JP2003278598A - Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle - Google Patents

Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle

Info

Publication number
JP2003278598A
JP2003278598A JP2002077775A JP2002077775A JP2003278598A JP 2003278598 A JP2003278598 A JP 2003278598A JP 2002077775 A JP2002077775 A JP 2002077775A JP 2002077775 A JP2002077775 A JP 2002077775A JP 2003278598 A JP2003278598 A JP 2003278598A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
working fluid
heat
rankine cycle
combustion engine
exhaust gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002077775A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Yaguchi
寛 矢口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2002077775A priority Critical patent/JP2003278598A/en
Publication of JP2003278598A publication Critical patent/JP2003278598A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve heat recovery efficiency from exhaust gas using a Rankine cycle device, and to enhance the degree of freedom for selecting a working fluid. <P>SOLUTION: In this exhaust heat recovery method and device for a vehicle which is provided with a combustion engine 10 taking as a fuel combustible gas (e.g. hydrogen) which is gaseous at the ordinary temperature to generate running motive power by combustion of the fuel, heat is recovered from exhaust gas discharged from the combustion engine by Rankine cycle. A working fluid (fluorocarbon) of Rankine cycle is condensed by isobaric cooling in a condenser 20 using heat of vaporization of combustible gas supplied from a tank 16 to the combustion engine 10, the working fluid is adiabatic compressed by a pump 32, the working fluid is isobaric heated to be evaporated using heat of exhaust gas by heat exchange in a heat exchanger 14, and the working fluid is adiabatically expanded by a turbine 26 to take exhaust heat in the exhaust gas as work. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等の車輌の
排熱回収方法及び装置に係り、更に詳細には燃焼機関よ
り排出される排気ガスよりランキンサイクルにより熱を
回収する車輌の排熱回収方法及び装置に係る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for recovering exhaust heat of a vehicle such as an automobile, and more particularly to recovering exhaust heat of a vehicle that recovers heat from exhaust gas discharged from a combustion engine by Rankine cycle. A method and an apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車等の車輌の排熱回収装置の一つと
して、例えば特開2001−182504号公報に記載
されている如く、燃焼機関より排出される排気ガスより
ランキンサイクル装置により熱を回収する排熱回収装置
が従来より知られており、ランキンサイクル装置は一般
に、排気ガスとランキンサイクルの作動流体との間にて
熱交換し排気ガスの熱を利用して作動流体を蒸発させる
熱交換器と、熱交換器よりの気体状の作動流体を断熱膨
張させて仕事を出力する膨張器と、膨張器よりの作動流
体を凝縮する凝縮器と、凝縮器よりの作動流体を断熱圧
縮して熱交換器へ供給する圧縮機とを有している。
2. Description of the Related Art As one of exhaust heat recovery devices for vehicles such as automobiles, heat is recovered by a Rankine cycle device from exhaust gas exhausted from a combustion engine, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-182504. BACKGROUND ART Exhaust heat recovery devices that perform heat exchange have been conventionally known, and Rankine cycle devices generally perform heat exchange between exhaust gas and Rankine cycle working fluid and use heat of exhaust gas to evaporate the working fluid. And an expander that adiabatically expands the gaseous working fluid from the heat exchanger to output work, a condenser that condenses the working fluid from the expander, and adiabatic compression of the working fluid from the condenser. And a compressor that supplies the heat exchanger.

【0003】かかる排熱回収装置によれば、燃焼機関よ
り排出される排気ガスの熱の一部がランキンサイクル装
置により回収されるので、ランキンサイクル装置が設け
られていない一般的な車輌の場合に比して、車輌全体と
しての熱効率を向上させ、燃費を向上させることができ
る。
According to such an exhaust heat recovery device, a part of the heat of the exhaust gas discharged from the combustion engine is recovered by the Rankine cycle device, so that in the case of a general vehicle in which the Rankine cycle device is not provided. In comparison, the thermal efficiency of the vehicle as a whole can be improved and the fuel consumption can be improved.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般に、燃焼機関より
排出される排気ガスよりランキンサイクル装置により熱
を回収する際の熱回収効率は、排気ガスの温度が高いほ
ど高く、また凝縮器による作動流体の凝縮温度が低いほ
ど高い。しかし燃焼機関より排出される排気ガスの温度
は燃焼機関や燃料の種類により決定されるため、排気ガ
スの温度を高くすることはできず、また車載の凝縮器は
ラジエータの如き冷却装置により冷却されるため、凝縮
器による凝縮温度を外気温(常温)よりも低くすること
はできず、そのため上述の如き従来の熱回収装置に於い
ては、熱回収効率を向上させることが困難である。
Generally, the heat recovery efficiency when the heat is recovered by the Rankine cycle device from the exhaust gas discharged from the combustion engine is higher as the temperature of the exhaust gas is higher, and the working fluid by the condenser is higher. The lower the condensation temperature of, the higher. However, since the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion engine is determined by the type of combustion engine and fuel, it is not possible to raise the temperature of the exhaust gas, and the in-vehicle condenser is cooled by a cooling device such as a radiator. Therefore, the condensing temperature by the condenser cannot be made lower than the outside air temperature (normal temperature), and thus it is difficult to improve the heat recovery efficiency in the conventional heat recovery device as described above.

【0005】また従来のランキンサイクルによる車載の
排熱回収装置に於いては、上述の如く凝縮器による凝縮
温度を外気温よりも低くすることができないため、ラン
キンサイクルの作動流体は外気温よりも高い温度に於い
て凝縮する物質、例えば水等に限定され、そのためラン
キンサイクルの作動流体の選択の自由度が低く、ランキ
ンサイクル装置による熱回収効率を向上させるに適した
作動流体を自由に選択することができないという問題が
ある。
Further, in the conventional exhaust heat recovery system using the Rankine cycle, since the condensation temperature of the condenser cannot be lower than the ambient temperature as described above, the working fluid of the Rankine cycle is higher than the ambient temperature. It is limited to substances that condense at high temperatures, such as water, so the degree of freedom in selecting a working fluid for Rankine cycle is low, and a working fluid suitable for improving the heat recovery efficiency of Rankine cycle equipment is freely selected. There is a problem that you can not.

【0006】本発明は、燃焼機関により排出される排気
ガスよりランキンサイクル装置により熱を回収するよう
構成された従来の排熱回収装置に於ける上述の如き問題
に鑑みてなされたものであり、本発明の主要な課題は、
常温下にて気体をなす可燃性ガスを燃料とし該燃料の燃
焼により走行用動力を発生する燃焼機関を備えた車輌に
於いては、可燃性ガスは高圧の液体状態にて容器に貯容
され気体に変換された状態にて燃焼されるので、その気
化熱を有効に利用すれば作動流体の凝縮温度を低くし得
ることに着目し、ランキンサイクル装置による排気ガス
よりの熱回収効率を向上させると共に作動流体の選択の
自由度を高くすることである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems in the conventional exhaust heat recovery device configured to recover heat from the exhaust gas discharged from the combustion engine by the Rankine cycle device, The main problem of the present invention is
In a vehicle equipped with a combustion engine that uses a combustible gas that forms a gas at room temperature as a fuel to generate traveling power by burning the fuel, the combustible gas is stored in a container in a high-pressure liquid state and is a gas. Since it is burned in the state of being converted to, it is possible to lower the condensation temperature of the working fluid by effectively utilizing the heat of vaporization, and improve the efficiency of heat recovery from exhaust gas by the Rankine cycle device. This is to increase the degree of freedom in selecting the working fluid.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上述の主要な課題は、本
発明によれば、常温下にて気体をなす可燃性ガスを燃料
とし該燃料の燃焼により走行用動力を発生する燃焼機関
を備えた車輌に於いて、前記燃焼機関より排出される排
気ガスよりランキンサイクルにより熱を回収する車輌の
排熱回収方法にして、前記排気ガスの熱を利用してラン
キンサイクルの作動流体を蒸発させると共に、前記可燃
性ガスの気化熱を利用して前記作動流体を凝縮すること
を特徴とする車輌の排熱回収方法(請求項1の構成)、
又は常温下にて気体をなす可燃性ガスを高圧の液体状態
にて貯容するタンクと、前記可燃性ガスを燃料とし該燃
料の燃焼により走行用動力を発生する燃焼機関とを備え
た車輌に於いて、前記燃焼機関より排出される排気ガス
とランキンサイクルの作動流体との間にて熱交換し前記
排気ガスの熱を利用して前記作動流体を蒸発させる熱交
換器と、前記熱交換器よりの気体状の前記作動流体を断
熱膨張させて仕事を出力する膨張器と、前記膨張器より
の前記作動流体を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器よりの
前記作動流体を断熱圧縮して前記熱交換器へ供給する圧
縮機とを含むランキンサイクル装置を有し、前記燃焼機
関より排出される排気ガスより前記ランキンサイクル装
置により熱を回収する車輌の排熱回収装置にして、前記
凝縮器は前記可燃性ガスの流れで見て前記タンクと前記
燃焼機関との間に配設され、前記可燃性ガスの気化熱を
利用して前記作動流体を凝縮することを特徴とする車輌
の排熱回収装置(請求項2の構成)によって達成され
る。
According to the present invention, the above-mentioned main problem is provided with a combustion engine which uses a combustible gas that forms a gas at room temperature as a fuel to generate traveling power by combustion of the fuel. In a vehicle, the exhaust heat recovery method of the vehicle recovers heat from exhaust gas discharged from the combustion engine by Rankine cycle, and uses the heat of the exhaust gas to evaporate working fluid of Rankine cycle. A method for recovering exhaust heat of a vehicle (constitution of claim 1), characterized in that the working fluid is condensed by utilizing heat of vaporization of the combustible gas,
Alternatively, a vehicle equipped with a tank that stores a combustible gas that is a gas at normal temperature in a high-pressure liquid state, and a combustion engine that uses the combustible gas as a fuel to generate traveling power by burning the fuel. A heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the combustion engine and the working fluid of the Rankine cycle and evaporating the working fluid by utilizing the heat of the exhaust gas; and An expander for adiabatically expanding the gaseous working fluid to output work, a condenser for condensing the working fluid from the expander, and the adiabatic compression of the working fluid from the condenser for the heat A Rankine cycle device including a compressor for supplying to a exchanger, a vehicle exhaust heat recovery device for recovering heat from the exhaust gas discharged from the combustion engine by the Rankine cycle device, wherein the condenser is the Flammable An exhaust heat recovery system for a vehicle, which is disposed between the tank and the combustion engine when viewed in terms of gas flow, and uses the heat of vaporization of the combustible gas to condense the working fluid (claim The configuration of item 2) is achieved.

【0008】また本発明によれば、上述の主要な課題を
効果的に達成すべく、上記請求項2の構成に於いて、前
記ランキンサイクル装置は該ランキンサイクル装置内を
循環する前記作動流体の流量を制御する第一の流量制御
手段を有するよう構成される(請求項3の構成)。
Further, according to the present invention, in order to effectively achieve the above-mentioned main problem, in the structure of the above-mentioned claim 2, the Rankine cycle device is characterized by a function of the working fluid circulating in the Rankine cycle device. It is configured to have a first flow rate control means for controlling the flow rate (configuration of claim 3).

【0009】また本発明によれば、上述の主要な課題を
効果的に達成すべく、上記請求項2の構成に於いて、前
記ランキンサイクル装置は前記燃焼機関より前記熱交換
器へ供給される前記排気ガスの流量を制御する第二の流
量制御手段を有するよう構成される(請求項4の構
成)。
Further, according to the present invention, in order to effectively achieve the above-mentioned main problem, in the structure of the above-mentioned claim 2, the Rankine cycle device is supplied from the combustion engine to the heat exchanger. It is configured to have a second flow rate control means for controlling the flow rate of the exhaust gas (configuration of claim 4).

【0010】[0010]

【発明の作用及び効果】上記請求項1及び2の構成によ
れば、可燃性ガスの気化熱を利用して作動流体が凝縮さ
れるので、外気による冷却により凝縮が行われる場合に
比して凝縮温度を低くし、これにより排気ガスよりの排
熱の回収を効率よく行うことができると共に、水等に比
して低い凝縮温度を有する物質を作動流体として使用す
ることができ、これにより作動流体の選択の自由度を高
くすることができ、また本発明が適用される燃焼機関に
応じて最適の作動流体を選択することができ、このこと
によっても排熱の回収効率を高くすることができる。
According to the first and second aspects of the present invention, since the working fluid is condensed by utilizing the heat of vaporization of the combustible gas, compared with the case where the condensation is performed by cooling by the outside air. By lowering the condensing temperature, it is possible to efficiently recover the exhaust heat from the exhaust gas, and it is possible to use a substance that has a lower condensing temperature than water etc. as a working fluid. The degree of freedom in selecting the fluid can be increased, and the optimum working fluid can be selected according to the combustion engine to which the present invention is applied. This also increases the exhaust heat recovery efficiency. it can.

【0011】また上記請求項1及び2の構成によれば、
常温下にて気体をなす可燃性ガスはその気化熱により作
動流体を凝縮するだけでなく、燃料として使用され燃焼
機関に於いて燃焼することにより走行用動力を発生する
ので、可燃性ガスの蒸発潜熱及び燃焼発熱の両者を効果
的に利用することができ、これにより車輌全体としての
エネルギ効率を高くすることができる。
According to the structures of claims 1 and 2,
The flammable gas, which forms a gas at room temperature, not only condenses the working fluid due to its heat of vaporization, but is also used as fuel and burns in the combustion engine to generate driving power, so the flammable gas evaporates. Both latent heat and combustion heat can be effectively used, and the energy efficiency of the entire vehicle can be increased.

【0012】また上記請求項3の構成によれば、ランキ
ンサイクル装置は該ランキンサイクル装置内を循環する
作動流体の流量を制御する第一の流量制御手段を有する
ので、ランキンサイクル装置内を循環する作動流体の流
量をランキンサイクルによる排熱回収に適した流量に制
御することができる。
According to the third aspect of the present invention, the Rankine cycle apparatus has the first flow rate control means for controlling the flow rate of the working fluid circulating in the Rankine cycle apparatus, so that the Rankine cycle apparatus is circulated in the Rankine cycle apparatus. The flow rate of the working fluid can be controlled to a flow rate suitable for exhaust heat recovery by Rankine cycle.

【0013】また上記請求項4の構成によれば、ランキ
ンサイクル装置は燃焼機関より熱交換器へ供給される排
気ガスの流量を制御する第二の流量制御手段を有するの
で、ランキンサイクル装置内を循環する作動流体の流量
や排気ガスの温度に応じて燃焼機関より熱交換器へ供給
される排気ガスの流量を最適に制御することができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the Rankine cycle system has the second flow rate control means for controlling the flow rate of the exhaust gas supplied from the combustion engine to the heat exchanger. The flow rate of the exhaust gas supplied from the combustion engine to the heat exchanger can be optimally controlled according to the flow rate of the circulating working fluid and the temperature of the exhaust gas.

【0014】[0014]

【課題解決手段の好ましい態様】本発明の一つの好まし
い態様によれば、上記請求項1又は2の構成に於いて、
可燃性ガスは水素であるよう構成される(好ましい態様
1)。
According to a preferred embodiment of the present invention, in the structure of claim 1 or 2,
The combustible gas is configured to be hydrogen (preferred aspect 1).

【0015】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項1又は2の構成に於いて、作動流体はフ
ロン、アルコール、アンモニアよりなる群より選択され
た流体であるよう構成される(好ましい態様2)。
According to another preferred embodiment of the present invention, in the constitution of claim 1 or 2, the working fluid is a fluid selected from the group consisting of chlorofluorocarbon, alcohol and ammonia. (Preferred aspect 2).

【0016】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項1の構成に於いて、排気ガスとランキン
サイクルの作動流体との間の熱交換によって作動流体を
等圧加熱することにより作動流体を蒸発させるよう構成
される(好ましい態様3)。
According to another preferred aspect of the present invention, in the structure of claim 1, the working fluid is isobarically heated by heat exchange between the exhaust gas and the working fluid of the Rankine cycle. It is configured to vaporize the working fluid (preferred aspect 3).

【0017】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項1の構成に於いて、気化熱により降温し
た可燃性ガスと作動流体との間の熱交換によって作動流
体を等圧冷却することにより作動流体を凝縮するよう構
成される(好ましい態様4)。
According to another preferred aspect of the present invention, in the structure of claim 1, the working fluid is isobarically cooled by heat exchange between the working fluid and the combustible gas cooled by the heat of vaporization. Is configured to condense the working fluid (preferred aspect 4).

【0018】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項3の構成に於いて、第一の流量制御手段
は圧縮機と熱交換器との間に設けられ、圧縮機より熱交
換器へ供給される液体状の作動流体の流量を制御する第
一の流量制御弁であるよう構成される(好ましい態様
5)。
According to another preferred embodiment of the present invention, in the structure of the above-mentioned claim 3, the first flow rate control means is provided between the compressor and the heat exchanger, and the heat generated by the compressor is controlled by the compressor. It is configured to be a first flow rate control valve that controls the flow rate of the liquid working fluid supplied to the exchanger (preferred aspect 5).

【0019】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記好ましい態様5の構成に於いて、第一の流量制
御弁はタンクより燃焼機関へ供給される可燃性ガスの流
量に応じて圧縮機より熱交換器へ供給される液体状の作
動流体の流量を制御するよう構成される(好ましい態様
6)。
According to another preferred embodiment of the present invention, in the configuration of the preferred embodiment 5, the first flow control valve compresses in accordance with the flow rate of the combustible gas supplied from the tank to the combustion engine. It is configured to control the flow rate of the liquid working fluid supplied from the machine to the heat exchanger (preferred aspect 6).

【0020】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項3の構成に於いて、圧縮機は可変吐出量
ポンプであり、可変吐出量ポンプは第一の流量制御手段
としても機能し、圧縮機より熱交換器へ供給される液体
状の作動流体の流量を制御するよう構成される(好まし
い態様7)。
According to another preferred aspect of the present invention, in the structure of claim 3, the compressor is a variable discharge pump, and the variable discharge pump also functions as a first flow rate control means. However, the flow rate of the liquid working fluid supplied from the compressor to the heat exchanger is controlled (preferred aspect 7).

【0021】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記好ましい態様7の構成に於いて、可変吐出量ポ
ンプはタンクより燃焼機関へ供給される可燃性ガスの流
量に応じて吐出量を変化することにより熱交換器へ供給
される液体状の作動流体の流量を制御するよう構成され
る(好ましい態様8)。
According to another preferred aspect of the present invention, in the configuration of the preferred aspect 7, the variable discharge amount pump changes the discharge amount according to the flow rate of the combustible gas supplied from the tank to the combustion engine. It is configured to control the flow rate of the liquid working fluid supplied to the heat exchanger by changing the temperature (preferred aspect 8).

【0022】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記請求項4の構成に於いて、第二の流量制御手段
は燃焼機関より排出される排気ガスを熱交換器へ供給さ
れる流れと直接大気中へ放出される流れとに分流すると
共に、熱交換器へ供給される排気ガスの流量を制御する
第二の流量制御弁であるよう構成される(好ましい態様
9)。
According to another preferred embodiment of the present invention, in the structure of the above-mentioned claim 4, the second flow rate control means supplies the exhaust gas discharged from the combustion engine to the heat exchanger. And a second flow rate control valve for controlling the flow rate of the exhaust gas supplied to the heat exchanger, as well as branching to the flow discharged directly into the atmosphere (preferred aspect 9).

【0023】本発明の他の一つの好ましい態様によれ
ば、上記好ましい態様9の構成に於いて、第二の流量制
御弁はランキンサイクル装置内を循環する作動流体の流
量及び排気ガスの温度に応じて熱交換器へ供給される排
気ガスの流量を制御するよう構成される(好ましい態様
10)。
According to another preferred embodiment of the present invention, in the configuration of the preferred embodiment 9, the second flow control valve controls the flow rate of the working fluid circulating in the Rankine cycle system and the temperature of the exhaust gas. Accordingly, the flow rate of the exhaust gas supplied to the heat exchanger is controlled (preferred aspect 10).

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照しつつ、本
発明を好ましい幾つかの実施形態について詳細に説明す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings, with reference to some preferred embodiments.

【0025】第一の実施形態 図1は本発明によるランキンサイクルによる排熱回収装
置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
First Embodiment FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of an exhaust heat recovery apparatus by a Rankine cycle according to the present invention.

【0026】図1に於いて、10は水素を燃料とする内
燃機関を示しており、内燃機関10の排気管12はその
途中の部分に於いて加熱装置としての熱交換器14内に
延在している。また16は内部に高圧の液体水素を貯容
する水素タンクを示しており、内燃機関10と水素タン
ク16とを接続する燃料供給管18はその途中の部分に
於いて凝縮器20内に延在している。
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes an internal combustion engine that uses hydrogen as a fuel, and an exhaust pipe 12 of the internal combustion engine 10 extends into a heat exchanger 14 as a heating device at a midway portion thereof. is doing. Reference numeral 16 denotes a hydrogen tank which stores high-pressure liquid hydrogen therein, and a fuel supply pipe 18 which connects the internal combustion engine 10 and the hydrogen tank 16 extends into the condenser 20 at an intermediate portion thereof. ing.

【0027】水素タンク16内の水素は燃料供給管18
を経て内燃機関10へ供給される際に凝縮器20を通過
し、凝縮器20内に延在する燃料供給管18内に於いて
噴射されることにより気化し気体になる。内燃機関10
に対する水素供給量は図には示されていないアクセルペ
ダルの踏込量等に応じて電子制御装置22により制御さ
れる。内燃機関10はその内部に於いて水素を燃焼する
ことにより車輌走行用の動力を発生すると共に排気ガス
としての水蒸気を発生し、排気ガスは排気管12及び熱
交換器14を経て大気中へ放出される。
Hydrogen in the hydrogen tank 16 is supplied to the fuel supply pipe 18
When it is supplied to the internal combustion engine 10 via the condenser 20, it passes through the condenser 20 and is vaporized into gas by being injected in the fuel supply pipe 18 extending into the condenser 20. Internal combustion engine 10
The amount of hydrogen supplied to is controlled by the electronic control unit 22 according to the amount of depression of the accelerator pedal, which is not shown in the figure. The internal combustion engine 10 burns hydrogen in the inside thereof to generate power for running the vehicle and also to generate steam as exhaust gas, and the exhaust gas is discharged into the atmosphere through the exhaust pipe 12 and the heat exchanger 14. To be done.

【0028】熱交換器14は導管24により膨張器とし
て機能するタービン26の流入側に接続され、タービン
26の流出側は導管28により凝縮器20の流入側に接
続されている。凝縮器20の流出側は導管30によりポ
ンプ32の吸入側に接続され、ポンプ32の吐出側は導
管34により熱交換器14の流入側に接続されている。
図示の第一の実施形態に於いては、導管34の途中には
流量制御弁36が設けられており、その開弁量は後述の
如く電子制御装置22により制御される。
The heat exchanger 14 is connected to the inflow side of the turbine 26 functioning as an expander by a conduit 24, and the outflow side of the turbine 26 is connected to the inflow side of the condenser 20 by a conduit 28. The outflow side of the condenser 20 is connected to the suction side of the pump 32 by a conduit 30, and the discharge side of the pump 32 is connected to the inflow side of the heat exchanger 14 by a conduit 34.
In the illustrated first embodiment, a flow control valve 36 is provided in the middle of the conduit 34, and the valve opening amount is controlled by the electronic control unit 22 as described later.

【0029】尚ポンプ32は電子制御装置22により制
御される電動モータ38により回転駆動されるようにな
っているが、内燃機関10により回転駆動されてもよ
い。また図1には詳細に示されていないが、タービン2
6は回転軸26aを有し、回転軸26aは作動流体の蒸
気がタービン26内を通過することにより回転駆動さ
れ、その回転駆動力は車輌走行用の補助動力として使用
されてもよく、また他の装置の駆動源として使用されて
もよく、更には例えば発電機を駆動することにより他の
エネルギとして保存され使用されてもよい。
The pump 32 is rotationally driven by an electric motor 38 controlled by the electronic control unit 22, but may be rotationally driven by the internal combustion engine 10. Although not shown in detail in FIG. 1, the turbine 2
6 has a rotary shaft 26a, and the rotary shaft 26a is rotationally driven by the steam of the working fluid passing through the turbine 26, and the rotational driving force may be used as auxiliary power for running the vehicle, and May be used as a drive source of the device of the above, and may be stored and used as other energy by driving a generator, for example.

【0030】かくして熱交換器14、タービン26、凝
縮器20、ポンプ32は互いに共働してランキンサイク
ル装置を構成しており、これらの装置及びこれらの装置
を接続する各導管の内部にはフロン、アルコール、又は
アンモニアの如きランキンサイクルの作動流体が封入さ
れており、熱交換器14、タービン26、凝縮器20、
ポンプ32はそれぞれ作動流体に対しランキンサイクル
の等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却、断熱圧縮を行う。
Thus, the heat exchanger 14, the turbine 26, the condenser 20, and the pump 32 cooperate with each other to form a Rankine cycle device, and a freon is provided inside these devices and each conduit connecting these devices. , Rankine cycle working fluid such as alcohol, ammonia, or ammonia is enclosed, and the heat exchanger 14, the turbine 26, the condenser 20,
The pumps 32 perform Rankine cycle isobaric heating, adiabatic expansion, isobaric cooling, and adiabatic compression on the working fluid.

【0031】即ち図1に示されている如く、点P1をタ
ービン26に流入側に近い導管24の点とし、導管点P
2、P3、P4をそれぞれ導管28、30、34の途中の
点とすると、ポンプ32は液体状の作動流体を断熱圧縮
して熱交換器14へ送り出し(P3〜P4)、熱交換器1
4は排気管12内を流れる高温の排気ガスと作動流体と
の間の熱交換により作動流体を等圧加熱する。等圧加熱
される作動流体は飽和状態に達した後蒸発し、更に加熱
されることにより完全な気体状態になり、タービン26
へ供給される(P4〜P1)。
That is, as shown in FIG. 1, the point P1 is the point of the conduit 24 near the inlet side of the turbine 26, and the conduit point P
When 2, P3 and P4 are points in the middle of the conduits 28, 30 and 34, respectively, the pump 32 adiabatically compresses the liquid working fluid and sends it to the heat exchanger 14 (P3 to P4), and the heat exchanger 1
Reference numeral 4 heats the working fluid at a constant pressure by exchanging heat between the high-temperature exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 and the working fluid. The working fluid heated to equal pressure evaporates after reaching a saturation state, and is further heated to become a complete gas state.
Is supplied to (P4 to P1).

【0032】タービン26は高温の気体状態の作動流体
を断熱膨張させて仕事(回転軸26aの回転駆動力)を
発生し、作動流体は湿り状態近傍まで膨張した後タービ
ン26より流出し、凝縮器20へ供給される(P1〜P
2)。凝縮器20は燃料供給管18内にて気化熱により
降温した水素と作動流体との間の熱交換によって作動流
体を断熱冷却し、作動流体を完全な液体の状態にてポン
プ32へ供給する(P2〜P3)。
The turbine 26 adiabatically expands the working fluid in a high temperature gas state to generate work (rotational driving force of the rotating shaft 26a), the working fluid expands to near the wet state and then flows out from the turbine 26 to form a condenser. 20 (P1 to P
2). The condenser 20 adiabatically cools the working fluid by heat exchange between the hydrogen and the working fluid whose temperature is lowered by the heat of vaporization in the fuel supply pipe 18, and supplies the working fluid to the pump 32 in a completely liquid state ( P2 to P3).

【0033】尚、作動流体は熱交換器14に於ける排気
ガスとの熱交換による等圧加熱により昇温して気体に変
化し、タービン26に於いて断熱膨張することにより降
温し、凝縮器20に於ける水素の気化熱によって等圧冷
却されることにより降温して液体に変化し、ポンプ32
により断熱圧縮され得る限り、水の如き任意の物質であ
ってよいが、凝縮温度が常温よりも低く気化潜熱が小さ
いフロン、アルコール、アンモニアなどであることが好
ましい。
The working fluid rises in temperature due to isobaric heating due to heat exchange with the exhaust gas in the heat exchanger 14 to change to gas, and adiabatically expands in the turbine 26 to lower the temperature, and the condenser It is cooled to a liquid by being cooled to a constant pressure by the heat of vaporization of hydrogen in 20, and the pump 32
Any substance such as water may be used as long as it can be adiabatically compressed by, but chlorofluorocarbon, alcohol, ammonia and the like, which have a condensation temperature lower than room temperature and a small latent heat of vaporization, are preferable.

【0034】上記ランキンサイクル装置に於いては、そ
のループに流すことができる作動流体の量は凝縮器20
内に於いて水素の気化熱によって完全な液体に凝縮され
る量に制限され、凝縮器20内に於ける単位時間当たり
の水素の気化熱は内燃機関10へ供給される水素の流量
により決定される。従って流量制御弁36は、それを通
過する作動流体の流量が水素タンク16より燃料供給管
18を経て内燃機関10へ供給される水素の流量と熱量
的にマッチングするよう、換言すれば作動流体が凝縮器
20内に於いて水素の気化熱によって完全な液体に凝縮
されるよう、内燃機関10へ供給される水素の流量に応
じて電子制御装置22により制御される。
In the Rankine cycle apparatus, the amount of working fluid that can flow in the loop is determined by the condenser 20.
The heat of vaporization of hydrogen in the condenser 20 is limited to the amount condensed into a complete liquid, and the heat of vaporization of hydrogen in the condenser 20 per unit time is determined by the flow rate of hydrogen supplied to the internal combustion engine 10. It Therefore, the flow rate control valve 36 calorimetrically matches the flow rate of the working fluid passing therethrough with the flow rate of hydrogen supplied from the hydrogen tank 16 to the internal combustion engine 10 via the fuel supply pipe 18, in other words, the working fluid is The electronic control unit 22 controls the amount of hydrogen supplied to the internal combustion engine 10 in accordance with the flow rate of hydrogen so that the heat of vaporization of hydrogen in the condenser 20 condenses it into a complete liquid.

【0035】第二の実施形態 図2は本発明によるランキンサイクルによる排熱回収装
置の第二の実施形態を示す概略構成図である。尚図2に
於いて図1に示された部材と同一の部材には図1に於い
て付された符号と同一の符号が付されている。
Second Embodiment FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the exhaust heat recovery apparatus by the Rankine cycle according to the present invention. In FIG. 2, the same members as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals as those shown in FIG.

【0036】この実施形態に於いては、上述の第一の実
施形態に於ける流量制御弁36は設けられていないが、
内燃機関10と熱交換器14との間の排気管12に分流
式の流量制御弁40が設けられている。流量制御弁40
には第二の排気管42が接続されており、流量制御弁4
0は電子制御装置22によって制御されることにより、
それよりも下流側の排気管12を経て熱交換器14へ供
給される排気ガスの流量を所定の流量に制御し、残りの
流量の排気ガスを第二の排気管42を経て大気中へ排出
する。図2と図1との比較より解る如く、この実施形態
の排熱回収装置は他の点については上述の第一の実施形
態と同様に構成されており、従ってこれらについての詳
細な説明を省略する。
In this embodiment, the flow control valve 36 in the above-mentioned first embodiment is not provided,
A branch type flow control valve 40 is provided in the exhaust pipe 12 between the internal combustion engine 10 and the heat exchanger 14. Flow control valve 40
A second exhaust pipe 42 is connected to the flow control valve 4
0 is controlled by the electronic control unit 22,
The flow rate of the exhaust gas supplied to the heat exchanger 14 via the exhaust pipe 12 on the downstream side is controlled to a predetermined flow rate, and the remaining exhaust gas is discharged into the atmosphere via the second exhaust pipe 42. To do. As can be seen from the comparison between FIG. 2 and FIG. 1, the exhaust heat recovery apparatus of this embodiment is configured in the same manner as the above-described first embodiment in other points, and therefore detailed description thereof will be omitted. To do.

【0037】図示のランキンサイクル装置に於いては、
作動流体は熱交換器14により完全に気化されなければ
ならず、従って排気管12を経て熱交換器14内を通過
する排気ガスの流量は熱交換器14内の熱交換により作
動流体を完全に気化し得る流量でなければならない一方
で、熱交換器14の過剰昇温を防止し得る流量に制限さ
れなければならない。
In the illustrated Rankine cycle device,
The working fluid must be completely vaporized by the heat exchanger 14, and therefore the flow rate of the exhaust gas passing through the exhaust pipe 12 into the heat exchanger 14 is such that the working fluid is completely evaporated by the heat exchange inside the heat exchanger 14. While the flow rate must be vaporizable, it must be limited to a flow rate that can prevent overheating of the heat exchanger 14.

【0038】従って流量制御弁40は排気管12を経て
熱交換器14へ供給される排気ガスの流量が熱交換器1
4内の熱交換により作動流体を完全に気化し得ると共に
熱交換器14の過剰昇温を防止し得る流量に制限される
よう、換言すれば熱交換器14内の熱交換により排気ガ
スより作動流体に与えられる熱量が凝縮器20内に於い
て水素の気化熱によって液体に凝縮されランキンサイク
ル装置のループ内を循環する作動流体の流量にマッチン
グするよう、水素タンク16より燃料供給管18を経て
内燃機関10へ供給される水素の流量及び排気ガスの温
度に応じて電子制御装置22により制御される。
Therefore, the flow rate control valve 40 controls the flow rate of the exhaust gas supplied to the heat exchanger 14 via the exhaust pipe 12 to be equal to that of the heat exchanger 1.
So that the working fluid can be completely vaporized by the heat exchange in 4 and the flow rate is limited to prevent the excessive temperature rise of the heat exchanger 14, in other words, the heat exchange in the heat exchanger 14 operates from the exhaust gas. From the hydrogen tank 16 via the fuel supply pipe 18 so that the amount of heat given to the fluid matches the flow rate of the working fluid condensed in the liquid by the heat of vaporization of hydrogen in the condenser 20 and circulating in the loop of the Rankine cycle device. It is controlled by the electronic control unit 22 according to the flow rate of hydrogen supplied to the internal combustion engine 10 and the temperature of the exhaust gas.

【0039】図4は上述の第一及び第二の実施形態に於
いてランキンサイクル装置により達成されるランキンサ
イクルの温度−エントロピ線図である。尚図4の線図に
示された各点P1〜P4は図1及び図2に示されたランキ
ンサイクル装置の点P1〜P4にそれぞれ対応しており、
Aは作動流体の飽和液線を示し、Bは作動流体の飽和蒸
気線を示している。
FIG. 4 is a temperature-entropy diagram of the Rankine cycle achieved by the Rankine cycle apparatus in the above-mentioned first and second embodiments. The points P1 to P4 shown in the diagram of FIG. 4 correspond to the points P1 to P4 of the Rankine cycle device shown in FIGS. 1 and 2, respectively.
A shows a saturated liquid line of the working fluid, and B shows a saturated vapor line of the working fluid.

【0040】周知の如く、図4に於いて、点P1〜P2は
タービン26内に於ける断熱膨張過程であり、点P2〜
P3は凝縮器20内に於ける等圧凝縮過程であり、点P3
〜P4はポンプ32による断熱圧縮過程であり、点P4〜
P4′、点P4′〜P1′、点P1′〜P1はそれぞれ熱交
換器14内に於ける等圧加熱過程、等圧蒸発過程、等圧
加熱過程である。
As is well known, in FIG. 4, points P1 and P2 are adiabatic expansion processes in the turbine 26, and points P2 and P2 are
P3 is an isobaric condensation process in the condenser 20, and the point P3
~ P4 is the adiabatic compression process by the pump 32, point P4 ~
P4 ', points P4' to P1 ', and points P1' to P1 are the isobaric heating process, isobaric evaporation process, and isobaric heating process in the heat exchanger 14, respectively.

【0041】一般に、点P1〜P2の断熱膨張過程により
仕事が発生されるので、点P1〜P2のエンタルピ落差が
大きいほどランキンサイクル装置により発生される仕事
量、即ち排気ガスより回収される熱エネルギ量が大きく
なる。エンタルピ落差は点P1〜P2の温度落差に比例す
るので、排気ガスより回収される熱エネルギ量を大きく
するためには、点P1〜P2の温度落差を大きくすればよ
い。
Generally, since work is generated by the adiabatic expansion process of points P1 and P2, the larger the enthalpy drop of points P1 and P2 is, the more work amount is generated by the Rankine cycle device, that is, the heat energy recovered from the exhaust gas. The amount increases. Since the enthalpy drop is proportional to the temperature drop between points P1 and P2, the temperature drop between points P1 and P2 may be increased in order to increase the amount of heat energy recovered from the exhaust gas.

【0042】しかし上記点P1の温度は熱交換器14内
に於ける排気ガスと作動流体との間の熱交換により決定
され、従って排気ガスの温度Tg及び熱交換器14の熱
交換効率により決定されるので、点P1の温度を高くす
ることによって点P1〜P2の温度落差を大きくすること
はできない。
However, the temperature at the point P1 is determined by the heat exchange between the exhaust gas and the working fluid in the heat exchanger 14, and therefore is determined by the temperature Tg of the exhaust gas and the heat exchange efficiency of the heat exchanger 14. Therefore, the temperature difference between the points P1 and P2 cannot be increased by increasing the temperature at the point P1.

【0043】上述の第一及び第二の実施形態によれば、
凝縮器20に於ける作動流体の凝縮は従来の車載のラン
キンサイクル装置に於けるラジエータの如く大気及び冷
却水を利用した冷却により行われるのではなく、液体水
素が気化する際の蒸発潜熱を利用して作動流体が冷却さ
れることにより達成されるので、従来に比して点P2及
びP3の温度T2及びT3を低くし、これにより点P1〜P
2の温度落差を大きくして排気ガスより回収される熱エ
ネルギ量を大きくし、排気ガスよりの排熱回収効率を向
上させることができる。
According to the first and second embodiments described above,
Condensation of the working fluid in the condenser 20 is not performed by cooling using the atmosphere and cooling water as in the radiator in the conventional vehicle-mounted Rankine cycle device, but by utilizing the latent heat of vaporization when liquid hydrogen is vaporized. Since this is achieved by cooling the working fluid, the temperatures T2 and T3 at the points P2 and P3 are made lower than in the conventional case, so that the points P1 to P3 are reduced.
It is possible to increase the temperature drop of 2 to increase the amount of heat energy recovered from the exhaust gas and improve the efficiency of exhaust heat recovery from the exhaust gas.

【0044】即ち、上記点P1及びP2に於ける作動流体
の温度をそれぞれT1、T2とし、エンタルピをそれぞれ
h1、h2とし、点P1〜P2のタービン26内に於ける断
熱膨張過程により発生される仕事量をWとすると、下記
の式1により表わされる如く、温度落差T1−T2は仕事
量Wに比例する。 T1−T2∝W=h1−h2 …(1)
That is, the temperatures of the working fluids at the points P1 and P2 are set to T1 and T2, respectively, and the enthalpies are set to h1 and h2, respectively, and are generated by the adiabatic expansion process in the turbine 26 at the points P1 and P2. Assuming that the work amount is W, the temperature difference T1-T2 is proportional to the work amount W, as expressed by the following formula 1. T1−T2∝W = h1−h2 (1)

【0045】また熱交換器14内に於いて排気ガスとの
熱交換により作動流体に与えられる入熱量をQとする
と、入熱量Qは下記の式2により表わされ、ランキンサ
イクル装置の理論熱効率ηthは下記の式3により表わさ
れ、式1〜3より温度落差T1−T2が大きいほど仕事量
Wが大きくなり、入熱量Qを一定とすれば、温度落差T
1−T2が大きいほどランキンサイクル装置の理論熱効率
ηthが高くなることが解る。 Q=h1−h4 …(2) ηth=W/Q …(3)
If the heat input amount given to the working fluid by heat exchange with the exhaust gas in the heat exchanger 14 is Q, the heat input amount Q is expressed by the following equation 2, and the theoretical thermal efficiency of the Rankine cycle device is shown. ηth is expressed by the following expression 3, and the larger the temperature difference T1−T2 from the expressions 1 to 3, the larger the work amount W, and if the heat input Q is constant, the temperature difference T
It can be seen that the larger the 1-T2, the higher the theoretical thermal efficiency ηth of the Rankine cycle system. Q = h1−h4 (2) ηth = W / Q (3)

【0046】また上述の第一及び第二の実施形態によれ
ば、上述の如く凝縮器20より流出する作動流体の温度
T3を従来の車載のランキンサイクル装置の場合に比し
て低くすることができるので、熱交換器14へ流入する
作動流体の温度T4を従来の車載のランキンサイクル装
置の場合に比して低くすることができ、これにより熱交
換器14内に於いて作動流体が排気ガスより奪う熱量を
大きくし、ランキンサイクル装置による排気ガスよりの
排熱回収量を高くすることができる。
Further, according to the first and second embodiments described above, the temperature T3 of the working fluid flowing out from the condenser 20 can be lowered as compared with the case of the conventional vehicle-mounted Rankine cycle device. Therefore, the temperature T4 of the working fluid flowing into the heat exchanger 14 can be made lower than that in the case of the conventional vehicle-mounted Rankine cycle device, whereby the working fluid in the heat exchanger 14 becomes exhaust gas. It is possible to further increase the amount of heat to be taken and increase the amount of exhaust heat recovered from the exhaust gas by the Rankine cycle device.

【0047】例えば熱交換器14へ流入する排気ガスの
温度Tgを600℃とし、熱交換器14の温度効率を8
0%とすると、熱交換器14へ流入する作動流体の温度
が80℃の場合には熱交換器14より流出する排気ガス
の温度が184℃になり、作動流体が排気ガスより奪う
熱量は10.5kwであるのに対し、熱交換器14へ流
入する作動流体の温度が−80℃の場合には熱交換器1
4より流出する排気ガスの温度が56℃になり、作動流
体が排気ガスより奪う熱量は13.7kwになる。
For example, the temperature Tg of the exhaust gas flowing into the heat exchanger 14 is set to 600 ° C., and the temperature efficiency of the heat exchanger 14 is set to 8
When the temperature is 0%, when the temperature of the working fluid flowing into the heat exchanger 14 is 80 ° C., the temperature of the exhaust gas flowing out from the heat exchanger 14 becomes 184 ° C., and the amount of heat taken by the working fluid from the exhaust gas is 10%. In contrast to 0.5 kW, when the temperature of the working fluid flowing into the heat exchanger 14 is −80 ° C., the heat exchanger 1
The temperature of the exhaust gas flowing out from No. 4 becomes 56 ° C., and the amount of heat taken by the working fluid from the exhaust gas becomes 13.7 kW.

【0048】また上述の第一及び第二の実施形態によれ
ば、上述の如く凝縮器20より流出する作動流体の温度
T3を従来の車載のランキンサイクル装置の場合に比し
て低くすることができることにより、上記各点P4、P
4′、P1′の温度T4、T4′、T1′をも低くすること
ができるので、ランキンサイクル装置の作動流体の選択
の自由度を高くすることができ、本発明の排熱回収装置
が適用される車輌、特に内燃機関10の諸元に応じて最
適の作動流体を選択することができ、このことによって
も排熱回収効率を向上させることができる。
Further, according to the first and second embodiments described above, the temperature T3 of the working fluid flowing out of the condenser 20 can be lowered as compared with the case of the conventional vehicle-mounted Rankine cycle device. If possible, the above points P4, P
Since the temperatures T4, T4 'and T1' of 4'and P1 'can also be lowered, the degree of freedom in selecting the working fluid of the Rankine cycle device can be increased and the exhaust heat recovery device of the present invention can be applied. The optimum working fluid can be selected according to the specifications of the vehicle, especially the internal combustion engine 10. This also improves the exhaust heat recovery efficiency.

【0049】例えば作動流体として従来の水蒸気が使用
される場合及び本発明に従ってフロンR12が使用され
る場合について、得られる仕事量の相違について説明す
る。熱交換器14へ流入する排気ガスの温度Tgを60
0℃とし、水蒸気が熱交換器14へ流入する際の温度T
4を80℃とし、熱交換器14の温度効率を80%とし
た場合の入熱量について、作動流体を水蒸気よりフロン
R12に変えた場合の熱量を計算する。
The difference in the amount of work obtained will be described, for example, when conventional steam is used as the working fluid and when CFC R12 is used according to the present invention. The temperature Tg of the exhaust gas flowing into the heat exchanger 14 is set to 60
The temperature T when the temperature is 0 ° C. and the steam flows into the heat exchanger 14.
Regarding the heat input amount when 4 is 80 ° C. and the temperature efficiency of the heat exchanger 14 is 80%, the heat amount when the working fluid is changed from steam to Freon R12 is calculated.

【0050】作動流体が水蒸気である場合には、温度T
4′=T1′は179.88℃になり、温度T1は496
℃となる。また作動流体がフロンR12でありフロンR
12が熱交換器14へ流入する際の温度T4を−80℃
とすると、温度T4′=T1′は36.85℃になり、温
度T1は63℃となる。但し点P1及びP4に於ける水蒸
気の圧力を1MPaとし、点P1及びP4に於けるフロン
R12の圧力を0.9MPaとする。
When the working fluid is water vapor, the temperature T
4 '= T1' reaches 179.88 ° C. and temperature T1 is 496
℃. Also, the working fluid is Freon R12 and Freon R12
The temperature T4 when 12 flows into the heat exchanger 14 is -80 ° C.
Then, the temperature T4 '= T1' becomes 36.85 ° C and the temperature T1 becomes 63 ° C. However, the pressure of water vapor at the points P1 and P4 is 1 MPa, and the pressure of the fluorocarbon R12 at the points P1 and P4 is 0.9 MPa.

【0051】かかる状況に於ける作動流体の液体が得る
熱量[kJ/kg](点P4〜P4′)、蒸発潜熱[kJ/kg]
(点P4′〜P1′)、作動流体の気体が得る熱量[kJ/
kg](点P1′〜P1)、仕事W=h1−h2[kJ/kg]
(点P1〜P2)は下記の表1の通りである。
The amount of heat [kJ / kg] (points P4 to P4 ') obtained by the liquid of the working fluid and the latent heat of vaporization [kJ / kg] in such a situation
(Points P4 'to P1'), the amount of heat obtained by the working fluid gas [kJ /
kg] (points P1 'to P1), work W = h1-h2 [kJ / kg]
(Points P1 and P2) are as shown in Table 1 below.

【0052】表1より解る如く、熱交換器14に於ける
作動流体に対する入熱量(10.5kW)が同一である
とすると、フロンR12の流量(39.2g/s)を水
蒸気の流量(3.4g/s)の約12倍にすることがで
きる。また水蒸気の流量をGsとして下記の不等式によ
り示される如く、作動流体としてフロンR12が使用さ
れる場合の仕事量Wfは作動流体として水蒸気が使用さ
れる場合の仕事量Wsよりも大きくなり、従って膨張器
として使用可能な装置の選択の自由度を高くすることが
できると共に、このことによってもランキンサイクル装
置による排気ガスよりの排熱回収量を高くすることがで
きる。 Ws=820*Gs<Wf=79*12Gs=948Gs
As can be seen from Table 1, when the heat input amount (10.5 kW) to the working fluid in the heat exchanger 14 is the same, the flow rate (39.2 g / s) of CFC R12 is changed to the flow rate (3) of steam. It can be about 12 times the value of 0.4 g / s). Further, as shown by the following inequality with the flow rate of water vapor as Gs, the work amount Wf when CFC R12 is used as the working fluid becomes larger than the work amount Ws when water vapor is used as the working fluid, and accordingly the expansion The degree of freedom in selecting a device that can be used as a reactor can be increased, and this can also increase the amount of exhaust heat recovered from exhaust gas by the Rankine cycle device. Ws = 820 * Gs <Wf = 79 * 12Gs = 948Gs

【0053】特に図示の各実施形態によれば、燃料であ
る可燃性ガスは水素であり、水素の沸点は−252.5
℃であり、また蒸発潜熱が比較的大きいので、燃料とし
て例えばプロパンや液化天然ガスの如き他の可燃性ガス
が使用される場合に比して、凝縮器20に於ける作動流
体の凝縮を効率的に行うことができ、温度T3及びT4を
低くすることができる。
In particular, according to the illustrated embodiments, the combustible gas that is the fuel is hydrogen, and the boiling point of hydrogen is -252.5.
Since the temperature is ℃ and the latent heat of vaporization is relatively large, the working fluid can be efficiently condensed in the condenser 20 as compared with the case where other combustible gas such as propane or liquefied natural gas is used as the fuel. And the temperatures T3 and T4 can be lowered.

【0054】また第一の実施形態によれば、ランキンサ
イクル装置内を循環する作動流体の流量を内燃機関10
へ供給される水素の流量に応じて制御する流量制御弁3
6が設けられているので、ランキンサイクル装置内を循
環する作動流体の流量を制御する手段が設けられていな
い場合に比して、凝縮器20内に於いて水素の気化熱に
よって確実に作動流体を完全な液体に凝縮させることが
でき、また流量制御弁36はポンプ32と熱交換器14
との間に設けられており、液体状態の作動流体の流量を
制御するので、作動流体の流量を制御する手段がランキ
ンサイクル装置のループ内の他の部位に設けれる場合に
比して、作動流体の流量を正確に制御することができ、
またポンプ32にキャビテーションが発生する虞れを低
減することができる。
Further, according to the first embodiment, the flow rate of the working fluid circulating in the Rankine cycle system is controlled by the internal combustion engine 10
Flow control valve 3 that controls according to the flow rate of hydrogen supplied to the
Since 6 is provided, the working fluid is surely provided by the heat of vaporization of hydrogen in the condenser 20 as compared with the case where the means for controlling the flow rate of the working fluid circulating in the Rankine cycle device is not provided. Can be condensed into a complete liquid, and the flow control valve 36 can be used for the pump 32 and the heat exchanger 14.
Is provided between the Rankine cycle device and the Rankine cycle device in order to control the flow rate of the working fluid in a liquid state. The flow rate of the fluid can be controlled accurately,
Further, it is possible to reduce the risk of cavitation occurring in the pump 32.

【0055】また第二の実施形態によれば、熱交換器1
4内の熱交換により排気ガスより作動流体に与えられる
熱量がランキンサイクル装置のループ内を循環する作動
流体の流量にマッチングするよう、排気管12に設けら
れた分流式の流量制御弁40により内燃機関10より熱
交換器14へ供給される排気ガスの流量が制御されるの
で、熱交換器へ供給される排気ガスの流量を制御する手
段が設けられていない場合に比して、熱交換器14の過
剰昇温を確実に防止しつつ熱交換器14内に於いて確実
に作動流体を完全な気体に相変化させることができる。
Further, according to the second embodiment, the heat exchanger 1
In order for the amount of heat given to the working fluid from the exhaust gas by heat exchange in 4 to match the flow rate of the working fluid circulating in the loop of the Rankine cycle device, the internal combustion is carried out by the split flow control valve 40 provided in the exhaust pipe 12. Since the flow rate of the exhaust gas supplied from the engine 10 to the heat exchanger 14 is controlled, the heat exchanger is compared with the case where the means for controlling the flow rate of the exhaust gas supplied to the heat exchanger is not provided. It is possible to surely prevent the excessive temperature rise of 14 and to surely change the working fluid into a perfect gas in the heat exchanger 14.

【0056】尚図3に修正例として示されている如く、
上述の第一の実施形態に於ける流量制御弁36及び第二
の実施形態に於ける分流式の流量制御弁40の両方がラ
ンキンサイクル装置に設けられてもよく、その場合には
当然のこととして上述の第一及び第二の実施形態の作用
効果の両方を得ることができ、従って排気ガスより一層
好ましく排熱を回収することができる。
As shown in FIG. 3 as a modified example,
Both the flow rate control valve 36 in the first embodiment and the flow dividing type flow control valve 40 in the second embodiment described above may be provided in the Rankine cycle device, and in that case, it goes without saying. As a result, both the effects of the first and second embodiments described above can be obtained, and therefore exhaust heat can be recovered more preferably than exhaust gas.

【0057】また図1に示された第一の実施形態及び図
3に示された修正例に於いては、ポンプ32より熱交換
器14へ供給される作動流体の流量を制御する流量制御
弁36が設けられているが、ポンプとして可変吐出量ポ
ンプが使用され、これにより流量制御弁36が省略され
てもよい。
In the first embodiment shown in FIG. 1 and the modification shown in FIG. 3, a flow rate control valve for controlling the flow rate of the working fluid supplied from the pump 32 to the heat exchanger 14. Although a pump 36 is provided, a variable discharge pump may be used as the pump, whereby the flow control valve 36 may be omitted.

【0058】以上に於いては本発明を特定の実施形態に
ついて詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限
定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の
実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであ
ろう。
Although the present invention has been described above in detail with respect to specific embodiments, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and various other embodiments within the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that

【0059】例えば上述の各実施形態に於いては、可燃
性ガスは水素であり、燃焼機関は水素を燃料とする内燃
機関であるが、可燃性ガスはプロパンや液化天然ガスで
あってもよく、燃焼機関は外燃機関であってもよい。
For example, in each of the above embodiments, the combustible gas is hydrogen and the combustion engine is an internal combustion engine that uses hydrogen as a fuel, but the combustible gas may be propane or liquefied natural gas. The combustion engine may be an external combustion engine.

【0060】また上述の各実施形態に於いては、ランキ
ンサイクル装置の作動流体としてフロン、アルコール、
アンモニアが例示されているが、可燃性ガスとの関係に
於いて他の物質が作動流体として使用されてもよい。
In each of the above-mentioned embodiments, the working fluid of the Rankine cycle device is Freon, alcohol,
Ammonia is illustrated, but other materials may be used as the working fluid in the context of combustible gases.

【0061】また上述の各実施形態に於いては、ランキ
ンサイクル装置の膨張器はタービン26であるが、膨張
器は気体状の作動流体を断熱膨張させることにより仕事
を発生し得るものである限り、当技術分野に於いて公知
の任意の構成のものであってよい。
Further, in each of the above-described embodiments, the expander of the Rankine cycle system is the turbine 26, but as long as the expander can generate work by adiabatically expanding the gaseous working fluid. , May have any configuration known in the art.

【0062】更に上述の第一の実施形態に於いては、流
量制御弁がポンプ32と熱交換器14との間に設けられ
ているが、作動流体の流量を制御する手段はランキンサ
イクル装置のループ内の他の部位に設けられてもよく、
また省略されてもよい。同様に上述の第二の実施形態に
於いては、内燃機関10より熱交換器14へ供給される
排気ガスの流量を制御する流量制御弁40が設けられて
いるが、熱交換器へ供給される排気ガスの流量を制御す
る手段が省略され、熱交換器14の過剰昇温を防止する
他の手段が設けられてもよい。
Further, in the above-described first embodiment, the flow control valve is provided between the pump 32 and the heat exchanger 14, but the means for controlling the flow rate of the working fluid is the Rankine cycle device. It may be provided in other parts of the loop,
It may be omitted. Similarly, in the above-described second embodiment, the flow rate control valve 40 that controls the flow rate of the exhaust gas supplied from the internal combustion engine 10 to the heat exchanger 14 is provided, but it is supplied to the heat exchanger. The means for controlling the flow rate of the exhaust gas may be omitted, and other means for preventing the excessive temperature rise of the heat exchanger 14 may be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるランキンサイクルによる排熱回収
装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of an exhaust heat recovery device by a Rankine cycle according to the present invention.

【図2】本発明によるランキンサイクルによる排熱回収
装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of an exhaust heat recovery device by a Rankine cycle according to the present invention.

【図3】本発明によるランキンサイクルによる排熱回収
装置の修正例を示す概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a modified example of the exhaust heat recovery apparatus by the Rankine cycle according to the present invention.

【図4】第一及び第二の実施形態に於いてランキンサイ
クル装置により達成されるランキンサイクルの温度−エ
ントロピ線図である。
FIG. 4 is a temperature-entropy diagram of the Rankine cycle achieved by the Rankine cycle device in the first and second embodiments.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…内燃機関 14…熱交換器 20…凝縮器 22…電子制御装置 26…タービン 32…ポンプ 36、40…流量制御弁 10 ... Internal combustion engine 14 ... Heat exchanger 20 ... condenser 22 ... Electronic control unit 26 ... Turbine 32 ... Pump 36, 40 ... Flow control valve

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】常温下にて気体をなす可燃性ガスを燃料と
し該燃料の燃焼により走行用動力を発生する燃焼機関を
備えた車輌に於いて、前記燃焼機関より排出される排気
ガスよりランキンサイクルにより熱を回収する車輌の排
熱回収方法にして、前記排気ガスの熱を利用してランキ
ンサイクルの作動流体を蒸発させると共に、前記可燃性
ガスの気化熱を利用して前記作動流体を凝縮することを
特徴とする車輌の排熱回収方法。
1. A vehicle equipped with a combustion engine that uses a combustible gas that is a gas at normal temperature as a fuel to generate traveling power by combustion of the fuel, and rankines the exhaust gas discharged from the combustion engine. A vehicle exhaust heat recovery method for recovering heat by a cycle, wherein the working fluid of the Rankine cycle is vaporized by using the heat of the exhaust gas, and the working fluid is condensed by using the heat of vaporization of the combustible gas. A method for recovering exhaust heat from a vehicle characterized by:
【請求項2】常温下にて気体をなす可燃性ガスを高圧の
液体状態にて貯容するタンクと、前記可燃性ガスを燃料
とし該燃料の燃焼により走行用動力を発生する燃焼機関
とを備えた車輌に於いて、前記燃焼機関より排出される
排気ガスとランキンサイクルの作動流体との間にて熱交
換し前記排気ガスの熱を利用して前記作動流体を蒸発さ
せる熱交換器と、前記熱交換器よりの気体状の前記作動
流体を断熱膨張させて仕事を出力する膨張器と、前記膨
張器よりの前記作動流体を凝縮する凝縮器と、前記凝縮
器よりの前記作動流体を断熱圧縮して前記熱交換器へ供
給する圧縮機とを含むランキンサイクル装置を有し、前
記燃焼機関より排出される排気ガスより前記ランキンサ
イクル装置により熱を回収する車輌の排熱回収装置にし
て、前記凝縮器は前記可燃性ガスの流れで見て前記タン
クと前記燃焼機関との間に配設され、前記可燃性ガスの
気化熱を利用して前記作動流体を凝縮することを特徴と
する車輌の排熱回収装置。
2. A tank that stores a combustible gas that is a gas at room temperature in a high-pressure liquid state, and a combustion engine that uses the combustible gas as a fuel to generate traveling power by combustion of the fuel. In the vehicle, a heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the combustion engine and the working fluid of Rankine cycle, and evaporating the working fluid by utilizing the heat of the exhaust gas; An expander that adiabatically expands the gaseous working fluid from the heat exchanger to output work, a condenser that condenses the working fluid from the expander, and an adiabatic compression of the working fluid from the condenser And a compressor for supplying the heat exchanger with a Rankine cycle device, wherein the Rankine cycle device recovers heat from exhaust gas discharged from the combustion engine, Condenser Exhaust heat recovery of a vehicle, which is arranged between the tank and the combustion engine as seen in the flow of combustible gas, and uses the heat of vaporization of the combustible gas to condense the working fluid. apparatus.
【請求項3】前記ランキンサイクル装置は該ランキンサ
イクル装置内を循環する前記作動流体の流量を制御する
第一の流量制御手段を有することを特徴とする請求項2
に記載の車輌の排熱回収装置。
3. The Rankine cycle apparatus comprises first flow rate control means for controlling a flow rate of the working fluid circulating in the Rankine cycle apparatus.
Exhaust heat recovery device for vehicles as described in.
【請求項4】前記ランキンサイクル装置は前記燃焼機関
より前記熱交換器へ供給される前記排気ガスの流量を制
御する第二の流量制御手段を有することを特徴とする請
求項2に記載の車輌の排熱回収装置。
4. The vehicle according to claim 2, wherein the Rankine cycle apparatus has second flow rate control means for controlling a flow rate of the exhaust gas supplied from the combustion engine to the heat exchanger. Exhaust heat recovery device.
JP2002077775A 2002-03-20 2002-03-20 Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle Pending JP2003278598A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002077775A JP2003278598A (en) 2002-03-20 2002-03-20 Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002077775A JP2003278598A (en) 2002-03-20 2002-03-20 Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2003278598A true JP2003278598A (en) 2003-10-02

Family

ID=29228111

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002077775A Pending JP2003278598A (en) 2002-03-20 2002-03-20 Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2003278598A (en)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007002761A (en) * 2005-06-23 2007-01-11 Ebara Corp Cogeneration system and power generator
JP2007100687A (en) * 2004-12-07 2007-04-19 Denso Corp Thermal power generation device, power source control device, and power management method thereof
CN100340826C (en) * 2004-03-31 2007-10-03 株式会社电装 System utilizing waste heat of internal combustion engine
JP2010048129A (en) * 2008-08-20 2010-03-04 Sanden Corp Waste heat using apparatus
CN101956595A (en) * 2010-09-10 2011-01-26 唐硎 Steam-assistant system of engine
JP2011508129A (en) * 2007-12-22 2011-03-10 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト Loss heat recovery method for internal combustion engine
JP2011058502A (en) * 2004-12-07 2011-03-24 Denso Corp Thermal power generation device, power source control device, and power management method thereof
JP2011241744A (en) * 2010-05-18 2011-12-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Supercharging device of internal combustion engine
JP2012526224A (en) * 2009-05-09 2012-10-25 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト Use of exhaust gas heat from automobiles
WO2012170375A1 (en) * 2011-06-09 2012-12-13 General Electric Company Fuel cell and reciprocating gas/diesel engine hybrid system
KR20130122946A (en) * 2010-10-11 2013-11-11 보르그워너 인코퍼레이티드 Exhaust turbocharger of an internal combustion engine
CN104612853A (en) * 2013-11-01 2015-05-13 松下知识产权经营株式会社 Exhaust heat recovery apparatus, heating system, steam boiler, and deodorization system
CN105065110A (en) * 2015-07-21 2015-11-18 同济大学 Organic rankine cycle and electric power dual-drive internal combustion engine pressurization system
CN105604658A (en) * 2014-11-18 2016-05-25 现代自动车株式会社 Method of controlling turbine of exhaust heat recovery system
WO2018195621A1 (en) * 2017-04-25 2018-11-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Binary-cycle turbine engine comprising three isobaric processes and four adiabatic processes and a method for controlling the thermodynamic cycle of the turbine engine
EP3578767A4 (en) * 2017-01-31 2020-11-11 IHI Corporation Heat cycle facility

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100340826C (en) * 2004-03-31 2007-10-03 株式会社电装 System utilizing waste heat of internal combustion engine
JP2007100687A (en) * 2004-12-07 2007-04-19 Denso Corp Thermal power generation device, power source control device, and power management method thereof
JP2011058502A (en) * 2004-12-07 2011-03-24 Denso Corp Thermal power generation device, power source control device, and power management method thereof
JP4715458B2 (en) * 2004-12-07 2011-07-06 株式会社デンソー Thermoelectric generator
JP2007002761A (en) * 2005-06-23 2007-01-11 Ebara Corp Cogeneration system and power generator
EP2229524B1 (en) * 2007-12-22 2019-05-22 Daimler AG Method for recovering heat dissipated by an internal combustion engine
US8783032B2 (en) 2007-12-22 2014-07-22 Daimler Ag Method for recovering heat losses of an internal combustion engine
JP2011508129A (en) * 2007-12-22 2011-03-10 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト Loss heat recovery method for internal combustion engine
JP2010048129A (en) * 2008-08-20 2010-03-04 Sanden Corp Waste heat using apparatus
JP2012526224A (en) * 2009-05-09 2012-10-25 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト Use of exhaust gas heat from automobiles
JP2011241744A (en) * 2010-05-18 2011-12-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Supercharging device of internal combustion engine
CN101956595A (en) * 2010-09-10 2011-01-26 唐硎 Steam-assistant system of engine
KR20130122946A (en) * 2010-10-11 2013-11-11 보르그워너 인코퍼레이티드 Exhaust turbocharger of an internal combustion engine
KR101925423B1 (en) * 2010-10-11 2019-02-27 보르그워너 인코퍼레이티드 Exhaust turbocharger of an internal combustion engine
WO2012170375A1 (en) * 2011-06-09 2012-12-13 General Electric Company Fuel cell and reciprocating gas/diesel engine hybrid system
US9927116B2 (en) 2013-11-01 2018-03-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Exhaust heat recovery apparatus, heating system, steam boiler, and deodorization system
EP2881555A1 (en) 2013-11-01 2015-06-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Exhaust heat recovery apparatus, heating system, steam boiler, and deodorization system
CN104612853A (en) * 2013-11-01 2015-05-13 松下知识产权经营株式会社 Exhaust heat recovery apparatus, heating system, steam boiler, and deodorization system
CN105604658A (en) * 2014-11-18 2016-05-25 现代自动车株式会社 Method of controlling turbine of exhaust heat recovery system
CN105065110A (en) * 2015-07-21 2015-11-18 同济大学 Organic rankine cycle and electric power dual-drive internal combustion engine pressurization system
EP3578767A4 (en) * 2017-01-31 2020-11-11 IHI Corporation Heat cycle facility
US11162391B2 (en) 2017-01-31 2021-11-02 Ihi Corporation Heat cycle facility
WO2018195621A1 (en) * 2017-04-25 2018-11-01 Associação Paranaense De Cultura - Apc Binary-cycle turbine engine comprising three isobaric processes and four adiabatic processes and a method for controlling the thermodynamic cycle of the turbine engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4908383B2 (en) System with organic Rankine cycle circulation for driving at least one expansion device, heat exchanger for driving the expansion device and method for operating at least one expansion device
AU2011202917B2 (en) Dual cycle rankine waste heat recovery cycle
US20100263380A1 (en) Cascaded organic rankine cycle (orc) system using waste heat from a reciprocating engine
KR101280519B1 (en) Rankine cycle system for ship
JP2003278598A (en) Exhaust heat recovery method and device for vehicle using rankine cycle
US8572964B2 (en) Method for recuperating energy from an exhaust gas flow and motor vehicle
JP4404010B2 (en) Combined refrigeration generator
MX2012005670A (en) Compound closed-loop heat cycle system for recovering waste heat and method thereof.
JP2005201067A (en) Rankine cycle system
JP2007520662A (en) Fluid for organic Rankine cycle
MX2014011444A (en) System and method for recovery of waste heat from dual heat sources.
JP2003232226A (en) Gas turbine power generation equipment
US7523613B2 (en) Process and device for utilizing waste heat
JP5452346B2 (en) Engine exhaust heat regeneration system
WO2015019886A1 (en) Waste heat recovery device
JP4505266B2 (en) Fume processing method with energy recovery
JP2018021485A (en) Multistage rankine cycle system, internal combustion engine and operation method of multistage rankine cycle system
JP2005002996A (en) Fume treating method
JP2016151191A (en) Power generation system
JP6222014B2 (en) Deceleration regeneration control device for vehicle
JP2005061260A (en) Waste heat recovery system
JP2010096414A (en) Ammonia absorption refrigeration type power generating device
JPH09151707A (en) Cryogenic power generating device using liquid natural gas
JPH0379970A (en) Rankine cycle engine-driven compression refrigeration machine
KR101487287B1 (en) Power Plant