JP5326577B2 - エンジンの廃熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで発生する廃熱を有効利用する廃熱利用装置に関する。

従来、エンジンの駆動に伴って発生する廃熱のエネルギーを、媒体となる流体を介して回収し、利用する廃熱利用装置が知られている。このような廃熱利用装置には、例えば、エンジンの排気ガスの熱により蒸気化させた作動流体を熱交換器へ供給し、これにより暖機される熱交換器で他の流体を昇温し、廃熱のエネルギーを利用するものがある。

このような廃熱利用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の暖房装置では、排気ガスから回収した廃熱のエネルギーを車内の暖房に利用している。

特許文献１の暖房装置では、排気ガスから廃熱のエネルギーを回収した蒸気がコンデンサを暖機し、送風機の運転によりダクト内を流通する空気により、コンデンサと直列に並ぶヒータコアが温められヒータコアを通過する送風により室内の暖房を行う。

実開平４−２４８０５号公報

ところで、特許文献１の暖機装置において、排気ガスから回収した廃熱のエネルギーをエンジン用冷却水の昇温に利用するために、送風機を稼働させる必要がある。したがって、送風機を稼働させるための電力が消費されるため、総合的な廃熱回収効率の点で改善の余地がある。

そこで、本発明は、エンジンの廃熱を利用する装置において、廃熱の回収効率を向上することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明のエンジンの廃熱利用装置は、エンジンから排出される排気ガスの廃熱により、作動流体を蒸気化する蒸気発生器と、蒸気化された前記作動流体が循環する作動流体通路と、前記エンジンの冷却に用いられる冷媒が循環する冷媒通路と、前記作動流体通路と前記冷媒通路とが引き込まれ、前記冷媒と前記作動流体とが熱交換する熱交換器と、を備え、前記熱交換器は、車両の室内暖房用送風が前記冷媒及び前記作動流体と熱交換するように送風用通路が形成されたことを特徴とする。

このような構成とすることにより、蒸気発生器において蒸気化した作動流体は、液相の作動流体と蒸気化した作動流体との比体積の差を利用して、作動流体通路を流通することができる。これにより、本発明のエンジンの廃熱利用装置は、ポンプや送風機を用いることなく、蒸気化した作動流体の流れを生み出すため、電力等のエネルギーロスの無い高効率の廃熱回収を実現することができる。また、このような構成とすることにより、エンジンの暖機完了前であっても、排気ガスから回収した熱エネルギーを用いて、室内暖房用送風を昇温することができる。このため、エンジン始動直後から、室内を暖房することができる。

このようなエンジンの廃熱利用装置において、前記作動流体通路内の作動流体の流量を可変とする制御弁と、前記エンジンの暖機状態を把握する把握手段と、前記把握手段による把握結果に基づいて、前記制御弁の開弁状態を制御する制御手段と、を備えた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、エンジン冷却用冷媒の温度が低い時期、例えば、エンジン始動時の暖機時期に、排気ガスから回収した熱エネルギーをエンジン冷却用冷媒の昇温に用いることができる。これにより、エンジンを早期暖機することができる。

また、このようなエンジンの廃熱利用装置において、前記蒸気発生器は、内部において前記作動流体が蒸気化される蒸気発生室と、当該蒸気発生室の上部に形成され、蒸気化された前記作動流体を前記作動流体通路へ導出する導出口と、前記蒸気発生室の底部に形成され、前記熱交換器における熱交換により液化された前記作動流体を前記蒸気発生室内へ導入する導入口と、を備えた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、蒸気化した作動流体が液相の作動流体と比較して比体積が大きいことを利用して、ポンプレスで作動流体を循環することができる。蒸気化した作動流体は比重が小さいので、蒸気発生室内を上方へ向かって移動する。このため、蒸気化した作動流体は蒸気発生室内部の上側に溜まりやすく、このように溜まる蒸気化した作動流体は、上部に設けた導出口から作動流体通路へ移動できる。また、蒸気化する際に作動流体が膨張するため、蒸気発生室内で行き場を失う蒸気は、導出口から作動流体通路へ導出される。このように、蒸気化した作動流体は、ポンプを用いることなく作動流体通路内を熱交換器へ向かって流れることができる。

このようなエンジンの廃熱利用装置において、前記蒸気発生器は、内部において前記作動流体が蒸気化される蒸気発生室と、当該蒸気発生室の上部に形成され、蒸気化された前記作動流体を前記作動流体通路へ導出する導出口と、前記蒸気発生室の底部に形成され、前記熱交換器における熱交換により液化された前記作動流体を前記蒸気発生室内へ導入する導入口と、前記蒸気発生室と連通された前記作動流体のリザーブタンクと、当該リザーブタンクと前記蒸気発生室とを連通する通路に設置した調圧弁と、を備え、前記蒸気発生室内の液相の前記作動流体の液面と前記導出口との間に隙間が設けられているものとすることができる。

このような構成とすることにより、液相の作動流体が作動流体通路内を閉塞し、蒸気の流入を妨げることを抑制する。また、蒸気発生室内を一定の圧力に維持することができる。これにより、熱交換器へ蒸気化した作動流体を安定して供給することができる。

上記のエンジンの廃熱利用装置において、前記蒸気発生器は、前記エンジンの排気管における、排気ガスの熱を利用する排気熱利用部の下流側に配置されてい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、排気ガスの熱を利用してその機能を発揮する排気熱利用部の機能を維持することができる。仮に、蒸気発生器がこのような排気熱利用部の上流側に配置されていると、蒸気発生器により排気ガスの温度が低下するため、排気熱利用部に必要熱量が供給されない場合が考えられる。したがって、本発明は、蒸気発生器が排気熱利用部の下流側に配置された構成となっている。このような排気熱利用部は、例えば、酸化還元触媒、Ｏ_２センサなどが挙げられる。

本発明のエンジンの廃熱利用装置は、ポンプを用いることなく、蒸気化した作動流体の流れを生み出し、電力等のエネルギーロスの無い高効率の廃熱回収を実現することができる。

本発明のエンジンの廃熱利用装置の概略構成を示した説明図である。 図１における作動流体通路、及び蒸気発生器を拡大して示した説明図である。 調圧弁を示した説明図であって、（ａ）は、蒸気発生室内からリザーブタンク内へ作動流体が移動する場合を示し、（ｂ）は、リザーブタンク内から蒸気発生室内へ作動流体が移動する場合を示した説明図である。 熱交換器を示した説明図であって、（ａ）は、熱交換器の外観を示し、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面を示し、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）中のＢ−Ｂ断面を拡大して示した説明図である。 Ｃ／Ｕの処理する早期暖機、早期暖房についての制御のフローである。

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は本発明の廃熱利用装置１の概略構成を示した説明図である。廃熱利用装置１は、車両に搭載されるエンジン２に組み付けられている。廃熱利用装置１は、作動流体が循環する作動流体通路３と、エンジン２の冷却に用いられる冷媒の循環する冷媒通路４とを備えている。

作動流体通路３は、エンジン２から排出される排気ガスの廃熱により作動流体を蒸気化する蒸気発生器５に接続されている。また、作動流体通路３は、熱交換器６へ引き込まれている。この作動流体通路３は、熱交換器６の上流側の配管３１と熱交換器６の下流側の配管３２とを備えている。

冷媒通路４は冷媒配管４１を備えている。また、エンジン２内には、冷媒通路４の一部を形成するウォータジャケット２ａが形成されている。冷媒配管４１とウォータジャケット２ａとは接続されていて、冷媒が循環するループ状の経路を形成している。また、冷媒配管４１は、熱交換器６内へ引き込まれている。熱交換器６内では、内部に引き込まれた作動流体通路３を流通する作動流体蒸気と、内部に引き込まれた冷媒配管４１を流通する冷媒とが熱交換する。なお、冷媒通路４には、ウォータポンプ、サーモスタット、ラジエータ等のエンジン２を効率よく冷却するための機能を備えた機器が組み付けられている。

エンジン２は、エンジン２から排出される排気ガスを外部へ排出する排気管７を備えている。排気管７には、還元触媒８が配置されている。還元触媒８は、エンジン２から排出される排気ガスの熱を利用して暖機されて還元機能を発揮する。

次に、蒸気発生器５について説明する。図２は、図１中の作動流体通路３、蒸気発生器５を拡大して示した説明図である。蒸気発生器５は、作動流体を貯留する蒸気発生室５０を備えている。蒸気発生室５０は、還元触媒８の下流側において、排気管７に組み付けられており、蒸気発生室５０の内部を排気管７が貫通するように形成されている。また、蒸気発生室５０は、上部５１に導出口５２が形成され、底部５３に導入口５４が形成されている。導出口５２は、配管３１、すなわち、作動流体通路３と接続している。また、導入口５４は、配管３２、すなわち、作動流体通路３と接続している。また、作動流体の逆流を防止する目的で、作動流体通路３の配管３１の径Φａは配管３２の径Φｂよりも大径となっている。

また、蒸気発生器５は、一定の圧力に保たれたリザーブタンク９を備えている。蒸気発生室５０とリザーブタンク９とは連通路１０により接続されている。リザーブタンク９は、液体状態の作動流体を貯留する。また連通路１０には調圧弁１１が配設されている。

図３は調圧弁１１を示した説明図である。図３（ａ）は、蒸気発生室５０内からリザーブタンク９内へ作動流体が移動する場合を示し、図３（ｂ）は、リザーブタンク９内から蒸気発生室５０内へ作動流体が移動する場合を示した説明図である。

調圧弁１１は、作動流体の流路が形成された筐体１１ａ、リリーフ弁１１ｂ、バキューム弁１１ｃ、リリーフ弁１１ｂへ付勢力与えるリリーフ調圧スプリング１１ｄ、バキューム弁１１ｃへ付勢力を与えるバキューム調圧スプリング１１ｅを備えている。

調圧弁１１は、蒸気発生室５０内の圧力により開閉状態が変化する。蒸気発生室５０内の圧力が蒸気の発生、流通が障害無く行われる通常の状態では、リリーフ弁１１ｂ、バキューム弁１１ｃともに閉弁した状態である。蒸気発生室５０内の圧力が上昇し、リリーフ調圧スプリング１１ｄによる付勢力を上回る押圧力がリリーフ弁１１ｂへ加わる場合、図３（ａ）に示すように、リリーフ弁１１ｂが開弁し、蒸気発生室５０内からリザーブタンク９内へ作動流体が流れる。このとき、バキューム弁１１ｃは閉弁した状態である。一方、蒸気発生室５０内の圧力が低下し、バキューム調圧スプリング１１ｅによる付勢力を上回る吸引力がバキューム弁１１ｃへ加わる場合、図３（ｂ）に示すように、バキューム弁１１ｃが開弁し、リザーブタンク９内から蒸気発生室５０内へ作動流体が流れる。このとき、リリーフ弁１１ｂは閉弁した状態である。この調圧弁１１により、蒸気発生室５０内に貯留される液相の作動流体は、作動流体の液面と導出口５２との間に隙間が設けられるように調整されている。これにより、液相の作動流体が作動流体通路内を閉塞し、蒸気の流入を妨げることを抑制する。また、蒸気発生室５０内の冷媒量が保たれ、蒸気発生室５０内の圧力が一定に保たれている。

次に、熱交換器６について説明する。図４は、熱交換器６を示した説明図である。図４（ａ）は、熱交換器６の外観を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）中のＡ−Ａ断面を示し、図４（ｃ）は図４（ａ）及び図４（ｂ）中のＢ−Ｂ断面を拡大して示した説明図である。図４（ａ）に示すとおり、熱交換器６は、アッパタンク６１、ロアタンク６２と、アッパタンク６１内とロアタンク６２内とを連通する数本のチューブ６３と、チューブ６３間に並べて配置したフィン６４とを備えている。

図４（ｂ）に示すように、アッパタンク６１内は、隔壁６１ａにより２つの部屋６１ｂ、部屋６１ｃに区切られており、部屋６１ｂに配管３１が接続し、部屋６１ｃに冷媒配管４１が接続している。同様に、ロアタンク６２内も、隔壁６２ａにより部屋６２ｂ、６２ｃに区切られており、部屋６２ｂに配管３２が接続し、部屋６３ｃに冷媒配管４１が接続している。また、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すように、チューブ６３内は、隔壁６３ａにより通路６３ｂ、通路６３ｃが形成されており、通路６３ｂは部屋６１ｂと部屋６２ｂとを連通し、通路６３ｃは部屋６１ｃと部屋６２ｃとを連通している。また、チューブ６３とフィン６４とが形成する隙間は、図１に示した送風機１２の運転により送られる送風が通過する送風用通路６５である。

次に、廃熱利用装置１における作動流体、冷媒の流れと熱交換について説明する。

蒸気発生室５０内には貯留された作動流体は、排気管７を通過する排気ガスの廃熱により蒸気化される。蒸気化した作動流体は、液相の作動流体と比較して比体積が大きいため、蒸気発生室５０内で上方に向かって浮上する。さらに、作動流体は液体の状態から蒸気化する際に膨張するため、蒸気発生室５０内で行き場を失い、導出口５２から作動流体管３１内へ導出される。作動流体は連続して蒸気化し、先行する蒸気を押すことになるので、作動流体が配管３１内を流れ、作動流体は熱交換器６側へ向かう。このように配管３１内を流れる蒸気状態の作動流体は、蒸気配管３１からアッパタンク６１の部屋６１ｂ内へ流入する。アッパタンク６１の部屋６１ｂ内に流入した作動流体は、複数あるチューブ６３の通路６３ｂへ流入する。

一方、冷媒配管４１からロアタンク６２の部屋６２ｃ内へ冷媒が供給される。ロアタンク６２の部屋６２ｃ内に供給された冷媒は、通路６３ｃへ流入する。通路６３ｂを流れる作動流体と通路６３ｃを流れる冷媒とは隔壁６３ａを介して熱交換する。また、通路６３ｂを流れる作動流体は、送風用通路６５を通過する送風と熱交換をする。これにより、暖められた送風は車両室内を暖気する。

通路６３ｂを通過する作動流体は、冷媒若しくは送風との熱交換により熱を放出して凝縮し、液相の状態へ戻る。この液体状態となった作動流体は、蒸気の状態の作動流体よりも比重が大きいため、重力によりロアタンク６２の部屋６２ｂへ流入する。ロアタンク６２の部屋６２ｂ内の作動流体は、重力により配管３２を通じて蒸気発生室５０側へ送られ、導入口５４により蒸気発生室５０内へ導入される。

一方、通路６３ｃを流れる冷媒は、冷間始動時の低温時には、作動流体から熱を回収し昇温する。また、暖気完了後の高温時には、送風へ熱を放出し、送風を暖めるとともに自らは冷却される。このとき、暖められた送風は、車両室内を暖気する。

また、図１に示すように、廃熱利用装置１は、エンジン２内の冷媒の温度を測定する温度センサ１３、ユーザが室内の暖房要求するための空調スイッチ１４を備えている。温度センサ１３は、エンジン２内の冷媒の温度からエンジン２の暖機状態を把握する本発明の把握手段に相当する。これらの温度センサ１３、空調スイッチ１４は、Ｃ／Ｕ（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１５と電気的に接続されている。さらに、廃熱利用装置１は、第１制御弁１６、第２制御弁１７を備えている。第１制御弁１６は、配管３１上に配設されており、開閉状態を変化することにより、配管３１内の作動流体の流量を変化させる。第２制御弁１７は、冷媒配管４１上のエンジン２と熱交換器６との間に配設されて、開閉状態を変化することにより、熱交換器６へ流入する冷媒配管４１内の冷媒の流量を変化させる。これらの第１制御弁１６、第２制御弁１７のそれぞれは、Ｃ／Ｕ１５と電気的に接続されている。Ｃ／Ｕ１５は、温度センサ１３から取得する冷媒の温度情報、及び空調スイッチ１４のＯＮ／ＯＦＦの情報に基づいて、第１制御弁１６、第２制御弁１７それぞれの開弁状態を決定し、指令信号を送り、各弁を制御する。また、Ｃ／Ｕ１５と送風機１２とは、電気的に接続されており、送風機１２はＣ／Ｕ１５の指令信号に基づいて、運転される。

次に、本発明の早期暖機、早期暖房についての制御処理を説明する。この制御処理は、Ｃ／Ｕ１５により行われる。図５は、早期暖機、早期暖房についての制御処理のフローである。以下、図５のフローを参照して本発明の制御処理について説明する。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ１で、冷媒温度を取得する。ここでは、Ｃ／Ｕ１５は、温度センサ１３が測定するエンジン２内の温度を取得する。Ｃ／Ｕ１５はステップＳ１の処理を終えるとステップＳ２へ進む。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ２で、ステップＳ１において取得した冷媒温度が所定値Ｔｈｗ以下であるか否かを判断する。ここで、所定値Ｔｈｗはエンジン２が暖機完了をした際の冷媒の温度である。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、ステップＳ１において取得した冷媒温度が所定値Ｔｈｗ以下である場合、ステップＳ３へ進む。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ３で、室内の暖房要求があるか否かを判断する。ここでは、Ｃ／Ｕ１５は、空調スイッチ１４のＯＮの情報により、暖房要求があると判断する。Ｃ／Ｕ１５はステップＳ３でＹＥＳと判断する場合、すなわち、空調スイッチ１４のＯＮの情報を取得すると、ステップＳ４へ進む。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ４で、第１制御弁１６を開弁し、第２制御弁１７を閉弁すると決定する。さらに、Ｃ／Ｕ１５は第１制御弁１６、第２制御弁１７のそれぞれへ決定した弁状態とする信号を送信する。また、送風機１２へ運転開始の信号を送り、室内への送風を開始する。

Ｃ／Ｕ１５がステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、エンジン２の暖機が完了していない冷間運転時では、冷媒の温度が低いため、冷媒を熱交換器６へ供給しても、室内暖房用送風を暖めるための熱量が得られない。この場合であっても、排気ガスから熱量を回収した作動流体は、冷媒よりも高温の状態であり、室内暖房用送風を暖める熱量を有するため、熱交換器６へ作動流体を供給し、作動流体の熱により室内暖房用送風を暖め、室内を暖房する。これにより、従来よりも早期に室内を暖房することが可能となった。

ところで、Ｃ／Ｕ１５はステップＳ２でＮＯと判断する場合、すなわち、ステップＳ１において取得した冷媒温度が所定値Ｔｈｗよりも高温である場合、ステップＳ５へ進む。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ５で、第１制御弁１６を閉弁し、第２制御弁１７を開弁すると決定する。さらに、Ｃ／Ｕ１５は第１制御弁１６、第２制御弁１７のそれぞれへ決定した弁状態とする信号を送信する。

Ｃ／Ｕ１５がステップＳ２でＮＯと判断する場合、すなわち、エンジン２の暖機が完了している場合、冷媒は、温度が高く、室内暖房用送風を暖めることができる。したがって、この場合に暖房要求があるとき、室内暖房用送風は冷媒との熱交換のみで、室内を暖気するのに十分な温度に昇温する。このため、冷媒のみを熱交換器６へ供給する構成とする。

また、Ｃ／Ｕ１５がステップＳ３でＮＯと判断する場合、すなわち、空調スイッチ１４のＯＮの情報を取得しない場合、ステップＳ６へ進む。

Ｃ／Ｕ１５はステップＳ６で、第１制御弁１６を開弁し、第２制御弁１７を開弁すると決定する。さらに、Ｃ／Ｕ１５は第１制御弁１６、第２制御弁１７のそれぞれへ決定した弁状態とする信号を送信する。

Ｃ／Ｕ１５がステップＳ３でＮＯと判断する場合、すなわち、暖機完了前の冷間運転時であり、暖房要求がない場合、廃熱利用装置１は、排気ガスから回収した熱量を冷媒の昇温に用いて、エンジン２の暖機に利用する。これにより、暖機が促進されて、燃費向上等の効果が得られる。

また、本発明のように、作動流体を介して排気ガスの熱エネルギーを室内暖気に回収することは、排気ガスと室内暖房用送風とを直接熱交換する場合に考えられる排気ガス漏洩による車室内への有毒ガスの侵入、排気ガスの温度変化による空調温度の変動を抑制する効果がある。

なお、本実施例では、ウォータジャケット２ａ内の冷媒温度を取得してエンジン２の暖機完了の有無を判断しているが、ウォータジャケット２ａ内の冷媒温度に相関関係のある温度情報に基づいて判断することができる。また、エンジン２の暖機完了の有無を判断できる情報であれば、他の情報に基づいて判断する構成とすることができる。

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。

１ 廃熱利用装置
２ エンジン
３ 作動流体通路
３１、３２ 配管
４ 冷媒通路
４１ 冷媒配管
５ 蒸気発生器
５０ 蒸気発生室
５２ 導出口
５４ 導入口
６ 熱交換器
６５ 送風用通路
７ 排気管
８ 還元触媒
９ リザーブタンク
１１ 調圧弁
１３ 温度センサ
１４ 空調スイッチ
１５ Ｃ／Ｕ（コントロールユニット）
１６ 第１制御弁
１７ 第２制御弁

Claims (5)

1. エンジンから排出される排気ガスの廃熱により、作動流体を蒸気化する蒸気発生器と、
   蒸気化された前記作動流体が循環する作動流体通路と、
   前記エンジンの冷却に用いられる冷媒が循環する冷媒通路と、
   前記作動流体通路と前記冷媒通路とが引き込まれ、前記冷媒と前記作動流体とが熱交換する熱交換器と、
   を備え、
   前記熱交換器は、車両の室内暖房用送風が前記冷媒及び前記作動流体と熱交換するように送風用通路が形成されたことを特徴としたエンジンの廃熱利用装置。
2. 請求項１記載のエンジンの廃熱利用装置において、
   前記作動流体通路内の作動流体の流量を可変とする制御弁と、
   前記エンジンの暖機状態を把握する把握手段と、
   前記把握手段の把握結果に基づいて、前記制御弁の開弁状態を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱利用装置。
3. 請求項１または２記載のエンジンの廃熱利用装置において、
   前記蒸気発生器は、
   内部において前記作動流体が蒸気化される蒸気発生室と、
   当該蒸気発生室の上部に形成され、蒸気化された前記作動流体を前記作動流体通路へ導出する導出口と、
   前記蒸気発生室の底部に形成され、前記熱交換器における熱交換により液化された前記作動流体を前記蒸気発生室内へ導入する導入口と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱利用装置。
4. 請求項１または２記載のエンジンの廃熱利用装置において、
   前記蒸気発生器は、
   内部において前記作動流体が蒸気化される蒸気発生室と、
   当該蒸気発生室の上部に形成され、蒸気化された前記作動流体を前記作動流体通路へ導出する導出口と、
   前記蒸気発生室の底部に形成され、前記熱交換器における熱交換により液化された前記作動流体を前記蒸気発生室内へ導入する導入口と、
   前記蒸気発生室と連通された前記作動流体のリザーブタンクと、
   当該リザーブタンクと前記蒸気発生室とを連通する通路に設置した調圧弁と、
   を備え、
   前記蒸気発生室内の液相の前記作動流体の液面と前記導出口との間に隙間が設けられたことを特徴とするエンジンの廃熱利用装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載のエンジンの廃熱利用装置において、
   前記蒸気発生器は、前記エンジンの排気管における、排気ガスの熱を利用する排気熱利用部の下流側に配置されていることを特徴とするエンジンの廃熱利用装置。

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