JP4803103B2

JP4803103B2 - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP4803103B2
Application number: JP2007120215A
Authority: JP
Inventors: 亮道川内; 日出夫小林; 克彦蟻沢; 敏久杉山; 賢一山田; 邦彦林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: JP2008274866A

Description

本発明は、エンジンにおける廃熱を蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。

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ーを電気エネルギー等に変換して、エンジンで発生する廃熱のエネルギーを回収することができる。こうしてエネルギー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。

特開２０００−３４５８３５号公報

このように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は、廃熱によって冷媒を蒸発させて、膨張機へ廃熱を輸送し、廃熱のエネルギーを回収することができる。しかしながら、運転状況によっては、エンジンで発生する廃熱の熱量が減少し、冷媒が蒸発するだけの熱量を得られず、冷媒の蒸発が停止してしまうことが考えられる。特に、冷媒が水などの比熱、潜熱の大きな冷媒である場合、エンジン内へ導入される液相の冷媒が低温であると、この冷媒の温度を上昇させるために廃熱を付与するので、冷媒温度及び壁温が低下し、冷媒の蒸発が一時的に停止してしまい、廃熱からエネルギーが安定して回収できなくなってしまう。また、このように、低温の冷媒が導入されることで、エンジン壁温が急激に変動することが考えられる。

そこで、本発明は、蒸発部における冷媒の蒸発を維持し、熱回収効率を向上させた廃熱回収装置を提供することを課題としている。

かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの内部に形成され、前記エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する蒸発部と、当該蒸発部で蒸発させた冷媒を介して廃熱を回収する動力回収機と、前記蒸発部への導入前の冷媒に廃熱を付与する予熱器と、前記予熱器への導入前の冷媒の温度が、前記予熱器への導入前の排気ガスの温度よりも高温である場合、前記予熱器への廃熱の付与を停止する廃熱付与停止手段と、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、蒸発部へ導入する冷媒は温度が上昇するため、蒸発部において蒸発しやすくなる。これにより、蒸発の一時的停止を減少し、蒸発部内での冷媒の蒸発を継続させることができる。このように冷媒の蒸発が継続されると、膨張機が安定して駆動され、エネルギーを効率よく回収することができる。また、蒸発部における冷却が継続されるので、蒸発部の温度の変動を抑制することができる。そして、予熱器に導入される冷媒の温度が予熱器に導入される排気ガスの温度よりも高いと、冷媒から排気ガスへ熱が移動してしまい、熱回収効率が低下してしまうが、これを抑制することができる。また、予熱器に導入される冷媒の温度が高いと、少量の熱の付与で冷媒が蒸発してしまうことがある。また、予熱器に導入される排気ガスの温度が高いと、冷媒に多くの熱量が付与されて、冷媒が蒸発してしまうことがある。このように、予熱器で冷媒が蒸発してしまうと、蒸発部での熱の蒸発が行われないため、蒸発部の冷却効果が減少する。本発明の廃熱回収装置は、エンジンの内部に形成され、エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する蒸発部と、当該蒸発部で蒸発させた冷媒を介して廃熱を回収する動力回収機と、前記蒸発部への導入前の冷媒に廃熱を付与する予熱器と、前記予熱器内の冷媒の蒸発を抑制する蒸発抑制手段と、を備えた構成とすることができる（請求項２）。このように構成することにより、予熱器内の排気ガスから冷媒への熱の付与を制限し、冷媒が予熱器内で蒸発してしまうことを抑制することができる。

このような廃熱回収装置は、ランキンサイクルを利用して廃熱を回収するので、蒸発部で蒸発した冷媒は、装置内の経路を循環する。このような廃熱回収装置において、前記予熱器は、前記蒸発部と当該蒸発部へ液状の冷媒を圧送するポンプとの間に配置された構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることにより、ポンプの圧送により圧力が上昇した液状の冷媒が、予熱器へ導入される。冷媒は、圧力が上昇すると蒸発する温度が上昇するため、冷媒を蒸発するのに必要な熱量が増加する。これは換言すると、圧力が上昇すると、圧力が上昇する前に比べ、液状の冷媒がより多くの熱量を蓄えることができるということである。このため、予熱器でより多くの熱量を冷媒へ付与することができる。

このような廃熱回収装置は、前記エンジンから排出される排気ガスの廃熱により冷媒を過熱する過熱器を備え、前記予熱器は、前記過熱器を通過した排気ガスの廃熱を冷媒に付与する構成とすることができる（請求項４）。このような構成としたことにより、過熱器で冷媒を過熱した後の排気ガスが有する熱を回収することができる。これにより、廃熱回収装置の熱回収効率を向上させることができる。

本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱によって冷媒を蒸発させる蒸発部と、この蒸発部で蒸発された冷媒を介して廃熱を回収する動力回収機と、蒸発部への導入前の冷媒に廃熱を付与する予熱器とを備えた構成とすることで、蒸発部での継続した蒸発を維持し、熱回収効率を向上させる。

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。

本発明の実施例１について図１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の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１は、エンジン本体２に組み込まれている。エンジン本体２内部には、本発明の蒸発部に相当するウォータジャケット３が形成されている。また、エンジン本体２には、エンジン本体２の燃焼によって発生する排気ガスを外部へ排出する排気管４が取り付けられている。排気管４は分岐点４ａで分岐しており、この分岐点４ａには排気ガスの流れを切り替える三方弁１５が配置されている。

ウォータジャケット３内には、冷媒が封入されており、エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する。このように冷媒が蒸発する際に、冷媒はエンジン本体２から熱を持ち去り、エンジン本体２を冷却する。

廃熱回収装置１は、冷媒の循環する冷媒経路５を備えている。冷媒経路５の一端はウォータジャケット３の流出端部３ａと接続されている。ウォータジャケット３内で蒸発した冷媒は、流出端部３ａから冷媒経路５へ流入する。一方、冷媒経路５の他端はウォータジャケット３の流入端部３ｂと接続されており、冷媒経路５を循環した冷媒が、流入端部３ｂからウォータジャケット３へ流入するように構成されている。すなわち、ウォータジャケット３と冷媒経路５によって、冷媒が循環するループ構造が形成されている。このようなループ構造を形成する冷媒経路５には、ウォータジャケット３の流出端部３ａに近い側から順に過熱器６、タービン７、凝縮器８、ポンプ９、予熱器１０が配置されている。

過熱器６は、導入する冷媒を過熱し、高温化するものである。過熱器６には、排気管４が接続されている。この排気管４は、分岐点４ａよりもエンジン本体２側で過熱器６に接続されている。過熱器６は、排気管４を通過する排気ガスから熱を回収し、冷媒経路５内を通じる蒸気へさらに熱を付与し、廃熱の回収効率を向上させる。

タービン７は、冷媒経路５を通じて流入する高温、高圧の蒸気によって駆動される。また、廃熱回収装置１には、発電機１１が配置されている。このタービン７と発電機１１とは本発明の動力回収機１７に相当する。タービン７と発電機１１とは、共通の駆動軸７ａを備えており、タービン７が駆動されると、駆動軸７ａを通じて、発電機１１へ動力が伝達される。発電機１１は、駆動軸７ａから伝達される動力を電気エネルギーに変換し、回収する。すなわち、動力回収機１７は、蒸発させた冷媒を介してエンジンで発生した廃熱を回収する。

凝縮器８は、タービン７を通過した気相の冷媒を凝縮し液相へ戻す。ポンプ９は、凝縮器８で液相となった冷媒をウォータジャケット３へ圧送する。

予熱器１０は、ウォータジャケット３とポンプ９との間に配置されている。さらに、予熱器１０には、分岐した排気管４の一方が接続されている。予熱器１０は、ウォータジャケット３へ導入する前の冷媒に過熱器６を通過した排気ガスの廃熱を付与する。

冷媒経路５のポンプ９と予熱器１０との間には、圧力センサ１２と第一温度センサ１３とが配置されている。また、排気管４の分岐点４ａの上流側近傍に、第二温度センサ１４が配置されている。廃熱回収装置１は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１６を備え、このＥＣＵ１６は、圧力センサ１２、第一温度センサ１３、第二温度センサ１４、三方弁１５と電気的に接続されている。ＥＣＵ１６は、圧力センサ１２と第一温度センサ１３から、ポンプ９を通過した冷媒の圧力データと温度データとを取得し、第二温度センサ１４から過熱器６を通過した排気ガスの温度データを取得する。また、ＥＣＵ１６は、ポンプ９へその運転と停止の制御信号を発信し、さらに、三方弁１５へ経路の切り替えの制御信号を発信する。ＥＣＵ１６、第一温度センサ１３、第二温度センサ１４、三方弁１５は、本発明における廃熱付与停止手段に相当する。また、これらの構成要素に、圧力センサ１２を加えたものが本発明の蒸発抑制手段に相当する。

次に、冷媒の流れとともに、廃熱回収装置１の動作を説明する。ウォータジャケット３内の冷媒は、エンジンの燃焼に伴って発生する廃熱から熱を得て、蒸発する。この際、エンジン本体２は冷却される。ウォータジャケット３内で蒸発した冷媒は、流出端部３ａから冷媒経路５へ流入し、過熱器６へ導入される。過熱器６で、流入した気相の冷媒は、排気管４を通過する排気ガスの廃熱から過熱され、高温化する。次に、このように高温となった気相の冷媒は、タービン７へ流入しタービン７を駆動する。気相の冷媒によってタービン７が駆動されると、共通の駆動軸７ａを有する発電機１１へ動力が伝わり、発電機１１において動力が電気エネルギーとして回収される。

タービン７を通過した気相の冷媒は、凝縮器８にて冷却されて液相へ戻される。こうして液相になった冷媒はポンプ９に圧送されて予熱器１０へ導入される。このとき、ＥＣＵ１６は、圧力センサ１２と第一温度センサ１３が計測する予熱器１０への導入前の冷媒の温度と圧力のデータを取得する。同時に、ＥＣＵ１６は、第二温度センサ１４が計測する予熱器への導入前の排気ガスの温度データを取得する。ＥＣＵ１６は、取得した冷媒の温度と圧力及び排気ガスの温度に基づいて、予熱器１０へ導入前の冷媒の温度が排気ガスの温度よりも低温であると判断し、さらに、排気ガスから廃熱を得た冷媒が予熱器１０で蒸発しないと判断した場合には、三方弁１５を切り替え、予熱器１０へ排気ガスを流入させる。

排気ガスが予熱器１０へ流入すると、予熱器１０内の冷媒に排気ガスの廃熱が付与される。排気ガスは、過熱器６において気相の冷媒に廃熱を与え、冷媒を過熱して高温化する。このように過熱器６内で気相の冷媒を過熱した後であっても、予熱器１０へ導入前の冷媒の温度が排気ガスの温度よりも低温であるならば、排気ガスの有する熱を利用することができる。このように熱を有する排気ガスは、予熱器１０において液相の冷媒へ熱を付与し、廃熱の回収効率を向上させている。

このように、予熱器１０において廃熱を付与された冷媒は温度が上昇する。温度が上昇した冷媒は、ポンプ９の圧送によりウォータジャケット３へ流入する。ウォータジャケット３内に流入した冷媒は温度が高いため、ウォータジャケット３内の冷媒の温度を急激に低下させない。このため、エンジン本体２の壁温の変動が抑制される。また、ウォータジャケット３内の冷媒における蒸発の一時的停止が抑えられるので、気相の冷媒が安定して発生し、エンジンからの廃熱をタービン７へ輸送することができる。これにより、安定したエネルギーの回収が行われる。

一方、ＥＣＵ１６が、取得した冷媒の温度と圧力及び排気ガスの温度に基づいて、予熱器１０への導入前の冷媒の温度が排気ガスの温度よりも高温であると判断する場合や、排気ガスから廃熱を得た冷媒が予熱器１０で蒸発すると判断すると、ＥＣＵ１６は、三方弁１５を切り替え、予熱器１０へ排気ガスの流入を遮断する。すなわち、予熱器１０へ廃熱の付与を停止する。

予熱器１０へ導入前の冷媒の温度が排気ガスの温度よりも高温である場合には、冷媒の熱が排気ガスに奪われてしまい、冷媒が冷却されてしまうため、冷媒が有する熱、すなわち、エネルギーが排気ガスに持ち去られることになり、熱回収効率が減少してしまう。そのため、予熱器１０への導入前の冷媒の温度が排気ガスの温度よりも高温である場合は、予熱器１０への排気ガスの流入を遮断する。

また、何らかの原因で冷媒の温度が高すぎて、予熱器１０で廃熱を付与すると、予熱器１０内で冷媒が蒸発してしまう場合が考えられる。このように、予熱器１０で冷媒が蒸発してしまうと、気相の冷媒がウォータジャケット３へ導入されることになるため、ウォータジャケット３内における冷媒の蒸発が減少する。すなわち、冷媒によるエンジン本体２から持ち去る熱量が減少する。このため、エンジン本体２の冷却に不具合が生じることが考えられる。このように、予熱器１０で廃熱を付与すると、予熱器１０内で冷媒が蒸発してしまうとＥＣＵ１６が判断する場合にも、ＥＣＵ１６は、三方弁１５を切り替え、予熱器１０へ排気ガスの流入を遮断する。すなわち、予熱器１０への廃熱の付与を停止する。このため、冷媒は、予熱器１０で蒸発することがないので、液相の冷媒がウォータジャケット３へ導入される。これにより、冷媒はウォータジャケット３内で蒸発することができるので、エンジン本体２の冷却を行うことができる。

以上のように、本発明の廃熱回収装置１は、予熱器１０で、エンジン本体２内のウォータジャケット３に導入する前の冷媒に、過熱器６で気相の冷媒を過熱した後の排気ガスの廃熱を付与する。これにより、予熱器１０の温度が上昇した冷媒が、ウォータジャケット３に導入されるので、エンジン本体２の急激な温度低下が抑制されて、エンジン本体２の壁温の変動を抑制する。さらに、冷媒の蒸発の停止が抑制され、継続して冷媒が蒸発するので、安定したエネルギーの回収が行われる。また、排気ガスの有する熱を回収することで、機関の熱回収効率を向上することができる。

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、さら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、本発明の廃熱回収装置は、冷媒経路に備えるポンプを予熱器の下流に配置することができる。

実施例の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。

符号の説明

１廃熱回収装置
２エンジン本体
３ウォータジャケット
４排気管
５冷媒経路
１０予熱器
１２圧力センサ
１３第一温度センサ
１４第二温度センサ
１５三方弁
１６ＥＣＵ
１７動力回収機

Claims

エンジンの内部に形成され、前記エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する蒸発部と、
当該蒸発部で蒸発させた冷媒を介して廃熱を回収する動力回収機と、
前記蒸発部への導入前の冷媒に廃熱を付与する予熱器と、
前記予熱器への導入前の冷媒の温度が、前記予熱器への導入前の排気ガスの温度よりも高温である場合、前記予熱器への廃熱の付与を停止する廃熱付与停止手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
エンジンの内部に形成され、エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する蒸発部と、
当該蒸発部で蒸発させた冷媒を介して廃熱を回収する動力回収機と、
前記蒸発部への導入前の冷媒に廃熱を付与する予熱器と、
前記予熱器内の冷媒の蒸発を抑制する蒸発抑制手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１または２記載の廃熱回収装置において、
前記予熱器は、前記蒸発部と当該蒸発部へ液状の冷媒を圧送するポンプとの間に配置されたことを特徴とする廃熱回収装置。
請求項１乃至３のいずれか一項記載の廃熱回収装置において、
前記エンジンから排出される排気ガスの廃熱により冷媒を過熱する過熱器を備え、
前記予熱器は、前記過熱器を通過した排気ガスの廃熱を冷媒に付与することを特徴とする廃熱回収装置。