JP2017120068A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャ及び廃熱回収装置を備えた車両において、良好なエネルギ回収効率を達成可能な廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】排熱回収装置は、内燃機関２からターボチャージャ８への排気導入量を調整する排気導入量調整部１３を備える。排気導入量調整部１３によって内燃機関２からターボチャージャ８に導入されない排気は第２廃熱回収手段２９に導入され、該排気が有するエネルギは第１廃熱回収手段２６によって電気エネルギとして回収される。
【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の廃熱エネルギを電気エネルギとして回収可能な廃熱回収装置に関する。

エンジンを走行用動力源として搭載する車両では、出力及び燃費性能の向上を目的として過給器を用いるものがある。例えば、特許文献１のように、過給器の一種であるターボチャージャは、排気通路に設けられたタービンと、吸気通路にタービンと連動して駆動されるように設けられたコンプレッサとを備えており、排気によってタービンが駆動されると、吸気通路のコンプレッサが連動して駆動されることで過給が行われる。

このようなターボチャージャにおいては、エンジンからタービンに排気を導入する排気通路において、タービンへの排気流入量を調整するウエストゲートが設けられる場合がある。この種のターボチャージャによれば、タービンが所望の高効率で作動するようにタービンが受ける排気流量を調整することができる。

一方、車両に搭載されるエンジンの廃熱回収装置として、ランキンサイクルを利用したものが知られている。ランキンサイクルでは、循環する作動流体をエンジンの廃熱で加熱し、該加熱された作動流体により膨張機を駆動することで、エンジンの廃熱エネルギを回収することができる。膨張機で仕事を終えた作動流体は凝縮器によって凝縮された後、繰り返し使用される。

特開２０１５−１６１２６７号公報

ウエストゲートを備えるターボチャージャでは、所望の良好なタービン効率を得るために、エンジンの排気の一部がタービンを通ることなく、ウエストゲートを介して排出される。このような排気は、ターボチャージャのタービン駆動に寄与しないだけでなく、高温の熱エネルギを有したまま排出されるため、車両のエネルギ効率を低下させる要因となり得る。

本発明の少なくとも１の実施形態は上述の問題点に鑑みなされたものであり、ウエストゲートを有するターボチャージャ及び廃熱回収装置を備えた車両において、所望のタービン効率を得つつ、良好なエネルギ回収効率を達成可能な廃熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも１実施形態に係る廃熱回収装置は上記課題を解決するために、内燃機関の廃熱エネルギを電気エネルギとして回収する第１廃熱回収手段と、前記内燃機関の排気エネルギを利用して、前記内燃機関の吸気を過給するターボチャージャと、前記内燃機関から前記ターボチャージャへの排気経路に設けられ、前記ターボチャージャに導入される排気導入量を調整する排気導入量調整部と、前記内燃機関の排気エネルギに基づき、前記ターボチャージャの作動効率が所定効率以上となるように、前記排気導入量調整部を制御する制御手段と、前記排気導入量調整部によって前記ターボチャージャへ導入されない排気エネルギを、前記第１廃熱回収手段に導入することにより電気エネルギとして回収する第２廃熱回収手段と、を備える。

上記構成によれば、排気導入量調整部を制御することによってターボチャージャへの排気導入量が調整されることにより、ターボチャージャの作動効率が所定効率以上に確保される。その際、ターボチャージャへ導入されない排気は、第２廃熱回収手段によって第１廃熱回収手段に導入されることにより、該排気に含まれる廃熱エネルギは電気エネルギとして回収される。このように、ターボチャージャのタービン駆動に寄与しない排気から廃熱エネルギを回収することが可能となるので、良好なエネルギ回収効率を達成することができる。

本発明の少なくとも１実施形態に係る廃熱回収装置において、前記ターボチャージャのタービンの回転数を検出する回転数検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記回転数検出手段の検出結果に基づき、前記タービンの回転数が所定の回転数上限値を超えないように、前記排気導入量調整部を制御してもよい。

一般的に、ターボチャージャのタービン回転数が所定のピーク値を超えて作動させた場合、タービンの過渡応答性低下の要因となり、長期的にはタービンの機械的耐久性の低下を招く。しかしながら、上記構成によれば、排気導入量調整部を制御することによってターボチャージャへの排気導入量が調整されることにより、タービンの回転数が所定の回転数上限値（ピーク値）を超えないように制御される。これにより、タービン駆動において過剰な回転数を与える排気から廃熱エネルギを回収することが可能となるので、良好なエネルギ回収効率を達成しつつ、タービンの過渡応答性と機械的耐久性の低下を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係る車両用冷却装置の全体構成を示す模式図である。 図１のコントローラで実施される制御内容を工程毎に示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の一実施形態に係る車両用冷却装置の全体構成を示す模式図である。
車両１は走行用動力源としてエンジン２を備える。エンジン２は化石燃料の燃焼によって動力を出力可能な内燃機関であり、図１では、エンジン２として４シリンダディーゼルエンジンが例示されている。エンジン２は、外気を吸気通路４から取り込んで不図示の燃料噴射装置から供給される燃料と混合して燃焼を行った後、排気通路６から排気を外部に排出する。

エンジン２には、出力向上を目的としてターボチャージャ８が搭載されている。ターボチャージャ８は、吸気通路４に設けられたコンプレッサ１０と、排気通路６に設けられたタービン１２とを備える。エンジン２の排気によってタービン１２が駆動されると、コンプレッサ１０がタービン１２と連動して駆動することにより、吸気通路４にて過給が行われる。
尚、吸気通路４のうちコンプレッサ１０の下流側には、コンプレッサ１０によって過給された高温の吸気を冷却するためのインタークーラ１４が設けられている。

排気通路６には、エンジン２からターボチャージャ８への排気導入量を調整するための排気導入量調整部１３が設けられている。排気導入量調整部１３は、排気通路６のうちタービン１２の上流側と下流側とをバイパスするように設けられた排気バイパス路１５と、排気通路６のうちタービン１２の上流側と該排気バイパス路１５とを連結するように設けられ、開度調整可能なウエストゲートバルブ１７と、を備える。ウエストゲートバルブ１７は、その開度に応じて排気通路６から排気バイパス路１５への排気導入量を調整可能なウエストゲートとして機能可能に構成されたバルブ機構である。

エンジン２は冷却用の冷媒（冷却水）を循環供給するための冷却水回路１６を備える。冷却水回路１６には、冷却水を圧送するための冷却水ポンプ１８と、エンジン２から廃熱エネルギを受け取ることによって昇温された高温の冷却水を外気と熱交換するラジエータ２０と、が設けられている。ラジエータ２０は車両前方側に配置され、走行時に前方から受ける走行風によって熱交換が促進されるように構成されている。

ラジエータ２０に導入される外気量は、上述した走行風の他に、エンジン２の動力の一部を利用して駆動可能なラジエータファン２２によって可変に構成されている。ラジエータファン２２の駆動状態はアクティブ制御されており、例えば冷却水回路１６を流れる冷却水温度が予め設定された適切な温度範囲になるように制御される。

冷却水回路１６のうち冷却水ポンプ１８の入口近傍とラジエータ２０の出口近傍との間には、冷却水回路１６に並行するようにバイパス回路２４が分岐している。バイパス回路２４にはラジエータ２０で冷却される前の高温の冷却水が冷却水回路１６から分岐して流れ込み、ランキンサイクル回路（第１廃熱回収手段）２６を構成する第１の蒸発器２８に導かれる。第１の蒸発器２８は、バイパス回路２４を流れる冷却水とランキンサイクル回路２６を流れる作動流体との間で熱交換可能に構成された熱交換器であり、高温の冷却水によってランキンサイクル回路２６を流れる作動流体が加熱される（言い換えると、冷却水に含まれるエンジン２の廃熱エネルギがランキンサイクル回路２６に回収される）。

ランキンサイクル回路２６の作動流体が流れる主流路２７上において、第１の蒸発器２８の下流側には、排気バイパス路１５を流れる排気とランキンサイクル回路２６を流れる作動流体との間で熱交換可能に構成された第２の蒸発器２９が設けられている。第２の蒸発器２９は、排気バイパス路１５を流れる排気が有するエンジン２の廃熱エネルギを作動流体に取り込み、後述するように電気エネルギとして回収する第２廃熱回収手段の一部として機能する。すなわち、第１の蒸発器２８によって昇温された作動流体は、下流側に設けられた第２の蒸発器２９に導入されることにより、ウエストゲートバルブ１７から排出される高温の排気と熱交換することにより更に昇温されることとなる。

尚、第１の蒸発器２８で作動流体と熱交換する冷却水と、第２の蒸発器２９で作動流体と熱交換する排気とは、一般的に温度レンジが異なる。そのため、図１に示すように、第１の蒸発器２８と第２の蒸発器２９は互いに別々の熱交換器として独立的に構成されていてもよい。また、第２の蒸発器２９では、ウエストゲートバルブ１７が開いた際に比較的短期間に限って排気導入がなされるため、冷却水が継続的に循環する第１の蒸発器２８に比べて熱交換率が高くなるように構成されていてもよい。

尚、図１では第１の蒸発器２８の下流側に第２の蒸発器２９が設けられたレイアウトが例示されているが、仕様に応じて第１の蒸発器２８の上流側に第２の蒸発器２９を設けてもよいし、主流路２７に対して第１の蒸発器２８及び第２の蒸発器２９を並列に設けてもよい。

ランキンサイクル回路２６は、作動流体が流れる主流路２７上に第１の蒸発器２８、第２の蒸発器２９、膨張機３０、凝縮器３２及びポンプ３４を備える構成を有している。ランキンサイクル回路２６を流れる作動流体は、上述したように第１の蒸発器２８及び第２の蒸発器２９で加熱されることにより蒸発（気化）させられる。その後、作動流体は膨張機３０によって膨張される。このとき膨張機３０では、作動流体の膨張による仕事によってタービン（不図示）が駆動される。これにより、冷却水から作動流体が受け取った廃熱エネルギが機械的エネルギに変換されることとなる。

膨張機３０から出力される機械的エネルギは、タービンの回転軸３６に連結された発電機３８に伝達される。発電機３８では、受け取った機械的エネルギによって発電が行われ、発生した電力は車内の電力需要に応じて、各種電気負荷或いは蓄電用のバッテリに供給される。本実施形態では特に、ランキンサイクル回路２６の作動流体には、第１の蒸発器２８で冷却水から回収した熱エネルギに加え、第２の蒸発器２９で排気バイパス路１５を流れる排気から回収した熱エネルギも含まれるため、より多くの発電がなされることとなる。

膨張機３０で仕事を終えた作動流体は、凝縮器３２によって凝縮（液化）された後、ポンプ３４によって圧送されることにより再び第１の蒸発器２８に戻され、繰り返し使用される。

排気通路６のうちタービン１２の上流側及び下流側には、排気圧力を検知するための圧力センサ４０，４２がそれぞれ設けられている。またタービン１２には、該タービン１２の回転数Ｎを検知するための回転数センサ４４が設けられている。

コントローラ５０は、上記構成を有する車両用冷却装置の制御ユニットであり、例えばＥＣＵのような電子演算機からなる。本実施形態では特に、コントローラ５０は上記センサ類からの検知信号に基づいて演算処理を行い、その処理結果に応じてウエストゲートバルブ１７の開度を調整することにより、タービン１２への排気導入量を調整するとともに、第２の蒸発器（第２廃熱回収手段）２９における廃熱回収を制御する。このような制御に関するコントローラ５０の内部構成を機能的に示すと、図１に示されるように、ターボチャージャ８の作動効率を算出する作動効率算出手段５２と、回転数センサ４４からターボチャージャ８のタービン１２の回転数を検出する回転数検出手段５３と、作動効率算出手段５２で算出された作動効率に基づいてウエストゲートバルブ１７の開度を制御する制御手段５４と、を備える。

また、制御手段５４は、回転数検出手段５３の検出結果に基づき、タービン１２の回転数が所定の回転数上限値（ピーク値）を超えないように、ウエストゲートバルブ１７の開度を制御することができる。ここで、所定の回転数上限値（ピーク値）は、タービンの仕様により過渡応答性や耐久性を考慮して事前に設定された上限値である。

ここで図２を参照して、コントローラ５０の制御内容について具体的に説明する。図２は図１のコントローラ５０で実施される制御内容を工程毎に示すフローチャートである。

まずコントローラ５０は、圧力センサ４０，４２からタービン１２の上流側及び下流側の圧力Ｐ１，Ｐ２を取得するとともに、回転数センサ４４からタービン１２の回転数Ｎを取得する（ステップＳ１）。続いて作動効率算出手段５２は、ステップＳ１で取得した検知値に基づいてターボチャージャ８の作動効率Ｅを算出し（ステップＳ２）、算出された作動効率Ｅが所望の効率であるか否かを判定する（ステップＳ３）。

作動効率Ｅが所望の効率でない場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御手段５４はウエストゲートバルブ１７の開度を調整（増加または減少）するように制御する（ステップＳ４）。これにより、ターボチャージャ８の作動効率が所望の効率となるように調整される。

第２の蒸発器２９を通過した排気は、作動流体との熱交換によって温度が低下し、タービン１２より下流側の排気通路６に戻される。このようにウエストゲートバルブ１７を介して排出される排気に含まれる廃熱エネルギは、ランキンサイクル回路２６に回収され、電気エネルギに変換されることとなる。

このとき第２の蒸発器２９へ排気を導入するウエストゲートバルブ１７の開度をターボチャージャ８の作動効率Ｅが最適となるように調整することから、ウエストゲートバルブ１７が第２の蒸発器２９へ排気を導入しない場合と比して、ランキンサイクル回路２６による廃熱回収量も増加させつつ、ターボチャージャ８の作動効率を最適化することができる。
尚、排気バイパス路１５から排気通路６に戻される排気の温度は、更に下流側に配置された排気浄化装置（不図示）で要求される温度以上になるように制御されてもよい。

一方、作動効率Ｅが所望の効率である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御手段５４はウエストゲートバルブ１７の開度を調整する必要はないため、次のステップに進む。

次に、コントローラ５０は、回転数センサ４４からタービン１２の回転数Ｎを取得して、回転数Ｎが所定の回転数上限値（ピーク値）以上か否か判定する（ステップＳ５）。
回転数Ｎが所定の回転数上限値（ピーク値）以上である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、制御手段５４はウエストゲートバルブ１７の開度が増加するように制御する（ステップＳ６）。これにより、ターボチャージャ８の回転数Ｎがピーク値未満となるように調整される。

このときターボチャージャ８の回転数がピーク値未満となるように第２の蒸発器２９へ排気を導入するウエストゲートバルブ１７の開度を増加させることから、ランキンサイクル回路２６による廃熱回収量も増加させつつ、ターボチャージャ８の作動回転数を最適化することができる。
一方、回転数Ｎが所定の回転数上限値（ピーク値）未満である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御手段５４はウエストゲートバルブ１７の開度を調整する必要はないため、制御を終了する。

以上説明したように本実施形態によれば、ウエストゲートバルブ１７の制御によってターボチャージャ８への排気導入量を調整することで、ターボチャージャ８の作動効率が所定効率以上になるように良好に確保できる。その一方、ターボチャージャ８へ導入されない排気エネルギは、排気バイパス路１５を介して第２の蒸発器２９に導入されることで、ランキンサイクル回路２６の作動流体と熱交換することにより電気エネルギとして回収され、車両のエネルギ回収効率をより向上させることができる。このようにして、ターボチャージャ８及びランキンサイクル回路２６を備えた車両において、良好なエネルギ回収効率を達成可能な廃熱回収装置を提供できる。

１ 車両
２ エンジン
４ 吸気通路
６ 排気通路
８ 過給器
１０ コンプレッサ
１２ タービン
１４ インタークーラ
１５ 排気バイパス路
１６ 冷却水回路
１７ ウエストゲートバルブ
１８ 冷却水ポンプ
２０ ラジエータ
２２ ラジエータファン
２４ バイパス回路
２６ ランキンサイクル回路（第１の廃熱回収手段）
２８ 第１の蒸発器
２９ 第２の蒸発器
３０ 膨張機
３２ 凝縮器
３３ ファン
３４ ポンプ
３６ 回転軸
３８ 発電機
４０，４２ 圧力センサ
４４ 回転数センサ
５０ コントローラ
５２ 作動効率算出手段
５３ 回転数検出手段
５４ 制御手段

Claims (2)

1. 内燃機関の廃熱エネルギを電気エネルギとして回収する第１廃熱回収手段と、
   前記内燃機関の排気エネルギを利用して、前記内燃機関の吸気を過給するターボチャージャと、
   前記内燃機関から前記ターボチャージャへの排気経路に設けられ、前記ターボチャージャに導入される排気導入量を調整する排気導入量調整部と、
   前記内燃機関の排気エネルギに基づき、前記ターボチャージャの作動効率が所望の効率となるように、前記排気導入量調整部を制御する制御手段と、
   前記排気導入量調整部によって前記ターボチャージャへ導入されない排気エネルギを、前記第１廃熱回収手段に導入することにより電気エネルギとして回収する第２廃熱回収手段と、
   を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
2. 前記ターボチャージャのタービンの回転数を検出する回転数検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記回転数検出手段の検出結果に基づき、前記タービンの回転数が所定の回転数上限値を超えないように、前記排気導入量調整部を制御することを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
   

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