JP2015140668A - waste heat regeneration system - Google Patents

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裕之 武井
Hiroyuki Takei
裕之 武井
井口　雅夫
Masao Iguchi
雅夫 井口
英文 森
Hidefumi Mori
英文 森
榎島　史修
Fuminobu Enoshima
史修 榎島
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an intercooler capable of sufficiently cooling compressed air.SOLUTION: A waste heat regeneration system 100 using waste heat of an engine 12 includes a Rankine cycle circuit 10 which is formed by sequentially connecting a pump 2 for pressure-feeding a refrigerant, an intercooler 3 and an exhaust gas boiler 5 for heating the refrigerant, an expander 6 for collecting mechanical energy by expanding the heated refrigerant, and a condenser 8 for cooling and condensing the refrigerant after expansion, with a pipe 15. A first pipe 15a and a second pipe 15b on the downstream side of the condenser 8 and on the upstream side of the intercooler 3 are covered with heat insulating materials 17a and 17b.

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを用いて車両のエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムに関する。   The present invention relates to a waste heat regeneration system, and more particularly to a waste heat regeneration system that uses waste heat of a vehicle engine using a Rankine cycle.

エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクル回路を利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱する熱交換器と、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとから構成される。ここで、特許文献１の廃熱回生システムには、過給機によって圧縮された吸入空気を冷却するためのインタークーラが、熱交換器として設けられている。   Waste heat regeneration systems for vehicles using Rankine cycle circuits that recover mechanical energy (power) from engine waste heat have been developed. A general Rankine cycle circuit includes a pump that pumps working fluid, a heat exchanger that heats the working fluid by exchanging heat with engine waste heat, and expands the heated working fluid to recover mechanical energy. An expander and a condenser that cools and condenses the expanded working fluid. Here, in the waste heat regeneration system of Patent Document 1, an intercooler for cooling the intake air compressed by the supercharger is provided as a heat exchanger.

特開２００８−８２２４号公報JP 2008-8224 A

過給機によって圧縮された吸入空気、すなわち圧縮空気は、エンジンに流入する前にインタークーラによって冷却される。これによって、圧縮空気の密度が高くなり、エンジンへの空気の充填効率が向上する。従って、圧縮空気をより冷却し、エンジンへの空気の充填効率をより向上させるためには、インタークーラを流通する冷媒の温度をできる限り低く保つ必要がある。しかしながら、特許文献１のランキンサイクル回路では、冷媒がインタークーラに流入する前にエンジンルーム内の熱により加熱されてしまうおそれがあった。
なお、エンジンルームとはエンジンを内部に収容するために車体に設けられた空間とする。 The intake air compressed by the supercharger, that is, compressed air, is cooled by the intercooler before flowing into the engine. This increases the density of the compressed air and improves the efficiency of filling the engine with air. Therefore, in order to further cool the compressed air and further improve the efficiency of filling the engine with air, it is necessary to keep the temperature of the refrigerant flowing through the intercooler as low as possible. However, in the Rankine cycle circuit of Patent Document 1, the refrigerant may be heated by the heat in the engine room before flowing into the intercooler.
The engine room is a space provided in the vehicle body to accommodate the engine.

この発明は、このような問題を解決するためになされ、圧縮空気を充分に冷却することができるインタークーラを備えた廃熱回生システムを提供することを目的とする。   This invention is made in order to solve such a problem, and it aims at providing the waste-heat regeneration system provided with the intercooler which can fully cool compressed air.

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、内燃機関の廃熱を利用するものであって、冷媒を圧送するポンプ、冷媒を加熱する冷媒加熱手段、冷媒加熱手段によって加熱された冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、及び膨張後の冷媒を冷却凝縮させるコンデンサが配管によって順次連結されて構成されるランキンサイクル回路を備え、冷媒加熱手段は、過給機によって内燃機関へと供給される圧縮空気を熱源として冷媒との間で熱交換を行うインタークーラを有し、コンデンサの下流かつインタークーラの上流には、配管を断熱する断熱手段が設けられる。   In order to solve the above problems, a waste heat regeneration system according to the present invention uses waste heat of an internal combustion engine, and includes a pump that pumps a refrigerant, a refrigerant heating means that heats the refrigerant, and a refrigerant heating means. An expander that expands the heated refrigerant to recover mechanical energy, and a Rankine cycle circuit that is configured by sequentially connecting condensers that cool and condense the expanded refrigerant by piping. An intercooler that exchanges heat with refrigerant using compressed air supplied to the internal combustion engine as a heat source by the machine is provided downstream of the condenser and upstream of the intercooler.

またこの発明に係る廃熱回生システムの断熱手段は、コンデンサの下流かつインタークーラの上流における配管のうち、エンジンルーム内に配置される部分を断熱してもよい。
また、断熱手段はポンプを断熱してもよい。 Moreover, the heat insulation means of the waste heat regeneration system according to the present invention may insulate a portion disposed in the engine room in the piping downstream of the condenser and upstream of the intercooler.
The heat insulating means may insulate the pump.

この発明に係る廃熱回生システムによれば、インタークーラにおいて圧縮空気を充分に冷却することができる。   According to the waste heat regeneration system according to the present invention, the compressed air can be sufficiently cooled in the intercooler.

この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the waste-heat regeneration system which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the waste-heat regeneration system which concerns on Embodiment 2 of this invention.

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００は、内燃機関としてのエンジン１２の廃熱を利用するものであって、ポンプ２と、インタークーラ３と、排ガスボイラ５と、膨張機６と、コンデンサ８とが配管１５によって順次連結されて構成されるランキンサイクル回路１０を備える。ここで、コンデンサ８とポンプ２とを連結する配管１５を第一配管１５ａとし、ポンプ２とインタークーラ３とを連結する配管１５を第二配管１５ｂとする。また、インタークーラ３と排ガスボイラ５とを連結する配管１５は第三配管１５ｃとし、排ガスボイラ５と膨張機６とを連結する配管１５は第四配管１５ｄとし、膨張機６とコンデンサ８とを連結する配管１５は第五配管１５ｅとする。第一配管１５ａ及び第二配管１５ｂはそれぞれ断熱材１７ａ及び１７ｂによって被覆されている。すなわち、コンデンサ８の下流かつインタークーラ３の上流における配管１５は断熱されている。
なお、インタークーラ３及び排ガスボイラ５は冷媒加熱手段を構成する。また、断熱材１７ａ及び１７ｂは断熱手段を構成する。さらにまた、廃熱回生システム１００のポンプ２、インタークーラ３、排ガスボイラ５、膨張機６及びコンデンサ８は、エンジン１２とともにエンジンルーム（図示せず）内に収容されている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1 FIG.
A configuration of a waste heat regeneration system 100 according to Embodiment 1 of the present invention is shown in FIG.
The waste heat regeneration system 100 uses waste heat of the engine 12 as an internal combustion engine. The pump 2, the intercooler 3, the exhaust gas boiler 5, the expander 6, and the condenser 8 are connected by a pipe 15. The Rankine cycle circuit 10 is configured to be sequentially connected. Here, the pipe 15 connecting the condenser 8 and the pump 2 is a first pipe 15a, and the pipe 15 connecting the pump 2 and the intercooler 3 is a second pipe 15b. The pipe 15 connecting the intercooler 3 and the exhaust gas boiler 5 is a third pipe 15c, the pipe 15 connecting the exhaust gas boiler 5 and the expander 6 is a fourth pipe 15d, and the expander 6 and the capacitor 8 are connected. The pipe 15 to be connected is a fifth pipe 15e. The first pipe 15a and the second pipe 15b are covered with heat insulating materials 17a and 17b, respectively. That is, the pipe 15 downstream of the capacitor 8 and upstream of the intercooler 3 is insulated.
The intercooler 3 and the exhaust gas boiler 5 constitute refrigerant heating means. Further, the heat insulating materials 17a and 17b constitute a heat insulating means. Furthermore, the pump 2, the intercooler 3, the exhaust gas boiler 5, the expander 6, and the condenser 8 of the waste heat regeneration system 100 are housed in an engine room (not shown) together with the engine 12.

次に、ランキンサイクル回路１０における冷媒の流れについて説明する。
廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル回路１０内の冷媒はポンプ２によって圧送され、第二配管１５ｂを介してインタークーラ３に流入する。インタークーラ３では、後述する過給機１４によってエンジン１２へと供給される圧縮空気を熱源として冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒は加熱される。また次に、インタークーラ３を流通した冷媒は、第三配管１５ｃを介して排ガスボイラ５に流入する。排ガスボイラ５では、排ガスを熱源として冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒は加熱される。そして、インタークーラ３及び排ガスボイラ５において加熱された冷媒は、気化し、第四配管１５ｄを流通して膨張機６に流入する。膨張機６は冷媒を膨張させて機械的エネルギーを発生させる。ここで、膨張機６で発生した機械的エネルギーはエンジン１２の回転を補助する。また、膨張機６を通過した冷媒は第五配管１５ｅを流通してコンデンサ８に流入し、冷却凝縮され液化する。そして、液化した冷媒は第一配管１５ａを流通してポンプ２に流入し、再び圧送される。 Next, the flow of the refrigerant in the Rankine cycle circuit 10 will be described.
The refrigerant in the Rankine cycle circuit 10 in the waste heat regeneration system 100 is pumped by the pump 2 and flows into the intercooler 3 through the second pipe 15b. In the intercooler 3, heat exchange is performed with the refrigerant using compressed air supplied to the engine 12 by a supercharger 14 described later as a heat source, and the refrigerant is heated. Next, the refrigerant flowing through the intercooler 3 flows into the exhaust gas boiler 5 through the third pipe 15c. In the exhaust gas boiler 5, heat exchange is performed with the refrigerant using the exhaust gas as a heat source, and the refrigerant is heated. The refrigerant heated in the intercooler 3 and the exhaust gas boiler 5 is vaporized, flows through the fourth pipe 15d, and flows into the expander 6. The expander 6 expands the refrigerant to generate mechanical energy. Here, the mechanical energy generated in the expander 6 assists the rotation of the engine 12. Moreover, the refrigerant | coolant which passed the expander 6 distribute | circulates the 5th piping 15e, flows in into the capacitor | condenser 8, is cooled and condensed, and is liquefied. The liquefied refrigerant flows through the first pipe 15a, flows into the pump 2, and is pumped again.

エンジン１２は吸気系１６及び排気系１１と接続している。また、吸気系１６及び排気系１１はそれぞれ過給機１４に接続する。そして、吸気系１６にはインタークーラ３が、排気系１１には排ガスボイラ５がそれぞれ接続している。吸気系１６から吸入された空気は、過給機１４によって圧縮される。その際に加圧されて高温となった吸入空気である圧縮空気は、インタークーラ３においてランキンサイクル回路１０における冷媒と熱交換を行い冷却された後、エンジン１２に流入する。エンジン１２内に流入した空気は燃焼し、車両が走行するための機械的エネルギーを発生させる。そして、エンジン１２内で燃焼した後の空気は、排ガスとなって排気系１１を流通する。排気系１１を流通する排ガスは過給機１４を通過するとともに、過給機１４を駆動する。そして次に、排ガスは排ガスボイラ５において、ランキンサイクル回路１０における冷媒と熱交換を行ってから、マフラー（図示せず）を通過して車両外部に排出される。   The engine 12 is connected to the intake system 16 and the exhaust system 11. In addition, the intake system 16 and the exhaust system 11 are each connected to a supercharger 14. The intercooler 3 is connected to the intake system 16, and the exhaust gas boiler 5 is connected to the exhaust system 11. Air sucked from the intake system 16 is compressed by the supercharger 14. Compressed air that is pressurized air that has been pressurized at that time is cooled by exchanging heat with the refrigerant in the Rankine cycle circuit 10 in the intercooler 3 and then flows into the engine 12. The air flowing into the engine 12 burns and generates mechanical energy for the vehicle to travel. The air after burning in the engine 12 becomes exhaust gas and flows through the exhaust system 11. The exhaust gas flowing through the exhaust system 11 passes through the supercharger 14 and drives the supercharger 14. Then, after the exhaust gas is subjected to heat exchange with the refrigerant in the Rankine cycle circuit 10 in the exhaust gas boiler 5, the exhaust gas passes through a muffler (not shown) and is discharged outside the vehicle.

以上より、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、コンデンサ８の下流かつポンプ２の上流における第一配管１５ａと、ポンプ２の下流かつインタークーラ３の上流における第二配管１５ｂとが断熱されている。従って、コンデンサ８で冷却凝縮された冷媒が、インタークーラ３に流入する前にエンジンルーム内の熱によって加熱されてしまう事態を防止することができる。よって、インタークーラ３に流入する前の冷媒は低温に保たれ、圧縮空気はインタークーラ３において充分に冷却されることができる。   As described above, in the waste heat regeneration system 100 according to the first embodiment, the first pipe 15a downstream of the condenser 8 and upstream of the pump 2 and the second pipe 15b downstream of the pump 2 and upstream of the intercooler 3 are provided. It is insulated. Therefore, the refrigerant cooled and condensed by the condenser 8 can be prevented from being heated by the heat in the engine room before flowing into the intercooler 3. Therefore, the refrigerant before flowing into the intercooler 3 is kept at a low temperature, and the compressed air can be sufficiently cooled in the intercooler 3.

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図２に示す。なお、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
廃熱回生システム２００は、図２に示すように、排ガスボイラ５、膨張機６及びコンデンサ８はエンジンルームＥＲの外部に配置されている。また一方で、ポンプ２、インタークーラ３、エンジン１２及び過給機１４はエンジンルームＥＲ内部に収容されている。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 2 shows the configuration of a waste heat regeneration system 200 according to Embodiment 2 of the present invention. Since the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same or similar components, detailed description thereof is omitted.
In the waste heat regeneration system 200, as shown in FIG. 2, the exhaust gas boiler 5, the expander 6, and the condenser 8 are arranged outside the engine room ER. On the other hand, the pump 2, the intercooler 3, the engine 12, and the supercharger 14 are accommodated in the engine room ER.

ここで、コンデンサ８とポンプ２とを連結する第一配管１５ａの一部はエンジンルームＥＲの外部にあり、他の一部はエンジンルームＥＲの内部にある。第一配管１５ａには、エンジンルームＥＲの内部にある部分についてのみ断熱材１７ａ’が被覆されている。また、ポンプ２も断熱材１７ｃに被覆されている。また、実施の形態１の廃熱回生システム１００と同様に、全ての部分がエンジンルームＥＲ内に収容されている第二配管１５ｂは、断熱材１７ｂに被覆されている。すなわち、コンデンサ８の下流かつインタークーラ３の上流における配管のうち、エンジンルームＥＲ内に配置される部分は断熱材１７ａ’，１７ｂ及び１７ｃによって断熱されている。
ここで、断熱材１７ａ’及び１７ｃは、断熱材１７ｂとともに断熱手段を構成する。 Here, a part of the first pipe 15a connecting the condenser 8 and the pump 2 is outside the engine room ER, and the other part is inside the engine room ER. The first pipe 15a is covered with the heat insulating material 17a ′ only for the portion inside the engine room ER. The pump 2 is also covered with a heat insulating material 17c. Similarly to the waste heat regeneration system 100 of the first embodiment, the second pipe 15b in which all the parts are accommodated in the engine room ER is covered with a heat insulating material 17b. That is, the part arrange | positioned in the engine room ER among the piping in the downstream of the capacitor | condenser 8 and the upstream of the intercooler 3 is thermally insulated by heat insulating material 17a ', 17b, and 17c.
Here, the heat insulating materials 17a ′ and 17c constitute a heat insulating means together with the heat insulating material 17b.

以上より、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、インタークーラ３の上流において特に冷媒が加熱される可能性があるエンジンルームＥＲ内の配管１５を断熱材１７ａ’，１７ｂ及び１７ｃが被覆している。そのため、少ない量の断熱材でより効率的にランキンサイクル回路１０を流通する冷媒の温度上昇を防止し、確実にインタークーラ３において圧縮空気を冷却することができる。また、ポンプ２も断熱することで、コンデンサ８の下流かつインタークーラ３の上流における冷媒の温度上昇をより確実に防止することができる。   As described above, in the waste heat regeneration system 200 according to the second embodiment, the heat insulating materials 17a ′, 17b, and 17c are disposed in the pipe 15 in the engine room ER where the refrigerant may be heated in the upstream of the intercooler 3. It is covered. Therefore, the temperature rise of the refrigerant flowing through the Rankine cycle circuit 10 can be prevented more efficiently with a small amount of heat insulating material, and the compressed air can be reliably cooled in the intercooler 3. Further, by also insulating the pump 2, it is possible to more reliably prevent the refrigerant temperature from rising downstream of the condenser 8 and upstream of the intercooler 3.

２ ポンプ、３ インタークーラ（冷媒加熱手段）、５ 排ガスボイラ（冷媒加熱手段）、６ 膨張機、８ コンデンサ、１０ ランキンサイクル回路、１２ エンジン（内燃機関）、１５ 配管、１７ａ，１７ａ’，１７ｂ，１７ｃ 断熱材（断熱手段）、１００，２００ 廃熱回生システム。   2 pump, 3 intercooler (refrigerant heating means), 5 exhaust gas boiler (refrigerant heating means), 6 expander, 8 condenser, 10 Rankine cycle circuit, 12 engine (internal combustion engine), 15 piping, 17a, 17a ', 17b, 17c Insulating material (insulating means), 100, 200 Waste heat regeneration system.

Claims (3)

内燃機関の廃熱を利用する廃熱回生システムであって、
冷媒を圧送するポンプ、前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段、前記冷媒加熱手段によって加熱された前記冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、及び膨張後の前記冷媒を冷却凝縮させるコンデンサが配管によって順次連結されて構成されるランキンサイクル回路を備え、
前記冷媒加熱手段は、過給機によって前記内燃機関へと供給される圧縮空気を熱源として前記冷媒との間で熱交換を行うインタークーラを有し、
前記コンデンサの下流かつ前記インタークーラの上流には前記配管を断熱する断熱手段が設けられる廃熱回生システム。 A waste heat regeneration system that uses waste heat of an internal combustion engine,
A pump that pumps the refrigerant; a refrigerant heating means that heats the refrigerant; an expander that expands the refrigerant heated by the refrigerant heating means to recover mechanical energy; and a condenser that cools and condenses the refrigerant after expansion. It is equipped with a Rankine cycle circuit that is configured to be sequentially connected by piping,
The refrigerant heating means has an intercooler that performs heat exchange with the refrigerant using compressed air supplied to the internal combustion engine by a supercharger as a heat source,
A waste heat regeneration system in which a heat insulating means for insulating the pipe is provided downstream of the condenser and upstream of the intercooler. 前記断熱手段は、前記コンデンサの下流かつ前記インタークーラの上流における前記配管のうち、エンジンルーム内に配置される部分を断熱する請求項１に記載の廃熱回生システム。   2. The waste heat regeneration system according to claim 1, wherein the heat insulating unit insulates a portion of the piping located downstream of the condenser and upstream of the intercooler and disposed in an engine room. 前記断熱手段は前記ポンプを断熱する請求項１又は２に記載の廃熱回生システム。   The waste heat regeneration system according to claim 1 or 2, wherein the heat insulating means insulates the pump.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105386893A (en) * 2015-12-10 2016-03-09 广西玉柴机器股份有限公司 Cooling waste heat recycling system of diesel engine

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