JP2008133728A

JP2008133728A - 内燃機関の廃熱利用装置

Info

Publication number: JP2008133728A
Application number: JP2006318334A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Kasuya; 潤一郎粕谷; Yasuaki Kano; 靖明狩野
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】内燃機関の作動状況に応じて内燃機関の冷却水加熱回路とランキンサイクル回路との両方を適正に機能させることができる内燃機関の廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】冷却水を冷却するラジエータ(26)を有する冷却水回路(8)と、蒸発器(8)及び熱交換器(12)で熱交換領域を形成するとともに、膨張機(14)と凝縮器(16)でエネルギ発生領域(56)を形成するランキンサイクル回路(4)とを備え、ランキンサイクル回路は、エネルギ発生領域をバイパスするバイパス路(4c,4e)と、該バイパス路に切り換えることにより、熱交換器で加熱された作動流体を蒸発器に流入させ、作動流体で冷却水を加熱するヒートパイプ経路(54)を形成する流路切換手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両に好適な内燃機関の廃熱利用装置に関する。

内燃機関の廃熱利用装置としては、例えば車両用内燃機関において、冷凍サイクルの構成部品を利用してランキンサイクル回路を形成することで内燃機関の廃熱を動力回収し、その回収した動力で内燃機関の軸出力をアシストする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この技術によると、冷凍サイクル回路はコンプレッサと蒸発器とを含んで構成されており、このコンプレッサは、内燃機関を駆動源とする圧縮機、及び内燃機関をアシストする膨張機として使用されている。また、この蒸発器は、内燃機関の冷却水回路に組み込まれた高温蒸発器と選択的に切り換えられるように構成され、この高温蒸発器を蒸発器に換えて冷凍サイクル回路に接続することでランキンサイクル回路が形成される。
特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、上記従来技術のランキンサイクル回路では、内燃機関の暖機に排ガスの熱を利用する点については格別な配慮がなされていない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の作動状況に応じて内燃機関の冷却水加熱回路とランキンサイクル回路との両方を適正に機能させることができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置は、冷却水により冷却される内燃機関と、冷却水を冷却するラジエータを有し、該ラジエータで冷却された冷却水が内燃機関を経由して循環する冷却水回路と、内燃機関を経由した冷却水と熱交換して作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を熱媒体と熱交換して更に加熱する熱交換器、該熱交換器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器を有し、蒸発器及び熱交換器で熱交換領域を形成するとともに、膨張機と凝縮器でエネルギ発生領域を形成し、該エネルギ発生領域と該熱交換領域との間で作動流体を循環させるポンプを更に含むランキンサイクル回路とを備え、ランキンサイクル回路は、エネルギ発生領域をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に切り換えることにより、熱交換器で加熱蒸発された作動流体を蒸発器に流入させ、凝縮する作動流体で冷却水を加熱し、ポンプで再び熱交換器に作動流体を循環させるヒートパイプとして機能させるヒートパイプ経路を形成する流路切換手段とを有することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、流路切換手段は、冷却水回路を循環する冷却水の温度を検出する温度センサと、該温度センサで検出された冷却水の温度が所定の温度以下のときには、バイパス路に切り換えてヒートパイプ経路を形成する切換弁と含むことを特徴としている。

請求項１記載の本発明の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクル回路は、ポンプの作動により作動流体が循環する熱交換領域とエネルギ発生領域とを含んで構成され、エネルギ発生領域をバイパスすることにより、熱交換領域のみからなるヒートパイプ経路を形成する。このヒートパイプ経路は、熱交換器で加熱された作動流体を蒸発器に流入させて冷却水を加熱する。これにより、ランキンサイクル回路は、通常のランキンサイクルとして機能するとともに、冷却水を加熱するヒートパイプとしても機能させることができる。従って、排ガスの熱を蒸発器に積極的に導入することが可能となる。

また、請求項２記載の発明によれば、ランキンサイクル回路のヒートパイプ経路は、温度センサで検出された冷却水の温度が所定の温度以下のときには、エネルギ発生領域をバイパスするバイパス路に切り換えて形成される。これにより、特に内燃機関の始動時には、排ガスの熱が冷却水に導入されるため、その暖機が迅速に且つ確実に実施され、内燃機関の作動状況に応じた冷却水回路及びランキンサイクル回路の両方の機能の適正化を迅速に図ることができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は本実施形態の内燃機関の廃熱利用装置２の構成を示す模式図であって、この廃熱利用装置２は、ランキンサイクル回路４と、例えば車両のエンジン（内燃機関)６を冷却する冷却水が循環する冷却水回路８とを含んで構成されている。
ランキンサイクル回路４は、蒸発器１０、排ガス熱交換器（熱交換器）１２、膨張機１４、凝縮器１６、受液器１８、及びポンプ２０を含んで構成され、ポンプ２０の作動によって作動流体が蒸発器１０、排ガス熱交換器１２、膨張機１４、凝縮器１６、受液器１８を順次流れて循環する。

蒸発器１０は、主としてポンプ２０から送出される作動流体と冷却水回路８を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。蒸発器１０内には、いずれも図示しないが、冷却水を導く冷却水経路と、作動流体を導く作動流体経路とを備え、冷却水経路と作動流体経路と間には冷却水経路と作動流体経路とを区画する境界壁が設けられている。

排ガス熱交換器１２は、エンジン６の排ガスが流出される排ガス管２２内に設けられ、蒸発器１０で加熱された作動流体と排ガス管２２を流れる排ガスとの間で熱交換することにより作動流体が更に加熱される。
膨張機１４は、蒸発器１０、及び排ガス熱交換器１２で加熱され過熱蒸気の状態となる作動流体の膨張によって回転等に係る駆動力を発生させる流体機器である。また、膨張機１４には例えば発電機２４が接続され、発電機２４を介して膨張機１４で発生した駆動力を廃熱利用装置２の外部で使用可能である。

凝縮器１６は、膨張機１４から吐出される作動流体を外気との熱交換によって凝縮液化する熱交換器である。また、受液器１８は、凝縮器１６で凝縮された作動流体を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液化作動流体のみがポンプ２０側に流出され、再びポンプ２０の作動によって蒸発器１０に流入することにより閉回路としてのランキンサイクル回路４が形成される。

一方、冷却水回路８は、ラジエータ２６、サーモスタット２８、リニア三方弁３４、ポンプ３０を含んで構成され、冷却水が蒸発器１０においてランキンサイクル回路４の作動流体と熱交換する際には、冷却水がポンプ３０の作動によってエンジン６、リニア三方弁３４、蒸発器１０、ラジエータ２６、サーモスタット２８を順次流れて循環する。
ラジエータ２６は、蒸発器１０と直列に配列され、ポンプ３０の作動によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。

サーモスタット２８には、蒸発器１０とラジエータ２６との間における冷却水回路８の流路８ａから分岐するとともにラジエータ２６を迂回してラジエータ２６の下流に合流するバイパス路３２が接続されている。これより、サーモスタット２８は、冷却水をその冷却水温度に応じてラジエータ２６へ通水させるかバイパス路３２へ通水させるかを択一的に選択可能な機械式の切換弁であって、サーモスタット２８が冷却水温度に応じて流路を切り換え或いはラジエータ２６へ通水する冷却水の流量を配分制御することによりエンジン６の本体温度を略一定に保持し、エンジン６の過熱が防止される。

ポンプ３０は、エンジン６に装着され、エンジン６の回転数に応じて作動することによりエンジン６の冷却に要する冷却水量を冷却水回路８に循環させる。
リニア三方弁３４は、エンジン６と蒸発器１０との間に設置され、１つの入口ポートと２つの出口ポートとを有し、三方弁３４の駆動部に入力される入力信号に比例して１つの弁体を連続的に可変駆動することにより、入口ポートに流入する冷却水を各出口ポートに配分して流出させるとともに、これら各配分流量を微調整可能な電動弁である。

詳しくは、三方弁３４の入口ポートには、エンジン６から延設される冷却水回路８の流路８ｂが接続され、各出口ポートには、流路８ｂから三方弁３４を介して分岐されるとともに蒸発器１０を迂回して蒸発器１０の下流に合流するバイパス路３６、流路８ｂから三方弁３４を介して蒸発器１０まで延設される流路８ｃがそれぞれ接続されている。
これより、流路８ｂを流れる冷却水は、三方弁３４によってバイパス路３６と流路８ｃとに配分される。流路８ｂを流れる冷却水流量を全流量Ｆｔ、バイパス路３６を流れる冷却水流量をバイパス路配分流量Ｆｂ、流路８ｃを流れる冷却水流量を蒸発器配分流量Ｆｅとすると、全流量Ｆｔ＝バイパス路配分流量Ｆｂ＋蒸発器配分流量Ｆｅの関係式が略成立し、三方弁３４は冷却水回路８の全体からみて大きな圧力損失要素とはならない構造となっている。

一方、バイパス路３６はラジエータ２６のバイパス路３２と一部が共用されており、この共用路８ｄと流路８ｃとからはそれぞれ冷却水圧力が導出され、これら導出された圧力は差圧センサ３８に入力されている。すなわち、差圧センサ３８は蒸発器１０の前後における差圧ΔＰを検出している。
他のセンサとしては、バイパス路３２における冷却水温度Ｔを検出する温度センサ４０が設けられる他、エンジン６に流入する冷却水の温度を直接検出する温度センサ４２やエンジン６の回転数を検出する回転数センサ４４がエンジン６に装着されている。

ところで、ランキンサイクル回路４において、排ガス熱交換器１２と膨張機１４との間、及びポンプ２０と蒸発器１０との間にはそれぞれ三方切換弁（切換弁）４８，５０が設置されている。
これら切換弁４８，５０は、作動流体の入口ポート及び出口ポートとして兼用可能な３つのポートを有し、各切換弁４８，５０の駆動部に入力される入力信号に応じてそれぞれ１つの弁体を駆動するとともに、作動流体の流れ方向に拘らず、それぞれ異なる２つの流路のいずれか一方を択一的に選択して切換可能な電動式の切換弁である。なお、切換弁４８，５０の切換は同時に且つ円滑になされ、切換弁４８，５０は三方弁３４と同様にランキンサイクル回路４の全体からみて大きな圧力損失要素とはならない構造となっている。

詳しくは、切換弁４８の各ポートには、排ガス熱交換器１２から切換弁４８に亘って延設される流路４ａ、膨張機１４から切換弁４８に亘って延設される流路４ｂ、切換弁５０から切換弁４８に亘って延設される流路４ｃ(バイパス路）が接続されている。
一方、切換弁５０の各ポートには、蒸発器１０から切換弁５０に亘って延設される流路４ｄ、受液器１８から切換弁５０に亘って延設される流路４ｅ(バイパス路）、並びに上記流路４ｃが接続されている。また、流路４ｃにはポンプ２０から延設される流路４ｆが接続され、これら各流路４ａ〜４ｆはランキンサイクル回路４の一部を構成している。

ここで、本実施形態のランキンサイクル回路４は、切換弁４８，５０の切換によって作動流体の流路及び流れ方向を変更することにより、一般的なランキンサイクルとして機能するランキンサイクル経路５２と、蒸発器１０において冷却水を加熱するヒートパイプとして機能するヒートパイプ経路５４との両方を形成できる。
詳しくは、ランキンサイクル経路５２は、切換弁４８が流路４ａと流路４ｂとを連通させてなる経路５２ａを形成すべく切り換えられるとともに、切換弁５０が流路４ｃと流路４ｄとを連通させてなる経路５２ｂを形成すべく切り換えられて閉成される。なお、図１はランキンサイクル経路５２が形成された状態を示しており、切換弁４８，５０の白抜きされたポートは全開ポートを示し、黒塗りされたポートは全閉ポートを示している。

すなわち、ランキンサイクル経路５２は、蒸発器１０及び排ガス熱交換器１２（熱交換領域）、並びに受液器１８、ポンプ２０以外のランキンサイクル回路４の構成要素である膨張機１４、凝縮器１６、発電機２４からなるユニット（エネルギ発生領域）５６を含んで構成されている。
一方、図２にはヒートパイプ経路５４が形成された状態が示されており、この場合には、切換弁４８が流路４ａと流路４ｃとを連通させてなる経路５４ａを形成すべく切り換えられるとともに、切換弁５０が流路４ｄと流路４ｅとを連通させてなる経路５４ｂを形成すべく切り換えられて閉成される。なお、図１と同様に、図２中の切換弁４８，５０の白抜きされたポートは全開ポートを示し、黒塗りされたポートは全閉ポートを示している。

すなわち、ヒートパイプ経路５４は、上記ユニット５６をバイパスして構成されており、排ガス熱交換器１２で加熱された作動流体が蒸発器１０において冷却水回路８を循環する冷却水を加熱する。蒸発器１０で冷却水を加熱した後の作動流体は、切換弁５０、受液器１８、ポンプ２０、切換弁４８を順次経由し、再び排ガス熱交換器１２に到達する。
このように、ランキンサイクル回路４は、ポンプ２０を駆動源として排ガス熱交換器１２で加熱蒸発された作動流体が蒸発器で放熱凝縮し循環するヒートパイプとして機能するヒートパイプ経路５４を構成する。

なお、ヒートパイプ経路５４を循環する作動流体は、ランキンサイクル経路５２における作動流体の流れ方向と逆方向に流れ、蒸発器１０で熱交換される冷却水と作動流体との流れ方向は、ランキンサイクル経路５２では対向する流れ方向であるのに対し、ヒートパイプ経路５４では同一の流れ方向となる。
以下、上記した各センサ及び電動弁の制御について説明する。

検出端たる各センサ３８，４０，４２，４４及び操作端たる三方弁３４、切換弁４８，５０は車両及び廃熱利用装置２の総合的な制御を行う電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４６に電気的に接続されており、ＥＣＵ４６は、差圧センサ３８から検出される入力信号に基づいて三方弁３４の所望の出口ポートを所望の開度に駆動制御すべく信号を出力し、温度センサ４０から検出される入力信号に基づいて切換弁４８，５０の所望のポートを全開または全閉に同時に切換駆動すべく信号を出力する。

詳しくは、ＥＣＵ４６では、差圧センサ３８で検出される蒸発器１０の前後の差圧ΔＰに応じて三方弁３４を駆動する差圧バルブ開度制御たる制御ルーチンが実行される。すなわち、差圧ΔＰがＥＣＵ４６で予め設定された所定の差圧設定値ΔＰＨ以下となるように三方弁３４を駆動することにより、冷却水の全流量Ｆｔが変動してもその変動分を蒸発器１０へ流さずにバイパス路３６に流すことにより、蒸発器配分流量Ｆｅを略一定或いはそれ以下に制限することができる。

同じくＥＣＵ４６では、温度センサ４０で検出される冷却水温度Ｔに応じて切換弁４８，５０を同時に切換駆動する温度バルブ切換制御（流路切換手段）たる制御ルーチンが実行され、この制御ルーチンは差圧バルブ開度制御とは独立した制御ルーチンとしてＥＣＵ４６内で処理されている。
以下、図３に示されるフローチャートを参照して温度バルブ切換制御について説明する。

先ず、Ｓ０（以下、Ｓはステップを表す）で温度バルブ切換制御が開始されると、Ｓ１に移行する。
Ｓ１では、温度センサ４０で検出された冷却水温度Ｔが所定の温度設定値ＴＬ以下であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で冷却水温度Ｔが所定の温度設定値ＴＬ以下と判定された場合にはＳ２に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）で冷却水温度Ｔが温度設定値ＴＬより大きいと判定された場合にはＳ３に移行する。

Ｓ２に移行した場合には、ランキンサイクル経路５２を形成すべく切換弁４８，５０が同時に切り換えられる。既にランキンサイクル経路５２が形成されている場合には、切換弁４８，５０の切換状態はそのまま保持される。
一方、Ｓ１においてＳ３に移行した場合には、ヒートパイプ経路５４を形成すべく切換弁４８，５０が同時に切り換えられる。既にヒートパイプ経路５４が形成されている場合には、切換弁４８，５０の切換状態はそのまま保持される。

このようにして、Ｓ０において温度バルブ切換制御が開始されると、Ｓ１及びＳ２、またはＳ１及びＳ３の一連の制御ルーチンが繰り返し実行される。
以上のように、本実施形態では、ランキンサイクル回路４は、膨張機１４、凝縮器１６、発電機２４を含むユニット５６をバイパスすることにより、蒸発器１０、排ガス熱交換器１２、受液器１８、ポンプ２０のみからなる、いわば熱交換領域たるヒートパイプ経路５４を形成する。このヒートパイプ経路５４は、排ガス熱交換器１２で加熱された作動流体を蒸発器１０に流入させて冷却水回路８の冷却水を加熱する。すなわち、ランキンサイクル回路４は、通常のランキンサイクルとして機能するとともに、冷却水を加熱するヒートパイプとしても機能させることができる。

これにより、ランキンサイクル回路４における排ガス熱交換器１２の熱を蒸発器１０に積極的に導入することが可能となる。
また、ランキンサイクル回路４のヒートパイプ経路５４は、温度センサ４０で検出された冷却水の温度Ｔが所定の温度設定値ＴＬのときには、ユニット５６をバイパスすべく切換弁４８，５０が切り換えられる。これにより、特に、冷却水温度Ｔが低下しているエンジン６の始動時には、ランキンサイクル回路４の機能を停止してエンジン６が冷却水で過冷却されることが防止されるのみならず、加熱された冷却水でエンジン６を迅速に暖機させることができ、エンジン６の始動時における燃費の悪化が大幅に改善される。従って、エンジン６の作動状況に応じて冷却水回路８及びランキンサイクル回路４の両方の機能を適切な時期に適切な環境でのみ適正に機能させることができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、検出端として温度センサ４０を設置しているが、冷却水回路８を循環する冷却水温度が測定可能であれば良く、代わりにエンジン６に装着される温度センサ４２を使用する場合にも上記実施形態と同様の効果を奏する。

また、上記実施形態では、冷却水温度に基づいて切換弁４８，５０を作動させ、ヒートパイプ経路を形成することにより冷却水を加熱しているが、主にエンジン６の始動時の暖機が迅速に実施されれば良く、例えばエンジン６の始動をから所定の時間だけ切換弁４８，５０を切り換えてヒートパイプ経路を形成するようにしても上記実施形態と同様の効果が得られる。

更に、上記実施形態では、三方切換弁たる切換弁４８，５０を使用しているが、ヒートパイプ経路５６が形成されれば良く、例えば図４、５に示されるように切換弁４８の代わりに電磁弁５８，６０、切換弁５０の代わりに電磁弁６２，６４を使用して同様に制御しても良い。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置おいてランキンサイクル経路が形成された状態を示す模式図である。図１の廃熱利用装置においてヒートパイプ経路が形成された状態を示す模式図である。図１のＥＣＵで実行される温度バルブ切換制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。図１の切換弁を電磁弁に置き代えた変形例を示す模式図である。図２の切換弁を電磁弁に置き代えた変形例を示す模式図である。

符号の説明

２廃熱利用装置
４ランキンサイクル回路
４ｃ，４ｅ流路（バイパス路）
６エンジン（内燃機関）
８冷却水回路
１０蒸発器
１２排ガス熱交換器（熱交換器）
１４膨張機
１６凝縮器
２０ポンプ
２６ラジエータ
４０温度センサ
４８，５０三方切換弁（切換弁）
５４ヒートパイプ経路
５６エネルギ発生領域

Claims

冷却水により冷却される内燃機関と、
前記冷却水を冷却するラジエータを有し、該ラジエータで冷却された冷却水が前記内燃機関を経由して循環する冷却水回路と、
前記内燃機関を経由した冷却水と熱交換して作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を熱媒体と熱交換して更に加熱する熱交換器、該熱交換器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器を有し、前記蒸発器及び前記熱交換器で熱交換領域を形成するとともに、前記膨張機と前記凝縮器でエネルギ発生領域を形成し、該エネルギ発生領域と該熱交換領域との間で作動流体を循環させるポンプを更に含むランキンサイクル回路とを備え、
前記ランキンサイクル回路は、前記エネルギ発生領域をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に切り換えることにより、前記熱交換器で加熱蒸発された作動流体を前記蒸発器に流入させ、凝縮する作動流体で冷却水を加熱し、前記ポンプで再び前記熱交換器に作動流体を循環させるするヒートパイプとして機能させるヒートパイプ経路を形成する流路切換手段とを有することを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
前記流路切換手段は、前記冷却水回路を循環する冷却水の温度を検出する温度センサと、該温度センサで検出された冷却水の温度が所定の温度以下のときには、前記バイパス路に切り換えて前記ヒートパイプ経路を形成する切換弁と含むことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。