JP2010101283A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの廃熱回収装置におけるタービンの強度限界を超える過剰な回転を抑制することを課題とする。
【解決手段】廃熱回収装置１は、エンジン本体３、過熱器７においてエンジン１００の廃熱を回収した蒸気により駆動されるタービン４と、電磁クラッチ５０によりタービン４のシャフト４ａに連結される第１プーリ５、クランクシャフト１１に設けられた第２プーリ１２、及び、第１プーリ５と第２プーリ１２とに張設されたベルト６によりタービン４からクランクシャフト１１へ動力を回収する動力回収手段と、タービン４の過回転を判断すると、電磁クラッチ５０により第１プーリ５をタービン４のシャフト４ａに連結し、タービン４のシャフト４ａにかかる負荷を調整するＥＣＵ１５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用してエンジンの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機（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特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された内燃機関は、運転状態に応じて冷却経路内の内圧、温度を制御し、熱効率の向上を図っている。

特開２０００−３４５８３５号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、仮にシステムの故障等があった場合、冷却経路において発生する蒸気の量を制御できずに、過剰な量の蒸気がタービンへ流入することが考えられる。このように過剰な量の蒸気がタービンへ流入する場合、タービンが強度限界を超えて回転し、破損することが懸念される。

そこで、本発明は、タービンの強度限界を超える過剰な回転を抑制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、エンジンの廃熱により、当該エンジン内を循環する冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、当該蒸気化手段により発生した蒸気によって駆動されるタービンと、前記タービンから動力を回収する動力回収手段と、前記タービンの過回転判断時に、前記タービンの過回転を抑制する過回転抑制手段と、を備えたことを特徴とする。このような構成とすることにより、廃熱回収装置は、タービンがタービンの強度限界を超えて過剰に回転することを抑制することができる。

このような廃熱回収装置において、前記過回転抑制手段は、前記タービンにかかる負荷を調節する負荷調節手段を備えた構成とすることができる。このような構成とすることにより、廃熱回収装置は、タービンの回転負荷を増加して、タービンがタービンの強度限界を超えて過剰に回転することを抑制することができる。

さらに、このような廃熱回収装置において、前記動力回収手段は、前記タービンのシャフトに連結される第１プーリと、クランクシャフトに設けられた第２プーリと、前記第１プーリと前記第２プーリとに張設されたベルトと、を備え、前記負荷調節手段は、前記タービンの過回転判断時に、前記第１プーリを前記タービンのシャフトに連結するクラッチを備えた構成とすることができる。このような構成とすることにより、タービンが過回転するような状況で、タービンのシャフトにはクランクシャフトを駆動するための反力が加えられ、回転負荷が増加するため、タービンの過回転が抑制される。

本発明は、タービンの強度限界を超える過剰な回転を抑制し、タービンの破損を抑制することができる。

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１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１を組み込んだエンジン１００を示した説明図である。

廃熱回収装置１は、エンジン１００の廃熱から回収した蒸気エネルギーを駆動力としてエンジン１００に用いる装置である。廃熱回収装置１には、蒸気状態の冷媒及び液相状態の冷媒が流通する冷媒通路２がループ状に形成されている。冷媒は、この冷媒通路２を循環する。冷媒通路２は、エンジン本体３内に形成されたウォータジャケットを含んでいる。冷媒はエンジン本体３の燃焼熱によって加熱され蒸気化する。エンジン本体３は、本発明の蒸気化手段として機能する。また、冷媒通路２には、この冷媒の蒸気によって駆動されるタービン４が備えられている。このタービン４は衝動型のタービンである。また、タービン４の外部で、タービン４のシャフト４ａに第１プーリ５が設けられている。

図２は、第１プーリ５を断面にし、拡大して示した説明図である。図２（ａ）は、電磁クラッチ５０のＯＦＦ時を示した説明図であり、図２（ｂ）は、電磁クラッチ５０のＯＮ時を示した説明図である。第１プーリ５には、パウダー式の電磁クラッチ５０が備えられている。電磁クラッチ５は、本発明の負荷調節手段に相当し、第１プーリ５は、この電磁クラッチ５０により、タービン４のシャフト４ａに連結する。電磁クラッチ５０は、ドライブヨーク５１、ドリブンヨーク５２を備えている。ドリブンヨーク５２内には電磁コイル５３が組み込まれている。また、ドライブヨーク５１とドリブンヨーク５２との僅かな隙間に、磁気特性の優れたパウダー鉄粉５４が注入されている。図２（ｂ）のように、電磁クラッチ５０をＯＮ、すなわち、電磁コイル５３へ電流を流すことにより、電磁コイル５３により形成される磁束に沿ってパウダー鉄粉５４が鎖状に連結し、ドライブヨーク５１とドリブンヨーク５２とを連結する。従って、電磁コイル５３の通電時に第１プーリ５がシャフト４ａに連結される。また、電磁コイル５３へ通電する電流を弱めれば半クラッチ状態とすることができる。

さらに、エンジン１００のクランクシャフト１１には、第２プーリ１２が設けられている。ベルト６は、第１プーリ５と第２プーリ１２とに張設されて、シャフト４ａの回転をクランクシャフト１１へ伝達する。これら第１プーリ５、ベルト６、第２プーリ１２、クランクシャフト１１は、タービン４から動力を回収する動力回収手段として機能する。

また、廃熱回収装置１は、エンジン本体３とタービン４との間の冷媒通路２上に過熱器７を備えている。過熱器７には排気通路８が引き込まれている。過熱器７は、排気通路８中を流通する排気ガスから熱を回収し、タービン４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。このように、過熱器７によって高温、高圧となった蒸気がタービン４に流入し、タービン４が駆動される。過熱器７は、エンジン本体３内で蒸気化した冷媒へエンジン１００の廃熱を回収させる。

冷媒通路２には、タービン４の下流側に蒸気となった冷媒を再び液体に戻す凝縮器９が備えられている。凝縮器９によって液体に戻された冷媒は、ポンプ１０によって再びエンジン本体３内のウォータジャケットに供給される。なお、廃熱回収装置１は、いわゆるランキンサイクルを実現する構成となっている。廃熱回収装置１はランキンサイクルを構成し、蒸気を介してエンジン本体３の廃熱をクランクシャフト１１の補助動力として回収する。

廃熱回収装置１の冷媒通路２上の過熱器７とタービン４との間に蒸気圧センサ１３が設置されている。蒸気圧センサ１３は、本発明の蒸気圧計測手段の一例であり、タービン４に流入する蒸気の圧力を計測する。蒸気圧センサ１３は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１５と電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１５は、電磁クラッチ５０と電気的に接続されており、電磁コイル５３への通電を制御する。ＥＣＵ１５は、蒸気圧センサ１３から取得する蒸気圧に基づいて、タービン４へ流入する蒸気エネルギーを予測し、タービン４の過回転を判断する。ＥＣＵ１５は、タービン４の過回転を判断すると、電磁コイル５３への通電を制御し、タービン４のシャフト４ａへ第１プーリ５を連結させる。シャフト４ａに第１プーリ５が連結すると、タービン４のシャフト４ａにかかる負荷が増加する。

ところで、廃熱回収装置１は、蒸気圧センサ１３に代えて、蒸気温度センサ１４を備えることができる。蒸気温度センサ１４は、本発明の蒸気温度計測手段の一例であり、タービン４に流入する蒸気の温度を計測する。また、蒸気温度センサ１４は、ＥＣＵ１５と電気的に接続されている。この場合、ＥＣＵ１５は、蒸気温度センサ１４から取得する蒸気温度から、タービン４へ流入する蒸気エネルギーを予測し、タービン４の過回転を判断する。

次に、廃熱回収装置１の動作について説明する。エンジン１００の冷間始動時のように、エンジン１００からの廃熱が少ない場合、蒸気化する冷媒も少ない。この時点でタービン４が回転する場合もあるが、クランクシャフト１１へ補助動力を回収できるほどの回転速度が得られない。ここで、第１プーリ５がシャフト４ａに連結していると、却って、シャフト４ａの回転抵抗となる。そこで、このような廃熱が少ない場合、廃熱回収装置１の第１プーリ５の電磁クラッチ５０をＯＦＦとして、シャフト４ａからの回転の伝達を遮断する。

エンジン１００の暖機が進行し、ＥＣＵ１５が、タービン４へ流入する蒸気の状態がクランクシャフト１１へ補助動力を回収できる状態となったと判断すると、ＥＣＵ１５は、廃熱回収装置１の第１プーリ５の電磁クラッチ５をＯＮとして、シャフト４ａの回転を第１プーリ５へ伝達する。第１プーリ５が回転すると、ベルト６を介して第２プーリ１２へ回転が伝達し、クランクシャフト１１へ回転、すなわち、動力が伝達される。このような第１プーリ５、ベルト６、第２プーリ１２、クランクシャフト１１は、動力回収手段の一例である。なお、動力回収手段として、クランクシャフト１１に代えて、発電機のシャフトへ第２プーリ１２を設けて、タービン４から伝達される動力を発電機により電気エネルギーに変換し、蓄電することとしても良い。

次に、廃熱回収装置１の暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御について説明する。通常、暖機中は補助動力を回収するほど、回転速度が得られないため、電磁クラッチ５０がＯＦＦとなっており、タービン４のシャフト４ａの回転抵抗は小さい。ところが、暖機中にもかかわらず、エンジン１００が何らかの理由により異常をきたし蒸気が多量に発生することがある。蒸気が多量に発生し、タービン４へ流入すると、シャフト４ａの回転抵抗が小さいため、タービン４は過剰に回転し、破損してしまうことが考えられる。

図３は、ＥＣＵ１５が行う暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御のフローである。ＥＣＵ１５はステップＳ１で、蒸気圧センサ１３からタービン４へ流入する蒸気の蒸気圧を取得する。次に、ＥＣＵ１５はステップＳ２で、取得した蒸気圧が所定値Ｐ以上であるか否かを判断する。暖機時に、取得した蒸気圧が所定値Ｐ以上である場合、ＥＣＵ１５は、蒸気が過剰に発生していると判断する。ここで、所定値Ｐは、発生する蒸気の見込み量を示したマップに照合して算出される値であって、タービン４が破損を引き起こさない蒸気エネルギーの閾値に対応する圧力の値である。なお、この際、暖機時であるか否かは、エンジン１００のウォータジャケットの水温に基づいて判断している。

ＥＣＵ１５はステップＳ２において、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値Ｐ以上である場合、ステップＳ３へ進む。ＥＣＵ１５は、ステップＳ３において、電磁クラッチ５０をＯＮの状態とする。これにより、タービン４のシャフト４ａと第１プーリ５が連結する。第１プーリ５はベルト６によりクランクシャフト１１に設けられた第２プーリ１２と接続しているため、シャフト４ａの回転がクランクシャフト１１へ伝えられる事となる。この際、シャフト４ａには反力として負荷が加わるため、タービン４の過回転が抑制され、タービン４の破損が防止される。

ところで、ＥＣＵ１５がステップＳ２において、ＮＯと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値Ｐ以上でない場合、蒸気が過剰に発生することもない。したがって、廃熱回収装置１は、装置の状態をそのまま維持する。ＥＣＵ１５は制御の処理を終えて、リターンする。

なお、廃熱回収装置１が蒸気圧センサ１３に代えて、蒸気温度センサ１４を備えている場合、暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御において、ＥＣＵ１５はステップＳ１で、蒸気温度センサ１４からタービン４へ流入する蒸気の温度を取得する。次に、ＥＣＵ１５はステップＳ２で、取得した蒸気温度が所定値Ｔ以上であるか否かを判断する。暖機時に、蒸気温度が所定値Ｔ以上である場合、ＥＣＵ１５は、蒸気が過剰に発生していると判断する。ここで、所定値Ｔは、発生する蒸気の見込み量を示したマップに照合して算出される値であって、タービン４が破損を引き起こさない蒸気エネルギーの閾値に対応する温度の値である。

このように、廃熱回収装置１は、エンジン１００の暖機時にシステム異常などにより、タービン４へ流入する蒸気が急激に増加した場合、タービン４のシャフト４ａに負荷を加えて、タービン４の過剰な回転を抑制し、タービン４の破損を抑制する。また、廃熱回収装置１は、ランキンサイクル系が故障した場合においても、タービン４のシャフト４ａに負荷を加え、タービン４の過剰な回転を抑制するため、エンジン１００の運転を制限することがない。

次に、本発明の実施例２について説明する。図４は、本実施例の廃熱回収装置２１を組み込んだエンジン１００を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置２１は、実施例１の廃熱回収装置１と同様の構成を有する。本実施例の廃熱回収装置２１は、蒸気圧センサ１３に代えて、タービン４の回転数を計測する回転数センサ２２を備えている。回転数センサ２２は、本発明の回転数計測手段の一例である。回転数センサ２２はＥＣＵ１５と電気的に接続されており、回転数センサ２２からタービン４の回転数を取得する。本実施例では、ＥＣＵ１５は、回転数センサ２２により取得されるタービン４の回転数に基づいて、タービン４の過回転を判断し、前記タービン４のシャフト４ａにかかる負荷を変更する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

次に、廃熱回収装置２１の暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御について説明する。実施例１では、タービン４に流入する蒸気の圧力（温度）に基づいて、タービン４が過回転となるか否かを判断していたが、本実施例では、タービン４の回転数に基づいて、タービン４が過回転となるか否かを判断する。

図５は、ＥＣＵ１５が行う暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御のフローである。ＥＣＵ１５はステップＳ１１で、回転数センサ２２からタービン４の回転数を取得する。次に、ＥＣＵ１５はステップＳ１２で、取得したタービン４の回転数が所定値Ｎ以上であるか否かを判断する。ここで、所定値Ｎは、発生する蒸気の見込み量を示したマップに照合して算出される値であって、タービン４が破損を引き起こさない蒸気エネルギーの閾値に対応する回転数の値である。なお、この際、暖機時であるか否かは、エンジン１００のウォータジャケットの水温に基づいて判断している。

ＥＣＵ１５はステップＳ１２において、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、タービン４の回転数が所定値Ｎ以上である場合、ステップＳ１３へ進む。ＥＣＵ１５は、ステップＳ１３において、電磁クラッチ５０をＯＮの状態とする。これにより、タービン４のシャフト４ａと第１プーリ５が連結する。第１プーリ５はベルト６によりクランクシャフト１１に設けられた第２プーリ１２と接続しているため、シャフト４ａの回転がクランクシャフト１１へ伝えられる事となる。この際、シャフト４ａには反力として負荷が加わるため、タービン４の過回転が抑制され、タービン４の破損が防止される。

ところで、ＥＣＵ１５がステップＳ１２において、ＮＯと判断する場合、すなわち、タービン４の回転数が所定値Ｎ以上でない場合、蒸気が過剰に発生することがない。したがって、廃熱回収装置２１は、装置の状態をそのまま維持する。ＥＣＵ１５は制御の処理を終えて、リターンする。

このように、廃熱回収装置２１は、エンジン１００の暖機時にシステム異常などにより、タービン４へ流入する蒸気が急激に増加した場合、タービン４のシャフト４ａに負荷を加えて、タービン４の過剰な回転を抑制し、タービン４の破損を抑制する。また、廃熱回収装置２１は、ランキンサイクル系が故障した場合においても、タービン４のシャフト４ａに負荷を加え、タービン４の過剰な回転を抑制するため、エンジン１００の運転を制限することがない。

次に、本発明の実施例３について説明する。図６は、本実施例の廃熱回収装置３１を組み込んだエンジン１００を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置３１は、電磁クラッチ５０を備えた第１プーリ５に代えて、シャフトプーリ３２を備えている点と、バイパス通路３３と三方弁３４とを備えた点で、廃熱回収装置１と相違している。シャフトプーリ３２は、シャフト４ａに一体に設けられており、シャフト４ａとともに回転し、動力をクランクシャフト１１側へ伝達する。バイパス通路３３は、過熱器７を通過した蒸気がタービン４をバイパスするように設けられている。三方弁３４は、冷媒通路２からバイパス通路３３への分岐点に設けられている。また、三方弁３４は、ＥＣＵ１５と電気的に接続されている。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

次に、廃熱回収装置３１の暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御について説明する。本実施例では、廃熱回収装置３１は、タービン４に流入する蒸気の圧力（温度）に基づいて、タービン４への蒸気の流入を制御する。

図７は、ＥＣＵ１５が行う暖機中におけるタービン４の過回転を抑制する制御のフローである。本実施例におけるＥＣＵ１５の制御では、ステップＳ２１は、実施例１のステップＳ１と同様であり、ステップＳ２２は、ステップＳ２と同様である。ＥＣＵ１５は、ステップＳ２２で、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値Ｐ以上である場合、ステップＳ２３、ステップＳ２４の処理へ進む。ＥＣＵ１５は、ステップＳ２３で、蒸気がタービン４をバイパスするように、三方弁３４を切り替える。これにより、タービン４への蒸気の流入が遮断され、タービン４の過回転が抑制される。さらに、ＥＣＵ１５は、ステップＳ２４で、ポンプ１０の吐出量を制御し、エンジン本体３へ供給する冷媒量を制御し、蒸気の発生量を低減する。なお、ステップＳ２３とステップＳ２４は順序を入れ替えてもよい。

ところで、ＥＣＵ１５がステップＳ２２において、ＮＯと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値Ｐ以上でない場合、蒸気が過剰に発生することもない。したがって、廃熱回収装置１は、装置の状態をそのまま維持する。ＥＣＵ１５は制御の処理を終えて、リターンする。

また、このような制御は、実施例１同様、蒸気の温度に基づいて判断することとしても良い。

このように、廃熱回収装置３１は、エンジン１００の暖機時にシステム異常などにより、タービン４へ流入する蒸気が急激に増加した場合、タービン４への蒸気の流入を遮断して、タービン４の過剰な回転を抑制し、タービン４の破損を抑制する。また、この廃熱回収装置３１は、タービン４の回転数を取得し、タービン４の回転数に基づいて、タービン４が過回転となるか否かを判断することとしても良い。この際、タービン４が過回転となると判断した際の処理は、蒸気の状態からタービンが過回転となると判断した場合と同様であるため、その説明は省略する。

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。

動力回収装置は、エンジン１００の廃熱から回収した蒸気エネルギーを、エンジン１００において駆動力として用いる。このような駆動力は、クランクシャフト１１へ伝達する以外にも、例えば、カムシャフト、ポンプ、その他エンジン１００の装置の駆動に利用することができる。

また、実施例中のタービン４は反動型タービンとすることができる。また、第１プーリ５の電磁クラッチ５０は、パウダー式の電磁クラッチに代えて、摩擦板式、かみ合い式、ヒステリシス式の電磁クラッチを組み込むことができる。

実施例１の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。 第１プーリを断面にし、拡大して示した説明図であって、（ａ）は、電磁クラッチのＯＦＦ時を示した説明図であり、（ｂ）は、電磁クラッチのＯＮ時を示した説明図である。 実施例１におけるタービンの過回転を抑制する制御のフローである。 実施例２の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。 実施例２におけるタービンの過回転を抑制する制御のフローである。 実施例３の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。 実施例３におけるタービンの過回転を抑制する制御のフローである。

符号の説明

１、２１、３１ 廃熱回収装置
２ 冷媒通路
３ エンジン本体
４ タービン
４ａ シャフト
５ 第１プーリ
５０ 電磁クラッチ
６ ベルト
７ 過熱器
１１ クランクシャフト
１２ 第２プーリ
１３ 蒸気圧センサ
１４ 蒸気温度センサ
１５ ＥＣＵ
１６、２３ タービン過回転抑制装置
２２ 回転数センサ
１００ エンジン

Claims (5)

1. エンジンの廃熱により、当該エンジン内を循環する冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
   当該蒸気化手段により発生した蒸気によって駆動されるタービンと、
   前記タービンから動力を回収する動力回収手段と、
   前記タービンの過回転判断時に、前記タービンの過回転を抑制する過回転抑制手段と、
   を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
2. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記過回転抑制手段は、前記タービンにかかる負荷を調節する負荷調節手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
3. 請求項２記載の廃熱回収装置において、
   前記動力回収手段は、
   前記タービンのシャフトに連結される第１プーリと、
   クランクシャフトに設けられた第２プーリと、
   前記第１プーリと前記第２プーリとに張設されたベルトと、を備え、
   前記負荷調節手段は、
   前記タービンの過回転判断時に、前記第１プーリを前記タービンのシャフトに連結するクラッチを備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
4. 請求項２記載の廃熱回収装置において、
   前記タービンに流入する蒸気の圧力を計測する蒸気圧計測手段と、前記タービンに流入する蒸気の温度を計測する蒸気温度計測手段の少なくとも一つを備え、
   前記負荷調節手段は、前記蒸気圧計測手段から取得する蒸気圧と、前記蒸気温度計測手段から取得する蒸気温度の少なくとも一つに基づいて、前記タービンの過回転を判断することを特徴とする廃熱回収装置。
5. 請求項２記載の廃熱回収装置において、
   前記タービンの回転数を計測する回転数計測手段を備え、
   前記負荷調節手段は、前記回転数計測手段により取得される前記タービンの回転数に基づいて、前記タービンの過回転を判断することを特徴とする廃熱回収装置。

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