JP4983777B2 - エンジンの廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用してエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。

従来、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、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。

このような廃熱回収装置を改良したものが特許文献１に開示されている。特許文献１に記載されたランキンサイクル装置付き車両は、排気ガスを熱源として高温高圧蒸気を発生させている。この車両は、排気ガスの状態がエネルギーの回収効率が高くなるような場合にランキンサイクル装置を作動させる。

特開２００３−１２０２８１号公報

ところで、エンジンの冷間始動時は、冷却水の温度が低いため、有効にエネルギーを回収できる状態の蒸気が発生するまで冷却水を過熱するのに時間がかかる。従来のランキンサイクルを用いた廃熱回収装置では、このような有効にエネルギーを回収できる状態の蒸気が発生するまでの暖機期間であっても排気ガスの熱を冷却水へ与えていた。この暖機期間に蒸気が発生する場合があるが、このとき発生する蒸気はエネルギーを有効に回収できる蒸気圧、蒸気温度に達していない。したがって、エネルギー回収の点で、無駄な蒸気を発生していた。さらに、このような蒸気の発生により熱量が無駄に放出されるので、エネルギーを有効に回収できる状態の蒸気を発生させるまでに時間を要していた。

そこで、本発明は、エンジン始動の際、早期にエネルギー回収に有効な蒸気を発生し、エネルギーの回収を行うことを課題とする。

かかる課題を解決する本発明のエンジンの廃熱回収装置は、当該蒸気発生手段で蒸気化した作動流体が流入し、当該作動流体からエネルギーを回収する動力回収機と、前記蒸気発生手段の温度を計測する温度計測手段と、前記蒸気発生手段内の液相の作動流体量を調節する作動流体量調節手段と、前記温度計測手段が計測した温度が目標温度以下の場合、作動流体量調節手段により、前記蒸気発生手段内の液相の作動流体を空にし、前記温度計測手段が計測した温度が目標温度より低い場合、前記蒸気発生手段内を空とし、前記温度計測手段が計測した温度が目標温度に到達した場合、前記蒸気発生手段内へ作動流体が供給されるように、前記作動流体量調節手段へ送信する指令信号を切り替える制御手段と、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、エンジンの冷間始動の際に、蒸気発生手段の温度がエネルギー回収に有効な蒸気を発生できる温度に達するまで、蒸気発生手段内から冷媒を抜き取り、暖機を促進し、早期にエネルギー回収に有効な蒸気を発生させることができる。

蒸気発生手段内から作動流体を抜き取り、蒸気発生手段内が空となる場合、エンジンの廃熱は、作動流体へ熱伝達されず、廃熱のエネルギーは、蒸気発生手段の暖機に利用される。したがって、エンジンの冷間始動時のような、動力回収機において有効なエネルギーが回収できない状態の蒸気が発生する期間は、蒸気の発生を停止する。これにより、無駄な蒸気の発生を抑制して熱量が蓄えられる。この蓄えられた熱量は、蒸気発生手段へ作動流体を供給した際に回収される。このため廃熱の回収率が向上し、動力回収機において有効にエネルギーを回収できる蒸気を短時間に発生させることができる。これにより、早期にエネルギーを回収することができる。

また、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記制御手段は、前記温度計測手段が計測する温度が、動力回収機で要求される蒸気を発生することができる目標温度に到達したと判断した場合、作動流体の供給指令信号を前記作動流体量調節手段へ送信する構成とすることができる。このように、目標温度は動力回収機で要求される蒸気、すなわち、エネルギーの回収可能な蒸気が発生できる温度とすることができる。

特に、廃熱回収装置が動力回収機で回収する動力をエンジンのクランクシャフトの補助動力として利用する場合、クランクシャフトへ有効な動力を伝達するために動力回収機が要求する蒸気の状態は、エンジンの負荷、及びエンジン回転数により変動する。したがって、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記制御手段は、前記温度計測手段が計測する温度が、エンジンの負荷、及びエンジン回転数に基づいて算出する目標温度に到達したと判断した場合、作動流体の供給指令信号を前記作動流体量調節手段へ送信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、廃熱回収時点のエンジンの負荷、及びエンジン回転数において、有効にエネルギーを回収できる蒸気を発生させることができる。

また、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記制御手段は、エンジンの負荷、及びエンジン回転数に基づいて、前記作動流体量調節手段による作動流体の供給時間を算出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、動力回収機において有効にエネルギーを回収できる蒸気を発生させるのに過不足ない量の作動流体を蒸気発生手段へ供給することができる。

本発明は、エンジン始動の際、早期にエネルギー回収に有効な蒸気を発生し、エネルギーの回収を行うことができる。

以下、本発明を実施するための最良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は本発明の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１は、エンジン１００に組み込まれている。エンジン１００のエンジン本体２には、エキゾーストマニホールド１１、排気管１２が接続され、これらが排気通路３を形成している。排気通路３、すなわち、エキゾーストマニホールド１１、排気管１２には、エンジン本体２の燃焼室から排出される排気が通過する。

本実施例では、作動流体として冷媒を用いている。廃熱回収装置１は、エンジン１００の廃熱により蒸気化する冷媒が循環する冷媒通路４、排気通路３内の排気と冷媒通路４内の冷媒とが熱交換するように排気通路と冷媒通路とが引き込まれた過熱器５、冷媒通路４において過熱器５で蒸気化した冷媒蒸気から蒸気エネルギーを回収する動力回収機６を備えている。ここでは、過熱器５は、本発明の蒸気発生手段に相当する。また、廃熱回収装置１は、動力回収機６の下流側に放熱器７を備え、放熱器７の下流側に冷媒を貯留するタンク１３を備えている。さらに、廃熱回収装置１は、タンク１３の下流側、過熱器５の上流側にポンプ８を備えている。ポンプ８は、過熱器５内へ液相の冷媒を供給する電気駆動式ポンプである。

図２は、過熱器５を詳細に示した説明図である。過熱器５は、排気入口５０２と排気出口５０３が形成されたケーシング５０１を備えている。この排気入口５０２はエキゾーストマニホールド１１の出口に接続されており、排気出口５０３は排気管１２に接続されている。ケーシング５０１内には、排気入口５０２側に入口側ガス室５０４が形成され、排気出口５０３側に出口側ガス室５０５が形成されている。この入口側ガス室５０４と出口側ガス室５０５とは、数本の管５０６により接続されている。エンジン本体２から排出される排気は、管５０６内を通過する。

また、過熱器５の入口側ガス室５０４と出口側ガス室５０５との間には、隔壁５０７により仕切られた冷媒室５０８が形成されている。冷媒室５０８には冷媒が流入する冷媒入口５０９と冷媒出口５１０とが形成されている。冷媒入口５０９は冷媒通路４のポンプ８側と接続し、冷媒出口５１０は冷媒通路４の動力回収機６側と接続している。ポンプ８により圧送される冷媒は、冷媒室５０８へ流入し、管５０６を通過する排気と熱交換をする。このとき、排気の温度が十分に高ければ冷媒は蒸気化する。

さらに、冷媒入口５０９は、鉛直下向きに開口している。このため、ポンプ８による冷媒の圧送が行われていない場合、冷媒入口５０９から冷媒が重力により流下する構成となっている。すなわち、ポンプ８の停止時に、冷媒室５０８が抜き取られ空となるように構成されている。この冷媒室５０８から流れ出た冷媒は、停止中のポンプ８を通過し、タンク１３へ流入する。このように構成された冷媒室５０８とポンプ８の運転により、過熱器５内の冷媒が調整される。したがって、ポンプ８と過熱器５の構成が、本発明の作動流体量調整手段として機能する。

さらに、この過熱器５には、触媒層５１１が備えられている。触媒層５１１は、入口側ガス室５０４に配置されている。すなわち、冷媒と熱交換する以前の高温の排気が触媒層５１１を通過するように配置されている。

動力回収機６は、蒸気により回転するタービン６０１を備えている。過熱器５で廃熱からエネルギーを回収した蒸気がタービン６０１を回転させる。動力回収機６は、回転するタービン６０１から、駆動力を回収する。タービン６０１のシャフト６０２は、エンジン本体２のクランクシャフトと一体となるように形成されている。このため、タービン６０１が回収する駆動力は、エンジン本体２のクランクシャフトの補助動力として利用される。なお、動力回収機６は発電機を備え、廃熱から回収される動力の一部を電気エネルギーとして回収するように構成することもできる。

放熱器７では、蒸気を冷却し、冷媒を液相の状態へ戻す。液相の状態となった冷媒は、タンク１３に蓄えられ、タンク１３内の冷媒はポンプ８により、再び過熱器５内へ送られる。このポンプ８は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）９と電気的に接続されており、ＥＣＵ９からの信号に基づいて稼働する。ポンプ８は、ＯＮ／ＯＦＦ切替により、冷媒を圧送すること、圧送状態を停止することができる。また、過熱器５の排気出口５０３に過熱器５の温度を計測する温度センサ１０を備えている。この温度センサ１０は、本発明の温度計測手段に相当する。ＥＣＵ９は、温度センサ１０の計測する温度を取得し、取得した温度に基づいて、ポンプ８のＯＮ／ＯＦＦの指令信号を切り替える。

次に、ＥＣＵ９による制御について説明する。この制御はエンジン始動時に行われる。前回の運転終了、すなわち、エンジン停止後に、ＥＣＵ９は、ポンプ８の運転を停止する。これにより、過熱器５内の冷媒は抜け出て、エンジン始動時に、過熱器５内の冷媒室５０８は空の状態となっている。この制御でＥＣＵ９は、温度センサ１０が計測する温度が、動力回収機６で要求される蒸気を発生することができる目標温度に到達したと判断した場合、過熱器５へ冷媒が供給されるように、ポンプ８へ送信する指令信号を切り替える。すなわち、冷媒の供給指令信号をポンプ８へ送信する。

図３は、ＥＣＵ９の制御の流れを示したフローである。以下、このフローに従って説明する。ＥＣＵ９はステップＳ１でエンジン１００の始動要求があるか否かを判断する。エンジン１００の始動要求はイグニションＯＮに基づいて判断する。ＥＣＵ９はステップＳ１でＹＥＳと判断する場合、すなわち、エンジン１００の始動要求がある場合、ステップＳ２へ進む。ＥＣＵ９は、ステップＳ２で温度センサ１０により過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔを取得する。次にＥＣＵ９は、ステップＳ３で目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇを算出する。目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇはエンジン回転数とエンジン負荷とに基づき算出する。図４は、目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇを算出するためのマップを示した説明図である。図４の縦軸はエンジン負荷、横軸はエンジン回転数を示している。図４のマップには、算出時のエンジン回転数、エンジン負荷において、冷媒が有効なエネルギーの回収可能な蒸気となるために必要な熱量が得られるときの過熱器５の出口側の温度が示されている。ＥＣＵ９は、目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇ算出時のエンジン回転数、及びエンジン負荷を図４のマップに照合し、目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇを算出する。

ＥＣＵ９は、ステップＳ３の処理を終えると、ステップＳ４へ進む。ＥＣＵ９はステップＳ４において、ステップＳ２で取得した過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが、ステップＳ３で算出した目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇよりも高いか否かを判断する。ＥＣＵ９は、ステップＳ４でＹＥＳと判断する場合、すなわち、過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇよりも高い場合、ステップＳ５へ進む。ＥＣＵ９は、ステップＳ５で冷媒供給時間ｔを算出する。冷媒供給時間ｔはエンジン回転数とエンジン負荷とに基づき算出する。図５は、冷媒供給時間ｔを算出するためのマップを示した説明図である。図５の縦軸はエンジン負荷、横軸はエンジン回転数を示している。図５のマップには、算出時のエンジン回転数、エンジン負荷において、冷媒ガス量を発生するのに必要な量の冷媒を、ポンプ８が最大流量で供給するのに必要な時間が示されている。ＥＣＵ９は、冷媒供給時間ｔ算出時のエンジン回転数、及びエンジン負荷を図５のマップに照合し、冷媒供給時間ｔを算出する。

ＥＣＵ９は、ステップＳ５の処理を終えると、ステップＳ６へ進む。ＥＣＵ９は、ステップＳ６で、ステップＳ５で算出した冷媒供給時間ｔ（ｓ）間、流量最大で過熱器５へ冷媒を供給させるための信号をポンプ８へ送信する。ＥＣＵ９は、ステップＳ６を終えると、制御の処理を終了する。なお、この制御の処理の後、ＥＣＵ９はエンジン１００の運転条件により決定される冷媒量をポンプ８が供給するように、ポンプ８へ制御信号を送信する。

ところで、ＥＣＵ９はステップＳ１でＮＯと判断する場合、すなわち、エンジン１００の始動要求がない場合、ステップＳ１の処理を繰り返す。したがって、エンジン１００の始動要求がない場合、ステップＳ２以降の処理へ進まない。

また、ＥＣＵ９は、ステップＳ４でＮＯと判断する場合、すなわち、過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇ以下である場合、ステップＳ２へ進む。

以上より、廃熱回収装置１は、冷媒が有効なエネルギーの回収可能な蒸気となるために必要な熱量が得られるまで、過熱器５への冷媒の供給を停止する。これにより、この間、過熱器５では、排気と冷媒との間の熱交換が行われず、蒸気が発生しない。したがって、過熱器５では、余計な熱量の持ち去りが減少し、早期に冷媒が有効なエネルギーの回収可能な蒸気となるために必要な熱量が得られる温度に達する。このような過熱器５内の温度が、冷媒が有効なエネルギーの回収可能な蒸気となるために必要な熱量が得られる温度となると、廃熱回収装置１は、過熱器５内へ冷媒を流入し、排気との間で熱交換させる。このような制御を行うことにより、従来、無駄に発生していた蒸気が持ち去っていた熱量に相当する廃熱を回収することができるようになり、回収効率が向上する。また、無駄に熱量を放出しないため、従来よりも早期に冷媒が有効なエネルギーの回収可能な蒸気となるために必要な熱量が得られる温度に達し、早期にエネルギーを回収する。

次に、本発明の実施例２について説明する。図６は、本実施例の廃熱回収装置３１の概略構成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１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置３１では、動力回収機３２がタービン３２１、発電機３２２、蓄電装置３２３を備えている。廃熱回収装置３１は、蒸気から回収するエネルギーをクランクシャフトへ動力として伝達する代わりに、蒸気によりタービン３２１回転させ、発電機３２２で発電し、電気エネルギーとして蓄電装置３２３に蓄電する点で実施例１の廃熱回収装置１と相違する。なお、その他の構成は実施例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。

次に、本実施例におけるＥＣＵ９による制御について説明する。この制御はエンジン始動時に行われる。前回の運転終了、すなわち、エンジン停止後に、ＥＣＵ９は、ポンプ８の運転を停止する。これにより、過熱器５内の冷媒は抜け出て、エンジン始動時に、過熱器５内の冷媒室５０８は空の状態である。

ＥＣＵ９は、ステップＳ２で温度センサ１０により過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔを取得し、この過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが所定値Ｔ１以上であるか否かを判断する。過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが所定値Ｔ１以上である場合、ポンプ８へ冷媒を過熱器５へ供給するための指令信号を送信する。この所定値Ｔ１は、本発明の目標温度に相当する。過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが所定値Ｔ１未満である場合、ポンプ８の運転は行わず、再度、過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが所定値Ｔ１以上であるか否かを判断する。また、ＥＣＵ９は、過熱器出口側温度ＥＸ＿Ｔが所定値Ｔ１以上であると判断した場合、ポンプ８の運転時間を、実施例１における図５のマップから算出してもよい。

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、本発明の作動流体は冷媒に限られず、エンジンの廃熱により液相から気相へ変化しタービンを駆動するものであればよい。また、エンジン本体内に作動流体を蒸気化させる蒸発部を設け、エンジン本体から直接、廃熱を回収する構成としてもよい。

廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。 過熱器について詳細に示した説明図である。 ＥＣＵの制御の流れを示したフローである。 目標温度ＥＸ＿Ｔｔｇを算出するためのマップを示した説明図である。 冷媒供給時間ｔを算出するためのマップを示した説明図である。 実施例２の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。

符号の説明

１、３１ 廃熱回収装置
２ エンジン本体
３ 排気通路
４ 冷媒通路
５ 過熱器
６、３２ 動力回収機
８ ポンプ
９ ＥＣＵ
１０ 温度センサ
１００ エンジン

Claims (3)

1. エンジンの廃熱を作動流体へ付与し、作動流体を蒸気化させる蒸気発生手段と、
   当該蒸気発生手段で蒸気化した作動流体が流入し、当該作動流体からエネルギーを回収する動力回収機と、
   前記蒸気発生手段の温度を計測する温度計測手段と、
   前記蒸気発生手段内の液相の作動流体量を調節する作動流体量調節手段と、
   前記温度計測手段が計測した温度が目標温度より低い場合、前記蒸気発生手段内を空とし、前記温度計測手段が計測した温度が目標温度に到達した場合、前記蒸気発生手段内へ作動流体が供給されるように、前記作動流体量調節手段へ送信する指令信号を切り替える制御手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
2. 請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
   前記制御手段は、前記温度計測手段が計測する温度が、動力回収機で要求される蒸気を発生することができる目標温度に到達したと判断した場合、作動流体の供給指令信号を前記作動流体量調節手段へ送信することを特徴としたエンジンの廃熱回収装置。
3. 請求項１又は２のいずれか一項記載のエンジンの廃熱回収装置において、
   前記制御手段は、エンジンの負荷、及びエンジン回転数に基づいて、前記作動流体量調節手段による作動流体の供給時間を算出することを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。

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