专利汇可以提供Exhaust heat recovery device专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust heat recovery device improving energy efficiency as the whole vehicle.
SOLUTION: This exhaust heat recovery device has a turbine 62 arranged in an EGR passage 50 for flowing exhaust gas exhausted from an engine 10 and operating based on exhaust heat of the engine 10, and a generator 63 for generating electric power by operation of the turbine 62.
COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT,下面是Exhaust heat recovery device专利的具体信息内容。
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)。
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。
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)
15 ECU(作動制御手段)
18 冷却水温度センサ(冷却水温度検出手段)
50 EGR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)
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