JP6741619B2 - Waste heat recovery equipment - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery device that recovers engine waste heat.
例えば特許文献1のように、エンジンの排気ガスが有する熱、すなわちエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置が知られている。こうした廃熱回収装置は、作動媒体が循環する循環回路にポンプ、蒸発器、膨張機、および、凝縮器を備えている。ポンプは、液相状態の作動媒体を循環回路に圧送し、蒸発器は、液相状態の作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させることにより気相状態へ相転移させる。膨張機は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを力学的エネルギーに変換し、凝縮器は、膨張機を通過した気相状態の作動媒体を凝縮して液相状態へ相転移させる。 For example, as in Patent Document 1, there is known a waste heat recovery device that recovers the heat of the exhaust gas of the engine, that is, the waste heat of the engine. Such a waste heat recovery device is equipped with a pump, an evaporator, an expander, and a condenser in a circulation circuit through which a working medium circulates. The pump pumps the working medium in the liquid phase to the circulation circuit, and the evaporator causes the working medium in the liquid phase to evaporate by the waste heat of the engine to cause a phase transition to the gas phase. The expander converts the thermal energy of the working medium into mechanical energy by expanding the working medium in the gas phase state, and the condenser condenses the working medium in the gas phase state that has passed through the expander into the liquid phase state. Phase transition to.
廃熱回収装置は、通常、エンジンの運転状態が廃熱量の多い高負荷状態にあるときには装置の容量を超える分の廃熱を回収することができず、反対にエンジンの運転状態が廃熱量の少ない低負荷状態にあるときには膨張機の出力が低下してしまう。そのため、廃熱回収装置には、エンジンの廃熱を効率よく回収する方策が求められている。 Normally, the waste heat recovery device cannot recover the amount of waste heat exceeding the capacity of the device when the engine operating condition is in a high load condition with a large amount of waste heat. The output of the expander decreases when the load is small and low. Therefore, the waste heat recovery device is required to have a measure for efficiently recovering the waste heat of the engine.
本発明は、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる廃熱回収装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a waste heat recovery device that can efficiently recover waste heat of an engine.
上記課題を解決する廃熱回収装置は、作動媒体が循環可能に構成された循環回路と、前記循環回路に作動媒体を圧送する圧送部と、前記圧送部が圧送した作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の通過により作動する膨張機と、前記膨張機を通過した作動媒体を凝縮する凝縮器とを備え、前記蒸発器は、前記エンジンの排気ガスと作動媒体との間で熱交換が行われる前段熱交換部と、前記排気ガスの熱を蓄熱する中段蓄熱部を有し、前記中段蓄熱部と前記前段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる中段熱交換部と、前記排気ガスの熱を蓄熱する後段蓄熱部を有し、前記後段蓄熱部と前記中段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる後段熱交換部とを備え、前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部に対して熱的に絶縁されている。 A waste heat recovery device that solves the above-mentioned problems is a circulation circuit configured such that a working medium can circulate, a pressure-feeding unit that pressure-feeds the working medium to the circulation circuit, and a working medium that is pressure-fed by the pressure-feeding unit to the waste heat of an engine. And an expander that operates by the passage of the working medium that has evaporated in the evaporator, and a condenser that condenses the working medium that has passed through the expander, and the evaporator is the exhaust gas of the engine. A pre-stage heat exchange section in which heat exchange is performed between the gas and the working medium, and a middle-stage heat storage section for storing the heat of the exhaust gas, and the working medium that has passed through the middle-stage heat storage section and the pre-stage heat exchange section. Has a middle-stage heat exchange part that performs heat exchange between the second-stage heat storage part and the second-stage heat storage part that stores the heat of the exhaust gas, and exchanges heat between the second-stage heat storage part and the working medium that has passed through the middle-stage heat exchange part. And a second-stage heat exchange section, in which the middle-stage heat storage section is thermally insulated from the second-stage heat storage section.
上記構成によれば、中段蓄熱部および後段蓄熱部は、エンジンの廃熱量が多いときはエンジンの廃熱を蓄熱しつつ作動媒体を加熱し、エンジンの廃熱量が少ないときは蓄熱していた熱で作動媒体を加熱する。これにより、膨張機の出力がエンジンの廃熱量の変化に影響されにくくなる。また、前段熱交換部が蓄熱部を有しておらず、かつ、中段蓄熱部と後段蓄熱部とが互いに熱的に絶縁されていることで、エンジンの廃熱量が少ないときにも各熱交換部において高温側(排気ガスあるいは蓄熱部)と低温側(作動媒体)との温度差が確保されやすくなる。これらの結果、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる。 According to the above configuration, the middle heat storage unit and the second heat storage unit heat the working medium while storing the waste heat of the engine when the amount of waste heat of the engine is large, and the heat that is stored when the amount of waste heat of the engine is small. To heat the working medium. As a result, the output of the expander is less likely to be affected by changes in the amount of waste heat of the engine. Further, since the front heat exchange section does not have a heat storage section and the middle heat storage section and the rear heat storage section are thermally insulated from each other, each heat exchange even when the amount of waste heat of the engine is small. It becomes easy to secure a temperature difference between the high temperature side (exhaust gas or heat storage section) and the low temperature side (working medium) in the section. As a result, the waste heat of the engine can be efficiently recovered.
上記構成の廃熱回収装置において、前記蒸発器は、対向流式の熱交換器であるとよい。
上記構成によれば、後段熱交換部において排気ガスと後段蓄熱部との温度差、および、後段蓄熱部と作動媒体との温度差が確保されやすくなることから、廃熱を利用した作動媒体の加熱を効果的に行うことができる。
In the waste heat recovery device having the above structure, the evaporator may be a counterflow heat exchanger.
According to the above configuration, the temperature difference between the exhaust gas and the rear heat storage section in the rear heat exchange section, and the temperature difference between the rear heat storage section and the working medium are easily secured. The heating can be performed effectively.
上記構成の廃熱回収装置において、前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部よりも大きな蓄熱容量を有することが好ましい。
上記構成によれば、最も熱量が必要となる液相状態から気相状態への相転移が中段熱交換部で行われやすくなる。これにより、後段蓄熱部において気相状態の作動媒体をより高い温度まで昇温させることができる。
In the waste heat recovery device configured as described above, it is preferable that the middle-stage heat storage section has a larger heat storage capacity than the latter-stage heat storage section.
According to the above configuration, the phase transition from the liquid phase state to the gas phase state, which requires the most amount of heat, is easily performed in the middle heat exchange section. As a result, it is possible to raise the temperature of the working medium in the vapor phase state to a higher temperature in the rear heat storage section.
上記構成の廃熱回収装置は、前記中段蓄熱部の蓄熱状態を取得する蓄熱状態取得部と、前記循環回路における作動媒体の流通量を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、前記蓄熱状態が第1蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を開始し、前記蓄熱状態が前記第1蓄熱状態よりも蓄熱量が少ない第2蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を禁止することが好ましい。 The waste heat recovery device having the above configuration further includes a heat storage state acquisition unit that acquires the heat storage state of the middle heat storage unit, and a control unit that controls the flow rate of the working medium in the circulation circuit, and the control unit is the When the heat storage state becomes the first heat storage state, the circulation of the working medium in the circulation circuit is started, and when the heat storage state becomes the second heat storage state in which the heat storage amount is smaller than that in the first heat storage state, the circulation of the working medium in the circulation circuit. Is preferably prohibited.
上記構成によれば、中段蓄熱部における蓄熱量が少ないときには中段蓄熱部に対する蓄熱が優先して行われる。これにより、膨張機に作動媒体の有する熱エネルギーの下限値を高めることができる。その結果、膨張機を高い効率のもとで作動させることができる。 According to the above configuration, when the heat storage amount in the middle heat storage unit is small, the heat storage in the middle heat storage unit is preferentially performed. Thereby, the lower limit of the thermal energy of the working medium in the expander can be increased. As a result, the expander can be operated with high efficiency.
上記構成の廃熱回収装置において、前記蓄熱状態取得部は、前記中段蓄熱部の温度を検出する温度センサーであり、前記第1蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が第1温度よりも高い状態であり、前記第2蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が前記第1温度よりも低い第2温度以下の状態であり、前記第1温度および前記第2温度は、前記蒸発器に対する作動媒体の供給圧力における飽和温度よりも高い温度であることが好ましい。 In the waste heat recovery device having the above configuration, the heat storage state acquisition unit is a temperature sensor that detects the temperature of the middle heat storage unit, and in the first heat storage state, the detected value of the temperature sensor is higher than the first temperature. The second heat storage state is a state in which the detected value of the temperature sensor is equal to or lower than a second temperature lower than the first temperature, and the first temperature and the second temperature are the operations for the evaporator. It is preferable that the temperature is higher than the saturation temperature at the supply pressure of the medium.
上記構成のように、中段蓄熱部の温度を中段蓄熱部の蓄熱状態として取得することができる。また、蒸発器に対する作動媒体の供給圧力における飽和温度よりも第2温度が高いことで作動媒体の流通時に蒸発器における作動媒体の蒸発を確実に行うことができる。 As in the above configuration, the temperature of the middle heat storage unit can be acquired as the heat storage state of the middle heat storage unit. Further, since the second temperature is higher than the saturation temperature at the working medium supply pressure to the evaporator, it is possible to surely evaporate the working medium in the evaporator when the working medium flows.
図1〜図7を参照して、廃熱回収装置の一実施形態について説明する。
図1に示すように、廃熱回収装置20は、ランキンサイクルを利用した廃熱回収装置であり、エンジン10の排気通路11における排気浄化装置12の下流を流れる排気ガスからエンジン10の廃熱を回収する。エンジン10は、排気通路11に配設されたタービン13と吸気通路14に配設されたコンプレッサー15とを有するターボチャージャー16を備えている。廃熱回収装置20は、作動媒体(例えば水)が循環可能に構成された循環回路21を備えており、この循環回路21に圧送部23、蒸発器24、膨張機25、凝縮器27を備えている。
One embodiment of the waste heat recovery device will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the waste
圧送部23は、循環回路21に対して液相状態の作動媒体を圧送する。圧送部23は、循環回路21における作動媒体の流量と蒸発器24に供給される作動媒体の圧力である供給圧力p2とを変更可能に構成されている。供給圧力p2は、作動媒体の流量が多いほど高くなり、作動媒体の流量が最大流量にあるときに最大圧力p1となる。圧送部23の一例は、エンジン10のクランクシャフトの回転に連動して液相状態の作動媒体を所定の吐出圧(例えば最大圧力p1)で圧送する機械式のポンプと、ポンプの下流において循環回路21における作動媒体の流路断面積を制御可能な電子制御弁とで構成される。この圧送部23の一例では、電子制御弁の開度により流量と供給圧力p2とが制御される。また、圧送部23の他の例は、電源装置からの供給電力によって流量と供給圧力p2とが制御される電動ポンプで構成される。圧送部23は、循環回路21に作動媒体を圧送する圧送状態と、循環回路21に作動媒体を圧送しないことで循環回路21における作動媒体の循環を禁止する停止状態とを有している。圧送部23は、後述するECU(Electronic Control Unit)50によって制御される。
The
蒸発器24は、圧送部23が圧送した作動媒体をエンジン10の廃熱で加熱することにより液相状態の作動媒体を気相状態へ相転移させる。膨張機25は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを出力軸26を回転させる力学的エネルギーへと変換する。凝縮器27は、膨張機25を通過した気相状態の作動媒体を凝縮することにより液相状態に相転移させる。廃熱回収装置20においては、作動媒体が相転移を繰り返しながら循環回路21を循環することによりエンジン10の廃熱を回収する。
The evaporator 24 heats the working medium pumped by the
図2に示すように、蒸発器24は、作動媒体が流通する流路と排気ガスが流通する流路とを有し、排気ガスの流れ方向と作動媒体の流れ方向とが相反する方向に設定された対向流式の熱交換器である。蒸発器24は、前段熱交換部31、中段熱交換部32、後段熱交換部34を備えている。
As shown in FIG. 2, the
前段熱交換部31は、熱交換部31,32,34のうちで作動媒体の流れ方向において最も上流側に位置する熱交換部である。前段熱交換部31は、ミリメートルオーダーの肉厚の小さい境界壁を介した排気ガスと作動媒体との直接的な熱交換により液相状態の作動媒体を供給圧力p2における飽和温度である媒体温度Tw2まで加熱することを目的としている部位であり、主に液相状態にある作動媒体が流通する。
The upstream
中段熱交換部32は、作動媒体の流れ方向において前段熱交換部31の下流側に位置しており、前段熱交換部31を通過した作動媒体が流入する熱交換部である。中段熱交換部32は、作動媒体が流通する流路と排気ガスが流通する流路との境界を形成する中段蓄熱部33を有している。中段熱交換部32は、中段蓄熱部33を介した作動媒体と排気ガスとの間接的な熱交換により液相状態の作動媒体を気相状態へと相転移させることを目的としている部位である。中段熱交換部32は、主に、液相状態の作動媒体と気相状態の作動媒体とが混在する混相状態にある作動媒体が流通する。
The middle
後段熱交換部34は、作動媒体の流れ方向において中段熱交換部32の下流側に位置しており、中段熱交換部32を通過した作動媒体が流入する熱交換部である。後段熱交換部34は、作動媒体が流通する流路と排気ガスが流通する流路との境界を形成する後段蓄熱部35を有している。後段熱交換部34は、後段蓄熱部35を介した作動媒体と排気ガスとの間接的な熱交換により気相状態の作動媒体を昇温させることを目的としている部位であり、主に気相状態の作動媒体が流通する。
The second-stage
中段蓄熱部33および後段蓄熱部35は、顕熱蓄熱材、潜熱蓄熱材、および、化学蓄熱材から任意に選択される蓄熱材を備えている。顕熱蓄熱材は、排気ガスの温度範囲よりも高い融解温度を有しており、温度上昇にともなう顕熱を蓄熱する。顕熱蓄熱材は、熱膨張率が小さく、かつ、比熱および熱伝導率が高い材料で構成されることが好ましく、金属であれば銅が好ましい。
The middle-stage
潜熱蓄熱材は、排気ガスの温度範囲に融解温度を有しており、顕熱に加えて固相状態から液相状態への相転移にともなう融解熱を蓄熱する。潜熱蓄熱材は、封入容器に対して蓄熱材料が封入されることにより構成される。封入容器は、比熱および熱伝導率が高い材料で形成されることが好ましい。蓄熱材料は、熱膨張率が小さく、かつ、比熱および熱伝導率が高く、かつ、融解熱が大きい材料が好ましい。こうした蓄熱材料としては、例えばパラフィン、キシリトール、エリスリトールが挙げられる。 The latent heat storage material has a melting temperature in the temperature range of the exhaust gas, and stores the heat of fusion accompanying the phase transition from the solid phase state to the liquid phase state in addition to the sensible heat. The latent heat storage material is formed by enclosing the heat storage material in an enclosure. The enclosure is preferably made of a material having high specific heat and thermal conductivity. The heat storage material is preferably a material having a low coefficient of thermal expansion, a high specific heat and a high thermal conductivity, and a high heat of fusion. Examples of such heat storage material include paraffin, xylitol, and erythritol.
化学蓄熱材は、封入容器に対して複数の化学物質が封入されることにより構成される。化学蓄熱材は、前記複数の化学物質による化学反応であって排気ガスの温度範囲に反応温度を有する可逆的な化学反応を利用したものである。化学蓄熱材においては、反応温度よりも高い温度における吸熱反応によって蓄熱し、反応温度以下の温度における発熱反応によって放熱する。複数の化学物質による可逆反応は、体積変化が少なく、かつ、蓄熱密度の大きいものが好ましい。こうした複数の化学物質としては、例えば、酸化カルシウムと水との組合せ、塩化ストロチウムとアンモニアとの組合せが挙げられる。 The chemical heat storage material is configured by enclosing a plurality of chemical substances in an enclosure. The chemical heat storage material uses a reversible chemical reaction having a reaction temperature in the temperature range of exhaust gas, which is a chemical reaction of the plurality of chemical substances. In the chemical heat storage material, heat is stored by an endothermic reaction at a temperature higher than the reaction temperature, and heat is released by an exothermic reaction at a temperature lower than the reaction temperature. It is preferable that the reversible reaction by a plurality of chemical substances has a small volume change and a large heat storage density. Examples of such a plurality of chemical substances include a combination of calcium oxide and water, and a combination of strontium chloride and ammonia.
中段蓄熱部33および後段蓄熱部35は、例えば互いに離間していることや断熱材の介在などにより絶縁部36によって熱的に互いに絶縁されており、直接的な熱移動が不可能な状態に設定されている。中段蓄熱部33は、作動媒体において気相状態の定圧比熱よりも単位質量あたりの蒸発熱が大きいことから、後段蓄熱部35よりも大きな伝熱面積と大きな蓄熱容量を有している。蓄熱容量は、例えば、想定される排気温度の最大値を容量算出温度とした場合の蓄熱量である。蓄熱容量は、顕熱蓄熱材であれば比熱容量×質量×容量算出温度で演算される熱量であり、潜熱蓄熱材であれば、固相状態における顕熱による蓄熱量と、融解熱×質量で演算される融解熱による蓄熱量と、液相状態における顕熱による蓄熱量との加算値である。
The middle-stage
図3に示すように、廃熱回収装置20は、圧送部23を制御することにより、循環回路21における作動媒体の流量を制御するECU(Electronic Control Unit)50を備えている。圧送部23とECU50とは、循環回路21における作動媒体の流量を制御する制御部を構成する。ECU50は、プロセッサ51、メモリ52、入力インターフェース53、および、出力インターフェース54等がバス55を介して互いに接続されたマイクロコントローラーを中心に構成される。
As shown in FIG. 3, the waste
ECU50には、蓄熱状態取得部として機能する温度センサー56から中段蓄熱部33の温度である中段蓄熱温度Tmidを示す検出信号が入力される。この中段蓄熱温度Tmidは、中段蓄熱部33および後段蓄熱部35の蓄熱状態との間に相関関係を有することから該蓄熱状態を示す指標として機能する。ECU50は、温度センサー56が出力した中段蓄熱温度Tmidを入力インターフェース53を通じて取得し、その取得した中段蓄熱温度Tmidとメモリ52に格納された各種制御プログラムおよび各種データとに基づいて流量制御処理を実行する。ECU50は、流量制御処理を通じて、作動媒体の流量を指示する指示信号を出力インターフェース54を介して圧送部23に出力する。
The
図4を参照してECU50が実行する流量制御処理について説明する。流量制御処理は繰り返し実行される。流量制御処理のスタート時、圧送部23は停止状態にある。
図4に示すように、ECU50は、まず、温度センサー56からの検出信号に基づいて中段蓄熱温度Tmidを取得し、その取得した中段蓄熱温度Tmidが第1温度T1よりも高いか否かを判断する(ステップS11)。第1温度T1は、供給圧力p2が最大圧力p1にあるときの作動媒体の飽和温度Ts1よりも高い温度であり、例えば飽和温度Ts1よりも20℃ほど高い温度である。第1温度T1は、中段蓄熱部33の蓄熱量Qmid、供給圧力p2の最大圧力p1、および、中段熱交換部32における伝熱面積などに基づいて行った実験やシミュレーションの結果に基づいて設定される。第1温度T1は、第1蓄熱状態を示す中段蓄熱温度Tmidである。第1蓄熱状態は、例えば、供給圧力p2が最大圧力p1であるときに、蒸発器24に対して新たな排気ガスが供給されなくとも膨張機25に対して最大圧力p1における飽和温度Ts1以上にある気相状態の作動媒体が供給される状態が所定の第1期間だけ保持される温度である。
The flow rate control process executed by the
As shown in FIG. 4, the
中段蓄熱温度Tmidが第1温度T1以下である場合(ステップS11:NO)、ECU50は、一連の処理を一旦終了することで圧送部23を停止状態に維持する。一方、中段蓄熱温度Tmidが第1温度T1よりも高い場合(ステップS11:YES)、ECU50は、圧送部23に作動媒体を圧送させる圧送処理を実行する(ステップS12)。圧送処理において、ECU50は、例えば、直前のステップで取得した中段蓄熱温度Tmidに基づいて循環回路21における作動媒体の流量を演算し、その演算した流量に応じた指示信号を圧送部23に出力する。この圧送処理において、ECU50は、中段蓄熱温度Tmidが高いほど作動媒体の流量が多くなるように、すなわち中段蓄熱温度Tmidが高いほど供給圧力p2が最大圧力p1に近づくように圧送部23を制御する。
When the middle stage heat storage temperature Tmid is equal to or lower than the first temperature T1 (step S11: NO), the
次のステップS13において、ECU50は、新たな中段蓄熱温度Tmidを取得して、その取得した中段蓄熱温度Tmidが第2温度T2以下であるか否かを判断する。第2温度T2は、上述した飽和温度Ts1よりも高く、かつ、第1温度T1よりも低い温度であり、例えば飽和温度Ts1よりも10℃ほど高い温度である。第2温度T2は、中段蓄熱部33の蓄熱量Qmid、供給圧力p2の最大圧力p1、および、中段熱交換部32における伝熱面積Sなどに基づいて行った実験やシミュレーションの結果に基づいて設定される。第2温度T2は、第2蓄熱状態を示す中段蓄熱温度Tmidである。第2蓄熱状態は、例えば、供給圧力p2が最大圧力p1であるときに、蒸発器24に対して新たな排気ガスが供給されなくとも膨張機25に対して最大圧力p1における飽和温度Ts1以上にある気相状態の作動媒体が供給される状態が第1期間よりも短い所定の第2期間だけ保持される温度である。
In the next step S13, the
なお、第1温度T1および第2温度T2は、中段蓄熱部33が潜熱蓄熱材で構成される場合には中段蓄熱温度Tmidと蓄熱量とが一義的に定義される温度であること(T1,T2≠融解温度)が好ましい。また、第1温度T1および第2温度T2は、中段蓄熱部33が化学蓄熱材で構成される場合には反応温度よりも高い温度であることが好ましい。
The first temperature T1 and the second temperature T2 are temperatures at which the intermediate heat storage temperature Tmid and the amount of heat storage are uniquely defined when the intermediate
中段蓄熱温度Tmidが第2温度T2よりも高い場合(ステップS13:NO)、ECU50は、その中段蓄熱温度Tmidを用いてステップS12の圧送処理を実行する。一方、中段蓄熱温度Tmidが第2温度T2以下である場合(ステップS13:YES)、ECU50は、圧送部23を停止状態に制御する停止処理を実行し、循環回路21における作動媒体の流通を禁止する(ステップS14)。ステップS14の停止処理を実行したECU50は、一連の処理を一旦終了する。すなわち、ECU50は、中段蓄熱温度Tmidが第1温度T1に到達すると圧送部23を圧送状態に制御し、その後、中段蓄熱温度Tmidが第2温度T2まで低下すると圧送部23を停止状態に制御する。
When the middle stage heat storage temperature Tmid is higher than the second temperature T2 (step S13: NO), the
図5を参照して圧送部23が圧送状態にあるときの蒸発器24における作動媒体、排気ガス、および、各蓄熱部に関する温度の推移の一例について説明する。図5は、作動媒体が媒体温度Tw1の液相状態から媒体温度Tw3の気相状態へと変化し、排気ガスが排気温度Te1から排気温度Te4に温度が低下する場合の各温度の推移を示している。
An example of changes in the temperature of the working medium, the exhaust gas, and the temperature of each heat storage unit in the
図5において、作動媒体は、媒体温度Tw1の液相状態で前段熱交換部31に流入すると、前段熱交換部31における排気ガスとの熱交換により供給圧力p2における飽和温度である媒体温度Tw2まで加熱される。中段熱交換部32には、媒体温度Tw2にある液相状態の作動媒体が流入する。中段熱交換部32において、作動媒体は、中段蓄熱部33との熱交換により、媒体温度Tw2に維持されたまま液相状態から気相状態へと徐々に相転移する。後段熱交換部34には、媒体温度Tw2にある気相状態の作動媒体が流入する。後段熱交換部34において、作動媒体は、後段蓄熱部35との熱交換により媒体温度Tw2よりも高い媒体温度Tw3まで昇温される。
In FIG. 5, when the working medium flows into the pre-stage
一方、排気ガスは、排気温度Te1で後段熱交換部34に流入する。後段熱交換部34において、排気ガスは、後段蓄熱部35との熱交換により排気温度Te2まで温度が低下する。後段蓄熱部35は、排気温度Te2よりも低く、かつ、媒体温度Tw3よりも高い後段蓄熱温度Tlatにあり、後段蓄熱温度Tlatに基づく熱量を蓄熱している。中段熱交換部32において、排気ガスは、中段蓄熱部33との熱交換により排気温度Te2から排気温度Te3まで温度が低下する。中段蓄熱部33は、排気温度Te3よりも低く、かつ、第2温度T2よりも高い中段蓄熱温度Tmidにあり、中段蓄熱温度Tmidに基づく熱量を蓄熱している。中段蓄熱部33は、後段蓄熱部35よりも温度が低いものの、後段蓄熱部35よりも大きな熱量を蓄熱している。そして、前段熱交換部31において、排気ガスは、作動媒体との熱交換により、排気温度Te3から媒体温度Tw1よりも高い排気温度Te4へと温度が低下する。
On the other hand, the exhaust gas flows into the post-stage
なお、圧送部23が停止状態にあるとき、循環回路21における作動媒体の循環が禁止される一方、蒸発器24に対する排気ガスの流入は継続される。そのため、中段蓄熱部33においては、中段熱交換部32に滞留している作動媒体に対する放熱量よりも排気ガスとの熱交換による吸熱量が大きくなり、それら放熱量と吸熱量との差の分の熱量が蓄熱される。同様に、後段蓄熱部35においては、後段熱交換部34に滞留している作動媒体に対する放熱量よりも排気ガスとの間の熱交換による吸熱量が大きくなり、それら放熱量と吸熱量との差の分の熱量が蓄熱される。
When the
上述した廃熱回収装置20の作用について説明する。
廃熱回収装置20の蒸発器24は、前段熱交換部31と、中段蓄熱部33を有する中段熱交換部32と、後段蓄熱部35を有する後段熱交換部34とで構成されている。こうした構成によれば、各蓄熱部33,35は、エンジン10の廃熱量が多いときは廃熱を蓄熱しつつ作動媒体を加熱し、エンジン10の廃熱量が少ないときは蓄熱していた熱で作動媒体を加熱する。これにより、エンジン10の廃熱量が変化したとしても膨張機25の出力Pがその影響を受けにくくなる。
The operation of the waste
The
また、廃熱回収装置20においては、中段蓄熱部33と後段蓄熱部35とが熱的に絶縁されていることで中段蓄熱部33と後段蓄熱部35との間での直接的な熱移動が不可能な構成となっている。こうした構成によれば、中段蓄熱部33と後段蓄熱部35との間で温度が平均化されることがないことから、エンジン10の廃熱量が少ないときにも中段熱交換部32および後段熱交換部34の各々における各位置で蓄熱部と作動媒体との温度差が確保されやすくなる。
Further, in the waste
また、図5に示すように、例えば、中段熱交換部32において、中段蓄熱温度Tmidは、中段熱交換部32から流出する排気ガスの温度である排気温度Te3以下に維持される。また、作動媒体は、中段蓄熱温度Tmidの以下の温度で中段熱交換部32から流出する。こうしたことから、図5に示すケースにおいて前段熱交換部31に前段蓄熱部が配設されるとなれば、前段熱交換部31の各位置において前段蓄熱部は図5中の排気温度Te4以下の前段蓄熱温度に維持される。そのため、そうした前段蓄熱部に加熱される作動媒体は前段蓄熱温度以下、換言すれば排気温度Te4以下の温度で前段熱交換部31から流出することになる。すなわち、前段熱交換部31に前段蓄熱部が配設されると、図5に示すケースよりも前段熱交換部31の各位置において高温側(前段蓄熱部)と低温側(作動媒体)との温度差が小さくなってしまうばかりか、排気温度Te4が媒体温度Tw2よりも高くなければ作動媒体を媒体温度Tw2まで昇温させることが困難となる。これに対して、廃熱回収装置20は、前段熱交換部31に前段蓄熱部を設けることなく蒸発器24が構成されていることから、前段熱交換部31の各位置において高温側(排気ガス)と低温側(作動媒体)との温度差が確保されやすくなるとともに作動媒体が媒体温度Tw2まで昇温されやすくなる。
Further, as shown in FIG. 5, for example, in the middle-stage
次に、図6および図7を参照して廃熱回収装置に対して行ったシミュレーションの結果の例について説明する。図6および図7は、上述した廃熱回収装置20と比較例の廃熱回収装置とに対して共通する入熱量Qを入力値として与えた場合における飽和温度Tsおよび膨張機25の出力Pの推移を示すグラフである。入熱量Qは、蒸発器に流入する排気ガスの状態量に基づく熱量であり、飽和温度Tsは、膨張機25に流入する直前の位置での作動媒体の温度である。図6および図7において、実線は、上述した廃熱回収装置20を対象に行ったシミュレーションの結果を示している。一方、点線は、蓄熱部33,35を備えておらず、また、入熱量Qが大きいほど循環回路21における作動媒体の流量が多くなる比較例の廃熱回収装置を対象に行ったシミュレーションの結果を示している。なお、廃熱回収装置20においては、飽和温度Tsと中段蓄熱温度Tmidとの間に相関関係が認められた。
Next, an example of the result of the simulation performed on the waste heat recovery device will be described with reference to FIGS. 6 and 7. 6 and 7 show the saturation temperature Ts and the output P of the
図6は、エンジン10の運転状態が高負荷状態にある比率が高い場合のシミュレーションの結果の一例を示している。
図6に示すように、比較例の廃熱回収装置においては、全体として、飽和温度Tsおよび出力Pの双方ともその時々の入熱量Qの変化、すなわち入熱量Qに関する微分的要素に応じて変化することが認められた。また、入熱量Qが極少量にある状態においては、飽和温度Tsおよび出力Pの双方とも下がり続ける傾向にあることが認められた。また、入熱量Qが極大量にある状態(例えばt1〜t2)においては、入熱量Qが変化したとしても飽和温度Tsおよび出力Pの双方がおおよそ一定の値に保持されることが認められた。そして、こうした入熱量Qが極大量にあるときに飽和温度Tsおよび出力Pが一定の値に保持される状態においては余剰熱量ΔQが発生していることが認められた。余剰熱量ΔQは、例えば、余剰熱量ΔQの有無を示す境界値と、蒸発器24前後における作動媒体の状態量差に基づく熱量を入熱量Qから減算した値との差に基づいて算出される。
FIG. 6 shows an example of the result of simulation in the case where the operating state of the
As shown in FIG. 6, in the waste heat recovery apparatus of the comparative example, as a whole, both the saturation temperature Ts and the output P change according to the change of the heat input amount Q at that time, that is, according to the differential element related to the heat input amount Q. Was approved. Further, it was confirmed that both the saturation temperature Ts and the output P tend to continue to decrease when the heat input Q is extremely small. In addition, in a state where the heat input amount Q is extremely large (for example, t1 to t2), it was recognized that both the saturation temperature Ts and the output P are maintained at approximately constant values even if the heat input amount Q changes. .. Then, it was confirmed that the surplus heat amount ΔQ is generated in a state where the saturation temperature Ts and the output P are maintained at constant values when the heat input amount Q is extremely large. The surplus heat amount ΔQ is calculated, for example, based on the difference between the boundary value indicating the presence or absence of the surplus heat amount ΔQ and the value obtained by subtracting the heat amount based on the state amount difference of the working medium before and after the evaporator 24 from the heat input amount Q.
一方、廃熱回収装置20においては、圧送部23が圧送状態に維持され続けることが認められた。また、入熱量Qが極少量にある状態であっても飽和温度Tsおよび出力Pの双方が緩やかに低下し、入熱量Qが極大量にある状態であっても飽和温度Tsおよび出力Pの双方が緩やかに上昇することが認められた。すなわち、飽和温度Tsおよび出力Pの双方とも、その時々の入熱量Qの変化よりも直前の所定期間における入熱量Qの合計、すなわち入熱量Qに関する積分的要素に応じて変化することが認められた。そして、比較例の廃熱回収装置に比べて、入熱量Qが極大量にある状態の余剰熱量ΔQが格段に少なく、また、膨張機25の総出力量も大きいことが認められた。
On the other hand, in the waste
図7は、エンジン10の運転状態が低負荷状態にある比率が高い場合のシミュレーションの結果の一例を示している。なお、図7では、本シミュレーションにおいて余剰熱量ΔQが発生しなかったため、図6の余剰熱量ΔQに代えて圧送部23の駆動状態を記載している。図7において、「ON」は圧送部23が圧送状態にあることを示し、「OFF」は圧送部23が停止状態にあることを示している。
FIG. 7 shows an example of the result of the simulation when the operating state of the
図7に示すように、比較例の廃熱回収装置においては、飽和温度Tsおよび出力Pの双方が入熱量Qに関する微分的要素に応じて変化することが認められた。また、エンジン10の運転状態が低負荷状態である比率が高いため、飽和温度Tsが全体的に低く、また、膨張機25の出力Pも全体的に低いことが認められた。
As shown in FIG. 7, in the waste heat recovery apparatus of the comparative example, it was confirmed that both the saturation temperature Ts and the output P change according to the differential element regarding the heat input amount Q. It was also found that the saturation temperature Ts was low overall and the output P of the
一方、廃熱回収装置20においては、中段蓄熱温度Tmidに応じて圧送部23の停止状態と圧送状態とが繰り返されることにより、比較例の廃熱回収装置に比べて、飽和温度Tsが高い状態が維持されやすいことが認められた。また、膨張機25について、圧送部23が停止状態にあるときは出力Pを得ることができないが、圧送部23が圧送状態にあるときは比較例の廃熱回収装置よりも高い出力Pが得られやすいことが認められた。そして、比較例の廃熱回収装置に比べて、膨張機25の総出力量が格段に大きくなることが認められた。
On the other hand, in the waste
上記実施形態の廃熱回収装置20によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
(1)廃熱回収装置20によれば、エンジン10の廃熱量が変化したとしても膨張機25の出力Pがその影響を受けにくくなるとともに、エンジン10の廃熱量が少ないときにも各熱交換部31,32,34において作動媒体との温度差が確保されやすくなる。これらのことから、膨張機25の出力Pを安定して得ることができ、結果として、エンジン10の廃熱を効率よく回収することができる。
According to the waste
(1) According to the waste
(2)蒸発器24は、各熱交換部31,32,34において作動媒体の流れ方向と排気ガスの流れ方向とが相反する方向に設定された対向流式の熱交換器である。これにより、並行流式の熱交換器よりも後段熱交換部34において後段蓄熱部35と作動媒体との温度差が確保されやすくなることから、例えば、圧送部23を圧送状態に制御する第1温度T1をより低い温度に設定することができる。その結果、エンジン10の廃熱を利用した作動媒体の加熱を効果的に行うことができる。
(2) The
(3)中段蓄熱部33は、後段蓄熱部35よりも大きな蓄熱容量を有している。こうした構成によれば、最も熱量が必要とされる液相状態から気相状態への相転移が中段熱交換部32で行われる確率を高めることができる。これにより、後段熱交換部34に流入する作動媒体が気相状態である確率が高められるとともに後段熱交換部34における後段蓄熱部35と作動媒体との温度差が確保されやすくなる。その結果、後段熱交換部34において気相状態の作動媒体をより高い温度まで昇温させることができることから、エンジン10の廃熱量が少ないときであっても膨張機25に対してより高いエネルギーを有する作動媒体を供給することができる。
(3) The middle
(4)廃熱回収装置20は、中段蓄熱温度Tmidが第1温度T1まで高くなると圧送部23を圧送状態に制御し、その後、中段蓄熱温度Tmidが第2温度T2まで低下すると圧送部23を停止状態に制御する。こうした構成によれば、各蓄熱部33,35における蓄熱量が小さいときには圧送部23が停止状態に制御されて各蓄熱部33,35に対する蓄熱を集中的に行うことができる。これにより、圧送部23が圧送状態にあるときに膨張機25に供給される作動媒体の熱エネルギーが高められることから、膨張機25をより高い効率のもとで作動させることができる。
(4) The waste
(5)廃熱回収装置20においては、中段蓄熱部33および後段蓄熱部35の蓄熱状態を示す指標として中段蓄熱温度Tmidが設定されている。こうした構成によれば、中段熱交換部32における蓄熱量が高い精度のもとで把握されることから、作動媒体の液相状態から気相状態への相転移を中段熱交換部32においてより確実に行うことができる。また、中段蓄熱温度Tmidと後段蓄熱温度Tlatとに基づいて蓄熱状態が取得される場合に比べて簡易な構成のもとで蓄熱状態を取得することができる。
(5) In the waste
(6)第1温度T1および第2温度T2が最大圧力p1における飽和温度Ts1を基準として規定されている。これにより、圧送部23の圧送する作動媒体の飽和温度よりも中段蓄熱温度Tmidが高い状態で作動媒体を循環させることができる。
(6) The first temperature T1 and the second temperature T2 are defined with reference to the saturation temperature Ts1 at the maximum pressure p1. As a result, the working medium can be circulated in a state where the intermediate heat storage temperature Tmid is higher than the saturation temperature of the working medium pumped by the
(7)排気浄化装置12を通過した排気ガスが蒸発器24に流入することから、排気ガスに含まれる粒子状物質に起因した蒸発器24の熱効率の低下を抑えることができる。
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
(7) Since the exhaust gas that has passed through the
In addition, the above-described embodiment can be implemented with appropriate modifications as follows.
・廃熱回収装置は、エンジンの廃熱を利用して蒸発させた作動媒体で膨張機を作動させる構成であればよい。そのため、廃熱回収装置は、EGR(Exhaust Gas Recirculation)を備えた車両においては、吸気側に還流される排気ガスの熱をエンジンの廃熱として用いる構成であってもよい。 The waste heat recovery device may be configured to operate the expander with the working medium that has been evaporated using the waste heat of the engine. Therefore, the waste heat recovery device may be configured to use the heat of the exhaust gas recirculated to the intake side as the exhaust heat of the engine in a vehicle equipped with EGR (Exhaust Gas Recirculation).
例えば、図8に示すように、廃熱回収装置60は、上述した循環回路21、圧送部23(第1圧送部)、蒸発器24(第1蒸発器)、膨張機25、および、凝縮器27に加えて、分岐回路61、第2圧送部63、第2蒸発器64を備えている。分岐回路61は、循環回路21の一部であり、循環回路21における凝縮器27と圧送部23との間から分岐して蒸発器24と膨張機25との間に接続されている。第2圧送部63は、分岐回路61における作動媒体の流量を変更可能に構成されており、圧送部23と基本的な構成を同じにすることが可能である。第2蒸発器64は、蒸発器24と基本的な構成が同じであり、前段熱交換部、中段蓄熱部を有する中段熱交換部、および、後段蓄熱部を有する後段熱交換部を備えた熱交換器である。第2蒸発器64は、第2圧送部63を通過した作動媒体をEGR通路17におけるEGRクーラー18の上流を流れる排気ガスを熱源として加熱することにより液相状態の作動媒体を気相状態へと相転移させる。こうした構成において、ECU50は、圧送部23と同様に、中段蓄熱部の温度に基づいて第2圧送部63の駆動状態を制御することが可能である。
For example, as shown in FIG. 8, the waste heat recovery device 60 includes the
廃熱回収装置60によれば、排気通路11を流れる排気ガスだけでなく、EGR通路17を流れるEGRガスからもエンジン10の廃熱を回収することができる。しかも、EGRクーラー18に流入するまえのEGRガスを熱源としているため、EGRクーラーの容量を小さくすることもできる。
The waste heat recovery device 60 can recover the waste heat of the
・第1温度T1および第2温度T2は、作動媒体の供給圧力p2における飽和温度よりも高い温度であればよい。そのため、ECU50は、例えば圧力センサーや圧送部23の駆動状況に基づいて作動媒体の供給圧力p2を所定の制御周期で取得し、その取得した供給圧力p2に基づいて第1温度T1および第2温度T2を変更してもよい。
The first temperature T1 and the second temperature T2 may be higher than the saturation temperature at the working medium supply pressure p2. Therefore, the
・ECU50は、中段蓄熱部33の蓄熱状態、あるいは、中段蓄熱部33および後段蓄熱部35の蓄熱状態を示す指標として中段蓄熱温度Tmidを取得する構成に限られない。例えば、ECU50は、中段蓄熱温度Tmidと後段蓄熱部35の温度である後段蓄熱温度Tlatとに基づいて蓄熱状態を取得してもよいし、後段蓄熱温度Tlatを蓄熱状態を示す指標として取得してよい。また例えば、ECU50は、エンジン10の運転状態を示す状態量や循環回路21における作動媒体の流量などを入力値とするモデルを用いた演算により蓄熱状態を取得してもよい。
The
・中段蓄熱部33の蓄熱容量は、後段蓄熱部35の蓄熱容量以下であってもよい。
・蒸発器24は、排気ガスの流れ方向と作動媒体の流れ方向とが同一の方向に設定された並行流式の熱交換器であってもよい。また、蒸発器24は、エンジン10の廃熱を熱源として作動媒体を加熱するものであればよく、プレート式の熱交換器や伝熱管を用いたシェルアンドチューブ式の熱交換器であってもよい。プレート式の熱交換器においては、プレートそのものを蓄熱部に設定することが可能である。シェルアンドチューブ式の熱交換器においては、伝熱管の周囲に蓄熱部を配設することが可能である。
The heat storage capacity of the middle
The
・廃熱回収装置20は、エンジンの廃熱である排気ガスの熱エネルギーを力学的エネルギーに変換できるものであればよく、エンジンは、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよいし、ガスエンジンであってもよい。
The waste
10…エンジン、11…排気通路、12…排気浄化装置、13…タービン、14…吸気通路、15…コンプレッサー、16…ターボチャージャー、17…EGR通路、18…EGRクーラー、20…廃熱回収装置、21…循環回路、23…圧送部、24…蒸発器、25…膨張機、26…出力軸、27…凝縮器、31…前段熱交換部、32…中段熱交換部、33…中段蓄熱部、34…後段熱交換部、35…後段蓄熱部、36…絶縁部、50…ECU、51…プロセッサ、52…メモリ、53…入力インターフェース、54…出力インターフェース、55…バス、56…温度センサー、60…廃熱回収装置、61…分岐回路、63…第2圧送部、64…第2蒸発器。 10... Engine, 11... Exhaust passage, 12... Exhaust purification device, 13... Turbine, 14... Intake passage, 15... Compressor, 16... Turbocharger, 17... EGR passage, 18... EGR cooler, 20... Waste heat recovery device, 21... Circulation circuit, 23... Pumping section, 24... Evaporator, 25... Expander, 26... Output shaft, 27... Condenser, 31... Pre-stage heat exchange section, 32... Middle stage heat exchange section, 33... Middle stage heat storage section, 34... Post-stage heat exchange section, 35... Post-stage heat storage section, 36... Insulation section, 50... ECU, 51... Processor, 52... Memory, 53... Input interface, 54... Output interface, 55... Bus, 56... Temperature sensor, 60 ... Waste heat recovery device, 61... Branch circuit, 63... Second pumping section, 64... Second evaporator.
Claims (5)
前記循環回路に作動媒体を圧送する圧送部と、
前記圧送部が圧送した作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した作動媒体の通過により作動する膨張機と、
前記膨張機を通過した作動媒体を凝縮する凝縮器とを備え、
前記蒸発器は、
前記エンジンの排気ガスと作動媒体との間で熱交換が行われる前段熱交換部と、
前記排気ガスの熱を蓄熱する中段蓄熱部を有し、前記中段蓄熱部と前記前段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる中段熱交換部と、
前記排気ガスの熱を蓄熱する後段蓄熱部を有し、前記後段蓄熱部と前記中段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる後段熱交換部とを備え、
前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部に対して熱的に絶縁されている
廃熱回収装置。 A circulation circuit configured so that the working medium can circulate,
A pumping section for pumping the working medium to the circulation circuit,
An evaporator that evaporates the working medium pumped by the pumping unit with engine waste heat,
An expander that operates by passage of the working medium evaporated in the evaporator,
A condenser for condensing the working medium that has passed through the expander,
The evaporator is
A pre-stage heat exchange section in which heat is exchanged between the exhaust gas of the engine and the working medium,
Having a middle-stage heat storage unit that stores heat of the exhaust gas, a middle-stage heat exchange unit in which heat exchange is performed between the middle-stage heat storage unit and the working medium that has passed through the front-stage heat exchange unit,
It has a post-stage heat storage unit that stores the heat of the exhaust gas, and a post-stage heat exchange unit that performs heat exchange between the post-stage heat storage unit and the working medium that has passed through the middle-stage heat exchange unit,
The said intermediate|middle heat storage part is a waste heat recovery apparatus thermally insulated with respect to the said second heat storage part.
請求項1に記載の廃熱回収装置。 The waste heat recovery device according to claim 1, wherein the evaporator is a counterflow heat exchanger.
請求項1または2に記載の廃熱回収装置。 The waste heat recovery device according to claim 1 or 2, wherein the middle-stage heat storage unit has a larger heat storage capacity than the latter-stage heat storage unit.
前記循環回路における作動媒体の流通量を制御する制御部とをさらに備え、
前記制御部は、
前記蓄熱状態が第1蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を開始し、前記蓄熱状態が前記第1蓄熱状態よりも蓄熱量が少ない第2蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を禁止する
請求項1〜3のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。 A heat storage state acquisition unit that acquires the heat storage state of the middle heat storage unit,
Further comprising a control unit for controlling the flow rate of the working medium in the circulation circuit,
The control unit is
When the heat storage state becomes the first heat storage state, the circulation of the working medium in the circulation circuit is started, and when the heat storage state becomes the second heat storage state in which the heat storage amount is smaller than that in the first heat storage state, the working medium in the circulation circuit is The waste heat recovery device according to claim 1, wherein distribution is prohibited.
前記第1蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が第1温度よりも高い状態であり、
前記第2蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が前記第1温度よりも低い第2温度以下の状態であり、
前記第1温度および前記第2温度は、前記蒸発器に対する作動媒体の供給圧力における飽和温度よりも高い温度である
請求項4に記載の廃熱回収装置。 The heat storage state acquisition unit is a temperature sensor that detects the temperature of the middle heat storage unit,
The first heat storage state is a state in which the detected value of the temperature sensor is higher than the first temperature,
The second heat storage state is a state in which a detection value of the temperature sensor is equal to or lower than a second temperature lower than the first temperature,
The waste heat recovery device according to claim 4, wherein the first temperature and the second temperature are temperatures higher than a saturation temperature at a supply pressure of a working medium to the evaporator.
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