JP2014231739A - 廃熱回生システム - Google Patents

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Abstract

【課題】ランキンサイクル回路を構成する熱交換器が作動流体の加熱手段と過給空気の冷却手段とを兼ねる廃熱回生システムにおいて、作動流体を圧送するポンプの故障時にも過給空気の冷却を行うことができる廃熱回生システムを提供する。【解決手段】廃熱回生システム１００において、第１熱交換器１１２は、ランキンサイクル回路１１０内を循環する作動流体の加熱手段と過給器２０から吐出される過給空気の冷却手段とを兼ねている。電動ポンプ１１１の故障時には、エンジン１０によって膨張機１１４を駆動すると共に、電磁弁１２０を開状態にしてバイパス流路１１９への作動流体の循環を許容することによって、回路内における作動流体の循環を継続させる。【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熱交換器と、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。
また、特許文献１には、過給器が取り付けられたエンジンを備える車両用の廃熱回生システムにおいて、ランキンサイクル回路を構成する熱交換器が作動流体の加熱手段と過給空気の冷却手段とを兼ねる構成が記載されている。周知のように、過給器から吐出される高温の過給空気は、エンジンの燃焼効率を最適な状態に保つために、通常はインタークーラと呼ばれる冷却手段によって冷却されてからエンジンに吸入される。特許文献１に記載の廃熱回生システムでは、上記熱交換器において過給空気と作動流体とを熱交換させることによって、過給空気を冷却すると共に作動流体を加熱する。
特開２００８−８２２４号公報
特許文献１に記載の廃熱回生システムでは、ランキンサイクル回路を構成するポンプが故障して作動流体の循環が停止し、熱交換器における過給空気と作動流体との熱交換が行えなくなった場合には、過給器から吐出される高温の過給空気が冷却されずにそのままエンジンに吸入されるため、エンジンの燃焼効率が低下してしまう。
この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ランキンサイクル回路を構成する熱交換器が作動流体の加熱手段と過給空気の冷却手段とを兼ねる廃熱回生システムにおいて、作動流体を圧送するポンプの故障時にも過給空気の冷却を行う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、過給器が取り付けられたエンジンを備える車両用の廃熱回生システムであって、作動流体を圧送するポンプ、圧送された作動流体を過給器から吐出される過給空気と熱交換させることによって作動流体を加熱すると共に過給空気を冷却する第１熱交換器、前記第１熱交換器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発生させる膨張機、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、ポンプの上流側と下流側とを連通することによってポンプをバイパスするバイパス流路と、バイパス流路の開閉弁と、膨張機を駆動する駆動手段とを備え、ポンプの故障時には、駆動手段によって膨張機を駆動すると共に、開閉弁を開状態にしてバイパス流路への作動流体の循環を許容する。
膨張機は、吸入容積を拡大可能な膨張機であり、ポンプの故障時には、膨張機の吸入容積を拡大してもよい。
開閉弁は、ポンプの上流側の圧力が下流側の圧力よりも高い場合に開状態となる逆止弁でもよい。
作動流体をエンジンの廃熱で加熱する第２熱交換器及び作動流体が第２熱交換器において吸収する熱量を制限する吸収熱量制限手段をさらに備え、ポンプの故障時には、吸収熱量制限手段によって作動流体が第２熱交換器において吸収する熱量を制限してもよい。
この発明に係る廃熱回生システムによれば、ランキンサイクル回路を構成する熱交換器が作動流体の加熱手段と過給空気の冷却手段とを兼ねる構成において、作動流体を圧送するポンプの故障時にも過給空気の冷却を行うことができる。
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。 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。 この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムにおける膨張機の構成を示す模式断面図である。
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。
車両用のエンジン１０には、図示しない吸気管から吸入された吸入空気を加圧する過給器２０が取り付けられている。過給器２０は、エンジン１０の排気側１０ｂに接続されて排気ガス流によって回転駆動されるタービン部２０ｂと、タービン部２０ｂと駆動軸を共有することによってタービン部２０ｂと共に回転駆動されるコンプレッサ部２０ａとから構成されている。
過給器２０のコンプレッサ部２０ａからエンジン１０の吸気側１０ａへと至る経路の途中には、コンプレッサ部２０ａにおいて加圧されて高温になった吸入空気（過給空気）を冷却する第１熱交換器１１２が設けられている。第１熱交換器１１２は、コンプレッサ部２０ａから吐出される高温の過給空気と次に述べるランキンサイクル回路１１０内を循環する作動流体とを熱交換させることによって、過給空気を冷却すると共に作動流体を加熱する。すなわち、第１熱交換器１１２は、過給空気の冷却手段（インタークーラ）としての役割と、作動流体の加熱手段（ボイラ）としての役割を兼ねるものである。
また、過給器２０のタービン部２０ｂと図示しない排気管との間には、第２熱交換器１１３が設けられている。第２熱交換器１１３は、エンジン１０から排出される高温の排気ガスとランキンサイクル回路１１０内を循環する作動流体とを熱交換させることによって作動流体をさらに加熱する。
ランキンサイクル回路１１０は、電動ポンプ１１１と、第１熱交換器１１２と、第２熱交換器１１３と、膨張機１１４と、コンデンサ１１５とが順次環状に接続されることによって構成されており、この回路内を作動流体が循環する。
電動ポンプ１１１は、ランキンサイクル回路１１０内の作動流体を圧送する。
第１熱交換器１１２は、先に述べたように、コンプレッサ部２０ａから吐出される高温の過給空気と作動流体とを熱交換させることによって、過給空気を冷却すると共に作動流体を加熱する。
第２熱交換器１１３は、エンジン１０の排気ガスと作動流体とを熱交換させることによって作動流体をさらに加熱する。
膨張機１１４は、第１熱交換器１１２および第２熱交換器１１３において加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギー（動力）を発生させる。膨張機１１４の駆動軸１１６は、プーリ１１７およびベルト１１８を介してエンジン１０の駆動軸１１に接続されている。
コンデンサ１１５は、作動流体を周囲の外気と熱交換させることによって冷却凝縮させる。
また、電動ポンプ１１１と第１熱交換器１１２との間には、電動ポンプ１１１の上流側と下流側とを連通するバイパス流路１１９の一端が接続されており、バイパス流路１１９の他端は、電動ポンプ１１１とコンデンサ１１５との間に接続されている。尚、バイパス流路１１９の圧力損失は、電動ポンプ１１１の圧力損失に比べて十分小さい。また、バイパス流路１１９の途中には、開閉弁としての電磁弁１２０が設けられており、電磁弁１２０はコントロールユニット１３０に電気的に接続されている。
コントロールユニット１３０は、電動ポンプ１１１の回転数を検出する回転センサ１４０から取得される情報に基づいて、電磁弁１２０を開閉させることによってバイパス流路１１９の開閉状態を制御する。
次に、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。
まず、電動ポンプ１１１が正常に動作している通常運転時においては、電磁弁１２０は閉じられており、バイパス流路１１９は閉状態である。この際、電動ポンプ１１１から圧送された作動流体は、第１熱交換器１１２、第２熱交換器１１３、膨張機１１４、コンデンサ１１５の順にランキンサイクル回路１１０内を循環する。詳細には、電動ポンプ１１１から圧送された液状の作動流体は、まず第１熱交換器１１２に流入し、過給器２０から吐出された高温の過給空気との間で熱交換を行う。この際、過給空気は冷却され、作動流体は加熱される。次に、第１熱交換器１１２を出た作動流体は、第２熱交換器に流入してエンジン１０の排気ガスによってさらに加熱されて高温のガスとなった後、膨張機１１４において膨張して機械的エネルギーを発生させる。
膨張機１１４において発生する機械的エネルギーによって駆動軸１１６が回転駆動されると、この駆動力はプーリ１１７およびベルト１１８を介してエンジン１０の駆動軸１１に伝えられ、エンジン１０の駆動が補助される。膨張機１１４を出た作動流体は、コンデンサ１１５の内部を流通する過程で周囲の外気と熱交換することによって冷却凝縮され、電動ポンプ１１１に再吸入される。
ここで、電動ポンプ１１１が故障して作動流体の圧送が行われなくなると、膨張機１１４における機械的エネルギーの発生も停止する。この際、エンジン１０が発生させる機械的エネルギーがプーリ１１７およびベルト１１８を介して膨張機１１４に伝えられ、膨張機１１４はエンジン１０から伝達される機械的エネルギーによって駆動される。すなわち、エンジン１０が膨張機１１４の駆動手段として機能することによって、ランキンサイクル回路１１０内における作動流体の循環が継続される。
また、コントロールユニット１３０は、回転数センサ１４０から取得される情報に基づいて電動ポンプ１１１の故障を検知すると、電磁弁１２０を開状態にしてバイパス流路１１９への作動流体の循環を許容する。故障して停止状態の電動ポンプ１１１は回路内における絞りとなり、膨張機１１４によって作動流体を循環させる際の障害となるが、前述したようにバイパス流路１１９の圧力損失は電動ポンプ１１１の圧力損失に比べて十分小さいため、作動流体は電動ポンプ１１１をバイパスしてバイパス流路１１９を流れる。すなわち、膨張機１１４から出た作動流体は、コンデンサ１１５、バイパス流路１１９、第１熱交換器１１２、第２熱交換器１１３の順に回路内を差圧がほとんど無い状態で循環する。その結果、電動ポンプ１１１が停止した状態においても、膨張機１１４によって回路内における作動流体の循環が継続され、第１熱交換器１１２における過給空気と作動流体との熱交換、すなわち過給空気の冷却が行われる。
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、電動ポンプ１１１の故障時には、エンジン１０によって膨張機１１４を駆動すると共に、電磁弁１２０を開状態にしてバイパス流路１１９への作動流体の循環を許容することによって、回路内における作動流体の循環を継続させる。これにより、第１熱交換器１１２における過給空気と作動流体との熱交換が維持されるため、電動ポンプ１１１の故障時にも過給空気の冷却を行うことができる。
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２に示す。
実施の形態２に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における膨張機１１４を、吸入容積を拡大可能な膨張機２１４に変更したものである。また、バイパス流路１１９の途中に設けられた電磁弁１２０を逆止弁２５０に変更すると共に、作動流体が第２熱交換器において吸収する熱量を制限する吸収熱量制限手段としてのバイパス流路２６０および電磁弁２６１を追加したものである。尚、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。
実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、電動ポンプ１１１の故障時に膨張機１１４によって作動流体を循環させる際には、作動流体は回路内を差圧がほとんど無い状態で循環する。そのため、膨張機１１４に吸入される作動流体の密度が通常運転時に比べて低下し、エンジン１０から膨張機１１４に伝達される駆動力によっては、第１熱交換器１１２における過給空気の冷却を行うのに必要な作動流体の循環量（質量流量）が充分に得られない場合も起こり得る。
上記の問題に対処するために、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、吸入容積を拡大可能な膨張機２１４を備えている。図３の模式断面図に示されるように、膨張機２１４は、吸入口２１４ａから吸入される作動流体を固定スクロール２１４ｂと可動スクロール２１４ｃとの間の領域で膨張させて吐出口２１４ｄから吐出するスクロール型の構造であるが、吸入口２１４ａの両隣には、開閉制御が可能な連通穴２１４ｅが設けられている。連通穴２１４ｅは、固定スクロール２１４ｂと可動スクロール２１４ｃとの間の領域と吸入室（図示せず）とを開閉弁（図示せず）を介して吸入口２１４ａとは別に連通している。
コントロールユニット２３０は、電動ポンプ１１１の正常動作時には連通穴２１４ｅを閉状態にし、電動ポンプ１１１の故障時には連通穴２１４ｅを開状態にする。連通穴２１４ｅが開状態になると、膨張機２１４に吸入される作動流体の量が増加するため膨張機２１４の吸入容積が拡大し、回路内における作動流体の循環量が増加する。これにより、第１熱交換器１１２における過給空気の冷却を充分に行うことができる。
また、逆止弁２５０は、電動ポンプ１１１が正常に動作しており、その上流側の圧力が下流側の圧力よりも低い状態では閉状態であり、電動ポンプ１１１が故障して作動流体の圧送が行われなくなり、その上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなると自律的に開状態になる。そのため、コントロールユニット２３０は、バイパス流路１１９の開閉状態を制御する必要がなく、コントロールユニット２３０の制御が単純化される。
また、コントロールユニット２３０は、電動ポンプ１１１の故障時に電磁弁２６１を開状態にしてバイパス流路２６０への排気ガスの流入を許容することによって、第２熱交換器に流入する排気ガス量を制限する。その結果、作動流体が第２熱交換器１１３において吸収する熱量が減少して作動流体の密度の低下が抑えられるため、回路内における作動流体の循環量をさらに増加させることができ、第１熱交換器１１２における過給空気の冷却をさらに充分に行うことができる。
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１００では、電動ポンプ１１１の故障時には、膨張機２１４の吸入容積を拡大する。これにより、回路内における作動流体の循環量（質量流量）を増加させることができ、過給空気の冷却を充分に行うことができる。
また、バイパス流路１１９の途中に設けられた逆止弁２５０は、電動ポンプ１１１が故障してその上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなると、自律的に開状態になる。これにより、コントロールユニット２３０の制御が単純化される。
また、電動ポンプ１１１の故障時には、電磁弁２６１を開状態にしてバイパス流路２６０への排気ガスの流入を許容することによって、作動流体が第２熱交換器において吸収する熱量を制限する。これにより、作動流体の密度の低下が抑えられるため、回路内における作動流体の循環量をさらに増加させることができ、過給空気の冷却をさらに充分に行うことができる。
その他の実施の形態．
実施の形態１，２では、電動ポンプ１１１の故障時には、エンジン１０によって膨張機１１４，２１４を駆動していた。しかしながら、膨張機１１４，２１４を駆動する手段はこれに限定されるものではなく、例えば電動モータ等によって膨張機１１４，２１４を駆動してもよい。また、第２熱交換器として、排ガス以外のエンジンの廃熱、例えばエンジン１０の冷却水と作動流体とで熱交換するようにしてもよい。さらに、実施の形態２では、膨張機２１４の吸入容積増大、バイパス流路１１９途中の逆止弁２５０、第２熱交換器におけるバイパス流路２６０への排気ガスバイパスを全て組み合わせているが、それぞれを個別に、又は３つのうちのいずれか２つを組み合わせて実施してもよい。
１００，２００ 廃熱回生システム、１０ エンジン（駆動手段）、２０ 過給器、１１０，２１０ ランキンサイクル回路、１１１ 電動ポンプ（ポンプ）、１１２ 第１熱交換器、１１３ 第２熱交換器、１１４，２１４ 膨張機、１１５ コンデンサ、１１９ バイパス流路、１２０ 電磁弁（開閉弁）、２５０ 逆止弁、２６０ バイパス流路（吸収熱量制限手段）、２６１ 電磁弁（吸収熱量制限手段）。

Claims (4)

  1. 過給器が取り付けられたエンジンを備える車両用の廃熱回生システムであって、
    作動流体を圧送するポンプ、圧送された前記作動流体を過給器から吐出される過給空気と熱交換させることによって前記作動流体を加熱すると共に前記過給空気を冷却する第１熱交換器、前記第１熱交換器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発生させる膨張機、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、
    前記ポンプの上流側と下流側とを連通することによって前記ポンプをバイパスするバイパス流路と、
    前記バイパス流路の開閉弁と、
    前記膨張機を駆動する駆動手段と
    を備え、
    前記ポンプの故障時には、前記駆動手段によって前記膨張機を駆動すると共に、前記開閉弁を開状態にして前記バイパス流路への前記作動流体の循環を許容する、廃熱回生システム。
  2. 前記膨張機は、吸入容積を拡大可能な膨張機であり、
    前記ポンプの故障時には、前記膨張機の吸入容積を拡大する、請求項１に記載の廃熱回生システム。
  3. 前記開閉弁は、前記ポンプの上流側の圧力が下流側の圧力よりも高い場合に開状態となる逆止弁である、請求項１または２に記載の廃熱回生システム。
  4. 前記作動流体を前記エンジンの廃熱で加熱する第２熱交換器及び前記作動流体が前記第２熱交換器において吸収する熱量を制限する吸収熱量制限手段をさらに備え、
    前記ポンプの故障時には、前記吸収熱量制限手段によって前記作動流体が前記第２熱交換器において吸収する熱量を制限する、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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