JP5476067B2 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、上記各従来技術では、シリンダブロックのより大きな廃熱を吸収できるだけのエチレングリコールまたはLLCの全量を排ガス熱交換器に流入させているため、排ガス熱交換器での中間媒体または冷却水の温度上昇が小さいという問題がある。
更に、排ガス熱交換器で加熱したエチレングリコール、またはLLCを主に冷媒の蒸発に使っており、冷媒の過熱が少なく、二相流膨張となり、回生効率が小さくなるおそれもある。
更に、請求項2記載の発明によれば、流量制御手段は、温度検出手段にて検出された冷却水温度に応じて、排ガス熱交換器に流入する冷却水の流量を規制することにより、冷却水を排ガスと熱交換させて沸騰温度以上であって冷却水が完全に蒸発する温度未満とする。これにより、排ガス熱交換器内に冷却水の添加剤が析出し、この析出した添加剤による排ガス熱交換器の伝熱能力の低下や、冷却水の防錆能力の低下を確実に防止することができるため、廃熱利用装置のエネルギー回収量を確実に増大することができる。
図1は内燃機関の廃熱利用装置の一例を模式的に示しており、この廃熱利用装置は例えば車両に搭載され、車両のエンジン(内燃機関)2を冷却する冷却水回路4と、エンジン2の廃熱を回収するランキンサイクル6(以下、RC回路という)とを備えている。
一方、RC回路6は、作動流体としての例えばフロンR134aなどの冷媒の循環路7に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器12、過熱器10、膨張機22、凝縮器24、気液分離器26、冷媒ポンプ(ポンプ)28が介挿されて閉回路を構成している。
膨張機22は、過熱器10を経由して過熱状態にされた冷媒を膨張させて駆動力を発生する回転機器であって、膨張機22には、膨張機22にて発生した駆動力を電力に変換して廃熱利用装置の外部で利用可能とする発電機30が機械的に連結されている。
気液分離器26は、凝縮器24にて凝縮された冷媒を気液二層に分離し、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ28側に流出される。
このように構成される冷却水回路4及びRC回路6は、車両を総合的に制御する電子制御装置であるECU32により制御され、ECU32には、冷媒ポンプ28の駆動部が電気的に接続されている。
バイパス路34にはバイパス路34を流れる冷却水の流量を調整する流量調整弁36が介挿されており、ECU32には流量調整弁36の駆動部及び上述した温度センサ20も電気的に接続されている。
先ず、本制御が開始されるとS1に移行し、S1では、温度センサ20にて検出された冷却水温度Tcが設定温度Ts以上(Tc≧Ts)となるか否かを判定し、判定結果が真(Yes)でTc≧Tsが成立すると判定された場合にはS2に移行し、判定結果が偽(No)でTc≧Tsが成立しないと判定された場合にはS3に移行する。
一方、S3では、流量調整弁36を開弁させた後、本制御をリターンする。
このように、本制御では、流量調整弁36の開度を調整することにより、温度検出センサ20にて検出された冷却水温度Tcが設定温度Ts以上となるとき、排ガス熱交換器8に流入する冷却水の流量Feを増大させ、一方、温度センサ20にて検出された冷却水温度Tcが設定温度Ts未満となるとき、排ガス熱交換器8に流入する冷却水の流量Feを減少させる。
上記流量制御では、この特性図に基づいて所定の発電量Eに対応する冷却水温度Tcを設定温度Tsとして設定している(目標温度設定手段)。
図4は、当該第2実施形態の内燃機関の廃熱利用装置の模式図を概略的に示している。
当該第2実施形態は、上記第1実施形態における排ガス熱交換器8の熱交換部を2分割して構成するものであり、他は上記第1実施形態と同様の構成をなしている。
図5は、当該第3実施形態の内燃機関の廃熱利用装置の模式図を概略的に示している。
当該第3実施形態は、上記第1実施形態における流量調整弁36の位置を排ガス熱交換器8側に設けたものであり、他は上記第1実施形態と同様の構成をなしている。
そして、ECU32は、温度センサ20からの入力信号に応じて流量調整弁36の駆動部に駆動信号を出力することにより、上記各実施形態と同様の流量制御を行う(流量制御手段)。
特に当該第3実施形態では、排ガス熱交換器8を流れる冷却水は流量比Rが11%程度の小流量となるように上記各実施形態と同様の流量制御が行われることから、流量調整弁36を流路5dのバイパス路34の分岐点よりも排ガス熱交換器8側に設けることにより、流量調整弁36をバイパス路34に設ける場合に比して流量調整弁36の口径を小さくすることができ、ひいては流量調整弁36を小型化することができる。従って、流量調整弁36、冷却水回路4、ひいては廃熱利用装置のコストを低減することができる。
図6は、当該第4実施形態の内燃機関の廃熱利用装置の模式図を概略的に示している。
当該第4実施形態は、上記第3実施形態における流量調整弁36をリニアポンプ42に置き換えたものであり、他は上記第3実施形態と同様の構成をなしている。
そして、ECU32は、温度センサ20からの入力信号に応じてリニアポンプ42の駆動部に駆動信号を出力することにより、上記各実施形態と同様の流量制御を行っている(流量制御手段)。
図7は、当該第5実施形態の内燃機関の廃熱利用装置の模式図を概略的に示している。
当該第5実施形態は、上記第4実施形態における冷却水回路4の過熱器10と蒸発器12との間の循環路5に減圧弁44を設け、流路5dのリニアポンプ42よりも排ガス熱交換器8側に逆止弁46を設けるものであり、他は上記第4実施形態と同様の構成をなしている。
以上のように、第5実施形態では、上記各実施形態と同様に、RC回路6における冷媒の過熱度を高めて、廃熱利用装置のエネルギー回収量を大幅に増大することができる。
当該第6実施形態の廃熱利用装置は、例えば図1に示されるような上記第1実施形態とほぼ同様の構成をなしている。
この図から明らかなように、外気温度が年間を通して15℃の低外気温から35℃の高外気温にかけての広範囲に亘って変動することを前提として、膨張機22における容積比が2.5以上3.4以下に予め設定される。なお、簡易的に、外気温度の年間平均が25℃となることを前提として、上記容積比を2.6に予め設定しても良い。
3 シリンダブロック(内燃機関本体)
4 冷却水回路
5 冷却水の循環路
5d 流路(第1流路)
5e 流路(第2流路)
6 ランキンサイクル
7 作動流体の循環路
8 排ガス熱交換器
8A 第1熱交換部
8B 第2熱交換部
10 過熱器
12 蒸発器
18 冷却水ポンプ
20 温度センサ(温度検出手段)
22 膨張機
24 凝縮器
28 ポンプ
30 発電機
32 ECU(流量制御手段、目標温度設定手段、熱量比制御手段)
34 バイパス路(流量制御手段)
36 流量調整弁(流量制御手段)
38 気液分離器(気液分離手段)
40 リターン路(気液分離手段)
42 リニアポンプ(流量制御手段)
44 減圧弁
46 逆止弁
Claims (12)
- 冷却水の循環路に、内燃機関を経由し、内燃機関本体を冷却することにより加熱された冷却水の一部を前記内燃機関の排ガスと熱交換させて更に加熱する排ガス熱交換器を介挿した冷却水回路と、
作動流体の循環路に、前記内燃機関を経由した冷却水と熱交換させて作動流体を蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を前記排ガス熱交換器を経由した冷却水と熱交換させて過熱状態にする過熱器、該過熱器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプを順次介挿したランキンサイクルとを備え、
前記冷却水回路は、
前記内燃機関を経由した冷却水を前記排ガス熱交換器及び前記過熱器をバイパスして前記蒸発器に直接に流入させ、前記排ガス熱交換器に流入する冷却水の流量を規制する流量制御手段と、
前記排ガス熱交換器の出口の冷却水温度を検出する温度検出手段と
を有し、
前記流量制御手段は、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度に応じて、前記排ガス熱交換器に流入する冷却水の流量を規制し、前記冷却水を前記排ガスと熱交換させて沸騰状態とすることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記流量制御手段は、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度に応じて、前記排ガス熱交換器に流入する冷却水の流量を規制することにより、前記冷却水を前記排ガスと熱交換させて前記冷却水の沸騰温度以上であって前記冷却水が完全に蒸発する温度未満とすることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記流量制御手段は、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度が前記所定の設定温度以上となるとき、前記排ガス熱交換器に流入する冷却水の流量を増大させ、一方、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度が前記所定の設定温度未満となるとき、前記排ガス熱交換器に流入する冷却水の流量を減少させることを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記膨張機には該膨張機にて発生する駆動力を電力に変換する発電機が連結され、
前記流量制御手段は、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度と、前記発電機にて発電される発電量との特性に基づいて、所定の目標発電量に対応する冷却水温度を前記所定の設定温度として設定する目標温度設定手段を具備することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記目標温度設定手段は、冷却水に添加される添加剤の析出温度未満の温度を前記所定の設定温度として設定することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記排ガス熱交換器は、冷却水の流れ方向から順に、第1熱交換部と第2熱交換部とから構成され、
前記温度検出手段は、前記第1熱交換部の出口の冷却水温度を検出するものであって、
前記第1熱交換部と前記第2熱交換部との間に介挿され、前記第1熱交換部で蒸発した蒸気を分離して前記第2熱交換部の入口に供給する気液分離手段を更に備えることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記冷却水回路は、前記内燃機関の駆動に連動して駆動されて前記冷却水の循環路に冷却水を循環させる冷却水ポンプを有し、
前記流量制御手段は、前記冷却水の循環路の一部であるとともに前記内燃機関と前記排ガス熱交換器との間を接続する第1流路から分岐され、前記内燃機関を経由した冷却水を前記排ガス熱交換器及び前記過熱器をバイパスして前記蒸発器に直接に流入させるバイパス路と、前記第1流路の前記バイパス路の分岐点よりも前記排ガス熱交換器側に介挿され、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度に応じてリニアに駆動されるリニアポンプとからなり、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度が前記所定の設定温度以上となるとき、前記リニアポンプの回転数を増大させ、一方、前記温度検出手段にて検出された冷却水温度が前記所定の設定温度未満となるとき、前記リニアポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記冷却水回路は、前記冷却水の循環路の一部であるとともに前記過熱器と前記蒸発器との間を接続する第2流路と、該第2流路に介挿される減圧弁とを有することを特徴とする請求項7に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記冷却水回路は、前記第1流路の前記リニアポンプよりも前記排ガス熱交換器側に介挿されるとともに前記排ガス熱交換器側から前記リニアポンプ側への冷却水の逆流を阻止する逆止弁を有することを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記蒸発器及び前記過熱器において冷却水と作動流体との熱交換が行われる各伝熱部の総伝熱面積を最も小さくするべく、前記蒸発器の前記伝熱部における単位時間あたりの蒸発器熱交換量に対する前記過熱器の前記伝熱部における単位時間あたりの過熱器熱交換量の熱量比を設定する熱量比制御手段を備え、
前記膨張機の入口の作動流体容積に対する前記膨張機の出口の作動流体容積の容積比が2.5以上3.4以下の場合、前記熱量比制御手段は前記熱量比を0.08以上0.35以下に設定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記容積比が2.6の場合、前記熱量比制御手段は前記熱量比を0.15に設定することを特徴とする請求項10に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記流量制御手段は、前記熱量比制御手段にて設定された前記熱量比にするべく、前記排ガス熱交換器、ひいては前記過熱器に流入する冷却水の流量を規制することを特徴とする請求項10または11に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
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