JP5912821B2

JP5912821B2 - 熱回収システム

Info

Publication number: JP5912821B2
Application number: JP2012104843A
Authority: JP
Inventors: 芳弘橋詰; 卓俊古川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: JP2013231411A

Description

本発明は、熱回収システムに関する。

従来、車両等においてエンジンの排熱を回収して発電する熱回収システムが知られており、例えば下記特許文献１には、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果を利用した熱電素子を備えたものが開示されている。この熱回収装置では、燃焼室の上部に熱電素子を設け、当該熱電素子における高温側と低温側との間の温度差によって電力（起電力）を生じさせ、燃焼室内の熱を回収することが図られている。

特開昭６３−１１１２６９号公報

ここで、近年、上記従来の熱回収システムでは、例えばエンジンの高効率化の要求が益々高まっているのに伴い、熱回収量を向上させ、発電量を向上させることが求められている。また、上記従来の熱回収システムでは、例えば燃焼室温度が高温になると、シリンダブロックを流れる冷却水の温度も上昇することから、熱電素子の高温側と低温側との温度差（以下、単に「温度差」ともいう）が小さくなって熱回収量が不十分となる場合があり、この点においても、熱回収量の向上が求められている。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、熱回収量を向上させることができる熱回収システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱回収システムは、エンジンの熱回収を行う熱回収システムであって、シリンダライナの外周面とシリンダブロックとの間に設けられ、その高温側がシリンダライナの外周面に当接されると共に、その低温側がシリンダブロックに当接された熱電素子と、シリンダブロックに設けられ、冷却水を流通させる冷却水流路と、冷却水の温度を制御するための温度制御部と、を備えたことを特徴とする。

この熱回収システムでは、シリンダライナを熱電素子の高温側熱交換器として機能させると共に、シリンダブロックを発電素子の低温側熱交換器として機能させることができ、よって、熱電素子における温度差を好適に生じさせることができる。加えて、例えば燃焼室温度が高温になった場合でも、温度制御部により冷却水の温度を制御して冷却水温度の上昇を抑制することができ、よって、発電素子において温度差を確実に生じさせることができる。従って、本発明によれば、エンジンからの熱回収量を向上させることが可能となる。

また、冷却水を放熱させて冷却する放熱部と、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出部と、をさらに備え、温度制御部は、温度検出部で検出した冷却水の温度が所定温度よりも大きい場合、冷却水の流量が増加するように当該流量を調整することが好ましい。これにより、冷却水の温度が所定温度以上の場合に、冷却水の流量を増加させて冷却水の温度を低下させることができ、発電素子の温度差を大きくして熱回収量を向上させることができる。

また、熱電素子の高温側と低温側との温度差を検出するための温度差検出部をさらに備え、温度制御部は、温度差検出部で検出した温度差に基づいて、熱電素子により生じる電力が所定電力となるように冷却水の流量を調整することが好ましい。この場合、所望な電力量を熱電素子によって得ることができる。

また、熱電素子は、シリンダライナの外周面の上部以外に設けられており、冷却水流路は、シリンダブロックにおいてシリンダライナの外周面の上部に近接するように設けられていてもよい。この場合、熱負荷の高いシリンダライナの上部については、冷却水によって確実に冷却することができる。

本発明によれば、熱回収量を向上させることが可能となる。

実施形態に係る熱回収システムを示す構成図である。図１の熱回収システムを示す他の構成図である。図２のIII−III線に沿っての断面図である。図１の熱回収システムの処理を示すフローチャートである。変形例に係る熱回収システムの図２に対応する断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２は実施形態に係る熱回収システムを示す構成図であり、図３は図２のIII−III線に沿っての断面図である。図１〜３に示すように、本実施形態の熱回収システム１００は、例えばハイブリット（hybrid）車等の車両に搭載され、そのエンジン１の排熱を回収して発電するものである。熱回収システム１００の対象となるエンジン１としては、種類や仕様は特に限定されず、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の種々のエンジンを適用することができる。この熱回収システム１００は、ウォータジャケット（冷却水流路）１１、循環流路１２、熱電発電モジュール１３、及びＥＣＵ（Electronic Control Unit）１４、を備えている。

ウォータジャケット１１は、シリンダブロック２に設けられた冷却水流路であり、冷却水Ｗを流通させてエンジン１を冷却する。ここでのウォータジャケット１１は、シリンダブロック２において複数のシリンダ３それぞれの周囲に形成されたジャケット部１１ａが、互いに連通するように構成されている。具体的には、シリンダ３の軸方向（以下、単に「軸方向」という）視において、各ジャケット部１１ａは、シリンダ３の径方向外側にて当該シリンダ３の形状に倣った形状を有している（図３参照）。また、エンジン１の側断面視において、各ジャケット部１１ａは、シリンダブロック２の上端近傍から下端部に亘ってシリンダ３の軸方向に沿って延在している（図２参照）。

循環流路１２は、ウォータジャケット１１に接続された流路であり、冷却水Ｗを循環するように流通させる。具体的には、循環流路１２は、ウォータジャケット１１の軸方向下端側から冷却水Ｗをウォータジャケット１１へ流入させると共に、ウォータジャケット１１の軸方向上端側から冷却水Ｗをウォータジャケット１１外へ流出させる。

この循環流路１２上には、冷却水Ｗを放熱させて冷却するサブラジエータ（放熱部）１５が配設されている。サブラジエータ１５は、通常のラジエータ（不図示）とは別途に設けられた熱交換器である。循環流路１２におけるウォータジャケット１１の上流側には、冷却水Ｗの温度Ｔ_２を検出する温度センサ（冷却水温度検出部）１６が設けられている。なお、温度センサ１６は、温度Ｔ_２を熱電発電モジュール１３の低温側温度に対応するものとして検出する。温度センサ１６は、検出した温度Ｔ_２をＥＣＵ１４へ出力する。

また、循環流路１２上には、冷却水Ｗの温度Ｔ_２を制御するための温度制御部として、冷却水Ｗを圧送するポンプ１７と、循環流路１２の開閉を制御するバルブ１８とが配設されている。ポンプ１７は、循環流路１２においてサブラジエータ１５の下流側に設けられている。このポンプ１７は、ＥＣＵ１４に接続されており、そのポンプ回転数がＥＣＵ１４により制御される。バルブ１８は、循環流路１２においてポンプ１７の下流側からサブラジエータ１５へ冷却水Ｗの一部を戻す流路１９に設けられている。このバルブ１８は、ＥＣＵ１４に接続されており、そのバルブ開度がＥＣＵ１４により制御される。

熱電発電モジュール１３は、ゼーベック効果を利用して高温側（入熱側）と低温側（放熱側）との温度差により電力を生じさせる熱電素子を複数含んでいる。この熱電発電モジュール１３は、シリンダライナ４と同軸の円筒状を呈している。熱電発電モジュール１３は、シリンダライナ４の外周面４ａとシリンダブロック２との間において、これらに当接するように設けられている。すなわち、熱電発電モジュール１３の内周面（高温側）はシリンダライナ４に当接され、外周面（低温側）はシリンダブロック２に当接されている。そして、熱電発電モジュール１３の径方向外側には、シリンダブロック２を介してウォータジャケット１１が位置している。このような熱電発電モジュール１３は、燃焼室側である高温側と冷却水Ｗ側である低温側との温度差によって熱電発電される。

また、熱電発電モジュール１３は、インバータ２０を介してバッテリ２１に電気的に接続されており、これにより、熱電発電モジュール１３で発電された電力はインバータ２０により逆変換されてバッテリ２１に蓄電される。バッテリ２１は、ＨＶモータ５に電気的に接続されており、当該ＨＶモータ５へ電力供給可能とされている。この熱電発電モジュール１３の内周面には、熱電発電モジュール１３の高温側の温度Ｔ_１を検出するための温度センサ２２が設けられている。温度センサ２２は、検出した温度Ｔ_１をＥＣＵ１４へ出力する。

ＥＣＵ１４は、温度センサ１６で検出した冷却水Ｗの温度Ｔ_２が、熱電発電モジュール１３の低温側冷却温度閾値（所定温度）Ｔ_２Ｃよりも大きい場合、冷却水Ｗの流量が増加するようにポンプ１７及びバルブ１８を制御し、当該流量を調整する。また、ＥＣＵ１４は、熱電発電モジュール１３の高温側と低温側との温度差ΔＴに基づいてポンプ１７及びバルブ１８を制御し、熱電発電モジュール１３により生じる電力が所定電力となるように冷却水Ｗの流量を調整する（詳しくは、後述）。

このように構成された熱回収システム１００では、図４のフローチャートに示すように、ＥＣＵ１４による制御に応じた次の処理が実行される。すなわち、車両がキーオン状態にされると、まず、エンジン１が運転中か否かが判定される（Ｓ１）。ここでは、例えばエンジン回転数が運転判定閾値よりも大きい場合にエンジン運転フラグを立てる。

上記Ｓ１にてＹｅｓの場合、ポンプ１７のポンプ回転数Ｐｘ及びバルブ１８のバルブ開度Ｖｘが初期化され、例えばポンプ回転数Ｐｘ＝０及びバルブ開度Ｖｘ＝０にセットされる（Ｓ２）。そして、温度センサ２２により熱電発電モジュール１３の内周面の温度Ｔ_１が検出されると共に、温度センサ１６により冷却水Ｗの温度Ｔ_２が検出される（Ｓ３）。

続いて、熱電発電モジュール１３の高温側動作温度閾値Ｔ_１ｍよりも温度Ｔ_１が大きく、且つ、熱電発電モジュール１３の低温側動作温度閾値Ｔ_２ｍよりも温度Ｔ_２が大きいか否かが判定される（Ｓ４）。上記Ｓ４にてＹｅｓの場合、熱電発電モジュール１３が発電状態とされる（Ｓ５）。このとき、上述したように、熱電発電モジュール１３がシリンダライナ４及びシリンダブロック２に当接するよう設けられていることから、シリンダライナ４が熱電発電モジュール１３の高温側熱交換器として機能されると共に、シリンダブロック２が熱電発電モジュール１３の低温側熱交換器として機能される。他方、上記Ｓ４にてＮｏの場合、上記Ｓ１の処理に移行される。

上記Ｓ５の後、熱電発電モジュール１３の低温側冷却温度閾値Ｔ_２Ｃよりも温度Ｔ_２が大きいか否かが判定される（Ｓ６）。上記Ｓ６にてＹｅｓの場合、温度Ｔ_１から温度Ｔ_２が減算されて、熱電発電モジュール１３の高温側と低温側との差分である温度差ΔＴが算出されて検出される（Ｓ７）。

続いて、温度差ΔＴに関するポンプ回転数Ｐｘのマップに基づいてポンプ回転数Ｐｘが算出されると共に、温度差ΔＴに関するバルブ開度Ｖｘのマップに基づいてバルブ開度Ｖｘが算出され、これらポンプ回転数Ｐｘ及びバルブ開度Ｖｘによってバルブ１８及びポンプ１７がそれぞれ制御される（Ｓ８）。ここで、当該マップは、推定される熱電発電モジュール１３の発電量に関連付けられている。これにより、ポンプ回転数Ｐｘ及びバルブ開度Ｖｘは、温度差ΔＴと熱電発電モジュール１３の発電量とに応じてＥＣＵ１４により制御されて設定されることとなる。他方、上記Ｓ６にてＮｏの場合、上記Ｓ３の処理に移行される。

続いて、上記Ｓ８の後及び上記Ｓ１にてＮｏの場合、エンジン１が停止しているか否か判定される（Ｓ９）。エンジン１が停止している場合において、キーオフ状態のとき、ポンプ１７のポンプ回転数Ｐｘ及びバルブ１８のバルブ開度Ｖｘが初期化され、ポンプ回転数Ｐｘ＝０及びバルブ開度Ｖｘ＝０にセットされた後、処理が終了する一方、キーオフ状態でないとき、上記Ｓ１の処理に移行する（Ｓ１０，Ｓ１１）。

以上、本実施形態では、シリンダライナ４が熱電発電モジュール１３の高温側熱交換器として機能されると共に、シリンダブロック２が熱電発電モジュール１３の低温側熱交換器として機能されることになる。よって、熱電発電モジュール１３の温度差ΔＴを好適に生じさせることができる。加えて、上述したように、例えば燃焼室温度（シリンダ３内温度）が高温になった場合でも、冷却水Ｗの温度を制御して冷却水Ｗ温度の上昇を抑制でき、よって、温度差ΔＴを確実に生じさせることができる。従って、本実施形態によれば、エンジン１からの熱回収量（回収エネルギー量）を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、冷却水Ｗの温度Ｔ_２が動作温度閾値（所定温度）Ｔ_２ｍ以上の場合、冷却水Ｗの流量が増加するように当該流量を調整し、冷却水Ｗの温度Ｔ_２を低下させることができる。その結果、冷却効率を向上できると共に、熱電発電モジュール１３の温度差ΔＴを大きくして熱回収量を一層向上させることができる。

さらに、本実施形態では、上述したように、熱電発電モジュール１３の温度差ΔＴに基づいたバルブ開度Ｖｘ及びポンプ回転数Ｐｘのマップによってバルブ１８及びポンプ１７を制御でき、このマップを熱電発電モジュール１３の発電量に応じて設定することができる。よって、熱電発電による電力が所定電力となるように温度差ΔＴに基づき冷却水Ｗの流量調整でき、その結果、所望な電力量を熱電発電モジュール１３によって得ることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

図５は、変形例に係る熱回収システムの図２に対応する断面図である。図５に示すように、熱電発電モジュール１３は、シリンダライナ４の外周面４ａの上部以外に設けられていてもよい。またこの場合、ウォータジャケット１１は、シリンダブロック２においてシリンダライナ４の外周面４ａの上部に対し、径方向外側に近接するように設けられていてもよい。これにより、熱負荷の高いシリンダライナ４の上部については、冷却水Ｗによって直接的且つ確実に冷却することができる。

また、上記実施形態では、熱回収システム１００を例えばハイブリット車等の車両に搭載したが、これに限定されるものではなく、種々の適用対象に対しエンジンの熱回収を行うものとして搭載することができる。また、上記実施形態では、本発明を熱回収システムとして説明したが、本発明は、エンジン１の熱回収を行う熱回収方法として捉えることもできる。

また、上記実施形態では、ポンプ回転数Ｐｘを制御パラメータとして用いてポンプ１７を制御したが、ポンプ流量を用いても勿論よい。ちなみに、上記実施形態では、温度センサ１６が冷却水温度検出部に対応し、温度センサ１６，２２が温度差検出部に対応する。

１…エンジン、２…シリンダブロック、４…シリンダライナ、４ａ…外周面、１２…ウォータジャケット（冷却水流路）、１３…熱電発電モジュール（熱電素子）、１４…ＥＣＵ（温度制御部）、１５…サブラジエータ（放熱部）、１６…温度センサ（冷却水温度検出部，温度差検出部）、１７…ポンプ（温度制御部）、１８…バルブ（温度制御部）、２２…温度センサ（温度差検出部）、１００…熱回収システム。

Claims

エンジンの熱回収を行う熱回収システムであって、
シリンダライナの外周面とシリンダブロックとの間に設けられ、その高温側が前記シリンダライナの前記外周面に当接されると共に、その低温側が前記シリンダブロックに当接された熱電素子と、
前記シリンダブロックに設けられ、冷却水を流通させる冷却水流路と、
前記冷却水の温度を制御するための温度制御部と、を備え、
前記熱電素子は、前記シリンダライナの前記外周面の上部以外に設けられており、
前記冷却水流路は、前記シリンダブロックにおいて前記シリンダライナの前記外周面の上部に近接するように設けられていることを特徴とする熱回収システム。
前記冷却水を放熱させて冷却する放熱部と、
前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出部と、をさらに備え、
前記温度制御部は、前記温度検出部で検出した前記冷却水の温度が所定温度よりも大きい場合、前記冷却水の流量が増加するように当該流量を調整することを特徴とする請求項１記載の熱回収システム。
前記熱電素子の高温側と低温側との温度差を検出するための温度差検出部をさらに備え、
前記温度制御部は、前記温度差検出部で検出した前記温度差に基づいて、前記熱電素子により生じる電力が所定電力となるように前記冷却水の流量を調整することを特徴とする請求項１又は２記載の熱回収システム。