JP2009236014A - 廃熱回収装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関における様々な熱源から効率良く廃熱を回収することができる廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１１の廃熱により作動流体を蒸発させて膨張器１４を駆動するための廃熱回収装置であって、膨張器１４の作動流体を循環させる作動流体循環流路１５と、内燃機関１１の排気ガス等の高温流体によって、作動流体循環流路１５を流れる作動流体を加熱するための高温側熱交換器１２と、内燃機関１１の冷却水やオイル等の低温流体のいずれか一つによって作動流体循環流路１５を流れる作動流体を加熱するための低温側熱交換器１３ａ、１３ｂを低温流体毎に有すると共に、これら低温側熱交換器１３ａ、１３ｂを互いに並列に配置してなる低温側熱交換器群１６と、低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂへ流れる作動流体の流量を制御する流量制御弁１７と、流量制御弁１７を制御する制御手段１８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の廃熱により作動流体を蒸発させて膨張器を駆動するための廃熱回収装置に関する。
内燃機関の廃熱を有効利用するために当該内燃機関に外燃機関を組み合わせて複合サイクルとすることは、発電設備等では広く行われており（特許文献１及び２等参照）、車両の内燃機関等でも近年試みられている。
特開２００４−２５７６０１号公報 特開昭６３−１４７５４９号公報
ところで、主要な熱源となり得る内燃機関の排気ガスの熱は、後段の触媒を活性化させるためのエネルギとしても利用されており、排気ガスから熱を過剰に回収すると、触媒が有効に機能しなくなる虞がある。また、車両に搭載される内燃機関には排気ガス以外にも様々な温度の熱源（内燃機関の冷却水やオイル等）があり、単純なシステムでは、これら熱源から熱を十分に回収することは困難である。また、熱源によっては過剰な熱回収が内燃機関の作動に影響を及ぼす場合もある。
そこで、本発明の目的は、内燃機関における様々な熱源から効率良く廃熱を回収することができる廃熱回収装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の廃熱により作動流体を蒸発させて膨張器を駆動するための廃熱回収装置であって、上記膨張器の作動流体を循環させる作動流体循環流路と、上記内燃機関の排気ガス等の高温流体によって、上記作動流体循環流路を流れる作動流体を加熱するための高温側熱交換器と、上記内燃機関の冷却水やオイル等の低温流体のいずれか一つによって上記作動流体循環流路を流れる作動流体を加熱するための低温側熱交換器を上記低温流体毎に有すると共に、これら低温側熱交換器を互いに並列に配置してなる低温側熱交換器群と、該低温側熱交換器群の各低温側熱交換器へ流れる作動流体の流量を制御する流量制御弁と、該流量制御弁を制御する制御手段とを備えたものである。
ここで、上記低温側熱交換器群は、上記高温側熱交換器よりも作動流体上流側の上記作動流体循環流路に配設されるものであっても良い。
また、上記作動流体循環流路から分岐し、上記低温側熱交換器群をバイパスする第一バイパス流路と、上記作動流体を上記低温側熱交換器群に流す位置と上記作動流体を上記第一バイパス流路に流す位置とに選択的に切り替えられる第一バイパスバルブとを備えても良い。
ここで、上記作動流体循環流路から分岐し、上記高温側熱交換器をバイパスする第二バイパス流路と、上記作動流体を上記高温側熱交換器に流す位置と上記作動流体を上記第二バイパス流路に流す位置とに選択的に切り替えられる第二バイパスバルブとを備えても良い。
ここで、上記低温側熱交換器群の各低温側熱交換器は、ほぼ同程度の温度の流体によって、上記作動流体循環流路を流れる作動流体を加熱するものであっても良い。
本発明によれば、内燃機関における様々な熱源から効率良く廃熱を回収することができるという優れた効果を奏する。
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置の概略図である。
図１に示すように、本実施形態に係る廃熱回収装置１０は、車両に搭載される内燃機関（ディーゼルエンジン等）１１の廃熱を回収するためのものであり、後述する高温側熱交換器１２及び低温側熱交換器１３ａ、１３ｂで発生した蒸気によって駆動される膨張器１４を備えている。膨張器１４により発電機（図示せず）が作動され、発電機で発電した電力は、後述するコントローラ１８によって各種機器を駆動するのに消費されたり、バッテリに蓄電される。
また、本実施形態に係る廃熱回収装置１０は、膨張器１４の作動流体を循環させる作動流体循環流路１５と、高温流体によって作動流体循環流路１５を流れる作動流体を加熱するための高温側熱交換器１２と、低温流体のいずれか一つによって作動流体循環流路１５を流れる作動流体を加熱するための低温側熱交換器１３ａ、１３ｂを上記低温流体毎に有すると共に、これら低温側熱交換器１３ａ、１３ｂを互いに並列に配置してなる低温側熱交換器群１６と、低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂへ流れる作動流体の流量を制御する流量制御弁１７と、流量制御弁１７を制御する制御手段（コントローラ）とを備える。
本実施形態では、低温側熱交換器群１６（低温側熱交換器１３ａ、１３ｂ）は、高温側熱交換器１２よりも作動流体上流側の作動流体循環流路１５に配設される。このように低温側熱交換器１３ａ、１３ｂ及び高温側熱交換器１２を配置することで、低温流体によって加熱した作動流体を高温流体によってさらに加熱することで、廃熱の回収効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では、内燃機関１１における様々な熱源（流体）を、それら熱源の温度（排出温度）及び冷却目標温度に基づいて、低温流体と高温流体とに区分（グループ化）する。
内燃機関１１における様々な熱源として、例えば、内燃機関１１からの排気ガス（排出温度：３００℃〜４００℃、冷却目標温度：特になし）、内燃機関１１の冷却水（排出温度：８０℃程度、冷却目標温度：６０℃程度）、内燃機関１１のオイル（エンジンオイル、パワーステアリングオイル、トランスミッションオイル等）（排出温度：８０℃程度、冷却目標温度：６０℃程度）、ターボチャージャのコンプレッサで昇圧された吸気（排出温度：１２０℃程度、冷却目標温度：できるだけ低い温度）等がある。
排気ガスを除く各流体（冷却水、オイルや吸気等）は、温度に大きな差異は無い。つまり、排気ガスを除く各流体（冷却水、オイルや吸気等）は、温度が互いにほぼ同程度であり、且つ温度が排気ガスの温度と比べて低い。よって、本実施形態では、これら冷却水、オイル及び吸気等を低温流体に区分して、各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂに互いに並列に流す（図６及び図７参照）。つまり、本実施形態では、各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂは、作動流体循環流路１５を流れる作動流体を冷却水、オイルや吸気等によって加熱する。
排気ガスは、温度が冷却水、オイルや吸気等の温度と比べて高い。よって、本実施形態では、排気ガスを高温流体に区分し、高温側熱交換器１２に流す（図６及び図７参照）。つまり、本実施形態では、高温側熱交換器１２は、作動流体循環流路１５を流れる作動流体を排気ガスによって加熱する。
なお、ＥＧＲガス（排出温度：３００℃〜４００℃、冷却目標温度：できるだけ低い温度）は、温度が冷却水、オイルや吸気等の温度と比べて高く、且つ温度が排気ガスの温度とほぼ等しい。しかしその反面、ＥＧＲガスは、冷却目標温度が排気ガスの冷却目標温度と比べて低く、且つ冷却目標温度が冷却水、オイルや吸気等の冷却目標温度と同程度である。そこで、作動流体循環流路１５の途中に、熱交換器１９を低温側熱交換器１３ａ、１３ｂ及び高温側熱交換器１２に対して並列に配置して、その熱交換器１９で作動流体によりＥＧＲガスから熱を回収することが考えられる（図６参照）。また、熱をＥＧＲガスから二段階に分けて回収することとし、ガス下流側のＥＧＲガスを低温流体に区分すると共に、ガス上流側のＥＧＲガスを高温流体に区分することも考えられる（図７参照）。高温流体を複数設定する場合、高温側熱交換器１２を作動流体循環流路１５に複数互いに並列に配置して、これら高温側熱交換器１２によって高温側熱交換器群を構成する。
流量制御弁１７は、互いに並列に配置した低温側熱交換器１３ａ、１３ｂへとつながる作動流体循環流路１５の分岐部２０に配設される。流量制御弁１７としては、方向流量制御弁或いはそれに類するものが用いられる。
作動流体循環流路１５には、低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度を検出する第一温度センサ２１、２２と、低温側熱交換器群１６上流側の作動流体の温度を検出する第二温度センサ２３とが設けられる。
また、本実施形態に係る廃熱回収装置１０は、作動流体循環流路１５から分岐し、低温側熱交換器群１６をバイパスする第一バイパス流路２４と、作動流体を低温側熱交換器群１６に流す位置と作動流体を第一バイパス流路２４に流す位置とに選択的に切り替えられる第一バイパスバルブ２５とを備える。第一バイパスバルブ２５としては、切替弁が用いられる。
作動流体は、ポンプ２６によって低温側熱交換器１３ａ、１３ｂ及び高温側熱交換器１２に供給される。膨張器１４を駆動した作動流体は、凝縮器２７にて走行風等によって冷却された後ポンプ２６に供給され、該ポンプ２６によって循環が行われる。
コントローラ１８によるバルブ制御を図２により説明する。
図２に示す処理フローは、イグニッションキーがＯＦＦでないとき（図２のＳ１１）、つまり内燃機関１１の作動中に実行される。
図２に示す処理フローにあっては、コントローラ１８は、第一温度センサ２１、２２で検出した各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度Ｔ1、Ｔ2が第二温度センサ２３で検出した低温側熱交換器群１６上流側の作動流体の温度Ｔ3よりも高い場合（図２のＳ１２；Ｔ1＞Ｔ3 ｏｒ Ｔ1＞Ｔ2）に、第一バイパスバルブ２５を低温側熱交換器群１６側Ａに切り替え（図２のＳ１３）、作動流体を低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂに供給すると共に、各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度Ｔ1、Ｔ2が互いに等しくなるように、流量制御弁１７の開度を調整する（図２のＳ１５）。これにより、低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂで交換される熱量が若干異なる場合でも、流量制御弁１７によって低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂへ流れる作動流体の流量を制御して、各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度Ｔ1、Ｔ2 が互いに等しくなるようにすることで、より多くの熱量を回収することができ、効率良く廃熱を回収することができる。
一方、コントローラ１８は、第一温度センサ２１、２２で検出した各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度Ｔ1、Ｔ2が第二温度センサ２３で検出した低温側熱交換器群１６上流側の作動流体の温度Ｔ3以下である場合には、第一バイパスバルブ２５を第一バイパス流路２４側Ｂに切り替え（図２のＳ１４）、低温側熱交換器群１６（低温側熱交換器１３ａ、１３ｂ）をバイパスして作動流体を循環させる。このようにすることで、エンジン始動時等に作動流体が冷却水等の低温熱源によって冷却されることを防止でき、熱損失の発生を回避できる。
図３に示す処理フローは、図２に示す処理フローに暖気短縮機能を付加したものである。
図３に示す処理フローにあっては、コントローラ１８は、第一温度センサ２１、２２で検出した各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度Ｔ1、Ｔ2が第二温度センサ２３で検出した低温側熱交換器群１６上流側の作動流体の温度Ｔ3以下である場合であっても、第一温度センサ２１、２２で検出した各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂの作動流体出口温度Ｔ1、Ｔ2が所定の低温側熱交換器目標下限温度ＴTより低く（図３のＳ１６；Ｔ1＜ＴT ａｎｄ Ｔ1＜ＴT）、且つ暖気モード許可フラグが真である場合（ＦH＝Ｔｒｕｅ）には、第一バイパスバルブ２５を低温側熱交換器群１６側Ａに切り替え（図３のＳ１３）、作動流体を低温側熱交換器群１６の各低温側熱交換器１３ａ、１３ｂに供給する。このようにすることで、エンジン始動時等、冷却水等の低温熱源の温度が所定値より低い場合にバイパスを取りやめて、作動流体により冷却水等を加熱することで、暖機運転に要する時間を短縮することが可能となる。
ドライバーが暖気モードを許可するか否かを選択できるように、暖気モード許可フラグを切替可能な専用スイッチを、運転席のメータ部に設置することが考えられる。また、暖気モード許可フラグを切り替える手段は、上記専用スイッチには限定はされない。
次に、他の実施形態に係る廃熱回収装置１０について図４により説明する。
図４は、他の実施形態に係る廃熱回収装置の概略図である。図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
作動流体循環流路１５には、高温側熱交換器１２の作動流体出口温度を検出する第二温度センサ２８と、高温側熱交換器１２の作動流体出口圧力を検出する圧力センサ２９とが設けられる。
また、本実施形態に係る廃熱回収装置１０は、作動流体循環流路１５から分岐し、高温側熱交換器１２及び膨張器１４をバイパスする第二バイパス流路３０と、作動流体を高温側熱交換器１２に流す位置と作動流体を第二バイパス流路３０に流す位置とに選択的に切り替えられる第二バイパスバルブ３１とを備える。第二バイパスバルブ３１としては、方向流量制御弁或いはそれに類するものが用いられる。
コントローラ１８によるバルブ制御を図５により説明する。図３の処理フローとの相違点のみを説明する。
図５に示す処理フローにあっては、コントローラ１８は、内燃機関１１のオーバーヒート等が発生したことを示す外部異常信号が入力されない場合（図５のＳ１７）に、第二バイパスバルブ３１を高温側熱交換器１２側Ａに切り替え（図５のＳ１８）、作動流体を高温側熱交換器１２に供給する。
そして、コントローラ１８は、第二温度センサ２８で検出した高温側熱交換器１２の作動流体出口温度Ｔ4が所定の許容最高温度ＴLIMITより高く（Ｔ4＞ＴLIMIT）、或いは、圧力センサ２９で検出した高温側熱交換器１２の作動流体出口圧力Ｐ1が所定の許容最高圧力ＰLIMITより高く（Ｐ1＞ＰLIMIT）、或いは、第二温度センサ２８で検出した低温側熱交換器群１６上流側の作動流体の温度Ｔ3が所定の目標温度ＴCより高い（Ｔ3＞ＴC）場合（図５のＳ１９）に、高温側熱交換器１２に流れる作動流体の流量が増量されるように、第二バイパスバルブ３１の開度を調整する（図５のＳ２０）。これにより、高温側熱交換器１２等の破損を防止することができる。一方、コントローラ１８は、図５のＳ２４に示す条件を満たさない場合には、高温側熱交換器１２の作動流体出口温度Ｔ4が所定の最高温度目標値ＴTARGETとなるように、第二バイパスバルブ３１の開度を調整する（図５のＳ２１）。これにより、より多くの熱量を回収することができ、効率良く廃熱を回収することができる。
また、コントローラ１８は、内燃機関１１のオーバーヒート等が発生したことを示す外部異常信号が入力された場合（図５のＳ１７）には、第二バイパスバルブ３１を第二バイパス流路３０側Ｂに切り替え（図５のＳ２２、Ｓ２３）、高温側熱交換器１２及び膨張器１４をバイパスして作動流体を循環させる。このようにすることで、排気ガス等の高温流体からの熱回収を停止し、作動流体の循環速度を上げることで、低温の作動流体により低温側熱交換器１３ａ、１３ｂにて冷却水等を効率よく冷却することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
図１は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置の概略図である。 図２は、バルブ制御を示すフローチャートである。 図３は、暖気短縮機能を付加したバルブ制御を示すフローチャートである。 図４は、他の実施形態に係る廃熱回収装置の概略図である。 図５は、バルブ制御を示すフローチャートである。 図６は、熱交換器の配置の一例を示す図である。 図７は、熱交換器の配置の一例を示す図である。
符号の説明
１０ 廃熱回収装置
１１ 内燃機関
１２ 高温側熱交換器
１３ａ、１３ｂ 低温側熱交換器
１４ 膨張器
１５ 作動流体循環流路
１６ 低温側熱交換器群
１７ 流量制御弁
１８ コントローラ（制御手段）
２４ 第一バイパス流路
２５ 第一バイパス弁
３０ 第二バイパス流路
３１ 第二バイパス弁

Claims (5)

  1. 内燃機関の廃熱により作動流体を蒸発させて膨張器を駆動するための廃熱回収装置であって、
    上記膨張器の作動流体を循環させる作動流体循環流路と、
    上記内燃機関の排気ガス等の高温流体によって、上記作動流体循環流路を流れる作動流体を加熱するための高温側熱交換器と、
    上記内燃機関の冷却水やオイル等の低温流体のいずれか一つによって上記作動流体循環流路を流れる作動流体を加熱するための低温側熱交換器を上記低温流体毎に有すると共に、これら低温側熱交換器を互いに並列に配置してなる低温側熱交換器群と、
    該低温側熱交換器群の各低温側熱交換器へ流れる作動流体の流量を制御する流量制御弁と、
    該流量制御弁を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
  2. 上記低温側熱交換器群は、上記高温側熱交換器よりも作動流体上流側の上記作動流体循環流路に配設される請求項１に記載の廃熱回収装置。
  3. 上記作動流体循環流路から分岐し、上記低温側熱交換器群をバイパスする第一バイパス流路と、上記作動流体を上記低温側熱交換器群に流す位置と上記作動流体を上記第一バイパス流路に流す位置とに選択的に切り替えられる第一バイパスバルブとを備えた請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。
  4. 上記作動流体循環流路から分岐し、上記高温側熱交換器をバイパスする第二バイパス流路と、上記作動流体を上記高温側熱交換器に流す位置と上記作動流体を上記第二バイパス流路に流す位置とに選択的に切り替えられる第二バイパスバルブとを備えた請求項１から３のいずれかに記載の廃熱回収装置。
  5. 上記低温側熱交換器群の各低温側熱交換器は、ほぼ同程度の温度の流体によって、上記作動流体循環流路を流れる作動流体を加熱するものである請求項１から４のいずれかに記載の廃熱回収装置。
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