JP7466551B2 - 熱回収回路を備えた燃焼機関冷却回路 - Google Patents

Description

本発明は、熱回収回路を備えた熱機関の冷却回路に関する。

熱機関用の従来の冷却回路は、一般に水である熱伝達流体が機関を流れることによって得られる熱を生じるために、ラジエータのような装置を通過する。しかしながら、ラジエータ内で放出された熱は失われるので、冷却回路に関連した熱回収回路を更に含む、より完全な装置も開発されている。本出願人は、特に有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）熱回収回路に着目しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
このような熱回収回路は、熱交換器（一般に蒸発器）を介して機関冷却回路と接続されており、これによって回収された熱をタービンの駆動に使用することができる。そのような実施形態を示す先行技術の文献には、ＥＰ１，９２５，８０６Ａ２、ＥＰ２，３２０，０５８Ａ１およびＷＯ２０１６/０６９，４５５Ａ１がある。

本発明の目的は、第１に、蒸発器、より一般的には、冷却回路を備えた熱交換器を、熱伝達流体の流量が最大である回路内の個所で、冷却回路から多数の装置に熱伝達流体を分配する分岐の上流に配置することによって、回収回路の効率を向上させることである。したがって、熱交換器は機関出口に配置される。しかしながら、この解決策の一つの欠点は、回路から熱を除去するためにより効率的である場所に蒸発器が存在することで、冷却回路の熱慣性が増加することであり、冷間始動時の機関の温度上昇を妨げる。

この問題は、本発明の第２の本質的な特徴によれば、熱交換器が配置されたバイパス管を備え、２つの分岐間の熱伝達流体分配用の弁を備えた冷却回路を構成することによって解決される。特に、熱伝達流体と機関が冷えている場合に、流れは、安定した運転状態の間に、むしろ交換器を担持する分岐に送られ、異なる状況下で、むしろ他の分岐に送られる。

従って、本発明の一般的な定義は、関連する熱回収回路と熱交換する蒸発器を備える熱機関の冷却回路であって、別々の流体流が前記冷却回路及び前記熱回収回路を横断し、前記蒸発器は、前記冷却回路のバイパス管上に配置され、前記機関に隣接する前記冷却回路の主要部の部分に並列に接続され、かつ前記流体は、前記バイパス管の上流で最大流量を有し、前記バイパス管と前記部分との間で前記流体流を分配するための弁が、前記部分又は前記バイパス管のいずれかの上に配置されるか、又は前記部分と前記バイパス管の分岐点に配置されることを特徴とする。

従って、前記バイパス管および前記熱交換器は、前記冷却回路のラジエータを通る流体の分配を制御する任意のエンジンサーモスタットの上流に顕著に配置される。また、それらは、前記機関のシリンダヘッドと、ウォーターハウジングと呼ばれる前記冷却回路の前記分岐間の流体分配のための任意のハウジングとの間に配置することもできる。

前記弁は、前記部分と前記バイパス管との分岐点に配置された三方弁とすることができる。また、前記弁は、二方弁であってもよく、その場合、前記弁は、前記部分上か前記バイパス管上に配置される。

前記弁は、任意の公知のタイプのものとすることができ、自己完結型のサーモスタットであってもよく、あるいは、冷却材温度または場合によっては他のパラメータに従って別個の装置によって制御される受動弁であってもよい。

本発明の他の態様は、上記による冷却回路を制御する方法であって、その一態様では、以下のステップ、すなわち
ａ）前記機関の出口における前記冷却材の温度が所定の閾値未満である場合は、前記弁は、前記蒸発器における前記冷却材の循環を止めるステップ、
ｂ）前記機関の前記出口における前記冷却材の温度が所定の閾値を超える場合には、前記弁は、前記蒸発器における前記冷却材の循環を可能にするステップ、
が実行される。

本発明の別の態様は、通常の車両であり、したがって、本明細書では詳細に説明しないが、内燃機関と、上記による冷却回路とを備える車両である。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられる実施形態の以下の説明を読むことによって明らかになるであろう。

本発明によらないシステムに係る、冷却回路および流体が通過する装置の全体図である。 本発明の第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 本発明の第４の実施形態を示す図である。

次に、図１の従来の装置について詳細に説明する。熱機関１は、ポンプ３によって送出された熱伝達流体が横断する冷却回路２によって冷却される。その出口において、流体は、機関１を流れ、次いで、その温度に従って冷却回路２の２つの分岐に流れを分配するサーモスタット４を流れ、一方は、ポンプ３に還流する前にラジエータ５を通過し、他方は、排気管７から熱量の一部を回収する熱交換器６を通過して、有機ランキンサイクル熱回収回路９の蒸発器８を通過する。有機ランキンサイクル熱回収回路９の、第２のポンプ１０によって送出された作動流体は、蒸発器８を通過し、次いで、タービン１１およびコンデンサ１２を通過する。次いで、この分岐の熱伝達流体は、ポンプ３に戻り、その後、２つの分岐が合流する。蒸発器８で冷却材から熱量を取り出してタービン１１で機械的エネルギーに変換する、これらの既知の熱回収回路の動作に関する詳細は、ここでは詳述しない。従来技術のこの実施形態では、熱交換器６とポンプ３との間に配置された蒸発器８は、冷却回路２の分岐の一方に、かつ、ラジエータ５から出た分岐との分岐点の上流に配置される。したがって、部分的な流れのみがそこを通って流れるので、その効率は低下する。蒸発器８がこの分岐点の個所の下流に配置された場合も同様であり、流体はラジエータ５を流れ、その後、熱交換を大幅に増加させるのに寄与することができるように冷却され過ぎている蒸発器８を通過する流体に合流する。

ここで、本発明の第１の実施形態を図２に関連して記載する。熱機関には、参照符号１３を付し、その冷却回路には、参照符号１４を付す。ポンプ１５がそこから機関１３を介して流体を送り出してから、流体が弁１７が配置された出口管１６を介して流出する。この時点で、冷却回路は、出口管１６のバイパス管１８と部分２８に分割される。バイパス管１８は、弁１７の下流、かつ、エンジンサーモスタット１９の上流で、出口管１６と接続し、エンジンサーモスタット１９（サーモスタットは、その開度がサーモスタットを通過する流体の温度に依存する内部弁の開度に従って接続される、１つの入口および２つの出口を有することに留意する）は、ラジエータ２１を通過する分岐２０とそれを回避する分岐２２との間で熱伝達流体を分配し、分岐２０、２２がポンプ１５に戻る。熱回収回路２４の蒸発器２３は、図１に記載したものと同様に、バイパス管１８上に配置され、一方、部分２８は、何も設けられていない（すなわち、装置なし）。例えば、熱回収回路２４は、熱伝達流体（特に有機流体）が循環するランキンサイクルに従って動作する閉ループ回路とすることができる。閉回路は、ポンプと、蒸発器と、膨張手段と、凝縮器とを備える。冷却回路１４は、ここには示されていない他の装置、特に他の熱源または他の装置と交換するための熱交換器を通過することができ、またバイパス管の下流の他の分岐に分配することができる。

弁１７は、熱伝達流体の分配を制御、蒸発器２３を流れることを可能にするか、または反対に、部分２８を流れ、エンジンサーモスタット１９に直接到達することによってそれを回避する三方弁である。主な流れは、バイパス管１８を通過することができ、または、後述する作動可能性に応じて、特に、熱伝達流体、もしくは、機関１３又は蒸発器２３の温度に応じて出口分岐１６内に留まることができる。弁１７が温度制御のみを目的としている場合は、弁１７はサーモスタットであってもよい。また、弁１７は、種々のセンサ、特に熱伝達流体の温度または機関１３の温度を測定するものに敏感な、不図示の別個の装置によって制御される受動弁から構成することができる。最後に、弁１７は、２つの状態を有することができ、または中間状態を取ることができる。

図３は、分岐２０とバイパス管２２との間の分離部におけるエンジンサーモスタット１９が省略され、ポンプ１５に戻る前にこれら分岐２０、２２が合流する点に配置されたエンジンサーモスタット２５によって置き換えられるという点で、前述の実施形態とは異なる別の実施形態を示す。この装置は、他の点では変更されていない。

図４に示した実施形態は、バイパス管１８上または出口管１６の部分２８上のいずれかに配置され、バイパス管１８の両端との連結部の間に配置された二方弁２６によって、弁１７を置き換えた点で、図２の実施形態と異なる。弁２６はまた、サーモスタット、または別個の制御装置を備えた受動弁であってもよい。弁２６はさらに、バイパス管１８とそれに並列な前記部分２８との間に熱伝達流体を分配することを可能にする。

これらの全ての実施形態において、バイパス管１８は、機関１３のすぐ下流に、若しくは機関１３に隣接して配置することができ、または、例えば、熱伝達流体をさらに加熱することを可能にする排気管を有する熱交換器によって、機関１３から分離することができる。また、冷却回路１４が、機関１３で、例えば、機関１３のシリンダヘッドを冷却するためのいくつかの並列な分岐または潤滑回路を冷却するための追加の分岐に分割される場合、バイパス管１８は、これらの様々な分岐が機関１３の出口で合流する個所の下流に配置され、それによって再び単一の出口管１６を形成し、その結果、冷却回路１４を流れる流れ全体が、回収回路２４との熱交換のために利用可能になる。

冷却回路１４が、ウォーターアウトレットハウジング２７と呼ばれるものを含み、ウォーターアウトレットハウジング２７の目的が、熱伝達流体を機関１３の出口で冷却回路１４の様々な分岐に分配することである場合において、図５は、このウォーターアウトレットハウジング２７が、機関１３に直接ではなく、バイパス管１８の少なくとも一部を含むスペーサ２９と、弁１７または２６とを介して取り付けられていることを示す。図示の例では、ウォーターアウトレットハウジング２７は、分岐２０と分岐２２の間に熱伝達流体を分配し、第１の流体はラジエータ２１に通じ、第２の流体はそれを回避する。

次に、本発明による装置の動作について説明する。機関１３の暖機段階では、蒸発器２３は回避されるため、熱伝達流体の流れはバイパス管１８を流れないか、またはほとんど流れない。流れは、残らず、全体又は大部分が出口分岐１６の部分２８内を通過する。したがって、機関１３の温度上昇は、蒸発器２３によって表される付加的な熱慣性によって遅れることはない。機関１３が暖まると(例えば、機関１３の出口で所定の温度閾値に達したことに対応する、またはエンジンサーモスタット１９または２５が、ラジエータ２１に通じる冷却回路１４の分岐２０を開放し始める時に対応する)、蒸発器２３に流入する流れを制御する弁１７または２６が作動し、機関１３の出口での流体の流れの全部または一部を蒸発器２３に送る。その後、熱回収回路２４が熱量を受け始め、作動を開始することができる。蒸発器２３に向かう流量を制御する弁１７または２６が連続制御式であれば、回収回路の作動電力を調整したい場合、蒸発器２３に送られる熱流を制御することができる。したがって、流量制御弁１７または２６は、全開と全閉との間の中間位置に設定される。

最後に、冷却材温度降下の開始につながる機関１３の停止後、本発明は機関１３の温度上昇を加速することを可能にする。蒸発器２３内の温度が再始動時に冷却材の温度よりも高い場合、機関１３の出口の流体が蒸発器２３に送られるように弁１７または２６を調節して、流体をより迅速に加熱するために使用されるようにし、その結果、機関１３がより早く暖かい作動状態に戻るようにすることができる。

本発明の利点は、以下のように述べることができる。蒸発器２３が冷却回路１４内で、機関１３の出口かつ回路１４の分岐の前に位置することで、機関１３からの冷却材流全体が蒸発器２３を横断することを可能にする。この位置は、一般に、流体流量が最も高い回路１４の個所である。したがって、回収回路２４の作動流体への流体の熱量の伝達が最適化される。伝達される所与の熱量に対して、よりコンパクトな蒸発器２３を使用することができ、したがって、この蒸発器２３は、機関１３の冷却回路１４の別の場所に配置された場合よりも軽量で安価である。

もし、流体の流れが蒸発器２３を避けることができなかった場合は、冷却回路１４内のその存在は、機関１３の熱伝達流体の温度上昇を遅らせる付加的な熱慣性を伴う。機関１３の暖機を遅らせることは、特に、より顕著な摩擦及び低温機関による燃焼室壁への熱損失の増大のために、燃料消費にマイナスの影響を及ぼす。また、燃焼室の壁が冷えている限り、燃焼の効率が落ち、また、低温時に機関の排気管路内にある除染手段の効率も落ち、排出量も高くなる。

また、蒸発器２３のバイパス管１８内の流量を制御するための弁１７又は２６は、機関が一旦暖かくなると、蒸発器２３に到達する熱流を必要に応じて管理することを可能にする。したがって、弁１７又は２６の２つの極端な位置の間の中間位置を制御することによって、蒸発器に送られて回収回路によって収集される熱流を調整することが可能になる。

一方、機関１３が冷却材の温度低下が開始するに十分に長い時間停止されると、既に述べたように、回収回路内の熱を使用して機関１３をより迅速に暖めることができる。

Claims (9)

1. 関連する熱回収回路（２４）と熱交換するための蒸発器（２３）を備える熱機関（１３）の冷却回路であって、別々の流体の流れが前記冷却回路及び前記熱回収回路を横断する熱機関冷却回路において、
   前記蒸発器（２３）は、前記冷却回路（１４）のバイパス管（１８）上に配置され、前記機関に隣接する前記冷却回路の主要部（１６）の部分（２８）に並列に接続され、かつ前記流体は、前記バイパス管の上流で最大流量を有し、前記流体の流れを前記バイパス管（１８）と前記部分（２８）との間で分配するための弁（１７、２６）が、前記部分（２８）上か前記バイパス管（１８）上に配置されるか、または前記部分と前記バイパス管の分岐点に配置され、
   前記バイパス管は、前記機関と、前記冷却回路の分岐（２０、２２）に前記流体を分配する流体出口ハウジング（２７）と、の間に配置され、前記流体出口ハウジングは、前記バイパス管の少なくとも一部と前記弁とを含むスペーサ（２９）を介して前記熱機関（１３）に取り付けられていることを特徴とする熱機関冷却回路。
2. 前記熱回収回路が有機ランキンサイクル回路であることを特徴とする、請求項１に記載の熱機関冷却回路。
3. 前記バイパス管（１８）は、ラジエータ（２１）を通る流体の分配を制御するエンジンサーモスタット（１９、２５）の上流に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱機関冷却回路。
4. 前記弁は、前記部分（２８）と前記バイパス管（１８）との分岐点に配置された三方弁であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱機関冷却回路。
5. 前記弁は、二方弁であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱機関冷却回路。
6. 前記弁は、サーモスタットであることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の熱機関冷却回路。
7. 前記弁は、前記冷却回路内の流体の温度に応じて制御されることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の熱機関冷却回路。
8. 前記請求項１～７のいずれか１項に記載の冷却回路を制御する方法であって、
   ａ）前記機関（１３）の出口における前記流体の温度が所定の閾値未満である場合は、前記弁は、前記蒸発器（２３）における前記流体の循環を止めるステップと、
   ｂ）前記機関の前記出口における前記流体の温度が所定の閾値を超える場合には、前記弁は、前記蒸発器（２３）における前記流体の循環を可能にするステップと、を実行する方法。
9. 内燃機関と、請求項１～７のいずれか１項に記載の冷却回路（１４）とを備える車両。
   

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