(57)【要約】【課題】ランキンサイクルシステムの作動流体によって内燃機関を直接冷却しつつ内燃機関の廃熱を回収することができるとともに、内燃機関のオーバーヒートを抑制す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、内燃機関１０を作動流体によって直接冷却しつつ内燃機関の廃熱を回収するランキンサイクルシステム５０と、冷媒が内燃機関の内部を通過するように構成された冷媒循環通路２０と、制御装置３０とを備え、制御装置は、内燃機関の温度が予め設定された所定値より低い場合は、冷媒循環通路における冷媒の流通を停止させた状態でランキンサイクルシステムを稼働させることで内燃機関を作動流体のみで冷却し、内燃機関の温度が所定値以上になった場合に、冷媒循環通路における冷媒の流通を開始させることで内燃機関を作動流体及び冷媒の両方で冷却する制御処理を実行する。【選択図】図１
2018062896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を内燃機関の内部に供給して前記作動流体と前記内燃機関との間で熱交換を行うことで前記内燃機関を前記作動流体によって直接冷却しつつ前記内燃機関の廃熱を回収するランキンサイクルシステムと、
冷媒が前記内燃機関の内部を通過するように構成された冷媒循環通路と、
前記ランキンサイクルシステムの動作及び前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通状態を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記内燃機関の温度が予め設定された所定値より低い場合は、前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通を停止させた状態で前記ランキンサイクルシステムを稼働させることで前記内燃機関を前記作動流体のみで冷却し、前記内燃機関の温度が前記所定値以上になった場合に、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ことで前記内燃機関を前記作動流体及び前記冷媒の両方で冷却す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冷媒ポンプ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、前記ランキンサイクルシステムの前記作動流体を圧送するランキン用ポンプを制御することで前記ランキンサイクルシステムの動作を制御する、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、内燃機関の廃熱を回収できる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、ランキンサイクルシステムの作動流体を内燃機関の内部に供給して作動流体と内燃機関との間で熱交換を行うことで、内燃機関を作動流体によって直接冷却しつつ内燃機関の廃熱を回収するタイプのランキンサイクルシステムを備える廃熱回収装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４１４５２号公報
【特許文献２】特開２００８−２３１９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような廃熱回収装置は、内燃機関の温度が高温になった場合に、ランキンサイクルシステムの作動流体以外の媒体で内燃機関を冷却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では、例えば内燃機関の負荷が高い場合のように、作動流体による冷却のみでは内燃機関を十分に冷却することが困難な場合には、内燃機関がオーバーヒートする可能性がある。
【０００５】
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、ランキンサイクルシステムの作動流体によって内燃機関を直接冷却しつつ内燃機関の廃熱を回収することができるとともに、内燃機関のオーバーヒートを抑制す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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る廃熱回収装置は、作動流体を内燃機関の内部に供給して前記作動流体と前記内燃機関との間で熱交換を行うことで前記内燃機関を前記作動流体によって直接冷却しつつ前記内燃機関の廃熱を回収するランキンサイクルシステムと、冷媒が前記内燃機関の内部を通過するように構成された冷媒循環通路と、前記ランキンサイクルシステムの動作及び前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通状態を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関の温度が予め設定された所定値より低い場合は、前記冷媒循環通路における前記冷媒の流通を停止させた状態で前記ランキンサイクルシステムを稼働させることで前記内燃機関を前記作動流体のみで冷却し、前記内燃機関の温度が前記所定値以上になった場合に、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ことで前記内燃機関を前記作動流体及び前記冷媒の両方で冷却する制御処理を実行する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ランキンサイクルシステムの作動流体によって内燃機関を直接冷却しつつ内燃機関の廃熱を回収することができるとともに、内燃機関の温度が所定値以上になった場合に、内燃機関を作動流体及び冷媒の両方で冷却することができるので、内燃機関のオーバーヒートを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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】内燃機関の内部における作動流体及び冷媒の流通態様を説明するための模式図である。
【図３】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】
【０００９】
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、制御装置３０と、温度センサ４０と、ランキンサイクルシステム５０とを備えている。
【００１０】
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が用いられている。また、本実施形態に係る内燃機関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。但し、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。
【００１１】
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。本実施形態に係る冷媒ポンプ２１は、一例として、制御装置３０によって制御されることで動作する電動ウォーターポンプを用いている。
【００１２】
温度センサ４０は、内燃機関１０の温度を検出し、この検出結果を制御装置３０に伝える。本実施形態においては、内燃機関１０の温度の具体例として、内燃機関１０のシリンダブロックの温度を用いている。
【００１３】
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、冷媒ポンプ２１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を制御し、これにより、ランキンサイクルシステム５０の動作も制御している。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。
【００１４】
ランキンサイクルシステム５０は、作動流体（Ｆ）が循環する循環通路である作動流体循環通路５２と、この作動流体循環通路５２に順に配置されたランキン用ポンプ５３、内燃機関１０、膨張器５５及び凝縮器５６を備えている。すなわち、本実施形態に係る内燃機関１０は、ランキンサイクルシステム５０の熱交換器としての機能を兼務している。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。
【００１５】
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、内燃機関１０に供給される。
【００１６】
図２は、内燃機関１０の内部における作動流体及び冷媒の流通態様を説明するための模式図である。なお、図２に図示されているＺ軸の方向は、気筒１１に配置されたピストンの移動方向となっている。図１及び図２を参照して、本実施形態に係る作動流体循環通路５２の一部は、内燃機関１０の内部に設けられている。この内燃機関１０の内部に設けられた作動流体循環通路５２を内部作動流体通路５７と称する。また冷媒循環通路２０の一部も、内燃機関１０の内部に設けられている。この内燃機関１０の内部に設けられた冷媒循環通路２０を内部冷媒通路２２と称する。
【００１７】
内部作動流体通路５７及び内部冷媒通路２２は、内燃機関１０のシリンダブロックの内部に設けられている。また、内部作動流体通路５７及び内部冷媒通路２２はそれぞれ、作動流体又は冷媒が気筒１１の周囲の部分を流動するように設けられている。
【００１８】
具体的には、内部作動流体通路５７は、作動流体が＃１〜＃４の気筒１１の外周及び配列方向に沿って流動するように、シリンダブロック内に設けられている。より具体的には、内部作動流体通路５７は、作動流体が＃１の気筒１１の側からシリンダブロック内に流入して、＃１〜＃４の気筒１１の配列方向（Ｘ方向）に流動し、次いで＃４〜＃１の気筒１１の配列方向（−Ｘ方向）に流動しながら、各々の気筒１１の外周に沿って流動するように、設けられている。
【００１９】
同様に、内部冷媒通路２２は、冷媒が＃１〜＃４の気筒１１の外周及び配列方向に沿って流動するように、シリンダブロック内に設けられている。より具体的には、内部冷媒通路２２は、冷媒が＃１の気筒１１の側からシリンダブロック内に流入して、＃１〜＃４の気筒１１の配列方向（Ｘ方向）に流動し、次いで＃４〜＃１の気筒１１の配列方向（−Ｘ方向）に流動しながら、各々の気筒１１の外周に沿って流動するように、設けられている。
【００２０】
なお、上述した図２の内部作動流体通路５７及び内部冷媒通路２２は、あくまでも一例に過ぎず、内部作動流体通路５７及び内部冷媒通路２２の内燃機関１０内における具体的な配置態様は、図２に示すものに限定されるものではない。
【００２１】
ランキン用ポンプ５３から内燃機関１０に圧送された作動流体は、内燃機関１０の内部作動流体通路５７を通過する間に、内燃機関１０との間で熱交換を行う。作動流体は、内燃機関１０の熱を受熱して気体（具体的には蒸気）になる。このように、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を作動流体によって直接冷却できる構造になっている。
【００２２】
また、冷媒ポンプ２１から内燃機関１０に圧送された冷媒は、内燃機関１０の内部冷媒通路２２を通過する間に、内燃機関１０の熱を受熱し、内燃機関１０を冷却する。なお、これは図３において後述するが、本実施形態に係る制御装置３０は、内燃機関１０の温度が所定値未満の間は冷媒ポンプ２１を停止させておき、内燃機関１０の温度が所定値以上になった場合に冷媒ポンプ２１を稼動させる。そのため、冷媒による内燃機関１０の冷却は内燃機関１０の温度が所定値以上になるまで行われない。
【００２３】
図１を再び参照して、内燃機関１０において気体となった作動流体は、膨張器５５に供給される。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。
【００２４】
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、再び内燃機関１０に供給される。
【００２５】
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、作動流体を内燃機関１０の内部に供給して作動流体と内燃機関１０との間で熱交換を行うことで内燃機関１０を作動流体によって直接冷却しつつ、内燃機関１０の熱（廃熱）を直接回収して、エネルギー（具体的には電気エネルギー）を出力している。
【００２６】
続いて、制御装置３０による冷媒ポンプ２１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の温度が予め設定された所定値より低い場合は、冷媒循環通路２０における冷媒の流通を停止させた状態でランキンサイクルシステム５０を稼働させて、内燃機関１０を作動流体のみで冷却する。また、制御装置３０は、内燃機関１０の温度が所定値以上になった場合に、冷媒循環通路２０における冷媒の流通を開始させて、内燃機関１０を作動流体及び冷媒の両方で冷却する。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。
【００２７】
図３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３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３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の温度が予め設定された所定値よりも低いか否かを判定する。
【００２８】
このステップＳ１０の所定値は、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、内燃機関１０の温度の判定値に相当する。この所定値の具体的な値は、特に限定されるものではないが、例えば、内燃機関１０の温度がこの所定値以上になった場合には、作動流体による内燃機関１０の冷却のみでは内燃機関１０を十分に冷却することができず、この結果、内燃機関１０がオーバーヒートする可能性があると考えられる温度を用いることができる。この所定値は、予め実験、シミュレーション等によって適切な値を求めておき、制御装置３０の記憶部３２に記憶させておく（すなわち、予め制御装置３０に設定しておく）。
【００２９】
また制御装置３０は、ステップＳ１０の内燃機関１０の温度として、温度センサ４０の検出結果を用いる。但し、内燃機関１０の温度の具体的な取得手法は、このような温度センサ４０の検出結果を用いるものに限定されない。例えば制御装置３０は、内燃機関１０の温度と相関を有する指標（例えば内燃機関１０の負荷等）に基づいて内燃機関１０の温度を推定することで、内燃機関１０の温度を取得することもできる。
【００３０】
ステップＳ１０でＹＥＳと判定された場合、すなわち、内燃機関１０の温度が所定値より低い場合、制御装置３０は、冷媒ポンプ２１を停止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を稼動させることで作動流体の流通を開始させてランキンサイクルシステム５０を稼動させる（ステップＳ２０）。このステップＳ２０の実行によって、内燃機関１０は作動流体のみによって直接冷却されることになる。ステップＳ２０の後に制御装置３０は、フローチャートをスタートから実行する（リターン）。
【００３１】
ステップＳ１０でＮＯと判定された場合、すなわち、内燃機関１０の温度が所定値以上になった場合、制御装置３０は、ランキン用ポンプ５３を稼動させることでランキンサイクルシステム５０を稼動させるとともに（なお、既にランキンサイクルシステム５０が稼動している場合は、この稼動を継続する）、冷媒ポンプ２１を稼動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（ステップＳ３０）。このステップＳ３０の実行によって、内燃機関１０は、作動流体の他に冷媒によっても冷却される。ステップＳ３０の後に制御装置３０は、フローチャートをスタートから実行する（リターン）。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、ランキンサイクルシステム５０の作動流体によって内燃機関１０を直接冷却しつつ内燃機関１０の廃熱を回収することができる。また、内燃機関１０の温度が所定値以上になった場合に、内燃機関１０を作動流体及び冷媒の両方で冷却することができるので、内燃機関１０のオーバーヒートを抑制することができる。
【００３３】
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】
【００３４】
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
３０  制御装置
４０  温度センサ
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
５５  膨張器
５６  凝縮器
【図１】
2018062896.tif 000003
【図２】
2018062896.tif 000004
【図３】
2018062896.tif 000005