JP2010242726A

JP2010242726A - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP2010242726A
Application number: JP2009095539A
Authority: JP
Inventors: Hideki Miwa; 英輝三輪
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】車両全体としてのエネルギ効率を向上させることができる排熱回収装置を提供する。
【解決手段】エンジン１０から排出される排気が流通するＥＧＲ通路５０に設けられ、エンジン１０の排熱に基づいて作動するタービン６２と、タービン６２の作動により発電を行う発電機６３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両に用いられる排熱回収装置に関するものである。

近年、世界的に環境問題に対する意識が高まってきている。自動車業界全体でも、エネルギ効率を向上させるためのシステムが数多く提案されている。

また、火力発電等でも、エネルギ効率を上げるために様々な改良がなされている。例えば、ガスタービンの排熱を利用して再び蒸気を発生させ、この蒸気を利用して発電を行う排熱回収ボイラが提案されている（特許文献１参照）。

特開平５−１６３９６１号公報

従来、ディーセルエンジンにおいて、排気の熱エネルギは大気中にそのまま捨てられる構造となっている。このため、ディーゼルエンジンを走行用駆動源とする車両のエネルギ効率は、上限が約４０％と低くなっている。

本発明は上記点に鑑みて、車両全体としてのエネルギ効率を向上させることができる排熱回収装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１０）から排出される排気が流通する排気径路（５０）に設けられ、内燃機関（１０）の排熱に基づいて作動するタービン（６２）と、タービン（６２）の作動により発電を行う発電手段（６３）とを備えることを特徴としている。

これによれば、従来であれば大気中に捨てられていた内燃機関（１０）の排気の熱エネルギを利用して電力を発生させることができるので、車両全体としてのエネルギ効率を向上させることが可能となる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の排熱回収装置においては、排気経路（５０）に設けられ、排気と熱媒体との間で熱交換を行い、熱媒体を蒸発させる蒸発用熱交換器（６１）を備え、タービン（６２）は、蒸発用熱交換器（６１）にて蒸発した熱媒体の蒸気により作動するものとしてもよい。

また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の排熱回収装置において、排気経路は、排気の一部を内燃機関（１０）の吸気系に還流させるＥＧＲ通路（５０）であることを特徴としている。

これによれば、ＥＧＲ通路（５０）に排気と熱媒体との間で熱交換を行う蒸発用熱交換器（６１）が設けられるので、蒸発用熱交換器（６１）にて排気を冷却することができる。このため、従来設けられていたＥＧＲクーラ（吸気系に還流される排気を冷却するための熱交換器）を廃止することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明のように、タービン（６２）の熱媒体流れの下流側に設けられ、熱媒体の蒸気と内燃機関（１０）の冷却水との間で熱交換を行い、熱媒体の蒸気を凝縮させる凝縮用熱交換器（６５）と、熱媒体を蒸発用熱交換器（６１）と凝縮用熱交換器（６５）との間で循環させる熱媒体循環手段（６７）とを備えるものとしてもよい。

また、請求項５に記載の発明のように、凝縮用熱交換器（６５）へ流入する冷却水が流れる冷却水通路（６６）を開閉する冷却水通路開閉手段（６６１）と、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段（１８）と、内燃機関（）の燃料の温度を検出する燃料温度検出手段（１１５）と、熱媒体循環手段（６７）および冷却水通路開閉手段（６６１）の作動を制御する作動制御手段（１５）とを備え、作動制御手段（１５）は、冷却水温度検出手段（１８）により検出された冷却水の温度（Ｔ_Ｗ）が予め定めた基準冷却水温度（Ｔ_Ｓ１）を上回っており、かつ、燃料温度検出手段（１１５）により検出された燃料の温度（Ｔ_Ｆ）が予め定めた基準燃料温度（Ｔ_Ｓ２）を上回っている場合に、熱媒体循環手段（６７）を作動させるとともに、冷却水通路開閉手段（６６１）を開くものとしてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態が適用された排熱回収装置が搭載されるハイブリッド車両の全体構成図である。本発明の実施形態におけるＥＣＵ１５が行う排熱回収制御の内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図１および図２に基づいて説明する。本実施形態で示される排熱回収装置は、例えば４気筒のディーゼルエンジンと走行用モータ（電動機）を走行用駆動源として走行するハイブリッド車両に搭載されるものである。

図１は、本発明の実施形態が適用された排熱回収装置が搭載されるハイブリッド車両の全体構成図である。図１に示すように、本実施形態のハイブリッド車両には、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１０に燃料（軽油）を噴射するための燃料噴射システムが設けられている。燃料噴射システムは、燃料供給ポンプ１１と、コモンレール１２と、ＥＤＵ１３と、インジェクタ１４と、ＥＣＵ１５とを備えて構成されている。

燃料供給ポンプ１１は、コモンレール１２に高圧燃料を圧送するものである。具体的には、燃料供給ポンプ１１は、吸入配管１６１を介して燃料タンク１７から燃料を汲み上げるフィードポンプ１１１と、ＥＣＵ１５から入力される制御信号に応じてフィードポンプ１１１からポンプシリンダへ供給される燃料流量を調整する吸入調量弁１１２と、エンジン１０によって回転するカム軸とともにカムが回転するとポンプシリンダの内部に液密を保って摺動するプランジャ１１３と、燃料の逆流を防止する逆止弁１１４とを備えている。

このような燃料供給ポンプ１１では、フィードポンプ１１１にて燃料タンク１７から汲み上げられた燃料が吸入調量弁１１２によって調整され図示しないポンプ室に吸入されるようになっている。また、カムの回転に応じてプランジャ１１３がポンプシリンダ内を摺動することでポンプ室内の燃料が加圧される。そして、加圧された燃料圧力が逆止弁１１４の開弁圧を超えると、加圧された燃料が供給配管１６２を介してコモンレール１２に供給される。

さらに、燃料供給ポンプ１１には燃料温度検出手段としての燃料温度センサ１１５が備えられており、燃料タンク１７から汲み上げられた燃料の温度が検出され、当該温度に応じた信号がＥＣＵ１５に入力されるようになっている。なお、図１では燃料温度センサ１１５をブロック図で描いてあるが、実際には燃料供給ポンプ１１に取り付けられている。

そして、燃料供給ポンプ１１内の過剰な燃料は燃料配管１６３を介して燃料タンク１７に戻される。また、吸入配管１６１には、燃料タンク１７より吸入された燃料を濾過して異物を除去するフェールフィルタ１６４が配置されている。

コモンレール１２は、燃料供給ポンプ１１より供給された高圧燃料を目標レール圧に保持して蓄える畜圧手段である。この目標レール圧は、例えば、アクセル開度信号、エンジン回転数信号といったエンジン１０の運転状態に基づいて、ＥＣＵ１５によって決定される。

また、コモンレール１２には、コモンレール１２内の燃料圧力があらかじめ定めた上限値を超えたときに開弁してコモンレール１２の燃料圧力を逃がすプレッシャリミッタ１２１が取り付けられている。プレッシャリミッタ１２１より流出した燃料は、燃料配管１６３を介して燃料タンク１７に戻される。

さらに、コモンレール１２にはレール圧センサ１２２が取り付けられており、コモンレール１２内の実コモンレール圧に応じた信号がＥＣＵ１５に入力されるようになっている。

ＥＤＵ１３は、ＥＣＵ１５から入力される駆動信号に基づいて、インジェクタ１４の燃料噴射弁を開閉させる開閉信号をインジェクタ１４に入力する駆動装置である。

インジェクタ１４は、エンジン１０のシリンダに取り付けられ、ＥＤＵ１３から入力される開閉信号に基づいて燃料噴射弁を開閉することで、シリンダ内に燃料を噴射するものである。このようなインジェクタには、高圧配管１６５を介してコモンレール１２からの高圧燃料が導入される燃料入口部１４１と、燃料配管１６３を介してインジェクタ１４内部の燃料を燃料タンク１７に向けて流出させる燃料出口部１４２とを備えている。

このようなインジェクタ１４は、エンジン１０の気筒数に応じて各気筒に備え付けられており、各高圧配管１６５を介して各インジェクタ１４に高圧燃料が供給されるようになっている。なお、図１では１気筒のみを描いてある。

エンジン１０の吸排気系には、エンジン１０の燃焼室内に吸入される空気（以下、この吸入空気を吸気という）を加圧するターボ過給機２０が設けられている。このターボ過給機２０は、エンジン１０の吸気管３０内に配置されたコンプレッサ２０１と、エンジン１０の排気管４０内に配置された排気タービン２０２とを備えている。そして、排気のエネルギによって排気タービン２０２が回転駆動され、さらに排気タービン２０２によりコンプレッサ２０１が回転駆動されることにより過給を行う。また、コンプレッサ２０１側に設けた図示しないノズルの傾きを変えることにより過給圧を調整可能になっている。

吸気管３０のうちコンプレッサ２０１よりも吸気流れ上流側には、吸気量を計測する吸気量センサ３１が配置されている。吸気管３０のうちコンプレッサ２０１よりも吸気流れ下流側には、吸気を冷却するインタークーラ３２および吸気の圧力を検出する吸気圧センサ３３が配置されている。

排気管４０のうち排気タービン２０２よりも排気流れ下流側には、触媒４１が設けられている。触媒４１は、排気中のＨＣやＣＯの酸化反応を促進することにより排気の浄化を行う酸化触媒であり、排気中に含まれるカーボン等の微粒子を捕集する機能も備えている。

エンジン１０は、排気を吸気系に還流させるＥＧＲ通路５０を備えている。ＥＧＲ通路５０は、排気管４０のうち排気タービン２０２よりも排気流れ上流側から分岐して、吸気管３０のうちコンプレッサ２０１よりも吸気流れ下流側に排気を循環させるようになっている。ＥＧＲ通路５０には、このＥＧＲ通路５０を開閉してＥＧＲ量を制御するＥＧＲバルブ５１が設けられている。なお、ＥＧＲ通路５０が、本発明の排気経路に相当している。

本実施形態の排熱回収装置は、熱媒体としての水が循環する水循環回路６０を備えている。水循環回路６０には、当該水循環回路６０を流れる水とＥＧＲ通路５０を流れる排気との間で熱交換を行い、水を蒸発させる蒸発用熱交換器としての蒸発器６１が設けられている。本実施形態では、蒸発器６１は、水循環回路６０を構成する水配管６１１を、ＥＧＲ通路５０内を複数回通過するように蛇行状に形成することにより構成されている。

蒸発器６１の水流れ下流側には、蒸発器６１にて蒸発した蒸気のエネルギによって回転駆動される蒸気タービン６２と、この蒸気タービン６２と一体に回転するロータ６３１の回転に基づき発電する発電手段としての発電機６３とを備える発電装置６４が設けられている。この発電装置６４で発電された電力は、インバータ７１を介してバッテリ７２に蓄積される。ここで、発電装置６４において、蒸発器６１で排気と熱交換して蒸発した蒸気のエネルギによって蒸気タービン６２が回転駆動されるので、蒸気タービン６２はエンジン１０の排熱に基づいて作動すると言える。なお、本実施形態では、バッテリ７２として、充放電可能な二次電池（例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池）を採用し、充電された電力を走行用モータ（図示せず）等に供給している。

蒸気タービン６２の水流れ下流側には、蒸気とエンジン冷却水との間で熱交換を行い、蒸気を凝縮させる凝縮用熱交換器としての凝縮器６５が設けられている。凝縮器６５は、蒸気が流通する筐体６５１内に、エンジン冷却水が流通する冷却水通路６６を蛇行状に配置することにより構成されている。また、冷却水通路６６における凝縮器６５より冷却水流れ上流側には、冷却水通路６６を開閉する冷却水通路開閉手段としての冷却水バルブ６６１が設けられている。

凝縮器６５で凝縮した水は、筐体６５１の下方に溜まるようになっている。このため、筐体６５１の下方部は、水を貯留する貯留部６５２を構成している。貯留部６５２には、水循環回路６０に水を循環させる熱媒体循環手段としての循環ポンプ６７が設けられている。

上述した各種センサの出力は、ＥＣＵ１５に入力される。ＥＣＵ１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、各センサからの信号に基づいて所定の演算を行い、エンジン１０および排熱回収装置の各種機器の作動を制御する。具体的には、ＥＣＵ１５は、冷却水バルブ６６１および循環ポンプ６７の作動を制御して、後述する排熱回収制御を行うとともに、周知のようにインジェクタ１４の作動を制御して燃料の噴射量及び噴射時期の制御を行う。なお、ＥＣＵ１５は、本発明の作動制御手段に相当している。

また、排熱回収制御を行うため、ＥＣＵ１５には、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段としての冷却水温度センサ１８から、エンジン冷却水温度に応じた信号が入力される。

次に、上記ＥＣＵ１５における排熱回収制御について、図を参照して説明する。図２は、本実施形態におけるＥＣＵ１５が行う排熱回収制御の内容を示すフローチャートである。図２に示すフローは、エンジン１０の始動と同時にスタートする。

まず、ステップＳ１で、冷却水バルブ６６１を開け、冷却水通路６６にエンジン冷却水を循環させる。

続いて、ステップＳ２で、エンジン冷却水の温度Ｔ_Ｗが予め定めた基準冷却水温度Ｔ_Ｓ１を上回っており、かつ、燃料温度Ｔ_Ｆが予め定めた基準燃料温度Ｔ_Ｓ２を上回っているか否かを判定する。この結果、エンジン冷却水温度Ｔ_Ｗが基準冷却水温度Ｔ_Ｓ１以下となっている、もしくは燃料温度Ｔ_Ｆが基準燃料温度Ｔ_Ｓ２以下となっている場合、または、エンジン冷却水温度Ｔ_Ｗが基準冷却水温度Ｔ_Ｓ１以下となっており、かつ、燃料温度Ｔ_Ｆが基準燃料温度Ｔ_Ｓ２以下となっている場合は、エンジン１０の暖機が完了していないと判定し、再度ステップＳ２を実行する。

一方、エンジン冷却水温度Ｔ_Ｗが基準冷却水温度Ｔ_Ｓ１を上回っており、かつ、燃料温度Ｔ_Ｆが基準燃料温度Ｔ_Ｓ２を上回っている場合は、エンジン１０の暖機が完了したと判定し、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、循環ポンプ６７を作動させて、水循環回路６０に水を循環させる。

これにより、貯留部６５２に貯留されている水が蒸発器６１に供給される。そして、この水は蒸発器６１で水と熱交換することで蒸発し、その蒸気により蒸気タービン６２が回転されることにより、発電が行われる。また、蒸発器６１にて蒸発した蒸気は、蒸気タービン６２を回転させた後、凝縮器６５にてエンジン冷却水と熱交換することで凝縮し、貯留部６５２に貯留される。

以上説明したように、エンジン１０の排熱に基づいて作動する蒸気タービン６２と、蒸気タービン６２の作動により発電を行う発電機６３とを設けることで、従来であれば大気中に捨てられていたエンジン１０の排気の熱エネルギを利用して電力を発生させることができるので、車両全体としてのエネルギ効率を向上させることが可能となる。これにより、車両の燃費を向上させることができる。

ところで、従来、ＥＧＲ通路５０には、エンジン１０の吸気系に還流される排気を冷却するＥＧＲクーラが設けられていた。これに対し、本実施形態では、ＥＧＲ通路５０に排気と水との間で熱交換を行う蒸発器６１を配置しており、蒸発器６１にて排気を冷却することができるので、ＥＧＲクーラを廃止することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、蒸発器６１を、水配管６１１をＥＧＲ通路５０内を複数回通過するように蛇行状に形成することにより構成した例について説明したが、これに限らず、例えばフィンチューブ型の熱交換器としてもよい。

また、上記実施形態では、凝縮器６５を、蒸気が流通する筐体６５１内に冷却水通路６６を蛇行状に配置することにより構成した例について説明したが、これに限らず、例えばフィンチューブ型の熱交換器としてもよい。

また、上記実施形態では、エンジン１０として、軽油を燃料とするディーゼルエンジンを採用しているが、ガソリン、天然ガス、プロパンガス、灯油、水素等を燃料とする他の形式のエンジンを採用してもよい。

また、上記実施形態では、排熱回収装置をハイブリッド車両に搭載した例について説明したが、これに限らず、走行用動力源として内燃機関のみを有する通常の車両に搭載してもよい。

１０エンジン（内燃機関）
１５ＥＣＵ（作動制御手段）
１８冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）
５０ＥＧＲ通路（排気経路）
６１蒸発器（蒸発用熱交換器）
６２蒸気タービン
６３発電機（発電手段）
６５凝縮器（凝縮用熱交換器）
６７循環ポンプ（熱媒体循環手段）
１１５燃料温度センサ（燃料温度検出手段）
６６１冷却水バルブ（冷却水通路開閉手段）

Claims

内燃機関（１０）を走行用駆動源とする車両に搭載される排熱回収装置であって、
前記内燃機関（１０）から排出される排気が流通する排気径路（５０）に設けられ、前記内燃機関（１０）の排熱に基づいて作動するタービン（６２）と、前記タービン（６２）の作動により発電を行う発電手段（６３）とを備えることを特徴とする排熱回収装置。
前記排気経路（５０）に設けられ、前記排気と熱媒体との間で熱交換を行い、前記熱媒体を蒸発させる蒸発用熱交換器（６１）を備え、
前記タービン（６２）は、前記蒸発用熱交換器（６１）にて蒸発した前記熱媒体の蒸気により作動することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
前記排気経路は、前記排気の一部を前記内燃機関（１０）の吸気系に還流させるＥＧＲ通路（５０）であることを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
前記タービン（６２）の前記熱媒体流れの下流側に設けられ、前記熱媒体の蒸気と前記内燃機関（１０）の冷却水との間で熱交換を行い、前記熱媒体の蒸気を凝縮させる凝縮用熱交換器（６５）と、
前記熱媒体を前記蒸発用熱交換器（６１）と前記凝縮用熱交換器（６５）との間で循環させる熱媒体循環手段（６７）とを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の排熱回収装置。
前記凝縮用熱交換器（６５）へ流入する前記冷却水が流れる冷却水通路（６６）を開閉する冷却水通路開閉手段（６６１）と、
前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段（１８）と、
前記内燃機関（１０）の燃料の温度を検出する燃料温度検出手段（１１５）と、
前記熱媒体循環手段（６７）および前記冷却水通路開閉手段（６６１）の作動を制御する作動制御手段（１５）とを備え、
前記作動制御手段（１５）は、前記冷却水温度検出手段（１８）により検出された前記冷却水の温度（Ｔ_Ｗ）が予め定めた基準冷却水温度（Ｔ_Ｓ１）を上回っており、かつ、前記燃料温度検出手段（１１５）により検出された前記燃料の温度（Ｔ_Ｆ）が予め定めた基準燃料温度（Ｔ_Ｓ２）を上回っている場合に、前記熱媒体循環手段（６７）を作動させるとともに、前記冷却水通路開閉手段（６６１）を開くことを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。