JP2013068137A - Waste heat utilization device - Google Patents

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英文 森
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雅夫 井口
Fuminobu Enoshima
史修 榎島
Fumihiko Ishiguro
文彦 石黒
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat utilization device improved in output of an internal combustion engine and having high durability, while improving an energy recovery amount in a rankine cycle.SOLUTION: A waste heat utilization device includes: an engine 5; a turbocharger 7 supplying a compressed air to the engine 5; a driving system 1 having pipes 15, 16 as an exhaust return passage; and a rankine cycle 3 for use in the same. The rankine cycle 3 is provided with a first boiler 27, a second boiler 28, and a third boiler 29. The rankine cycle 3 is further provided with a bypass passage 41 for causing a hydraulic fluid to bypass the second boiler 28 and a three-way valve 43. In this waste heat utilization device, the hydraulic fluid may be sufficiently heated by the first to third boilers 27-29, and the temperature of the hydraulic fluid flowing into the third boiler 29 may be lowered by causing the hydraulic fluid to flow into the bypass passage 41.

Description

本発明は廃熱利用装置に関する。   The present invention relates to a waste heat utilization apparatus.

特許文献１の図２に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、第１、２ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、エンジンと、エンジンに加圧空気を供給するターボチャージャとを有している。ランキンサイクルにおける第１ボイラは、加圧空気と作動流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱させる。第２ボイラは、エンジンの冷却水と作動流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱させる。第２ボイラは、第１ボイラよりも作動流体の循環方向の下流側に位置している。また、第２ボイラの下流には膨張機が設けられている。   FIG. 2 of Patent Document 1 discloses a conventional waste heat utilization apparatus. This waste heat utilization device is used in a drive system, and includes a Rankine cycle that has first and second boilers and circulates a working fluid. The drive system includes an engine and a turbocharger that supplies pressurized air to the engine. The first boiler in the Rankine cycle heats the working fluid by exchanging heat between the pressurized air and the working fluid. The second boiler heats the working fluid by exchanging heat between the engine coolant and the working fluid. The second boiler is located downstream of the first boiler in the circulating direction of the working fluid. An expander is provided downstream of the second boiler.

このような廃熱利用装置では、第１、２ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、膨張機に流入する作動流体の温度を高くすることが可能となる。また、この廃熱利用装置では、第１、２ボイラにおける熱交換により、加圧空気や冷却水を冷却することが可能となるため、エンジンの出力を向上させることも可能となっている。   In such a waste heat utilization apparatus, since the working fluid can be heated by the first and second boilers, the temperature of the working fluid flowing into the expander can be increased. Moreover, in this waste heat utilization apparatus, since it becomes possible to cool pressurized air and cooling water by the heat exchange in a 1st, 2nd boiler, it is also possible to improve the output of an engine.

特開２００８−８２２４号公報JP 2008-8224 A

ところで、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくするためには、膨張機内で膨張及び減圧された作動流体が好適に気化する必要がある。このことは、膨張機を保護して廃熱利用装置の耐久性を向上させる観点からも必要とされる。膨張機内における作動流体の膨張が不完全な場合、回収可能なエネルギーの量が小さくなるばかりか膨張機から液相の作動流体が流出する液バック現象が生じることで、膨張機が損傷するおそれも生じるためである。   By the way, in order to increase the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle, the working fluid expanded and depressurized in the expander needs to be suitably vaporized. This is also required from the viewpoint of protecting the expander and improving the durability of the waste heat utilization device. If the expansion of the working fluid in the expander is incomplete, not only will the amount of energy that can be recovered be reduced, but there may also be a liquid back phenomenon in which the liquid working fluid flows out of the expander, which may damage the expander. This is because it occurs.

そこで、膨張機内で作動流体を好適に膨張させるために、膨張機に流入させる作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度（スーパーヒート）程度まで十分に加熱することが好ましい。   Therefore, in order to suitably expand the working fluid in the expander, it is preferable to sufficiently heat the working fluid that flows into the expander to a superheated steam temperature (superheat) that exceeds the temperature that becomes saturated steam.

しかし、上記従来の廃熱利用装置では、第１、２ボイラによって作動流体を加熱可能であるものの、膨張機に流入する作動流体の温度は、第２ボイラ内で放熱された熱量、すなわち、エンジンのような内燃機関の冷却水の温度に依存することとなる。特に、冷却水の温度が低い状態にある場合、第１ボイラによって加熱された作動流体が逆に第２ボイラ内で冷却水に対して放熱を行うことで、膨張機に流入する作動流体の温度がより低下してしまう事態も生じ得る。これらのため、上記の廃熱利用装置では、スーパーヒートの状態まで作動流体を加熱し難く、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量が不十分となるとともに、その耐久性も低下も懸念される。なお、第１ボイラ及び第２ボイラでの蒸発圧力を低くすれば、比較的低温の熱源でもスーパーヒートを確保することはできるが、その場合は回収エネルギーが低下してしまう。   However, in the conventional waste heat utilization device, although the working fluid can be heated by the first and second boilers, the temperature of the working fluid flowing into the expander is the amount of heat radiated in the second boiler, that is, the engine It depends on the temperature of the cooling water of the internal combustion engine. In particular, when the temperature of the cooling water is low, the working fluid heated by the first boiler radiates heat to the cooling water in the second boiler, so that the temperature of the working fluid flowing into the expander There may also be a situation in which the value of A decreases. For these reasons, in the above-described waste heat utilization apparatus, it is difficult to heat the working fluid to the superheat state, the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle becomes insufficient, and there is a concern that its durability may be lowered. Note that if the evaporation pressure in the first boiler and the second boiler is lowered, superheat can be secured even with a relatively low temperature heat source, but in this case, the recovered energy is reduced.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上を実現し、かつ耐久性が高い廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and realizes an improvement in output of an internal combustion engine while improving an energy recovery amount in a Rankine cycle, and has high durability, and a waste heat utilization device having high durability. Providing is an issue to be solved.

本発明の廃熱利用装置は、内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として前記内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記ボイラは、前記加圧空気との間で熱交換を行う第１ボイラと、前記内燃機関に対する冷却水との間で熱交換を行う第２ボイラと、前記還流排気との間で熱交換を行う第３ボイラとを有し、
該第３ボイラは、該第１ボイラよりも前記作動流体の循環方向の下流側に位置していることを特徴とする（請求項１）。 The waste heat utilization apparatus of the present invention recirculates to the internal combustion engine, a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and a part of the exhaust gas generated by the internal combustion engine as recirculated exhaust gas. A waste heat utilization device having a Rankine cycle that is used in a drive system having an exhaust gas recirculation path and circulates a working fluid by using a boiler,
The boiler exchanges heat between the first boiler that exchanges heat with the pressurized air, the second boiler that exchanges heat with cooling water for the internal combustion engine, and the reflux exhaust. A third boiler to perform,
The third boiler is located downstream of the first boiler in the circulating direction of the working fluid (Claim 1).

本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させる。駆動系は、内燃機関と、この内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる排気還流路とを有している。ボイラは第１〜３ボイラを有している。   The waste heat utilization apparatus of the present invention includes a Rankine cycle. This Rankine cycle is used for a drive system and has a boiler to circulate a working fluid. The drive system includes an internal combustion engine, a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation passage that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine to the internal combustion engine as recirculation exhaust gas. ing. The boiler has first to third boilers.

このため、この廃熱利用装置は、第１〜３ボイラにおける熱交換により、作動流体を加熱できるとともに、作動流体によって、加圧空気、内燃機関に対する冷却水及び還流排気をそれぞれ冷却することが可能である。特に、冷却されることで還流排気は、その密度が増大することから、還流排気は内燃機関に好適に還流、つまり、内燃機関に吸気されることとなる。このため、内燃機関を好適に作動させることが可能となる。さらに、このように冷却された還流排気を内燃機関に還流させることで、大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。   Therefore, this waste heat utilization device can heat the working fluid by heat exchange in the first to third boilers, and can cool the pressurized air, the cooling water for the internal combustion engine, and the recirculated exhaust gas by the working fluid, respectively. It is. In particular, since the density of the recirculated exhaust gas is increased by being cooled, the recirculated exhaust gas is preferably recirculated to the internal combustion engine, that is, taken into the internal combustion engine. For this reason, it becomes possible to operate an internal combustion engine suitably. Furthermore, by recirculating the cooled exhaust gas thus cooled to the internal combustion engine, the content of nitrogen oxides in the exhaust gas when released into the atmosphere can be reduced.

また、この際、発明者らの知見によれば、加圧空気の温度は約１５０°Ｃ程度であるのに対し、内燃機関で生じた排気の温度は約５００°Ｃ程度となっている。本発明に係るランキンサイクルでは、第３ボイラが第１ボイラよりも作動流体の循環方向の下流側に位置していることから、作動流体は第３ボイラによって十分に加熱される。これにより、蒸発圧力を下げることなく、膨張機に流入する作動流体をスーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態とすることが可能となる。このため、膨張機における作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となる。また、このように作動流体が十分に加熱された状態であることから、膨張機内で作動流体が気化された状態を保ち、膨張機内で液化することも防止される。これらのため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量が多くなるとともに、液バック現象が抑制されて膨張機も損傷し難くなる。   At this time, according to the knowledge of the inventors, the temperature of the pressurized air is about 150 ° C., whereas the temperature of the exhaust gas generated in the internal combustion engine is about 500 ° C. In the Rankine cycle according to the present invention, since the third boiler is located downstream of the first boiler in the circulation direction of the working fluid, the working fluid is sufficiently heated by the third boiler. Thereby, it becomes possible to make the working fluid which flows into an expander into the state of a superheat or a state close | similar to a superheat, without reducing an evaporation pressure. For this reason, it is possible to increase the pressure energy generated by the expansion and decompression of the working fluid in the expander. In addition, since the working fluid is sufficiently heated in this way, the working fluid is kept vaporized in the expander and is prevented from being liquefied in the expander. For these reasons, in this waste heat utilization apparatus, the amount of energy that can be recovered in the Rankine cycle increases, and the liquid back phenomenon is suppressed, so that the expander is hardly damaged.

また、この廃熱利用装置では、第１ボイラに流入する作動流体の温度が第３ボイラから流出する作動流体の温度よりも低い状態となる。このため、第１ボイラにおいて加圧空気を好適に冷却させることが可能となり、内燃機関に対してより多くの加圧空気を供給することが可能となる。   In this waste heat utilization device, the temperature of the working fluid flowing into the first boiler is lower than the temperature of the working fluid flowing out of the third boiler. For this reason, it becomes possible to cool pressurized air suitably in the 1st boiler, and it becomes possible to supply more pressurized air to an internal-combustion engine.

したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。   Therefore, according to the waste heat utilization apparatus of the present invention, the output of the internal combustion engine can be improved and the durability can be increased while improving the amount of energy recovered in the Rankine cycle.

内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。一方、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給機は複数であっても良い。   As the internal combustion engine, various types of engines can be employed in addition to a gasoline engine, a diesel engine, and the like. These engines may be hybrid engines combining motors. On the other hand, a turbocharger, a supercharger, or the like can be employed as the supercharger. There may be a plurality of internal combustion engines and superchargers.

ここで、内燃機関としてガソリンエンジン又はガソリンエンジンとモータとを組み合わせたハイブリットエンジンを採用した場合、冷却された排気（還流排気）を吸気させることで、これらの各エンジンではポンピングロスが抑制されることとなる。また、内燃機関としてディーゼルエンジン又はディーゼルエンジンとモータとを組み合わせたハイブリットエンジンを採用した場合、冷却された排気（還流排気）を吸気させることで、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となる。   Here, when a gasoline engine or a hybrid engine in which a gasoline engine and a motor are combined is adopted as an internal combustion engine, pumping loss is suppressed in each of these engines by sucking cooled exhaust gas (recirculation exhaust gas). It becomes. In addition, when a diesel engine or a hybrid engine in which a diesel engine and a motor are combined is adopted as an internal combustion engine, the exhaust gas (reflux exhaust gas) that has been cooled is sucked into the exhaust gas when it is finally released into the atmosphere. It becomes possible to reduce the content of nitrogen oxides.

ランキンサイクルは、ポンプと、第１ボイラと、第２ボイラと、第３ボイラと、膨張機と、凝縮器と、ポンプから第１ボイラ、第２ボイラ、第３ボイラ及び膨張機を経て凝縮器に作動流体を循環させる配管とを有していることが好ましい（請求項２）。この場合、第１〜３ボイラのうち、第１ボイラが作動流体の循環方向の最も上流側に位置するため、第１ボイラに流入する作動流体の温度が最も低い状態となる。このため、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、内燃機関の出力をより向上させることが可能となる。また、第３ボイラが作動流体の循環方向の最も下流側に位置するため、第３ボイラによって加熱された作動流体が他の第１、２ボイラにおいて放熱されることがない。このため、膨張機に流入する作動流体の温度が十分に高い状態となり、膨張機において作動流体が好適に膨張し、回収可能なエネルギーの量がより大きくなるとともに、膨張機の損傷が好適に防止される。   Rankine cycle consists of a pump, a first boiler, a second boiler, a third boiler, an expander, a condenser, and a pump through a first boiler, a second boiler, a third boiler, and an expander. It is preferable to have a pipe for circulating the working fluid. In this case, among the first to third boilers, the first boiler is located on the most upstream side in the circulation direction of the working fluid, so that the temperature of the working fluid flowing into the first boiler is the lowest. For this reason, it becomes possible to cool pressurized air suitably, and it becomes possible to improve the output of an internal combustion engine more. Further, since the third boiler is located on the most downstream side in the circulating direction of the working fluid, the working fluid heated by the third boiler is not radiated in the other first and second boilers. For this reason, the temperature of the working fluid flowing into the expander becomes sufficiently high, the working fluid expands suitably in the expander, the amount of energy that can be recovered increases, and the expander is suitably prevented from being damaged. Is done.

上記のように、ランキンサイクルにおいて、作動流体の循環方向で第１ボイラ、第２ボイラ、第３ボイラの順に位置させた場合、第２ボイラにおける熱交換によって作動流体が加熱された結果、第３ボイラに流入する作動流体の温度が高くなる。この場合、第３ボイラでは、排気還流路内の還流排気が十分に冷却されず、ひいては排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減できないことが懸念される。   As described above, in the Rankine cycle, when the first boiler, the second boiler, and the third boiler are sequentially arranged in the circulation direction of the working fluid, the working fluid is heated by heat exchange in the second boiler. The temperature of the working fluid flowing into the boiler becomes high. In this case, in the third boiler, there is a concern that the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path is not sufficiently cooled, and that nitrogen oxides contained in the exhaust gas cannot be sufficiently reduced.

このため、この廃熱利用装置では、第１ボイラの下流で配管から分岐し、第２ボイラを迂回して配管に合流するバイパス路と、第２ボイラに流入する作動流体の流量とバイパス路に流入する作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁と、流量調整弁を制御する調整弁制御手段とを備えていることが好ましい（請求項３）。   For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it bypasses from the piping downstream of the first boiler, bypasses the second boiler and joins the piping, and the flow rate of the working fluid flowing into the second boiler and the bypass passage It is preferable to include a flow rate adjustment valve capable of adjusting the flow rate of the working fluid flowing in, and an adjustment valve control means for controlling the flow rate adjustment valve.

この場合、第１ボイラから流出した作動流体をバイパス路に流入させることで、作動流体に対し、第２ボイラにおける熱交換を回避させることが可能となる。これにより、第３ボイラに流入する作動流体の温度を低くすることができる。このため、排気還流路内の還流排気を十分に冷却でき、排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減させることができる。   In this case, it is possible to avoid heat exchange in the second boiler with respect to the working fluid by flowing the working fluid that has flowed out of the first boiler into the bypass passage. Thereby, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler can be lowered. For this reason, the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path can be sufficiently cooled, and the nitrogen oxides contained in the exhaust gas can be sufficiently reduced.

また、この廃熱利用装置では、調整弁制御手段が流量調整弁を制御することにより、第２ボイラに流入する作動流体の流量と、バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能である。このため、内燃機関の冷却を行いつつ、第３ボイラに流入する作動流体の温度を調整することで、内燃機関の冷却と、排気還流路内の還流排気の冷却とを好適に行うことが可能となる。   Further, in this waste heat utilization apparatus, the flow rate of the working fluid flowing into the second boiler and the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage can be adjusted by the regulating valve control means controlling the flow rate regulating valve. is there. For this reason, it is possible to suitably cool the internal combustion engine and the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path by adjusting the temperature of the working fluid flowing into the third boiler while cooling the internal combustion engine. It becomes.

調整弁制御手段は、駆動系における出力要求、又は排気中における窒素酸化物の含有量に応じて流量調整弁を制御することが好ましい（請求項４）。   It is preferable that the regulating valve control means controls the flow regulating valve according to the output demand in the drive system or the content of nitrogen oxides in the exhaust.

例えば、駆動系における所定値以上の出力要求がされた場合の他、排気中における窒素酸化物の含有量が閾置を越えた場合には、排気還流路内の還流排気について、十分な冷却が求められる。このため、これらの場合には、第２ボイラに流入する作動流体の流量よりもバイパス路に流入する作動流体の流量を多くすることで、第３ボイラに流入する作動流体の温度を低下させることが可能となる。これにより、第３ボイラにおいて、排気還流路内の還流排気を十分に冷却することが可能となる。このため、内燃機関における吸気温度が低下し、内燃機関における燃焼温度が低下することから、排気中の窒素酸化物の含有量を低下させることができる。   For example, in addition to the case where an output request exceeding a predetermined value is made in the drive system, when the content of nitrogen oxides in the exhaust gas exceeds a threshold value, sufficient cooling is performed on the recirculated exhaust gas in the exhaust gas recirculation path. Desired. For this reason, in these cases, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler is lowered by increasing the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage rather than the flow rate of the working fluid flowing into the second boiler. Is possible. Thereby, in the third boiler, it becomes possible to sufficiently cool the reflux exhaust in the exhaust gas recirculation path. For this reason, since the intake air temperature in the internal combustion engine decreases and the combustion temperature in the internal combustion engine decreases, the content of nitrogen oxides in the exhaust gas can be reduced.

本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。   According to the waste heat utilization apparatus of the present invention, it is possible to improve the output of the internal combustion engine and improve the durability while improving the amount of energy recovered in the Rankine cycle.

実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。It is a schematic structure figure which shows the waste heat utilization apparatus of an Example. 実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体が第１ボイラを経て第２ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。FIG. 3 is a schematic structural diagram showing a state in which a working fluid flows into the second boiler through the first boiler in the waste heat utilization apparatus of the example. 実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体がバイパス路を経て第３ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。It is a schematic structure figure which shows the state which concerns on the waste-heat utilization apparatus of an Example, and a working fluid flows in into a 3rd boiler via a bypass path.

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.

（実施例）
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、バイパス路４１と、三方弁４３と、制御装置１１とを備えている。 (Example)
The waste heat utilization apparatus of the embodiment is mounted on a vehicle and is used in a drive system 1 of the vehicle as shown in FIG. The waste heat utilization apparatus includes a Rankine cycle 3, a bypass passage 41, a three-way valve 43, and a control device 11.

駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７と、ラジエータ９と、排気管流路としての配管１５、１６とを有している。   The drive system 1 includes an engine 5 as an internal combustion engine, a turbocharger 7 as a supercharger, a radiator 9, and pipes 15 and 16 as exhaust pipe passages.

エンジン５は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口５ａと流入口５ｂとが形成されている。さらに、エンジン５には、排気を排出する排気口５ｃと、後述する加圧空気を吸入する吸気口５ｄとが形成されている。   The engine 5 is a known water-cooled diesel engine. A water jacket (not shown) through which cooling water can flow is formed inside the engine 5. The engine 5 is formed with an outlet 5a and an inlet 5b communicating with the water jacket. Further, the engine 5 is formed with an exhaust port 5c for exhausting exhaust gas and an intake port 5d for sucking pressurized air described later.

ターボチャージャ７及びラジエータ９もそれぞれ公用品が採用されている。ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。また、ラジエータ９には、その内部に冷却水を流入させる流入口９ａと、冷却水を流出させる流出口９ｂとが形成されている。ラジエータ９は、その内部を流通する冷却水と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ９の近傍には、電動ファン９ｃが設けられている。この電動ファン９ｃは、制御装置１１と電気的に接続されている。   The turbocharger 7 and the radiator 9 are also made of public goods. The turbocharger 7 is operated by exhaust generated from the engine 5 and supplies the engine 5 with pressurized air obtained by pressurizing air outside the vehicle. Further, the radiator 9 is formed with an inlet 9a for allowing cooling water to flow into the radiator 9 and an outlet 9b for allowing cooling water to flow out. The radiator 9 performs heat exchange between the cooling water flowing through the radiator 9 and the air outside the vehicle. Further, an electric fan 9 c is provided in the vicinity of the radiator 9. The electric fan 9 c is electrically connected to the control device 11.

エンジン５とターボチャージャ７とは配管１３、配管１７及び配管１８によって接続されている。また、配管１７と配管１８には後述する第１ボイラ２７が接続されている。配管１３は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ｃとターボチャージャ７とに接続されている。また、配管１７は内部を加圧空気が流通可能となっており、配管１８は内部を加圧空気及び還流排気が流通可能となっている。配管１７はターボチャージャ７と、第１ボイラ２７の第１流入口２７ａとに接続されている。配管１８は第１ボイラ２７の第１流出口２７ｂと、エンジン５の吸気口５ｄとに接続されている。   The engine 5 and the turbocharger 7 are connected by a pipe 13, a pipe 17 and a pipe 18. Further, a first boiler 27 described later is connected to the pipe 17 and the pipe 18. The pipe 13 is capable of circulating exhaust gas and is connected to the exhaust port 5 c of the engine 5 and the turbocharger 7. In addition, the piping 17 is capable of circulating pressurized air, and the piping 18 is capable of circulating pressurized air and reflux exhaust. The pipe 17 is connected to the turbocharger 7 and the first inlet 27 a of the first boiler 27. The pipe 18 is connected to the first outlet 27 b of the first boiler 27 and the inlet 5 d of the engine 5.

さらに、ターボチャージャ７には、配管１４、１９の各一端側が接続されている。配管１４の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管１９の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管１４は、ターボチャージャ７を介して配管１３と連通している。同様に、配管１９は、ターボチャージャ７を介して配管１７と連通している。   Further, the turbocharger 7 is connected to one end sides of the pipes 14 and 19. The other end side of the pipe 14 is connected to a muffler (not shown). The other end of the pipe 19 is open to an air intake of a vehicle (not shown). The pipe 14 communicates with the pipe 13 via the turbocharger 7. Similarly, the pipe 19 communicates with the pipe 17 via the turbocharger 7.

配管１５、１６は内部を排気の一部である還流排気が流通可能となっている。配管１５の一端側は配管１３に接続されている。同様に、配管１６の一端側は配管１８に接続されている。また、配管１５の他端側は後述する第３ボイラ２９の第５流入口２９ａに接続されている。配管１６の他端側は第３ボイラ２９の第５流出口２９ｂに接続されている。さらに、配管１５には可変バルブ２１が設けられている。この可変バルブ２１は制御装置１１に電気的に接続されている。配管１５、１６は還流排気について、第３ボイラ２９を経由させつつ配管１８に合流させることで、エンジン５の排出口５ｃから排出された排気の一部を還流排気として吸気口５ｄからエンジン５内へ還流させる。なお、配管１５の一端側は配管１４に接続されても良い。この場合、配管１６の一端側は配管１９に接続される。   The pipes 15 and 16 are capable of circulating reflux exhaust, which is part of the exhaust. One end side of the pipe 15 is connected to the pipe 13. Similarly, one end side of the pipe 16 is connected to the pipe 18. The other end of the pipe 15 is connected to a fifth inlet 29a of a third boiler 29 described later. The other end side of the pipe 16 is connected to the fifth outlet 29 b of the third boiler 29. Further, the pipe 15 is provided with a variable valve 21. This variable valve 21 is electrically connected to the control device 11. The pipes 15 and 16 are combined with the pipe 18 through the third boiler 29 for the recirculated exhaust, so that a part of the exhaust discharged from the exhaust 5c of the engine 5 is used as the recirculated exhaust from the intake 5d to the inside of the engine 5. To reflux. Note that one end side of the pipe 15 may be connected to the pipe 14. In this case, one end side of the pipe 16 is connected to the pipe 19.

一方、エンジン５とラジエータ９とは配管２３〜２５によって接続されている。また、配管２３と配管２４とには後述する第２ボイラ２８が接続されている。配管２３〜２５は内部を冷却水が流通可能となっている。配管２３は、エンジン５の流出口５ａと第２ボイラ２８の第３流入口２８ａとに接続されている。配管２４は第２ボイラ２８の第３流出口２８ｂと、ラジエータ９の流入口９ａとに接続されている。配管２５は、ラジエータ９の流出口９ｂと、エンジン５の流入口５ｂとに接続されている。配管２４には、第１電動ポンプＰ１が設けられている。この第１電動ポンプＰ１は、制御装置１１に電気的に接続されている。なお、第１電動ポンプＰ１は、配管２３又は配管２４に設けられても良い。   On the other hand, the engine 5 and the radiator 9 are connected by pipes 23 to 25. Further, a second boiler 28 described later is connected to the pipe 23 and the pipe 24. The pipes 23 to 25 are capable of circulating cooling water inside. The pipe 23 is connected to the outlet 5 a of the engine 5 and the third inlet 28 a of the second boiler 28. The pipe 24 is connected to the third outlet 28 b of the second boiler 28 and the inlet 9 a of the radiator 9. The pipe 25 is connected to the outlet 9 b of the radiator 9 and the inlet 5 b of the engine 5. The pipe 24 is provided with a first electric pump P1. The first electric pump P1 is electrically connected to the control device 11. The first electric pump P1 may be provided in the pipe 23 or the pipe 24.

ランキンサイクル３は、第２電動ポンプＰ２と、第１ボイラ２７と、第２ボイラ２８と、第３ボイラ２９と、膨張機３１と、凝縮器３３と、配管３５〜４０とを有している。このランキンサイクル３は、上記のバイパス路４１及び三方弁４３が一体に組み付けられている。配管３５〜４０及びバイパス路４１には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。なお、第２電動ポンプＰ２及び三方弁４３がそれぞれポンプ及び流量調整弁に相当している。   Rankine cycle 3 has the 2nd electric pump P2, the 1st boiler 27, the 2nd boiler 28, the 3rd boiler 29, the expander 31, the condenser 33, and piping 35-40. . In the Rankine cycle 3, the bypass passage 41 and the three-way valve 43 are integrally assembled. An HFC 134a as a working fluid can be circulated in the pipes 35 to 40 and the bypass passage 41. The second electric pump P2 and the three-way valve 43 correspond to a pump and a flow rate adjustment valve, respectively.

第１ボイラ２７には、第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと、第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄとが形成されている。また、第１ボイラ２７内には、両端側でそれぞれ第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと連通する第１通路２７ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄと連通する第２通路２７ｆとが設けられている。この第１ボイラ２７では、第１通路２７ｅ内の加圧空気と、第２通路２７ｆ内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。なお、第１ボイラ２７、第２ボイラ２８では熱源（加圧空気及び冷却水）と作動流体とが同一方向に流れるように図示されているが、熱交換をより効率的に行なうために、第３ボイラ２９のように双方を異なる方向（対向流）としても良い。   The first boiler 27 is formed with a first inlet 27a and a first outlet 27b, and a second inlet 27c and a second outlet 27d. Further, in the first boiler 27, a first passage 27e communicating with the first inlet 27a and the first outlet 27b at both ends, respectively, and a second inlet 27c and a second outlet 27d at both ends, respectively. The 2nd channel | path 27f which connects is provided. In the first boiler 27, the pressurized air is cooled and the working fluid is heated by exchanging heat between the pressurized air in the first passage 27e and the working fluid in the second passage 27f. In the first boiler 27 and the second boiler 28, the heat source (pressurized air and cooling water) and the working fluid are shown to flow in the same direction. However, in order to more efficiently exchange heat, Both may be in different directions (opposite flow) as in the case of the three boiler 29.

第２ボイラ２８には、第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと、第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄとが形成されている。また、第２ボイラ２８内には、両端側でそれぞれ第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと連通する第３通路２８ｅと、両端側でそれぞれ第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄと連通する第４通路２８ｆとが設けられている。この第２ボイラ２８では、第３通路２８ｅ内の冷却水と、第４通路２３ｆ内の作動流体との熱交換により、冷却水の冷却と作動流体の加熱とを行う。   The second boiler 28 is formed with a third inlet 28a and a third outlet 28b, and a fourth inlet 28c and a fourth outlet 28d. Further, in the second boiler 28, a third passage 28e communicating with the third inlet 28a and the third outlet 28b at both ends, respectively, and a fourth inlet 28c and a fourth outlet 28d at both ends, respectively. A fourth passage 28f that communicates is provided. In the second boiler 28, the cooling water is cooled and the working fluid is heated by exchanging heat between the cooling water in the third passage 28e and the working fluid in the fourth passage 23f.

第３ボイラ２９には、第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと、第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄとが形成されている。また、第３ボイラ２９内には、両端側でそれぞれ第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと連通する第５通路２９ｅと、両端側でそれぞれ第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄと連通する第６通路２９ｆとが設けられている。この第３ボイラ２９では、第５通路２９ｅ内の還流排気と、第６通路２９ｆ内の作動流体との熱交換により、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う。   The third boiler 29 is formed with a fifth inlet 29a and a fifth outlet 29b, and a sixth inlet 29c and a sixth outlet 29d. Further, in the third boiler 29, a fifth passage 29e communicating with the fifth inlet 29a and the fifth outlet 29b on both ends, respectively, and a sixth inlet 29c and a sixth outlet 29d on both ends, respectively. The 6th channel | path 29f which connects is provided. The third boiler 29 cools the reflux exhaust and heats the working fluid by exchanging heat between the reflux exhaust in the fifth passage 29e and the working fluid in the sixth passage 29f.

膨張機３１には、その内部に作動流体を流入させる流入口３１ａと、作動流体を流出させる流出口３１ｂとが形成されている。膨張機３１では、第３ボイラ２９を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機３１には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機３１の駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。   The expander 31 is formed with an inlet 31a through which a working fluid flows in and an outlet 31b through which the working fluid flows out. In the expander 31, the working fluid heated through the third boiler 29 is expanded to generate a rotational driving force. A known generator (not shown) is connected to the expander 31. The generator generates power by the driving force of the expander 31 and charges the battery (not shown) with electric power.

凝縮器３３には、その内部に作動流体を流入させる流入口３３ａと、作動流体を流出させる流出口３３ｂとが形成されている。凝縮器３３は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機３１での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器３３の近傍には電動ファン３３ｃが設けられている。この電動ファン３３ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。   The condenser 33 is formed with an inflow port 33a through which the working fluid flows in and an outflow port 33b through which the working fluid flows out. The condenser 33 exchanges heat between the working fluid flowing through the inside of the condenser 33 and air outside the vehicle, and cools and liquefies the working fluid decompressed by the expansion in the expander 31. An electric fan 33 c is provided in the vicinity of the condenser 33. The electric fan 33 c is electrically connected to the control device 11.

バイパス路４１は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に第２ボイラ２８を迂回させる。三方弁４３は、作動流体を第２ボイラ２８に全て流入させる場合と、作動流体をバイパス路４１に全て流入させる場合とを択一的に切り替え可能な切替弁である。この三方弁４３は制御装置１１に電気的に接続されている。   The bypass channel 41 causes the working fluid to bypass the second boiler 28 by circulating the working fluid therein. The three-way valve 43 is a switching valve that can selectively switch between a case where all the working fluid flows into the second boiler 28 and a case where all the working fluid flows into the bypass passage 41. The three-way valve 43 is electrically connected to the control device 11.

これらの第１〜３ボイラ２７〜２９、膨張機３１、凝縮器３３、バイパス路４１及び三方弁４３は、配管３５〜４０によって接続されている。具体的には、凝縮器３３の流出口３３ｂと第１ボイラ２７の第２流入口２７ｃとは、配管３５によって接続されている。第１ボイラ２７の第２流出口２７ｄと三方弁４３とは、配管３６によって接続されている。三方弁４３と第２ボイラ２８の第４流入口２８ｃとは、配管３７によって接続されている。第２ボイラ２８の第４流出口２８ｄと第３ボイラ２９の第６流入口２９ｃとは、配管３８によって接続されている。第３ボイラ２９の第６流出口２９ｄと、膨張機３１の流入口３１ａとは、配管３９によって接続されている。そして、膨張機３１の流出口３１ｂと凝縮器３３の流入口３３ａとは、配管４０によって接続されている。また、バイパス路４１の一端側は三方弁４３と接続されており、その他端側は配管３８と接続されている。   These 1st-3rd boilers 27-29, the expander 31, the condenser 33, the bypass path 41, and the three-way valve 43 are connected by the piping 35-40. Specifically, the outlet 33 b of the condenser 33 and the second inlet 27 c of the first boiler 27 are connected by a pipe 35. The second outlet 27 d of the first boiler 27 and the three-way valve 43 are connected by a pipe 36. The three-way valve 43 and the fourth inlet 28 c of the second boiler 28 are connected by a pipe 37. The fourth outlet 28 d of the second boiler 28 and the sixth inlet 29 c of the third boiler 29 are connected by a pipe 38. The sixth outlet 29 d of the third boiler 29 and the inlet 31 a of the expander 31 are connected by a pipe 39. The outlet 31 b of the expander 31 and the inlet 33 a of the condenser 33 are connected by a pipe 40. In addition, one end side of the bypass passage 41 is connected to the three-way valve 43, and the other end side is connected to the pipe 38.

第２電動ポンプＰ２は配管３５に設けられている。この第２電動ポンプＰ２を作動させることにより、作動流体は、図２及び図３に示すように、第２電動ポンプＰ２から第１ボイラ２７、第２ボイラ２８又はバイパス路４１、第３ボイラ２９及び膨張機３１を経て凝縮器３３に至る順で配管３５〜４０内を循環する。つまり、第１〜３ボイラ２７〜２９のうち、ランキンサイクル３における作動流体の流通方向において、第１ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置する。そして、第１ボイラ２７の下流に第２ボイラ２８が位置し、第３ボイラ２９が第２ボイラ２８の下流側に位置する。また、バイパス路４１は、第３ボイラ２９の上流側に位置している。同様に、三方弁４３は第１ボイラ２７の下流側であって、第２ボイラ２８及びバイパス路４１の上流側に位置している。   The second electric pump P2 is provided in the pipe 35. By operating the second electric pump P2, the working fluid is supplied from the second electric pump P2 to the first boiler 27, the second boiler 28 or the bypass passage 41, the third boiler 29, as shown in FIGS. And it circulates in the piping 35-40 in the order which reaches the condenser 33 through the expander 31. That is, among the first to third boilers 27 to 29, the first boiler 27 is located on the most upstream side in the circulating direction of the working fluid in the flowing direction of the working fluid in the Rankine cycle 3. The second boiler 28 is positioned downstream of the first boiler 27, and the third boiler 29 is positioned downstream of the second boiler 28. The bypass path 41 is located on the upstream side of the third boiler 29. Similarly, the three-way valve 43 is located downstream of the first boiler 27 and upstream of the second boiler 28 and the bypass passage 41.

図１に示すように、制御装置１１は、電動ファン９ｃ、３３ｃの作動制御を行うことで、冷却水又は作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２の作動制御を行う。さらに、制御装置１１は、駆動系１による出力要求等の検出値に基づくマップを記憶しており、このマップによって、可変バルブ２１の開閉制御と、三方弁４３の切り替え制御とを行う。これにより、制御装置１１は調整弁制御手段として機能する。この制御装置１１では、上記のような、駆動系１による出力要求に基づくのではなく、排気中における窒素酸化物の含有量が閾置を越えることを直接又は間接的に検知することにより、可変バルブ２１の開閉制御と、三方弁４３の切り替え制御とを行うことも可能である。   As shown in FIG. 1, the control device 11 adjusts the amount of heat that the cooling water or the working fluid radiates to the outside air by controlling the operation of the electric fans 9 c and 33 c. Further, the control device 11 controls the operation of the first and second electric pumps P1 and P2. Furthermore, the control device 11 stores a map based on a detection value such as an output request from the drive system 1, and performs opening / closing control of the variable valve 21 and switching control of the three-way valve 43 based on this map. Thereby, the control apparatus 11 functions as a regulating valve control means. The control device 11 is not based on the output request from the drive system 1 as described above, but is detected by directly or indirectly detecting that the content of nitrogen oxides in the exhaust gas exceeds a threshold value. It is also possible to perform opening / closing control of the valve 21 and switching control of the three-way valve 43.

このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。   The waste heat utilization apparatus configured as described above operates as follows by driving the vehicle.

図２に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ｃから排出された排気が配管１３内を流通する。この際、制御装置１１は可変バルブ２１を開制御し、配管１３内を流通する排気の一部を配管１５内に流入させる（同図の一点鎖線矢印参照）。なお、制御装置１１は、駆動系１における出力要求が大きくなるにつれて、排気がより多く配管１５内へ流通するように、可変バルブ２１の開度を制御する。   As shown in FIG. 2, the engine 5 operates in the drive system 1 by driving the vehicle. Thereby, the exhaust discharged from the exhaust port 5 c circulates in the pipe 13. At this time, the control device 11 controls the opening of the variable valve 21 to allow a part of the exhaust gas flowing through the pipe 13 to flow into the pipe 15 (see the one-dot chain arrow in the same figure). The control device 11 controls the opening degree of the variable valve 21 so that more exhaust gas flows into the pipe 15 as the output demand in the drive system 1 increases.

配管１５へ流入せずに配管１３を流通する排気は、ターボチャージャ７及び配管１４を経てマフラから車外に排出される（同一点鎖線矢印参照）。この際、排気によってターボチャージャ７が作動される。これにより、車外の空気が配管１９よりターボチャージャ７に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管１７、第１ボイラ２７の第１通路２７ｅ及び配管１８を経てエンジン５の吸気口５ｄよりエンジン５内へ吸入される（同図の二点鎖線矢印参照）。   Exhaust gas flowing through the pipe 13 without flowing into the pipe 15 is discharged from the muffler to the outside of the vehicle through the turbocharger 7 and the pipe 14 (see the same dotted line arrow). At this time, the turbocharger 7 is operated by the exhaust. As a result, air outside the vehicle is sucked into the turbocharger 7 from the pipe 19 and compressed. This air is sucked as pressurized air into the engine 5 from the intake port 5d of the engine 5 through the pipe 17, the first passage 27e of the first boiler 27, and the pipe 18 (see the two-dot chain line arrow in the figure).

一方、配管１５に流入した排気、すなわち還流排気は、第３ボイラ２９の第５通路２９ｅ及び配管１６を経て配管１８に至り、配管１８内の加圧空気とともにエンジン５内へ吸入される。   On the other hand, the exhaust gas flowing into the pipe 15, that is, the recirculated exhaust gas, reaches the pipe 18 through the fifth passage 29 e and the pipe 16 of the third boiler 29 and is sucked into the engine 5 together with the pressurized air in the pipe 18.

また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２及び電動ファン９ｃ、３３ｃをそれぞれ作動させる。これにより、駆動系１では、エンジン５の冷却を行った冷却水が流出口５ａより流出して、配管２３、第２ボイラ２８の第３通路２８ｅ及び配管２４を経てラジエータ９の流入口９ａよりラジエータ９の内部に至る。そして、ラジエータ９の内部の冷却水は、ラジエータ９の周りの空気と熱交換、すなわち、放熱されて冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン９ｃの作動量を適宜変更して、冷却水を好適に放熱させる。放熱されて冷却された冷却水は流出口９ｂから流出し、配管２５を経てエンジン５の流入口５ｂからエンジン５内に流入してエンジン５の冷却を行う（同図の破線矢印参照）。   The control device 11 operates the first and second electric pumps P1 and P2 and the electric fans 9c and 33c, respectively. As a result, in the drive system 1, the cooling water that has cooled the engine 5 flows out from the outlet 5 a, and passes through the pipe 23, the third passage 28 e of the second boiler 28, and the pipe 24 from the inlet 9 a of the radiator 9. It reaches the inside of the radiator 9. And the cooling water inside the radiator 9 is heat-exchanged with the air around the radiator 9, that is, radiated and cooled. At this time, the control device 11 appropriately changes the operation amount of the electric fan 9c to suitably radiate the cooling water. The cooling water radiated and cooled flows out from the outlet 9b, flows into the engine 5 from the inlet 5b of the engine 5 through the pipe 25, and cools the engine 5 (see the broken line arrow in the figure).

そして、ランキンサイクル３では、制御装置１１が三方弁４３の切り替え制御を行う。具体的には、駆動系１による出力要求が所定値を下回る場合には、三方弁４３により配管３６と配管３７とが連通され、配管３６、３７とバイパス路４１とが非連通とされる。   In the Rankine cycle 3, the control device 11 performs switching control of the three-way valve 43. Specifically, when the output request by the drive system 1 is below a predetermined value, the three-way valve 43 connects the pipe 36 and the pipe 37 and the pipes 36 and 37 and the bypass path 41 are not connected.

これにより、同図の実線矢印に示すように、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体は、配管３５を経て第１ボイラ２７の第２流入口２７ｃから第２通路２７ｆに至る。そして、作動流体は第１ボイラ２７において加圧空気と熱交換される。この際、第１通路２７ｅを流通する加圧空気はターボチャージャ７によって圧縮されることにより約１５０°Ｃ程度の熱を有しているため、第２通路２７ｆを流通する作動流体は高い温度で加熱される。一方、第１通路２７ｅを流通する加圧空気は、第２通路２７ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でエンジン５に至ることとなる。   Thereby, as shown by the solid line arrow in the figure, the working fluid discharged by the second electric pump P2 reaches the second passage 27f from the second inlet 27c of the first boiler 27 via the pipe 35. The working fluid exchanges heat with the pressurized air in the first boiler 27. At this time, since the pressurized air flowing through the first passage 27e is compressed by the turbocharger 7 and has a heat of about 150 ° C., the working fluid flowing through the second passage 27f is at a high temperature. Heated. On the other hand, the pressurized air flowing through the first passage 27e radiates heat to the working fluid flowing through the second passage 27f, and thus reaches the engine 5 in a state where it is cooled to a certain degree.

第１ボイラ２７において加熱された作動流体は第２流出口２７ｄから流出し、配管３６及び配管３７を経て第２ボイラ２８の第４流入口２８ｃから第４通路２８ｆに至る。そして、作動流体は第２ボイラ２８において冷却水と熱交換される。この際、第３通路路２８ｅを流通する冷却水はエンジン５の廃熱によって約８０〜９０°Ｃ程度の熱を有している。また、第４通路２８ｆを流通する作動流体は、第１ボイラ２７において既に一定程度加熱された状態にあるため、第２ボイラ２８において、より加熱されることとなる。一方、第３通路２８ｅを流通する冷却水は、第４通路２８ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でラジエータ９に至ることとなる。   The working fluid heated in the first boiler 27 flows out from the second outlet 27d, reaches the fourth passage 28f from the fourth inlet 28c of the second boiler 28 via the pipe 36 and the pipe 37. The working fluid exchanges heat with cooling water in the second boiler 28. At this time, the cooling water flowing through the third passage 28 e has a heat of about 80 to 90 ° C. due to the waste heat of the engine 5. Further, since the working fluid flowing through the fourth passage 28 f is already heated to a certain degree in the first boiler 27, it is further heated in the second boiler 28. On the other hand, since the cooling water flowing through the third passage 28e radiates heat to the working fluid flowing through the fourth passage 28f, the cooling water reaches the radiator 9 while being cooled to a certain extent.

第２ボイラ２８において加熱された作動流体は第４流出口２８ｄから流出し、配管３８を経て第３ボイラ２９の第６流入口２９ｃから第６通路２９ｆに至る。そして、作動流体は第３ボイラ２９において還流排気と熱交換される。この際、第５通路２９ｅを流通する還流排気はエンジン５の作動状況により、約５００°Ｃ程度の熱を有することとなる。このため、第１、２ボイラ２７、２８において加熱されている作動流体は、第３ボイラ２９において十分に加熱されることとなる。一方、第５通路２９ｅを流通する還流排気は、第６通路２９ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態で加圧空気とともにエンジン５に還流することとなる。   The working fluid heated in the second boiler 28 flows out of the fourth outlet 28d and reaches the sixth passage 29f from the sixth inlet 29c of the third boiler 29 via the pipe 38. The working fluid is heat-exchanged with the recirculated exhaust gas in the third boiler 29. At this time, the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29 e has a heat of about 500 ° C. depending on the operating state of the engine 5. For this reason, the working fluid heated in the first and second boilers 27 and 28 is sufficiently heated in the third boiler 29. On the other hand, the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29e radiates heat to the working fluid flowing through the sixth passage 29f, and thus returns to the engine 5 together with the pressurized air in a state where it is cooled to a certain extent.

こうして、第１〜３ボイラ２７〜２９によって十分に加熱されることにより、作動流体は、スーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態の高温高圧の状態で第６流出口２７ｄから流出し、配管３９を経て膨張機３１の流入口３１ａから膨張機３１内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機３１内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機３１に接続された発電機は発電を行う。   Thus, by being sufficiently heated by the first to third boilers 27 to 29, the working fluid flows out from the sixth outlet 27d in a superheated state or a state of high temperature and pressure close to superheat, and the piping 39 It goes from the inflow port 31a of the expander 31 into the expander 31 through the above. The high-temperature and high-pressure working fluid expands in the expander 31 and is depressurized. The generator connected to the expander 31 generates power by the pressure energy at this time.

膨張機３１内で減圧された作動流体は流出口３１ｂから流出し、配管４０を経て凝縮器３３の流入口３３ａから凝縮器３３内へ至る。凝縮器３３の作動流体は、凝縮器３３の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン３３ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口３３ｂから流出し、配管３５を経て再び第１ボイラ２７に至ることとなる。   The working fluid depressurized in the expander 31 flows out from the outlet 31b and reaches the condenser 33 from the inlet 33a of the condenser 33 via the pipe 40. The working fluid of the condenser 33 is cooled by releasing heat to the air around the condenser 33. At this time, the control device 11 appropriately changes the operation amount of the electric fan 33c to suitably dissipate the working fluid and liquefy it. The cooled working fluid flows out from the outflow port 33 b and reaches the first boiler 27 again through the pipe 35.

一方、駆動系１による出力要求が所定値以上となった場合、例えば、アクセルの開度が所定値以上となった場合には、制御装置１１は、三方弁４３の切り替え制御を行う。これにより、図３に示すように、配管３６とバイパス路４１とが連通され、配管３６及びバイパス路４１と配管３７とが非連通とされる。   On the other hand, when the output request by the drive system 1 is equal to or greater than a predetermined value, for example, when the accelerator opening is equal to or greater than the predetermined value, the control device 11 performs switching control of the three-way valve 43. Thereby, as shown in FIG. 3, the pipe 36 and the bypass path 41 are communicated, and the pipe 36, the bypass path 41 and the pipe 37 are not communicated.

これにより、同図の実線矢印に示すように、第１ボイラ２７を経た作動流体はパイパス路４１に流入する。そして、このバイパス路４１内の作動流体は、第２ボイラ２８を迂回しつつ、配管３８から第３ボイラ２９の第６通路２９ｆに至る。   As a result, the working fluid that has passed through the first boiler 27 flows into the bypass passage 41 as indicated by solid line arrows in FIG. The working fluid in the bypass passage 41 bypasses the second boiler 28 and reaches the sixth passage 29 f of the third boiler 29 from the pipe 38.

ここで、バイパス路４１を流通した作動流体は、第２ボイラ２８における熱交換が行われていないため、上記の図２に示す状態よりも低温の状態で第３ボイラ２９に流入することとなる。このため、第３ボイラ２９における熱交換では、作動流体は還流排気からより多くの放熱を受けることとなる。この結果、第５通路２９ｃ内の還流排気はより冷却されることとなる。   Here, the working fluid that has flowed through the bypass passage 41 flows into the third boiler 29 at a lower temperature than the state shown in FIG. 2 because heat exchange in the second boiler 28 is not performed. . For this reason, in the heat exchange in the third boiler 29, the working fluid receives more heat radiation from the reflux exhaust. As a result, the reflux exhaust in the fifth passage 29c is further cooled.

第３ボイラ２９によって加熱された作動流体は、第６流出口２９ｄから流出し、図２に示す場合と同様、膨張機３１によって膨張及び減圧された後、凝縮器３３によって放熱されることとなる。   The working fluid heated by the third boiler 29 flows out from the sixth outlet 29d, and is expanded and depressurized by the expander 31 and then radiated by the condenser 33, as in the case shown in FIG. .

このように、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、第１〜３ボイラ２７〜２９における熱交換により、作動流体を加熱できるとともに、作動流体によって、加圧空気、冷却水及び還流排気をそれぞれ冷却することが可能である。   As described above, in the Rankine cycle 3 in this waste heat utilization apparatus, the working fluid can be heated by heat exchange in the first to third boilers 27 to 29, and the pressurized air, the cooling water, and the recirculated exhaust are respectively discharged by the working fluid. It is possible to cool.

これらの第１〜３ボイラ２７〜２９のうち、第３ボイラ２９では、約５００°Ｃ程度の温度となった還流排気と作動流体とが熱交換されるため、作動流体は第３ボイラ２９によって十分に加熱される。また、図２に示すように、ランキンサイクル３において、第１〜３ボイラ２７〜２９のうち、第１ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置するため、第１ボイラ２７に流入する作動流体の温度が最も低い状態となっている。これにより、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、加圧空気の密度が増大することで、より多くの加圧空気をエンジン５に供給することが可能となっている。このため、エンジン５の出力をより向上させることが可能となっている。   Of these first to third boilers 27 to 29, in the third boiler 29, the exhaust gas having a temperature of about 500 ° C. is exchanged with the working fluid for heat exchange. Fully heated. Further, as shown in FIG. 2, in the Rankine cycle 3, among the first to third boilers 27 to 29, the first boiler 27 is located on the most upstream side in the circulation direction of the working fluid, and therefore flows into the first boiler 27. The temperature of the working fluid is the lowest. Thereby, it becomes possible to cool pressurized air suitably, and it becomes possible to supply more pressurized air to the engine 5 by the density of pressurized air increasing. For this reason, it is possible to further improve the output of the engine 5.

特に、この廃熱利用装置では、排気還流路としての配管１５、１６がそれぞれ配管１３及び配管１８に接続されている。このため、この廃熱利用装置では、冷却された還流排気を還流してエンジン５に吸気させることが可能となっている。この際、第３ボイラ２９における熱交換による冷却で配管１６及び配管１８内を流通する還流排気の密度が増大することから、これらの配管１６及び配管１８内の還流排気はエンジン５に好適に還流されることとなる。このように冷却された還流排気をエンジン５に還流させることで、この廃熱利用装置では、最終的に配管１４及びマフラを経て大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を十分に低減させることも可能となっている。   In particular, in this waste heat utilization apparatus, pipes 15 and 16 as exhaust gas recirculation paths are connected to a pipe 13 and a pipe 18, respectively. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to recirculate the cooled recirculated exhaust gas and cause the engine 5 to intake air. At this time, the density of the reflux exhaust flowing through the pipe 16 and the pipe 18 is increased by the cooling by the heat exchange in the third boiler 29. Therefore, the reflux exhaust in the pipe 16 and the pipe 18 is preferably returned to the engine 5. Will be. By recirculating the reflux exhaust cooled in this way to the engine 5, in this waste heat utilization apparatus, the content of nitrogen oxides in the exhaust when finally discharged into the atmosphere through the pipe 14 and the muffler Can be sufficiently reduced.

また、駆動系１における出力要求等のいくつかの検出値を用いたマップ制御により可変バルブ２１が開制御されるため、特定の条件下ではエンジン５に還流される還流排気の量が大きくなる場合がある。この際には、第５通路２９ｅを流通する還流排気の流量が多くなるとともに、第３ボイラ２９における熱交換により、これらの還流排気を好適に冷却させて還流させることが求められる。このため、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を可及的に低下させることが必要となる。   Further, since the variable valve 21 is controlled to open by map control using several detection values such as output requests in the drive system 1, the amount of recirculated exhaust gas recirculated to the engine 5 becomes large under specific conditions. There is. At this time, the flow rate of the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29e increases, and it is required that the recirculated exhaust gas be suitably cooled and recirculated by heat exchange in the third boiler 29. For this reason, it is necessary to reduce the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 as much as possible.

ここで、上記のように、ランキンサイクル３において、作動流体の循環方向で第１ボイラ２７、第２ボイラ２８、第３ボイラ２９の順に位置させた場合、第２ボイラ２８における熱交換によって作動流体が加熱された結果、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度が高くなってしまう。   Here, as described above, in the Rankine cycle 3, when the first boiler 27, the second boiler 28, and the third boiler 29 are positioned in this order in the circulation direction of the working fluid, the working fluid is exchanged by heat exchange in the second boiler 28. As a result, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 is increased.

このため、この廃熱利用装置では、駆動系１における出力要求が高くなり、出力要求が所定値を超えた場合、図３に示すように、バイパス路４１作動流体を全て流入させることにより、作動流体について、第２ボイラ２８を迂回させることが可能となっている。   For this reason, in this waste heat utilization apparatus, when the output request in the drive system 1 becomes high and the output request exceeds a predetermined value, as shown in FIG. With respect to the fluid, it is possible to bypass the second boiler 28.

こうして、この廃熱利用装置では、作動流体に対し、第２ボイラ２８における熱交換を回避させることで、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を低下させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置では、第３ボイラ２９において、第５通路２９ｅ内の還流排気を十分に冷却することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、駆動系１において、低燃費を狙い、その出力を低回転で実現するために空気密度を上げるとともに、排気中に含まれる窒素酸化物を十分に低減させることが可能となっている。   Thus, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to reduce the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 by avoiding heat exchange in the second boiler 28 with respect to the working fluid. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, in the 3rd boiler 29, it is possible to fully cool the recirculated exhaust gas in the 5th passage 29e. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, in the drive system 1, aiming at low fuel consumption, increasing the air density in order to realize the output at low rotation, and sufficiently reducing the nitrogen oxides contained in the exhaust gas Is possible.

ここで、このように、作動流体について、第２ボイラ２８を迂回させることにより、第２ボイラ２８における熱交換によって、第３通路２８ｅ内の冷却水を冷却できなくなる。このため、このような場合には、制御装置１１が電動ファン９ｃの作動量を大きくすることで、ラジエータ９における冷却水の放熱量を多くさせる。これにより、この廃熱利用装置では、駆動系１における出力要求が所定値を超えた状態であっても、エンジン５を好適に冷却させることが可能となる。また、第２ボイラ２８における熱交換が行われていない状態であっても、上記のように第５通路２９ｅ内の還流排気は非常に高温であることから、第３ボイラ２９において作動流体は十分に加熱されることとなる。   Here, by bypassing the second boiler 28 for the working fluid in this way, the cooling water in the third passage 28e cannot be cooled by heat exchange in the second boiler 28. For this reason, in such a case, the control device 11 increases the amount of heat of the cooling water in the radiator 9 by increasing the amount of operation of the electric fan 9c. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, even if the output request in the drive system 1 exceeds a predetermined value, the engine 5 can be suitably cooled. Even when heat exchange is not performed in the second boiler 28, the recirculated exhaust gas in the fifth passage 29e is very hot as described above, so that there is sufficient working fluid in the third boiler 29. Will be heated.

そして、これらのように、作動流体について、第２ボイラ２８を迂回させる場合であっても、第２ボイラ２８を迂回さない場合（図２参照）であっても、この廃熱利用装置では、第３ボイラ２９が作動流体の循環方向の最も下流側に位置する。このため、この廃熱利用装置では、第３ボイラ２９によって加熱された作動流体が他の第１、２ボイラ２７、２８において放熱されることがない。このため、この廃熱利用装置では、膨張機３１に流入する作動流体をスーパーヒートの状態又はスーパーヒートに近い状態とすることが可能となる。このため、膨張機３１における作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となっている。また、このように作動流体が十分に加熱された状態であることから、この廃熱利用装置では、膨張機３１内で作動流体が気化された状態を保ち、膨張機３１内で液化することも防止されている。これらのため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３において回収可能な電力の量が多くなるとともに、液バック現象が抑制されて膨張機３１も損傷し難くなっている。なお、第１〜３ボイラ２７〜２９での蒸発圧力を低くすれば、比較的低温の熱源（加圧空気、冷却水及び還流排気）でもスーパーヒートを確保することはできるが、その場合は膨張機３１での回収エネルギーが低下してしまう。この点、この廃熱利用装置によれば、蒸発圧力の低下を伴うことなく作動流体のスーパーヒートを確保することができる。   And even if it is a case where the 2nd boiler 28 is detoured about a working fluid like these and it is a case where the 2nd boiler 28 is not detoured (refer to Drawing 2), in this waste heat utilization device, The third boiler 29 is located on the most downstream side in the circulation direction of the working fluid. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, the working fluid heated by the 3rd boiler 29 is not radiated in the other 1st, 2nd boilers 27 and 28. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it becomes possible to make the working fluid which flows into the expander 31 into the state of a superheat or a state close to a superheat. For this reason, it is possible to increase the pressure energy generated by the expansion and decompression of the working fluid in the expander 31. In addition, since the working fluid is sufficiently heated in this way, in this waste heat utilization apparatus, the working fluid is kept vaporized in the expander 31 and liquefied in the expander 31. It is prevented. For these reasons, in this waste heat utilization device, the amount of electric power that can be recovered in the Rankine cycle 3 is increased, and the liquid back phenomenon is suppressed, and the expander 31 is hardly damaged. If the evaporation pressure in the first to third boilers 27 to 29 is lowered, superheat can be secured even with a relatively low temperature heat source (pressurized air, cooling water, and reflux exhaust), but in this case, expansion is performed. The energy collected by the machine 31 is reduced. In this regard, according to this waste heat utilization apparatus, it is possible to ensure superheat of the working fluid without a decrease in the evaporation pressure.

したがって、この廃熱利用装置によれば、ランキンサイクル３における電力の回収量の向上を図りつつ、エンジン５の出力の向上が実現可能であるとともに、耐久性を高くすることができる。   Therefore, according to this waste heat utilization apparatus, it is possible to improve the output of the engine 5 and improve the durability while improving the amount of power recovered in the Rankine cycle 3.

特に、この廃熱利用装置では、駆動系１における所定値以上の出力要求に基づいて、制御装置１１が三方弁４３の切り替え制御を行うため、ランキンサイクル３における電力の回収量の向上と、エンジン５の出力の向上とを両立させ易くなっている。   In particular, in this waste heat utilization device, since the control device 11 performs switching control of the three-way valve 43 based on an output request greater than or equal to a predetermined value in the drive system 1, an improvement in the amount of electric power recovered in the Rankine cycle 3 and the engine It is easy to achieve both the improvement of the output of 5.

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.

例えば、三方弁４３に替えて、第２ボイラ２８に流入する作動流体の割合と、バイパス路４１に流入する作動流体の割合とを任意に変更可能な流量調整弁を採用しても良い。この場合、第２ボイラ２８を経た作動流体と、バイパス路４１を経た作動流体とが配管３８において合流した後、第３ボイラ２９に流入することとなる。この際、第２ボイラ２８において加熱された作動流体の割合により、第３ボイラ２９に流入する作動流体の温度を調節することが可能となる。これにより、駆動系１における出力要求に応じて、エンジン５に還流される還流排気の温度をより適切な状態とすることが可能となる。   For example, instead of the three-way valve 43, a flow rate adjusting valve that can arbitrarily change the ratio of the working fluid flowing into the second boiler 28 and the ratio of the working fluid flowing into the bypass passage 41 may be adopted. In this case, the working fluid that has passed through the second boiler 28 and the working fluid that has passed through the bypass passage 41 merge in the pipe 38 and then flow into the third boiler 29. At this time, the temperature of the working fluid flowing into the third boiler 29 can be adjusted by the ratio of the working fluid heated in the second boiler 28. Thereby, it becomes possible to make the temperature of the recirculated exhaust gas recirculated to the engine 5 more appropriate in response to the output request in the drive system 1.

さらに、配管４０には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器３３を経た作動流体は、第２電動ポンプＰ２によって好適に吐出されて、配管３５〜４０やバイパス路４１を好適に循環することとなる。   Furthermore, the pipe 40 may be provided with a known receiver. In this case, since the working fluid is suitably liquefied by the receiver, the working fluid that has passed through the condenser 33 is suitably discharged by the second electric pump P2, and is preferably circulated through the pipes 35 to 40 and the bypass passage 41. It becomes.

本発明は車両等に利用可能である。   The present invention is applicable to vehicles and the like.

１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン（内燃機関）
７…ターボチャージャ（過給器）
１１…制御装置（調整弁制御手段）
１５、１６…配管（排気還流路）
２７…第１ボイラ
２８…第２ボイラ
２９…第３ボイラ
３１…膨張機
３３…凝縮器
３５〜４０…配管
４１…パイパス路
４３…三方弁（流量調整弁）
Ｐ２…第２電動ポンプ（ポンプ） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Drive system 3 ... Rankine cycle 5 ... Engine (internal combustion engine)
7 ... Turbocharger (supercharger)
11. Control device (regulating valve control means)
15, 16 ... piping (exhaust gas recirculation path)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 27 ... 1st boiler 28 ... 2nd boiler 29 ... 3rd boiler 31 ... Expander 33 ... Condenser 35-40 ... Piping 41 ... Bypass path 43 ... Three-way valve (flow control valve)
P2 ... Second electric pump (pump)

Claims (4)

内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として前記内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記ボイラは、前記加圧空気との間で熱交換を行う第１ボイラと、前記内燃機関に対する冷却水との間で熱交換を行う第２ボイラと、前記還流排気との間で熱交換を行う第３ボイラとを有し、
該第３ボイラは、該第１ボイラよりも前記作動流体の循環方向の下流側に位置していることを特徴とする廃熱利用装置。 A drive system having an internal combustion engine, a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation path that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine as recirculation exhaust gas A waste heat utilization device having a Rankine cycle that is used and circulates a working fluid with a boiler,
The boiler exchanges heat between the first boiler that exchanges heat with the pressurized air, the second boiler that exchanges heat with cooling water for the internal combustion engine, and the reflux exhaust. A third boiler to perform,
The waste heat utilization apparatus, wherein the third boiler is located downstream of the first boiler in the circulation direction of the working fluid. 前記ランキンサイクルは、ポンプと、前記第１ボイラと、前記第２ボイラと、前記第３ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプから該第１ボイラ、該第２ボイラ、該第３ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に前記作動流体を循環させる配管とを有している請求項１記載の廃熱利用装置。   The Rankine cycle includes a pump, the first boiler, the second boiler, the third boiler, an expander, a condenser, the pump, the first boiler, the second boiler, and the third boiler. The waste heat utilization apparatus according to claim 1, further comprising a pipe for circulating the working fluid through the boiler and the expander to the condenser. 前記第１ボイラの下流で該配管から分岐し、該第２ボイラを迂回して該配管に合流するバイパス路と、該第２ボイラに流入する前記作動流体の流量と該バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁と、
該流量調整弁を制御する調整弁制御手段とを備えている請求項２記載の廃熱利用装置。 A bypass path that branches from the pipe downstream of the first boiler, bypasses the second boiler and joins the pipe, a flow rate of the working fluid that flows into the second boiler, and a flow path that flows into the bypass path A flow rate adjustment valve capable of adjusting the flow rate of the working fluid;
The waste heat utilization apparatus according to claim 2, further comprising an adjustment valve control means for controlling the flow rate adjustment valve. 前記調整弁制御手段は、前記駆動系における出力要求、又は前記排気中における窒素酸化物の含有量に応じて前記流量調整弁を制御する請求項３記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 3, wherein the regulating valve control means controls the flow regulating valve in accordance with an output request in the drive system or a nitrogen oxide content in the exhaust.
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