JP2013076372A - Waste heat utilization device - Google Patents

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貴幸 石川
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泰尚 後藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat utilization device which can drive an ejector by only waster heat from an engine.SOLUTION: The waste heat utilization device includes a rankine cycle (31) having a waste heat collector (22) for collecting heat of exhaust gas of the engine (2) to cooled water discharged from the engine (2). The waste heat utilization device includes: a cooled water flow rate control means (26) for controlling a flow rate of the cooled water to the waste heat collector (22) based on a temperature of the cooled water discharged from the engine (2); and an exhaust gas flow rate control means (7) for controlling the flow rate of the exhaust gas flowing into the waste heat collector (22) based on the temperature of the cooled water discharged from the waste heat collector.

Description

この発明は廃熱利用装置、特にランキンサイクルと冷凍サイクルを統合したものに関する。   The present invention relates to a waste heat utilization device, and more particularly to an integrated Rankine cycle and refrigeration cycle.

エンジンの排気ガスの廃熱をエネルギとして再利用するランキンサイクルシステムが知られている。引用文献1には、自動車エンジン冷却のためのサイクル循環と、エンジン廃熱利用のための排気ガス熱交換器と、膨張装置を駆動し、かつ、第1熱交換媒体を循環する有機ランキンサイクル循環とから構成されるシステムが開示されている。   A Rankine cycle system that reuses waste heat of engine exhaust gas as energy is known. Cited Document 1 discloses a cycle circulation for cooling an automobile engine, an exhaust gas heat exchanger for use of engine waste heat, an organic Rankine cycle circulation that drives an expansion device and circulates a first heat exchange medium. Is disclosed.

特開2008−128254号公報JP 2008-128254 A

前述の特許文献1に記載された技術では、排気ガス熱交換機を通過する冷媒によって排気ガスの熱を回収し、冷媒温度は、排気ガス熱交換機を循環する冷媒の量によって制御している。このとき、冷媒温度が許容温度を超過する場合は、バルブによって排気ガスを排気ガスバイパス管に通過させ、排気ガス熱交換機の温度が上昇することを防止している。   In the technique described in Patent Document 1 described above, the heat of exhaust gas is recovered by the refrigerant passing through the exhaust gas heat exchanger, and the refrigerant temperature is controlled by the amount of refrigerant circulating in the exhaust gas heat exchanger. At this time, if the refrigerant temperature exceeds the allowable temperature, the exhaust gas is passed through the exhaust gas bypass pipe by the valve to prevent the temperature of the exhaust gas heat exchanger from rising.

このような構成では、許容温度を、冷媒温度をエンジンに影響を与えない程度の温度(例えば110℃)に設定する必要があるため、許容温度付近での排気ガスの廃熱を十分に回収できなかった。   In such a configuration, since it is necessary to set the allowable temperature to a temperature that does not affect the engine (for example, 110 ° C.), the exhaust gas waste heat near the allowable temperature can be sufficiently recovered. There wasn't.

本発明は、エンジンの廃熱をより効率的に回収できる廃熱回収装置を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the waste heat recovery apparatus which can collect | recover the waste heat of an engine more efficiently.

本発明は、エンジンの排気ガスの熱をエンジンから排出される冷却水に回収する廃熱回収器と、冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、膨張機により回生された動力によって駆動されると共に凝縮器からの冷媒を熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルを備える車両に用いられる廃熱回収装置に適用されるものである。この廃熱回収装置において、エンジンから排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器への冷却水の流量を制限する冷却水流量制限手段と、廃熱回収器から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制限手段と、を備えることを特徴とする。   The present invention uses a waste heat recovery unit that recovers heat of exhaust gas of an engine into cooling water discharged from the engine, a heat exchanger that recovers heat of cooling water into a refrigerant, and a refrigerant discharged from the heat exchanger. An expander that generates power, a condenser that condenses the refrigerant that has exited the expander, a refrigerant pump that is driven by the power regenerated by the expander and that supplies the refrigerant from the condenser to the heat exchanger, The present invention is applied to a waste heat recovery device used for a vehicle including a Rankine cycle. In this waste heat recovery apparatus, cooling water flow rate limiting means for limiting the flow rate of cooling water to the waste heat recovery unit based on the temperature of the cooling water discharged from the engine, and cooling water discharged from the waste heat recovery unit Exhaust gas flow rate limiting means for limiting the flow rate of the exhaust gas flowing into the waste heat recovery unit based on the temperature.

本発明によれば、排気ガス流量制限手段と冷却水流量制限手段とによって、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぎつつ、廃熱回収器における冷却水温度がエンジン水温の制限温度を超えるほど高い状態とすることができ、廃熱回収の効率を高めることができる。   According to the present invention, the exhaust water flow rate limiting means and the cooling water flow rate limiting means reliably prevent the engine water temperature from exceeding the allowable temperature, and the cooling water temperature in the waste heat recovery device exceeds the engine water temperature limit temperature. As a result, the waste heat recovery efficiency can be increased.

本発明の実施形態の統合サイクルの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the integration cycle of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の膨張機ポンプの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the expander pump of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の冷媒ポンプの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the refrigerant | coolant pump of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の膨張機の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the expander of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の冷媒系バルブの機能を示す概略図である。It is the schematic which shows the function of the refrigerant | coolant system valve | bulb of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のハイブリッド車両の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a hybrid vehicle according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態のエンジンの概略斜視図である。1 is a schematic perspective view of an engine according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態のハイブリッド車両を下方から見た概略図である。It is the schematic which looked at the hybrid vehicle of the embodiment of the present invention from the lower part. 本発明の実施形態のランキンサイクル運転域の特性図である。It is a characteristic view of the Rankine cycle operation area of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両の加速が行われたときの様子を示したタイミングチャートである。It is the timing chart which showed a mode when acceleration of a hybrid vehicle was performed in the middle of assisting rotation of an engine output shaft with the expander torque of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のランキンサイクルの運転停止からの再起動の様子を示したタイミングチャートである。It is the timing chart which showed the mode of restart from the stop of Rankine cycle operation of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の廃熱回収器を中心とした排気管の説明図である。It is explanatory drawing of the exhaust pipe centering on the waste heat recovery device of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の廃熱回収器における冷却水温度及び流量を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cooling water temperature and flow volume in the waste heat recovery device of embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の前提となるランキンサイクルの、システム全体を表した概略構成図を示している。図1のランキンサイクル31は、冷凍サイクル51と冷媒および凝縮器38を共有する構成になっており、ランキンサイクル31と冷凍サイクル51を統合したサイクルのことを、これ以降統合サイクル30と表現する。図4は統合サイクル30が搭載されるハイブリッド車両1の概略構成図である。なお、統合サイクル30は、ランキンサイクル31と冷凍サイクル51の冷媒が循環する回路(通路)及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路(通路)等を含めたシステム全体を指すものとする。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the entire system of a Rankine cycle which is a premise of the present invention. The Rankine cycle 31 in FIG. 1 is configured to share the refrigeration cycle 51 and the refrigerant and the condenser 38, and a cycle in which the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51 are integrated is hereinafter expressed as an integrated cycle 30. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the hybrid vehicle 1 on which the integrated cycle 30 is mounted. The integrated cycle 30 includes a circuit (passage) through which the refrigerant of the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51 circulates and components such as a pump, an expander, and a condenser provided in the middle, and a circuit for cooling water and exhaust. It shall refer to the entire system including (passage).

ハイブリッド車両1では、エンジン2、モータジェネレータ81、自動変速機82が直列に連結され、自動変速機82の出力はプロペラシャフト83、ディファレンシャルギヤ84を介して駆動輪85に伝達される。エンジン2とモータジェネレータ81の間には第1駆動軸クラッチ86を設けている。また、自動変速機82の摩擦締結要素の一つが第2駆動軸クラッチ87として構成されている。第1駆動軸クラッチ86と第2駆動軸クラッチ87は、エンジンコントローラ71に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接(接続状態)が制御される。ハイブリッド車両1では、図7Bに示すように、車速がエンジン2の効率が悪いEV走行領域にあるときには、エンジン2を停止し第1駆動軸クラッチ86を遮断し第2駆動軸クラッチ87を接続してモータジェネレータ81による駆動力のみでハイブリッド車両1の走行を行わせる。一方、車速がEV走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン2を運転してランキンサイクル31(後述する)を運転する。エンジン2は排気通路3を備え、排気通路3は、排気マニホールド4と、排気マニホールド4の集合部に接続される排気管5とから構成される。排気管5は途中でバイパス排気管6と分岐しており、バイパス排気管6にバイパスされる区間の排気管5には、排気と冷却水との間で熱交換を行なうための廃熱回収器22を備える。廃熱回収器22とバイパス排気管6は、図6に示すように、これらを一体化した廃熱回収ユニット23として、床下触媒88とその下流のサブマフラー89との間に配置される。   In the hybrid vehicle 1, the engine 2, the motor generator 81, and the automatic transmission 82 are connected in series, and the output of the automatic transmission 82 is transmitted to the drive wheels 85 via the propeller shaft 83 and the differential gear 84. A first drive shaft clutch 86 is provided between the engine 2 and the motor generator 81. One of the frictional engagement elements of the automatic transmission 82 is configured as a second drive shaft clutch 87. The first drive shaft clutch 86 and the second drive shaft clutch 87 are connected to the engine controller 71, and their connection / disconnection (connected state) is controlled according to the driving conditions of the hybrid vehicle. In the hybrid vehicle 1, as shown in FIG. 7B, when the vehicle speed is in the EV traveling region where the efficiency of the engine 2 is poor, the engine 2 is stopped, the first drive shaft clutch 86 is disconnected, and the second drive shaft clutch 87 is connected. Thus, the hybrid vehicle 1 is caused to travel only by the driving force of the motor generator 81. On the other hand, when the vehicle speed deviates from the EV travel region and shifts to the Rankine cycle operation region, the engine 2 is operated to operate the Rankine cycle 31 (described later). The engine 2 includes an exhaust passage 3, and the exhaust passage 3 includes an exhaust manifold 4 and an exhaust pipe 5 connected to a collective portion of the exhaust manifold 4. The exhaust pipe 5 branches off from the bypass exhaust pipe 6 on the way, and the exhaust pipe 5 in the section bypassed by the bypass exhaust pipe 6 has a waste heat recovery unit for exchanging heat between the exhaust and the cooling water. 22. As shown in FIG. 6, the waste heat recovery unit 22 and the bypass exhaust pipe 6 are disposed between the underfloor catalyst 88 and the sub muffler 89 downstream thereof as a waste heat recovery unit 23 in which these are integrated.

図1に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン2を出た80〜90℃程度の冷却水は、ラジエータ11を通る冷却水通路13と、ラジエータ11をバイパスするバイパス冷却水通路14とに別れて流れる。その後、2つの流れは、両通路13、14を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ15で再び合流し、さらに冷却水ポンプ16を経てエンジン2に戻る。冷却水ポンプ16はエンジン2によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。サーモスタットバルブ15は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路13側のバルブ開度を大きくしてラジエータ11を通過する冷却水量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路13側のバルブ開度を小さくしてラジエータ11を通過する冷却水量を相対的に減らす。エンジン2の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ11をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路14側を流れる。一方、バイパス冷却水通路14側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ11を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路14を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路14側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ15が構成されている。ラジエータ11をバイパスするバイパス冷却水通路14は、冷却水通路13から分岐して後述の熱交換器36に直接接続する第1バイパス冷却水通路24と、冷却水通路13から分岐して廃熱回収器22を経た後に熱交換器36に接続する第2バイパス冷却水通路25とからなる。   First, the engine coolant circuit will be described with reference to FIG. The cooling water of about 80 to 90 ° C. leaving the engine 2 flows separately into a cooling water passage 13 that passes through the radiator 11 and a bypass cooling water passage 14 that bypasses the radiator 11. Thereafter, the two flows are merged again by a thermostat valve 15 that determines the distribution of the flow rate of the cooling water flowing through both passages 13 and 14, and then returns to the engine 2 via the cooling water pump 16. The cooling water pump 16 is driven by the engine 2 and its rotation speed is synchronized with the engine rotation speed. The thermostat valve 15 relatively increases the amount of cooling water passing through the radiator 11 by increasing the valve opening on the cooling water passage 13 side when the cooling water temperature is high, and on the cooling water passage 13 side when the cooling water temperature is low. The amount of cooling water passing through the radiator 11 is relatively reduced by reducing the valve opening. When the coolant temperature is particularly low, such as before the engine 2 is warmed up, the radiator 11 is completely bypassed and the entire amount of coolant flows through the bypass coolant passage 14 side. On the other hand, the valve opening on the bypass cooling water passage 14 side is not fully closed, and when the flow rate of the cooling water flowing through the radiator 11 is increased, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass cooling water passage 14 is However, the thermostat valve 15 is configured so that the flow does not stop completely. A bypass cooling water passage 14 that bypasses the radiator 11 is branched from the cooling water passage 13 and directly connected to a heat exchanger 36, which will be described later, and from the cooling water passage 13 to recover waste heat. The second bypass cooling water passage 25 connected to the heat exchanger 36 after passing through the vessel 22.

バイパス冷却水通路14には、ランキンサイクル31の冷媒と熱交換を行なう熱交換器36を備える。この熱交換器36は蒸発器と過熱器とを統合したものである。すなわち、熱交換器36には2つの冷却水通路36a、36bがほぼ一列に、また、冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル31の冷媒が流れる冷媒通路36cは冷却水通路と隣接して設けられている。さらに熱交換器36の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル31の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆向きとなるように各通路36a、36b、36cが構成されている。   The bypass cooling water passage 14 includes a heat exchanger 36 that exchanges heat with the refrigerant of the Rankine cycle 31. This heat exchanger 36 is an integrated evaporator and superheater. That is, two cooling water passages 36a and 36b are arranged in a row in the heat exchanger 36, and a refrigerant passage 36c through which the refrigerant of the Rankine cycle 31 flows is adjacent to the cooling water passage so that heat can be exchanged between the refrigerant and the cooling water. Is provided. Further, the passages 36a, 36b, and 36c are configured so that the refrigerant and the cooling water of the Rankine cycle 31 are in opposite directions when viewed from the whole heat exchanger 36.

詳細には、ランキンサイクル31の冷媒にとって上流(図1の左)側に位置する一方の冷却水通路36aは、第1バイパス冷却水通路24に介装されている。この冷却水通路36a及びこの冷却水通路に隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器左側部分は、エンジン2から出た冷却水を冷却水通路36aに直接導入することで、冷媒通路36cを流れるランキンサイクル31の冷媒を加熱するための蒸発器である。   Specifically, one cooling water passage 36 a located on the upstream side (left side in FIG. 1) for the refrigerant of Rankine cycle 31 is interposed in the first bypass cooling water passage 24. The left side portion of the heat exchanger consisting of the cooling water passage 36a and the refrigerant passage portion adjacent to the cooling water passage directly introduces the cooling water from the engine 2 into the cooling water passage 36a, so that the Rankine that flows through the refrigerant passage 36c. It is an evaporator for heating the refrigerant of cycle 31.

ランキンサイクル31の冷媒にとって下流(図1の右)側に位置する他方の冷却水通路36bには、第2バイパス冷却水通路25を介して廃熱回収器22を経た冷却水が導入される。冷却水通路36b及びこの冷却水通路36bに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器右側部分(ランキンサイクル31の冷媒にとって下流側)は、エンジン2の出口の冷却水を排気によってさらに加熱した冷却水を冷却水通路36bに導入することで、冷媒通路36cを流れる冷媒を過熱する過熱器である。   Cooling water that has passed through the waste heat recovery device 22 is introduced into the other cooling water passage 36b located on the downstream (right side in FIG. 1) side of the refrigerant in the Rankine cycle 31 via the second bypass cooling water passage 25. The right side portion of the heat exchanger (downstream side for the refrigerant of Rankine cycle 31) composed of the cooling water passage 36b and the refrigerant passage portion adjacent to the cooling water passage 36b is a cooling water obtained by further heating the cooling water at the outlet of the engine 2 by exhaust gas. Is a superheater that superheats the refrigerant flowing through the refrigerant passage 36c by introducing the refrigerant into the cooling water passage 36b.

廃熱回収器22の冷却水通路22aは排気管5に隣接して設けている。廃熱回収器22の冷却水通路22aにエンジン2の出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温の排気によって例えば110〜115℃程度まで加熱することができる。廃熱回収器22の全体を俯瞰して見たときに、排気と冷却水とが互いに流れる向きが逆向きとなるように冷却水通路22aが構成されている。   The cooling water passage 22 a of the waste heat recovery unit 22 is provided adjacent to the exhaust pipe 5. By introducing the cooling water at the outlet of the engine 2 into the cooling water passage 22a of the waste heat recovery unit 22, the cooling water can be heated to, for example, about 110 to 115 ° C. by high-temperature exhaust. The cooling water passage 22a is configured so that the exhaust and cooling water flow in opposite directions when the waste heat recovery device 22 is viewed from the top.

廃熱回収器22を設けた第2バイパス冷却水通路25には制御弁26が介装されている。後述するように、制御弁26は、エンジン2の内部にある冷却水の温度を指すエンジン水温が、例えばエンジン2の効率悪化やノックを発生させないための許容温度(例えば100℃)を超えないように、エンジン出口の冷却水温度センサ74の検出温度が所定値以上になると、この制御弁26の開度を減少させるようにしている。エンジン水温が許容温度に近づくと、廃熱回収器22を通過する冷却水量を減少させるため、エンジン水温が許容温度を超えてしまうことを確実に防ぐことができる。   A control valve 26 is interposed in the second bypass cooling water passage 25 provided with the waste heat recovery unit 22. As will be described later, the control valve 26 prevents the engine water temperature indicating the temperature of the cooling water inside the engine 2 from exceeding an allowable temperature (for example, 100 ° C.) for preventing deterioration of the efficiency of the engine 2 and knocking. In addition, when the detected temperature of the coolant temperature sensor 74 at the engine outlet exceeds a predetermined value, the opening degree of the control valve 26 is decreased. When the engine water temperature approaches the permissible temperature, the amount of cooling water passing through the waste heat recovery device 22 is reduced, so that it is possible to reliably prevent the engine water temperature from exceeding the permissible temperature.

一方、第2バイパス冷却水通路25の流量が減少したことによって、廃熱回収器22により上昇する冷却水温度が上がりすぎて冷却水が蒸発(沸騰)してしまったのでは、冷却水通路内の冷却水の流れが悪くなって部品温度が過剰に上昇してしまう恐れがある。これを避けるため、廃熱回収器22をバイパスするバイパス排気管6と、廃熱回収器22の排気通過量とバイパス排気管6の排気通過量とをコントロールするサーモスタットバルブ7をバイパス排気管6の分岐部に設けている。すなわち、サーモスタットバルブ7は、そのバルブ開度が廃熱回収器22を出た冷却水温度が所定の温度(例えば沸騰温度120℃)を超えないように、廃熱回収器22を出た冷却水温度に基づいて調節される。   On the other hand, if the flow rate of the second bypass cooling water passage 25 is decreased, the cooling water temperature rising by the waste heat recovery device 22 is excessively increased and the cooling water is evaporated (boiling). There is a risk that the flow of the cooling water will deteriorate and the component temperature will rise excessively. In order to avoid this, a bypass exhaust pipe 6 that bypasses the waste heat recovery unit 22, and a thermostat valve 7 that controls the exhaust passage amount of the waste heat recovery unit 22 and the exhaust passage amount of the bypass exhaust pipe 6 are provided in the bypass exhaust pipe 6. It is provided at the branch. In other words, the thermostat valve 7 is configured such that the valve opening degree of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 is such that the temperature of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 does not exceed a predetermined temperature (for example, boiling temperature 120 ° C.). Adjusted based on temperature.

熱交換器36とサーモスタットバルブ7と廃熱回収器22とは、廃熱回収ユニット23として一体化されていて、車幅方向略中央の床下において排気管途中に配設されている。   The heat exchanger 36, the thermostat valve 7, and the waste heat recovery unit 22 are integrated as a waste heat recovery unit 23, and are arranged in the middle of the exhaust pipe under the floor at the approximate center in the vehicle width direction.

バイパス冷却水通路14からサーモスタットバルブ15に向かう冷却水の温度が、例えば熱交換器36でランキンサイクル31の冷媒と熱交換することによって十分低下していれば、サーモスタットバルブ15の冷却水通路13側のバルブ開度が小さくされて、ラジエータ11を通過する冷却水量は相対的に減らされる。逆にバイパス冷却水通路14からサーモスタットバルブ15に向かう冷却水の温度が、ランキンサイクル31が運転されていないことなどによって高くなると、サーモスタットバルブ15の冷却水通路13側のバルブ開度が大きくされて、ラジエータ11を通過する冷却水量は相対的に増やされる。このようなサーモスタットバルブ15の動作に基づいて、エンジン2の冷却水温度が適当に保たれ、熱がランキンサイクル31へ適当に供給(回収)されるように構成されている。   If the temperature of the cooling water from the bypass cooling water passage 14 toward the thermostat valve 15 is sufficiently lowered by exchanging heat with the refrigerant of the Rankine cycle 31 by the heat exchanger 36, for example, the cooling water passage 13 side of the thermostat valve 15 The amount of cooling water passing through the radiator 11 is relatively reduced. Conversely, when the temperature of the cooling water from the bypass cooling water passage 14 toward the thermostat valve 15 becomes high due to the Rankine cycle 31 not being operated, the valve opening of the thermostat valve 15 on the cooling water passage 13 side is increased. The amount of cooling water passing through the radiator 11 is relatively increased. Based on the operation of the thermostat valve 15, the cooling water temperature of the engine 2 is appropriately maintained, and heat is appropriately supplied (recovered) to the Rankine cycle 31.

次に、ランキンサイクル31について述べる。ここでは、ランキンサイクル31は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル51と統合した統合サイクル30の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル31を先に説明し、その後に冷凍サイクルに言及する。   Next, Rankine cycle 31 will be described. Here, Rankine cycle 31 is not a simple Rankine cycle, but is configured as a part of integrated cycle 30 integrated with refrigeration cycle 51. Hereinafter, the basic Rankine cycle 31 will be described first, and then the refrigeration cycle will be referred to.

ランキンサイクル31は、エンジン2の冷却水を介してエンジン2の廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を動力として回生するシステムである。ランキンサイクル31は、冷媒ポンプ32、過熱器としての熱交換器36、膨張機37及び凝縮器(コンデンサ)38を備え、各構成要素は冷媒(R134a等)が循環する冷媒通路41〜44により接続されている。   The Rankine cycle 31 is a system that recovers waste heat of the engine 2 to a refrigerant through cooling water of the engine 2 and regenerates the recovered waste heat as power. The Rankine cycle 31 includes a refrigerant pump 32, a heat exchanger 36 as a superheater, an expander 37, and a condenser (condenser) 38, and each component is connected by refrigerant passages 41 to 44 through which a refrigerant (R134a and the like) circulates. Has been.

冷媒ポンプ32の軸は同一の軸上で膨張機37の出力軸と連結配置され、膨張機37の発生する出力(動力)によって冷媒ポンプ32を駆動すると共に、発生動力をエンジン2の出力軸(クランク軸)に供給する構成である(図2A参照)。すなわち、冷媒ポンプ32の軸及び膨張機37の出力軸は、エンジン2の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ32の軸の先端に設けたポンププーリ33と、クランクプーリ2aとの間にベルト34を掛け回している(図1参照)。なお、本実施形態の冷媒ポンプ32としてはギヤ式のポンプを、膨張機37としてはスクロール式の膨張機を採用している(図2B、図2C参照)。   The shaft of the refrigerant pump 32 is connected to the output shaft of the expander 37 on the same shaft, and the refrigerant pump 32 is driven by the output (power) generated by the expander 37 and the generated power is used as the output shaft of the engine 2 ( (Refer to FIG. 2A). That is, the shaft of the refrigerant pump 32 and the output shaft of the expander 37 are arranged in parallel with the output shaft of the engine 2, and the belt 34 is provided between the pump pulley 33 provided at the tip of the shaft of the refrigerant pump 32 and the crank pulley 2a. (See FIG. 1). Note that a gear-type pump is employed as the refrigerant pump 32 of the present embodiment, and a scroll-type expander is employed as the expander 37 (see FIGS. 2B and 2C).

また、ポンププーリ33と冷媒ポンプ32との間に電磁式のクラッチ(このクラッチを以下「膨張機クラッチ」という。)35(第1クラッチ)を設けて、冷媒ポンプ32及び膨張機37とを、エンジン2と断接可能にしている(図2A参照)。このため、膨張機37の発生する出力が冷媒ポンプ32の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合(予測膨張機トルクが正の場合)に膨張機クラッチ35を接続することで、膨張機37の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト(補助)することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ32を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。なお、膨張機クラッチ35は、エンジン2から冷媒ポンプ32及び膨張記37に至る動力伝達経路の途中であれば、どこに設けられていてもよい。   Further, an electromagnetic clutch (hereinafter referred to as “expander clutch”) 35 (first clutch) is provided between the pump pulley 33 and the refrigerant pump 32, and the refrigerant pump 32 and the expander 37 are connected to the engine. 2 (see FIG. 2A). Therefore, the expander 37 is connected by connecting the expander clutch 35 when the output generated by the expander 37 exceeds the driving force of the refrigerant pump 32 and the friction of the rotating body (when the predicted expander torque is positive). Rotation of the engine output shaft can be assisted (assisted) by the output generated. Thus, fuel efficiency can be improved by assisting rotation of an engine output shaft using energy obtained by waste heat recovery. Further, the energy for driving the refrigerant pump 32 that circulates the refrigerant can also be covered by the recovered waste heat. The expander clutch 35 may be provided anywhere in the power transmission path from the engine 2 to the refrigerant pump 32 and the expansion register 37.

冷媒ポンプ32からの冷媒は冷媒通路41を介して熱交換器36に供給される。熱交換器36は、エンジン2の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。   The refrigerant from the refrigerant pump 32 is supplied to the heat exchanger 36 through the refrigerant passage 41. The heat exchanger 36 is a heat exchanger that causes heat exchange between the coolant of the engine 2 and the refrigerant, vaporizes the refrigerant, and superheats the refrigerant.

熱交換器36からの冷媒は冷媒通路42を介して膨張機37に供給される。膨張機37は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機37で回収された動力は冷媒ポンプ32を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン2に伝達され、エンジン2の回転をアシストする。   The refrigerant from the heat exchanger 36 is supplied to the expander 37 through the refrigerant passage 42. The expander 37 is a steam turbine that converts heat into rotational energy by expanding the vaporized and superheated refrigerant. The power recovered by the expander 37 drives the refrigerant pump 32 and is transmitted to the engine 2 via the belt transmission mechanism to assist the rotation of the engine 2.

膨張機37からの冷媒は冷媒通路43を介して凝縮器38に供給される。凝縮器38は、外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。このため、凝縮器38をラジエータ11と並列に配置し、ラジエータファン12によって冷却するようにしている。   The refrigerant from the expander 37 is supplied to the condenser 38 via the refrigerant passage 43. The condenser 38 is a heat exchanger that causes heat exchange between the outside air and the refrigerant to cool and liquefy the refrigerant. For this reason, the condenser 38 is arranged in parallel with the radiator 11 and is cooled by the radiator fan 12.

凝縮器38により液化された冷媒は、冷媒通路44を介して冷媒ポンプ32に戻される。冷媒ポンプ32に戻された冷媒は、冷媒ポンプ32により再び熱交換器36に送られ、ランキンサイクル31の各構成要素を循環する。   The refrigerant liquefied by the condenser 38 is returned to the refrigerant pump 32 via the refrigerant passage 44. The refrigerant returned to the refrigerant pump 32 is sent again to the heat exchanger 36 by the refrigerant pump 32 and circulates through each component of the Rankine cycle 31.

なお、冷媒通路44は、図8に示すように、冷媒ポンプ32の入口から上方に延びている。   The refrigerant passage 44 extends upward from the inlet of the refrigerant pump 32 as shown in FIG.

次に、冷凍サイクル51について述べる。冷凍サイクル51は、ランキンサイクル31を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル31と統合され、冷凍サイクル51の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル51は、コンプレッサ(圧縮機)52、凝縮器38、エバポレータ(蒸発器)55を備える。   Next, the refrigeration cycle 51 will be described. Since the refrigerating cycle 51 shares the refrigerant circulating through the Rankine cycle 31, it is integrated with the Rankine cycle 31, and the configuration of the refrigerating cycle 51 itself is simplified. That is, the refrigeration cycle 51 includes a compressor (compressor) 52, a condenser 38, and an evaporator (evaporator) 55.

コンプレッサ52は冷凍サイクル51の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械で、エンジン2によって駆動される。すなわち、図4にも示したようにコンプレッサ52の駆動軸にはコンプレッサプーリ53が固定され、このコンプレッサプーリ53とクランクプーリ2aとにベルト34を掛け回している。エンジン2の駆動力がこのベルト34を介してコンプレッサプーリ53に伝達され、コンプレッサ52が駆動される。また、コンプレッサプーリ53とコンプレッサ52との間に電磁式のクラッチ(このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。)54(第2クラッチ)を設けて、コンプレッサ52とコンプレッサプーリ53とを断接可能にしている。   The compressor 52 is a fluid machine that compresses the refrigerant of the refrigeration cycle 51 to a high temperature and a high pressure, and is driven by the engine 2. That is, as shown in FIG. 4, the compressor pulley 53 is fixed to the drive shaft of the compressor 52, and the belt 34 is wound around the compressor pulley 53 and the crank pulley 2a. The driving force of the engine 2 is transmitted to the compressor pulley 53 via the belt 34, and the compressor 52 is driven. An electromagnetic clutch (hereinafter referred to as “compressor clutch”) 54 (second clutch) is provided between the compressor pulley 53 and the compressor 52 so that the compressor 52 and the compressor pulley 53 can be connected and disconnected. ing.

図1に戻り、コンプレッサ52からの冷媒は冷媒通路56を介して冷媒通路43に合流した後、凝縮器38に供給される。凝縮器38は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器38からの液状の冷媒は、冷媒通路44から分岐する冷媒通路57を介してエバポレータ(蒸発器)55に供給される。エバポレータ55は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ55は、凝縮器38からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。   Returning to FIG. 1, the refrigerant from the compressor 52 joins the refrigerant passage 43 via the refrigerant passage 56 and is then supplied to the condenser 38. The condenser 38 is a heat exchanger that condenses and liquefies the refrigerant by heat exchange with the outside air. The liquid refrigerant from the condenser 38 is supplied to an evaporator (evaporator) 55 through a refrigerant passage 57 branched from the refrigerant passage 44. The evaporator 55 is disposed in the case of the air conditioner unit in the same manner as a heater core (not shown). The evaporator 55 is a heat exchanger that evaporates the liquid refrigerant from the condenser 38 and cools the conditioned air from the blower fan by the latent heat of evaporation at that time.

エバポレータ55によって蒸発した冷媒は冷媒通路58を介してコンプレッサ52に戻される。なお、エバポレータ55によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。   The refrigerant evaporated by the evaporator 55 is returned to the compressor 52 through the refrigerant passage 58. Note that the mixing ratio of the conditioned air cooled by the evaporator 55 and the conditioned air heated by the heater core is adjusted to a temperature set by the occupant according to the opening of the air mix door.

なお、エバポレータ55、及び、凝縮器38とエバポレータ55とを接続する冷媒雄路44の一部及び冷媒通路57は、冷媒ポンプ32の入口よりも高い位置に配置される。また、冷媒通路44は、冷凍サイクル分岐点45において分岐し、冷媒通路57に接続する(図8参照)。   Note that the evaporator 55, a part of the refrigerant male passage 44 connecting the condenser 38 and the evaporator 55, and the refrigerant passage 57 are arranged at a position higher than the inlet of the refrigerant pump 32. The refrigerant passage 44 branches at the refrigeration cycle branch point 45 and is connected to the refrigerant passage 57 (see FIG. 8).

ランキンサイクル31と冷凍サイクル51とからなる統合サイクル30には、サイクル内を流れる冷媒を制御するため、回路途中に各種の弁が適宜設けられている。例えば、ランキンサイクル31を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点45と冷媒ポンプ32とを連絡する冷媒通路44にポンプ上流弁61、熱交換器36と膨張機37とを連絡する冷媒通路42に膨張機上流弁62を備える。また、冷媒ポンプ32と熱交換器36とを連絡する冷媒通路41には、熱交換器36から冷媒ポンプ32への冷媒の逆流を防止するため逆止弁63を備えている。膨張機37と冷凍サイクル合流点46とを連絡する冷媒通路43にも、冷凍サイクル合流点46から膨張機37への冷媒の逆流を防止するため逆止弁64を備えている。また、膨張機上流弁62上流から膨張機37をバイパスして逆止弁64上流に合流する膨張機バイパス通路65を設け、この膨張機バイパス通路65にバイパス弁66を設けている。さらに、バイパス弁66をバイパスする通路67に圧力調整弁68を設けている。冷凍サイクル51側についても、冷凍サイクル分岐点45とエバポレータ55とを接続する冷媒通路57にエアコン回路弁69を設けている。   In the integrated cycle 30 including the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51, various valves are appropriately provided in the middle of the circuit in order to control the refrigerant flowing in the cycle. For example, in order to control the refrigerant circulating in the Rankine cycle 31, the refrigerant passage 44 that connects the pump upstream valve 61, the heat exchanger 36, and the expander 37 to the refrigerant passage 44 that connects the refrigeration cycle branch point 45 and the refrigerant pump 32. 42 is provided with an expander upstream valve 62. The refrigerant passage 41 that connects the refrigerant pump 32 and the heat exchanger 36 is provided with a check valve 63 to prevent the refrigerant from flowing backward from the heat exchanger 36 to the refrigerant pump 32. The refrigerant passage 43 that connects the expander 37 and the refrigeration cycle merge point 46 is also provided with a check valve 64 to prevent the refrigerant from flowing back from the refrigeration cycle merge point 46 to the expander 37. Further, an expander bypass passage 65 that bypasses the expander 37 from the upstream of the expander upstream valve 62 and merges upstream of the check valve 64 is provided, and a bypass valve 66 is provided in the expander bypass passage 65. Further, a pressure regulating valve 68 is provided in a passage 67 that bypasses the bypass valve 66. Also on the refrigeration cycle 51 side, an air conditioner circuit valve 69 is provided in the refrigerant passage 57 that connects the refrigeration cycle branch point 45 and the evaporator 55.

上記4つの弁61、62、66、69はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ72により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ73により検出される凝縮器出口の冷媒圧力Pdの信号、膨張機37の回転速度信号等がエンジンコントローラ71に入力されている。エンジンコントローラ71では、所定の運転条件に応じ、これらの各入力信号に基づいて、冷凍サイクル51のコンプレッサ52や、ラジエータファン12の制御を行なうとともに、上記4つの電磁式開閉弁61、62、66、69の開閉を制御する。   The four valves 61, 62, 66, and 69 are all electromagnetic on-off valves. An expander upstream pressure signal detected by the pressure sensor 72, a condenser outlet refrigerant pressure Pd signal detected by the pressure sensor 73, a rotation speed signal of the expander 37, and the like are input to the engine controller 71. The engine controller 71 controls the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 and the radiator fan 12 based on these input signals in accordance with predetermined operating conditions, and also controls the four electromagnetic on-off valves 61, 62, 66. , 69 is controlled.

例えば、圧力センサ72により検出される膨張機上流側圧力及び膨張機回転速度に基づいて膨張機トルク(回生動力)を予測し、この予測膨張機トルクが正のとき(エンジン出力軸の回転をアシストすることができるとき)に膨張機クラッチ35を締結し、予測膨張機トルクがゼロないし負のときに膨張機クラッチ35を解放する。センサ検出圧力と膨張機回転速度とに基づくことで、排気温度から膨張機トルク(回生動力)を予測する場合とくらべ、高い精度で膨張機トルクを予測することができ、膨張機トルクの発生状況に応じて膨張機クラッチ35の締結・解放を適切に行うことができる(詳細は特開2010−190185号公報参照)。   For example, the expander torque (regenerative power) is predicted based on the expander upstream pressure detected by the pressure sensor 72 and the expander rotational speed, and when the predicted expander torque is positive (assist rotation of the engine output shaft). The expander clutch 35 is engaged, and when the predicted expander torque is zero or negative, the expander clutch 35 is released. Based on the sensor detection pressure and expander rotational speed, the expander torque can be predicted with higher accuracy than when the expander torque (regenerative power) is predicted from the exhaust temperature. Accordingly, the expander clutch 35 can be appropriately engaged / released (refer to Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-190185 for details).

上記4つの開閉弁61、62、66、69及び2つの逆止弁63、64は、冷媒系バルブである。これらの冷媒系バルブの機能を改めて図3に示す。   The four on-off valves 61, 62, 66, 69 and the two check valves 63, 64 are refrigerant valves. The functions of these refrigerant valves are shown again in FIG.

図3において、ポンプ上流弁61は、冷媒ポンプ32の入口に設けられる(図8参照)。ポンプ上流弁61は、冷凍サイクル51の回路に比べてランキンサイクル31の回路に冷媒が偏り易くなる所定の条件で閉じることで、ランキンサイクル31への冷媒(潤滑成分を含む)の偏りを防止するためのもので、後述するように、膨張機37下流の逆止弁64と協働してランキンサイクル31の回路を閉塞させる。膨張機上流弁62は、熱交換器36からの冷媒圧力が相対的に低い場合に冷媒通路42を遮断し熱交換器36からの冷媒が高圧になるまで保持することができるようにするものである。これによって、膨張機トルクが十分得られない場合でも冷媒の加熱を促し、例えばランキンサイクル31が再起動する(回生が実際に行なえるようになる)までの時間を短縮させることができる。バイパス弁66は、ランキンサイクル31の始動時等にランキンサイクル31側に存在する冷媒量が十分でないときなどに、膨張機37をバイパスさせた上で冷媒ポンプ作動が行えるように開弁し、ランキンサイクル31の起動時間を短縮するためのものである。膨張機37をバイパスさせた上で冷媒ポンプ32を作動させることで、凝縮器38の出口あるいは冷媒ポンプ32の入口の冷媒温度が、その部位の圧力を考慮した沸点から所定温度差(サブクール度SC)以上に低下した状態が実現されれば、ランキンサイクル31には十分な液体冷媒が供給できる状態が整ったことになる。   In FIG. 3, the pump upstream valve 61 is provided at the inlet of the refrigerant pump 32 (see FIG. 8). The pump upstream valve 61 prevents the refrigerant (including the lubricating component) from being biased to the Rankine cycle 31 by closing the pump upstream valve 61 under a predetermined condition that makes the refrigerant easily biased to the Rankine cycle 31 circuit as compared to the circuit of the refrigeration cycle 51. Therefore, as will be described later, the circuit of the Rankine cycle 31 is closed in cooperation with the check valve 64 downstream of the expander 37. The expander upstream valve 62 blocks the refrigerant passage 42 when the refrigerant pressure from the heat exchanger 36 is relatively low so that the refrigerant from the heat exchanger 36 can be held until the pressure becomes high. is there. Thereby, even when the expander torque cannot be sufficiently obtained, the heating of the refrigerant is promoted, and for example, the time until the Rankine cycle 31 is restarted (regeneration can actually be performed) can be shortened. The bypass valve 66 is opened so that the refrigerant pump can be operated after bypassing the expander 37 when the amount of refrigerant existing on the Rankine cycle 31 side is not sufficient when the Rankine cycle 31 is started. This is to shorten the start-up time of the cycle 31. By operating the refrigerant pump 32 after the expander 37 is bypassed, the refrigerant temperature at the outlet of the condenser 38 or the inlet of the refrigerant pump 32 has a predetermined temperature difference (subcool degree SC) from the boiling point considering the pressure at that portion. ) If the state lowered as described above is realized, the Rankine cycle 31 is ready to supply a sufficient liquid refrigerant.

熱交換器36上流の逆止弁63は、バイパス弁66、圧力調整弁68、膨張機上流弁62と協働して膨張機37に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。圧力調整弁68は膨張機37に供給される冷媒の圧力が高くなり過ぎた場合に開いて、高くなり過ぎた冷媒を逃すリリーフ弁の役割を有している。   The check valve 63 upstream of the heat exchanger 36 is for maintaining the refrigerant supplied to the expander 37 at a high pressure in cooperation with the bypass valve 66, the pressure adjusting valve 68, and the expander upstream valve 62. When the Rankine cycle regenerative efficiency is low, the Rankine cycle operation is stopped, the circuit is closed over the front and rear sections of the heat exchanger, the refrigerant pressure during the stop is increased, and the high-pressure refrigerant is used. Allow the Rankine cycle to restart quickly. The pressure regulating valve 68 functions as a relief valve that opens when the pressure of the refrigerant supplied to the expander 37 becomes too high and releases the refrigerant that has become too high.

膨張機37下流の逆止弁64は、上述のポンプ上流弁61と協働してランキンサイクル31への冷媒の偏りを防止するためのものである。ハイブリッド車両1の運転開始直後、エンジン2が暖まっていないとランキンサイクル31が冷凍サイクル51より低温となり、冷媒がランキンサイクル31側に偏ることがある。ランキンサイクル31側に偏る確率はそれほど高くないものの、例えば夏場の車両運転開始直後には、車内を早く冷やしたい状況にあって冷房能力が最も要求されることから、冷媒の僅かな偏在も解消して冷凍サイクル51の冷媒を確保したいという要求がある。そこで、ランキンサイクル31側への冷媒の偏在を防止するため逆止弁64を設けたものである。   The check valve 64 downstream of the expander 37 is for preventing the bias of the refrigerant to the Rankine cycle 31 in cooperation with the above-described pump upstream valve 61. If the engine 2 is not warmed immediately after the start of the operation of the hybrid vehicle 1, the Rankine cycle 31 becomes cooler than the refrigeration cycle 51, and the refrigerant may be biased toward the Rankine cycle 31 side. Although the probability of being biased toward the Rankine cycle 31 is not so high, for example, immediately after the start of vehicle operation in summer, the cooling capacity is most demanded in the situation where it is desired to cool the interior quickly, so the slight uneven distribution of refrigerant is also eliminated. Therefore, there is a demand for securing the refrigerant for the refrigeration cycle 51. Therefore, a check valve 64 is provided to prevent uneven distribution of refrigerant to the Rankine cycle 31 side.

コンプレッサ52は、駆動停止時に冷媒が自由通過できる構造ではなく、エアコン回路弁69と協働して冷凍サイクル51への冷媒の偏りを防止することができる。これについて説明する。冷凍サイクル51の運転が停止したとき、定常運転中の比較的高い温度のランキンサイクル31側から冷凍サイクル51側へと冷媒が移動して、ランキンサイクル31を循環する冷媒が不足することがある。冷凍サイクル51の中で、冷房停止直後はエバポレータ55の温度が低くなっていて、比較的容積が大きく温度が低くなっているエバポレータ55に冷媒が溜まり易い。この場合に、コンプレッサ52の駆動停止によって凝縮器38からエバポレータ55への冷媒の動きを遮断するとともに、エアコン回路弁69を閉じることで、冷凍サイクル51への冷媒の偏りを防止するのである。   The compressor 52 does not have a structure in which the refrigerant can freely pass when driving is stopped, but can prevent the refrigerant from being biased toward the refrigeration cycle 51 in cooperation with the air conditioner circuit valve 69. This will be described. When the operation of the refrigeration cycle 51 stops, the refrigerant may move from the relatively high temperature Rankine cycle 31 side to the refrigeration cycle 51 side during steady operation, and the refrigerant circulating through the Rankine cycle 31 may be insufficient. In the refrigeration cycle 51, the temperature of the evaporator 55 is low immediately after the cooling is stopped, and the refrigerant tends to accumulate in the evaporator 55 having a relatively large volume and a low temperature. In this case, the movement of the refrigerant from the condenser 38 to the evaporator 55 is interrupted by stopping the driving of the compressor 52, and the air conditioner circuit valve 69 is closed to prevent the refrigerant from being biased to the refrigeration cycle 51.

次に、図5はエンジン全体のパッケージを示すエンジン2の概略斜視図である。図5において特徴的なのは、熱交換器36が排気マニホールド4の鉛直上方に配置されていることである。排気マニホールド4の鉛直上方のスペースに熱交換器36を配置することによって、ランキンサイクル31のエンジン2への搭載性を向上させている。また、エンジン2には、テンショナプーリ8が設けられる。   Next, FIG. 5 is a schematic perspective view of the engine 2 showing a package of the entire engine. 5 is characterized in that the heat exchanger 36 is arranged vertically above the exhaust manifold 4. By placing the heat exchanger 36 in the space vertically above the exhaust manifold 4, the mountability of the Rankine cycle 31 to the engine 2 is improved. The engine 2 is provided with a tensioner pulley 8.

次に、ランキンサイクル31の基本的な運転方法を図7A及び図7Bを参照して説明する。   Next, a basic operation method of the Rankine cycle 31 will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.

まず、図7A及び図7Bはランキンサイクル31の運転領域図である。図7Aには横軸を外気温、縦軸をエンジン水温(冷却水温度)としたときのランキンサイクルの運転域を、図7Bは横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク(エンジン負荷)としたときのランキンサイクル31の運転域を示している。   First, FIGS. 7A and 7B are operation region diagrams of the Rankine cycle 31. FIG. FIG. 7A shows the Rankine cycle operating range when the horizontal axis is the outside air temperature and the vertical axis is the engine water temperature (cooling water temperature). FIG. 7B is the engine rotational speed and the vertical axis is the engine torque (engine load). The operating range of Rankine cycle 31 is shown.

図7A及び図7Bのいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル31を運転するもので、これら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクル31を運転する。図7Aにおいては、エンジン1の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ52の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル31の運転を停止している。排気温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル31を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル31を止めて、冷凍サイクル51に十分な冷媒と凝縮器38の冷却能力を提供する。図7Bにおいては、ハイブリッド車両であるので、EV走行領域と、膨張機37のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル31の運転を停止している。膨張機37は全ての回転数でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図7の場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機が構成(膨張機各部のディメンジョン等が設定)されている。   7A and 7B, the Rankine cycle 31 is operated when a predetermined condition is satisfied, and the Rankine cycle 31 is operated when both of these conditions are satisfied. In FIG. 7A, the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in a region on the low water temperature side where priority is given to warming up the engine 1 and a region on the high outside air temperature side where the load on the compressor 52 increases. During warm-up when the exhaust temperature is low and the recovery efficiency is poor, the Rankine cycle 31 is not operated, so that the coolant temperature is quickly raised. The Rankine cycle 31 is stopped at a high outside air temperature where high cooling capacity is required, and sufficient refrigerant and cooling capacity of the condenser 38 are provided to the refrigeration cycle 51. In FIG. 7B, since the vehicle is a hybrid vehicle, the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in the EV traveling region and the region on the high rotational speed side where the friction of the expander 37 increases. Since it is difficult to make the expander 37 have a high-efficiency structure with little friction at all rotation speeds, in the case of FIG. 7, the expansion is performed so that the friction is small and the efficiency is high in the engine rotation speed range where the operation frequency is high. The machine is configured (the dimensions of each part of the expander are set).

図8は膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両1の加速が行われたときの様子をモデルで示したタイミングチャートである。なお、図8の右側には、このときに膨張機37の運転状態が推移する様子を膨張機トルクマップ上に表している。膨張機トルクマップの等高線で区切られた範囲のうち、膨張機回転速度が低く膨張機上流圧力が高い部分(左上)では膨張機トルクが最も大きく、膨張機回転速度が高く膨張機上流圧力が低くなるほど(右下に進むほど)膨張機トルクが小さくなる傾向になっている。特に斜線部の範囲は、冷媒ポンプを駆動する前提では膨張機トルクがマイナスになって、エンジンに対しては負荷となってしまう領域を表している。   FIG. 8 is a timing chart showing a model when the hybrid vehicle 1 is accelerated while assisting the rotation of the engine output shaft by the expander torque. Note that, on the right side of FIG. 8, a state in which the operating state of the expander 37 changes at this time is shown on the expander torque map. In the range delimited by the contour lines of the expander torque map, the expander torque is the highest in the portion where the expander rotational speed is low and the expander upstream pressure is high (upper left), the expander rotational speed is high, and the expander upstream pressure is low. The expander torque tends to be smaller as it goes (lower right). In particular, the shaded area represents a region where the expander torque becomes negative on the premise of driving the refrigerant pump and becomes a load on the engine.

運転者がアクセルペダルを踏込むt1までは、定速走行が継続されて膨張機37が正のトルクを発生させており、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが行われている。   Until t1 when the driver steps on the accelerator pedal, constant speed running is continued and the expander 37 generates a positive torque, and rotation assist of the engine output shaft is performed by the expander torque.

t1以降、膨張機37の回転速度、すなわちポンプ32の回転速度がエンジン回転速度に比例して上昇するが、排気温度或いは冷却水温度の上昇は、エンジン回転速度の上昇に対して遅れを有する。そのため、ポンプ32の回転速度の上昇によって増大した冷媒量に対して回収可能な熱量の割合が低下する。   After t1, the rotation speed of the expander 37, that is, the rotation speed of the pump 32 increases in proportion to the engine rotation speed, but the increase in the exhaust gas temperature or the cooling water temperature has a delay with respect to the increase in the engine rotation speed. Therefore, the ratio of the recoverable heat amount to the refrigerant amount increased by the increase in the rotational speed of the pump 32 is reduced.

従って、膨張機回転速度が上昇するにつれ、膨張機上流の冷媒圧力が低下し、膨張機トルクは低下する。   Accordingly, as the expander rotational speed increases, the refrigerant pressure upstream of the expander decreases and the expander torque decreases.

膨張機トルクが低下すると、膨張機37や冷媒ポンプ32はエンジンの駆動力によって回転させられることになり、むしろエンジンの負荷になってしまうので、膨張機トルクが所定以下になるようなときには膨張機クラッチ35を切断し、膨張機37の引き摺り現象(エンジンによって回されて却ってエンジンの負荷になること)を回避する。   When the expander torque decreases, the expander 37 and the refrigerant pump 32 are rotated by the driving force of the engine, but rather become an engine load. Therefore, when the expander torque falls below a predetermined value, the expander The clutch 35 is disengaged to avoid the drag phenomenon of the expander 37 (turned by the engine and instead becoming a load on the engine).

図8では、膨張機クラッチ35を切断するt3よりも前の、t2のタイミングで膨張機上流弁62を閉塞しており、t3のタイミングで膨張機上流圧力は膨張機下流圧力と殆ど差がない。このように、膨張機クラッチ35の切断前に、膨張機上流弁62を閉塞することによって、膨張機上流の冷媒(膨張機に流入する冷媒の)圧力を十分低下させ、膨張機クラッチ35を切り離した際の膨張機37の過回転を防止している。   In FIG. 8, the expander upstream valve 62 is closed at the timing t2 prior to t3 when the expander clutch 35 is disconnected, and the expander upstream pressure is almost the same as the expander downstream pressure at the timing t3. . Thus, by closing the expander upstream valve 62 before the expander clutch 35 is disconnected, the refrigerant pressure upstream of the expander (of the refrigerant flowing into the expander) is sufficiently reduced, and the expander clutch 35 is disconnected. The over-rotation of the expander 37 at the time of occurrence is prevented.

t3以降、エンジン2の放熱量の上昇により膨張機上流圧力が再び上昇し、t4のタイミングで、膨張機上流弁62が閉状態から開状態へと切換えられ、膨張機37への冷媒の供給が再開される。また、t4で膨張機クラッチ35が再び接続される。この膨張機クラッチ35の再接続により、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが再開される。   After t3, the expander upstream pressure rises again due to the increase in the heat radiation amount of the engine 2, and at the timing t4, the expander upstream valve 62 is switched from the closed state to the open state, so that the refrigerant is supplied to the expander 37. Resumed. Further, the expander clutch 35 is connected again at t4. By reconnecting the expander clutch 35, rotation assist of the engine output shaft by the expander torque is resumed.

図9は、膨張機上流弁62が閉じられ膨張機クラッチ35を切断した状態の、ランキンサイクルの運転停止から、図8(t4の制御)と異なる態様でランキンサイクルの再起動を行なう様子をモデルで示したタイミングチャートである。   FIG. 9 is a model of restarting the Rankine cycle in a manner different from that in FIG. 8 (control of t4) after the operation of the Rankine cycle is stopped with the expander upstream valve 62 closed and the expander clutch 35 disconnected. It is the timing chart shown by.

t11のタイミングで運転者がアクセルペダルを踏込むとアクセル開度が増大する。t11では、ランキンサイクルの運転は停止されている。このため、膨張機トルクはゼロを維持している。   When the driver depresses the accelerator pedal at the timing of t11, the accelerator opening increases. At t11, the Rankine cycle operation is stopped. For this reason, the expander torque is maintained at zero.

t11からのエンジン回転速度の上昇に伴ってエンジン2の放熱量が増大し、この放熱量の増大によって熱交換器36に流入する冷却水温度が高くなり、熱交換器36内の冷媒の温度が上昇する。膨張機上流弁62は閉じているので、この熱交換器36による冷媒温度の上昇によって、膨張機上流弁62の上流の冷媒圧力、つまり膨張機上流圧力が上昇していく(t11〜t12)。   As the engine rotation speed increases from t11, the heat dissipation amount of the engine 2 increases. Due to the increase in the heat dissipation amount, the temperature of the coolant flowing into the heat exchanger 36 increases, and the temperature of the refrigerant in the heat exchanger 36 increases. To rise. Since the expander upstream valve 62 is closed, the refrigerant pressure upstream of the expander upstream valve 62, that is, the expander upstream pressure, rises due to the increase in the refrigerant temperature by the heat exchanger 36 (t11 to t12).

この運転状態の変化によってランキンサイクル非運転域からランキンサイクル運転域へと切換わる。膨張機上流弁62がなく、ランキンサイクル運転域に移行したときに、即座に膨張機クラッチ35を切断状態から接続状態へと切換えて膨張機37をエンジン出力軸と連結したのでは、膨張機37がエンジン2の負荷となる上にトルクショックが生じてしまう。   Switching from the Rankine cycle non-operating range to the Rankine cycle operating range is performed by the change in the operating state. When the expander clutch 35 is switched from the disconnected state to the connected state and the expander 37 is connected to the engine output shaft when the expander upstream valve 62 is not provided and the operation shifts to the Rankine cycle operation region, the expander 37 is connected. Becomes a load on the engine 2 and causes a torque shock.

一方、図9では、ランキンサイクル運転域へと切換わったとき、即座に膨張機上流弁62を閉状態から開状態へと切換えることはしない。すなわち、ランキンサイクル運転域に移行した後も膨張機上流弁62の閉状態を続ける。   On the other hand, in FIG. 9, when switching to the Rankine cycle operation region, the expander upstream valve 62 is not immediately switched from the closed state to the open state. That is, the expander upstream valve 62 remains closed even after the transition to the Rankine cycle operation region.

やがて、膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差圧が大きくなって所定圧以上となるt12のタイミングで膨張機37を運転(駆動)できると判断し、膨張弁上流弁62を閉状態から開状態に切換える。この膨張弁上流弁62の開状態への切換によって膨張機37に所定圧の冷媒が供給され、膨張機回転速度がゼロから速やかに上昇する。   Eventually, it is determined that the expander 37 can be operated (driven) at a timing t12 when the differential pressure between the expander upstream pressure and the expander downstream pressure becomes greater than or equal to a predetermined pressure, and the expansion valve upstream valve 62 is changed from the closed state. Switch to the open state. By switching the expansion valve upstream valve 62 to the open state, a predetermined pressure of refrigerant is supplied to the expander 37, and the rotation speed of the expander rapidly increases from zero.

この膨張機回転速度の上昇で膨張機回転速度がエンジン回転速度に到達するt13のタイミングで、膨張機クラッチ35を切断より接続へと切換える。膨張機37が十分に回転速度を増す前に膨張機クラッチ35を接続したのでは、膨張機37がエンジン負荷となるし、トルクショックも生じ得る。これに対して、エンジン出力軸との回転速度差がなくなるt13で膨張機クラッチ35を接続することで、膨張機37がエンジン負荷となることも、膨張機クラッチ35を締結することに伴うトルクショックも防止できる。   At the timing t13 when the expander rotation speed reaches the engine rotation speed due to the increase in the expander rotation speed, the expander clutch 35 is switched from disconnection to connection. If the expander clutch 35 is connected before the expander 37 sufficiently increases the rotational speed, the expander 37 becomes an engine load and torque shock may occur. On the other hand, when the expander clutch 35 is connected at t13 at which the rotational speed difference from the engine output shaft disappears, the expander 37 becomes an engine load, and the torque shock associated with the engagement of the expander clutch 35. Can also be prevented.

次に、廃熱回収器22における制御について説明する。   Next, control in the waste heat recovery unit 22 will be described.

図10は、本実施形態の廃熱回収器22を中心とした排気管5(廃熱回収ユニット23)の説明図である。   FIG. 10 is an explanatory diagram of the exhaust pipe 5 (waste heat recovery unit 23) centering on the waste heat recovery unit 22 of the present embodiment.

図10において、排気ガスの流れを実線矢印で、冷却水の流れを点線矢印で示す。   In FIG. 10, the flow of exhaust gas is indicated by solid arrows, and the flow of cooling water is indicated by dotted arrows.

排気管5には、前述のように廃熱回収器22が取付けられている。廃熱回収器22には、排気ガスと冷却水とが流通可能に構成されており、高温の排気ガスの熱による熱交換によって冷却水の温度を上昇させる。温度が上昇した冷却水は、熱交換機36においてランキンサイクル31の冷媒を加熱する。   As described above, the waste heat recovery unit 22 is attached to the exhaust pipe 5. The waste heat recovery unit 22 is configured to allow the exhaust gas and the cooling water to circulate, and raises the temperature of the cooling water by heat exchange by the heat of the high temperature exhaust gas. The cooling water whose temperature has risen heats the refrigerant in the Rankine cycle 31 in the heat exchanger 36.

廃熱回収器22に導入される冷却水は、制御弁26によってその流量が制御される。エンジンコントローラ71は、冷却水温度センサ74によって検出したエンジン2の出口の冷却水温度に基づいて、制御弁の流量を制御する。すなわち、エンジンコントローラ71が冷却水温度センサ74に基づいて制御弁26の開度を制御して冷却水流量を制限することによって、冷却水流量制限手段が構成されている。   The flow rate of the cooling water introduced into the waste heat recovery unit 22 is controlled by the control valve 26. The engine controller 71 controls the flow rate of the control valve based on the coolant temperature at the outlet of the engine 2 detected by the coolant temperature sensor 74. That is, the engine controller 71 controls the opening degree of the control valve 26 based on the cooling water temperature sensor 74 to limit the cooling water flow rate, thereby constituting the cooling water flow rate limiting means.

エンジンコントローラ71は、冷却水温度センサ74によって検出された冷却水温度が第1の所定温度以上となった場合は、制御弁26の開度を減少させ、廃熱回収器22を通過する冷却水量を減少させる。   When the coolant temperature detected by the coolant temperature sensor 74 is equal to or higher than the first predetermined temperature, the engine controller 71 decreases the opening of the control valve 26 and the amount of coolant passing through the waste heat recovery unit 22. Decrease.

この第1の所定温度とは、エンジン2に影響を与えない温度、例えばオーバーヒートが発生する温度よりも所定の余裕分を持った温度とする。   The first predetermined temperature is a temperature that does not affect the engine 2, for example, a temperature having a predetermined margin than a temperature at which overheating occurs.

このように制御することによって、冷却水水温、特に、エンジン2の内部を流通する冷却水水温の温度(エンジン水温)が許容温度を超えてしまうことを防止している。廃熱回収器内の冷却水の流通を減少させることにしたので、冷却水に移動する熱の量を速やかに低下させることができる。   By controlling in this way, the cooling water temperature, in particular, the temperature of the cooling water temperature circulating through the engine 2 (engine water temperature) is prevented from exceeding the allowable temperature. Since the circulation of the cooling water in the waste heat recovery device has been reduced, the amount of heat transferred to the cooling water can be quickly reduced.

排気管5の廃熱回収器の手前には、サーモスタットバルブ7が設けられている。   A thermostat valve 7 is provided in front of the waste heat recovery unit of the exhaust pipe 5.

サーモスタットバルブ7は、軸7bを中心として回動するように構成されており、バイパス排気管6を閉塞して廃熱回収器22に排気ガスを流通させるか、排気管5を閉塞してバイパス排気管6に排気ガスを流通させて、廃熱回収器22への排気ガスの流通を制限するかを制御する。   The thermostat valve 7 is configured to rotate about a shaft 7b, and closes the bypass exhaust pipe 6 to allow exhaust gas to flow through the waste heat recovery unit 22, or closes the exhaust pipe 5 to bypass exhaust. The exhaust gas is circulated through the pipe 6 to control whether the exhaust gas flow to the waste heat recovery unit 22 is restricted.

サーモスタットバルブ7はサーモスタット7aを備える。サーモスタット7aは、廃熱回収器22の冷却水の出口側に設けられている。サーモスタット7aは、廃熱回収器22の冷却水出口温度に基づいて伸縮可能に構成される。   The thermostat valve 7 includes a thermostat 7a. The thermostat 7 a is provided on the cooling water outlet side of the waste heat recovery unit 22. The thermostat 7a is configured to be expandable and contractible based on the cooling water outlet temperature of the waste heat recovery unit 22.

サーモスタット7aは、軸7bを介してサーモスタットバルブ7と連結する。サーモスタット7aが通過する冷却水の温度に応じて伸縮することにより、サーモスタットバルブ7が、サーモスタット7aに応動して軸7bを中心として回動する。これにより、排気管5の開度が変更される。   The thermostat 7a is connected to the thermostat valve 7 through a shaft 7b. By expanding and contracting according to the temperature of the cooling water that the thermostat 7a passes through, the thermostat valve 7 rotates about the shaft 7b in response to the thermostat 7a. Thereby, the opening degree of the exhaust pipe 5 is changed.

サーモスタットバルブ7は、廃熱回収器22の出口の冷却水温度に応じてその開度を変更し、廃熱回収器22の排気通過量とバイパス排気管6の排気通過量とを変更することができるように構成されている。すなわち、冷却水温度によってサーモスタット7aが伸縮してサーモスタットバルブ7の開度が変化し、廃熱回収器22への排気ガスの流量を制限することによって、排気ガス流量制限手段が構成される。   The thermostat valve 7 can change its opening according to the coolant temperature at the outlet of the waste heat recovery unit 22, and change the exhaust passage amount of the waste heat recovery unit 22 and the exhaust passage amount of the bypass exhaust pipe 6. It is configured to be able to. That is, the thermostat 7a expands and contracts due to the cooling water temperature, the opening degree of the thermostat valve 7 changes, and the exhaust gas flow rate limiting means is configured by limiting the flow rate of the exhaust gas to the waste heat recovery unit 22.

具体的には、サーモスタットバルブ71は、廃熱回収器22の出口の冷却水温度が、第2の所定温度未満である場合は、バイパス排気管6を閉鎖して、排気ガスを廃熱回収器22に流通させる。廃熱回収器22は、流通する排気ガスと冷却水とで熱交換を行う。   Specifically, the thermostat valve 71 closes the bypass exhaust pipe 6 when the cooling water temperature at the outlet of the waste heat recovery unit 22 is lower than the second predetermined temperature, and removes the exhaust gas from the waste heat recovery unit. 22 to distribute. The waste heat recovery unit 22 performs heat exchange between the circulating exhaust gas and the cooling water.

一方、廃熱回収器22の出口の冷却水温度が第2の所定温度以上となった場合は、サーモスタットバルブ71は、排気管5の廃熱回収器22への排気ガスの流通を閉鎖して、バイパス排気管6に排気ガスを流通させる。これにより、廃熱回収器22に排気ガスが流通しないので、廃熱回収器22を流れる冷却水の水温は上昇することがない。   On the other hand, when the cooling water temperature at the outlet of the waste heat recovery unit 22 becomes equal to or higher than the second predetermined temperature, the thermostat valve 71 closes the flow of the exhaust gas to the waste heat recovery unit 22 in the exhaust pipe 5. The exhaust gas is circulated through the bypass exhaust pipe 6. Thereby, since exhaust gas does not circulate through the waste heat recovery unit 22, the temperature of the cooling water flowing through the waste heat recovery unit 22 does not rise.

この第2の所定値とは、冷却水の流通に影響を与えない温度、例えば冷却水が沸騰する温度よりも所定の余裕分を持った温度とする。冷却水が沸騰すると気泡が発生し、流れ出した気泡が熱交換量(冷却水によるエンジンを冷却する作用)を低下させるだけでなく、気泡が冷却水通路断面全体に亘るほどまで成長すると、冷却水の流れが止まってしまう恐れがある。   The second predetermined value is a temperature that does not affect the flow of the cooling water, for example, a temperature having a predetermined margin than the temperature at which the cooling water boils. When the cooling water boils, bubbles are generated and the flowed out bubbles not only reduce the amount of heat exchange (the action of cooling the engine with the cooling water) but also grow to the extent that the bubbles cross the entire cross section of the cooling water passage. There is a risk that the flow will stop.

すなわち、本実施形態では、廃熱回収器22において、エンジン出口(廃熱回収器入口)冷却水温度に基づいて廃熱回収器22に流入する冷却水の流量を制御し、出口冷却水温度に基づいて排気ガスの流量を制限するので、沸騰が生じない範囲かつエンジン水温が許す限り、排ガスの熱を十分、確実に回収できると共に、エンジンに影響が発生する温度への上昇を速やかかつ確実に防止することができる。   That is, in this embodiment, in the waste heat recovery unit 22, the flow rate of the cooling water flowing into the waste heat recovery unit 22 is controlled based on the engine outlet (waste heat recovery unit inlet) cooling water temperature, and the outlet cooling water temperature is set. The exhaust gas flow rate is limited based on this, so that exhaust heat can be recovered sufficiently and reliably as long as the boiling temperature does not occur and the engine water temperature permits, and the temperature rise that affects the engine can be quickly and reliably performed. Can be prevented.

なお、サーモスタットバルブ7は、バイメタル等を用いた比較的簡易な感温弁でもよいし、温度センサ出力が入力されるコントローラによって制御される制御弁であってもよい。   The thermostat valve 7 may be a relatively simple temperature-sensitive valve using bimetal or the like, or a control valve controlled by a controller to which a temperature sensor output is input.

図11は、本実施形態の廃熱回収器22における冷却水温度及び流量を示す説明図である。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing the cooling water temperature and flow rate in the waste heat recovery unit 22 of the present embodiment.

この図11に示すグラフは、横軸の時間経過と共に、縦軸の冷却水温度が上昇している運転状態を示す。なお図中の点線は廃熱回収器22の入口の冷却水温度、すなわち、冷却水温度センサ74によって計測された温度を示す。また、図中の一点鎖線は、廃熱回収器22の出口の冷却水温度、すなわち、サーモスタット7aの動作に関わる温度である。   The graph shown in FIG. 11 shows an operating state in which the cooling water temperature on the vertical axis increases with the passage of time on the horizontal axis. In addition, the dotted line in a figure shows the cooling water temperature of the inlet_port | entrance of the waste heat recovery device 22, ie, the temperature measured by the cooling water temperature sensor 74. FIG. Moreover, the one-dot chain line in the figure is the cooling water temperature at the outlet of the waste heat recovery unit 22, that is, the temperature related to the operation of the thermostat 7a.

エンジン2が定常運転のときは、エンジン2からの冷却水の温度は、一般的に80℃〜90℃付近である。ここで、エンジン2の回転速度が上昇するなど、エンジン2の負荷が過渡的に上昇した場合を説明する。   When the engine 2 is in steady operation, the temperature of the cooling water from the engine 2 is generally around 80 ° C to 90 ° C. Here, a case where the load of the engine 2 rises transiently, such as when the rotational speed of the engine 2 rises, will be described.

エンジン2の負荷が上昇したときは、まず、排気ガスの温度が上昇し、遅れてエンジン水温が上昇する。   When the load on the engine 2 rises, first, the temperature of the exhaust gas rises, and the engine water temperature rises with a delay.

このとき、廃熱回収器22の入口の冷却水温度、すなわち、エンジン2から排出される冷却水の温度が、徐々に上昇する。   At this time, the temperature of the cooling water at the inlet of the waste heat recovery unit 22, that is, the temperature of the cooling water discharged from the engine 2 gradually increases.

ここで、廃熱回収器22の入口の冷却水温度が、第1の制限温度(エンジンがオーバーヒートしない温度の上限、例えば110℃)よりも余裕分αを持たせた第1の所定温度(例えば105℃)以上となった場合(時間ts1)は、エンジンコントローラ71は、制御弁26の開度を制御して、廃熱回収器22への冷却水流量を減少させる。廃熱回収器22を通過する冷却水の流量が減少することによって、廃熱回収器22における熱交換を少なくして、エンジン水温(エンジン内部の冷却水温度)が過剰に上昇しないように制御する。   Here, the cooling water temperature at the inlet of the waste heat recovery unit 22 has a first predetermined temperature (for example, a margin α more than the first limit temperature (the upper limit of the temperature at which the engine does not overheat, for example, 110 ° C.)). 105 ° C.) or higher (time ts1), the engine controller 71 controls the opening degree of the control valve 26 to reduce the coolant flow rate to the waste heat recovery unit 22. By reducing the flow rate of the cooling water passing through the waste heat recovery unit 22, heat exchange in the waste heat recovery unit 22 is reduced, and control is performed so that the engine water temperature (cooling water temperature inside the engine) does not rise excessively. .

また一方で、廃熱回収器22の出口の冷却水温度が、第2の制限温度(冷却水が配管内で沸騰しない温度の上限、例えば120℃)よりも余裕分βを持たせた第2の所定温度(例えば115℃)以上となった場合(時間ts2)は、サーモスタット7aの伸張によりサーモスタットバルブ7の開度を全開から全閉へと制御して、バイパス排気管6に排気ガスを流通させ、廃熱回収器22への排気ガスの流通を制限する。廃熱回収器22を通過する排気ガスの流量が減少することによって、廃熱回収器22における熱交換を少なくして、廃熱回収器22における冷却水温度が過剰に上昇しないように制御する。   On the other hand, the cooling water temperature at the outlet of the waste heat recovery unit 22 has a margin β more than the second limit temperature (the upper limit of the temperature at which the cooling water does not boil in the pipe, for example, 120 ° C.). When the temperature exceeds a predetermined temperature (for example, 115 ° C.) (time ts2), the opening of the thermostat valve 7 is controlled from fully open to fully closed by the expansion of the thermostat 7a, and the exhaust gas flows through the bypass exhaust pipe 6. And restricting the flow of exhaust gas to the waste heat recovery unit 22. By reducing the flow rate of the exhaust gas passing through the waste heat recovery unit 22, heat exchange in the waste heat recovery unit 22 is reduced, and control is performed so that the cooling water temperature in the waste heat recovery unit 22 does not increase excessively.

以上のように本発明の実施形態では、排気管5に設けられた廃熱回収器22への冷却水の流通を、エンジン2の出口(廃熱回収器22の入口)の冷却水温度に基づいて制御するとともに、廃熱回収器22への排気ガスの流通を、廃熱回収器22の出口の冷却水温度に基づいて制御した。   As described above, in the embodiment of the present invention, the circulation of the cooling water to the waste heat recovery unit 22 provided in the exhaust pipe 5 is based on the cooling water temperature at the outlet of the engine 2 (inlet of the waste heat recovery unit 22). The flow of exhaust gas to the waste heat recovery unit 22 was controlled based on the coolant temperature at the outlet of the waste heat recovery unit 22.

廃熱回収効率を向上させるために、廃熱回収器22の出口の冷却水温度を、エンジン水温の許容温度を超えるほど高めようとしたときに、サーモスタットバルブ7による排気ガスから冷却水への熱交換量の調節は比較的大きな遅れを伴うため、サーモスタットバルブ7を単独で調節したのではエンジン水温が許容温度を超えないように制御するのが難しい。しかし、制御弁26をエンジン水温に基づいて制御するので、冷却水温度が上昇した場合には、廃熱回収器22を流れる冷却水の流量を制限して熱回収量を速やかに低減して、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぐことができる。   In order to improve the waste heat recovery efficiency, when the temperature of the cooling water at the outlet of the waste heat recovery unit 22 is increased to exceed the allowable temperature of the engine water, the heat from the exhaust gas to the cooling water by the thermostat valve 7 Since the adjustment of the exchange amount is accompanied by a relatively large delay, it is difficult to control the engine water temperature so as not to exceed the allowable temperature if the thermostat valve 7 is adjusted alone. However, since the control valve 26 is controlled based on the engine water temperature, when the cooling water temperature rises, the flow rate of the cooling water flowing through the waste heat recovery unit 22 is limited to quickly reduce the heat recovery amount, It is possible to reliably prevent the engine water temperature from exceeding the allowable temperature.

また、エンジン水温が許容温度までに余裕がある状態であれば、サーモスタットバルブ7による調節によって、廃熱回収器22を出る冷却水温度が沸騰しない範囲(例えば110〜115℃)で廃熱回収が行えるので、廃熱回収量を増加させることができる。   Further, if the engine water temperature is in a state where there is an allowance to the allowable temperature, the waste heat recovery is performed in a range where the temperature of the cooling water exiting the waste heat recovery device 22 does not boil (for example, 110 to 115 ° C.) by adjusting with the thermostat valve 7. Since this can be done, the amount of waste heat recovered can be increased.

なお、制御弁26を閉じ側に制御して、廃熱回収器22を通過する冷却水流量を最も減少させる場合においても、廃熱回収器を通過する冷却水流量は完全にゼロとはならないように構成されている。サーモスタットバルブ7によって、廃熱回収器22への排気ガスの流通が停止させられている場合であっても、バイパス排気管6を流れる排気ガスから廃熱回収器22内の冷却水に熱が伝わって、冷却水の温度は徐々に上昇する。所定の冷却水流量を確保しておけば、仮にバイパス排気管6を流れる排気ガスから廃熱回収器22内の冷却水に熱が伝わっても、廃熱回収器22内の冷却水が徐々に置換されて、廃熱回収器22内の冷却水温度が過剰に高くなってしまうことが防止できる。   Even when the control valve 26 is controlled to the closed side to reduce the flow rate of the cooling water passing through the waste heat recovery unit 22 to the minimum, the flow rate of the cooling water passing through the waste heat recovery unit does not become completely zero. It is configured. Even when the circulation of the exhaust gas to the waste heat recovery unit 22 is stopped by the thermostat valve 7, heat is transferred from the exhaust gas flowing through the bypass exhaust pipe 6 to the cooling water in the waste heat recovery unit 22. Thus, the temperature of the cooling water gradually increases. If a predetermined cooling water flow rate is secured, even if heat is transferred from the exhaust gas flowing through the bypass exhaust pipe 6 to the cooling water in the waste heat recovery unit 22, the cooling water in the waste heat recovery unit 22 gradually increases. It is possible to prevent the cooling water temperature in the waste heat recovery unit 22 from becoming excessively high due to the replacement.

また、第1の所定温度における余裕分α及び第2の所定温度における余裕分βは、制御弁26及びサーモスタットバルブ7の応答性に応じて適宜決めうる値であり、例えば数〜10℃程度に設定する。   Further, the margin α at the first predetermined temperature and the margin β at the second predetermined temperature are values that can be appropriately determined according to the responsiveness of the control valve 26 and the thermostat valve 7, for example, about several to 10 ° C. Set.

以上説明した本発明の実施形態では、ハイブリッド車両を例に説明したが、これに限られるものでない。エンジン2のみを搭載した車両にも本発明の適用がある。エンジン2は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれでもかまわない。   In the embodiment of the present invention described above, the hybrid vehicle has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The present invention is also applicable to a vehicle equipped with only the engine 2. The engine 2 may be a gasoline engine or a diesel engine.

1 ハイブリッド車両
2 エンジン
2a クランクプーリ
12 ラジエータファン
30 複合サイクル
31 ランキンサイクル
32 冷媒ポンプ
33 ポンププーリ
34 ベルト
35 膨張機クラッチ
36 熱交換器
37 膨張機
51 冷凍サイクル
52 コンプレッサ
54 コンプレッサクラッチ
55 エバポレータ
71 エンジンコントローラ
92 エジェクタ
98 流量制御弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hybrid vehicle 2 Engine 2a Crank pulley 12 Radiator fan 30 Combined cycle 31 Rankine cycle 32 Refrigerant pump 33 Pump pulley 34 Belt 35 Expander clutch 36 Heat exchanger 37 Expander 51 Refrigeration cycle 52 Compressor 54 Compressor clutch 55 Evaporator 71 Engine controller 92 Ejector 98 Flow control valve

Claims (5)

エンジンの排気ガスの熱を前記エンジンから排出される冷却水に回収する廃熱回収器と、
前記冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、前記熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、前記膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記膨張機により回生された動力によって駆動されると共に前記凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルを備える車両に用いられる廃熱回収装置において、
前記エンジンから排出される前記冷却水の温度に基づいて前記廃熱回収器への冷却水の流量を制限する冷却水流量制限手段と、
前記廃熱回収器から排出される前記冷却水の温度に基づいて前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制限手段と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
A waste heat recovery unit that recovers heat of the exhaust gas of the engine into cooling water discharged from the engine;
A heat exchanger that recovers heat of the cooling water into a refrigerant; an expander that generates power using the refrigerant that has exited the heat exchanger; a condenser that condenses the refrigerant that has exited the expander; and the expansion In a waste heat recovery apparatus used in a vehicle including a Rankine cycle, which is driven by power regenerated by a machine and supplies a refrigerant pump from the condenser to the heat exchanger.
Cooling water flow rate limiting means for limiting the flow rate of cooling water to the waste heat recovery unit based on the temperature of the cooling water discharged from the engine;
Exhaust gas flow rate limiting means for limiting the flow rate of exhaust gas flowing into the waste heat recovery device based on the temperature of the cooling water discharged from the waste heat recovery device;
A waste heat recovery apparatus comprising:
前記冷却水流量制限手段は、前記エンジンから排出される前記冷却水の温度を検出する温度検出部と、前記冷却水の流量を制御する制御弁と、前記温度検出部の温度に基づいて前記制御弁の開度を制御するコントローラと、を備え、
前記排気ガス流量制限手段は、前記廃熱回収器から排出される前記冷却水の温度に基づいて伸縮するサーモスタットと、前記サーモスタットの伸縮量に応じて前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制御するバルブと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の廃熱回収装置。
The cooling water flow rate limiting means is configured to control the temperature detection unit based on the temperature of the temperature detection unit that detects the temperature of the cooling water discharged from the engine, a control valve that controls the flow rate of the cooling water, A controller for controlling the opening of the valve,
The exhaust gas flow restriction means includes a thermostat that expands and contracts based on the temperature of the cooling water discharged from the waste heat recovery unit, and a flow rate of exhaust gas that flows into the waste heat recovery unit according to the expansion and contraction amount of the thermostat. The waste heat recovery apparatus according to claim 1, further comprising: a valve that controls
前記冷却水流量制御手段は、前記冷却水の温度が第1の温度以上となった場合に、前記廃熱回収器への冷却水の流量を制限し、
前記排気ガス流量制御手段は、前記冷却水の温度が第2の温度以上となった場合に、前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限し、
前記第2の温度は,先記第1の温度よりも高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の廃熱回収装置。
The cooling water flow rate control means limits the flow rate of the cooling water to the waste heat recovery device when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the first temperature,
The exhaust gas flow rate control means restricts the flow rate of the exhaust gas flowing into the waste heat recovery unit when the temperature of the cooling water is equal to or higher than a second temperature;
The waste heat recovery apparatus according to claim 1 or 2, wherein the second temperature is higher than the first temperature.
前記冷却水流量制限手段は、廃熱回収器を流れる冷却水流量を最も少なくする場合でも、廃熱回収器を流れる冷却水流量がゼロとならないように構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の廃熱回収装置。   The cooling water flow rate limiting means is configured so that the flow rate of cooling water flowing through the waste heat recovery device does not become zero even when the flow rate of cooling water flowing through the waste heat recovery device is minimized. The waste heat recovery apparatus according to any one of claims 1 to 3. 前記排気ガス流量制御手段が、前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量をゼロとするよう設定される場合において、前記冷却水流量制限手段は、前記冷却水の温度が第2の温度を上回らないように、前記廃熱回収器を流れる冷却水の流量を確保することを特徴とする請求項4に記載の廃熱回収装置。   In the case where the exhaust gas flow rate control unit is set so that the flow rate of the exhaust gas flowing into the waste heat recovery unit is zero, the cooling water flow rate limiting unit is configured such that the temperature of the cooling water has a second temperature. The waste heat recovery apparatus according to claim 4, wherein a flow rate of the cooling water flowing through the waste heat recovery unit is ensured so as not to exceed.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014234801A (en) * 2013-06-05 2014-12-15 日産自動車株式会社 Engine waste heat utilization device
US10087809B2 (en) 2016-03-15 2018-10-02 Hyundai Motor Company System and method for preventing failure of exhaust heat recovery device
CN114934856A (en) * 2022-06-02 2022-08-23 江苏科技大学 Marine ejector waste heat recovery system

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