JP2009281179A - Waste heat recovery device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device in which a rotor composed of a turbine and a compressor is always driven in a wide operating range of an engine. <P>SOLUTION: In this waste heat recovery device, exhaust gas from the engine 1 is introduced to the turbine 2 to be expanded to vacuum and subsequently introduced to a heat exchanger 3 to be cooled, and the cooled exhaust gas is compressed from negative pressure to the atmospheric pressure by the compressor 4 coaxially with the turbine 2 and discharged, thereby taking it out as power. The device is provided with an exhaust gas removal means 16 for removing a part of the exhaust gas from the engine. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は廃熱回収装置、特にガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどのエンジンを熱源とし、熱源からの廃熱を駆動装置の動力として回収する廃熱回収装置に関する。   The present invention relates to a waste heat recovery apparatus, and more particularly to a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat from a heat source as a power source of a drive device using an engine such as a gasoline engine or a diesel engine as a heat source.

タービンと、コンプレッサと、その間に設置した排気冷却装置とを備え、排気熱を動力に変換する廃熱回収装置において、エンジン冷却水の廃熱を利用した吸収冷凍機を新たに設け、排気を冷却した冷媒の放熱をこの吸収冷凍機の蒸発器により行うものがある(特許文献1参照)。
特開2002−188438号公報
A waste heat recovery device that includes a turbine, a compressor, and an exhaust cooling device installed between them, and that converts exhaust heat into power, newly installs an absorption chiller that uses the waste heat of engine cooling water to cool the exhaust Some refrigerants dissipate heat by the evaporator of this absorption refrigerator (see Patent Document 1).
JP 2002-188438 A

ところで、図7に示したように、熱源からのガスを、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す逆ブレイトンサイクルを利用した廃熱回収装置が考えられている。   By the way, as shown in FIG. 7, the gas from the heat source is led to the turbine and expanded to a negative pressure which is lower than the atmospheric pressure, and then led to the heat exchanger to be cooled. A waste heat recovery device that uses a reverse Brayton cycle that is extracted as power by compressing and discharging from negative pressure to atmospheric pressure with a coaxial compressor is considered.

この場合に、熱源として自動車用のエンジンを用いることを考慮するとき、タービンにはエンジンからの排気を導くことになるのであるが、自動車のエンジンでは、低負荷運転時、高負荷運転時など様々な運転モードが混在している。このため、運転モードによっては、タービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがある。例えば、エンジンより排出される排気温度(排気エネルギ)が低い低温始動時や車両減速時にタービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがある。   In this case, when considering the use of an automobile engine as a heat source, exhaust from the engine is guided to the turbine. In the automobile engine, there are various operations such as low load operation and high load operation. Operation modes are mixed. For this reason, depending on the operation mode, the rotating body composed of the turbine and the compressor may not be driven. For example, a rotating body composed of a turbine and a compressor may not be driven at a low temperature start or when a vehicle is decelerated where the exhaust temperature (exhaust energy) discharged from the engine is low.

このようにタービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがあると、運転全体でのエネルギー回収効率が低くなる。   If the rotating body composed of the turbine and the compressor is not driven in this way, the energy recovery efficiency in the entire operation is lowered.

そこで本発明は、エンジンの広い運転域でタービンとコンプレッサとからなる回転体が駆動されないことがない装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an apparatus in which a rotating body composed of a turbine and a compressor is not driven in a wide operating range of an engine.

本発明は、エンジンからの排気を、タービン(2)に導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器(3)に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン(2)と同軸のコンプレッサ(4)で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、エンジンからの排気の一部を抜き取る排気抜き取り手段(16)を備える。   The present invention introduces exhaust from the engine to the turbine (2), expands it to a negative pressure that is lower than atmospheric pressure, and then introduces it into the heat exchanger (3) to cool it. A waste heat recovery device that extracts as power by compressing and discharging from negative pressure to atmospheric pressure with a compressor (4) coaxial with (2), and has an exhaust extraction means (16) for extracting a part of exhaust from the engine. .

本発明によれば、エンジンからの排気を、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、エンジンからの排気の一部を抜き取る排気抜き取り手段を備えるので、排気抜き取り手段を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサの圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する。   According to the present invention, the exhaust from the engine is led to the turbine and expanded to a negative pressure that is lower than the atmospheric pressure, and then led to the heat exchanger to be cooled, and the cooled exhaust is compressed by a compressor coaxial with the turbine. In the waste heat recovery device that takes out as power by compressing and discharging from negative pressure to atmospheric pressure, it has exhaust extraction means for extracting a part of the exhaust from the engine, so the amount of exhaust extracted through the exhaust extraction means Only the compression work of the compressor can be reduced, and the waste heat recovery efficiency is improved.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の第1実施形態の廃熱回収装置の概略構成を示している。エンジン1の排気管11には、エンジン1からの排気を負圧まで膨張させるためのタービン2と、タービン2から出た排気を負圧下で冷却するための熱交換器3と、タービン1と同軸上にあって熱交換器3により冷却された排気を負圧から常圧(大気圧)まで圧縮するためのコンプレッサ4とを備えている。この場合に、タービン2、熱交換器3及びコンプレッサ4の仕様とタービン2の膨張比、コンプレッサ4の圧縮比とを最適に設定することにより、タービン2とコンプレッサ4からなる回転体が駆動される。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a waste heat recovery apparatus according to a first embodiment of the present invention. An exhaust pipe 11 of the engine 1 includes a turbine 2 for expanding the exhaust from the engine 1 to a negative pressure, a heat exchanger 3 for cooling the exhaust discharged from the turbine 2 under a negative pressure, and a coaxial with the turbine 1. And a compressor 4 for compressing the exhaust gas cooled by the heat exchanger 3 from negative pressure to normal pressure (atmospheric pressure). In this case, the rotary body composed of the turbine 2 and the compressor 4 is driven by optimally setting the specifications of the turbine 2, the heat exchanger 3 and the compressor 4, the expansion ratio of the turbine 2, and the compression ratio of the compressor 4. .

この回転体から動力を取り出すためタービン1、コンプレッサ4と同軸上でタービン2側にモータジェネレータ8を設けている。排気エネルギーによりタービン2を駆動することでモータジェネレータ8を発電機として働かせ、これにより排気エネルギーが電気エネルギーとして回収される。これは、いわゆる逆ブレイトンサイクルにより動力を得ることで廃熱回収を行うもので、図7が本発明の廃熱回収装置の基本構成となる。ここで、上記の「負圧」とは大気圧より低い圧力のことである。   In order to extract power from the rotating body, a motor generator 8 is provided on the turbine 2 side coaxially with the turbine 1 and the compressor 4. Driving the turbine 2 with the exhaust energy causes the motor generator 8 to function as a generator, whereby the exhaust energy is recovered as electric energy. This is to recover waste heat by obtaining power by a so-called reverse Brayton cycle, and FIG. 7 shows the basic configuration of the waste heat recovery apparatus of the present invention. Here, the “negative pressure” means a pressure lower than the atmospheric pressure.

コンプレッサ4を出た排気は三元触媒12に導かれて浄化された後に排出される。図示しないがエンジン1は車両に搭載されている。   The exhaust discharged from the compressor 4 is led to the three-way catalyst 12 and purified, and then discharged. Although not shown, the engine 1 is mounted on a vehicle.

こうした廃熱回収装置の基本構成に対して第1実施形態では、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11Aとスロットル部15(ガソリンエンジンでは吸入空気を絞るスロットル弁が設けられている)下流の吸気管14Aとを連通するバイパス通路16(排気抜き取り手段)を設けている。また、バイパス通路16を開閉する流量制御弁17を介装する。バイパス通路16にはスロットル部15下流の吸気管14A内の吸入空気が熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11Aに向かって流れることがないように逆止弁18を設けておく。   In the first embodiment, the exhaust pipe 11A and the throttle unit 15 upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 and the throttle unit 15 (a gasoline engine is provided with a throttle valve that throttles intake air) with respect to the basic configuration of such a waste heat recovery apparatus. A bypass passage 16 (exhaust air extraction means) that communicates with the downstream intake pipe 14A is provided. Further, a flow control valve 17 for opening and closing the bypass passage 16 is provided. A check valve 18 is provided in the bypass passage 16 so that the intake air in the intake pipe 14A downstream of the throttle portion 15 does not flow toward the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2.

バイパス通路16は、エンジン1の吸入負圧を用いて熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気の一部を抜き取るためのものである。すなわち、エンジンの低負荷運転時などスロットル弁が閉じられる運転時には、スロットル弁の前後に大きな圧力差が生じる。このとき、流量制御弁17の全開状態では、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気圧力と、スロットル部15下流の吸気管14A内の吸入負圧との差圧が大きくなり、この大きな差圧で熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気の一部がスロットル部15下流の吸気管14Aへと抜き取られることとなる。ここで、上記の「吸入負圧」とは、吸入空気を絞るスロットル弁によってスロットル部15下流に生じる大気圧より低い圧力のことである。   The bypass passage 16 is for extracting a part of the exhaust in the exhaust pipe 11 </ b> A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 using the suction negative pressure of the engine 1. That is, when the throttle valve is closed, such as when the engine is under low load, a large pressure difference is generated before and after the throttle valve. At this time, when the flow control valve 17 is fully opened, the differential pressure between the exhaust pressure in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 and the suction negative pressure in the intake pipe 14A downstream of the throttle portion 15 is large. Thus, a part of the exhaust gas in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 is extracted to the intake pipe 14A downstream of the throttle portion 15 by this large differential pressure. Here, the “suction negative pressure” is a pressure lower than the atmospheric pressure generated downstream of the throttle unit 15 by the throttle valve that throttles the intake air.

一方、スロット弁が大きく開かれるエンジンの高負荷運転時になると、流量制御弁17を全閉状態とする。これは、エンジンの高負荷運転時にはスロットル弁の前後に小さな圧力差しか生じず、この影響を受けて熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気圧力とスロットル部15下流の吸気管14A内の吸入負圧との差圧がエンジンの低負荷運転時より小さくなり、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気がエンジンの低負荷運転時ほどには抜き取られなくなるためである。   On the other hand, when the engine in which the slot valve is largely opened is in a high load operation, the flow control valve 17 is fully closed. This is because only a small pressure difference is generated before and after the throttle valve during high load operation of the engine. Under this influence, the exhaust pressure in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 and the intake air downstream of the throttle unit 15 are affected. The differential pressure from the suction negative pressure in the pipe 14A becomes smaller than that in the low load operation of the engine, and the exhaust in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 is extracted as much as during the low load operation of the engine. This is because it disappears.

ここでは、流量制御弁17を全開状態と全閉状態との2位置弁としてあるが、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内からの、エンジン低負荷運転域における排気の抜き取り量を調整できる構造とすることもできる。そのためには、流量制御弁17の開度をデューティ制御可能な弁で構成すればよい。   Here, the flow control valve 17 is a two-position valve in a fully open state and a fully closed state, but the amount of exhaust extracted from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 in the engine low load operation region. It can also be set as the structure which can adjust. For this purpose, the opening degree of the flow control valve 17 may be constituted by a valve capable of duty control.

次に、タービン1、コンプレッサ4と同軸上でかつコンプレッサ側4に吸入空気を過給するための吸気用コンプレッサ21(過給装置)を配置し、任意に廃熱から回生した駆動力をこの吸気用コンプレッサ21に伝え得る構造とする。すなわち、吸気管14をバイパスするバイパス通路22がスロットル部15の上流に設けられ、このバイパス通路22に吸気用コンプレッサ21が設けられている。   Next, an intake air compressor 21 (supercharger) for supercharging the intake air is arranged on the compressor side 4 and coaxially with the turbine 1 and the compressor 4, and the driving force regenerated arbitrarily from waste heat is supplied to the intake air. The structure is such that it can be transmitted to the compressor 21. That is, a bypass passage 22 that bypasses the intake pipe 14 is provided upstream of the throttle portion 15, and an intake compressor 21 is provided in the bypass passage 22.

また、バイパス通路22の吸気通路14からの分岐部には三方向弁24を備える。三方向弁24は、吸入空気の流路を切換えるためのもので、吸気用コンプレッサ21を働かせるため吸入空気を吸気用コンプレッサ21に導入するときには、弁24上流の吸気通路14Bと分岐通路22とを連通しかつ弁24上流の吸気通路14Bと弁24下流の吸気通路14Cとの連通を遮断する。吸気コンプレッサ21を働かせないときには、弁24上流の吸気通路14Bと分岐通路22との連通を遮断しかつ弁24上流の吸気通路14Bと弁24下流の吸気通路14Cとを連通する。   A three-way valve 24 is provided at a branch portion of the bypass passage 22 from the intake passage 14. The three-way valve 24 is for switching the flow path of the intake air. When the intake air is introduced into the intake compressor 21 in order to operate the intake compressor 21, the intake passage 14B and the branch passage 22 upstream of the valve 24 are connected. The communication between the intake passage 14B upstream of the valve 24 and the intake passage 14C downstream of the valve 24 is blocked. When the intake compressor 21 is not operated, the communication between the intake passage 14B upstream of the valve 24 and the branch passage 22 is blocked, and the intake passage 14B upstream of the valve 24 and the intake passage 14C downstream of the valve 24 are communicated.

さらに、吸気用コンプレッサ21とコンプレッサ4とを結ぶ軸25には、吸気用コンプレッサ21とコンプレッサ4とを任意に断続可能とするめの第1クラッチ26が、またタービン2とモータジェネレータ8とを結ぶ軸27には、タービン2とモータジェネレータ8とを任意に断続可能とするめの第2クラッチ28が介装されている。すなわち、吸気用コンプレッサ21を働かせるときに第1クラッチ26が接続され、第2クラッチ28が切断される。吸気コンプレッサ21を働かせないときには第1クラッチ26が切断され、第2クラッチ28が接続される。このように2つのクラッチ26、28を設けたのは、吸気用コンプレッサ21が不要なときには吸気用コンプレッサ21の回転を停止させ、代わってモータジェネレータ8を発電機として働かせて廃熱回収を行わせるためである。電磁式、油圧式等クラッチの形式は問わない。   Further, a shaft 25 connecting the intake compressor 21 and the compressor 4 is provided with a first clutch 26 for arbitrarily connecting and disconnecting the intake compressor 21 and the compressor 4, and a shaft connecting the turbine 2 and the motor generator 8. 27 includes a second clutch 28 for allowing the turbine 2 and the motor generator 8 to be arbitrarily connected and disconnected. That is, when the intake compressor 21 is operated, the first clutch 26 is connected and the second clutch 28 is disconnected. When the intake compressor 21 is not operated, the first clutch 26 is disconnected and the second clutch 28 is connected. The provision of the two clutches 26 and 28 in this manner stops the rotation of the intake compressor 21 when the intake compressor 21 is not required, and causes the motor generator 8 to function as a generator to perform waste heat recovery instead. Because. The type of clutch such as electromagnetic type and hydraulic type is not limited.

三方向弁24によりバイパス通路22を介して吸入空気を吸気用コンプレッサ21に導くと共に、第1クラッチ26を接続すると、タービン2とコンプレッサ4からなる回転体の動力により吸気用コンプレッサ21が働き、吸気用コンプレッサ21により過給された吸入空気はスロットル部15上流の吸気通路14に戻される。   When the intake air is guided to the intake compressor 21 by the three-way valve 24 via the bypass passage 22 and the first clutch 26 is connected, the intake compressor 21 is operated by the power of the rotating body composed of the turbine 2 and the compressor 4, and the intake air The intake air supercharged by the compressor 21 is returned to the intake passage 14 upstream of the throttle portion 15.

バイパス通路22から分岐する分岐通路29が設けられ、この分岐通路29に安全弁30が設けられている。この安全弁30は、吸気用コンプレッサ21による過給圧が限界値を超えると開かれるものである。   A branch passage 29 branched from the bypass passage 22 is provided, and a safety valve 30 is provided in the branch passage 29. The safety valve 30 is opened when the supercharging pressure by the intake compressor 21 exceeds a limit value.

このようにして、任意に廃熱から回生した動力を吸気用コンプレッサ21に伝え得る構造とすると共に、吸気コンプレッサ21を運転条件に応じ働かせたり働かせなかったりすることを可能としている。   In this manner, the power regenerated from waste heat can be transmitted to the intake compressor 21 and the intake compressor 21 can be made to work or not work depending on the operating conditions.

エンジン1には、シリンダブロック及びシリンダヘッドを被覆するように形成されるウォータジャケット31、ラジエータ32、ウォータポンプ33、サーモスタット34、バイパス通路35からなる冷却装置が設けられている。   The engine 1 is provided with a cooling device including a water jacket 31, a radiator 32, a water pump 33, a thermostat 34, and a bypass passage 35 formed so as to cover the cylinder block and the cylinder head.

この場合に、第1実施形態では、タービン2からの排気を冷却するための熱交換器3と、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ32とを一体化している。すなわち、熱交換器3は、高温の排気と低温の冷却水との間で熱交換を行わせる直接式熱交換器であり、高温の状態で入ってきて熱を放出する排気が流れる管路3Aと、低温の状態で入ってきて熱を受けとる冷却水が流れる管路3Bとからなっている。ラジエータ32内には、ウォータジャケット31のエンジン出口31Aから出た高温の冷却水を外気で冷却するためのチューブ32Aが設けられているので、ウォータポンプ33の下流の冷却水通路36から分岐して熱交換器3内の管路3Bの一端3C(右端)と接続される分岐通路37と、管路3Bの他端3D(左端)と接続されラジエータの入口32Cに合流する戻し通路38とを設けている。   In this case, in the first embodiment, the heat exchanger 3 for cooling the exhaust from the turbine 2 and the radiator 32 for cooling the engine coolant are integrated. That is, the heat exchanger 3 is a direct heat exchanger that exchanges heat between the high-temperature exhaust gas and the low-temperature cooling water, and the pipe line 3A through which the exhaust gas that enters at high temperature and releases heat flows. And a conduit 3B through which cooling water that enters in a low temperature state and receives heat flows. In the radiator 32, a tube 32 </ b> A for cooling the high-temperature coolant discharged from the engine outlet 31 </ b> A of the water jacket 31 with outside air is provided, so that it branches from the coolant passage 36 downstream of the water pump 33. A branch passage 37 connected to one end 3C (right end) of the conduit 3B in the heat exchanger 3 and a return passage 38 connected to the other end 3D (left end) of the conduit 3B and joined to the inlet 32C of the radiator are provided. ing.

このように構成されると、ラジエータ出口32Bから出た冷たい冷却水は、エンジン本体内のウォータジャケット31に流れ込む。シリンダブロック及びシリンダヘッドとの熱交換で暖められるウォータジャケット31内の冷却水は、エンジン出口31Aからエンジン本体の外に出てラジエータ32の入口32Cよりラジエータ32内のチューブ32Aを流れここで放熱する。また、ラジエータ出口32Bから出た冷たい冷却水はウォータポンプ33下流の冷却水通路36より分岐通路37を経て熱交換器3内の管路3Bを流れる。熱交換器3内の管路3Aを流れる排気により暖められた管路3B内の冷却水も、戻し通路38を介してラジエータ32の入口32Cよりラジエータ32内のチューブ32Aを流れここで放熱する。すなわち、主にラジエータ32内のチューブ32A、分岐通路37、熱交換器3内の管路3B、戻し通路38の4つからエンジン冷却水の循環路39が形成されている。   If comprised in this way, the cold cooling water which came out of the radiator exit 32B will flow into the water jacket 31 in an engine main body. Cooling water in the water jacket 31 heated by heat exchange with the cylinder block and the cylinder head exits the engine body from the engine outlet 31A, flows through the tube 32A in the radiator 32 from the inlet 32C of the radiator 32, and dissipates heat here. . Further, the cold cooling water exiting from the radiator outlet 32 </ b> B flows from the cooling water passage 36 downstream of the water pump 33 through the branch passage 37 through the pipe 3 </ b> B in the heat exchanger 3. Cooling water in the pipe line 3B heated by the exhaust gas flowing through the pipe line 3A in the heat exchanger 3 also flows through the tube 32A in the radiator 32 from the inlet 32C of the radiator 32 via the return path 38 and dissipates heat here. That is, a circulation path 39 for engine cooling water is mainly formed by four of the tube 32A in the radiator 32, the branch passage 37, the pipe 3B in the heat exchanger 3, and the return passage 38.

上記の分岐通路37には流路切換弁40が設けられている。流路切換弁40は、冷却水を熱交換器3に流すか流さないかを切換えるもので、熱交換器3に冷却水を導入するときには開かれ、熱交換器3に冷却水を導入しないときには閉じられる。   The branch passage 37 is provided with a flow path switching valve 40. The flow path switching valve 40 switches whether the cooling water is allowed to flow into the heat exchanger 3 or not, and is opened when the cooling water is introduced into the heat exchanger 3, and when the cooling water is not introduced into the heat exchanger 3. Closed.

なお、タービン2上流の排気管11より分岐する通路41にも安全弁42が設けられている。   A safety valve 42 is also provided in the passage 41 branched from the exhaust pipe 11 upstream of the turbine 2.

上記の流量制御弁17、三方向弁24、2つのクラッチ26、28及び流路切換弁40は、エンジンコントローラ45によって制御される。エンジンコントローラ45には、図2に示したようにエアフローメータ46、クランク角センサ47、車速センサ48、
三元触媒12上流に設けられるフロント空燃比センサ49、三元触媒12下流に設けられるリア空燃比センサ50からの各信号が入力されている。エンジンコントローラ45ではこれらの信号に基づいてエンジンの運転モードを決定し、決定したエンジン運転モードに従った制御を行う。
The flow control valve 17, the three-way valve 24, the two clutches 26 and 28, and the flow path switching valve 40 are controlled by an engine controller 45. As shown in FIG. 2, the engine controller 45 includes an air flow meter 46, a crank angle sensor 47, a vehicle speed sensor 48,
Signals from a front air-fuel ratio sensor 49 provided upstream of the three-way catalyst 12 and a rear air-fuel ratio sensor 50 provided downstream of the three-way catalyst 12 are input. The engine controller 45 determines the engine operation mode based on these signals, and performs control according to the determined engine operation mode.

エンジン1はスロットル部15を有するガソリンエンジンである。このため、エンジンコントローラ45では、三元触媒12の実際の酸素ストレージ量が目標値となるようにフロント空燃比センサ49の出力、リア空燃比センサ50の出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行っている。また、燃費向上のため、車両の減速時にはエンジン1への燃料噴射弁からの燃料噴射をカットしている。なお、エンジンはガソリンエンジンに限られるものでなく、スロットル部15を有する限りディーゼルエンジンであってもかまわない。   The engine 1 is a gasoline engine having a throttle unit 15. Therefore, the engine controller 45 performs air-fuel ratio feedback control based on the output of the front air-fuel ratio sensor 49 and the output of the rear air-fuel ratio sensor 50 so that the actual oxygen storage amount of the three-way catalyst 12 becomes the target value. ing. In order to improve fuel efficiency, fuel injection from the fuel injection valve to the engine 1 is cut when the vehicle is decelerated. The engine is not limited to a gasoline engine, and may be a diesel engine as long as the throttle unit 15 is provided.

以下、代表的なエンジン運転モード(高負荷運転時、低負荷運転時や車両減速時、始動時、冷間時)について個別に説明する。   Hereinafter, typical engine operation modes (high load operation, low load operation, vehicle deceleration, start time, cold time) will be described individually.

〈1〉エンジンの高負荷運転時
熱交換器3によりエンジンから出た排気を冷却して駆動力を得る。すなわち、流路切換弁40を切換えて冷却水を熱交換器3に流しエンジンから出た排気を熱交換器3で冷却する。熱交換器3で排気を冷却することで、コンプレッサ4に入力される排気の体積が減少し、その冷却相当の排気体積の減少分だけコンプレッサ4の圧縮仕事が低減することになりタービン2とコンプレッサ4からなる回転体の駆動力が増す。この増した駆動力で吸気用コンプレッサ21を働かせる。すなわち、三方向弁24により吸入空気を吸気用コンプレッサ21に導き、第1クラッチ26を接続し、第2クラッチ28を切断する。
<1> During high-load operation of the engine The heat exchanger 3 cools the exhaust gas emitted from the engine to obtain driving force. That is, the flow path switching valve 40 is switched to allow cooling water to flow through the heat exchanger 3, and the exhaust discharged from the engine is cooled by the heat exchanger 3. By cooling the exhaust gas with the heat exchanger 3, the volume of the exhaust gas input to the compressor 4 is reduced, and the compression work of the compressor 4 is reduced by the reduction of the exhaust volume corresponding to the cooling. 4 increases the driving force of the rotating body. The intake compressor 21 is operated with the increased driving force. That is, the intake air is guided to the intake compressor 21 by the three-way valve 24, the first clutch 26 is connected, and the second clutch 28 is disconnected.

また、エンジンの高負荷運転時にはスロットル部15前後の差圧が大きくならず、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内から排気を抜き取る効果があまり得られなくなるので、流量制御弁17は全閉状態とする。   Further, when the engine is operating at a high load, the differential pressure across the throttle portion 15 does not increase, and the effect of extracting the exhaust from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 cannot be obtained so much. Is fully closed.

〈2〉エンジンの低負荷運転時や車両減速時
熱交換器3よりエンジンから出た排気を冷却して駆動力を得ると共に、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11Aから排気の一部を抜き取る。すなわち、流路切換弁40を切換えて冷却水を熱交換器3に流しエンジンから出た排気を熱交換器3で冷却する。熱交換器3で排気を冷却することで、コンプレッサ4に入力される排気の体積が減少し、その冷却相当の排気体積の減少分だけコンプレッサ4の圧縮仕事が低減することになりタービン2とコンプレッサ4からなる回転体の駆動力が増す。エンジンの低負荷運転時や車両減速時にはエンジンの高負荷運転時と異なり、この増した駆動力を用いてモータジェネレータ8を発電機として用いて働かせる。吸気用コンプレッサ21は働かせない。すなわち、三方向弁24により吸入空気を吸気用コンプレッサ21に流さず、第1クラッチ26を切断し、第2クラッチ28を接続する。
<2> During low-load operation of the engine or when the vehicle decelerates Exhaust gas emitted from the engine from the heat exchanger 3 is cooled to obtain driving force, and one exhaust gas is discharged from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 Remove the part. That is, the flow path switching valve 40 is switched to allow cooling water to flow through the heat exchanger 3, and the exhaust discharged from the engine is cooled by the heat exchanger 3. By cooling the exhaust gas with the heat exchanger 3, the volume of the exhaust gas input to the compressor 4 is reduced, and the compression work of the compressor 4 is reduced by the reduction of the exhaust volume corresponding to the cooling. 4 increases the driving force of the rotating body. Unlike the high-load operation of the engine during low-load operation of the engine or deceleration of the vehicle, this increased driving force is used to operate the motor generator 8 as a generator. The intake compressor 21 does not work. That is, the first clutch 26 is disconnected and the second clutch 28 is connected without flowing the intake air to the intake compressor 21 by the three-way valve 24.

一方、エンジンの高負荷運転時と異なり、流量制御弁17を開いて熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内から排気をバイパス通路16へと抜き取ることで、熱交換器3で冷却すべき排気流量が熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内から排気を抜き取らない場合より減少し、その減少分だけ熱交換器3を小型化できる。また、コンプレッサ4で圧縮する排気流量についても熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内から排気を抜き取らない場合より減少するため、その減少分だけコンプレッサ4の行う圧縮仕事が低減し、廃熱回収効率が向上する。   On the other hand, unlike the high-load operation of the engine, the flow control valve 17 is opened and the exhaust gas is extracted from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 into the bypass passage 16 to be cooled by the heat exchanger 3. The exhaust flow rate to be reduced is smaller than the case where the exhaust gas is not extracted from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2, and the heat exchanger 3 can be reduced in size by the decrease. Further, since the exhaust flow rate compressed by the compressor 4 is also reduced as compared with the case where the exhaust gas is not extracted from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2, the compression work performed by the compressor 4 is reduced by that amount. Waste heat recovery efficiency is improved.

さて、エンジンの低負荷運転時と車両減速時とで制御を異ならせることがある。これについて説明する。図3は車両を運転した場合の一例である。図3においてt2のタイミングからt3までのタイミングまでの区間、t5のタイミングからt6のタイミングまでの区間は車速が約40〜60km/hの一定速運転時(低負荷運転時)であり、流量制御弁17が所定開度aまで開かれている。   Now, the control may be different between when the engine is under low load and when the vehicle is decelerated. This will be described. FIG. 3 shows an example of driving the vehicle. In FIG. 3, the section from the timing of t2 to the timing of t3, and the section from the timing of t5 to the timing of t6 are at constant speed operation (during low load operation) with a vehicle speed of about 40-60 km / h. The valve 17 is opened to a predetermined opening a.

これに対して、図3においてt3のタイミングからt4のタイミングまでの区間、t6のタイミングからt8のタイミングまでの区間は車両減速時であり、車両減速時には車速一定の低負荷運転時よりも流量制御弁17の開度を所定開度aから所定開度bへと大きくしている。その理由は次の通りである。すなわち、車両減速時には燃料カットフラグ=1となりエンジン1への燃料噴射弁からの燃料噴射をカットする、いわゆる燃料カットが行われるため、燃料カット中には排気管11に設けている三元触媒12中の酸素ストレージ量が増大してゆき最大値になってしまうと、燃料噴射弁からの燃料噴射を再開する、いわゆる燃料リカバー直後にNOx浄化に支障をきたす、という問題がある。そこで、燃料カットの行われる車両減速時にはエンジンの低負荷運転時よりも流量制御弁17の開度を所定開度aから所定開度bへと大きくすることで、酸素を多く含んだ燃料カット中のエンジン排出ガスをバイパス通路16を介しスロットル部15下流の吸気管14Aへと戻して循環させることで、三元触媒12に流れるガスの流量を減らし三元触媒12の酸素ストレージ量が増大することを抑制するためである。   On the other hand, in FIG. 3, the section from the timing t3 to the timing t4, and the section from the timing t6 to the timing t8 are when the vehicle is decelerating. The opening degree of the valve 17 is increased from the predetermined opening degree a to the predetermined opening degree b. The reason is as follows. That is, when the vehicle is decelerated, the fuel cut flag = 1 and the fuel injection from the fuel injection valve to the engine 1 is cut, so-called fuel cut is performed. Therefore, the three-way catalyst 12 provided in the exhaust pipe 11 during the fuel cut. If the oxygen storage amount in the inside increases and reaches a maximum value, there is a problem that NOx purification is hindered immediately after so-called fuel recovery, in which fuel injection from the fuel injection valve is resumed. Therefore, when the vehicle is decelerated where fuel cut is performed, the opening degree of the flow control valve 17 is increased from the predetermined opening degree a to the predetermined opening degree b than during low-load operation of the engine. The engine exhaust gas is returned to the intake pipe 14A downstream of the throttle portion 15 through the bypass passage 16 and circulated, thereby reducing the flow rate of the gas flowing through the three-way catalyst 12 and increasing the oxygen storage amount of the three-way catalyst 12. It is for suppressing.

ここで、NOx浄化に支障をきたすことになる理由は、エンジンコントローラ45では、HC、COの酸化とNOxの還元とを同時に行わせるため、三元触媒12の実際の酸素ストレージ量が最大酸素ストレージ量のほぼ半分(目標値)となるように三元触媒12上流のフロント空燃比センサ49の出力、三元触媒12下流のリア空燃比センサ50の出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行っており、燃料カット時に三元触媒12の酸素が満杯になると、NOxから酸素を奪うことができなくなってしまうためである。   Here, the reason that the NOx purification is hindered is that the actual oxygen storage amount of the three-way catalyst 12 is the maximum oxygen storage because the engine controller 45 simultaneously performs the oxidation of HC and CO and the reduction of NOx. The air-fuel ratio feedback control is performed based on the output of the front air-fuel ratio sensor 49 upstream of the three-way catalyst 12 and the output of the rear air-fuel ratio sensor 50 downstream of the three-way catalyst 12 so as to be approximately half of the amount (target value). This is because if the oxygen of the three-way catalyst 12 becomes full when the fuel is cut, oxygen cannot be taken from NOx.

また、車両減速時にエンジンの低負荷運転時より流量制御弁17の開度を所定値aから所定値bへと大きくした分だけタービン2の回転速度をさらに上昇させることができる。   In addition, the rotational speed of the turbine 2 can be further increased by the amount by which the opening degree of the flow control valve 17 is increased from the predetermined value a to the predetermined value b when the vehicle is decelerating than when the engine is under low load operation.

上記図3は車両停止状態にあるt1のタイミングより車両を加速し、t2のタイミングより車速を一定に保ち、t3のタイミングより減速し、t4のタイミングより再加速し、t5のタイミングより車速を一定に保ち、t6のタイミングより減速しt8のタイミングで停車する場合に、スロットル弁開度、流量制御弁17の開度がどのように変化するのかをモデルで示したものである。   In FIG. 3, the vehicle is accelerated from the timing t1 when the vehicle is stopped, the vehicle speed is kept constant from the timing t2, decelerated from the timing t3, re-accelerated from the timing t4, and the vehicle speed is kept constant from the timing t5. The model shows how the throttle valve opening and the opening of the flow control valve 17 change when the vehicle is decelerated from the timing of t6 and stops at the timing of t8.

なお、エンジンの低負荷時や車両減速時には原則として吸気用コンプレッサ21は働かせないことを考えているが、低負荷運転状態からの加速時や車両減速時からの再加速時の運転性のつながりを考慮すると、低負荷状態からの加速時や車両減速からの再加速時に低負荷状態や車両減速状態であっても予め吸気用コンプレッサ21を働かせておくようにしてもかまわない。   In principle, the intake compressor 21 is considered not to operate when the engine is under a low load or when the vehicle is decelerating. However, the relationship between drivability during acceleration from a low load operation state or reacceleration from the vehicle deceleration is considered. In consideration, the intake compressor 21 may be operated in advance even in a low load state or a vehicle deceleration state during acceleration from a low load state or reacceleration from vehicle deceleration.

〈3〉エンジンの始動時、冷間時
熱交換器3上流かつタービン2下流から排気を抜き取る。すなわち、流量制御弁17を開いて熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11Aから排気を抜き取ることで、早期にタービン2からコンプレッサ4までの通路を負圧にできるため、逆ブレイトンサイクルの始動性及び応答性が向上する。
<3> When the engine is started and when it is cold The exhaust gas is extracted from the upstream side of the heat exchanger 3 and the downstream side of the turbine 2. That is, by opening the flow control valve 17 and extracting the exhaust gas from the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2, the passage from the turbine 2 to the compressor 4 can be made negative pressure at an early stage. Startability and responsiveness are improved.

エンジンの冷間始動時には切換弁40を切換えて冷却水を熱交換器3に流さない。エンジンの冷間始動時に冷却水を熱交換器3に流さない理由は、エンジンの冷間始動時にはエンジン1の暖機を優先する必要があり、熱交換器3に冷却水を流すと熱交換器3に冷却水を流さない場合よりエンジン1の暖機完了が遅れるためである。   When the engine is cold started, the switching valve 40 is switched so that the cooling water does not flow to the heat exchanger 3. The reason why the cooling water does not flow to the heat exchanger 3 at the time of cold start of the engine is to give priority to warming up of the engine 1 at the time of cold start of the engine. This is because the completion of warm-up of the engine 1 is delayed as compared with the case where no cooling water is supplied to the engine 3.

第2クラッチ28はエンジンの始動時、冷間時に場合によっては接続することが考えられる。例えば、エンジンの暖機途中は排気熱が高いのでモータジェネレータ8を発電機として用いて働かせれば熱回収することができる。   It is conceivable that the second clutch 28 is connected when the engine is started or cold. For example, since the exhaust heat is high during the warming up of the engine, the heat can be recovered by using the motor generator 8 as a generator.

なお、エンジンの始動時、冷間時には吸入空気を吸気用コンプレッサ21に流さず、第1クラッチ26を切断して吸気用コンプレッサ21は働かせない。   Note that when the engine is started and when it is cold, the intake air does not flow to the intake compressor 21, and the first clutch 26 is disconnected so that the intake compressor 21 does not work.

これで代表的なエンジン運転モードについての個別説明を終了する。   This completes the individual description of a typical engine operation mode.

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。   Here, the effect of this embodiment is demonstrated.

本実施形態(請求項1に記載の発明)によれば、エンジン1からの排気を、タービン2に導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器3に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン2と同軸のコンプレッサ4で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、エンジン1からの排気の一部を抜き取るバイパス通路16(排気抜き取り手段)を備えるので、抜き取った排気の分だけコンプレッサ4の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する。   According to the present embodiment (the invention described in claim 1), the exhaust from the engine 1 is led to the turbine 2 and expanded to a negative pressure that is a value lower than the atmospheric pressure, and then led to the heat exchanger 3. In a waste heat recovery device that cools and discharges the cooled exhaust gas as power by compressing the exhaust gas from a negative pressure to an atmospheric pressure with a compressor 4 coaxial with the turbine 2, a bypass passage for extracting a part of the exhaust gas from the engine 1 Since 16 (exhaust extraction means) is provided, the compression work of the compressor 4 can be reduced by the amount of the extracted exhaust, and the waste heat recovery efficiency is improved.

本実施形態(請求項3に記載の発明)によれば、エンジン1にスロットル部15を備え、排気抜き取り手段は熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11Aとスロットル部15下流の吸気管14Aとを連通するバイパス通路16であるので、熱交換器3を冷却する排気流量が減少するため、その減少分だけ熱交換器3を小型化できる。また、コンプレッサ4で圧縮する排気流量も減少するので、コンプレッサ4の圧縮仕事が低減し、廃熱回収効率が向上する。さらに、早期にタービン2とコンプレッサ4の間の排気管内を負圧にできるため、逆ブレイトンサイクルの始動性及び応答性が向上する。   According to this embodiment (the invention described in claim 3), the engine 1 includes the throttle portion 15, and the exhaust extraction means is the exhaust pipe 11 </ b> A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 and the intake pipe downstream of the throttle portion 15. Since the bypass passage 16 communicates with 14A, the exhaust flow rate for cooling the heat exchanger 3 is reduced, so that the heat exchanger 3 can be reduced in size by the reduced amount. Moreover, since the flow rate of exhaust gas compressed by the compressor 4 is also reduced, the compression work of the compressor 4 is reduced, and the waste heat recovery efficiency is improved. Furthermore, since the inside of the exhaust pipe between the turbine 2 and the compressor 4 can be made negative pressure at an early stage, the startability and responsiveness of the reverse Brayton cycle are improved.

本実施形態(請求項4に記載の発明)によれば、吸気用コンプレッサ21(過給装置)をコンプレッサ4と同軸に配置するので、タービン2とコンプレッサ4からなる回転体を動力として吸気用コンプレッサ21をエンジン負荷状態を問わずに駆動することが可能となった。   According to the present embodiment (the invention described in claim 4), the intake compressor 21 (supercharger) is arranged coaxially with the compressor 4, and therefore the intake compressor using the rotating body including the turbine 2 and the compressor 4 as power. 21 can be driven regardless of the engine load state.

本実施形態(請求項5に記載の発明)によれば、モータジェネレータ8をタービン2と同軸にかつタービン2側に、吸気用タービン21(過給装置)をコンプレッサ4と同軸にかつコンプレッサ4側にそれぞれ配置し、モータジェネレータ8とタービン2とを、また吸気用タービン21とコンプレッサ4とをそれぞれ任意に断続できるクラッチ26、28を設けたので、タービン2とコンプレッサ4からなる回転体を動力として吸気用タービン21とモータジェネレータ8とを選択的に駆動することができる。   According to this embodiment (the invention described in claim 5), the motor generator 8 is coaxial with the turbine 2 and on the turbine 2 side, and the intake turbine 21 (supercharger) is coaxial with the compressor 4 and on the compressor 4 side. And the clutches 26 and 28 that can arbitrarily connect and disconnect the motor generator 8 and the turbine 2 and the intake turbine 21 and the compressor 4, respectively, so that the rotating body including the turbine 2 and the compressor 4 is used as power. The intake turbine 21 and the motor generator 8 can be selectively driven.

本実施形態(請求項7に記載の発明)によれば、エンジン1が車両に搭載されたものであり、コンプレッサ4下流の排気管11に三元触媒12を、バイパス通路16に流量制御弁17を設け、三元触媒12の実際の酸素ストレージ量が目標値となるようにフロント空燃比センサ49の出力、リア空燃比センサ50の出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う空燃比フィードバック制御手段と、車両の減速時にエンジン1への燃料噴射弁からの燃料噴射をカットする(エンジンへの燃料供給をカットする)燃料カット手段とを備え、エンジンの低負荷運転時に流量制御弁17を所定値(所定開度a)まで開き、エンジンの高負荷運転時に流量制御弁17を全閉状態とし、車両の減速時に流量制御弁17をエンジンの低負荷運転時よりも大きな所定開度(b)まで開くので(図3第3段目参照)、車両減速時に燃料カットを行っている場合でも、燃料カット中に三元触媒12の酸素ストレージ量が増えることを抑制することができ、燃料カットからの燃料リカバー直後のNOxの発生を抑制することができる。   According to this embodiment (the invention described in claim 7), the engine 1 is mounted on a vehicle, the three-way catalyst 12 is disposed in the exhaust pipe 11 downstream of the compressor 4, and the flow control valve 17 is disposed in the bypass passage 16. Air-fuel ratio feedback control means for performing air-fuel ratio feedback control based on the output of the front air-fuel ratio sensor 49 and the output of the rear air-fuel ratio sensor 50 so that the actual oxygen storage amount of the three-way catalyst 12 becomes the target value. And a fuel cut means for cutting fuel injection from the fuel injection valve to the engine 1 when the vehicle is decelerating (cutting the fuel supply to the engine). It opens to (predetermined opening a), and the flow control valve 17 is fully closed during high-load operation of the engine, and the flow-control valve 17 is lower than during low-load operation of the engine during vehicle deceleration. Open to a predetermined opening (b) (see the third stage in FIG. 3), so even if the fuel is cut during deceleration of the vehicle, an increase in the oxygen storage amount of the three-way catalyst 12 during the fuel cut is suppressed. It is possible to suppress the generation of NOx immediately after the fuel recovery from the fuel cut.

図4、図5は第2、第3の実施形態の廃熱回収装置の概略構成図で、図1と同一部分には同一の符号を付している。   4 and 5 are schematic configuration diagrams of the waste heat recovery apparatus according to the second and third embodiments, and the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.

まず第2実施形態は第1実施形態を簡略化したものである。すなわち、図4に示したように流量制御弁17が削除されている。このように、流量制御弁17を削除しても、スロットル弁が閉じられるエンジンの運転時(上記エンジンの低負荷運転時、車両減速時、エンジンの始動時、冷間時)には、スロットル部15前後に大きな圧力差が生じ、この影響を受けて、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気圧力と、スロットル部15下流の吸気管14A内の吸入負圧との差圧が大きくなり、この大きな差圧で熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11A内の排気の一部がバイパス通路16を介してスロットル部15下流の吸気管14Aへと抜き取られることとなる。言い替えると、スロットル弁が閉じられるエンジンの運転時に限れば、排気の抜き取りに関して第1実施形態と同様の効果が得られる。つまり、バイパス通路16を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサ4の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する、という効果が得られる。   First, the second embodiment is a simplification of the first embodiment. That is, the flow rate control valve 17 is deleted as shown in FIG. Thus, even when the flow control valve 17 is deleted, the throttle unit is closed during engine operation (when the engine is under low load operation, when the vehicle is decelerated, when the engine is started, and when the engine is cold) even when the throttle valve is closed. As a result, a large pressure difference occurs around 15, and as a result, the difference between the exhaust pressure in the exhaust pipe 11 </ b> A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 and the negative suction pressure in the intake pipe 14 </ b> A downstream of the throttle unit 15. The pressure is increased, and a part of the exhaust in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 is extracted to the intake pipe 14A downstream of the throttle portion 15 via the bypass passage 16 due to the large differential pressure. Become. In other words, as long as the engine is operated when the throttle valve is closed, the same effect as in the first embodiment can be obtained with respect to extraction of exhaust gas. In other words, the compression work of the compressor 4 can be reduced by the amount of exhaust extracted through the bypass passage 16, and the effect of improving the waste heat recovery efficiency can be obtained.

また、第2実施形態では、吸気用コンプレッサ21、バイパス通路22、三方向弁24、クラッチ26、28が削除されている。これより、第2実施形態は、モータジェネレータ8を発電機として用いて働かせることにより、排気エネルギーを電気エネルギーとして回収するものとなる。   Further, in the second embodiment, the intake compressor 21, the bypass passage 22, the three-way valve 24, and the clutches 26 and 28 are omitted. Thus, in the second embodiment, exhaust energy is recovered as electric energy by using the motor generator 8 as a generator.

次に第3実施形態は、第2実施形態に対し排気抜き取り部を相違させたものである。すなわち、第2実施形態では、図4に示したように排気抜き取り部を熱交換器3上流かつタービン2下流の排気管11Aとしていたが、第3実施形態では、図5に示したように排気抜き取り部を熱交換器3下流かつコンプレッサ4上流の排気管11Bとしたものである。   Next, the third embodiment differs from the second embodiment in the exhaust extraction part. That is, in the second embodiment, the exhaust extraction part is the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 as shown in FIG. 4, but in the third embodiment, the exhaust pipe is exhausted as shown in FIG. The extraction part is an exhaust pipe 11B downstream of the heat exchanger 3 and upstream of the compressor 4.

ここで、エンジンの負荷と回転速度が同じ運転条件で考えると、熱交換器3下流かつタービン4上流の排気管11B内の排気温度は、熱交換器3上流かつコンプレッサ2下流の排気管11A内の排気温度より少しだけ低く、熱交換器3下流かつタービン4上流の排気管11B内の排気圧力は熱交換器3上流かつコンプレッサ2下流の排気管11A内の排気圧力と同じであると考えられる。つまり、排気抜き取り部としては、第2実施形態と第3実施形態の間に大きな差異はないと考えられる。従って、第3実施形態によれば、第2実施形態と同様の効果、つまりバイパス通路16を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサ4の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する、という効果が得られる。   Here, if the engine load and the rotational speed are considered under the same operating conditions, the exhaust temperature in the exhaust pipe 11B downstream of the heat exchanger 3 and upstream of the turbine 4 is in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the compressor 2. The exhaust pressure in the exhaust pipe 11B downstream of the heat exchanger 3 and upstream of the turbine 4 is considered to be the same as the exhaust pressure in the exhaust pipe 11A upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the compressor 2. . That is, it is considered that there is no significant difference between the second embodiment and the third embodiment as the exhaust extraction part. Therefore, according to the third embodiment, the same effect as the second embodiment, that is, the compression work of the compressor 4 can be reduced by the amount of exhaust extracted through the bypass passage 16, and the waste heat recovery efficiency is improved. An effect is obtained.

さて、ここまでは廃熱回収装置の側からエンジン1を考慮したものであった。   So far, the engine 1 has been considered from the side of the waste heat recovery device.

次にエンジンの側から廃熱回収装置をみてみると、図4、図5において排気の抜き取りのために設けたバイパス通路16は、いわゆる排気再循環(EGR)通路に相当する。つまり、第2、第3の実施形態によれば、バイパス通路16を介して抜き取った排気の分だけコンプレッサ4の圧縮仕事を低減させて廃熱回収効率を向上させつつ、排気再循環をも行うことができている。このように、排気再循環が可能となると、ポンピングロス低減、燃焼制御等に排気再循環を利用できる。   Next, looking at the waste heat recovery device from the engine side, the bypass passage 16 provided for exhaust extraction in FIGS. 4 and 5 corresponds to a so-called exhaust recirculation (EGR) passage. That is, according to the second and third embodiments, the exhaust gas is recirculated while reducing the compression work of the compressor 4 by the amount of the exhaust extracted through the bypass passage 16 and improving the waste heat recovery efficiency. Is able to. Thus, when exhaust gas recirculation becomes possible, exhaust gas recirculation can be used for pumping loss reduction, combustion control, and the like.

この場合に、第2実施形態(請求項3に記載の発明)によれば、タービン2により排気エネルギーを回収した後の排気、つまりタービン2上流の排気よりも低温とした排気をバイパス通路16を介してスロットル部15下流の吸気管14Aへと再循環させることができるため、タービン2上流の高温の排気をそのままバイパス通路16を介してスロットル部15下流の吸気管14Aへと再循環させる場合より排気再循環量を実質的に増加させることができる。   In this case, according to the second embodiment (the invention described in claim 3), the exhaust after the exhaust energy is recovered by the turbine 2, that is, the exhaust having a lower temperature than the exhaust upstream of the turbine 2 is passed through the bypass passage 16. Therefore, it is possible to recirculate the high-temperature exhaust gas upstream of the turbine 2 to the intake pipe 14A downstream of the throttle unit 15 via the bypass passage 16 as it is. The exhaust gas recirculation amount can be substantially increased.

また、第3実施形態(請求項2に記載の発明)によれば、さらに熱交換器3で冷却した排気をバイパス通路16を介してスロットル部15下流の吸気管14Aへと再循環させることができるため、熱交換器3上流かつタービン2下流の排気をバイパス通路16を介してスロットル部15下流の吸気管14Aへと再循環させる場合より排気再循環量を実質的に増加させることができる。   Further, according to the third embodiment (the invention described in claim 2), the exhaust gas further cooled by the heat exchanger 3 can be recirculated to the intake pipe 14 </ b> A downstream of the throttle portion 15 via the bypass passage 16. Therefore, the exhaust gas recirculation amount can be substantially increased as compared with the case where the exhaust gas upstream of the heat exchanger 3 and downstream of the turbine 2 is recirculated to the intake pipe 14A downstream of the throttle unit 15 via the bypass passage 16.

ただし、図4、図5においてはバイパス通路16に流量制御弁が設けられていないので、このままではエンジンの運転条件に応じて排気再循環量(EGR量)や排気再循環率(EGR率)を制御することまではできない。しかしながら、図4、図5においてモータジェネレータ8をモータとして用いて働かせることで、エンジンの運転条件に応じた排気再循環量や排気再循環率の制御が可能となる。すなわち、エンジンの負荷と回転速度とが同じ運転条件でも、モータジェネレータ8をモータとして用いてタービン2の回転速度を増速してやるとバイパス通路16を流れる排気再循環量(排気再循環率)を増やすことができ、この逆にタービン2の回転速度を減速してやるとバイパス通路16を流れる排気再循環量(排気再循環率)を減らすことができる。   However, since the flow rate control valve is not provided in the bypass passage 16 in FIGS. 4 and 5, the exhaust gas recirculation amount (EGR amount) and the exhaust gas recirculation rate (EGR rate) are not changed depending on the engine operating conditions. You can't control it. However, by using the motor generator 8 as a motor in FIGS. 4 and 5, it becomes possible to control the exhaust gas recirculation amount and the exhaust gas recirculation rate in accordance with the engine operating conditions. That is, even if the engine load and the rotational speed are the same, the exhaust gas recirculation amount (exhaust gas recirculation rate) flowing through the bypass passage 16 increases when the rotational speed of the turbine 2 is increased using the motor generator 8 as a motor. Conversely, if the rotational speed of the turbine 2 is reduced, the exhaust gas recirculation amount (exhaust gas recirculation rate) flowing through the bypass passage 16 can be reduced.

このように、第2、第3の実施形態において、さらにモータジェネレータ8をモータとして用いて働かせ、エンジンの運転条件に応じてこのモータの回転速度を制御することで(請求項9に記載の発明)、バイパス通路16に排気再循環制御弁(EGR弁)を設けることなしに排気再循環量や排気再循環率を自在に制御することができる。   As described above, in the second and third embodiments, the motor generator 8 is further used as a motor, and the rotational speed of the motor is controlled according to the operating condition of the engine (the invention according to claim 9). ) The exhaust gas recirculation amount and the exhaust gas recirculation rate can be freely controlled without providing an exhaust gas recirculation control valve (EGR valve) in the bypass passage 16.

なお、図1の場合についても、流量制御弁17を全開状態に保持すれば、モータジェネレータ8をモータとして用いて働かせ、エンジンの運転条件に応じてこのモータの回転速度を制御することで、排気再循環量や排気再循環率を自在に制御することができる。   In the case of FIG. 1 as well, if the flow rate control valve 17 is kept fully open, the motor generator 8 is used as a motor, and the rotational speed of this motor is controlled according to the operating conditions of the engine. The recirculation amount and the exhaust gas recirculation rate can be freely controlled.

図6は第4実施形態の廃熱回収装置の概略構成図で、図1と同一部分には同一の符号を付している。図6は図4、図5に示す第2、第3の実施形態に置き換わるものである。   FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the waste heat recovery apparatus of the fourth embodiment, and the same parts as those in FIG. FIG. 6 replaces the second and third embodiments shown in FIGS.

第4実施形態は、排気抜き取り部をコンプレッサ4下流の排気管11Cとし、抜き取った排気をバイパス通路16を介してスロットル部15下流の吸気管14Aに戻すようにしたものである。   In the fourth embodiment, the exhaust extraction part is an exhaust pipe 11C downstream of the compressor 4 and the extracted exhaust is returned to the intake pipe 14A downstream of the throttle part 15 via the bypass passage 16.

ここで、第4実施形態を第2、第3の実施形態と比較すると、エンジンの負荷と回転速度が同じ運転条件のとき、排気抜き取り部であるタービン4下流の排気管11C内の排気温度、排気圧力は、第2、第3の実施形態の排気抜き取り部であるタービン2下流かつコンプレッサ4上流の排気管11A、11B内の排気圧力、排気温度よりいずれも高くなっている。このことは、排気再循環を行うことができる運転領域が第2、第3の実施形態よりも拡大することを意味する。   Here, comparing the fourth embodiment with the second and third embodiments, when the engine load and the rotational speed are the same operating conditions, the exhaust temperature in the exhaust pipe 11C downstream of the turbine 4 that is the exhaust extraction part, The exhaust pressure is higher than the exhaust pressure and the exhaust temperature in the exhaust pipes 11A and 11B downstream of the turbine 2 and upstream of the compressor 4 which are exhaust extraction portions of the second and third embodiments. This means that the operating range in which exhaust gas recirculation can be performed is expanded as compared with the second and third embodiments.

このように、第4実施形態(請求項8に記載の発明)によれば、第2、第3の実施形態よりも幅広い運転領域(エンジンの負荷と回転速度とをパラメータとする運転領域)で排気再循環(EGR)を行うことができる。   Thus, according to the fourth embodiment (the invention described in claim 8), in a wider operation region (operation region in which the engine load and the rotation speed are parameters) than in the second and third embodiments. Exhaust gas recirculation (EGR) can be performed.

また、第2、第3の実施形態と同様に、モータジェネレータ8をモータとして用いて働かせ、エンジンの運転条件に応じてこのモータの回転速度を制御することで(請求項9に記載の発明)、排気再循環制御弁(EGR弁)をバイパス通路16に設けることなしに排気再循環量や排気再循環率を自在に制御することができる。   Further, similarly to the second and third embodiments, the motor generator 8 is used as a motor, and the rotational speed of the motor is controlled according to the operating condition of the engine (the invention according to claim 9). The exhaust gas recirculation amount and the exhaust gas recirculation rate can be freely controlled without providing an exhaust gas recirculation control valve (EGR valve) in the bypass passage 16.

ただし、第4実施形態では、第2、第3の実施形態のようにコンプレッサ4上流より排気を抜き取ることはしていないため、抜き取った排気の分だけコンプレッサ4の圧縮仕事を低減でき、廃熱回収効率が向上する、という効果は得られない。   However, in the fourth embodiment, the exhaust is not extracted from the upstream of the compressor 4 as in the second and third embodiments, so the compression work of the compressor 4 can be reduced by the amount of the extracted exhaust, and the waste heat The effect of improving the recovery efficiency cannot be obtained.

実施形態では、一定の膨張比を有するタービン2と一定の圧縮比を有するコンプレッサ4との組合せである場合で説明したが、膨張比を可変に調整可能なタービン2と圧縮比をを可変に調整可能なコンプレッサとの組合せである場合にも本発明を適用できる。   In the embodiment, the case where the turbine 2 having a constant expansion ratio and the compressor 4 having a constant compression ratio are combined has been described. However, the turbine 2 capable of variably adjusting the expansion ratio and the compression ratio variably adjusted. The present invention can also be applied to a combination with a possible compressor.

実施形態では、タービン2からの排気を冷却するための熱交換器3と、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ32とを一体化している場合で説明したが、これに限られるものでなく、別に設けた冷却装置からの冷媒(冷却水)を熱交換器3に供給するように構成してもかまわない。   In the embodiment, the case where the heat exchanger 3 for cooling the exhaust from the turbine 2 and the radiator 32 for cooling the engine cooling water are integrated has been described. However, the present invention is not limited to this. You may comprise so that the refrigerant | coolant (cooling water) from the cooling device provided separately may be supplied to the heat exchanger 3. FIG.

本発明の第1実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a waste heat recovery apparatus according to a first embodiment of the present invention. エンジンコントローラへの入出力を示すブロック図。The block diagram which shows the input-output to an engine controller. ある運転時の流量制御弁開度の変化を示すタイミングチャート。The timing chart which shows the change of the flow control valve opening degree in a certain driving | operation. 第2実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。The schematic block diagram of the waste heat recovery apparatus of 2nd Embodiment. 第3実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。The schematic block diagram of the waste-heat recovery apparatus of 3rd Embodiment. 第4実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。The schematic block diagram of the waste-heat recovery apparatus of 4th Embodiment. 本発明の廃熱回収装置の基本構成図。The basic block diagram of the waste heat recovery apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 エンジン
2 タービン
3 熱交換器
4 コンプレッサ
8 モータジェネレータ
11 排気管
11A 熱交換器上流かつタービン下流の排気管
11B 熱交換器下流かつコンプレッサ上流の排気管
14 吸気管
14A スロットル部下流の吸気管
15 スロットル部
16バイパス通路(排気抜き取り手段)
17 流量制御弁
21 吸気用コンプレッサ(過給装置)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine 2 Turbine 3 Heat exchanger 4 Compressor 8 Motor generator 11 Exhaust pipe 11A Exhaust pipe 11A upstream of heat exchanger and downstream of turbine 11B Exhaust pipe downstream of heat exchanger and upstream of compressor 14 Intake pipe 14A Intake pipe downstream of throttle section 15 Throttle Part 16 Bypass passage (exhaust extraction means)
17 Flow control valve 21 Compressor for intake (supercharger)

Claims (9)

エンジンからの排気を、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、
エンジンからの排気の一部を抜き取る排気抜き取り手段を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
The exhaust from the engine is led to the turbine and expanded to a negative pressure that is lower than the atmospheric pressure, then led to a heat exchanger to be cooled, and the cooled exhaust is cooled from a negative pressure to an atmospheric pressure by a compressor coaxial with the turbine. In the waste heat recovery device that takes out as power by compressing and discharging to
A waste heat recovery apparatus comprising exhaust extraction means for extracting a part of exhaust from an engine.
エンジンにスロットル部を備え、
前記排気抜き取り手段は前記コンプレッサ上流かつ前記熱交換器下流の排気管と前記スロットル部下流の吸気管とを連通するバイパス通路であることを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。
The engine has a throttle part,
The waste heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the exhaust extraction means is a bypass passage that communicates an exhaust pipe upstream of the compressor and downstream of the heat exchanger and an intake pipe downstream of the throttle portion.
エンジンにスロットル部を備え、
前記排気抜き取り手段は前記熱交換器上流かつ前記タービン下流の排気管と前記スロットル部下流の吸気管とを連通するバイパス通路であることを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。
The engine has a throttle part,
2. The waste heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the exhaust extraction unit is a bypass passage that communicates an exhaust pipe upstream of the heat exchanger and downstream of the turbine and an intake pipe downstream of the throttle unit.
吸気を過給する過給装置を前記コンプレッサと同軸に配置することを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。   The waste heat recovery apparatus according to claim 1, wherein a supercharging device for supercharging intake air is disposed coaxially with the compressor. モータジェネレータを前記タービンと同軸にかつタービン側に、吸気を過給する過給装置を前記コンプレッサと同軸にかつコンプレッサ側にそれぞれ配置し、
前記モータジェネレータとタービンとを、また前記過給装置とコンプレッサとをそれぞれ任意に断続できる構造とすることを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。
A motor generator is arranged coaxially with the turbine and on the turbine side, and a supercharging device for supercharging intake air is arranged coaxially with the compressor and on the compressor side, respectively.
The waste heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the motor generator and the turbine and the supercharger and the compressor can be arbitrarily connected to each other.
前記バイパス通路に流路切換弁を設け、
エンジンの低負荷運転時にこの流路切換弁を全開状態とし、エンジンの高負荷運転時にこの流路切換弁を全閉状態とすることを特徴とする請求項2または3に記載の廃熱回収装置。
A flow path switching valve is provided in the bypass passage,
4. The waste heat recovery apparatus according to claim 2, wherein the flow path switching valve is fully opened during low load operation of the engine, and the flow path switching valve is fully closed during high load operation of the engine. .
エンジンが車両に搭載されたものであり、
前記コンプレッサ下流の排気管に三元触媒を、前記バイパス通路に流量制御弁を設け、
三元触媒の実際の酸素ストレージ量が目標値となるようにフロント空燃比センサの出力、リア空燃比センサの出力に基づいて空燃比のフィードバック制御を行う空燃比フィードバック制御手段と、
車両の減速時にエンジンへの燃料供給をカットする燃料カット手段と
を備え、
エンジンの低負荷運転時に前記流量制御弁を所定値まで開き、エンジンの高負荷運転時に前記流量制御弁を全閉状態とし、車両の減速時に前記流量制御弁をエンジンの低負荷運転時よりも開くことを特徴とする請求項2または3に記載の廃熱回収装置。
The engine is mounted on the vehicle,
A three-way catalyst is provided in the exhaust pipe downstream of the compressor, and a flow control valve is provided in the bypass passage.
Air-fuel ratio feedback control means for performing feedback control of the air-fuel ratio based on the output of the front air-fuel ratio sensor and the output of the rear air-fuel ratio sensor so that the actual oxygen storage amount of the three-way catalyst becomes the target value;
Fuel cut means for cutting fuel supply to the engine when the vehicle decelerates,
When the engine is under low load operation, the flow control valve is opened to a predetermined value. When the engine is under high load operation, the flow control valve is fully closed. When the vehicle is decelerating, the flow control valve is opened more than when the engine is under low load operation. The waste heat recovery apparatus according to claim 2 or 3, wherein
エンジンにスロットル部を備え、
前記排気抜き取り手段は前記コンプレッサ下流の排気管と前記スロットル部下流の吸気管とを連通するバイパス通路であることを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。
The engine has a throttle part,
The waste heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the exhaust extraction means is a bypass passage that communicates an exhaust pipe downstream of the compressor and an intake pipe downstream of the throttle portion.
モータジェネレータを前記タービンと同軸に配置し、このモータジェネレータをモータとして用いてモータの回転速度を制御することを特徴とする請求項2、3、8のいずれか一つに記載の廃熱回収装置。   The waste heat recovery apparatus according to any one of claims 2, 3, and 8, wherein a motor generator is disposed coaxially with the turbine, and the rotational speed of the motor is controlled using the motor generator as a motor. .
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