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WO2013046853A1 - 廃熱回生システム - Google Patents

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WO2013046853A1
WO2013046853A1 PCT/JP2012/067495 JP2012067495W WO2013046853A1 WO 2013046853 A1 WO2013046853 A1 WO 2013046853A1 JP 2012067495 W JP2012067495 W JP 2012067495W WO 2013046853 A1 WO2013046853 A1 WO 2013046853A1
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WO
WIPO (PCT)
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expander
waste heat
regeneration system
intercooler
refrigerant
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2012/067495
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English (en)
French (fr)
Inventor
小田　和孝
井口　雅夫
英文 森
榎島　史修
文彦 石黒
清 上辻
裕之 武井
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.)
Toyota Industries Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
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 Toyota Industries Corp filed Critical Toyota Industries Corp
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0437—Liquid cooled heat exchangers
    • F02B29/0443—Layout of the coolant or refrigerant circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/28—Layout, e.g. schematics with liquid-cooled heat exchangers
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This invention relates to a waste heat regeneration system, and more particularly to a waste heat regeneration system using a Rankine cycle.
  • a waste heat regeneration system using a Rankine cycle that recovers mechanical energy (power) from heat related to a vehicle engine has been developed.
  • a general Rankine cycle includes a pump that pumps refrigerant, a heat exchanger that heats the refrigerant by waste heat from the engine, an expander that expands the heated refrigerant to recover mechanical energy, and a post-expansion machine. And a condenser for condensing the refrigerant.
  • Patent Document 1 describes a waste heat utilization apparatus having a Leikin cycle that includes a heat exchanger (intercooler) that heats a refrigerant using heat of intake air compressed by a supercharger as a heat source.
  • the Rankine cycle 200 of this waste heat utilization apparatus includes a heat exchanger 212 that is an intercooler that heats the refrigerant by exchanging heat with the intake air pressurized by the supercharger 40. I have.
  • the refrigerant pumped from the pump 240 absorbs the heat of the intake air compressed by the supercharger 40 as waste heat in the intercooler 212, generates mechanical energy in the process of expanding in the expander 220, and cooler It is condensed in (capacitor) 230.
  • Patent Document 2 describes a waste heat utilization apparatus having a Rankine cycle that includes a heat exchanger (EGR cooler) that heats a refrigerant using heat of the reflux exhaust gas of EGR as a heat source.
  • EGR cooler heat exchanger
  • the present invention has been made to solve such a problem, and even when the expander fails, the compressed intake air supplied to the engine via the intercooler or the EGR cooler or An object of the present invention is to provide a waste heat regeneration system capable of cooling the reflux air.
  • a waste heat regeneration system is configured to pump a working fluid by a pump, heat the pumped working fluid with engine waste heat by a heat exchanger, and heat the working fluid.
  • a waste heat regeneration system having a Rankine cycle device that recovers mechanical energy by an expander and condenses the expanded working fluid by a condenser, and the heat exchanger uses compressed intake air as a heat source.
  • an exhaust gas boiler may be provided as a second heat exchanger between the first branch point and the expander.
  • an exhaust gas boiler may be provided as a second heat exchanger between the intercooler and the first branch point.
  • a controller for controlling the on-off valve is provided, and the controller can also control the on-off valve based on the evaporation pressure of the refrigerant between the pump and the expander.
  • evaporation pressure refers to the pressure from the downstream of the pump to the upstream of the expander.
  • a pressure sensor for measuring the evaporation pressure can be provided on the inlet side of the expander.
  • the waste heat regeneration system according to the present invention can provide a waste heat regeneration system that can cool the intake air of the engine via the intercooler even if the expander fails.
  • FIG. 1 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 includes a pump 122, an intercooler 124, an expander 126, and a condenser 128, and these constitute a Rankine cycle device. Furthermore, the Rankine cycle device is provided with a receiver 125 and a subcooler 123. Further, the waste heat regeneration system 100 includes a first branch point 131a provided on the downstream side of the intercooler 124 and upstream of the expander 126, and a first branch point 131a provided on the downstream side of the expander 126 and upstream of the condenser 128. It has a bypass flow path 131 that connects the two branch points 131b. Further, an on-off valve 132 is provided in the middle of the bypass flow path 131.
  • the pump 122 pumps a refrigerant as a working fluid in the Rankine cycle device in the waste heat regeneration system 100.
  • the intercooler 124 heats the refrigerant by exchanging heat between intake air to the engine 150 (to be described later) and the refrigerant.
  • a pressure sensor 127 for measuring the evaporation pressure of the refrigerant is attached in the vicinity of the inlet of the expander 126.
  • the “evaporation pressure” refers to the pressure from the downstream of the pump 122 to the upstream of the expander 126.
  • the expander 126 expands the refrigerant that is heated and vaporized in the intercooler 124 to generate mechanical energy (power).
  • the condenser 128 cools and condenses the vaporized refrigerant by exchanging heat with the outside air.
  • the receiver 125 separates the gas-liquid mixed refrigerant into a gas and a liquid, and the refrigerant exiting the receiver 125 is in a saturated liquid state.
  • the subcooler 123 puts the refrigerant in a supercooled state by exchanging heat with the refrigerant in the saturated liquid state and further cooling the refrigerant.
  • the bypass flow path 131 includes a first branch point 131 a provided on the downstream side of the intercooler 124 and upstream of the expander 126, and a second branch point provided on the downstream side of the expander 126 and upstream of the condenser 128. 131b is connected.
  • the on-off valve 132 allows the refrigerant to flow through the bypass flow path 131 when it is open, and prevents the refrigerant from flowing through the bypass flow path 131 when it is closed.
  • the controller 160 is electrically connected to the pressure sensor 127 and the on-off valve 132. The controller 160 opens the on-off valve 132 when the evaporation pressure acquired from the pressure sensor 127 exceeds a certain value.
  • the intake system 141 and the exhaust system 142 of the engine 150 will be described in relation to the intercooler 124.
  • the air sent into the engine 150 is taken in from the intake system 141 and exhausted from the exhaust system 142 as indicated by the arrows in FIG.
  • the intake system 141 is provided with a compressor of the supercharger 144 and an intercooler 124, which are sequentially connected to the intake side of the engine 150.
  • the exhaust system 142 is provided with a turbine of a supercharger 144 and a muffler 146.
  • the supercharger 144 is driven by the exhaust force of the exhaust gas flowing through the exhaust system 142 to compress the intake air that is taken into the engine 150 through the intake system 141.
  • the intercooler 124 cools the intake air pressurized by the supercharger 144 and having a high temperature by heat exchange with the refrigerant flowing in the Rankine cycle device in the waste heat regeneration system 100.
  • the pump 122 is driven by a driving source (not shown), and the refrigerant is pumped toward the downstream side of the pump 122.
  • the refrigerant pumped from the pump 122 absorbs heat from the intake air sent from the intake system 141 to the engine 150 in the process of flowing through the intercooler 124 and becomes high-temperature gas.
  • the evaporating pressure of the refrigerant that has become a high-temperature gas is measured by the pressure sensor 127.
  • the evaporation pressure measured by the pressure sensor 127 is transmitted to the controller 160.
  • the controller 160 determines that the expander 126 has failed.
  • the refrigerant heated and vaporized in the intercooler 124 flows into the expander 126 and expands to generate mechanical energy.
  • the refrigerant exiting the expander 126 is cooled and condensed by exchanging heat with the outside air in the condenser 128.
  • the refrigerant exiting the condenser 128 is separated into gas and liquid at the receiver 125.
  • the refrigerant in the saturated liquid state coming out of the receiver 125 flows into the subcooler 123 and is further cooled (supercooled), then sucked into the pump 122 and pumped back toward the intercooler 124 again.
  • the controller 160 keeps the on-off valve 132 open.
  • the refrigerant that has exited the intercooler 124 flows through the bypass passage 131 via the first branch point 131a and flows into the capacitor 128 via the second branch point 131b.
  • the refrigerant cooled and condensed by the condenser 128 flows through the receiver 125, the subcooler 123 and the pump 122, flows into the intercooler 124 again, and cools the intake air that has been compressed to a high temperature.
  • FIG. FIG. 2 shows the configuration of a waste heat regeneration system 200 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the waste heat regeneration system 200 according to the second embodiment is the same as the waste heat regeneration system 100 according to the first embodiment, on the downstream side of the first branch point 131a of the intercooler 124 and the bypass passage 131 and on the upstream side of the expander 126.
  • An exhaust gas boiler 229 is added.
  • the exhaust gas boiler 229 is a second heat exchanger that heats the refrigerant by exchanging heat with the exhaust gas discharged from the engine 150 through the exhaust system 142.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same or similar components, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the pump 122 is driven by a drive source (not shown), and the refrigerant is pumped toward the downstream side of the pump 122.
  • the refrigerant pumped from the pump 122 absorbs heat from the intake air sent from the intake system 141 to the engine 150 in the process of flowing through the intercooler 124.
  • the refrigerant that has flowed through the intercooler 124 then flows into the exhaust gas boiler 229 and absorbs heat from the exhaust gas discharged from the engine 150 to the exhaust system 142.
  • the refrigerant that has absorbed heat by the intercooler 124 and the exhaust gas boiler and has become a high-temperature gas is measured for evaporation pressure by the pressure sensor 127. If the evaporation pressure measured by the pressure sensor 127 is equal to or greater than a predetermined value, the controller 160 determines that the expander 126 has failed. When a failure of the expander 126 is not detected, the refrigerant flows into the expander 126 according to normal operation.
  • the controller 160 opens the on-off valve 132.
  • the refrigerant heated by the intercooler 124 flows through the bypass passage 131 without flowing through the exhaust gas boiler 229 and the expander 126.
  • the refrigerant circulates in the Rankine cycle device and continues to cool the intake air to the engine 150 in the intercooler 124.
  • the refrigerant circulates without passing through the exhaust gas boiler 229, thereby reducing the heat absorption amount of the refrigerant as a whole. Therefore, when the refrigerant flows through the intercooler 124, the intake air supplied to the engine 150 can be cooled more efficiently. That is, when the intake air is further cooled, the density of the intake air is increased and the charging efficiency of the engine 150 is also increased.
  • FIG. 3 shows the configuration of a waste heat regeneration system 300 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the waste heat regeneration system 300 according to Embodiment 3 is provided with a bypass passage 331 and an opening / closing valve 332 instead of the bypass passage 131 and the opening / closing valve 132 in the waste heat regeneration system 200 according to Embodiment 2. is there.
  • the bypass flow path 331 communicates the downstream side of the exhaust gas boiler 229 and the upstream side of the expander 126 with the downstream side of the expander 126 and the upstream side of the condenser 128.
  • the on-off valve 332 is attached in the middle of the bypass flow path 331 and is electrically connected to the controller 160.
  • the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are the same or similar components, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the operation of the waste heat regeneration system 300 according to Embodiment 3 will be described.
  • the operation in which the refrigerant is pumped from the pump 122 and flows through the intercooler 124, the exhaust gas boiler 229, and the pressure sensor 127 is the same as that of the waste heat regeneration system 200 in the second embodiment.
  • the operation after the refrigerant has flowed into the expander 126 is also performed by the waste heat regeneration system 100 in the first embodiment and the waste heat regeneration system 200 in the second embodiment. The operation is the same. Therefore, detailed description of these operations is omitted.
  • the controller 160 opens the on-off valve 332.
  • the refrigerant is heated in the intercooler 124 and the exhaust gas boiler 229, and then flows into the bypass flow path 331 and continues to circulate in the Rankine cycle device without flowing through the expander 126. Therefore, even under the situation where the expander 126 is out of order, the intercooler 124 continues to cool the intake air to the engine 150, and the refrigerant heated in the exhaust gas boiler 229 flows without stagnation. You can continue.
  • the refrigerant does not stay in the exhaust gas boiler 229 and continues to flow through the bypass passage 331. Therefore, there is no possibility that the refrigerant is thermally decomposed and deteriorated because the refrigerant is excessively heated in the exhaust gas boiler 229.
  • FIG. 4 The configuration of a waste heat regeneration system 400 according to Embodiment 4 of the present invention is shown in FIG.
  • the waste heat regeneration system 400 according to the fourth embodiment uses an EGR cooler 424 instead of the intercooler 124 as a heat exchanger in the waste heat regeneration system 100 according to the first embodiment.
  • engine 150 is connected to intake system 441 and exhaust system 442. Further, the intake system 441 and the exhaust system 442 of the engine 150 are provided with an EGR passage 443 having one end connected to the intake system 441 and the other end connected to the exhaust system 442.
  • the EGR cooler 424 is provided in the middle of the EGR passage 443. Specifically, as indicated by the arrows in FIG.
  • the air that is taken in from the intake system 441 and sent to the engine 150 is exhausted from the exhaust system 442 as high-temperature exhaust gas by combustion in the engine 150. .
  • part of the exhaust gas discharged to the exhaust system 442 circulates in the EGR passage 443 as EGR recirculation exhaust.
  • the EGR cooler 424 provided on the EGR passage 443 heat exchange is performed with the refrigerant flowing through the Rankine cycle device using the reflux exhaust of the EGR as a heat source.
  • the recirculated exhaust gas of EGR cooled by heat exchange with the refrigerant in the EGR cooler 424 merges into the intake system 441 from the EGR passage 443 and is sucked into the engine 150 again.
  • the expander 126 fails in the case where the EGR cooler 424 is used as the heat exchanger in the waste heat regeneration system 400, the refrigerant continues to flow to the Rankine cycle device. Therefore, in the EGR cooler 424, heat exchange between the EGR recirculation exhaust and the refrigerant can be performed, and the EGR recirculation exhaust can be continuously cooled. Thus, the recirculation exhaust of EGR continues to be cooled, thereby suppressing an increase in nitrogen oxides in the exhaust gas. Further, since the temperature rise of the entire intake air of the engine 150 is suppressed, the density of the intake air does not decrease.
  • the refrigerant evaporating pressure is measured by the pressure sensor 127 in order to detect the failure of the expander 126.
  • a rotation sensor may be provided in the expander 126 to detect the rotation speed of the output shaft that extracts mechanical energy.
  • the pressure sensor 127 is provided near the inlet of the expander 126, the pressure sensor 127 is not limited to this, and any other location (for example, upstream of the on-off valve 132) may be provided on the downstream side of the pump 122 and upstream of the expander 126. Side).
  • the on-off valves 132 and 332 mounted on the bypass flow paths 131 and 331 are not limited to those controlled by the controller 160.
  • a relief valve may be used that is in an open state and then remains open even when the evaporation pressure decreases.
  • Waste heat regeneration system 124 intercooler, 126 expander, 127 pressure sensor, 128 condenser, 131, 331 bypass flow path, 131a, 331a first branch point, 131b, 331b second branch point, 132 open / close Valve, 150 engine, 160 controller, 229 exhaust gas boiler, 424 EGR cooler

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Abstract

　膨張機が故障した場合であっても、インタークーラ又はＥＧＲクーラを介して、エンジンへ供給される圧縮された吸入空気又は還流排気を冷却することができるようにする。　ランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、インタークーラ又はＥＧＲクーラの下流側かつ膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、バイパス流路上に設けられ、膨張機が故障した際にバイパス流路を連通させる開閉弁とを備える。

Description

廃熱回生システム
　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利用した廃熱回生システムに関する。
　車両用のエンジンに係わる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を利用した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は、冷媒を圧送するポンプと、冷媒をエンジンに係わる廃熱によって加熱する熱交換器と、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と、膨張後の冷媒を凝縮させるコンデンサとから構成されている。
　特許文献１には、過給器で圧縮された吸入空気の熱を熱源として冷媒を加熱する熱交換器（インタークーラ）を備えるライキンサイクルを有する廃熱利用装置が記載されている。特許文献１の図５を参照すると、この廃熱利用装置のランキンサイクル２００は、冷媒を過給器４０で加圧された吸入空気と熱交換させて加熱するインタークーラである熱交換器２１２を備えている。ポンプ２４０から圧送された冷媒は、インタークーラ２１２において、過給器４０で圧縮された吸入空気の熱を廃熱として吸収し、膨張機２２０において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、冷却器（コンデンサ）２３０において凝縮される。
　また、特許文献２には、ＥＧＲの還流排気の熱を熱源として冷媒を加熱する熱交換器（ＥＧＲクーラ）を備えるランキンサイクルを有する廃熱利用装置が記載されている。
特開２００８－８２２４号公報 特開２０１０－２４２７２６号公報
　このような廃熱回生システムでは、膨張機が故障した場合、ランキンサイクルに冷媒が流れなくなるため、インタークーラでのエンジンの吸入空気やＥＧＲクーラでの還流排気との熱交換をすることができなくなる。すなわち、吸入空気又は還流排気を冷却することができなくなるため、吸入空気又は還流排気の温度が下がらず、吸入空気の密度が低くなり、エンジンのシリンダ室内に供給される吸入空気の充填効率が低くなる。そのため、エンジンの出力が低下する原因となる。また、還流排気の温度が高くなり、排気ガスの窒素酸化物が増加する。このように、廃熱回生システムの熱交換器としてインタークーラやＥＧＲクーラを用い、圧縮された吸入空気又は還流排気を熱源とする場合、エンジンの排気ガスを熱源とする場合と異なり、膨張機の故障がエンジンの出力低下や排気ガス中の窒素酸化物増加という車両性能や環境性能に直接影響を及ぼすことになる。
　この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あり、膨張機が故障した場合であっても、インタークーラ又はＥＧＲクーラを介して、エンジンへ供給される圧縮された吸入空気又は還流空気を冷却することができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。
　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、作動流体をポンプによって圧送し、圧送された作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された作動流体を膨張機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コンデンサによって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムであって、熱交換器は、圧縮された吸入空気を熱源として作動流体との間で熱交換を行なうインタークーラ、又はＥＧＲの還流排気を熱源として前記作動流体との間で熱交換を行うＥＧＲクーラであり、インタークーラ又はＥＧＲクーラの下流側かつ膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、バイパス流路上に設けられ、膨張機が故障した際にバイパス流路を連通させる開閉弁とを備える。
　これにより、膨張機が故障した場合であっても、冷媒がランキンサイクル装置に流れ続け、エンジンへの吸入空気又はＥＧＲの還流排気と冷媒との熱交換を行うことができ、吸入空気を冷却することができる。その結果、膨張機が故障してもエンジンの出力は低下しない。
　また、第１分岐点と膨張機との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備えてもよい。
　また、インタ－クーラと第１分岐点との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備えてもよい。
　さらに、開閉弁を制御するコントローラを備え、コントローラは、ポンプと膨張機との間の冷媒の蒸発圧力に基づいて、開閉弁を制御することもできる。ここで「蒸発圧力」とは、ポンプの下流から膨張機の上流までの圧力をいう。
　またさらに、膨張機の入口側には、蒸発圧力を測定する圧力センサを備えることもできる。
　本発明に係る廃熱回生システムによれば、膨張機が故障した場合であっても、インタークーラを介してエンジンの吸入空気を冷却することができる廃熱回生システムを提供することができる。
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。 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。 この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
　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、ポンプ１２２と、インタークーラ１２４と、膨張機１２６と、コンデンサ１２８とを有し、これらはランキンサイクル装置を構成する。またさらに、このランキンサイクル装置には、レシーバ１２５と、サブクーラ１２３とが設けられている。また、廃熱回生システム１００は、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとを接続するバイパス流路１３１を有する。さらに、バイパス流路１３１の途中には開閉弁１３２が設けられている。
　ポンプ１２２は廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル装置内の作動流体としての冷媒を圧送する。インタークーラ１２４は、後述するエンジン１５０への吸気と冷媒とを熱交換させて、冷媒を加熱する。膨張機１２６の入口近傍には、冷媒の蒸発圧力を測定する圧力センサ１２７が取り付けられる。なお、「蒸発圧力」とはポンプ１２２の下流から膨張機１２６の上流までの圧力をいう。膨張機１２６は、インタークーラ１２４において加熱されて気化した冷媒を膨張させて機械的エネルギー（動力）を発生させる。コンデンサ１２８は、気化した状態の冷媒を外気と熱交換させて冷却凝縮させる。レシーバ１２５は気液混合状態の冷媒を気体と液体とに分離し、レシーバ１２５を出た冷媒は飽和液状態となる。サブクーラ１２３は、飽和液状態の冷媒を外気と熱交換させてさらに冷却することにより冷媒を過冷却状態にする。
　バイパス流路１３１は、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとを接続する。開閉弁１３２は開いた状態の時に冷媒がバイパス流路１３１に流通するようにし、閉じた状態の時には冷媒がバイパス流路１３１に流通しないようにする。コントローラ１６０は、圧力センサ１２７及び開閉弁１３２と電気的に接続する。コントローラ１６０は、圧力センサ１２７から取得される蒸発圧力が一定の値以上になると開閉弁１３２を開いた状態にする。
　次に、インタークーラ１２４に関連して、エンジン１５０の吸気系１４１と排気系１４２について説明する。
　エンジン１５０に送り込まれる空気は、図１の矢印のように、吸気系１４１から吸気され、排気系１４２から排気される。吸気系１４１には、過給器１４４のコンプレッサとインタークーラ１２４とが設けられ、エンジン１５０の吸気側に順次接続する。また、排気系１４２には、過給器１４４のタービンとマフラー１４６とが設けられている。過給器１４４は、排気系１４２内を流通する排気ガスの排出力によって駆動されることにより、吸気系１４１を通ってエンジン１５０へ吸入される吸入空気を圧縮する。インタークーラ１２４は、過給器１４４によって加圧されて高温となった吸入空気を、廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル装置内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する。
　次に、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。
　廃熱回生システム１００が有するランキンサイクル装置の運転が開始されると、図示しない駆動源によってポンプ１２２が駆動され、ポンプ１２２の下流側に向けて冷媒が圧送される。ポンプ１２２から圧送された冷媒は、インタークーラ１２４を流通する過程において、吸気系１４１からエンジン１５０へ送り込まれる吸入空気から熱を吸収して高温のガスとなる。高温のガスとなった冷媒は圧力センサ１２７によって蒸発圧力を測定される。圧力センサ１２７によって測定された蒸発圧力は、コントローラ１６０に伝達される。ここで、コントローラ１６０は、圧力センサ１２７によって測定された蒸発圧力が所定値以上であれば、膨張機１２６が故障したものと判断する。
　膨張機１２６の故障が検知されない通常の場合は、インタークーラ１２４において加熱され気化した冷媒は膨張機１２６に流入し、膨張して機械的エネルギーを発生させる。膨張機１２６を出た冷媒は、コンデンサ１２８において外気と熱交換することによって冷却凝縮される。コンデンサ１２８を出た冷媒は、レシーバ１２５において気体と液体とに分離される。レシーバ１２５から出た飽和液状態の冷媒は、サブクーラ１２３に流入してさらに冷却（過冷却）された後、ポンプ１２２に吸入されて再びインタークーラ１２４に向けて圧送される。
　一方、圧力センサ１２７によって測定される蒸発圧力が所定値以上であり、膨張機１２６の故障が検知されたときは、コントローラ１６０は開閉弁１３２が開いた状態とする。インタークーラ１２４を出た冷媒は第１分岐点１３１ａを介してバイパス流路１３１を流通し、第２分岐点１３１ｂを介してコンデンサ１２８に流入する。コンデンサ１２８で冷却凝縮された冷媒は、レシーバ１２５、サブクーラ１２３及びポンプ１２２を流通して、再びインタークーラ１２４に流入し、圧縮されて高温となった吸入空気を冷却する。
　以上説明したように、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとをバイパス流路１３１により接続する。そのため、膨張機１２６が故障しても冷媒がランキンサイクル装置に流れ続け、エンジン１５０への吸入空気と冷媒との熱交換を行うことができ、吸入空気を冷却することができる。吸入空気が冷却され続けることにより、吸入空気の密度が高くなり、エンジン１５０への充填効率が高くなる。
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。
　実施の形態２係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、インタークーラ１２４及びバイパス流路１３１の第１分岐点１３１ａの下流側かつ膨張機１２６の上流側に排ガスボイラ２２９を追加したものである。排ガスボイラ２２９は冷媒をエンジン１５０から排気系１４２を通って排出される排気ガスと熱交換させて加熱する第２の熱交換器である。なお、以降の説明において、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。
　実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の動作について説明する。
　実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の運転が開始されると、図示しない駆動源によってポンプ１２２が駆動され、ポンプ１２２の下流側に向けて冷媒が圧送される。ポンプ１２２から圧送された冷媒は、インタークーラ１２４を流通する過程において、吸気系１４１からエンジン１５０へ送り込まれる吸入空気から熱を吸収する。インタークーラ１２４を流通した冷媒は、次に排ガスボイラ２２９に流入し、エンジン１５０から排気系１４２へ排出された排気ガスから熱を吸収する。インタークーラ１２４及び排ガスボイラで熱を吸収し、高温のガスとなった冷媒は圧力センサ１２７によって蒸発圧力を測定される。コントローラ１６０は、圧力センサ１２７によって測定された蒸発圧力が所定値以上であれば、膨張機１２６が故障したものと判断する。膨張機１２６の故障が検出されない場合においては、冷媒は通常の動作に従って膨張機１２６に流入する。
　一方、圧力センサ１２７によって測定される蒸発圧力が所定値以上であり、膨張機１２６が故障したと判断されるときは、コントローラ１６０によって開閉弁１３２が開かれる。インタークーラ１２４で加熱された冷媒は、排ガスボイラ２２９及び膨張機１２６には流通せずに、バイパス流路１３１を流通する。冷媒はランキンサイクル装置内を循環し、インタークーラ１２４においてエンジン１５０への吸入空気を冷却し続ける。
　以上説明したように、実施の形態２に係る廃熱回生システム１００では、膨張機１２６が故障した際に冷媒が排ガスボイラ２２９を通らずに循環することにより全体として冷媒の吸熱量が減る。そのため、冷媒がインタークーラ１２４を流通する際に、より効率的にエンジン１５０へ供給される吸入空気を冷却することができる。すなわち、吸入空気がより冷却されることで吸入空気の密度が高くなり、エンジン１５０への充填効率も高くなる。
実施の形態３．
　この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の構成を図３に示す。
　実施の形態３に係る廃熱回生システム３００は、実施の形態２に係る廃熱回生システム２００におけるバイパス流路１３１及び開閉弁１３２に替わって、バイパス流路３３１及び開閉弁３３２を設けたものである。バイパス流路３３１は、排ガスボイラ２２９の下流側かつ膨張機１２６の上流側と、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側とを連通させる。また開閉弁３３２はバイパス流路３３１の途中に取り付けられ、コントローラ１６０と電気的に接続している。尚、以降の説明において、図１及び図２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。
　実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の動作について説明する。
　冷媒がポンプ１２２から圧送され、インタークーラ１２４と排ガスボイラ２２９と圧力センサ１２７とを流通する動作は実施の形態２における廃熱回生システム２００と同様である。また、膨張機１２６の故障が検知されない通常の場合に、冷媒が膨張機１２６に流入した後の動作も、実施の形態１における廃熱回生システム１００及び実施の形態２における廃熱回生システム２００の動作と同様である。したがって、これらの動作の詳細な説明は省略する。
　一方、圧力センサ１２７によって測定される蒸発圧力が所定値以上であり、膨張機１２６が故障したと判断されるときは、コントローラ１６０によって開閉弁３３２が開かれる。冷媒はインタークーラ１２４及び排ガスボイラ２２９において加熱された後、バイパス流路３３１に流入し、膨張機１２６を流通せずに、ランキンサイクル装置内を循環し続ける。そのため、膨張機１２６が故障している状況下であっても、インタークーラ１２４においてエンジン１５０への吸入空気を冷却し続け、かつ、排ガスボイラ２２９内において加熱される冷媒が滞留せずに流通し続けることができる。
　以上説明したように、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００では、膨張機１２６が故障した際に冷媒が排ガスボイラ２２９に滞留することなく、バイパス流路３３１を通って回路内を流れ続ける。そのため、排ガスボイラ２２９内で冷媒が過剰に加熱されたために、冷媒が熱分解されて劣化するというおそれがない。
実施の形態４．
　この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システム４００の構成を図４に示す。
　実施の形態４に係る廃熱回生システム４００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、熱交換器としてインタークーラ１２４の替わりにＥＧＲクーラ４２４を用いたものである。この実施の形態４では、エンジン１５０は吸気系４４１及び排気系４４２と接続している。また、エンジン１５０の吸気系４４１及び排気系４４２には、一端が吸気系４４１に接続されると共に他端が排気系４４２に接続されるＥＧＲ通路４４３が設けられている。そして、ＥＧＲクーラ４２４はＥＧＲ通路４４３の途中に設けられている。
　具体的には、図４の矢印のように、吸気系４４１から吸気されてエンジン１５０に送り込まれた空気は、エンジン１５０内での燃焼により高温の排気ガスとなって排気系４４２から排出される。この時、排気系４４２に排出された排気ガスの一部は、ＥＧＲの還流排気としてＥＧＲ通路４４３に流通する。そして、ＥＧＲ通路４４３上に設けられたＥＧＲクーラ４２４では、ＥＧＲの還流排気を熱源として、ランキンサイクル装置を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。その後、ＥＧＲクーラ４２４における冷媒との熱交換によって冷却されたＥＧＲの還流排気は、ＥＧＲ通路４４３から吸気系４４１に合流し、再びエンジン１５０に吸入される。なお、ここで、図１、図２及び図３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。また、実施の形態４に係る廃熱回生システム４００の動作についても、実施の形態１の廃熱回生システム１００と同様なので詳細な説明は省略する。
　以上説明したように、廃熱回生システム４００における熱交換器にＥＧＲクーラ４２４を用いた場合において膨張機１２６が故障した時であっても、冷媒はランキンサイクル装置に流れ続ける。そのため、ＥＧＲクーラ４２４では、ＥＧＲの還流排気と冷媒との熱交換を行うことができ、ＥＧＲの還流排気を冷却し続けることができる。このようにＥＧＲの還流排気が冷却され続けることにより、排気ガス中の窒素酸化物の増加が抑えられる。また、エンジン１５０の吸入空気全体の温度上昇も抑制されるため、吸入空気の密度が低くなることもない。
　実施の形態１～４において、膨張機１２６の故障を検知するのに、冷媒の蒸発圧力を圧力センサ１２７によって測定したが、これに限定されるものではない。膨張機１２６に回転センサを設けて、機械的エネルギーを取り出す出力軸の回転数を検出してもよい。また、圧力センサ１２７は、膨張機１２６の入口付近に設けたが、これに限定されず、ポンプ１２２の下流側かつ膨張機１２６の上流側であれば、他の場所（例えば開閉弁１３２の上流側）に設けてもよい。
　バイパス流路１３１，３３１上に取り付けられる開閉弁１３２，３３２は、コントローラ１６０によって制御されるものに限定されず、例えば、蒸発圧力が、膨張機１２６の故障と考えられる所定値以上になると自律的に開いた状態となり、その後、蒸発圧力が低下しても開いた状態を維持するリリーフ弁を使用してもよい。
　１００，２００，３００　廃熱回生システム、１２４　インタークーラ、１２６　膨張機、１２７　圧力センサ、１２８　コンデンサ、１３１，３３１　バイパス流路、１３１ａ，３３１ａ　第１分岐点、１３１ｂ、３３１ｂ　第２分岐点、１３２　開閉弁、１５０　エンジン、１６０　コントローラ、２２９　排ガスボイラ、４２４　ＥＧＲクーラ

Claims (5)

  1. 　作動流体をポンプによって圧送し、圧送された前記作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された前記作動流体を膨張機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コンデンサによって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、
    　前記熱交換器は、圧縮された吸入空気を熱源として前記作動流体との間で熱交換を行なうインタークーラ、又はＥＧＲの還流排気を熱源として前記作動流体との間で熱交換を行うＥＧＲクーラであり、
    　前記インタークーラ又は前記ＥＧＲクーラの下流側かつ前記膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、
    　前記バイパス流路上に設けられ、前記膨張機が故障した際に前記バイパス流路を連通させる開閉弁と
    を備える、廃熱回生システム
  2. 　前記第１分岐点と前記膨張機との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備える請求項１に記載の廃熱回生システム。
  3. 　前記インタ－クーラ又は前記ＥＧＲクーラと前記第１分岐点との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備える請求項１に記載の廃熱回生システム。
  4. 　前記開閉弁を制御するコントローラを備え、
    　前記コントローラは、前記ポンプと前記膨張機との間の前記作動流体の蒸発圧力に基づいて、前記開閉弁の開閉を制御する請求項１～３のいずれかに一項に記載の廃熱回生システム。
  5. 　前記膨張機の入口側には、前記蒸発圧力を測定する圧力センサを備える請求項４記載の廃熱回生システム。
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