JP2018017204A

JP2018017204A - 車両のランキンサイクルシステム

Info

Publication number: JP2018017204A
Application number: JP2016149408A
Authority: JP
Inventors: 阿部　誠; Makoto Abe; 阿部　　誠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01

Abstract

【課題】蒸発器を通過後で膨張器に流入する前の作動流体を加熱することで、ランキンサイクルシステムの出力を向上させることができる車両のランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】蒸発器１２と膨張器１３を接続する作動流体用の配管１５に、この作動流体用の配管１５を通過する作動流体ＷＦを加熱する加熱機構２を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両のランキンサイクルシステムに関する。

車両には、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスの熱エネルギー（排熱エネルギー）の一部を回収して、この回収した排熱エネルギーによりエンジンに接続されるタービン等の膨張器を駆動させて、この膨張器の駆動力をエンジンのアシストに使用するランキンサイクルシステムが備えられることがある。

また、ランキンサイクルシステムの蒸発器とタービンを接続する管を２重管構造にするとともに、２重管構造の内側の管（内管）を第１通路として、この第１通路を介して蒸発器内の作動媒体をタービンに導き、２重管構造の外側の管（外管）を第２通路として、この第２通路を通過する作動媒体の熱により第１通路を通過する作動媒体を暖めるランキンサイクルシステムの作動媒体供給構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１５４２６２号公報

ところで、上記のランキンサイクルシステムの作動媒体供給構造では、２重管の内管を介して蒸発器からタービンに導かれる作動媒体を、この作動媒体と同じ作動媒体で、２重管の外管を通過させて保温しているため、ボイラーを通過後でタービンに流入する前の作動媒体が昇温することはない。一方で、作動媒体によるタービンの駆動力（ランキンサイクルシステムの出力）は、作動媒体が高温になるにつれて大きくなる。

すなわち、ボイラー（蒸発器）を通過後でタービン（膨張器）に流入する前の作動媒体（作動流体）を昇温することで、ランキンサイクルシステムの出力を向上させる技術については、未だ良案が提案されていない。

本発明の目的は、蒸発器を通過後で膨張器に流入する前の作動流体を昇温することで、ランキンサイクルシステムの出力を向上させることができる車両のランキンサイクルシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の車両のランキンサイクルシステムは、内燃機関の排気ガスの熱エネルギーにより作動流体を液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器と、前記内燃機関に接続されて、前記蒸発器で加熱蒸発した作動流体により駆動される膨張器と、で構成される車両のランキンサイクルシステムにおいて、前記蒸発器と前記膨張器を接続する作動流体用の配管に、該作動流体用の配管を通過する作動流体を加熱する加熱機構を備えて構成される。

本発明の車両のランキンサイクルシステムによれば、蒸発器と膨張器を接続する作動流体用の配管を加熱機構により、作動流体用の配管を通過する作動流体を保温するだけでなく加熱するので、作動流体による膨張器の駆動力を大きくすることができ、ランキンサイクルシステムの出力を向上させることができる。

本発明の車両のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。図１の作動流体用の配管と加熱流体用の配管の位置関係を示す図である。従来技術の車両のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。図３の作動流体用の配管と加熱流体用の配管の位置関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の車両のランキンサイクルシステムについて、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の車両のランキンサイクルシステム１は、ポンプ１１と、ボイラー（蒸発器）１２と、タービン（膨張器）１３と、凝縮器１４とを備えて構成されるシステムである。

ポンプ１１は、液体状態の作動流体ＷＦ（例えば、水）をボイラー１２に圧送する装置である。ボイラー１２は、ポンプ１１より圧送された作動流体ＷＦをエンジン（内燃機関）２０の排気ガスＧと熱交換させることで、排気ガスＧの熱エネルギー（排熱エネルギー）により作動流体ＷＦを液体から気体に加熱蒸発させる装置である。タービン１３は、ボイラー１２で加熱蒸発した気体状態の作動流体ＷＦにより駆動される装置で、この装置に接続されるエンジン２０にこの作動流体ＷＦによる駆動力を供給する装置である。凝縮器１４は、タービン１３を通過した作動流体ＷＦをエンジン冷却水等の冷却媒体Ｗと熱交換させることで、作動流体ＷＦを気体から液体に冷却凝縮させて、液体状態の作動流体ＷＦをポンプ１１に送出する装置である。

すなわち、このランキンサイクルシステム１は、ポンプ１１より圧送された液体状態の作動流体ＷＦをボイラー１２で排気ガスＧの熱エネルギーを利用して気体に加熱蒸発させた後、この気体状態の作動流体ＷＦによりタービン１３に駆動力を発生させて、この駆動力によりエンジン２０をアシストするとともに、タービン１３を通過した作動流体ＷＦを凝縮器１４で冷却媒体Ｗにより冷却凝縮させて液体状態の作動流体ＷＦをポンプ１１に送出するシステムである。

より端的に言えば、ランキンサイクルシステム１は、エンジン２０の排気ガスＧの熱エネルギーの一部を回収して、この回収したエネルギーにより駆動されるタービン１３の駆動力によりエンジン２０をアシストするシステムである。

なお、本実施形態では、膨張器１３としてタービンを用いているが、気体の膨張力を利用して駆動力を発生させる装置であれば、タービン以外の装置（例えば、ピストン）でもよい。また、ボイラー１２で熱交換する作動流体ＷＦと排気ガスＧの温度差は、使用状況にもよるが、５０℃〜１５０℃程度である。

また、本発明のランキンサイクルシステム１を制御する制御装置３０を備える。この制御装置３０は、エンジン２０の運転状態等に応じて、ポンプ１１による作動流体ＷＦの圧送量等を制御する装置である。

ところで、図３に示す従来技術の車両のランキンサイクルシステム１Ｘでは、ボイラー１２とタービン１３を接続する作動流体用の配管１５に、グラスウール等の保温材（図示しない）を巻き付けることで、配管１５を通過する作動流体ＷＦを保温して、配管１５から外気に作動流体ＷＦの熱エネルギーが無駄に放出されないようにしていた。

しかしながら、車両の走行中の振動等により、配管１５に巻き付けている保温材は徐々に剥がれてしまうので、配管１５の保温性能を維持するために、定期的に（使用状況にもよるが、数年毎に）、保温材の交換及び再取付を行う必要があり、高コストになるという問題があった。

また、配管１５を通過する作動流体ＷＦ、言い換えれば、ボイラー１２を通過後でタービン１３に流入する前の作動流体ＷＦを保温するだけではなく加熱することで、タービン１３の駆動力（出力）を大きくして、ランキンサイクルシステム１の出力を向上させる余地が残されていた。

本発明の車両のランキンサイクルシステム１は、配管１５に保温材を備えることなく、配管１５を通過する作動流体ＷＦを保温して低コスト化することができるとともに、配管１５を通過する作動流体ＷＦを保温し、さらには、加熱することで、タービン１３の駆動力を大きくして、ランキンサイクルシステム１の出力を向上させることができるシステムである。

より詳細には、本発明の車両のランキンサイクルシステム１では、ボイラー１２とタービン１３を接続する作動流体用の配管１５に、作動流体用の配管１５を通過する作動流体ＷＦを加熱して昇温させる加熱機構２を備えて構成する。

この加熱機構２とは、例えば、図１、図２に示すように、作動流体用の配管１５の一部を、エンジン（熱源）２０の排気ガス（加熱流体）Ｇ用の流路を構成する加熱流体用の配管２１ａで囲んだ２重管構造で構成される機構である。

なお、図１、図２では、配管２１ａを通過する加熱流体として、エンジン２０の排気ガスＧを用いているが、車両の内部に備える熱源から放熱される熱エネルギーを有する流体であれば、排気ガスＧ以外の流体でもよい。つまり、配管２１ａを流れる加熱流体は、配管１５を流れる作動流体よりも温度が高い流体であればよい。

この構成によれば、ボイラー１２とタービン１３を接続する作動流体用の配管１５を加熱機構２により加熱して、作動流体用の配管１５を通過する作動流体ＷＦを加熱して保温するだけでなく、昇温することも可能なので、作動流体ＷＦによるタービン１３の駆動力を大きくすることができ、ランキンサイクルシステム１の出力を向上させることができる。

また、車両の内部の熱源から放熱される熱エネルギーを利用して、配管１５を通過する作動流体ＷＦを加熱するので、車両全体のエネルギーの活用効率を向上させることができる。

特に、エンジン２０の排気ガスＧを作動流体ＷＦの加熱に用いることで、従来大気に放出していたエネルギーの一部を有効活用することができるので、車両全体のエネルギーの活用効率をより向上させることができる。

また、図４に示すように、従来、作動流体用の配管１５と排気ガスＧ用の配管２１ａは近い位置に配設されていたので、作動流体用の配管１５の一部を排気ガスＧ用の配管２１ａで囲むだけのスペースを容易に確保することができる。なお、作動流体用の配管１５と排気ガスＧ用の配管２１ａには、ともに耐食性の材料で構成される配管を従来より使用しているので、これらの配管１５、２１ａの材質を新たに変更する必要はない。

以上より、本発明の車両のランキンサイクルシステム１によれば、蒸発器１２を通過後でタービン１３に流入する前の作動流体ＷＦを加熱することで、ランキンサイクルシステムの出力を向上させることができる。

なお、図１、図３では、配管２１ａは、エンジン２０とボイラー１２を接続する配管であるが、実際には、エンジン２０より排気ガス浄化処理装置（図示しない）等を介して大気に通じる配管より分岐して、ボイラー１２に接続される配管である。

また、図示しないが、加熱流体用の配管２１ａで囲まれる作動流体用の配管１５にフィンを備えたり、あるいは、この部分の配管１５の形状を星型形状にしたり、配管１５に溝を備えたりして、表面積（伝熱面積）を大きくして、加熱流体から作動流体ＷＦへの熱伝導を促進するように構成すると、タービン１３に流入する作動流体ＷＦをより高温化することができるので好ましい。

また、作動流体ＷＦの保温性能をより優先する場合には、図示しないが、作動流体用の配管１５を囲む加熱流体用の配管２１ａの外側にグラスウール等の保温材を巻き付ける等の空気層による、作動流体ＷＦの保温性能をより向上させるようにしてもよい。この場合は、２つの管を隣り合わせに配置してもよい。

１、１Ｘ車両のランキンサイクルシステム
２加熱機構
１２ボイラー（蒸発器）
１３タービン（膨張器）
１５ボイラーとタービンを接続する作動流体用の配管
２０エンジン（内燃機関）
２１ａ加熱流体用の配管
Ｇ排気ガス（加熱流体）
ＷＦ作動流体

Claims

内燃機関の排気ガスの熱エネルギーにより作動流体を液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器と、前記内燃機関に接続されて、前記蒸発器で加熱蒸発した作動流体により駆動される膨張器と、で構成される車両のランキンサイクルシステムにおいて、
前記蒸発器と前記膨張器を接続する作動流体用の配管に、該作動流体用の配管を通過する作動流体を加熱する加熱機構を備えて構成される車両のランキンサイクルシステム。
前記作動流体用の配管の一部を加熱流体用の配管で囲んで構成すると共に、この加熱流体用の流路に前記車両の内部に備える熱源から放出される熱エネルギーを有する流体を加熱流体として流す請求項１に記載の車両のランキンサイクルシステム。
前記熱源が前記内燃機関であり、前記加熱流体が前記内燃機関の排気ガスである請求項２に記載の車両のランキンサイクルシステム。