JP2013068137A - Waste heat utilization device - Google Patents

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英文 森
Masao Iguchi
雅夫 井口
Fuminobu Enoshima
史修 榎島
Fumihiko Ishiguro
文彦 石黒
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat utilization device improved in output of an internal combustion engine and having high durability, while improving an energy recovery amount in a rankine cycle.SOLUTION: A waste heat utilization device includes: an engine 5; a turbocharger 7 supplying a compressed air to the engine 5; a driving system 1 having pipes 15, 16 as an exhaust return passage; and a rankine cycle 3 for use in the same. The rankine cycle 3 is provided with a first boiler 27, a second boiler 28, and a third boiler 29. The rankine cycle 3 is further provided with a bypass passage 41 for causing a hydraulic fluid to bypass the second boiler 28 and a three-way valve 43. In this waste heat utilization device, the hydraulic fluid may be sufficiently heated by the first to third boilers 27-29, and the temperature of the hydraulic fluid flowing into the third boiler 29 may be lowered by causing the hydraulic fluid to flow into the bypass passage 41.

Description

本発明は廃熱利用装置に関する。   The present invention relates to a waste heat utilization apparatus.

特許文献1の図2に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、第1、2ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、エンジンと、エンジンに加圧空気を供給するターボチャージャとを有している。ランキンサイクルにおける第1ボイラは、加圧空気と作動流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱させる。第2ボイラは、エンジンの冷却水と作動流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱させる。第2ボイラは、第1ボイラよりも作動流体の循環方向の下流側に位置している。また、第2ボイラの下流には膨張機が設けられている。   FIG. 2 of Patent Document 1 discloses a conventional waste heat utilization apparatus. This waste heat utilization device is used in a drive system, and includes a Rankine cycle that has first and second boilers and circulates a working fluid. The drive system includes an engine and a turbocharger that supplies pressurized air to the engine. The first boiler in the Rankine cycle heats the working fluid by exchanging heat between the pressurized air and the working fluid. The second boiler heats the working fluid by exchanging heat between the engine coolant and the working fluid. The second boiler is located downstream of the first boiler in the circulating direction of the working fluid. An expander is provided downstream of the second boiler.

このような廃熱利用装置では、第1、2ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、膨張機に流入する作動流体の温度を高くすることが可能となる。また、この廃熱利用装置では、第1、2ボイラにおける熱交換により、加圧空気や冷却水を冷却することが可能となるため、エンジンの出力を向上させることも可能となっている。   In such a waste heat utilization apparatus, since the working fluid can be heated by the first and second boilers, the temperature of the working fluid flowing into the expander can be increased. Moreover, in this waste heat utilization apparatus, since it becomes possible to cool pressurized air and cooling water by the heat exchange in a 1st, 2nd boiler, it is also possible to improve the output of an engine.

特開2008−8224号公報JP 2008-8224 A

ところで、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくするためには、膨張機内で膨張及び減圧された作動流体が好適に気化する必要がある。このことは、膨張機を保護して廃熱利用装置の耐久性を向上させる観点からも必要とされる。膨張機内における作動流体の膨張が不完全な場合、回収可能なエネルギーの量が小さくなるばかりか膨張機から液相の作動流体が流出する液バック現象が生じることで、膨張機が損傷するおそれも生じるためである。   By the way, in order to increase the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle, the working fluid expanded and depressurized in the expander needs to be suitably vaporized. This is also required from the viewpoint of protecting the expander and improving the durability of the waste heat utilization device. If the expansion of the working fluid in the expander is incomplete, not only will the amount of energy that can be recovered be reduced, but there may also be a liquid back phenomenon in which the liquid working fluid flows out of the expander, which may damage the expander. This is because it occurs.

そこで、膨張機内で作動流体を好適に膨張させるために、膨張機に流入させる作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度(スーパーヒート)程度まで十分に加熱することが好ましい。   Therefore, in order to suitably expand the working fluid in the expander, it is preferable to sufficiently heat the working fluid that flows into the expander to a superheated steam temperature (superheat) that exceeds the temperature that becomes saturated steam.

しかし、上記従来の廃熱利用装置では、第1、2ボイラによって作動流体を加熱可能であるものの、膨張機に流入する作動流体の温度は、第2ボイラ内で放熱された熱量、すなわち、エンジンのような内燃機関の冷却水の温度に依存することとなる。特に、冷却水の温度が低い状態にある場合、第1ボイラによって加熱された作動流体が逆に第2ボイラ内で冷却水に対して放熱を行うことで、膨張機に流入する作動流体の温度がより低下してしまう事態も生じ得る。これらのため、上記の廃熱利用装置では、スーパーヒートの状態まで作動流体を加熱し難く、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量が不十分となるとともに、その耐久性も低下も懸念される。なお、第1ボイラ及び第2ボイラでの蒸発圧力を低くすれば、比較的低温の熱源でもスーパーヒートを確保することはできるが、その場合は回収エネルギーが低下してしまう。   However, in the conventional waste heat utilization device, although the working fluid can be heated by the first and second boilers, the temperature of the working fluid flowing into the expander is the amount of heat radiated in the second boiler, that is, the engine It depends on the temperature of the cooling water of the internal combustion engine. In particular, when the temperature of the cooling water is low, the working fluid heated by the first boiler radiates heat to the cooling water in the second boiler, so that the temperature of the working fluid flowing into the expander There may also be a situation in which the value of A decreases. For these reasons, in the above-described waste heat utilization apparatus, it is difficult to heat the working fluid to the superheat state, the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle becomes insufficient, and there is a concern that its durability may be lowered. Note that if the evaporation pressure in the first boiler and the second boiler is lowered, superheat can be secured even with a relatively low temperature heat source, but in this case, the recovered energy is reduced.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上を実現し、かつ耐久性が高い廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and realizes an improvement in output of an internal combustion engine while improving an energy recovery amount in a Rankine cycle, and has high durability, and a waste heat utilization device having high durability. Providing is an issue to be solved.

本発明の廃熱利用装置は、内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として前記内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記ボイラは、前記加圧空気との間で熱交換を行う第1ボイラと、前記内燃機関に対する冷却水との間で熱交換を行う第2ボイラと、前記還流排気との間で熱交換を行う第3ボイラとを有し、
該第3ボイラは、該第1ボイラよりも前記作動流体の循環方向の下流側に位置していることを特徴とする(請求項1)。
The waste heat utilization apparatus of the present invention recirculates to the internal combustion engine, a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and a part of the exhaust gas generated by the internal combustion engine as recirculated exhaust gas. A waste heat utilization device having a Rankine cycle that is used in a drive system having an exhaust gas recirculation path and circulates a working fluid by using a boiler,
The boiler exchanges heat between the first boiler that exchanges heat with the pressurized air, the second boiler that exchanges heat with cooling water for the internal combustion engine, and the reflux exhaust. A third boiler to perform,
The third boiler is located downstream of the first boiler in the circulating direction of the working fluid (Claim 1).

本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させる。駆動系は、内燃機関と、この内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる排気還流路とを有している。ボイラは第1〜3ボイラを有している。   The waste heat utilization apparatus of the present invention includes a Rankine cycle. This Rankine cycle is used for a drive system and has a boiler to circulate a working fluid. The drive system includes an internal combustion engine, a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation passage that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine to the internal combustion engine as recirculation exhaust gas. ing. The boiler has first to third boilers.

このため、この廃熱利用装置は、第1〜3ボイラにおける熱交換により、作動流体を加熱できるとともに、作動流体によって、加圧空気、内燃機関に対する冷却水及び還流排気をそれぞれ冷却することが可能である。特に、冷却されることで還流排気は、その密度が増大することから、還流排気は内燃機関に好適に還流、つまり、内燃機関に吸気されることとなる。このため、内燃機関を好適に作動させることが可能となる。さらに、このように冷却された還流排気を内燃機関に還流させることで、大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。   Therefore, this waste heat utilization device can heat the working fluid by heat exchange in the first to third boilers, and can cool the pressurized air, the cooling water for the internal combustion engine, and the recirculated exhaust gas by the working fluid, respectively. It is. In particular, since the density of the recirculated exhaust gas is increased by being cooled, the recirculated exhaust gas is preferably recirculated to the internal combustion engine, that is, taken into the internal combustion engine. For this reason, it becomes possible to operate an internal combustion engine suitably. Furthermore, by recirculating the cooled exhaust gas thus cooled to the internal combustion engine, the content of nitrogen oxides in the exhaust gas when released into the atmosphere can be reduced.

また、この際、発明者らの知見によれば、加圧空気の温度は約150°C程度であるのに対し、内燃機関で生じた排気の温度は約500°C程度となっている。本発明に係るランキンサイクルでは、第3ボイラが第1ボイラよりも作動流体の循環方向の下流側に位置していることから、作動流体は第3ボイラによって十分に加熱される。これにより、蒸発圧力を下げることなく、膨張機に流入する作動流体をスーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態とすることが可能となる。このため、膨張機における作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となる。また、このように作動流体が十分に加熱された状態であることから、膨張機内で作動流体が気化された状態を保ち、膨張機内で液化することも防止される。これらのため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量が多くなるとともに、液バック現象が抑制されて膨張機も損傷し難くなる。   At this time, according to the knowledge of the inventors, the temperature of the pressurized air is about 150 ° C., whereas the temperature of the exhaust gas generated in the internal combustion engine is about 500 ° C. In the Rankine cycle according to the present invention, since the third boiler is located downstream of the first boiler in the circulation direction of the working fluid, the working fluid is sufficiently heated by the third boiler. Thereby, it becomes possible to make the working fluid which flows into an expander into the state of a superheat or a state close | similar to a superheat, without reducing an evaporation pressure. For this reason, it is possible to increase the pressure energy generated by the expansion and decompression of the working fluid in the expander. In addition, since the working fluid is sufficiently heated in this way, the working fluid is kept vaporized in the expander and is prevented from being liquefied in the expander. For these reasons, in this waste heat utilization apparatus, the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle increases, and the liquid back phenomenon is suppressed, so that the expander is hardly damaged.

また、この廃熱利用装置では、第1ボイラに流入する作動流体の温度が第3ボイラから流出する作動流体の温度よりも低い状態となる。このため、第1ボイラにおいて加圧空気を好適に冷却させることが可能となり、内燃機関に対してより多くの加圧空気を供給することが可能となる。   In this waste heat utilization device, the temperature of the working fluid flowing into the first boiler is lower than the temperature of the working fluid flowing out of the third boiler. For this reason, it becomes possible to cool pressurized air suitably in the 1st boiler, and it becomes possible to supply more pressurized air to an internal-combustion engine.

したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。   Therefore, according to the waste heat utilization apparatus of the present invention, the output of the internal combustion engine can be improved and the durability can be increased while improving the amount of energy recovered in the Rankine cycle.

内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。一方、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給機は複数であっても良い。   As the internal combustion engine, various types of engines can be employed in addition to a gasoline engine, a diesel engine, and the like. These engines may be hybrid engines combining motors. On the other hand, a turbocharger, a supercharger, or the like can be employed as the supercharger. There may be a plurality of internal combustion engines and superchargers.

ここで、内燃機関としてガソリンエンジン又はガソリンエンジンとモータとを組み合わせたハイブリットエンジンを採用した場合、冷却された排気(還流排気)を吸気させることで、これらの各エンジンではポンピングロスが抑制されることとなる。また、内燃機関としてディーゼルエンジン又はディーゼルエンジンとモータとを組み合わせたハイブリットエンジンを採用した場合、冷却された排気(還流排気)を吸気させることで、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となる。   Here, when a gasoline engine or a hybrid engine in which a gasoline engine and a motor are combined is adopted as an internal combustion engine, pumping loss is suppressed in each of these engines by sucking cooled exhaust gas (recirculation exhaust gas). It becomes. In addition, when a diesel engine or a hybrid engine in which a diesel engine and a motor are combined is adopted as an internal combustion engine, the exhaust gas (reflux exhaust gas) that has been cooled is sucked into the exhaust gas when it is finally released into the atmosphere. It becomes possible to reduce the content of nitrogen oxides.

ランキンサイクルは、ポンプと、第1ボイラと、第2ボイラと、第3ボイラと、膨張機と、凝縮器と、ポンプから第1ボイラ、第2ボイラ、第3ボイラ及び膨張機を経て凝縮器に作動流体を循環させる配管とを有していることが好ましい(請求項2)。この場合、第1〜3ボイラのうち、第1ボイラが作動流体の循環方向の最も上流側に位置するため、第1ボイラに流入する作動流体の温度が最も低い状態となる。このため、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、内燃機関の出力をより向上させることが可能となる。また、第3ボイラが作動流体の循環方向の最も下流側に位置するため、第3ボイラによって加熱された作動流体が他の第1、2ボイラにおいて放熱されることがない。このため、膨張機に流入する作動流体の温度が十分に高い状態となり、膨張機において作動流体が好適に膨張し、回収可能なエネルギーの量がより大きくなるとともに、膨張機の損傷が好適に防止される。   Rankine cycle consists of a pump, a first boiler, a second boiler, a third boiler, an expander, a condenser, and a pump through a first boiler, a second boiler, a third boiler, and an expander. It is preferable to have a pipe for circulating the working fluid. In this case, among the first to third boilers, the first boiler is located on the most upstream side in the circulation direction of the working fluid, so that the temperature of the working fluid flowing into the first boiler is the lowest. For this reason, it becomes possible to cool pressurized air suitably, and it becomes possible to improve the output of an internal combustion engine more. Further, since the third boiler is located on the most downstream side in the circulating direction of the working fluid, the working fluid heated by the third boiler is not radiated in the other first and second boilers. For this reason, the temperature of the working fluid flowing into the expander becomes sufficiently high, the working fluid expands suitably in the expander, the amount of energy that can be recovered increases, and the expander is suitably prevented from being damaged. Is done.

上記のように、ランキンサイクルにおいて、作動流体の循環方向で第1ボイラ、第2ボイラ、第3ボイラの順に位置させた場合、第2ボイラにおける熱交換によって作動流体が加熱された結果、第3ボイラに流入する作動流体の温度が高くなる。この場合、第3ボイラでは、排気還流路内の還流排気が十分に冷却されず、ひいては排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減できないことが懸念される。   As described above, in the Rankine cycle, when the first boiler, the second boiler, and the third boiler are sequentially arranged in the circulation direction of the working fluid, the working fluid is heated by heat exchange in the second boiler. The temperature of the working fluid flowing into the boiler becomes high. In this case, in the third boiler, there is a concern that the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path is not sufficiently cooled, and that nitrogen oxides contained in the exhaust gas cannot be sufficiently reduced.

このため、この廃熱利用装置では、第1ボイラの下流で配管から分岐し、第2ボイラを迂回して配管に合流するバイパス路と、第2ボイラに流入する作動流体の流量とバイパス路に流入する作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁と、流量調整弁を制御する調整弁制御手段とを備えていることが好ましい(請求項3)。   For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it bypasses from the piping downstream of the first boiler, bypasses the second boiler and joins the piping, and the flow rate of the working fluid flowing into the second boiler and the bypass passage It is preferable to include a flow rate adjustment valve capable of adjusting the flow rate of the working fluid flowing in, and an adjustment valve control means for controlling the flow rate adjustment valve.

この場合、第1ボイラから流出した作動流体をバイパス路に流入させることで、作動流体に対し、第2ボイラにおける熱交換を回避させることが可能となる。これにより、第3ボイラに流入する作動流体の温度を低くすることができる。このため、排気還流路内の還流排気を十分に冷却でき、排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減させることができる。   In this case, it is possible to avoid heat exchange in the second boiler with respect to the working fluid by flowing the working fluid that has flowed out of the first boiler into the bypass passage. Thereby, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler can be lowered. For this reason, the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path can be sufficiently cooled, and the nitrogen oxides contained in the exhaust gas can be sufficiently reduced.

また、この廃熱利用装置では、調整弁制御手段が流量調整弁を制御することにより、第2ボイラに流入する作動流体の流量と、バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能である。このため、内燃機関の冷却を行いつつ、第3ボイラに流入する作動流体の温度を調整することで、内燃機関の冷却と、排気還流路内の還流排気の冷却とを好適に行うことが可能となる。   Further, in this waste heat utilization apparatus, the flow rate of the working fluid flowing into the second boiler and the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage can be adjusted by the regulating valve control means controlling the flow rate regulating valve. is there. For this reason, it is possible to suitably cool the internal combustion engine and the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path by adjusting the temperature of the working fluid flowing into the third boiler while cooling the internal combustion engine. It becomes.

調整弁制御手段は、駆動系における出力要求、又は排気中における窒素酸化物の含有量に応じて流量調整弁を制御することが好ましい(請求項4)。   It is preferable that the regulating valve control means controls the flow regulating valve according to the output demand in the drive system or the content of nitrogen oxides in the exhaust.

例えば、駆動系における所定値以上の出力要求がされた場合の他、排気中における窒素酸化物の含有量が閾置を越えた場合には、排気還流路内の還流排気について、十分な冷却が求められる。このため、これらの場合には、第2ボイラに流入する作動流体の流量よりもバイパス路に流入する作動流体の流量を多くすることで、第3ボイラに流入する作動流体の温度を低下させることが可能となる。これにより、第3ボイラにおいて、排気還流路内の還流排気を十分に冷却することが可能となる。このため、内燃機関における吸気温度が低下し、内燃機関における燃焼温度が低下することから、排気中の窒素酸化物の含有量を低下させることができる。   For example, in addition to the case where an output request exceeding a predetermined value is made in the drive system, when the content of nitrogen oxides in the exhaust gas exceeds a threshold value, sufficient cooling is performed on the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path. Desired. For this reason, in these cases, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler is lowered by increasing the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage rather than the flow rate of the working fluid flowing into the second boiler. Is possible. Thereby, in the third boiler, it becomes possible to sufficiently cool the reflux exhaust in the exhaust gas recirculation path. For this reason, since the intake air temperature in the internal combustion engine decreases and the combustion temperature in the internal combustion engine decreases, the content of nitrogen oxides in the exhaust gas can be reduced.

本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。   According to the waste heat utilization apparatus of the present invention, it is possible to improve the output of the internal combustion engine and improve the durability while improving the amount of energy recovered in the Rankine cycle.

実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。It is a schematic structure figure which shows the waste heat utilization apparatus of an Example. 実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体が第1ボイラを経て第2ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。FIG. 3 is a schematic structural diagram showing a state in which a working fluid flows into the second boiler through the first boiler in the waste heat utilization apparatus of the example. 実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体がバイパス路を経て第3ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。It is a schematic structure figure which shows the state which concerns on the waste-heat utilization apparatus of an Example, and a working fluid flows in into a 3rd boiler via a bypass path.

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施例)
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図1に示すように、車両の駆動系1に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル3と、バイパス路41と、三方弁43と、制御装置11とを備えている。
(Example)
The waste heat utilization apparatus of the embodiment is mounted on a vehicle and is used in a drive system 1 of the vehicle as shown in FIG. The waste heat utilization apparatus includes a Rankine cycle 3, a bypass passage 41, a three-way valve 43, and a control device 11.

駆動系1は、内燃機関としてのエンジン5と、過給器としてのターボチャージャ7と、ラジエータ9と、排気管流路としての配管15、16とを有している。   The drive system 1 includes an engine 5 as an internal combustion engine, a turbocharger 7 as a supercharger, a radiator 9, and pipes 15 and 16 as exhaust pipe passages.

エンジン5は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン5の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット(図示略)が形成されている。エンジン5には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口5aと流入口5bとが形成されている。さらに、エンジン5には、排気を排出する排気口5cと、後述する加圧空気を吸入する吸気口5dとが形成されている。   The engine 5 is a known water-cooled diesel engine. A water jacket (not shown) through which cooling water can flow is formed inside the engine 5. The engine 5 is formed with an outlet 5a and an inlet 5b communicating with the water jacket. Further, the engine 5 is formed with an exhaust port 5c for exhausting exhaust gas and an intake port 5d for sucking pressurized air described later.

ターボチャージャ7及びラジエータ9もそれぞれ公用品が採用されている。ターボチャージャ7は、エンジン5から生じた排気によって作動され、エンジン5に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。また、ラジエータ9には、その内部に冷却水を流入させる流入口9aと、冷却水を流出させる流出口9bとが形成されている。ラジエータ9は、その内部を流通する冷却水と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ9の近傍には、電動ファン9cが設けられている。この電動ファン9cは、制御装置11と電気的に接続されている。   The turbocharger 7 and the radiator 9 are also made of public goods. The turbocharger 7 is operated by exhaust generated from the engine 5 and supplies the engine 5 with pressurized air obtained by pressurizing air outside the vehicle. Further, the radiator 9 is formed with an inlet 9a for allowing cooling water to flow into the radiator 9 and an outlet 9b for allowing cooling water to flow out. The radiator 9 performs heat exchange between the cooling water flowing through the radiator 9 and the air outside the vehicle. Further, an electric fan 9 c is provided in the vicinity of the radiator 9. The electric fan 9 c is electrically connected to the control device 11.

エンジン5とターボチャージャ7とは配管13、配管17及び配管18によって接続されている。また、配管17と配管18には後述する第1ボイラ27が接続されている。配管13は内部を排気が流通可能となっており、エンジン5の排気口5cとターボチャージャ7とに接続されている。また、配管17は内部を加圧空気が流通可能となっており、配管18は内部を加圧空気及び還流排気が流通可能となっている。配管17はターボチャージャ7と、第1ボイラ27の第1流入口27aとに接続されている。配管18は第1ボイラ27の第1流出口27bと、エンジン5の吸気口5dとに接続されている。   The engine 5 and the turbocharger 7 are connected by a pipe 13, a pipe 17 and a pipe 18. Further, a first boiler 27 described later is connected to the pipe 17 and the pipe 18. The pipe 13 is capable of circulating exhaust gas and is connected to the exhaust port 5 c of the engine 5 and the turbocharger 7. In addition, the piping 17 is capable of circulating pressurized air, and the piping 18 is capable of circulating pressurized air and reflux exhaust. The pipe 17 is connected to the turbocharger 7 and the first inlet 27 a of the first boiler 27. The pipe 18 is connected to the first outlet 27 b of the first boiler 27 and the inlet 5 d of the engine 5.

さらに、ターボチャージャ7には、配管14、19の各一端側が接続されている。配管14の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管19の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管14は、ターボチャージャ7を介して配管13と連通している。同様に、配管19は、ターボチャージャ7を介して配管17と連通している。   Further, the turbocharger 7 is connected to one end sides of the pipes 14 and 19. The other end side of the pipe 14 is connected to a muffler (not shown). The other end of the pipe 19 is open to an air intake of a vehicle (not shown). The pipe 14 communicates with the pipe 13 via the turbocharger 7. Similarly, the pipe 19 communicates with the pipe 17 via the turbocharger 7.

配管15、16は内部を排気の一部である還流排気が流通可能となっている。配管15の一端側は配管13に接続されている。同様に、配管16の一端側は配管18に接続されている。また、配管15の他端側は後述する第3ボイラ29の第5流入口29aに接続されている。配管16の他端側は第3ボイラ29の第5流出口29bに接続されている。さらに、配管15には可変バルブ21が設けられている。この可変バルブ21は制御装置11に電気的に接続されている。配管15、16は還流排気について、第3ボイラ29を経由させつつ配管18に合流させることで、エンジン5の排出口5cから排出された排気の一部を還流排気として吸気口5dからエンジン5内へ還流させる。なお、配管15の一端側は配管14に接続されても良い。この場合、配管16の一端側は配管19に接続される。   The pipes 15 and 16 are capable of circulating reflux exhaust, which is part of the exhaust. One end side of the pipe 15 is connected to the pipe 13. Similarly, one end side of the pipe 16 is connected to the pipe 18. The other end of the pipe 15 is connected to a fifth inlet 29a of a third boiler 29 described later. The other end side of the pipe 16 is connected to the fifth outlet 29 b of the third boiler 29. Further, the pipe 15 is provided with a variable valve 21. This variable valve 21 is electrically connected to the control device 11. The pipes 15 and 16 are combined with the pipe 18 through the third boiler 29 for the recirculated exhaust, so that a part of the exhaust discharged from the exhaust 5c of the engine 5 is used as the recirculated exhaust from the intake 5d to the inside of the engine 5. To reflux. Note that one end side of the pipe 15 may be connected to the pipe 14. In this case, one end side of the pipe 16 is connected to the pipe 19.

一方、エンジン5とラジエータ9とは配管23〜25によって接続されている。また、配管23と配管24とには後述する第2ボイラ28が接続されている。配管23〜25は内部を冷却水が流通可能となっている。配管23は、エンジン5の流出口5aと第2ボイラ28の第3流入口28aとに接続されている。配管24は第2ボイラ28の第3流出口28bと、ラジエータ9の流入口9aとに接続されている。配管25は、ラジエータ9の流出口9bと、エンジン5の流入口5bとに接続されている。配管24には、第1電動ポンプP1が設けられている。この第1電動ポンプP1は、制御装置11に電気的に接続されている。なお、第1電動ポンプP1は、配管23又は配管24に設けられても良い。   On the other hand, the engine 5 and the radiator 9 are connected by pipes 23 to 25. Further, a second boiler 28 described later is connected to the pipe 23 and the pipe 24. The pipes 23 to 25 are capable of circulating cooling water inside. The pipe 23 is connected to the outlet 5 a of the engine 5 and the third inlet 28 a of the second boiler 28. The pipe 24 is connected to the third outlet 28 b of the second boiler 28 and the inlet 9 a of the radiator 9. The pipe 25 is connected to the outlet 9 b of the radiator 9 and the inlet 5 b of the engine 5. The pipe 24 is provided with a first electric pump P1. The first electric pump P1 is electrically connected to the control device 11. The first electric pump P1 may be provided in the pipe 23 or the pipe 24.

ランキンサイクル3は、第2電動ポンプP2と、第1ボイラ27と、第2ボイラ28と、第3ボイラ29と、膨張機31と、凝縮器33と、配管35〜40とを有している。このランキンサイクル3は、上記のバイパス路41及び三方弁43が一体に組み付けられている。配管35〜40及びバイパス路41には、作動流体としてのHFC134aが流通可能となっている。なお、第2電動ポンプP2及び三方弁43がそれぞれポンプ及び流量調整弁に相当している。   Rankine cycle 3 has the 2nd electric pump P2, the 1st boiler 27, the 2nd boiler 28, the 3rd boiler 29, the expander 31, the condenser 33, and piping 35-40. . In the Rankine cycle 3, the bypass passage 41 and the three-way valve 43 are integrally assembled. An HFC 134a as a working fluid can be circulated in the pipes 35 to 40 and the bypass passage 41. The second electric pump P2 and the three-way valve 43 correspond to a pump and a flow rate adjustment valve, respectively.

第1ボイラ27には、第1流入口27a及び第1流出口27bと、第2流入口27c及び第2流出口27dとが形成されている。また、第1ボイラ27内には、両端側でそれぞれ第1流入口27a及び第1流出口27bと連通する第1通路27eと、両端側でそれぞれ第2流入口27c及び第2流出口27dと連通する第2通路27fとが設けられている。この第1ボイラ27では、第1通路27e内の加圧空気と、第2通路27f内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。なお、第1ボイラ27、第2ボイラ28では熱源(加圧空気及び冷却水)と作動流体とが同一方向に流れるように図示されているが、熱交換をより効率的に行なうために、第3ボイラ29のように双方を異なる方向(対向流)としても良い。   The first boiler 27 is formed with a first inlet 27a and a first outlet 27b, and a second inlet 27c and a second outlet 27d. Further, in the first boiler 27, a first passage 27e communicating with the first inlet 27a and the first outlet 27b at both ends, respectively, and a second inlet 27c and a second outlet 27d at both ends, respectively. The 2nd channel | path 27f which connects is provided. In the first boiler 27, the pressurized air is cooled and the working fluid is heated by exchanging heat between the pressurized air in the first passage 27e and the working fluid in the second passage 27f. In the first boiler 27 and the second boiler 28, the heat source (pressurized air and cooling water) and the working fluid are shown to flow in the same direction. However, in order to more efficiently exchange heat, Both may be in different directions (opposite flow) as in the case of the three boiler 29.

第2ボイラ28には、第3流入口28a及び第3流出口28bと、第4流入口28c及び第4流出口28dとが形成されている。また、第2ボイラ28内には、両端側でそれぞれ第3流入口28a及び第3流出口28bと連通する第3通路28eと、両端側でそれぞれ第4流入口28c及び第4流出口28dと連通する第4通路28fとが設けられている。この第2ボイラ28では、第3通路28e内の冷却水と、第4通路23f内の作動流体との熱交換により、冷却水の冷却と作動流体の加熱とを行う。   The second boiler 28 is formed with a third inlet 28a and a third outlet 28b, and a fourth inlet 28c and a fourth outlet 28d. Further, in the second boiler 28, a third passage 28e communicating with the third inlet 28a and the third outlet 28b at both ends, respectively, and a fourth inlet 28c and a fourth outlet 28d at both ends, respectively. A fourth passage 28f that communicates is provided. In the second boiler 28, the cooling water is cooled and the working fluid is heated by exchanging heat between the cooling water in the third passage 28e and the working fluid in the fourth passage 23f.

第3ボイラ29には、第5流入口29a及び第5流出口29bと、第6流入口29c及び第6流出口29dとが形成されている。また、第3ボイラ29内には、両端側でそれぞれ第5流入口29a及び第5流出口29bと連通する第5通路29eと、両端側でそれぞれ第6流入口29c及び第6流出口29dと連通する第6通路29fとが設けられている。この第3ボイラ29では、第5通路29e内の還流排気と、第6通路29f内の作動流体との熱交換により、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う。   The third boiler 29 is formed with a fifth inlet 29a and a fifth outlet 29b, and a sixth inlet 29c and a sixth outlet 29d. Further, in the third boiler 29, a fifth passage 29e communicating with the fifth inlet 29a and the fifth outlet 29b on both ends, respectively, and a sixth inlet 29c and a sixth outlet 29d on both ends, respectively. The 6th channel | path 29f which connects is provided. The third boiler 29 cools the reflux exhaust and heats the working fluid by exchanging heat between the reflux exhaust in the fifth passage 29e and the working fluid in the sixth passage 29f.

膨張機31には、その内部に作動流体を流入させる流入口31aと、作動流体を流出させる流出口31bとが形成されている。膨張機31では、第3ボイラ29を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機31には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機31の駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。   The expander 31 is formed with an inlet 31a through which a working fluid flows in and an outlet 31b through which the working fluid flows out. In the expander 31, the working fluid heated through the third boiler 29 is expanded to generate a rotational driving force. A known generator (not shown) is connected to the expander 31. The generator generates power by the driving force of the expander 31 and charges the battery (not shown) with electric power.

凝縮器33には、その内部に作動流体を流入させる流入口33aと、作動流体を流出させる流出口33bとが形成されている。凝縮器33は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機31での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器33の近傍には電動ファン33cが設けられている。この電動ファン33cは制御装置11に電気的に接続されている。   The condenser 33 is formed with an inflow port 33a through which the working fluid flows in and an outflow port 33b through which the working fluid flows out. The condenser 33 exchanges heat between the working fluid flowing through the inside of the condenser 33 and air outside the vehicle, and cools and liquefies the working fluid decompressed by the expansion in the expander 31. An electric fan 33 c is provided in the vicinity of the condenser 33. The electric fan 33 c is electrically connected to the control device 11.

バイパス路41は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に第2ボイラ28を迂回させる。三方弁43は、作動流体を第2ボイラ28に全て流入させる場合と、作動流体をバイパス路41に全て流入させる場合とを択一的に切り替え可能な切替弁である。この三方弁43は制御装置11に電気的に接続されている。   The bypass channel 41 causes the working fluid to bypass the second boiler 28 by circulating the working fluid therein. The three-way valve 43 is a switching valve that can selectively switch between a case where all the working fluid flows into the second boiler 28 and a case where all the working fluid flows into the bypass passage 41. The three-way valve 43 is electrically connected to the control device 11.

これらの第1〜3ボイラ27〜29、膨張機31、凝縮器33、バイパス路41及び三方弁43は、配管35〜40によって接続されている。具体的には、凝縮器33の流出口33bと第1ボイラ27の第2流入口27cとは、配管35によって接続されている。第1ボイラ27の第2流出口27dと三方弁43とは、配管36によって接続されている。三方弁43と第2ボイラ28の第4流入口28cとは、配管37によって接続されている。第2ボイラ28の第4流出口28dと第3ボイラ29の第6流入口29cとは、配管38によって接続されている。第3ボイラ29の第6流出口29dと、膨張機31の流入口31aとは、配管39によって接続されている。そして、膨張機31の流出口31bと凝縮器33の流入口33aとは、配管40によって接続されている。また、バイパス路41の一端側は三方弁43と接続されており、その他端側は配管38と接続されている。   These 1st-3rd boilers 27-29, the expander 31, the condenser 33, the bypass path 41, and the three-way valve 43 are connected by the piping 35-40. Specifically, the outlet 33 b of the condenser 33 and the second inlet 27 c of the first boiler 27 are connected by a pipe 35. The second outlet 27 d of the first boiler 27 and the three-way valve 43 are connected by a pipe 36. The three-way valve 43 and the fourth inlet 28 c of the second boiler 28 are connected by a pipe 37. The fourth outlet 28 d of the second boiler 28 and the sixth inlet 29 c of the third boiler 29 are connected by a pipe 38. The sixth outlet 29 d of the third boiler 29 and the inlet 31 a of the expander 31 are connected by a pipe 39. The outlet 31 b of the expander 31 and the inlet 33 a of the condenser 33 are connected by a pipe 40. In addition, one end side of the bypass passage 41 is connected to the three-way valve 43, and the other end side is connected to the pipe 38.

第2電動ポンプP2は配管35に設けられている。この第2電動ポンプP2を作動させることにより、作動流体は、図2及び図3に示すように、第2電動ポンプP2から第1ボイラ27、第2ボイラ28又はバイパス路41、第3ボイラ29及び膨張機31を経て凝縮器33に至る順で配管35〜40内を循環する。つまり、第1〜3ボイラ27〜29のうち、ランキンサイクル3における作動流体の流通方向において、第1ボイラ27が作動流体の循環方向の最も上流側に位置する。そして、第1ボイラ27の下流に第2ボイラ28が位置し、第3ボイラ29が第2ボイラ28の下流側に位置する。また、バイパス路41は、第3ボイラ29の上流側に位置している。同様に、三方弁43は第1ボイラ27の下流側であって、第2ボイラ28及びバイパス路41の上流側に位置している。   The second electric pump P2 is provided in the pipe 35. By operating the second electric pump P2, the working fluid is supplied from the second electric pump P2 to the first boiler 27, the second boiler 28 or the bypass passage 41, the third boiler 29, as shown in FIGS. And it circulates in the piping 35-40 in the order which reaches the condenser 33 through the expander 31. That is, among the first to third boilers 27 to 29, the first boiler 27 is located on the most upstream side in the circulating direction of the working fluid in the flowing direction of the working fluid in the Rankine cycle 3. The second boiler 28 is positioned downstream of the first boiler 27, and the third boiler 29 is positioned downstream of the second boiler 28. The bypass path 41 is located on the upstream side of the third boiler 29. Similarly, the three-way valve 43 is located downstream of the first boiler 27 and upstream of the second boiler 28 and the bypass passage 41.

図1に示すように、制御装置11は、電動ファン9c、33cの作動制御を行うことで、冷却水又は作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。また、制御装置11は、第1、2電動ポンプP1、P2の作動制御を行う。さらに、制御装置11は、駆動系1による出力要求等の検出値に基づくマップを記憶しており、このマップによって、可変バルブ21の開閉制御と、三方弁43の切り替え制御とを行う。これにより、制御装置11は調整弁制御手段として機能する。この制御装置11では、上記のような、駆動系1による出力要求に基づくのではなく、排気中における窒素酸化物の含有量が閾置を越えることを直接又は間接的に検知することにより、可変バルブ21の開閉制御と、三方弁43の切り替え制御とを行うことも可能である。   As shown in FIG. 1, the control device 11 adjusts the amount of heat that the cooling water or the working fluid radiates to the outside air by controlling the operation of the electric fans 9 c and 33 c. Further, the control device 11 controls the operation of the first and second electric pumps P1 and P2. Furthermore, the control device 11 stores a map based on a detection value such as an output request from the drive system 1, and performs opening / closing control of the variable valve 21 and switching control of the three-way valve 43 based on this map. Thereby, the control apparatus 11 functions as a regulating valve control means. The control device 11 is not based on the output request from the drive system 1 as described above, but is detected by directly or indirectly detecting that the content of nitrogen oxides in the exhaust gas exceeds a threshold value. It is also possible to perform opening / closing control of the valve 21 and switching control of the three-way valve 43.

このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。   The waste heat utilization apparatus configured as described above operates as follows by driving the vehicle.

図2に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系1ではエンジン5が作動する。これにより、排気口5cから排出された排気が配管13内を流通する。この際、制御装置11は可変バルブ21を開制御し、配管13内を流通する排気の一部を配管15内に流入させる(同図の一点鎖線矢印参照)。なお、制御装置11は、駆動系1における出力要求が大きくなるにつれて、排気がより多く配管15内へ流通するように、可変バルブ21の開度を制御する。   As shown in FIG. 2, the engine 5 operates in the drive system 1 by driving the vehicle. Thereby, the exhaust discharged from the exhaust port 5 c circulates in the pipe 13. At this time, the control device 11 controls the opening of the variable valve 21 to allow a part of the exhaust gas flowing through the pipe 13 to flow into the pipe 15 (see the one-dot chain arrow in the same figure). The control device 11 controls the opening degree of the variable valve 21 so that more exhaust gas flows into the pipe 15 as the output demand in the drive system 1 increases.

配管15へ流入せずに配管13を流通する排気は、ターボチャージャ7及び配管14を経てマフラから車外に排出される(同一点鎖線矢印参照)。この際、排気によってターボチャージャ7が作動される。これにより、車外の空気が配管19よりターボチャージャ7に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管17、第1ボイラ27の第1通路27e及び配管18を経てエンジン5の吸気口5dよりエンジン5内へ吸入される(同図の二点鎖線矢印参照)。   Exhaust gas flowing through the pipe 13 without flowing into the pipe 15 is discharged from the muffler to the outside of the vehicle through the turbocharger 7 and the pipe 14 (see the same dotted line arrow). At this time, the turbocharger 7 is operated by the exhaust. As a result, air outside the vehicle is sucked into the turbocharger 7 from the pipe 19 and compressed. This air is sucked as pressurized air into the engine 5 from the intake port 5d of the engine 5 through the pipe 17, the first passage 27e of the first boiler 27, and the pipe 18 (see the two-dot chain line arrow in the figure).

一方、配管15に流入した排気、すなわち還流排気は、第3ボイラ29の第5通路29e及び配管16を経て配管18に至り、配管18内の加圧空気とともにエンジン5内へ吸入される。   On the other hand, the exhaust gas flowing into the pipe 15, that is, the recirculated exhaust gas, reaches the pipe 18 through the fifth passage 29 e and the pipe 16 of the third boiler 29 and is sucked into the engine 5 together with the pressurized air in the pipe 18.

また、制御装置11は、第1、2電動ポンプP1、P2及び電動ファン9c、33cをそれぞれ作動させる。これにより、駆動系1では、エンジン5の冷却を行った冷却水が流出口5aより流出して、配管23、第2ボイラ28の第3通路28e及び配管24を経てラジエータ9の流入口9aよりラジエータ9の内部に至る。そして、ラジエータ9の内部の冷却水は、ラジエータ9の周りの空気と熱交換、すなわち、放熱されて冷却される。この際、制御装置11は電動ファン9cの作動量を適宜変更して、冷却水を好適に放熱させる。放熱されて冷却された冷却水は流出口9bから流出し、配管25を経てエンジン5の流入口5bからエンジン5内に流入してエンジン5の冷却を行う(同図の破線矢印参照)。   The control device 11 operates the first and second electric pumps P1 and P2 and the electric fans 9c and 33c, respectively. As a result, in the drive system 1, the cooling water that has cooled the engine 5 flows out from the outlet 5 a, and passes through the pipe 23, the third passage 28 e of the second boiler 28, and the pipe 24 from the inlet 9 a of the radiator 9. It reaches the inside of the radiator 9. And the cooling water inside the radiator 9 is heat-exchanged with the air around the radiator 9, that is, radiated and cooled. At this time, the control device 11 appropriately changes the operation amount of the electric fan 9c to suitably radiate the cooling water. The cooling water radiated and cooled flows out from the outlet 9b, flows into the engine 5 from the inlet 5b of the engine 5 through the pipe 25, and cools the engine 5 (see the broken line arrow in the figure).

そして、ランキンサイクル3では、制御装置11が三方弁43の切り替え制御を行う。具体的には、駆動系1による出力要求が所定値を下回る場合には、三方弁43により配管36と配管37とが連通され、配管36、37とバイパス路41とが非連通とされる。   In the Rankine cycle 3, the control device 11 performs switching control of the three-way valve 43. Specifically, when the output request by the drive system 1 is below a predetermined value, the three-way valve 43 connects the pipe 36 and the pipe 37 and the pipes 36 and 37 and the bypass path 41 are not connected.

これにより、同図の実線矢印に示すように、第2電動ポンプP2によって吐出された作動流体は、配管35を経て第1ボイラ27の第2流入口27cから第2通路27fに至る。そして、作動流体は第1ボイラ27において加圧空気と熱交換される。この際、第1通路27eを流通する加圧空気はターボチャージャ7によって圧縮されることにより約150°C程度の熱を有しているため、第2通路27fを流通する作動流体は高い温度で加熱される。一方、第1通路27eを流通する加圧空気は、第2通路27fを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でエンジン5に至ることとなる。   Thereby, as shown by the solid line arrow in the figure, the working fluid discharged by the second electric pump P2 reaches the second passage 27f from the second inlet 27c of the first boiler 27 via the pipe 35. The working fluid exchanges heat with the pressurized air in the first boiler 27. At this time, since the pressurized air flowing through the first passage 27e is compressed by the turbocharger 7 and has a heat of about 150 ° C., the working fluid flowing through the second passage 27f is at a high temperature. Heated. On the other hand, the pressurized air flowing through the first passage 27e radiates heat to the working fluid flowing through the second passage 27f, and thus reaches the engine 5 in a state where it is cooled to a certain degree.

第1ボイラ27において加熱された作動流体は第2流出口27dから流出し、配管36及び配管37を経て第2ボイラ28の第4流入口28cから第4通路28fに至る。そして、作動流体は第2ボイラ28において冷却水と熱交換される。この際、第3通路路28eを流通する冷却水はエンジン5の廃熱によって約80〜90°C程度の熱を有している。また、第4通路28fを流通する作動流体は、第1ボイラ27において既に一定程度加熱された状態にあるため、第2ボイラ28において、より加熱されることとなる。一方、第3通路28eを流通する冷却水は、第4通路28fを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でラジエータ9に至ることとなる。   The working fluid heated in the first boiler 27 flows out from the second outlet 27d, reaches the fourth passage 28f from the fourth inlet 28c of the second boiler 28 via the pipe 36 and the pipe 37. The working fluid exchanges heat with cooling water in the second boiler 28. At this time, the cooling water flowing through the third passage 28 e has a heat of about 80 to 90 ° C. due to the waste heat of the engine 5. Further, since the working fluid flowing through the fourth passage 28 f is already heated to a certain degree in the first boiler 27, it is further heated in the second boiler 28. On the other hand, since the cooling water flowing through the third passage 28e radiates heat to the working fluid flowing through the fourth passage 28f, the cooling water reaches the radiator 9 while being cooled to a certain extent.

第2ボイラ28において加熱された作動流体は第4流出口28dから流出し、配管38を経て第3ボイラ29の第6流入口29cから第6通路29fに至る。そして、作動流体は第3ボイラ29において還流排気と熱交換される。この際、第5通路29eを流通する還流排気はエンジン5の作動状況により、約500°C程度の熱を有することとなる。このため、第1、2ボイラ27、28において加熱されている作動流体は、第3ボイラ29において十分に加熱されることとなる。一方、第5通路29eを流通する還流排気は、第6通路29fを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態で加圧空気とともにエンジン5に還流することとなる。   The working fluid heated in the second boiler 28 flows out of the fourth outlet 28d and reaches the sixth passage 29f from the sixth inlet 29c of the third boiler 29 via the pipe 38. The working fluid is heat-exchanged with the recirculated exhaust gas in the third boiler 29. At this time, the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29 e has a heat of about 500 ° C. depending on the operating state of the engine 5. For this reason, the working fluid heated in the first and second boilers 27 and 28 is sufficiently heated in the third boiler 29. On the other hand, the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29e radiates heat to the working fluid flowing through the sixth passage 29f, and thus returns to the engine 5 together with the pressurized air in a state where it is cooled to a certain extent.

こうして、第1〜3ボイラ27〜29によって十分に加熱されることにより、作動流体は、スーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態の高温高圧の状態で第6流出口27dから流出し、配管39を経て膨張機31の流入口31aから膨張機31内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機31内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機31に接続された発電機は発電を行う。   Thus, by being sufficiently heated by the first to third boilers 27 to 29, the working fluid flows out from the sixth outlet 27d in a superheated state or a state of high temperature and pressure close to superheat, and the piping 39 It goes from the inflow port 31a of the expander 31 into the expander 31 through the above. The high-temperature and high-pressure working fluid expands in the expander 31 and is depressurized. The generator connected to the expander 31 generates power by the pressure energy at this time.

膨張機31内で減圧された作動流体は流出口31bから流出し、配管40を経て凝縮器33の流入口33aから凝縮器33内へ至る。凝縮器33の作動流体は、凝縮器33の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置11は電動ファン33cの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口33bから流出し、配管35を経て再び第1ボイラ27に至ることとなる。   The working fluid depressurized in the expander 31 flows out from the outlet 31b and reaches the condenser 33 from the inlet 33a of the condenser 33 via the pipe 40. The working fluid of the condenser 33 is cooled by releasing heat to the air around the condenser 33. At this time, the control device 11 appropriately changes the operation amount of the electric fan 33c to suitably dissipate the working fluid and liquefy it. The cooled working fluid flows out from the outflow port 33 b and reaches the first boiler 27 again through the pipe 35.

一方、駆動系1による出力要求が所定値以上となった場合、例えば、アクセルの開度が所定値以上となった場合には、制御装置11は、三方弁43の切り替え制御を行う。これにより、図3に示すように、配管36とバイパス路41とが連通され、配管36及びバイパス路41と配管37とが非連通とされる。   On the other hand, when the output request by the drive system 1 is equal to or greater than a predetermined value, for example, when the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value, the control device 11 performs switching control of the three-way valve 43. Thereby, as shown in FIG. 3, the pipe 36 and the bypass path 41 are communicated, and the pipe 36, the bypass path 41 and the pipe 37 are not communicated.

これにより、同図の実線矢印に示すように、第1ボイラ27を経た作動流体はパイパス路41に流入する。そして、このバイパス路41内の作動流体は、第2ボイラ28を迂回しつつ、配管38から第3ボイラ29の第6通路29fに至る。   As a result, the working fluid that has passed through the first boiler 27 flows into the bypass passage 41 as indicated by solid line arrows in FIG. The working fluid in the bypass passage 41 bypasses the second boiler 28 and reaches the sixth passage 29 f of the third boiler 29 from the pipe 38.

ここで、バイパス路41を流通した作動流体は、第2ボイラ28における熱交換が行われていないため、上記の図2に示す状態よりも低温の状態で第3ボイラ29に流入することとなる。このため、第3ボイラ29における熱交換では、作動流体は還流排気からより多くの放熱を受けることとなる。この結果、第5通路29c内の還流排気はより冷却されることとなる。   Here, the working fluid that has flowed through the bypass passage 41 flows into the third boiler 29 at a lower temperature than the state shown in FIG. 2 because heat exchange in the second boiler 28 is not performed. . For this reason, in the heat exchange in the third boiler 29, the working fluid receives more heat radiation from the reflux exhaust. As a result, the reflux exhaust in the fifth passage 29c is further cooled.

第3ボイラ29によって加熱された作動流体は、第6流出口29dから流出し、図2に示す場合と同様、膨張機31によって膨張及び減圧された後、凝縮器33によって放熱されることとなる。   The working fluid heated by the third boiler 29 flows out from the sixth outlet 29d, and is expanded and depressurized by the expander 31 and then radiated by the condenser 33, as in the case shown in FIG. .

このように、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル3では、第1〜3ボイラ27〜29における熱交換により、作動流体を加熱できるとともに、作動流体によって、加圧空気、冷却水及び還流排気をそれぞれ冷却することが可能である。   As described above, in the Rankine cycle 3 in this waste heat utilization apparatus, the working fluid can be heated by heat exchange in the first to third boilers 27 to 29, and the pressurized air, the cooling water, and the recirculated exhaust are respectively discharged by the working fluid. It is possible to cool.

これらの第1〜3ボイラ27〜29のうち、第3ボイラ29では、約500°C程度の温度となった還流排気と作動流体とが熱交換されるため、作動流体は第3ボイラ29によって十分に加熱される。また、図2に示すように、ランキンサイクル3において、第1〜3ボイラ27〜29のうち、第1ボイラ27が作動流体の循環方向の最も上流側に位置するため、第1ボイラ27に流入する作動流体の温度が最も低い状態となっている。これにより、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、加圧空気の密度が増大することで、より多くの加圧空気をエンジン5に供給することが可能となっている。このため、エンジン5の出力をより向上させることが可能となっている。   Of these first to third boilers 27 to 29, in the third boiler 29, the exhaust gas having a temperature of about 500 ° C. is exchanged with the working fluid for heat exchange. Fully heated. Further, as shown in FIG. 2, in the Rankine cycle 3, among the first to third boilers 27 to 29, the first boiler 27 is located on the most upstream side in the circulation direction of the working fluid, and therefore flows into the first boiler 27. The temperature of the working fluid is the lowest. Thereby, it becomes possible to cool pressurized air suitably, and it becomes possible to supply more pressurized air to the engine 5 by the density of pressurized air increasing. For this reason, it is possible to further improve the output of the engine 5.

特に、この廃熱利用装置では、排気還流路としての配管15、16がそれぞれ配管13及び配管18に接続されている。このため、この廃熱利用装置では、冷却された還流排気を還流してエンジン5に吸気させることが可能となっている。この際、第3ボイラ29における熱交換による冷却で配管16及び配管18内を流通する還流排気の密度が増大することから、これらの配管16及び配管18内の還流排気はエンジン5に好適に還流されることとなる。このように冷却された還流排気をエンジン5に還流させることで、この廃熱利用装置では、最終的に配管14及びマフラを経て大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を十分に低減させることも可能となっている。   In particular, in this waste heat utilization apparatus, pipes 15 and 16 as exhaust gas recirculation paths are connected to a pipe 13 and a pipe 18, respectively. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to recirculate the cooled recirculated exhaust gas and cause the engine 5 to intake air. At this time, the density of the reflux exhaust flowing through the pipe 16 and the pipe 18 is increased by the cooling by the heat exchange in the third boiler 29. Therefore, the reflux exhaust in the pipe 16 and the pipe 18 is preferably returned to the engine 5. Will be. By recirculating the reflux exhaust cooled in this way to the engine 5, in this waste heat utilization apparatus, the content of nitrogen oxides in the exhaust when finally discharged into the atmosphere through the pipe 14 and the muffler Can be sufficiently reduced.

また、駆動系1における出力要求等のいくつかの検出値を用いたマップ制御により可変バルブ21が開制御されるため、特定の条件下ではエンジン5に還流される還流排気の量が大きくなる場合がある。この際には、第5通路29eを流通する還流排気の流量が多くなるとともに、第3ボイラ29における熱交換により、これらの還流排気を好適に冷却させて還流させることが求められる。このため、第3ボイラ29に流入する作動流体の温度を可及的に低下させることが必要となる。   Further, since the variable valve 21 is controlled to open by map control using several detection values such as output requests in the drive system 1, the amount of recirculated exhaust gas recirculated to the engine 5 becomes large under specific conditions. There is. At this time, the flow rate of the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29e increases, and it is required that the recirculated exhaust gas be suitably cooled and recirculated by heat exchange in the third boiler 29. For this reason, it is necessary to reduce the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 as much as possible.

ここで、上記のように、ランキンサイクル3において、作動流体の循環方向で第1ボイラ27、第2ボイラ28、第3ボイラ29の順に位置させた場合、第2ボイラ28における熱交換によって作動流体が加熱された結果、第3ボイラ29に流入する作動流体の温度が高くなってしまう。   Here, as described above, in the Rankine cycle 3, when the first boiler 27, the second boiler 28, and the third boiler 29 are positioned in this order in the circulation direction of the working fluid, the working fluid is exchanged by heat exchange in the second boiler 28. As a result, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 is increased.

このため、この廃熱利用装置では、駆動系1における出力要求が高くなり、出力要求が所定値を超えた場合、図3に示すように、バイパス路41作動流体を全て流入させることにより、作動流体について、第2ボイラ28を迂回させることが可能となっている。   For this reason, in this waste heat utilization apparatus, when the output request in the drive system 1 becomes high and the output request exceeds a predetermined value, as shown in FIG. With respect to the fluid, it is possible to bypass the second boiler 28.

こうして、この廃熱利用装置では、作動流体に対し、第2ボイラ28における熱交換を回避させることで、第3ボイラ29に流入する作動流体の温度を低下させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置では、第3ボイラ29において、第5通路29e内の還流排気を十分に冷却することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、駆動系1において、低燃費を狙い、その出力を低回転で実現するために空気密度を上げるとともに、排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減させることが可能となっている。   Thus, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to reduce the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 by avoiding heat exchange in the second boiler 28 with respect to the working fluid. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, in the 3rd boiler 29, it is possible to fully cool the recirculated exhaust gas in the 5th passage 29e. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, in the drive system 1, aiming at low fuel consumption, increasing the air density in order to realize the output at low rotation, and sufficiently reducing the nitrogen oxides contained in the exhaust gas Is possible.

ここで、このように、作動流体について、第2ボイラ28を迂回させることにより、第2ボイラ28における熱交換によって、第3通路28e内の冷却水を冷却できなくなる。このため、このような場合には、制御装置11が電動ファン9cの作動量を大きくすることで、ラジエータ9における冷却水の放熱量を多くさせる。これにより、この廃熱利用装置では、駆動系1における出力要求が所定値を超えた状態であっても、エンジン5を好適に冷却させることが可能となる。また、第2ボイラ28における熱交換が行われていない状態であっても、上記のように第5通路29e内の還流排気は非常に高温であることから、第3ボイラ29において作動流体は十分に加熱されることとなる。   Here, by bypassing the second boiler 28 for the working fluid in this way, the cooling water in the third passage 28e cannot be cooled by heat exchange in the second boiler 28. For this reason, in such a case, the control device 11 increases the amount of heat of the cooling water in the radiator 9 by increasing the amount of operation of the electric fan 9c. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, even if the output request in the drive system 1 exceeds a predetermined value, the engine 5 can be suitably cooled. Even when heat exchange is not performed in the second boiler 28, the recirculated exhaust gas in the fifth passage 29e is very hot as described above, so that there is sufficient working fluid in the third boiler 29. Will be heated.

そして、これらのように、作動流体について、第2ボイラ28を迂回させる場合であっても、第2ボイラ28を迂回さない場合(図2参照)であっても、この廃熱利用装置では、第3ボイラ29が作動流体の循環方向の最も下流側に位置する。このため、この廃熱利用装置では、第3ボイラ29によって加熱された作動流体が他の第1、2ボイラ27、28において放熱されることがない。このため、この廃熱利用装置では、膨張機31に流入する作動流体をスーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態とすることが可能となる。このため、膨張機31における作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となっている。また、このように作動流体が十分に加熱された状態であることから、この廃熱利用装置では、膨張機31内で作動流体が気化された状態を保ち、膨張機31内で液化することも防止されている。これらのため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル3において回収可能な電力の量が多くなるとともに、液バック現象が抑制されて膨張機31も損傷し難くなっている。なお、第1〜3ボイラ27〜29での蒸発圧力を低くすれば、比較的低温の熱源(加圧空気、冷却水及び還流排気)でもスーパーヒートを確保することはできるが、その場合は膨張機31での回収エネルギーが低下してしまう。この点、この廃熱利用装置によれば、蒸発圧力の低下を伴うことなく作動流体のスーパーヒートを確保することができる。   And even if it is a case where the 2nd boiler 28 is detoured about a working fluid like these and it is a case where the 2nd boiler 28 is not detoured (refer to Drawing 2), in this waste heat utilization device, The third boiler 29 is located on the most downstream side in the circulation direction of the working fluid. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, the working fluid heated by the 3rd boiler 29 is not radiated in the other 1st, 2nd boilers 27 and 28. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it becomes possible to make the working fluid which flows into the expander 31 into the state of a superheat or a state close to a superheat. For this reason, it is possible to increase the pressure energy generated by the expansion and decompression of the working fluid in the expander 31. In addition, since the working fluid is sufficiently heated in this way, in this waste heat utilization apparatus, the working fluid is kept vaporized in the expander 31 and liquefied in the expander 31. It is prevented. For these reasons, in this waste heat utilization device, the amount of electric power that can be recovered in the Rankine cycle 3 is increased, and the liquid back phenomenon is suppressed, and the expander 31 is hardly damaged. If the evaporation pressure in the first to third boilers 27 to 29 is lowered, superheat can be secured even with a relatively low temperature heat source (pressurized air, cooling water, and reflux exhaust), but in this case, expansion is performed. The energy collected by the machine 31 is reduced. In this regard, according to this waste heat utilization apparatus, it is possible to ensure superheat of the working fluid without a decrease in the evaporation pressure.

したがって、この廃熱利用装置によれば、ランキンサイクル3における電力の回収量の向上を図りつつ、エンジン5の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。   Therefore, according to this waste heat utilization apparatus, it is possible to improve the output of the engine 5 and improve the durability while improving the amount of power recovered in the Rankine cycle 3.

特に、この廃熱利用装置では、駆動系1における所定値以上の出力要求に基づいて、制御装置11が三方弁43の切り替え制御を行うため、ランキンサイクル3における電力の回収量の向上と、エンジン5の出力の向上とを両立させ易くなっている。   In particular, in this waste heat utilization device, since the control device 11 performs switching control of the three-way valve 43 based on an output request greater than or equal to a predetermined value in the drive system 1, an improvement in the amount of electric power recovered in the Rankine cycle 3 and the engine It is easy to achieve both the improvement of the output of 5.

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.

例えば、三方弁43に替えて、第2ボイラ28に流入する作動流体の割合と、バイパス路41に流入する作動流体の割合とを任意に変更可能な流量調整弁を採用しても良い。この場合、第2ボイラ28を経た作動流体と、バイパス路41を経た作動流体とが配管38において合流した後、第3ボイラ29に流入することとなる。この際、第2ボイラ28において加熱された作動流体の割合により、第3ボイラ29に流入する作動流体の温度を調節することが可能となる。これにより、駆動系1における出力要求に応じて、エンジン5に還流される還流排気の温度をより適切な状態とすることが可能となる。   For example, instead of the three-way valve 43, a flow rate adjusting valve that can arbitrarily change the ratio of the working fluid flowing into the second boiler 28 and the ratio of the working fluid flowing into the bypass passage 41 may be adopted. In this case, the working fluid that has passed through the second boiler 28 and the working fluid that has passed through the bypass passage 41 merge in the pipe 38 and then flow into the third boiler 29. At this time, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 can be adjusted by the ratio of the working fluid heated in the second boiler 28. Thereby, it becomes possible to make the temperature of the recirculated exhaust gas recirculated to the engine 5 more appropriate in response to the output request in the drive system 1.

さらに、配管40には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器33を経た作動流体は、第2電動ポンプP2によって好適に吐出されて、配管35〜40やバイパス路41を好適に循環することとなる。   Furthermore, the pipe 40 may be provided with a known receiver. In this case, since the working fluid is suitably liquefied by the receiver, the working fluid that has passed through the condenser 33 is suitably discharged by the second electric pump P2, and is preferably circulated through the pipes 35 to 40 and the bypass passage 41. It becomes.

本発明は車両等に利用可能である。   The present invention is applicable to vehicles and the like.

1…駆動系
3…ランキンサイクル
5…エンジン(内燃機関)
7…ターボチャージャ(過給器)
11…制御装置(調整弁制御手段)
15、16…配管(排気還流路)
27…第1ボイラ
28…第2ボイラ
29…第3ボイラ
31…膨張機
33…凝縮器
35〜40…配管
41…パイパス路
43…三方弁(流量調整弁)
P2…第2電動ポンプ(ポンプ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Drive system 3 ... Rankine cycle 5 ... Engine (internal combustion engine)
7 ... Turbocharger (supercharger)
11. Control device (regulating valve control means)
15, 16 ... piping (exhaust gas recirculation path)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 27 ... 1st boiler 28 ... 2nd boiler 29 ... 3rd boiler 31 ... Expander 33 ... Condenser 35-40 ... Piping 41 ... Bypass path 43 ... Three-way valve (flow control valve)
P2 ... Second electric pump (pump)

Claims (4)

内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として前記内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記ボイラは、前記加圧空気との間で熱交換を行う第1ボイラと、前記内燃機関に対する冷却水との間で熱交換を行う第2ボイラと、前記還流排気との間で熱交換を行う第3ボイラとを有し、
該第3ボイラは、該第1ボイラよりも前記作動流体の循環方向の下流側に位置していることを特徴とする廃熱利用装置。
A drive system having an internal combustion engine, a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation path that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine as recirculation exhaust gas A waste heat utilization device having a Rankine cycle that is used and circulates a working fluid with a boiler,
The boiler exchanges heat between the first boiler that exchanges heat with the pressurized air, the second boiler that exchanges heat with cooling water for the internal combustion engine, and the reflux exhaust. A third boiler to perform,
The waste heat utilization apparatus, wherein the third boiler is located downstream of the first boiler in the circulation direction of the working fluid.
前記ランキンサイクルは、ポンプと、前記第1ボイラと、前記第2ボイラと、前記第3ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプから該第1ボイラ、該第2ボイラ、該第3ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に前記作動流体を循環させる配管とを有している請求項1記載の廃熱利用装置。   The Rankine cycle includes a pump, the first boiler, the second boiler, the third boiler, an expander, a condenser, the pump, the first boiler, the second boiler, and the third boiler. The waste heat utilization apparatus according to claim 1, further comprising a pipe for circulating the working fluid through the boiler and the expander to the condenser. 前記第1ボイラの下流で該配管から分岐し、該第2ボイラを迂回して該配管に合流するバイパス路と、該第2ボイラに流入する前記作動流体の流量と該バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁と、
該流量調整弁を制御する調整弁制御手段とを備えている請求項2記載の廃熱利用装置。
A bypass path that branches from the pipe downstream of the first boiler, bypasses the second boiler and joins the pipe, a flow rate of the working fluid that flows into the second boiler, and a flow path that flows into the bypass path A flow rate adjustment valve capable of adjusting the flow rate of the working fluid;
The waste heat utilization apparatus according to claim 2, further comprising an adjustment valve control means for controlling the flow rate adjustment valve.
前記調整弁制御手段は、前記駆動系における出力要求、又は前記排気中における窒素酸化物の含有量に応じて前記流量調整弁を制御する請求項3記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 3, wherein the regulating valve control means controls the flow regulating valve in accordance with an output request in the drive system or a nitrogen oxide content in the exhaust.
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