(57)【要約】【課題】本発明は、エンジンの冷却性を損なうことなく、効率的な廃熱回収を行うことを課題とする。【解決手段】廃熱回収装置１が備える冷媒経路３のエンジンの上流側には貯留タンク１５、第１ポンプ４、第１三方弁５が配置される。第１三方弁５は、冷媒経路３から分岐して第１ポンプ４から吐出された冷媒を貯留タンク１５へ戻す第１リリーフ経路２０とともに第１リリーフ回路を形成する。エンジン本体２ａの下流側には、エンジン本体２ａに近い側から順に、第２ポンプ６、第２三方弁７、蒸発器８、過熱器９、動力回生部１０、凝縮器１４が配置される。エンジン本体２ａから引き出された排気管１６は、過熱器９、蒸発器８の順に接続される。第２三方弁７は、冷媒経路３から分岐して第２ポンプ６から吐出された冷媒をエンジン本体２ａの上流側へ戻す第２リリーフ経路２２とともに第２リリーフ回路を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン内に形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒と、
当該冷媒が蒸気化する蒸気発生部と、
前記冷媒の蒸気によって駆動される動力回生部と、
蒸気発生検知手段と、
当該蒸気発生検知手段の検知結果に基づいて、前記蒸気発生部への冷媒供給量を制御する冷媒供給量制御手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記冷媒をエンジン内に供給する第１ポンプと、
エンジン温度取得手段と、
当該エンジン温度取得手段によって取得されたエンジン温度に基づいて、前記第１ポンプから吐出された冷媒を当該第１ポンプの上流側へ戻す第１リリーフ回路と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記冷媒を貯留する貯留タンクと、
当該貯留タンク内の冷媒をエンジン内に供給する第１ポンプと、
エンジン温度取得手段と、
当該エンジン温度取得手段によって取得されたエンジン温度に基づいて、前記第１ポンプから吐出された冷媒を当該第１ポンプの上流側へ戻す第１リリーフ回路と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記蒸気発生部は、エンジンの排気ガスの熱によって前記冷媒を蒸発させる蒸発器であり、
前記エンジンと前記蒸発器との間に前記蒸発器へ冷媒を供給する第２ポンプを備え、
前記冷媒供給量制御手段は、前記第２ポンプから吐出された冷媒を前記エンジンの上流側へ戻す第２リリーフ回路であることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項５】
エンジン内に形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒と、
当該冷媒が蒸気化する蒸気発生部と、
前記冷媒の蒸気によって駆動される動力回生部と、
前記冷媒をエンジン内に供給する第１ポンプと、
エンジン温度取得手段と、
当該エンジン温度取得手段によって取得されたエンジン温度に基づいて、前記第１ポンプから吐出された冷媒を当該第１ポンプの上流側へ戻す第１リリーフ回路と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにおける廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して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、エンジンを冷却する際に、エンジンと熱交換をして蒸発した冷媒、すなわち、エンジンにおける廃熱を吸収して蒸発した冷媒を、さらに、エンジンから排出される排気により過熱して高温化するものがある。このような廃熱回収手段は、高温化した気相冷媒により膨張機を駆動して、気相冷媒の持つエネルギを電気エネルギ等に変換して、エンジンで発生する廃熱のエネルギを回収することができる。こうしてエネルギが回収された気相冷媒は、凝縮器において液化される。凝縮器で液化された冷媒は、エンジン内へ導入され、再度、廃熱を得て蒸発し、廃熱の回収に寄与することとなる。このような構成を採用して廃熱回収を行う内燃機関が、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示された構成を含め、冷媒の循環にはポンプを用いるのが一般的である。ランキンサイクルを形成する蒸気は圧力が高いほど、効率が向上する。このため、ポンプの吐出圧を高めれば、ランキンサイクルの効率を向上させることが可能となる。しかしながら、ポンプの吐出圧を高めると、冷媒の吐出量が増加してしまい、却ってランキンサイクルによる廃熱回収効率を低下させてしまうおそれがある。例えば、蒸気発生部に供給される液体の冷媒の量がその時点での発熱量と比較して多すぎると蒸気が発生しないことから、ランキンサイクルが成立せず、廃熱回収が行えないことが想定される。このように、ポンプによる冷媒供給では、必要とされる冷媒の圧力と、供給量との両立が困難となることが想定される。
【０００５】
そこで、本発明は、エンジンの冷却性を損なうことなく、効率的な廃熱回収を行うことを課題とする。
【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の、本発明の廃熱回収装置は、エンジン内に形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒と、当該冷媒が蒸気化する蒸気発生部と、前記冷媒の蒸気によって駆動される動力回生部と、蒸気発生検知手段と、当該蒸気発生検知手段の検知結果に基づいて、前記蒸気発生部への冷媒供給量を制御する冷媒供給量制御手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、冷媒の状態が蒸気を発生することができる状態となっていないときは、蒸気発生部への冷媒供給量を抑制する。一方、蒸気発生部において蒸気を発生させることができるときに冷媒を供給することにより、廃熱を効率的に回収することができる。
【０００７】
このような廃熱回収装置では、前記冷媒をエンジン内に供給する第１ポンプと、エンジン温度取得手段と、当該エンジン温度取得手段によって取得されたエンジン温度に基づいて、前記第１ポンプから吐出された冷媒を当該第１ポンプの上流側へ戻す第１リリーフ回路と、を備えた構成とすることができる（請求項２）。ここで、エンジン温度とは、例えば、シリンダブロックの壁温等である。エンジンを適切に冷却するためにエンジンに形成されたウォータジャケットへ導入する冷却水の量を調整するために参酌される値である。エンジンの熱的信頼性を評価することができる値であれば、シリンダブロックの壁温以外の値を採用することもできる。エンジンの状態から、それ以上の冷媒をウォータジャケットへ導入すると過冷却となるおそれがあるときなどは第１リリーフ回路を通じて冷却水のウォータジャケットへ導入を抑制する。
【０００８】
このように、エンジンに導入する冷媒の量を調節する構成とした場合、エンジン内に導入されない冷媒を貯留しておくバッファ領域が存在していると都合がよい。そこで、冷媒を貯留する貯留タンクを備え、エンジン温度取得手段によって取得されたエンジン温度に基づいて、前記第１ポンプから吐出された冷媒を当該第１ポンプの上流側へ戻す第１リリーフ回路を備えた構成とすることが望ましい（請求項３）。
【０００９】
このような廃熱回収装置における、前記蒸気発生部は、エンジンの排気ガスの熱によって前記冷媒を蒸発させる蒸発器であり、前記エンジンと前記蒸発器との間に前記蒸発器へ冷媒を供給する第２ポンプを備え、前記冷媒供給量制御手段は、前記第２ポンプから吐出された冷媒を前記エンジンの上流側へ戻す第２リリーフ回路である構成とすることができる（請求項４）。蒸発器は、エンジンの本体とは別個に備えられる。このような構成とすることにより冷媒の蒸気化が困難と判断される状況で蒸発器へ冷媒が導入されることを回避することができる。蒸発器に冷媒を導入したにもかかわらず蒸気を発生させることができないと、有効な廃熱回収を行うことができない。例えば、蒸発器に導入される冷媒の飽和蒸気温度、蒸発器に導入される排気ガスの温度から、有効に蒸気を発生させることが困難であると判断されるときに、第２リリーフ回路を通じて冷媒をリリーフする。その後、冷媒を蒸気化することができる条件を満たしたときに冷媒を蒸発器に導入すれば、効率的な廃熱の回収を行うことができる。
【００１０】
なお、エンジン内への冷媒の導入を調節するのみの構成であっても、廃熱回収の効率を向上させることができる。すなわち、エンジン内に形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒と、当該冷媒が蒸気化する蒸気発生部と、前記冷媒の蒸気によって駆動される動力回生部と、前記冷媒をエンジン内に供給する第１ポンプと、エンジン温度取得手段と、当該エンジン温度取得手段によって取得されたエンジン温度に基づいて、前記第１ポンプから吐出された冷媒を当該第１ポンプの上流側へ戻す第１リリーフ回路と、を備えた廃熱回収装置とすることもできる（請求項５）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の廃熱回収装置によれば、エンジンや蒸気発生部の状態に応じてポンプから吐出された冷媒をリリーフするようにしたので、ポンプの吐出圧を向上させたときであっても冷媒の過剰供給を回避し、廃熱の効率的な回収を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施例の廃熱回収装置１をエンジン本体２ａに組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。
【００１４】
エンジン本体２ａ内にはウォータジャケットが形成されており、ウォータジャケット内を冷却水である冷媒が循環する。廃熱回収装置１は冷媒が流通する冷媒経路３を備えている。この冷媒経路３のエンジン本体２ａの上流側には冷媒を貯留する貯留タンク１５が配置され、貯留タンク１５とエンジン本体２ａとの間に貯留タンク１５内の冷媒をエンジン本体２ａ内へ供給する第１ポンプ４が配置されている。また、第１ポンプ４とエンジン本体２ａとの間には第１三方弁５が配置されている。
【００１５】
第１三方弁５は、冷媒経路３から分岐して第１ポンプ４から吐出された冷媒を貯留タンク１５へ戻す第１リリーフ経路２０とともに本発明における第１リリーフ回路を形成している。第１リリーフ経路２０には、逆止弁２１が装着されている。第１三方弁５は、ＥＣＵ（Electronic  control  unit）２６と電気的に接続されている。
【００１６】
エンジン本体２ａの下流側の冷媒経路３には、エンジン本体２ａに近い側から順に、第２ポンプ６、第２三方弁７、本発明における蒸気発生部に相当する蒸発器８、過熱器９、動力回生部１０、凝縮器１４が配置されている。凝縮器１４の下流には上述の貯留タンク１５が設置されている。また、エンジン本体２ａからは、排気ポートから排出された排気ガスが流通する排気管１６が引き出されており、過熱器９、蒸発器８の順に接続されている。
【００１７】
第２ポンプ６は、エンジン本体２ａ内から冷媒を吸い上げ、蒸発器８へ供給している。蒸発器８では、排気管１６中を流通する排気ガスから熱を得て、冷媒を蒸気化させる。第２三方弁７は、冷媒経路３から分岐して第２ポンプ６から吐出された冷媒をエンジン本体２ａの上流側へ戻す第２リリーフ経路２２とともに本発明における第２リリーフ回路を形成している。第２リリーフ経路２０には、逆止弁２３が装着されている。第２三方弁７は、ＥＣＵ２６と電気的に接続されており、第２リリーフ回路は、本発明における冷媒供給量制御手段を構成している。
【００１８】
過熱器９は、排気管１６中の排気ガスから熱を回収し、冷媒通路３内を通じる蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。
【００１９】
動力回生部１０には、タービン１１と、このタービン１１と軸を共通にする発電機１２とが含まれる。すなわち、冷媒経路３を流通する冷媒の蒸気によってタービン１１を駆動し、発電機１２によってエンジンの廃熱を、電気エネルギをして回収する。回収された電気は、発電機１２と接続された蓄電装置１３に蓄えられる。
【００２０】
エンジン本体２ａには、シリンダブロックの壁温を測定する第１温度センサ１７が設置されている。また、蒸発器８には、導入される冷媒の圧力Ｐ１を測定する圧力センサ１８が設置されている。さらに、排気管１６の蒸発器８の上流側には蒸発器８へ導入される排気ガスの温度を測定する第２温度センサ１９が設置されている。これらの第１温度センサ１７、圧力センサ１８、第２温度センサ１９は、それぞれＥＣＵ２６に電気的に接続されている。第１温度センサ１７は、本発明におけるエンジン温度取得手段に相当し、圧力センサ１８と、第２温度センサ１９は、本発明における蒸気発生検知手段の一部を形成している。すなわち、圧力センサ１８により取得された圧力Ｐ１からその圧力Ｐ１における飽和温度Ｔ２Ｘを算出する。算出された飽和温度Ｔ２Ｘと第２温度センサ１９により取得した排気ガスの温度とを比較して、蒸発器８において冷媒が蒸気化することができるか否かの判断を行う。この判断に関する演算はＥＣＵ２６によって行われる。
【００２１】
以上のように構成される廃熱回収装置１の動作及び制御につき、図面を参照しつつ説明する。図２は、ＥＣＵ２６が行う制御の一例を示すフロー図である。まず、ＥＣＵ２６は、ステップＳ１において、エンジン２が始動状態にあることを確認し、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、自らが内蔵するカウンタによりＴ秒をカウントする。これは、図２に示した一連の制御をＴ秒毎に行うための措置である。ＥＣＵ２６は、Ｔ秒カウントした後、ステップＳ３の処理を行う。ステップＳ３では、エンジン本体２ａに貯留タンク１５内の冷媒を導入するか否かの判断を行う。具体的には第１温度センサ１７により取得したシリンダブロックの壁温Ｔ１が予め閾値として定めた温度Ｔ１Ｘ以上となっているか否かの判断を行う。この温度Ｔ１Ｘは、エンジン本体２ａにさらに冷媒を導入しても、過冷却となることがないと判断することができる値として設定されている。壁温Ｔ１が温度Ｔ１Ｘ以上であるときはステップＳ４へ進む。ステップＳ４へ進んだ場合は、後に詳述するように第１リリーフ弁５における冷媒のリリーフは行われず、第１ポンプ４が吐出する冷媒はエンジン本体２ａへ供給される（ステップＳ５、ステップＳ６）。供給された冷媒はエンジン本体２ａにおいて昇温する。一方、壁温Ｔ１が温度Ｔ１Ｘよりも低いときはステップＳ７へ進む。ステップＳ４へ進んだ場合は、後に詳述するように第１リリーフ弁５における冷媒のリリーフが行われる（ステップＳ８、ステップＳ９）。これにより、第１ポンプ４が吐出する冷媒のエンジン本体２ａへの供給が回避される。この結果、エンジン本体２ａは過度に冷却されることがない。すなわち、エンジン本体２ａの熱的信頼性が確保される範囲内で冷媒の量を減らすことができ、蒸気化し易い状態を創り出すことができる。
【００２２】
ＥＣＵ２６は、ステップＳ３において、ＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、蒸発器１９へ導入される排気ガスの温度Ｔ２が蒸発器８に導入される冷媒の圧力Ｐ１における飽和温度Ｔ２Ｘ以上であるか否かの判断を行う。この飽和温度Ｔ２Ｘは、第２ポンプ６によって圧送される冷媒の状態によって変化する値である。このステップＳ４においてＹＥＳと判断したときはステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、図３に示すように、第１リリーフ弁５、第２リリーフ弁７ともにリリーフを行わない制御とする。従って、貯留タンク１５内の液体の冷媒が第１ポンプ４によってエンジン本体２ａへ導入され、エンジン本体２ａで昇温した冷媒が第２ポンプ６で吸い上げられて蒸発器８へ導入される。蒸発器８へ導入された冷媒は、排気ガスの熱により蒸気化する。蒸気化した冷媒は過熱器９へ送られてさらに熱を得る。過熱器９で熱を得て質が高められた冷媒の蒸気はタービン１１を駆動する。これにより発電機１２が作動してエンジンの廃熱が電気エネルギとして回収される。タービン１１を駆動した後の蒸気状の冷媒は凝縮器１４へ送られる。凝縮器１４へ送られた冷媒は液体に戻され貯留タンク１５へ流入して貯留される。
【００２３】
一方、ステップＳ４においてＮＯと判断したときは、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、図４に示すように、第１リリーフ弁５のリリーフを行わず、第２リリーフ弁７のリリーフを行う制御とする。従って、第１ポンプ４によってエンジン本体２ａへ導入された冷媒は、第２ポンプ６で吸い上げられた後、第２リリーフ経路２２を通じ、図面中矢示２５で示すようにエンジン本体２ａの上流側に戻される。エンジン本体２ａに戻された冷媒はエンジン本体２ａにおいて再び昇温され、第２ポンプ６によって吸い上げられることになる。
【００２４】
ＥＣＵ２６は、ステップＳ３において、ＮＯと判断したときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、蒸発器８へ導入される排気ガスの温度Ｔ２が蒸発器８に導入される冷媒の圧力Ｐ１における飽和温度Ｔ２Ｘ以上であるか否かの判断を行う。すなわち、ステップＳ４と同様の判断を行う。このステップＳ７においてＹＥＳと判断したときはステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、図５に示すように、第１リリーフ弁５のリリーフを行い、第２リリーフ弁７のリリーフを行わない制御とする。従って、第１ポンプ４によって貯留タンク１５内から吸引された冷媒は、第１リリーフ経路２０を通じ図面中矢示２４で示すように貯留タンク１５内へ戻される。これにより、エンジン本体２ａの過度の冷却が回避される。一方、すでにエンジン本体２ａ内に導入されている冷媒は第２ポンプ６で吸い上げられて蒸発器８へ導入される。蒸発器８へ導入された冷媒は、排気ガスの熱により蒸気化する。蒸気化した冷媒は過熱器９、タービン１１と送られて廃熱回収に供される。
【００２５】
一方、ステップＳ７においてＮＯと判断したときは、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、図６に示すように、第１リリーフ弁５のリリーフを行わず、第２リリーフ弁７のリリーフを行う制御とする。従って、エンジン本体２ａへ新たな冷媒が導入されることがなく、また、蒸発器８にも冷媒が供給されることがない。このような状態は、例えば、冷間始動直後の状態である。第１リリーフ弁５がリリーフ状態となることにより、エンジン本体２ａには、外部からの冷媒の導入がないことから、熱容量が増加することがない。また、外部への冷媒の流出がない。これらのことから、エンジン本体２ａにおける熱の浪費を抑制することができる。また、エンジン本体２ａの早期暖機完了にも繋がる。また、第２リリーフ弁７がリリーフ状態となることにより、蒸気発生可能な状態となっていない蒸発器８への冷媒導入が回避される。これにより、効率的な廃熱回収を行うことができる。
【００２６】
以上説明したステップＳ５乃至ステップＳ９の処理の後は、いずれも、リターンとなる。そして、再び、ステップＳ２においてＴ秒間のカウントが行われる。すなわち、廃熱回収装置１の制御は、Ｔ秒間隔で繰返し行われる。これにより、各部の状態は、エンジン本体２ａの冷却、廃熱回収の観点から適正な範囲に収束していく。
【００２７】
以上説明したように本発明の廃熱回収装置は、冷媒導入先の状態によって、冷媒の導入が制御される。これにより、効率的なエンジンの冷却、廃熱の回収を行うことができる。このとき、ポンプの駆動を制御するのみでは、供給される冷媒の圧力と供給量との両立が困難であるが、本発明によれば、過剰な冷媒はリリーフするようにしたので、冷媒の圧力の向上と、適正な冷媒供給量とを両立することができる。
【００２８】
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。例えば、第１リリーフ弁５、第２リリーフ弁７はいずれも冷媒をリリーフさせる状態、リリーフさせない状態を完全に切り替える構成としているが、これらを開度調整可能なリリーフ弁に置き換えることもできる。開度調整可能なリリーフ弁とすることにより、より緻密な制御を行うことができる。さらに、図７に示すような構成とすることもできる。図７に示す廃熱回収装置５０は、図１に示した廃熱回収装置１から貯留タンク１５を取り去った構成となっている。さらに、第１リリーフ弁５１は、開度調整可能な構成としている。このような構成とし、その開度調整を行うことで、壁温Ｔ１を制御し、また、Ｐ１を制御する。これにより、エンジンの冷却、効率的な廃熱回収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】廃熱回収装置をエンジン本体に組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図２】廃熱回収装置の制御の一例を示すフロー図である。
【図３】廃熱回収装置の第１リリーフ弁、第２リリーフ弁をリリーフしない状態としたエンジンを示した説明図である。
【図４】廃熱回収装置の第１リリーフ弁をリリーフしない状態とし、第２リリーフ弁をリリーフする状態としたエンジンを示した説明図である。
【図５】廃熱回収装置の第１リリーフ弁をリリーフし、第２リリーフ弁をリリーフしない状態としたエンジンを示した説明図である。
【図６】廃熱回収装置の第１リリーフ弁、第２リリーフ弁をリリーフする状態としたエンジンを示した説明図である。
【図７】他の実施例の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  廃熱回収装置
２  エンジン
２ａ  エンジン本体
３  冷媒経路
４  第１ポンプ
５  第１リリーフ弁
６  第２ポンプ
７  第２リリーフ弁
８  蒸発器
９  過熱器
１０  動力回生部
１１  タービン
１２  発電機
１３  蓄電装置
１４  凝縮器
１５  貯留タンク
１６  排気管
１７  第１温度センサ
１８  圧力センサ
１９  第２温度センサ
２０  第１リリーフ経路
２２  第２リリーフ経路
２６  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
2009191625.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009191625.tif 000009