JP2008202474A

JP2008202474A - 廃熱回収装置及びエンジン

Info

Publication number: JP2008202474A
Application number: JP2007038458A
Authority: JP
Inventors: Akira Michikawauchi; 亮道川内; Hideo Kobayashi; 日出夫小林; Katsuhiko Arisawa; 克彦蟻沢; Yoshio Yamashita; 芳雄山下; Kenichi Yamada; 賢一山田; Kunihiko Hayashi; 邦彦林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】エンジン廃熱の回収効率の高い廃熱回収装置を提供することを課題とする。
【解決手段】廃熱回収装置（１）は第１廃熱回収ループ（１）、第２廃熱回収ループ（２）、第３廃熱回収ループ（３）を備えている。第１廃熱回収ループ（１）は、第１タービン（５）、第１凝縮器（１１）を備え、エンジン（４）の冷却水が循環する。第２廃熱回収ループ（２）は、第２タービン（１４）、第２凝縮器（１７）を備え、冷却水よりも低沸点のトリフリオロエチルアルコールが循環する。第３廃熱回収ループ（３）は、第３タービン（１８）、第３凝縮器（２１）を備え、トリフリオロエチルアルコールよりも低沸点のＲ１３４ａが循環する。第１発電機（１）と第２廃熱回収ループ（２）とは第１凝縮器（１１）で接続され、第２廃熱回収ループ（２）と第３廃熱回収ループ（３）とは第２凝縮器（１７）で接続されている。
【選択図】図１

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。

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気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張器（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。

特開２０００−３４５８３５号公報

このような廃熱回収装置におけるエンジンの水冷冷却系統では、膨張器を駆動した後の蒸気はコンデンサ等により放熱、すなわち、外部へ放出され、利用されていない。

そこで、本発明は、エンジン廃熱の回収効率の高い廃熱回収装置を提供することを課題とする。

かかる課題を達成するための、本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置であって、それぞれ内部に冷媒が循環し、当該冷媒の蒸気によって駆動される膨張器と当該冷媒を液体に戻す凝縮器とを備えたｎ個の廃熱回収ループと、前記膨張器によって動力回収する動力回収手段と、を備え、第１番目の廃熱回収ループは、冷却水が循環するエンジン内の流路を含み、第ｎ−１番目の廃熱回収ループが備える前記凝縮器において第ｎ番目の廃熱回収ループ中を循環する冷媒を蒸気化させることを特徴としている（請求項１）。すなわち、凝縮器を熱交換器として機能させ、従来であれば廃棄されていた熱によってさらに冷媒を蒸気化し、いわゆるランキンサイクルを複数構成する。これにより、エンジン廃熱の回収効率を向上させることができる。廃熱回収ループの数は有効な廃熱回収が可能な限り増加させることができる。

このような廃熱回収装置では、第ｎ＋１番目の廃熱回収ループを循環する冷媒の沸点は、第ｎ番目の廃熱回収ループを循環する冷媒の沸点よりも低い構成とする（請求項２）。既に膨張器に対して仕事をし、熱量を失った第ｎ番目の廃熱回収ループを循環する冷媒によってさらに第ｎ＋１番目の冷媒を蒸気化させるためには、第ｎ＋１番目の廃熱回収ループを循環する冷媒と第ｎ番目の廃熱回収ループを循環する冷媒とはその沸点を異ならせておくことが望ましい。これにより、各廃熱回収ループで蒸気を発生、循環させることができ、廃熱の回収効率を向上させることができる。

このような廃熱回収装置では、前記廃熱回収ループは、エンジンの排気ガスが導入され、当該排気ガスによって蒸気を過熱する過熱器を備えた構成とすることができる（請求項３）。このような排気ガスの熱を蒸気に付与して熱回収効率を向上させることができる。過熱器は各廃熱回収ループに装備することができる。

これらの廃熱回収装置をエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる（請求項４）。

本発明によれば、それぞれ内部に冷媒が循環し、当該冷媒の蒸気によって駆動される膨張器と当該冷媒を液体に戻す凝縮器を備えたｎ個の廃熱回収ループを備え、各廃熱回収ループで順次廃熱を回収するようにしたので、廃熱の回収効率を向上させることができる。

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。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施例の廃熱回収装置Ａの概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１は第１廃熱回収ループ１、第２廃熱回収ループ２、第３廃熱回収ループ３を備えている。第１廃熱回収ループ１は、本発明における第１番目の廃熱回収ループに相当する。また、第２廃熱回収ループ２を本発明における第ｎ番目の廃熱回収ループとすれば、第１廃熱回収ループ１は、第ｎ−１番目の廃熱回収ループに相当し、第３廃熱回収ループ３は第ｎ＋１番目の廃熱回収ループに相当することとなる。

第１廃熱回収ループ１は、内部にエンジン４の冷却水が循環している。この冷却水は、エンジン４内に形成されたウォータジャケット内を液体又は蒸気となって循環するものである。すなわち第１番目の廃熱回収ループである第１廃熱回収ループは、冷却水が循環するエンジン内の流路を含んでいる。液体の冷却水は車両室内の空調装置２２における熱交換にも用いられる。冷却水はエンジン４の燃焼熱によって加熱されると蒸気化する。第１廃熱回収ループ１には、この冷却水の蒸気によって駆動される膨張器、すなわち第１タービン５を備えている。この第１タービン５は、コンプレッサ６と接続されている。コンプレッサ６は、第１タービン５によって駆動され、圧縮した空気をエンジン４の吸気ポートへ送る。第１タービン５は、さらに第１発電機７と接続されている。第１発電機７は第１タービン５によって駆動されることにより蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、蓄電装置８に回収する。第１廃熱回収ループ１は、エンジン４と第１タービン５との間に第１過熱器１０を備えている。第１過熱器１０は、排気経路９中の排気ガスから熱を回収し、第１タービン５へ供給される蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。第１タービン５は、第１過熱器１０によって高温、高圧となった蒸気によって駆動される。第１タービン５、第１発電機７、蓄電装置８は本発明における動力回収手段を構成している。なお、排気経路９には排気ガス浄化のための触媒１２が配設されている。第１廃熱回収ループ１は、第１タービン５の下流側に蒸気となった冷却水を再び液体に戻す第１凝縮器１１を備えている。第１凝縮器１１によって液体に戻された冷却水はポンプ１３によってウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１３によって再びエンジン４内に形成されたウォータジャケットに供給される。なお、本実施例では、冷却水は燃焼熱によって蒸気化する構成としているが、冷却水を冷却部位にスプレーすることによって冷却水を蒸気化する構成とすることもできる。要は、いわゆるランキンサイクルを実現することのできる構成となっていればよい。

第２廃熱回収ループ２は、第１廃熱回収ループ１と第１凝縮器１１において接続されている。すなわち、第２廃熱回収ループ２中を循環する冷媒は、第１凝縮器１１において蒸気化される。このような第２廃熱回収ループ２は、内部にトリフリオロエチルアルコールが冷媒として循環している。このトリフリオロエチルアルコールは、第１廃熱回収ループ１内を循環する冷媒である冷却水よりも低沸点となっている。これにより、第１凝縮器１１を熱交換器（熱源）として利用し、第２廃熱回収ループ２内を循環する冷媒を蒸気化しやすくしている。第２廃熱回収ループ２には、トリフリオロエチルアルコールの蒸気によって駆動される膨張器、すなわち第２タービン１４を備えている。この第２タービン１４は、第２発電機１５と接続されている。第２発電機１５は第２タービン１４によって駆動されることにより蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、蓄電装置８に回収する。第２廃熱回収ループ２は、第１凝縮器１１と第２タービン１４との間に第２過熱器１６を備えている。第２過熱器１６は、第１過熱器１０と同様に、排気経路９中の排気ガスから熱を回収し、第２タービン１４へ供給される蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。具体的には、第１凝縮器１０を通過した後の排気ガスが第２過熱器１６に導入されている。第２タービン１４は、第２過熱器１６によって高温、高圧となった蒸気によって駆動される。第２タービン１４、第２発電機１５、蓄電装置８は本発明における動力回収手段を構成している。第２廃熱回収ループ２は、第２タービン１４の下流側に蒸気となったトリフリオロエチルアルコールを再び液体に戻す第２凝縮器１７を備えている。第２凝縮器１７によって液体に戻されたトリフリオロエチルアルコールは、第１凝縮器１１で再び蒸気化されて第２廃熱回収ループ２内を循環する。なお、第２凝縮器１７と第１凝縮器１１との間にポンプを装着し、液体のトリフリオロエチルアルコールを第１凝縮器１１に供給する構成としてもよい。

第３廃熱回収ループ３は、第２廃熱回収ループ２と第２凝縮器１７において接続されている。すなわち、第３廃熱回収ループ３中を循環する冷媒は、第２凝縮器１７において蒸気化される。このような第３廃熱回収ループ３は、内部に１，１，１，２−テトラフルオロエタン（化学式；ＣＨ_２ＦＣＦ_３）、いわゆるＲ１３４ａが冷媒として循環している。このＲ１３４ａは、第２廃熱回収ループ２内を循環する冷媒であるトリフリオロエチルアルコールよりも低沸点となっている。これにより、第２凝縮器１７を熱交換器（熱源）として利用し、第３廃熱回収ループ３内を循環する冷媒を蒸気化しやすくしている。第３廃熱回収ループ３には、Ｒ１３４ａの蒸気によって駆動される膨張器、すなわち第３タービン１８を備えている。この第３タービン１８は、第３発電機１９と接続されている。第３発電機１９は第３タービン１８によって駆動されることにより蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、蓄電装置８に回収する。第３廃熱回収ループ３は、第２凝縮器１７と第３タービン１８との間に第３過熱器２０を備えている。第３過熱器２０は、第１過熱器１０、第２過熱器１６と同様に、排気経路９中の排気ガスから熱を回収し、第３タービン１８へ供給される蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。具体的には、第２凝縮器１６を通過した後の排気ガスが第３過熱器２０に導入されている。第３過熱器２０を通過した後の排気ガスは外部へ排出される。第３タービン１８は、第３過熱器２０によって高温、高圧となった蒸気によって駆動される。第３タービン１８、第３発電機１９、蓄電装置８は本発明における動力回収手段を構成している。第３廃熱回収ループ３は、第３タービン１８の下流側に蒸気となったＲ１３４ａを再び液体に戻す第３凝縮器２１を備えている。第３凝縮器２１によって液体に戻されたＲ１３４ａは、第２凝縮器１７で再び蒸気化されて第３廃熱回収ループ３内を循環する。なお、第３凝縮器２１と第２凝縮器１７との間にポンプを装着し、液体のＲ１３４ａを第２凝縮器１７に供給する構成としてもよい。

以上のように構成される廃熱回収装置Ａは、エンジン４の廃熱を第１廃熱回収ループ１、第２廃熱回収ループ２、第３廃熱回収ループ３において回収するようにしているので、高い廃熱回収効率を実現している。

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、更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、上記実施例では、各廃熱回収ループに発電機を備えた構成としているが、電磁クラッチや遊星歯車の組み合わせによるタービンの回転数の同期手段を介在させる等して、発電機を一つとする構成を採用することもできる。また、冷媒の組み合わせも種々可能である。

実施例の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。

符号の説明

Ａ廃熱回収装置
１第１廃熱回収ループ
２第２廃熱回収ループ
３第３廃熱回収ループ
４エンジン
５第１タービン
６コンプレッサ
７第１発電機
８蓄電装置
９排気経路
１０第１過熱器
１１第１凝縮器
１２触媒
１３ウォータポンプ
１４第２タービン
１５第２発電機
１６第２過熱器
１７第２凝縮器
１８第３タービン
１９第３発電機
２０第３過熱器
２１第３凝縮器
２２空調装置

Claims

エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置であって、
それぞれ内部に冷媒が循環し、当該冷媒の蒸気によって駆動される膨張器と当該冷媒を液体に戻す凝縮器とを備えたｎ個の廃熱回収ループと、
前記膨張器によって動力回収する動力回収手段と、
を備え、
第１番目の廃熱回収ループは、冷却水が循環するエンジン内の流路を含み、
第ｎ−１番目の廃熱回収ループが備える前記凝縮器において第ｎ番目の廃熱回収ループ中を循環する冷媒を蒸気化させることを特徴とした廃熱回収装置。
請求項１記載の廃熱回収装置において、
第ｎ＋１番目の廃熱回収ループを循環する冷媒の沸点は、第ｎ番目の廃熱回収ループを循環する冷媒の沸点よりも低いことを特徴とした廃熱回収装置。
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記廃熱回収ループは、エンジンの排気ガスが導入され、当該排気ガスによって蒸気を過熱する過熱器を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１乃至３のいずれか一項記載の廃熱回収装置を組み込んだことを特徴とするエンジン。