JP2014070630A - 車両用廃熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の稼働時は廃熱冷却液の熱エネルギーを常時回収することにより、内燃機関の省燃費化を図ることができるサーモスタットの提供を目的とする。
【解決手段】内燃機関１の冷却液流通路を流れる冷却液温度によって流通路を切換えるサーモスタット２と、冷却液を冷却するラジエータ６と、冷却液を熱源として、熱エネルギーを回収する廃熱回収装置５とを備え、サーモスタット２は、内燃機関１側から流入する冷却液を該冷却液の温度にかかわらず常時廃熱回収装置５側に流れるように設けられた廃熱回収口を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用廃熱回収システムに関する。

内燃機関を搭載した車両において、内燃機関の廃熱エネルギーを廃熱回収装置により回収して、内燃機関の熱効率を向上させることが行われている。

特許文献１によると、内燃機関と、該内燃機関により駆動される冷媒圧縮用のコンプレッサと、冷媒用の熱交換器と、内燃機関の熱を冷媒に伝えるための廃熱回収装置とを備え、内燃機関の温度が所定値より低い場合には、廃熱回収装置の熱交換器による熱交換を停止させる制御手段を備えている。制御手段としてサーモスタットを用いている。
このようにすることで、内燃機関が過冷されることを防止でき、耐久性向上、燃焼状態の改善を図っている。

また、特許文献２によると、内燃機関を冷却する冷却液が循環する冷却液循環路と、冷却液と熱交換することにより作動媒体を過熱する第１熱交換器と、第１熱交換器で加熱された作動媒体を膨張させる膨張器と、該膨張器で膨張された作動媒体を冷却するコンデンサと、コンデンサで冷却された作動媒体を循環するポンプとを備えたランキンサイクルを備え、冷却液を排ガスで加熱して、加熱された冷却液を第１熱交換器で熱エルギーに交換するようにしている。
しかし、冷却液温度が高くなりすぎて作動媒体が炭化するのを防止するため、第１熱交換器に流入する冷却液の流量をサーモスタットによって調整する技術が開示されている。

特開昭６２−８４２７３号公報 特開２００６−１４４７４４号公報

ところが、特許文献１及び特許文献２においては、サーモスタットによって冷却液が予め設定された温度以上にならないと廃熱回収装置による熱エネルギー回収を行わない装置になっている。
従って、予め設定された温度以上になるまで、熱エネルギー回収ができず、市街地走行時等の内燃機関の低負荷走行時は、内燃機関の冷却液温度が十分に上昇しない場合があり、内燃機関低負荷時の廃熱回収装置の効率が低下する。

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、内燃機関の稼働時は廃熱冷却液の熱エネルギーを常時回収することにより、内燃機関の省燃費化を図ることができるサーモスタットの提供を目的とする。

上記目的を達成するため本発明によれば、内燃機関と、
前記内燃機関を冷却する冷却液が流通する冷却液流通路に配置され、前記冷却液流通路を流れる冷却液の温度によって前記冷却液流通路を切換えるサーモスタットと、
前記冷却液を冷却するラジエータと、
前記冷却液を熱源として、熱エネルギーを回収する廃熱回収装置とを備え、
前記サーモスタットは、前記内燃機関側から流入する前記冷却液を該冷却液の温度にかかわらず常時前記廃熱回収装置側に流れるように設けられた廃熱回収口を有することを特徴とする廃熱回収システムを提供できる。

本発明によれば、冷却液を該冷却液の温度にかかわらず常に廃熱回収装置側に流れるようにしたので、内燃機関始動直後から熱エネルギー回収が可能となり、回収した熱エネルギーによる内燃機関の燃費向上が可能となる。

また、本発明において好ましくは、前記サーモスタットは前記内燃機関外周部に前記冷却液流通路の一部を形成して取り付けられていると共に、前記廃熱回収口は前記内燃機関の外方へ突出しているとよい。

このような構成にすることにより、サーモスタットの廃熱回収装置への冷却液の廃熱回収口は内燃機関外方へ突出した構造としなっている。
従って、冷却液を廃熱回収装置へ流す通路（ゴムホース、又は金属パイプ）は外付けとなり、内燃機関の改修が不要となり、サーモスタットの小幅な改修で廃熱回収が可能となり、コスト上昇を抑制すると共に、内燃機関の省燃費効果が大きい。

また、本発明において好ましくは、前記内燃機関から前記廃熱回収装置への廃熱回収冷却液流通路に介装され、前記冷却液を前記内燃機関の排ガスで加熱する熱交換器を設けるとよい。

このような構成にすることにより、排ガスの熱で冷却液を加熱するようにしたので、廃熱回収装置における熱エネルギーの回収量が増加し、更なる内燃機関の省燃費化が可能となる。

また、本発明において好ましくは前記廃熱回収口の断面積を、前記サーモスタットの前記ラジエータに連通するラジエータ口の断面積より大きくするとよい。

このような構成にすることにより、廃熱回収口の断面積を、前記ラジエータ口の断面積より大きくして、廃熱回収装置側に流す冷却液の量をラジエータ側に流す量より多くすることにより、廃熱回収装置での熱エネルギー回収量を増大させて、内燃機関の更なる省燃費化を可能とする。
更に、冷却液Ｒの廃熱回収装置側を流れる量が多くすることにとり、ラジエータの冷却容量を小さくでき、ラジエータの小型軽量化が可能となり、重量及びコスト低減が可能となる。

また、本発明において好ましくは、前記サーモスタットは前記冷却液の温度が前記サーモスタットの全開温度に対しマイナス８〜１０℃になった場合に前記冷却液を前記ラジエータ側に流すようにするとよい。

このような構成にすることにより、一般的には、開弁開始温度は全開温度に対し、１２〜１５℃低くなっている。
従って、開弁開始温度を全開温度に対し８〜１０℃低くい温度にすることにより、廃熱回収装置側を流れる冷却水温度が高くなり、廃熱回収エネルギー量を多くして、内燃機関の省燃費化が大きくなることが可能であると共に、内燃機関への影響がない。

このようにすることで、内燃機関の稼働時は廃熱冷却液の熱エネルギーを常時回収することにより、内燃機関の省燃費化を図ることができる。

本発明の実施形態が適用された、廃熱回収システムの概略構成図を示す。 本実施形態におけるサーモスタットにおける冷却液流路の模式図を示す。 本実施形態におけるサーモスタット開弁開始温度と全開温度一覧表を示す。 本実施形態におけるサーモスタット開弁速度の説明図を示す。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の実施形態が用いられた車両用廃熱回収システムの概略構成図を示す。
車両用廃熱回収システム１０は、図示されない車両に搭載された内燃機関１と、内燃機関１を冷却する冷却液Ｒが流通する冷却液流通路に配置され、該冷却液流通路を流れる冷却液Ｒの温度によって冷却液流路を変更するサーモスタット２と、冷却液Ｒを内燃機関１内に循環させるウォータポンプ３と、冷却液Ｒを冷却するラジエータ６と、サーモスタット２から分岐された冷却液Ｒを内燃機関１の排ガスで加熱する廃熱回収冷却液流通路に介装された熱交換器である第１熱交換器７と、該第１熱交換器７で加熱された冷却液Ｒを熱源として熱エネルギーを回収する廃熱回収装置５とで構成されている。

内燃機関１は、本体ブロック１ａとヘッド部１ｂとで構成されている。内燃機関１の内部には、内燃機関１を冷却するための冷却液Ｒが流通する冷却液流通路の一部を構成する冷却ギャラリー１ｃが形成されている。
サーモスタット２は、ヘッド部１ｂのラジエータ６側上部外周に一部が露出した状態で且つ、冷却ギャラリー１ｃの一部を構成するように取付けられている。
冷却液流通路は、ウォータポンプ３から圧送された冷却液Ｒが→冷却ギャラリー１ｃ→サーモスタット２→第２冷却液配管６ｂ→ラジエータ６→第１冷却液配管６ａ→ウォータポンプ３の順に流れるように構成されている。
一般に、冷却液Ｒは水にエチレングリコールを加えたものが使用されている。
また、廃熱回収冷却液流通路は、ウォータポンプ３から圧送された冷却液Ｒが→冷却ギャラリー１ｃ→後述するサーモスタット２の廃熱回収口２ｃ→第１廃熱回収冷却液配管６ｃ→第1熱交換器７→第２廃熱回収冷却液配管６ｄ→第２熱交換器５１→第３廃熱回収冷却液配管６ｅ→ウォータポンプ３の順に流れるように構成されている。

サーモスタット２は、図２（Ａ），及び（Ｂ）に模式図で示すように、内燃機関１の、ヘッド部１ｂのラジエータ６側端部に外部から直接着脱可能に取り付けられている。
サーモスタット２は、冷却液Ｒの温度によって冷却液Ｒの複数の入出口を備えたハウジング２１と、冷却液Ｒの温度によって複数の入出口を開閉する開閉弁２２とを備えている。
ハウジング２１は、前記に内燃機関１の冷却液ギャラリー１ｃに直結した冷却液流入口２ａと、ラジエータ６をバイパスしてバイパス通路１ｄを介してウォータポンプ３に連結しているバイパス口２ｄと、冷却液流入口２ａからの冷却液Ｒをラジエータ６に連通したラジエータ口２ｂと、冷却液流入口２ａからの冷却液Ｒを該冷却液Ｒの温度に係わらず常時、廃熱回収装置５側に流出させる廃熱回収口２ｃと、を備えている。

そして、ラジエータ口２ｂ、及び廃熱回収口２ｃは内燃機関１の外方へ突出したスリーブ状の連結部Ｓを備えている。
外方へ突出した廃熱回収口２ｃのスリーブ状の連結部Ｓは、廃熱回収装置５側へ冷却液Ｒを流通させるための廃熱回収冷却液流通路の一部を形成する第１廃熱回収冷却液配管６ｃ（図１参照）を連結する際に、容易に連結できると共に、内燃機関１側の改修が不要になり、コスト上昇を抑制できる効果を有する。
また、廃熱回収口２ｃの連結部Ｓの直径φ１は、ラジエータ口２ｂの連結部Ｓの直径φ２より大きくなっている。
廃熱回収口２ｃの連結部Ｓの直径φ１（断面積）は、ラジエータ口２ｂの連結部Ｓの直径φ２（断面積）より大きくして、冷却液Ｒを廃熱回収装置５側に流す量をラジエータ６側に流す量より多くすることにより、廃熱回収装置５での熱エネルギー回収量を増大させて、内燃機関１の更なる省燃費化を可能とする。
更に、冷却液Ｒの廃熱回収装置５側を流れる量が多くすることにとり、ラジエータ６の冷却容量を小さくでき、ラジエータの小型軽量化が可能となると共に、コスト低減が可能となる。
開閉弁２２は、内燃機関１が暖気運転時はバイパス通路１ｄを開放すると共に、ラジエータ側流出路２ｂを閉塞し、暖気完了後はバイパス通路１ｄを閉塞すると共に、ラジエータ側流出路２ｂを開放するようになっている。
尚、開閉弁２２は、該開閉弁２２内に収納されている、感温式のワックスが冷却液Ｒの温度により膨張・収縮して各入出口を開閉させる構造となっているが、本説明（図２）においては、発明の内容を理解しやすくするため、模式的に表示してある。

ウォータポンプ３は内燃機関１の本体ブロック１ａのラジエータ６側下部に装着されている。
ウォータポンプ３は、内燃機関１の冷却液ギャラリー１ｃに直結しており、ウォータポンプ３のバイパス側流出路２ｄ、ラジエータ６及び廃熱回収装置５から戻ってくる冷却液Ｒを内燃機関１の冷却液ギャラリー１ｃに圧送する。
ウォータポンプ３は冷却液Ｒを冷却ギャラリー１ｃ内に循環させて、内燃機関１の温度を一定に保つ。

廃熱回収装置５は、内燃機関１の冷却液Ｒを熱媒体として、廃熱回収装置５の作動媒体を冷却液Ｒで高温・高圧の蒸気状態にする廃熱回収冷却液流通路内に介装された第２熱交換器５１と、高温・高圧の蒸気状態の作動媒体を膨張させて動力を取出す膨脹器５２と、膨張した作動媒体を冷却して、凝縮させるコンデンサ５３と、凝結された液体（作動媒体）を第２熱交換器５１に圧送するポンプ５５と、これらの各機器を連結して作動媒体を循環させる各作動媒体配管とで構成されている。
尚、コンデンサ５３とポンプ５５との間にコンデンサ５３で凝結された作動媒体の気液分離を行う気液分離器を配設してもよい。
この場合、作動媒体に混入し易い蒸気を確実に分離させることができ、熱交換器５１での熱交換効率が向上する。

廃熱回収装置５は、サーモスタット２からの冷却液Ｒが第２熱交換器５１にて廃熱回収装置５の作動媒体を高温高圧の蒸気に変換する。高温高圧に変換された作動媒体は第１廃熱回収管５ａを介して蒸発器５２に導入される。作動媒体は蒸発器５２において膨張することにより回転駆動力を出力する。膨張した作動媒体は第２廃熱回収管５ｂによってコンデンサ５３に導入される。作動媒体はコンデンサ５３によって冷却され、蒸気状の作動媒体を凝結させ液体状にする。液体状の作動媒体は第３廃熱回収管５ｃを介してポンプ５５に導入され、ポンプ５５は第４廃熱回収管５ｄを介して第２熱交換器５１に作動媒体を圧送して、作動媒体は再び高温高圧の蒸気に変換される。

車両用廃熱回収システム１０の作動について説明する。
内燃機関１が始動される。この状態において、内燃機関１は大気温と略同じ状態で冷時状態である。内燃機関１の始動に伴い、内燃機関１のクランクシャフト（図示省略）に連結した回転駆動装置（図示省略）によって、ウォータポンプ３が駆動される。
ウォータポンプ３の駆動に伴い、内燃機関１の冷却ギャラリー１ｃ内の冷却液Ｒが循環を始める。
図２（Ａ）に示すように、この時点において、サーモスタット２はバイパス口２ｄが開放されており、ラジエータ口２ｂは閉塞されている。
従って、冷却液Ｒは、ウォータポンプ３→冷却ギャラリー１ｃ→サーモスタット２→バイパス口１ｄ→ウォータポンプ３の順で循環している。
内燃機関１内の燃料燃焼により発生する熱によって上昇する内燃機関１内を冷却液Ｒによって冷却し、冷却液Ｒは温度が上昇する。（暖気運転状態）

一方、冷却液Ｒの一部はサーモスタット２において分離して廃熱回収装置５側に流れる。
即ち、冷却液Ｒの一部は冷却ギャラリー１ｃ→サーモスタット２→廃熱回収口２ｃ→第１廃熱回収冷却液配管６ｃ→第１熱交換器７→第２廃熱回収冷却液配管６ｄ→廃熱回収装置５の熱交換器である第２熱交換器５１→第３廃熱回収冷却液配管６ｅ→ウォータポンプ３→冷却ギャラリー１ｃの順に循環する。
また、内燃機関１の排ガスが第１排気管８ａを介して排ガス浄化装置８に導入され浄化される。排ガス浄化装置８で浄化された排ガスは、第２排気管８ｂを介して第１熱交換器７に導入される。第１熱交換器７に導入された排ガスは、該第１熱交換器７内にて冷却液Ｒを加熱する。排ガスで加熱された冷却液Ｒが廃熱回収装置５側に流れる構成になっている。
この状態において、サーモスタット２は冷却液Ｒをバイパス通路１ｄから冷却ギャラリー１ｃ内を循環させると共に、廃熱回収口２ｃから廃熱回収装置５側にも流す動作になっている。
これにより、冷却液Ｒはラジエータ６を通過しないので温度上昇が促進される。
従って、廃熱回収装置５は内燃機関１の始動後、早い時期に廃熱エネルギーの回収が行われるようになっており、早期から内燃機関１の燃費向上が可能となる。

内燃機関１の暖気運転状態が進み、冷却液Ｒの温度が上昇して、所定の温度（開弁開始温度）になると、サーモスタット２の開閉弁２２が移動する。
開閉弁２２は、バイパス口２ｄを閉塞する方向に動くと共に、ラジエータ口２ｂの開放を始める。
この時においても、冷却液Ｒの一部は廃熱回収口２ｃから廃熱回収装置５側にながれている。
従って、冷却液Ｒは、ウォータポンプ３→冷却ギャラリー１ｃ→サーモスタット２→サーモスタット２のラジエータ口２ｂ→第２冷却液配管６ｂ→ラジエータ６に導入される。
ラジエータ６で冷却された冷却液Ｒは、ラジエータ６→第１冷却液配管６ａ→ウォータポンプ３に戻る。
尚、サーモスタット２が開弁開始してから全開になるまでの間は、バイパス口２ｄ及びラジエータ口２ｂは共に開いた状態になっている。
従って、冷却液Ｒはバイパス口２ｄ及びラジエータ口２ｂを流れる。
そして、冷却液Ｒがサーモスタット２の全開温度に達するとバイパス口２ｄは閉塞され、ラジエータ口２ｂは全開状態になる。
この状態において、サーモスタット２は冷却液Ｒをラジエータ６側に循環させると共に、廃熱回収装置５側にも流す動作になっている。

図３は本実施形態におけるサーモスタット開弁開始温度と全開温度一覧表を示し、図４はサーモスタット開弁速度の説明図を示す。
また、本実施形態においては、サーモスタット２の開弁開始温度を高くしてある。
廃熱回収装置５側へ流通させる冷却液温度は高いほど、廃熱回収装置５における熱エネルギーの回収量は多くなるためである。
図３において、弊社で使用している複数のサーモスタット２の開弁開始温度と全開温度を検討した一例である。
Ｔｙｐｅ１は従来の開弁開始温度Ｔｏが８３℃、全開温度Ｔｍが９８℃となっており、従来の開弁開始温度Ｔｏから全開温度Ｔｍまでの従来の温度差Ｔｍ−Ｔｏ＝１５℃となっている。
同様にＴｙｐｅ２は１４℃、Ｔｙｐｅ３は１４℃となっている。
そして、開弁開始温度Ｔｏをどの程度上げることができるかを検討した。
図４に示すように、開弁開始温度Ｔｏから全開温度Ｔｍまでの温度差を小さくすることは、従来の開閉弁のリフト勾配に対し、実施形態のリフト勾配が急になる。
従って、次の事項の検討内容が必要となる。
１．新開弁開始温度Ｔｎから全開温度Ｔｍまでの開弁速度が速くなることによる、開閉
弁を支持している各部材に発生する応力上昇に伴う耐久性の劣化。
２．内燃機関１の冷却ギャラリー１ｃ内における、冷却液Ｒの温度上昇が発生し易い部
分と、温度があまり上昇しない部分による、内燃機関１の冷却性能への影響。
３．車両が暖気運転時からすぐに、高負荷運転を実施した場合の、冷却液温度の急上昇に対する影響等である。

本実施形態では、各サーモスタットの開弁開始温度を一律５℃上げることを目的にして確認することにした。即ち、Ｔｙｐｅ１において改良温度差Ｔｍ−Ｔｎは１０℃、同様にＴｙｐｅ２は９℃、Ｔｙｐｅ３は９℃となった。
Ｔｙｐｅ１〜３の新開弁開始温度Ｔｎを夫々３、５、７℃（５±２℃）上げたサーモスタットにて試験を実施して、上記の検討内容に問題ないことを確認した。
新開弁開始温度Ｔｎの上げ幅を５℃未満の場合には、廃熱回収装置５における熱エネルギーの回収量が若干少なくなる傾向が現れたが、目標とする効果は得られた。
一方、新開弁開始温度Ｔｎの上げ幅を７℃にしたサンプルの一部に、内燃機関１の冷却ギャラリー１ｃ内の冷却液Ｒの温度上昇が発生し易い部分において、高負荷時に一時的に冷却液Ｒが所定値（社内評価基準値）より高くなった場合があったが、内燃機関の性能に影響ないものであった。
尚、開閉弁を支持している各部材に発生する応力上昇については、応力上昇は確認されたが、問題になるような値ではなかった。
以上の結果から、サーモスタットの新開弁開始温度Ｔｎは、冷却液Ｒの温度が全開温度に対しマイナス８〜１０℃の温度になった場合に、冷却液Ｒをラジエータ側に流すようにして、廃熱回収装置での熱エネルギー回収の効率向上を図ることができた。

廃熱回収装置を備えた車両の省燃費化に利用できる。

１ 内燃機関
２ サーモスタット
２ａ 冷却液流入口
２ｂ ラジエータ口
２ｃ 廃熱回収口
２ｄ バイパス口
３ ウォータポンプ
５ 廃熱回収装置
６ ラジュエータ
７ 第１熱交換器（熱交換器）
８ 排ガス浄化装置
１０ 車両用廃熱回収システム
５１ 第２熱交換器
５２ 膨張器
５３ コンデンサ
５５ ポンプ

Claims (5)

1. 内燃機関と、
   前記内燃機関を冷却する冷却液が流通する冷却液流通路に配置され、前記冷却液流通路を流れる冷却液の温度によって前記冷却液流通路を切換えるサーモスタットと、
   前記冷却液を冷却するラジエータと、
   前記冷却液を熱源として、熱エネルギーを回収する廃熱回収装置とを備え、
   前記サーモスタットは、前記内燃機関側から流入する前記冷却液を該冷却液の温度にかかわらず常時前記廃熱回収装置側に流れるように設けられた廃熱回収口を有していることを特徴とする車両用廃熱回収システム。
2. 前記サーモスタットは前記内燃機関外周部に前記冷却液流通路の一部を形成して取り付けられていると共に、前記廃熱回収口は前記内燃機関の外方へ突出していることを特徴とする請求項１記載の車両用廃熱回収システム。
3. 前記内燃機関から前記廃熱回収装置への廃熱回収冷却液流通路に介装され、前記冷却液を前記内燃機関の排ガスで加熱する熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の車両用廃熱回収システム。
4. 前記廃熱回収口の断面積を、前記サーモスタットの前記ラジエータに連通するラジエータ口の断面積より大きくしたことを特徴とする請求項１記載の車両用廃熱回収システム。
5. 前記サーモスタットは前記冷却液の温度が前記サーモスタットの全開温度に対しマイナス８〜１０℃になった場合に前記冷却液を前記ラジエータ側に流しはじめるようにしたことを特徴とする請求項１記載の車両用廃熱回収システム。

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