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廃熱回収装置及びエンジン - 特開2008−196379 | j-tokkyo
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【発明の名称】 廃熱回収装置及びエンジン
【発明者】 【氏名】小林 日出夫

【氏名】蟻沢 克彦

【氏名】山田 賢一

【氏名】山下 芳雄

【氏名】林 邦彦

【氏名】道川内 亮

【要約】 【課題】ランキンサイクルを備えたエンジンにおいて、高圧のエンジン内への冷却水の供給を可能とし、エンジン各部へ十分な量の冷却水の循環を可能とする。

【解決手段】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)、その下流に配設された三方弁(16)、三方弁(16)の下流に延びる第2冷却水経路(17)、三方弁(16)とキャッチタンク(11)とを接続する第2冷却水経路(17)を備え、また、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)とに分岐する蒸気経路(6)を備える。バイパス経路(6b)には開閉弁(20)が配設され、その終端はキャッチタンク(11)に接続される。ウォータジャケット(3)内へキャッチタンク(11)内の冷却水を供給するときは、その内部に蒸気圧を作用させ、ウォータポンプ(5)出入口間の差圧を縮小させる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、
当該動力回収経路のバイパス経路と、
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廃熱回収装置。
【請求項2】
膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、
当該動力回収経路のバイパス経路と、
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、
ウォータポンプを備え、ウォータジャケット又は前記凝縮器を冷却水の供給元とする冷却水供給経路と、
当該冷却水供給経路における冷却水の供給元を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。
【請求項3】
請求項1又は2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。
【請求項4】
請求項1又は2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。
【請求項5】
請求項1又は2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。
【請求項6】
請求項1乃至5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。
【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、蒸気を介して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。
【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】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
かかる課題を達成するための、本発明の廃熱回収装置は、膨張器及び凝縮器が配置された動力回収経路と、当該動力回収経路のバイパス経路と、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(請求項1)。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。
【0008】
このような廃熱回収装置は、ウォータポンプを備え、ウォータジャケット又は前記凝縮器を冷却水の供給元とする冷却水供給経路と、当該冷却水供給経路における冷却水の供給元を切り替える冷却水供給元切替手段と、をさらに備えた構成とすることができる(請求項2)。
【0009】
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(請求項3)。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(請求項4)。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。
【0010】
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(請求項5)。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。
【0011】
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(請求項6)。
【発明の効果】
【0012】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
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】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】廃熱回収装置の制御の一例を示すフロー図である。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】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】
【0033】
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
【出願人】 【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】 平成19年2月13日(2007.2.13)
【代理人】 【識別番号】100087480
【弁理士】
【氏名又は名称】片山 修平

【識別番号】100134511
【弁理士】
【氏名又は名称】八田 俊之

【識別番号】100128565
【弁理士】
【氏名又は名称】▲高▼林 芳孝


【公開番号】 特開2008−196379(P2008−196379A)
【公開日】 平成20年8月28日(2008.8.28)
【出願番号】 特願2007−32405(P2007−32405)