JP2005180396A - Energy recovery device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の余剰エネルギを回収するためのエネルギ回収装置に関する。 The present invention relates to an energy recovery device for recovering surplus energy of an internal combustion engine.
従来から、熱音響現象を利用した冷凍機が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この冷凍機は、気体が封入される配管と、この配管の内部に配置されると共に高温側熱交換器と低温側熱交換器とで挟まれたスタックと、このスタックと非対称の位置に高温側熱交換器および低温側熱交換器と共に配置された蓄冷器とを備える。この冷凍機は、スタックの両端部間に温度勾配を形成することにより、スタックにて気体の自励振動を発生させ、それによって得られる定在波および進行波の伝播により蓄冷器に蓄冷するものである。 Conventionally, a refrigerator utilizing a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This refrigerator includes a pipe filled with gas, a stack disposed inside the pipe and sandwiched between a high temperature side heat exchanger and a low temperature side heat exchanger, and a high temperature side at a position asymmetric with the stack. And a regenerator arranged together with the heat exchanger and the low temperature side heat exchanger. This refrigerator generates a self-excited vibration of gas in the stack by forming a temperature gradient between both ends of the stack, and stores it in the regenerator by propagation of standing waves and traveling waves obtained thereby. It is.
また、従来から、熱音響現象を利用して内燃機関の排気熱を回収する装置も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。この装置は、内燃機関の排気浄化用触媒コンバータに接続された共鳴管と、この共鳴管の一端に設けられたスタックと、共鳴管の他端に設けられたトランスデューサとを備える。この装置では、触媒コンバータから発せられる熱によりスタックの一端が加熱され、スタックの両端部間に温度勾配が付与される。これにより、スタックにて音波が発生し、音波のエネルギはトランスデューサによって電気エネルギに変換される。 Conventionally, an apparatus for recovering exhaust heat of an internal combustion engine using a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 2). This device includes a resonance pipe connected to an exhaust gas purification catalytic converter of an internal combustion engine, a stack provided at one end of the resonance pipe, and a transducer provided at the other end of the resonance pipe. In this apparatus, one end of the stack is heated by heat generated from the catalytic converter, and a temperature gradient is applied between both ends of the stack. Thereby, sound waves are generated in the stack, and the energy of the sound waves is converted into electric energy by the transducer.
上述のように、熱音響現象を利用することにより、内燃機関の余剰エネルギを回収して電気エネルギや熱エネルギを得ることが可能となる。しかしながら、内燃機関の余剰エネルギを熱音響装置によって回収したとしても、余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率が悪かったのでは、熱音響装置を利用する意味が失われてしまいかねない。 As described above, by using the thermoacoustic phenomenon, it is possible to recover surplus energy of the internal combustion engine and obtain electric energy and thermal energy. However, even if the surplus energy of the internal combustion engine is recovered by the thermoacoustic device, if the utilization efficiency of the energy obtained by recovering the surplus energy is poor, the meaning of using the thermoacoustic device may be lost.
そこで、本発明は、内燃機関の余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率を向上させることができる内燃機関のエネルギ回収装置の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an energy recovery device for an internal combustion engine that can improve the utilization efficiency of energy obtained by recovering excess energy of the internal combustion engine.
本発明による内燃機関のエネルギ回収装置は、内燃機関の余剰エネルギを回収するエネルギ回収装置であって、内燃機関の余剰エネルギを利用して音波を発生させる音響エネルギ発生手段と、音響エネルギ発生手段により発せられる音波のエネルギを電気エネルギに変換する第1のエネルギ変換手段と、音響エネルギ発生手段により発せられる音波のエネルギを熱エネルギに変換する第2のエネルギ変換手段と、第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量と第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量との割合を要求に応じて変化させる制御手段とを備えることを特徴とする。 An energy recovery device for an internal combustion engine according to the present invention is an energy recovery device that recovers surplus energy of the internal combustion engine, and includes an acoustic energy generation unit that generates sound waves using the surplus energy of the internal combustion engine, and an acoustic energy generation unit. By first energy converting means for converting the energy of the emitted sound wave into electrical energy, second energy converting means for converting the energy of the sound wave generated by the acoustic energy generating means into thermal energy, and the first energy converting means. Control means for changing the ratio of the energy recovery amount and the energy recovery amount by the second energy conversion means as required is provided.
このエネルギ回収装置は、内燃機関の余剰エネルギを利用して音波を発生させた上で、かかる音波のエネルギを電気エネルギと熱エネルギとに変換可能なものである。そして、このエネルギ回収装置では、第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量(電気エネルギ)と第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量(熱エネルギ)との割合が要求に応じて変化させられる。従って、このエネルギ回収装置によれば、電気エネルギが必要とされる場合には第1エネルギ変換手段によるエネルギ回収量(電気エネルギ)を増加させる一方、熱エネルギが必要とされる場合には第2エネルギ変換手段によるエネルギ回収量(熱エネルギ)を増加させることが可能となるので、内燃機関の余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率を向上させることが可能となる。 This energy recovery device can generate sound waves using surplus energy of an internal combustion engine and convert the energy of the sound waves into electric energy and heat energy. In this energy recovery device, the ratio of the energy recovery amount (electric energy) by the first energy conversion means and the energy recovery amount (thermal energy) by the second energy conversion means is changed as required. Therefore, according to this energy recovery device, when the electrical energy is required, the energy recovery amount (electric energy) by the first energy conversion means is increased, while when the heat energy is required, the second energy recovery unit increases the energy recovery amount (electric energy). Since the energy recovery amount (heat energy) by the energy conversion means can be increased, it is possible to improve the utilization efficiency of the energy obtained by recovering the surplus energy of the internal combustion engine.
この場合、本発明によるエネルギ回収装置は、第1のエネルギ変換手段に対する電力要求量と、第2のエネルギ変換手段に対する熱要求量とを判定する要求判定手段を更に備え、制御手段は、要求判定手段の判定結果に応じて、第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量と第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量との割合を変化させると好ましい。 In this case, the energy recovery apparatus according to the present invention further includes a request determination unit that determines a power request amount for the first energy conversion unit and a heat request amount for the second energy conversion unit, and the control unit includes the request determination unit. It is preferable to change the ratio of the energy recovery amount by the first energy conversion means and the energy recovery amount by the second energy conversion means according to the determination result of the means.
また、制御手段は、第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量を変化させることにより、第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量と第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量との割合を変化させると好ましい。 In addition, when the control unit changes the energy recovery amount by the first energy conversion unit, the ratio of the energy recovery amount by the first energy conversion unit and the energy recovery amount by the second energy conversion unit is changed. preferable.
一般に、熱音響現象を利用して音波のエネルギを熱エネルギに変換する場合よりも、音/電気変換手段を用いて音波のエネルギを電気エネルギに変換する場合の方が、エネルギ変換量(エネルギ回収量)の制御を容易かつ精度よく実行することができる。従って、かかる構成によれば、第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量と第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量との割合を要求に応じて精度よく設定することが可能となる。 In general, the amount of energy conversion (energy recovery) is greater when sound energy is converted into electrical energy using sound / electrical conversion means than when sound wave energy is converted into heat energy using a thermoacoustic phenomenon. Amount) can be easily and accurately executed. Therefore, according to this configuration, it is possible to accurately set the ratio of the energy recovery amount by the first energy conversion means and the energy recovery amount by the second energy conversion means as required.
更に、第1のエネルギ変換手段は、音波を受けて振動する振動部材と、この振動部材の周波数を音響エネルギ発生手段により発せられる音波の周波数と一致させるための手段とを備えると好ましい。これにより、音響エネルギ発生手段により発せられる音波を減衰させることなく、効率よく電気エネルギを得ることが可能となる。 Further, it is preferable that the first energy converting means includes a vibrating member that receives a sound wave and vibrates, and a means for matching the frequency of the vibrating member with the frequency of the sound wave emitted by the acoustic energy generating means. Thereby, it becomes possible to obtain electrical energy efficiently without attenuating the sound wave emitted by the acoustic energy generating means.
また、本発明によるエネルギ回収装置は、所定の作動流体が封入される気柱管を更に備え、音響エネルギ発生手段は、内燃機関の排気ガスを熱源とする高温熱交換器と、低温熱交換器と、これらの熱交換器の間に位置するように気柱管の内部に配置された蓄熱手段とを含むと好ましい。これにより、内燃機関の排気熱を効率よく回収して電気エネルギや熱エネルギを得ることが可能となる。 The energy recovery device according to the present invention further includes an air column tube filled with a predetermined working fluid, and the acoustic energy generating means includes a high-temperature heat exchanger using the exhaust gas of the internal combustion engine as a heat source, and a low-temperature heat exchanger. And heat storage means disposed inside the air column tube so as to be located between these heat exchangers. Thereby, it is possible to efficiently recover the exhaust heat of the internal combustion engine and obtain electric energy and heat energy.
更に、本発明によるエネルギ回収装置は、所定の作動流体が封入される気柱管を更に備え、音響エネルギ発生手段は、内燃機関の吸入空気または排気ガスの脈動を気柱管内の作動流体に伝達して音波を発生すると好ましい。これにより、本来できるだけ抑制されるべきである内燃機関の吸入空気や排気ガスの脈動のエネルギを効率よく回収して電気エネルギや熱エネルギを得ることが可能となる。 Furthermore, the energy recovery apparatus according to the present invention further includes an air column tube filled with a predetermined working fluid, and the acoustic energy generating means transmits the pulsation of the intake air or exhaust gas of the internal combustion engine to the working fluid in the air column tube. It is preferable to generate sound waves. As a result, it is possible to efficiently recover the pulsation energy of the intake air and exhaust gas of the internal combustion engine, which should be suppressed as much as possible, and obtain electric energy and thermal energy.
また、第1のエネルギ変換手段は、直動型発電機であると好ましく、第2のエネルギ変換手段は、高温熱交換器と、低温熱交換器と、これらの熱交換器の間に配置された蓄熱手段とを含むと好ましい。 The first energy conversion means is preferably a direct-acting generator, and the second energy conversion means is disposed between the high-temperature heat exchanger, the low-temperature heat exchanger, and these heat exchangers. The heat storage means is preferably included.
本発明による他の内燃機関のエネルギ回収装置は、内燃機関の余剰エネルギを回収するエネルギ回収装置であって、余剰エネルギを利用して音波を発生させる音響エネルギ発生手段と、音響エネルギ発生手段により発せられる音波のエネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換手段とを備え、このエネルギ変換手段が、音波を受けて振動する振動部材と、この振動部材の周波数を音響エネルギ発生手段により発せられる音波の周波数と一致させるための手段とを有していることを特徴とする。 Another energy recovery device for an internal combustion engine according to the present invention is an energy recovery device for recovering surplus energy of the internal combustion engine. The energy recovery device generates acoustic waves using the surplus energy, and is generated by the acoustic energy generation device. Energy conversion means for converting the energy of the generated sound wave into electrical energy, the energy conversion means receiving a sound wave and vibrating, and the frequency of the vibration member generated by the acoustic energy generation means. And means for matching.
このエネルギ回収装置は、内燃機関の余剰エネルギを利用して音波を発生させた上で、かかる音波のエネルギを電気エネルギに変換可能なものである。そして、このエネルギ回収装置では、音波のエネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換手段が、音波を受けて振動する振動部材の周波数と、音響エネルギ発生手段により発せられる音波の周波数とを一致させるための手段を有している。従って、このエネルギ回収装置によれば、音響エネルギ発生手段により発せられる音波を減衰させることなく、効率よく電気エネルギを得ることができるので、内燃機関の余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率を向上させることが可能となる。 This energy recovery device is capable of generating sound waves using surplus energy of an internal combustion engine and then converting the energy of the sound waves into electrical energy. In this energy recovery device, the energy converting means for converting the sound wave energy into the electric energy matches the frequency of the vibrating member that receives the sound wave and vibrates with the frequency of the sound wave emitted by the acoustic energy generating means. Have means. Therefore, according to this energy recovery device, it is possible to efficiently obtain electric energy without attenuating the sound wave generated by the acoustic energy generating means. Therefore, the efficiency of using the energy obtained by recovering the surplus energy of the internal combustion engine Can be improved.
本発明によれば、内燃機関の余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率を向上させることができる内燃機関のエネルギ回収装置の実現が可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the implementation | achievement of the energy recovery apparatus of the internal combustion engine which can improve the utilization efficiency of the energy obtained by collect | recovering the surplus energy of an internal combustion engine is attained.
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明による内燃機関のエネルギ回収装置の一実施形態を示す概略構成図である。同図に示されるように、エネルギ回収装置20は、例えば車両の走行駆動源として用いられる内燃機関1に適用される。まず、エネルギ回収装置20の適用対象である内燃機関1について簡単に説明すると、この内燃機関1は、シリンダブロック2に形成された燃焼室3の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室3内でピストン4を往復移動させて動力を発生するものである。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of an energy recovery device for an internal combustion engine according to the present invention. As shown in the figure, the
燃焼室3の吸気ポートは、吸気マニホールド5に接続され、燃焼室3の排気ポートは、排気マニホールド6に接続されている。また、内燃機関1のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Vi、排気ポートを開閉する排気弁Ve、点火プラグ7およびインジェクタ8が燃焼室3ごとに配設されている。吸気マニホールド5は、サージタンク9に接続されており、サージタンク9には、給気管L1が接続されている。そして、給気管L1は、エアクリーナ10を介して図示されない空気取入口に接続されている。更に、給気管L1の中途(サージタンク9とエアクリーナ10との間)には、スロットルバルブ11が組み込まれている。一方、排気マニホールド6は、排気管L2に接続されており、排気管L2には、図示されない触媒装置が組み込まれている。
The intake port of the combustion chamber 3 is connected to the
本発明のエネルギ回収装置20は、上述のような内燃機関1の排気熱を回収するために用いられる。エネルギ回収装置20は、ステンレス等により円形断面を有するように形成された気柱管21を有し、この気柱管21の内部には、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスといった作動流体(不活性ガス)が封入される。気柱管21は、図1に示されるように、概ね矩形ループ状に形成されたループ部22と、ループ部22の一つのコーナー部に接続された共鳴部23とを含む。共鳴部23は、ループ部22と概ね同径の円形断面を有する管部23aと、管部23aの先端に接続された閉鎖端部23bとを含み、共鳴器として機能する。閉鎖端部23bは、管部23aの先端から閉鎖端に向かうにつれて徐々に拡径されている。
The
共鳴部23の閉鎖端には、音波のエネルギ(音響エネルギ)を電気エネルギに変換する第1のエネルギ変換手段としてのトランスデューサ(音/電気変換手段)24が配置されている。トランスデューサ24は、発電量制御器240に接続されており、この発電量制御器240によってトランスデューサ24の発電量が設定される。図1に示されるように、トランスデューサ24から得られる電気エネルギは、発電量制御器240を介してバッテリ、キャパシタといった蓄電ユニットBUに送られ、蓄電ユニットBUを充電するために利用される。
A transducer (sound / electrical conversion unit) 24 as a first energy conversion unit that converts sound wave energy (acoustic energy) into electrical energy is disposed at the closed end of the
本実施形態では、トランスデューサ24として、音波を受ける受波部材(振動部材)241と、受波部材241に固定された磁石242と、磁石242の周囲に配置されると共に発電量制御器240に接続された可変インダクタンスコイル243と、磁石242を支持すると共に共鳴部23の閉鎖端の内面に固定されたバネ装置244とを含む直動型発電機が採用されている。そして、バネ装置244としては、開閉弁245を介して図示されない流体源に接続されたエアシリンダ(流体圧シリンダ)が採用されている。これにより、開閉弁245を制御することにより、受波部材241および磁石242を弾性的に支持するバネ装置244のバネ定数を変化させることができる。更に、コイル243のインダクタンスは、ECU40からの指令のもと、発電量制御器240によって変更される。
In the present embodiment, as the
また、気柱管21のループ部22の内部には、蓄熱器(蓄熱手段)25が配置されている。蓄熱器25は、配置箇所における気柱管21の軸方向と平行に延びる狭い流路を複数有する。蓄熱器25としては、セラミック等からなるハニカム構造体、ステンレス等からなる薄いメッシュを微小間隔で配列したもの、ステンレス等の金属製繊維を集合させた不織布等を採用することができる。この蓄熱器25の一端側には、高温熱交換器26が隣接して配置されており、蓄熱器25の他端側には、低温熱交換器27が隣接して配置されている。すなわち、蓄熱器25は、高温熱交換器26と低温熱交換器27との間に挟まれた状態で配置される。
A heat accumulator (heat storage means) 25 is disposed inside the
高温熱交換器26を構成する伝熱管には、内燃機関1の排気管L2を流通する排気ガスが供給され、高温熱交換器26は、内燃機関1の排気ガスを熱源とする。また、低温熱交換器27を構成する伝熱管は、内燃機関1の冷却系統L3に組み込まれており、低温熱交換器27は、冷却系統L3を流通する冷却水を熱源(冷熱源)とする。本実施形態では、高温熱交換器(その伝熱管)26の排気ガス入口に、排気供給調整弁15が設けられており、この排気供給調整弁15を閉鎖することにより、高温熱交換器26に対する排気ガスの供給を停止することができる。同様に、冷却系統L3には、開閉弁14が含まれており、この開閉弁14を閉じることにより、低温熱交換器(その伝熱管)27に対する冷却水の供給を停止することができる。
Exhaust gas flowing through the exhaust pipe L2 of the
更に、気柱管21のループ部22には、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270が配置されている。この場合、蓄冷用高温熱交換器260は、蓄冷器250の一端部を概ね常温(20〜25℃)に保つことができるように構成される。また、蓄冷用低温熱交換器270は、上述の低温熱交換器27と隣り合うように配置され、蓄冷用低温熱交換器270(その伝熱管)には、所定の冷媒が循環供給される。更に、蓄冷用低温熱交換器270に対しては、その伝熱管から流出する冷媒の温度を検出する温度センサTが備えられている。本実施形態において、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270のユニットは、音波のエネルギ(音響エネルギ)を熱エネルギに変換する第2のエネルギ変換手段として機能し、蓄冷用低温熱交換器270は、空調ユニットACの冷熱源として用いられる。
Furthermore, the
そして、エネルギ回収装置20は、内燃機関1の制御手段として機能する電子制御ユニット(以下「ECU」という)40により制御される。ECU40は、何れも図示されないCPU、ROM、RAM、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。上述の冷却系統L3の開閉弁14、高温熱交換器26の排気ガス入口に設けられた排気供給調整弁15、トランスデューサ24のバネ装置244(開閉弁245)、発電量制御器240、空調ユニットAC等は、それぞれECU40の入出力ポートに接続されており、これらはECU40によって制御される。
The
また、ECU40の入出力ポートには、蓄冷用低温熱交換器270から流出する冷媒の温度を検出する温度センサTと、蓄電ユニットBUの蓄電残量を検出する残量計RSとが接続されている。更に、エネルギ回収装置20の気柱管21には、圧力センサ28が設置されており、この圧力センサ28もECU40に接続されている。圧力センサ28は、気柱管21内の作動流体の圧力を検出し、検出値を示す信号をECU40に与える。
Further, a temperature sensor T that detects the temperature of the refrigerant flowing out of the cold storage low-
上述のように構成されるエネルギ回収装置20は、内燃機関1が運転され、燃焼室3からの排気ガスがエネルギ回収装置20の高温熱交換器26を通過するようになると作動を開始する。この場合、内燃機関1の排気ガスの温度は、最高でおよそ900℃程度にも達することから、蓄熱器25の一端部は、高温熱交換器26を流通する排気ガスによって加熱されて昇温する。これに対して、エネルギ回収装置20の低温熱交換器27には、冷却系統L3を流通する冷却水(およそ80〜100℃)が供給されるので、蓄熱器25の他端部は、低温熱交換器27を流通する冷却水によって冷却される。この結果、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配が形成され、これに起因して、作動流体の熱音響自励振動(音波)が発生する。すなわち、蓄熱器25、高温熱交換器26および低温熱交換器27は、内燃機関1の排気ガスのエネルギを利用して音波を発生させる音響エネルギ発生手段として機能する。
The
このようにして発生する作動流体の自励振動(音波)の周波数と共鳴部23における周波数とが一致することにより、共鳴部23内には定在波が形成される。また、ループ部22内には、低温熱交換器27から高温熱交換器26へと進行する進行波が形成される。そして、共鳴部23内に形成される定在波により、閉鎖端部23bに配置されたトランスデューサ24の受波部材241が加振される。これにより、受波部材241に取り付けられた磁石242がコイル243の内部で振動し、コイル243の両端に誘導電圧が発生するので、共鳴部23内の定在波のエネルギ(音響エネルギ)が電気エネルギに変換されることになる。そして、得られた電気エネルギは、発電量制御器240を介して蓄電ユニットBUに供給される。この結果、本発明のエネルギ回収装置20によれば、内燃機関1の排気熱を効率よく回収して蓄電ユニットBUを充電するための電力を得ることができる。
When the frequency of the self-excited vibration (sound wave) of the working fluid generated in this way matches the frequency in the
また、内燃機関1の稼動中、蓄熱器25の両端部間に形成される温度勾配に起因してつくり出された進行波により、ループ部22の蓄冷器250の両端部間には、蓄冷用高温熱交換器260側が高温となり、蓄冷用低温熱交換器270側が低温となるように温度勾配が形成される。この際、蓄冷器250の一端部は、蓄冷用高温熱交換器260により概ね常温(20〜25℃)に維持されることから、蓄冷器250の他端部および蓄冷用低温熱交換器270(その伝熱管)は、上記温度勾配に応じて降温する。従って、蓄冷用低温熱交換器270から流出する冷媒を介して空調ユニットAC用の冷熱を取り出すことが可能となる。
Further, during operation of the
上述のように、エネルギ回収装置20によれば、内燃機関1の余剰エネルギ(排気ガスの熱エネルギ)を利用して蓄熱器25の両端部管に温度勾配を形成することにより作動流体の自励振動(音波)を発生させ、かかる振動のエネルギ(音響エネルギ)を電気エネルギと熱エネルギとに変換することができる。ただし、このようにして内燃機関1の余剰エネルギを回収して電気エネルギと熱エネルギとを得ても、得られたエネルギの利用効率が悪かったのでは、エネルギ回収装置20を利用する意味が失われてしまいかねない。
As described above, according to the
このため、本実施形態では、内燃機関1の余剰エネルギを回収して得られた電気エネルギと熱エネルギとが有効に利用されるように、ECU40によって図2に示されるエネルギ利用率制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。
For this reason, in the present embodiment, the energy utilization rate control routine shown in FIG. 2 is predetermined by the
すなわち、ECU40は、エネルギ利用率制御ルーチンの実行タイミングになると、まず、ライト類や各種補機等からの信号に基づいて定まるその時点の電力消費量と、残量計RSからの信号に示される蓄電ユニットBUの蓄電残量とから、発電要求指標γeを算出する(S10)。ここで、発電要求指標γeは、
γe=A×(電力消費量)−B×(蓄電残量)
として表される(ただし、A,Bは所定の係数である)。また、ECU40は、空調ユニットACに対する要求(空調要求量)と、温度センサTの検出値(蓄冷用低温熱交換器270から流出する冷媒の温度)から定まる蓄冷器250における蓄冷量とに基づいて、冷熱要求指標γcを算出する(S12)。ここで、冷熱要求指標γcは、
γh=C×(空調要求量)−D×(蓄冷量)
として表される(ただし、C,Dは所定の係数である)。
That is, when the timing of execution of the energy utilization rate control routine is reached, the
γe = A × (power consumption) −B × (remaining power storage)
(Where A and B are predetermined coefficients). Further, the
γh = C × (required air conditioning amount) −D × (cold storage amount)
(Where C and D are predetermined coefficients).
そして、ECU40は、これらの指標γeおよびγcから、エネルギ回収装置20の全エネルギ回収量に対するトランスデューサ24の目標エネルギ回収量(目標発電量)の比である目標発電利用比率εを、
εT=γe/(γe+γc)
として算出する(S14)。
Then, the
ε T = γe / (γe + γc)
(S14).
目標発電利用比率εTを求めると、ECU40は、更に、その時点におけるエネルギ回収装置20の全エネルギ回収量に対するトランスデューサ24のエネルギ回収量(発電量)の比である現状発電利用比率εを求める(S16)。本実施形態では、現状発電利用比率εを求めるために、気柱管21内で自励振動する作動流体の圧力振幅と、トランスデューサ24に含まれるコイル243のインダクタンスとの関数が予め設定されており、記憶装置に格納されている。そして、ECU40は、この関数と、圧力センサ28からの信号に基づいて取得した作動流体の圧力振幅と、その時点のコイル243のインダクタンスとを用いて現状発電利用比率εを求める。
When the target power generation utilization ratio ε T is obtained, the
S14にて目標発電利用比率εTを求めると共に、S16にて現状発電利用比率εを求めると、ECU40は、現状発電利用比率εが目標発電利用比率εTに所定のヒステリシスαを加えた値εT+αを上回っているか否か判定する(S18)。S18にて現状発電利用比率εが値εT+αを上回っていると判断した場合、ECU40は、誘導電流が減少するようにコイル243のインダクタンスを所定量だけ増加させるべく発電量制御器240に所定の制御信号を与える(S20)。
With obtaining the target power use ratio epsilon T in S14, when determining the current power use ratio epsilon at S16,
一方、S18にて現状発電利用比率εが値εT+αを上回っていないと判断した場合、ECU40は、更に、現状発電利用比率εが目標発電利用比率εTから所定のヒステリシスαを減じた値εT−αを下回っているか否か判定する(S22)。S22にて現状発電利用比率εが値εT−αを下回っていると判断した場合、ECU40は、誘導電流が増加するようにコイル243のインダクタンスを所定量だけ減少させるべく発電量制御器240に所定の制御信号を与える(S24)。
On the other hand, when it is determined in S18 that the current power generation use ratio ε does not exceed the value ε T + α, the
S20およびS24の処理を実行すると、ECU40は、エネルギ利用率制御ルーチンを次に実行すべきタイミングまで待機する。また、S22にて現状発電利用比率εが値εT−αを下回っていないと判断される場合、現状発電利用比率εが目標発電比率εTに概ね一致していることになるから、ECU40は、特に発電量制御器240等を制御することなく、エネルギ利用率制御ルーチンを次に実行すべきタイミングまで待機する。
When the processes of S20 and S24 are executed, the
このように、エネルギ回収装置20では、第1のエネルギ変換手段としてのトランスデューサ24によるエネルギ回収量(発電量)と、蓄冷用低温熱交換器270にて得られる冷熱量(第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量)との割合が要求に応じて変化させられる。すなわち、エネルギ回収装置20において、また、電気エネルギよりも熱エネルギ(冷熱)が必要とされる場合には、誘導電流が減少するようにコイル243のインダクタンスを増加させられ(S20)、トランスデューサ24によって回収されなくなった音響エネルギが蓄冷器250により回収されるようになるので、蓄冷用低温熱交換器270にて得られる冷熱量を増加させることが可能となる。また、熱エネルギよりも電気エネルギが必要とされる場合には、コイル243のインダクタンスを減少させられ(S24)、これにより、トランスデューサ24の発電量を増加させることができる。従って、エネルギ回収装置20によれば、内燃機関1の余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率を向上させることが可能となる。
As described above, in the
また、一般に、蓄冷器250にて音波のエネルギを熱エネルギに変換する場合よりも、音/電気変換手段としてのトランスデューサ24を用いて音波のエネルギを電気エネルギに変換する場合の方がエネルギ変換量(エネルギ回収量)の制御を容易かつ精度よく実行することができる。この点に鑑みて、エネルギ回収装置20では、上述のように、コイル243のインダクタンスを調整して第1のエネルギ変換手段としてのトランスデューサ24によるエネルギ回収量を変化させることにより、トランスデューサ24による発電量と、蓄冷用低温熱交換器270にて得られる冷熱量との割合が変化させられる。これにより、エネルギ回収装置20では、トランスデューサ24による発電量と蓄冷用低温熱交換器270にて得られる冷熱量との割合を要求に応じて精度よく設定することが可能となる。
Also, in general, the amount of energy conversion is greater when the energy of sound waves is converted into electrical energy using the
ところで、エネルギ回収装置20のトランスデューサ24では、上述のように、開閉弁245を制御することにより、受波部材241および磁石242を弾性的に支持するバネ装置244のバネ定数を変化させることができる。ここで、バネ装置244のバネ定数をKとし、受波部材241の質量をmとすれば、受波部材241の振動数(周波数)fは、f=2π×√(K/m)として表されるから、バネ装置244のバネ定数Kを変化させることにより、受波部材241の周波数fを気柱管21内の音波の共振周波数f0と一致させることができる。
By the way, in the
このような点に鑑みて、エネルギ回収装置20では、受波部材241の周波数fを気柱管21内の音波の共振周波数f0と一致させるべく、図3に示される周波数制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。すなわち、ECU40は、周波数制御ルーチンの実行タイミングになると、圧力センサ28から送られる信号に基づいて気柱管21内で自励振動する作動流体の圧力ピーク間における時間(圧力最大となる時刻と圧力最小となる時刻との間の時間差)を求め、当該圧力ピーク間における時間に基づいて、気柱管21内の作動流体の共振周波数f0を求める(S30,S32)。
In view of such a point, the
気柱管21内の作動流体の共振周波数f0を求めると、ECU40は、開閉弁245を制御して、S32にて求めた作動流体の共振周波数f0と、トランスデューサ24の受波部材241の周波数fとが一致するようにバネ装置244のバネ定数を変化させる(S34)。このように、作動流体の共振周波数f0とトランスデューサ24の受波部材241の周波数fとを一致させることにより、蓄熱器25の両端部間に温度勾配を形成することにより発せられる音波を減衰させることなく、効率よく電気エネルギを得ることができる。従って、エネルギ回収装置20によれば、内燃機関1の余剰エネルギを回収して得たエネルギの利用効率を向上させることが可能となる。
When the resonance frequency f 0 of the working fluid in the
図4は、本発明によるエネルギ回収装置の他の実施形態を示す概略構成図である。同図に示されるエネルギ回収装置20Aは、排気管L2と気柱管21の管部23aとを接続する接続管部29と、接続管部29の排気管L2側の端部内に配置されたダイヤフラム30とを備える。このダイヤフラム30は、気柱管21への排気ガスの流入を阻止すると共に、排気ガスの脈動を気柱管21内の作動流体に伝達するための脈動伝達手段として機能する。また、エネルギ回収装置20Aは、ダイヤフラム30の振動を止めて気柱管21内の作動流体への脈動の伝達を停止させる脈動伝達停止手段として、押え部材31、リンク機構32およびアクチュエータ33を有している。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing another embodiment of the energy recovery apparatus according to the present invention. The
これにより、エネルギ回収装置20Aでは、押え部材31によるダイヤフラム30の押え付けを解除した状態で内燃機関1が運転されると、ダイヤフラム30を介して排気ガスの脈動が気柱管21内の作動流体に伝達され、気柱管21内に音波が形成されることになる。そして、排気ガスの脈動を利用してつくり出される音波のエネルギも、蓄熱器25の両端部間に形成される温度勾配に起因して発生した音波のエネルギと同様に、共鳴部23内のトランスデューサ24によって電気エネルギに変換されることになる。
As a result, in the
このように、エネルギ回収装置20Aによれば、排気ガスの脈動と、蓄熱器25に形成される温度勾配との双方により、作動流体を振動させて音響出力を得ることが可能となる。そして、図2のエネルギ利用率制御ルーチンや、図3の周波数制御ルーチンは、図4に示されるエネルギ回収装置20Aに対しても適用され得る。すなわち、本発明では、内燃機関1の排気ガスのエネルギを利用して音波を発生させる音響エネルギ発生手段として、蓄熱器、高温熱交換器および低温熱交換器のユニットと、内燃機関1の排気ガス(または吸入空気)の脈動を気柱管21内の作動流体に伝達するための脈動伝達手段(ダイヤフラム30等)との少なくとも何れか一方を採用することができる。
Thus, according to the
1 内燃機関
14 開閉弁
15 排気供給調整弁
20,20A エネルギ回収装置
21 気柱管
22 ループ部
23 共鳴部
23a 管部
23b 閉鎖端部
24 トランスデューサ
25 蓄熱器
26 高温熱交換器
26 熱交換器
27 低温熱交換器
28 圧力センサ
29 接続管部
30 ダイヤフラム
31 押え部材
32 リンク機構
33 アクチュエータ
240 発電量制御器
241 受波部材
242 磁石
243 コイル
244 バネ装置
245 開閉弁
250 蓄冷器
260 蓄冷用高温熱交換器
270 蓄冷用低温熱交換器
AC 空調ユニット
BU 蓄電ユニット
L1 給気管
L2 排気管
L3 冷却系統
RS 残量計
T 温度センサ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記余剰エネルギを利用して音波を発生させる音響エネルギ発生手段と、
前記音響エネルギ発生手段により発せられる音波のエネルギを電気エネルギに変換する第1のエネルギ変換手段と、
前記音響エネルギ発生手段により発せられる音波のエネルギを熱エネルギに変換する第2のエネルギ変換手段と、
前記第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量と前記第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量との割合を要求に応じて変化させる制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関のエネルギ回収装置。 An energy recovery device for recovering surplus energy of an internal combustion engine,
Acoustic energy generating means for generating sound waves using the surplus energy;
First energy converting means for converting sound wave energy generated by the acoustic energy generating means into electrical energy;
Second energy conversion means for converting the energy of the sound wave emitted by the acoustic energy generation means into thermal energy;
An energy recovery device for an internal combustion engine, comprising: control means for changing a ratio of an energy recovery amount by the first energy conversion means and an energy recovery amount by the second energy conversion means as required.
前記制御手段は、前記要求判定手段の判定結果に応じて、前記第1のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量と前記第2のエネルギ変換手段によるエネルギ回収量との割合を変化させることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のエネルギ回収装置。 A request determination means for determining a power demand amount for the first energy conversion means and a heat demand amount for the second energy conversion means;
The control unit changes a ratio of an energy recovery amount by the first energy conversion unit and an energy recovery amount by the second energy conversion unit according to a determination result of the request determination unit. The energy recovery device for an internal combustion engine according to claim 1.
前記余剰エネルギを利用して音波を発生させる音響エネルギ発生手段と、
前記音響エネルギ発生手段により発せられる音波のエネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換手段とを備え、前記エネルギ変換手段は、音波を受けて振動する振動部材と、この振動部材の周波数を前記音響エネルギ発生手段により発せられる音波の周波数と一致させるための手段とを有していることを特徴とする内燃機関のエネルギ回収装置。
An energy recovery device for recovering surplus energy of an internal combustion engine,
Acoustic energy generating means for generating sound waves using the surplus energy;
Energy converting means for converting sound wave energy emitted by the acoustic energy generating means into electric energy, the energy converting means receiving a sound wave and vibrating, and generating a frequency of the vibration member by generating the acoustic energy. An energy recovery device for an internal combustion engine, characterized by comprising means for matching the frequency of a sound wave emitted by the means.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003425725A JP2005180396A (en) | 2003-12-22 | 2003-12-22 | Energy recovery device for internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP (1) | JP2005180396A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008015746A1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Nittan Valve Co., Ltd. | Phase variable device for engine |
| JP2009074734A (en) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Aisin Seiki Co Ltd | Thermoacoustic engine |
-
2003
- 2003-12-22 JP JP2003425725A patent/JP2005180396A/en active Pending
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| WO2008015746A1 (en) * | 2006-07-31 | 2008-02-07 | Nittan Valve Co., Ltd. | Phase variable device for engine |
| JP2009074734A (en) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Aisin Seiki Co Ltd | Thermoacoustic engine |
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