JP6020242B2 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に関する。

従来、内燃機関の廃熱を利用する廃熱利用装置が知られている。例えば特許文献１には、内燃機関の排気の熱（すなわち廃熱）を用いて作動流体を気体にする沸騰器（特許文献１では蒸気発生器と称されている）と、沸騰器から排出された作動流体から熱エネルギを回収する回収装置（特許文献１では車室用暖房装置がこれに相当する）とを備える廃熱利用装置が開示されている。特許文献１に係る廃熱利用装置は、内燃機関の廃熱で加熱された作動流体から熱エネルギを回収して車室用の暖房に利用している。

特開２０１０−１５６３１５号公報

特許文献１に係る廃熱利用装置の場合、内燃機関が冷間始動時の場合には、沸騰器における作動流体の気化が不十分になる可能性がある。この場合、回収装置の性能を早期に発揮させることが困難になる可能性がある。

本発明は、内燃機関の冷間始動時において回収装置の性能を早期に発揮させることができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置は、作動流体からエネルギを回収する回収装置と、液体の前記作動流体を内燃機関の廃熱を利用して気体の前記作動流体にする第１沸騰器と、前記第１沸騰器の熱容量よりも小さい熱容量を有し、且つ液体の前記作動流体を前記内燃機関の廃熱を利用して気体の前記作動流体にする第２沸騰器と、前記第１沸騰器から排出された気体の前記作動流体を前記第２沸騰器または前記回収装置に供給する通路と、前記第２沸騰器から排出された気体の前記作動流体を前記回収装置に供給する通路と、前記回収装置から排出された液体の前記作動流体を前記第１沸騰器および前記第２沸騰器に供給する通路と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置によれば、第１沸騰器において内燃機関の廃熱を利用して気体の作動流体を生成し、この作動流体を第２沸騰器または回収装置に供給することができるとともに、第２沸騰器においても内燃機関の廃熱を利用して気体の作動流体を生成して回収装置に供給することができる。また第２沸騰器の熱容量が第１沸騰器の熱容量よりも小さいため、内燃機関が冷間始動時の場合であっても、第２沸騰器によって作動流体を早期に気化して回収装置に供給することができる。その結果、内燃機関の冷間始動時において回収装置の性能を早期に発揮させることができる。

上記構成において、前記内燃機関の廃熱は、前記内燃機関の排気の熱であり、前記第２沸騰器は前記第１沸騰器よりも前記排気の流動方向で上流側に配置されていてもよい。

この構成によれば、第２沸騰器が第１沸騰器よりも排気の流動方向で下流側に配置されている場合に比較して、第２沸騰器によって作動流体を効果的に気化させることができる。その結果、内燃機関の冷間始動時において回収装置の性能をより早期に発揮させることができる。

本発明によれば、内燃機関の冷間始動時において回収装置の性能を早期に発揮させることができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することができる。

図１は実施例１に係る廃熱利用装置の構成を示す模式図である。 図２は比較例に係る廃熱利用装置の構成を示す模式図である。 図３（ａ）は作動流体の沸騰曲線を示す模式図である。図３（ｂ）は、比較例に係る廃熱利用装置の第１沸騰器および回収装置の伝熱性能を示す模式図である。図３（ｃ）は、実施例１に係る廃熱利用装置の沸騰器全体および回収装置の伝熱性能を示す模式図である。 図４は実施例２に係る廃熱利用装置の構成を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る内燃機関の廃熱利用装置５について説明する。図１は廃熱利用装置５の構成を示す模式図である。図１に示す廃熱利用装置５は車両に搭載されている。廃熱利用装置５は、内燃機関１０と、内燃機関１０の排気が通過する排気通路１５と、第１沸騰器２０と、第２沸騰器３０と、回収装置４０とを備えている。また廃熱利用装置５は、廃熱利用装置５の作動流体が通過する通路として、通路５０ａと、通路５０ｂと、通路６０ａと、通路６０ｂとを備えている。内燃機関１０の種類は特に限定されるものではなく、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の種々のエンジンを用いることができる。本実施例においては内燃機関１０の一例としてガソリンエンジンを用いる。また作動流体の種類は、内燃機関１０の排気の熱で加熱されて気体になることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。本実施例においては、作動流体の一例として内燃機関１０の冷却に使用可能な冷媒を用いる。冷媒の具体例としては、例えば水、水とエチレングリコールとが混合した不凍液等を用いることができる。本実施例においては、作動流体に用いられる冷媒の一例として、水を用いる。

第１沸騰器２０および第２沸騰器３０は、液体の作動流体を内燃機関１０の廃熱を利用して気体の作動流体にする装置である。本実施例においては、内燃機関１０の廃熱の一例として内燃機関１０の排気の熱を用いる。本実施例に係る第１沸騰器２０および第２沸騰器３０の構造は次のとおりである。まず、第１沸騰器２０および第２沸騰器３０の内部には排気通路１５が挿通している。本実施例に係る第２沸騰器３０は、第１沸騰器２０よりも排気の流動方向で上流側に配置されている。第１沸騰器２０の内部において、排気通路１５よりも上方側を上部２１と称し、下方側を下部２２と称する。また第２沸騰器３０の内部において、排気通路１５よりも上方側を上部３１と称し、下方側を下部３２と称する。

第１沸騰器２０の下部２２には、液体の作動流体が貯留されている。下部２２に貯留された液体の作動流体は、排気通路１５の排気の熱によって加熱されることで沸騰する。その結果、第１沸騰器２０において気体の作動流体（具体的には蒸気）が生成される。生成された気体の作動流体は上部２１に貯留され、その後、後述する通路６０ａを通過して第２沸騰器３０の上部３１に流入する。第２沸騰器３０の下部３２には、液体の作動流体が貯留されている。下部３２に貯留された液体の作動流体は、排気通路１５の排気の熱によって加熱されることで沸騰する。その結果、第２沸騰器３０において気体の作動流体が生成される。気体の作動流体は上部３１に貯留され、その後、後述する通路６０ｂを通過して回収装置４０に供給される。

以上のように本実施例に係る第１沸騰器２０および第２沸騰器３０は、液体の作動流体を排気通路１５の排気の熱（すなわち内燃機関１０の廃熱）によって加熱することで気体の作動流体にしている。また第１沸騰器２０の下部２２および第２沸騰器３０の下部３２は、液体の作動流体を貯留する貯留部としての機能を有し、第１沸騰器２０の上部２１および第２沸騰器３０の上部３１は、気体の作動流体を貯留する貯留部としての機能を有している。なお第１沸騰器２０および第２沸騰器３０の構造自体は、これら沸騰器内の液体の作動流体を内燃機関１０の廃熱で加熱して気体の作動流体にすることが可能なものであれば、図１の構造に限定されるものではない。

本実施例において、第２沸騰器３０の熱容量（Ｊ／Ｋ）は、第１沸騰器２０の熱容量よりも小さい。具体的には本実施例に係る第２沸騰器３０の容積は、第１沸騰器２０の容積よりも小さい。それにより、第２沸騰器３０を単位時間当たり１℃上昇させるのに必要な熱量（すなわち熱容量）は、第１沸騰器２０の熱容量よりも小さくなっている。

通路５０ａは、回収装置４０と第１沸騰器２０の下部２２とを接続している。通路５０ｂは、通路５０ａの通路途中と第２沸騰器３０の下部３２とを接続している。ここで、回収装置４０から排出された作動流体は、主として液体である。したがって、通路５０ａは、回収装置４０から排出された液体の作動流体を第１沸騰器２０に供給する通路としての機能を有している。また通路５０ｂは、回収装置４０から排出された液体の作動流体を第２沸騰器３０に供給する通路としての機能を有している。なお回収装置４０から排出された作動流体には気体の作動流体が混合していることが考えられるが、この気体の作動流体も通路５０ａを通過して第１沸騰器２０に供給され、通路５０ｂを通過して第２沸騰器３０に供給される。

通路６０ａは、第１沸騰器２０の上部２１と第２沸騰器３０の上部３１とを接続している。通路６０ｂは、第２沸騰器３０の上部３１と回収装置４０とを接続している。通路６０ａは、第１沸騰器２０から排出された気体の作動流体を第２沸騰器３０に供給する通路としての機能を有している。また通路６０ｂは、第２沸騰器３０から排出された気体の作動流体を回収装置４０に供給する通路としての機能を有している。

回収装置４０は、作動流体からエネルギを回収する装置である。本実施例においては回収装置４０の一例として、車両の車室（キャビン）を暖める暖房装置を用いる。この場合、回収装置４０は、通路６０ｂを通過して回収装置４０に供給された気体の作動流体の熱エネルギを利用して空気を暖め、暖められた空気を車室に送風する。具体的には本実施例に係る車室用暖房装置としての回収装置４０の内部には、通路６０ｂと通路５０ａとを連通する内部通路が設けられている。通路６０ｂを通過した気体の作動流体が内部通路に流入した場合、内部通路内の作動流体の熱と内部通路の周囲の空気との間で熱交換が行われることで、内部通路の周囲の空気は暖められる。回収装置４０は、この内部通路の周囲の空気を車室に送風する送風機を備えている。送風機は、車両のユーザが回収装置４０の運転開始スイッチをＯＮにした場合に、車室への送風を開始する。送風機が車室への送風を開始した場合、内部通路の周囲の暖かい空気は車室に供給される。このようにして本実施例に係る回収装置４０は、内燃機関１０の廃熱によって加熱された作動流体から熱エネルギを回収し、回収された熱エネルギによって暖められた空気を車室の暖房用に用いている。但し、車室用暖房装置としての回収装置４０の具体的構成は、これに限定されるものではない。

なお、回収装置４０の具体的構成は、本実施例のような車室用暖房装置に限定されるものではない。回収装置４０の他の例を挙げると、例えば回収装置４０として、内燃機関１０の暖機を促進させるための暖機装置を用いることもできる。具体的には、この暖機装置として、内燃機関１０（具体的には内燃機関１０のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの少なくとも一方）の周囲に配置された作動流体通路を用いることができる。この場合、通路６０ｂを経由してこの暖機装置としての作動流体通路に供給された作動流体の熱エネルギは、作動流体通路において回収され、内燃機関１０を暖めるために利用される。

本実施例に係る廃熱利用装置５は次のように作動する。まず、第１沸騰器２０の下部２２および第２沸騰器３０の下部３２に貯留されている液体の作動流体は、排気通路１５の排気の熱によって加熱されることで気化して気体の作動流体となり、それぞれ上部２１および上部３１に移動する。第１沸騰器２０の上部２１の作動流体は、通路６０ａを通過して第２沸騰器３０の上部３１に供給される。第２沸騰器３０の上部３１の作動流体は、通路６０ｂを通過して回収装置４０に供給される。回収装置４０に供給された気体の作動流体の熱は、回収装置４０において回収されて車室の暖房に利用される。その結果、気体の作動流体は凝縮して液体の作動流体になる。回収装置４０から排出された作動流体は、通路５０ａを通過して、一部は第１沸騰器２０の下部２２に供給され、残部は通路５０ｂを通過して第２沸騰器３０の下部３２に供給される。

なお廃熱利用装置５は、ポンプ等の作動流体圧送装置を例えば通路５０ａ等に備え、この作動流体圧送装置によって強制的に第１沸騰器２０または第２沸騰器３０に液体の作動流体を供給する構成であってもよい。

続いて廃熱利用装置５の効果について、比較例に係る廃熱利用装置１００と比較しつつ説明する。図２は比較例に係る廃熱利用装置１００の構成を示す模式図である。廃熱利用装置１００は、第２沸騰器３０、通路６０ａ、通路６０ｂおよび通路５０ｂを備えていない点と、第１沸騰器２０と回収装置４０とを接続する通路１１０を備えている点とにおいて、本実施例に係る廃熱利用装置５と異なっている。比較例に係る廃熱利用装置１００の場合、内燃機関１０が冷間始動時の場合（具体的には内燃機関１０の冷媒の温度が所定温度よりも低い状態で内燃機関１０が始動した時の場合）、第１沸騰器２０における作動流体の気化が不十分になる可能性がある。この場合、回収装置４０の性能を早期に発揮させることが困難になる可能性がある。この比較例に係る廃熱利用装置１００の問題点について具体的に説明すると次のようになる。

図３（ａ）は作動流体の沸騰曲線を示す模式図である。縦軸は熱流束を示し、横軸は過熱度（作動流体の飽和温度と加熱面の温度（これは排気の温度と略等しい）との差）を示している。図３（ａ）には、作動流体の圧力が高圧の場合の沸騰曲線（曲線１）と低圧の場合の沸騰曲線（曲線２）とが図示されている。図３（ａ）において、Ａ−Ｂの領域は非沸騰領域であり、Ｂ−Ｃ−Ｄの領域は核沸騰領域であり、Ｄ−Ｅの領域は遷移沸騰領域であり、Ｅ−Ｆの領域は膜沸騰領域である。図３（ａ）においてＤに相当する過熱度（△Ｔ_ｓａｔ）の作動流体が回収装置４０に供給されることが理想的である。

図３（ａ）のＤに対応する過熱度（△Ｔ_ｓａｔ）において曲線１と曲線２とを比較した場合、曲線１（高圧）の熱流束（ｑ）の方が曲線２（低圧）の熱流束（ｑ）よりも高くなっている。すなわち、気体の作動流体の圧力（これ以降、蒸気圧と称する場合がある）が高い方がより高い伝熱性能を有することができ、その結果、作動流体の蒸気圧が高くなるほど、回収装置４０をより効率的に作動させることができることが分る。逆にいえば、作動流体の蒸気圧が低い場合には、回収装置４０の性能を発揮させることが困難になることがあり得ると考えられる。これについて図を用いてさらに具体的に説明すると次のようになる。

図３（ｂ）は、比較例に係る廃熱利用装置１００の第１沸騰器２０および回収装置４０の伝熱性能を示す模式図である。具体的には図３（ｂ）の第１沸騰器２０の伝熱性能は、冷間始動時において第１沸騰器２０が作動流体の熱を受熱する際の伝熱性能（すなわち受熱性能）を意味している。また図３（ｂ）の回収装置４０の伝熱性能は、冷間始動時において回収装置４０が作動流体から熱を奪う際の伝熱性能（すなわち凝縮性能）を示している。比較例に係る廃熱利用装置１００の場合、冷間始動時において、回収装置４０における作動流体の凝縮性能の方が第１沸騰器２０における作動流体の受熱性能よりも高くなっている。この場合、冷間始動時において作動流体は、回収装置４０において速やかに凝縮してしまうため、回収装置４０の暖機が進むまで通路１１０の作動流体の蒸気圧は十分に高圧化しない。したがって、比較例に係る廃熱利用装置１００の場合、内燃機関１０が冷間始動時の場合には、第１沸騰器２０において十分に高圧な蒸気圧の作動流体を早期に生成することが困難になるため、回収装置４０の性能を早期に発揮させることが困難になってしまう。

これに対して本実施例に係る廃熱利用装置５によれば、第１沸騰器２０において内燃機関１０の廃熱を利用して気体の作動流体を生成し、この作動流体を第２沸騰器３０に供給することができるとともに、第２沸騰器３０においても内燃機関１０の廃熱を利用して気体の作動流体を生成して回収装置４０に供給することができる。すなわち、第１沸騰器２０と第２沸騰器３０との両方によって作動流体を気体にして回収装置４０に供給することができる。また第２沸騰器３０の熱容量が第１沸騰器２０の熱容量よりも小さいため、内燃機関１０が冷間始動時の場合のように排気温度が低温の場合であっても、第２沸騰器３０によって作動流体を早期に気化して回収装置４０に供給することができる。それにより、回収装置４０に蒸気圧の高い作動流体を早期に供給することができる。その結果、内燃機関１０の冷間始動時において回収装置４０の性能を早期に発揮させることができる。

上述した本実施例に係る廃熱利用装置５の効果を図を用いて説明すると次のようになる。図３（ｃ）は、廃熱利用装置５の沸騰器全体（第１沸騰器２０および第２沸騰器３０）および回収装置４０の伝熱性能を示す模式図である。具体的には図３（ｃ）の沸騰器全体の伝熱性能は、冷間始動時における沸騰器全体の作動流体の受熱性能を意味している。図３（ｃ）の回収装置４０の伝熱性能は、冷間始動時における回収装置４０の作動流体の凝縮性能を意味している。廃熱利用装置５によれば、冷間始動時において沸騰器全体の受熱性能が回収装置４０の凝縮性能を上回っているため、冷間始動時において、作動流体を凝縮器全体で効果的に高圧化することができる。その結果、冷間始動時において回収装置４０の性能を早期に発揮させることができる。また本実施例に係る回収装置４０は車室用の暖房装置であるため、本実施例に係る廃熱利用装置５によれば、内燃機関１０が冷間始動時であっても、車室用の暖房装置の性能を早期に発揮させて車室を早期に暖めることができる。

なお本実施例に係る廃熱利用装置５は、廃熱利用装置５が作動するに際して、作動流体が通過する通路を切替える等の特段の制御を実行する必要がないため、全体的にシンプルな構成といえる。そのため、廃熱利用装置５の車両への搭載の自由度は高い。したがって、廃熱利用装置５は幅広い車種に容易に搭載することが可能である。

なお本実施例において、第２沸騰器３０は第１沸騰器２０よりも排気の流動方向で上流側に配置されているが、これに限定されるものではない。第２沸騰器３０が第１沸騰器２０よりも排気の流動方向で下流側に配置されていても、廃熱利用装置５は上述した作用効果を奏することは可能である。しかしながら、排気通路１５の排気の温度は上流側の方が下流側よりも高いため、本実施例のように第２沸騰器３０が第１沸騰器２０よりも排気の流動方向で上流側に配置されている方が、第２沸騰器３０が第１沸騰器２０よりも下流側に配置されている場合よりも、第２沸騰器３０によって作動流体を効果的に気化させることができる。その結果、内燃機関１０の冷間始動時において回収装置４０の性能をより早期に発揮させることができる。

ところで、例えば図２の比較例に係る廃熱利用装置１００が、第１沸騰器２０に代えて第２沸騰器３０を備えている場合（この廃熱利用装置を比較例２に係る廃熱利用装置と称する）、この比較例２に係る廃熱利用装置は、廃熱利用装置１００よりも沸騰器全体の熱容量が小さいため、廃熱利用装置１００に比較して冷間始動時において早期に作動流体を気化することが可能であるとも考えられる。しかしながら、比較例２に係る廃熱利用装置と本実施例に係る廃熱利用装置５とを比較した場合、本実施例に係る廃熱利用装置５の沸騰器全体（第１沸騰器２０および第２沸騰器３０）によって得られる蒸気量は、この比較例２に係る廃熱利用装置に係る沸騰器全体（第２沸騰器３０のみ）によって得られる蒸気量よりも多いため、本実施例に係る廃熱利用装置５の方が比較例２に係る廃熱利用装置よりも冷間始動時において回収装置４０をより効果的に作動させることができる。この点において、本実施例に係る廃熱利用装置５は比較例２に係る廃熱利用装置よりも優れている。

続いて本発明の実施例２に係る内燃機関の廃熱利用装置５ａについて説明する。図４は廃熱利用装置５ａの構成を示す模式図である。廃熱利用装置５ａは、実施例１に係る廃熱利用装置５と同様に、車両に搭載されている。廃熱利用装置５ａは、通路６０ａおよび通路６０ｂを備える代わりに通路６０ｃを備えている点において、図１に示す実施例１に係る廃熱利用装置５と異なっている。廃熱利用装置５ａのその他の構成は廃熱利用装置５と同様である。

通路６０ｃは、第１通路部６１と第２通路部６２とを備えている。第１通路部６１は、第１沸騰器２０の上部２１と第２沸騰器３０の上部３１とを接続している。第２通路部６２は、第１通路部６１の通路途中と回収装置４０とを接続している。第１沸騰器２０の上部２１に存在する気体の作動流体は、第１通路部６１および第２通路部６２を通過して回収装置４０に流入する。第２沸騰器３０の上部３１に存在する気体の作動流体は、第１通路部６１および第２通路部６２を通過して回収装置４０に流入する。このように本実施例に係る通路６０ｃは、第１沸騰器２０から排出された気体の作動流体を回収装置４０に供給する通路としての機能を有するとともに、第２沸騰器３０から排出された気体の作動流体を回収装置４０に供給する通路としての機能も有している。

本実施例に係る廃熱利用装置５ａは、次に説明するように実施例１と同様の効果を奏することができる。具体的には廃熱利用装置５ａによれば、第１沸騰器２０において内燃機関１０の廃熱を利用して気体の作動流体を生成し、この作動流体を回収装置４０に供給することができるとともに、第２沸騰器３０においても内燃機関１０の廃熱を利用して気体の作動流体を生成して回収装置４０に供給することができる。すなわち本実施例においても実施例１と同様に、第１沸騰器２０と第２沸騰器３０との両方によって作動流体を気体にして回収装置４０に供給することができる。それにより、内燃機関１０が冷間始動時の場合であっても、熱容量の相対的に小さい第２沸騰器３０によって作動流体を早期に気化して回収装置４０に供給することができる。その結果、内燃機関１０の冷間始動時において回収装置４０の性能を早期に発揮させることができる。

また本実施例に係る廃熱利用装置５ａにおいても、第２沸騰器３０が第１沸騰器２０よりも排気の流動方向で上流側に配置されていることから、第２沸騰器３０によって作動流体を効果的に気化させることができる。その結果、第２沸騰器３０が第１沸騰器２０よりも下流側に配置されている場合に比較して、内燃機関１０の冷間始動時において回収装置４０の性能をより早期に発揮させることができる。また廃熱利用装置５ａは、廃熱利用装置５ａが作動するに際して作動流体が通過する通路を切替える等の特段の制御を実行する必要がないため、全体的にシンプルな構成となっている。そのため、廃熱利用装置５ａの車両への搭載の自由度は高く、その結果、幅広い車種に容易に搭載することが可能である。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ 廃熱利用装置
１０ 内燃機関
２０ 第１沸騰器
３０ 第２沸騰器
４０ 回収装置
５０ａ，５０ｂ 通路
６０ａ，６０ｂ，６０ｃ 通路
１００ 廃熱利用装置
１１０ 通路

Claims (2)

1. 作動流体からエネルギを回収する回収装置と、
   液体の前記作動流体を内燃機関の廃熱を利用して気体の前記作動流体にする第１沸騰器と、
   前記第１沸騰器の熱容量よりも小さい熱容量を有し、且つ液体の前記作動流体を前記内燃機関の廃熱を利用して気体の前記作動流体にする第２沸騰器と、
   前記第１沸騰器から排出された気体の前記作動流体を前記第２沸騰器に供給する通路と、
   前記第２沸騰器から排出された気体の前記作動流体を前記回収装置に供給する通路と、
   前記回収装置から排出された液体の前記作動流体を前記第１沸騰器および前記第２沸騰器に供給する通路と、を備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 前記内燃機関の廃熱は、前記内燃機関の排気の熱であり、
   前記第２沸騰器は前記第１沸騰器よりも前記排気の流動方向で上流側に配置されている請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置。
   
   

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