JP2009191624A

JP2009191624A - エンジンの廃熱回収装置

Info

Publication number: JP2009191624A
Application number: JP2008030144A
Authority: JP
Inventors: Akira Michikawauchi; 亮道川内; Hideo Kobayashi; 日出夫小林; Katsuhiko Arisawa; 克彦蟻沢; Toshihisa Sugiyama; 敏久杉山; Kenichi Yamada; 賢一山田; Kunihiko Hayashi; 邦彦林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-08-27

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が備える第１のループ２には、第１の冷媒が循環する。第１のループ２には、エンジン９の排気管１９が引き込まれる第１熱交換器５が組み込まれる。第１の冷媒は、排気ガスと熱交換して蒸気化し、第１膨張器６へ送り込まれて廃熱回収される。第２のループ３には、第２の冷媒が循環する。第２の冷媒は、エンジン９のウォータジャケット内を通過してエンジン９から熱を得る。さらに、第２熱交換器７において、第１の冷媒の残余の熱を得る。第３のループ４には、第３の冷媒が循環する。第３の冷媒は、第３熱交換器１０において、第２の冷媒と熱交換し、さらに、第４熱交換器１３において、排気ガスと熱交換して蒸気化し、第２膨張器１４へ送り込まれ、廃熱回収が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンにおける廃熱を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

ところで、特許文献１で開示された廃熱回収装置は、いわゆるランキンサイクルを利用したものであるが、ランキンサイクルは蒸気を高圧化するほど廃熱回収の効率が向上する。ところが、ウォータジャケット等、エンジン冷却経路内で冷媒を高圧化すると壁温が高温となり、エンジンの信頼性確保が困難となる。また、エンジンから排出される廃熱は、冷媒損失と排気ガス損失とに大別されるが、これらは温度域も大きく異なり、同時に回収することは困難である。

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、本発明のエンジンの廃熱回収装置は、第１の熱交換器においてエンジンの排気ガスと熱交換する第１の冷媒が循環し、蒸気化した当該第１の冷媒によって駆動される第１の膨張器を備えた第１のループと、第２の熱交換器において前記第１の冷媒と熱交換するとともに前記エンジンを冷却する第２の冷媒が循環する第２のループと、第３の熱交換器において前記第２の冷却水と熱交換する第３の冷却水が循環し、蒸気化した当該第３の冷媒によって駆動される第２の膨張器を備えた第３のループと、を、備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成における第１のループは第１のランキンサイクルを形成する。また、第３のループは第２のランキンサイクルを形成する。第１のループでは、エンジンの排気ガスから廃熱を回収することができる。このような第１のループはエンジンの冷却水となる第２の冷媒が循環する第２のループと切り離されている。このため、第２のループを高圧とすることなく、第１のループにおいて排気ガスの廃熱を回収することができる。第２のループを高圧としないことにより、エンジンの熱的な信頼性を確保することができる。第１のループを循環する第１の冷媒と第２のループを循環する第２の冷媒とは第２の熱交換器において熱交換する。第２の冷媒は、エンジンの冷却水となるものである。従って、第２の冷媒自体が熱を有する。この第２の冷媒には、第２の熱交換器において第１のループにおいて廃熱回収された後の第１の冷媒の残余の熱が付加される。

このように、エンジンと第１の冷媒から熱を得た第２の冷媒は、第３の熱交換器において、第３の冷媒と熱交換し、第３の冷媒を蒸気化させる。蒸気化された第３の冷媒により第２の膨張器を駆動することにより、この第３のループにおいても廃熱を回収することができる。

このようなエンジンの廃熱回収装置では、前記第３の冷媒の沸点は、前記第１の冷媒の沸点よりも低い構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、第３の冷媒に付与される熱量が小さいときであっても第３の冷媒を蒸気化することができ、第２のランキンサイクルを形成して廃熱を回収することができる。

また、前記第３のループは、前記第１の熱交換器を通過した後の前記排気ガスと前記第３の冷媒との間で熱交換を行う第４の熱交換器を備えた構成とすることができる（請求項３）。第３のループに排気ガスを引き込むことにより、第３の冷媒の蒸気化を促進することができ、廃熱回収効率を向上させることができる。

本発明によれば、エンジンの排気ガスを用いた冷媒の蒸気化は、エンジンの冷却水が循環するループとは別個に設けたので、エンジンの冷却水が循環するループの高圧化を抑制しつつ廃熱の回収効率を向上させることができる。また、エンジンの冷却水の有する熱も第３のループにおいて回収することができる。

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、エンジン９が排出する熱を回収する廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１は、第１のループ２、第２のループ３、第３のループ４を備えている。

第１のループ２には、本発明における第１の冷媒に相当するトリフリオロエチルアルコールが循環している。第１のループ２には、第１熱交換器５が組み込まれている。この第１熱交換器５から冷媒の流通方向に従って第１膨張器６、第２膨張器７、第１ポンプ８が組み込まれている。第１の冷媒は第１ポンプによって圧送され、第１のループを循環する。第１熱交換器５には、エンジン９から排出される排気ガスが流通する排気管１９が引き込まれている。第１の冷媒は、第１熱交換器５において排気ガスと熱交換して蒸気化する。蒸気化した第１の冷媒は、第１ポンプ８によって第１膨張器６へ送り込まれる。第１膨張器６はタービンであり、蓄電装置１８と接続された第１発電機１６を駆動する。これにより、エンジン９の廃熱を電力として回収することができる。第１膨張器６を通過した後の第１の冷媒は、第２熱交換器７に送られる。第２熱交換器７では、第１の冷媒と、第２のループを循環する第２の冷媒とが熱交換する。ここで、第１の冷媒と第２の冷媒の温度とを比較すると第１の冷媒の温度が高いため、第１の冷媒は冷却されることになる。第２熱交換器７に導入される第１の冷媒は蒸気状態となっているが、第２熱交換器７において熱交換されることにより凝縮して液体の状態に戻される。液体の状態に戻された第１の冷媒は、第１ポンプによって再び第１熱交換器５へ供給される。

第２のループ３には、本発明における第２の冷媒に相当するＬＬＣ（ロングライフクーラント；冷却水）が循環している。第２のループ２には、エンジン９が含まれる。第２のループ３には、このエンジン９から冷媒の流通方向に従って第２熱交換器７、第３熱交換器１０、第２ポンプ１１が組み込まれている。第２の冷媒は、第２ポンプ１１によって圧送され第２のループ３を循環する。第２の冷媒は、エンジン９内に形成されたウォータジャケット内を通過することによってエンジン９から熱を得る。さらに、第２熱交換器７において、第１のループを循環する第１の冷媒と熱交換することにより、第１の冷媒の残余の熱を得る。このようにして高温となった第２の冷媒は第３熱交換器１０へ送られる。第３熱交換器１０では、第３のループ４を循環する第３の冷媒と熱交換し、第３の冷媒を昇温させる。この熱交換過程において、第２の冷媒は、放熱し、冷却される。なお、第２のループ３では、膨張器を駆動することはないので、第２の冷媒は蒸気化することは求められない。

第３のループ４には、本発明における第３の冷媒に相当する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が循環している。このＲ１３４ａの沸点は、第１の冷媒であるトリフリオロエチルアルコールの沸点と比較すると低い。すなわち、Ｒ１３４ａの方が低温で沸騰する。第１のループ２には、第３の冷媒の流通方向に従って第３ポンプ１２、第３熱交換器１０、第４熱交換器１３、第２膨張器１４、第５熱交換器１５が組み込まれている。第３ポンプ１２によって圧送される第３の冷媒は、第３熱交換器１０において、第２のループ３を循環する第２の冷媒と熱交換する。第３の冷媒は、この熱交換過程によって温度が上昇する。第３熱交換器１０において温度上昇した第３の冷媒は、第４熱交換器１３へ導入される。第４熱交換器１３には、排気管１９が引き込まれており、第１熱交換器５を通過した後の排気ガスと熱交換するようになっている。このように第３熱交換器１０、第４熱交換器１３を通過した第３の冷媒は蒸気化する。蒸気化した第３の冷媒は、第３ポンプ１２によって第２膨張器１４へ送り込まれる。第２膨張器１４はタービンであり、蓄電装置１８と接続された第２発電機１７を駆動する。これにより、エンジン９の廃熱を電力として回収することができる。第２膨張器１４を通過した後の第３の冷媒は、第５熱交換器１５に送られる。第５熱交換器１５では、第３の冷媒と大気とが熱交換する。

以上説明したように廃熱回収装置１は、第１のランキンサイクルを形成する第１のループ２と、第２ランキンサイクルを形成する第３のループ４において、それぞれ廃熱回収する。すなわち、エンジン９が組み込まれている第２のループ３では、廃熱回収を行っておらず、第２の冷媒を蒸気化することは不要である。また、効率的な廃熱回収を目的として第２の冷媒を高圧とすることも不要である。このため、エンジン９が高温となることを抑制することができ、エンジン９の熱的信頼性を確保することができる。

また、第１のループで排気ガスから廃熱を回収し、第３のループで主としてエンジン９の冷却水、すなわち、第２の冷媒から廃熱を回収するようにしたので、効率的な廃熱回収を行うこととができる。

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、冷媒の組み合わせは種々可能である。

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

１廃熱回収装置
２第１のループ
３第２のループ
４第３のループ
５第１熱交換器
６第１膨張器
７第２熱交換器
８第１ポンプ
９エンジン
１０第３熱交換器
１１第２ポンプ
１２第３ポンプ
１３第４熱交換器
１４第２膨張器
１５第５熱交換器
１６第１発電機
１７第２発電機
１８蓄熱装置
１９排気管

Claims

第１の熱交換器においてエンジンの排気ガスと熱交換する第１の冷媒が循環し、蒸気化した当該第１の冷媒によって駆動される第１の膨張器を備えた第１のループと、
第２の熱交換器において前記第１の冷媒と熱交換するとともに前記エンジンを冷却する第２の冷媒が循環する第２のループと、
第３の熱交換器において前記第２の冷却水と熱交換する第３の冷却水が循環し、蒸気化した当該第３の冷媒によって駆動される第２の膨張器を備えた第３のループと、
を、備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記第３の冷媒の沸点は、前記第１の冷媒の沸点よりも低いことを特徴とするエンジンのー廃熱回収装置。
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記第３のループは、前記第１の熱交換器を通過した後の前記排気ガスと前記第３の冷媒との間で熱交換を行う第４の熱交換器を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。