JP5229070B2

JP5229070B2 - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP5229070B2
Application number: JP2009089322A
Authority: JP
Inventors: 日出夫小林; 敏久杉山; 克彦蟻沢; 邦彦林; 賢一山田; 章仁細井; 周作菅本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: JP2010242518A

Description

本発明は、エンジンの廃熱エネルギーを回収して利用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、エンジンを冷却する際に、エンジンと熱交換をして蒸発した冷媒、すなわち、エンジンにおける廃熱を吸収して蒸発した冷媒を、さらに、エンジンから排出される排気によって過熱し、高温化するものがある。このような廃熱回収装置は、高温化した冷媒蒸気により膨張機（タービン）を駆動して、気相冷媒の持つエネルギーを電気エネルギーや機械的動力等に変換して、エンジンで発生する廃熱のエネルギーを回収することができる。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２０００−３４５８３５号公報

このような廃熱回収装置において回収されるエネルギーはエンジンの補助動力として利用することができる。例えば、タービンの軸とエンジン駆動軸とを接続し、高温の冷媒蒸気により駆動されるタービンの回転をエンジンへ伝達することができる。

ところで、廃熱回収装置において、エンジンの廃熱を回収する冷媒蒸気の状態は、エンジンの運転状態に伴い変化する。また、エンジンが要求する動力も、エンジンの運転状態により変化する。ところが、タービンの軸とエンジン駆動軸とを変速比固定の変速機で接続した場合、エンジンの回転がタービンの回転に制限を受けることになる。このような場合、エンジンの運転状態によっては、廃熱から回収したエネルギーを効率よく利用することができないことが考えられる。例えば、冷媒蒸気の発生量が少ないが、エンジンが高出力を要求する状況で、タービンの回転数よりもエンジンの回転数が高くなる場合には、タービンがエンジンにとって負荷となることが考えられる。

また、冷媒蒸気が回収した仕事を動力として回収できない場合、動力に変換できないエネルギーが熱エネルギーとして残存し、タービンの温度を上昇する。これにより、タービンが破損する場合が考えられる。また、固定変速比で接続されていると、エンジンが高回転となる場合、タービン回転数が過剰に高くなるため、高回転に適合したタービンを備える必要があり、高回転による遠心力でタービンのブレードが破損しない設計が必要となる。

そこで、本発明は、内燃機関（エンジン）の廃熱回収装置において、膨張機（タービン）により回収した動力をエンジンの補助動力として効率よく利用することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、蒸気化した前記冷媒から動力を回収する膨張機と、当該膨張機において得られる動力をエンジン駆動軸へ変速可能に伝達する変速機と、前記膨張機に流入する蒸気の流速とエンジン回転数との比率に基づいて、前記変速機の変速比を決定し、決定した変速比となるように制御する制御手段と、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、エンジンの駆動軸の回転状態に応じて、変速機における変速比を決定し、エンジンの駆動軸の回転を補助するように膨張機から動力を伝達することができる。これにより、エンジンの運転領域の広範囲に亘り、膨張機から動力を伝達することができる。このように、本発明の廃熱回収装置は、回収した動力をエンジンの駆動軸へ効率よく伝達し、エンジンの燃費を向上することができる。また、回収効率が上昇すると、膨張機における温度上昇が抑制されるため、熱害を防止し、信頼性を向上できる。

また、このような廃熱回収装置において、蒸気化した前記冷媒を前記膨張機へ噴射するノズルを備え、前記膨張機は、前記ノズルから噴射された蒸気により回転する羽根車を備え、前記制御手段は、前記エンジン駆動軸の回転数と、前記ノズルが噴射する蒸気の流速と、に基づいて算出した前記羽根車の周速比が、動力の回収効率の最大値となるときの値ｋと所定値αとで特定される許容範囲ｋ±α内許容範囲内の値となるように前記変速比を決定することができる。

このような構成とすることにより、膨張機で動力を効率よく回収し、エンジンの駆動軸の回転を補助することができる。なお、周速比は、ノズルから噴射される蒸気の流速に対する羽根車の回転速度として与えられる。

このような廃熱回収装置において、前記制御手段は、前記膨張機の回転数が安全に運転できる許容値以下となるように前記変速比を決定することができる。

このような構成とすることにより、膨張機の回転数が過剰に高くなることを抑制し、膨張機の破損を防止することができる。

本発明の廃熱回収装置は、膨張機の回転軸とエンジン駆動軸とを変速可能な変速機により連結し、エンジンの運転状態に応じた変速比とすることにより、膨張機により回収した動力をエンジンの補助動力として効率よく利用することができる。

本実施例の廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。タービンの概略構成を示した説明図である。変速比９とした場合の変速機の構成を示した説明図であって、（ａ）は、全体構成を示し、（ｂ）は、変速機内のクランクシャフト側プーリを示した説明図である。変速比４とした場合の変速機の構成を示した説明図であって、（ａ）は、全体構成を示し、（ｂ）は、変速機内のクランクシャフト側プーリを示した説明図である。変速比Ｋｇの決定処理の制御フローである。タービンのタービン効率と周速比との関係を示した説明図である。

以下、本発明を実施するため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は本実施例の廃熱回収装置１を組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１は、エンジン本体３、過熱器４、タービン５、コンデンサ６を備えている。

エンジン本体３は、エンジン本体３内で摺動するピストン３１、エンジン２の駆動軸であるクランクシャフト３２、ピストン３１とクランクシャフト３２とを連結するコンロッド３３とを備えている。また、エンジン本体３内には、ウォータジャケット３４が形成されている。ウォータジャケット３４内部には、エンジン本体３を冷却する冷媒が流通する。冷媒は、エンジン本体３の廃熱を回収して蒸気状態となる。エンジン本体３は本発明の蒸気化手段として機能する。

ウォータジャケット３４内で発生した冷媒蒸気は、ウォータジャケット３４の上部に接続した第１配管７に流入する。この第１配管７の他端はタービン５に接続している。

過熱器４は、エンジン本体３の排気が通過する排気管８と第１配管７とを引き込むように構成されている。過熱器４内では、第１配管７を通過する冷媒蒸気と排気管８を通過する排気との間で熱交換が行われる。したがって、エンジン本体３で燃料が燃焼し、高温の排気が排出されると、過熱器４を通過する冷媒蒸気は排気から熱を付与されて高温高圧となる。

タービン５とコンデンサ６とは、第２配管９で接続されている。また、コンデンサ６とウォータジャケット３４の底部が第３配管１０で接続されており、第３配管１０上にはポンプ１２が配設されている。

タービン５は、第１配管７から流入する冷媒蒸気の持つ熱エネルギーから動力を回収する。図２は、タービン５の概略構成を示した説明図である。タービン５は、タービンハウジング５１、羽根５２が形成された羽根車５３、羽根車５３の回転軸５４を備えた速度複式２段型の衝動タービンである。また、第１配管７の先端には、蒸気を羽根５２に向けて噴射するノズル７１が配設されている。ノズル７１から蒸気が噴射されることにより、羽根車５３が回転軸５４を中心に回転する。羽根車５３の回転に寄与した蒸気は、タービンハウジング５１の下流側に接続された第２配管９へ排出される。

図１に示すように、タービン５を通過した冷媒蒸気は、第２配管９を通じてコンデンサ６へ流入する。コンデンサ６では、冷媒蒸気が冷却されて液体へ凝縮する。凝縮した冷媒は、第３配管１０に流入し、ポンプ１２により、再度、ウォータジャケット３４内へ供給される。このように、廃熱回収装置１はエンジン本体３の廃熱を回収する冷媒を作動流体とするランキンサイクルシステムとして作動する。

また、廃熱回収装置１は変速機１１を備えている。変速機１１は、タービン５の回転軸５４とクランクシャフト３２とを連結し、タービン５において得られる動力をクランクシャフト３２へ変速可能に伝達する。

図３、図４は、変速機１１の概略構成を示した説明図である。図３はタービン５の回転軸５４からクランクシャフト３２への変速比が９である場合、図４は、タービン５の回転軸５４からクランクシャフト３２への変速比が４である場合を示している。図３（ａ）、図４（ａ）は、全体構成を示し、図３（ｂ）、図４（ｂ）は、クランクシャフト側プーリ１１４を示した説明図である。

変速機１１は、タービン５の回転軸５４に一体に形成されたタービン側プーリ１１１、第１中間プーリ１１２、第２中間プーリ１１３、クランクシャフト３２に一体に形成されたクランクシャフト側プーリ１１４を備えている。第１中間プーリ１１２と、第２中間プーリ１１３とは、同一の軸心を中心に回転するように形成されている。また、タービン側プーリ１１１と第１中間プーリ１１２との間には、ベルト１１５が張設されている。タービン側プーリ１１１と第１中間プーリ１１２との間の変速比は４である。すなわち、タービン側プーリ１１１が４回転する間に第１中間プーリ１１２が１回転するように構成されている。また、クランクシャフト側プーリ１１４と第２中間プーリ１１３との間には、Ｖベルト１１６が張設されている。クランクシャフト側プーリ１１４の有効プーリ径は変更される。このため、クランクシャフト側プーリ１１４と第２中間プーリ１１３との間の変速比が変更される。図３の変速機１１では、第２中間プーリ１１３とクランクシャフト側プーリ１１４との間の変速比は２．２５である。すなわち、第２中間プーリ１１３が２．２５回転する間にクランクシャフト側プーリ１１４が１回転する。一方、図４の変速機１１では、第２中間プーリ１１３とクランクシャフト側プーリ１１４との間の変速比は１である。すなわち、第２中間プーリ１１３とクランクシャフト側プーリ１１４とは回転速度が同一である。

次に、クランクシャフト側プーリ１１４について説明する。クランクシャフト側プーリ１１４は、固定プーリ１１４１と可動プーリ１１４２とを備えている。固定プーリ１１４１と可動プーリ１１４２とをクランクシャフト３２に組み付けることにより、Ｖベルト１１６とかみ合うようにＶ字状の溝が形成される。固定プーリ１１４１は、クランクシャフト３２に固定されて形成されており、可動プーリ１１４２は、クランクシャフト３２の軸方向に可動できるように形成されている。可動プーリ１１４２が移動することにより、固定プーリ１１４１と可動プーリ１１４２間のプーリ間隔が変更され、有効プーリ径が変更されて第２中間プーリ１１３とクランクシャフト側プーリ１１４との間の変速比が変更される。この可動プーリ１１４２は変速機構１１４３内の油圧の調整により移動する。このような可動プーリ１１４２及び変速機構１１４３は質量があるため、より低速で回転するクランクシャフト３２側に組みつけられている。このような変速機構１１４３は無段変速としても良い。

また、変速機１１はＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１３と電気的に接続されており、変速機構１１４３の油圧の調整は、ＥＣＵ１３により制御される。ＥＣＵ１３は、変速機１１の変速比を決定し、決定した変速比となるように制御を行う。

次に、ＥＣＵ１３の制御について説明する。図５は、変速比Ｋｇの決定処理の制御フローである。この制御は、ランキンサイクルシステム運転時にＥＣＵ１３により実行される。

ＥＣＵ１３はステップＳ１１で、エンジンの運転状態を示す各パラメータを計測し取得する。パラメータ値は、例えば、エンジン回転数ＮＥ、その他以下の処理において各算出値を算出するのに必要な値である。また、廃熱回収装置１には、これらの値を取得するための計測器類が備えられている。例えば、エンジン回転数はクランク角センサにより取得される。ＥＣＵ１３は変速機構１１４３の制御値から、変速機１１の変速比を把握している。ＥＣＵ１３はステップＳ１１の処理を終えるとステップＳ１２へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１２で、ランキンサイクルシステムが安全に運転できる領域か否かを判定する。例えば、ノズル７１の入口圧力Ｐｉｎが２００ｋＰａＧ以上の場合、シール部から蒸気が漏洩することが考えられるため、安全運転領域外と判断する。または、タービン回転数ＮＴが５００００ｒｐｍ以上の場合、遠心力により羽根５２が破損することが考えられるため、安全運転領域外と判断する。ＥＣＵはステップＳ１２でＹｅｓと判断する場合、すなわち、ランキンシステムが安全に運転する領域であると判断する場合、ステップＳ１３へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１３で、ウォータジャケット３４内において発生する冷媒の蒸気発生量ｍを算出する。蒸気発生量ｍは、エンジン回転数ＮＥ、エンジン負荷ＫＬなどのエンジン運転条件から算出されたエンジン熱発生量Ｑｗとの関係から予め作成されたマップに基づいて算出する。あるいは、次式（数１）を用いて算出することとしても良い。この場合、ＥＣＵ１３は、蒸気発生量ｍの算出に必要なＧ_ｉｎ、ｈ_ｗ＿ｉｎ、ｈ_{ｗ＿ｏｕｔ}、ｈ_ｓを算出するため、ウォータジャケット入口、及び出口における冷媒の温度、圧力、流量の各パラメータをステップＳ１１で取得している。

Ｇ_ｉｎ：冷媒流入量
ｈ_ｗ＿ｉｎ：エンジン入口冷媒比エンタルピ
ｈ_{ｗ＿ｏｕｔ}：エンジン出口冷媒比エンタルピ
ｈ_ｓ：エンジン出口蒸気の比エンタルピ
ＥＣＵ１３はステップＳ１３の処理を終えるとステップＳ１４へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１４で、ノズル出口蒸気流速Ｃを算出する。ノズル出口蒸気流速Ｃは、次式（数２）を用いて算出する。

κ：比熱比
Ｐ_ｉｎ：ノズル入口蒸気圧力
Ｐ_ｏｕｔ：ノズル出口蒸気圧力
Ｖ_ｉｎ：ノズル入口蒸気比容積
ｖ_ｉｎ：ノズル入口蒸気流速
Ｆ：蒸気配管断面積
なお、ＥＣＵ１３は、ステップＳ１１において、各パラメータ値を取得している。ＥＣＵ１３はステップＳ１４の処理を終えるとステップＳ１５へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１５で、タービン周速Ｕを算出する。タービン周速Ｕは次式（数３）を用いて算出する。

ＮＥ：エンジン回転数
Ｋｇ：変速比
ｒ：タービン半径
ＥＣＵ１３はステップＳ１５の処理を終えるとステップＳ１６へ進む。なお、ＥＣＵ１３は、ステップＳ１３、ステップＳ１４の処理と、ステップＳ１５の処理との順序を入れ換えることができる。また、同時に処理することとしても良い。

ＥＣＵ１３はステップＳ１６で、ステップＳ１４、ステップＳ１５で、算出したタービン周速Ｕとノズル出口蒸気流速Ｃとから、周速比Ｕ／Ｃが０．２５−αより小さいか否かを判断する。ＥＣＵ１３はステップＳ１６で、Ｙｅｓと判断する場合、すなわち、周速比Ｕ／Ｃが０．２５−αより小さい場合、ステップＳ１７へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１７で変速比Ｋｇを上昇させる。ＥＣＵ１３はステップＳ１７の処理を終えるとステップＳ２０へ進む。

一方、ＥＣＵ１３はステップＳ１６で、Ｎｏと判断する場合、すなわち、周速比Ｕ／Ｃが０．２５−α以上である場合、ステップＳ１８へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１８で、周速比Ｕ／Ｃが０．２５＋αより大きいか否かを判断する。ＥＣＵ１３はステップＳ１８で、Ｙｅｓと判断する場合、すなわち、周速比Ｕ／Ｃが０．２５＋αより大きい場合、ステップＳ１９へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ１９で、変速比Ｋｇを低下させる。これにより、変速機１１の変速比が減少する。ＥＣＵ１３はステップＳ１９の処理を終えるとステップＳ２０へ進む。

一方、ＥＣＵ１３は、ステップＳ１８でＮｏと判断する場合、すなわち、周速比Ｕ／Ｃが０．２５＋α以下である場合、ステップＳ２０へ進む。

ここで、ステップＳ１６乃至ステップＳ１９の処理についてより詳細に説明する。図６は、タービン５のタービン効率ηｔｂと周速比Ｕ／Ｃとの関係を示した説明図である。図６の縦軸はタービン効率ηｔｂを示し、横軸は周速比Ｕ／Ｃを示している。タービン効率ηｔｂは周速比Ｕ／Ｃ＝ｋのとき最大値となる二次曲線を描く。このようなｋは、タービンが単段衝動タービンの場合０．５であり、タービンが速度複式２段衝動タービンの場合０．２５である。廃熱回収装置１は、周速比Ｕ／Ｃがｋ±αの範囲内である場合（図６中のＸの領域である場合）、高いタービン効率が得られているとして、変速機１１の変速比Ｋｇをそのまま維持する。廃熱回収装置１は、周速比Ｕ／Ｃがｋ−αよりも小さい場合（図６中のＹの領域である場合）、周速比Ｕ／Ｃがｋ±αの範囲（Ｘの領域）内となるように、変速比Ｋｇを増加させる。式（数３）に示す通り、変速比Ｋｇが増加するとタービン周速Ｕが増加する。これにより、周速比Ｕ／Ｃの値がｋに近づき、タービン効率ηｔｂが上昇する。また、ＥＣＵ１３は、周速比Ｕ／Ｃがｋ＋αよりも大きい場合（図６中のＺの領域である場合）、周速比Ｕ／Ｃがｋ±αの範囲（Ｘの領域）内となるように、変速比Ｋｇを減少させる。式（数３）に示す通り、変速比Ｋｇが減少するとタービン周速Ｕが減少する。したがって、周速比Ｕ／Ｃの値がｋに近づき、タービン効率ηｔｂが上昇する。

図５の制御フローにおいて、ＥＣＵ１３はステップＳ２０で、タービン回転数ＮＴが運転可能な許容範囲内か否かを判断する。タービン回転数ＮＴは、変速比Ｋｇ、エンジン回転数ＮＥに基づいて、次式（数４）から算出される。

ここでは、例えば、タービン回転数ＮＴが５００００ｒｐｍ以下である場合、運転可能な許容範囲とする。ＥＣＵ１３はステップＳ２０でＹｅｓと判断する場合、すなわち、タービン回転数ＮＴが運転可能な許容範囲内である場合、ステップＳ２１へ進む。

ＥＣＵ１３はステップＳ２１で、ここまでに決定した変速比Ｋｇとなるように、変速機１１の変速比を変更する。具体的に、ＥＣＵ１３は、変速比を上昇する場合、クランク側プーリ１１４の変速機構１１４３の油圧を制御し、プーリ間隔を狭め有効プーリ径を拡大する。一方、ＥＣＵ１３は、変速比を低下する場合、クランク側プーリ１１４の変速機構１１４３の油圧を制御し、プーリ間隔を広げ、有効プーリ径を縮小する。また、変速比Ｋｇを変更する必要がない場合は、そのまま維持する。ＥＣＵ１３はステップＳ２１の処理を終えるとリターンとなる。

一方、ＥＣＵ１３はステップＳ２０でＮｏと判断する場合、すなわち、タービン回転数ＮＴが運転可能な許容範囲外である場合、ステップＳ２２へ進む。ＥＣＵ１３はステップＳ２２で、変速比Ｋｇを再度算出する。このとき、変速比ＫｇはＵ／Ｃが０．２５に最も近くなる値を採用する。ＥＣＵ１３はステップＳ２２の処理を終えるとステップＳ２１へ進む。

ところで、ＥＣＵ１３はステップＳ１２でＮｏと判断する場合、すなわち、ランキンシステムが安全に運転する領域でないと判断する場合、ステップＳ２３へ進む。ＥＣＵ１３はステップＳ２３で、フェイル判定を行い、ドライバへ警告し、ランキンサイクルシステムを停止する。または、変速機１１にクラッチを設け、フェィル判定時にクラッチを切断し、クランクシャフト３２と回転軸５４とを切り離すこととしても良い。このようなクラッチには、ＥＲ流体継手を採用することができる。また、変速比１１に変速ショックを和らげるダンパを備えても良い。

ＥＣＵ１３は、以上の制御処理により、高いタービン効率ηｔｂとなるよう変速比Ｋｇを決定し、変速機１１を制御する。これにより、廃熱回収装置１は、広い運転領域でタービンからの回収効率を高く維持し、エンジンの動力を効率よく補助し、エンジンの燃費を向上する。また、廃熱回収装置１は、タービンにおけるエネルギーの回収効率を向上することにより、過度の温度上昇を抑制する。また、適切な変速比Ｋｇを選定し、タービンの過回転を防ぎ破損を防止する。

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、実施例では、タービン５は速度複式２段型の衝動タービンを用いているが、単段衝動タービンとしても良い。この場合、ＥＣＵ１３は、ｋを０．５として図５の制御処理を行う。

１廃熱回収装置
２エンジン
３エンジン本体
３２クランクシャフト
３４ウォータジャケット
４過熱器
５タービン
５４回転軸
６コンデンサ
７１ノズル
１１変速機
１１４クランクシャフト側プーリ
１１６Ｖベルト
１３ＥＣＵ

Claims

エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
蒸気化した前記冷媒から動力を回収する膨張機と、
当該膨張機において得られる動力をエンジン駆動軸へ変速可能に伝達する変速機と、
前記膨張機に流入する蒸気の流速とエンジン回転数との比率に基づいて、前記変速機の変速比を決定し、決定した変速比となるように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１記載の廃熱回収装置において、
蒸気化した前記蒸気を前記膨張機へ噴射するノズルを備え、
前記膨張機は、前記ノズルから噴射された蒸気により回転する羽根車を備え、
前記制御手段は、前記エンジン駆動軸の回転数と、前記ノズルが噴射する蒸気の流速と、に基づいて算出した前記羽根車の周速比が、動力の回収効率の最大値となるときの値ｋと所定値αとで特定される許容範囲ｋ±α内の値となるように前記変速比を決定することを特徴とした廃熱回収装置。
請求項１または２記載の廃熱回収装置において、
前記制御手段は、前記膨張機の回転数が安全に運転できる許容値以下となるように前記変速比を決定することを特徴とした廃熱回収装置。