説明

廃熱回収装置

【課題】エンジンの廃熱回収装置におけるタービンの強度限界を超える過剰な回転を抑制することを課題とする。
【解決手段】廃熱回収装置1は、エンジン本体3、過熱器7においてエンジン100の廃熱を回収した蒸気により駆動されるタービン4と、電磁クラッチ50によりタービン4のシャフト4aに連結される第1プーリ5、クランクシャフト11に設けられた第2プーリ12、及び、第1プーリ5と第2プーリ12とに張設されたベルト6によりタービン4からクランクシャフト11へ動力を回収する動力回収手段と、タービン4の過回転を判断すると、電磁クラッチ50により第1プーリ5をタービン4のシャフト4aに連結し、タービン4のシャフト4aにかかる負荷を調整するECU15と、を備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ランキンサイクルを利用してエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、内燃機関(エンジン)の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機(タービン)を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。
【0003】
このような廃熱回収装置を改良したものが特許文献1に開示されている。特許文献1に記載された内燃機関は、運転状態に応じて冷却経路内の内圧、温度を制御し、熱効率の向上を図っている。
【0004】
【特許文献1】特開2000−345835号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1の装置では、仮にシステムの故障等があった場合、冷却経路において発生する蒸気の量を制御できずに、過剰な量の蒸気がタービンへ流入することが考えられる。このように過剰な量の蒸気がタービンへ流入する場合、タービンが強度限界を超えて回転し、破損することが懸念される。
【0006】
そこで、本発明は、タービンの強度限界を超える過剰な回転を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱により、当該エンジン内を循環する冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、当該蒸気化手段により発生した蒸気によって駆動されるタービンと、前記タービンから動力を回収する動力回収手段と、前記タービンの過回転判断時に、前記タービンの過回転を抑制する過回転抑制手段と、を備えたことを特徴とする。このような構成とすることにより、廃熱回収装置は、タービンがタービンの強度限界を超えて過剰に回転することを抑制することができる。
【0008】
このような廃熱回収装置において、前記過回転抑制手段は、前記タービンにかかる負荷を調節する負荷調節手段を備えた構成とすることができる。このような構成とすることにより、廃熱回収装置は、タービンの回転負荷を増加して、タービンがタービンの強度限界を超えて過剰に回転することを抑制することができる。
【0009】
さらに、このような廃熱回収装置において、前記動力回収手段は、前記タービンのシャフトに連結される第1プーリと、クランクシャフトに設けられた第2プーリと、前記第1プーリと前記第2プーリとに張設されたベルトと、を備え、前記負荷調節手段は、前記タービンの過回転判断時に、前記第1プーリを前記タービンのシャフトに連結するクラッチを備えた構成とすることができる。このような構成とすることにより、タービンが過回転するような状況で、タービンのシャフトにはクランクシャフトを駆動するための反力が加えられ、回転負荷が増加するため、タービンの過回転が抑制される。
【発明の効果】
【0010】
本発明は、タービンの強度限界を超える過剰な回転を抑制し、タービンの破損を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例1】
【0012】
本発明の実施例1について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施例の廃熱回収装置1を組み込んだエンジン100を示した説明図である。
【0013】
廃熱回収装置1は、エンジン100の廃熱から回収した蒸気エネルギーを駆動力としてエンジン100に用いる装置である。廃熱回収装置1には、蒸気状態の冷媒及び液相状態の冷媒が流通する冷媒通路2がループ状に形成されている。冷媒は、この冷媒通路2を循環する。冷媒通路2は、エンジン本体3内に形成されたウォータジャケットを含んでいる。冷媒はエンジン本体3の燃焼熱によって加熱され蒸気化する。エンジン本体3は、本発明の蒸気化手段として機能する。また、冷媒通路2には、この冷媒の蒸気によって駆動されるタービン4が備えられている。このタービン4は衝動型のタービンである。また、タービン4の外部で、タービン4のシャフト4aに第1プーリ5が設けられている。
【0014】
図2は、第1プーリ5を断面にし、拡大して示した説明図である。図2(a)は、電磁クラッチ50のOFF時を示した説明図であり、図2(b)は、電磁クラッチ50のON時を示した説明図である。第1プーリ5には、パウダー式の電磁クラッチ50が備えられている。電磁クラッチ5は、本発明の負荷調節手段に相当し、第1プーリ5は、この電磁クラッチ50により、タービン4のシャフト4aに連結する。電磁クラッチ50は、ドライブヨーク51、ドリブンヨーク52を備えている。ドリブンヨーク52内には電磁コイル53が組み込まれている。また、ドライブヨーク51とドリブンヨーク52との僅かな隙間に、磁気特性の優れたパウダー鉄粉54が注入されている。図2(b)のように、電磁クラッチ50をON、すなわち、電磁コイル53へ電流を流すことにより、電磁コイル53により形成される磁束に沿ってパウダー鉄粉54が鎖状に連結し、ドライブヨーク51とドリブンヨーク52とを連結する。従って、電磁コイル53の通電時に第1プーリ5がシャフト4aに連結される。また、電磁コイル53へ通電する電流を弱めれば半クラッチ状態とすることができる。
【0015】
さらに、エンジン100のクランクシャフト11には、第2プーリ12が設けられている。ベルト6は、第1プーリ5と第2プーリ12とに張設されて、シャフト4aの回転をクランクシャフト11へ伝達する。これら第1プーリ5、ベルト6、第2プーリ12、クランクシャフト11は、タービン4から動力を回収する動力回収手段として機能する。
【0016】
また、廃熱回収装置1は、エンジン本体3とタービン4との間の冷媒通路2上に過熱器7を備えている。過熱器7には排気通路8が引き込まれている。過熱器7は、排気通路8中を流通する排気ガスから熱を回収し、タービン4へ供給される蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。このように、過熱器7によって高温、高圧となった蒸気がタービン4に流入し、タービン4が駆動される。過熱器7は、エンジン本体3内で蒸気化した冷媒へエンジン100の廃熱を回収させる。
【0017】
冷媒通路2には、タービン4の下流側に蒸気となった冷媒を再び液体に戻す凝縮器9が備えられている。凝縮器9によって液体に戻された冷媒は、ポンプ10によって再びエンジン本体3内のウォータジャケットに供給される。なお、廃熱回収装置1は、いわゆるランキンサイクルを実現する構成となっている。廃熱回収装置1はランキンサイクルを構成し、蒸気を介してエンジン本体3の廃熱をクランクシャフト11の補助動力として回収する。
【0018】
廃熱回収装置1の冷媒通路2上の過熱器7とタービン4との間に蒸気圧センサ13が設置されている。蒸気圧センサ13は、本発明の蒸気圧計測手段の一例であり、タービン4に流入する蒸気の圧力を計測する。蒸気圧センサ13は、ECU(Electronic Control Unit)15と電気的に接続されている。また、ECU15は、電磁クラッチ50と電気的に接続されており、電磁コイル53への通電を制御する。ECU15は、蒸気圧センサ13から取得する蒸気圧に基づいて、タービン4へ流入する蒸気エネルギーを予測し、タービン4の過回転を判断する。ECU15は、タービン4の過回転を判断すると、電磁コイル53への通電を制御し、タービン4のシャフト4aへ第1プーリ5を連結させる。シャフト4aに第1プーリ5が連結すると、タービン4のシャフト4aにかかる負荷が増加する。
【0019】
ところで、廃熱回収装置1は、蒸気圧センサ13に代えて、蒸気温度センサ14を備えることができる。蒸気温度センサ14は、本発明の蒸気温度計測手段の一例であり、タービン4に流入する蒸気の温度を計測する。また、蒸気温度センサ14は、ECU15と電気的に接続されている。この場合、ECU15は、蒸気温度センサ14から取得する蒸気温度から、タービン4へ流入する蒸気エネルギーを予測し、タービン4の過回転を判断する。
【0020】
次に、廃熱回収装置1の動作について説明する。エンジン100の冷間始動時のように、エンジン100からの廃熱が少ない場合、蒸気化する冷媒も少ない。この時点でタービン4が回転する場合もあるが、クランクシャフト11へ補助動力を回収できるほどの回転速度が得られない。ここで、第1プーリ5がシャフト4aに連結していると、却って、シャフト4aの回転抵抗となる。そこで、このような廃熱が少ない場合、廃熱回収装置1の第1プーリ5の電磁クラッチ50をOFFとして、シャフト4aからの回転の伝達を遮断する。
【0021】
エンジン100の暖機が進行し、ECU15が、タービン4へ流入する蒸気の状態がクランクシャフト11へ補助動力を回収できる状態となったと判断すると、ECU15は、廃熱回収装置1の第1プーリ5の電磁クラッチ5をONとして、シャフト4aの回転を第1プーリ5へ伝達する。第1プーリ5が回転すると、ベルト6を介して第2プーリ12へ回転が伝達し、クランクシャフト11へ回転、すなわち、動力が伝達される。このような第1プーリ5、ベルト6、第2プーリ12、クランクシャフト11は、動力回収手段の一例である。なお、動力回収手段として、クランクシャフト11に代えて、発電機のシャフトへ第2プーリ12を設けて、タービン4から伝達される動力を発電機により電気エネルギーに変換し、蓄電することとしても良い。
【0022】
次に、廃熱回収装置1の暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御について説明する。通常、暖機中は補助動力を回収するほど、回転速度が得られないため、電磁クラッチ50がOFFとなっており、タービン4のシャフト4aの回転抵抗は小さい。ところが、暖機中にもかかわらず、エンジン100が何らかの理由により異常をきたし蒸気が多量に発生することがある。蒸気が多量に発生し、タービン4へ流入すると、シャフト4aの回転抵抗が小さいため、タービン4は過剰に回転し、破損してしまうことが考えられる。
【0023】
図3は、ECU15が行う暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御のフローである。ECU15はステップS1で、蒸気圧センサ13からタービン4へ流入する蒸気の蒸気圧を取得する。次に、ECU15はステップS2で、取得した蒸気圧が所定値P以上であるか否かを判断する。暖機時に、取得した蒸気圧が所定値P以上である場合、ECU15は、蒸気が過剰に発生していると判断する。ここで、所定値Pは、発生する蒸気の見込み量を示したマップに照合して算出される値であって、タービン4が破損を引き起こさない蒸気エネルギーの閾値に対応する圧力の値である。なお、この際、暖機時であるか否かは、エンジン100のウォータジャケットの水温に基づいて判断している。
【0024】
ECU15はステップS2において、YESと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値P以上である場合、ステップS3へ進む。ECU15は、ステップS3において、電磁クラッチ50をONの状態とする。これにより、タービン4のシャフト4aと第1プーリ5が連結する。第1プーリ5はベルト6によりクランクシャフト11に設けられた第2プーリ12と接続しているため、シャフト4aの回転がクランクシャフト11へ伝えられる事となる。この際、シャフト4aには反力として負荷が加わるため、タービン4の過回転が抑制され、タービン4の破損が防止される。
【0025】
ところで、ECU15がステップS2において、NOと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値P以上でない場合、蒸気が過剰に発生することもない。したがって、廃熱回収装置1は、装置の状態をそのまま維持する。ECU15は制御の処理を終えて、リターンする。
【0026】
なお、廃熱回収装置1が蒸気圧センサ13に代えて、蒸気温度センサ14を備えている場合、暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御において、ECU15はステップS1で、蒸気温度センサ14からタービン4へ流入する蒸気の温度を取得する。次に、ECU15はステップS2で、取得した蒸気温度が所定値T以上であるか否かを判断する。暖機時に、蒸気温度が所定値T以上である場合、ECU15は、蒸気が過剰に発生していると判断する。ここで、所定値Tは、発生する蒸気の見込み量を示したマップに照合して算出される値であって、タービン4が破損を引き起こさない蒸気エネルギーの閾値に対応する温度の値である。
【0027】
このように、廃熱回収装置1は、エンジン100の暖機時にシステム異常などにより、タービン4へ流入する蒸気が急激に増加した場合、タービン4のシャフト4aに負荷を加えて、タービン4の過剰な回転を抑制し、タービン4の破損を抑制する。また、廃熱回収装置1は、ランキンサイクル系が故障した場合においても、タービン4のシャフト4aに負荷を加え、タービン4の過剰な回転を抑制するため、エンジン100の運転を制限することがない。
【実施例2】
【0028】
次に、本発明の実施例2について説明する。図4は、本実施例の廃熱回収装置21を組み込んだエンジン100を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置21は、実施例1の廃熱回収装置1と同様の構成を有する。本実施例の廃熱回収装置21は、蒸気圧センサ13に代えて、タービン4の回転数を計測する回転数センサ22を備えている。回転数センサ22は、本発明の回転数計測手段の一例である。回転数センサ22はECU15と電気的に接続されており、回転数センサ22からタービン4の回転数を取得する。本実施例では、ECU15は、回転数センサ22により取得されるタービン4の回転数に基づいて、タービン4の過回転を判断し、前記タービン4のシャフト4aにかかる負荷を変更する。なお、その他の構成は実施例1と同一であるため、実施例1と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0029】
次に、廃熱回収装置21の暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御について説明する。実施例1では、タービン4に流入する蒸気の圧力(温度)に基づいて、タービン4が過回転となるか否かを判断していたが、本実施例では、タービン4の回転数に基づいて、タービン4が過回転となるか否かを判断する。
【0030】
図5は、ECU15が行う暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御のフローである。ECU15はステップS11で、回転数センサ22からタービン4の回転数を取得する。次に、ECU15はステップS12で、取得したタービン4の回転数が所定値N以上であるか否かを判断する。ここで、所定値Nは、発生する蒸気の見込み量を示したマップに照合して算出される値であって、タービン4が破損を引き起こさない蒸気エネルギーの閾値に対応する回転数の値である。なお、この際、暖機時であるか否かは、エンジン100のウォータジャケットの水温に基づいて判断している。
【0031】
ECU15はステップS12において、YESと判断する場合、すなわち、タービン4の回転数が所定値N以上である場合、ステップS13へ進む。ECU15は、ステップS13において、電磁クラッチ50をONの状態とする。これにより、タービン4のシャフト4aと第1プーリ5が連結する。第1プーリ5はベルト6によりクランクシャフト11に設けられた第2プーリ12と接続しているため、シャフト4aの回転がクランクシャフト11へ伝えられる事となる。この際、シャフト4aには反力として負荷が加わるため、タービン4の過回転が抑制され、タービン4の破損が防止される。
【0032】
ところで、ECU15がステップS12において、NOと判断する場合、すなわち、タービン4の回転数が所定値N以上でない場合、蒸気が過剰に発生することがない。したがって、廃熱回収装置21は、装置の状態をそのまま維持する。ECU15は制御の処理を終えて、リターンする。
【0033】
このように、廃熱回収装置21は、エンジン100の暖機時にシステム異常などにより、タービン4へ流入する蒸気が急激に増加した場合、タービン4のシャフト4aに負荷を加えて、タービン4の過剰な回転を抑制し、タービン4の破損を抑制する。また、廃熱回収装置21は、ランキンサイクル系が故障した場合においても、タービン4のシャフト4aに負荷を加え、タービン4の過剰な回転を抑制するため、エンジン100の運転を制限することがない。
【実施例3】
【0034】
次に、本発明の実施例3について説明する。図6は、本実施例の廃熱回収装置31を組み込んだエンジン100を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置31は、電磁クラッチ50を備えた第1プーリ5に代えて、シャフトプーリ32を備えている点と、バイパス通路33と三方弁34とを備えた点で、廃熱回収装置1と相違している。シャフトプーリ32は、シャフト4aに一体に設けられており、シャフト4aとともに回転し、動力をクランクシャフト11側へ伝達する。バイパス通路33は、過熱器7を通過した蒸気がタービン4をバイパスするように設けられている。三方弁34は、冷媒通路2からバイパス通路33への分岐点に設けられている。また、三方弁34は、ECU15と電気的に接続されている。なお、その他の構成は実施例1と同一であるため、実施例1と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0035】
次に、廃熱回収装置31の暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御について説明する。本実施例では、廃熱回収装置31は、タービン4に流入する蒸気の圧力(温度)に基づいて、タービン4への蒸気の流入を制御する。
【0036】
図7は、ECU15が行う暖機中におけるタービン4の過回転を抑制する制御のフローである。本実施例におけるECU15の制御では、ステップS21は、実施例1のステップS1と同様であり、ステップS22は、ステップS2と同様である。ECU15は、ステップS22で、YESと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値P以上である場合、ステップS23、ステップS24の処理へ進む。ECU15は、ステップS23で、蒸気がタービン4をバイパスするように、三方弁34を切り替える。これにより、タービン4への蒸気の流入が遮断され、タービン4の過回転が抑制される。さらに、ECU15は、ステップS24で、ポンプ10の吐出量を制御し、エンジン本体3へ供給する冷媒量を制御し、蒸気の発生量を低減する。なお、ステップS23とステップS24は順序を入れ替えてもよい。
【0037】
ところで、ECU15がステップS22において、NOと判断する場合、すなわち、取得した蒸気圧が所定値P以上でない場合、蒸気が過剰に発生することもない。したがって、廃熱回収装置1は、装置の状態をそのまま維持する。ECU15は制御の処理を終えて、リターンする。
【0038】
また、このような制御は、実施例1同様、蒸気の温度に基づいて判断することとしても良い。
【0039】
このように、廃熱回収装置31は、エンジン100の暖機時にシステム異常などにより、タービン4へ流入する蒸気が急激に増加した場合、タービン4への蒸気の流入を遮断して、タービン4の過剰な回転を抑制し、タービン4の破損を抑制する。また、この廃熱回収装置31は、タービン4の回転数を取得し、タービン4の回転数に基づいて、タービン4が過回転となるか否かを判断することとしても良い。この際、タービン4が過回転となると判断した際の処理は、蒸気の状態からタービンが過回転となると判断した場合と同様であるため、その説明は省略する。
【0040】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【0041】
動力回収装置は、エンジン100の廃熱から回収した蒸気エネルギーを、エンジン100において駆動力として用いる。このような駆動力は、クランクシャフト11へ伝達する以外にも、例えば、カムシャフト、ポンプ、その他エンジン100の装置の駆動に利用することができる。
【0042】
また、実施例中のタービン4は反動型タービンとすることができる。また、第1プーリ5の電磁クラッチ50は、パウダー式の電磁クラッチに代えて、摩擦板式、かみ合い式、ヒステリシス式の電磁クラッチを組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】実施例1の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。
【図2】第1プーリを断面にし、拡大して示した説明図であって、(a)は、電磁クラッチのOFF時を示した説明図であり、(b)は、電磁クラッチのON時を示した説明図である。
【図3】実施例1におけるタービンの過回転を抑制する制御のフローである。
【図4】実施例2の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。
【図5】実施例2におけるタービンの過回転を抑制する制御のフローである。
【図6】実施例3の廃熱回収装置を組み込んだエンジンを示した説明図である。
【図7】実施例3におけるタービンの過回転を抑制する制御のフローである。
【符号の説明】
【0044】
1、21、31 廃熱回収装置
2 冷媒通路
3 エンジン本体
4 タービン
4a シャフト
5 第1プーリ
50 電磁クラッチ
6 ベルト
7 過熱器
11 クランクシャフト
12 第2プーリ
13 蒸気圧センサ
14 蒸気温度センサ
15 ECU
16、23 タービン過回転抑制装置
22 回転数センサ
100 エンジン

【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンの廃熱により、当該エンジン内を循環する冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
当該蒸気化手段により発生した蒸気によって駆動されるタービンと、
前記タービンから動力を回収する動力回収手段と、
前記タービンの過回転判断時に、前記タービンの過回転を抑制する過回転抑制手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項2】
請求項1記載の廃熱回収装置において、
前記過回転抑制手段は、前記タービンにかかる負荷を調節する負荷調節手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項3】
請求項2記載の廃熱回収装置において、
前記動力回収手段は、
前記タービンのシャフトに連結される第1プーリと、
クランクシャフトに設けられた第2プーリと、
前記第1プーリと前記第2プーリとに張設されたベルトと、を備え、
前記負荷調節手段は、
前記タービンの過回転判断時に、前記第1プーリを前記タービンのシャフトに連結するクラッチを備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項4】
請求項2記載の廃熱回収装置において、
前記タービンに流入する蒸気の圧力を計測する蒸気圧計測手段と、前記タービンに流入する蒸気の温度を計測する蒸気温度計測手段の少なくとも一つを備え、
前記負荷調節手段は、前記蒸気圧計測手段から取得する蒸気圧と、前記蒸気温度計測手段から取得する蒸気温度の少なくとも一つに基づいて、前記タービンの過回転を判断することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項5】
請求項2記載の廃熱回収装置において、
前記タービンの回転数を計測する回転数計測手段を備え、
前記負荷調節手段は、前記回転数計測手段により取得される前記タービンの回転数に基づいて、前記タービンの過回転を判断することを特徴とする廃熱回収装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2010−101283(P2010−101283A)
【公開日】平成22年5月6日(2010.5.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−275461(P2008−275461)
【出願日】平成20年10月27日(2008.10.27)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】