JP2006170022A - Waste heat recovery device and method for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気柱管の内部で作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンを具えた内燃機関の排熱回収装置および内燃機関の排熱回収方法に関する。 The present invention relates to an exhaust heat recovery device for an internal combustion engine including a thermoacoustic engine that generates thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid inside an air column tube, and an exhaust heat recovery method for the internal combustion engine.
熱音響エンジンは、ヘリウムやアルゴンなどの作動流体を充填した気柱管内に作動流体が通過可能な蓄熱部を組み込み、この蓄熱部の両端面間に温度勾配を形成して作動流体の熱音響自励振動を発生させるようにしたものであり、それ自体、機械的な可動部を持たないという大きな特徴を有する。発電機や冷凍機への応用が進められている。 A thermoacoustic engine incorporates a heat storage section through which a working fluid can pass into an air column tube filled with a working fluid such as helium or argon, and forms a temperature gradient between both end faces of the heat storage section to produce a thermoacoustic sensor for the working fluid. Exciting vibration is generated, and it has a great feature that it does not have a mechanical movable part. Applications to generators and refrigerators are in progress.
この熱音響エンジンにおける熱音響自励振動によって生じた進行波を利用して発電を行う熱音響発電機が特許文献1にて提案されている。この熱音響発電機は、作動流体が通過可能な蓄熱器ならびにこの蓄熱器を挟むように配される加熱部および放熱部の他に、熱音響自励振動によって生じた進行波に応動して発電を行う発電機と、作動流体の圧力振動を任意の周波数で発生させる周波数調整器とを気柱管に接続し、効率の良い発電を行い得るようにしたものである。この周波数調整器は、リニアモータとピストンシリンダとを含み、ピストンシリンダを往復動することによって気柱管内の作動流体に機械的圧力振動を与え、所望の周波数の熱音響自励振動を得ることが可能となる。
A thermoacoustic generator that generates power using a traveling wave generated by thermoacoustic self-excited vibration in this thermoacoustic engine is proposed in
一方、熱音響エンジンを利用して内燃機関から排出される排気ガスの排熱を回収するようにした技術が特許文献2に開示されている。この排気熱エネルギー回収装置は、内燃機関の排気浄化用触媒コンバータに接続する共鳴管と、この共鳴管の基端側に設けられた蓄熱器ならびにこの蓄熱器を挟むように配される高温側熱交換器および低温側熱交換機を含む音波発生部と、共鳴管の末端部に設けられて音波を機械振動に変換し、次いで電気エネルギーに変化するトランスデューサとを具えている。
On the other hand,
内燃機関から排出される排気ガスの排熱を回収するために熱音響エンジンを搭載した特許文献2に開示されているような車両においては、蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を加熱するための高温側熱交換器として、排気ガスに対する耐蝕性および耐熱性などを考慮したステンレス鋼などの熱伝導率の悪い伝熱部材を排気管と蓄熱器の一端面側の共鳴管とに跨がって配する必要がある。
In a vehicle as disclosed in
熱音響エンジンにおいては、作動流体の熱音響自励振動が安定的に始まるその稼働開始温度が、作動流体の熱音響自励振動が起こらなくなるその稼働停止温度よりも高く、ヒステリシス現象が見られる。例えば、熱音響エンジンが稼働開始温度以上になって稼働状態に移行すると、温度が稼働開始温度以下になったとしても、稼働停止温度まで熱音響エンジンは稼働し続けるというような特性を有する。このため、内燃機関の冷間始動時においては、高温側熱交換器が排気ガスにより加熱されて所定の温度へと上昇するまでに相当の時間が掛かり、特に高温側熱交換器が上述した稼働停止温度を越えてから稼働開始温度に到達するまでは、排熱回収がなされないという不具合があった。 In the thermoacoustic engine, the operation start temperature at which the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid starts stably is higher than the operation stop temperature at which the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid does not occur, and a hysteresis phenomenon is observed. For example, when the thermoacoustic engine becomes the operating start temperature or higher and shifts to the operating state, the thermoacoustic engine continues to operate until the operating stop temperature even if the temperature becomes the operating start temperature or lower. For this reason, at the time of cold start of the internal combustion engine, it takes a considerable time for the high temperature side heat exchanger to be heated to the predetermined temperature by the exhaust gas, and in particular, the high temperature side heat exchanger is operated as described above. There was a problem that exhaust heat recovery was not performed until the operation start temperature was reached after the stop temperature was exceeded.
このような熱音響エンジンの始動性に関する問題を解決するためには、特許文献1に開示されたような周波数調整器を組み込み、気柱管内の作動流体に対して強制的な機械的振動を与えることが必要となるが、そのための部品点数およびコストが嵩む欠点を有することとなる。
In order to solve such a problem related to the startability of the thermoacoustic engine, a frequency adjuster as disclosed in
本発明の目的は、熱音響エンジンの始動性を向上させて排熱の回収効率を改善し得る内燃機関の排熱回収装置およびその方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an exhaust heat recovery device for an internal combustion engine and a method thereof that can improve the start efficiency of the thermoacoustic engine and improve the exhaust heat recovery efficiency.
本発明の第1の形態は、内部が密閉され、作動流体が充填された気柱管と、この気柱管内に組み込まれ、前記作動流体が通過可能な蓄熱器と、一端部がこの蓄熱器の一端側で前記気柱管に連結されると共に他端部が内燃機関の排気管に連結され、前記排気管内を流れる排気ガスの排熱を回収して当該蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を加熱するための伝熱部材と、前記蓄熱器の他端面側に介在する作動流体を冷却するための冷却手段とを有し、前記蓄熱器の両端面間に所定の温度勾配を与えて前記作動流体に熱音響自励振動を生じさせる熱音響エンジンを具えた内燃機関の排熱回収装置であって、前記内燃機関の排気管の途中から分岐し、前記蓄熱器の一端面側にて前記気柱管および前記伝熱部材を貫通する分岐管と、この分岐管内に前記排気管内を流れる排気ガスの一部を導き、前記蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を当該分岐管を介して加熱するための切り換え手段と、前記作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定する稼働判定手段と、この判定手段による判定結果に基づいて前記切り換え手段の作動を制御する制御手段とをさらに具えたことを特徴とするものである。 The first aspect of the present invention includes an air column tube that is sealed inside and filled with a working fluid, a heat accumulator that is incorporated in the air column tube, and through which the working fluid can pass, and one end portion of which is the heat accumulator. One end side of the exhaust pipe is connected to the air column tube and the other end portion is connected to the exhaust pipe of the internal combustion engine, and exhaust heat of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe is recovered and interposed on the one end surface side of the heat accumulator. A heat transfer member for heating the working fluid; and a cooling means for cooling the working fluid interposed on the other end surface side of the heat accumulator, and providing a predetermined temperature gradient between both end surfaces of the heat accumulator. An exhaust heat recovery device for an internal combustion engine having a thermoacoustic engine that generates thermoacoustic self-excited vibration in the working fluid, branching from the middle of the exhaust pipe of the internal combustion engine, and on one end surface side of the heat accumulator A branch pipe penetrating the air column pipe and the heat transfer member, and a front pipe in the branch pipe. Switching means for guiding a part of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe and heating the working fluid interposed on one end face side of the heat accumulator through the branch pipe, and thermoacoustic self-excited oscillation of the working fluid starts. It is further characterized by further comprising an operation determination means for determining whether or not the control means and a control means for controlling the operation of the switching means based on a determination result by the determination means.
本発明においては、伝熱部材の他端部が内燃機関の排気管内を流れる排気ガスによって加熱され、この熱が伝熱部材の一端部に伝わり、蓄熱器の一端面側に介在する作動流体が加熱される。一方、蓄熱器の他端面側に介在する作動流体が冷却手段から供給される冷却媒体によって冷却され、これによって蓄熱器の両端面間に所定の温度勾配をもたらし、気柱管内に充填された作動流体に熱音響自励振動を生じさせ、この熱音響自励振動によるエネルギーを電気的に変換したり、あるいは熱的に再変換して外部に取り出す。 In the present invention, the other end portion of the heat transfer member is heated by the exhaust gas flowing in the exhaust pipe of the internal combustion engine, and this heat is transferred to one end portion of the heat transfer member, and the working fluid interposed on the one end surface side of the heat accumulator is Heated. On the other hand, the working fluid intervening on the other end surface side of the regenerator is cooled by the cooling medium supplied from the cooling means, thereby bringing a predetermined temperature gradient between the both end surfaces of the regenerator, and the operation filled in the air column tube Thermoacoustic self-excited vibration is generated in the fluid, and the energy generated by the thermoacoustic self-excited vibration is electrically converted or reconverted thermally and taken out to the outside.
内燃機関の始動直後において、稼働判定手段が作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定し、作動流体の熱音響自励振動が始まっていないと判断した場合、制御装置は排気管内を流れる排気ガスの一部が分岐管内に導かれるように切り換え手段の作動を制御し、蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を分岐管を介して加熱することにより、作動流体の熱音響自励振動の早期発生を促す。このようにして作動流体の熱音響自励振動が始まった後は、分岐管内を切り換え手段によって塞ぎ、伝熱部材からの伝熱によってのみ蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を加熱し、熱音響エンジンの稼働状態を維持する。 Immediately after starting the internal combustion engine, if the operation determining means determines whether or not the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started, and if it is determined that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has not started, the control device The operation of the switching means is controlled so that a part of the exhaust gas flowing in the pipe is guided into the branch pipe, and the working fluid interposed on one end face side of the heat accumulator is heated via the branch pipe, thereby Encourage early generation of acoustic self-excited vibration. After the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started in this way, the inside of the branch pipe is closed by the switching means, and the working fluid interposed on the one end face side of the heat accumulator is heated only by heat transfer from the heat transfer member, Maintain the operating state of the thermoacoustic engine.
本発明の第1の形態による内燃機関の排熱回収装置において、制御手段は、稼働判定手段が作動流体の熱音響自励振動が始まっていると判断するまで、排気管内を流れる排気ガスの一部が分岐管内に導かれるように切り換え手段を制御するものであってよい。 In the exhaust heat recovery apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, the control means determines the amount of exhaust gas flowing through the exhaust pipe until the operation determining means determines that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started. The switching means may be controlled so that the portion is guided into the branch pipe.
切り換え手段が排気管に臨む分岐管の開口端部を開閉し得るシャッタを有し、このシャッタは開状態において排気管内に突出し、ここを流れる排気ガスの一部を分岐管内に導く案内面を有するものであってよい。あるいは、切り換え手段が分岐管内を開閉し得る開閉弁と、分岐管の開口端部よりも排気管の下流側で排気管内の通路断面積を変更し得る絞り弁とを含むものであってよい。 The switching means has a shutter that can open and close the opening end of the branch pipe facing the exhaust pipe, and this shutter has a guide surface that projects into the exhaust pipe in the open state and guides part of the exhaust gas flowing therethrough into the branch pipe It may be a thing. Alternatively, the switching means may include an on-off valve capable of opening and closing the inside of the branch pipe, and a throttle valve capable of changing a passage cross-sectional area in the exhaust pipe on the downstream side of the opening end of the branch pipe.
冷却媒体が内燃機関を冷却するための冷却水であってよい。 The cooling medium may be cooling water for cooling the internal combustion engine.
本発明の第2の形態は、作動流体を密閉充填した気柱管内に作動流体が通過可能な蓄熱器を組み込み、この蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を内燃機関の排熱を利用して加熱すると共に他端面側に介在する作動流体を冷却し、前記蓄熱器の両端面間に所定の温度勾配を与えて前記作動流体に熱音響自励振動を生じさせる熱音響エンジンを具えた内燃機関の排熱回収方法であって、内燃機関の始動後に前記作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定するステップと、前記作動流体の熱音響自励振動が始まったと判断するまで、排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くステップとを具えたことを特徴とするものである。 In the second embodiment of the present invention, a heat accumulator capable of passing a working fluid is incorporated in an air column tube hermetically filled with the working fluid, and the working fluid interposed on one end face side of the heat accumulator is used for exhaust heat of the internal combustion engine. And a thermoacoustic engine that cools the working fluid intervening on the other end surface side and gives a predetermined temperature gradient between both end surfaces of the heat accumulator to generate self-excited thermoacoustic vibration in the working fluid. An exhaust heat recovery method for an internal combustion engine, the step of determining whether or not the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started after the start of the internal combustion engine, and the determination that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started Until then, a step of guiding a part of the exhaust gas to the one end face side of the heat accumulator is provided.
本発明においては、蓄熱器の一端面側に介在する作動流体が内燃機関の排熱を利用して加熱され、また蓄熱器の他端面側に介在する作動流体が冷却され、これによって蓄熱器の両端面間に所定の温度勾配をもたらし、気柱管内に充填された作動流体に熱音響自励振動を生じさせ、この熱音響自励振動によるエネルギーを電気的に変換したり、あるいは熱的に再変換して外部に取り出す。 In the present invention, the working fluid interposed on the one end surface side of the heat accumulator is heated using the exhaust heat of the internal combustion engine, and the working fluid interposed on the other end surface side of the heat accumulator is cooled, thereby A predetermined temperature gradient is created between both end faces, and the thermoacoustic self-excited vibration is generated in the working fluid filled in the air column tube, and the energy due to the thermoacoustic self-excited vibration is converted electrically or thermally. Reconvert and take it out.
この場合、内燃機関の始動後に作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定し、作動流体の熱音響自励振動が始まったと判断するまで、排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くことにより、作動流体の熱音響自励振動の早期発生を促し、作動流体の熱音響自励振動が始まった後は、蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を内燃機関の排熱を利用して加熱し、熱音響エンジンの稼働状態を維持する。 In this case, after starting the internal combustion engine, it is determined whether the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started, and a part of the exhaust gas is removed from the regenerator until it is determined that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started. By leading to the one end surface side, the early generation of the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is promoted, and after the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started, the working fluid interposed on the one end surface side of the regenerator is transferred to the internal combustion engine. The exhaust heat is used to heat and maintain the operating state of the thermoacoustic engine.
本発明の第2の形態による内燃機関の排熱回収方法において、排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くステップが内燃機関を始動してから所定時間後に行われるものであってよい。あるいは、排気ガス浄化触媒の温度を検出するステップと、排気ガス浄化触媒が活性状態となる温度に達しているか否かを判定するステップとをさらに具え、排気ガス浄化触媒が活性状態となる温度に達している場合に排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くステップが実行されるものであってもよい。 In the exhaust heat recovery method for an internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, the step of introducing a part of the exhaust gas to the one end face side of the heat accumulator may be performed a predetermined time after starting the internal combustion engine. . Alternatively, the method further includes a step of detecting the temperature of the exhaust gas purification catalyst and a step of determining whether or not the exhaust gas purification catalyst has reached a temperature at which the exhaust gas purification catalyst is activated. When it has reached, a step of guiding a part of the exhaust gas to the one end face side of the regenerator may be executed.
熱音響エンジンの出力を検出することにより、作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定することができる。あるいは、蓄熱器の一端側と他端側との温度差に基づいて作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定することも可能である。 By detecting the output of the thermoacoustic engine, it can be determined whether the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started. Or it is also possible to determine whether the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started based on the temperature difference between the one end side and the other end side of the heat accumulator.
内燃機関を冷却するための冷却水によって、作動流体を冷却するものであってよい。 The working fluid may be cooled by cooling water for cooling the internal combustion engine.
本発明の第1の形態の内燃機関の排熱回収装置によると、内燃機関の排気管の途中から分岐し、蓄熱器の一端面側にて気柱管および伝熱部材を貫通する分岐管と、この分岐管内に排気管内を流れる排気ガスの一部を導き、蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を当該分岐管を介して加熱するための切り換え手段と、作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定する稼働判定手段と、この判定手段による判定結果に基づいて切り換え手段の作動を制御する制御手段とを具えているので、稼働判定手段が作動流体の熱音響自励振動が始まっていると判断するまで、制御手段は排気管内を流れる排気ガスの一部が分岐管内に導かれるように切り換え手段を制御することにより、内燃機関の始動後の熱音響エンジンの早期稼働を確実に実現することができ、内燃機関の排熱回収効率をさらに改善することができる。 According to the exhaust heat recovery apparatus for an internal combustion engine of the first aspect of the present invention, the branch pipe branches off from the middle of the exhaust pipe of the internal combustion engine and penetrates the air column pipe and the heat transfer member on one end surface side of the heat accumulator. A switching means for guiding a part of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe into the branch pipe and heating the working fluid interposed on one end surface side of the heat accumulator through the branch pipe, and thermoacoustic self-excitation of the working fluid. Since the operation determining means for determining whether or not the vibration has started and the control means for controlling the operation of the switching means based on the determination result by the determining means, the operation determining means is provided with the thermoacoustic function of the working fluid. Until it is determined that excitation vibration has started, the control means controls the switching means so that a part of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe is guided into the branch pipe, so that the early stage of the thermoacoustic engine after the start of the internal combustion engine is started. Reliable operation Rukoto it is, it is possible to further improve the exhaust heat recovery efficiency for the internal combustion engine.
これと同様な効果は、内燃機関を始動するステップと、内燃機関の始動後に作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定するステップと、作動流体の熱音響自励振動が始まったと判断するまで、排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くステップとを具えた本発明の第2の形態の方法においても得ることができる。 The same effect is obtained by starting the internal combustion engine, determining whether or not the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started after the internal combustion engine is started, and starting the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid. Until it is determined that the exhaust gas has been determined, the method of the second aspect of the present invention can be obtained by including a step of leading a part of the exhaust gas to the one end face side of the regenerator.
切り換え手段が排気管に臨む分岐管の開口端部を開閉し得るシャッタを有し、このシャッタは開状態において排気管内に突出し、ここを流れる排気ガスの一部を分岐管内に導く案内面を有する場合、シャッタ自体に分岐管の開閉弁および排気管内を流れる排気ガスの導入部材としての機能を持たせることができるため、部品点数の増加を最小限に抑えることができ、低コストにて本発明を実現することができる。 The switching means has a shutter that can open and close the opening end of the branch pipe facing the exhaust pipe, and this shutter has a guide surface that projects into the exhaust pipe in an open state and guides a part of the exhaust gas flowing therethrough into the branch pipe In this case, since the shutter itself can have a function as an opening / closing valve of the branch pipe and an introduction member of exhaust gas flowing in the exhaust pipe, an increase in the number of parts can be minimized, and the present invention can be achieved at low cost. Can be realized.
冷却媒体が内燃機関を冷却するための冷却水の場合、あるいは内燃機関を冷却するための冷却水によって蓄熱器の他端面側に介在する作動流体を冷却する場合、新たな冷却手段を追加する必要がなくなり、低コストにて本発明を実現することができる。 When the cooling medium is cooling water for cooling the internal combustion engine, or when the working fluid intervening on the other end face side of the regenerator is cooled by the cooling water for cooling the internal combustion engine, it is necessary to add new cooling means. Thus, the present invention can be realized at low cost.
内燃機関を始動してから所定時間後に排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導く場合、温度センサなどを用いることなく排気ガス浄化触媒が安定して作動する温度に達してから排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くことができる。 When a part of the exhaust gas is led to the one end face side of the regenerator after a predetermined time from the start of the internal combustion engine, the exhaust gas is reached after reaching a temperature at which the exhaust gas purification catalyst operates stably without using a temperature sensor or the like. Can be led to one end face side of the regenerator.
作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かの判定を熱音響エンジンの出力を検出することによって行う場合、温度センサなどを用いることなく容易かつ確実に作動流体の熱音響自励振動が始まっていることを確認することができる。 When determining whether the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started by detecting the output of the thermoacoustic engine, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is easily and reliably detected without using a temperature sensor or the like. You can see that it has started.
本発明による内燃機関の排熱回収装置の一実施形態について、図1〜図6を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。 An embodiment of an exhaust heat recovery apparatus for an internal combustion engine according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6, but the present invention is not limited to such an embodiment and is described in the scope of the claims. Any change or modification encompassed by the disclosed concept of the present invention is possible, and can of course be applied to any other technique belonging to the spirit of the present invention.
本実施形態の概念を図1に示す。すなわち、本実施形態における内燃機関の排熱回収装置は、内燃機関10からの排熱を利用して熱音響エンジン11により発電を行うものである。この熱音響エンジン11は、内部が密閉され、アルゴンやヘリウムなどの作動流体が充填された気柱管12と、この気柱管12内に組み込まれ、作動流体が通過可能な蓄熱器13と、この蓄熱器13の一端面側に介在する作動流体を加熱するための内燃機関10の排気ガスが導かれる伝熱部材14と、蓄熱器13の他端面側に介在する作動流体を冷却するための内燃機関10の冷却水が導かれる低温側熱交換器15とを具え、蓄熱器13の両端面間に所定の温度勾配を与えて作動流体に熱音響自励振動を生じさせるようになっている。
The concept of this embodiment is shown in FIG. In other words, the exhaust heat recovery apparatus for an internal combustion engine according to the present embodiment generates power by the
一方、この熱音響エンジン11を稼働させるための本実施形態の内燃機関10は、ピストン16の往復動に連動して吸気スロットル弁17の開度に応じた吸気が吸気管18から吸気弁19を介して所定のタイミングにて燃焼室20内に吸い込まれ、燃料噴射弁21から燃焼室20内に供給される燃料と混合され、点火プラグ22により点火されて燃焼し、その排気ガスが排気弁23により所定のタイミングにて燃焼室20から排気管24に押し出され、その途中に組み込まれた排気ガス浄化装置25を通過して外部に排出されるものである。点火プラグ22の点火時期や燃料噴射弁21による燃料の噴射時期およびその噴射量などは、吸気スロットル弁17の開度や車両の運転状態などに基づいて制御装置26により制御されるが、このような内燃機関10自体の構成に関しては、本実施形態に限定されるものではなく、従来から周知の任意の内燃機関10を適宜採用することができることは言うまでもない。
On the other hand, in the
円形断面のステンレス鋼などで形成される本実施形態における気柱管12は、ループ管部12aと、このループ管部12aに基端部が接続する共鳴管部12bとを具えているが、当然のことながらこのような構造に限定されるわけではない。上述した蓄熱器13,伝熱部材14,低温側熱交換器15はループ管部12aの部分に組み込まれている。共鳴管部12bの末端部には、音響波を電気エネルギーに変換する音波−電気変換器27が組み込まれている。この音波−電気変換器27には、音波−電気変換器27から得られる電流を整流すると共にその電圧を一定に変圧する安定化回路28を介して車両に搭載された二次電池29が接続し、この熱音響エンジン11にて得られる電気エネルギーを回収するようにしている。
The
蓄熱器13は、ループ管部12aの長手方向に沿って延在する多数の開口を有し、ここを作動流体が通過することができるようになっており、セラミックスなどで形成されたハニカム構造体や、ステンレス鋼や銅などで形成された金属網を微小間隔で配列したもの、あるいはステンレス鋼などの金属製繊維を多数絡めた、いわゆる金属ウールなどを採用することができる。
The
図1中のII−II矢視断面構造を図2に示し、そのIII−III矢視断面構造を図3に示す。すなわち、本実施形態における伝熱部材14は、耐熱性および耐蝕性に優れたステンレス鋼などを用いて形成され、排気管24が連結される部分にはスリット状の排気ガス通路30が所定間隔で形成され、隣接する排気ガス通路30の間に受熱格子部31を画成して受熱面積の増大を企図している。ループ管部12aが連結される部分も同様に、スリット状の作動流体通路32が所定間隔で形成され、隣接する作動流体通路32の間に放熱格子部33を画成して放熱面積の増大を企図している。基端部が排気ガス浄化装置25よりも上流側の排気管24から分岐する分岐管34は、伝熱部材14の放熱格子部33を横切るようにこれを貫通し、より直接的に放熱格子部33を加熱できるようになっており、この分岐管34の末端部は、当該分岐管34の基端部と排気ガス浄化装置25との間の排気管24に連通している。
The cross-sectional structure taken along the line II-II in FIG. 1 is shown in FIG. 2, and the cross-sectional structure taken along the line III-III is shown in FIG. That is, the
分岐管34の基端部の部分の抽出拡大断面構造を図4に模式的に示す。すなわち、排気管24内を流れる排気ガスの一部を分岐管34内に導き、蓄熱器13の一端面側に介在する作動流体を分岐管34を介して直接的に加熱するため、排気管24に臨む分岐管34の開口端部には、これを開閉し得るシャッタ35が設けられている。このシャッタ35は、基端部がピン36を介して回動自在に枢支され、制御装置26によって作動が制御される図示しないアクチュエータにより、先端側が排気管24内に突出するように開き、これによって排気管24内流れる排気ガスの一部を分岐管34内に導く案内面35aを有する。図4中、二点鎖線で示す状態では、分岐管34の開口端をほぼ完全に塞ぎ、排気管24内を流れる排気ガスが分岐管34側に流入しないようになっている。このようなシャッタ35に代えて本発明による切り換え手段として分岐管34内に開閉弁を設けると共に排気管24内に流量調整弁を設け、これら2つの弁の開閉を制御することによって、分岐管34内に所望の流量の排気ガスを導くようにしてもよい。
FIG. 4 schematically shows the extracted enlarged cross-sectional structure of the proximal end portion of the
伝熱部材14に形成された排気ガス通路30には、内燃機関10にて発生する高温、例えば500〜600℃程度の排気ガスが排気管24を介して導かれ、その排熱を受熱格子部31にて回収し、これを放熱格子部33に伝達して作動流体通路32に臨む蓄熱器13の一端側に介在する作動流体との間で熱交換を行ってこれを加熱する。但し、内燃機関10の始動後に作動流体の熱音響自励振動が始まっていない場合、制御装置26によりシャッタ35が開状態に切り替えられ、排気管24内の排気ガスを分岐管34から伝熱部材14の放熱格子部33へと導いて蓄熱器13の一端側に介在する作動流体の温度を速やかに上昇させ、作動流体の熱音響自励振動が始まった後は閉状態に保持されるようになっている。
The
排気ガス浄化装置25には、この排気ガス浄化装置25内を通過する排気ガスの温度を検出するための排気ガス温度センサ37が付設され、その検出信号が車両の制御装置26に出力されるようになっている。
The exhaust
本発明における冷却手段としての低温側熱交換器15には、循環式の冷却水配管38が導かれ、蓄熱器13の他端側に介在する作動流体との間で熱交換を行ってこれを冷却する。低温側熱交換器15に連通する冷却水配管38の途中には、冷却水循環ポンプ39が組み込まれており、この冷却水配管38内の冷却水の水温が所定温度以上になると、車両に組み込まれた図示しないラジエータによって強制冷却され、例えばほぼ120℃以下の温度に保持される。つまり、低温側熱交換器15に供給される冷却水の水温は最高でも約120℃以下となる。この冷却水配管38に組み込まれた冷却水循環ポンプ39と低温側熱交換器15との間の冷却水配管38の途中にも、この冷却水配管38内を流れる冷却水の温度を検出するための冷却水温度センサ40が付設され、その検出信号が制御装置26に出力されるようになっている。
A circulating
このようにして、蓄熱器13の両端面間に所定の温度勾配(本実施形態では蓄熱器13の両端面間の温度差ΔTが約380℃以上)を与え、周知の原理によって共鳴管部12b内に充填された作動流体に熱音響自励振動を起こさせる。
In this way, a predetermined temperature gradient (in this embodiment, the temperature difference ΔT between both end faces of the
内燃機関10を始動して熱音響エンジン11を稼働させる場合、このときの蓄熱器13の両端面間の温度差ΔTの変化の一例を図5に模式的に示す。周知のように、熱音響エンジン11は停止状態から作動流体に熱音響自励振動が与えられて稼働状態になる稼働開始温度差TDと、稼働状態から作動流体の熱音響自励振動がなくなる稼働停止温度差TSとの間にヒステリシスがあり、稼働開始温度差TDよりも稼働停止温度差TSの方が小さな値となっている。従って、内燃機関10の始動直後にシャッタ35を開き、排気ガスの一部を伝熱部材14の放熱格子部33へと直接的に導くことにより、図4中の実線で示すように蓄熱器13の両端面間の温度差ΔTを迅速に稼働開始温度差TD以上にすることができ、一度熱音響エンジン11が稼働状態に移行してしまえば(時刻t1以降)、この温度差ΔTが稼働停止温度差TS以下に小さくならない限り、熱音響エンジン11は稼働し続けることとなる。このような対策を取らない場合、破線で示すように熱音響エンジン11の稼働開始が時刻t2にずれ込んでしまい、この間の排熱回収がなされない。
When the
本実施形態では内燃機関10を始動してから一定時間経過後にシャッタ35を開き、熱音響エンジン11の発電が始まった時点でシャッタ35を閉じるようにしている。
In the present embodiment, the
この制御形態を図6のフローチャートを用いてより具体的に説明すると、制御装置26は内燃機関10の始動情報を例えばイグニッションキースイッチのオン信号などから得、S1のステップにて予め設定した時間にタイマーをセットし、S2のステップにてタイマーのカウント値Cが予め設定した目標値CRに達したか否かを判定し、所定時間経過したと判断した場合、S3のステップに以降してシャッタ35を開き、排気ガスの一部を分岐管34から伝熱部材14の放熱格子部33に直接的に導き、蓄熱器13の一端側に介在する作動流体の加熱を促進させ、併せてタイマーのカウント値を0にリセットする。そして、S4のステップに移行して熱音響エンジン11が発電しているか否かを安定化回路28からの情報に基づいて判定し、ここで熱音響エンジン11が発電していると判断した場合には、S5のステップに移行してシャッタ35を閉じ、これ以降は伝熱部材14の受熱格子部31側からの受熱を利用して蓄熱器13の一端側に介在する作動流体の加熱を行う。
This control mode will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG. 6. The
上述した実施形態では、タイマーと熱音響エンジン11の発電状況とに応じてシャッタ35の開閉を制御するようにしたが、排気ガス温度センサ37および冷却水温度センサ40からの情報に基づいてシャッタ35の開閉を制御することも可能である。さらに、本実施形態では内燃機関10の排熱回収のために熱音響エンジン11を発電機として利用したが、空気調和装置の冷凍機として利用することも当然可能である。この場合には高温側および低温側熱交換器15と蓄熱器13とを気柱管12にさらに組み込む必要があるが、これは例えば特許第3015786号公報などに開示されている技術を利用すれば良い。
In the embodiment described above, the opening and closing of the
10 内燃機関
11 熱音響エンジン
12 気柱管
12a ループ管部
12b 共鳴管部
13 蓄熱器
14 伝熱部材
15 低温側熱交換器
16 ピストン
17 吸気スロットル弁
18 吸気管
19 吸気弁
20 燃焼室
21 燃料噴射弁
22 点火プラグ
23 排気弁
24 排気管
25 排気ガス浄化装置
26 制御装置
27 音波−電気変換器
28 安定化回路
29 二次電池
30 排気ガス通路
31 受熱格子部
32 作動流体通路
33 放熱格子部
34 分岐管
35 シャッタ
36 ピン
35a 案内面
37 排気ガス温度センサ
38 冷却水配管
39 冷却水循環ポンプ
40 冷却水温度センサ
ΔT 蓄熱器の両端面間の温度差
TD 稼働開始温度差
TS 稼働停止温度差
t1,t2 時刻
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記内燃機関の排気管の途中から分岐し、前記蓄熱器の一端面側にて前記気柱管および前記伝熱部材を貫通する分岐管と、
この分岐管内に前記排気管内を流れる排気ガスの一部を導き、前記蓄熱器の一端面側に介在する作動流体を当該分岐管を介して加熱するための切り換え手段と、
前記作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定する稼働判定手段と、
この判定手段による判定結果に基づいて前記切り換え手段の作動を制御する制御手段と
をさらに具えたことを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。 An air column tube that is sealed inside and filled with a working fluid, a heat accumulator that is incorporated in the air column tube, and through which the working fluid can pass, and one end portion of which is connected to the air column tube at one end of the heat accumulator. The other end is connected to the exhaust pipe of the internal combustion engine, and the heat transfer for recovering the exhaust heat of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe and heating the working fluid interposed on the one end face side of the heat accumulator And a cooling means for cooling the working fluid interposed on the other end surface side of the heat accumulator, and a thermoacoustic self-excitation is applied to the working fluid by providing a predetermined temperature gradient between both end surfaces of the heat accumulator. An exhaust heat recovery device for an internal combustion engine comprising a thermoacoustic engine that generates vibration,
A branch pipe branched from the middle of the exhaust pipe of the internal combustion engine, and penetrating the air column pipe and the heat transfer member on one end face side of the heat accumulator;
Switching means for guiding a part of the exhaust gas flowing in the exhaust pipe into the branch pipe and heating the working fluid interposed on one end surface side of the heat accumulator through the branch pipe;
Operation determining means for determining whether or not thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started;
An exhaust heat recovery apparatus for an internal combustion engine, further comprising: a control unit that controls the operation of the switching unit based on a determination result by the determination unit.
内燃機関の始動後に前記作動流体の熱音響自励振動が始まっているか否かを判定するステップと、
前記作動流体の熱音響自励振動が始まったと判断するまで、排気ガスの一部を蓄熱器の一端面側に導くステップと
を具えたことを特徴とする内燃機関の排熱回収方法。 A heat accumulator through which the working fluid can pass is incorporated in an air column tube hermetically filled with the working fluid, and the working fluid interposed on one end face side of the heat accumulator is heated using the exhaust heat of the internal combustion engine and on the other end face side. An exhaust heat recovery method for an internal combustion engine comprising a thermoacoustic engine that cools an intervening working fluid and gives a predetermined temperature gradient between both end faces of the heat accumulator to generate self-excited thermoacoustic vibration in the working fluid. And
Determining whether thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started after starting the internal combustion engine;
And a step of guiding a part of the exhaust gas to one end face side of the heat accumulator until it is determined that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid has started.
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| JP2004361857A JP2006170022A (en) | 2004-12-14 | 2004-12-14 | Waste heat recovery device and method for internal combustion engine |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2108805A1 (en) * | 2008-04-09 | 2009-10-14 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and device for increasing the energy efficiency of a power plant |
| WO2015138897A1 (en) * | 2014-03-14 | 2015-09-17 | Eaton Corporation | Orc system post engine shutdown pressure management |
| JP2019207040A (en) * | 2018-05-28 | 2019-12-05 | 株式会社Soken | Thermoacoustic device |
-
2004
- 2004-12-14 JP JP2004361857A patent/JP2006170022A/en active Pending
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| WO2015138897A1 (en) * | 2014-03-14 | 2015-09-17 | Eaton Corporation | Orc system post engine shutdown pressure management |
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