JP2010133299A - 廃熱回収装置及び内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】ウォータポンプによる冷却水の効率的な圧送を行い、効率的な廃熱回収を実現する。
【解決手段】C/U50が、外気温センサ26による検出結果(外気温)に応じて、冷却水とは異なるガス(空気)を蒸気流通経路5(凝縮器9)内に流出入させるので、凝縮器9において液体化した冷却水の温度が比較的高い場合でも、ガス(空気)を流入させて飽和温度を高くすることで、冷却水の温度と飽和温度との温度差を大きくすることができる。これにより、冷却水にキャビテーションが発生する可能性を低減することができるので、ウォータポンプ12による冷却水の効率的な圧送ができ、ひいては効率的な廃熱回収を実現することが可能である。
【選択図】図5
【解決手段】C/U50が、外気温センサ26による検出結果(外気温)に応じて、冷却水とは異なるガス(空気)を蒸気流通経路5(凝縮器9)内に流出入させるので、凝縮器9において液体化した冷却水の温度が比較的高い場合でも、ガス(空気)を流入させて飽和温度を高くすることで、冷却水の温度と飽和温度との温度差を大きくすることができる。これにより、冷却水にキャビテーションが発生する可能性を低減することができるので、ウォータポンプ12による冷却水の効率的な圧送ができ、ひいては効率的な廃熱回収を実現することが可能である。
【選択図】図5
Description
本発明は廃熱回収装置及び内燃機関に関し、特に、発熱体における廃熱を、蒸気を介して回収する廃熱回収装置、及び該廃熱回収装置を具備する内燃機関に関する。
従来、内燃機関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。この種の廃熱回収装置は、例えば、内燃機関の水冷冷却系統を密閉構造とし、内燃機関における廃熱により気化した冷媒(蒸気)を用いて膨張器(タービン)を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギに変換して回収するものである。このような廃熱回収装置を改良したものが、特許文献1〜3等に開示されている。
しかしながら、ランキンサイクル内の気体状の冷媒(蒸気)を、冷媒冷却用熱交換器(コンデンサ)にて大気と熱交換させて液体にする場合、熱交換器出口における冷却後の冷媒の温度は、大気温度(外気温)を下回ることはない。そのため、ランキンサイクルの低圧側に配置されるコンデンサ内の圧力条件によっては、当該圧力に応じて決定される飽和温度をわずかに下回る程度までしか冷媒の温度を低下させることができないおそれがある。この場合、冷媒は液体に戻っているとはいえ、飽和温度との差が小さいことから、冷媒をウォータポンプを用いて内燃機関に圧送しようとしても、冷媒にキャビテーションが発生してしまい、圧送が不能になるおそれがある。
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、キャビテーションの影響を受けることなく発熱体への冷媒の圧送を行い、効率的に廃熱回収を行うことが可能な廃熱回収装置を提供することを目的とする。また、本発明は、効率的な廃熱回収によりエネルギ効率を向上することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の廃熱回収装置は、発熱体における廃熱により蒸気化した冷媒が流通する蒸気流通経路と、前記蒸気流通経路内に設けられ、前記蒸気化した冷媒を外気との間の熱交換により液体に戻す凝縮器と、前記液体に戻された冷媒を前記発熱体に圧送するポンプと、前記外気の温度を検出する外気温検出器と、前記外気温検出器による検出結果に応じて、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させる流出入制御部と、を備えている。
これによれば、流出入制御部が外気温検出器による検出結果(外気温)に応じて、冷媒とは異なるガスを蒸気流通経路内に流出入させるので、凝縮器において液体化した冷媒の温度が比較的高い場合でも、ガスを蒸気流通経路内に流入させて飽和温度を高くすることで、冷媒の温度と飽和温度との温度差を大きくすることが可能となる。これにより、冷媒にキャビテーションが発生する可能性を低減することができるので、ポンプを用いた冷媒の効率的な圧送及び効率的な廃熱回収を実現することが可能となる。
この場合において、前記凝縮器近傍の内圧を検出する内圧検出器を更に備え、前記流出入制御部は、前記内圧検出器の検出結果を更に考慮して、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させることとすることができる。かかる場合には、流出入制御部が内圧検出器の検出結果を更に考慮することで、飽和温度の調整をより精度良く行うことが可能となる。
この場合において、前記液体化された冷媒の前記凝縮器の出口近傍における温度を検知する冷媒温度検出器を更に備え、前記流出入制御部は、前記冷媒温度検出器の検出結果を更に考慮して、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させることとすることもできる。かかる場合には、冷媒の温度を更に考慮することで、飽和温度の調整をより適切に行うことが可能となる。
この場合において、前記流出入制御部は、前記冷媒温度検出器により検出される前記冷媒の温度が、前記外気温検出器により検出される前記外部温度よりも高い場合に、前記冷媒の温度を考慮して、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させる事前処理を実行し、前記事前処理後、前記冷媒の温度が前記外部温度よりも低くなった段階で、前記外気温検出器による検出結果に応じて、前記冷媒とは異なるガスの流出入を実行することができる。冷媒の温度が外部温度よりも高い場合には、外部温度基準で飽和温度を決定してしまうと、冷媒の温度が飽和温度に近づき、キャビテーションの発生を抑制できなくなる事態も考えられるが、上記構成を採用し、冷媒の温度を考慮した事前処理を実行することにより、キャビテーションの発生を抑制することが可能となる。
本発明では、前記蒸気流通経路内の圧力に応じて定まる飽和温度と、前記冷媒の温度との差が所定値以上となるように、前記凝縮器に対して送風を行う送風部を更に備えることができる。かかる場合には、飽和温度と冷媒の温度との差を適切に維持することが可能となる。
本発明の内燃機関は、内燃機関本体と、前記内燃機関本体を前記発熱体とする本発明の廃熱回収装置と、を備えている。これによれば、効率的な廃熱回収が可能な廃熱回収装置を具備するので、エネルギ効率を向上することが可能となる。
本発明の廃熱回収装置によれば、キャビテーションの影響を受けることなく冷媒の圧送を行い、効率的に廃熱回収を行うことができるという効果を奏する。また、本発明の内燃機関は、効率的な廃熱回収によりエネルギ効率を向上することができるという効果を奏する。
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。
図1は、本実施形態に係る内燃機関100の概略構成を示す図である。この内燃機関100は、発熱体としての内燃機関本体2と廃熱回収装置1とを備えている。
廃熱回収装置1は、内燃機関本体2のシリンダブロック2aからシリンダヘッド2b内にかけて形成されたウォータジャケット3、ウォータジャケット3から蒸気化した冷媒(すなわち蒸気)が流通する蒸気流通経路5、蒸気流通経路5の上流側から順に配設された気液分離タンク6、過熱器7、タービン8、凝縮器9、キャッチタンク11、ウォータポンプ12、及び一方弁13と、を有する。
ウォータジャケット3内には、冷媒である冷却水が供給されている。気液分離タンク6は、ウォータジャケット3から送られてくる冷却水のうち、液体状の冷却水と内燃機関本体2内の廃熱により気体状となった冷却水(蒸気)とを分離し、蒸気のみを過熱器7に送る。過熱器7は、内燃機関本体2の排気ポートから送られてくる排気ガスから熱を回収し、気液分離タンク6から送られる蒸気に対して更に熱を付与するものである。この過熱器7は、廃熱の回収効率の向上に寄与するものである。
タービン8は、蒸気流通経路5を通じて流入する高温かつ高圧の蒸気によって駆動される。タービン8には発電機15が接続され、タービン8の駆動軸8aは、発電機15の駆動軸と共通となっている。このため、タービン8が駆動されると、発電機15は蒸気の熱エネルギを電気エネルギに変換して回収する。タービン8を通過した蒸気は、凝縮器(冷媒冷却用熱交換器)9に送られる。
凝縮器9は、タービン8を通過した蒸気を凝縮して冷却水にするものである。この凝縮器9の近傍には冷却ファン24が設けられており、コントロールユニット(C/U)50の指示の下、凝縮器9近傍への送風を行って、凝縮器9及びその内部に存在する冷却水の冷却を行う。また、凝縮器9には、凝縮器9近傍の経路内の圧力(内圧)を検出する内圧検出器としての内圧センサ20が設けられ、更に凝縮器9の冷却水の出口近傍(図1の下端部近傍)には、冷却水の水温を検出するための冷媒温度検出器としての水温センサ22が設けられている。これら内圧センサ20と水温センサ22の検出結果は、C/U50に送られる。
また、凝縮器9には、気体流通管31の一端が接続されており、この気体流通管31の他端には三方弁30が設けられている。この三方弁30の一つの管路には、バキュームポンプ(V/P)40を介して気体流出管32が接続されている。また、三方弁30の別の管路には、気体流入管34が接続されている。気体流入管34は、冷却水(水蒸気)とは異なるガス(例えば、外部の空気)を凝縮器9に送るためのものであり、その一部にはフィルタが設けられている。なお、気体流入管34から凝縮器9に送るガスは空気に限られるものではなく、例えば、窒素などのガスを凝縮器9に送ることとしても良い。この場合、気体流入管34の一端(三方弁30とは反対側の端部)に窒素などのガスを貯蔵するタンクを接続することとしても良い。
キャッチタンク11は、凝縮器9内で凝縮されて液体に戻された冷却水を一旦貯留する。ウォータポンプ12は、キャッチタンク11に貯留されている冷却水をウォータジャケット3内へ再度供給するものである。また、一方弁13は、冷却水の流通を制御するためのものである。
上記のように構成される廃熱回収装置1では、ウォータジャケット3の液体(冷却水)が蒸気となり、凝縮器9で再び液体に戻されてウォータジャケット3へ供給される、閉じた系(ランキンサイクル)が形成されている。
コントロールユニット(C/U)50は、廃熱回収装置1の各部を統括的に制御する。C/U50には、前述した内圧センサ20の検出結果及び水温センサ22の検出結果のほか、外部の気温(外気温)を検出するための外気温検出器としての外気温センサ26の検出結果も入力される。C/U50は、これらセンサ20,22,26の検出結果に基づいて、三方弁30の開閉制御や、バキュームポンプ40及び冷却ファン24の駆動制御等を実行する。また、C/U50には、Neセンサ33が電気的に接続されており、エンジン回転数(Ne)を取得する。
次に、廃熱回収装置1の動作(C/U50の制御)について、図2のフローチャートに沿って、かつ他の図面を適宜参照しつつ説明する。なお、本説明に用いる定数A、B、Cの大小関係は、「A<B<C」であるものとする。
C/U50は、まず図2のステップS10において、イグニッションスイッチ(IG)がONになり、かつNeセンサ33の検出値であるエンジン回転数(Ne)が1以上になるまで待機する。そして、上記両条件を満足した段階でステップS12に移行する。
次いで、C/U50は、ステップS12において、外気温センサ26から入力される外気温が、水温センサ22から入力される水温以上であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されると(外気温≧水温)、次のステップS14では、C/U50が、凝縮温度(Tb)を外気温で算出する。なお、本実施形態では、外気温=凝縮温度(Tb)とする。図3(a)の飽和蒸気曲線(横軸に絶対圧力(kPaA)をとり、縦軸に温度(℃)をとった曲線)には、ここで設定された凝縮温度(Tb)が示されている。
次いで、C/U50は、ステップS16において、Tbに定数Bを加算した「Tb+B」を目標飽和温度とし、バキュームポンプ(V/P)40を作動させ、系内の圧力(凝縮器9内)を、図3(b)の飽和蒸気曲線に示す圧力(Pb)に調整する(減圧する)。この場合、C/U50は、三方弁30のうち、図1において白抜き三角で示す管路のみを開放するものとする。
次いで、C/U50は、ステップS18において、水温が次式(1)を満足するように、水温センサ22の値をモニタしつつ冷却ファン24を運転する。
Tb≦水温<Tb+A …(1)
そして、C/U50は、次のステップS20において、冷却ファン24の運転が全開(100%)であり、かつ、水温が次式(2)を満たすか否かを判断する。
Tb+A≦水温 …(2)
Tb≦水温<Tb+A …(1)
そして、C/U50は、次のステップS20において、冷却ファン24の運転が全開(100%)であり、かつ、水温が次式(2)を満たすか否かを判断する。
Tb+A≦水温 …(2)
このステップS20の判断が否定された場合、ステップS18に戻る。ここで、水温がTb+A未満である間は、ステップS18及びS20が繰り返し実行される。この場合、図4(a)に示すように、系内の圧力がPbに設定され、飽和温度がTb+Bに設定されていることから、ステップS18及びS20を繰り返している間(水温が温度範囲E1(Tb以上、Tb+A未満)内に維持されている間)は、飽和温度と水温との間には、少なくとも温度SC1以上の差が生じることになる。すなわち、この状況下では、サブクール度を大きくとることができるようになっている。
したがって、ステップS18及びS20が繰り返されている間は、冷却水がウォータポンプ12からウォータジャケット3に圧送される際におけるキャビテーションの発生を抑制(防止)することができる。
一方、冷却ファン24の運転が全開(100%)となり、かつ、水温がTb+A以上になった場合には、ステップS20の判断が肯定されて、ステップS22に移行する。このステップS22においては、C/U50は、目標飽和温度を図4(b)に示す温度Tb+C(>Tb+B)に設定し、三方弁30を図5に示すように切り替えて、気体流入管34から凝縮器9内にガス(外部の空気)を流入させ、系の内圧を上昇させる。この場合、系の内圧(凝縮器9の内圧)は、図4(b)に示す圧力Pcに設定される。
次いで、C/U50は、図2のステップS24において、水温が次式(3)を満足するように、水温センサ22の値をモニタしつつ冷却ファン24を運転する。
Tb+A≦水温<Tb+B …(3)
Tb+A≦水温<Tb+B …(3)
そして、C/U50は、ステップS26において、冷却ファン24の運転が100%未満であり、かつ、水温が次式(4)を満たすか否かを判断する。
水温<Tb+A …(4)
水温<Tb+A …(4)
このステップS26の判断が否定されると(上式(3)を満足していると)、ステップS24に戻る。ここで、水温が上式(3)を満足する間は、ステップS24及びS26が繰り返し実行される。この場合、図4(b)に示すように、凝縮器9内の圧力がPcに設定され、飽和温度がTb+Cに設定されていることから、ステップS24及びS26を繰り返している間(水温が温度範囲E2(Tb+A以上、Tb+B未満)内に維持されている間)は、飽和温度と水温との間には、少なくとも温度SC2以上の差が生じることになる。すなわち、この状況下でも、サブクール度を大きくとることができるようになっている。
したがって、ステップS24及びS26が繰り返されている間は、冷却水がウォータポンプ12からウォータジャケット3に圧送される際におけるキャビテーションの発生を抑制(防止)することができる。
一方、冷却ファン24の運転が100%未満で、かつ、水温がTb+A未満になった場合には、ステップS26の判断が肯定されて、ステップS28に移行する。このように水温がTb+A未満となった場合、サブクールの観点からは飽和温度をTb+Cに維持しておく必要がなくなる。したがって、C/U50は、飽和温度が、図4(a)に示す温度Tb+Bとなるように、系内の圧力を圧力Pbに調整する。この場合、三方弁30を図1に示すように切替え、バキュームポンプ40を作動させることにより系内(凝縮器9内)の圧力を調整する(減圧する)。このように圧力をなるべく低く設定することで、タービン8におけるエネルギ回収効率を向上することが可能である。
なお、その後は、ステップS18に戻り、C/U50は、ステップS16〜S28の処理を上述したのと同様にして実行する。
ところで、ステップS12の判断が否定された場合(外気温よりも水温の方が高い場合)には、ステップS30〜ステップS36の事前処理を実行する。この事前処理では、まず、ステップS30において、C/U50が、凝縮温度(Tb)を水温で算出する。なお、本実施形態では、水温=凝縮温度(Tb)とする。そして、C/U50は、ステップS32において、温度Tb+Bを目標飽和温度に設定し、バキュームポンプ40を作動して、系内(凝縮器9)の圧力を調整(減圧)する。このように水温に基づいて系内の圧力を調整することとしたのは、外気温に基づいて飽和温度を設定してしまうと、当該飽和温度に水温が近づく(あるいは水温の方が高くなる)おそれがあり、かかる場合には、キャビテーションの発生を抑制(防止)することができなくなるからである。
その後、C/U50は、ステップS34において、冷却ファンを全開(100%)運転して冷却水を冷却する。そして、C/U50は、ステップS36において外気温が水温以上になるまで冷却ファンを全開運転しながら待機し、外気温が水温以上になった段階で、ステップS14に移行する。
その後は、外気温を用いた処理を行うことが可能となるので、C/U50は、ステップS16以降の処理・判断を、前述したのと同様に実行する。
なお、これまでの説明から明らかなように、C/U50と、三方弁30と、バキュームポンプ40とにより、本発明の流出入制御部が構成されている。また、C/U50と、冷却ファン24とにより、本発明の送風部が構成されている。
以上、詳細に説明したように、本実施形態によると、C/U50が、外気温センサ26による検出結果(外気温)に応じて、冷却水とは異なるガス(空気)を蒸気流通経路5(凝縮器9)内に流出入させるので、凝縮器9において液体化した冷却水の温度が比較的高い場合でも、ガス(空気)を流入させて飽和温度を高くすることで、冷却水の温度と飽和温度との温度差を大きくすることができる。これにより、冷却水にキャビテーションが発生する可能性を低減することができるので、ウォータポンプ12による冷却水の効率的な圧送ができ、ひいては効率的な廃熱回収を実現することが可能である。また、本実施形態では、蒸気流通経路5内にガスを流入させて内圧を上昇させ蒸気密度を増加させることにより冷却性を向上することも可能である。
また、本実施形態の内燃機関100によると、内燃機関本体2と、効率的な廃熱回収が可能な廃熱回収装置1と、を備えているので、エネルギ効率を向上することが可能である。
また、本実施形態では、C/U50が、凝縮器9の内圧を検出する内圧センサ20の検出結果を考慮して(モニタしつつ)、ガス(空気)の流入を行うので、飽和温度の調整をより精度良く行うことが可能である。
また、本実施形態では、冷却水の温度が、外気温よりも高い場合に、冷却水の温度を基準とした事前処理(ステップS30〜S36)を実行するので、キャビテーションの発生を効果的に抑制することが可能である。
なお、上記実施形態では、初めに飽和温度をTb+Bに設定し、その後、水温が上昇した場合に飽和温度をTb+Cに設定するというように、飽和温度を2段階で変更する場合について説明したが、これに限られるものではなく、飽和温度は任意の段階数で変更することが可能である。
なお、上記実施形態では、外気温と、内圧及び水温とを考慮したガス(空気)の流出入制御を行うこととしたが、これに限らず、外気温のみに基づいて流出入制御を行うこととしても良い。例えば、内圧をモニタしなくてもガスの流出入量により内圧を実質的にモニタできる場合や、水温が外気温よりも上昇しない可能性が高い場合などにおいて、かかる制御は特に有効である。また、外気温と内圧のみを考慮した流出入制御や、外気温と水温のみを考慮した流出入制御を行うこととしても良い。
なお、上記実施形態では、本発明の流出入制御部が、C/U50と、三方弁30と、バキュームポンプ40とにより構成されている場合について説明したが、これに限らず、系内に対してガスを流出入させることにより、系内の圧力を変更することができるものであれば、種々の構成を採用することが可能である。例えば、バキュームポンプ40に代えて、内燃機関本体2で発生する負圧(例えば、吸気管(インテークマニホールド)で発生する負圧)を利用することとしても良い。
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
1 廃熱回収装置
2 内燃機関本体(発熱体)
5 蒸気流通経路
9 凝縮器
12 ウォータポンプ(ポンプ)
20 内圧センサ(内圧検出器)
22 水温センサ(冷媒温度検出器)
24 冷却ファン(送風部の一部)
26 外気温センサ(外気温検出器)
30 三方弁(流出入制御部の一部)
40 バキュームポンプ(流出入制御部の一部)
50 コントロールユニット(流出入制御部の一部、送風部の一部)
100 内燃機関
2 内燃機関本体(発熱体)
5 蒸気流通経路
9 凝縮器
12 ウォータポンプ(ポンプ)
20 内圧センサ(内圧検出器)
22 水温センサ(冷媒温度検出器)
24 冷却ファン(送風部の一部)
26 外気温センサ(外気温検出器)
30 三方弁(流出入制御部の一部)
40 バキュームポンプ(流出入制御部の一部)
50 コントロールユニット(流出入制御部の一部、送風部の一部)
100 内燃機関
Claims (6)
- 発熱体における廃熱により蒸気化した冷媒が流通する蒸気流通経路と、
前記蒸気流通経路内に設けられ、前記蒸気化した冷媒を外気との間の熱交換により液体に戻す凝縮器と、
前記液体とされた冷媒を前記発熱体に圧送するポンプと、
前記外気の温度を検出する外気温検出器と、
前記外気温検出器による検出結果に応じて、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させる流出入制御部と、を備える、ランキンサイクルを用いた廃熱回収装置。 - 前記凝縮器近傍の内圧を検出する内圧検出器を更に備え、
前記流出入制御部は、前記内圧検出器の検出結果を更に考慮して、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させることを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。 - 前記液体化された冷媒の前記凝縮器の出口近傍における温度を検知する冷媒温度検出器を更に備え、
前記流出入制御部は、前記冷媒温度検出器の検出結果を更に考慮して、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させることを特徴とする請求項1又は2に記載の廃熱回収装置。 - 前記流出入制御部は、前記冷媒温度検出器により検出される前記冷媒の温度が、前記外気温検出器により検出される前記外部温度よりも高い場合に、前記冷媒の温度を考慮して、前記冷媒とは異なるガスを前記蒸気流通経路内に流出入させる事前処理を実行し、
前記事前処理後、前記冷媒の温度が前記外部温度よりも低くなった段階で、前記外気温検出器による検出結果に応じて、前記冷媒とは異なるガスの流出入を実行することを特徴とする請求項3に記載の廃熱回収装置。 - 前記蒸気流通経路内の圧力に応じて定まる飽和温度と、前記冷媒の温度との差が所定値以上となるように、前記凝縮器に対して送風を行う送風部を更に備える請求項1〜4のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
- 内燃機関本体と、
前記内燃機関本体を前記発熱体とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の廃熱回収装置と、を備える内燃機関。
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