JP2010174848A - 排熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジン排熱をランキンサイクル側へ熱交換する排熱回生システムでは、ランキンサイクルの冷媒ポンプが故障した場合、作動流体が流れなくなるため、エンジン冷却水と作動流体との間で熱交換ができなくなり、エンジン冷却水温度が過上昇する。冷媒ポンプが故障しても、エンジン冷却水温度の過上昇を防止できる排熱回生システムを提供する。
【解決手段】 冷媒ポンプ１４を流れる作動流体の流量が所定値以下のとき、モータジェネレータ２０を電動モータとして動作させて膨張機１２を回転させ、ポンプバイパス路３０を介してランキンサイクル１０に作動流体を流す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関の冷却水や排気ガスの排熱を、ランキンサイクルにより動力等として回生する排熱回生システムに関するものである。

内燃機関（以下、エンジンと記す）の冷却水などの排熱をランキンサイクルにより動力等として回生する排熱回生システムは、エンジンの冷却水とランキンサイクルの作動流体（冷媒とも言う）との間で熱交換することで、ランキンサイクルで動力や電力を発生させる。エンジンは、エンジン冷却水が循環する回路（以下、冷却水回路と記す）を備えることで冷却される。ランキンサイクルは、エンジンの排熱で作動流体を加熱する蒸発器、作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機、作動流体を凝縮させる凝縮器、作動流体を圧送して循環させる冷媒ポンプから構成される。従来の排熱回生システムでは、蒸発器を介してエンジン冷却水の排熱をランキンサイクル側へ熱交換させることで、エンジン冷却水の温度を所定温度に下げてエンジン冷却水温度の過上昇を防止し、エンジン温度を制御していた（例えば、特許文献１参照）。

また、冷却水回路に蒸発器の他にラジエータを追加することで、エンジン排熱を外部へ放出してエンジン冷却水温度の過上昇を防止していた（例えば、特許文献２参照）。

さらに、ランキンサイクルの異常時、例えばサイクル装置内部の異常高圧化などに対応するために、膨張機をバイパスする流路を利用し、異常時に作動流体を高圧部から低圧部へ逃がすことで、ランキンサイクルの機能を維持しながら異常回避をしていた（例えば、特許文献３参照）。

特開昭６３−９９４６４号公報 特開昭６３−９６４４９号公報 特開２００７−９８９７号公報

従来の排熱回生システムでは、蒸発器を介して、エンジン排熱を作動流体で回収することでエンジン温度を一定温度に保っている。このため、ランキンサイクルの冷媒ポンプが故障して作動流体が流れなくなるとランキンサイクルの運転ができず、エンジン冷却水と作動流体との熱交換ができなくなり、エンジン冷却水温度が過上昇してエンジン温度を制御できなくなるという問題点があった。

また、エンジン冷却水回路にラジエータを含む場合は、ラジエータとランキンサイクルの凝縮器という、二つの放熱用の熱交換器を有する構成となるため、排熱回生システムが大きくなってしまう。このため、スペースの限られた自動車のエンジンルーム内に、排熱回生システムを設置することが困難になるという問題点があった。

さらに、膨張機をバイパスする回路では冷媒ポンプが故障した場合には対応できず、冷媒ポンプの故障時には作動流体が流れなくなり、エンジン冷却水温度が過上昇してエンジン温度を制御できなくなるという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、別途追加の熱交換器（ラジエータ）を設置することなく、ランキンサイクルの冷媒ポンプが故障した場合に、エンジン冷却水の排熱をランキンサイクル側へ熱交換させて、エンジン冷却水の温度の過上昇を防止できる排熱回生システムを得ることを目的としている。

本発明に係る排熱回生システムは、作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機と、膨張機が発生する動力を電力に変換するモータジェネレータと、作動流体を圧送する冷媒ポンプと、冷媒ポンプをバイパスするポンプバイパス回路と、ポンプバイパス回路を開閉する制御弁と、冷媒ポンプを流れる作動流体の流量が所定値以下のときに、制御弁を開き且つモータジェネレータを膨張機に対して動力を供給する電動モータとして動作させる制御装置とを備えたものである。

本発明によれば、冷媒ポンプが故障した場合に、モータジェネレータを電動モータとして動作させて膨張機を回転させ、ポンプバイパス回路を介してランキンサイクルに作動流体を流すことができる。これにより冷媒ポンプが故障した場合にも、エンジンの排熱をランキンサイクル側へ熱交換してエンジン冷却水温度の過上昇を防止でき、エンジン温度の過上昇を抑制することが可能となる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態２による排熱回生システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態３による排熱回生システムを示す構成図である。

本発明に係る排熱回生システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の各図において、同一符号は、同一または相当の構成を示す。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。エンジン１は、例えば、自動車走行用駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン１を冷却するための冷却水回路２には、エンジン冷却水を循環させる冷却水ポンプ３が設置されている。冷却水回路２には冷却水の温度に応じた電気信号を出力する水温センサ４が設けられている。

ランキンサイクル１０は、蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１３、冷媒ポンプ１４が配管により接続されて構成される。ランキンサイクル１０内には、作動流体（例えば、冷媒Ｒ１３４ａ）が充填されている。冷媒ポンプ１４は電動モータで駆動され液体状態の作動流体を蒸発器１１に圧送する。蒸発器１１には、エンジン１の冷却水回路２とランキンサイクル１０の回路とが接続され、加熱されたエンジン冷却水とランキンサイクル１０の作動流体との間で熱交換を行う構成である。膨張機１２は、蒸発器１１で生成された過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて動力を取り出す構成になっている。凝縮器１３は蒸気の作動流体を冷却して凝縮するために、ファン１５によって空冷される構造である。

モータジェネレータ２０は膨張機１２で発生した動力で発電するものである。モータジェネレータ２０は、膨張機１２にて回収された動力にて駆動されて電力を発生する発電機としての機能と、膨張機１２に駆動力（回転力）を供給する電動モータとしての機能とを備えている。インバータ２１はモータジェネレータ２０を制御し、モータジェネレータ２０を発電機として機能させる場合にはモータジェネレータ２０で発電した電力をインバータ２１を介してバッテリ２２に蓄電し、モータジェネレータ２０を電動モータとして機能させる場合にはバッテリ２２からインバータ２１を介してモータジェネレータ２０に電力を供給する。

ランキンサイクル１０には、凝縮器１３にて液化した作動流体を、冷媒ポンプ１４をバイパスして蒸発器１１に流すポンプバイパス路３０が設けられている。ポンプバイパス路３０には、このポンプバイパス路３０の開度を調整可能な制御弁３１が設けられている。また、ランキンサイクル１０を流れる作動流体の流量をモニターする冷媒流量センサ３２が設置されている。図１に示す冷媒流量センサ３２は、液体流量センサの例であり、ランキンサイクル１０の中で作動流体が液体状態である場所、即ち、冷媒ポンプ１４と蒸発器１１との間、もしくは凝縮器１３と冷媒ポンプ１４との間のいずれかに設置する。

また、冷媒流量センサ３２は、蒸気流量を検出する蒸気流量センサであってもよい。この場合は、冷媒流量センサ３２は、ランキンサイクル１０の中で作動流体が気体状態である場所、即ち、蒸発器１１と膨張機１２との間に設置する。また膨張機１２の出口において作動流体が凝縮せず、全量が蒸気である場合は、膨張機１２と凝縮器１３との間にも設置可能である。

制御装置（ＥＣＵ）４０は、システム全体の制御を司るものであり、水温センサ４の検出温度信号が入力され、水温センサ４の検出温度等に基づき、インバータ２１、冷媒ポンプ１４、および制御弁３１等の動作を制御する。

次に、本実施の形態１による排熱回生システムの動作について述べる。冷却水ポンプ３により冷却水回路２を循環するエンジン冷却水は、エンジン１を冷却しながら加熱されて温度が上昇する。冷却水回路２の水温センサ４で検出されたエンジン冷却水温度が低いときには、制御装置４０はランキンサイクル１０を停止させておく。冷却水温度が設定温度（例えば９０℃）以上になると、制御装置４０はランキンサイクル１０を稼動するために、冷媒ポンプ１４、制御弁３１、インバータ２１に指示を出す。この指示により、液体ポンプ１４が動作を開始して作動流体をランキンサイクル１０内で循環させるとともに、制御弁３１が全閉となり、ポンプバイパス路３０側への作動流体の流れは遮断される。

冷媒ポンプ１４から送り出された液体状態の作動流体は、通常９０℃〜１００℃程度にまで加熱された冷却水回路２のエンジン冷却水と蒸発器１１において熱交換し、約９０℃の高温高圧の蒸気（過熱蒸気）となる。約９０℃の高温高圧の蒸気となった作動流体は、全量が膨張機１２に流入して、膨張機１２で等エントロピ的に膨張し、その際のエンタルピの変化が動力に変換される。膨張機１２で発生した動力はモータジェネレータ２０で電力に変換され、インバータ２１を介してバッテリ２２に蓄電される。

膨張後に膨張機１２から吐き出された低圧ガス状態の作動流体（例えば約６０℃の蒸気）は、ファン１５により空冷される凝縮器１３で冷却され、外気に放熱をしながら凝縮し、液体となって（例えば約３０℃）冷媒ポンプ１４に戻りサイクルを繰り返す。

ここで、冷媒ポンプ１４が故障した場合には、冷媒ポンプ１４を流れる作動流体の流量が減少する。ランキンサイクル１０の回路内を作動流体が流れなくなり、蒸発器１１でエンジン冷却水と熱交換することができなくなる。このため、エンジン冷却水の温度が上昇してしまう。冷媒ポンプ１４の故障は、冷媒流量センサ３２で冷媒ポンプ１４を流れる作動流体の流量を検出することで、検知することができる。作動流体の流量（冷媒流量センサ３２の出力値）が所定値以下になると、制御装置４０は、インバータ２１および制御弁３１に指示を出す。この指示により、インバータ２１はバッテリ２２からモータジェネレータ２０に電力を供給し、また、制御弁３１が開となる。これにより、モータジェネレータ２０は電動モータとして機能し、作動流体はポンプバイパス路３０側に流れる。

電動モータとして機能するモータジェネレータ２０から動力を供給されることにより回転する膨張機１２は、作動流体を蒸発器１１側から凝縮器１３側へ流す。このとき、膨張機１２はランキンサイクル１０の動力源となる。凝縮器１３を通過した作動流体は、ポンプバイパス路３０を介して蒸発器１１へと流れる。冷媒ポンプ１４が故障しても、膨張機１２が動力源となり作動流体を流すことで、蒸発器１１におけるエンジン冷却水と作動流体との間の熱交換が可能となり、エンジン冷却水温度の過上昇を防止できる。

また、モータジェネレータ２０を電動モータとして動作させて膨張機１２を回転させる場合に、制御装置４０は、水温センサ４で検出されるエンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調整する。制御装置４０は、水温センサ４で検出されるエンジン冷却水の温度が高くなると、膨張機１２の回転数が高くなるようバッテリ２２からモータジェネレータ２０への電力の供給量を増加させる。即ち、制御装置４０は、エンジン冷却水の温度上昇に伴い、膨張機１２の回転数を増加させる。このように、冷却水回路２を流れるエンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調節するため、エンジン冷却水の温度を適正値にすることが可能となる。

本発明の実施の形態１によれば、ランキンサイクル１０の冷媒ポンプ１４故障時には、モータジェネレータ２０を電動モータとして動作させて膨張機１２を回転させることで、ポンプバイパス路３０を介して作動流体を流すことができる。このため、冷媒ポンプ１４故障時にも、エンジン冷却水側から作動流体側への熱移動（吸熱）が可能となり、エンジン冷却水温度の過上昇を防止し、エンジン温度の過上昇を抑制することができる。

また、エンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調整するため、エンジン冷却水の温度を適正値に保つことができ、エンジン温度を制御することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による排熱回生システムを示す構成図である。実施の形態１では、冷媒ポンプ１４の故障を判断するためにランキンサイクル１０の冷媒流量センサ３２を用いたが、本実施の形態２は、ランキンサイクル１０に設置した冷媒圧力センサ３３を利用するようにしたものである。実施の形態１と同一もしくは相当する部分については、その説明を省略する。

冷媒ポンプ１４が故障した場合、冷媒ポンプ１４を流れる作動流体の流量が減少する。冷媒ポンプ１４を流れる作動流体の流量が減少すると、ランキンサイクル１０の回路内の圧力が低下する。特に、ランキンサイクル１０の高圧部における圧力低下が顕著となる。よって、ランキンサイクル１０の回路内の圧力をモニターすることにより、冷媒ポンプ１４の故障を検知することができる。

冷媒ポンプ１４と蒸発器１１との間の流路には、冷媒圧力を検出する冷媒圧力センサ３３が設けられている。冷媒圧力センサ３３によって検出された圧力信号は制御装置４０に入力される。冷媒圧力センサ３３は、ランキンサイクル１０の高圧部に設置すればよく、蒸発器１１と膨張機１２との間の流路に設置してもよい。

冷媒ポンプ１４が正常に動作している場合には、冷媒圧力センサ３３からの圧力信号は標準値を示す。冷媒ポンプ１４が故障した場合には、作動流体が流れなくなるためランキンサイクル１０の回路内の圧力が低下し、冷媒圧力センサ３３によって検出される圧力信号は低下する。冷媒圧力センサ３３の圧力信号が所定値以下になると、制御装置４０は、インバータ２１および制御弁３１に指示を出す。この指示により、インバータ２１はバッテリ２２からモータジェネレータ２０に電力を供給し、また、制御弁３１が開となる。これにより、モータジェネレータ２０は電動モータとして機能し、作動流体はポンプバイパス路３０側に流れる。

冷媒ポンプ１４が故障しても、実施の形態１と同様に、膨張機１２が動力源となり作動流体を流すことで、蒸発器１１におけるエンジン冷却水と作動流体との間の熱交換が可能となり、エンジン冷却水温度の過上昇を防止できる。さらに、実施の形態１と同様に、冷却水回路２を流れるエンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調節すれば、エンジン冷却水の温度を適正値にすることが可能となる。

本発明の実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、冷媒ポンプ１４故障時にもエンジン冷却水側から作動流体側への熱移動（吸熱）が可能となり、エンジン冷却水の温度の過上昇を防止し、エンジン温度の過上昇を抑制することができる。また、エンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調整するため、エンジン冷却水の温度を適正値に保つことができ、エンジン温度を制御することができる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による排熱回生システムを示す構成図である。冷媒ポンプ１４の故障を判断するために、実施の形態１では冷媒流量センサ３２を用いたが、本実施の形態３は、ランキンサイクル１０に設置した冷媒温度センサ３４を利用するようにしたものである。実施の形態１と同一もしくは相当する部分については、その説明を省略する。

冷媒ポンプ１４が故障した場合、冷媒ポンプ１４を流れる作動流体の流量が減少する。蒸発器１１において冷却水回路２側からランキンサイクル１０側へ供給される熱量は同様であるが、蒸発器１１へ流入する作動流体の流量が減少するため、蒸発器１１から流出する作動流体の温度は上昇する。よって、作動流体の温度をモニターすることにより、冷媒ポンプ１４の故障を検知することができる。

ランキンサイクル１０には、蒸発器１１から流出する蒸気の温度、つまり膨張機１２に流入する蒸気の温度を検出する冷媒温度センサ３４を設けている。冷媒温度センサ３４によって検出された温度信号は制御装置４０に入力される。制御装置４０は、冷媒温度センサ３４の温度信号が所定値以上になると、冷媒ポンプ１４に異常有りと判定して、インバータ２１および制御弁３１に指示を出す。この指示により、インバータ２１はバッテリ２２からモータジェネレータ２０に電力を供給し、また、制御弁３１が開となる。これにより、モータジェネレータ２０は電動モータとして機能し、作動流体はポンプバイパス路３０側に流れる。

冷媒ポンプ１４が故障しても、実施の形態１と同様に、膨張機１２が動力源となり作動流体を流すことで、蒸発器１１におけるエンジン冷却水と作動流体との間の熱交換が可能となり、エンジン冷却水温度の過上昇を防止できる。さらに、実施の形態１と同様に、冷却水回路２を流れるエンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調節すれば、エンジン冷却水の温度を適正値にすることが可能となる。

本発明の実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、冷媒ポンプ１４故障時にもエンジン冷却水側から作動流体側への熱移動（吸熱）が可能となり、エンジン冷却水の温度の過上昇を防止し、エンジン温度の過上昇を抑制することができる。また、エンジン冷却水の温度に応じて、膨張機１２の回転数を調整するため、エンジン冷却水の温度を適正値に保つことができ、エンジン温度を制御することができる。

１０ ランキンサイクル
１２ 膨張機
１４ 冷媒ポンプ
２０ モータジェネレータ
３０ ポンプバイパス回路
３１ 制御弁
３２ 冷媒流量センサ
３３ 冷媒圧力センサ
３４ 冷媒温度センサ
４０ 制御装置

Claims (5)

1. ランキンサイクルを用いて内燃機関の排熱を回生する排熱回生システムにおいて、
   前記ランキンサイクルを流れる作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機と、
   前記膨張機が発生する動力を電力に変換するモータジェネレータと、
   前記作動流体を圧送する冷媒ポンプと、
   前記冷媒ポンプの入口側と出口側とを連通して、前記冷媒ポンプをバイパスするポンプバイパス回路と、
   前記ポンプバイパス回路を開閉する制御弁と、
   前記冷媒ポンプを流れる作動流体の流量が所定値以下のときに、前記制御弁を開き且つ前記モータジェネレータを前記膨張機に対して動力を供給する電動モータとして動作させる制御装置と、
   を備えた排熱回生システム。
2. 前記作動流体の流量を測定する冷媒流量センサを備え、
   前記制御装置は、前記冷媒流量センサの出力値に基づき、前記冷媒ポンプを流れる作動流体の流量が所定値以下であると判定することを特徴とする請求項１記載の排熱回生システム。
3. 前記作動流体の圧力を測定する冷媒圧力センサを備え、
   前記制御装置は、前記冷媒圧力センサの出力値に基づき、前記冷媒ポンプを流れる作動流体の流量が所定値以下であると判定することを特徴とする請求項１記載の排熱回生システム。
4. 前記作動流体の温度を測定する冷媒温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記冷媒温度センサの出力値に基づき、前記冷媒ポンプを流れる作動流体の流量が所定値以下であると判定することを特徴とする請求項１記載の排熱回生システム。
5. 前記制御装置は、前記冷媒ポンプを流れる作動流体の流量が所定値以下のときに、前記内燃機関の冷却水の温度上昇に伴い、前記膨張機の回転数を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の排熱回生システム。

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