JP2013181394A - Waste heat recovery device of engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat recovery device of an engine, which can rapidly elevate a cooling water temperature by using Rankine cycle during a warm-up period or the like of the engine and can early complete the warm-up.SOLUTION: An exhaust side heat exchanger 48 installed in an exhaust passage 45 of an engine 2, a cooling water side heat exchanger 51 disposed in a cooling water passage 52, and an expander 64 are connected into a loop through a working fluid passage 63; and a bypass 70 bypassing the expander 64 is disposed. During warming up the engine 2, a working fluid is changed into superheated vapor by heat exchange with exhaust gas in the exhaust side heat exchanger 48, then bypasses the expander 64 by switching of third and fourth valves 68, 69 and circulated into the cooling water side heat exchanger 51. Thus, a temperature of the cooling water can be rapidly elevated by heat exchanging with a working fluid of high temperature and high pressure which is not depressurized nor expanded in the expander 64. After warm-up is completed, the working fluid is circulated into the expander 64 by the switching of the third and fourth valves 68, 69 to extract power which is used to drive an electric power generator 66.

Description

本発明はエンジンの廃熱回収装置に係り、詳しくはサイクル内で循環する作動流体をエンジンから排出される排ガスと熱交換させ、発生した過熱蒸気を減圧膨張させて動力や電力として取り出す所謂ランキンサイクルを利用したエンジンの廃熱回収装置に関する。   BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an engine waste heat recovery device, and more specifically, a so-called Rankine cycle in which a working fluid circulating in a cycle exchanges heat with exhaust gas exhausted from the engine, The present invention relates to a waste heat recovery device for an engine using the above.

従来よりエンジンから排出される排ガスの廃熱を有効利用すべく、ランキンサイクルを利用したエンジンの廃熱回収装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
当該特許文献1に開示された技術では、サイクル内で循環する作動流体を蒸気発生器でエンジンの排ガスと熱交換させ、過熱蒸気に変化した作動流体を膨張器で減圧膨張させて動力として取り出し、その動力により発電機を駆動して発電している。さらに減圧膨張後の作動流体に残存している熱も利用すべく、エンジンの冷態始動時などには、作動流体をエンジンの冷却水と熱交換することにより冷却水を昇温させて暖機時間の短縮化を図っている。
Conventionally, an engine waste heat recovery device using a Rankine cycle has been proposed in order to effectively use waste heat of exhaust gas discharged from the engine (see, for example, Patent Document 1).
In the technology disclosed in Patent Document 1, the working fluid circulating in the cycle is heat-exchanged with the exhaust gas of the engine with a steam generator, and the working fluid changed to superheated steam is decompressed and expanded with an expander and taken out as power, A generator is driven by the power to generate electricity. Furthermore, in order to use the heat remaining in the working fluid after decompression and expansion, when the engine starts cold, the working fluid is heated with the engine cooling water to warm up the cooling water. Time is shortened.

特開2005−42618号公報JP 2005-42618 A

しかしながら、減圧膨張後の作動流体に残存する熱量はそれほど多くはない。これはエンジン冷却水との間で十分な熱交換が望めないことを意味し、冷却水温を迅速に昇温不能なためエンジン暖機時間をほとんど短縮できないという問題があった。従って、エンジン暖機が長引き、未燃炭化水素(HC)が増加すると共に燃料増量に起因する燃費悪化も発生し、その対策が従来から要望されていた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジンの暖機時などにランキンサイクルを利用して冷却水温を速やかに上昇させて早期に暖機完了でき、ひいては未燃炭化水素の低減及び燃費改善を達成することができるエンジンの廃熱回収装置を提供することにある。
However, the amount of heat remaining in the working fluid after expansion under reduced pressure is not so much. This means that sufficient heat exchange with the engine cooling water cannot be expected, and there has been a problem that the engine warm-up time can hardly be shortened because the cooling water temperature cannot be quickly raised. Therefore, engine warm-up has been prolonged, unburned hydrocarbons (HC) have increased, and fuel consumption has also deteriorated due to fuel increase, and countermeasures have been conventionally demanded.
The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to quickly raise the cooling water temperature by using the Rankine cycle when the engine is warmed up, etc. It is an object of the present invention to provide a waste heat recovery device for an engine that can be completed and that can achieve reduction of unburned hydrocarbons and improvement of fuel consumption.

上記目的を達成するため、請求項1の発明は、サイクル内の作動流体を循環させるポンプと、エンジンから排出される排ガスとサイクル内の作動流体とを熱交換する第1の熱交換器と、第1の熱交換器によって熱交換した作動流体を減圧膨張させる膨張器と、エンジンの冷却水とサイクル内の作動流体とを熱交換する第2の熱交換器と、サイクル内の作動流体を膨張器からバイパスさせる第1のバイパス通路と、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度が予め設定された判定値以上の場合は作動流体を第1のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は作動流体を第1のバイパス通路に流通させるように切換制御する第1の切換手段とを備えたものである。   In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides a pump that circulates a working fluid in a cycle, a first heat exchanger that exchanges heat between exhaust gas discharged from an engine and the working fluid in the cycle, An expander that decompresses and expands the working fluid heat-exchanged by the first heat exchanger, a second heat exchanger that exchanges heat between the engine coolant and the working fluid in the cycle, and expands the working fluid in the cycle A first bypass passage to be bypassed from the vessel, cooling water temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water, and operation when the temperature of the cooling water detected by the cooling water temperature detecting means is equal to or higher than a predetermined determination value. And a first switching means for performing switching control so that the working fluid flows through the first bypass passage when the temperature of the cooling water is lower than the determination value without flowing the fluid through the first bypass passage. .

請求項2の発明は、請求項1において、走行用駆動源としてエンジンと共に走行用バッテリにより駆動される走行用モータを備えたハイブリッド車両に搭載され、作動流体の減圧膨張により膨張器が発電機を駆動し、発電電力を走行用バッテリに充電するものである。
請求項3の発明は、請求項1または2において、エンジンに備えられたターボチャージャーのタービンの上流側からコンプレッサの下流側に排ガスをEGRガスとして環流する高圧側EGRシステムと、高圧側EGRシステムにより環流される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する高圧側EGRクーラと、冷却水の温度が判定値以上の場合は作動流体を高圧側EGRクーラに流通させる第2の切換手段とを備えたものである。
The invention of claim 2 is mounted on a hybrid vehicle having a travel motor driven by a travel battery together with an engine as a travel drive source in claim 1, and the expander is configured to generate a generator by decompression and expansion of the working fluid. The battery is driven and the generated power is charged to the battery for traveling.
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the high pressure side EGR system for circulating the exhaust gas as EGR gas from the upstream side of the turbine of the turbocharger provided in the engine to the downstream side of the compressor, and the high pressure side EGR system A high-pressure side EGR cooler for exchanging heat between the exhaust gas to be recirculated and the working fluid in the cycle; and a second switching means for circulating the working fluid to the high-pressure side EGR cooler when the temperature of the cooling water is equal to or higher than a determination value. It is provided.

請求項4の発明は、請求項3において、ターボチャージャーのタービンの下流側からコンプレッサの上流側に排ガスをEGRガスとして環流する低圧側EGRシステムと、低圧側EGRシステムにより環流される排ガスとサイクル内の作動流体とを熱交換する低圧側EGRクーラと、冷却水の温度が判定値以上の場合は作動流体を低圧側EGRクーラに流通させる第3の切換手段とを備えたものである。
請求項5の発明は、請求項4において、冷却水の温度が判定値以上の場合に、膨張器で減圧膨張後の作動流体を第2の熱交換器、低圧側EGRクーラ、高圧側EGRクーラの順に流通させるものである。
請求項6の発明は、請求項1乃至4において、低圧側EGRシステムにより環流される排ガスを前記低圧側EGRクーラからバイパスさせる第2のバイパス路と、冷却水の温度が判定値以上の場合は排ガスを第2のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は排ガスを第2のバイパス通路に流通させるように切換制御する第4の切換手段とを備えたものである。
According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the low-pressure side EGR system that recirculates the exhaust gas as EGR gas from the downstream side of the turbocharger turbine to the upstream side of the compressor, and the exhaust gas recirculated by the low-pressure side EGR system and the in-cycle A low pressure side EGR cooler for exchanging heat with the working fluid, and a third switching means for circulating the working fluid to the low pressure side EGR cooler when the temperature of the cooling water is equal to or higher than a determination value.
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value, the working fluid that has been decompressed and expanded by the expander is used as the second heat exchanger, the low-pressure side EGR cooler, In order.
A sixth aspect of the present invention provides the second bypass passage for bypassing the exhaust gas recirculated by the low-pressure side EGR system from the low-pressure side EGR cooler and the temperature of the cooling water in the first to fourth aspects when the temperature of the cooling water is equal to or higher than a determination value. And a fourth switching means for performing switching control so that the exhaust gas is allowed to flow through the second bypass passage when the temperature of the cooling water is lower than the determination value without flowing the exhaust gas through the second bypass passage.

以上説明したように請求項1の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、第1の熱交換器、膨張器、第2の熱交換器の順に作動流体を循環させると共に、作動流体を膨張器からバイパスさせる第1のバイパス路を設け、冷却水の温度が判定値以上の場合は第1の切換手段により作動流体を第1のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は作動流体を第1のバイパス通路に流通させるようにした。
従って、冷却水の温度が判定値未満となるエンジンの暖機時には作動流体が第1のバイパス路を流通し、膨張器で減圧膨張していない高温高圧の作動流体が第2の熱交換機で冷却水と熱交換される。よって、冷却水を迅速に昇温させて早期に暖機完了でき、ひいては未燃炭化水素の低減及び燃費改善を達成することができる。
また、冷却水の温度が判定値以上となるエンジンの暖機完了後には、作動流体が膨張器を流通して減圧膨張により動力を取出し可能となる。そして、減圧膨張後の作動流体が第2の熱交換器で既に温度上昇した冷却水と熱交換されて予熱されるため、その後の第1の熱交換器での過熱蒸気の生成を促進でき、ランキンサイクルの効率を高めることができる。
As described above, according to the engine waste heat recovery apparatus of the first aspect, the working fluid is circulated in the order of the first heat exchanger, the expander, and the second heat exchanger, and the working fluid is expanded. When the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value, the first switching means does not allow the working fluid to flow through the first bypass passage, and the temperature of the cooling water is lower than the determination value. In such a case, the working fluid was allowed to flow through the first bypass passage.
Accordingly, when the engine is warmed up when the temperature of the cooling water is less than the determination value, the working fluid flows through the first bypass passage, and the high-temperature and high-pressure working fluid that has not been decompressed and expanded by the expander is cooled by the second heat exchanger. Heat exchanged with water. Therefore, it is possible to quickly raise the temperature of the cooling water and complete warm-up at an early stage, thereby achieving reduction of unburned hydrocarbons and improvement of fuel consumption.
In addition, after the engine warm-up when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value, the working fluid can flow through the expander and take out power by decompression expansion. And since the working fluid after decompression expansion is heat-exchanged with the cooling water whose temperature has already increased in the second heat exchanger and preheated, it is possible to promote the generation of superheated steam in the subsequent first heat exchanger, Rankine cycle efficiency can be increased.

請求項2の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項1に加えて、膨張器により発電機を駆動して発電電力をハイブリッド車両の走行用バッテリに充電するようにした。従って、エンジンの廃熱を走行用バッテリの充電に有効利用することができる。
請求項3の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項1または2に加えて、冷却水の温度が判定値以上の場合に作動流体を高圧側EGRクーラに流通させるようにした。従って、膨張器で減圧膨張後の作動流体は第2の熱交換器で予熱されると共に、高圧側EGRクーラでも排ガスとの熱交換により予熱され、その後の第1の熱交換器での過熱蒸気の生成を一層促進することができる。
According to the engine waste heat recovery apparatus of the second aspect of the present invention, in addition to the first aspect, the generator is driven by the expander to charge the generated power to the traveling battery of the hybrid vehicle. Therefore, the waste heat of the engine can be effectively used for charging the traveling battery.
According to the waste heat recovery device for an engine of the invention of claim 3, in addition to claim 1 or 2, when the temperature of the cooling water is equal to or higher than a determination value, the working fluid is circulated to the high pressure side EGR cooler. Accordingly, the working fluid after decompression and expansion by the expander is preheated by the second heat exchanger, and is also preheated by the heat exchange with the exhaust gas in the high pressure side EGR cooler, and then the superheated steam in the first heat exchanger. Can be further promoted.

請求項4の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項3に加えて、冷却水の温度が判定値以上の場合に作動流体を低圧側EGRクーラに流通させるようにした。従って、膨張器で減圧膨張後の作動流体は第2の熱交換器及び高圧側EGRクーラで予熱されると共に、低圧側EGRクーラでも排ガスとの熱交換により予熱され、その後の第1の熱交換器での過熱蒸気の生成を一層促進することができる。
請求項5の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項4に加えて、相対的に低温の第2の熱交換器、中間温度の低圧側EGRクーラ、高温の高圧側EGRクーラの順に作動流体を流通させるようにした。従って、作動流体の温度を高温側に段階的に移行でき、熱交換時のロスを回避して作動流体の予熱効果を最大限に得ることができる。
According to the waste heat recovery apparatus for an engine of the invention of claim 4, in addition to claim 3, when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value, the working fluid is circulated to the low pressure side EGR cooler. Accordingly, the working fluid after decompression expansion by the expander is preheated by the second heat exchanger and the high pressure side EGR cooler, and also preheated by the heat exchange with the exhaust gas in the low pressure side EGR cooler, and then the first heat exchange thereafter. The generation of superheated steam in the vessel can be further promoted.
According to the engine waste heat recovery apparatus of the fifth aspect of the present invention, in addition to the fourth aspect, the relatively low temperature second heat exchanger, the intermediate temperature low pressure side EGR cooler, and the high temperature high pressure side EGR cooler The working fluid was circulated in order. Therefore, the temperature of the working fluid can be shifted stepwise to the high temperature side, and loss during heat exchange can be avoided to obtain the preheating effect of the working fluid to the maximum.

請求項6の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項1乃至4に加えて、排ガスを低圧側EGRクーラからバイパスさせる第2のバイパス路を設け、冷却水の温度が判定値以上の場合は排ガスを第2のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は排ガスを第2のバイパス通路に流通させるようにした。
従って、冷却水の温度が判定値未満になるエンジンの暖機時には、排ガスが低圧側EGRクーラを流れることなく第2のバイパス路に流通する。エンジンの暖機時に排ガスを低圧側EGRクーラで冷却すると、筒内に流入する吸気温度が低下して未燃炭化水素の増加や暖機の妨げになるが、このような不具合を防止することができる。
According to the engine waste heat recovery apparatus of the sixth aspect of the present invention, in addition to the first to fourth aspects, the second bypass passage for bypassing the exhaust gas from the low-pressure side EGR cooler is provided, and the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value. In this case, the exhaust gas is not allowed to flow through the second bypass passage, and when the temperature of the cooling water is lower than the determination value, the exhaust gas is allowed to flow through the second bypass passage.
Therefore, at the time of engine warm-up when the temperature of the cooling water is lower than the determination value, the exhaust gas flows through the second bypass passage without flowing through the low-pressure side EGR cooler. If the exhaust gas is cooled by the low-pressure EGR cooler when the engine is warmed up, the temperature of the intake air flowing into the cylinder decreases, which increases unburned hydrocarbons and prevents warm-up. it can.

実施形態のエンジンの廃熱回収装置が適用されたハイブリッド電気自動車を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a hybrid electric vehicle to which an engine waste heat recovery apparatus of an embodiment is applied. 廃熱回収装置の構成を示す詳細図である。It is detail drawing which shows the structure of a waste heat recovery apparatus.

以下、本発明を具体化したエンジンの廃熱回収装置の一実施形態を説明する。
図1は本実施形態のエンジンの廃熱回収装置が適用されたハイブリッド電気自動車を示す全体構成図である。廃熱回収装置の説明に先立って、まず同図に基づき車両全体の構成について述べる。
ハイブリッド電気自動車1はいわゆるパラレル型ハイブリッド車両であり、本実施形態ではトラックとして構成されている。なお、以下の説明では、ハイブリッド電気自動車1を車両と称する場合もある。
ディーゼルエンジン(以下、エンジンという)2の出力軸には走行用クラッチ4の入力軸が連結されており、走行用クラッチ4の出力軸には例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能な走行用モータ6の回転軸を介して自動変速機8の入力軸が連結されている。自動変速機8は一般的な手動変速機をベースとして走行用クラッチ4の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進6速後退1速の変速段を有し、発進段としては第2速が設定されている。当然ながら、エンジン2や変速機8の形式はこれに限定されるものではなく任意に変更可能であり、例えばガソリンエンジンに具体化したり、通常の手動変速機に具体化したりしてもよい。
Hereinafter, an embodiment of an engine waste heat recovery apparatus embodying the present invention will be described.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a hybrid electric vehicle to which the engine waste heat recovery apparatus of the present embodiment is applied. Prior to the description of the waste heat recovery apparatus, first, the configuration of the entire vehicle will be described with reference to FIG.
The hybrid electric vehicle 1 is a so-called parallel type hybrid vehicle, and is configured as a truck in this embodiment. In the following description, the hybrid electric vehicle 1 may be referred to as a vehicle.
An input shaft of a travel clutch 4 is connected to an output shaft of a diesel engine (hereinafter referred to as an engine) 2, and the output shaft of the travel clutch 4 is capable of generating power, such as a permanent magnet synchronous motor. The input shaft of the automatic transmission 8 is connected via the rotating shaft of the motor 6 for use. The automatic transmission 8 automates the connection / disconnection operation of the traveling clutch 4 and the shift speed switching operation based on a general manual transmission. In this embodiment, the shift speed of 6 forward speeds and 1 reverse speed is changed. And the second speed is set as the starting stage. Of course, the types of the engine 2 and the transmission 8 are not limited to this, and can be arbitrarily changed. For example, the engine 2 or the transmission 8 may be embodied in a gasoline engine or a normal manual transmission.

また、変速機8の出力軸はプロペラシャフト10、差動装置12及び駆動軸14を介して左右の駆動輪16に接続されている。従って、走行用クラッチ4の切断時には走行用モータ6のみが変速機8を介して駆動輪16側と連結され、走行用クラッチ4の接続時にはエンジン2及び走行用モータ6が共に変速機8を介して駆動輪16側と連結される。
走行用モータ6は、走行用バッテリ18に蓄えられた直流電力がインバータ20によって交流電力に変換されて供給されることによりモータとして作動し、その駆動トルクが変速機8により適宜変速された後に駆動輪16に伝達されることにより車両1を走行させる。また、アクセルオフにより車両1が減速する惰行運転時には、走行用モータ6が発電機として作動して交流電力を発電すると共に、回生トルクを発生させて駆動輪16に制動力を作用させながら車両1を減速させる。そして、発電された交流電力はインバータ20によって直流電力に変換された後にバッテリ18に充電され、これにより車両1の減速エネルギが電気エネルギとして回収されて、その後に走行用モータ6による走行に有効利用される。
The output shaft of the transmission 8 is connected to the left and right drive wheels 16 via a propeller shaft 10, a differential device 12 and a drive shaft 14. Therefore, when the travel clutch 4 is disconnected, only the travel motor 6 is connected to the drive wheel 16 side via the transmission 8, and when the travel clutch 4 is connected, both the engine 2 and the travel motor 6 are connected via the transmission 8. To the drive wheel 16 side.
The traveling motor 6 operates as a motor when DC power stored in the traveling battery 18 is converted into AC power by the inverter 20 and supplied, and is driven after its drive torque is appropriately shifted by the transmission 8. The vehicle 1 is caused to travel by being transmitted to the wheel 16. Further, during coasting operation in which the vehicle 1 decelerates due to the accelerator being off, the traveling motor 6 operates as a generator to generate AC power, while generating regenerative torque and applying braking force to the drive wheels 16, the vehicle 1. Decelerate. Then, the generated AC power is converted into DC power by the inverter 20 and then charged to the battery 18, whereby the deceleration energy of the vehicle 1 is recovered as electric energy, and is then effectively used for traveling by the traveling motor 6. Is done.

一方、エンジン2の駆動力は、走行用クラッチ4が接続されているときに走行用モータ6の回転軸を経由して変速機8に伝達され、適宜変速された後に駆動輪16に伝達される。従って、エンジン2の駆動力が駆動輪16に伝達されているとき、走行用モータ6がモータとして作動しない場合には、エンジン2の駆動力のみが変速機8を介して駆動輪16に伝達され、走行用モータ6がモータとして作動する場合には、エンジン2及び走行用モータ6の駆動力が共に変速機8を介して駆動輪16に伝達されることになる。   On the other hand, the driving force of the engine 2 is transmitted to the transmission 8 via the rotating shaft of the traveling motor 6 when the traveling clutch 4 is connected, and is transmitted to the drive wheels 16 after being appropriately shifted. . Therefore, when the driving force of the engine 2 is transmitted to the driving wheels 16 and the traveling motor 6 does not operate as a motor, only the driving force of the engine 2 is transmitted to the driving wheels 16 via the transmission 8. When the traveling motor 6 operates as a motor, both the driving force of the engine 2 and the traveling motor 6 are transmitted to the drive wheels 16 via the transmission 8.

また、バッテリ18の残存容量(SOC:State Of Charge)が低下してバッテリ18の充電が必要になると、車両1の走行中であっても走行用モータ6が発電機として作動すると共に、エンジン2の駆動力の一部を用いて走行用モータ6を作動することにより発電が行われ、発電された交流電力をインバータ20によって直流電力に変換した後にバッテリ18に充電するようにしている。
車両ECU22は、車両1やエンジン2の運転状態、及びエンジンECU24、インバータECU26並びにバッテリECU28からの情報などに応じて、図示しないアクチュエータを駆動制御して走行用クラッチ4の断接制御及び変速機8の変速制御を行うと共に、これらの制御状態や車両1の走行状態に合わせてエンジン2や走行用モータ6を適切に運転するための統合制御を行う。
When the remaining capacity (SOC) of the battery 18 decreases and the battery 18 needs to be charged, the traveling motor 6 operates as a generator even when the vehicle 1 is traveling, and the engine 2 Electricity is generated by operating the traveling motor 6 using a part of the driving force, and the battery 18 is charged after the generated AC power is converted into DC power by the inverter 20.
The vehicle ECU 22 drives and controls an actuator (not shown) according to the operation state of the vehicle 1 and the engine 2 and information from the engine ECU 24, the inverter ECU 26, and the battery ECU 28, and the connection / disconnection control of the traveling clutch 4 and the transmission 8. And the integrated control for appropriately operating the engine 2 and the traveling motor 6 in accordance with these control states and the traveling state of the vehicle 1 are performed.

そして車両ECU22には、このような制御のために、アクセルペダル30の操作量Accを検出するアクセルセンサ32、車両1の速度Vを検出する車速センサ34、エンジン2の出力軸の回転速度Neを検出するエンジン回転速度センサ35、走行用モータ6の回転速度Ng(変速機8の入力回転速度)を検出する電動機回転速度センサ36、及びブレーキペダル39の踏込操作を検出するブレーキセンサ40などのセンサ類が接続されている。これらの検出情報に基づき車両ECU22は、車両1の走行に必要な要求トルクを演算し、この要求トルクをエンジン2側と走行用モータ6側とに配分する。
また、これと並行して要求トルク、車両1の走行状態、エンジン2及び走行用モータ6の運転状態、或いはバッテリ18のSOCなどに基づき走行モード(エンジン走行、モータ走行、エンジン・モータ走行)を選択し、選択した走行モードを実行すべくエンジンECU24及びインバータECU26に指令を出力すると共に、適宜変速機8の変速制御を実行する。
エンジンECU24は、車両ECU22によって設定された走行モード及びエンジントルクを達成するように、噴射量制御や噴射時期制御を実行してエンジン2を運転させる。
また、インバータECU26は、車両ECU22によって設定された走行モード及び走行用モータ6のトルクを達成するように、インバータ20を駆動制御して走行用モータ6を力行制御によりモータ作動させたり、回生制御によりジェネレータ作動させたりする。
For such control, the vehicle ECU 22 receives an accelerator sensor 32 for detecting the operation amount Acc of the accelerator pedal 30, a vehicle speed sensor 34 for detecting the speed V of the vehicle 1, and a rotational speed Ne of the output shaft of the engine 2. Sensors such as an engine rotational speed sensor 35 for detecting, an electric motor rotational speed sensor 36 for detecting the rotational speed Ng of the traveling motor 6 (input rotational speed of the transmission 8), and a brake sensor 40 for detecting the depression operation of the brake pedal 39 Is connected. Based on these pieces of detection information, the vehicle ECU 22 calculates a required torque necessary for traveling of the vehicle 1 and distributes the required torque to the engine 2 side and the traveling motor 6 side.
In parallel with this, the travel mode (engine travel, motor travel, engine / motor travel) is set based on the required torque, the travel state of the vehicle 1, the operation state of the engine 2 and the travel motor 6, or the SOC of the battery 18. A command is output to the engine ECU 24 and the inverter ECU 26 to execute the selected travel mode, and the shift control of the transmission 8 is appropriately executed.
The engine ECU 24 operates the engine 2 by executing injection amount control and injection timing control so as to achieve the travel mode and engine torque set by the vehicle ECU 22.
Further, the inverter ECU 26 drives and controls the inverter 20 so as to achieve the travel mode and the torque of the travel motor 6 set by the vehicle ECU 22, and the motor is operated by the power running control or by the regeneration control. Activate the generator.

また、バッテリECU28は、バッテリ18の温度、バッテリ18の電圧、インバータ20とバッテリ18との間に流れる電流などを検出すると共に、これらの検出結果からバッテリ18のSOCを求め、そのSOCを検出結果と共に車両ECU22に出力する。
本実施形態の車両1は以上のように構成されており、そのエンジン2にはランキンサイクルを利用した廃熱回収装置が備えられている。以下、この廃熱回収装置の構成を図2に従って詳述する。
Further, the battery ECU 28 detects the temperature of the battery 18, the voltage of the battery 18, the current flowing between the inverter 20 and the battery 18, obtains the SOC of the battery 18 from these detection results, and detects the SOC. At the same time, it is output to the vehicle ECU 22.
The vehicle 1 according to the present embodiment is configured as described above, and the engine 2 is provided with a waste heat recovery device using a Rankine cycle. Hereinafter, the configuration of the waste heat recovery apparatus will be described in detail with reference to FIG.

エンジン2の吸気通路41には上流側より、ターボチャージャー42のコンプレッサ42a、インタークーラ43が配設され、吸気通路41の下流側はエンジン2の吸気マニホールド44に接続されている。なお、インタークーラ43はターボチャージャー42の過給により温度上昇した吸入空気を冷却する機能を奏するが、その形式は空冷式でも水冷式でもよい。
また、エンジン2の排気マニホールド45には排気通路46が接続され、排気通路46には上流側より、上記ターボチャージャー42のコンプレッサ42aに対して同軸上に設けられたタービン42b、後処理装置47、蒸気発生器として機能する排気側熱交換器48(第1の熱交換器)、及び図示しない消音器が配設されている。なお、本実施形態では、後処理装置47をDPF(ディーゼルパティキュレートフィルタ)及びSCR(選択還元型NOx触媒)で構成したが、これに限ることはなく任意に変更可能である。
A compressor 42 a and an intercooler 43 of a turbocharger 42 are disposed in the intake passage 41 of the engine 2 from the upstream side, and a downstream side of the intake passage 41 is connected to an intake manifold 44 of the engine 2. The intercooler 43 functions to cool the intake air whose temperature has been increased by supercharging of the turbocharger 42, but the type may be air-cooled or water-cooled.
Further, an exhaust passage 46 is connected to the exhaust manifold 45 of the engine 2, and a turbine 42 b provided on the same axis as the compressor 42 a of the turbocharger 42 from the upstream side of the exhaust passage 46, an aftertreatment device 47, An exhaust-side heat exchanger 48 (first heat exchanger) that functions as a steam generator and a silencer (not shown) are disposed. In the present embodiment, the post-processing device 47 is configured by DPF (diesel particulate filter) and SCR (selective reduction type NOx catalyst), but is not limited thereto and can be arbitrarily changed.

エンジン2の前方(図中の左方)にはクランク軸2aにより回転駆動される冷却ファン49が配設され、冷却ファン49の前側にはラジエータ50が設けられている。これらのエンジン2及びラジエータ50は冷却水側熱交換器51(第2の熱交換器)と共に冷却水路52を介してループ状に接続されている。
冷却水は図示しないポンプによりエンジン2、冷却水側熱交換器51、ラジエータ50の順に冷却水路52を循環し、エンジン2では冷却作用を奏し、ラジエータ50では放熱される。このためエンジン2の暖機完了後には、冷却水側熱交換器51を流通する冷却水の温度が100℃程度に達し、後述するようにランキンサイクルの作動流体(例えば純水など)との間で熱交換が行われる。
A cooling fan 49 that is rotationally driven by the crankshaft 2 a is disposed in front of the engine 2 (left side in the figure), and a radiator 50 is disposed in front of the cooling fan 49. The engine 2 and the radiator 50 are connected in a loop through a cooling water passage 52 together with a cooling water side heat exchanger 51 (second heat exchanger).
The cooling water is circulated through the cooling water passage 52 in the order of the engine 2, the cooling water side heat exchanger 51, and the radiator 50 by a pump (not shown). The engine 2 has a cooling action, and the radiator 50 radiates heat. For this reason, after the warm-up of the engine 2 is completed, the temperature of the cooling water flowing through the cooling water side heat exchanger 51 reaches about 100 ° C. Heat exchange takes place at.

排気マニホールド45の一側と吸気マニホールド44の入口付近とはHPL-EGR通路53を介して接続され、HPL-EGR通路53にはHPL-EGRバルブ54及びHPL-EGRクーラ55(高圧側EGRクーラ)が配設されている(高圧側EGRシステム)。また、排気通路46の後処理装置47の下流側と吸気通路41のコンプレッサ42aの上流側とはLPL-EGR通路56を介して接続され、LPL-EGR通路56にはLPL-EGRバルブ57及びLPL-EGRクーラ58(低圧側EGRクーラ)が配設されている(低圧側EGRシステム)。
HPL-EGRバルブ54及びLPL-EGRバルブ57は上記エンジンECU24により開度制御され、それに応じてエンジン2の排ガスがHPL-EGR通路53及びLPL-EGR通路56を経てそれぞれEGRガスとして吸気側に環流される。このためエンジン2の暖機完了後にはHPL-EGRクーラ55を流通する排ガスの温度が300〜500℃程度に達し、LPL-EGRクーラ58を流通する排ガスの温度が150〜200℃程度に達し、それぞれ後述するようにランキンサイクルの作動流体との間で熱交換が行われる。
One side of the exhaust manifold 45 and the vicinity of the inlet of the intake manifold 44 are connected via an HPL-EGR passage 53, and an HPL-EGR passage 53 is connected to an HPL-EGR valve 54 and an HPL-EGR cooler 55 (high pressure side EGR cooler). Is arranged (high pressure side EGR system). The downstream side of the aftertreatment device 47 of the exhaust passage 46 and the upstream side of the compressor 42a of the intake passage 41 are connected via an LPL-EGR passage 56. The LPL-EGR passage 56 is connected to an LPL-EGR valve 57 and an LPL. -An EGR cooler 58 (low pressure side EGR cooler) is provided (low pressure side EGR system).
The opening degree of the HPL-EGR valve 54 and the LPL-EGR valve 57 is controlled by the engine ECU 24, and the exhaust gas of the engine 2 is recirculated to the intake side as EGR gas through the HPL-EGR passage 53 and the LPL-EGR passage 56 accordingly. Is done. For this reason, after the warm-up of the engine 2 is completed, the temperature of the exhaust gas flowing through the HPL-EGR cooler 55 reaches about 300 to 500 ° C., and the temperature of the exhaust gas flowing through the LPL-EGR cooler 58 reaches about 150 to 200 ° C. As described later, heat exchange is performed with the working fluid of the Rankine cycle.

LPL-EGR通路56のLPL-EGRクーラ58の上流側には第1バルブ59(第4の切換手段)が介装され、この第1バルブ59の上流側とLPL-EGRクーラ58の下流側とはバイパス路61(第2のバイパス路)を介して接続され、バイパス通路61には第2バルブ60(第4の切換手段)が介装されている。
一方、上記した排気側熱交換器48、冷却水側熱交換器51、LPL-EGRクーラ58、及びHPL-EGRクーラ55は廃熱回収装置の作動流体路63を介してループ状に接続されている。排気側熱交換器48と冷却水側熱交換器51との間には膨張器64及びポンプ65が介装され、作動流体はポンプ65により排気側熱交換器48、膨張器64、冷却水側熱交換器51、LPL-EGRクーラ58、HPL-EGRクーラ55の順に作動流体路63を循環するようになっている。以下の説明では、この循環方向に従って作動流体路63の上流側と下流側とを規定する。
A first valve 59 (fourth switching means) is interposed on the upstream side of the LPL-EGR passage 58 in the LPL-EGR passage 56, and the upstream side of the first valve 59 and the downstream side of the LPL-EGR cooler 58. Are connected via a bypass passage 61 (second bypass passage), and a second valve 60 (fourth switching means) is interposed in the bypass passage 61.
On the other hand, the exhaust side heat exchanger 48, the cooling water side heat exchanger 51, the LPL-EGR cooler 58, and the HPL-EGR cooler 55 are connected in a loop through the working fluid path 63 of the waste heat recovery apparatus. Yes. An expander 64 and a pump 65 are interposed between the exhaust side heat exchanger 48 and the cooling water side heat exchanger 51, and the working fluid is pumped by the exhaust side heat exchanger 48, the expander 64, and the cooling water side. The working fluid path 63 is circulated in the order of the heat exchanger 51, the LPL-EGR cooler 58, and the HPL-EGR cooler 55. In the following description, the upstream side and the downstream side of the working fluid path 63 are defined according to the circulation direction.

膨張器64には発電機66が連結されており、後述するように過熱蒸気となった作動流体を膨張器64内で減圧膨張させて動力(回転力)を取り出し、その動力により発電機66を駆動して発電させるようになっている。
作動流体路63の膨張器64の上流側(排気側熱交換器48側)には第3バルブ68(第1の切換手段)が介装され、この第3バルブ68の上流側と膨張器64の下流側(ポンプ65側)とはバイパス路70(第1のバイパス路)を介して接続され、バイパス通路70には第4バルブ69(第1の切換手段)が介装されている。
A power generator 66 is connected to the expander 64, and the working fluid that has become superheated steam is decompressed and expanded in the expander 64 to extract power (rotational force) as described later, and the power generator 66 is driven by the power. Driven to generate electricity.
A third valve 68 (first switching means) is interposed on the upstream side (exhaust side heat exchanger 48 side) of the expander 64 in the working fluid path 63, and the upstream side of the third valve 68 and the expander 64. Is connected to the downstream side (pump 65 side) via a bypass passage 70 (first bypass passage), and a fourth valve 69 (first switching means) is interposed in the bypass passage 70.

また、作動流体路63のLPL-EGRクーラ58の上流側には第5バルブ71(第3の切換手段)が介装され、この第5バルブ71の上流側とLPL-EGRクーラ58の下流側とはバイパス路73を介して接続され、バイパス通路73には第6バルブ72(第3の切換手段)が介装されている。
また、作動流体路63のHPL-EGRクーラ55の上流側には第7バルブ74(第2の切換手段)が介装され、この第7バルブ74の上流側とHPL-EGRクーラ55の下流側とはバイパス路76を介して接続され、バイパス通路76には第8バルブ75(第2の切換手段)が介装されている。
Further, a fifth valve 71 (third switching means) is interposed on the upstream side of the LPL-EGR cooler 58 in the working fluid path 63, and the upstream side of the fifth valve 71 and the downstream side of the LPL-EGR cooler 58. Is connected via a bypass path 73, and a sixth valve 72 (third switching means) is interposed in the bypass path 73.
Further, a seventh valve 74 (second switching means) is interposed on the upstream side of the HPL-EGR cooler 55 in the working fluid path 63, and the upstream side of the seventh valve 74 and the downstream side of the HPL-EGR cooler 55. Is connected via a bypass path 76, and an eighth valve 75 (second switching means) is interposed in the bypass path 76.

ポンプ65及び第1〜8バルブ59,60,68,69,71,72,74,75はエンジンECU24に接続され、このエンジンECU24によりポンプ65の駆動制御と各バルブ59,60,68,69,71,72,74,75の開閉制御が行われるようになっている。
また、冷却水側熱交換器51には水温センサ78(冷却水温度検出手段)が配設され、冷却水側熱交換器51内に流入したエンジン冷却水の温度Twを検出してエンジンECU24に出力するようになっている。なお、水温センサ78の位置はこれに限ることはなく任意に変更可能であり、例えばエンジン2や冷却水路52の一側に設けてもよい。
The pump 65 and the first to eighth valves 59, 60, 68, 69, 71, 72, 74, 75 are connected to the engine ECU 24. The engine ECU 24 controls the driving of the pump 65 and the valves 59, 60, 68, 69, Opening / closing control of 71, 72, 74, 75 is performed.
Further, the cooling water side heat exchanger 51 is provided with a water temperature sensor 78 (cooling water temperature detecting means), and detects the temperature Tw of the engine cooling water flowing into the cooling water side heat exchanger 51 to the engine ECU 24. It is designed to output. The position of the water temperature sensor 78 is not limited to this, and can be arbitrarily changed. For example, the water temperature sensor 78 may be provided on one side of the engine 2 or the cooling water channel 52.

次に、このように構成されたエンジン2の廃熱回収装置の制御状況、特に各バルブ59,60,68,69,71,72,74,75の制御状況を説明する。
車両ECU22により走行モードとしてエンジン走行或いはエンジン・モータ走行が選択されると、エンジン2の運転指令を入力したエンジンECU24はエンジン2を始動して運転を開始すると共に、ポンプ65を駆動して作動流体路63内で作動流体を循環させる。これと並行してエンジンECUは水温センサ78により検出された冷却水温Twを予め設定された判定値Tw0と比較し、その比較結果に基づき、以下の表1に従って各バルブ59,60,68,69,71,72,74,75の開閉状態を切り換える。表中の○は開弁を表し、×は閉弁を表す。

Figure 2013181394
Next, the control status of the waste heat recovery device of the engine 2 configured as described above, particularly the control status of each valve 59, 60, 68, 69, 71, 72, 74, 75 will be described.
When engine travel or engine / motor travel is selected as the travel mode by the vehicle ECU 22, the engine ECU 24 that has input an operation command for the engine 2 starts the engine 2 and starts operation, and also drives the pump 65 to operate the working fluid. A working fluid is circulated in the passage 63. In parallel with this, the engine ECU compares the cooling water temperature Tw detected by the water temperature sensor 78 with a preset determination value Tw0, and based on the comparison result, each valve 59, 60, 68, 69 is shown in Table 1 below. , 71, 72, 74 and 75 are switched. In the table, ◯ represents valve opening, and X represents valve closing.

Figure 2013181394

判定値Tw0は、エンジン2の暖機が完了した時点の冷却水温が設定されている。従って、冷却水温Twが判定値Tw0未満の場合はエンジン2の暖機時と見なせ、また冷却水温Twが判定値Tw0以上の場合はエンジン2の暖機完了後と見なせる。
例えば、冷態のエンジン2を始動して暖機を開始すると、当初は冷却水温Twが判定値Tw0未満であることから、エンジンECU24は第2,4,6,8バルブ60,69,72,75を開弁し、第1,3,5,7バルブ59,68,71,74を閉弁する。
第1バルブ59が閉弁し、第2バルブ60が開弁しているため、排ガスはLPL-EGRクーラ58を流通することなくバイパス路61を経てエンジン2の吸気側に環流される。排ガス温度が比較的低いエンジン2の暖機時にLPL-EGRクーラ58で排ガスを冷却した場合、筒内に流入する吸気温度が低下して未燃炭化水素の増加や暖機の妨げになるが、LPL-EGRクーラ58をバイパスさせることで不具合を防止できる。
The determination value Tw0 is set to the coolant temperature at the time when the engine 2 has been warmed up. Accordingly, when the cooling water temperature Tw is lower than the determination value Tw0, it can be considered that the engine 2 is warmed up, and when the cooling water temperature Tw is equal to or higher than the determination value Tw0, it can be considered that the engine 2 has been warmed up.
For example, when the cold engine 2 is started to warm up, the cooling water temperature Tw is initially lower than the determination value Tw0, so the engine ECU 24 has the second, fourth, sixth and eighth valves 60, 69, 72, 75 is opened, and the first, third, fifth and seventh valves 59, 68, 71 and 74 are closed.
Since the first valve 59 is closed and the second valve 60 is opened, the exhaust gas is circulated to the intake side of the engine 2 via the bypass passage 61 without flowing through the LPL-EGR cooler 58. When exhaust gas is cooled by the LPL-EGR cooler 58 during warm-up of the engine 2 where the exhaust gas temperature is relatively low, the temperature of the intake air flowing into the cylinder decreases, which increases unburned hydrocarbons and prevents warm-up. Problems can be prevented by bypassing the LPL-EGR cooler 58.

また、エンジン2の運転継続により、冷却水温Twの上昇に先行して排ガスの温度は上昇する。排気側熱交換器48では排ガスと作動流体との熱交換が行われ、作動流体は液相から高温高圧の過熱蒸気に変化する。
第3バルブ68が閉弁し、第4バルブ69が開弁しているため、排気側熱交換器48から流出した作動流体は膨張器64を流れることなくバイパス路70を流通する。その後の作動流体は冷却水側熱交換器51を流通し、第5バルブ71が閉弁し、第6バルブ72が開弁しているため、LPL-EGRクーラ58を流れることなくバイパス路73を流通する。さらに、第7バルブ74が閉弁し、第8バルブ75が開弁しているため、作動流体はHPL-EGRクーラ55を流れることなくバイパス路76を流通して排気側熱交換器48に戻され、以上の循環を作動流体路63内で繰り返す。
Further, as the engine 2 continues to operate, the temperature of the exhaust gas rises prior to the rise in the coolant temperature Tw. In the exhaust side heat exchanger 48, heat exchange between the exhaust gas and the working fluid is performed, and the working fluid changes from a liquid phase to high-temperature and high-pressure superheated steam.
Since the third valve 68 is closed and the fourth valve 69 is opened, the working fluid that has flowed out of the exhaust-side heat exchanger 48 flows through the bypass 70 without flowing through the expander 64. Thereafter, the working fluid flows through the coolant side heat exchanger 51, the fifth valve 71 is closed, and the sixth valve 72 is opened, so that the bypass path 73 does not flow through the LPL-EGR cooler 58. Circulate. Further, since the seventh valve 74 is closed and the eighth valve 75 is opened, the working fluid flows through the bypass passage 76 without flowing through the HPL-EGR cooler 55 and returns to the exhaust-side heat exchanger 48. The above circulation is repeated in the working fluid path 63.

エンジン2の暖機時には未だ冷却水温Twが低く(<Tw0)、未燃炭化水素や燃費の面から迅速な冷却水の昇温が要望される。排気側熱交換器48で昇温した作動流体は膨張器64をバイパスして冷却水側熱交換器51を流通する。このため冷却水側熱交換器51では、膨張器64で減圧膨張していない高温高圧の作動流体と冷却水との間で熱交換が行われる。よって、冷却水を迅速に昇温させて早期に暖機完了でき、ひいては未燃炭化水素の低減及び燃費改善を達成することができる。
加えて、冷却水側熱交換器51を流通後の作動流体はLPL-EGRクーラ58及びHPL-EGRクーラ55をバイパスするため、これらのEGRクーラ58,55で温度低下することなく排気側熱交換器48に戻される。よって、再び排気側熱交換器48で熱交換する際の作動流体の昇温が容易になり、その後の冷却水側熱交換器51の熱交換ではより高温の作動流体により冷却水を昇温でき、結果としてエンジン2の暖機を一層促進することができる。
When the engine 2 is warmed up, the cooling water temperature Tw is still low (<Tw0), and a rapid temperature increase of the cooling water is demanded from the viewpoint of unburned hydrocarbons and fuel consumption. The working fluid heated by the exhaust side heat exchanger 48 bypasses the expander 64 and flows through the cooling water side heat exchanger 51. For this reason, in the cooling water side heat exchanger 51, heat exchange is performed between the high-temperature and high-pressure working fluid that has not been decompressed and expanded by the expander 64 and the cooling water. Therefore, it is possible to quickly raise the temperature of the cooling water and complete warm-up at an early stage, thereby achieving reduction of unburned hydrocarbons and improvement of fuel consumption.
In addition, since the working fluid after passing through the cooling water side heat exchanger 51 bypasses the LPL-EGR cooler 58 and the HPL-EGR cooler 55, the exhaust side heat exchange is not performed by these EGR coolers 58 and 55 without temperature drop. Returned to vessel 48. Therefore, it is easy to raise the temperature of the working fluid when the heat is again exchanged by the exhaust side heat exchanger 48, and in the subsequent heat exchange of the cooling water side heat exchanger 51, the temperature of the cooling water can be raised by a higher temperature working fluid. As a result, warm-up of the engine 2 can be further promoted.

そして、冷却水温Twが上昇して判定値Tw0以上になると、エンジンECU24は第1,3,5,7バルブ59,68,71,74を開弁し、第2,4,6,8バルブ60,69,72,75を閉弁する。
第1バルブ59が開弁し、第2バルブ60が閉弁しているため、排ガスはバイパス路61を流通することなくLPL-EGRクーラ58を経てエンジン2の吸気側に環流される。よって、以下に述べるように排ガスはLPL-EGRクーラ58で作動流体との間で熱交換され、冷却後にエンジン2の吸気側に環流される。
また、この時点の排ガスは十分に温度上昇しているため、排気側熱交換器48では排ガスとの熱交換により作動流体が高温高圧の過熱蒸気に変化する。第3バルブ68が開弁し、第4バルブ69が閉弁しているため、作動流体はバイパス路70を流れることなく膨張器64を流通して減圧膨張する。膨張器64から取り出された動力により発電機66が駆動されて発電し、その発電電力はインバータ20により直流電力に変換されてバッテリ18に充電される。これによりエンジン2の廃熱が電気エネルギとして回収されて、その後に走行用モータ6による走行に有効利用される。
When the cooling water temperature Tw rises and becomes equal to or higher than the determination value Tw0, the engine ECU 24 opens the first, third, fifth, and seventh valves 59, 68, 71, and 74, and the second, fourth, sixth, and eighth valves 60. , 69, 72, 75 are closed.
Since the first valve 59 is opened and the second valve 60 is closed, the exhaust gas is circulated to the intake side of the engine 2 through the LPL-EGR cooler 58 without flowing through the bypass passage 61. Therefore, as described below, the exhaust gas is heat-exchanged with the working fluid by the LPL-EGR cooler 58 and is circulated to the intake side of the engine 2 after cooling.
Further, since the temperature of the exhaust gas at this time has sufficiently increased, the working fluid changes to high-temperature and high-pressure superheated steam in the exhaust-side heat exchanger 48 by heat exchange with the exhaust gas. Since the third valve 68 is opened and the fourth valve 69 is closed, the working fluid flows through the expander 64 without flowing through the bypass 70 and is decompressed and expanded. The generator 66 is driven by the power extracted from the expander 64 to generate power, and the generated power is converted into DC power by the inverter 20 and charged to the battery 18. As a result, the waste heat of the engine 2 is recovered as electric energy and is then effectively used for traveling by the traveling motor 6.

その後の作動流体は冷却水側熱交換器51を流通し、第5バルブ71が開弁し、第6バルブ72が閉弁しているため、バイパス路73を流れることなくLPL-EGRクーラ58を流通する。さらに、第7バルブ74が開弁し、第8バルブ75が閉弁しているため、作動流体はバイパス路76を流れることなくHPL-EGRクーラ55を流通して排気側熱交換器48に戻され、以上の循環を作動流体路63内で繰り返す。
エンジン2の暖機完了後は既に冷却水温Twが十分に上昇しており、上記のように冷却水側熱交換器51には100℃程度の冷却水が流通し、LPL-EGRクーラ58には150〜200℃程度の排ガスが流通し、HPL-EGRクーラ55には300〜500℃程度の排ガスが流通している。膨張器64で減圧膨張後の作動流体は、このような冷却水側熱交換器51、LPL-EGRクーラ58及びHPL-EGRクーラ55を流通して順次熱交換を行う。
Thereafter, the working fluid flows through the cooling water side heat exchanger 51, the fifth valve 71 is opened, and the sixth valve 72 is closed, so that the LPL-EGR cooler 58 is not flown through the bypass 73. Circulate. Further, since the seventh valve 74 is opened and the eighth valve 75 is closed, the working fluid flows through the HPL-EGR cooler 55 without flowing through the bypass passage 76 and returns to the exhaust-side heat exchanger 48. The above circulation is repeated in the working fluid path 63.
The cooling water temperature Tw has already risen sufficiently after the engine 2 has been warmed up. As described above, the cooling water side heat exchanger 51 is supplied with cooling water of about 100 ° C., and the LPL-EGR cooler 58 has An exhaust gas of about 150 to 200 ° C. is circulated, and an exhaust gas of about 300 to 500 ° C. is circulated through the HPL-EGR cooler 55. The working fluid that has been decompressed and expanded by the expander 64 flows through the cooling water side heat exchanger 51, the LPL-EGR cooler 58, and the HPL-EGR cooler 55, and sequentially performs heat exchange.

従って、その過程で作動流体は予熱され、かなり温度上昇した状態で排気側熱交換器48に戻される。よって、その後に排気側熱交換器48で熱交換する際の過熱蒸気の生成を促進でき、冷却水側熱交換器51ではより高温高圧の過熱蒸気を利用して発電機66を駆動できる。結果としてランキンサイクルの効率を高め、エンジン2の廃熱を最大限に有効利用することができる。
ここで、作動流体の流通順序は、相対的に低温の冷却水側熱交換器51、中間温度のLPL-EGRクーラ、高温のHPL-EGRクーラ55の順に設定されているため、作動流体の温度は高温側に段階的に移行することになる。これ以外の流通順序では、ある機器で昇温された作動流体がより低温の機器での熱交換により温度低下して予熱の効果が減少してしまう。上記のような作動流体の流通順序とすることで、熱交換時のロスを回避して作動流体の予熱効果を最大限に得ることができる。従って、排気側熱交換器48での過熱蒸気の生成を促進でき、ランキンサイクルの効率を一層向上させることができる。
Therefore, in the process, the working fluid is preheated and returned to the exhaust-side heat exchanger 48 in a state in which the temperature has risen considerably. Therefore, it is possible to promote the generation of superheated steam when performing heat exchange with the exhaust-side heat exchanger 48 thereafter, and the cooling water-side heat exchanger 51 can drive the generator 66 using higher-temperature and high-pressure superheated steam. As a result, the efficiency of the Rankine cycle can be increased and the waste heat of the engine 2 can be effectively utilized to the maximum extent.
Here, the flow order of the working fluid is set in the order of the relatively low temperature coolant side heat exchanger 51, the intermediate temperature LPL-EGR cooler, and the high temperature HPL-EGR cooler 55. Will gradually shift to the high temperature side. In other distribution sequences, the temperature of the working fluid heated by a certain device is lowered by heat exchange at a lower temperature device, and the effect of preheating is reduced. By adopting the flow order of the working fluid as described above, a loss during heat exchange can be avoided and the preheating effect of the working fluid can be obtained to the maximum. Therefore, generation of superheated steam in the exhaust-side heat exchanger 48 can be promoted, and the Rankine cycle efficiency can be further improved.

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ハイブリッド型トラック1に搭載されたエンジン2の廃熱回収装置に具体化したが、適用する車両はこれに限定されることはなく任意に変更可能である。例えばハイブリッド型のバスや乗用車に適用してもよいし、走行用駆動源としてエンジン2のみを備えたエンジン車両に適用してもよい。
また上記実施形態では、廃熱回収装置の作動流体路63にHPL-EGRクーラ55及びLPL-EGRクーラ58を設けたが、これに限ることはなく、これらのEGRクーラ55,58を省略してもよいし、何れか一方のみを設けてもよい。
This is the end of the description of the embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the above embodiment, the present invention is embodied in the waste heat recovery device for the engine 2 mounted on the hybrid truck 1, but the vehicle to be applied is not limited to this and can be arbitrarily changed. For example, the present invention may be applied to a hybrid bus or a passenger car, or may be applied to an engine vehicle including only the engine 2 as a driving source for traveling.
In the above embodiment, the HPL-EGR cooler 55 and the LPL-EGR cooler 58 are provided in the working fluid path 63 of the waste heat recovery apparatus. However, the present invention is not limited to this, and the EGR coolers 55 and 58 are omitted. Alternatively, only one of them may be provided.

また上記実施形態では、第1〜8バルブ59,60,68,69,71,72,74,75を完全に開弁または閉弁させたが、これらのバルブ制御に関しても限定されるものではない。例えば、各バルブ59,60,68,69,71,72,74,75を所定の開度に制御するようにしてもよい。
また上記実施形態では、廃熱回収装置の作動流体路63に凝縮器を備えなかったが、例えば膨張器64とポンプ65との間に凝縮器を設けてもよい。
また、上記実施形態では、作動流体を減圧膨張させて発電機66を駆動したが、エンジン2の廃熱利用はこれに限ることはなく、例えば取り出した動力を補助動力としてエンジン2のクランク軸2aに回収してもよい。
In the above embodiment, the first to eighth valves 59, 60, 68, 69, 71, 72, 74, and 75 are completely opened or closed. However, the valve control is not limited. . For example, each valve 59, 60, 68, 69, 71, 72, 74, 75 may be controlled to a predetermined opening.
Moreover, in the said embodiment, although the condenser was not provided in the working fluid path 63 of the waste heat recovery apparatus, you may provide a condenser between the expander 64 and the pump 65, for example.
In the above-described embodiment, the working fluid is decompressed and expanded to drive the generator 66. However, the use of waste heat of the engine 2 is not limited to this. For example, the crankshaft 2a of the engine 2 using the extracted power as auxiliary power. May be recovered.

2 エンジン
6 走行用モータ
18 走行用バッテリ
24 エンジンECU(第1〜4の切換手段)
42 ターボ
42a コンプレッサ
42b タービン
48 排気側熱交換器(第1の熱交換器)
51 冷却水側熱交換器(第2の熱交換器)
53 HPL-EGR通路(高圧側EGRシステム)
54 HPL-EGRバルブ(高圧側EGRシステム)
55 HPL-EGRクーラ(高圧側EGRクーラ)
56 LPL-EGR通路(低圧側EGRシステム)
57 LPL-EGRバルブ(低圧側EGRシステム)
58 LPL-EGRクーラ(低圧側EGRクーラ)
59 第1バルブ(第4の切換手段)
60 第2バルブ(第4の切換手段)
61 バイパス路(第2のバイパス路)
64 膨張器
65 ポンプ
66 発電機
68 第3バルブ(第1の切換手段)
69 第4バルブ(第1の切換手段)
70 バイパス路(第1のバイパス路)
71 第5バルブ(第3の切換手段)
72 第6バルブ(第3の切換手段)
74 第7バルブ(第2の切換手段)
75 第8バルブ(第2の切換手段)
78 水温センサ(冷却水検出手段)
2 Engine 6 Traveling motor 18 Traveling battery 24 Engine ECU (first to fourth switching means)
42 Turbo 42a Compressor 42b Turbine 48 Exhaust side heat exchanger (first heat exchanger)
51 Cooling water side heat exchanger (second heat exchanger)
53 HPL-EGR passage (high pressure side EGR system)
54 HPL-EGR valve (high pressure side EGR system)
55 HPL-EGR cooler (high pressure side EGR cooler)
56 LPL-EGR passage (low pressure side EGR system)
57 LPL-EGR valve (low pressure EGR system)
58 LPL-EGR cooler (low pressure EGR cooler)
59 First valve (fourth switching means)
60 Second valve (fourth switching means)
61 Bypass (second bypass)
64 expander 65 pump 66 generator 68 third valve (first switching means)
69 Fourth valve (first switching means)
70 Bypass (first bypass)
71 5th valve (3rd switching means)
72 6th valve (3rd switching means)
74 7th valve (second switching means)
75 8th valve (second switching means)
78 Water temperature sensor (cooling water detection means)

Claims (6)

サイクル内の作動流体を循環させるポンプと、
エンジンから排出される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する第1の熱交換器と、
前記第1の熱交換器によって熱交換した作動流体を減圧膨張させる膨張器と、
前記エンジンの冷却水と前記サイクル内の作動流体とを熱交換する第2の熱交換器と、
前記サイクル内の作動流体を前記膨張器からバイパスさせる第1のバイパス通路と、
前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度が予め設定された判定値以上の場合は作動流体を前記第1のバイパス通路に流さず、前記冷却水の温度が前記判定値未満の場合は作動流体を第1のバイパス通路に流通させるように切換制御する第1の切換手段と
を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
A pump for circulating the working fluid in the cycle;
A first heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas discharged from the engine and the working fluid in the cycle;
An expander that decompresses and expands the working fluid heat-exchanged by the first heat exchanger;
A second heat exchanger for exchanging heat between the engine coolant and the working fluid in the cycle;
A first bypass passage for bypassing working fluid in the cycle from the expander;
Cooling water temperature detecting means for detecting the temperature of the cooling water;
When the temperature of the cooling water detected by the cooling water temperature detecting means is equal to or higher than a preset determination value, the working fluid is not allowed to flow through the first bypass passage, and the temperature of the cooling water is lower than the determination value. And a first switching means for switching and controlling the working fluid to flow through the first bypass passage.
走行用駆動源として前記エンジンと共に走行用バッテリにより駆動される走行用モータを備えたハイブリッド車両に搭載され、
前記作動流体の減圧膨張により前記膨張器が発電機を駆動し、発電電力を前記走行用バッテリに充電することを特徴とする請求項2記載のエンジンの廃熱回収装置。
Mounted on a hybrid vehicle having a traveling motor driven by a traveling battery together with the engine as a traveling drive source,
The waste heat recovery apparatus for an engine according to claim 2, wherein the expander drives a generator by decompression expansion of the working fluid, and charges the generated battery with the generated power.
前記エンジンに備えられたターボチャージャーのタービンの上流側からコンプレッサの下流側に排ガスをEGRガスとして環流する高圧側EGRシステムと、
前記高圧側EGRシステムにより環流される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する高圧側EGRクーラと、
前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合は前記作動流体を前記高圧側EGRクーラに流通させる第2の切換手段と
を備えたことを特徴とする請求項1または2記載のエンジンの廃熱回収装置。
A high-pressure side EGR system that circulates exhaust gas as EGR gas from an upstream side of a turbine of a turbocharger provided in the engine to a downstream side of the compressor;
A high pressure side EGR cooler for exchanging heat between the exhaust gas recirculated by the high pressure side EGR system and the working fluid in the cycle;
3. The engine waste heat according to claim 1, further comprising: a second switching unit that causes the working fluid to flow to the high-pressure side EGR cooler when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value. Recovery device.
前記ターボチャージャーのタービンの下流側からコンプレッサの上流側に排ガスをEGRガスとして環流する低圧側EGRシステムと、
前記低圧側EGRシステムにより環流される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する低圧側EGRクーラと、
前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合は前記作動流体を前記低圧側EGRクーラに流通させる第3の切換手段と
を備えたことを特徴とする請求項3記載のエンジンの廃熱回収装置。
A low pressure side EGR system for circulating exhaust gas as EGR gas from the downstream side of the turbine of the turbocharger to the upstream side of the compressor;
A low pressure side EGR cooler for exchanging heat between the exhaust gas circulated by the low pressure side EGR system and the working fluid in the cycle;
4. The engine waste heat recovery apparatus according to claim 3, further comprising: a third switching unit that causes the working fluid to flow to the low-pressure side EGR cooler when the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value. .
前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合に、前記膨張器で減圧膨張後の作動流体を前記第2の熱交換器、前記低圧側EGRクーラ、前記高圧側EGRクーラの順に流通させることを特徴とする請求項4記載のエンジンの廃熱回収装置。   When the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value, the working fluid that has been decompressed and expanded by the expander is circulated in the order of the second heat exchanger, the low-pressure side EGR cooler, and the high-pressure side EGR cooler. The engine waste heat recovery apparatus according to claim 4, wherein 前記低圧側EGRシステムにより環流される排ガスを前記低圧側EGRクーラからバイパスさせる第2のバイパス路と、
前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合は排ガスを前記第2のバイパス通路に流さず、前記冷却水の温度が前記判定値未満の場合は排ガスを第2のバイパス通路に流通させるように切換制御する第4の切換手段と
を備えたことを特徴とする請求項1乃至4の何れか記載のエンジンの廃熱回収装置。
A second bypass path for bypassing the exhaust gas circulated by the low pressure side EGR system from the low pressure side EGR cooler;
When the temperature of the cooling water is equal to or higher than the determination value, the exhaust gas is not allowed to flow through the second bypass passage, and when the temperature of the cooling water is lower than the determination value, the exhaust gas is allowed to flow through the second bypass passage. The engine waste heat recovery apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising fourth switching means for performing switching control.
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