JP2013096322A - 廃熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの作動時かつ膨張機出力が不要な時であっても、ボイラ及び作動流体の温度上昇を十分に防止することができる廃熱回生システムを提供することを課題とする。
【解決手段】廃熱回生システム１００はポンプ３２、ボイラ３４、膨張機３６及びコンデンサ３８から構成されるランキンサイクル回路３０と、ボイラ３４の下流側出口における作動流体の温度を検出する温度センサ３７と、膨張機３６をバイパスするバイパス流路３１と、バイパス流路３１上に設けられた開閉弁３３と、コントローラ５０とを備える。コントローラ５０は、エンジン１０の作動時かつ膨張機出力が不要な時において、開閉弁３３を開状態にし、かつ、作動流体の温度が第１所定温度以下になるようにポンプ３２に流量を調整させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムに関する。

エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱するボイラと、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。

通常、車両に搭載される廃熱回生システムでは、車のアイドリング時等、膨張機出力が不要の場合にポンプの駆動を停止して、ランキンサイクルの作動を停止する。しかし、ランキンサイクルの作動を停止すると、作動流体がランキンサイクル回路を循環しなくなるのでボイラに滞留し、作動流体の温度がエンジンからの廃熱により極度に上昇してしまう。そのため、作動流体が熱分解したり、作動流体に含まれる循環オイルが炭化したりして、廃熱回生システムのエネルギー回収率が低下してしまう。また、廃熱が出続けている状態でランキンサイクルを停止するとボイラ自体も高温となるため、ボイラの耐熱性を高める必要もある。

特許文献１の図３を参照すると、ボイラ（排気ガス熱交換器）１８を凝縮器２４よりも下側に位置づける廃熱回生システムが記載されている。これにより、ポンプ２８の駆動を停止してランキンサイクルを停止した場合であってもボイラ１８と凝縮器２４との高低差により作動流体をボイラ１８に還流させ、ボイラ１８側から凝縮器２４側への定常的な熱移動を行うことができるようにしている。すなわち、閉回路内に作動流体の蒸発（ボイラ１８）、蒸気移動（ボイラ１８から凝縮器２４への移動）、凝縮（凝縮器２４）、液還流（重力によって凝縮器２４からボイラ１８への還流）のサイクルからなる、いわゆるヒートパイプの形式の一例としてのサーモサイフォンループを形成する。そのため、ボイラ１８に作動流体が滞留せず、作動流体及びボイラ１８が高温になる事態が防止される。

特開２００９−２８７４３３号公報

しかしながら、重力によって還流される冷媒の量は限られているため、特許文献１に記載の廃熱回生システムのヒートパイプでは、ボイラ及びボイラにおける作動流体の温度上昇を抑制するために必要な冷媒循環量が不足してしまう。

この発明はこのような問題を解決するため、エンジンの作動時かつ膨張機の出力が不要な時であっても、ボイラ及び作動流体の温度上昇を十分に防止することができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、車両のエンジンの廃熱を利用するものであって、作動流体を圧送するポンプ、廃熱によって作動流体を加熱するボイラ、ボイラによって加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、および膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサから構成されるランキンサイクル回路と、ボイラへ流入する作動流体の流量を調整する流量調整手段と、ボイラの下流側かつ膨張機の上流側に設けられ、ボイラの下流側出口における作動流体の温度を検出する温度検出手段と、ボイラの下流側かつ膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、バイパス流路上に設けられた開閉弁と、エンジンの作動時かつ膨張機の出力が不要な時において、開閉弁を開状態にし、かつ作動流体の温度が第１所定温度以下になるように流量調整手段に流量を調整させる制御手段とを備える。従って、膨張機の出力不要時であっても、ポンプは作動流体の流量を調整しながら、作動流体をランキンサイクル回路に循環させ続けることができる。

また、流量調整手段は、作動流体の温度が第１所定値以下かつ第２所定値以上となるように、ボイラへ流入する作動流体の流量を調整してもよい。なお、第２所定値は第１所定値よりも低温の値であるとする。

さらに、ボイラにおける作動流体の吸熱量を制限する吸熱量制限手段を備えることもできる。

またさらに、作動流体を加熱する廃熱の少なくとも一つはエンジンの排気ガスの熱であってもよい。

この発明による廃熱回生システムによれば、エンジンの作動時かつ膨張機の出力が不要な時であっても、ボイラ及び作動流体の温度上昇を十分に防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 図１のランキンサイクル回路の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００は、ポンプ３２と、ボイラ３４と、膨張機３６と、コンデンサ３８とを有し、これらはランキンサイクル回路３０を構成する。ボイラ３４の下流側かつ膨張機３６の上流側には温度センサ３７が設けられている。温度センサ３７の下流側かつ膨張機３６の上流側の第１分岐点３１ａには、バイパス流路３１の一端が接続されており、バイパス流路３１の他端は、膨張機３６の下流側かつコンデンサ３８の上流側の第２分岐点３１ｂに接続されている。バイパス流路３１の途中には開閉弁３３が設けられている。

ポンプ３２は廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル回路３０内の作動流体としての冷媒を圧送する。またポンプ３２は、圧送する冷媒の量を適宜増減させるための流量調整手段としても機能する。すなわち、ポンプ３２はコントローラ５０と電気的に接続されており、コントローラ５０の指示に応じて回転数を変化させることにより圧送する冷媒流量を適宜増減させることができる。ボイラ３４にはエンジン１０からの排気ガスが供給されており、排気ガスと冷媒とを熱交換させて冷媒を加熱する。膨張機３６は、ボイラ３４において加熱されて気化した冷媒を膨張させて機械的エネルギーを発生させる。コンデンサ３８は、気化した状態の冷媒を外気と熱交換させて冷却凝縮させる。

コントローラ５０は開閉弁３３、ポンプ３２及び温度センサ３７に電気的に接続されている。コントローラ５０は、エンジンＥＣＵ（図示せず）からエンジン１０の作動状態の情報を取得して、その情報に基づいて開閉弁３３の開閉状態を制御する。また、温度センサ３７が検出した冷媒温度Ｔに基づいてコントローラ５０が、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を調整するように指示を出す。

また、エンジン１０は駆動軸４２を有し、膨張機３６は駆動軸４３を有する。ベルト４１はエンジン１０の駆動軸４２と、膨張機３６の駆動軸４３とを接続し、膨張機３６が発生させた機械的エネルギー（膨張機出力）を駆動軸４２に伝達する。

エンジン１０には排気管１１が連結され、エンジン１０から発生した排気ガスは排気管１１を通って車外へ排気される。排気管１１の途中にはボイラ３４が設けられる。ボイラ３４において、排気管１１を流通する排気ガスとランキンサイクル回路３０内を流通する冷媒とが熱交換される。即ち、ランキンサイクル回路３０内の冷媒が排気ガスの廃熱によって加熱される。

この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について、図１及び２を参照して説明する。
この発明の実施の形態１に係るコントローラ５０のフローチャートを図２に示す。
まず、ステップＳ１にてコントローラ５０は、エンジンＥＣＵ（図示せず）からの情報に基づいて、エンジンが作動しているか否かについて判定する。エンジン１０が作動していない場合は、この制御は終了する。なお、「エンジンの作動時」とは、エンジン回転数がアイドル状態時の回転数と同程度又はそれ以上の回転数の時をいう。

エンジン１０が作動している場合は、次にステップＳ２にて膨張機出力が不要か否かについて判定する。なお、ここで「エンジンの作動時において、膨張機出力が不要な時」とは、エンジンがアイドリング状態で稼動している時、下り坂等でユーザーがアクセルを踏んでいない時等である。

次に、ステップＳ２で、コントローラ５０がエンジン１０の作動状態の情報に基づいて膨張機出力が不要であると判断した場合は、バイパス流路３１上の開閉弁３３を開状態にし、バイパス流路３１へ冷媒を流入させる（ステップＳ３）。この際、膨張機３６の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差圧が０になるため、膨張機３６による膨張機の出力は発生していない状態となる。

一方、膨張機出力が必要であると判断された場合は、開閉弁３３は閉じた状態を維持される（ステップＳ６）。コントローラ５０は、膨張機３６が必要な膨張機出力を発生させるために必要な量の冷媒を供給できるように、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を調整し（ステップＳ７）、その後制御を終了する。

ステップＳ３において、開閉弁３３が開状態となった場合は、コントローラ５０がボイラ３４の出口における冷媒温度Ｔを判定する（ステップ４）。コントローラ５０は、ステップＳ４で判定した温度に基づいて、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を適宜増減させるようにポンプ３２に指示する（ステップＳ５）。即ち、冷媒温度Ｔが第１所定温度Ｔ１を超えるときは、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を増加させるように指示し、冷媒温度Ｔを低下させる。逆に、冷媒温度Ｔが第２所定温度Ｔ２を下回るときはポンプ３２が圧送する冷媒流量を減少させるように指示し、冷媒温度Ｔを上昇させる。また、冷媒温度Ｔが第２所定温度Ｔ２以上第１所定温度Ｔ１以下であれば、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を増減させずに維持するため、コントローラ５０はポンプ３２に流量変更指示は行わない。
制御はステップＳ５を経た後、終了する。

以上説明したように、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、車両のエンジン１０の作動時かつ膨張機の出力が不要な時であっても、冷媒をボイラ３４に流通させ続けることができる。その結果、ボイラ３４の温度上昇が防止される。また、ボイラ３４に滞留した冷媒が加熱されて熱分解したり、冷媒に含まれる循環オイルが炭化したりするという事態を防止することができる。また、バイパス流路３１の開閉弁３３が開弁して、膨張機３６をバイパスされることにより、膨張機３６の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差圧が０になる。その結果、ポンプ３２の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差圧が小さくなるため、ポンプ３２にかかる負荷が減って、ポンプ３２の動力が低減する。また、冷媒温度Ｔの下限値であるＴ２を設定することにより冷媒が必要量を超えて供給されるのを防止することができるため、ポンプ３２の動力がさらに低減する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図３に示す。
実施の形態２係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、エンジン１０の排気管１１に、吸熱制限手段として、排気ガスバイパス流路１２及び排気ガス開閉弁１３を追加したものである。排気ガスバイパス流路１２はボイラ３４をバイパスし、排気ガス開閉弁１３は排気ガスバイパス流路１２上に設けられる。排気ガス開閉弁１３はコントローラ５０と電気的に接続する。コントローラ５０は、図２における膨張機３６の出力要否を判断するステップＳ２でのＹｅｓ判定（膨張機出力不要）時に、排気ガス開閉弁１３の開閉を制御する。なお、以降の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

図３を参照して、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の動作について説明する。
なお、廃熱回生システム２００の動作のうちコントローラ５０の制御は、実施の形態１におけるコントローラ５０の制御とほぼ同じであり、ステップＳ３に該当する制御のみ異なる。従って、廃熱回生システム２００では、第１実施形態におけるステップＳ３の代わりに以下の動作を行う。

コントローラ５０はステップＳ３で開閉弁３３を開くと同時に、排気ガスバイパス流路１２上に設けられた排気ガス開閉弁１３を開状態にする。即ち、エンジン１０の作動状態の情報に基いて膨張機出力が不要であると判断した場合に、コントローラ５０は排気ガス開閉弁１３を開状態とする。排気ガス開閉弁１３が開状態になることにより排気ガスバイパス流路１２へ排気ガスを流入させる。排気ガスの一部が排気ガスバイパス流路１２に流入することにより、ボイラ３４に流入する排気ガスの量が減るため、ボイラ３４において冷媒が吸収する廃熱の量も減少し、冷媒温度Ｔは上がりにくくなる。なお、ステップ４以降は実施の形態１における制御と同じである。

以上説明したように、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、吸熱量制限手段としての排気ガスバイパス流路１２及び排気ガス開閉弁１３を有することにより、冷媒温度Ｔを上がりにくくすることができる。そのため、冷媒温度Ｔを第１所定温度Ｔ１以下に維持するために必要な冷媒流量を少なくすることができ、ポンプ３２の動力をより低減することができる。

実施の形態１及び２において、バイパス流路３１の第１分岐点３１ａは温度センサ３７の下流側かつ膨張機３６の上流側に設けられるが、これに限られず第１分岐点３１ａはボイラ３４の下流側かつ温度センサ３７の上流側に設けてもよい。
また、流量調整手段は、ポンプ３２に限られず、ボイラ３４及び膨張機３６をバイパスするバイパス流路であってもよい。すなわち、ボイラ３４及び膨張機３６に流入する冷媒の一部をバイパスさせることによって、冷媒流量を調整することができる。
膨張機出力 またさらに、ボイラ３４において作動流体を加熱する廃熱は排気ガスの熱に限られず、エンジンの吸気系の廃熱、エンジン冷却水の廃熱等でもよい。

１００，２００ 廃熱回生システム、１０ エンジン、１２ 排気ガスバイパス流路（吸熱量制限手段）、１３ 排気ガス開閉弁（吸熱量制限手段）、３１ バイパス流路、３２ ポンプ（流量調整手段を含む）、３３ 開閉弁、３４ ボイラ、３６ 膨張機、３７ 温度センサ（温度検出手段）、３８ コンデンサ、Ｔ１ 第１所定温度、Ｔ２ 第２所定温度。

Claims (4)

1. 車両のエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムであって、
   作動流体を圧送するポンプ、前記廃熱によって前記作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラによって加熱された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、および膨張後の前記作動流体を冷却凝縮させるコンデンサから構成されるランキンサイクル回路と、
   前記ボイラへ流入する作動流体の流量を調整する流量調整手段と、
   前記ボイラの下流側かつ前記膨張機の上流側に設けられ、前記ボイラの下流側出口における作動流体の温度を検出する温度検出手段と、
   前記ボイラの下流側かつ前記膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路上に設けられた開閉弁と、
   前記エンジンの作動時かつ前記膨張機の出力が不要な時において、前記開閉弁を開状態にし、かつ前記作動流体の温度が第１所定温度以下になるように前記流量調整手段に流量を調整させる制御手段と
   を備える廃熱回生システム。
2. 前記流量調整手段は、前記作動流体の温度が前記第１所定値以下かつ第２所定値以上となるように、前記ボイラへ流入する前記作動流体の流量を調整する請求項１に記載の廃熱回生システム。
3. 前記ボイラにおける前記作動流体の吸熱量を制限する吸熱量制限手段を備える請求項１又は２に記載の廃熱回生システム。
4. 前記作動流体を加熱する前記廃熱の少なくとも一つは前記エンジンの排気ガスの熱である請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。

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