JP2010156314A - 廃熱回収装置、及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルシステムにおいて、燃焼機関の廃熱により蒸気化する冷媒の漏洩を判定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２の廃熱により蒸気化する冷媒が循環する冷媒通路３と、蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する廃熱回収部５０と、冷媒通路３に含まれ、蒸気化した冷媒が流通する蒸気流通部３ａに配置され、外気の存在を検出するＯ_２センサ１０と、ＥＣＵ１１を備え、ＥＣＵ１１は、Ｏ_２センサ１０の検出値に基づいて、冷媒通路３からの冷媒の漏洩を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を用いてエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関し、特に、冷媒の漏洩を検出する廃熱回収装置に関する。

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、エンジンを冷却して気化した、すなわち、エンジンにおける廃熱を吸収して気化した冷却水を、さらに、エンジンから排出される排気ガスにより過熱して高温化するものがある。このような廃熱回収手段によれば、高温化した蒸気によりタービンを駆動して、蒸気の持つエネルギーを電気エネルギー等に変換して、エンジンにおける廃熱を回収することができる。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。

ところで、このようなランキンサイクルを用いた廃熱回収装置内を循環する冷媒の蒸気漏れは、廃熱の回収効率の低下を及ぼすことが考えられる。特に、エンジンの冷却水を蒸気化してランキンサイクルの作動流体として用いる場合、冷却水が減少することにより、エンジンの冷却が効果的に行えなくなることも考えられる。このため、ランキンサイクルの高効率化、及びエンジンの保護のため、このような蒸気漏れの検出が必要である。このような蒸気漏れを判定する廃熱回収装置が特許文献２に開示されている。

特許文献２の廃熱回収装置は、エンジン回転数、燃料噴射量、冷却水温度、シリンダ壁温、過給圧から取得される情報から算出される予測回収仕事量と、実際に回収される仕事量の実測値との比較に基づいて、廃熱回収装置の蒸気漏れを判定する。

特開２０００−３４５８３５号公報 特開２００８−１６９７３１号公報

特許文献２の廃熱回収装置により、ランキンサイクルにおける冷媒の蒸気漏れの検出が可能である。しかしながら、特許文献２の廃熱回収装置は、回収仕事量から蒸気漏れを予測して蒸気漏れを判断するため、冷媒の漏れを直接に検出する場合に比べ、判定精度が劣るものと考えられる。特に、エンジンの運転状態によっては、上記の各種情報から算出される予測回収仕事量が実測値と乖離する場合があり、冷媒の漏れを判定できない場合が考えられる。

そこで、本発明は、燃焼機関の廃熱を回収するランキンサイクルシステムの作動流体として用いられる冷媒の漏洩を判定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、機関の廃熱により蒸気化する冷媒が循環する冷媒通路と、蒸気化した前記冷媒からエネルギーを回収する廃熱回収部と、前記冷媒通路に含まれ、蒸気化した前記冷媒が流通する蒸気流通部に配置され、外気の存在を検出する外気検出手段と、前記外気検出手段の検出結果に基づいて、前記冷媒通路からの前記冷媒の漏洩を判定する判定手段と、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、冷媒の漏洩に応じて冷媒通路内へ入り込む外気の存在に基づいて冷媒漏れの判定を行い、冷媒漏れの判断精度を向上することができる。また、外気検出手段は、蒸気化した状態の冷媒に混入した外気を検出するため、液体状態の冷媒に混入した外気を検出する場合と比較して、検出精度を向上することができる。

このような廃熱回収装置において、前記廃熱回収部の下流側に配置され、蒸気化した前記冷媒を液化する復水器を備え、前記外気検出手段は、外気検出センサを含み、当該外気検出センサは前記廃熱回収部と前記復水器との間に設置され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、廃熱回収部通過後の気体に含まれる蒸気状態の冷媒が復水器で液化されるのに対して、復水器で液化しにくい外気が復水器上流側、すなわち、廃熱回収部と復水器との間に貯留するため、外気の存在を検出することが容易となる。

また、このような廃熱回収装置において、前記外気検出手段は、外気検出センサを含み、当該外気検出センサは、Ｏ_２センサであって、当該Ｏ_２センサは、蒸気化した前記冷媒中に含まれる酸素の濃度を検出し、前記判定手段は、前記Ｏ_２センサの検出した酸素濃度の値が閾値を越える場合、冷媒が漏洩していると判断する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、冷媒の漏洩により冷媒通路内に混入した外気の量を酸素の濃度に基づいて判断し、冷媒の漏洩を判断することができる。

また、このような廃熱回収装置において、前記判定手段が前記冷媒の漏洩を判定した場合、前記蒸気流通部への前記冷媒蒸気の流入を遮断する遮断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、冷媒の流通を停止し、冷媒の漏洩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、前記判定手段が前記冷媒の漏洩を判定した場合、前記冷媒の漏洩をユーザに警告する警告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、ユーザに適切な対処を促し、重故障を回避することができる。

また、上記の廃熱回収装置を組み込んだエンジンは、本発明のエンジンを構成する。このような構成とすることにより、エンジンの廃熱を回収するランキンサイクルシステムにおける冷媒（作動流体）の漏洩を判断することができる。

本発明は、冷媒の漏洩に応じて冷媒通路内へ入り込む外気の存在に基づいて冷媒漏れの判定を行うことにより、冷媒漏れの判断精度を向上できる。

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。 ＥＣＵによる冷媒漏れの判定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。

以下、本発明を実施するため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。エンジン１００は、車両に搭載されるエンジンである。

廃熱回収装置１は、エンジン本体２の廃熱により蒸気化する冷媒が循環する冷媒通路３を備えている。冷媒通路３は冷媒が循環するようにループ状に形成された配管である。また、廃熱回収装置２は、過熱器４、タービン５、復水器６、タンク７、ポンプ８を備えている。これらの機器は、冷媒通路３上に配置され、過熱器４から冷媒の流通する方向に、タービン５、復水器６、タンク７、ポンプ８が順に配置されている。冷媒通路３はループ状であるため、ポンプ８の下流側に過熱器４が配置された構成となっている。

過熱器４には、冷媒通路３と、エンジン本体２の排気ガスが流通する排気管９とが引き込まれている。過熱器４は、冷媒通路３内の冷媒と排気管９内の排気ガスとが熱交換し、冷媒が高温高圧の蒸気となるように構成されている。

タービン５は、過熱器４において蒸気化して高温高圧となった冷媒蒸気の流入により動翼が回転する。タービン５の回転軸５１は、タービン５の回転エネルギーを電気エネルギー、または他の動力に変換するエネルギー変換手段５２に接続されている。タービン５及びエネルギー変換手段５２は、蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する本発明の廃熱回収部５０として機能する。エネルギー変換手段５２は、例えば、エンジン本体２のクランクシャフトなどに接続されて、補助動力として蒸気のエネルギーを回収する構成であっても良いし、発電機と蓄電装置を備え、蒸気のエネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する構成であっても良い。

復水器６は、タービン５を通過した蒸気を冷却し、冷媒を液体の状態へ戻す。液体の状態となった冷媒はタンク７へ送られる。ポンプ８は、電動式のポンプであって、稼働することにより、タンク７内に貯留された液体の状態の冷媒を過熱器４へ供給する。以上のように、廃熱回収装置１には、冷媒を作動流体としてエンジンの廃熱を回収するランキンサイクルが形成されている。このような冷媒通路３には、過熱器４の下流側から復水器６の上流側に亘って、蒸気化した高温の冷媒蒸気が流通する蒸気流通部３ａが含まれている。また、冷媒通路３内は、冷媒と注入時に混入する僅かな空気のみが封入されており、破損等がない限り閉じた回路が形成され、冷媒量は増減しない。

さらに、蒸気流通部３ａの過熱器４の下流側であって、タービン５の上流側に、蒸気流通部３ａ内の酸素濃度を検出するＯ_２センサ１０が設置されている。このＯ_２センサ１０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１と電気的に接続されている。ＥＣＵ１１は、Ｏ_２センサ１０の出力値により外気の存在を検出し、その検出結果に基づいて、冷媒通路からの冷媒の漏洩を判定する。Ｏ_２センサ１０が蒸気流通部３ａに設けられているのは、液体状態の冷媒中では、酸素（外気）の濃度の検出が困難なため、蒸気の状態の冷媒中に含まれる酸素（外気）の濃度を検出するためである。これにより、液体状態の冷媒中の酸素（外気）を検出する場合と比較して、検出精度を向上することができる。

また、廃熱回収装置１には、冷媒通路３からの冷媒の漏洩をユーザ（ドライバ）へ通知する警告灯１２が備えられている。この警告灯１２は、ＥＣＵ１１と電気的に接続されており、ＥＣＵ１１は冷媒の漏洩を判断すると、警告灯１２を点灯させる。ＥＣＵ１１は、ポンプ８と電気的に接続し、ポンプ８へその稼働指令信号を送信する。ポンプ８はその指令信号にしたがって稼働する。

次に、廃熱回収装置１の作用について説明する。ＥＣＵ１１は、過熱器４において冷媒が回収するエンジン本体２からの廃熱のエネルギーが、廃熱回収部５０において回収可能であると判断すると、ランキンサイクルの運転を開始させる。具体的には、ＥＣＵ１１はポンプ８を稼働させる。ポンプ８の稼働により、タンク７内の液体状態の冷媒は、過熱器４へ供給される。過熱器4に供給された液体状態の冷媒は、エンジン本体２から排出される排気ガスの廃熱を回収して高温高圧の蒸気となる。こうして蒸気化した冷媒は、タービン５へ流入し、タービン５の動翼を回転させる。これにより、回転軸５１で接続されたエネルギー変換手段５２において、廃熱から回収されたエネルギーが他の装置への補助動力や電気エネルギーに変換され、回収される。タービン５を通過した蒸気は、復水器６で凝縮し、液体の状態へ戻されて、タンク７に貯留される。

このような廃熱回収装置１では、冷媒通路３や冷媒通路３に配置された各機器が何らかの理由により破損等し、密封状態の冷媒が漏洩することが考えられる。冷媒が漏洩する場合、冷媒通路３内の冷媒量が減少するため、廃熱回収量が減少し、ランキンサイクルの廃熱回収効率が低下する。特に、エネルギー変換手段５２において、タービン５の回収仕事をエンジン本体２のクランクシャフトの補助動力に用いる場合、冷媒の漏洩により補助動力が得られず、燃費が悪化することが懸念される。また、冷媒漏れにより冷媒通路３内の冷媒量が減少すると、過熱器４内で排気ガスから回収する熱量が減少するため、排気ガスの冷却量が低下する。したがって、高温の状態の排気ガスが過熱器４を通過し、過熱器４の下流に配設された触媒へ高温の排気ガスが流入することとなり、触媒の劣化を進行させることが懸念される。また、漏洩した冷媒が電装品に付着しショートする場合、故障や火災の原因となりうる。従って、冷媒の漏洩を検出し、上記の故障等を未然に防止することが必要である。

次に、このような廃熱回収装置１における冷媒漏れの判定制御について説明する。冷媒漏れの判定制御は、このような状態を検出する制御である。冷媒漏れの判定制御はＥＣＵ１１により処理される。図２は、ＥＣＵ１１による冷媒漏れの判定制御のフローである。以下、図２を用いて冷媒漏れの判定制御について説明する。

ＥＣＵ１１はステップＳ１で、Ｏ_２センサ１０の出力値を取得する。Ｏ_２センサ１０は、蒸気流通部３ａ内の酸素濃度を検出し、その酸素濃度に応じた出力値がＥＣＵ１１に送られる。ＥＣＵ１１はＯ_２センサ１０の出力値を取得すると、ステップＳ２へ進む。

ＥＣＵ１１はステップＳ２で、取得した出力値が閾値ｃ１を超えるか否かを判断する。冷媒漏れが起こると、冷媒通路３から冷媒が漏洩するのに応じて、冷媒通路３内に外気が混入する。廃熱回収装置１では、ＥＣＵ１１が外気の混入量を酸素濃度で判定する。ＥＣＵ１１は、酸素濃度、すなわち、取得された出力値が閾値ｃ１を超えたと判断すると、冷媒が漏洩していると判断する。ここで、閾値ｃ１は、閾値ｃ１を超える検出値の酸素濃度が検出された場合、ランキンサイクルの運転に問題が生じるような値であって、予めＥＣＵ１１に設定されている。ランキンサイクルの運転に問題が生じる場合とは、ランキンサイクルの回収効率の低下、排気ガスの不十分な冷却に伴う触媒の劣化等が生じる場合である。

ＥＣＵ１１はステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、取得した出力値が閾値ｃ１を超える場合、ステップＳ３、ステップＳ４の処理へ進む。ＥＣＵ１１はステップＳ３で、ポンプ８を停止する。また、ＥＣＵ１１はステップＳ４で、警告灯１２を点滅させる。この場合、ＥＣＵ１１は冷媒が漏洩していると判断するので、ポンプ８による冷媒の圧送を停止し、蒸気流通部３ａへの冷媒蒸気の流入を止め、冷媒漏れを抑制する。これにより、冷媒漏れによる電装部品のショートを防ぎ、重故障を未然に防止する。また、警告灯１２の点滅により、冷媒漏れをユーザ（ドライバ）へ通知し、故障の適切な対処を促す。なお、ここでのステップＳ３、ステップＳ４の処理順序は問わない。ＥＣＵ１１は、ステップＳ３、ステップＳ４の処理を終えると、冷媒漏れの判定制御を終了する。

ところで、ＥＣＵ１１はステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、取得した出力値が閾値ｃ１を超えていない場合、ステップＳ１の処理へ進み、引き続き、冷媒漏れの判定制御を継続する。

動力回収装置１は、以上の制御処理により、冷媒漏れを判断した場合、ランキンサイクルの運転を停止する。これにより、熱交換不足による高温の排気ガスの流入による触媒の劣化を抑制する。また、冷媒の電装品の付着によるショートを防ぎ、故障、火災を未然に防止する。さらに、廃熱回収部５０がタービン５の回収仕事をエンジン本体２の補助動力として回収する場合には、燃費悪化を抑制する。

次に、本発明の実施例２について説明する。図３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と略同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置２１は、Ｏ_２センサ１０の設置位置が異なる点で、実施例１の廃熱回収装置１と相違する。廃熱回収装置２１のＯ_２センサ１０は、蒸気流通部３ａのタービン５の下流側であって、復水器６の上流側、すなわち、タービン５と復水器６との間に設置されている。なお、その他の構成、及び制御は実施例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。

本実施例での廃熱回収装置２１の作用、制御は実施例１と同様である。以下、Ｏ_２センサ１０の配置を変更したことによる効果を説明する。

外気の全く混入していない理想的な環境下では、復水器６により冷媒が液体に凝縮されると、圧力が低下するため、復水器６の上流側直前の冷媒通路３内は、冷媒が復水器６に引き込まれ、真空に近い状態となる。ところが、外気が混入している状態では、外気は復水器６において凝縮されにくく、さらに、ランキンサイクルの運転中に冷媒通路３に混入した外気は、冷媒と共に復水器６の上流側に到達するため、復水器６の上流側直前の冷媒通路３内に溜まりやすい。したがって、タービン５と復水器６との間の冷媒通路３内に設置したＯ_２センサ１０により、混入した外気の存在を検出することが容易となる。このように、混入した外気の存在を検出することが容易になるため、ランキンサイクル運転時に冷媒漏れの判定制御を実行することが望ましい。

次に、本発明の実施例３について説明する。図４は、本実施例の廃熱回収装置３１を組み込んだエンジン２００を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置３１は、実施例２の廃熱回収装置１と略同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置３１は、エンジン本体３２のウォータジャケット３３が冷媒通路３に含まれる点で、実施例２の廃熱回収装置２１と相違する。なお、その他の構成は実施例２と同一であるため、実施例２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。

本実施例において、ランキンサイクルの作動流体として用いる冷媒により、エンジン本体３２の冷却を行う。したがって、冷媒はエンジン本体３２から排出される熱を回収する。ウォータジャケット３３内の冷媒は、エンジン本体３２の廃熱を回収し、冷却する際に蒸気化する。蒸気化した冷媒は、過熱器４へ流入し、さらに排気ガスから熱を回収して高温となる。また、蒸気化してエンジン本体３２から流れ出る冷媒を補うように、ポンプ８から冷媒が供給される。このように、本実施例の廃熱回収装置３１において、ウォータジャケット３３へ冷媒を通過させ、エンジン本体３２の廃熱を回収するため、冷媒が回収する廃熱のエネルギーが実施例１に比べ増加する。

このようなランキンサイクル作動流体を用いてエンジン本体を冷却する装置では、ランキンサイクル作動流体が漏洩することにより、上記で説明したランキンサイクルの廃熱回収効率の低下、排気ガスの冷却不足による触媒の劣化、漏洩した冷媒の付着による電装品のショートによる故障、火災が懸念される問題に加えて、エンジン本体の冷却効果が低下し、エンジンがオーバーヒートすることが懸念される。したがって、ランキンサイクルの作動流体の漏洩を検出し、エンジンのオーバーヒートを防止することが必要である。

本実施例の冷媒漏れの判定制御は実施例１と同様であるので、その説明を省略する。廃熱回収装置３１は、冷媒漏れの判定制御により冷媒漏れが判定された場合、ランキンサイクルの運転を停止し、ユーザ（ドライバ）に警告する。これにより、ユーザが運転を停止し、修理をするなどの然るべき対処を行うことにより、重故障を防止することができる。

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、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。

例えば、本発明の実施例では、外気検出センサを、酸素濃度を検出するＯ_２センサ１０を用いて、外気の検出を行っているが、Ｏ_２センサ１０に代えて、Ａ／Ｆセンサ、ＣＯ_２センサなどを用いることができる。要は、冷媒蒸気と外気に含まれる成分とを判別することができ、外気の混入量を検出できる検出手段であれば良い。また、本発明の実施例では、ポンプ８は電動式ポンプであり、ＥＣＵ１１が冷媒の漏洩を判断すると、ポンプ８の運転を停止する構成としていたが、これに代えて、ポンプ８の下流側に電子制御弁を備え、ＥＣＵ１１が冷媒の漏洩を判断すると、電子制御弁を閉弁状態とする構成とすることができる。この場合、ポンプ８を機械式ポンプとすることができる。

１、２１、３１ 廃熱回収装置
２、３２ エンジン本体
３ 冷媒通路
４ 過熱器
５ タービン
５０ 廃熱回収部
６ 復水器
１０ Ｏ_２センサ
１１ ＥＣＵ
１２ 警告灯
３３ ウォータジャケット
１００、２００ エンジン

Claims (6)

1. 機関の廃熱により蒸気化する冷媒が循環する冷媒通路と、
   蒸気化した前記冷媒からエネルギーを回収する廃熱回収部と、
   前記冷媒通路に含まれ、蒸気化した前記冷媒が流通する蒸気流通部に配置され、外気の存在を検出する外気検出手段と、
   前記外気検出手段の検出結果に基づいて、前記冷媒通路からの前記冷媒の漏洩を判定する判定手段と、
   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、
   前記廃熱回収部の下流側に配置され、蒸気化した前記冷媒を液化する復水器を備え、
   前記外気検出手段は、外気検出センサを含み、当該外気検出センサは前記廃熱回収部と前記復水器との間に設置されたことを特徴とする廃熱回収装置。
3. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記外気検出手段は、外気検出センサを含み、
   当該外気検出センサは、Ｏ_２センサであって、
   当該Ｏ_２センサは、蒸気化した前記冷媒中に含まれる酸素の濃度を検出し、
   前記判定手段は、前記Ｏ_２センサの検出した酸素濃度の値が閾値を越える場合、冷媒が漏洩していると判断することを特徴とする廃熱回収装置。
4. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記判定手段が前記冷媒の漏洩を判定した場合、前記蒸気流通部への前記冷媒蒸気の流入を遮断する遮断手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
5. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記判定手段が前記冷媒の漏洩を判定した場合、前記冷媒の漏洩をユーザに警告する警告手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項記載の廃熱回収装置を組み込んだエンジン。

Images