JP2009046986A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの廃熱の回収効率を向上させた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、エンジン２の内部に形成されたウォータジャケット６において発生した蒸気を介してエンジン２の廃熱を回収する動力回収機１９と、この動力回収機１９の上流側に配置され、動力回収機１９への蒸気の流通を制御する開閉弁１７と、開閉弁１７と電気的に接続されたＥＣＵ１５とを備え、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測される動作を検知すると、開閉弁１７を閉じて、動力回収機１９への蒸気の流入を遮断する。
【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蒸発させた冷媒、すなわち蒸気によって動力回収機（タービン）を駆動して、蒸気の持つ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いて動力回収機を駆動する蒸気は、エンジンの冷却に利用される冷媒が蒸発し、さらにエンジンの排気ガスの有する熱によって過熱されて動力回収機へ流入する。このような蒸気は、蒸気温度、蒸気圧が所定値以下であると、動力回収機において所望のエネルギーの回収を行うことができない。

ところで、アクセルオフ等の操作が行われると、エンジンから発生する熱量が減少し、エンジンの壁温が低下する。このようにエンジンの壁温が低下すると、冷媒が得る熱量が減少し、蒸気エネルギーが減少する。これにより、動力回収機において所望のエネルギーの回収を行うことのできる蒸気エネルギーを得られなくなることが考えられる。このように減少した蒸気エネルギーの蒸気が動力回収機に流入しても、動力回収機で所望のエネルギーの回収を行うことができないばかりか、蒸気を無駄に排出することになるので、廃熱から回収したエネルギーを無駄に捨てることにもなりかねない。

そこで、本発明は、エンジンの廃熱の回収効率を向上させた廃熱回収装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジン内で発生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、当該動力回収機への蒸気の流入を制御する流入制御手段と、を備え、当該流入制御手段は、蒸気エネルギーが減少すると予測される動作を検知すると、前記動力回収機への蒸気の流入を遮断することを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、蒸気エネルギーが減少する以前に蒸気の排出を抑制し、エンジンの廃熱の回収効率を向上させることができる。このように、蒸気の排出を抑制するので、蒸気エネルギーは動力回収機で利用可能な状態に維持される。これにより、次回の廃熱回収動作において、動力回収機でエネルギーを回収するまでの時間を短縮することができる。

このような廃熱回収装置において、前記流入制御手段は、スロットルバルブが閉じると予測される動作を検知すると、前記動力回収機への蒸気の流入を遮断することを特徴とする（請求項２）。このような構成とすることにより、スロットルバルブが閉じると予測される動作に基づいて、エンジンの廃熱から得られる蒸気エネルギーが減少に至ることを予測し、蒸気エネルギーの排出を抑制することができる。運転中のエンジンにおいて、スロットルバルブが閉じると予測される動作が行われると、エンジンの燃焼温度が低下し、エンジン内部において発生する蒸気が減少することが予測される。すなわち、エンジン内で発生する蒸気エネルギーが減少し、蒸気エネルギーが廃熱を回収することのできる所定値を下回ることが予測される。このため、本発明の廃熱回収装置は、スロットルバルブが閉じると予測される動作が行われると、蒸気エネルギーの減少が起こる前に蒸気の流出を遮断し、次回の廃熱回収動作まで、エンジン内に高圧の蒸気を維持する。ここで、スロットルバルブが閉じると予測される動作は、例えば、アクセルペダルが僅かに戻されたり、ブレーキペダルが踏まれたりするような以後、エンジンにおける燃焼熱の低下が予測される種々の動作が含まれる。

また、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記流入制御手段は、スロットルバルブが閉じると予測される動作を所定時間継続して検知すると、前記動力回収機への蒸気の流入を遮断する構成とすることができる（請求項３）。このような構成は、スロットルバルブが閉じると予測される動作、例えば、アクセルペダルを所定値以上戻す動作が所定時間以上継続されたときに、初めて蒸気エネルギーが減少すると予測される動作がされたと判断する構成である。

このようなエンジンの廃熱回収装置において、エンジン内部に形成され、冷媒が蒸発する冷媒流通経路と、当該冷媒流通経路内の圧力を計測する圧力センサと、前記冷媒流通経路内の温度を計測する温度センサと、前記圧力センサから取得される圧力情報と前記温度センサから取得される温度情報とに基づいて、前記冷媒流通経路内への冷媒の供給を調整する冷媒供給手段と、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、冷媒流通経路内から、廃熱を回収することのできる蒸気の発生を維持することができ、廃熱の回収効率を向上することができる。

本発明の廃熱回収装置は、蒸気エネルギーが減少すると予測される動作を検知すると、エンジン内からの蒸気の流出を遮断することにより、次回の廃熱回収動作までエンジン内において蒸気を高圧に維持し、蒸気の持つエネルギーの排出を抑制し、廃熱の回収効率を向上することができる。

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は本実施例のエンジン２に組み込まれた廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１は、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。シリンダブロック４及びシリンダヘッド５には冷媒の通じるウォータジャケット６が形成されている。シリンダヘッド５側のウォータジャケット６は、シリンダヘッド５に組み付けられる吸気弁７及び排気弁８の周囲に形成されている。このように形成されたウォータジャケット６において発生した蒸気は、後述する動力回収機１９へ流入する。なお、ウォータジャケット６は本発明の冷媒流通経路に相当する。

さらに、廃熱回収装置１は、第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆ、冷媒経路１１、ポンプ１２、温度センサ１３、圧力センサ１４、スロットル開度センサ２２、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１５、を備えている。また、廃熱回収装置１は、回収経路１６、開閉弁１７、過熱器１８、動力回収機１９、凝縮器２０及び冷媒タンク２１を備えている。ＥＣＵ１５と開閉弁１７との組み合わさったものは、本発明の流入制御手段に相当する。

第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆは、ウォータジャケット６内のそれぞれ異なる冷却部位へ冷媒を噴射する。第一噴射ノズル１０ａ及び第二噴射ノズル１０ｂは、噴射口をウォータジャケット６内に露出させてシリンダブロック４に装着されている。この第一噴射ノズル１０ａの噴射口及び第二噴射ノズル１０ｂの噴射口は、ウォータジャケット６内のシリンダボア壁６ａ側の側面へ向けて冷媒を噴射するように配置されている。

第三噴射ノズル１０ｃ、第四噴射ノズル１０ｄ、第五噴射ノズル１０ｅ、第六噴射ノズル１０ｆは、噴射口をウォータジャケット６内に露出させてシリンダヘッド５に装着されている。第三噴射ノズル１０ｃの噴射口及び第四噴射ノズル１０ｄの噴射口は、吸気弁７側へ向けて冷媒を噴射するように配置され、第五噴射ノズル１０ｅの噴射口及び第六噴射ノズル１０ｆは、排気弁８側へ向けて冷媒を噴射するように配置されている。

冷媒経路１１は一端がポンプ１２と接続している。冷媒経路１１は経路の途中で分岐しており、分岐した先の各端部は第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆにそれぞれ接続されている。この冷媒経路１１内のポンプ１２から各噴射ノズルへ冷媒が流通する。

ポンプ１２は、各噴射ノズルにおける噴射圧力を制御するポンプである。ポンプ１２は、ＥＣＵ１５と電気的に接続されており、ＥＣＵ１５から送信される信号に基づいて、冷媒タンク２１から冷媒を汲みあげ、冷媒を加圧して各噴射ノズルへ圧送する。

温度センサ１３及び圧力センサ１４は、シリンダヘッド５側のウォータジャケット６内に配置されている。温度センサ１３は、ウォータジャケット６内の温度を計測し、圧力センサ１４は、ウォータジャケット６内の圧力を計測する。温度センサ１３と圧力センサ１４は、ＥＣＵ１５と電気的に接続されており、ＥＣＵ１５は、温度センサ１３及び圧力センサ１４で計測されるウォータジャケット６内の温度情報及び圧力情報を取得する。

スロットル開度センサ２２は、エンジンへ吸入される空気量を調節するスロットルバルブ（図示しない）の開度を検出する。スロットル開度センサ２２は、ＥＣＵ１５と電気的に接続されており、ＥＣＵ１５は、スロットル開度センサ２２で検出されるスロットルバルブの開度に関する情報を取得し、スロットルバルブが開く方向に作動しているか、あるいは、閉じる方向に作動しているのかを判断する。

さらに、ＥＣＵ１５は、第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆと電気的に接続されている。ＥＣＵ１５は、各噴射ノズルが噴射を実行するか否かを決定し、各噴射ノズルが噴射を実行する時は、噴射実行の指令信号を送る。

このような指令を受けた各噴射ノズルは、指令信号に従い冷媒を噴射する。こうして噴射された冷媒は、ウォータジャケット６内でシリンダブロック４やシリンダヘッド５からエンジン２の廃熱によって蒸発する。このように蒸発した冷媒は、回収経路１６へ流入する。

回収経路１６は一端がウォータジャケット６に接続され、他端が冷媒タンク２１に接続されている。この回収経路１６には、ウォータジャケット６に近い側から順に、開閉弁１７、過熱器１８、動力回収機１９、凝縮器２０が配置されている。

開閉弁１７は、動力回収機１９の上流側に配置され、動力回収機１９への蒸気の流入を制御する。すなわち、開閉弁１７は、回収経路１６内を流通する蒸気の流れを制御する。開閉弁１７はＥＣＵ１５と電気的に接続されており、ＥＣＵ１５から送られる信号に基づいて開閉する。

過熱器１８は、エンジンの燃焼によって発生する排気ガスを外部へ排出する排気管２３と接触するように配置されており、排気管２３を通じる排気ガスからウォータジャケット６で発生し、回収経路１６に流入した蒸気へ熱を伝達し、高温にする。

動力回収機１９は、過熱器１８で高温化された蒸気を介してエンジン２の廃熱を回収する。動力回収機１９は、高温の蒸気によって駆動され、蒸気が有する熱エネルギーを動力に変換して、エンジンの廃熱エネルギーを回収する。

凝縮器２０は、動力回収機１９を通過した冷媒を冷却して凝縮し、液状へ戻す。凝縮器２０で液状とされた冷媒は、冷媒タンク２１に送られる。冷媒タンク２１へ流入した冷媒は、再び、ポンプ１２に吸引されて、ウォータジャケット６内へ噴射され、系内を循環する。

次に、開閉弁１７の開閉動作について説明する。エンジン２が始動し、エンジン２の暖機が進行すると、冷媒の噴射が開始され、ウォータジャケット６内において蒸気が発生する。このとき、開閉弁１７は閉じた状態にあり、ウォータジャケット６内で発生した蒸気は、ウォータジャケット６内に貯留される。ウォータジャケット６内では、蒸気の発生が継続されるので、ウォータジャケット６内の蒸気の圧力が徐々に上昇する。このようにウォータジャケット６内の蒸気圧が上昇し、所定値Ｐａに達すると、ＥＣＵ１５は、開閉弁１７を開き、回収経路１６へ蒸気を流入させる。このような蒸気は、過熱器１８でさらに熱を付与されて、動力回収機１９で動力又は電気エネルギーとして回収される。なお、所定値Ｐａは温度領域に応じて、動力回収機１９で廃熱のエネルギーを回収することのできる圧力であって、エンジンの諸元及び運転状態に応じて予め決定された値である。

次に、開閉弁１７が開弁されている状態で、ウォータジャケット６内の蒸気圧が所定値Ｐｂまで低下することがあると、ＥＣＵ１５は開閉弁１７を閉じる。なお、所定値Ｐｂは、所定値Ｐａと同様に、温度領域に応じて、動力回収機１９で廃熱のエネルギーを回収することのできる圧力であって、エンジンの諸元及び運転状態に応じて予め決定された値である。この、所定値Ｐｂは所定値Ｐａよりも低い値である。

図２は、ウォータジャケット６内の蒸気圧と対比しつつ、開閉弁１７の開閉状態を示した説明図である。開閉弁１７が閉弁状態からウォータジャケット６内の蒸気圧が上昇する場合、ＥＣＵ１５はウォータジャケット６内の蒸気圧がＰａに達するまで開閉弁１７を閉じている。すなわち、図２中における領域Ａでは、開閉弁１７は閉弁状態である。さらに、ウォータジャケット６内の蒸気圧が上昇し、所定値Ｐａを超えると、ＥＣＵ１５は開閉弁１７を開く。すなわち、図２中における領域Ｂでは、開閉弁１７は開弁状態になる。次に、ウォータジャケット６内の蒸気圧がＰａに達し、一旦、開閉弁１７が開弁状態となった後に、蒸気圧が低下していく場合には、ウォータジャケット６内の蒸気圧がＰｂを下回るまで、開閉弁１７は開いた状態が維持される。すなわち、図２中における領域Ｃでは、開閉弁１７は開弁状態である。さらに、ウォータジャケット６内の蒸気圧が低下し、所定値Ｐｂを下回ると、ＥＣＵ１５は開閉弁１７を閉じる。すなわち、図２中における領域Ｄでは、開閉弁１７は閉弁状態になる。

ＥＣＵ１５は、このような所定値Ｐａ及び所定値Ｐｂに基づいて、開閉弁１７の開閉状態を切替える。しかしながら、廃熱回収装置１は、ウォータジャケット６内で発生する蒸気のエネルギーが減少すると判断すると、このような蒸気圧に関わらず開閉弁１７を閉じる。廃熱回収装置１は、スロットルバルブが閉じるとエンジンの燃焼による発熱量が減少し、ウォータジャケット６内で発生する蒸気のエネルギーが減少すると判断している。このような判断に基づいて、廃熱回収装置１は、スロットルバルブが閉じると予測される動作が行われると、ウォータジャケット６内に蒸気を貯留する。このような判断は、具体的にＥＣＵ１５によって行われており、ＥＣＵ１５は、スロットル開度センサ２２から取得されるスロットル開度に関する情報から、スロットルバルブが閉じると予測すると、ウォータジャケット６内の蒸気圧に関わらず、開閉弁１７を閉じる。さらに、ＥＣＵ１５は、ウォータジャケット６内の蒸気圧よりスロットルバルブの開度に関する情報を優先して、開閉弁を制御する。

次に、このようなＥＣＵ１５の制御を具体的な蒸気圧の状態と比較して説明する。開閉弁１７が閉弁状態で、ウォータジャケット６内の蒸気圧が、所定値Ｐａ以下の状態である場合、すなわち、図２中における領域Ａにおいて、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測すると、開閉弁１７を閉弁状態に維持する。

ウォータジャケット６内の蒸気圧がさらに上昇し、所定値Ｐａを超えた状態である場合、すなわち、図２中における領域Ｂにおいて、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測すると、開弁状態の開閉弁１７を閉じる。この領域Ｂにおいて、ＥＣＵ１５は、開閉弁１７を閉弁状態とした後に、スロットルバルブが閉じると予測される動作の解除が確認されると、開閉弁１７を開き、蒸気を回収経路１６へ流通させる。

次に、ウォータジャケット６内の蒸気圧が所定値Ｐａに達し、一旦、開閉弁１７が開弁状態となった後に、蒸気圧が低下する場合、すなわち、図２中における領域Ｃにおいて、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測すると、開弁状態の開閉弁１７を閉じる。このように一旦開閉弁１７が閉じられると、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測される動作の解除が確認されても、開閉弁１７を閉弁状態に維持する。ＥＣＵ１５は、ウォータジャケット６内の蒸気圧が所定値Ｐａに達するまで蒸気をウォータジャケット６内に貯留する。

さらに、ウォータジャケット６内の蒸気圧が低下し、所定値Ｐｂを下回った場合、すなわち、図２中における領域Ｄにおいて、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測すると、開閉弁１７を閉弁状態に維持する。

ところで、このような開閉弁１７の開閉状態の制御は、スロットルバルブが閉じると予測される動作が所定時間継続して検知された場合に実行することができる。図３は、スロットル開度とスロットルを踏み込んでからの時間との関係を示した説明図である。図３の縦軸はスロットル開度を示し、横軸は時間を示している。図３中に示すＥＦ間及びＧＨ間は、スロットル開度が減少している期間である。ＥＦ間のスロットル開度減少時間ｔ１は、予め設定されている所定時間ｔよりも短く、ＧＨ間のスロットル開度減少時間ｔ２は、所定時間ｔよりも長い。ＥＣＵ１５は、所定時間ｔ継続してスロットル開度が減少するスロットルバルブの動作を、スロットルバルブが閉じると予測される動作であると判断し、開閉弁１７を閉弁状態にする。すなわち、図３中のＥＦ間におけるスロットル開度の減少時間では、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測される動作とは判断しない。一方、ＧＨ間におけるスロットル開度の減少時間であれば、ＥＣＵ１５は、スロットルバルブが閉じると予測される動作と判断し、開閉弁１７を閉弁状態とする。なお、所定時間ｔは、エンジンの諸元及び運転状態に応じて予め決定される値である。

上記の説明の通り、エンジン運転中にスロットルバルブが閉じると、エンジン２の燃焼が減少し、発生する熱量が減少するため、ウォータジャケット６内において冷媒が得られる蒸気エネルギーが減少する。このような蒸気エネルギーの減少を予測すると廃熱回収装置１は、開閉弁１７を閉じることにより、蒸気をウォータジャケット６内に貯留する。このように、蒸気を貯留することにより、エネルギーの減少した蒸気の排出を抑制し、廃熱エネルギーの無駄な排出を低減させ、廃熱の回収効率を向上させる。また、蒸気のエネルギーが減少する前に蒸気を貯留することにより、蒸気を高圧のまま維持することができる。これにより、次の廃熱回収動作において、所定値Ｐａに達する時間を短縮することができるので、早期に廃熱エネルギーを回収することができる。

さらに、廃熱回収装置１は、ウォータジャケット６内の蒸気圧、及び、蒸気温度に基づいて、第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆからの冷媒の噴射を調整し、ウォータジャケット６内における冷媒の蒸発を継続させる。すなわち、冷媒の噴射量を制御することにより、過度の冷媒の噴射による壁温の低下を抑え、冷媒が蒸発する温度に維持するとともに、噴射する冷媒の不足による壁温の過熱を抑える。このように、冷媒の蒸発を維持することにより、廃熱の回収効率を向上させる。

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、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。

実施例の廃熱回収装置の組み込まれたエンジンの概略構成を示した説明図である。 ウォータジャケット内の蒸気圧に基づいて開閉弁の状態を示した説明図である。 スロットル開度とスロットルを踏み込んでからの時間との関係を示した説明図である。

符号の説明

１ 廃熱回収装置
２ エンジン
６ ウォータジャケット
１０ａ 第一噴射ノズル
１０ｂ 第二噴射ノズル
１０ｃ 第三噴射ノズル
１０ｄ 第四噴射ノズル
１０ｅ 第五噴射ノズル
１０ｆ 第六噴射ノズル
１１ 液体経路
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
１５ ＥＣＵ
１６ 回収経路
１７ 開閉弁
１９ 動力回収機
２２ スロットル開度センサ
２３ 排気管

Claims (4)

1. エンジン内で発生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、
   当該動力回収機への蒸気の流入を制御する流入制御手段と、
   を備え、当該流入制御手段は、蒸気エネルギーが減少すると予測される動作を検知すると、前記動力回収機への蒸気の流入を遮断することを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
2. 請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
   前記流入制御手段は、スロットルバルブが閉じると予測される動作を検知すると、前記動力回収機への蒸気の流入を遮断することを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
3. 請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
   前記流入制御手段は、スロットルバルブが閉じると予測される動作を所定時間継続して検知すると、前記動力回収機への蒸気の流入を遮断することを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
4. 請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
   エンジン内部に形成され、冷媒が蒸発する冷媒流通経路と、
   当該冷媒流通経路内の圧力を計測する圧力センサと、
   前記冷媒流通経路内の温度を計測する温度センサと、
   前記圧力センサから取得される圧力情報と前記温度センサから取得される温度情報とに基づいて、前記冷媒流通経路内への冷媒の供給を調整する冷媒供給手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。

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