JP2013076397A - Waste heat utilization device - Google Patents
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Abstract
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及び特許文献2に従来の廃熱利用装置が開示されている。特許文献1の廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、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、エンジンに対して吸気系流体としての加圧空気を供給するターボチャージャとを有している。ランキンサイクルは、ポンプと、冷却液ボイラと、加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、ポンプから冷却液ボイラ、加圧空気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。冷却液ボイラは、エンジンの冷却液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。加圧空気ボイラは、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。
Patent Document 1 and
また、特許文献2の廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、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、内燃機関としてのエンジンと、エンジンで生じた排気の一部を吸気系流体としての還流排気としてエンジンに還流させる排気還流路とを有している。ランキンサイクルは、ポンプと還流排気ボイラと膨張機と凝縮器と配管とを有している。還流排気ボイラは、還流排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する。配管は、ポンプ、還流排気ボイラ、膨張機及び凝縮器の順で作動流体を循環させる。
Moreover, the waste heat utilization apparatus of
これらのような廃熱利用装置では、冷却液ボイラ及び加圧空気ボイラによって作動流体を加熱可能であり、また、還流排気ボイラによって作動流体を加熱することが可能である。このため、これらの廃熱利用装置では、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。このため、これら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大きくなり、廃熱利用装置が高性能となる。 In these waste heat utilization devices, the working fluid can be heated by a coolant boiler and a pressurized air boiler, and the working fluid can be heated by a reflux exhaust boiler. For this reason, in these waste heat utilization apparatuses, it is possible to increase the pressure energy generated by the expansion and decompression of the working fluid. For this reason, in these waste heat utilization apparatuses, the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle increases, and the waste heat utilization apparatuses have high performance.
しかし、上記の各廃熱利用装置では、ランキンサイクルのポンプと膨張機とが動力伝達不能であるため、構造が複雑化している。このため、ポンプと膨張機とを同軸等にして動力伝達可能にするとともに、エンジンのような内燃機関とプーリ及びベルト等によってポンプを接続することが考えられる。この場合、ポンプと膨張機とを一体化することが可能である。また、内燃機関によってポンプを駆動できることから、ポンプを駆動するための駆動装置を設ける必要がない。このため、廃熱利用装置の構造が簡素化する。 However, in each of the above waste heat utilization devices, the structure is complicated because the Rankine cycle pump and the expander cannot transmit power. For this reason, it is conceivable that the pump and the expander are coaxially connected to enable power transmission and the pump is connected by an internal combustion engine such as an engine and a pulley, a belt, and the like. In this case, the pump and the expander can be integrated. Further, since the pump can be driven by the internal combustion engine, it is not necessary to provide a drive device for driving the pump. For this reason, the structure of the waste heat utilization apparatus is simplified.
また、上記の加圧空気や還流排気のような吸気系流体は、エンジン等の内燃機関に対して冷却されつつ吸気されることが求められる。冷却によって吸気系流体の密度を大きくし、その状態で内燃機関に吸気させることで、内燃機関では出力等が向上し、その性能が向上するためである。 In addition, intake system fluids such as the above-described pressurized air and recirculation exhaust are required to be taken in while being cooled by an internal combustion engine such as an engine. This is because by increasing the density of the intake system fluid by cooling and allowing the internal combustion engine to inhale in that state, the output and the like of the internal combustion engine are improved and its performance is improved.
このため、上記の各廃熱利用装置のランキンサイクルにおいて、ポンプを経た作動流体がそのまま加圧空気ボイラや還流排気ボイラに流入するようにすれば、吸気系流体(加圧空気及び還流排気)の熱を作動流体に移動させて吸気系流体の温度を効果的に下げることができる。これにより、吸気系流体の密度を大きくした状態で内燃機関に吸気させることが可能となり、内燃機関の性能をより向上させることが可能となる。 Therefore, in the Rankine cycle of each waste heat utilization device described above, if the working fluid that has passed through the pump flows directly into the pressurized air boiler or the reflux exhaust boiler, the intake system fluid (pressurized air and reflux exhaust) Heat can be transferred to the working fluid to effectively reduce the temperature of the intake system fluid. As a result, the internal combustion engine can be inhaled with the density of the intake fluid increased, and the performance of the internal combustion engine can be further improved.
しかしながら、その場合、吸気系流体に対する温度効率(作動流体の流量)が内燃機関の運転状態(回転数)に依存することとなる。そのため、場合によっては、吸気系流体に対する温度効率が低く、内燃機関の出力等が不十分となる事態も生じてしまう。 However, in that case, the temperature efficiency (the flow rate of the working fluid) for the intake system fluid depends on the operating state (the number of revolutions) of the internal combustion engine. Therefore, in some cases, the temperature efficiency with respect to the intake system fluid is low, and a situation may occur in which the output of the internal combustion engine is insufficient.
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、廃熱利用装置の構造を簡素化しつつ、必要に応じ、吸気系流体に対する温度効率の向上と内燃機関の性能向上とを実現可能な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, while simplifying the structure of the waste heat utilization device, improves the temperature efficiency for the intake system fluid and improves the performance of the internal combustion engine as necessary. Providing a possible waste heat utilization device is a problem to be solved.
本発明の廃熱利用装置は、内燃機関を有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
該ランキンサイクルは、ポンプと、ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプから該ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ボイラでは、前記内燃機関に対して冷却されつつ吸気される吸気系流体と、前記作動流体との熱交換が可能であり、
前記ポンプと前記膨張機とは動力伝達可能に接続され、
該ポンプはクラッチを介して前記内燃機関によって駆動可能に接続され、
該吸気系流体に対する冷却要求量を判断する判断手段と、
該判断手段が判断した該冷却要求量が第1閾値を超えた場合に、該クラッチによる接続を断つ制御手段とを備えていることを特徴とする(請求項1)。
The waste heat utilization apparatus of the present invention is used in a drive system having an internal combustion engine, and includes a Rankine cycle for circulating a working fluid.
The Rankine cycle is a waste heat utilization apparatus having a pump, a boiler, an expander, a condenser, and a pipe for circulating the working fluid from the pump to the condenser through the boiler and the expander.
In the boiler, heat exchange between the working fluid and the intake system fluid that is sucked while being cooled with respect to the internal combustion engine is possible,
The pump and the expander are connected to transmit power,
The pump is connected to be driven by the internal combustion engine via a clutch,
A judging means for judging a required cooling amount for the intake system fluid;
And a control unit that disconnects the clutch when the requested cooling amount determined by the determining unit exceeds a first threshold value (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、作動流体を循環させる。駆動系は内燃機関を有している。一方、ランキンサイクルは、ポンプと、ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有している。ボイラでは吸気系流体と作動流体との熱交換が可能であり、作動流体の加熱と吸気系流体の冷却を行うことが可能となる。ここで、吸気系流体とは、上記のように、内燃機関に対して冷却されつつ吸気されることが求められる流体を指す。 The waste heat utilization apparatus of the present invention includes a Rankine cycle. This Rankine cycle is used for a drive system, and circulates a working fluid. The drive system has an internal combustion engine. On the other hand, the Rankine cycle has a pump, a boiler, an expander, a condenser, and piping. In the boiler, heat exchange between the intake fluid and the working fluid is possible, and the working fluid can be heated and the intake fluid can be cooled. Here, the intake system fluid refers to a fluid that is required to be sucked while being cooled with respect to the internal combustion engine as described above.
つまり、この廃熱利用装置では、吸気系流体の熱がランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーとなる一方、ボイラが吸気系流体の冷却装置として機能することで、吸気系流体の温度を効果的に下げることができる。このため、この廃熱利用装置では、吸気系流体の密度を大きくした状態で内燃機関に吸気させることが可能となる。このため、この廃熱利用装置では内燃機関の性能を高くすることが可能となる。 In other words, in this waste heat utilization device, the heat of the intake system fluid becomes energy that can be recovered in the Rankine cycle, while the boiler functions as a cooling device for the intake system fluid, thereby effectively reducing the temperature of the intake system fluid. be able to. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to cause the internal combustion engine to intake air with the density of the intake system fluid increased. For this reason, this waste heat utilization apparatus can improve the performance of the internal combustion engine.
また、この廃熱利用装置は、ポンプと膨張機とが動力伝達可能に接続されているため、ポンプと膨張機とを一体化することが可能である。また、ポンプがクラッチを介して内燃機関によって駆動可能に接続されているため、ポンプを駆動するための駆動装置を設ける必要がない。このため、廃熱利用装置の構造が簡素化している。 Further, in this waste heat utilization device, the pump and the expander are connected so as to be able to transmit power, so that the pump and the expander can be integrated. Further, since the pump is connected to be driven by the internal combustion engine via the clutch, it is not necessary to provide a drive device for driving the pump. For this reason, the structure of the waste heat utilization apparatus is simplified.
そして、この廃熱利用装置では、クラッチによって内燃機関とポンプとが接続しておれば、吸気系流体に対する温度効率が作動流体の流量、すなわち内燃機関の運転状態(回転数)に依存することとなる。このため、この廃熱利用装置は判断手段と制御手段を備え、判断手段が判断した吸気系流体に対する冷却要求量を基に制御手段によってクラッチによる接続を断つことができるようにしている。 In this waste heat utilization device, if the internal combustion engine and the pump are connected by a clutch, the temperature efficiency with respect to the intake system fluid depends on the flow rate of the working fluid, that is, the operating state (rotation speed) of the internal combustion engine. Become. For this reason, this waste heat utilization apparatus is provided with a judgment means and a control means so that the connection by the clutch can be disconnected by the control means based on the required cooling amount for the intake system fluid judged by the judgment means.
具体的には、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値以下であると判断手段が判断した場合には、クラッチがON状態とされ、クラッチによる内燃機関とポンプとの接続が行われている。この場合、通常運転状態であるため、ポンプは内燃機関又は膨張機によって駆動され、ポンプを経た作動流体がそのままボイラに流入し、ボイラでは吸気系流体の熱を作動流体に移動させることで吸気系流体の温度を下げることができる。これにより、内燃機関に対し、密度が高い状態で吸気系流体を吸気させることが可能となり、内燃機関の出力等を向上させることが可能となる。また、この際、膨張機はランキンサイクルで膨張仕事をすることにより、膨張機で生じたエネルギーを内燃機関に返還(回生)することができる。なお、膨張機は、生じさせたエネルギーをそのまま動力として内燃機関に回生する他、生じさせたエネルギーを電力等に変換した上で内燃機関に回生することもできる。 Specifically, when the determination means determines that the required cooling amount for the intake system fluid is equal to or less than the first threshold, the clutch is turned on and the internal combustion engine and the pump are connected by the clutch. . In this case, since the pump is in a normal operation state, the pump is driven by an internal combustion engine or an expander, the working fluid that has passed through the pump flows into the boiler as it is, and in the boiler, the heat of the intake system fluid is transferred to the working fluid, so that the intake system The temperature of the fluid can be lowered. As a result, the intake system fluid can be sucked into the internal combustion engine in a high density state, and the output of the internal combustion engine can be improved. At this time, the expander can return (regenerate) energy generated by the expander to the internal combustion engine by performing expansion work in the Rankine cycle. The expander can regenerate the internal combustion engine using the generated energy as power as it is, or convert the generated energy into electric power or the like.
一方、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断手段が判断した場合には、ボイラにおける熱交換、すなわち、吸気系流体の冷却が優先され、クラッチはOFF状態とされる。これにより、クラッチによる内燃機関とポンプとの接続が断たれる。この場合、膨張機の駆動負荷がポンプのみとなるため、ランキンサイクルでは、膨張機及びポンプの回転数が増大し、配管内を循環する作動流体の速度が加速される。このため、ボイラに流入する作動流体の流量が多くなる。これにより、ボイラにおいて、吸気系流体の温度をより下げることができ、吸気系流体に対する冷却要求量を満たすことが可能となる。また、この場合には、内燃機関に対してより高い密度の吸気系流体を吸気させることが可能となる。このため、この状態の廃熱利用装置では内燃機関の性能をより高くすることが可能となる。なお、作動流体の加速は、膨張機の動力とポンプの消費動力とが釣り合うところで止まることとなる。 On the other hand, when the determination means determines that the required cooling amount for the intake fluid exceeds the first threshold, heat exchange in the boiler, that is, cooling of the intake fluid is prioritized, and the clutch is turned off. Thereby, the connection between the internal combustion engine and the pump by the clutch is disconnected. In this case, since the drive load of the expander is only the pump, in the Rankine cycle, the rotation speeds of the expander and the pump are increased, and the speed of the working fluid circulating in the piping is accelerated. For this reason, the flow volume of the working fluid which flows into a boiler increases. Thereby, in the boiler, the temperature of the intake system fluid can be further lowered, and the required cooling amount for the intake system fluid can be satisfied. In this case, the intake system fluid having a higher density can be sucked into the internal combustion engine. For this reason, in the waste heat utilization apparatus in this state, the performance of the internal combustion engine can be further enhanced. The acceleration of the working fluid stops when the power of the expander and the power consumption of the pump are balanced.
したがって、本発明の廃熱利用装置は、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、吸気系流体に対する温度効率の向上と内燃機関の性能向上とを実現可能である。 Therefore, the waste heat utilization apparatus of the present invention can realize the improvement of the temperature efficiency with respect to the intake system fluid and the improvement of the performance of the internal combustion engine as required while simplifying the structure.
本発明の廃熱利用装置におけるランキンサイクルでは、吸気系流体と作動流体との熱交換が可能な上記のボイラの他に、例えば、内燃機関の廃熱と作動流体とで熱交換が可能な冷却液ボイラや内燃機関に対する潤滑油と作動流体とで熱交換が可能なオイルボイラ等を有していても良い。この場合、複数のボイラによって作動流体を加熱することが可能となり、廃熱利用装置がより高性能となる。但し、クラッチをOFF状態としている間は、冷却液ボイラ等をバイパスさせることで、ポンプを経た作動流体がそのまま吸気系流体と熱交換を行うボイラに流入させることが好ましい。 In the Rankine cycle in the waste heat utilization apparatus of the present invention, in addition to the above-described boiler capable of heat exchange between the intake system fluid and the working fluid, for example, cooling capable of heat exchange between the waste heat of the internal combustion engine and the working fluid. You may have the oil boiler etc. which can exchange heat with the lubricating oil and working fluid with respect to a liquid boiler or an internal combustion engine. In this case, the working fluid can be heated by a plurality of boilers, and the waste heat utilization device has higher performance. However, while the clutch is in the OFF state, it is preferable to bypass the coolant boiler or the like so that the working fluid that has passed through the pump flows directly into the boiler that exchanges heat with the intake system fluid.
本発明の廃熱利用装置において、判断手段は、吸気系流体に対する冷却要求量について、種々の手段によって判断することが可能である。例えば、本発明の廃熱利用装置は、内燃機関に対する出力要求を検出可能な出力要求検出手段を備え得る。そして、判断手段は、出力要求検出手段が検出した検出値に基づき、吸気系流体に対する冷却要求量を判断することが好ましい(請求項2)。 In the waste heat utilization apparatus of the present invention, the determination means can determine the required cooling amount for the intake system fluid by various means. For example, the waste heat utilization apparatus of the present invention can include an output request detection means capable of detecting an output request to the internal combustion engine. The determining means preferably determines the required cooling amount for the intake fluid based on the detection value detected by the output request detecting means.
また、本発明の廃熱利用装置は、ボイラから流出する吸気系流体の温度を検出可能な第1温度検出手段を備え得る。そして、判断手段は、第1温度検出手段が検出した検出値に基づき、吸気系流体に対する冷却要求量を判断することも好ましい(請求項3)。 Moreover, the waste heat utilization apparatus of this invention can be equipped with the 1st temperature detection means which can detect the temperature of the intake system fluid which flows out out of a boiler. The determining means preferably determines the required cooling amount for the intake system fluid based on the detected value detected by the first temperature detecting means.
また、本発明の廃熱利用装置は、ボイラに流入する作動流体の温度を検出可能な第2温度検出手段を備え得る。そして、判断手段は、第2温度検出手段が検出した検出値に基づき、吸気系流体に対する冷却要求量を判断することも好ましい(請求項4)。 Moreover, the waste heat utilization apparatus of this invention can be equipped with the 2nd temperature detection means which can detect the temperature of the working fluid which flows in into a boiler. The determining means preferably determines the required cooling amount for the intake system fluid based on the detected value detected by the second temperature detecting means.
また、本発明の廃熱利用装置は、ポンプに流入する作動流体の温度を検出可能な第3温度検出手段を備え得る。そして、判断手段は、第3温度検出手段が検出した検出値に基づき、吸気系流体に対する冷却要求量を判断することも好ましい(請求項5)。 Moreover, the waste heat utilization apparatus of this invention can be equipped with the 3rd temperature detection means which can detect the temperature of the working fluid which flows in into a pump. The determining means preferably determines the required cooling amount for the intake system fluid based on the detected value detected by the third temperature detecting means.
また、本発明の廃熱利用装置は、ボイラに流入する吸気系流体の温度を検出可能な第4温度検出手段を備え得る。そして、記判断手段は、第4温度検出手段が検出した検出値に基づき、吸気系流体に対する冷却要求量を判断することも好ましい(請求項6)。 Moreover, the waste heat utilization apparatus of this invention can be equipped with the 4th temperature detection means which can detect the temperature of the intake system fluid which flows in into a boiler. The determination means preferably determines the required cooling amount for the intake system fluid based on the detection value detected by the fourth temperature detection means.
また、本発明の廃熱利用装置は、膨張機の下流からポンプの上流までの作動流体の圧力を検出可能な圧力検出手段を備え得る。そして、判断手段は、圧力検出手段が検出した検出値に基づき、吸気系流体に対する冷却要求量を判断することも好ましい(請求項7)。 Moreover, the waste heat utilization apparatus of this invention can be equipped with the pressure detection means which can detect the pressure of the working fluid from the downstream of an expander to the upstream of a pump. The determining means preferably determines the required cooling amount for the intake system fluid based on the detected value detected by the pressure detecting means.
これらのように、内燃機関に対する出力要求の他、ボイラから流出又はボイラに流入する吸気系流体の温度、ボイラ又はポンプに流入する作動流体の温度、膨張機の下流からポンプの上流までの作動流体の圧力(凝縮圧力)に基づくことで、判断手段は吸気系流体に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となる。このため、これらの廃熱利用装置では、吸気系流体に対する温度効率の向上と内燃機関の性能向上とをより好適に実現可能となる。 As described above, in addition to the output request to the internal combustion engine, the temperature of the intake system fluid flowing out from the boiler or flowing into the boiler, the temperature of the working fluid flowing into the boiler or the pump, the working fluid from the downstream of the expander to the upstream of the pump Based on this pressure (condensation pressure), the determination means can accurately determine the required cooling amount for the intake system fluid. For this reason, in these waste heat utilization apparatuses, it becomes possible to more suitably realize improvement in temperature efficiency for the intake system fluid and improvement in performance of the internal combustion engine.
本発明の廃熱利用装置では、ポンプと膨張機とを動力伝達可能に接続するため、例えば、ポンプと膨張機とを同軸の駆動軸で接続するように一体にしても良く、また、ポンプと膨張機とを歯車機構等で接続しつつ一体化しても良い。なお、内燃機関との接続が断たれた際、膨張機の動力の他に電力等によってポンプを作動させても良い。 In the waste heat utilization apparatus of the present invention, the pump and the expander are connected so as to be able to transmit power. For example, the pump and the expander may be integrated so as to be connected by a coaxial drive shaft. The expander may be integrated with a gear mechanism or the like. When the connection with the internal combustion engine is disconnected, the pump may be operated by electric power or the like in addition to the power of the expander.
ところで、クラッチを介したポンプと内燃機関との断接について、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたか否かのみで判断した場合、膨張機で生じたエネルギーの内燃機関に対する回生を行う機会が低下し、膨張機で生じたエネルギーの内燃機関に対する回生が不十分となる場合が生じ得る。このため、制御手段は、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたとの判断に加えて、内燃機関の回転数が第2閾値を下回る低速信号により、クラッチによる接続を断つことが好ましい(請求項8)。 By the way, if it is determined only whether or not the required cooling amount for the intake system fluid exceeds the first threshold for the connection / disconnection between the pump and the internal combustion engine via the clutch, the regeneration of the energy generated in the expander to the internal combustion engine is reduced. Opportunities to perform may be reduced, and regeneration of energy generated in the expander with respect to the internal combustion engine may be insufficient. For this reason, in addition to determining that the required cooling amount for the intake fluid exceeds the first threshold, the control means preferably disconnects the clutch by a low-speed signal in which the rotation speed of the internal combustion engine falls below the second threshold. (Claim 8).
この場合、この廃熱利用装置では、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断手段が判断し、かつ、低速信号がある場合にクラッチがOFF状態とされ、クラッチによる内燃機関とポンプとの接続が断たれることになる。一方、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値以下であると判断手段が判断した場合だけでなく、上記のように吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断手段が判断した場合であっても、低速信号がない場合には、クラッチはON状態とされており、クラッチによる内燃機関とポンプとの接続が行われることになる。 In this case, in this waste heat utilization apparatus, the determination means determines that the required cooling amount for the intake system fluid has exceeded the first threshold value, and when there is a low speed signal, the clutch is turned off. The connection with the pump will be broken. On the other hand, not only when the determination unit determines that the required cooling amount for the intake system fluid is equal to or less than the first threshold value, but the determination unit determines that the required cooling amount for the intake system fluid exceeds the first threshold value as described above. Even in this case, when there is no low-speed signal, the clutch is in an ON state, and the internal combustion engine and the pump are connected by the clutch.
クラッチがONの場合、ランキンサイクルでは、ポンプの流量、すなわち、配管内を循環する作動流体の流量が内燃機関の回転数に依存するため、内燃機関の回転数が第2閾値を下回る場合、ランキンサイクルにおける作動流体の流量が減少し、ボイラにおける吸気系流体に対しする冷却能力が不足するおそれがある。しかし、このように、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断手段が判断し、かつ、内燃機関の回転数が第2閾値値を下回る場合には、クラッチによる内燃機関とポンプとの接続が断たれ、膨張機の駆動負荷がポンプのみとなる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおける作動流体の流量が増大し、ボイラにおける吸気系流体に対する冷却能力が増大されることとなる。 When the clutch is ON, in the Rankine cycle, the flow rate of the pump, that is, the flow rate of the working fluid circulating in the pipe depends on the rotation speed of the internal combustion engine. There is a possibility that the flow rate of the working fluid in the cycle decreases and the cooling capacity for the intake system fluid in the boiler is insufficient. However, when the determination means determines that the required cooling amount for the intake system fluid has exceeded the first threshold value and the rotational speed of the internal combustion engine is lower than the second threshold value, the internal combustion engine and pump by the clutch are as described above. Is disconnected, and the drive load of the expander is only the pump. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, the flow rate of the working fluid in the Rankine cycle increases, and the cooling capacity for the intake system fluid in the boiler increases.
一方、内燃機関の回転数が第2閾値値以上であれば、配管内を循環する作動流体の流量が内燃機関の回転数に依存したとしても、ランキンサイクルにおける作動流体の流量が多く、ボイラにおける吸気系流体に対する冷却能力は十分に確保されることとなる。つまり、クラッチがON状態であっても吸気系流体に対する第1閾値を超える冷却要求を満たすことが可能となる。このため、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値以下であると判断手段が判断した場合だけでなく、吸気系流体に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断手段が判断した場合であっても、低速信号がない場合には、クラッチをON状態としていることで、吸気系流体に対する冷却要求を満たしつつ、膨張機で生じたエネルギーの内燃機関に対する回生も行うことができる。 On the other hand, if the rotational speed of the internal combustion engine is greater than or equal to the second threshold value, the flow rate of the working fluid in the Rankine cycle is large even if the flow rate of the working fluid circulating in the pipe depends on the rotational speed of the internal combustion engine. The cooling capacity for the intake system fluid is sufficiently secured. In other words, even when the clutch is in the ON state, it is possible to satisfy the cooling request exceeding the first threshold value for the intake system fluid. For this reason, not only when the determination means determines that the required cooling amount for the intake system fluid is equal to or less than the first threshold value, but also when the determination means determines that the required cooling amount for the intake system fluid exceeds the first threshold value. However, when there is no low-speed signal, the clutch is in the ON state, so that it is possible to regenerate the energy generated in the expander for the internal combustion engine while satisfying the cooling requirement for the intake system fluid.
また、上記のように、ポンプ及び膨張機は動力伝達可能に接続されているため、内燃機関との接続が断たれた場合、膨張機で生じた動力がポンプを駆動することに消費されることとなる。そして、上記のように、配管内を循環する作動流体の循環速度は、膨張機の動力とポンプの消費動力とが釣り合うところまで加速されることとなる。このため、必要以上に加速された作動流体によって、膨張機が過剰に駆動されることが懸念される。 Further, as described above, since the pump and the expander are connected so as to be able to transmit power, when the connection with the internal combustion engine is disconnected, the power generated by the expander is consumed for driving the pump. It becomes. Then, as described above, the circulation speed of the working fluid circulating in the pipe is accelerated to a point where the power of the expander and the power consumption of the pump are balanced. For this reason, there is a concern that the expander is excessively driven by the working fluid accelerated more than necessary.
そこで、本発明の廃熱利用装置は、ボイラの下流で配管から分岐し、膨張機を迂回して配管に合流するバイパス路と、膨張機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を備え得る。そして、制御手段は、流量調整弁を制御することが好ましい(請求項9)。 Therefore, the waste heat utilization apparatus of the present invention branches from the piping downstream of the boiler, bypasses the bypass to bypass the expander, joins the piping, the flow rate of the working fluid flowing into the expander, and the operation flowing into the bypass And a flow rate adjusting valve capable of adjusting the flow rate of the fluid. And it is preferable that a control means controls a flow regulating valve (Claim 9).
この場合、作動流体が膨張機を迂回可能なバイパス路を循環することで、クラッチがOFF状態にある場合において、作動流体が膨張機を過剰に駆動することを防止でき、ポンプ及び膨張機の耐久性を維持することができる。 In this case, the working fluid circulates in a bypass path that can bypass the expander, so that it is possible to prevent the working fluid from excessively driving the expander when the clutch is in an OFF state. Sex can be maintained.
また、この廃熱利用装置では、制御手段が流量調整弁を制御することにより、膨張機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の割合を調整することが可能である。これにより、膨張機の動力とポンプの消費動力とが釣り合う際における、膨張機やポンプの回転数を減少させることができ、これらを保護できる。一方、バイパス路に流入する作動流体の流量よりも膨張機に流入する作動流体の流量を多くすることで、ポンプ及び膨張機の回転数を調整しつつ、ランキンサイクルによって回収可能なエネルギーをより大きくすることが可能となる。 Moreover, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to adjust the ratio between the flow rate of the working fluid flowing into the expander and the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage by the control means controlling the flow rate adjusting valve. is there. Thereby, the rotation speed of the expander and the pump when the power of the expander and the power consumption of the pump are balanced can be reduced, and these can be protected. On the other hand, by increasing the flow rate of the working fluid flowing into the expander than the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage, the energy that can be recovered by the Rankine cycle is increased while adjusting the rotation speed of the pump and the expander. It becomes possible to do.
さらに、本発明の廃熱利用装置において、膨張機は発電機を駆動可能であり得る。そして、制御手段は発電機の負荷を制御することが好ましい(請求項10)。この場合、ランキンサイクルでは、作動流体の膨張及び減圧によって生じる圧力エネルギーを電力として回収可能となり、ひいては、この電力を内燃機関に回生することが可能となる。また、発電機による負荷によってもポンプ及び膨張機の回転数を調整できるため、これらの保護が可能となる。 Furthermore, in the waste heat utilization apparatus of the present invention, the expander may be able to drive a generator. And it is preferable that a control means controls the load of a generator (Claim 10). In this case, in the Rankine cycle, the pressure energy generated by the expansion and decompression of the working fluid can be recovered as electric power, and this electric power can be regenerated to the internal combustion engine. Moreover, since the rotation speed of a pump and an expander can be adjusted also with the load by a generator, these can be protected.
本発明の廃熱利用装置おいて、駆動系が有する内燃機関としては、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。さらに、これらのエンジンは空冷式でも水冷式でも良い。 In the waste heat utilization apparatus of the present invention, various types of engines can be employed as the internal combustion engine of the drive system, in addition to gasoline engines, diesel engines, and the like. These engines may be hybrid engines combining motors. Furthermore, these engines may be air-cooled or water-cooled.
また、駆動系は、内燃機関に対して吸気系流体である加圧空気を供給する過給器を有し得る。そして、ボイラは、加圧空気と作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラであり得る(請求項11)。 Further, the drive system may include a supercharger that supplies pressurized air that is an intake system fluid to the internal combustion engine. The boiler may be a pressurized air boiler that exchanges heat between the pressurized air and the working fluid.
この場合、過給器によって内燃機関に加圧空気が供給されることで、内燃機関の出力が向上する。ここで、加圧空気は、冷却によりその密度が増大させつつ内燃機関に吸気されることが求められることから吸気系流体に該当する。この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラにおいて作動流体と熱交換を行うことで、加圧空気を冷却し、その密度を高くすることが可能となる。これにより、この廃熱利用装置では、内燃機関に対してより多くの加圧空気を供給可能となり、内燃機関の性能を高くすることが可能となる。この過給器としては、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、過給器は複数であっても良い。 In this case, the pressurized air is supplied to the internal combustion engine by the supercharger, thereby improving the output of the internal combustion engine. Here, since the compressed air is required to be sucked into the internal combustion engine while increasing its density by cooling, it corresponds to the intake system fluid. In this waste heat utilization device, it is possible to cool the pressurized air and increase its density by exchanging heat with the working fluid in the pressurized air boiler. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, more pressurized air can be supplied to the internal combustion engine, and the performance of the internal combustion engine can be improved. As this supercharger, a turbocharger, a supercharger, or the like can be employed. There may be a plurality of superchargers.
また、駆動系は、内燃機関で生じた排気の一部を吸気系流体である還流排気として内燃機関に還流させる排気還流路を有し得る。そして、ボイラは、還流排気と作動流体との間で熱交換を行う還流排気ボイラであり得る(請求項12)。 Further, the drive system may have an exhaust gas recirculation path that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine to the internal combustion engine as recirculated exhaust gas that is an intake system fluid. The boiler may be a recirculation exhaust boiler that performs heat exchange between the recirculation exhaust and the working fluid.
この場合、排気還流路により、排気の一部が内燃機関に吸気(還流)されることで、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も可能となる。ここで、還流排気も冷却によりその密度を増大させつつ内燃機関に還流されることが求められることから吸気系流体に該当する。そして、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラにおいて作動流体と熱交換を行うことで、還流排気を冷却し、その密度を高くすることが可能となる。これにより、この廃熱利用装置では、内燃機関に対して好適に還流排気を還流させることが可能となり、内燃機関の性能を高くすることが可能となる。 In this case, the exhaust gas recirculation path causes a part of the exhaust gas to be sucked (recirculated) into the internal combustion engine, thereby reducing the content of nitrogen oxides in the exhaust gas when it is finally released into the atmosphere. It becomes possible. Here, since the recirculated exhaust gas is required to be recirculated to the internal combustion engine while increasing its density by cooling, it corresponds to the intake system fluid. And in this waste heat utilization apparatus, it becomes possible to cool the recirculated exhaust gas and increase its density by exchanging heat with the working fluid in the recirculated exhaust boiler. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, it becomes possible to recirculate | reflux exhaust gas suitably with respect to an internal combustion engine, and it becomes possible to improve the performance of an internal combustion engine.
本発明の廃熱利用装置は、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、吸気系流体に対する温度効率の向上と内燃機関の性能向上とを実現可能である。 The waste heat utilization apparatus of the present invention can realize improvement in temperature efficiency with respect to the intake system fluid and improvement in performance of the internal combustion engine as required while simplifying the structure.
以下、本発明を具体化した実施例1〜6を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments 1 to 6 embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施例1)
実施例1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1a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3aと、電磁クラッチ39と、バイパス路33と、流量調整弁35と、制御装置11aとを備えている。
Example 1
The waste heat utilization apparatus of Example 1 is mounted on a vehicle and used in a
駆動系1a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、図示しないラジエータとを有している。エンジン5は、公知の水冷式ガソリンエンジンである。エンジン5の内部には冷却液としてのLLC(ロングライフクーラント)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と流入口と(いずれも図示を省略する。)が形成されている。
The
さらに、エンジン5には、排気を排出する排気口5aと、後述する加圧空気を吸入する吸気口5bとが形成されている。このエンジン5は制御装置11aと電気的に接続されており、制御装置11aに対し、エンジン5の回転数等を電気信号として送信可能となっている。具体的には、エンジン5の回転数が第2閾値を下回ることで、エンジン5は制御装置11aに対して低速信号を送信する。この廃熱利用装置では第2閾値として、1500rpmを設定している。
Further, the
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、吸気系流体としての加圧空気を供給する。
The
エンジン5とターボチャージャ7とは配管8〜10によって接続されている。また、配管9と配管10とには後述する加圧空気ボイラ23が接続されている。配管8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5aとターボチャージャ7とに接続されている。一方、配管9及び配管10は内部を加圧空気が流通可能となっている。配管9はターボチャージャ7と、加圧空気ボイラ23の第1流入口23aとに接続されている。配管10は加圧空気ボイラ23の第1流出口23bと、エンジン5の吸気口5bとに接続されている。
The
さらに、ターボチャージャ7には、配管12、13の各一端側が接続されている。配管12の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管13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12は、ターボチャージャ7を介して配管8と連通している。同様に、配管13は、ターボチャージャ7を介して配管9と連通している。
Further, the
また、エンジン5はクランクシャフト19を介して公知のプーリ21と接続されている。プーリ21は、一対のプーリドラム21a、21bと、プーリドラム21aとプーリドラム21bとを動力伝達可能に連結するプーリベルト21cとを有している。クランクシャフト19はプーリドラム21aに接続されており、エンジン5の動力によりプーリドラム21aを回転可能となっている。
The
ランキンサイクル3aは、ポンプP1と、加圧空気ボイラ23と、膨張機25と、凝縮器27と、配管28〜32とを有している。また、ランキンサイクル3aには、バイパス路33及び流量調整弁35が一体に組み付けられている。配管28〜32及びバイパス路33には、作動流体としてのHFC134aが流通可能となっている。
The
加圧空気ボイラ23には、第1流入口23a及び第1流出口23bと、第2流入口23c及び第2流出口23dとが形成されている。また、加圧空気ボイラ23内には、両端側でそれぞれ第1流入口23a及び第1流出口23bと連通する第1通路23eと、両端側でそれぞれ第2流入口23c及び第2流出口23dと連通する第2通路23fとが設けられている。この加圧空気ボイラ23では、第1通路23e内の加圧空気と、第2通路23f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。
The
膨張機25には、その内部に作動流体を流入させる流入口25aと、作動流体を流出させる流出口25bとが形成されている。膨張機25では、加圧空気ボイラ23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。また、この膨張機25とエンジン5とは図示しない動力伝達手段を介して動力伝達可能に接続されており、膨張機25において作動流体を膨張させることにより生じた回転駆動力をエンジン5に回生させる。
The
また、膨張機25には後述する駆動軸37が接続されている。さらに、膨張機25は制御装置11aと電気的に接続されている。これにより、膨張機25は制御装置11aに対し、膨張機25における回転数を電気信号として送信可能となっている。
Further, a
凝縮器27には、その内部に作動流体を流入させる流入口27aと、作動流体を流出させる流出口27bとが形成されている。凝縮器27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25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27の近傍には電動ファン27cが設けられている。この電動ファン27cは制御装置11aに電気的に接続されている。
The
バイパス路33は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に膨張機25を迂回させる。流量調整弁35は、作動流体を膨張機25に流入させる量と、作動流体をバイパス路33に流入させる量とを調整可能な切替弁である。この流量調整弁35は制御装置11aに電気的に接続されている。
The
ポンプP1と膨張機25とは駆動軸37により動力伝達可能に接続されている。具体的には、膨張機25に駆動軸37の一端側が接続されており、駆動軸37の他端側がポンプP1に接続されている。この駆動軸37を介してポンプP1と膨張機25とが連動することで、膨張機25で生じた回転駆動力によってポンプP1は作動流体を吸入するとともに、吸入した作動流体を吐出する。
The pump P1 and the
これらのポンプP1、加圧空気ボイラ23、膨張機25、凝縮器27、バイパス路33及び流量調整弁35は、配管28〜32によって接続されている。具体的には、ポンプP1と加圧空気ボイラ23の第2流入口23cとは配管28によって接続されている。加圧空気ボイラ23の第2流出口23dと流量調整弁35とは配管29によって接続されている。また、流量調整弁35と膨張機25の流入口25aとは配管30によって接続されている。膨張機25の流出口25bと凝縮器27の流入口27aとは配管31によって接続されている。そして、凝縮器27の流出口27bとポンプP1とは配管32によって接続されている。また、バイパス路33の一端側は流量調整弁35と接続されており、その他端側は配管31と接続されている。
The pump P1, the
さらに、ポンプP1は電磁クラッチ39を介してエンジン5によって駆動可能となっている。具体的には、駆動軸37の他端側の先端が公知の電磁クラッチ39に接続されている。この電磁クラッチ39は、制御装置11aに電気的に接続されている。電磁クラッチ39は、図示しない電磁ソレノイドを有している。この電磁ソレノイドの作動により、電磁クラッチ39はプーリ21と断接可能となっている。そして、電磁ソレノイドの作動により、電磁クラッチ39がプーリドラム21bと当接することにより、クランクシャフト19、プーリ21、電磁クラッチ39及び駆動軸37を介して、ポンプP1にエンジン5の駆動力が伝達され、ポンプP1が駆動される。この電磁クラッチ39がクラッチに相当している。また、駆動軸37におけるポンプP1と膨張機25との間の適宜箇所には、膨張機25がポンプP1を駆動する方向にのみ回転を許容するワンウェイクラッチ(図示せず)が設けられている。なお、電磁クラッチ39に替えて、多板式クラッチ等を採用しても良い。
Further, the pump P1 can be driven by the
このランキンサイクル3aでは、ポンプP1を作動させることにより、作動流体は、図2〜4に示すように、ポンプP1から加圧空気ボイラ23、膨張機25又はバイパス路33を経て凝縮器27に至る順で配管28〜32内を循環する。つまり、ランキンサイクル3aにおける作動流体の流通方向において、バイパス路33は、加圧空気ボイラ23の下流で配管29から分岐し、凝縮器27の流入口27aよりも上流で配管31に合流する。
In this
図1に示すように、制御装置11aは電動ファン27cの作動制御を行うことで、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11aは、車両のECU等(図示略)から受信した信号によって車両のアクセル開度を検知可能に構成されており、このアクセル開度に基づき、エンジン5に対する出力要求を検出可能となっている。そして、制御装置11aは、エンジン5に対する出力要求に基づいて、加圧空気に対する冷却要求量を判断する。つまり、制御装置11aは判断手段及び出力要求検出手段として機能する。
As shown in FIG. 1, the
さらに、この制御装置11aは制御手段としても機能し、上記の加圧空気に対する冷却要求量とエンジン5から受信した回転数とに基づいて、電磁クラッチ39とプーリ21との断接制御を行う。また、制御装置11aは、膨張機25における回転数に基づいて流量調整弁35の制御を行う。
Further, the
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1aではエンジン5が作動する。これにより、排気口5aから排出された排気が配管8、ターボチャージャ7及び配管12を経てマフラから車外に排出される(同図の一点鎖線矢印参照)。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13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9、加圧空気ボイラ23の第1通路23e及び配管10を経てエンジン5の吸気口5bよりエンジン5内へ吸入される(同図の破線矢印参照)。なお、図示を省略しているものの、エンジン5(流出口及び流入口)とラジエータとの間で冷却液が循環し、エンジン5の冷却も行われる。
As shown in FIG. 2, when the vehicle is driven, the
また、制御装置11aは流量調整弁35の制御を行なう。ここでは、膨張機25に流入する作動流体の流量を最大とし、バイパス路33に流入する作動流体の流量をゼロとするように流量調整弁35を制御する。また、制御装置11aは電動ファン27cを作動させる。
The
さらに、制御装置11aは、電磁ソレノイドを作動させることにより、電磁クラッチ39とプーリドラム21bとを当接させて、電磁クラッチ39とプーリ21とを接続させる(電磁クラッチ39をON状態とする。)。これにより、ポンプP1がエンジン5又は膨張機25によって駆動される(通常運転状態)。
Further, the
このため、ランキンサイクル3aでは、同図の実線矢印に示すように、ポンプP1によって吐出された作動流体が配管28を経て、加圧空気ボイラ23の第2流入口23cから第2通路23fに至る。そして、作動流体は加圧空気ボイラ23において加圧空気と熱交換される。この際、第1通路23eを流通する加圧空気は約150°C程度の熱を有しているため、第2通路23fを流通する作動流体は、一定程度の温度に加熱される。一方、第1通路23eを流通する加圧空気は、第2通路23f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吸入口5bからエンジン5内に至ることとなる。
For this reason, in the
こうして、加圧空気ボイラ23において加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第2流出口23dから流出し、配管29、30を経て膨張機25の流入口25aから膨張機25内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機25内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーによって生じた回転駆動力は、動力伝達手段を介してエンジン5に伝達され、エンジン5に回生される。
Thus, the working fluid heated in the
膨張機25内で減圧された作動流体は流出口25bから流出し、配管31を経て凝縮器27の流入口27aから凝縮器27内へ至る。凝縮器27の作動流体は、凝縮器27の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置11aは電動ファン27c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27bから流出し、配管32を経てポンプP1に吸入され、再び配管28、ひいては加圧空気ボイラ23に向けて吐出される。
The working fluid depressurized in the
一方、この廃熱利用装置では、上記のように、制御装置11aが電磁ソレノイドを作動させることにより、電磁クラッチ39とプーリ21との接続を解除させる(電磁クラッチ39をOFF状態とする。)ことも可能となっている(図3参照)。
On the other hand, in this waste heat utilization device, as described above, the
このように、電磁クラッチ39とプーリ21との接続を解除することで、膨張機25の駆動負荷はポンプP1のみとなる。これにより、ランキンサイクル3aでは、膨張機25及びポンプP1の回転数が増大し、配管28〜32内を循環する作動流体の速度が加速される。また、この場合、配管28〜32内を循環する作動流体の循環速度は、膨張機25の動力とポンプP1消費動力とが釣り合うところまで、加速されることとなる。このため、エンジン5とポンプP1とが電磁クラッチ39を介して接続されていた場合と比較して、配管28〜32内を循環する作動流体の循環速度が速くなり、加圧空気ボイラ23に流入する作動流体の流量が多くなる。このため、加圧空気ボイラ23における熱交換では、作動流体は加圧空気からより多くの放熱を受けることとなる。この結果、加圧空気はより冷却され、より密度が高い状態でエンジン5に吸入されることとなる。なお、加圧空気ボイラ23によって加熱された作動流体は、第2流出口23dから流出し、図2に示す場合と同様、膨張機25によって膨張及び減圧された後、凝縮器27によって放熱されることとなる。
Thus, by releasing the connection between the
また、この状態(電磁クラッチ39がOFF状態)において、膨張機25の回転数が所定値を超えることで、制御装置11aは流量調整弁35の制御を行う。これにより、図4に示すように、配管29とバイパス路33とが連通され、配管29から一部の作動流体がバイパス路33にも流入することとなる。
In this state (the
これにより、同図の実線矢印に示すように、加圧空気ボイラ23によって加熱された作動流体の一部は、バイパス路33に流入する。そして、このバイパス路33内の作動流体は、膨張機25を迂回しつつ、配管31を経て凝縮器27の流入口27aに至る。この場合、膨張機25に流入する作動流体の流量が減少し、膨張機25前後の高低圧差が低下するため、膨張機25の回転数は減少することとなる。
As a result, a part of the working fluid heated by the
このように、この廃熱利用装置では、作動流体を加圧空気ボイラ23で加熱することができる。ここで、ターボチャージャ7によって圧縮された加圧空気は、加圧空気ボイラ23に流入する作動流体と比較して高温となる。そして、作動流体との熱交換により、加圧空気の熱をランキンサイクル3aにおいて回収可能、つまり、回生可能な回転駆動力とすることができる。一方、ターボチャージャ7における加圧空気の熱を作動流体に移動させることで、加圧空気の温度を効果的に下げることができる。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ23が加圧空気に対するインタークーラとして機能し、エンジン5に対して、密度の高い加圧空気、つまり、多くの加圧空気を供給することが可能となっている。
Thus, in this waste heat utilization apparatus, the working fluid can be heated by the
また、この廃熱利用装置は、ポンプP1と膨張機25とが駆動軸37によって動力伝達可能に接続されているため、ポンプP1と膨張機25とを一体化することが可能となっている。また、ポンプP1が電磁クラッチ39及びプーリ21を介してエンジン5によって駆動可能に接続されているため、ポンプP1を駆動するための駆動装置を設ける必要がない。このため、廃熱利用装置の構造が簡素化している。
Further, in this waste heat utilization apparatus, the pump P1 and the
そして、この廃熱利用装置は、図2に示すように、電磁クラッチ39及びプーリ21によってエンジン5とポンプP1とを接続しておれば、加圧空気に対する温度効率(作動流体の流量)がエンジン5の回転数に依存することとなる。このため、この廃熱利用装置は制御装置11aによって、上記のように、電磁クラッチ39による接続を断つことができるようになっている。
As shown in FIG. 2, the waste heat utilization apparatus has a temperature efficiency (flow rate of working fluid) with respect to pressurized air if the
具体的には、(1)加圧空気に対する冷却要求量が第1閾値以下であると制御装置11aが判断した場合(上記のように、制御装置11aはアクセル開度によってエンジン5に対する出力要求を検出するとともに、エンジン5に対する出力要求を基に加圧空気に対する冷却要求量を判断する。ここで、アクセル開度が小さく、エンジン5に対する出力要求が小さい場合には、加圧空気に対する冷却要求量が小さくなり、制御装置11aは加圧空気に対する冷却要求量が第1閾値以下と判断することとなる。)、(2)加圧空気に対する冷却要求量が第1閾値を超えていると制御装置11aが判断した場合であっても、エンジン5の回転数が1500rpmを下回る低速信号がない場合のいずれかである場合には、電磁クラッチ39がON状態とされる。
Specifically, (1) When the
これらのように、電磁クラッチ39がON状態にある場合は通常運転状態であるため、ポンプP1はエンジン5又は膨張機25によって駆動され、ポンプP1及び配管28を経た作動流体がそのまま加圧空気ボイラ23に流入する。そして、加圧空気ボイラ23における熱交換により、加圧空気の熱を作動流体に移動させて加圧空気の温度を下げることができる。これにより、エンジン5に対して多くの加圧空気を供給可能となり、エンジン5の出力を向上させることが可能となる。また、この際、この廃熱利用装置では、上記のように、膨張機25において減圧された作動流体の圧力エネルギーによって得られた回転駆動力がエンジン5に回生される。
As described above, when the
また、電磁クラッチ39がON状態にあることで、この廃熱利用装置ではエンジン5とポンプP1とが電磁クラッチ39を介して接続することとなる。これにより、ポンプP1による作動流体の吐出流量、すなわち、ランキンサイクル3aにおける作動流体の流量に基づく吐出空気ボイラ23での加圧空気の冷却能力は、エンジン5の回転数に依存することとなる。しかし、低速信号が発信されていない状態、つまり、エンジン5の回転数が第2閾値(1500rm)以上であるため、ポンプP1による作動流体の吐出流量がエンジン5の回転数に依存したとしても、ランキンサイクル3aにおける作動流体の流量が多くなるため、加圧空気ボイラ23における加圧空気に対する冷却能力は十分に確保されることとなる。このように、電磁クラッチ39をON状態とすることで、この廃熱利用装置では、加圧空気に対する冷却要求を満たしつつ、上記のように、エンジン5に対する回転駆動力の回生も行うことができる。
Further, since the
一方、エンジン5に対する出力要求が所定値を超えた場合、すなわち、検知したアクセル開度が所定値を超えた場合には、加圧空気に対する冷却要求量が大きくなる。エンジン5の出力を高めるためにはより多くの加圧空気をエンジン5に供給する必要があり、そのためには加圧空気をより冷却してその密度を高くすることが必要となる。この場合、加圧空気ボイラ23において加圧空気をより冷却することが求められる、すなわち、加圧空気ボイラ23における加圧空気の冷却が優先されることとなる。これらのことから、エンジン5に対する出力要求に基づき、加圧空気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと制御装置11aが判断した場合には、電磁クラッチ39はOFF状態とされる。また、上記の低速信号がある状態であっても、加圧空気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと制御装置11aが判断した場合は、電磁クラッチ39はOFF状態とされる。
On the other hand, when the output request for the
これにより、廃熱利用装置では、図3に示すように、電磁クラッチ39を介したエンジン5とポンプP1との接続が解除され、膨張機25の負荷が軽減される。この場合、膨張機25の駆動負荷がポンプP1のみとなるため、ランキンサイクル3aでは、ポンプP1とエンジン5とが電磁クラッチ39を介して接続されていた場合(図2参照)よりも、配管28〜32内を循環する作動流体の速度が加速される。このため、図3に示すように、加圧空気ボイラ23に流入する作動流体の流量が多くなる。これにより、加圧空気ボイラ23において、加圧空気の温度をより下げる(加圧空気を第1閾値以下の温度とする)ことができ、エンジン5に対してより多くの加圧空気を供給可能となる。このため、エンジン5の出力を向上させることが可能となり、エンジン5に対する出力要求を満たすことができる。
Thereby, in the waste heat utilization apparatus, as shown in FIG. 3, the connection between the
また、この廃熱利用装置では、作動流体が膨張機25を迂回可能なバイパス路33と、流量調整弁35とを備えている。そして、膨張機25の回転数が所定値以上となることで、制御装置11aが流量調整弁35の制御を行う。これにより、図4に示すように、作動流体の一部がバイパス路33を循環するようにすることで、膨張機25に流入する作動流体の流量を減少させて、膨張機25前後の高低圧差を低下させることにより、膨張機25の回転数を減少させることができる。このため、この廃熱利用装置では、配管28〜32内を循環する作動流体の速度が加速された場合でも、作動流体が膨張機25を過剰に駆動することを防止し、ポンプP1及び膨張機25の耐久性を維持することができるようになっている。
Further, the waste heat utilization apparatus includes a
さらに、この廃熱利用装置では、エンジン5に対する出力要求に基づくことで、制御装置11aは加圧空気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。
Furthermore, in this waste heat utilization apparatus, based on the output request | requirement with respect to the
したがって、実施例1の廃熱利用装置は、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、加圧空気に対する温度効率の向上とエンジン5の性能向上とを実現可能である。
Therefore, the waste heat utilization apparatus according to the first embodiment can improve the temperature efficiency with respect to the pressurized air and improve the performance of the
また、この廃熱利用装置では、制御装置11aが流量調整弁35を制御することにより、膨張機25に流入する作動流体の流量とバイパス路33に流入する作動流体の流量との割合を調整することが可能である。これにより、膨張機25の動力とポンプP1消費動力とが釣り合う際において、膨張機25やポンプP1の回転数を適宜変更することが可能となっている。
In this waste heat utilization device, the
(実施例2)
実施例2の廃熱利用装置は、実施例1の廃熱利用装置の構成に替えて、図5に示すように、パイパス路33及び流量調整弁35を設けない一方で、及び駆動軸37に発電機41を設けている。発電機41は制御装置11aと電気的に接続されている。この発電機41は、回転駆動する駆動軸37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。この発電機41における他の構成は公知の発電機と同様である。また、制御装置11aは発電機41における発電量等の制御を行う。この廃熱利用装置における他の構成は実施例1の廃熱利用装置と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して構成に関する詳細な説明を省略する。
(Example 2)
The waste heat utilization apparatus of the second embodiment is not provided with the
このように、この廃熱利用装置では、発電機41が駆動軸37に設けられていることで、膨張機25によって発電機41を駆動可能である他、エンジン5によっても発電機41を駆動させることが可能となっている。ここで、この廃熱利用装置では、膨張機25によって発電機41を駆動可能であることから、電磁クラッチ39がOFF状態にある時には、発電機41における負荷を制御装置11aが制御することで、配管28〜32内を循環する作動流体の流量を調整することができる。このため、この廃熱利用装置では、制御装置11aが発電機41の負荷を制御することで、ポンプP1及び膨張機25の回転数を調整し、ランキンサイクル3aにおける電力の回収とエンジン5における出力向上とを好適に調整することが可能となっている。他の作用効果は、実施例1の廃熱利用装置と同様である。
Thus, in this waste heat utilization apparatus, since the generator 41 is provided on the
したがって、実施例2の廃熱利用装置も、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、加圧空気に対する温度効率の向上とエンジン5の性能向上とを実現可能である。
Therefore, the waste heat utilization apparatus of the second embodiment can also achieve an improvement in temperature efficiency with respect to pressurized air and an improvement in the performance of the
(実施例3)
実施例3の廃熱利用装置も車両に搭載され、図6に示すように、車両の駆動系1b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3bと、制御装置11bと、第1温度センサ43aとを備えている。また、この廃熱利用装置も実施例1の廃熱利用装置と同様、電磁クラッチ39と、バイパス路33と、流量調整弁35とを備えている。
(Example 3)
The waste heat utilization apparatus of the third embodiment is also mounted on the vehicle, and is used in a
駆動系1bは、内燃機関としてのエンジン2と、排気路としての配管4と、排気還流路としての配管6a、6bと、空気導入路としての配管15とを有している。配管6bには上記の第1温度センサ43aと可変バルブ45とが設けられている。
The
エンジン2は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン2には、排気を排出する排気口2aと、後述する混合空気を吸入する吸気口2bとが形成されている。また、このエンジン2の内部には冷却液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2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と流入口と(いずれも図示を省略する。)が形成されている。このエンジン2は制御装置11bと電気的に接続されており、制御装置11bに対し、エンジン2の回転数等を電気信号として送信可能となっている。なお、この廃熱利用装置においても、第2閾値として1500rpmを設定している。
The
さらに、このエンジン2も実施例1の廃熱利用装置におけるエンジン5と同様、クランクシャフト19を介してプーリ21と接続されている。これにより、この廃熱利用装置においても、エンジン2の動力によってプーリドラム21aを回転させることが可能となっている。
Further, this
配管4は、一端側が排気口2aと接続されており、他端側が図示しないマフラと接続されている。これにより、配管4は、エンジン2で生じた排気をその内部に流通させることでマフラに導くことが可能となっている。
One end of the
配管6aは一端側が配管4と接続されており、他端側が後述する還流排気ボイラ24の第1流入口24aと接続されている。また、配管6bは、一端側が還流排気ボイラ24の第1流出口24bと接続されており、他端側がエンジン2の吸気口2bと接続されている。配管15は、一端側が配管6bと接続されており、他端側が図示しない車両のエアインテークと接続されている。これにより、配管15は、車外の空気をその内部に流通させることで配管6bに導くことが可能となっている。そして、排気還流路である配管6a、6bは、配管4を流通する排気の一部をその内部に流通させることで、吸気系流体である還流排気と空気との混合空気をエンジン2に還流させることが可能となっている。
One end of the
可変バルブ45は制御装置11bと電気的に接続されている。この可変バルブ45は、その開度を調整することにより配管4から配管6aに流入する排気の流量を調整可能である。
The
第1温度センサ43aは制御装置11bと電気的に接続されている。この第1温度センサ43aは、第1温度検出手段として機能し、還流排気ボイラ24の第1流出口24bを流出し、配管6bを流通する還流排気の温度を検出するとともに、その検出値を制御装置11bに向けて発信する。
The
ランキンサイクル3bは、還流排気ボイラ24を有している。また、このランキンサイクル3bは、実施例1の廃熱利用装置におけるランキンサイクル3aと同様に、ポンプP1と、膨張機25と、凝縮器27と、配管28〜32とを有している。さらに、ランキンサイクル3bには、バイパス路33及び流量調整弁35が一体に組み付けられている。なお、ポンプP1、膨張機25、電動ファン27c及び流量調整弁35は、いずれも制御装置11bと電気的に接続されている。
The
還流排気ボイラ24には、第1流入口24a及び第2流出口24bと、第2流入口24c及び第2流出口24dとが形成されている。また、還流排気ボイラ24内には、両端側でそれぞれ第1流入口24a及び第1流出口24bと連通する第1通路24eと、両端側でそれぞれ第2流入口24c及び第2流出口24dと連通する第2通路24fとが設けられている。この還流排気ボイラ24では、第1通路24e内の還流排気と、第2通路24f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
ポンプP1と、還流排気ボイラ24の第2流入口24cとは配管28によって接続されている。また、還流排気ボイラ24の第2流出口24dと、流量調整弁35とは配管29によって接続されている。このランキンサイクル3bにおける膨張機25と凝縮器27との接続等については、実施例1の廃熱利用装置におけるランキンサイクル3aと同様である。
The pump P1 and the
また、この廃熱利用装置においても、膨張機25とポンプP1とは、駆動軸37によって動力伝達可能に接続されている。さらに、膨張機25とエンジン2とも図示しない動力伝達手段を介して動力伝達可能に接続されており、膨張機25で生じた回転駆動力をエンジン2に回生させる。また、ポンプP1は電磁クラッチ39を介してエンジン2によって駆動可能となっている。なお、電磁クラッチ39は制御装置11bと電気的に接続されている。
Also in this waste heat utilization apparatus, the
このランキンサイクル3bでは、ポンプP1を作動させることにより、作動流体は、図7〜9に示すように、ポンプP1から還流排気ボイラ24、膨張機25又はバイパス路33を経て凝縮器27に至る順で配管28〜32内を循環する。つまり、ランキンサイクル3bにおける作動流体の流通方向において、バイパス路33は、還流排気ボイラ24の下流で配管29から分岐し、凝縮器27の流入口27aよりも上流で配管31に合流する。
In this
図6に示すように、制御装置11bは電動ファン27cの作動制御を行うことで、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11bは、第1温度センサ43aが検出した還流排気の温度に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する。これにより、制御装置11bは判断手段として機能する。
As shown in FIG. 6, the
さらに、この制御装置11bも制御手段として機能し、上記の還流排気に対する冷却要求量とエンジン2から受信した回転数とに基づいて、電磁クラッチ39とプーリ21との断接制御を行う。また、制御装置11bは、膨張機25における回転数に基づいて流量調整弁35の制御を行う。この廃熱利用装置における他の構成は実施例1の廃熱利用装置と同様である。
Further, this
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.
車両が駆動されることにより、駆動系1bではエンジン2が作動する。これにより、図7に示すように、排気口2aから排出された排気が配管4を経てマフラから車外に排出される(同図の一点鎖線矢印参照)。この際、制御装置11bが可変バルブ45の開度を調整することで、配管4を流通する排気の一部が配管6aに流入する。配管6aに流入した排気は還流排気として、第1流入口24aから還流排気ボイラ24内に流入し、第1通路24e内を流通して、第1流出口24bから配管6bに至る。この際、第1温度センサ43aは、第1流出口24bから流出した還流排気の温度を検出し、その温度を制御装置11bに向けて発信する。配管6bを流通する還流排気は、配管15を経た車外の空気(同図の破線矢印参照。)と混合され、混合空気として吸気口2bよりエンジン2内に還流する。なお、図示を省略しているものの、エンジン2(流出口及び流入口)とラジエータとの間で冷却液が循環し、エンジン2の冷却も行われる。
When the vehicle is driven, the
また、制御装置11bは流量調整弁35の制御を行ない、膨張機25に流入する作動流体の流量を最大とし、バイパス路33に流入する作動流体の流量がゼロとする。さらに、制御装置11bは電動ファン27cを作動させる。そして、上記の第1温度センサ43aから発信された検出値に基づき、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値以下であると制御手段11bが判断した場合、制御装置11bは電磁クラッチ39をON状態として、電磁クラッチ39とプーリ21とを接続させる。還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えていると制御装置11bが判断した場合であっても、エンジン2の回転数が1500rpmを下回る低速信号がない場合も同様に、制御装置11bは電磁クラッチ39をON状態とする。
Further, the
これにより、この廃熱利用装置においても通常運転状態となり、ポンプP1がエンジン5又は膨張機25によって駆動される。そして、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル3bでは、ポンプP1によって吐出された作動流体が配管28を経て、還流排気ボイラ24の第2流入口24cから第2通路24fに至る。この際、作動流体は還流排気ボイラ24において還流排気と熱交換される。ここで、第1通路24eを流通する還流排気は約500°C程度の熱を有しているため、第2通路24fを流通する作動流体は、一定程度の温度に加熱される。一方、第1通路24eを流通する還流排気は、第2通路24f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(第1閾値以下の温度)で吸入口6bを流通し、配管15を経た空気と混合された後、混合空気としてエンジン2内に還流することとなる。
Accordingly, the waste heat utilization apparatus is also in a normal operation state, and the pump P1 is driven by the
還流排気ボイラ24において加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第2流出口24dから流出し、膨張機25内で膨張して減圧される。この際、実施例1の廃熱利用装置と同様、エンジン2に対する回転駆動力の回生が行われる。また、膨張機25内で減圧された作動流体は流出口25bから流出し、配管31を経て凝縮器27に至り、冷却されることとなる。
The working fluid heated in the
このように、この廃熱利用装置では、還流排気の熱をランキンサイクル3bにおいて回収可能、つまり、回生可能な回転駆動力とすることができる。さらに、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ24を還流排気に対する冷却装置として機能させることができる。これにより、この廃熱利用装置では、還流排気を好適に冷却してその密度を増大させ、混合空気における還流排気の割合を大きくすることで、マフラから車外に放出される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。
Thus, in this waste heat utilization apparatus, the heat of the recirculated exhaust gas can be recovered in the
ここで、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えていると制御装置11bが判断した場合であっても、エンジン2の回転数が第2閾値以上(低速信号がない場合)であれば、ポンプP1による作動流体の吐出流量がエンジン2の回転数に依存したとしても、ランキンサイクル3bにおける作動流体の流量が多くなる。これにより、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ24における還流排気に対する冷却能力は十分に確保される。このため、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えていると制御装置11bが判断した場合であっても、エンジン2の回転数が第2閾値以上であれば、電磁クラッチ39をON状態(通常運転状態)とすることで、この廃熱利用装置では、還流排気に対する冷却要求を満たしつつ、上記のように、エンジン2に対する回転駆動力の回生も行うことができる。
Here, even if the
一方、上記の第1温度センサ43aから発信された検出値が大きい場合には、還流排気ボイラ24における還流排気の冷却が足りていないこととなる。このため、制御装置11bは還流排気に対する冷却要求量が大きい、すなわち、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断する。この場合、制御装置11bは電磁クラッチ39をOFF状態とする。また、上記の低速信号がある状態であっても、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと制御装置11bが判断した場合には、電磁クラッチ39はOFF状態とされる。
On the other hand, when the detected value transmitted from the
これにより、図8に示すように、この廃熱利用装置においても、膨張機25の駆動負荷はポンプP1のみとなり、ランキンサイクル3bで、膨張機25及びポンプP1の回転数が増大することで、配管28〜32内を循環する作動流体の速度が加速される。このため、ランキンサイクル3bでは、還流排気ボイラ24に流入する作動流体の流量が多くなり、還流排気がより冷却されることで、還流排気に対する第1閾値を超える冷却要求を満たすことが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、還流排気に対する冷却要求量が大きい場合であっても、還流排気を好適に冷却することが可能となる。
Thereby, as shown in FIG. 8, also in this waste heat utilization apparatus, the drive load of the
さらに、この廃熱利用装置は、作動流体が膨張機25を迂回可能なバイパス路33と、流量調整弁35とを備えている。このため、この廃熱利用装置において、電磁クラッチ39がOFF状態にある場合に、膨張機25の回転数が所定値以上となれば、制御装置11bが流量調整弁35の制御を行う。
The waste heat utilization apparatus further includes a
これにより、図9に示すように、この廃熱利用装置においても作動流体の一部をバイパス路33に流入させることで、膨張機25に流入する作動流体の流量を減少させることが可能となる。こうして、この廃熱利用装置においても、膨張機25前後の高低圧差を低下させることによって、膨張機25の回転数を減少させることが可能となっている。このため、この廃熱利用装置においても、配管28〜32内を循環する作動流体の速度が加速された場合に、作動流体が膨張機25を過剰に駆動することを防止でき、ポンプP1及び膨張機25の耐久性を維持することが可能となっている。
As a result, as shown in FIG. 9, even in this waste heat utilization apparatus, the flow rate of the working fluid flowing into the
また、この廃熱利用装置では、第1温度センサ43aが検出した還流排気の温度に基づくことで、制御装置11bは還流排気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。他の作用効果は実施例1の廃熱利用装置と同様である。
Further, in this waste heat utilization device, the
したがって、実施例3の廃熱利用装置は、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、還流排気に対する温度効率の向上とエンジン2の性能向上とを実現可能である。
Therefore, the waste heat utilization apparatus according to the third embodiment can improve the temperature efficiency with respect to the recirculation exhaust and improve the performance of the
(実施例4)
実施例4の廃熱利用装置では、実施例3の廃熱利用装置における制御装置11b及び第1温度センサ43aに替えて、図10に示す制御装置11c及び第2温度センサ43bが設けられている。なお、膨張機25、電動ファン27c、流量調整弁35、電磁クラッチ39及び可変バルブ45は制御装置11cに電気的に接続されている。
Example 4
In the waste heat utilization device of the fourth embodiment, a
第2温度センサ43bは、配管28に設けられている。第2温度センサ43bは制御装置11cと電気的に接続されている。この第2温度センサ43bは、第2温度検出手段として機能し、配管28を流通する作動流体の温度、すなわち、還流排気ボイラ24の第2流入口24cに流入する前の作動流体の温度を検出するとともに、その検出値を制御装置11cに向けて発信する。
The second temperature sensor 43 b is provided in the
制御装置11cは、第2温度センサ43bが検出した作動流体の温度に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する。すなわち、作動流体の温度が所定値よりも高い場合には、還流排気ボイラ24での還流排気の冷却能力が低くなることから、相対的に還流排気に対する冷却要求量は大きくなる。これにより、制御装置11cも判断手段として機能する。また、制御装置11cは電動ファン27cの作動制御を行うことで、作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。
Based on the temperature of the working fluid detected by the second temperature sensor 43b, the
さらに、この制御装置11cも制御手段として機能し、実施例3の廃熱利用装置における制御装置11bと同様に、電磁クラッチ39とプーリ21との断接制御を行うとともに、膨張機25における回転数に基づいて流量調整弁35の制御を行う。この廃熱利用装置における他の構成は実施例3の廃熱利用装置と同様である。
Further, this
この廃熱利用装置においても、上記の実施例3の廃熱利用装置と同様に、車両の駆動時に制御装置11cが電動ファン27c、流量調整弁35、電磁クラッチ39及び可変バルブ45について、それぞれ作動制御を行う。
Also in this waste heat utilization device, as in the waste heat utilization device of the third embodiment, the
ここで、上記の第2温度センサ43bから発信された検出値に基づき、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値以下であると制御手段11cが判断した場合、制御装置11cは電磁クラッチ39をON状態とする(通常運転状態)。また、制御装置11cは流量調整弁35の制御を行う。なお、この廃熱利用装置において制御装置11cが電磁クラッチ39をON状態とする他の条件と、電磁クラッチ39がON状態である際の流量調整弁35の制御とについては、実施例3の廃熱利用装置と同様である。
Here, when the
他方、第2温度センサ43bから発信された検出値が大きい場合、つまり、還流排気ボイラ24に流入する前の作動流体の温度が高い場合には、制御装置11cは、還流排気に対する冷却要求量が大きいと判断する。そして、第2温度センサ43bの検出値に基づき、制御装置11cが還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断した場合、制御装置11cは電磁クラッチ39をOFF状態とする。なお、この廃熱利用装置において制御装置11cが電磁クラッチ39をOFF状態とする他の条件は、実施例3の廃熱利用装置と同様である。
On the other hand, when the detected value transmitted from the second temperature sensor 43b is large, that is, when the temperature of the working fluid before flowing into the
さらに、この廃熱利用装置においても、電磁クラッチ39がOFF状態にある場合に、膨張機25の回転数が所定値以上となれば、制御装置11cは流量調整弁35の制御を行う。なお、この際における流量調整弁35の制御については、実施例3の廃熱利用装置において、膨張機25の回転数が所定値以上となった場合と同様である。
Furthermore, also in this waste heat utilization apparatus, when the rotational speed of the
これらにより、この廃熱利用装置においても、実施例3の廃熱利用装置と同様の効果を奏することが可能となっている。また、この廃熱利用装置では、第2温度センサ43b検出した作動流体の温度に基づくことで、制御装置11cは還流排気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。
As a result, this waste heat utilization apparatus can achieve the same effects as the waste heat utilization apparatus of the third embodiment. Further, in this waste heat utilization device, the
したがって、実施例4の廃熱利用装置も、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、還流排気に対する温度効率の向上とエンジン2の性能向上とを実現可能である。
Therefore, the waste heat utilization apparatus according to the fourth embodiment can also improve the temperature efficiency of the recirculated exhaust gas and improve the performance of the
(実施例5)
実施例5の廃熱利用装置では、実施例3の廃熱利用装置における制御装置11b及び第1温度センサ43aに替えて、図11に示す制御装置11d及び第3温度センサ43cが設けられている。なお、膨張機25、電動ファン27c、流量調整弁35、電磁クラッチ39及び可変バルブ45は制御装置11dに電気的に接続されている。
(Example 5)
In the waste heat utilization device of the fifth embodiment, a
第3温度センサ43cは、配管32に設けられている。第3温度センサ43cは制御装置11dと電気的に接続されている。この第3温度センサ43cは、この第3温度センサ43cは、第3温度検出手段として機能し、配管32を流通する作動流体の温度、すなわち、ポンプP1に流入する前の作動流体の温度を検出するとともに、その検出値を制御装置11dに向けて発信する。
The
制御装置11dは、第3温度センサ43cが検出した作動流体の温度に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する。これにより、制御装置11dも判断手段として機能する。また、制御装置11dは電動ファン27cの作動制御を行うことで、作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。
The
さらに、この制御装置11dも制御手段として機能し、実施例3の廃熱利用装置における制御装置11bと同様に、電磁クラッチ39とプーリ21との断接制御を行うとともに、膨張機25における回転数に基づいて流量調整弁35の制御を行う。この廃熱利用装置における他の構成は実施例3の廃熱利用装置と同様である。
Furthermore, this
この廃熱利用装置においても、上記の実施例3の廃熱利用装置と同様に、車両の駆動時に制御装置11dが電動ファン27c、流量調整弁35、電磁クラッチ39及び可変バルブ45について、それぞれ作動制御を行う。
Also in this waste heat utilization device, similarly to the waste heat utilization device of the third embodiment, the
ここで、上記の第2温度センサ43cから発信された検出値に基づき、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値以下であると制御手段11dが判断した場合、制御装置11dは電磁クラッチ39をON状態とする(通常運転状態)。また、制御装置11dは流量調整弁35の制御を行う。なお、この廃熱利用装置において制御装置11dが電磁クラッチ39をON状態とする他の条件と、電磁クラッチ39がON状態である際の流量調整弁35の制御とについては、実施例3の廃熱利用装置と同様である。
Here, when the
他方、ポンプP1に流入する前の作動流体の温度が高くなることで第3温度センサ43cにおいて検出される検出値が大きくなる。この場合、制御装置11dは、還流排気に対する冷却要求量が大きいと判断することとなる。ポンプP1に流入する作動流体の温度が高い場合には、還流排気ボイラ24において作動流体が高温に加熱されており、熱源である還流排気が高温になっていると判断できるためである。そして、第3温度センサ43cの検出値に基づき、制御装置11dが還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと判断した場合、制御装置11cは電磁クラッチ39をOFF状態とする。なお、この廃熱利用装置において制御装置11dが電磁クラッチ39をOFF状態とする他の条件は、実施例3の廃熱利用装置と同様である。
On the other hand, the detected value detected by the
さらに、この廃熱利用装置においても、電磁クラッチ39がOFF状態にある場合に、膨張機25の回転数が所定値以上となれば、制御装置11dは流量調整弁35の制御を行う。なお、この場合における流量調整弁35の制御については、実施例3の廃熱利用装置において、膨張機25の回転数が所定値以上となった場合と同様である。
Furthermore, also in this waste heat utilization apparatus, when the rotational speed of the
これらにより、この廃熱利用装置においても、実施例3の廃熱利用装置と同様の効果を奏することが可能となっている。また、この廃熱利用装置では、第3温度センサ43c検出した作動流体の温度に基づくことで、制御装置11dは還流排気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。
As a result, this waste heat utilization apparatus can achieve the same effects as the waste heat utilization apparatus of the third embodiment. Further, in this waste heat utilization device, the
したがって、実施例5の廃熱利用装置も、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、還流排気に対する温度効率の向上とエンジン2の性能向上とを実現可能である。
Therefore, the waste heat utilization apparatus according to the fifth embodiment can also improve the temperature efficiency of the recirculated exhaust gas and improve the performance of the
(実施例6)
実施例6の廃熱利用装置では、実施例3の廃熱利用装置における制御装置11b及び第1温度センサ43aに替えて、図12に示す制御装置11e及び圧力センサ43dが設けられている。なお、膨張機25、電動ファン27c、流量調整弁35、電磁クラッチ39及び可変バルブ45は制御装置11eに電気的に接続されている。
(Example 6)
In the waste heat utilization device of the sixth embodiment, a
圧力センサ43dは、配管32に設けられている。圧力センサ43dは制御装置11eと電気的に接続されている。この圧力センサ43dは、圧力検出手段として機能し、配管32を流通する作動流体の圧力、すなわち、膨張機25の下流からポンプP1の上流までの作動流体の圧力(凝縮圧力)を検出するとともに、その検出値を制御装置11eに向けて発信する。
The
制御装置11eは、圧力センサ43dが検出した作動流体の凝縮圧力に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する。これにより、制御装置11eも判断手段として機能する。また、制御装置11eは電動ファン27cの作動制御を行うことで、作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。
The
さらに、この制御装置11eも制御手段として機能し、実施例3の廃熱利用装置における制御装置11bと同様に、電磁クラッチ39とプーリ21との断接制御を行うとともに、膨張機25における回転数に基づいて流量調整弁35の制御を行う。この廃熱利用装置における他の構成は実施例3の廃熱利用装置と同様である。
Further, this
この廃熱利用装置においても、上記の実施例3の廃熱利用装置と同様に、車両の駆動時に制御装置11eが電動ファン27c、流量調整弁35、電磁クラッチ39及び可変バルブ45について、それぞれ作動制御を行う。
Also in this waste heat utilization device, similarly to the waste heat utilization device of the third embodiment, the
ここで、上記の圧力センサ83dから発信された検出値が小さく、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値以下であると制御手段11eが判断した場合、制御装置11eは電磁クラッチ39をON状態とする(通常運転状態)。また、制御装置11eは流量調整弁35の制御を行う。なお、この廃熱利用装置において制御装置11eが電磁クラッチ39をON状態とする他の条件と、電磁クラッチ39がON状態である際の流量調整弁35の制御とについては、実施例3の廃熱利用装置と同様である。
Here, when the detected value transmitted from the pressure sensor 83d is small and the
他方、膨張機25の下流からポンプP1の上流までの作動流体の凝縮圧力が高くなることで、圧力センサ43dにおいて検出される検出値が大きくなる。このように作動流体の凝縮圧力が高くなることで、制御装置11eは、還流排気に対する冷却要求量が大きいと判断することとなる。凝縮器27を経ても配管32を流通する作動流体の凝縮圧力が高い場合には、還流排気ボイラ24において作動流体が高温に加熱されている、つまり、還流排気ボイラ24において作動流体を加熱する熱源となる還流排気が高温になっていると判断できるためである。そして、圧力センサ43dから発信された検出値を基に、還流排気に対する冷却要求量が第1閾値を超えたと制御装置11eが判断した場合、制御装置11e電磁クラッチ39をOFF状態とする。なお、この廃熱利用装置において制御装置11eが電磁クラッチ39をOFF状態とする他の条件は、実施例3の廃熱利用装置と同様である。
On the other hand, the detection value detected by the
さらに、この廃熱利用装置においても、電磁クラッチ39がOFF状態にある場合に、膨張機25の回転数が所定値以上となれば、制御装置11eは流量調整弁35の制御を行う。なお、この場合における流量調整弁35の制御については、実施例3の廃熱利用装置において、膨張機25の回転数が所定値以上となった場合と同様である。
Furthermore, also in this waste heat utilization apparatus, when the rotational speed of the
これらにより、この廃熱利用装置においても、実施例3の廃熱利用装置と同様の効果を奏することが可能となっている。また、この廃熱利用装置では、圧力センサ43d検出した作動流体の凝縮圧力に基づくことで、制御装置11eは還流排気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。
As a result, this waste heat utilization apparatus can achieve the same effects as the waste heat utilization apparatus of the third embodiment. Further, in this waste heat utilization device, the
したがって、実施例6の廃熱利用装置も、構造が簡素化しつつ、必要に応じ、還流排気に対する温度効率の向上とエンジン2の性能向上とを実現可能である。
Therefore, the waste heat utilization apparatus of the sixth embodiment can also improve the temperature efficiency with respect to the recirculated exhaust gas and improve the performance of the
以上において、本発明を実施例1〜6に即して説明したが、本発明は上記実施例1〜6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。 In the above, the present invention has been described with reference to the first to sixth embodiments. However, the present invention is not limited to the first to sixth embodiments, and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit of the present invention. Needless to say.
例えば、実施例3〜6の廃熱利用装置において、パイパス路33及び流量調整弁35に替えて、駆動軸37に発電機41を設ける構成としても良い。この場合も実施例2の廃熱利用装置と同様、制御装置11b〜11eが発電機41の負荷を制御することとなる。これにより、この場合における実施例3〜6の廃熱利用装置でも、ポンプP1及び膨張機25の回転数を調整することが可能となり、ランキンサイクル3bにおける電力の回収とエンジン2における出力向上とを好適に調整することが可能となる。
For example, in the waste heat utilization apparatus of Examples 3 to 6, the generator 41 may be provided on the
また、実施例1、2の廃熱利用装置において、第1〜3温度センサ43a〜43cや圧力センサ43dを設けるとともに、制御装置11aはこれらの第1〜3温度センサ43a〜43cや圧力センサ43dの検出値を基に、加圧空気に対する冷却要求量を判断する構成としても良い。
Moreover, in the waste heat utilization apparatus of Example 1, 2, while providing the 1st-
さらに、実施例3〜6の廃熱利用装置における制御装置11b〜11eについて、車両のアクセル開度を検知可能であるとともに、このアクセル開度に基づき、エンジン2に対する出力要求を検出可能とし、このエンジン2に対する出力要求に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する構成としても良い。
Further, for the
また、実施例1〜6の廃熱利用装置における制御装置11a〜11eについて、車速を検知し、この車速に基づいて加圧空気や還流排気に対する冷却要求量を判断する構成しても良い。ここで、車速が一定速度を超えていれば、凝縮器27において作動流体が好適に放熱されることとなる。これにより、配管32を流通する作動流体の温度が低下する。換言すれば、配管32を流通する作動流体の凝縮圧力が低くなる。この場合、加圧空気ボイラ23において加圧空気を好適に冷却することが可能となり、同様に、還流排気ボイラ24において還流排気を好適に冷却することが可能となる。このため、制御装置11a〜11eは、加圧空気又は還流排気に対する冷却要求が小さいと判断することが可能となる。一方、車速が一定速度よりも遅ければ、凝縮器27における作動流体の冷却能力が低下することから、配管32を流通する作動流体の温度(凝縮圧力)が高くなる。この場合には、加圧空気ボイラ23において加圧空気を十分に冷却することができなくなり、同様に、還流排気ボイラ24において還流排気を十分に冷却することができなくなる。このため、制御装置11a〜11eは、加圧空気や還流排気に対する冷却要求が大きいと判断することが可能となる。
Moreover, about the
さらに、実施例1〜6の廃熱利用装置において、加圧空気ボイラ23に流入する前の加圧空気の温度や還流排気ボイラ24に流入する前の還流排気の温度を検出可能な検出手段(第4温度検出手段に相当する温度センサ等)を設けるとともに、制御装置11a〜11eは、これらの加圧空気や還流排気の温度を基に、加圧空気や還流排気に対する冷却要求量を判断する構成としても良い。この場合、加圧空気ボイラ23に流入する前の加圧空気の温度や還流排気ボイラ24に流入する前の還流排気の温度が高ければ、加圧空気ボイラ23から流出する加圧空気の温度や還流排気ボイラ24から流出する還流排気の温度も高くなる。このため、制御装置11a〜11eは、加圧空気や還流排気に対する冷却要求量が大きいと判断することができる。
Furthermore, in the waste heat utilization apparatus of the first to sixth embodiments, detection means that can detect the temperature of the pressurized air before flowing into the
また、実施例1〜6の廃熱利用装置における制御装置11a〜11eについて、エンジン2、5に対する出力要求、第1〜3温度センサ43a〜43cや圧力センサ43dの各検出値、車速、加圧空気ボイラ23に流入する前の加圧空気の温度や還流排気ボイラ24に流入する前の還流排気の温度等をそれぞれ組み合わせることで、加圧空気や還流排気に対する冷却要求量を判断する構成としても良い。
Moreover, about the
さらに、配管31に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27を経た作動流体は、ポンプP1によって好適に吐出されて、配管28〜32やバイパス路33を好適に循環することとなる。
Furthermore, you may provide a well-known receiver in the
また、実施例1、2の廃熱利用装置において、加圧空気ボイラ23に加えて、冷却液と作動流体とで熱交換が可能なボイラ等を設けても良い。この場合、冷却液の熱、すなわち、エンジン5の廃熱等によっても作動流体を加熱できるため、より好適に作動流体を加熱することが可能となり、ランキンサイクル3aにおいて回収可能な電力量等を多くすることが可能となる。また、作動流体との熱交換によって冷却液を冷却することが可能となるため、ラジエータ等を小型化させてもエンジン5を好適に冷却させることが可能となる。同様に、実施例3〜6の廃熱利用装置において、還流排気ボイラ24に加えて、エンジン2の廃熱等と作動流体とで熱交換が可能となる上記のようなボイラを設けても良い。
Moreover, in the waste heat utilization apparatus of Example 1, 2, in addition to the
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.
1a、1b…駆動系
2…エンジン(内燃機関)
3a、3b…ランキンサイクル
5…エンジン(内燃機関)
6a、6b…配管(排気還流路)
7…ターボチャージャ(過給器)
11a…制御装置(判断手段、制御手段、出力要求検出手段)
11b〜11e…制御装置(判断手段、制御手段)
23…加圧空気ボイラ
24…還流排気ボイラ
25…膨張機
27…凝縮器
28〜32…配管
39…電磁クラッチ(クラッチ)
33…バイパス路
35…流量調整弁
41…発電機
43a…第1温度センサ(第1温度検出手段)
43b…第2温度センサ(第2温度検出手段)
43c…第3温度センサ(第3温度検出手段)
43d…圧力センサ(圧力検出手段)
P1…ポンプ
1a, 1b ...
3a, 3b ...
6a, 6b ... piping (exhaust gas recirculation path)
7 ... Turbocharger (supercharger)
11a ... Control device (determination means, control means, output request detection means)
11b to 11e ... Control device (determination means, control means)
DESCRIPTION OF
33 ... Bypass
43b ... second temperature sensor (second temperature detecting means)
43c ... 3rd temperature sensor (3rd temperature detection means)
43d ... Pressure sensor (pressure detection means)
P1 ... Pump
Claims (12)
該ランキンサイクルは、ポンプと、ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプから該ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ボイラでは、前記内燃機関に対して冷却されつつ吸気される吸気系流体と、前記作動流体との熱交換が可能であり、
前記ポンプと前記膨張機とは動力伝達可能に接続され、
該ポンプはクラッチを介して前記内燃機関によって駆動可能に接続され、
該吸気系流体に対する冷却要求量を判断する判断手段と、
該判断手段が判断した該冷却要求量が第1閾値を超えた場合に、該クラッチによる接続を断つ制御手段とを備えていることを特徴とする廃熱利用装置。 Used in a drive system having an internal combustion engine, comprising a Rankine cycle for circulating a working fluid,
The Rankine cycle is a waste heat utilization apparatus having a pump, a boiler, an expander, a condenser, and a pipe for circulating the working fluid from the pump to the condenser through the boiler and the expander.
In the boiler, heat exchange between the working fluid and the intake system fluid that is sucked while being cooled with respect to the internal combustion engine is possible,
The pump and the expander are connected to transmit power,
The pump is connected to be driven by the internal combustion engine via a clutch,
A judging means for judging a required cooling amount for the intake system fluid;
A waste heat utilization apparatus comprising: a control unit that disconnects the clutch when the requested cooling amount determined by the determination unit exceeds a first threshold value.
前記判断手段は、該出力要求検出手段が検出した検出値に基づき、前記吸気系流体に対する前記冷却要求量を判断する請求項1記載の廃熱利用装置。 Comprising an output request detecting means capable of detecting an output request to the internal combustion engine;
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the determination unit determines the required cooling amount for the intake fluid based on a detection value detected by the output request detection unit.
前記判断手段は、該第1温度検出手段が検出した検出値に基づき、前記吸気系流体に対する前記冷却要求量を判断する請求項1記載の廃熱利用装置。 First temperature detecting means capable of detecting the temperature of the intake system fluid flowing out of the boiler;
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the determination unit determines the required cooling amount for the intake system fluid based on a detection value detected by the first temperature detection unit.
前記判断手段は、該第2温度検出手段が検出した検出値に基づき、前記吸気系流体に対する前記冷却要求量を判断する請求項1記載の廃熱利用装置。 A second temperature detecting means capable of detecting the temperature of the working fluid flowing into the boiler;
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the determination unit determines the required cooling amount for the intake system fluid based on a detection value detected by the second temperature detection unit.
前記判断手段は、該第3温度検出手段が検出した検出値に基づき、前記吸気系流体に対する前記冷却要求量を判断する請求項1記載の廃熱利用装置。 A third temperature detecting means capable of detecting the temperature of the working fluid flowing into the pump;
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the determination unit determines the required cooling amount for the intake fluid based on a detection value detected by the third temperature detection unit.
前記判断手段は、該第4温度検出手段が検出した検出値に基づき、該吸気系流体に対する前記冷却要求量を判断する請求項1記載の廃熱利用装置。 A fourth temperature detecting means capable of detecting the temperature of the intake system fluid flowing into the boiler;
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the determination unit determines the required cooling amount for the intake system fluid based on a detection value detected by the fourth temperature detection unit.
前記判断手段は、該圧力検出手段が検出した検出値に基づき、前記吸気系流体に対する前記冷却要求量を判断する請求項1記載の廃熱利用装置。 Pressure detecting means capable of detecting the pressure of the working fluid from the downstream of the expander to the upstream of the pump;
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the determination unit determines the required cooling amount for the intake system fluid based on a detection value detected by the pressure detection unit.
前記制御手段は、該流量調整弁を制御する請求項1乃至8のいずれか1項記載の廃熱利用装置。 A bypass path that branches from the pipe downstream of the boiler, bypasses the expander and joins the pipe, a flow rate of the working fluid flowing into the expander, and a flow rate of the working fluid flowing into the bypass path And an adjustable flow rate adjustment valve,
The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the control means controls the flow rate adjustment valve.
前記制御手段は該発電機の負荷を制御する請求項1乃至9のいずれか1項記載の廃熱利用装置。 The expander can drive a generator;
The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the control means controls a load of the generator.
前記ボイラは、該加圧空気と前記作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラである請求項1乃至10のいずれか1項記載の廃熱利用装置。 The drive system has a supercharger that supplies pressurized air that is the intake system fluid to the internal combustion engine,
The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the boiler is a pressurized air boiler that exchanges heat between the pressurized air and the working fluid.
前記ボイラは、該還流排気と前記作動流体との間で熱交換を行う還流排気ボイラである請求項1乃至10のいずれか1項記載の廃熱利用装置。 The drive system has an exhaust gas recirculation path for recirculating a part of exhaust gas generated in the internal combustion engine to the internal combustion engine as recirculated exhaust gas that is the intake system fluid,
The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the boiler is a recirculation exhaust boiler that exchanges heat between the recirculation exhaust and the working fluid.
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