JP5012588B2 - Waste heat recovery device - Google Patents
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Description
本発明は廃熱回収装置、特にエンジンを熱源とし、熱源からの廃熱を駆動装置の動力として回収する廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery device, and more particularly, to a waste heat recovery device that recovers waste heat from a heat source as power of a drive device using an engine as a heat source.
タービンと、コンプレッサと、その間に設置した排気冷却装置とを備え、排気熱を動力に変換する廃熱回収装置において、エンジン冷却水の廃熱を利用した吸収冷凍機を新たに設け、排気を冷却した冷媒の放熱をこの吸収冷凍機の蒸発器により行うものがある(特許文献1参照)。
ところで、上記特許文献1の技術のように、タービンから出た排気を冷却するための冷却媒体の放熱に吸収冷凍機を利用するのでは、吸収冷凍機の構成が、精留器、凝縮器、吸収器、蒸発器を備えるなど複雑であるため大型化し、自動車に搭載するにしても大きなスペースが必要となってしまう。 By the way, as in the technique of the above-mentioned Patent Document 1, when the absorption refrigerator is used for heat radiation of the cooling medium for cooling the exhaust gas discharged from the turbine, the configuration of the absorption refrigerator is a rectifier, a condenser, Since it is complicated, such as having an absorber and an evaporator, the size is increased and a large space is required even if it is mounted on an automobile.
そこで本発明は、自動車でも容易に搭載し得る軽量でスペースをとらない廃熱回収装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a waste heat recovery device that can be easily mounted even in an automobile and does not take up space.
本発明は、エンジン(1)からの排気を、タービン(2)に導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器(3)に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン(2)と同軸のコンプレッサ(4)で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット(12)に供給するウォータポンプ(14)と、ウォータジャケット(12)から出た冷却水を冷却するラジエータ(13)とを少なくとも含む冷却装置と、前記ウォータポンプ(14)出口と前記ラジエータ(13)入口とを接続する第1の通路(41)と、この第1の通路(41)から分岐して、冷却水が流れる前記熱交換器内の管路(3B)の一端と接続される第2の通路(42)と、前記管路(3B)の他端とウォータジャケット(12)のエンジン出口とを接続する第3の通路(43)と、前記第2の通路(42)の前記第1の通路(41)からの分岐部に設けられる三方弁(44)とを備え、エンジンの冷機始動時に前記ウォータポンプ(14)出口と前記第1、第2の通路(41、42)との連通が遮断されかつ前記第1の通路(41)と第2の通路(42)とが連通されるように、エンジンの暖機完了後には前記ウォータポンプ出口と前記第1の通路(41)との連通が遮断されかつ前記ウォータポンプ(14)出口と前記第2の通路(42)とが連通するように前記三方弁(44)を制御する。 In the present invention, the exhaust from the engine (1) is led to the turbine (2) and expanded to a negative pressure which is lower than the atmospheric pressure, and then led to the heat exchanger (3) to be cooled. In a waste heat recovery device that extracts exhaust gas as power by compressing the exhaust gas from a negative pressure to an atmospheric pressure with a compressor (4) coaxial with the turbine (2) and discharging it, cooling water is discharged to the water jacket (12) of the engine. A cooling device including at least a water pump (14) to be supplied and a radiator (13) for cooling the cooling water discharged from the water jacket (12); an outlet of the water pump (14); and an inlet of the radiator (13) A first passage (41) to be connected and a second passage (branch from the first passage (41) and connected to one end of the pipe (3B) in the heat exchanger through which the cooling water flows ( 42 A third passage (43) connecting the other end of the pipe (3B) and the engine outlet of the water jacket (12), and the first passage (41) of the second passage (42). And a three-way valve (44) provided at a branch portion from which the communication between the outlet of the water pump (14) and the first and second passages (41, 42) is interrupted when the engine is cold. The communication between the outlet of the water pump and the first passage (41) is interrupted after completion of warming up of the engine so that the first passage (41) and the second passage (42) are communicated with each other. The three-way valve (44) is controlled so that the outlet of the water pump (14) communicates with the second passage (42).
本発明によれば、エンジンからの排気を、タービンに導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケットに供給するウォータポンプと、ウォータジャケットから出た冷却水を冷却するラジエータとを少なくとも含む冷却装置と、前記ウォータポンプ出口と前記ラジエータ入口とを接続する第1の通路と、この第1の通路から分岐して、冷却水が流れる前記熱交換器内の管路の一端と接続される第2の通路と、前記管路の他端とウォータジャケットのエンジン出口とを接続する第3の通路と、前記第2の通路の前記第1の通路からの分岐部に設けられる三方弁とを備え、エンジンの冷機始動時に前記ウォータポンプ出口と前記第1、第2の通路との連通が遮断されかつ前記第1の通路と第2の通路とが連通されるように、エンジンの暖機完了後には前記ウォータポンプ出口と前記第1の通路との連通が遮断されかつ前記ウォータポンプ出口と前記第2の通路とが連通するように前記三方弁を制御するので、エンジンの冷機時に熱交換器内で排気熱により暖められたエンジン冷却水をウォータジャケットに循環させることが可能となり、自動車への搭載性が向上する上にさらにエンジンの暖機完了を早めることができる。なお、エンジンの暖機完了後には三方弁を切換えることで、熱交換器3内で加熱された冷却水はラジエータ13に戻って放熱するため、エンジン暖機完了後のエンジン冷却性能を悪化させることなく廃熱回収できる。
According to the present invention, exhaust from an engine is led to a turbine and expanded to a negative pressure and then led to a heat exchanger to be cooled, and the cooled exhaust is cooled from a negative pressure to an atmospheric pressure by a compressor coaxial with the turbine. In a waste heat recovery apparatus for extracting power as a power by compressing and discharging, a cooling apparatus including at least a water pump that discharges cooling water and supplies the cooling water to an engine water jacket, and a radiator that cools the cooling water discharged from the water jacket And a first passage connecting the water pump outlet and the radiator inlet, and a second branch branched from the first passage and connected to one end of a pipe in the heat exchanger through which cooling water flows. , A third passage connecting the other end of the pipe line and the engine outlet of the water jacket, and a branch portion of the second passage from the first passage. The water pump outlet and the first and second passages are blocked from each other and the first passage and the second passage are communicated with each other when the engine is cold. After the engine is warmed up, the three-way valve is controlled so that the communication between the water pump outlet and the first passage is interrupted and the water pump outlet and the second passage are communicated. It becomes possible to circulate the engine cooling water heated by the exhaust heat in the heat exchanger during the cold operation to the water jacket, so that the mountability to the automobile is improved and the completion of the warm-up of the engine can be further accelerated. In addition, since the cooling water heated in the
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明に対する第1参考例の廃熱回収装置の概略構成を示している。エンジン1の排気管11には、エンジン1からの排気を負圧まで膨張させるためのタービン2と、タービン2から出た排気を負圧下で冷却するための熱交換器3と、タービン1と同軸上にあって熱交換器3により冷却された排気を負圧から常圧(大気圧)まで圧縮するためのコンプレッサ4とを備え、タービン1、コンプレッサ4と同軸上に発電機8を設けている。排気エネルギーによりタービン2を駆動することで発電機8が働き、これにより排気エネルギーが電気エネルギーとして回収される。これは、いわゆる逆ブレイトンサイクルにより駆動力を得ることで廃熱回収を行うもので、図4が本発明の廃熱回収装置の基本構成となる。ここで、上記の「負圧」とは大気圧より低い圧力のことである。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a waste heat recovery apparatus of a first reference example according to the present invention. An
エンジン1には、シリンダブロック及びシリンダヘッドを被覆するように形成されるウォータジャケット12、ラジエータ13、ウォータポンプ14、サーモスタット15、バイパス通路16からなる冷却装置が設けられている。
The engine 1 is provided with a cooling device including a
この場合に、第1参考例では、タービン2からの排気を冷却するための熱交換器3と、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ13とを一体化している。すなわち、熱交換器3は、高温の排気と低温の冷却媒体との間で熱交換を行わせる直接式熱交換器であり、高温の状態で入ってきて熱を放出する排気が流れる管路3Aと、低温の状態で入ってきて熱を受けとる冷却媒体が流れる管路3Bとからなっている。一方、ラジエータ13内には、ウォータジャケット12のエンジン出口12Aから出た高温の冷却水を外気で冷却するためのチューブ13Aが設けられるが、このチューブ13Aと並列に第2のチューブ13Bがラジエータ13内に設けられ、この第2のチューブ13Bと上記熱交換器3内の管路3Bとが2つの通路21、22によって直列に接続され、一つの循環路23を形成している。言い替えると、熱交換器3内の管路3B、通路21、ラジエータ13内の第2のチューブ13B、通路22の4つから冷却媒体の循環路23が構成されている。
In this case, in the first reference example , the
そして、この循環路23には循環路23内の冷却媒体を循環させるためのポンプ24が設けられている。このポンプ24の作動、非作動はエンジンコントローラ(図示しない)によりコントロールする。
The
第1参考例は、エンジン冷却水の循環路とは別に、熱交換器3に流す冷却媒体を循環させる循環路23を設けているので、循環路23を循環させるに用いる冷却媒体はエンジン冷却水に限られない。もちろん、エンジン冷却水を用いてもかまわない。
In the first reference example , a
このように構成されると、エンジンの運転中にエンジンコントローラによりポンプ24を駆動することで、循環路23を冷却媒体が流れる。熱交換器3内の管路3Aを流れる高温の排気は熱交換器3のもう一つの管路3Bを流れる冷却媒体との間で熱交換を行って、温度低下しコンプレッサ4へと送られる。一方、熱交換器3内の管路3Bを流れる冷却媒体は管路3Aを流れる高温の排気との熱交換で昇温して熱交換器3の外に出る。この昇温した冷却媒体は通路22からラジエータ13内の第2チューブ13Bに導かれ、外気によって冷却される。冷却された冷却媒体はラジエータ13の外に出て、通路21を通って熱交換器3の管路3Bに戻され、再び管路3Aを通る排気から熱をもらって上昇する。このようにして、熱交換器3内の管路3Aを流れる排気が循環路23を流れる冷却媒体によって冷却されることとなる。
If comprised in this way, a cooling medium will flow through the
第1参考例によれば、エンジン1からの排気を、タービン2に導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器3に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン2と同軸のコンプレッサ4で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット12に供給するウォータポンプ14と、ウォータジャケット12から出た冷却水を冷却するラジエータ13とを少なくとも含む冷却装置を備え、タービン2を出た排気を冷却するための冷却媒体を熱交換器3に流すと共に、冷却水とは別にこの熱交換器3に流す冷却媒体をもラジエータ13により冷却している。すなわち、熱交換器3をラジエータ13と一体化しているので、装置全体で軽量化及び省スペース化が図れることから自動車への搭載性が向上する。
According to the first reference example , the exhaust from the engine 1 is led to the turbine 2 and expanded to a negative pressure and then cooled to the
図2は第2参考例の廃熱回収装置の概略構成を示し、図1と同一部分には同一の符号を付している。 FIG. 2 shows a schematic configuration of the waste heat recovery apparatus of the second reference example , and the same parts as those in FIG.
第2参考例は、熱交換器3においてタービン2からの排気を冷却するための冷却媒体にエンジン冷却装置に用いているエンジン冷却水をそのまま流用するものである。すなわち、エンジン冷却水は、ラジエータ13の出口13Cから出た後にウォータポンプ14を通り、エンジン本体内のウォータジャケット12に向かうのであるが、ウォータポンプ14の下流で分岐して熱交換器3内の管路3Bの一端3C(右端)と接続される分岐通路31と、管路3Bの他端3D(左端)と接続され、ラジエータ13の入口13Dに合流する戻し通路32とが設けられている。
In the second reference example , the engine cooling water used in the engine cooling device is used as it is as a cooling medium for cooling the exhaust from the turbine 2 in the
このように構成されると、ラジエータ出口13Cから出た冷たい冷却水は、エンジン本体内のウォータジャケット12に流れ込む。シリンダブロック及びシリンダヘッドとの熱交換で暖められるウォータジャケット12内の冷却水は、エンジン出口12Aからエンジン本体の外に出てラジエータ13の入口13Dよりラジエータ13内のチューブ13Aを流れここで放熱する。また、ラジエータ出口13Cから出た冷たい冷却水はウォータポンプ14出口より分岐通路31を経て熱交換器3内の管路3Bを流れる。熱交換器3内の管路3Aを流れる排気により暖められた管路3B内の冷却水も、戻し通路32を介してラジエータ13の入口13Dよりラジエータ13内のチューブ13Aを流れここで放熱する。すなわち、ラジエータ13内のチューブ13A、分岐通路31、熱交換器3内の管路3B、戻し通路32の4つからエンジン冷却水の循環路が形成されている。
If comprised in this way, the cold cooling water which came out of the
第2参考例によれば、エンジン1からの排気を、タービン2に導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器3に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン2と同軸のコンプレッサ4で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット12に供給するウォータポンプ14と、ウォータジャケット12から出た冷却水を冷却するラジエータ13とを少なくとも含む冷却装置を備え、タービン2を出た排気を冷却するための冷却水を熱交換器3に流すと共に、この冷却水をラジエータ13により冷却している。すなわち、冷却媒体(冷却水)を一系統化できるため、自動車への搭載性が向上する上にさらに装置を簡略にすることができる。
According to the second reference example , the exhaust from the engine 1 is guided to the turbine 2 and expanded to a negative pressure and then cooled to the
また、低負荷走行時には、ラジエータ13の放熱能力を有効に利用することができるため、装置全体を軽量化及び省スペース化できる。
Moreover, since the heat dissipation capability of the
図3は本発明の第1実施形態の廃熱回収装置の概略構成を示し、図1と同一部分には同一の符号を付している。 FIG. 3 shows a schematic configuration of the waste heat recovery apparatus according to the first embodiment of the present invention, and the same parts as those in FIG.
第1実施形態は、熱交換器3においてタービン2からの排気を冷却するための冷却媒体にエンジン冷却水を用いる点は第2参考例と同じであるが、さらにエンジンの冷機時にエンジン1の暖機を補助し、エンジン1の暖機完了を促進させるようにしたものである。すなわち、ウォータポンプ14出口から分岐してラジエータ13の入口に合流する第1の通路41と、この第1の通路41のうち、ウォータポンプ14出口に近い位置から分岐して熱交換器3内の管路3Bの一端3C(右端)と接続される第2の通路42と、管路3Bの他端3D(左端)と接続され、ウォータジャケット12のエンジン出口12Aに近い位置12B(あるいはウォータジャケット12のエンジン出口12A)に合流する第3の通路43とが設けられ、第2の通路42の第1の通路41からの分岐部に三方弁44が介装されている。
The first embodiment is the same as the second reference example in that the engine cooling water is used as a cooling medium for cooling the exhaust from the turbine 2 in the
三方弁44は、エンジンの冷機時にウォータポンプ14出口と2つの通路41、42の連通を遮断しかつ第2の通路42と第1の通路41とを連通し、エンジンの暖機完了後には、ウォータポンプ14出口と第1の通路41との連通を遮断しかつウォータポンプ14出口と第2の通路42とを連通するものである。この三方弁44の切換はエンジンコントローラ(図示しない)により行う。
The three-
このように構成されると、エンジン冷機時に、三方弁44はウォータポンプ14出口と2つの通路41、42との連通を遮断しかつ第2の通路42と第1の通路41とを連通する。また、エンジン冷機時にサーモスタット15は閉じている。このとき、エンジン冷却水は、ウォータジャケット12で暖められて、シリンダブロック後端部(左端部)にあるエンジン出口12Aから出たあと、バイパス通路16を通ってウォータポンプ14入口へと戻され、再びウォータジャケット12で暖められる、というサイクルを繰り返すことで、昇温していき、エンジン本体も昇温してゆく。また、冷却水の一部はウォータジャケット12のエンジン出口12Aに近い位置12Bから出て第3の通路43を経由して熱交換器5内の管路3Bを流れ、ここで排気からの熱を受けとって昇温する。この熱交換器3により暖められ出てきた冷却水は、第2の通路42、三方弁44から第1の通路41、ラジエータ13内のチューブ13Aを経てウォータポンプ14入口へと戻され、再びウォータジャケット12のエンジン出口12Aに近い位置12Bから出て第3の通路43を経由して熱交換器5内の管路3Bを流れ、ここで排気からの熱を受けとって昇温する、というサイクルを繰り返す。このように、エンジン冷却水は、シリンダブロック、シリンダヘッドとの熱交換により昇温するだけでなく、熱交換器3においてタービン2からの高温の排気によっても昇温するので、その分だけエンジン1の暖機完了を早めることができる。
With this configuration, when the engine is cold, the three-
エンジン1の暖機が完了すると、三方弁44はウォータポンプ14出口と第1の通路41との連通を遮断しかつウォータポンプ14出口と第2の通路42とを連通する。このときの冷却水の流れ方は、第2参考例と同様である。すなわち、ウォータポンプ14からの冷たい冷却水が三方弁44、第2の通路42を介して熱交換器3内の管路3Bを流れ、ここでタービン2からの排気より熱を奪って、ウォータジャケット12のエンジン出口12Aに近い位置12Bからウォータジャケット12に戻る。ここからは、エンジン本体内よりウォータジャケット12のエンジン出口12Aに出てくる高温の冷却水と共に、ラジエータ13に流れて冷却されたあと、ウォータポンプ14入口に戻される。
When the warm-up of the engine 1 is completed, the three-
第1実施形態(請求項1に記載の発明)によれば、エンジン1からの排気を、タービン2に導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器3に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン2と同軸のコンプレッサ4で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット12に供給するウォータポンプ14と、ウォータジャケット12から出た冷却水を冷却するラジエータ13とを少なくとも含む冷却装置と、ウォータポンプ14出口とラジエータ13入口とを接続する第1の通路41と、この第1の通路41から分岐して、冷却水が流れる熱交換器内の管路3Bの一端3Cと接続される第2の通路42と、管路3Bの他端3Dとウォータジャケット12のエンジン出口12Aに近い位置12Bとを接続する第3の通路43と、第2の通路42の第1の通路41からの分岐部に設けられる三方弁44とを備え、エンジンの冷機始動時にウォータポンプ14出口と第1、第2の通路41、42との連通が遮断されかつ第1の通路41と第2の通路42とが連通されるように、エンジンの暖機完了後にはウォータポンプ14出口と第1の通路41との連通が遮断されかつウォータポンプ14出口と第2の通路42とが連通するように三方弁44を制御するので、エンジンの冷機時に熱交換器3内で排気熱により暖められたエンジン冷却水をウォータジャケット12に循環させることが可能となり、自動車への搭載性が向上する上にさらにエンジンの暖機完了を早めることができる。なお、エンジンの暖機完了後には三方弁44を切換えることで、熱交換器3内で加熱された冷却水はラジエータ13に戻って放熱するため、エンジン暖機完了後のエンジン冷却性能を悪化させることなく廃熱回収できる。
According to the first embodiment (the invention described in claim 1 ), the exhaust from the engine 1 is led to the turbine 2 and expanded to a negative pressure, and then led to the
第1実施形態では、ウォータジャケット12のエンジン出口12Aに近い位置12Bと熱交換器3内の管路3Bの左端3Dとを接続している場合で説明したが、これに限られるものでない。例えば、ウォータジャケット12のエンジン出口12Aからの高温の冷却水を暖房用のヒータ(熱交換器)に導き、ここで放熱して温度低下した冷却水をウォータポンプ14の上流に戻すものがある。こうしたものでは、ヒータ出口と熱交換器3内の管路3Bの左端3Dとを接続すればよい。
Although 1st Embodiment demonstrated the case where the
1 エンジン本体
2 タービン
3 熱交換器
3A 管路
3B 管路
4 コンプレッサ
8 発電機
11 排気管
12 ウォータジャケット
13 ラジエータ
13B 第2のチューブ
14 ウォータポンプ
23 循環路
31、32 通路
41 第1の通路
42 第2の通路
43 第3の通路
44 三方弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 2
Claims (1)
冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケットに供給するウォータポンプと、ウォータジャケットから出た冷却水を冷却するラジエータとを少なくとも含む冷却装置と、
前記ウォータポンプ出口と前記ラジエータ入口とを接続する第1の通路と、
この第1の通路から分岐して、冷却水が流れる前記熱交換器内の管路の一端と接続される第2の通路と、
前記管路の他端とウォータジャケットのエンジン出口とを接続する第3の通路と、
前記第2の通路の前記第1の通路からの分岐部に設けられる三方弁と
を備え、
エンジンの冷機始動時に前記ウォータポンプ出口と前記第1、第2の通路との連通が遮断されかつ前記第1の通路と第2の通路とが連通されるように、エンジンの暖機完了後には前記ウォータポンプ出口と前記第1の通路との連通が遮断されかつ前記ウォータポンプ出口と前記第2の通路とが連通するように前記三方弁を制御することを特徴とする廃熱回収装置。 The exhaust from the engine is led to the turbine and expanded to a negative pressure that is lower than the atmospheric pressure, then led to a heat exchanger to be cooled, and the cooled exhaust is cooled from a negative pressure to an atmospheric pressure by a compressor coaxial with the turbine. In the waste heat recovery device that takes out as power by compressing and discharging to
A cooling device that includes at least a water pump that discharges the cooling water and supplies the water jacket to the engine water jacket, and a radiator that cools the cooling water discharged from the water jacket ;
A first passage connecting the water pump outlet and the radiator inlet;
A second passage branched from the first passage and connected to one end of a conduit in the heat exchanger through which cooling water flows;
A third passage connecting the other end of the pipe line and the engine outlet of the water jacket;
A three-way valve provided at a branch portion of the second passage from the first passage;
With
After completion of warming up of the engine, the communication between the outlet of the water pump and the first and second passages is interrupted and the first passage and the second passage are communicated when the engine is cold-started. The waste heat recovery apparatus , wherein the three-way valve is controlled so that communication between the water pump outlet and the first passage is blocked and the water pump outlet and the second passage are in communication .
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