JP5109393B2 - 廃熱回収装置及びエンジン - Google Patents

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（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー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。

特開２０００−３４５８３５号公報

このような廃熱回収装置におけるエンジンの水冷冷却系統では、冷却水が蒸発する際にエンジンから吸収する潜熱によって、エンジンを冷却している。このように冷却水の蒸発時の潜熱を利用するエンジンの冷却では、冷却に必要となる冷却水の量が、液体の状態でエンジンの冷却を行う場合に比較して大幅に少なくて済む。しかしながら、蒸発した冷却水、すなわち、蒸気で満たされるエンジンの水冷冷却系統内は、高圧となっているため、低圧の外部から冷却水を供給するには、ウォータポンプは非常に高い吐出圧が要求される。

このように、廃熱回収装置はエンジンの水冷冷却系統内へ冷却水を供給するために、冷却水の高圧化を要求する一方で、冷却水を暖機に利用する室内用のヒータやスロットル機構などの機能を即座に発揮させるために、大量の冷却水の供給が必要となることがある。このように、廃熱回収装置は、性質の異なる二つの要求がある。これらの要求を満たすために２種類のウォータポンプを装備することも考えられるが、２種類のウォータポンプを搭載することは、車両のスペースを考慮すると困難である。

そこで、本発明は、高圧となったエンジン内への冷却水の供給を可能とすると共に、エンジンの各部へ十分な量の冷却水を循環させることのできる廃熱回収装置を提案することを課題とする。

かかる課題を達成するための、本発明の廃熱回収装置は、蒸気化することによってエンジンを冷却する冷却媒体である冷却水を噴射する冷却水噴射ノズルに接続された冷却水供給経路と、前記冷却水噴射ノズルによって噴射され、エンジンを冷却する際に蒸気化した冷却媒体が流入するとともに、膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、当該動力回収経路をバイパスして前記冷却水供給通路に接続され、蒸気化した前記冷却媒体を流入させることによって前記冷却水供給経路に供給される冷却水に蒸気の圧力を作用させるバイパス経路と、前記動力回収経路と前記バイパス経路とを切り替え、蒸気の流通経路を変更する蒸気流通経路切替手段と、を備えたことを特徴とする。このような構成とすることにより、高圧となった系内に冷却水を供給する際に蒸気をバイパス経路へ流通させ、その蒸気の圧力を系内へ供給される冷却水へ作用させることにより、系内への冷却水の供給を容易に行うことができる。このような廃熱回収装置は、一つのウォータポンプを備えていればよい。このウォータポンプ自体は、吐出圧が高圧でなくてもよい。すなわち、ウォータポンプが吸い込む冷却水自体に蒸気の圧力が作用しているため、高圧の系内への冷却水の供給が可能となる。ウォータポンプの容量は、室内用のヒータやスロットル機構の周囲に冷却水を供給し、これらの機器の機能を即座に発揮できるものとなっていればよい。

このような廃熱回収装置は、前記冷却水供給経路への冷却水の供給元をウォータジャケットと前記凝縮器との間で切り替える冷却水供給元切替手段をさらに備えることができる。

このような廃熱回収装置における前記蒸気流通経路切替手段は、前記ウォータジャケット内の冷却水の残量に応じて前記動力回収経路と前記バイパス経路との切り替えを行う。また、前記冷却水供給元切替手段は、前記ウォータジャケット内の冷却水の残量に応じて前記冷却水の供給元を切り替える。このように各経路の切り替えを行うことにより、ウォータジャケット内へ冷却水を供給することができ、また、ウォータジャケット内の冷却水の量を維持することができる。

さらに、このような廃熱回収装置では、前記動力回収経路は、前記凝縮器の下流側に冷却水逆流防止手段を備えた構成とすることができる。この冷却水逆流防止手段は、蒸気の流通経路をバイパス経路に切り替えたときにバイパス経路内が高圧になることを考慮し、この圧力を受けた冷却水が凝縮器側へ逆流することを抑制するためのものである。

これらの廃熱回収装置をエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる。

本発明によれば、ウォータジャケット内へ冷却水を供給するときに、その冷却水に蒸気による圧力を作用させるようにしたので、系内への冷却水の供給を容易に行うことができる。

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。

本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１、図２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。図１は、エンジンが暖機状態にあるとき、及び、ウォータジャケット３内の冷却水を巡回させる「循環状態」にあるときの様子を示し、図２は、キャッチタンク１１側から冷却水を供給する「給水状態」にあるときの様子を示している。

廃熱回収装置１は、燃焼機関であるエンジン２に組み込まれている。廃熱回収装置１は、シリンダブロック２ａからシリンダヘッド２ｂ内にかけて形成されたウォ−タジャケット３、シリンダヘッド２ｂ内に設置された冷却水噴射ノズル４を備えている。ウォータジャケット３内には冷却媒体である冷却水が供給されている。具体的には、廃熱回収装置１は、ウォータジャケット３の下部から延びる第１冷却水経路１２、この第１冷却水経路１２の下流に配設された三方弁１６、この三方弁１６の下流に延びる第２冷却水経路１７を備えている。この第２冷却水経路１７の途中にはウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）５が配設されており、その先端側に冷却水噴射ノズル４が装着されている。このような冷却水供給経路により、ウォータポンプ５によってウォ−タジャケット３下部から汲み上げられた冷却水が冷却水噴射ノズル４に供給される。噴射された冷却水は高温のエンジン２を冷却する際に蒸気化し、ウォータジャケット３の上部に充満する。

このような第２冷却水経路１７は、ウォータポンプ５の下流で分岐しており、車両の室内用のヒータ１８や、スロットル１９の周囲へ冷却水を流通させるようになっている。これにより、ヒータ１８において熱交換が行われたり、スロットル１９を暖機させたりすることができる。ヒータ１８やスロットル１９の周囲を循環する経路は、再び第１冷却水経路１２へ戻される。

廃熱回収装置１は、さらに、蒸気化した冷却媒体、すなわち蒸気が流通する蒸気経路６を備えている。この蒸気経路６は、ウォータジャケット３の出口の下流で動力回収経路６ａとそのバイパス経路６ｂとに分岐している。

動力回収経路６ａには上流側から順に過熱器７、タービン８が配設されており、その端部は凝縮器９の上部９ａに接続されている。過熱器７にはエンジン本体２の排気ポート１３と接続された排気経路１４が引き込まれている。過熱器７は、排気経路１４中の排気ガスから熱を回収し、動力回収経路６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。タービン８は、動力回収経路６ａを通じて流入する高温、高圧の蒸気によって駆動される。タービン８は発電機１５と共通の駆動軸８ａを備えている。このため、タービン８が駆動されると、発電機１５は蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する。タービン８を通過した蒸気は凝縮器９で凝縮されて冷却水に戻される。凝縮器９の下流側にはキャッチタンク１１が配設されており、凝縮器９で液体に戻された冷却水はキャッチタンク１１内に貯留される。凝縮器９とキャッチタンク１１とを接続する通路６ａ１には本発明における冷却水逆流防止手段に相当する一方弁１０が配設されている。この一方弁１０は、冷却水がキャッチタンク１１から凝縮器９側へ逆流することを防止する。

一方、バイパス経路６ｂは、終端がキャッチタンク１１と接続されており、分岐点とキャッチタンク１１との間に本発明における蒸気流通経路切替手段に相当する開閉弁２０を備えている。開閉弁２０が開弁すると、キャッチタンク１１内に蒸気の圧力が作用するようになる。

キャッチタンク１１の下端部には第３冷却水経路２３が接続されている。第３冷却水経路２３の他端側は三方弁１６に接続されている。第３冷却水経路２３は、第１冷却水経路１２、第２冷却水経路１７と共に本発明における冷却水供給経路を形成しており、三方弁１６は、本発明における冷却水供給元切替手段に相当する。すなわち、三方弁１６を切り替えることによって第１冷却水経路１２と第２冷却水経路１７とを接続するようにすればウォータポンプ５へは、ウォータジャケット３内の冷却水が供給される。また、第３冷却水経路２３と第２冷却水経路１７とを接続するようにすればウォータポンプ５へは、キャッチタンク１１内の冷却水、すなわち、凝縮器９内で液体に戻された冷却水が供給される。

廃熱回収装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１を備えている。ＥＣＵ２１には、三方弁１６、開閉弁２０が電気的に接続されており、これらの三方弁１６、開閉弁１６の開閉はＥＣＵ２１によって制御されている。また、ＥＣＵ２１にはシリンダブロック２ａに設置した水温センサ２２、その他図示しない各種センサと電気的に接続されている。なお、通路６ａ１に配設された一方弁１０は、通路６ａ１内の圧力バランスによって開閉するが、この一方弁１０をＥＣＵ２１と接続し、ＥＣＵ２１によって開閉制御するようにしてもよい。

以上のように構成される廃熱回収装置１の動作につき、ＥＣＵ２１が行う制御の一例である図３に示すフロー図、及び図１、図２を参照しつつ説明する。制御がスタートすると、ＥＣＵ２１は、ステップＳ１において、エンジン回転数ＮｅがＮｅ＞０であるか否か、すなわち、エンジン２が稼働しているか否かの判断を行う。ステップＳ１においてＹｅｓと判断されたとき、すなわち、エンジン２が稼働しているときにはステップＳ２へ進む。一方、ステップＳ１においてＮｏと判断されたときは、ステップＳ１の処理を繰り返す。

ステップＳ２では、シリンダブロック２ａに設置した水温センサ２２により取得した値、すなわち、水温又は蒸気温度Ｔｗ（℃）が予め設定した温度１２０℃よりも高いか否かを判断する。ここで、１２０℃という温度は、エンジン２が暖機を完了したか否かを判定するための値である。このステップＳ２においてＮｏと判断されたとき、すなわち、エンジン２の暖機が未だ完了していないときはステップＳ３を経由して再びステップＳ１からの処理を繰り返す。ステップＳ３では、ＥＣＵ２１は、廃熱回収装置１の状態を図１に示す「循環状態」とするための制御を行う。すなわち、三方弁６を第１冷却水経路１２と第２冷却水経路１７とが連通する状態とし、開閉弁２０を閉弁状態とする。これにより、冷却水は、ウォータジャケット３内、また、ヒータ１８や、スロットル１９の周囲を流通し、循環する。このように循環する冷却水はエンジン２の燃焼熱によって徐々に昇温する。昇温した冷却水は、ヒータ１８において熱交換を行い、また、スロットル１９を暖機させる。

一方、ステップＳ２でＹｅｓと判断されたときは、ステップＳ４に進む。ステップＳ４ではＥＣＵ２１は、暖機終了判定を行う。Ｔｗ＞１２０℃の条件を満たすと、冷却水は気化し始め、蒸気の発生が開始する。このため、ＥＣＵ２１は、以後、蒸気発生量等の算出を開始する。ＥＣＵ２１は、ステップＳ４の処理を終えると、ステップＳ５へ進む。ステップＳ４では、ＥＣＵ２１は、廃熱回収装置１を図１に示す循環状態に維持するための指令を改めて行う。ステップＳ５における処理を行った後はステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、冷却水の蒸発量積算値、すなわち、ウォータジャケット３内の冷却水減少量であるＧｖ（ｇ）が一回当りの必要給水量であるＧｗ（ｇ）を上回ったか否かの判断を行う。蒸発量積算値Ｇｖは、以下の式、
Ｇｖ＝ΣＱｗ（Ｎｅ，Ｈ）／ｑｗ×ｄｔ
で、求められる。
すなわち、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｓ）とエンジン負荷Ｈ（Ｎｍ）の関数である冷却水受熱量Ｑｗ（ｋｗ）の時間積分から算出される。
なお、冷却水受熱量Ｑｗ（ｋｗ）と蒸発量Ｇｓとは、蒸発潜熱をｑ（ｋｊ／ｇ）とすると、図４に示すようにＧｓ＝Ｑｗ／ｑ（ｋｊ／ｇ）の関係がある。また、Ｑｗ自体は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｓ）エンジン負荷Ｈ（Ｎｍ）との関数であり、Ｑｗ＝（Ｎｅ，Ｈ）であり、図５に示すようにエンジン回転数−エンジン負荷線図上に等Ｑｗ線として得ることができる。
ＥＣＵ２１は、以上のような演算をすることによって得たＧｖがＧｗよりも未だ小さく、ステップＳ６においてＮｏと判断されるときはステップＳ１からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ６においてＹｅｓと判断された場合はステップＳ７へ進む。

ステップＳ７では、ステップＳ６で用いた蒸発量積算値Ｇｖの値を一旦リセットする。すなわち、Ｇｖ＝０にセットする。このようなステップＳ７の処理の後は、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、ＥＣＵ２１は、廃熱回収装置１の状態を図２に示す「給水状態」とするための制御を行う。すなわち、三方弁６を第３冷却水経路２３と第２冷却水経路１７とが連通する状態とし、開閉弁２０を開弁状態とする。これにより、バイパス経路６ｂ側に蒸気が流入し、キャッチタンク１１内に蒸気の高圧が作用する状態となる。キャッチタンク１１内の冷却水は、三方弁１６を通じ、ウォータポンプ５によって冷却水噴射ノズル４へ供給される。これにより、ウォータポンプ５の出入口間の差圧が縮小し、ウォータジャケット３内へ給水されるようになる。なお、このとき、一方弁１０はキャッチタンク１１内の圧力によって閉弁状態となることから、キャッチタンク１１内の冷却水が凝縮器９側へ逆流することはない。なお、ステップＳ７の処理とステップＳ８の処理はその前後は問わず、順番を入れ換えてもよいし、同時に行ってもよい。ステップＳ７、ステップＳ８の処理を行った後はステップＳ９へ進む。

ステップＳ９では、冷却水の給水量積算値、すなわち、キャッチタンク１１からウォータジャケット３内へ供給された冷却水量であるＧｆ（ｇ）が一回当りの必要給水量であるＧｗ（ｇ）を上回ったか否かの判断を行う。給水量積算値Ｇｆは、冷却水の比重γｗ（ｇ／Ｌ）として、以下の式、
Ｇｆ＝ΣＶｗ（Ｎｅ）×γｗ×ｄｔ
で、求められる。
すなわち、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｓ）から決まるウォータポンプ５の吐出量の時間積分から算出される。
なお、エンジン回転数Ｎｅ、ウォータポンプ５の吐出量Ｖｗ、ウォータポンプ出入口差圧との間には図６に示すような関係がある。
ＥＣＵ２１は、以上のような演算をすることによって得たＧｆがＧｗよりも未だ小さく、ステップＳ９においてＮｏと判断されるときは給水を継続する。一方、ステップＳ９においてＹｅｓと判断された場合はステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０では、ステップＳ９で用いた給水量積算値Ｇｆの値を一旦リセットする。すなわち、Ｇｆ＝０にセットする。ステップＳ１０の処理を行った後はリターンとなる。制御がリターンとなり、再び、ステップＳ５まで進むことにより廃熱回収装置１は再び図１に示す「循環状態」とするための制御が行われ、図２に示す「給水状態」は即座に終了する。

図７は、以上のような制御が行われる廃熱回収装置１における「循環状態」と「給水状態」との切り替えの様子の一例を示すものである。すなわち、エンジン２が暖機状態にあるときは「循環状態」となっており、暖機が完了し、蒸気が発生するようになると「給水状態」が現れるようになる。この「給水状態」はエンジン２が稼働をしている間は繰り返し現れるが、エンジン２の負荷が低負荷であるときはそのインターバルは長く、高負荷となるとインターバルは短くなる。これにより、ウォータジャケット３内の冷却水量が維持される。

以上説明したように、本発明の廃熱回収装置によれば、一つのウォータポンプ５を装備しているだけであるにもかかわらず、ウォータジャケット３内の冷却水量が減少してきたときにキャッチタンク１１内に蒸気の圧力を作用させることにより、ウォータポンプ５の出入口間の差圧を縮小させ、凝縮器９で液体となった冷却水を再びウォータジャケット３内へ供給することができる。これにより、ウォータジャケット３内の冷却水量を維持することができる。

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、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。

エンジンが暖機状態にあるとき、及び、ウォータジャケット内の冷却水を巡回させる「循環状態」にあるときの様子を示した説明図である。 キャッチタンク側から冷却水を供給する「給水状態」にあるときの様子を示した説明図である。 廃熱回収装置の制御の一例を示すフロー図である。 冷却水受熱量Ｑｗと蒸発量Ｇｓとの関係を示す説明図である。 エンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷Ｈ、冷却水受熱量Ｑｗとの関係を示す説明図である。 エンジン回転数Ｎｅ、ウォータポンプの吐出量Ｖｗ、ウォータポンプ出入口差圧との間の関係を示す説明図である。 廃熱回収装置における「循環状態」と「給水状態」との切り替えの様子の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ 廃熱回収装置
２ エンジン
２ａ シリンダブロック
２ｂ シリンダヘッド
３ ウォータジャケット
４ 冷却水噴射ノズル
５ ウォータポンプ
６ａ 動力回収経路
６ｂ バイパス経路
７ 過熱器
８ タービン
９ 凝縮器
１０ 一方弁
１１ キャッチタンク
１２ 第１冷却水経路
１３ 排気ポート
１４ 排気経路
１５ 発電機
１６ 三方弁
１７ 第２冷却水経路
１８ ヒータ
１９ スロットル
２０ 開閉弁
２１ ＥＣＵ
２２ 水温センサ

Claims (7)

1. 蒸気化することによってエンジンを冷却する冷却媒体である冷却水を噴射する冷却水噴射ノズルに接続された冷却水供給経路と、
   前記冷却水噴射ノズルによって噴射され、エンジンを冷却する際に蒸気化した冷却媒体が流入するとともに、膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、
   当該動力回収経路をバイパスして前記冷却水供給通路に接続され、蒸気化した前記冷却媒体を流入させることによって前記冷却水供給経路に供給される冷却水に蒸気の圧力を作用させるバイパス経路と、
   前記動力回収経路と前記バイパス経路とを切り替え、蒸気の流通経路を変更する蒸気流通経路切替手段と、
   前記冷却水供給経路への冷却水の供給元をウォータジャケットと前記凝縮器との間で切り替える冷却水供給元切替手段と、
   を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
2. 請求項１に記載の廃熱回収装置において、
   前記蒸気流通経路切替手段は、前記ウォータジャケット内の冷却水の残量に応じて前記動力回収経路と前記バイパス経路との切り替えを行うことを特徴とした廃熱回収装置。
3. 請求項１又は２に記載の廃熱回収装置において、
   前記冷却水供給元切替手段は、前記ウォータジャケット内の冷却水の残量に応じて前記冷却水の供給元を切り替えることを特徴とした廃熱回収装置。
4. 蒸気化することによってエンジンを冷却する冷却媒体である冷却水を噴射する冷却水噴射ノズルに接続された冷却水供給経路と、
   前記冷却水噴射ノズルによって噴射され、エンジンを冷却する際に蒸気化した冷却媒体が流入するとともに、膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、
   当該動力回収経路をバイパスして前記冷却水供給通路に接続され、蒸気化した前記冷却媒体を流入させることによって前記冷却水供給経路に供給される冷却水に蒸気の圧力を作用させるバイパス経路と、
   前記動力回収経路と前記バイパス経路とを切り替え、蒸気の流通経路を変更する蒸気流通経路切替手段と、を備え、
   前記蒸気流通経路切替手段は、前記ウォータジャケット内の冷却水の残量に応じて前記動力回収経路と前記バイパス経路との切り替えを行うことを特徴とした廃熱回収装置。
5. 蒸気化することによってエンジンを冷却する冷却媒体である冷却水を噴射する冷却水噴射ノズルに接続された冷却水供給経路と、
   前記冷却水噴射ノズルによって噴射され、エンジンを冷却する際に蒸気化した冷却媒体が流入するとともに、膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、
   当該動力回収経路をバイパスして前記冷却水供給通路に接続され、蒸気化した前記冷却媒体を流入させることによって前記冷却水供給経路に供給される冷却水に蒸気の圧力を作用させるバイパス経路と、
   前記動力回収経路と前記バイパス経路とを切り替え、蒸気の流通経路を変更する蒸気流通経路切替手段と、を備え、
   前記動力回収経路は、前記凝縮器の下流側に冷却水逆流防止手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項記載の廃熱回収装置において、
   前記動力回収経路は、前記凝縮器の下流側に冷却水逆流防止手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項記載の廃熱回収装置を備えたことを特徴とするエンジン。

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