(57)【要約】【課題】効率よくエンジンからの廃熱を回収しつつ、ＥＧＲガスの過剰冷却を防止する。【解決手段】廃熱回生システム１００は、冷媒を圧送するポンプ２、冷媒を加熱するＥＧＲボイラ４、圧縮空気ボイラ３及び排ガスボイラ５、加熱された冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機６、及び膨張後の冷媒を冷却凝縮させるコンデンサ８が順次連結されて構成されるランキンサイクル回路１０を備え、ＥＧＲボイラ４と圧縮空気ボイラ３は、圧縮空気ボイラ３が上流側となるように直列に接続され、排ガスボイラ５は、ＥＧＲボイラ４および圧縮空気ボイラ３と並列に接続される。【選択図】図１
2014190170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の廃熱を利用する廃熱回生システムであって、
冷媒を圧送するポンプ、前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段、前記冷媒加熱手段によって加熱された前記冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、及び膨張後の前記冷媒を冷却凝縮させるコンデンサが順次連結されて構成されるランキンサイクル回路を備え、
前記冷媒加熱手段は、
前記内燃機関に再循環される排ガスの一部であるＥＧＲガスを熱源として前記冷媒との間で熱交換を行うＥＧＲボイラと、
過給機によって前記内燃機関へと供給される圧縮空気を熱源として前記冷媒との間で熱交換を行う圧縮空気ボイラと、
前記内燃機関の排ガスを熱源として前記冷媒との間で熱交換を行う排ガスボイラと、
を有し、
前記ＥＧＲボイラと前記圧縮空気ボイラは、前記圧縮空気ボイラが上流側となるように直列に接続され、
前記排ガスボイラは、前記ＥＧＲボイラおよび前記圧縮空気ボイラと並列に接続される廃熱回生システム。
【請求項２】
前記ＥＧＲボイラ及び前記圧縮空気ボイラに流通させる前記冷媒の流量と、前記排ガスボイラに流通させる前記冷媒の流量との分配比率を調整することができる流量調整手段を備える請求項１に記載の廃熱回生システム。
【請求項３】
前記流量調整手段は、前記排ガスボイラに流通させる前記冷媒の流量を０にすることができる請求項２に記載の廃熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを用いて車両の内燃機関の廃熱を利用する廃熱回生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクル回路を利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、冷媒を圧送するポンプと、冷媒をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱する熱交換器と、加熱された冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の冷媒を冷却凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次接続されて閉回路を形成している。
【０００３】
ここで、特許文献１の図６には、熱交換器として、冷媒と還流排気であるＥＧＲガスとが熱交換を行うＥＧＲクーラと、冷媒と排ガスとが熱交換を行う排ガスボイラとが並列に設けられたランキンサイクル回路が開示されている。ＥＧＲガス及び排ガスは高温であるため、特許文献１のランキンサイクル回路のように並列させたＥＧＲボイラ及び排ガスボイラのそれぞれに冷媒を流通させることで、冷媒がより多量の熱を受け取ることができる。そのため、ランキンサイクル回路全体としての廃熱の回収効率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３６０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コンデンサで冷却凝縮されポンプで圧送される冷媒は低温であり、このような低温の冷媒がＥＧＲボイラに流入すると、ＥＧＲガスが過剰冷却されてＥＧＲ回路内に結露水が発生する可能性があった。そして、このような結露水が発生してしまうと、結露水が燃焼室に浸入して内燃機関の燃焼が妨げられるおそれがある。
【０００６】
この発明はこのような問題を解決するため、効率よく内燃機関からの廃熱を回収しつつ、ＥＧＲガスの過剰冷却を防止することができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、内燃機関の廃熱を利用するものであって、冷媒を圧送するポンプ、冷媒を加熱する冷媒加熱手段、冷媒加熱手段によって加熱された冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、及び膨張後の冷媒を冷却凝縮させるコンデンサが順次連結されて構成され、冷媒加熱手段は、内燃機関に再循環される排ガスの一部であるＥＧＲガスを熱源として冷媒との間で熱交換を行うＥＧＲボイラと、過給機によって内燃機関へと供給される圧縮空気を熱源として冷媒との間で熱交換を行う圧縮空気ボイラと、内燃機関の排ガスを熱源として冷媒との間で熱交換を行う排ガスボイラとを有し、ＥＧＲボイラと圧縮空気ボイラは、圧縮空気ボイラが上流側となるように直列に接続され、排ガスボイラは、ＥＧＲボイラ及び圧縮空気ボイラと並列に接続される。
【０００８】
この発明に係る廃熱回生システムは、ＥＧＲボイラ及び圧縮空気ボイラに流通させる冷媒の流量と、排ガスボイラに流通させる冷媒の流量との分配比率を調整することができる流量調整手段を備えてもよい。
また、流量調整手段は、排ガスボイラに流通させる冷媒の流量を０にすることもできる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明による廃熱回生システムによれば、効率よく機械的エネルギーを回収しつつ、ＥＧＲガスの過剰冷却を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００は、内燃機関としてのエンジン１２の廃熱を利用するものであって、ポンプ２と、圧縮空気ボイラ３と、ＥＧＲボイラ４と、排ガスボイラ５と、膨張機６と、コンデンサ８とを有するランキンサイクル回路１０を備える。ここで、ランキンサイクル回路１０は、主回路１０ａと従回路１０ｂとを有する。主回路１０ａは、ポンプ２と圧縮空気ボイラ３とＥＧＲボイラ４と膨張機６とコンデンサ８とが順次連結されて構成される閉回路である。また、従回路１０ｂは、ポンプ２と排ガスボイラ５と膨張機６とコンデンサ８とが順次連結されて構成される閉回路である。すなわち、主回路１０ａには、ポンプ２の下流かつ膨張機６の上流に圧縮空気ボイラ３及びＥＧＲボイラ４が互いに直列して接続されている。圧縮空気ボイラ３はポンプ２の下流かつＥＧＲボイラ４の上流に設けられる。一方、従回路１０ｂは主回路１０ａに対して、ポンプ２の下流かつ圧縮空気ボイラ３の上流の第一分岐点１３ａにおいて分岐し、ＥＧＲボイラ４の下流かつ膨張機６の上流の第二分岐点１３ｂにおいて合流する。従って、主回路１０ａと従回路１０ｂとは、第二分岐点１３ｂの下流かつ第一分岐点１３ａの上流における構成が共通している。また、このようなランキンサイクル回路１０の構成により、圧縮空気ボイラ３及びＥＧＲボイラ４と排ガスボイラ５とは並列に接続されている。また、従回路１０ｂ上において第一分岐点１３ａの下流かつ排ガスボイラ５の上流には流量調整弁１５が設けられている。
なお、圧縮空気ボイラ３は、後述する過給機１４によってエンジン１２へと供給される圧縮空気、すなわち圧縮された吸入空気を熱源として冷媒との間で熱交換を行う。また、ＥＧＲボイラ４は、エンジン１２に再循環される排ガスの一部であるＥＧＲガスを熱源として冷媒との間で熱交換を行う。さらに、排ガスボイラ５は、排ガスを熱源として冷媒との間で熱交換を行う。そして、これらの圧縮空気ボイラ３、ＥＧＲボイラ４及び排ガスボイラ５は、冷媒加熱手段を構成する。
また、流量調整弁１５は流量調整手段を構成する。
【００１２】
ランキンサイクル回路１０における冷媒の流れについて説明する。
廃熱回生システム１００おけるランキンサイクル回路１０内の冷媒はポンプ２によって圧送される。従回路１０ｂ上の流量調整弁１５が全開状態の場合において、ポンプ２によって圧送された冷媒は、第一分岐点１３ａを通過する際に一部は主回路１０ａに従って圧縮空気ボイラ３に流入し、残りは従回路１０ｂに従って排ガスボイラ５に流入する。主回路１０ａ上の圧縮空気ボイラ３に流入する冷媒は、直列に配置された圧縮空気ボイラ３及びＥＧＲボイラ４によって加熱され、気化する。また、従回路１０ｂ上の排ガスボイラ５に流入する冷媒は、排ガスボイラ５によって加熱され、気化する。そして、主回路１０ａ上の圧縮空気ボイラ３及びＥＧＲボイラ４において気化した冷媒と、従回路１０ｂ上の排ガスボイラ５において気化した冷媒は、第二分岐点１３ｂにおいて合流し、膨張機６に流入する。膨張機６は冷媒を膨張させて機械的エネルギーを発生させる。ここで、膨張機６で発生した機械的エネルギーはエンジン１２の回転を補助する。また、膨張機６を通過した冷媒はコンデンサ８に流入し、冷却凝縮され液化する。そして、液化した冷媒はポンプ２に流入し、再び圧送される。
【００１３】
流量調整弁１５は、通常の走行時において全開状態となっており、この時、圧縮空気ボイラ３に流入する冷媒の流量と排ガスボイラ５に流入する冷媒の流量との比は１：１となる。流量調整弁１５はＥＣＵ（図示せず）によって開閉状態を制御されている。ここで、流量調整弁１５を徐々に閉状態に近づけていくと、それに伴い排ガスボイラ５に流入する冷媒の流量は減少していき、圧縮空気ボイラ３に流入する冷媒の流量は増加していく。そして、流量調整弁１５が完全に閉状態となると、排ガスボイラ５に流入する冷媒の流量は０になり、第一分岐点１３ａを通過する冷媒は全て圧縮空気ボイラ３に流入するようになる。すなわち、流量調整弁１５は圧縮空気ボイラ３及びＥＧＲボイラ４に流通させる冷媒の流量と、排ガスボイラ５に流通させる冷媒の流量との分配比率を調整する。
【００１４】
エンジン１２は吸気系１６及び排気系１１と接続している。また、吸気系１６及び排気系１１はそれぞれ過給機１４に接続する。さらに、吸気系１６及び排気系１１にはＥＧＲ通路１８が接続されており、ＥＧＲ通路１８は一端が吸気系１６に接続されるとともに他端が排気系１１に接続されている。そして、吸気系１６には圧縮空気ボイラ３が、排気系１１には排ガスボイラ５が、ＥＧＲ通路１８にはＥＧＲボイラ４が、それぞれ接続されている。
【００１５】
吸気系１６から吸入された空気は、過給機１４によって圧縮される。その際に加圧されて高温となった吸入空気である圧縮空気は、圧縮空気ボイラ３においてランキンサイクル回路１０の主回路１０ａにおける冷媒と熱交換を行い冷却された後、エンジン１２に流入する。そして、空気はエンジン１２内で燃焼した後、排ガスとなって排気系１１を流通する。排気系１１を流通する排ガスは過給機１４を通過するとともに、過給機１４を駆動する。そして次に、排ガスは排ガスボイラ５において、ランキンサイクル回路１０の従回路１０ｂにおける冷媒と熱交換を行ってから、マフラー（図示せず）を通過して車両外部に排出される。また、エンジン１２から流出した排ガスの一部は、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路１８に流入する。ＥＧＲ通路１８を流通するＥＧＲガスはＥＧＲボイラ４において、ランキンサイクル回路１０の主回路１０ａにおける冷媒と熱交換を行い、冷却される。そして、冷却されたＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路１８から吸気系１６に合流し、再びエンジン１２に再循環される。
【００１６】
以上より、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、圧縮空気ボイラ３をポンプ２の下流かつＥＧＲボイラ４の上流に設けたことにより、ＥＧＲボイラ４に流入する前の冷媒が圧縮空気ボイラ３によって加熱される。そのため、ポンプ２により圧送された低温の冷媒が直接ＥＧＲボイラ４に流入することによるＥＧＲガスの過剰冷却が防止される。その結果、ＥＧＲ通路１８での結露水の発生も防止される。
また、ＥＧＲボイラ４に対して排ガスボイラ５が並列に設けられていることにより、ランキンサイクル回路１０は、ＥＧＲガスからの廃熱及び排ガスからの廃熱を両方回収することができ、全体の廃熱回収効率が向上する。
また、従回路１０ｂの排ガスボイラ５は主回路１０ａの圧縮空気ボイラ３に対しても並列して設けられている。よって、排ガスボイラ５に流入する冷媒は圧縮空気ボイラ３を流通せず、ポンプ２によって圧送された後、低温のまま直接排ガスボイラ５に流入するため、その分排ガスから多量の廃熱を回収することができる。
さらに、圧縮空気ボイラ３では、過給機１４からの圧縮空気をランキンサイクル回路１０の冷媒によって冷却しているため、圧縮空気を冷却するために空冷式のインタークーラを別途に設ける必要がない。
【００１７】
また、従回路１０ｂ上において第一分岐点１３ａの下流かつ排ガスボイラ５の上流に流量調整弁１５を設けたことにより、加速時等、吸入空気の冷却要求が高くなった場合に応じて圧縮空気ボイラ３の冷却機能を即座に向上させることができる。すなわち、エンジン１２に吸入される吸入空気の量が増えて吸入空気の冷却の必要性が高くなった時は、流量調整弁１５を絞ることにより、従回路１０ｂ上の排ガスボイラ５に流入する冷媒の流量が制限される。そして、その分主回路１０ａ上の圧縮空気ボイラ３に流入する冷媒の流量が増え、圧縮空気ボイラ３は過給機１４で圧縮され高温となった吸入空気をより効率よく冷却することができる。ここで、さらに流量調整弁１５を完全に閉状態とすれば、従回路１０ｂの排ガスボイラ５に流通する冷媒は０となり、すべての冷媒を圧縮空気ボイラ３に流入させて吸入空気の冷却のために用いることができる。
【００１８】
また、流量調整弁１５を完全に閉状態とした場合であっても、主回路１０ａ上においてＥＧＲボイラ４が圧縮空気ボイラ３と直列して配置されているため、ＥＧＲボイラ４には冷媒が流通し続け、継続してＥＧＲ通路１８のＥＧＲガスを冷却することができる。
【００１９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図２に示す。なお、以下の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
実施の形態２に係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、さらに内部熱交換器７を有するランキンサイクル回路２０を備えたものである。ランキンサイクル回路２０は、実施の形態１のランキンサイクル回路１０と同様に、主回路２０ａ及び従回路２０ｂを有する。すなわち、従回路２０ｂは主回路２０ａに対して、ポンプ２の下流かつ圧縮空気ボイラ３の上流の第一分岐点２３ａにおいて分岐し、ＥＧＲボイラ４の下流かつ膨張機６の上流の第二分岐点２３ｂにおいて合流する。
【００２０】
内部熱交換器７は、ランキンサイクル回路２０において、従回路２０ｂ上の流量調整弁１５の下流かつ排ガスボイラ５の上流に接続されるとともに、膨張機６の下流かつコンデンサ８の上流にも接続される。すなわち、ポンプ２に圧送されて第一分岐点２３ａを通過して従回路２０ｂを流通する低温の冷媒と、膨張機６において膨張した後の高温の冷媒とが内部熱交換器７において熱交換を行うように構成されている。
【００２１】
以上より、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００が内部熱交換器７を有することによって、膨張機６から流出した高温の冷媒はコンデンサ８に流入する前に内部熱交換器７において冷却される。従って、コンデンサ８に流入する冷媒の温度は従来より低くなるため、その分冷媒の凝縮圧力が低下し、結果的にコンデンサ８の負荷が減り冷却凝縮の効率が向上する。また、熱源の温度が比較的に低い圧縮空気ボイラ３と内部熱交換器７を直列でなく並列に配列することにより、双方共に熱回収を効率よく行うことができる。
【００２２】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の構成を図３に示す。
なお、以下の説明において、図１又は２の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
廃熱回生システム３００は、実施形態１又は２の廃熱回生システム１００，２００と同様に、主回路３０ａ及び従回路３０ｂを備えたランキンサイクル回路３０を有する。すなわち、従回路３０ｂは主回路３０ａに対して、ポンプ２の下流かつ圧縮空気ボイラ３の上流の第一分岐点３３ａにおいて分岐し、ＥＧＲボイラ４の下流かつ膨張機６の上流の第二分岐点３３ｂにおいて合流する。さらにまた、ランキンサイクル回路３０の主回路３０ａ上の圧縮空気ボイラ３の下流かつＥＧＲボイラ４の上流には第三分岐点３３ｃが設定され、従回路３０ｂの内部熱交換器７の下流かつ排ガスボイラ５の上流には第四分岐点３３ｄが設定される。そして、ランキンサイクル回路３０には、一端が第三分岐点３３ｃに接続され、他端が第四分岐点３３ｄに接続するバイパス流路３０ｃが設けられる。また、主回路３０ａ上の第三分岐点３３ｃの下流かつＥＧＲボイラ４の上流には、第二流量調整弁３７が設けられる。
【００２３】
第二流量調整弁３７が全開状態の場合において、主回路３０ａを流通する冷媒は圧縮空気ボイラ３を流通した後、第二流量調整弁３７を通過してＥＧＲボイラ４に流入する。第二流量調整弁３７はＥＣＵ（図示せず）によって開閉状態を制御されている。ここで、第二流量調整弁３７を絞って閉状態に近づけていくとＥＧＲボイラ４に流入する冷媒の流量は次第に減少していき、その分残りの冷媒が第三分岐点３３ｃを通過してバイパス流路３０ｃに流通する。そして、バイパス流路３０ｃを流通する冷媒は、第四分岐点３３ｄにおいて従回路３０ｂの冷媒と合流し、その後、排ガスボイラ５に流入する。また、第二流量調整弁３７を完全に閉状態にすると、ＥＧＲボイラ４に流入する冷媒の流量は０となり、主回路３０ａ上の圧縮空気ボイラ３から流出した主回路３０ａ上の冷媒の全量がバイパス流路３０ｃを流通して従回路３０ｂの冷媒に合流する。
【００２４】
以上より、この実施の形態に係る廃熱回生システム３００では、バイパス流路３０ｃ及び第二流量調整弁３７によってＥＧＲボイラ４に流入する冷媒の流量を調整することで、ＥＧＲガスの過剰冷却をさらに防止することができる。すなわち、流量調整弁１５が閉状態となり多量の冷媒が主回路３０ａの圧縮空気ボイラ３に流入するような場合は、冷媒が圧縮空気ボイラ３において加熱されてもなお低温である可能性がある。このような場合に圧縮空気ボイラ３から流出した冷媒の全量がＥＧＲボイラ４に流入すると、ＥＧＲガスが過剰冷却され、ＥＧＲ通路１８に結露水が発生してしまうおそれがある。従って、第二流量調整弁３７を絞ってＥＧＲボイラ４に流通する冷媒の流量を減らす、又は０にすることにより、ＥＧＲガスの過剰冷却及びＥＧＲ通路１８での結露水の発生を防止する。
【００２５】
実施の形態１〜３において、流量調整手段として流量調整弁１５を用いているが、これに限定されず、第一分岐点１３ａ，２３ａ，３３ａに三方弁を設けてよい。
また、実施の形態３においても、ＥＧＲボイラ４に流通する冷媒の流量を調整する手段は、第二流量調整弁３７に限定されず、第三分岐点３３ｃに三方弁を設けてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１００，２００，３００  廃熱回生システム、２  ポンプ、３  圧縮空気ボイラ（冷媒加熱手段）、４  ＥＧＲボイラ（冷媒加熱手段）、５  排ガスボイラ（冷媒加熱手段）、６  膨張機、８  コンデンサ、１０，２０，３０  ランキンサイクル回路、１２  エンジン、１４  過給機、１５  流量調整弁（流量調整手段）。
【図１】
2014190170.tif 000003
【図２】
2014190170.tif 000004
【図３】
2014190170.tif 000005