(57)【要約】【課題】内燃機関稼働時の廃熱を効率よく回収して、廃熱回収出力向上及び燃費向上を図った内燃機関の廃熱回収装置の提供を目的とする。【解決手段】エンジン１の冷却水Ｒで作動流体Ｗを加熱するエバポレータ２１と、作動流体Ｗを膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機２２と、膨張機２２の下流側の作動流体の流路に対し並列に配置された第１コンデンサ２５及び第２コンデンサ２６と、第１及び第２コンデンサ２６への作動流体Ｗの流通経路を切換えるコンデンサ経路切換弁２３と、作動流体Ｗを圧縮する作動流体ポンプ２４と、内燃機関１の冷却水入口温度、出口温度及び回転数に基づいて作動流体Ｗの流量制御と、コンデンサファン２７の回転制御を行う制御装置３を備えたことを特徴とする。【選択図】図２
2015059425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関稼働時の廃熱を回収する内燃機関の廃熱回収装置において、
前記内燃機関の冷却水回路に介装され、該冷却水を熱源として、作動流体を加熱するエバポレータと、
前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機の下流側に配設され、前記膨張機を作動させた前記作動流体を外気により冷却するコンデンサと、
前記コンデンサで冷却された前記作動流体を圧送する作動流体ポンプと、
前記廃熱回収装置の作動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記内燃機関の冷却水の入口温度、出口温度及び回転数に基づいて、前記作動流体の流量制御と、前記コンデンサに外気を送風するコンデンサファンの回転制御を行うことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した内燃機関の廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した廃熱回生装置が開発されている。
一般に、ランキンサイクル装置は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器（エバポレータ）と、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張機の作動流体を凝縮させるコンデンサとから構成されている。
このような技術を利用した装置が特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１による廃熱回収装置は、内燃機関の廃熱によって加熱された作動流体を膨張させて機械的動力を回収する膨張機、該膨張機を作動させて作動流体を凝縮させる第１凝縮器（コンデンサ）を有するランキンサイクルと、熱源によって加熱された作動流体を外部動力によって圧縮する圧縮機、該圧縮機を作動した作動流体を外気によって凝縮させる第２凝縮器（コンデンサ）を有する冷凍サイクルと、両サイクルのうち、いずれか一方又は、両方を作動させて、両サイクルのいずれか一方を作動させる場合には、一方のサイクルの凝縮器に対して他方のサイクルの凝縮器を直列に接続して作動流体を段階的に流通させる作動流体経路切換手段と、を備えた技術が開示されている。
【０００４】
このようにすることで、並列に配置された両凝縮器に作動流体を分散して流通させる場合と異なり冷媒の凝縮を一括して段階的に行うことができるとしている。
また、冬季などにおいて、冷凍サイクルの熱負荷が小さくなって、冷凍サイクルを停止した時には、両凝縮器をランキンサイクルにて使用でき、一方、真夏などに冷凍サイクルの熱負荷が極端に大きくなって、ランキンサイクルを停止した時には、両凝縮器を冷凍サイクルに使用できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９７４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１によると、第１凝縮器と第２凝縮器を直列に接続して、作動流体を段階的に流通させることによって、外気温度情報に基づいて、冬季は冷凍サイクルを停止した時は、第１及び第２凝縮器をランキンサイクルにて使用でき、一方、真夏などに冷凍サイクルの熱負荷が極端に大きくなって、ランキンサイクルを停止した時には、両凝縮器を冷凍サイクルに使用できるようにしたものである。
しかし、作動流体の流れに対して、凝縮器を直列に使用することは、作動流体の流通抵抗が大きくなり、廃熱回収装置稼働のための消費エネルギー負担が大きくなり、廃熱を効率よく回収できない不具合を有している。
また、凝縮器を直列に使用することは、凝縮器における外気温度と作動流体との温度差は、凝縮器を並列にして使用する場合の１／２になり、凝縮器における冷却能力が十分に発揮できない。
【０００７】
本発明はかかる技術的課題に鑑み、内燃機関稼働時の廃熱を効率よく回収して、廃熱回収効率向上及び燃費向上を図った内燃機関の廃熱回収装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、かかる課題を解決するため、内燃機関稼働時の廃熱を回収する内燃機関の廃熱回収装置において、
前記内燃機関の冷却水回路に介装され、該冷却水を熱源として、作動流体を加熱するエバポレータと、
前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機の下流側に配設され、前記膨張機を作動させた前記作動流体を外気により冷却するコンデンサと、
前記コンデンサで冷却された前記作動流体を圧送する作動流体ポンプと、
前記廃熱回収装置の作動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記内燃機関の冷却水の入口温度、出口温度及び回転数に基づいて、前記作動流体の流量制御と、前記コンデンサに外気を送風するコンデンサファンの回転制御を行うことを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置を提供できる。
【０００９】
かかる発明によれば、内燃機関の冷却水の入口温度、出口温度及び回転数に基づいて、作動流体の流量制御と、コンデンサファンの回転制御を行うことにより、車両走行時の廃熱状態に応じて作動流体の流量を制御することで、最適作動流体流量制御が可能になると共に、作動流体ポンプを作動させる消費エネルギーを抑制でき廃熱回収効率の向上が図れる。
また、コンデンサファンの回転数を制御することで、作動流体を適切な温度に冷却することにより、エバポレータにおけるエネルギー回収が効率的に行われると共に、コンデンサファンの回転による消費エネルギーを低減させられるので膨張機によるＮＥＴ出力を向上できる。
【発明の効果】
【００１０】
かかる発明によれば、内燃機関稼働時の廃熱を効率よく回収して、廃熱回収出力向上及び燃費向上を図った内燃機関の廃熱回収装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態かかる内燃機関と廃熱回収装置の概略構成図を示す。
【図２】本発明の実施形態かかる廃熱回収装置の制御フロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて説明する。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、その相対配置などはとくに特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態かかり、車両に搭載された内燃機関と該内燃機関の廃熱回収装置の概略構成図を示す。
１は、内燃機関であるエンジンを示す。２はエンジンの冷却水路に介装された廃熱回収装置で、３は該廃熱回収装置２を制御する制御装置である。
【００１４】
エンジン１は、エンジン本体１１と、該エンジン本体１１を冷却して高温になった冷却水Ｒを外気との熱交換によって冷却するラジエータ１２と、該ラジエータ１２にエンジン本体１１から冷却水Ｒを導入するラジエータ導入管１２ａと、ラジエータ１２で冷却された冷却水Ｒをエンジン本体１１に戻すラジエータ流出管１２ｂと、ラジエータ導入管１２ａに介装され、冷却水温度が規定以上に上昇した時に、冷却水を、エンジン本体１１側からラジエータ１２側に通過させるサーモスタット１８と、エンジン本体１１の排ガスによって駆動される排気タービンと該排気タービンによって駆動され、空気を圧縮するコンプレッサを備えたターボチャージャ１４と、該ターボチャージャ１４にて圧縮された空気を冷却するインタークーラ１５と、ターボチャージャ１４を駆動した排ガス中に含まれているディーゼル排気微粒子を除去するＤＰＦ（Diesel  Particulate  Filter）１６及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択還元型触媒によって浄化するＳＣＲ（Selective  Catalytic  Reduction）１７と、排ガス中のＮＯｘ発生を抑制するため吸気に排ガスを混入させる、該排ガスを冷却するＥＧＲ（Exhaust  Gas  Recirculation)クーラ１３等を備えている。
【００１５】
廃熱回収装置２は、エンジン１の冷却水Ｒの熱で作動流体Ｗを加熱するエバポレータ２１と、該エバポレータ２１で加熱された作動流体Ｗを膨張させて回転動力を取出す膨張機２２と、該膨張機２２の下流側に作動流体Ｗの流路に並列に配置されて、膨張した作動流体を凝縮させるコンデンサ２５と、コンデンサ２５で凝縮された作動流体Ｗを圧縮してエバポレータ２１に圧送する作動流体ポンプ２４と、廃熱回収装置２を構成する各機器を作動流体Ｗが循環する流路である循環路２９と、廃熱回収装置２の作動を制御する制御装置３とを備えている。
【００１６】
エバポレータ２１は、エンジン１の冷却水回路を構成するラジエータ導入管１２ａから分岐した冷却水導入管２１ａによって、エンジン本体１１を冷却して高温になった冷却水Ｒを導入する。
エバポレータ２１は、該エバポレータ２１内において冷却水Ｒと作動流体Ｗとを熱交換して、作動流体Ｗを高温高圧の作動流体にする。
熱交換を行った冷却水Ｒは、ラジエータ流出管１２ｂに連結した冷却水排出管２１ｂによってエンジン１の冷却水回路に戻る。
【００１７】
膨張機２２は、エバポレータ２１によって高温高圧になった作動流体Ｗを導入して、膨張させることにより、回転駆動力を発生させる容積式の流体機器である。
一般に、膨張機２２には、図示省略の発電機を連結して電力を得る場合、又は車両の駆動系に連結して走行補助を行うようにして、廃熱回収装置２以外の部分で利用している。
【００１８】
コンデンサ２５は、循環路２９の作動流体Ｗの流れに対して直列に配置されている。
コンデンサ２５には第１コンデンサファン２７が配置されている。
コンデンサファン２７は、エンジン１の回転数の上昇、及び作動流体Ｗの膨張機２２の出口温度上昇に応じて回転数が高くなるように制御装置３によって制御される。
また、コンデンサ２５は、コンデンサファン２７によって、外気を吸込み、膨張機２２で膨張した作動流体Ｗを外気によって冷却及び凝縮する。
【００１９】
作動流体ポンプ２４は、コンデンサ２５にて凝縮された作動流体Ｗを圧縮してエアバポレータ２１に圧送すると共に、作動流体Ｗが循環路２９内を循環する動力源となっている。
また、本実施形態では、作動流体ポンプ２４の駆動を図示省略の電動モータにて実施しており、駆動は制御装置３によって制御される。
【００２０】
制御装置３は、次のような入力信号と、該入力信号に基づいて廃熱回収装置２の各機器を制御する制御信号を出力する。
入力信号は、エンジン回転数Ｎｒｐｍ、冷却水Ｒのエンジン出口温度ＴＡ（冷却水Ｒのエバポレータ２１の入口温度）、冷却水Ｒのエンジン入口温度ＴＢ（冷却水Ｒのエバポレータ２１の出口温度）及び、作動流体Ｗの膨張機２２の出口温度ＴＤ等である。
また、出力信号は、コンデンサファン目標回転数制御信号、作動流体目標流量制御信号、等である。
【００２１】
図２に基づいて、廃熱回収装置２の作動流体の流量制御フローについて説明する。
先ず、制御がスタートしてエンジン１側からの情報が入力される。
ステップＳ１において、冷却水Ｒのエンジン出口温度ＴＡが入力される。
ステップＳ２において、冷却水Ｒのエンジン出口温度ＴＡ≧第１所定値Ｔ１になっているかを判断する。
これは、エアバポレータ２１において、冷却水Ｒからどの程度のエネルギー回収ができるか、また、エネルギー回収ができる冷却水温度に達しているか否かを判断するためである。
即ち、冷却水温が低い場合には、エンジン１の熱効率、排ガス浄化に影響を及ぼすために、エネルギー回収をしないで、冷却水温度を上昇させるための判断である。
従って、ステップＳ２にて、冷却水Ｒのエンジン出口温度ＴＡ＜第１所定温度Ｔ１の場合、オーバクールと判断し、Ｎｏを選択してステップＳ１５に進み、作動流体ポンプ２４を停止させる。
尚、本実施形態の場合は、一例として第１所定温度Ｔ１は、５５℃として制御したが、エンジン１の形態、性能等により変化することがあるのは当然である。
冷却水温度が低い場合は、エネルギー回収量も少ないので、廃熱回収装置２を作動させるエネルギー消費の方が多くなる場合がある。
【００２２】
ステップＳ２において、冷却水Ｒのエンジン出口温度ＴＡ≧第１所定温度Ｔ１の場合は、Ｙｅｓを選択して、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３は、冷却水Ｒの温度に基づいて、エバポレータ２１にどの程度の作動流体Ｗを流せるかを、マップＡによって抽出するものである。
マップＡは、台上試験にて予め求めたものであるが、横軸に冷却水温度℃、縦軸に作動流体Ｗの流量を表している。
ステップＳ４において、目標作動流体流量Ｍ１を抽出する。
【００２３】
ステップＳ５において冷却水Ｒのエンジン入口温度ＴＢが入力される。
ステップＳ６において、冷却水Ｒのエンジン入口温度ＴＢ≧第２所定値Ｔ２になっているかを判断する。
これは、エバポレータ２１から戻ってきた冷却水温度を検知して、廃熱回収装置２を作動させるか否かを判断する。
尚、本実施形態の場合は、一例として第３所定値Ｔ３は、６５℃として制御したが、エンジン１の形態、性能等により変化することがある。
従って、ステップＳ６において、エンジン入口温度ＴＢ＜第２所定値Ｔ２の場合は、Ｎｏを選択してステップＳ１５に進み、作動流体ポンプ２４の停止状態とする。
ステップＳ６において、冷却水Ｒのエンジン入口温度ＴＢ≧第２所定値Ｔ２になっている場合には、廃熱回収装置２を作動させると判断してステップＳ７に進む。
【００２４】
ステップＳ８において、冷却水Ｒのエンジン入口目標温度ＴＴは予め設定されている。
既述の通り、冷却水Ｒのエンジン入口温度とは、エバポレータ２１の冷却水排出口の冷却水温度である。
エンジン入口目標温度ＴＴは、エンジン１の熱効率を維持し、排ガス浄化を推進するために最適な冷却水温度である。
ステップＳ７において、ステップＳ６のエンジン入口温度ＴＢとステップＳ８のエンジン入口目標温度ＴＴとの差を求める。温度差ΔＴ＝ＴＢ−ＴＴ
求められた温度差ΔＴ×指定値Ｋ＝目標作動流体流量Ｍ２を算出する。
これは、エンジン１の冷却水回路のラジエータ流出管１２ｂに戻ってきた冷却水温度がエンジン１の熱効率を確保できる温度より高く、更にエネルギー回収が可能であるとして、作動流体Ｗの増加流量を算出するものである。
【００２５】
指定値Ｋとは、温度差に基づいて作動流体Ｗが熱交換できる熱量が多くなるのに伴い、作動流体Ｗをエバポレータ２１内に流す流量を増加させることで、効果的なエネルギー回収を可能とする補正値である。
ステップＳ９において、目標作動流体流量Ｍ２として算出する。
ステップＳ１０において、Ｍ１＋Ｍ２＝目標作動流体流量Ｍ３を算出する。
【００２６】
更に、ステップＳ２１において、エンジン１の稼働状況、即ち回転数Ｎｒｐｍが入力される。
ステップＳ２２において、エンジン１が停止０の場合には、Ｎｏを選択して、ステップＳ１５に進み、作動流体ポンプ２４は停止中する。
ステップＳ２２において、エンジン回転数Ｎｒｐｍ＞０の場合、即ち、エンジン１が稼働している場合はＹｅｓを選択して、ステップＳ２３に進む。
ステップＳ２３は、エンジン回転数Ｎｒｐｍ（エンジン負荷）によって、作動流体Ｗの流量を変えるためである。
即ち、エンジン回転数Ｎｒｐｍによって、図示省略の冷却水路の冷却水Ｒを循環させるエンジン１の冷却水ポンプの回転数が変化するため、エバポレータ２１に流れ込む冷却水Ｒによってもたらす熱量が変化する。
そのため、冷却水から効率よく熱エネルギーを回収するため、エンジン回転数Ｎに応じて作動流体流量を変える必要がある。
【００２７】
ステップＳ２３はそのための補正係数Ｇの抽出用のマップＢで、試験装置にて実施したデータから求めたものである。
該マップＢは、横軸にエンジン回転数Ｎ、縦軸に目標流量係数Ｇを表したものである。
ステップＳ２４にて、作動流体Ｗの目標流量係数Ｇを抽出する。
これは、アイドリング時等の低回転条件の場合には、エンジン回転数に応じて一定の作動流体Ｗの流量を確保することにより、廃熱回収が可能となり、総廃熱回収量増大が可能となる。
従って、ステップＳ２３のマップＢにおいては、アイドリング状態時の作動流体Ｗの目標流量係数Ｇは、Ｇｉとなる。
【００２８】
ステップＳ１１において、最終目標作動流体流量Ｍ＝目標作動流体流量Ｍ３×目標流量係数Ｇを算出する。
ステップＳ１２において、制御装置３は、循環路２９内を流れる作動流体Ｗが最終目標作動流体流量Ｍになるように作動流体ポンプ２４を駆動する。
ステップＳ１３にてリターンする。
このようにして作動流体Ｗの流量制御が実施される。
【００２９】
一方、作動流体Ｗの循環路２９に配設された第１コンデンサ２５の制御について説明する。
ステップＳ２１において、エンジン１の稼働状況、即ち回転数Ｎｒｐｍが入力される。
ステップＳ２２において、エンジン１が停止０の場合には、Ｎｏを選択して、ステップＳ１５に進み、作動流体ポンプ２４は停止中する。
ステップＳ２２において、エンジン回転数Ｎｒｐｍ＞０の場合、即ち、エンジン１が稼働している場合はＹｅｓを選択して、ステップＳ２５に進む。
ステップＳ２５においてエンジン１が稼働している間、コンデンサ２５には作動流体が流れるようになっている。
従って、ステップＳ２６では、第１コンデンサ２５に導入された作動流体Ｗを冷却するため、コンデンサ２５に外気を送風するコンデンサファン２７をエンジン１の稼働状況（回転数Ｎｒｐｍ）に応じて回転制御するマップＣである。
【００３０】
マップＣは、コンデンサ２５に外気を送風して冷却するためコンデンサファン目標回転数Ｎｆ１を抽出するもので、横軸にエンジン回転数Ｎ、縦軸に第１コンデンサファン２７の目標回転数Ｎｆ１を示している。
ステップＳ２７において、第１コンデンサファン目標回転数Ｎｆ１を抽出する。
ステップＳ２８にて、第１コンデンサファン２７を作動し、ステップＳ１３でリターンする。
【００３１】
このようにすることで、走行時に応じた廃熱回収の最適作動流体流量制御により、最大廃熱回収が可能になると共に、作動流体ポンプ２４の消費動力の低減が可能となる。
更に、走行時のエンジン１の回転数と連動してコンデンサファン２７の駆動制御を行うことで、コンデンサファン２７の消費負荷低減が可能となり膨張機２２のＮＥＴ出力向上が図れる。
また、冷却水のエンジン入口温度が第２所定値以下の場合は、廃熱回収装置２の運転を停止することで、エンジン１のオーバクールを防止して、エンジン１の熱効率を確保すると共に、排ガス浄化装置１６、１７への悪い影響を与えることを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
ランキンサイクルを利用した内燃機関の廃熱回収装置に利用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１        エンジン（内燃機関）
２        廃熱回収装置
３        制御装置
５        バルブ開閉機構
１１      エンジン本体
１２      ラジエータ
１２ａ    ラジエータ導入管（冷却水路）
１２ｂ    ラジエータ流出管（冷却水路）
２１      エバポレータ
２２      膨張機
２３      コンデンサ経路切換弁
２４      作動流体ポンプ
２５      コンデンサ
２７      コンデンサファン
２９      循環路
Ｒ        冷却液
Ｗ        作動流体
Ｔ１      第１所定温度（第１所定値）
Ｔ２      第２所定温度（第２所定値）
【図１】
2015059425.tif 000003
【図２】
2015059425.tif 000004