(57)【要約】【課題】内燃機関がラジエータを備えていなくてもランキンサイクルシステムの熱交換器によって内燃機関の冷媒を冷却することができるとともに、ランキンサイクルシステムを迅速に稼動させることができる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置１５は、冷媒循環通路２０と、作動流体循環通路５２を有するランキンサイクルシステム５０と、制御装置３０とを備え、冷媒循環通路は、内燃機関１０を冷却後の冷媒が熱交換器５４を流通するように構成され、制御装置は、内燃機関の負荷が低負荷状態の場合は冷媒循環通路における冷媒の流通を停止させるとともに作動流体循環通路における作動流体の流通を停止させ、内燃機関の負荷が高負荷状態になった場合に、冷媒循環通路における冷媒の流通を開始させるとともに作動流体循環通路における作動流体の流通を開始させる制御処理を実行する。【選択図】図１
2018062895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
作動流体が熱交換器、膨張器及び凝縮器を順に流通するように構成された作動流体循環通路を有するランキンサイクルシステムと、
前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通状態、及び前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通状態を制御する制御装置と、を備え、
前記冷媒循環通路は、前記内燃機関を冷却後の前記冷媒が前記熱交換器を流通するように構成され、
前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が予め設定された所定負荷よりも小さい低負荷状態の場合は前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通を停止させるとともに前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通を停止させ、前記内燃機関の前記負荷が前記所定負荷以上の高負荷状態になった場合に、前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通を開始させるとともに前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通を開始させる制御処理を実行する、廃熱回収装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記冷媒循環通路に配置された電動バルブ又は電動サーモスタットを制御することで、前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通状態を制御し、前記作動流体循環通路に配置されたランキン用ポンプを制御することで、前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通状態を制御する請求項１記載の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱回収装置に関し、詳しくはランキンサイクルシステムを備える廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ランキンサイクルシステムを備える廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置として、例えば、特許文献１や特許文献２には、内燃機関を冷却後の冷媒をランキンサイクルシステムの熱交換器（特許文献１，２では蒸発器と称されている）に流通させることで、内燃機関を冷却後の冷媒をランキンサイクルシステムの熱交換器によって冷却するタイプの廃熱回収装置が開示されている。このような廃熱回収装置の場合、ランキンサイクルシステムの熱交換器が内燃機関のラジエータとして機能できるので、内燃機関は、ランキンサイクルシステムの熱交換器とは別にラジエータを備える必要がなくなる。
【０００３】
ここで、上記の廃熱回収装置の場合、内燃機関が低負荷状態の場合には、内燃機関の冷媒の温度が低温であるため、熱交換器における冷媒による作動流体の加熱が不十分になり、この結果、ランキンサイクルシステムの稼動が困難になる。このように、上記の廃熱回収装置のランキンサイクルシステムは、内燃機関が低負荷状態の間は稼動できず、内燃機関が高負荷状態になった場合に稼動することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１８４９０６号公報
【特許文献２】特開２０１３−１６０１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の廃熱回収装置では、内燃機関が低負荷状態から高負荷状態になった場合に、ランキンサイクルシステムの作動流体を迅速に加熱できる構成になっていない。そのため、このような廃熱回収装置のランキンサイクルは、内燃機関が高負荷状態になった場合に迅速に稼動することが困難である。
【０００６】
本発明は上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関がラジエータを備えていなくても、ランキンサイクルシステムの熱交換器によって内燃機関の冷媒を冷却することができるとともに、ランキンサイクルシステムを迅速に稼動させることができる廃熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る廃熱回収装置は、内燃機関を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、作動流体が熱交換器、膨張器及び凝縮器を順に流通するように構成された作動流体循環通路を有するランキンサイクルシステムと、前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通状態、及び前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通状態を制御する制御装置と、を備え、前記冷媒循環通路は、前記内燃機関を冷却後の前記冷媒が前記熱交換器を流通するように構成され、前記制御装置は、前記内燃機関の負荷が予め設定された所定負荷よりも小さい低負荷状態の場合は前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通を停止させるとともに前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通を停止させ、前記内燃機関の前記負荷が前記所定負荷以上の高負荷状態になった場合に、前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通を開始させるとともに前記作動流体循環通路における前記作動流体の流通を開始させる制御処理を実行する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、冷媒循環通路が、内燃機関を冷却後の冷媒がランキンサイクルシステムの熱交換器を流通するように構成されているので、内燃機関がラジエータを備えていなくても、ランキンサイクルシステムの熱交換器によって内燃機関を冷却後の冷媒を冷却することができる。また、本発明によれば、内燃機関が低負荷状態の場合は冷媒循環通路における冷媒の流通を停止させるとともに作動流体循環通路における作動流体の流通を停止させるので、内燃機関の熱エネルギーを冷媒に蓄積させることができる。そして、内燃機関が高負荷状態になった場合に、冷媒循環通路における冷媒の流通を開始させるとともに作動流体循環通路における作動流体の流通を開始させるので、低負荷状態のときに熱エネルギーを蓄えた冷媒によって作動流体を迅速に加熱することができる。これにより、ランキンサイクルシステムを迅速に稼動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る廃熱回収装置が適用された内燃機関システムの構成を模式的に示す構成図である。
【図２】制御装置の制御処理の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本発明の実施形態に係る廃熱回収装置１５が適用された内燃機関システム１の構成を模式的に示す構成図である。この内燃機関システム１は、車両に搭載されている。内燃機関システム１は、内燃機関１０及び廃熱回収装置１５を備えている。廃熱回収装置１５は、冷媒循環通路２０と、冷媒ポンプ２１と、電動バルブ２２と、制御装置３０と、ランキンサイクルシステム５０とを備えている。
【００１１】
内燃機関１０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を用いることができる。本実施形態においては、内燃機関１０の一例として、ディーゼルエンジンを用いている。なお図１に例示されている内燃機関１０は、一例として、＃１〜＃４の気筒１１を有する多気筒型の内燃機関であるが、内燃機関１０の気筒１１の個数はこれに限定されるものではない。
【００１２】
冷媒循環通路２０は、内燃機関１０を冷却する冷媒（Ｃ）が循環する通路である。なお、冷媒としては、内燃機関１０を冷却できるものであればよく、その具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、冷媒の一例として水を主成分とする冷媒を用いている。冷媒ポンプ２１は、冷媒を圧送するポンプであり、冷媒循環通路２０に配置されている。本実施形態においては、冷媒ポンプ２１の一例として、内燃機関１０によって駆動される機械式ポンプ（ウォーターポンプ）を用いている。
【００１３】
ここで、本実施形態に係る冷媒循環通路２０は、内燃機関１０を冷却後の冷媒がランキンサイクルシステム５０の後述する熱交換器５４を流通するように構成されている。内燃機関１０を冷却後の冷媒は、熱交換器５４の内部を通過する際にランキンサイクルシステム５０の作動流体との間で熱交換を行う。これにより、冷媒は冷却される。このため、本実施形態においては、熱交換器５４が内燃機関１０を冷却後の冷媒を冷却するラジエータとしての機能を有している。したがって、内燃機関１０は、廃熱回収装置１５の熱交換器５４とは別に、内燃機関１０用のラジエータを備えていない。これにより、内燃機関１０における部品点数の削減が図られている。
【００１４】
電動バルブ２２は、制御装置３０によって制御されて作動する流量調整バルブであり、
冷媒循環通路２０に配置されている。制御装置３０が電動バルブ２２の開度を制御することで、冷媒循環通路２０における冷媒の流通状態が制御される。
【００１５】
なお、廃熱回収装置１５は、電動バルブ２２に代えて、電動サーモスタットを用いることもできる。この電動サーモスタットも、電動バルブ２２と同様に、制御装置３０に制御されて作動することで、冷媒循環通路２０における冷媒の流通状態を制御する。
【００１６】
制御装置３０は、内燃機関１０の燃料噴射時期や燃料噴射量等を制御することで内燃機関１０の動作を制御する。また制御装置３０は、電動バルブ２２（又は電動サーモスタット）を制御することで冷媒循環通路２０における冷媒の流通状態を制御する。さらに制御装置３０は、ランキンサイクルシステム５０の後述するランキン用ポンプ５３を制御することで、ランキンサイクルシステム５０における作動流体の流通状態も制御する。このような制御装置３０として、本実施形態においては、制御部としての機能を有するＣＰＵ３１と、ＣＰＵ３１の動作に用いられる各種データやプログラム等を記憶する記憶部３２とを有する電子制御装置を用いている。なお、記憶部３２としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を用いることができる。
【００１７】
ランキンサイクルシステム５０は、作動流体循環通路５２、ランキン用ポンプ５３、熱交換器５４、膨張器５５及び凝縮器５６を備えている。作動流体循環通路５２は、作動流体（Ｆ）が循環するための通路であり、具体的には、作動流体がランキン用ポンプ５３、熱交換器５４、膨張器５５及び凝縮器５６を順に通過するように構成されている。作動流体は、作動流体循環通路５２を循環しながら、作動流体循環通路５２に配置されているこれらの部材を順に流通していく。なお、本実施形態においては、作動流体の一例として、有機系の流体を用い、具体的には、フロン（例えばＲ１３４ａ等）や、アルコール（例えばメタノール等）等を用いている。
【００１８】
ランキン用ポンプ５３は、作動流体を圧送するポンプである。ランキン用ポンプ５３は、制御装置３０によって制御されることで駆動する。このようなランキン用ポンプ５３の一例として、本実施形態においては、電動式の流体ポンプを用いている。ランキン用ポンプ５３によって圧送された作動流体（液体状態の作動流体）は、熱交換器５４に供給される。
【００１９】
熱交換器５４は、内燃機関１０を冷却して熱交換器５４に供給された冷媒と、熱交換器５４に供給された作動流体との間で熱交換を行う。具体的には、熱交換器５４に供給された作動流体は、熱交換器５４において、内燃機関１０を冷却後の冷媒の熱を受熱することで加熱されて気体（具体的には蒸気）になる。この気体となった作動流体は、膨張器５５に供給される。
【００２０】
膨張器５５は、膨張器５５に供給された作動流体を膨張させて、エネルギーを出力する装置である。本実施形態においては、膨張器５５の一例として、蒸気タービンを用いている。この膨張器５５としての蒸気タービンには、発電機（図示せず）が装着されている。蒸気タービンは、蒸気タービンに供給された作動流体からの圧力を受けて回転し、この回転によって発電機が発電する。この発電された電力は、バッテリー等の充電装置（図示せず）に充電される。このようにして、本実施形態に係る膨張器５５は、作動流体を膨張させて、電気エネルギーを出力している。
【００２１】
膨張器５５を経由した作動流体は凝縮器５６に供給される。凝縮器５６は、供給された作動流体を凝縮させて液体に戻す装置である。このような機能を有するものであれば、凝縮器５６の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る凝縮器５６は、凝縮器５６に供給された作動流体を外気との熱交換によって凝縮させて液体に戻すよ
うに構成されている。凝縮器５６を経由した作動流体（液体）は、ランキン用ポンプ５３に戻り、再び熱交換器５４に供給される。
【００２２】
以上のように、本実施形態に係るランキンサイクルシステム５０は、内燃機関１０を冷却後の冷媒の熱（廃熱）を回収して、エネルギー（具体的には電気エネルギー）を出力している。
【００２３】
続いて制御装置３０による電動バルブ２２及びランキン用ポンプ５３の制御について説明する。まず、本実施形態に係る制御装置３０は、内燃機関１０の負荷が予め設定された所定負荷よりも小さい低負荷状態の場合は、冷媒循環通路２０における冷媒の流通及び作動流体循環通路５２における作動流体の流通を停止させ、内燃機関１０の負荷が所定負荷以上の高負荷状態になった場合に、冷媒循環通路２０における冷媒の流通及び作動流体循環通路５２における作動流体の流通を開始させる制御処理を実行する。この制御処理の詳細について、フローチャートを用いて説明すると次のようになる。
【００２４】
図２は、制御装置３０の制御処理の一例を示すフローチャートである。図２のフローチャートの各ステップは、制御装置３０の具体的にはＣＰＵ３１が実行する。制御装置３０は内燃機関１０の始動開始と同時に図２のフローチャートの実行をスタートする。まず、ステップＳ１０において、制御装置３０は、内燃機関１０の負荷が予め設定された所定負荷より小さいか否かを判定する。
【００２５】
ここで、内燃機関１０の負荷としては、内燃機関１０の単位時間当たりの燃料噴射量や、吸入空気量等を用いることができる。また、ステップＳ１０の所定負荷は、後述するステップＳ２０及びステップＳ３０のいずれを実行するかを判定するための、負荷の判定値に相当する。この所定負荷の具体的な値は、特に限定されるものではないが、例えば、内燃機関１０の負荷がこの所定負荷より小さい場合に、冷媒の温度が低すぎて熱交換器５４において冷媒によって作動流体を十分に加熱できなくなり、この結果、膨張器５５が稼動できなくなる（すなわちランキンサイクルシステム５０が稼動できなくなる）と考えられる、負荷の値を用いることができる。この所定負荷の具体的な値は、予め実験、シミュレーション等によって求めておき、記憶部３２に記憶しておく（すなわち、予め制御装置３０に設定しておく）。
【００２６】
ステップＳ１０でＹＥＳと判定された場合、すなわち、内燃機関１０が低負荷状態の場合、制御装置３０はステップＳ２０を実行する。このステップＳ２０において制御装置３０は、電動バルブ２２を閉弁させることで冷媒循環通路２０における冷媒の流通を停止させるとともに、ランキン用ポンプ５３を停止させることで作動流体循環通路５２における作動流体の流通も停止させる。このステップＳ２０の実行によって、ランキンサイクルシステム５０は停止状態になる。一方、冷媒循環通路２０内において、流通が停止された冷媒は、内燃機関１０の熱エネルギーを蓄積していく。ステップＳ２０の後に制御装置３０はフローチャートのスタートに戻る（リターン）。
【００２７】
ステップＳ１０でＮＯと判定された場合、すなわち、内燃機関１０が高負荷状態の場合、制御装置３０はステップＳ３０を実行する。このステップＳ３０において制御装置３０は、電動バルブ２２を開弁させることで冷媒循環通路２０における冷媒の流通を開始させるとともに、ランキン用ポンプ５３を稼動させることで作動流体循環通路５２における作動流体の流通も開始させる。このステップＳ３０の実行によって、熱交換器５４における作動流体による冷媒の冷却が開始されるとともに、ランキンサイクルシステム５０による内燃機関１０の廃熱の回収とエネルギーの出力が開始される。すなわち、このステップＳ３０の実行によって、ランキンサイクルシステム５０は稼動する。ステップＳ３０の後に制御装置３０はフローチャートのスタートに戻る（リターン）。
【００２８】
以上説明した本実施形態によれば、冷媒循環通路２０が、内燃機関１０を冷却後の冷媒がランキンサイクルシステム５０の熱交換器５４を流通するように構成されているので、内燃機関１０がラジエータを備えていなくても、この廃熱回収装置１５の熱交換器５４によって内燃機関１０を冷却後の冷媒を冷却することができるとともに、この冷媒の熱（すなわち内燃機関１０の廃熱）をランキンサイクルシステム５０によって回収することができる。また、本実施形態によれば、内燃機関１０が低負荷状態の場合は冷媒循環通路２０における冷媒の流通を停止させるとともに作動流体循環通路５２における作動流体の流通を停止させるので（ステップＳ２０）、内燃機関１０の熱エネルギーを冷媒に蓄積させることができる。そして、内燃機関１０が高負荷状態になった場合に、冷媒循環通路２０における冷媒の流通を開始させるとともに作動流体循環通路５２における作動流体の流通を開始させるので（ステップＳ３０）、熱交換器５４において、低負荷状態のときに熱エネルギーを蓄えた冷媒によって作動流体を迅速に加熱することができる。これにより、ランキンサイクルシステム５０を迅速に稼動させることができる。
【００２９】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１  内燃機関システム
１０  内燃機関
１５  廃熱回収装置
２０  冷媒循環通路
２１  冷媒ポンプ
２２  電動バルブ
３０  制御装置
５０  ランキンサイクルシステム
５２  作動流体循環通路
５３  ランキン用ポンプ
５４  熱交換器
５５  膨張器
５６  凝縮器
【図１】
2018062895.tif 000003
【図２】
2018062895.tif 000004