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WO2014103977A1 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

内燃機関の廃熱利用装置 Download PDF

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WO2014103977A1
WO2014103977A1 PCT/JP2013/084405 JP2013084405W WO2014103977A1 WO 2014103977 A1 WO2014103977 A1 WO 2014103977A1 JP 2013084405 W JP2013084405 W JP 2013084405W WO 2014103977 A1 WO2014103977 A1 WO 2014103977A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat exchanger
combustion engine
internal combustion
working fluid
expander
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/084405
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English (en)
French (fr)
Inventor
英文 森
井口　雅夫
榎島　史修
文彦 石黒
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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.)
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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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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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

  • the present invention relates to a waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine.
  • Patent Document 1 discloses a waste heat utilization apparatus in which a working fluid circulation pipe in a Rankine cycle circuit is connected in parallel to a plurality of heat exchangers respectively corresponding to a plurality of heat sources for the purpose of recovering waste heat from a plurality of heat sources.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • FIG. 6 of Patent Document 1 EGR (exhaust gas recirculation) gas, supply air pressurized by a supercharger, cooling water, and internal combustion engine oil (for example, engine oil) are respectively used.
  • Working fluid circulation pipes are connected in parallel to four heat exchangers used as heat sources.
  • Patent Document 1 since the flow pipe connected to the pump that supplies the working fluid is connected in parallel to the four heat exchangers, each heat exchanger simply has a quarter of the total amount of the working fluid. 1 is supplied. Therefore, compared with the case where all the working fluids are supplied to one heat exchanger, the heat exchange efficiency in each heat exchanger is simply a quarter. Therefore, in the heat exchanger that uses the supply air and the cooling water as heat sources, respectively, although the heat exchanger is also expected to have a cooling effect on the supply air and the cooling water, the configuration of Patent Document 1 provides sufficient cooling. The effect cannot be obtained.
  • This invention aims at improving the heat exchange efficiency in heat sources other than pressurized air, improving the cooling function of the pressurized air sent out from a supercharger.
  • An apparatus for using waste heat of an internal combustion engine for solving the above problems includes an air supply circuit having a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, an expander, and a pump that supplies working fluid to the expander.
  • a Rankine cycle circuit having a charge air heat exchanger configured to exchange heat between the pressurized air and the working fluid, between the pump and the expander in the Rankine cycle circuit; and A charge air heat exchanger disposed between the supercharger and the internal combustion engine in the air supply circuit, and configured to perform heat exchange between the exhaust gas discharged from the internal combustion engine and the working fluid.
  • An exhaust gas heat exchanger, and a recirculation gas heat exchanger configured to exchange heat between the exhaust gas recirculated to the internal combustion engine and the working fluid.
  • the discharge gas heat exchanger and the recirculation gas heat exchanger are arranged in parallel between the charge air heat exchanger and the expander in the Rankine cycle circuit.
  • the charge air heat exchanger can perform heat exchange using all of the working fluid sent from the pump of the Rankine cycle circuit, it is sent from the supercharger.
  • the pressurized air to be cooled can be sufficiently cooled. Therefore, it is not necessary to provide a special air-type heat supply heat exchanger.
  • heat exchange is performed downstream of the charge air heat exchanger with both the exhaust gas discharged to the outside and the exhaust gas to be recirculated, so that the heat of the exhaust gas can be passed to the Rankine cycle circuit without excess, and the heat exchange efficiency Is expensive.
  • heat exchange with each exhaust gas is performed in parallel rather than in series, there is little reduction in heat exchange efficiency due to mutual influence.
  • a flow pipe that connects the charge air heat exchanger, the discharge gas heat exchanger, the recirculation gas heat exchanger, and the expander and through which a working fluid flows is further provided.
  • the flow pipe is preferably branched inside the charge air heat exchanger and joined outside the charge air heat exchanger. According to the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine, in the charge air heat exchanger, in order to divert the working fluid before being heated to the maximum by pressurized air, in the heat exchanger provided in the diverted flow path The heat exchange efficiency can be maintained at a high level.
  • the Rankine cycle circuit includes the working fluid between the charge air heat exchanger and the discharge gas heat exchanger, and the working fluid downstream of the expander. It is preferable to provide an internal heat exchanger that exchanges heat with each other. According to the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine, since the working fluid sent from the expander can be cooled by the internal heat exchanger, the load for cooling the working fluid in the condenser can be reduced.
  • a flow rate adjustment valve configured to adjust a ratio between a flow rate of the working fluid flowing through the recirculation gas heat exchanger and a flow rate of the working fluid flowing through the discharge gas heat exchanger It is preferable to further provide.
  • the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine when the temperature of the recirculation gas flowing out from the recirculation gas heat exchanger is high, a large amount of working fluid is caused to flow through the recirculation gas heat exchanger, The temperature can be lowered. For this reason, it is easy to keep the temperature of the recirculation gas supplied to the internal combustion engine appropriately.
  • the flow rate adjusting valve is provided between the charge air heat exchanger and the discharge gas heat exchanger. According to the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine, the maximum flow rate of the working fluid supplied to the recirculation gas heat exchanger can be increased.
  • the invention of the present application can enhance the cooling function of the pressurized air sent from the supercharger, and can improve the heat exchange efficiency in a heat source other than the pressurized air.
  • the first embodiment shown in FIG. 1 shows a waste heat utilization device in an internal combustion engine 1 such as a gasoline engine or a diesel engine mounted on a vehicle, for example.
  • the internal combustion engine 1 includes a coolant circulation circuit 2 that cools the internal combustion engine 1, a discharge gas circuit 3 that discharges exhaust gas from the internal combustion engine 1 to the outside, and an exhaust gas that is branched from the discharge gas circuit 3 and recirculated to the internal combustion engine 1.
  • a flowing recirculation gas circuit 4 and an air supply circuit 5 for supplying pressurized air to the internal combustion engine 1 are provided.
  • the internal combustion engine 1 is connected to a Rankine cycle circuit 6 that circulates a working fluid including a refrigerant and lubricating oil in order to use waste heat.
  • the cooling water circulation circuit 2 includes a circulation pipe 7 for cooling water circulated through the internal combustion engine 1, a cooling water pump 8 and a radiator 9 disposed in the circulation pipe 7.
  • the cooling water pump 8 supplies cooling water to the internal combustion engine 1 to cool the internal combustion engine 1.
  • the cooling water heated by the internal combustion engine 1 is cooled by the radiator 9.
  • the cooled cooling water is supplied again to the internal combustion engine 1 by the cooling water pump 8 and circulates to cool the internal combustion engine 1.
  • the discharge gas circuit 3 has a discharge gas pipe 10 having one end connected to the internal combustion engine 1.
  • the other end of the discharge gas pipe 10 is provided in the Rankine cycle circuit 6 and opens to the atmosphere outside the vehicle through a discharge gas heat exchanger 11 that performs heat exchange using the discharge gas and a muffler (not shown).
  • the recirculation gas pipe 12 of the recirculation gas circuit 4 is branched from the discharge gas circuit 3.
  • the recirculation gas pipe 12 is provided in the Rankine cycle circuit 6, extends through a recirculation gas heat exchanger 13 that performs heat exchange using the recirculation gas, and is connected to the air supply pipe 14 of the air supply circuit 5.
  • a recirculation gas which is a part of the exhaust gas is supplied from the supply pipe 14 to the internal combustion engine 1.
  • the air supply circuit 5 includes a supercharger 15 to which an air supply pipe 14 is connected.
  • the supercharger 15 includes a turbine and a compressor (not shown). In the supercharger 15, the turbine is rotated by the exhaust gas supplied from the discharge gas pipe 10 of the discharge gas circuit 3, the compressor is rotated by the rotation of the turbine, and the air sucked from the atmosphere is compressed by the suction pipe 16. The pressurized air is sent out to the air supply pipe 14.
  • the air supply pipe 14 is provided in the Rankine cycle circuit 6 for cooling the pressurized air whose temperature has been raised by compression, and passes through a supply air heat exchanger 17 that performs heat exchange using the pressurized air (supply air). It extends and is connected to the internal combustion engine 1.
  • the Rankine cycle circuit 6 includes a main flow pipe 18 as a flow pipe through which a working fluid flows, a first diversion pipe 18A, a second diversion pipe 19, a pump 20 that is mechanically or electrically driven to supply the working fluid, An air heat exchanger 17, a recirculation gas heat exchanger 13, an expander 21, an internal heat exchanger 22, a condenser 23 and a receiver 24 are provided.
  • the main flow pipe 18 is branched into a first diversion pipe 18 ⁇ / b> A and a second diversion pipe 19 inside the charge air heat exchanger 17.
  • the recirculation gas heat exchanger 13 is connected to the first diversion pipe 18A, and the internal heat exchanger 22 and the discharge gas heat exchanger 11 are connected to the second diversion pipe 19 in this order.
  • the first branch pipe 18 ⁇ / b> A and the second branch pipe 19 are joined together on the upstream side of the expander 21 outside the charge air heat exchanger 17.
  • a generator 25 is connected to the expander 21.
  • the working fluid flowing through the pipe 18 is used as a heat source for the Rankine cycle circuit 6.
  • the cooling water circulation circuit 2, the air supply circuit 5, and the Rankine cycle circuit 6 start to operate.
  • the working fluid supplied from the pump 20 flows through the main flow pipe 18, and the entire flow rate is supplied to the charge air heat exchanger 17.
  • the supply air heat exchanger 17 heat exchange is performed between the working fluid flowing through the main flow pipe 18 and the pressurized air sent from the supercharger 15 and flowing through the supply pipe 14, so that the pressurized air is desired.
  • the working fluid is heated while being cooled to a temperature.
  • the cooled pressurized air is supplied to the internal combustion engine 1 through the air supply pipe 14.
  • the working fluid heated by the charge air heat exchanger 17 is supplied to the recirculation gas heat exchanger 13 through the first branch pipe 18A branched from the main flow pipe 18.
  • the recirculation gas flowing through the recirculation gas pipe 12 is hotter than the pressurized air supplied from the supercharger 15. For this reason, even if it is the working fluid heated by the supply air heat exchanger 17, high heat exchange efficiency is maintained in the recirculation gas heat exchanger 13, and a working fluid can be heated further.
  • the working fluid heated by the recirculation gas heat exchanger 13 flows through the first branch pipe 18 ⁇ / b> A toward the expander 21. Further, the recirculation gas that has passed through the recirculation gas heat exchanger 13 joins from the recirculation gas pipe 12 to the air supply pipe 14 and is supplied to the internal combustion engine 1 together with the pressurized air.
  • the second branch pipe 19 is branched from the main flow pipe 18 at an intermediate position inside the supply air heat exchanger 17, the second branch pipe 19 is heated to a high temperature in the supply air heat exchanger 17.
  • the working fluid divided from the main flow pipe 18 is supplied to the internal heat exchanger 22 through the second flow pipe 19.
  • the high-temperature working fluid sent from the expander 21 is supplied to the internal heat exchanger 22 by the main flow pipe 18. For this reason, heat exchange is performed between the high-temperature working fluid flowing through the main flow pipe 18 and the low-temperature working fluid flowing through the second branch pipe 19, and the working fluid in the main flow pipe 18 is cooled and the second branch pipe 19 is cooled. The working fluid is heated.
  • the working fluid in the main flow pipe 18 cooled in the internal heat exchanger 22 is supplied to the condenser 23 and further cooled. Therefore, in the condenser 23, the load for cooling the working fluid is greatly reduced.
  • the working fluid in the second branch pipe 19 heated in the internal heat exchanger 22 is supplied to the discharge gas heat exchanger 11.
  • the exhaust gas supplied to the discharge gas heat exchanger 11 by the discharge gas pipe 10 is extremely high in temperature compared to the temperature of the working fluid sent from the expander 21. For this reason, heat exchange is efficiently performed between the exhaust gas flowing through the discharge gas pipe 10 and the working fluid flowing through the second branch pipe 19, and the working fluid is heated.
  • the exhaust gas flowing in the discharge gas pipe 10 and the recirculation gas flowing in the recirculation gas pipe 12 are at the same high temperature.
  • the discharge gas heat exchanger 11 and the recirculation gas heat exchanger 13 are provided in series, the working fluid is sufficiently heated by the heat exchanger that performs heat exchange with the working fluid first. For this reason, the temperature difference between the working fluid and the exhaust gas or the recirculation gas in the heat exchanger where heat exchange is performed later becomes small, and heat exchange cannot be performed sufficiently.
  • the discharge gas heat exchanger 11 and the recirculation gas heat exchanger 13 are provided in parallel, a high temperature difference is set between the exhaust gas and the recirculation gas and each working fluid.
  • the discharge gas heat exchanger 11 and the recirculation gas heat exchanger 13 can each obtain high heat exchange efficiency.
  • the working fluid heated in the discharge gas heat exchanger 11 joins the working fluid flowing through the first diversion pipe 18A because the second diversion pipe 19 is connected to the first diversion pipe 18A.
  • the working fluid heated and vaporized in the supply air heat exchanger 17 and the heat exchangers 22, 11, 13 is supplied to the expander 21 through the first branch pipe 18 ⁇ / b> A.
  • the expander 21 generates a mechanical driving force by the expansion of the working fluid and drives the generator 25 connected to the expander 21.
  • the working fluid sent out from the expander 21 is cooled in the internal heat exchanger 22 and the condenser 23 to be condensed and liquefied.
  • the condensed working fluid is separated into two layers of gas and liquid at the receiver 24, and only the liquefied working fluid is introduced into the pump 20.
  • the main pipe 18 passes through the supply air heat exchanger 17 without branching, and instead of the second branch pipe 19, as shown by a virtual line in FIG.
  • a second branch pipe 19A branched from the main flow pipe 18 may be provided.
  • the working fluid introduced into the second branch pipe 19 ⁇ / b> A is in a heated state as compared with the case where the working fluid is branched from the main flow pipe 18 inside the charge air heat exchanger 17.
  • heat exchange can be performed if there is a temperature difference between the heat source of the internal heat exchanger 22 or the discharge gas heat exchanger 11 provided in the second branch pipe 19A and the working fluid.
  • FIG. 2 shows the second embodiment.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the discharge gas heat exchanger 11 using the exhaust gas flowing through the discharge gas pipe 10 as a heat source is provided in the second branch pipe 26 branched from the main flow pipe 18 inside the charge air heat exchanger 17. It has been.
  • the second diversion pipe 26 that has passed through the discharge gas heat exchanger 11 is connected to the first diversion pipe 18A on the upstream side of the expander 21, and the working fluid in the second diversion pipe 26 becomes the working fluid in the first diversion pipe 18A. Have joined.
  • the exhaust gas which is a heat source, and the recirculated gas are in the same high temperature state.
  • the discharge gas heat exchanger 11 and the recirculation gas heat exchanger 13 in parallel, it is possible to make a high temperature difference between the exhaust gas and the recirculation gas and each working fluid, and the discharge gas heat exchanger 11 and Each of the recirculation gas heat exchangers 13 can obtain high heat exchange efficiency.
  • the second branch pipe 26 branched from the main flow pipe 18 inside the charge air heat exchanger 17, as shown in FIG. 3, it branches from the main flow pipe 18 after passing through the supply air heat exchanger 17.
  • a second branch pipe 26A may be provided. Since the second branch pipe 26A branches outside the supply air heat exchanger 17, the outlet of the supply air heat exchanger 17 becomes one place, the structure can be simplified, and the amount of heat exchange with the supply air As a result, the temperature of the supply air can be lowered.
  • the flow rate of the working fluid flowing through the recirculation gas heat exchanger 13 and the working fluid flowing through the discharge gas heat exchanger 11 are disposed in the first branch pipe 18A or the second branch pipe 26A on the downstream side of the charge air heat exchanger 17.
  • a flow rate adjusting valve 27 that adjusts the ratio to the flow rate may be provided.
  • the flow regulating valve 27 is provided in the second branch pipe 26A.
  • the flow regulating valve 27 is provided in the first branch pipe 18A, at least a constant amount of the working fluid always flows to the discharge gas heat exchanger 11, and the maximum amount of the working fluid flowing to the recirculation gas heat exchanger 13 decreases. . Therefore, from the viewpoint of securing the flow rate of the working fluid to the recirculation gas heat exchanger 13, it is desirable to provide the flow rate adjustment valve 27 in the second branch pipe 26A.
  • the present invention is not limited to the configuration of each of the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention, and can be implemented as follows.
  • the cooling water circulation circuit 2 is connected to the first branch pipe 18A or the second branch pipes 19, 19A, 26, 26A on the downstream side of the charge air heat exchanger 17.
  • a heat exchanger using cooling water as a heat source may be provided.
  • the discharge gas heat exchanger 11 is provided in the first branch pipe 18A, and the recirculation gas heat exchanger 13 is provided in the second branch pipes 19 and 26. You may do it.
  • the working fluid circulation pipe is not limited to the two rows of the first branch pipe 18A and the second branch pipes 19, 19A, 26, and 26A. May be arranged in parallel.
  • the first and second embodiments can also be implemented in an internal combustion engine installed in a machine other than a vehicle.

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Abstract

　内燃機関の廃熱利用装置は、加圧空気を内燃機関に供給する過給機を有する給気回路と、膨張機、及び作動流体を前記膨張機に供給するポンプを有するランキンサイクル回路と、前記加圧空気と前記作動流体との熱交換を行うよう構成される給気熱交換器であって、前記ランキンサイクル回路における前記ポンプと前記膨張機との間で、且つ前記給気回路における前記過給機と前記内燃機関との間に配置される給気熱交換器と、前記内燃機関から外部に放出される排ガスと前記作動流体との熱交換を行うよう構成される放出ガス熱交換器と、前記内燃機関へ再循環される排ガスと前記作動流体との熱交換を行うよう構成される再循環ガス熱交換器と、を備える。前記放出ガス熱交換器と前記再循環ガス熱交換器とは、前記ランキンサイクル回路における前記給気熱交換器と前記膨張機との間に並列に配置されている。

Description

内燃機関の廃熱利用装置
　本願発明は、内燃機関の廃熱利用装置に関する。
　特許文献１には、複数の熱源からの廃熱の回収を目的として、ランキンサイクル回路における作動流体の流通管を複数の熱源にそれぞれ対応する複数の熱交換器に並列に接続した廃熱利用装置が開示されている。具体的には、特許文献１の図６に示されるように、ＥＧＲ（排気再循環）ガス、過給機で昇圧された給気、冷却水及び内燃機関のオイル（例えば、エンジンオイル）をそれぞれ熱源として用いる４つの熱交換器に、作動流体の流通管を並列に接続している。
特開２００９－２３６０１４号公報
　特許文献１では、作動流体を供給するポンプに接続した流通管は、４つの熱交換器に対して並列に接続しているため、各熱交換器には単純に作動流体の総量の４分の１が供給される。従って、１つの熱交換器に全ての作動流体を供給した場合と比較して、各熱交換器における熱交換効率は単純に４分の１となる。よって、給気及び冷却水をそれぞれ熱源として用いる熱交換器においては、給気及び冷却水の冷却効果も期待された熱交換器であるにも関わらず、特許文献１の構成では、十分な冷却効果を得られない。
　本願発明は、過給機から送り出される加圧空気の冷却機能を高めながら、加圧空気以外の熱源における熱交換効率を向上することを目的とする。
　上記課題を解決するための内燃機関の廃熱利用装置は、加圧空気を内燃機関に供給する過給機を有する給気回路と、膨張機、及び作動流体を前記膨張機に供給するポンプを有するランキンサイクル回路と、前記加圧空気と前記作動流体との熱交換を行うよう構成される給気熱交換器であって、前記ランキンサイクル回路における前記ポンプと前記膨張機との間で、且つ前記給気回路における前記過給機と前記内燃機関との間に配置される給気熱交換器と、前記内燃機関から外部に放出される排ガスと前記作動流体との熱交換を行うよう構成される放出ガス熱交換器と、前記内燃機関へ再循環される排ガスと前記作動流体との熱交換を行うよう構成される再循環ガス熱交換器と、を備える。前記放出ガス熱交換器と前記再循環ガス熱交換器とは、前記ランキンサイクル回路における前記給気熱交換器と前記膨張機との間に並列に配置されている。
　上記内燃機関の廃熱利用装置によれば、給気熱交換器では、ランキンサイクル回路のポンプから送り出された作動流体の全てを利用して熱交換を行うことができるため、過給機から送り出される加圧空気を十分に冷却することができる。従って、エア式の給気熱交換器を特別に設ける必要が無い。また、給気熱交換器の下流において、外部放出する排ガスと再循環させる排ガスの両方と熱交換を行うので、排ガスが有する熱を余すことなくランキンサイクル回路へと渡すことができ、熱交換効率が高い。さらに、それぞれの排ガスとの熱交換は、直列でなく並列に行われるため、互いが影響を及ぼすことによる熱交換効率の低下も少ない。
　上記内燃機関の廃熱利用装置において、前記給気熱交換器と前記放出ガス熱交換器と前記再循環ガス熱交換器と前記膨張機とを接続するとともに内部に作動流体が流れる流通管をさらに備え、前記流通管は、前記給気熱交換器の内部において分岐されるとともに、前記給気熱交換器の外部にて合流されることが好ましい。上記内燃機関の廃熱利用装置によれば、給気熱交換器において、加圧空気により最大に加熱される前の作動流体を分流するため、その分流された流路に設けた熱交換器における熱交換効率を高い状態に維持することができる。
　上記内燃機関の廃熱利用装置において、前記ランキンサイクル回路は、前記給気熱交換器と前記放出ガス熱交換器との間にある前記作動流体と、前記膨張機の下流側にある前記作動流体とを熱交換する内部熱交換器を備えていることが好ましい。上記内燃機関の廃熱利用装置によれば、膨張機から送り出される作動流体を内部熱交換器によって冷却できるため、凝縮器における作動流体を冷却するための負荷を低減することができる。
　上記内燃機関の廃熱利用装置において、前記再循環ガス熱交換器を流れる作動流体の流量と前記放出ガス熱交換器を流れる作動流体の流量との比率を調整するよう構成される流量調整弁をさらに備えることが好ましい。上記内燃機関の廃熱利用装置によれば、再循環ガス熱交換器から流出される再循環ガスの温度が高い場合に、再循環ガス熱交換器に作動流体を多く流して、再循環ガスの温度を下げることができる。このため、内燃機関に供給される再循環ガスの温度を適切に保つことが容易である。
　上記内燃機関の廃熱利用装置において、前記流量調整弁は、前記給気熱交換器と前記放出ガス熱交換器との間に設けられることが好ましい。上記内燃機関の廃熱利用装置によれば、再循環ガス熱交換器に供給される作動流体の最大流量を大きくすることができる。
　本願発明は、過給機から送り出される加圧空気の冷却機能を高めることができるとともに、加圧空気以外の熱源における熱交換効率を向上することができる。
第１の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 第２の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 別例による内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
（第１の実施形態）
　図１に示した第１の実施形態は、例えば、車両に搭載されたガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機関１における廃熱利用装置を示す。内燃機関１は、内燃機関１を冷却する冷却水循環回路２、内燃機関１の排ガスを外部に放出する放出ガス回路３、放出ガス回路３から分岐されるとともに内燃機関１に再循環される排ガスが流れる再循環ガス回路４、及び加圧空気を内燃機関１に供給する給気回路５を備えている。また、内燃機関１には、廃熱を利用するために、冷媒及び潤滑油を含む作動流体を循環するランキンサイクル回路６が連結されている。
　冷却水循環回路２は、内燃機関１を介して循環される冷却水のための流通管７と、流通管７に配置された冷却水ポンプ８及びラジエータ９とを備えている。冷却水ポンプ８は冷却水を内燃機関１に供給し、内燃機関１の冷却を行う。内燃機関１で加熱された冷却水は、ラジエータ９において冷却される。冷却された冷却水は冷却水ポンプ８により内燃機関１に再度供給され、内燃機関１を冷却するために循環する。
　放出ガス回路３は、一端を内燃機関１に接続された放出ガス管１０を有する。放出ガス管１０の他端は、ランキンサイクル回路６に設けられるとともに放出ガスを利用して熱交換を行う放出ガス熱交換器１１及び図示しないマフラーを介して、車外の大気に開口している。また、放出ガス回路３から再循環ガス回路４の再循環ガス管１２が分岐されている。再循環ガス管１２は、ランキンサイクル回路６に設けられるとともに再循環ガスを利用して熱交換を行う再循環ガス熱交換器１３を通って延び、給気回路５の給気管１４に接続する。給気管１４から排ガスの一部である再循環ガスが内燃機関１に供給される。
　給気回路５は、給気管１４が接続する過給機１５を備えている。過給機１５は図示しないタービン及び圧縮機から構成される。過給機１５では、タービンが放出ガス回路３の放出ガス管１０から供給される排ガスにより回転され、タービンの回転により圧縮機が回転し、吸入管１６により大気中から吸入された空気を圧縮し、加圧空気を給気管１４に送り出す。給気管１４は、圧縮により昇温した加圧空気を冷却するためにランキンサイクル回路６に設けられるとともに加圧空気（給気）を利用して熱交換を行う給気熱交換器１７を通って延び、内燃機関１に接続されている。
　ランキンサイクル回路６は、作動流体が流れる流通管としての主流管１８、第１分流管１８Ａ、第２分流管１９、作動流体を供給するために機械的又は電気的に駆動されるポンプ２０、給気熱交換器１７、再循環ガス熱交換器１３、膨張機２１、内部熱交換器２２、凝縮器２３及びレシーバ２４を備えている。
　主流管１８は、給気熱交換器１７の内部において、第１分流管１８Ａと第２分流管１９とに分岐されている。第１分流管１８Ａには、再循環ガス熱交換器１３が接続され、第２分流管１９には、内部熱交換器２２、放出ガス熱交換器１１が順に接続される。第１分流管１８Ａと第２分流管１９とは、給気熱交換器１７の外部において、膨張機２１の上流側で一つに合流されている。なお、膨張機２１には、発電機２５が連結されている。
　従って、第１の実施形態では、放出ガス回路３に流れる燃焼ガス、再循環ガス回路４に流れる再循環ガス、給気回路５を流れる加圧空気及び膨張機２１の下流側に接続される主流管１８を流れる作動流体が、ランキンサイクル回路６の熱源として利用されている。
　内燃機関１の運転に伴い、冷却水循環回路２、給気回路５及びランキンサイクル回路６が動作を開始する。ランキンサイクル回路６では、ポンプ２０から供給された作動流体が主流管１８を流れ、全流量が給気熱交換器１７に供給される。給気熱交換器１７内では、主流管１８を流れる作動流体と、過給機１５から送り出されて給気管１４を流れる加圧空気との間で熱交換が行なわれ、加圧空気が所望の温度にまで冷却されるとともに作動流体の加熱が行なわれる。冷却された加圧空気は、給気管１４を介して内燃機関１に供給される。
　給気熱交換器１７で加熱された作動流体は、主流管１８から分岐された第１分流管１８Ａにより再循環ガス熱交換器１３に供給される。再循環ガス管１２を流れる再循環ガスは過給機１５から供給される加圧空気に比して高温である。このため、給気熱交換器１７で昇温した作動流体であっても、再循環ガス熱交換器１３において高い熱交換効率が維持され、作動流体をさらに加熱することができる。再循環ガス熱交換器１３で加熱された作動流体は膨張機２１に向けて第１分流管１８Ａを流れる。また、再循環ガス熱交換器１３を通過した再循環ガスは再循環ガス管１２から給気管１４に合流し、加圧空気と共に内燃機関１に供給される。
　一方、第２分流管１９は給気熱交換器１７内部の中間の位置において主流管１８から分岐されているため、第２分流管１９には、給気熱交換器１７内において高温に加熱される前の作動流体が流入する。即ち、第２分流管１９には、給気熱交換器１７の出口を通過する作動流体の温度よりも低い温度の作動流体が流入する。主流管１８から分流された作動流体は第２分流管１９によって内部熱交換器２２に供給される。
　内部熱交換器２２へは、膨張機２１から送り出された高温の作動流体が主流管１８によって供給されている。このため、主流管１８を流れる高温の作動流体と第２分流管１９を流れる低温の作動流体との間で熱交換が行なわれ、主流管１８の作動流体が冷却されるとともに第２分流管１９の作動流体が加熱される。内部熱交換器２２において冷却された主流管１８の作動流体は凝縮器２３に供給され、さらに冷却される。従って、凝縮器２３では、作動流体を冷却するための負荷が大きく低減される。
　内部熱交換器２２において加熱された第２分流管１９の作動流体は、放出ガス熱交換器１１に供給される。放出ガス管１０により放出ガス熱交換器１１に供給される排ガスは、膨張機２１から送り出される作動流体の温度に比べると、極めて高温である。このため、放出ガス管１０を流れる排ガスと第２分流管１９を流れる作動流体との間では、効率良く熱交換が行なわれ、作動流体の加熱が行なわれる。
　また、放出ガス管１０を流れる排ガスと再循環ガス管１２を流れる再循環ガスとは同程度の高温である。放出ガス熱交換器１１と再循環ガス熱交換器１３とが直列に設けられていた場合、先に作動流体との熱交換が行われる熱交換器により作動流体が十分に高温となる。このため、後に熱交換が行われる熱交換器での作動流体と排ガス又は再循環ガスとの温度差が小さくなり、十分に熱交換を行うことができない。これに対し、本実施形態においては放出ガス熱交換器１１及び再循環ガス熱交換器１３は並列に設けられているため、排ガス及び再循環ガスと各作動流体との間を高い温度差にすることができ、放出ガス熱交換器１１及び再循環ガス熱交換器１３はそれぞれ高い熱交換効率を得ることができる。
　放出ガス熱交換器１１において加熱された作動流体は、第２分流管１９が第１分流管１８Ａに接続しているため、第１分流管１８Ａを流れる作動流体に合流する。給気熱交換器１７及び各熱交換器２２、１１、１３において加熱され、気化された作動流体は、第１分流管１８Ａによって膨張機２１に供給される。膨張機２１は作動流体の膨張により機械的な駆動力を発生し、膨張機２１に連結された発電機２５を駆動する。膨張機２１から送り出された作動流体は、内部熱交換器２２及び凝縮器２３において冷却され、凝縮液化される。また、凝縮された作動流体は、レシーバ２４において気液二層に分離され、液化された作動流体のみがポンプ２０に導入される。
　なお、主管路１８が分岐することなく給気熱交換器１７を通過するとともに、第２分流管１９に代えて、図１に仮想線で示すように、給気熱交換器１７の下流側の主流管１８から分岐する第２分流管１９Ａを設けてもよい。この場合、第２分流管１９Ａに導入される作動流体は、給気熱交換器１７の内部において主流管１８から分岐された場合に比し、昇温された状態にある。しかし、第２分流管１９Ａに設けた内部熱交換器２２あるいは放出ガス熱交換器１１の熱源と作動流体との間に温度差があれば、熱交換を行うことができる。
（第２の実施形態）
　図２は第２の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態では、給気熱交換器１７の内部において主流管１８から分岐した第２分流管２６には、放出ガス管１０を流れる排ガスを熱源とする放出ガス熱交換器１１のみが設けられている。放出ガス熱交換器１１を通過した第２分流管２６は、膨張機２１の上流側で第１分流管１８Ａに接続し、第２分流管２６の作動流体を第１分流管１８Ａの作動流体に合流させている。
　熱源である排ガスと再循環ガスとは同程度の高温状態にある。放出ガス熱交換器１１及び再循環ガス熱交換器１３を並列に設けることにより、排ガス及び再循環ガスと各作動流体との間を高い温度差にすることができ、放出ガス熱交換器１１及び再循環ガス熱交換器１３はそれぞれ高い熱交換効率を得ることができる。
　なお、給気熱交換器１７の内部において主流管１８から分岐する第２分流管２６に代えて、図３に示すように、給気熱交換器１７を通過した後の主流管１８から分岐する第２分流管２６Ａを設けても良い。第２分流管２６Ａが給気熱交換器１７の外部で分岐することにより、給気熱交換器１７の出口が１箇所となり、構造を簡素化することができるとともに、給気との熱交換量が多くなり、給気の温度をより低くすることができる。
　給気熱交換器１７の下流側の第１分流管１８Ａ又は第２分流管２６Ａの部分に、再循環ガス熱交換器１３を流れる作動流体の流量と放出ガス熱交換器１１を流れる作動流体の流量との比率を調整する流量調整弁２７を設けてもよい。図３では、流量調整弁２７が第２分流管２６Ａに設けられている。流量調整弁２７は、再循環ガス熱交換器１３から流出される再循環ガス（図３の符号４の位置を流れる再循環ガス）の温度が高い時に、再循環ガス熱交換器１３に作動流体を多く流して、再循環ガスの温度を下げるように機能する。
　なお、第１分流管１８Ａに流量調整弁２７を設けると、作動流体の少なくとも一定量が常に放出ガス熱交換器１１に流れ、再循環ガス熱交換器１３へ流れる作動流体の最大量が小さくなる。従って、再循環ガス熱交換器１３への作動流体の流量を確保する観点からは、第２分流管２６Ａに流量調整弁２７を設けることが望ましい。
　本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。
（１）第１の実施形態及び第２の実施形態において、給気熱交換器１７の下流側となる第１分流管１８Ａあるいは第２分流管１９、１９Ａ、２６、２６Ａに冷却水循環回路２の冷却水を熱源とする熱交換器を設けるように構成しても良い。
（２）第１の実施形態及び第２の実施形態において、放出ガス熱交換器１１を第１分流管１８Ａに、再循環ガス熱交換器１３を第２分流管１９、２６に設けるように構成しても良い。
（３）第１の実施形態及び第２の実施形態において、作動流体の流通管は第１分流管１８Ａ及び第２分流管１９、１９Ａ、２６、２６Ａの２列に限らず、複数の分流管を並列に配設しても良い。
（４）第１の実施形態及び第２の実施形態は、車両以外の機械に設置された内燃機関においても実施することができる。
１ 内燃機関
２ 冷却水循環回路
３ 放出ガス回路
４ 再循環ガス回路
５ 給気回路
６ ランキンサイクル回路
１１ 放出ガス熱交換器
１３ 再循環ガス熱交換器
１５ 過給機
１７ 給気熱交換器
１８ 主流管
１８Ａ 第１分流管
１９、１９Ａ、２６、２６Ａ 第２分流管
２０ ポンプ
２１ 膨張機
２２ 内部熱交換器
２３ 凝縮器
２７ 流量調節弁

Claims (5)

  1. 　加圧空気を内燃機関に供給する過給機を有する給気回路と、
    　膨張機、及び作動流体を前記膨張機に供給するポンプを有するランキンサイクル回路と、
    　前記加圧空気と前記作動流体との熱交換を行うよう構成される給気熱交換器であって、前記ランキンサイクル回路における前記ポンプと前記膨張機との間で、且つ前記給気回路における前記過給機と前記内燃機関との間に配置される給気熱交換器と、
    　前記内燃機関から外部に放出される排ガスと前記作動流体との熱交換を行うよう構成される放出ガス熱交換器と、
    　前記内燃機関へ再循環される排ガスと前記作動流体との熱交換を行うよう構成される再循環ガス熱交換器と、を備え、
    　前記放出ガス熱交換器と前記再循環ガス熱交換器とが、前記ランキンサイクル回路における前記給気熱交換器と前記膨張機との間に並列に配置されている内燃機関の廃熱利用装置。
  2. 　前記給気熱交換器と前記放出ガス熱交換器と前記再循環ガス熱交換器と前記膨張機とを接続するとともに内部に作動流体が流れる流通管をさらに備え、
    　前記流通管は、前記給気熱交換器の内部において分岐されるとともに、前記給気熱交換器の外部にて合流される請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
  3. 　前記ランキンサイクル回路は、前記給気熱交換器と前記放出ガス熱交換器との間にある前記作動流体と、前記膨張機の下流側にある前記作動流体とを熱交換する内部熱交換器を備えている請求項１又は２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
  4. 　前記再循環ガス熱交換器を流れる作動流体の流量と前記放出ガス熱交換器を流れる作動流体の流量との比率を調整するよう構成される流量調整弁をさらに備える請求項１乃至３の何れか一項に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
  5. 　前記流量調整弁は、前記給気熱交換器と前記放出ガス熱交換器との間に設けられる請求項４に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016056611A1 (ja) * 2014-10-09 2016-04-14 サンデンホールディングス株式会社 廃熱回収装置
JP2016061199A (ja) * 2014-09-17 2016-04-25 株式会社神戸製鋼所 エネルギー回収装置及び圧縮装置並びにエネルギー回収方法
WO2020126837A1 (de) * 2018-12-19 2020-06-25 Robert Bosch Gmbh Thermodynamischer kreisprozess zur erzeugung von druckluft

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6503510B2 (ja) 2016-02-24 2019-04-17 日立オートモティブシステムズ株式会社 シリンダ装置およびその製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008008224A (ja) * 2006-06-29 2008-01-17 Denso Corp 廃熱利用装置
JP2009236014A (ja) * 2008-03-27 2009-10-15 Isuzu Motors Ltd 廃熱回収装置
JP2011012625A (ja) * 2009-07-03 2011-01-20 Mitsubishi Electric Corp 排熱回生システムおよびその制御方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008008224A (ja) * 2006-06-29 2008-01-17 Denso Corp 廃熱利用装置
JP2009236014A (ja) * 2008-03-27 2009-10-15 Isuzu Motors Ltd 廃熱回収装置
JP2011012625A (ja) * 2009-07-03 2011-01-20 Mitsubishi Electric Corp 排熱回生システムおよびその制御方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016061199A (ja) * 2014-09-17 2016-04-25 株式会社神戸製鋼所 エネルギー回収装置及び圧縮装置並びにエネルギー回収方法
WO2016056611A1 (ja) * 2014-10-09 2016-04-14 サンデンホールディングス株式会社 廃熱回収装置
JP2016075263A (ja) * 2014-10-09 2016-05-12 サンデンホールディングス株式会社 廃熱回収装置
CN107110066A (zh) * 2014-10-09 2017-08-29 三电控股株式会社 废热回收装置
US10378391B2 (en) 2014-10-09 2019-08-13 Sanden Holdings Corporation Waste heat recovery device
CN107110066B (zh) * 2014-10-09 2019-09-27 三电控股株式会社 废热回收装置
WO2020126837A1 (de) * 2018-12-19 2020-06-25 Robert Bosch Gmbh Thermodynamischer kreisprozess zur erzeugung von druckluft

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