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【発明の名称】 内燃機関の廃熱利用システム
【発明者】 【氏名】粕谷 潤一郎

【氏名】狩野 靖明

【要約】 【課題】膨張器の回転数が適当な範囲を超えて上昇するのを防止しながら、膨張器で発生する膨張エネルギーを有効に活用する内燃機関の廃熱利用システムを提供する。

【解決手段】エンジン(2)の廃熱利用システムは、第1の膨張器(18)に連結され、トルクによって機械的に駆動させられる発電装置(30)と、第1の膨張器(18)を迂回するバイパス路(46)と、バイパス路(46)に介挿され、バイパス路(46)を流れる作動流体を膨張させる第2の膨張器(50)と、循環路(12)及びバイパス路(46)のうち少なくとも一方に介挿され、第1の膨張器(18)での作動流体の流量を調整するための電磁弁(48)と、発電装置(30)のフィールドコイルへの通電量を検知するための電流計(54)と、電流計(54)の検知結果に応じて電磁弁(48)を制御するECU(52)とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
作動流体が流動する循環路に、ポンプ、熱交換器、第1の膨張器及び凝縮器が順次介挿され、前記熱交換器にて前記作動流体が内燃機関で発生した熱エネルギーを受け取り、受け取った熱エネルギーを前記膨張器がトルクに変換する内燃機関の廃熱利用システムにおいて、
前記第1の膨張器に連結され、前記トルクによって機械的に駆動させられるトルク駆動装置と、
前記第1の膨張器を迂回するバイパス路と、
前記バイパス路に介挿され、前記バイパス路を流れる作動流体を膨張させる第2の膨張器と、
前記循環路及び前記バイパス路のうち少なくとも一方に介挿され、前記第1の膨張器での前記作動流体の流量を調整するための制御弁と、
前記第1の膨張器の回転数に対応するパラメータを検知するためのセンサと、
前記センサの検知結果に応じて前記制御弁を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項2】
前記トルク駆動装置は発電装置であり、
前記発電装置は、
ステータコアに保持されたステータコイルと、
前記ステータコアに対して回転可能に配置され、レギュレータによって通電量が制御されるフィールドコイルを保持するロータとを有する
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項3】
前記センサは、前記発電装置の回転数及び前記フィールドコイルへの通電量のうち少なくとも一方を検知することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項4】
前記制御弁は、前記第1の膨張器での作動流体の流量を線形に調整可能なリニア三方弁であることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の内燃機械の廃熱利用システム。
【請求項5】
前記作動流体の流動方向でみて前記凝縮器から前記熱交換器まで延びる前記循環路の部分に介挿され、前記発電装置で発生した熱を前記作動流体が受け取るための第2の熱交換器を更に備えることを特徴とする請求項2乃至4の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の廃熱利用システムに係り、より詳しくは、車両に好適な内燃機関の廃熱利用システムに関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の廃熱利用システムとして、例えば特許文献1は、自動車用内燃機関の冷却装置を開示している。
この冷却装置は、低沸点作動媒体が循環する循環路に、圧縮機、熱交換器、膨張器及び凝縮器が順次介挿され、熱交換器において、内燃機関の冷却水と低沸点作動流体とが熱交換させられる。凝縮器の近傍には回転ファンが配置され、回転ファンは、膨張器のトルクを利用して作動させられる。
【特許文献1】特開昭61−155614号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
例えば小型自動車の内燃機関に適用される廃熱利用システムにおいては、その膨張器で取り出し可能な膨張エネルギーは500W程度である。凝縮器のためのファンを作動させるのに必要なエネルギーはたかだか100W程度であり、400W程度の膨張エネルギーが有効に活用されないことになる。
そこで、全ての膨張エネルギーを有効に活用すべく、膨張器を発電装置に連結し、膨張器のトルクを利用して発電することも考えられる。しかしながら、車両の発電装置は、フィールドコイルへの通電量を制御することにより、必要に応じて電力を生成するため、電力消費量が少ないとき等には、やはり膨張エネルギーが余ってしまう。
【0004】
そして、このように膨張器で取り出された膨張エネルギーが余るような状況下では、膨張器の回転数が適性範囲を超えて高くなり、膨張器から振動や騒音が発生してしまう。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、膨張器の回転数が適当な範囲を超えて上昇するのを防止しながら、膨張器で発生する膨張エネルギーを有効に活用する内燃機関の廃熱利用システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記の目的を達成するべく、本発明によれば、作動流体が流動する循環路に、ポンプ、熱交換器、第1の膨張器及び凝縮器が順次介挿され、前記熱交換器にて前記作動流体が内燃機関で発生した熱エネルギーを受け取り、受け取った熱エネルギーを前記膨張器がトルクに変換する内燃機関の廃熱利用システムにおいて、前記第1の膨張器に連結され、前記トルクによって機械的に駆動させられるトルク駆動装置と、前記第1の膨張器を迂回するバイパス路と、前記バイパス路に介挿され、前記バイパス路を流れる作動流体を膨張させる第2の膨張器と、前記循環路及び前記バイパス路のうち少なくとも一方に介挿され、前記第1の膨張器での前記作動流体の流量を調整するための制御弁と、前記第1の膨張器の回転数に対応するパラメータを検知するためのセンサと、前記センサの検知結果に応じて前記制御弁を制御する制御装置とを備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用システムが提供される(請求項1)。
【0006】
好ましくは、前記トルク駆動装置は発電装置であり、前記発電装置は、ステータコアに保持されたステータコイルと前記ステータコアに対して回転可能に配置され、レギュレータによって通電量が制御されるフィールドコイルを保持するロータとを有する(請求項2)。
好ましくは、前記センサは、前記発電装置の回転数及び前記フィールドコイルへの通電量のうち少なくとも一方を検知する(請求項3)。
【0007】
好ましくは、前記制御弁は、前記第1の膨張器での作動流体の流量を線形に調整可能なリニア三方弁である(請求項4)。
好ましくは、廃熱利用システムは、前記作動流体の流動方向でみて前記凝縮器から前記熱交換器まで延びる前記循環路の部分に介挿され、前記発電装置で発生した熱を前記作動流体が受け取るための第2の熱交換器を更に備える(請求項5)。
【発明の効果】
【0008】
本発明の請求項1の内燃機関の廃熱利用システムによれば、第1の膨張器での作動流体の流量に応じて制御弁を制御することで、第1の膨張器の回転数が適当な範囲を超えて上昇するのが防止される。このため、第1の膨張器での振動や騒音の発生が防止される。
また、第1の膨張器を迂回した作動流体は、第2の膨張器で膨張させられて圧力及び温度が低下する。このため、迂回した作動流体によって、凝縮器の熱負荷が増大することはなく、凝縮器を例えばファン等によって冷却するために消費される膨張エネルギーが増大することはない。
【0009】
これらの結果、この内燃機関の廃熱利用システムによれば、簡単な構成にて、第1の膨張器の回転数が適当な範囲を超えて上昇するのを防止しながら、第1の膨張器でトルクに変換される膨張エネルギーが有効に活用される。
請求項2の内燃機関の廃熱利用システムによれば、フィールドコイルへの通電量が少なく、発電装置の要求トルクが少ないときでも、膨張器の回転が過度に上昇するのが防止される。
【0010】
請求項3の内燃機関の廃熱利用システムでは、センサ発電装置の回転数及びフィールドコイルへの通電量を検知することはいずれも容易であるため、簡単な構成により、膨張器の回転が過度に上昇するのが防止される。
請求項4の内燃機関の廃熱利用システムによれば、リニア三方弁によって、膨張器での作動流体の流量を略一定に保つことで、膨張器の回転数を安定させることができる。この結果として、この廃熱利用システムによれば膨張器の振動及び騒音が確実に防止される。
【0011】
請求項5の内燃機関の廃熱利用システムによれば、第2の熱交換器によって発電装置が冷却されることで、発電装置の発電効率が高くなる。また、発電装置のための空冷ファンを廃止することができ、発電装置の小型化が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
図1は、エンジン2の冷却水回路4に適用された第1実施形態の内燃機関の廃熱利用システムの概略構成を示す。
廃熱利用システムはランキンサイクル回路10を備え、ランキンサイクル回路10は、作動流体が循環する循環路12を有する。
循環路12には、作動流体を流動させるためのポンプ14が介挿され、更に、作動流体が流動する方向でみてポンプ14の下流には、蒸発器16、膨張器(第1の膨張器18)及び凝縮器20が順次介挿されている。すなわち、ポンプ14は、凝縮器20側にて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから蒸発器16に向けて吐出する。ポンプ14から吐出された作動流体は、低温高圧の液状態である。
【0013】
蒸発器16は熱交換器であって、循環路12の一部を構成する低温流路16aと、低温流路16aとの間で熱交換可能な高温流路16bとを有する。高温流路16bは、例えば車両のエンジン(内燃機関)2を冷却するための冷却水が循環する冷却水回路4に接続されている。従って蒸発器16を通過するとき、低温高圧の液状態の作動流体は、エンジン2で発生した熱を冷却水を介して受け取る。これによって作動流体は加熱され、高温高圧の過熱蒸気状態となる。
【0014】
第1の膨張器18は、過熱蒸気状態となった作動流体を膨張させ、これにより作動流体は、高温低圧の過熱蒸気状態になる。
凝縮器20は熱交換器であり、第1の膨張器18から流出した作動流体を外気との熱交換によって凝縮させ、低温低圧の液状態にする。具体的には、凝縮器20の近傍には電動ファン(図示せず)が配置され、車両前方からの風や電動ファンからの風によって作動流体は冷却される。凝縮器20で冷却された作動流体は、再びポンプ14に吸入され、循環路12を循環する。
【0015】
ここで、前述した第1の膨張器18は、作動流体を膨張させるのみならず、作動流体の膨張エネルギーをトルクに変換して出力可能な流体機械である。第1の膨張器18から出力されるトルクを利用すべく、第1の膨張器18には、トルクによって機械的に駆動させられるトルク駆動装置が連結される。
例えば、第1の膨張器18には、トルク駆動装置としてのポンプ14が、継手やベルト等の連結装置26を介して機械的に連結され、膨張エネルギーを利用してポンプ14を作動させることができる。
【0016】
また、第1の膨張器18には、他のトルク駆動装置としての発電装置(オルタネータ)30が、継手やベルト等の連結装置28を介して機械的に連結され、発電装置30は、第1の膨張器18が出力するトルクを電力に変換する。
具体的には、発電装置30は、図2に示したように、ステータコアに保持された3つのステータコイル32a,32b,32cと、ロータに保持されたフィールドコイル34を有する。ロータは、ステータコアに対して回転可能に配置され、第1の膨張器18が出力したトルクによって回転駆動させられる。フィールドコイルに通電してコアを磁化させ、この状態でロータを回転させると、ステータコイル32で3相交流が発生する。
【0017】
ステータコイル32から引き出された3つの電線は、整流器36の入力端子に接続され、整流器36は、例えばダイオード等の複数の整流素子からなる。整流器36は3相交流を直流に変換して出力し、その出力端子には、レギュレータ38、負荷40及びバッテリー42が互いに並列に接続される。なお、負荷40としては、例えば、凝縮器20を空冷するためのファン等が接続される。
【0018】
レギュレータ38は、フィールドコイル34にも接続され、整流器36の出力電圧が一定の値、例えば14Vになるように、フィールドコイル34への通電量を調整する。即ち、レギュレータ38は、負荷40の消費電力が多いときや、バッテリー42の充電量が少ないときには、フィールドコイル34への通電量を増大し、発電装置30での発電量を増大させる。一方、レギュレータ38は、負荷40の消費電力が少ないときや、バッテリー42の充電量が多いときには、フィールドコイル34への通電量を減少させ、発電装置30での発電量を減少させる。
【0019】
また、循環路12には、膨張器16を迂回するバイパス路46が設けられる。バイパス路46は、循環路12と同様に、管、チューブ又はホース等により構成することができる。バイパス路46には作動流体の流動方向でみて、2ポートの電磁弁48及び膨張弁(第2の膨張器50)が順次介挿されている。電磁弁48は、この廃熱利用システム全体の動作を制御する電子制御ユニット(ECU52)に電気的に接続され、ECU52からの例えばPWM(パルス幅変調方式)の出力信号に基づいてバイパス路46を開閉する。
【0020】
第2の膨張器50は、バイパス路46を流れる作動流体を膨張させて、高温低圧の過熱蒸気状態にする。第2の膨張器50で膨張させられた作動流体は、凝縮器20に流入して冷却される。
ECU52には、フィールドコイル34への通電量を検知するための電流計54が接続され、フィールドコイル34への通電量に基づいて、ECU52は電磁弁48を制御可能である。
【0021】
以下、上述した内燃機関の廃熱利用システムの動作について説明する。
この廃熱利用システムによれば、エンジン2及び冷却水回路4の作動中にポンプ14を作動させると、作動流体は、蒸発器16で冷却水の熱を吸収し、そして第1の膨張器18で膨張する。第1の膨張器18は作動流体の膨張エネルギーをトルクに変換して出力し、トルクは、ポンプ14で直接利用されると同時に、発電装置30で電力に変換される。
【0022】
一方、ECU52は、レギュレータ38からフィールドコイル34への通電量を電流計54を介して検知し、検知結果に応じて電磁弁48を開閉作動させる。
具体的には、ECU52は、フィールドコイル34への通電量が例えばその可変範囲の上限(印加率100%)であるときには、電磁弁48を閉作動させ、全ての作動流体に第1の膨張器18を通過させる。そして、ECU52は、フィールドコイル34への印加率が100%よりも小さくなるにつれて、電磁弁48の開度が大きくなるよう開作動させる。この電磁弁48の開度に対応した流量割合にて、作動流体の一部は第1の膨張器18を通過し、作動流体の残部は第2の膨張器50を通過する。
【0023】
なお、第1の膨張器18は、フィールドコイル34への印加率が100%のときに、自身の回転数が適当な範囲、例えば2000〜3000回転程度になるように設計されている。
上述した内燃機関の廃熱利用システムによれば、ECU52がフィールドコイル34への通電量に応じて電磁弁48を開閉作動させることで、第1の膨張器18の回転数が適当な範囲を超えて上昇するのが防止される。このため、第1の膨張器18での振動や騒音の発生が防止される。
【0024】
より詳しくは、車両の走行状態等に応じて、発電装置30に電気的に接続される負荷40が小さいときやバッテリー42の充電量が多いときには、レギュレータ38は、フィールドコイル34への印加率を100%よりも小さくして発電装置30の発電量を抑制する。
しかしながら、印加率が100%よりも小さい場合、印加率が100%の場合に比べ、第1の膨張器18に発電装置30から加わる機械的な負荷が小さくなる。このため、何もしなければ、第1の膨張器18の回転数は適当な範囲を超えて増大してしまう。
【0025】
そこで、ECU52が電磁弁48を開作動させ、第1の膨張器18での作動流体の流量を減少させることで、第1の膨張器18の回転数上昇が抑制され、第1の膨張器18の回転数が適当な範囲に保持される。
一方、第1の膨張器18を迂回した作動流体は、第2の膨張器50で膨張させられて圧力及び温度が低下する。このため、第1の膨張器18を迂回した作動流体によって、凝縮器20の熱負荷が増大することはない。従って、負荷40が凝縮器20を空冷するためのファンを含んでいても、このファンを作動させるために消費される電力、換言すれば膨張エネルギーが増大することはない。
【0026】
これらの結果、上述した内燃機関の廃熱利用システムによれば、簡単な構成にて、第1の膨張器18の回転数が過度に上昇するのを防止しながら、第1の膨張器18で発生する膨張エネルギーが有効に活用される。
本発明は上記した第1実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
図3は、エンジン2の冷却水回路4に適用された第2実施形態の内燃機関の廃熱利用システムを示している。第1実施形態と同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
【0027】
この廃熱利用システムでは、2ポートの電磁弁48に代えて、リニア三方弁60が循環路12の第1の膨張器18よりも上流に介挿され、リニア三方弁60にてバイパス路46が循環路12から分岐されている。リニア三方弁60は、第1の膨張器18での流量を線形に変化させることができる。
そして、作動流体の流動方向でみてポンプ14から蒸発器16までの循環路12の部分には、冷却ジャケット62(第2の熱交換器)が介挿され、冷却ジャケット62は、発電装置30に装着されている。
【0028】
また、発電装置30には、電流計54に代えて、発電装置30のロータの回転数を検知する回転数センサ64が取り付けられている。
この第2実施形態の内燃機関の廃熱利用システムでは、発電装置30のロータの回転数が所定の範囲を超えると、ECU52がリニア三方弁を作動させ、第1の膨張器18での作動流体の流量を減少させて、第2の膨張器50での作動流体の流量を増大させる。
【0029】
これにより、第1実施形態の場合と同様に、第1の膨張器18の回転数が適当な範囲に保持される。すなわち、廃熱利用システムは、電流計54や回転数センサ64等、第1の膨張器18の回転数に対応するパラメータを検知するセンサを備えていればよい。また、電磁弁48やリニア三方弁60等、第1の膨張器18での作動流体の流量を低減させることができる制御弁を備えていればよく、制御弁は、循環路12に配置してもよく、バイパス路46に配置してもよい。
【0030】
なお、電流計54や回転数センサ64によれば、簡単な構成にて廃熱利用システムを構成することができる。
また、リニア三方弁によれば、第1の膨張器18での流量を一定に保つことができる。これにより第1の膨張器18の回転数が安定し、第1の膨張器18での騒音や振動の発生をより確実に防止することができる。
【0031】
一方、この廃熱利用システムでは、発電装置30が水冷ジャケット62よって冷却され、発電装置30の発電効率が向上する。この結果として、第1の膨張器18でトルクとして取り出される膨張エネルギーがより一層有効に活用される。
また、発電装置30のための空冷ファンを廃止することができ、発電装置30の小型化が図られる。
【0032】
図4は、第3実施形態の内燃機関の廃熱利用システムを示しており、この廃熱使用システムは、バイパス路46と並列な第2のバイパス路70を備え、第2のバイパス路70には、作動流体の流動方向でみて、2ポートの電磁弁72及び膨張弁(第3の膨張弁74)が順次介挿されている。
この廃熱利用システムでは、フィールドコイル34への印加率が小さくなると、ECU52は、電磁弁48及び電磁弁72のうち一方又は両方を開作動させる。これにより、第1の膨張器18での作動流体の流量が減少させられ、第1の膨張器18の回転数が適当な範囲を超えて上昇するのが防止される。
【0033】
その上、この廃熱利用システムでは、電磁弁48,72で2つのバイパス路46,70をそれぞれ開閉することによって、第1の膨張器18での作動流体の流量を広い範囲に亘って変化させることができる。このため、この廃熱システムによれば、第1の膨張器18での振動や騒音の発生がより一層防止される。なお、バイパス路及び電磁弁の数は特には限定されない。
最後に、第1の膨張器18から出力されるトルクは、好ましくは発電装置30やポンプ14に供給されるが、トルクで機械的に駆動される他の装置(トルク駆動装置)に供給してもよいのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】車両の内燃機関に適用された第1実施形態の内燃機関の廃熱利用システムを概略的に示す図である。
【図2】図1の発電装置及び当該発電装置に接続される機器の構成を示す図である。
【図3】車両の内燃機関に適用された第2実施形態の内燃機関の廃熱利用システムを概略的に示す図である。
【図4】第3実施形態の内燃機関の廃熱利用システムを概略的に示す図である。
【符号の説明】
【0035】
2 エンジン
18 第1の膨張器
30 発電装置
46 バイパス路
48 電磁弁
54 電流計
50 第2の膨張器
52 ECU
54 電流計
【出願人】 【識別番号】000001845
【氏名又は名称】サンデン株式会社
【出願日】 平成19年2月28日(2007.2.28)
【代理人】 【識別番号】100090022
【弁理士】
【氏名又は名称】長門 侃二

【識別番号】100116447
【弁理士】
【氏名又は名称】山中 純一


【公開番号】 特開2008−208823(P2008−208823A)
【公開日】 平成20年9月11日(2008.9.11)
【出願番号】 特願2007−49146(P2007−49146)