal to or lower than the critical temperature, the water injection unit does not inject supercritical water into the combustion chamber.

水噴射部の通路部内において、水の圧力は10MPa以上30MPa以下である。水噴射部に水を供給する通路に高圧ポンプをおいて配設することによって、水の圧力を高めてもよい。高圧ポンプは、例えばエンジンによって駆動されるように構成してもよい。また、高圧ポンプは、電気エネルギによって駆動されるように構成してもよい。   In the passage part of the water injection part, the pressure of water is 10 MPa or more and 30 MPa or less. You may raise the pressure of water by arrange | positioning in a channel | path which supplies water to a water injection part in a high pressure pump. The high pressure pump may be configured to be driven by an engine, for example. The high pressure pump may be configured to be driven by electric energy.

水噴射部のノズルは、燃焼室内に開口している。ノズル内の圧力は、燃焼室内の圧力に一致、又は、ほぼ一致する。水噴射部が水を噴射するタイミングにおいて、燃焼室(及びノズル)内の圧力は、例えば5MPa程度である。水噴射部が水を噴射すると、ノズル内において水(液体)の一部が、減圧沸騰現象により飽和蒸気となる。また、ノズルにおいて、壁面熱伝達により排気ガスの熱が水に供給される。さらに、減圧沸騰に伴い、ノズル内においては、沸騰熱伝達により水に熱が供給される。減圧沸騰現象と沸騰熱伝達との両方により、水はノズル内において飽和蒸気となって、燃焼室内に噴射(つまり、供給)される。   The nozzle of the water injection part is opened in the combustion chamber. The pressure in the nozzle matches or substantially matches the pressure in the combustion chamber. At the timing when the water injection unit injects water, the pressure in the combustion chamber (and the nozzle) is, for example, about 5 MPa. When the water injection unit injects water, a part of the water (liquid) in the nozzle becomes saturated vapor due to the reduced pressure boiling phenomenon. In the nozzle, the heat of the exhaust gas is supplied to the water by the wall surface heat transfer. Furthermore, with boiling under reduced pressure, heat is supplied to the water by boiling heat transfer in the nozzle. By both the reduced-pressure boiling phenomenon and the boiling heat transfer, water becomes saturated steam in the nozzle and is injected (that is, supplied) into the combustion chamber.

このように、前記構成の排熱回収装置は、燃焼室内の熱を利用することなく燃焼室内に飽和蒸気を供給することができる。排気ガスの熱を利用して生成した超臨界水を燃焼室内に噴射する場合と同様に、エンジンの熱効率を向上させることができる。   Thus, the exhaust heat recovery apparatus having the above-described configuration can supply saturated steam into the combustion chamber without using the heat in the combustion chamber. As in the case of injecting supercritical water generated using the heat of the exhaust gas into the combustion chamber, the thermal efficiency of the engine can be improved.

前記水回収部は、排気ガスを冷却することによって排気ガス中の水を凝縮させ、前記加熱部は、前記排気通路における前記水回収部よりも上流に設けられかつ、前記排気ガスの熱によって前記水を加熱する、としてもよい。   The water recovery unit condenses water in the exhaust gas by cooling the exhaust gas, the heating unit is provided upstream of the water recovery unit in the exhaust passage, and the heat of the exhaust gas The water may be heated.

こうすることで、水を媒介として排気ガスの熱を回収することができ、エンジンの熱効率が、さらに向上する。特に本構成は、加熱部において水を臨界温度以上に加熱する必要がないから、排気ガスの温度が低いときに熱回収を行うことができる。   By doing so, the heat of the exhaust gas can be recovered using water as a medium, and the thermal efficiency of the engine is further improved. In particular, this configuration does not require heating the water above the critical temperature in the heating section, so heat recovery can be performed when the temperature of the exhaust gas is low.

前記水噴射部は、前記ノズルを複数、有しており、各ノズルの内周面の面積は、0.16mm以上160mm以下である、としてもよい。 The water ejection unit may include a plurality of the nozzles, and an area of an inner peripheral surface of each nozzle may be 0.16 mm 2 or more and 160 mm 2 or less.

こうすることで、複数のノズルのそれぞれにおいて減圧沸騰現象と沸騰熱伝達との両方を利用して生成した飽和蒸気を、燃焼室内に供給することができる。   By doing so, saturated steam generated using both the reduced-pressure boiling phenomenon and the boiling heat transfer in each of the plurality of nozzles can be supplied into the combustion chamber.

前記水噴射部には、排気ガスの熱を輸送するヒートパイプの放熱部が取り付けられている、としてもよい。   The water injection unit may be provided with a heat pipe heat dissipation unit that transports heat of the exhaust gas.

ヒートパイプを利用することによって、排気ガスの熱を、効率良く、水噴射部のノズルに輸送することができる。ノズル内を流れる水に、熱を十分に供給することができるから、飽和蒸気を生成する上で、有利になる。   By using the heat pipe, the heat of the exhaust gas can be efficiently transported to the nozzle of the water injection unit. Since sufficient heat can be supplied to the water flowing in the nozzle, it is advantageous in producing saturated steam.

前記エンジンの全運転領域中、少なくとも所定負荷よりも負荷が低い低負荷領域において、混合気の燃焼空燃比は理論空燃比よりもリーンであり、前記水噴射部は、少なくとも前記低負荷領域において、前記燃焼室内に水を噴射する、としてもよい。   The combustion air-fuel ratio of the air-fuel mixture is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio at least in a low-load region where the load is lower than a predetermined load in the entire operation region of the engine, and the water injection unit is at least in the low-load region. Water may be injected into the combustion chamber.

エンジンの負荷が低いときに混合気の燃焼空燃比を理論空燃比よりもリーンにすると、排気ガスの温度が低くなる。ここに開示する技術は、前述したように、排気ガスの温度が低くても排気ガスの熱回収を行うことができるから、エンジンの燃費性能の向上に有利になる。   If the combustion air-fuel ratio of the air-fuel mixture is made leaner than the stoichiometric air-fuel ratio when the engine load is low, the temperature of the exhaust gas decreases. As described above, the technology disclosed herein is advantageous in improving the fuel efficiency of the engine because the exhaust gas can recover heat even when the temperature of the exhaust gas is low.

以上説明したように、前記エンジンの排熱回収装置によると、排気ガスの温度が低いときでも、排気ガスの熱回収によってエンジンの熱効率を向上させることができる。   As described above, according to the engine exhaust heat recovery apparatus, even when the temperature of the exhaust gas is low, the thermal efficiency of the engine can be improved by the heat recovery of the exhaust gas.

図1は、エンジンの排熱回収装置の構成を例示する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of an exhaust heat recovery device for an engine. 図2は、水噴射弁の先端部の構成を例示する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the tip of the water injection valve. 図3は、ノズル内において、液体の水から飽和蒸気になる過程を模式的に示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the process of changing from liquid water to saturated vapor in the nozzle. 図4は、図2とは異なる構成の水噴射弁の先端部の構成を例示する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the tip of the water injection valve having a configuration different from that in FIG.

以下、ここに開示するエンジンの排熱回収装置の構成を、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明は、排熱回収装置の構成の一例である。   Hereinafter, the configuration of the exhaust heat recovery device for an engine disclosed herein will be described with reference to the drawings. The following description is an example of the configuration of the exhaust heat recovery apparatus.

図1は、エンジンの排熱回収装置3の構成例を示している。エンジン1は、自動車に搭載されている。エンジン1は、複数の気筒20を有する多気筒エンジンである。エンジン1は、例えば、直列4気筒エンジンとしてもよい。   FIG. 1 shows a configuration example of an exhaust heat recovery device 3 for an engine. The engine 1 is mounted on an automobile. The engine 1 is a multi-cylinder engine having a plurality of cylinders 20. The engine 1 may be, for example, an in-line four cylinder engine.

エンジン1は、シリンダブロック21と、シリンダブロック21の上に置かれたシリンダヘッド22とを備えている。気筒20は、シリンダブロック21に形成されている。   The engine 1 includes a cylinder block 21 and a cylinder head 22 placed on the cylinder block 21. The cylinder 20 is formed in the cylinder block 21.

エンジン1は、各気筒20内に配設されたピストン24を有している。ピストン24の上面には、キャビティが形成されている。気筒20とピストン24とによって燃焼室29が形成されている。エンジン1は、少なくともガソリンを含有する混合気を、燃焼室29内で圧縮自着火させるよう構成されている。エンジン1の幾何学的圧縮比は、例えば15以上30以下に設定されている。燃焼室29を形成するピストン24及びシリンダヘッド22の面に、遮熱層を設けてもよい。   The engine 1 has a piston 24 disposed in each cylinder 20. A cavity is formed on the upper surface of the piston 24. A combustion chamber 29 is formed by the cylinder 20 and the piston 24. The engine 1 is configured to cause compression air to ignite in the combustion chamber 29 an air-fuel mixture containing at least gasoline. The geometric compression ratio of the engine 1 is set to 15 or more and 30 or less, for example. A heat shield layer may be provided on the surfaces of the piston 24 and the cylinder head 22 that form the combustion chamber 29.

尚、図1に示す構成例では、エンジン1は、点火プラグを備えていないが、エンジン1は、点火プラグを利用して、混合気の圧縮着火をアシストするように構成してもよい。   In the configuration example shown in FIG. 1, the engine 1 is not provided with a spark plug, but the engine 1 may be configured to assist the compression ignition of the air-fuel mixture using the spark plug.

燃料噴射弁220が、シリンダヘッド22に取り付けられている。燃料噴射弁220は、気筒20毎に設けられている。燃料噴射弁220は、燃焼室29内に、燃料を直接噴射する。   A fuel injection valve 220 is attached to the cylinder head 22. The fuel injection valve 220 is provided for each cylinder 20. The fuel injection valve 220 directly injects fuel into the combustion chamber 29.

シリンダヘッド22には、吸気ポート27が形成されている。吸気ポート27は、燃焼室29に連通している。尚、図示は省略するが、吸気ポート27を開閉する吸気弁が、吸気ポート27の開口部26に配設されている。また、図示は省略するが、吸気ポート27には、吸気管が接続されている。   An intake port 27 is formed in the cylinder head 22. The intake port 27 communicates with the combustion chamber 29. Although not shown, an intake valve that opens and closes the intake port 27 is disposed in the opening 26 of the intake port 27. Although not shown, an intake pipe is connected to the intake port 27.

シリンダヘッド22にはまた、排気ポート47が形成されている。排気ポート47は、燃焼室29に連通している。尚、図示は省略するが、排気ポート47を開閉する排気弁が、排気ポート47の開口部46に配設されている。図1においては模式的に示すが、排気ポート47には、排気管45が接続されている。排気ポート47と排気管45とによって、燃焼室29から排出された排気ガスが流れる排気通路40が構成されている。   An exhaust port 47 is also formed in the cylinder head 22. The exhaust port 47 communicates with the combustion chamber 29. Although not shown, an exhaust valve that opens and closes the exhaust port 47 is disposed in the opening 46 of the exhaust port 47. Although schematically shown in FIG. 1, an exhaust pipe 45 is connected to the exhaust port 47. The exhaust port 47 and the exhaust pipe 45 constitute an exhaust passage 40 through which exhaust gas discharged from the combustion chamber 29 flows.

排気管45には、触媒装置41と、熱交換器31と、コンデンサー32とが、上流から下流に向かって順に配設されている。触媒装置41は、排気ガスの浄化を行う。触媒装置41は、例えば三元触媒を含んで構成してもよい。   In the exhaust pipe 45, a catalyst device 41, a heat exchanger 31, and a condenser 32 are arranged in order from upstream to downstream. The catalyst device 41 purifies the exhaust gas. For example, the catalyst device 41 may include a three-way catalyst.

エンジン1の排熱回収装置3は、熱交換器31と、コンデンサー32と、水タンク33と、高圧ポンプ34と、水噴射弁5とによって構成されている。   The exhaust heat recovery device 3 of the engine 1 includes a heat exchanger 31, a condenser 32, a water tank 33, a high pressure pump 34, and a water injection valve 5.

コンデンサー32は、排気管45内を流れる排気ガスを冷却することによって、排気ガス中の水を凝縮するよう構成されている。つまり、コンデンサー32は、冷媒との熱交換によって排気ガスを冷却する熱交換器である。コンデンサー32は、水回収部の一例である。コンデンサー32には、第1配管35を介して水タンク33が接続されている。   The condenser 32 is configured to condense the water in the exhaust gas by cooling the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 45. That is, the condenser 32 is a heat exchanger that cools the exhaust gas by heat exchange with the refrigerant. The condenser 32 is an example of a water recovery unit. A water tank 33 is connected to the condenser 32 via a first pipe 35.

水タンク33は、コンデンサー32の鉛直下側に配設されている。コンデンサー32において凝縮した水は、第1配管35を通じて、自然流下により水タンク33に流れる。   The water tank 33 is disposed vertically below the condenser 32. The water condensed in the condenser 32 flows through the first pipe 35 to the water tank 33 by natural flow.

熱交換器31は、前述の通り、排気管45において、コンデンサー32よりも上流に配設されている。熱交換器31は、コンデンサー32において凝縮した水を、排気ガスの熱を利用して加熱するよう構成されている。熱交換器31は、加熱部の一例である。熱交換器31と水タンク33とは、第2配管36を介して接続されている。高圧ポンプ34は、第2配管36に配設されている。高圧ポンプ34は、水タンク33から熱交換器31に向かって水を圧送する。高圧ポンプ34は、エンジン1によって駆動されるよう構成してもよい。また、高圧ポンプ34は、電気モータによって駆動されるよう構成してもよい。   As described above, the heat exchanger 31 is disposed upstream of the condenser 32 in the exhaust pipe 45. The heat exchanger 31 is configured to heat the water condensed in the condenser 32 using the heat of the exhaust gas. The heat exchanger 31 is an example of a heating unit. The heat exchanger 31 and the water tank 33 are connected via a second pipe 36. The high pressure pump 34 is disposed in the second pipe 36. The high-pressure pump 34 pumps water from the water tank 33 toward the heat exchanger 31. The high pressure pump 34 may be configured to be driven by the engine 1. The high pressure pump 34 may be configured to be driven by an electric motor.

水噴射弁5は、シリンダヘッド22に取り付けられている。水噴射弁5は、気筒20毎に設けられている。水噴射弁5は、排気ポート47の近くに取り付けられている。図1の構成例では、水噴射弁5は、気筒20の中心軸に対し傾いている。水噴射弁5の取り付け構成は、図1の構成例に限定されるものではない。   The water injection valve 5 is attached to the cylinder head 22. The water injection valve 5 is provided for each cylinder 20. The water injection valve 5 is attached near the exhaust port 47. In the configuration example of FIG. 1, the water injection valve 5 is inclined with respect to the central axis of the cylinder 20. The mounting configuration of the water injection valve 5 is not limited to the configuration example of FIG.

熱交換器31と水噴射弁5とは、第3配管37を介して接続されている。熱交換器31において加熱された水は、第3配管37を通じて、水噴射弁5に送られる。   The heat exchanger 31 and the water injection valve 5 are connected via a third pipe 37. The water heated in the heat exchanger 31 is sent to the water injection valve 5 through the third pipe 37.

水噴射弁5は、燃焼室29内に水を噴射する。水噴射弁5は、水噴射部の一例である。図2は、水噴射弁5の先端部の構成を例示している。水噴射弁5は、筒状の本体部51を備えている。本体部51内には、熱交換器31において加熱された水が流れる通路部52が形成されている。   The water injection valve 5 injects water into the combustion chamber 29. The water injection valve 5 is an example of a water injection unit. FIG. 2 illustrates the configuration of the tip of the water injection valve 5. The water injection valve 5 includes a cylindrical main body 51. A passage portion 52 through which water heated in the heat exchanger 31 flows is formed in the main body portion 51.

本体部51の先端は閉じている。本体部51の先端には、複数のノズル53が形成されている。各ノズル53の基端は、通路部52に連通している。各ノズル53の先端は、燃焼室29内に開口している。ノズル53の配置は、適宜設定することができる。   The tip of the main body 51 is closed. A plurality of nozzles 53 are formed at the tip of the main body 51. The base end of each nozzle 53 communicates with the passage portion 52. The tip of each nozzle 53 opens into the combustion chamber 29. The arrangement of the nozzles 53 can be set as appropriate.

水噴射弁5の通路部52内には、針弁54が配設されている。針弁54は、図示を省略する駆動機構によって、水噴射弁5の軸に沿って往復動するように構成されている。駆動機構は、ソレノイド又はピエゾ素子を有している。   A needle valve 54 is disposed in the passage portion 52 of the water injection valve 5. The needle valve 54 is configured to reciprocate along the axis of the water injection valve 5 by a drive mechanism (not shown). The drive mechanism has a solenoid or a piezo element.

針弁54の先端は、通路部52の先端部に設けられた座部55に当接している。針弁54が水噴射弁5の基端側に向かって移動をすると、針弁54の先端が座部55から離れて、通路部52内の水が、各ノズル53を通じて燃焼室29内に噴射される。   The distal end of the needle valve 54 is in contact with a seat portion 55 provided at the distal end portion of the passage portion 52. When the needle valve 54 moves toward the proximal end side of the water injection valve 5, the tip of the needle valve 54 moves away from the seat portion 55, and water in the passage portion 52 is injected into the combustion chamber 29 through each nozzle 53. Is done.

排熱回収装置3は、エンジン1の排気ガスの熱を、水を媒介として回収することによって、エンジン1の熱効率を向上させる。具体的に、排熱回収装置3は、コンデンサー32において凝縮した水を、熱交換器31において、排気ガスの熱を用いて臨界温度にまで加熱することにより超臨界水を生成する。そして、水噴射弁5が、圧縮上死点付近のタイミングで、又は、圧縮行程中に、燃焼室29内に超臨界水を噴射することにより、超臨界水が、燃焼室29内の熱を使うことなく、燃焼室29内において過熱蒸気となる。膨張行程の作動ガス量が増加するから、エンジン1の熱効率が向上する。また、水を燃焼室29内に噴射することにより、燃焼室29内のガス温度が低下する。これは、圧縮着火による燃焼の制御性を向上する上で有利になると共に、冷却損失の低減や、エミッション性能の向上にも、有利になる場合がある。   The exhaust heat recovery device 3 improves the thermal efficiency of the engine 1 by recovering the heat of the exhaust gas of the engine 1 using water as a medium. Specifically, the exhaust heat recovery device 3 generates supercritical water by heating the water condensed in the condenser 32 to the critical temperature in the heat exchanger 31 using the heat of the exhaust gas. The water injection valve 5 injects supercritical water into the combustion chamber 29 at a timing near the compression top dead center or during the compression stroke, so that the supercritical water heats the combustion chamber 29. Without being used, it becomes superheated steam in the combustion chamber 29. Since the amount of working gas in the expansion stroke increases, the thermal efficiency of the engine 1 is improved. Further, by injecting water into the combustion chamber 29, the gas temperature in the combustion chamber 29 is lowered. This is advantageous in improving the controllability of combustion by compression ignition, and may be advantageous in reducing cooling loss and improving emission performance.

ここで、エンジン1は、少なくとも所定負荷よりも低い低負荷領域においては、混合気の燃焼空燃比を理論空燃比よりもリーンにする。エンジン1は、運転領域の全体において、A/Fリーン又はG/Fリーンとしてもよい。エンジン1は、特に低負荷領域において運転しているときには、燃料噴射量が比較的少ないと共に、作動ガス量が多いため、排気ガスの温度が低くなる。そのため、熱交換器31において、排気ガスの熱を用いて水を臨界温度にまで加熱することができなくなる。   Here, the engine 1 makes the combustion air-fuel ratio of the air-fuel mixture leaner than the stoichiometric air-fuel ratio at least in a low load region lower than the predetermined load. The engine 1 may be A / F lean or G / F lean in the entire operation region. Especially when the engine 1 is operated in a low load region, the fuel injection amount is relatively small and the working gas amount is large, so that the temperature of the exhaust gas becomes low. Therefore, in the heat exchanger 31, it becomes impossible to heat water to the critical temperature using the heat of the exhaust gas.

そこで、このエンジン1の排熱回収装置3は、排気ガスの温度が低いときには、水噴射弁5のノズル53において、減圧沸騰現象と、減圧沸騰現象に伴う沸騰熱伝達との両方を利用することにより、飽和蒸気を生成するようにしている。   Therefore, the exhaust heat recovery device 3 of the engine 1 uses both the reduced-pressure boiling phenomenon and the boiling heat transfer accompanying the reduced-pressure boiling phenomenon at the nozzle 53 of the water injection valve 5 when the temperature of the exhaust gas is low. Thus, saturated steam is generated.

つまり、高圧ポンプ34が水を圧送することにより、水噴射弁5の通路部52における水の圧力は、10MPa以上30MPa以下に設定される。これに対し、水を燃焼室29内に噴射するときの燃焼室29内の圧力は、5MPa程度である。水噴射弁5のノズル53は、燃焼室29内に開口しているため、ノズル53内の圧力は、燃焼室29内の圧力に一致、又は、ほぼ一致する。従って、針弁54が動いて、通路部52からノズル53内へと水が流れると、ノズル53内において水の一部が、減圧沸騰現象により飽和蒸気となる。   That is, when the high-pressure pump 34 pumps water, the water pressure in the passage 52 of the water injection valve 5 is set to 10 MPa or more and 30 MPa or less. On the other hand, the pressure in the combustion chamber 29 when water is injected into the combustion chamber 29 is about 5 MPa. Since the nozzle 53 of the water injection valve 5 is opened in the combustion chamber 29, the pressure in the nozzle 53 matches or substantially matches the pressure in the combustion chamber 29. Therefore, when the needle valve 54 moves and water flows from the passage portion 52 into the nozzle 53, a part of the water in the nozzle 53 becomes saturated steam due to the reduced-pressure boiling phenomenon.

しかしながら、熱交換器31から水噴射弁5へ送られた水のエネルギと、燃焼室29内の圧力状態における飽和液のエンタルピとの差から、減圧沸騰現象のみでは、必要量の水を全て飽和蒸気にすることができなない。そこで、排熱回収装置3は、ノズル53の内周面を通じてノズル53内を流れる水に熱を供給する。こうして、減圧沸騰現象と、ノズル53の内周面を通じて水に熱を供給することとによって、ノズル53内において、水を飽和蒸気に変化させる。   However, from the difference between the energy of the water sent from the heat exchanger 31 to the water injection valve 5 and the enthalpy of the saturated liquid in the pressure state in the combustion chamber 29, all the necessary amount of water is saturated only by the reduced-pressure boiling phenomenon. It cannot be made into steam. Therefore, the exhaust heat recovery device 3 supplies heat to the water flowing through the nozzle 53 through the inner peripheral surface of the nozzle 53. In this way, water is changed to saturated steam in the nozzle 53 by supplying the heat to the water through the reduced-pressure boiling phenomenon and the inner peripheral surface of the nozzle 53.

以下、排熱回収装置3の構成について、図面を参照しながら説明する。図1に示す排熱回収装置3の構成例において、排気ガスの熱エネルギQexは、熱交換器31において水に与える顕熱エネルギQinjと、水噴射弁5のノズル53において水に与える潜熱エネルギQlatと、に分配される。つまり、   Hereinafter, the configuration of the exhaust heat recovery apparatus 3 will be described with reference to the drawings. In the configuration example of the exhaust heat recovery apparatus 3 shown in FIG. 1, the exhaust gas thermal energy Qex includes sensible heat energy Qinj given to water in the heat exchanger 31 and latent heat energy Qlat given to water in the nozzle 53 of the water injection valve 5. And distributed to. That means

Figure 2019183793
Figure 2019183793

また、顕熱エネルギQinj、及び、潜熱エネルギQlatはそれぞれ、次式(2)(3)で表される。   Further, the sensible heat energy Qinj and the latent heat energy Qlat are expressed by the following equations (2) and (3), respectively.

Figure 2019183793
Figure 2019183793

ここで、mは、水噴射弁5が噴射する水の噴射量、h’は、熱交換器31において水(液体)に与えた比エンタルピ、Xは、乾き度、rは、水を噴射するタイミングにおける燃焼室29内の圧力での水の潜熱である。つまり、排気ガスの熱エネルギQexを、顕熱エネルギQinjと、潜熱エネルギQlatとに適切に分配することにより、排気ガスの熱エネルギQexが少ないときに、ノズル53内において飽和蒸気を生成することができる。潜熱エネルギQlatは、ノズル53内において飽和蒸気を生成するための目標の潜熱エネルギということができる。 Here, m 1 is the amount of water injected by the water injection valve 5, h 1 ′ is the specific enthalpy given to water (liquid) in the heat exchanger 31, X is the dryness, and r 2 is water Is the latent heat of water at the pressure in the combustion chamber 29 at the timing of injecting. That is, by appropriately distributing the heat energy Qex of the exhaust gas to the sensible heat energy Qinj and the latent heat energy Qlat, saturated steam can be generated in the nozzle 53 when the heat energy Qex of the exhaust gas is small. it can. It can be said that the latent heat energy Qlat is a target latent heat energy for generating saturated steam in the nozzle 53.

排熱回収装置3の熱交換器31によって、水噴射弁5の通路部52における水の温度が、280℃以上でかつ374℃未満となるようにする。つまり、排気ガスの温度が低いため、熱交換器31における熱交換によって、水を臨界温度(374℃)に到達させることはできない。   The temperature of water in the passage 52 of the water injection valve 5 is set to be 280 ° C. or higher and lower than 374 ° C. by the heat exchanger 31 of the exhaust heat recovery device 3. That is, since the temperature of the exhaust gas is low, water cannot reach the critical temperature (374 ° C.) by heat exchange in the heat exchanger 31.

図3は、水噴射弁5のノズル53における、水の相変化を模式的に示している。前述したように、水噴射弁5の通路部52内において、水の圧力は10MPa以上30MPa以下である。また、燃焼室29内に開口しているノズル53内の圧力が5MPa程度であるため、水噴射弁5の針弁54が動いて水が通路部52からノズル53へと流れると、減圧沸騰効果により、水の一部が沸騰を開始する(つまり、核沸騰)。   FIG. 3 schematically shows the phase change of water in the nozzle 53 of the water injection valve 5. As described above, the pressure of water in the passage portion 52 of the water injection valve 5 is 10 MPa or more and 30 MPa or less. Further, since the pressure in the nozzle 53 opened in the combustion chamber 29 is about 5 MPa, when the needle valve 54 of the water injection valve 5 moves and water flows from the passage portion 52 to the nozzle 53, the reduced pressure boiling effect As a result, a part of the water starts boiling (that is, nucleate boiling).

エンジン1のシリンダヘッド22に取り付けられた水噴射弁5のノズル53において、排気ガスの熱の一部は、壁面熱伝達により、ノズル53内を流れる水に供給される(図3のq参照))。また、ノズル53内においては、減圧沸騰に伴い、沸騰熱伝達により水に熱が供給される(つまり、強制対流蒸発)。 In the nozzle 53 of the water injection valve 5 that is attached to the cylinder head 22 of the engine 1, a portion of the heat of the exhaust gas, the wall heat transfer, is supplied to the water flowing through the nozzle 53 (see q w 3 )). Further, in the nozzle 53, heat is supplied to the water by boiling heat transfer with the reduced-pressure boiling (that is, forced convection evaporation).

ここで、壁面熱伝達によりノズル53内を流れる水に供給される熱エネルギQwは、次式(4)で表される。   Here, the thermal energy Qw supplied to the water flowing in the nozzle 53 by the wall surface heat transfer is expressed by the following equation (4).

Figure 2019183793
Figure 2019183793

ここで、Asは、複数のノズル53の内周面の総面積、Twは、ノズル53の内周面の温度、Tsatは、水を噴射するタイミングにおける燃焼室29内の圧力での飽和温度、αTPは、沸騰熱伝達による熱伝達率である。 Here, As is the total area of the inner peripheral surface of the plurality of nozzles 53, Tw is the temperature of the inner peripheral surface of the nozzle 53, Tsat is the saturation temperature at the pressure in the combustion chamber 29 at the timing of injecting water, α TP is a heat transfer coefficient by boiling heat transfer.

従って、壁面熱伝達によりノズル53内を流れる水に供給される熱エネルギQwが、燃焼室29内に噴射する水が全て、ノズル53内において飽和蒸気となるような目標潜熱エネルギQlatよりも大きくなれば(Qw>Qlat)、水噴射弁5から噴射した水を、乾き度1の飽和蒸気にして、燃焼室29内に供給することができる。つまり、   Therefore, the thermal energy Qw supplied to the water flowing in the nozzle 53 by the wall surface heat transfer becomes larger than the target latent heat energy Qlat so that all the water injected into the combustion chamber 29 becomes saturated steam in the nozzle 53. If (Qw> Qlat), the water injected from the water injection valve 5 can be supplied into the combustion chamber 29 as saturated steam having a dryness of 1. That means

Figure 2019183793
Figure 2019183793

が満足するように、水噴射弁5のノズル53を構成すればよい。 So that the nozzle 53 of the water injection valve 5 may be configured.

αTPは、公知の様々な相関式を利用して算出することができる。例えばTwを370℃、燃焼室29内の圧力を5MPa、αTPを、例えば364MW/mKとした場合、ノズル53の数を10、ノズル53の径Dを0.1mm以上でかつ1mm以下とし、ノズル53の長さLを、L/Dが5以上でかつ50以下となるようにすれば、式(6)を満足させることができる。各ノズル53の内周面の面積は、0.16mm以上160mm以下である。 αTP can be calculated using various known correlation equations. For example, when Tw is 370 ° C., the pressure in the combustion chamber 29 is 5 MPa, and α TP is, for example, 364 MW / m 2 K, the number of nozzles 53 is 10, and the diameter D of the nozzles 53 is 0.1 mm or more and 1 mm or less. If the length L of the nozzle 53 is set so that L / D is 5 or more and 50 or less, the formula (6) can be satisfied. The area of the inner peripheral surface of each nozzle 53 is 0.16 mm 2 or more and 160 mm 2 or less.

このような水噴射弁5は、図2に例示的に示すように、ノズル53の長さが、燃料噴射弁220のノズルの長さよりも長くなる傾向にある。つまり、燃料噴射弁220のノズルの長さは、1mm以下程度であるのに対し、水噴射弁5のノズル53は、15mm程度となり得る。   In such a water injection valve 5, as illustrated in FIG. 2, the length of the nozzle 53 tends to be longer than the length of the nozzle of the fuel injection valve 220. That is, the length of the nozzle of the fuel injection valve 220 is about 1 mm or less, while the nozzle 53 of the water injection valve 5 can be about 15 mm.

ここで、水噴射弁5のノズル53が形成されている先端部の質量は、排気ガスの熱を蓄熱する機能を有するために、0.7〜5g程度に設定してもよい。ここでいう、水噴射弁5の先端部は、図2において一点鎖線で囲んだ部分としてもよい。こうすることで、ノズル53内を流れる水に、十分に熱を供給することができる。   Here, the mass of the tip portion where the nozzle 53 of the water injection valve 5 is formed may be set to about 0.7 to 5 g in order to have a function of storing the heat of the exhaust gas. The tip portion of the water injection valve 5 here may be a portion surrounded by a one-dot chain line in FIG. By doing so, heat can be sufficiently supplied to the water flowing in the nozzle 53.

このように、前記構成の排熱回収装置3は、燃焼室29内の熱を利用することなく燃焼室29内に飽和蒸気を供給することができる。よって、圧縮上死点付近のタイミングで、又は、圧縮行程中に、燃焼室29内に水(つまり、飽和蒸気)を供給することにより、膨張行程の作動ガス量が増加するため、エンジン1の熱効率が向上する。排気ガスの温度が低いときに、熱回収を行うことができる。   Thus, the exhaust heat recovery apparatus 3 having the above-described configuration can supply saturated steam into the combustion chamber 29 without using the heat in the combustion chamber 29. Therefore, by supplying water (that is, saturated steam) into the combustion chamber 29 at a timing near the compression top dead center or during the compression stroke, the amount of working gas in the expansion stroke increases. Thermal efficiency is improved. Heat recovery can be performed when the temperature of the exhaust gas is low.

尚、前記の構成では、シリンダヘッド22に取り付けた水噴射弁5の先端部に対し、排気ガスの熱がエンジン1を通じて供給されるよう構成されていた。これとは異なり、例えば図4に模式的に示すように、水噴射弁5の先端部に、ヒートパイプ6を取り付けるようにしてもよい。ヒートパイプ6は、図示を省略する受熱部が、排気ポート47又は排気管45に配設されると共に、放熱部61が、水噴射弁5の先端部に取り付けられる。こうすることで、排気ガスの熱を、ヒートパイプ6によって、効率良く、水噴射弁5の先端部に輸送することができる。ノズル53内を流れる水に、必要な熱を供給することができるようになるから、ノズル53内において飽和蒸気を生成する上で、有利になる。   In the above configuration, the heat of the exhaust gas is supplied through the engine 1 to the tip of the water injection valve 5 attached to the cylinder head 22. Unlike this, for example, as schematically shown in FIG. 4, a heat pipe 6 may be attached to the tip of the water injection valve 5. In the heat pipe 6, a heat receiving portion (not shown) is disposed in the exhaust port 47 or the exhaust pipe 45, and a heat radiating portion 61 is attached to the distal end portion of the water injection valve 5. By doing so, the heat of the exhaust gas can be efficiently transported to the tip of the water injection valve 5 by the heat pipe 6. Since necessary heat can be supplied to the water flowing in the nozzle 53, it is advantageous in generating saturated steam in the nozzle 53.

尚、図示は省略するが、水噴射弁5の先端部に、ヒートパイプ6の放熱部61を取り付ける代わりに、電気ヒータを、水噴射弁5の先端部に取り付けてもよい。   In addition, although illustration is abbreviate | omitted, instead of attaching the thermal radiation part 61 of the heat pipe 6 to the front-end | tip part of the water injection valve 5, you may attach an electric heater to the front-end | tip part of the water injection valve 5. FIG.

1 エンジン
29 燃焼室
3 排熱回収装置
31 熱交換器(加熱部)
32 コンデンサー(水回収部)
40 排気通路
45 排気管(排気通路)
47 排気ポート(排気通路)
5 水噴射弁(水噴射部)
52 通路部
53 ノズル
6 ヒートパイプ
61 放熱部
1 Engine 29 Combustion chamber 3 Waste heat recovery device 31 Heat exchanger (heating unit)
32 condenser (water recovery unit)
40 Exhaust passage 45 Exhaust pipe (exhaust passage)
47 Exhaust port (exhaust passage)
5 Water injection valve (water injection part)
52 Passage 53 Nozzle 6 Heat Pipe 61 Heat Dissipation

Claims (5)

燃焼室を有するエンジンと、
前記エンジンの排気通路に設けられ、前記排気通路内を流れる排気ガス中の水を回収する水回収部と、
前記水回収部が回収した水を加熱する加熱部と、
前記加熱部において加熱された水が流れる通路部と、前記通路部に連通すると共に前記燃焼室内に開口するノズルと、を有し、前記ノズルを通じて前記燃焼室内に水を噴射する水噴射部と、を備え、
前記水噴射部は前記エンジンに取り付けられ、排気ガスの熱は前記ノズル内を流れる水に供給され、
前記通路部内における水の温度は280℃以上でかつ374℃未満でかつ、前記通路部内における水の圧力は10MPa以上30MPa以下であり、
前記ノズルの径Dは0.1mm以上でかつ1mm以下であり、
前記ノズルの長さLは、L/Dが5以上でかつ50以下となるように、設定されているエンジンの排熱回収装置。
An engine having a combustion chamber;
A water recovery part that is provided in the exhaust passage of the engine and recovers water in the exhaust gas flowing in the exhaust passage;
A heating unit for heating the water recovered by the water recovery unit;
A water injection portion that has a passage portion through which water heated in the heating portion flows, a nozzle that communicates with the passage portion and opens into the combustion chamber, and injects water into the combustion chamber through the nozzle; With
The water injection unit is attached to the engine, and the heat of the exhaust gas is supplied to the water flowing through the nozzle,
The temperature of water in the passage portion is 280 ° C. or more and less than 374 ° C., and the pressure of water in the passage portion is 10 MPa or more and 30 MPa or less,
The diameter D of the nozzle is 0.1 mm or more and 1 mm or less,
The length L of the nozzle is an exhaust heat recovery device for an engine that is set so that L / D is 5 or more and 50 or less.
請求項1に記載のエンジンの排熱回収装置において、
前記水回収部は、排気ガスを冷却することによって排気ガス中の水を凝縮させ、
前記加熱部は、前記排気通路における前記水回収部よりも上流に設けられかつ、前記排気ガスの熱によって前記水を加熱するエンジンの排熱回収装置。
The engine exhaust heat recovery device according to claim 1,
The water recovery unit condenses water in the exhaust gas by cooling the exhaust gas,
The heating unit is an exhaust heat recovery device for an engine that is provided upstream of the water recovery unit in the exhaust passage and heats the water by the heat of the exhaust gas.
請求項1又は2に記載のエンジンの排熱回収装置において、
前記水噴射部は、前記ノズルを複数、有しており、
各ノズルの内周面の面積は、0.16mm以上160mm以下であるエンジンの排熱回収装置。
The exhaust heat recovery device for an engine according to claim 1 or 2,
The water injection unit has a plurality of the nozzles,
The exhaust heat recovery device for an engine has an inner peripheral surface area of each nozzle of 0.16 mm 2 or more and 160 mm 2 or less.
請求項1〜3のいずれか1項に記載のエンジンの排熱回収装置において、
前記水噴射部には、排気ガスの熱を輸送するヒートパイプの放熱部が取り付けられているエンジンの排熱回収装置。
The exhaust heat recovery device for an engine according to any one of claims 1 to 3,
An exhaust heat recovery device for an engine in which a heat radiating portion of a heat pipe for transporting heat of exhaust gas is attached to the water injection portion.
請求項1〜4のいずれか1項に記載のエンジンの排熱回収装置において、
前記エンジンの全運転領域中、少なくとも所定負荷よりも負荷が低い低負荷領域において、混合気の燃焼空燃比は理論空燃比よりもリーンであり、
前記水噴射部は、少なくとも前記低負荷領域において、前記燃焼室内に水を噴射するエンジンの排熱回収装置。
The engine exhaust heat recovery apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The combustion air-fuel ratio of the air-fuel mixture is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio in at least a low load region where the load is lower than a predetermined load in the entire operation region of the engine.
The water injection unit is an exhaust heat recovery device for an engine that injects water into the combustion chamber at least in the low load region.
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