(57)【要約】【課題】速やかな廃熱回収の開始及び燃費性能の向上のためのエンジンの早期暖機を課題とする。【解決手段】廃熱回収装置１００は、内部で冷却媒体が沸騰することにより冷却されるエンジン本体１、当該エンジン本体１側から冷却媒体供給路３を通じて流入する冷却媒体とエンジン本体１が排出する排気との熱交換を行う過熱蒸発器７と、過熱蒸発器７を通過した蒸気化した冷却媒体からエネルギを回収するタービン部９を備える。廃熱回収装置１００は、さらに、タービン部９においてエネルギを回収された後の冷却媒体をエンジン本体１側へ再循環させる冷却媒体回収路１０を備える。冷却媒体供給路３には、電磁弁１４が配設されている。冷却媒体回収路１０には、一方弁１５が配設されている。廃熱回収装置１００は、エンジン本体１の暖機時に、電磁弁１４と一方弁１５とにより、エンジン本体１と過熱蒸発器７とを分断する。【選択図】図１
2011132922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で冷却媒体が沸騰することにより冷却されるエンジン本体と、
当該エンジン本体側から冷却媒体供給路を通じて流入する前記冷却媒体と前記エンジン本体が排出する排気との間の熱交換を行う熱交換部と、
当該熱交換部を通過した蒸気化した前記冷却媒体からエネルギを回収するエネルギ回収部と、
当該エネルギ回収部においてエネルギを回収された後の前記冷却媒体を前記エンジン本体側へ再循環させる冷却媒体回収路と、
前記冷却媒体供給路に配設された第１遮断手段と、
前記冷却媒体回収路に配設された第２遮断手段と、
を備え、
前記エンジン本体の暖機時に、前記第１遮断手段と前記第２遮断手段とにより、前記エンジン本体と前記熱交換部とを分断することを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項２】
前記冷却媒体供給路に気液分離器を配設し、前記第１遮断手段は、前記熱交換部と前記気液分離器との間に配設されたことを特徴とした請求項１記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記第１遮断手段の上流側の前記冷却媒体の温度及び／又は圧力が所定値以上のときに前記第１遮断手段を開放して前記エンジン本体側から前記熱交換部側への前記冷却媒体の流通を許容する制御部を備えたことを特徴とした請求項１又は２記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記第２遮断手段は、前記熱交換部側から前記エンジン本体側への前記冷却媒体の流通を許容し、前記エンジン本体側から前記熱交換部側への前記冷却媒体の流通を遮断する一方弁であることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項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、廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ランキンサイクルを利用して内燃機関（エンジン）の稼動に伴う廃熱を回収す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には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張器（衝動タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０３０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エンジンの沸騰冷却を行うべく、エンジン本体を含む廃熱回収装置内部の冷却水通路は密閉されている。この密閉された冷却水通路内部は、冷間始動時において低圧状態となる。低圧状態であると、飽和温度が低くなり（例えば１０ｋＰａＡＢＳ程度で４６℃程度）、低温であるにも拘らず冷却水の沸騰が開始されてしまう。すなわち、暖機が完了していないにも拘らず沸騰冷却が開始されてしまう。さらに、廃熱回収装置が備えるコンデンサに流入した蒸気は、低温であるにも拘らずさらに冷却されてしまう。これでは、エンジンの廃熱を大気へ放出してしまうことになり、エンジンの暖機がなかなか進行しない。エンジンの暖機が進行しないと燃費が悪化するし、触媒暖機も遅れる。また、エンジンの暖機が進行して冷却水路内の温度が上昇することにより冷却水路内の圧力が上昇する。従って、冷却水路内の温度上昇の遅れに伴い冷却水路内の圧力上昇が遅れればランキンサイクルの稼動が遅れることになる。ランキンサイクルの稼動が遅れれば、廃熱回収効率も低下してしまう。
【０００５】
そこで、本明細書開示の廃熱回収装置は、速やかな廃熱回収の開始及び燃費性能の向上のためのエンジンの早期暖機を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本明細書開示の廃熱回収装置は、内部で冷却媒体が沸騰することにより冷却されるエンジン本体と、当該エンジン本体側から冷却媒体供給路を通じて流入する前記冷却媒体と前記エンジン本体が排出する排気との間の熱交換を行う熱交換部と、当該熱交換部を通過した蒸気化した前記冷却媒体からエネルギを回収するエネルギ回収部と、当該エネルギ回収部においてエネルギを回収された後の前記冷却媒体を前記エンジン本体側へ再循環させる冷却媒体回収路と、前記冷却媒体供給路に配設された第１遮断手段と、前記冷却媒体回収路に配設された第２遮断手段と、を備え、前記エンジン本体の暖機時に、前記第１遮断手段と前記第２遮断手段とにより、前記エンジン本体と前記熱交換部とを分断することを特徴としている。
【０００７】
このような廃熱回収装置は、暖機時にエンジン本体側だけで冷却媒体を循環させるので、早期暖機完了を図ることができる。また、エンジン本体の早期暖機に伴い廃熱回収装置内部の冷却媒体の圧力を早期に上昇させることができる。冷却媒体の圧力を上昇させることにより、飽和温度が上昇し、暖機完了前の沸騰冷却状態を抑制することができる。沸騰冷却が抑制されることにより、暖機完了が早まる。また、冷却媒体の温度、圧力が早期に上昇することにより、早期にエネルギ回収できる状態となり、廃熱回収の効率が向上する。さらに、エンジン本体の早期暖機完了により、早期にフリクション低減が実現される。これにより、燃費性能の向上が図られる。
【０００８】
このような廃熱回収装置において、前記冷却媒体供給路に気液分離器を配設することができる。そして、前記第１遮断手段は、前記熱交換部と前記気液分離器との間に配設することができる。これにより、暖機時において、気液分離器がエンジン本体側の冷却媒体循環回路に組み込まれる。
【０００９】
また、このような廃熱回収装置において、前記第１遮断手段の上流側の前記冷却媒体の温度及び／又は圧力が所定値以上のときに前記第１遮断手段を開放して前記エンジン本体側から前記熱交換部側への前記冷却媒体の流通を許容する制御部を備えた構成とすることができる。
【００１０】
これにより、温度や圧力が低くエネルギ回収部における効率的な廃熱回収ができない状態の冷却媒体のエネルギ回収部への流入が遮断される。この結果、暖機時における効率的な廃熱回収に寄与することができない状態の冷却媒体による熱の持ち去りが抑制されるため、早期に効率的な廃熱回収が可能な状態とすることができる。これにより、効率的な廃熱回収を行うことができる。
【００１１】
このような廃熱回収装置において、前記第２遮断手段は、前記熱交換部側から前記エンジン本体側への前記冷却媒体の流通を許容し、前記エンジン本体側から前記熱交換部側への前記冷却媒体の流通を遮断する一方弁とすることができる。廃熱回収装置の内部には、冷却媒体の経路がループ状に形成されている。第２遮断手段は、ループ状の冷却媒体の経路を有する廃熱回収装置において、第１遮断手段とともに、エンジン本体側と熱交換部側とを分断するものである。ここで、冷却媒体の流通方向は一定方向であるので、冷却媒体の逆流を回避する手段として一方弁を用いることができる。冷却媒体を圧送するポンプとして逆流防止機能を有するベーン式のポンプを採用し、冷却媒体の逆流を回避するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書開示の廃熱回収装置によれば、エンジンの早期暖機を行い、速やかな廃熱回収の開始及び燃費性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施例の廃熱回収装置の概略構成図である。
【図２】図２は、実施例の廃熱回収装置の制御の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
廃熱回収装置１００の概略構成について図１を参照しつつ説明する。廃熱回収装置１００は、内部で冷却媒体が沸騰することにより冷却されるエンジン本体１を備えている。エンジン本体１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内にはウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケット内の冷却媒体が沸騰することによってエンジン本体１の冷却が行われる。エンジン本体１は、さらに、排気管２を備える。排気管には排気触媒が組み込まれている。エンジン本体１のシリンダヘッド１ｂには、冷却媒体供給路３の一端が接続されている。冷却媒体供給路３には、エンジン本体１で温められた冷却媒体が流入する。
【００１６】
冷却媒体供給路３には、気液分離器４が配設されている。エンジン本体１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した冷却媒体は、気液分離器４内で気相と液相とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷却媒体循環路５の一端が接続されている。この冷却媒体循環路５の他端はシリンダブロック１ａに接続されている。また、冷却媒体循環路５には、エンジン本体１内に液状の冷却媒体を圧送する第１ウォーターポンプ６が配設されている。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン本体１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。
【００１７】
冷却媒体供給路３の他端は、熱交換部に相当する過熱蒸発器７に接続されている。過熱蒸発器７は、下側に蒸発部７ａを備え、その上側に過熱部７ｂを備えている。冷却媒体供給路３は、蒸発部７ａに接続されている。過熱蒸発器７には、排気管２が引き込まれている。排気管２は、その内部を流通する排気が過熱部７ｂ、蒸発部７ａの順に通過するように過熱蒸発器７を貫通している。これにより、過熱蒸発器７は、エンジン本体１側から冷却媒体供給路３を通じて流入する冷却媒体とエンジン本体１が排出する排気との熱交換を行う。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱部７ｂの上端部には、蒸気排出管７ｃが設けられている。
【００１８】
過熱蒸発器７の下流には、過熱蒸発器７を通過した蒸気化した冷却媒体からエネルギを回収するエネルギ回収部に相当するタービン部９が配設されている。タービン部は、衝動タービンを備えており、蒸気排出管７ｃの先端部に設けられたノズル９ａから噴射された蒸気によって駆動される。衝動タービンの回転力は、エンジン本体１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機の駆動に用いる。これにより、廃熱の回収が行われる。
【００１９】
タービン部９の下流側には、タービン部９においてエネルギを回収された後の冷却媒体をエンジン本体側へ再循環させる冷却媒体回収路１０が設けられている。冷却媒体回収路１０の一端は、タービン部９に接続されている。冷却媒体回収路１０の他端は、冷却媒体循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。冷却媒体回収路１０には、コンデンサ１１が配設されている。コンデンサ１１は、蒸気化している冷却媒体を冷却して凝縮し、冷却媒体を液状に戻す。コンデンサ１１の下端部には、第１凝縮タンク１１ａが設けられており、凝縮された冷却媒体が一旦貯留される。冷却媒体回収路１０のコンデンサ１１の下流側には、第２凝縮タンク１２が配設されている。第２凝縮タンク１２には、一旦第１凝縮タンク１１ａに貯留された液状の冷却媒体が貯留される。
【００２０】
冷却媒体回収路１０の第２凝縮タンク１２の下流には第２ウォータポンプ１３が配設されている。この第２ウォータポンプ１３は、電気式のポンプとなっている。第２ウォータポンプ１３が稼動状態となると、第２凝縮タンク１２内の冷却媒体を冷却媒体循環路５へ供給する。
【００２１】
以上のように、廃熱回収装置１００は、冷却媒体が循環する経路を備えている。そして、廃熱回収装置１００は、冷却媒体供給路３に配設された第１遮断手段に相当する電磁弁１４を備えている。電磁弁１４は、具体的には、気液分離器４と過熱蒸発器７との間に配設されている。
【００２２】
また、廃熱回収装置１００は、冷却媒体回収路１０の第２ウォータポンプ１３の下流に配設された第２遮断手段に相当する一方弁１５を備えている。廃熱回収装置１００は、気液分離器４内に圧力センサ１７と温度センサ１８を備えている。圧力センサ１７は、電磁弁１４の上流側、すなわち、電磁弁１４よりもエンジン本体１に近い側の冷却媒体の圧力を測定する。温度センサ１８は、電磁弁１４の上流側、すなわち、電磁弁１４よりもエンジン本体１に近い側の冷却媒体の温度を測定する。気液分離器４内にはフロート式の液面センサ１９が設けられている。廃熱回収装置１００は、制御部に相当するＥＣＵ（Electronic control unit）２０を備えている。ＥＣＵ２０は、第２ウォータポンプ１３、電磁弁１４とそれぞれ電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２０は、圧力センサ１７、温度センサ１８、液面センサ１９と電気的に接続されている。
【００２３】
第２ウォータポンプ１３は、ＥＣＵ２０によって駆動制御される。具体的には、液面センサ１９により、気液分離器４内の冷却媒体の液面が低下したときに、ＥＣＵ２０により駆動指令が出され、第２凝縮タンク１２から液状の冷却媒体をエンジン本体１側へ圧送する。これにより、エンジン本体１内において液相の冷却媒体が不足する事態を回避することができる。
【００２４】
電磁弁１４は、ＥＣＵ２０によって開閉制御される。具体的には、冷却媒体の温度及び／又は圧力が所定値以上のときに電磁弁１４を開放してエンジン本体１側から過熱蒸発器７側への冷却媒体の流通を許容する。
【００２５】
一方弁１５は、過熱蒸発器７側からエンジン本体１側への冷却媒体の流通を許容し、エンジン本体１側から過熱蒸発器７側への冷却媒体の流通を遮断する。すなわち、第２ウォータポンプ１３が稼動したときに、過熱蒸発器７側からエンジン本体１側への冷却媒体の流通のみを許容する。従って、第２ウォータポンプ１３がＥＣＵ２０から稼動指令を受けない限り、一方弁１５は、冷却媒体回収路１０を分断した状態とする。
【００２６】
廃熱回収装置１００は、エンジン本体１の暖機時に、このような電磁弁１４と一方弁１５とによって、エンジン本体１と過熱蒸発器７とを分断する。これにより、エンジン本体１の暖機時に、密閉された回路が形成される。エンジン本体１の暖機時において、冷却媒体は、密閉された回路、すなわち、第１ウォーターポンプ６、シリンダブロック１ａ、シリンダヘッド１ｂ、気液分離器４、そして、再び第１ウォーターポンプ６という閉じた回路内を循環する。これにより、エンジン本体１が発する熱によって素早く冷却媒体が昇温し、早期に暖機が完了する。また、密閉された回路内の圧力が上昇するので冷却媒体の飽和温度が上昇する。そして、エンジン本体１内での冷却媒体の沸騰が抑制される。この結果、暖機が完了していない状態における冷却が回避される。エンジン本体１の早期暖機完了により、早期にフリクション低減が実現される。これにより、燃費性能の向上が図られる。
【００２７】
また、過熱蒸発器７側への冷却媒体の流入が回避されるので、排気管２内を流通する排気の温度低下も回避される。この結果、排気触媒の早期暖機も図られる。
【００２８】
さらに、コンデンサ１１への冷却媒体の流入も回避されるので、暖機時におけるコンデンサ１１からの熱の大気放出も回避される。
【００２９】
早期に暖機が完了し、早期に冷却媒体がタービン部９を駆動できる状態に到達することで、廃熱回収効率も向上する。
【００３０】
つぎに、このような廃熱回収装置１００の制御の一例につき、図２に示すフロー図を参照しつつ説明する。
【００３１】
ＥＣＵ２０は、エンジン本体１が始動すると、圧力センサ１７、温度センサ１８からデータを取得し、暖機完了状態にあるか否かを判断する。具体的には、ステップＳ１において、圧力センサ１７による圧力測定値Ｐが予め定めた圧力値Ｐ０以上であるか否かを判断する。ステップＳ１においてＹＥＳと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、ＥＣＵ２０は、電磁弁１４に開指令を発する。一方、ステップＳ１においてＮＯと判断したときは、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、温度センサ１７による温度測定値Ｔが予め定めた温度値Ｔ０以上であるか否かを判断するステップＳ２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、前記のように、ＥＣＵ２０は、電磁弁１４に開指令を発する。一方、ステップＳ２においてＮＯと判断したときは、再びステップＳ１からのステップを繰り返す。
【００３２】
ここで、予め定めた圧力値Ｐ０、温度値Ｔ０は、いずれも暖機完了を判断するための閾値として設定されている。本実施例では、冷却媒体の圧力又は温度が所定の値以上となった場合に暖機完了と判断している。圧力値と温度値の双方が所定値以上となったときに暖機完了と判断するようにしてもよい。また、圧力センサと温度センサのいずれかのみを装備して、そのセンサにより取得されたデータに基づいて暖機完了を判断するようにしてもよい。
【００３３】
以上説明したように本実施例の廃熱回収装置１００によれば、エンジンの早期暖機を行い、速やかな廃熱回収の開始及び燃費性能の向上を図ることができる。
【００３４】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００３５】
１…エンジン本体
１ａ…シリンダブロック
１ｂ…シリンダヘッド
２…排気管
３…冷却媒体供給路
４…気液分離器
５…冷却媒体循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
７…過熱蒸発器（熱交換部）
７ａ…蒸発部
７ｂ…過熱部
９…タービン部（エネルギ回収部）
１０…冷却媒体回収路
１１…コンデンサ
１１ａ…第１凝縮タンク
１２…第２凝縮タンク
１３…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１４…電磁弁（第１遮断手段）
１５…一方弁（第２遮断手段）
１７…圧力センサ
１８…温度センサ
１９…液面センサ
２０…ＥＣＵ（制御部）
１００…廃熱回収装置
【図１】
2011132922.tif 000003
【図２】
2011132922.tif 000004