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JP2008008224A - Waste heat utilization device - Google Patents

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JP2008008224A
JP2008008224A JP2006180236A JP2006180236A JP2008008224A JP 2008008224 A JP2008008224 A JP 2008008224A JP 2006180236 A JP2006180236 A JP 2006180236A JP 2006180236 A JP2006180236 A JP 2006180236A JP 2008008224 A JP2008008224 A JP 2008008224A
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JP
Japan
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heat
waste heat
heat exchanger
internal combustion
engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2006180236A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Michio Nishikawa
道夫 西川
Takahisa Suzuki
隆久 鈴木
Hirotomo Asa
弘知 麻
Atsushi Inaba
淳 稲葉
Hiroshi Kinoshita
宏 木下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Soken Inc
Original Assignee
Denso Corp
Nippon Soken Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp, Nippon Soken Inc filed Critical Denso Corp
Priority to JP2006180236A priority Critical patent/JP2008008224A/en
Publication of JP2008008224A publication Critical patent/JP2008008224A/en
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat utilization device for using waste heat in multiple ways in an internal combustion engine for performing the supercharging of intake air and effectively using the waste heat. <P>SOLUTION: The waste heat utilization device includes a Rankine cycle 200 for heating an operating fluid within a cycle by heat exchangers 211, 212 by waste heat related to the internal combustion engine 10, expanding the heated operating fluid by an expansion machine 220 and collecting mechanical energy, and condensing and liquefying the expanded operating fluid by a condenser 230. The internal combustion engine 10 is equipped with a supercharger 40 for pressurizing intake air, and the heat exchangers 211, 212 include a first heat exchanger 211 for heating the operating fluid by the stable waste heat from the internal combustion engine 10 as a heat source, and a second heat exchanger 212 for heating the operating fluid by heat from the intake air pressurized by the supercharger 40 as a heat source. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば車両等の内燃機関の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置に関するものである。   The present invention relates to a waste heat utilization device that recovers power by utilizing waste heat of an internal combustion engine such as a vehicle.

従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献1に示されるように、ガスタービンの排気ガスをランキンサイクルの熱源として利用したものが知られている。尚、特許文献1中には、ランキンサイクルの熱源としては、通常大気中に消失される廃熱としてその他に、ラジエータ内を循環する冷却液の熱、インタークーラに入射される圧縮燃焼空気の熱、地熱、フレア排気ガス熱等が挙げられている。
特表2006−506570号公報
As a conventional waste heat utilization apparatus, for example, as shown in Patent Document 1, an apparatus using an exhaust gas of a gas turbine as a heat source for a Rankine cycle is known. In Patent Document 1, as the heat source of the Rankine cycle, in addition to waste heat that is normally lost to the atmosphere, heat of the coolant circulating in the radiator, heat of the compressed combustion air incident on the intercooler , Geothermal, flare exhaust gas heat and the like.
JP 2006-506570 A

しかしながら、上記特許文献1においては、排気ガス熱の他に、上記種々の熱がランキンサイクルの熱源として使用し得るものであると記載されているに過ぎず、具体的な記述は何らされていない。例えば、車両用において、圧縮燃焼空気の熱をランキンサイクルの熱源として考えた場合に、車両の走行条件に応じて圧縮燃焼空気の熱は大きく変動し、実質的には安定したランキンサイクルの熱源として使用するのは困難となる。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, it is only described that the above various heats can be used as a heat source for the Rankine cycle in addition to the exhaust gas heat, and no specific description is given. . For example, in the case of a vehicle, when the heat of compressed combustion air is considered as the heat source of the Rankine cycle, the heat of the compressed combustion air greatly fluctuates according to the running conditions of the vehicle, and as a stable Rankine cycle heat source. It becomes difficult to use.

また、上記特許文献1には、上記種々の熱を複合的に使用して、より効果的な廃熱利用をする考えは示されていない。   Further, Patent Document 1 does not disclose the idea of using waste heat more effectively by using the various heats in combination.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、吸入空気の過給を行う内燃機関における廃熱を複合的に用いて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a waste heat utilization device that enables effective waste heat utilization by using waste heat in an internal combustion engine that supercharges intake air in a composite manner. .

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。   In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.

請求項1に記載の発明では、内燃機関(10)に係わる廃熱によってサイクル内の作動流体を熱交換器(211、212)で加熱すると共に、加熱された作動流体を膨張機(220)で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体を凝縮器(230)で凝縮液化するランキンサイクル(200)を有する廃熱利用装置において、内燃機関(10)は、吸入空気を加圧する過給器(40)を備えており、熱交換器(211、212)は、内燃機関(10)からの安定した廃熱を熱源として作動流体を加熱する第1熱交換器(211)と、過給器(40)で加圧された吸入空気の熱を熱源として作動流体を加熱する第2熱交換器(212)とを有することを特徴としている。   In the first aspect of the present invention, the working fluid in the cycle is heated by the heat exchangers (211 and 212) by the waste heat related to the internal combustion engine (10), and the heated working fluid is heated by the expander (220). In a waste heat utilization apparatus having a Rankine cycle (200) that expands and recovers mechanical energy and condenses and liquefies the expanded working fluid in a condenser (230), the internal combustion engine (10) pressurizes the intake air A supercharger (40) is provided, and the heat exchangers (211 and 212) are a first heat exchanger (211) that heats the working fluid using stable waste heat from the internal combustion engine (10) as a heat source, And a second heat exchanger (212) for heating the working fluid using the heat of the intake air pressurized by the supercharger (40) as a heat source.

これにより、内燃機関(10)からの安定した廃熱を用いて第1熱交換器(211)により作動流体を加熱して、安定したランキンサイクル(200)の稼働が可能となる。そして、吸入空気の熱を用いて第2熱交換器(212)により更に作動流体を加熱することができるので、作動流体の熱エネルギーを高めて、膨張機(220)で回収し得る機械的エネルギーを増大させることができる。総じて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置(100)とすることができる。   Thereby, the working fluid is heated by the first heat exchanger (211) using the stable waste heat from the internal combustion engine (10), and the stable Rankine cycle (200) can be operated. Since the working fluid can be further heated by the second heat exchanger (212) using the heat of the intake air, the thermal energy of the working fluid is increased and mechanical energy that can be recovered by the expander (220). Can be increased. In general, the waste heat utilization apparatus (100) that enables effective waste heat utilization can be obtained.

上記内燃機関(10)からの安定した廃熱としては、請求項2に記載の発明のように、内燃機関(10)を冷却するための冷却液の熱とすることができる。   The stable waste heat from the internal combustion engine (10) can be the heat of the coolant for cooling the internal combustion engine (10), as in the second aspect of the invention.

請求項2に記載の発明において、請求項3に記載の発明では、第2熱交換器(212)は、第1熱交換器(211)の作動流体流れの上流側に配設されたことを特徴としている。   In the invention according to claim 2, in the invention according to claim 3, the second heat exchanger (212) is disposed upstream of the working fluid flow of the first heat exchanger (211). It is a feature.

これにより、まず、第2熱交換器(212)によって作動流体を加熱することができる。そして、内燃機関(10)の始動時のように冷却液温度が低い場合は、第1熱交換器(211)を放熱器として使用し、第2熱交換器(212)で加熱された作動流体の熱を用いて冷却液を加熱することができる。よって、内燃機関(10)の早期暖機を図ることができる。   Thereby, first, the working fluid can be heated by the second heat exchanger (212). When the coolant temperature is low as at the start of the internal combustion engine (10), the working fluid heated by the second heat exchanger (212) is used using the first heat exchanger (211) as a radiator. The heat can be used to heat the coolant. Therefore, early warm-up of the internal combustion engine (10) can be achieved.

請求項4に記載の発明では、第1熱交換器(211)と第2熱交換器(212)とに対する作動流体の流入順序を切替える切替え手段(250)を設けたことを特徴としている。   The invention described in claim 4 is characterized in that switching means (250) for switching the inflow sequence of the working fluid to the first heat exchanger (211) and the second heat exchanger (212) is provided.

これにより、作動流体が第2熱交換器(212)から第1熱交換器(211)の順に流れるように切替えた場合では、請求項3に記載の発明のように内燃機関(10)の早期暖機を図ることができる。また、逆に、作動流体が第1熱交換器(211)から第2熱交換器(212)の順に流れるように切替えた場合では、作動流体に対する熱源の温度が順に高くなる形とすることができるので、作動流体とそれぞれの熱源との温度差を充分に確保して効果的な熱交換(作動流体の加熱)を行うことができる。   Thus, when the working fluid is switched so as to flow in the order from the second heat exchanger (212) to the first heat exchanger (211), the internal combustion engine (10) can be moved as early as the invention according to claim 3. Warm-up can be achieved. Conversely, when switching is made so that the working fluid flows in the order from the first heat exchanger (211) to the second heat exchanger (212), the temperature of the heat source with respect to the working fluid may increase in order. Therefore, a sufficient temperature difference between the working fluid and each heat source can be secured, and effective heat exchange (heating of the working fluid) can be performed.

請求項5に記載の発明では、内燃機関(10)の作動時は、ランキンサイクル(200)は常時作動されるようになっており、第2熱交換器(212)は、加圧された吸入空気を冷却するインタークーラ(13)の機能を兼ねることを特徴としている。   In the invention according to claim 5, when the internal combustion engine (10) is operated, the Rankine cycle (200) is always operated, and the second heat exchanger (212) is operated with the pressurized suction. It also functions as an intercooler (13) that cools the air.

これにより、通常、吸入空気の冷却用に設定されるインタークーラ(13)を廃止することができる。   Thereby, the intercooler (13) normally set for cooling the intake air can be eliminated.

請求項6に記載の発明では、ランキンサイクル(200)との間で凝縮器(230)を共有して形成され、サイクル内を作動流体が循環する冷凍サイクル(300)を備えたことを特徴としている。   The invention according to claim 6 is characterized by comprising a refrigeration cycle (300) formed by sharing the condenser (230) with the Rankine cycle (200) and circulating the working fluid in the cycle. Yes.

これにより、ランキンサイクル(200)と冷凍サイクル(300)とを、作動流体および回路の一部を共用して構成することが可能となる。   Accordingly, the Rankine cycle (200) and the refrigeration cycle (300) can be configured by sharing a part of the working fluid and the circuit.

尚、本発明の廃熱利用装置(100)は、請求項7に記載の発明のように、内燃機関(10)としてエンジン(10)を備える車両用に用いて好適である。   In addition, the waste heat utilization apparatus (100) of this invention is suitable for use for vehicles provided with the engine (10) as an internal combustion engine (10) like the invention of Claim 7.

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。   Incidentally, the reference numerals in parentheses of each means described above are an example showing the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1に示し、まず、具体的な構成について説明する。本実施形態の廃熱利用装置100は、エンジン10(本発明の内燃機関に対応)を駆動源とする車両に適用されるものとしている。廃熱利用装置100は、エンジン10に係わる廃熱を熱源とするランキンサイクル200を有している。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. 1, and a specific configuration will be described first. The waste heat utilization apparatus 100 of this embodiment is applied to a vehicle that uses an engine 10 (corresponding to the internal combustion engine of the present invention) as a drive source. The waste heat utilization apparatus 100 has a Rankine cycle 200 that uses waste heat related to the engine 10 as a heat source.

エンジン10は水冷式であり、エンジン冷却水(本発明の冷却液に対応)の循環によってエンジン10が冷却されるラジエータ回路20、およびエンジン冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路30を有している。尚、エンジン10には、エンジン10の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ(図示省略)が設けられている。オルタネータによって発電された電力はバッテリ(図示省略)に充電されると共に、バッテリに充電された電力は、車両電気負荷(ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ等)に供給されるようになっている。   The engine 10 is water-cooled, and a radiator circuit 20 that cools the engine 10 by circulation of engine coolant (corresponding to the coolant of the present invention), and a heater circuit that heats conditioned air using the engine coolant (hot water) as a heat source. 30. The engine 10 is provided with an alternator (not shown) that is driven by the driving force of the engine 10 to generate electric power. The electric power generated by the alternator is charged in a battery (not shown), and the electric power charged in the battery is supplied to a vehicle electric load (headlamp, wiper, audio, etc.).

ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられている。ラジエータ21は、車両エンジンルーム内の前方(グリル後方)に配設されており、温水ポンプ22によって循環されるエンジン冷却水をグリルから流入する外気との熱交換により冷却する。温水ポンプ22は、ここではエンジン10によって駆動される機械式ポンプとしている。尚、温水ポンプ22は、電動機によって駆動される電動式ポンプとしても良い。   A radiator 21 is provided in the radiator circuit 20. The radiator 21 is disposed in front of the vehicle engine room (behind the grill), and cools engine coolant circulated by the hot water pump 22 by heat exchange with outside air flowing in from the grill. Here, the hot water pump 22 is a mechanical pump driven by the engine 10. The hot water pump 22 may be an electric pump driven by an electric motor.

尚、ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24によってラジエータ21を流通する冷却水量とラジエータバイパス流路23を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。よって、エンジン10の定常運転時には、エンジン10出口側のエンジン冷却水の温度は、90℃前後に維持される。   The radiator circuit 20 is provided with a radiator bypass passage 23 through which the cooling water flows around the radiator 21, and the cooling water amount flowing through the radiator 21 by the thermostat 24 and the cooling through the radiator bypass passage 23. The amount of water is adjusted. Thus, during steady operation of the engine 10, the temperature of the engine coolant on the outlet side of the engine 10 is maintained around 90 ° C.

ヒータ回路30は、ラジエータ回路20から分岐してヒータコア31を通り、その後ラジエータ回路20に合流するようにして形成されており、上記の温水ポンプ22によってエンジン冷却水が循環されるようになっている。ヒータ回路30には、エンジン冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するためヒータコア31が設けられている。ヒータコア31は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機(図示省略)によって送風される空調空気をエンジン冷却水との熱交換により加熱する。   The heater circuit 30 is formed so as to branch from the radiator circuit 20, pass through the heater core 31, and then merge with the radiator circuit 20, and engine cooling water is circulated by the hot water pump 22. . The heater circuit 30 is provided with a heater core 31 for heating the conditioned air using engine cooling water (hot water) as a heat source. The heater core 31 is disposed in an air conditioning case of an air conditioning unit (not shown), and heats conditioned air blown by a blower (not shown) by heat exchange with engine cooling water.

そして、エンジン10は、吸入管11から吸入される燃焼用空気(以下、吸入空気)を加圧する過給器40を備えている。過給器40は、排気タービン41と、排気タービン41に接続されたコンプレッサ42とを有している。過給器40においては、エンジン10の排気管12から排出される排気ガスの排出力によって排気タービン41が回転駆動され、排気タービン41の回転駆動に伴ってコンプレッサ42が回転駆動される。コンプレッサ42は、エンジン10の吸入管11から吸入される吸入空気を加圧して、エンジン10に供給する。   The engine 10 includes a supercharger 40 that pressurizes combustion air (hereinafter, intake air) sucked from the suction pipe 11. The supercharger 40 has an exhaust turbine 41 and a compressor 42 connected to the exhaust turbine 41. In the supercharger 40, the exhaust turbine 41 is rotationally driven by the exhaust gas exhaust force exhausted from the exhaust pipe 12 of the engine 10, and the compressor 42 is rotationally driven as the exhaust turbine 41 is rotationally driven. The compressor 42 pressurizes the intake air sucked from the suction pipe 11 of the engine 10 and supplies it to the engine 10.

吸入管11において、コンプレッサ42とエンジン10との間にはインタークーラ13が設けられている。インタークーラ13は、車両エンジンルーム内の前方(グリル後方)においてラジエータ21に隣接して配設されており、コンプレッサ42によって加圧されて高温となった吸入空気をグリルから流入する外気との熱交換によって、冷却する。尚、吸入空気はコンプレッサ42の加圧によって、200℃前後に上昇するが、インタークーラ13によって60℃前後(所定冷却温度)に冷却される。   In the suction pipe 11, an intercooler 13 is provided between the compressor 42 and the engine 10. The intercooler 13 is disposed adjacent to the radiator 21 in the front (rear of the grill) in the vehicle engine room, and heat of the intake air pressurized by the compressor 42 and heated to the outside air flowing in from the grill. Cool by replacement. The intake air rises to around 200 ° C. by the pressurization of the compressor 42, but is cooled to around 60 ° C. (predetermined cooling temperature) by the intercooler 13.

ランキンサイクル200は、エンジン10で発生した廃熱エネルギー(エンジン冷却水の熱エネルギー、および吸入空気の熱エネルギー)を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル200について説明する。   The Rankine cycle 200 collects waste heat energy (heat energy of engine cooling water and heat energy of intake air) generated in the engine 10 and converts the waste heat energy into electric energy and uses it. . Hereinafter, the Rankine cycle 200 will be described.

ランキンサイクル200は、加熱器(本発明の第1熱交換器に対応)211、熱交換器(本発明の第2熱交換器に対応)212、膨張機220、凝縮器230、ポンプ240を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成しており、この閉回路に冷媒(本発明の作動流体に対応)がポンプ240により循環される。ポンプ240は、図示しない電動機を駆動源とする電動式のポンプであり、図示しない制御装置によってその作動が制御されるようになっている。尚、本実施形態においてはランキンサイクル200の冷媒としてHFC134aを用いている。   The Rankine cycle 200 includes a heater (corresponding to the first heat exchanger of the present invention) 211, a heat exchanger (corresponding to the second heat exchanger of the present invention) 212, an expander 220, a condenser 230, and a pump 240. These are sequentially connected to form a closed circuit, and a refrigerant (corresponding to the working fluid of the present invention) is circulated by the pump 240 in the closed circuit. The pump 240 is an electric pump that uses an electric motor (not shown) as a drive source, and its operation is controlled by a control device (not shown). In the present embodiment, HFC134a is used as the refrigerant of Rankine cycle 200.

加熱器211と熱交換器212との両者を合わせたものが、本発明の熱交換器に対応し、ランキンサイクル200において基本的な冷媒の加熱を行う。即ち、加熱器211は、ポンプ240から送られる冷媒とラジエータ回路20を流通する高温のエンジン冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱する。また、熱交換器212は、上記加熱器211の冷媒流れ下流側に配設されており、加熱器211から流出される冷媒と過給器40(コンプレッサ42)で加圧された吸入空気との間で熱交換することにより冷媒を更に加熱する。   A combination of the heater 211 and the heat exchanger 212 corresponds to the heat exchanger of the present invention, and performs basic refrigerant heating in the Rankine cycle 200. That is, the heater 211 heats the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant sent from the pump 240 and the high-temperature engine cooling water flowing through the radiator circuit 20. The heat exchanger 212 is disposed on the downstream side of the refrigerant flow of the heater 211, and the refrigerant flowing out of the heater 211 and the intake air pressurized by the supercharger 40 (compressor 42). The refrigerant is further heated by exchanging heat between them.

膨張機220は、加熱器211および熱交換器212で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機器である。膨張機220には図示しない発電機が接続されており、膨張機220の駆動力によって発電機が作動され、発電機によって発電される電力は、図示しない制御回路(インバータ)を介してバッテリに充電されるようになっている。   The expander 220 is a fluid device that generates a rotational driving force by the expansion of the superheated steam refrigerant heated by the heater 211 and the heat exchanger 212. A power generator (not shown) is connected to the expander 220, and the power generator is operated by the driving force of the expander 220, and the power generated by the power generator is charged to the battery via a control circuit (inverter) (not shown). It has come to be.

膨張機220から流出される冷媒は、凝縮器230に至る。凝縮器230は、車両エンジンルーム内でラジエータ21の外気流れ上流側に配設される熱交換器であり、グリルから流入する外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する。凝縮器230で液化された冷媒は上記のようにポンプ240によって加熱器211に送られる。   The refrigerant that flows out of the expander 220 reaches the condenser 230. The condenser 230 is a heat exchanger disposed on the upstream side of the outside air flow of the radiator 21 in the vehicle engine room, and condenses and liquefies the refrigerant by heat exchange with the outside air flowing in from the grill. The refrigerant liquefied by the condenser 230 is sent to the heater 211 by the pump 240 as described above.

以下、本実施形態に係る廃熱利用装置100の作動について説明する。エンジン10の作動に伴い、エンジン10出口側のエンジン冷却水温度が所定温度以上となると、エンジン冷却水から得られる廃熱が充分あり、加熱器211に流入するエンジン冷却水温度が充分高温であるとして、図示しない制御装置によってポンプ240が作動されて、ランキンサイクル200が稼動される。また、エンジン10の作動に伴い、過給器40が作動され、コンプレッサ42によって吸入空気が加圧される。   Hereinafter, the operation of the waste heat utilization apparatus 100 according to the present embodiment will be described. When the engine coolant temperature on the outlet side of the engine 10 becomes equal to or higher than a predetermined temperature as the engine 10 is operated, there is sufficient waste heat obtained from the engine coolant, and the temperature of the engine coolant flowing into the heater 211 is sufficiently high. As a result, the pump 240 is operated by a control device (not shown) and the Rankine cycle 200 is operated. Further, as the engine 10 is operated, the supercharger 40 is operated, and the intake air is pressurized by the compressor 42.

ランキンサイクル200が稼動されると、ポンプ240によって凝縮器230側の液冷媒が昇圧されて加熱器211に送られる。液冷媒は、加熱器211においてエンジン冷却水によって加熱され、熱交換器212において吸入空気によって更に加熱されて、過熱蒸気冷媒となって膨張機220に送られる。   When the Rankine cycle 200 is operated, the liquid refrigerant on the condenser 230 side is pressurized by the pump 240 and sent to the heater 211. The liquid refrigerant is heated by the engine coolant in the heater 211, further heated by the intake air in the heat exchanger 212, and sent to the expander 220 as superheated vapor refrigerant.

尚、吸入空気は、熱交換器212で冷媒を加熱することで冷却されることになり、更にインタークーラ13で所定冷却温度(60℃前後)まで冷却されて、エンジン10に吸入される。   The intake air is cooled by heating the refrigerant in the heat exchanger 212, further cooled to a predetermined cooling temperature (around 60 ° C.) by the intercooler 13, and sucked into the engine 10.

膨張機220において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換される。膨張機220で取り出された回転駆動力によって図示しない発電機が作動され、発電機は発電する。そして、発電機によって得られた電力は、制御回路を介してバッテリに充電され、各種補機の作動に使用される。尚、膨張機220で減圧された冷媒は凝縮器230で凝縮され、再びポンプ240へ吸引される。   In the expander 220, the superheated vapor refrigerant is expanded and reduced in an isentropic manner, and part of the heat energy and pressure energy is converted into a rotational driving force. A generator (not shown) is activated by the rotational driving force extracted by the expander 220, and the generator generates power. The electric power obtained by the generator is charged to the battery via the control circuit and used for the operation of various auxiliary machines. Note that the refrigerant decompressed by the expander 220 is condensed by the condenser 230 and sucked into the pump 240 again.

尚、ヒータコア31においては、送風される空調空気がエンジン冷却水(温水)によって加熱されて、車室内の暖房が成される。   In the heater core 31, the conditioned air to be blown is heated by engine cooling water (hot water) to heat the passenger compartment.

以上のように、本実施形態においては、エンジン10からの安定した廃熱としてエンジン冷却水の熱を用いて加熱器211により冷媒を加熱して、安定したランキンサイクル200の稼働が可能となる。そして、吸入空気の熱を用いて熱交換器212により更に冷媒を加熱することができるので、冷媒の熱エネルギーを高めて、膨張機220で回収し得る機械的エネルギーを増大させることができる。よって発電機における発電量を増大させることができ、オルタネータの作動頻度を減らしてエンジン10の負荷を減らすことができる。総じて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置100とすることができる。   As described above, in the present embodiment, the coolant is heated by the heater 211 using the heat of the engine cooling water as the stable waste heat from the engine 10, and the Rankine cycle 200 can be stably operated. And since the refrigerant | coolant can be further heated with the heat exchanger 212 using the heat | fever of intake air, the thermal energy of a refrigerant | coolant can be raised and the mechanical energy which can be collect | recovered with the expander 220 can be increased. Therefore, the amount of power generation in the generator can be increased, the operation frequency of the alternator can be reduced, and the load on the engine 10 can be reduced. In general, the waste heat utilization apparatus 100 that enables effective waste heat utilization can be obtained.

また、熱交換器212においては吸入空気を冷却することになるので、その分、インタークーラ13の体格を小型にすることができる。熱交換器212は吸入空気と冷媒との熱交換を行うものであるので、エンジンルーム内ではラジエータ21や凝縮器230のように、外気が流入しやすいと言った特定の設置領域を必要としない。よって、エンジンルーム内においてインタークーラ13の小型化に伴いラジエータ21および凝縮器230の搭載性を向上させることができる。更には、インタークーラ13が小型にできる分、インタークーラ13での放熱量を低下させて、外気の温度上昇を抑え、ラジエータ21および凝縮器230の放熱性能を向上させることができる。ひいてはエンジン10の負荷を低減できる。   In addition, since the intake air is cooled in the heat exchanger 212, the size of the intercooler 13 can be reduced accordingly. Since the heat exchanger 212 exchanges heat between the intake air and the refrigerant, unlike the radiator 21 and the condenser 230, a specific installation area in which outside air easily flows is not required in the engine room. . Therefore, the mountability of the radiator 21 and the condenser 230 can be improved as the intercooler 13 is downsized in the engine room. Furthermore, since the intercooler 13 can be reduced in size, the amount of heat dissipated in the intercooler 13 can be reduced, the temperature rise of the outside air can be suppressed, and the heat dissipation performance of the radiator 21 and the condenser 230 can be improved. As a result, the load of the engine 10 can be reduced.

また、冷媒が加熱器211から熱交換器212の順に流れるようにしているので、冷媒に対する熱源の温度が順に高くなる形とすることができ、冷媒とそれぞれの熱源との温度差を充分に確保して効果的な熱交換、即ち冷媒の加熱を行うことができる。   In addition, since the refrigerant flows in the order from the heater 211 to the heat exchanger 212, the temperature of the heat source with respect to the refrigerant can be increased in order, and a sufficient temperature difference between the refrigerant and each heat source is ensured. Thus, effective heat exchange, that is, heating of the refrigerant can be performed.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図2に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対してランキンサイクル200の冷媒流れ方向における加熱器211と熱交換器212との配設位置を変更したものである。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. 2nd Embodiment changes the arrangement | positioning position of the heater 211 and the heat exchanger 212 in the refrigerant | coolant flow direction of Rankine cycle 200 with respect to the said 1st Embodiment. Hereinafter, components different from those in the first embodiment in the present embodiment will be described.

ここでは、ポンプ240の冷媒吐出側に熱交換器212を配設すると共に、この熱交換器212の冷媒流れ下流側に加熱器211を配設し、冷媒はポンプ240→熱交換器212→加熱器211→膨張機220→凝縮器230の順に循環するようにしている。   Here, a heat exchanger 212 is disposed on the refrigerant discharge side of the pump 240, and a heater 211 is disposed on the downstream side of the refrigerant flow of the heat exchanger 212. The refrigerant is pump 240 → heat exchanger 212 → heating. It circulates in the order of the vessel 211 → the expander 220 → the condenser 230.

エンジン10が始動された直後は、エンジン冷却水温度は所定温度以下の低いレベルにあり、加熱器211での冷媒の加熱はできない状態にある。むしろエンジン10にとってはフリクションロス低減等のために、早期にエンジン冷却水を昇温させたい状態にある。   Immediately after the engine 10 is started, the engine coolant temperature is at a low level equal to or lower than a predetermined temperature, and the refrigerant cannot be heated by the heater 211. Rather, the engine 10 is in a state where it is desired to raise the temperature of the engine coolant early in order to reduce friction loss and the like.

本第2実施例においては、エンジン10始動の後に、ポンプ240が作動されると、冷媒は熱交換器212で加熱されて、その後に加熱器211に至る。この加熱器211では、エンジン冷却水の温度よりも加熱された冷媒の温度の方が高くなり、加熱器211はエンジン冷却水に対して冷媒の熱を放出する放熱器として作用し、エンジン冷却水を積極的に加熱する。   In the second embodiment, when the pump 240 is operated after the engine 10 is started, the refrigerant is heated by the heat exchanger 212 and then reaches the heater 211. In this heater 211, the temperature of the heated refrigerant becomes higher than the temperature of the engine cooling water, and the heater 211 acts as a radiator that releases the heat of the refrigerant to the engine cooling water. To heat positively.

これにより、ランキンサイクル200を用いたエンジン10の早期暖機を図ることができ、燃費を向上できる。尚、この場合は、加熱器211からは充分加熱された冷媒を膨張機220に供給できないので、ランキンサイクル200として機械的エネルギーを回収することはできない。   Thereby, early warm-up of the engine 10 using the Rankine cycle 200 can be aimed at, and a fuel consumption can be improved. In this case, since the sufficiently heated refrigerant cannot be supplied from the heater 211 to the expander 220, mechanical energy cannot be recovered as the Rankine cycle 200.

また、上記暖機によりエンジン冷却水が所定温度以上と成れば、加熱器211は、本来の加熱機能を発揮して冷媒を加熱することになり、上記第1実施形態と同様に、膨張機220を作動させて、ランキンサイクル200による機械的エネルギーの回収(更に発電機による発電等)が可能となる。   Further, when the engine cooling water reaches a predetermined temperature or more due to the warm-up, the heater 211 performs the original heating function to heat the refrigerant, and as in the first embodiment, the expander By actuating 220, mechanical energy can be recovered by the Rankine cycle 200 (further power generation by a generator, etc.).

この時、冷媒は熱交換器212で加熱された後に加熱器211で加熱されることになり、冷媒に対する熱源温度は高い側(吸入空気温度)から低い側(エンジン冷却水温度)に移行することになる。よって、冷媒は加熱器211でエンジン冷却水温度を超えないレベルで抑えられて温度の安定した過熱蒸気冷媒となって、膨張機220に供給されることになり、ランキンサイクル200として安定した機械的エネルギーを回収することができる。   At this time, the refrigerant is heated by the heater 211 after being heated by the heat exchanger 212, and the heat source temperature for the refrigerant is shifted from the higher side (intake air temperature) to the lower side (engine coolant temperature). become. Therefore, the refrigerant is suppressed at a level not exceeding the engine coolant temperature by the heater 211, becomes a superheated vapor refrigerant having a stable temperature, and is supplied to the expander 220. As a Rankine cycle 200, the mechanical is stable. Energy can be recovered.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図3、図4に示す。第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、ポンプ240と膨張機220との間の冷媒の流れ方向を切替え可能となるようにしたものである。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention is shown in FIGS. 3rd Embodiment enables it to switch the flow direction of the refrigerant | coolant between the pump 240 and the expander 220 with respect to the said 1st Embodiment. Hereinafter, components different from those in the first embodiment in the present embodiment will be described.

ここでは、ポンプ240および加熱器211の間と、熱交換器212および膨張機220の間とを接続する切替え手段としての四方弁250を設けている。四方弁250は、図示しない制御装置によって制御されて、ポンプ240、加熱器211、熱交換器212、膨張機220に繋がる各流路を開閉するようになっている。具体的には、四方弁250の各流路開閉によって、冷媒流れが図3に示す第1モード、あるいは図4に示す第2モードのいずれかに切替えられるようになっている。第1モードでは、冷媒流れ(図3中の実線矢印)は、ポンプ240→加熱器211→熱交換器212→膨張機220→凝縮器230の順となり、また、第2モードでは、冷媒流れ(図4中の破線矢印)は、ポンプ240→熱交換器212→加熱器211→膨張機220→凝縮器230の順となるようにしている。   Here, a four-way valve 250 is provided as a switching means for connecting between the pump 240 and the heater 211 and between the heat exchanger 212 and the expander 220. The four-way valve 250 is controlled by a control device (not shown) so as to open and close each flow path connected to the pump 240, the heater 211, the heat exchanger 212, and the expander 220. Specifically, the refrigerant flow is switched to either the first mode shown in FIG. 3 or the second mode shown in FIG. 4 by opening or closing each flow path of the four-way valve 250. In the first mode, the refrigerant flow (solid arrow in FIG. 3) is in the order of the pump 240 → the heater 211 → the heat exchanger 212 → the expander 220 → the condenser 230. In the second mode, the refrigerant flow ( The broken line arrows in FIG. 4 are arranged in the order of pump 240 → heat exchanger 212 → heater 211 → expander 220 → condenser 230.

図示しない制御装置は、エンジン10が始動した後にエンジン冷却水温度が所定温度以上となって定常運転状態になると、四方弁250によって冷媒流れを第1モードに切替える。この場合は、上記第1実施形態と同様にエンジン冷却水と吸入空気との廃熱を効果的に活用したランキンサイクル200の稼働が可能となる。   A control device (not shown) switches the refrigerant flow to the first mode by the four-way valve 250 when the engine coolant temperature becomes equal to or higher than a predetermined temperature after the engine 10 is started and the steady operation state is reached. In this case, the Rankine cycle 200 can be operated using the waste heat of the engine cooling water and the intake air effectively as in the first embodiment.

また、エンジン10の始動直後であれば、図示しない制御装置は、四方弁250によって冷媒流れを第2モードに切替える。この場合は、上記第2実施形態と同様にエンジン10の早期暖機を可能とするランキンサイクル200として稼働させることができる。   Moreover, if it is immediately after starting of the engine 10, the control apparatus which is not illustrated switches a refrigerant | coolant flow to a 2nd mode with the four-way valve 250. FIG. In this case, it is possible to operate the Rankine cycle 200 that enables the engine 10 to be warmed up early as in the second embodiment.

このように、第3実施形態では、第1実施形態と第2実施形態との両者のメリットを備える廃熱利用装置100とすることができる。   Thus, in 3rd Embodiment, it can be set as the waste-heat utilization apparatus 100 provided with the merit of both 1st Embodiment and 2nd Embodiment.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図5に示す。第5実施形態は、上記第1実施形態に対してインタークーラ13を廃止したものとしている。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. In the fifth embodiment, the intercooler 13 is eliminated from the first embodiment. Hereinafter, components different from those in the first embodiment in the present embodiment will be described.

ここでは、熱交換器212の熱交換能力として、加圧された吸入空気温度を所定冷却温度まで冷却可能な能力をもたせるようにしている。そして、第4実施形態では、エンジン10が作動されている間は、ランキンサイクル200は図示しない制御装置によって常時作動されるようにしている。また、膨張機220で得られる駆動力はエンジン10のアシストに使用されるようにしている。   Here, as the heat exchange capability of the heat exchanger 212, the pressurized intake air temperature can be cooled to a predetermined cooling temperature. In the fourth embodiment, the Rankine cycle 200 is always operated by a control device (not shown) while the engine 10 is operated. The driving force obtained by the expander 220 is used for assisting the engine 10.

これにより、ランキンサイクル200の冷媒に対しては加熱器211に加えて熱交換器212によって加熱が可能となる。また、加圧された吸入空気に対しては熱交換器212によって冷媒側に常に放熱することで所定冷却温度への冷却が可能となり、通常、吸入空気の冷却用に設定されるインタークーラ(13)を廃止することができる。   As a result, the refrigerant in the Rankine cycle 200 can be heated by the heat exchanger 212 in addition to the heater 211. The pressurized intake air is always radiated to the refrigerant side by the heat exchanger 212, so that the intake air can be cooled to a predetermined cooling temperature. Usually, an intercooler (13 for cooling the intake air is set. ) Can be abolished.

(第5実施形態)
本発明の第5実施形態を図6に示す。第5実施形態は、上記第1実施形態に対して、ランキンサイクル200の凝縮器230を共用する冷凍サイクル300を設けた廃熱利用装置100としている。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. The fifth embodiment is a waste heat utilization apparatus 100 provided with a refrigeration cycle 300 that shares the condenser 230 of the Rankine cycle 200 with respect to the first embodiment. Hereinafter, components different from those in the first embodiment in the present embodiment will be described.

冷凍サイクル200は、圧縮機310、上記凝縮器230、膨張弁320、蒸発器330を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。冷凍サイクル300内には上記ランキンサイクル200と同一の冷媒が循環される。本実施形態においては、ランキンサイクル200および冷凍サイクル300の冷媒として、上記第1実施形態におけるランキンサイクル200の冷媒と同様、HFC134aを用いている。   The refrigeration cycle 200 includes a compressor 310, the condenser 230, an expansion valve 320, and an evaporator 330, which are sequentially connected to form a closed circuit. The same refrigerant as in the Rankine cycle 200 is circulated in the refrigeration cycle 300. In the present embodiment, the HFC 134a is used as the refrigerant of the Rankine cycle 200 and the refrigeration cycle 300, similarly to the refrigerant of the Rankine cycle 200 in the first embodiment.

蒸発器330は、空調ユニット400の空調ケース410内に配設されており、膨張弁320によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機から送られる空調空気を冷却する。また、ヒータコア回路30におけるヒータコア31も空調ケース410内に配設されており、上記第1実施形態と同様に、送風機によって送風される空調空気をエンジン冷却水との熱交換により加熱する。よって、蒸発器330によって冷却された空調空気とヒータコア31によって加熱された空調空気は、図示しないエアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。   The evaporator 330 is disposed in the air conditioning case 410 of the air conditioning unit 400, evaporates the refrigerant decompressed and expanded by the expansion valve 320, and cools the conditioned air sent from the blower by the latent heat of evaporation at that time. The heater core 31 in the heater core circuit 30 is also disposed in the air conditioning case 410, and heats the conditioned air blown by the blower by heat exchange with the engine cooling water, as in the first embodiment. Therefore, the mixing ratio of the conditioned air cooled by the evaporator 330 and the conditioned air heated by the heater core 31 is adjusted according to the opening of an air mix door (not shown) and adjusted to a temperature set by the occupant.

上記のように、ランキンサイクル200および冷凍サイクル300を備える廃熱利用装置100において、冷媒および凝縮器230を共用することで安価な対応ができる。また、2つのサイクル200、300に対して凝縮器230は1つで済むことから車両への搭載性を向上させることができる。   As described above, in the waste heat utilization apparatus 100 including the Rankine cycle 200 and the refrigeration cycle 300, the refrigerant and the condenser 230 are shared, so that an inexpensive response can be achieved. Moreover, since only one condenser 230 is required for the two cycles 200 and 300, the mounting property on the vehicle can be improved.

尚、この廃熱利用装置100では、それぞれのサイクル200、300を独立して稼働させることができる。つまり、ランキンサイクル単独運転と、冷凍サイクル単独運転と、冷凍サイクルとランキンサイクルの同時運転とを可能とする。   In this waste heat utilization apparatus 100, each cycle 200, 300 can be operated independently. That is, Rankine cycle independent operation, refrigeration cycle independent operation, and simultaneous operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle are possible.

(その他の実施形態)
上記各実施形態においては、エンジン(内燃機関)10からの安定した廃熱としてエンジン冷却水の熱を用いるようにしたが、これに限らず、排気ガスの熱等としても良い。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the heat of the engine cooling water is used as the stable waste heat from the engine (internal combustion engine) 10. However, the present invention is not limited to this, and the heat of the exhaust gas may be used.

また、上記各実施形態においては本発明の廃熱利用装置100を車両に適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。   Moreover, in each said embodiment, although the waste-heat utilization apparatus 100 of this invention was applied to the vehicle, application of this invention is not limited to this.

第1実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus in 1st Embodiment. 第2実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus in 2nd Embodiment. 第3実施形態における廃熱利用装置の全体構成と、第1モードでの冷媒流れを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus in 3rd Embodiment, and the refrigerant | coolant flow in 1st mode. 第3実施形態における廃熱利用装置の全体構成と、第2モードでの冷媒流れを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus in 3rd Embodiment, and the refrigerant | coolant flow in 2nd mode. 第4実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus in 4th Embodiment. 第5実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the waste-heat utilization apparatus in 5th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 エンジン(内燃機関)
13 インタークーラ
40 過給器
100 廃熱利用装置
200 ランキンサイクル
211 加熱器(第1熱交換器)
212 熱交換器(第2熱交換器)
220 膨張機
230 凝縮器
250 四方弁(切替え手段)
300 冷凍サイクル
10 Engine (Internal combustion engine)
13 Intercooler 40 Supercharger 100 Waste heat utilization device 200 Rankine cycle 211 Heater (first heat exchanger)
212 Heat exchanger (second heat exchanger)
220 expander 230 condenser 250 four-way valve (switching means)
300 Refrigeration cycle

Claims (7)

内燃機関(10)に係わる廃熱によってサイクル内の作動流体を熱交換器(211、212)で加熱すると共に、加熱された前記作動流体を膨張機(220)で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の前記作動流体を凝縮器(230)で凝縮液化するランキンサイクル(200)を有する廃熱利用装置において、
前記内燃機関(10)は、吸入空気を加圧する過給器(40)を備えており、
前記熱交換器(211、212)は、前記内燃機関(10)からの安定した廃熱を熱源として前記作動流体を加熱する第1熱交換器(211)と、
前記過給器(40)で加圧された吸入空気の熱を熱源として前記作動流体を加熱する第2熱交換器(212)とを有することを特徴とする廃熱利用装置。
The working fluid in the cycle is heated by the heat exchangers (211 and 212) by the waste heat related to the internal combustion engine (10), and the heated working fluid is expanded by the expander (220) to recover mechanical energy. In the waste heat utilization apparatus having the Rankine cycle (200) for condensing and liquefying the expanded working fluid in the condenser (230),
The internal combustion engine (10) includes a supercharger (40) that pressurizes intake air,
The heat exchangers (211 and 212) include a first heat exchanger (211) that heats the working fluid using stable waste heat from the internal combustion engine (10) as a heat source,
A waste heat utilization apparatus comprising: a second heat exchanger (212) that heats the working fluid using heat of the intake air pressurized by the supercharger (40) as a heat source.
前記内燃機関(10)からの安定した廃熱は、前記内燃機関(10)を冷却するための冷却液の熱としたことを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the stable waste heat from the internal combustion engine (10) is heat of a coolant for cooling the internal combustion engine (10). 前記第2熱交換器(212)は、前記第1熱交換器(211)の前記作動流体流れの上流側に配設されたことを特徴とする請求項2に記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 2, wherein the second heat exchanger (212) is disposed on the upstream side of the working fluid flow of the first heat exchanger (211). 前記第1熱交換器(211)と前記第2熱交換器(212)とに対する前記作動流体の流入順序を切替える切替え手段(250)を設けたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の廃熱利用装置。   The switching means (250) for switching the flow order of the working fluid into the first heat exchanger (211) and the second heat exchanger (212) is provided. The waste heat utilization device described. 前記内燃機関(10)の作動時は、前記ランキンサイクル(200)は常時作動されるようになっており、
前記第2熱交換器(212)は、加圧された前記吸入空気を冷却するインタークーラ(13)の機能を兼ねることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
During operation of the internal combustion engine (10), the Rankine cycle (200) is always operated,
The said 2nd heat exchanger (212) serves as the function of the intercooler (13) which cools the said pressurized said intake air, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Waste heat utilization equipment.
前記ランキンサイクル(200)との間で前記凝縮器(230)を共有して形成され、サイクル内を前記作動流体が循環する冷凍サイクル(300)を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。   The refrigeration cycle (300) formed by sharing the condenser (230) with the Rankine cycle (200) and circulating the working fluid in the cycle is provided. Item 6. The waste heat utilization apparatus according to any one of Items 5. 前記内燃機関(10)は車両に搭載されたエンジン(10)であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the internal combustion engine (10) is an engine (10) mounted on a vehicle.
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