JP2009108794A - Exhaust heat recovering device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンにおける廃熱を蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat in an engine via steam.
従来、内燃機関(エンジン)の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって蒸発した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機(タービン)を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献1に開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a waste heat recovery device that recovers waste heat generated by driving an internal combustion engine (engine) using a Rankine cycle. In such a waste heat recovery apparatus, for example, the engine water-cooled cooling system has a sealed structure, the cooling water evaporated by the waste heat in the engine, that is, the expander (turbine) is driven by steam, and the heat of the steam There is one that converts energy into electrical energy and recovers it. For example, Patent Document 1 discloses an improved version of such a waste heat recovery apparatus.
ところで、このような廃熱回収装置では、エンジン本体において蒸発した蒸気は温度が低く、水分を含む飽和蒸気である。このような蒸気は温度が僅かに低下することにより容易に液相へ戻るため、廃熱回収装置は、液相へ戻った冷媒と蒸気とを分離することを必要とする。さらに、蒸気は、乾き度の高い乾燥蒸気の状態でなければ膨張機において有効なエネルギーの回収が見込めない。また、液相へ戻った蒸気が膨張機に付着すると膨張機の腐食原因となる。 By the way, in such a waste heat recovery apparatus, the vapor | steam which evaporated in the engine main body is low temperature, and is saturated vapor | steam containing a water | moisture content. Since such steam easily returns to the liquid phase when the temperature is slightly lowered, the waste heat recovery apparatus needs to separate the refrigerant and the steam that have returned to the liquid phase. Furthermore, effective recovery of energy in the expander cannot be expected unless the steam is in a dry steam state with a high degree of dryness. Moreover, when the vapor | steam which returned to the liquid phase adheres to an expander, it will cause a corrosion of an expander.
そこで、本発明は、エンジン本体から乾き度の高い良質な乾燥蒸気を取り出す廃熱回収装置を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the waste-heat recovery apparatus which takes out good-quality dry steam with a high dryness from an engine main body.
かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの排気が流通する排気マニホールドと、当該排気マニホールドの周囲に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、蒸発した冷媒を液相に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする(請求項1)。このような構成とすることにより、排気マニホールドを流通する高温の排気から蒸気通路を流通する蒸気へ熱を伝達することができる。このように、ウォータジャケット内で蒸発した蒸気は、蒸気通路を通過する間に受熱し、過熱され、乾き度の高い状態へ変化する。これにより、廃熱回収装置は、良質な蒸気をエンジン本体から取り出し、膨張機を備える動力回収機へ導入することができる。また、従来の廃熱回収装置には、排気マニホールドの下流側に連続する排気管上に過熱器を配置し、この過熱器において排気と蒸気との熱交換を行う構成としたものもあった。ところが、排気管内の排気は熱源となる燃焼室から遠ざかる程温度が低くなるため、本発明では、熱源となる燃焼室により近い排気マニホールドにおいて、排気と蒸気との熱交換を行うこととした。これにより、熱交換効率を向上することができる。このように、エンジン内部で発生した蒸気を排気マニホールドで過熱することにより、効率良く熱交換を行うことができる。 The waste heat recovery apparatus of the present invention that solves such problems includes an exhaust manifold through which engine exhaust flows, a refrigerant passage that is formed around the exhaust manifold and through which vapor evaporated by the waste heat of the engine flows, and the refrigerant A power recovery device that recovers waste heat of the engine through the steam that has passed through the passage, and a condenser that returns the evaporated refrigerant to a liquid phase are provided (claim 1). With such a configuration, heat can be transferred from the high-temperature exhaust gas flowing through the exhaust manifold to the vapor flowing through the steam passage. Thus, the vapor evaporated in the water jacket receives heat while passing through the vapor passage, is overheated, and changes to a dry state. Thereby, the waste heat recovery apparatus can take out high-quality steam from the engine body and introduce it into a power recovery machine including an expander. In addition, some conventional waste heat recovery apparatuses have a configuration in which a superheater is disposed on an exhaust pipe continuous downstream of the exhaust manifold, and heat exchange between exhaust and steam is performed in this superheater. However, since the temperature of the exhaust in the exhaust pipe decreases as the distance from the combustion chamber serving as a heat source decreases, in the present invention, heat exchange between exhaust and steam is performed in an exhaust manifold closer to the combustion chamber serving as a heat source. Thereby, heat exchange efficiency can be improved. Thus, heat can be efficiently exchanged by heating the steam generated in the engine with the exhaust manifold.
また、本発明の廃熱回収装置は、エンジンの排気が流通する排気マニホールドと、当該排気マニホールド内に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、蒸気を液相に戻す凝縮器と、を備えた構成とすることができる(実施例2)。このような構成とすることにより、高温の排気から蒸気へ熱伝達が行われ、乾き度の高い良質な蒸気を生成することができる。このように、冷媒通路が排気マニホールド内に形成されたものも、冷媒通路を排気マニホールドの周囲に形成した場合と同様の効果を得ることができる。 The waste heat recovery apparatus of the present invention passes through the exhaust manifold through which the exhaust of the engine flows, the refrigerant passage formed in the exhaust manifold through which the vapor evaporated by the waste heat of the engine flows, and the refrigerant passage. A power recovery machine that recovers waste heat of the engine via steam and a condenser that returns the steam to a liquid phase can be employed (Example 2). With such a configuration, heat is transferred from the high-temperature exhaust to the steam, and high-quality steam having a high dryness can be generated. Thus, what formed the refrigerant path in the exhaust manifold can also obtain the same effect as the case where the refrigerant path is formed around the exhaust manifold.
さらに、このような廃熱回収装置において、前記排気マニホールドをシリンダヘッドと一体に形成することができる(請求項3)。このような構成とすることにより、排気の熱量をより効率的に回収することができる。排気マニホールドがシリンダヘッドと一体なので、排気マニホールドを通過する排気から得られる熱量は、シリンダヘッドへ伝わる。シリンダヘッドへ伝わった熱量は、冷媒通路を流通する蒸気へ伝達される。このように熱交換効率を高め、冷媒の回収する熱量を増加させるので、回収効率を向上することができる。 Furthermore, in such a waste heat recovery apparatus, the exhaust manifold can be formed integrally with the cylinder head. By setting it as such a structure, the calorie | heat amount of exhaust_gas | exhaustion can be collect | recovered more efficiently. Since the exhaust manifold is integrated with the cylinder head, the amount of heat obtained from the exhaust passing through the exhaust manifold is transmitted to the cylinder head. The amount of heat transferred to the cylinder head is transferred to the steam flowing through the refrigerant passage. Thus, the heat exchange efficiency is increased and the amount of heat recovered by the refrigerant is increased, so that the recovery efficiency can be improved.
また、このような廃熱回収装置は、前記冷媒通路内に障害物を備えた構成とすることができる(請求項4)。このような構成とすることにより、蒸気通路を流れる蒸気は、冷媒通路を通過するのに時間を要する。このため、排気マニホールドを流通する排気から受熱する時間が増加し、さらに排気から蒸気への受熱量が増加する。これにより、蒸気の乾き度がさらに高まり、良質な乾燥蒸気を取り出すことができる。このような障害物として、壁、突起等を採用することができる。また、冷媒通路内を迷路構造に形成する構成としてもよい。 In addition, such a waste heat recovery apparatus can be configured such that an obstacle is provided in the refrigerant passage. By setting it as such a structure, it takes time for the vapor | steam which flows through a vapor path to pass a refrigerant path. For this reason, the time for receiving heat from the exhaust flowing through the exhaust manifold increases, and the amount of heat received from the exhaust to the steam further increases. Thereby, the dryness of the steam is further increased, and good quality dry steam can be taken out. Walls, protrusions, and the like can be employed as such obstacles. Moreover, it is good also as a structure which forms the inside of a refrigerant path in a maze structure.
本発明の廃熱回収装置は、高温の排気からエンジン本体で蒸発した蒸気へ効率良く熱を伝達し、蒸気を過熱することにより、乾き度の高い良質な蒸気を取り出すことができる。 The waste heat recovery apparatus of the present invention can efficiently extract heat from high-temperature exhaust gas to the vapor evaporated in the engine body and superheat the vapor to extract high-quality dry steam.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の実施例1について図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の廃熱回収装置1を組み込んだエンジン2の概略構成を示した説明図である。エンジン2は直列四気筒のエンジンで、ピストン3、シリンダブロック4、シリンダヘッド5を備えている。シリンダヘッド5内には、空気が導入される吸気ポート6と燃焼室7で発生した排気の排出される排気ポート8とが形成されている。また、吸気ポート6にはインテークバルブ9が配置され、排気ポート8にはエキゾーストバルブ10が配置されている。さらに、シリンダヘッド5には、排気マニホールド部11がシリンダヘッド5に一体となって形成されている。この排気マニホールド部11に形成される排気通路11aは、排気ポート8と接続し、内部を排気が通過する構成となっている。
Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing a schematic configuration of an
シリンダブロック4内にブロック側ウォータジャケット12が形成されている。さらに、シリンダヘッド5内の吸気ポート7及び排気ポート8、排気マニホールド部11の周囲には、ヘッド側ウォータジャケット13が形成されている。このヘッド側ウォータジャケット13は本発明の冷媒通路に相当する。
A block-
次に、排気マニホールド部11、ヘッド側ウォータジャケット13について詳細に説明する。図2は、図1中に示した排気マニホールド部11の周辺を拡大して示した説明図である。また、図3は、図2中に示したA−A線、B−B線、C−C線における各断面を示した説明図であり、(a)はA−A断面、(b)はB−B断面、(c)はC−C断面を示した説明図である。また、図3における各図中に示すD−D線における断面は図2を示したものである。なお、図2、図3の説明図では、説明の都合上、エキゾーストバルブ10を示していない。
Next, the
排気マニホールド部11に形成された排気通路11aは、各気筒から排出される排気ガスをまとめて、エンジン2の外部へ排出する。また、ヘッド側ウォータジャケット13は、排気マニホールド11の周囲に形成されている。すなわち、排気マニホールド11を包み込むように形成されている。ヘッド側ウォータジャケット13をこのように形成したことにより、ヘッド側ウォータジャケット13を流通する冷媒が、排気通路11aを通過する高温の排気ガスから受熱する。
The
さらに、シリンダヘッド5には、本発明の障害物に相当する壁14が備えられている。図2、図3に示すように、壁14はヘッド側ウォータジャケット13内を流通する冷媒の流路を遮るように配置されている。壁14に流路を遮られる冷媒は、図3(c)中に示す通路15でのみ流通可能である。なお、この壁14は、排気通路11aを流れる排気ガスの流通を遮断することなく配置されている。
Further, the
また、図1に示すように、廃熱回収装置1は冷媒噴射ノズル16、冷媒供給経路17、ポンプ18、ウォータタンク19、蒸気回収経路20、動力回収機21、凝縮器22を備えている。
As shown in FIG. 1, the waste heat recovery apparatus 1 includes a
冷媒噴射ノズル16は、ブロック側ウォータジャケット12内及びヘッド側ウォータジャケット13内へ噴射口を開口している。冷媒供給経路17は、冷媒噴射ノズル16とウォータタンク19とを接続している。ポンプ18は、冷媒供給経路17上に配置され、ウォータタンク19内の冷媒を冷媒噴射ノズル16へ供給する。こうして供給される冷媒は、冷媒噴射ノズル16により、ブロック側ウォータジャケット12内及びヘッド側ウォータジャケット13内へ噴射される。冷媒噴射ノズル16の冷媒噴射部位は、エンジン2内の高温となる部位であり、噴射された冷媒は蒸発して蒸気となる。
The
蒸気回収経路20の一端はヘッド側ウォータジャケット13と接続され、他端は凝縮器22に接続されている。蒸気回収経路20上には、動力回収機21が配置されている。動力回収機21は、膨張機と発電機と(いずれも図示しない)を備え、ブロック側ウォータジャケット12内及びヘッド側ウォータジャケット13内で発生した蒸気を介してエンジン2の廃熱を回収する。凝縮器22は、動力回収機21を通過した蒸気を冷却し、液相の冷媒へ戻す。こうして液相に戻された冷媒は、ウォータタンク19に送られる。
One end of the
上述のブロック側ウォータジャケット12及びヘッド側ウォータジャケット13、動力回収機21、凝縮器22、ポンプ18は、冷媒を作動流体として、蒸発した冷媒、すなわち、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するランキンサイクルシステムを構成している。
The block-
次に、廃熱回収装置1において発生する蒸気について説明する。冷媒噴射ノズル16から噴射された液相の冷媒は、ブロック側ウォータジャケット12内及びヘッド側ウォータジャケット13内において、エンジン2の燃焼によって発生する廃熱を吸収して蒸発し、蒸気となる。このようにブロック側ウォータジャケット12、ヘッド側ウォータジャケット13で発生した蒸気は、乾き度の低い飽和蒸気である。このような蒸気は、壁14により、蒸気回収経路20側へ向かう流れが抑制されて、ヘッド側ウォータジャケット13内に滞留する。このようにヘッド側ウォータジャケット13内で滞留する飽和蒸気は、排気通路11aを通過する排気ガスから受熱し温度が上昇する。これにより、蒸気は乾き度が上がり、エネルギー回収に適した乾燥蒸気となる。このような乾燥蒸気は、通路15を通過し、蒸気回収経路20へ流れ出る。この乾燥蒸気は、動力回収機21において、エネルギーに変換され回収される。このような乾燥蒸気は、乾き度の高い良質な蒸気なので、動力回収機21における回収効率も高くなる。
Next, steam generated in the waste heat recovery apparatus 1 will be described. The liquid-phase refrigerant injected from the
以上のように、廃熱回収装置1は、シリンダヘッド5内において排気ガスからウォータジャケット内で発生した飽和蒸気へ熱を付与することにより、エネルギー回収の可能な乾燥蒸気を効率よく生成することができる。
As described above, the waste heat recovery apparatus 1 can efficiently generate dry steam capable of recovering energy by applying heat from exhaust gas to saturated steam generated in the water jacket in the
次に、本発明の実施例2について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例1の廃熱回収装置1とほぼ同様の構成をしている。但し、本実施例の廃熱回収装置は、排気マニホールド30を備えている点で実施例1の廃熱回収装置1と相違している。また、本実施例の廃熱回収装置は、壁14を備えていない点で実施例1の廃熱回収装置1と相違している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The waste heat recovery apparatus of the present embodiment has substantially the same configuration as the waste heat recovery apparatus 1 of the first embodiment. However, the waste heat recovery apparatus of the present embodiment is different from the waste heat recovery apparatus 1 of Embodiment 1 in that an
図4は、本実施例の廃熱回収装置の排気マニホールド30の周辺を拡大して示した説明図である。廃熱回収装置のシリンダヘッド33は、実施例1のシリンダヘッド5とほぼ同一であるが、内部に排気マニホールド部11、壁14を備えていない点でシリンダヘッド5と相違している。シリンダヘッド33は、ヘッド側ウォータジャケット34を備えている。ヘッド側ウォータジャケット34は、排気ポート35の周囲に形成されている。また、ヘッド側ウォータジャケット34は、シリンダヘッド33の外部に開口している。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an enlarged view of the periphery of the
排気マニホールド30には、排気通路31と蒸気通路32とが形成されている。排気通路31は、各気筒の排気ポート35と接続するように開口部を備えている。この排気通路31は、各気筒から排出される排気ガスをまとめて、エンジン2の外部へ排出する。蒸気通路32は、排気通路31の周囲に形成されており、ヘッド側ウォータジャケット34の接続口に対応するように開口している。この蒸気通路32は本発明の冷媒通路に相当する。なお、その他の構成は実施例1と同一であるため、実施例1と同一の構成要素については、その詳細な説明は省略する。
An
ブロック側ウォータジャケット12内及びヘッド側ウォータジャケット34内において、冷媒は、エンジン2の燃焼によって発生する廃熱を吸収して蒸発し、蒸気となる。このように発生した蒸気は、排気ポート35を通過する排気ガスから受熱し、温度が上昇する。さらに、この蒸気はヘッド側ウォータジャケット34から蒸気通路32へ流入し、蒸気通路32内において排気通路31を通過する排気ガスから受熱し、高温となる。このような蒸気は、温度の上昇に伴って、乾き度が上がり、エネルギー回収に適した乾燥蒸気となり、蒸気回収経路20へ流れ出る。このように良質な蒸気が得られるので、動力回収機21において、効率良いエネルギーの回収に寄与する。
In the block-
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、本発明の廃熱回収装置は、冷媒通路内に迷路構造を形成することができる。迷路構造は蒸気を冷媒通路内に留まる時間を延長させるため、蒸気はヘッド内を抜ける間にさらに熱を付与される。このため、蒸気の温度が上昇し、乾き度が上がるため、良質な乾燥蒸気を生成することができる。 The above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited thereto. Various modifications of these embodiments are within the scope of the present invention. It is apparent from the above description that various other embodiments are possible within the scope. For example, the waste heat recovery apparatus of the present invention can form a maze structure in the refrigerant passage. The labyrinth structure extends the time that the steam stays in the refrigerant passage, so that the steam is given more heat while passing through the head. For this reason, since the temperature of a vapor | steam rises and dryness goes up, a good-quality dry vapor | steam can be produced | generated.
1 廃熱回収装置
2 エンジン
5、33 シリンダヘッド
11 排気マニホールド部
11a、31 排気通路
12 ブロック側ウォータジャケット
13、34 ヘッド側ウォータジャケット
14 壁
21 動力回収機
22 凝縮器
30 排気マニホールド
32 蒸気通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Waste
Claims (4)
当該排気マニホールドの周囲に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、
当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、
蒸気を液相に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。 An exhaust manifold through which engine exhaust flows,
A refrigerant passage formed around the exhaust manifold and through which steam evaporated by waste heat of the engine flows;
A power recovery machine that recovers waste heat of the engine through the steam passing through the refrigerant passage;
A waste heat recovery apparatus comprising: a condenser for returning steam to a liquid phase.
当該排気マニホールド内に形成され、エンジンの廃熱により蒸発した蒸気が流通する冷媒通路と、
当該冷媒通路を通過した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、
蒸気を液相に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。 An exhaust manifold through which engine exhaust flows,
A refrigerant passage formed in the exhaust manifold and through which steam evaporated by waste heat of the engine flows;
A power recovery machine that recovers waste heat of the engine through the steam passing through the refrigerant passage;
A waste heat recovery apparatus comprising: a condenser for returning steam to a liquid phase.
前記排気マニホールドは、シリンダヘッドと一体に形成されたことを特徴とする廃熱回収装置。 The waste heat recovery apparatus according to claim 1 or 2,
The waste heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the exhaust manifold is formed integrally with a cylinder head.
前記冷媒通路内に障害物を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。 The waste heat recovery apparatus according to claim 1 or 2,
A waste heat recovery apparatus comprising an obstacle in the refrigerant passage.
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