JP5553730B2

JP5553730B2 - 廃熱回収システム

Info

Publication number: JP5553730B2
Application number: JP2010249490A
Authority: JP
Inventors: 啓之杉原; 誠辻田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-11-08
Also published as: JP2012102619A

Description

本発明は、廃熱回収システムに関するものである。

従来より、自動車のエンジンでは、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。

一般的に、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をＥＧＲパイプにより接続し、該ＥＧＲパイプを通して排気ガスを再循環するようにしたＥＧＲ装置が用いられている。

また、この種のＥＧＲ装置にあっては、エンジンに再循環する排気ガスをＥＧＲパイプの途中で冷却すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力をあまり低下させずに燃焼温度を低下して効果的に窒素酸化物の発生を低減させることができるため、エンジンに排気ガスを再循環するＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラが装備されている。

斯かる排気ガス再循環は、近年におけるディーゼルエンジンのＮＯx低減対策として極めて重要な役割を果たしており、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスのうち、ＥＧＲガスとしてエンジンに再循環させる割合は今後益々増大していくことが予想されている。

尚、この種の廃熱回収システムに関連する先行技術文献情報としては、本発明と同じ出願人により下記の特許文献１が既に提案されている。

特開２００７−２３９５１３号公報

しかしながら、エンジンに再循環される排気ガスが本来持っている多量の熱エネルギーは、ＥＧＲクーラで冷却水との熱交換により回収された後にラジエータにより大気に放出されているだけであり、ＥＧＲガスとしてエンジンに再循環させる排気ガスの割合が増大していけば、無駄に捨てられてしまう熱エネルギーも増えることになる。

このため、エンジンに再循環される排気ガスの持つ熱エネルギーの有効活用を図ることが検討されているが、これまでに提案されている特許文献１等の提案では、エンジンにランキンサイクルを備え、再循環される排気ガスと前記ランキンサイクルの作動媒体とを熱交換器を介し熱交換させ、これにより気化した作動媒体によりタービン等を回転駆動させて動力を得る仕組みとなっており、ディーゼルエンジンに適用した場合に回収動力を安定して得ることが難しいシステムとなっていた。

即ち、ディーゼルエンジンの排気温度は、負荷の変動に応じて約１５０〜５００℃程度の幅で大きく変化するため、熱交換器で気化した作動媒体の蒸気圧が比較的大きな幅で変動することになり、タービン等で回収される動力がディーゼルエンジンの負荷により変動して不安定化してしまい、その回収動力の有効活用を図る上での利便性が悪くなる。

また、作動媒体の蒸気圧が大きな幅で変動してしまうと、このような大きな幅で変動する蒸気圧に適するような容量のタービンを選定することが難しくなり、仮に最適な運転ポイントに合わせてタービンの容量を設定しても、その最適な運転ポイントから離れた運転領域で作動媒体をウエストゲートバルブによりタービンを迂回させるといった非効率的な措置を採らなければならなくなるという問題もあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ディーゼルエンジンに適用しても回収動力を安定して効率良く得ることが可能な廃熱回収システムを提供することを目的とする。

本発明は、排気側から排気ガスの一部を抜き出してＥＧＲクーラを介し水冷してから吸気側へ再循環するようにしたディーゼルエンジンの廃熱回収システムであって、熱交換により作動媒体を気化させる排熱交換器と、該排熱交換器で気化された作動媒体により駆動されて動力を発生させる動力発生機と、該動力発生機を経た作動媒体を熱交換により凝縮して液化させる凝縮器と、該凝縮器で液化された作動媒体を前記排熱交換器に送るポンプとを有するランキンサイクルを備え、前記ＥＧＲクーラで排気ガスとの熱交換により昇温した冷却水を熱源として前記排熱交換器で作動媒体と熱交換させるように構成し、前記ＥＧＲクーラから前記排熱交換器に導かれる冷却水の流量を調整する流量調整弁を設け、該流量調整弁の開度を冷却水の温度が所定温度範囲内に維持されるように制御する制御装置を備えたことを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、ディーゼルエンジンの負荷が変動して排気温度が大きく変動しても、制御装置により流量調整弁の開度が制御されて冷却水の温度が所定温度範囲に維持されるので、排熱交換器で気化する作動媒体の蒸気圧が大きな幅で変動しなくなり、安定した蒸気圧で作動媒体が動力発生機に導かれる結果、該動力発生機にて回収動力が安定して得られることになる。

即ち、ディーゼルエンジンの軽負荷運転時に排気温度が下がった場合には、制御装置により流量調整弁の開度が狭められて冷却水の流量が減らされ、これにより冷却水の単位流量当たりの受熱量が増やされるので、低い排気温度でもＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度を所定温度範囲内に維持することが可能となる。

また、ディーゼルエンジンの高負荷運転時に排気温度が上がった場合には、制御装置により流量調整弁の開度が拡げられて冷却水の流量が増やされ、これにより冷却水の単位流量当たりの受熱量が減らされるので、高い排気温度でもＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度を所定温度範囲内に維持することが可能となる。

尚、動力発生機を経た作動媒体は、凝縮器に導かれて空気等の熱交換により凝縮されて液化し、ポンプにより前記排熱交換器に再び循環されてＥＧＲクーラからの冷却水と繰り返し熱交換されることになる。

また、本発明においては、ＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサによる実測値に基づいて流量調整弁の開度を制御し得るように制御装置を構成することが好ましく、このようにすれば、ＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度をより確実に所定温度範囲内に維持することが可能となる。

上記した本発明の廃熱回収システムによれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、負荷の変動により排気温度が大きく変動するディーゼルエンジンに適用しても、制御装置により流量調整弁の開度を制御して冷却水の温度を所定温度範囲に維持し、排熱交換器で気化する作動媒体の蒸気圧を大きな幅で変動しないようにして、安定した蒸気圧で作動媒体を動力発生機に導くことができるので、該動力発生機にて回収動力を安定して得ることができて該回収動力の有効活用を図る上での利便性を大幅に向上することができ、しかも、安定した蒸気圧に対し適切な容量の動力発生機を選定することができて効率の良い動力回収を行うことができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、ＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度を温度センサにより検出し、その実測値に基づいて流量調整弁の開度を適切に制御することができるので、ＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度をより確実に所定温度範囲内に維持することができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の流量調整弁の制御系を示す要部の拡大図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はディーゼルエンジンを示し、該ディーゼルエンジン１は、ターボチャージャ２を備えており、図示しないエアクリーナから導いた吸気３を吸気管４を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタークーラ５へと送って冷却し、該インタークーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてディーゼルエンジン１の各気筒７（図１では直列６気筒の場合を例示している）に分配するようにしてある。

また、このディーゼルエンジン１の各気筒７から排出された排気ガス８を排気マニホールド９を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス８を排気管１０を介し車外へ排出するようにしてある。

そして、排気マニホールド９における各気筒７の並び方向の一端部と、吸気マニホールド６に接続されている吸気管４の一端部との間がＥＧＲパイプ１１により接続されており、排気マニホールド９から排気ガス８の一部を抜き出して吸気管４に導き得るようにしてある。

ここで、前記ＥＧＲパイプ１１には、再循環される排気ガス８を冷却するためのＥＧＲクーラ１２が装備されており、該ＥＧＲクーラ１２では、ディーゼルエンジン１の冷却水水系からラジエータ１３で空冷されてディーゼルエンジン１に戻される冷却水１４を分岐して導き、該冷却水１４と排気ガス８とを熱交換させることにより該排気ガス８を水冷し得るようになっている。

斯かるディーゼルエンジン１に関し、本形態例においては、熱交換により作動媒体１５を気化させる排熱交換器１６と、該排熱交換器１６で気化された作動媒体１５により駆動されて動力を発生させる動力発生機１７と、該動力発生機１７を経た作動媒体１５を熱交換により凝縮して液化させる凝縮器１８と、該凝縮器１８で液化された作動媒体１５を前記排熱交換器１６に送るポンプ１９とを有するランキンサイクル２０が備えられている。

そして、前述のＥＧＲクーラ１２で排気ガス８との熱交換により昇温した冷却水１４が、前記ランキンサイクル２０の排熱交換器１６に熱源として送られて作動媒体１５と熱交換されるようになっており、ＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６への冷却水１４の流量が流量調整弁２１により調整され、ＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６へ送られる冷却水１４の温度が所定温度範囲内に維持されるようになっている。

即ち、この流量調整弁２１は、制御装置２２からの制御信号２２ｘにより開度制御されるようになっており、例えば、ディーゼルエンジン１の負荷や回転数等に基づき現在の運転状況における排気ガス８の温度を推定し、該排気ガス８の推定温度に応じた流量調整弁２１の開度を制御マップから読み出して決定させるようにすれば良いが、より好ましくは、図２に示す如く、ＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６に導かれる冷却水１４の温度を検出する温度センサ２３を設け、該温度センサ２３からの検出信号２３ｘを前記制御装置２２に入力させ、前記温度センサ２３による実測値に基づいて前記流量調整弁２１の開度をフィードバック制御させるようにすると良い。

また、前記ランキンサイクル２０の凝縮器１８は、インタークーラ５やラジエータ１３と共にディーゼルエンジン１の前面に配置し、該ディーゼルエンジン１の前面に付帯された冷却ファン２４により凝縮器１８越しに冷却空気２５（外気）を強制的に吸引して作動媒体１５を空冷し、該作動媒体１５を凝縮して液化させるようにしてある。

尚、ここに図示している例では、動力発生機１７がタービンにより構成されており、作動媒体１５の蒸気圧（運動エネルギー）により回転駆動されて回転エネルギーが動力として回収されるようになっているが、図１に矢印Ａにより示唆されているように、この回収した動力をディーゼルエンジン１のクランク軸２６に伝達してエンジン出力の補助に使っても良いし、或いは、図示しない発電機の駆動に使用して電力に変換し、これをバッテリ等に蓄電して必要時に使用するようにしても良い。

而して、このようにすれば、ディーゼルエンジン１の負荷が変動して排気温度が大きく変動しても、制御装置２２により流量調整弁２１の開度が制御されて冷却水１４の温度が所定温度範囲に維持されるので、排熱交換器１６で気化する作動媒体１５の蒸気圧が大きな幅で変動しなくなり、安定した蒸気圧で作動媒体１５が動力発生機１７に導かれる結果、該動力発生機１７にて回収動力が安定して得られることになる。

即ち、ディーゼルエンジン１の軽負荷運転時に排気温度が下がった場合には、制御装置２２により流量調整弁２１の開度が狭められて冷却水１４の流量が減らされ、これにより冷却水１４の単位流量当たりの受熱量が増やされるので、低い排気温度でもＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６に導かれる冷却水１４の温度を所定温度範囲内に維持することが可能となる。

また、ディーゼルエンジン１の高負荷運転時に排気温度が上がった場合には、制御装置２２により流量調整弁２１の開度が拡げられて冷却水１４の流量が増やされ、これにより冷却水１４の単位流量当たりの受熱量が減らされるので、高い排気温度でもＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６に導かれる冷却水１４の温度を所定温度範囲内に維持することが可能となる。

尚、動力発生機１７を経た作動媒体１５は、凝縮器１８に導かれて空気等の熱交換により凝縮されて液化し、ポンプ１９により前記排熱交換器１６に再び循環されてＥＧＲクーラ１２からの冷却水１４と繰り返し熱交換されることになる。

従って、上記形態例によれば、負荷の変動により排気温度が大きく変動するディーゼルエンジン１に適用しても、制御装置２２により流量調整弁２１の開度を制御して冷却水１４の温度を所定温度範囲に維持し、排熱交換器１６で気化する作動媒体１５の蒸気圧を大きな幅で変動しないようにして、安定した蒸気圧で作動媒体１５を動力発生機１７に導くことができるので、該動力発生機１７にて回収動力を安定して得ることができて該回収動力の有効活用を図る上での利便性を大幅に向上することができ、しかも、安定した蒸気圧に対し適切な容量の動力発生機１７を選定することができて効率の良い動力回収を行うことができる。

また、図２の如きフィードバック制御を採用すれば、ＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６に導かれる冷却水１４の温度を温度センサ２３により検出し、その実測値に基づいて流量調整弁２１の開度を適切に制御することができるので、ＥＧＲクーラ１２から排熱交換器１６に導かれる冷却水１４の温度をより確実に所定温度範囲内に維持することができる。

尚、本発明の廃熱回収システムは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ディーゼルエンジン
８排気ガス
１２ＥＧＲクーラ
１４冷却水
１５作動媒体
１６排熱交換器
１７動力発生機
１８凝縮器
１９ポンプ
２０ランキンサイクル
２１流量調整弁
２２制御装置
２２ｘ制御信号
２３温度センサ
２３ｘ検出信号

Claims

排気側から排気ガスの一部を抜き出してＥＧＲクーラを介し水冷してから吸気側へ再循環するようにしたディーゼルエンジンの廃熱回収システムであって、熱交換により作動媒体を気化させる排熱交換器と、該排熱交換器で気化された作動媒体により駆動されて動力を発生させる動力発生機と、該動力発生機を経た作動媒体を熱交換により凝縮して液化させる凝縮器と、該凝縮器で液化された作動媒体を前記排熱交換器に送るポンプとを有するランキンサイクルを備え、前記ＥＧＲクーラで排気ガスとの熱交換により昇温した冷却水を熱源として前記排熱交換器で作動媒体と熱交換させるように構成し、前記ＥＧＲクーラから前記排熱交換器に導かれる冷却水の流量を調整する流量調整弁を設け、該流量調整弁の開度を冷却水の温度が所定温度範囲内に維持されるように制御する制御装置を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
ＥＧＲクーラから排熱交換器に導かれる冷却水の温度を検出する温度センサを備え、該温度センサによる実測値に基づいて流量調整弁の開度を制御し得るように制御装置を構成したことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収システム。