JP6066875B2 - 内燃機関の廃熱回収装置 - Google Patents
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Description
一般に、ランキンサイクル装置は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器(エバポレータ)と、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張機の作動流体を凝縮させるコンデンサとから構成されている。
このような技術を利用した装置が特許文献1に開示されている。
また、冬季などにおいて、冷凍サイクルの熱負荷が小さくなって、冷凍サイクルを停止した時には、両凝縮器をランキンサイクルにて使用でき、一方、真夏などに冷凍サイクルの熱負荷が極端に大きくなって、ランキンサイクルを停止した時には、両凝縮器を冷凍サイクルに使用できる。
しかし、作動流体の流れに対して、凝縮器を直列に使用することは、作動流体の流通抵抗が大きくなり、廃熱回収装置稼働のための消費エネルギー負担が大きくなり、廃熱を効率よく回収できない不具合を有している。
また、凝縮器を直列に使用することは、凝縮器における外気温度と作動流体との温度差は、凝縮器を並列にして使用する場合の1/2になり、凝縮器における冷却能力が十分に発揮できない。
前記内燃機関の冷却水回路に介装され、該冷却水を熱源として、作動流体を加熱するエバポレータと、
前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機の下流側で、前記作動流体の流路に対し並列に配置され、前記膨張機を作動させた作動流体を外気により冷却する第1コンデンサ及び第2コンデンサと、
前記膨張機と前記第1及び第2コンデンサ間に介装され、前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサへの前記作動流体の流通を切換えるコンデンサ経路切換弁と、
前記コンデンサで冷却された前記作動流体を圧縮する作動流体ポンプと、
前記コンデンサ経路切換弁及び前記作動流体ポンプの作動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記膨張機出口の前記作動流体温度が第1所定値以下の場合、前記コンデンサ経路切換弁を作動させて前記第1コンデンサ又は、第2コンデンサのいずれか一方のみに作動流体を流通させるようにしたことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置を提供できる。
これは、作動流体の温度を低くし過ぎると、エバポレータにおいて、冷却水の温度が低くなりすぎて、内燃機関の性能に影響を及ぼすのを防止することができる。
更に、コンデンサ2個を並列に配置することで、作動流体の流通抵抗が低減し、コンデンサの冷却性能、作動流体ポンプの作動負荷が低減でき、エネルギー回収効率が向上する。
また、コンデンサ2個を並列に配置することで、夫々のコンデンサが小型化でき、車両への搭載性を向上させることができる。
(膨張機のNET出力=膨張機出力−ファン消費動力−作動流体ポンプ消費動力)
一方、内燃機関入口の冷却水温が第3所定値以上にならないと、廃熱回収効率が低く、作動流体ポンプ及びコンデンサファン作動させる消費エネルギーが廃熱回収エネルギーより高くなるのを防止することができる。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、その相対配置などはとくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
1は、内燃機関であるエンジンを示す。2はエンジンの冷却水路に介装された廃熱回収装置で、3は該廃熱回収装置2を制御する制御装置である。
エバポレータ21は、該エバポレータ21内において冷却水Rと作動流体Wとを熱交換して、作動流体Wを高温高圧の作動流体にする。
熱交換を行った冷却水Rは、ラジエータ流出管12bに連結した冷却水排出管21bによってエンジン1の冷却水回路に戻る。
一般に、膨張機22には、図示省略の発電機を連結して電力を得る場合、又は車両の駆動系に連結して走行補助を行うようにして、廃熱回収装置2以外の部分で利用している。
第1コンデンサ25には第1コンデンサファン27、第2コンデンサ26には第2コンデンサファン28が夫々配置されている。
第1及び第2コンデンサファン27、28は、夫々が独立して回転制御されると共に、エンジン1の回転数の上昇、及び作動流体の膨張機22の出口温度上昇に応じて回転数が高くなるように制御装置3によって制御される。
また、第1及び第2コンデンサ25、26は、夫々に対応した第1及び第2コンデンサファン27、28によって、外気を吸込み、膨張機22で膨張した作動流体Wを外気によって冷却及び凝縮する。
切換えとは、作動流体Wの膨張機22の出口温度が第1所定値以下の場合に、第1コンデンサ25、又は第2コンデンサ26のいずれか一方にのみ作動流体Wを流通させるように切換える。
即ち、いずれか一方のコンデンサには、作動流体Wがエネルギー回収中は常に流通している。
これは、コンデンサにおいて、作動流体Wの温度が低くなり過ぎると、エバポレータ21において、冷却水Rから作動流体Wへの熱移動量(熱交換量)が多くなり、冷却水Rの温度が低くなりすぎるのを防止して、エンジン1の熱効率が低下し、エンジン1の燃費、排ガス浄化に悪い影響を与えないようにするものである。
尚、本実施形態において、第1所定値の温度は、40℃としたが、エンジン1及び廃熱回収装置2の性能及び構造によって、上下することは当然である。
更に、コンデンサ2個を並列に配置することで、作動流体の流通抵抗が低減し、コンデンサの冷却性能、作動流体ポンプの作動負荷が低減でき、エネルギー回収効率が向上する。
また、コンデンサ2個を並列に配置することで、夫々のコンデンサが小型化でき、車両への搭載性を向上させることができる。
また、本実施形態では、作動流体ポンプ24の駆動を図示省略の電動モータにて実施しており、駆動は制御装置3によって制御される。
入力信号は、エンジン回転数Nrpm、冷却水Rのエンジン出口温度TA(冷却水Rのエバポレータ21の入口温度)、冷却水Rのエンジン入口温度TB(冷却水Rのエバポレータ21の出口温度)及び、作動流体Wの膨張機22の出口温度TD等である。
また、出力信号は、コンデンサ経路切換弁制御信号、第1コンデンサファン目標回転数制御信号、第2コンデンサファン目標回転数制御信号、作動流体目標流量制御信号、等である。
先ず、制御がスタートしてエンジン1側からの情報が入力される。
ステップS1において、冷却水Rのエンジン出口温度TAが入力される。
ステップS2において、冷却水Rのエンジン出口温度TA≧第2所定値T2になっているかを判断する。
これは、エアバポレータ21において、冷却水Rからどの程度のエネルギー回収ができるか、また、エネルギー回収ができる冷却水温度に達しているか否かを判断するためである。
即ち、冷却水温が低い場合には、エンジン1の熱効率、排ガス浄化に影響を及ぼすために、エネルギー回収をしないで、冷却水温度を上昇させるための判断である。
ステップS2にて、冷却水Rのエンジン出口温度TA<第2所定温度T2(第2所定値)の場合、オーバクールと判断し、Noを選択してステップS15に進み、作動流体ポンプ24を停止させる。
尚、本実施形態の場合は、一例として第2所定温度T2は、55℃として制御したが、エンジン1の形態、性能等により変化することがあるのは当然である。
冷却水温度が低い場合は、エネルギー回収量も少ないので、廃熱回収装置2を作動させるエネルギー消費の方が多くなる場合がある。
ステップS3は、冷却水Rの温度に基づいて、エバポレータ21にどの程度の作動流体Wを流せるかを、マップAによって抽出するものである。
マップAは、台上試験にて予め求めたものであるが、横軸に冷却水温度℃、縦軸に作動流体Wの流量を表している。
ステップS4において、目標作動流体流量M1を抽出する。
ステップS6において、冷却水Rのエンジン入口温度TB≧第3所定値T3になっているかを判断する。
これは、エバポレータ21から戻ってきた冷却水温度を検知して、廃熱回収装置2を作動させるか否かを判断する。
尚、本実施形態の場合は、一例として第3所定値T3は、65℃として制御したが、エンジン1の形態、性能等により変化することがある。
従って、ステップS6において、エンジン入口温度TB<第3所定値T3の場合は、Noを選択してステップS15に進み、作動流体ポンプ24を停止する。
ステップS6において、冷却水Rのエンジン入口温度TB≧第3所定値T3になっている場合には、廃熱回収装置2を作動させると判断してステップS7に進む。
既述の通り、冷却水Rのエンジン入口温度とは、エバポレータ21の冷却水排出口の冷却水温度である。
エンジン入口目標温度TTは、エンジン1の熱効率を維持し、排ガス浄化を推進するために最適な冷却水温度である。
ステップS7において、ステップS6のエンジン入口温度TBとステップS8のエンジン入口目標温度TTとの差を求める。温度差ΔT=TB−TT
求められた温度差ΔT×指定値K=目標作動流体流量M2を算出する。
これは、エンジン1の冷却水回路のラジエータ流出管12bに戻ってきた冷却水温度がエンジン1の熱効率を確保できる温度より高く、更にエネルギー回収が可能であるとして、作動流体Wの増加流量を算出するものである。
ステップS9において、目標作動流体流量M2として算出する。
ステップS10において、M1+M2=目標作動流体流量M3を算出する。
ステップS22において、エンジン1が停止0の場合には、Noを選択して、ステップS15に進み、作動流体ポンプ24は停止中する。
ステップS22において、エンジン回転数Nrpm>0の場合、即ち、エンジン1が稼働している場合はYesを選択して、ステップS23に進む。
ステップS23は、エンジン回転数Nrpm(エンジン負荷)によって、作動流体Wの流量を変えるためである。
即ち、エンジン回転数Nrpmによって、図示省略の冷却水路の冷却水Rを循環させるエンジン1の冷却水ポンプの回転数が変化するため、エバポレータ21に流れ込む冷却水Rによってもたらす熱量が変化する。
そのため、冷却水から効率よく熱エネルギーを回収するため、エンジン回転数Nに応じて作動流体流量を変える必要がある。
該マップBは、横軸にエンジン回転数N、縦軸に目標流量係数Gを表したものである。
ステップS24にて、作動流体Wの目標流量係数Gを抽出する。
これは、アイドリング時等の低回転条件の場合には、エンジン回転数に応じてに一定の作動流体Wの流量を確保することにより、廃熱回収が可能となり、総廃熱回収量増大が可能となる。
従って、ステップS23のマップBにおいては、アイドリング状態時の作動流体Wの目標流量係数Gは、Giとなる。
ステップS12において、制御装置3は、循環路29内を流れる作動流体Wが最終目標作動流体流量Mになるように作動流体ポンプ24を駆動する。
ステップS13にてリターンする。
このようにして作動流体Wの流量制御が実施される。
一方、作動流体Wの循環路29に、作動流体の流れに対して並列に配設された第1コンデンサ25、第2コンデンサ26の制御について説明する。
ステップS21において、エンジン1の稼働状況、即ち回転数Nrpmが入力される。
ステップS22において、エンジン1が停止0の場合には、Noを選択して、ステップS15に進み、作動流体ポンプ24は停止中する。
ステップS22において、エンジン回転数Nrpm>0の場合、即ち、エンジン1が稼働している場合はYesを選択して、ステップS25に進む。
ステップS25においてエンジン1が稼働している間、第1コンデンサ25には作動流体が流れるようになっている。
従って、ステップS26は、第1コンデンサ25に導入された作動流体Wを冷却するため、第1コンデンサ25に外気を送風する第1コンデンサファン27をエンジン1の稼働状況(回転数Nrpm)に応じて回転制御するマップCである。
ステップS27において、第1コンデンサファン目標回転数Nf1を抽出する。
ステップS28にて、第1コンデンサファン27を作動し、ステップS13でリターンする。
ステップS31にて、作動流体温度TD≧第1所定温度T1を判断する。
ステップS31は、膨張機22から排出された作動流体TD温度が、第1所定温度T1より高いと、第1コンデンサ25の冷却能力を超え、廃熱回収装置2のエネルギー回収効率の低下を防止するために検知する。
作動流体温度TD<第1所定温度T1の場合には、第1コンデンサ25の冷却能力で対応できると判断して、Noを選択して、ステップS37に進む。
従って、第2コンデンサファン28は停止された状態になっている。
ステップS13に進んでリターンする。
ステップS32において、コンデンサ経路切換弁22をClose状態からOpen状態に切換えられ、ステップS33において、第2コンデンサ26に作動流体Wが流通され、第1コンデンサ25及び第2コンデンサ26に作動流体Wが流通して、作動流体Wの並列流れが発生する。
そして、ステップS22からのエンジン回転数Nrpmと共にステップS34に進む。
マップDは、第2コンデンサ26を冷却するため第2コンデンサファン目標回転数Nf2を抽出するもので、横軸にエンジン回転数N、縦軸に第2コンデンサファン28の目標回転数Nf2を示している。
尚、本実施形態において、第1コンデンサ25及び第2コンデンサ26は、共に同じ形状のものを使用しているため、マップCとマップDは同一のマップを使用している。
ステップS35において、第2コンデンサファン目標回転数Nf2を抽出する。
ステップS36にて、第2コンデンサファン28を作動し、ステップS13でリターンする。
更に、コンデンサ2個を循環路29に対して並列に配置することで、作動流体の流通抵抗が低減し、コンデンサの冷却性能が向上すると共に、作動流体Wポンプの作動負荷が低減でき、エネルギー回収効率が向上する。
また、コンデンサ2個を並列に配置することで、夫々のコンデンサが小型化でき、車両への搭載性を向上させることができる。
2 廃熱回収装置
3 制御装置
5 バルブ開閉機構
11 エンジン本体
12 ラジエータ
12a ラジエータ導入管(冷却水路)
12b ラジエータ流出管(冷却水路)
21 エバポレータ
22 膨張機
23 コンデンサ経路切換弁
24 作動流体ポンプ
25 第1コンデンサ
26 第2コンデンサ
27 第1コンデンサファン
28 第2コンデンサファン
29 循環路
R 冷却液
W 作動流体
T1 第1所定温度(第1所定値)
T2 第2所定温度(第2所定値)
T3 第3所定温度(第3所定値)
Claims (7)
- 内燃機関稼働時の廃熱を回収する内燃機関の廃熱回収装置において、
前記内燃機関の冷却水回路に介装され、該冷却水を熱源として、作動流体を加熱するエバポレータと、
前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機の下流側で、前記作動流体の流路に対し並列に配置され、前記膨張機を作動させた作動流体を外気により冷却する第1コンデンサ及び第2コンデンサと、
前記膨張機と前記第1及び第2コンデンサ間に介装され、前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサへの前記作動流体の流通を切換えるコンデンサ経路切換弁と、
前記コンデンサで冷却された前記作動流体を圧縮する作動流体ポンプと、
前記コンデンサ経路切換弁及び前記作動流体ポンプの作動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記膨張機出口の前記作動流体温度が第1所定値以下の場合、前記コンデンサ経路切換弁を作動させて前記第1コンデンサ又は、第2コンデンサのいずれか一方のみに作動流体を流通させるようにしたことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置。 - 前記制御装置は、前記第1及び第2コンデンサ夫々に対応して配置された第1及び第2コンデンサファンを夫々独立して回転制御すると共に、前記内燃機関の回転数の上昇及び、前記作動流体の前記膨張機出口温度上昇に応じて回転数が高くなるように制御することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の廃熱回収装置。
- 前記制御装置は、前記冷却水の前記内燃機関入口温度と前記内燃機関出口温度との温度差が大きくなるにしたがい前記作動流体流量を多くするように、前記作動流体ポンプを制御することを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
- 前記制御装置は、前記内燃機関がアイドリング状態時において、作動流体の流量を補正係数を乗じて、目標流量を制御するようにしたことを特徴とする請求項3記載の内燃機関の廃熱回収装置。
- 前記制御装置は、前記冷却水の前記内燃機関出口温度が第2所定値以下の場合、前記作動流体ポンプを停止させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
- 前記制御装置は、前記冷却水の前記内燃機関入口温度が第3所定値以上になった場合、前記作動流体ポンプを再駆動させることを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
- 前記制御装置は、前記内燃機関の回転が停止したことを判断した場合、前記廃熱回収を停止することを特徴とする請求項3乃至6のいずれか1項に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
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