JP2010077901A

JP2010077901A - 車両用廃熱利用装置

Info

Publication number: JP2010077901A
Application number: JP2008247228A
Authority: JP
Inventors: Hajime Makino; 肇牧野
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】補助制動装置から発生する熱とエンジンの排気ガスの熱とを常にランキンサイクルに安定して供給することができるとともに、ランキンサイクルの効率の向上を図ることのできる車両用廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】補助制動装置としてのリターダ３の熱によって冷却水回路４の冷却水を加熱する第１の冷却水加熱器６と、エンジン１の排気ガスによって冷却水回路４の冷却水を加熱する第２の冷却水加熱器７とを並列に設け、リターダ３が作動しているときは冷却水回路４の冷却水を第１の冷却水加熱器６に流通させ、リターダ３が作動していないときは冷却水回路４の冷却水を第２の冷却水加熱器７に流通させるようにしたので、リターダ３及び排気ガスのうち、有効に利用可能な熱を発生している方から吸熱してランキンサイクル８に利用することができるとともに、冷却水回路４の圧力損失を少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両に備わる補助制動装置の廃熱をランキンサイクルに利用可能な車両用廃熱利用装置に関するものである。

一般に、トラック、バス等の大型車両には、補助制動装置としてリターダを備えたものが知られている。このリターダは、固定子コイルの磁場の中でロータを回転させ、ロータに過電流を発生させることにより、ロータに連結された車両のトランスミッションに制動力を付与するように構成されている。

また、従来では、リターダから発生する熱と排気ガスの熱をランキンサイクルに利用し、ランキンサイクルで発電した電力をバッテリに蓄電するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このランキンサイクルでは、車両の排気管側の熱交換器とリターダ側の熱交換器とを直列に接続し、作動流体を排気ガスとリターダによってそれぞれ加熱することにより、作動流体を蒸発させるようにしている。
特公平１−２４６４６号公報

ところで、車両の加速時や一定速度で走行している場合など、リターダが作動していないときはリターダが発熱しないため、リターダの熱をランキンサイクルに利用することはできない。また、車両の減速時など、リターダが作動しているときは排気ガスの量が少なく、排気ガスの熱をランキンサイクルに有効に利用することはできない。しかしながら、前記従来例では、リターダ側の熱交換器と排気管側の熱交換器とを直列に接続しているため、作動流体がリターダ側と排気管側の何れか一方から吸熱しても他方に放熱することになり、ランキンサイクルへ安定した熱供給を行うことができないという問題点があった。また、作動流体が常にリターダ側の熱交換器と排気管側の熱交換器の両方を流通するため、圧力損失が大きくなり、ランキンサイクルの効率を低下させるという問題点もあった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、補助制動装置から発生する熱とエンジンの排気ガスの熱とを常にランキンサイクルに安定して供給することができるとともに、ランキンサイクルの効率の向上を図ることのできる車両用廃熱利用装置を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、車両の補助制動装置から発生する熱とエンジンの排気ガスの熱をランキンサイクルに利用する車両用廃熱利用装置において、前記エンジンの冷却水を循環する冷却水回路と、冷却水回路の冷却水の熱によってランキンサイクルの作動流体を蒸発させる蒸発器と、補助制動装置から発生する熱によって冷却水回路の冷却水を加熱する第１の冷却水加熱器と、第１の冷却水加熱器と並列に設けられ、エンジンの排気ガスによって冷却水回路の冷却水を加熱する第２の冷却水加熱器と、補助制動装置が作動しているときは冷却水回路の冷却水を第１の冷却水加熱器に流通させ、補助制動装置が作動していないときは冷却水回路の冷却水を第２の冷却水加熱器に流通させる流路切換手段とを備えている。

これにより、補助制動装置が作動しているときは冷却水回路の冷却水が第１の冷却水加熱器に流通し、補助制動装置が作動していないときは冷却水回路の冷却水が第２の冷却水加熱器に流通することから、補助制動装置及び排気ガスのうち、有効に利用可能な熱を発生している方から吸熱してランキンサイクルに利用することができるとともに、冷却水回路の冷却水が第１の冷却水加熱器と第２の冷却水加熱器の両方を流通することがない。

本発明によれば、補助制動装置及び排気ガスのうち、有効に利用可能な熱を発生している方から吸熱してランキンサイクルに利用することができるので、補助制動装置から発生する熱と排気ガスの熱とを常にランキンサイクルに安定して供給することができる。この場合、冷却水回路の冷却水が第１の冷却水加熱器と第２の冷却水加熱器の両方を流通することがないので、冷却水回路の圧力損失を少なくすることができる。これにより、ランキンサイクルの効率を向上させることができ、補助制動装置を備えた車両に用いる場合に極めて有利である。

図１は本発明の一実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図、図２は制御系を示すブロック図、図３は制御部の動作を示すフローチャートである。

本実施形態の廃熱利用装置が備わる車両は、例えばトラック、バス等の大型車両で、エンジン１に接続されたトランスミッション２に制動力を付与する補助制動装置としての周知のリターダ３を備えたものである。リターダ３は、例えば車両のアクセルがオフになった場合、或いはリターダ作動用のスイッチがオンにされた場合に作動するようになっている。

本実施形態の廃熱利用装置は、エンジン１の冷却水を循環する冷却水回路４と、リターダ３と熱交換する熱媒体を循環する熱媒体回路５と、熱媒体回路５の熱媒体によって冷却水回路４の冷却水を加熱する第１の冷却水加熱器６と、エンジン１の排気ガスによって冷却水回路４の冷却水を加熱する第２の冷却水加熱器７と、冷却水回路４の冷却水を熱源として発電するランキンサイクル８とを備え、リターダ３から発生する熱とエンジン１の排気ガスの熱をランキンサイクル８に利用するようになっている。

冷却水回路４は、エンジン１と、第１の冷却水加熱器６と、第２の冷却水加熱器７と、ランキンサイクル８の蒸発器９とを接続してなり、第１のポンプ１０によって冷却水を循環するようになっている。この場合、第１の冷却水加熱器６と第２の冷却水加熱器７は互いに並列に接続され、第２の冷却水加熱器７は排気管１ａ内を流通する排気ガスと冷却水回路４の冷却水とを熱交換するようになっている。また、冷却水回路４は、冷却水の流路を第１の冷却水加熱器６と第２の冷却水加熱器７の何れか一方に切換える流路切換手段としての第１の三方弁１１と、第２の冷却水加熱器７の流入側と流出側とを連通する第１のバイパス流路１２と、冷却水の流路を第２の冷却水加熱器７と第１のバイパス流路１２の何れか一方に切換える流路切換手段としての第２の三方弁１３と、蒸発器９の流入側と流出側とを連通する第２のバイパス流路１４と、冷却水の流路を蒸発器９と第２のバイパス流路１４の何れか一方に切換える流路切換手段としての第３の三方弁１５と、冷却水回路４の冷却水の温度を検出する温度センサ１６とを備え、各三方弁１１，１３，１５及び温度センサ１６は、マイクロコンピュータからなる制御部１７に接続されている。また、エンジン１と蒸発器９との間には、冷却水を冷却するラジエータ１８が設けられ、冷却水の流路は流路切換手段としてのサーモスタット１９によりラジエータ１８側に切換わるようになっている。尚、サーモスタット１９は流出側（エンジン１側）の温度が所定温度になるように開度を調整する周知の機器からなる。

熱媒体回路５は、リターダ３と第１の冷却水加熱器６とを接続してなり、第２のポンプ２０によって熱媒体を循環するようになっている。この場合、熱媒体にはオイル等が用いられ、熱媒体は第１の冷却水加熱器６によって冷却水回路４の冷却水と熱交換されるようになっている。

ランキンサイクル８は、蒸発器９と、膨張機２１と、内部熱交換器２２と、凝縮器２３と、レシーバ２４とを接続してなり、第３のポンプ２５によって作動流体を循環するようになっている。この場合、作動流体には、例えばフロン系冷媒が用いられる。膨張機２１には、例えば一対のスクロール部材間に作動流体を流入させ、作動流体の膨張によって一方のスクロール部材を回転させるようにした、いわゆるスクロール型膨張機が用いられる。尚、膨張機２１に代えてタービンを用いることも可能である。また、ランキンサイクル８は、膨張機２１によって駆動される発電機２６を備え、発電機２６はバッテリ２７に接続されている。この場合、膨張機２１の駆動軸には発電機２６及び第３のポンプ２５が連結され、膨張機２１によって発電機２６及び第３のポンプ２５が駆動されるようになっている。また、内部熱交換器２２は、第３のポンプ２５から吐出する作動流体と膨張機２１から吐出する作動流体とを熱交換するようになっている。

次に、制御部１７の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。まず、温度センサ１６の検出温度Ｔが所定の第１の温度Ｔ1 （例えば９０℃）以下の場合は（Ｓ１）、冷却水回路４の冷却水を蒸発器９に流通させずに第２のバイパス流路１４に流通させる（Ｓ２）。これにより、冷却水の低温時は、ランキンサイクル８が作動せず、冷却水の温度上昇が優先される。次に、温度センサ１６の検出温度Ｔが第１の温度Ｔ1 よりも高くなると（Ｓ１）、冷却水回路４の冷却水を蒸発器９に流通させる（Ｓ３）。これにより、蒸発器９を流通するランキンサイクル８の作動流体が冷却水回路４の冷却水によって加熱される。ここで、車両の減速時など、リターダ３が作動した場合は（Ｓ４）、冷却水回路４の冷却水を第２の冷却水加熱器７を流通させずに第１の冷却水加熱器６に流通させる（Ｓ５）。これにより、冷却水回路４の冷却水が熱媒体回路５の熱媒体を介してリターダ３の熱により加熱される。また、車両の加速時や一定速度で走行している場合など、リターダ３が作動していない場合は（Ｓ４）、冷却水回路４の冷却水を第１の冷却水加熱器６を流通させずに第２の冷却水加熱器７に流通させる（Ｓ６）。これにより、冷却水回路４の冷却水が排気ガスの熱によって加熱される。その際、温度センサ１６の検出温度Ｔが第２の所定温度Ｔ2 （例えば１１５℃）以上になった場合は（Ｓ７）、冷却水回路４の冷却水を第２の冷却水加熱器７に流通させずに第１のバイパス流路１２に流通させる（Ｓ８）。これにより、冷却水回路４の冷却水の温度が排気ガスの熱によって過剰に上昇することがない。更に、冷却水回路４の冷却水の温度が所定の第３の温度Ｔ3 （例えば１２０℃）以上になると、サーモスタット１９により冷却水がラジエータ１８に流通し、冷却水回路４の冷却水がラジエータ１８を介して外部に放熱される。

また、ランキンサイクル８の作動流体は、蒸発器９、膨張機２１、内部熱交換器２２、凝縮器２３、レシーバ２４、内部熱交換器２２の順に流通して蒸発器９に流入する。即ち、蒸発器９で飽和蒸発となった作動流体が膨張機２１に流入し、膨張機２１で膨張することにより、膨張機２１によって発電機２６が駆動される。その際、エンジン１の回転数が高くなると、冷却水回路４の冷却水の温度が高くなり、蒸発器９の作動流体に与えられる熱量が増加して膨張機２１の回転数も高くなるが、膨張機２１と同軸状に回転する第３のポンプ２５の回転数も高くなるため、第３のポンプ２５の吐出流量が増加する。

このように、本実施形態の廃熱利用装置によれば、リターダ３の熱によって冷却水回路４の冷却水を加熱する第１の冷却水加熱器６と、エンジン１の排気ガスによって冷却水回路４の冷却水を加熱する第２の冷却水加熱器７とを並列に設け、リターダ３が作動しているときは冷却水回路４の冷却水を第１の冷却水加熱器６に流通させ、リターダ３が作動していないときは冷却水回路４の冷却水を第２の冷却水加熱器７に流通させるようにしたので、リターダ３及び排気ガスのうち、有効に利用可能な熱を発生している方から吸熱してランキンサイクル８に利用することができ、リターダ３から発生する熱と排気ガスの熱とを常にランキンサイクル８に安定して供給することができる。この場合、冷却水回路４の冷却水が第１の冷却水加熱器６と第２の冷却水加熱器７の両方を流通することがないので、冷却水回路４の圧力損失を少なくすることができる。これにより、ランキンサイクルの効率を向上させることができ、リターダ３を備えた車両に用いる場合に極めて有利である。

また、冷却水の温度Ｔが所定の第１の温度Ｔ1 以下の場合、冷却水回路４の冷却水を蒸発器９に流通させずに第２のバイパス流路１４に流通させるようにしたので、冷却水の低温時は、ランキンサイクル８を作動させずに冷却水の温度上昇を優先させることができ、冷却水の温度をランキンサイクル８が作動可能な温度まで速やかに上昇させることができる。

更に、冷却水の温度Ｔが所定の第２の温度Ｔ2 以上になった場合、冷却水回路４の冷却水を第２の冷却水加熱器７に流通させずに第１のバイパス流路１２に流通させるようにしたので、冷却水回路４の冷却水の温度が排気ガスの熱によって過剰に上昇することがなく、冷却水の気化によるエンジン１の冷却不足を効果的に防止することができる。

また、冷却水回路４の冷却水の温度が所定の第３の温度Ｔ3 以上になると、冷却水回路４の冷却水をラジエータ１８によって冷却するようにしたので、冷却水の温度上昇による冷却水の気化をより効果的に防止することができる。

更に、ランキンサイクル８の第３のポンプ２５を膨張機２１と同軸状に連結することにより、冷却水の温度が高くなると第３のポンプ２５の吐出流量が増加するようにしたので、冷却水の温度上昇に応じてランキンサイクル８の発電量も多くすることができ、冷却水から与えられる熱をより有効に利用することができる。

尚、前記実施形態では、ランキンサイクル８の第３のポンプ２５を膨張機２１の駆動軸に同軸状に連結したものを示したが、膨張機とは独立して作動するポンプを用い、ポンプの回転数を冷却水の温度に基づいて制御するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、サーモスタット１９によってラジエータ１８側の流路を切換えるようにしたものを示したが、サーモスタット１９に代えて三方弁を用い、制御部１７によって三方弁を制御するようにしてもよい。

更に、前記実施形態では、補助制動装置としてリターダ３を備えたものを示したが、例えば回生ブレーキ、排気ブレーキ、圧縮開放ブレーキ等、他の補助制動装置の廃熱を利用するようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図制御系を示すブロック図制御部の動作を示すフローチャート

符号の説明

１…エンジン、３…リターダ、４…冷却水回路、６…第１の冷却水加熱器、７…第２の冷却水加熱器、８…ランキンサイクル、９…蒸発器、１１…第１の三方弁、１２…第１のバイパス流路、１３…第２の三方弁、１４…第２のバイパス流路、１５…第３の三方弁、１６…温度センサ、１８…ラジエータ、１９…サーモスタット。

Claims

車両の補助制動装置から発生する熱とエンジンの排気ガスの熱をランキンサイクルに利用する車両用廃熱利用装置において、
前記エンジンの冷却水を循環する冷却水回路と、
冷却水回路の冷却水の熱によってランキンサイクルの作動流体を蒸発させる蒸発器と、
補助制動装置から発生する熱によって冷却水回路の冷却水を加熱する第１の冷却水加熱器と、
第１の冷却水加熱器と並列に設けられ、エンジンの排気ガスによって冷却水回路の冷却水を加熱する第２の冷却水加熱器と、
補助制動装置が作動しているときは冷却水回路の冷却水を第１の冷却水加熱器に流通させ、補助制動装置が作動していないときは冷却水回路の冷却水を第２の冷却水加熱器に流通させる流路切換手段とを備えた
ことを特徴とする車両用廃熱利用装置。
前記冷却水回路における蒸発器の流入側と流出側とを連通するバイパス流路と、
冷却水の温度が所定温度以下の場合に冷却水回路の冷却水を蒸発器に流通させずにバイパス流路に流通させる流路切換手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の車両用廃熱利用装置。
前記冷却水回路における第２の冷却水加熱器の流入側と流出側とを連通するバイパス流路と、
冷却水の温度が所定温度以上の場合に冷却水回路の冷却水を第２の冷却水加熱器に流通させずにバイパス流路に流通させる流路切換手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１または２記載の車両用廃熱利用装置。
前記冷却水回路の冷却水を冷却するラジエータと、
冷却水の温度が所定温度以上の場合に冷却水回路の冷却水をラジエータに流通させる流路切換手段とを備えた
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の車両用廃熱利用装置。
前記ランキンサイクルの作動流体循環用のポンプを、冷却水回路の冷却水の温度が高くなると吐出流量が増加するように構成した
ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の車両用廃熱利用装置。