专利名称：废热回收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废热回收装置，用于通过内燃机的废热使工作流体进行蒸发而驱 动膨胀器。
背景技术：
为了有效地利用内燃机的废热而在该内燃机中组合外燃机来进行复合循环，在发 电设备等中正在广泛进行(参照专利文献1以及2等)，近年来也正在车辆的内燃机等中进 行尝试。专利文献1 日本特开2004-257601号公报专利文献2 日本特开昭63-147549号公报然而，能够成为主要热源的内燃机的废气的热，还被利用为使后级的催化剂活化 的能量，当从废气中过剩地回收热时，担心催化剂不能有效地发挥功能。另外，在搭载于车 辆上的内燃机中，除了废气以外还具有各种温度的热源(内燃机的冷却水或油等)，在简单 的系统中，很难从这些热源中充分地回收热。另外，根据热源的不同，有时过剩的热回收还 会对内燃机的工作产生影响。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种废热回收装置，能够从内燃机的各种热源中效 率良好地回收废热。为了达到上述目的，本发明为一种废热回收装置，用于通过内燃机的废热使工作 流体蒸发而驱动膨胀器，该废热回收装置具有工作流体循环流路，使上述膨胀器的工作流 体进行循环；高温侧热交换器，用于通过上述内燃机的废气等高温流体对在上述工作流体 循环流路中流动的工作流体进行加热；低温侧热交换器组，将低温侧热交换器互相并列地 配置而构成，该低温侧热交换器用于通过上述内燃机的冷却水或油等低温流体的任意一种 对在上述工作流体循环流路中流动的工作流体进行加热，针对每种上述低温流体具有该低 温侧热交换器；流量控制阀，对向该低温侧热交换器组的各个低温侧热交换器流动的工作 流体的流量进行控制；以及控制单元，控制该流量控制阀。此处，上述低温侧热交换器组也可以配设在比上述高温侧热交换器靠工作流体上 游侧的上述工作流体循环流路上。另外，也可以具有第一旁通流路，从上述工作流体循环流路分支，对上述低温侧 热交换器组进行旁通；和第一旁通阀，选择性地切换到使上述工作流体向上述低温侧热交 换器组流动的位置、以及使上述工作流体向上述第一旁通流路流动的位置。此处，也可以具有第二旁通流路，从上述工作流体循环流路分支，对上述高温侧 热交换器进行旁通；和第二旁通阀，选择性地切换到使上述工作流体向上述高温侧热交换 器流动的位置、以及使上述工作流体向上述第二旁通流路流动的位置。此处，上述低温侧热交换器组的各个低温侧热交换器，也可以通过大致相同程度的温度的流体对在上述工作流体循环流路中流动的工作流体进行加热。发明的效果根据本发明可发挥如下出色的效果，能够从内燃机的各种热源中效率良好地回收 废热。
图1是本发明的一个实施方式涉及的废热回收装置的概略图。图2是表示阀控制的流程图。图3是表示附加了热气缩短功能的阀控制的流程图。图4是其他的实施方式涉及的废热回收装置的概略图。图5是表示阀控制的流程图。图6是表示热交换器的配置的一例的图。图7是表示热交换器的配置的一例的图。符号的说明10废热回收装置11内燃机12高温侧热交换器13a、13b低温侧热交换器14膨胀器15工作流体循环流路16低温侧热交换器组17流量控制阀18控制器(控制单元)24第一旁通流路25第一旁通阀30第二旁通流路31第二旁通阀
具体实施例方式以下，根据附图对本发明的优选的实施方式进行详细说明。如图1所示那样，本实施方式涉及的废热回收装置10为，用于对搭载于车辆上的 内燃机(柴油机等)11的废热进行回收，具有通过在后述的高温侧热交换器12以及低温侧 热交换器13a、13b中产生的蒸汽来驱动的膨胀器14。通过膨胀器14使发电机(未图示) 工作，由发电机发电的电力，在通过后述的控制器18驱动各种机器时被消耗、或被蓄电到 蓄电池中。另外，本实施方式涉及的废热回收装置10具有工作流体循环流路15，使膨胀器 14的工作流体进行循环；高温侧热交换器12，用于通过高温流体对在工作流体循环流路 15中流动的工作流体进行加热；低温侧热交换器组16，将低温侧热交换器13a、13b互相并 列地配置而构成，该低温侧热交换器13a、13b用于通过低温流体的任意一种对在工作流体循环流路15中流动的工作流体进行加热，针对每种上述低温流体具有该低温侧热交换器 13a、13b ；流量控制阀17，对向低温侧热交换器组16的各个低温侧热交换器13a、13b流动 的工作流体的流量进行控制；以及控制单元(控制器)，控制流量控制阀17。在本实施方式中，低温侧热交换器组16(低温侧热交换器13a、13b)配设在比高温 侧热交换器12靠工作流体上游侧的工作流体循环流路15上。通过这样配置低温侧热交换 器13a、13b以及高温侧热交换器12，通过由高温流体对由低温流体进行了加热的工作流体 进一步进行加热，能够提高废热的回收效率。此处，在本实施方式中，将内燃机11中的各种热源(流体)，根据这些热源的温度 (排出温度)以及冷却目标温度，区分(分组)为低温流体和高温流体。作为内燃机11中的各种热源，例如存在来自内燃机11的废气(排出温度 300°C 400°C，冷却目标温度没有特别指定)、内燃机11的冷却水(排出温度80°C左右， 冷却目标温度60°C左右)、内燃机11的油(发动机油、动力转向机油、变速器油等)(排出 温度80°C左右，冷却目标温度60°C左右)、以及通过涡轮增压器的压缩机被升压了的吸 气(排出温度120°C左右，冷却目标温度尽可能低的温度)等。除了废气以外的各个流体(冷却水、油以及吸气等)在温度上没有较大的差异。 即，除了废气以外的各个流体(冷却水、油以及吸气等)的温度互相大致相同，且温度比废 气的温度低。因此，在本实施方式中，将这些冷却水、油以及吸气等区分为低温流体，而使其 互相并列地流入各个低温侧热交换器13a、13b(参照图6以及图7)。即，在本实施方式中， 各个低温侧热交换器13a、13b通过冷却水、油以及吸气等对在工作流体循环流路15中流动 的工作流体进行加热。废气的温度比冷却水、油以及吸气等的温度高。因此，在本实施方式中，将废气区 分为高温流体，而使其流入高温侧热交换器12(参照图6以及图7)。即，在本实施方式中， 高温侧热交换器12通过废气对在工作流体循环流路15中流动的工作流体进行加热。另外，EGR气体(排出温度300°C 400°C，冷却目标温度尽可能低的温度)的温 度比冷却水、油以及吸气等的温度高，且温度与废气的温度大致相等。但是其反面，EGR气 体的冷却目标温度比废气的冷却目标温度低，且冷却目标温度与冷却水、油以及吸气等的 冷却目标温度为相同程度。因此可以考虑，在工作流体循环流路15的途中，相对于低温侧 热交换器13a、13b以及高温侧热交换器12并列地配置热交换器19，在该热交换器19中通 过工作流体从EGR气体中回收热(参照图6)。并且也可以考虑，分为两个阶段从EGR气体 中回收热，将气体下游侧的EGR气体区分为低温流体，并且将气体上游侧的EGR气体区分为 高温流体(参照图7)。在设定多个高温流体的情况下，在工作流体循环流路15上互相并列 地配置多个高温侧热交换器12，并通过这些高温侧热交换器12来构成高温侧热交换器组。流量控制阀17配置在与互相并列地配置的低温侧热交换器13a、13b连接的工作 流体循环流路15的分支部20上。作为流量控制阀17使用方向流量控制阀或者与其类似 的阀。在工作流体循环流路15上设置有对低温侧热交换器组16的各个低温侧热交换器 13a、13b的工作流体出口温度进行检测的第一温度传感器21、22，以及对低温侧热交换器 组16上游侧的工作流体的温度进行检测的第二温度传感器23。另外，本实施方式涉及的废热回收装置10具有第一旁通流路24，从工作流体循
5环流路15分支，对低温侧热交换器组16进行旁通；以及第一旁通阀25，选择性地切换到使 工作流体流入低温侧热交换器组16的位置、以及使工作流体流入第一旁通流路24的位置。 作为第一旁通阀25使用切换阀。工作流体通过泵26被供给到低温侧热交换器13a、13b以及高温侧热交换器12。 对膨胀器14进行了驱动后的工作流体，在冷凝器27中通过由于行驶而产生的风等被冷却 之后被供给到泵26中，通过该泵26进行循环。根据图2对控制器18的阀控制进行说明。图2所示的处理流程，在点火钥匙不是断开时(图2的S11)，即在内燃机11的工 作中被执行。在图2所示的处理流程中，在由第一温度传感器21、22检测到的各个低温侧热交 换器13a、13b的工作流体出口的温度1\、T2，比由第二温度传感器23检测到的低温侧热交 换器组16上游侧的工作流体的温度T3高的情况下(图2的S12 > T3orT1 > T2)，控制 器18对流量控制阀17的开度进行调整，以便将第一旁通阀25向低温侧热交换器组16侧 A切换(图2的S13)，将工作流体向低温侧热交换器组16的各个低温侧热交换器13a、13b 供给，并且使各个低温侧热交换器13a、13b的工作流体出口温度I\、T2成为互相相等(图2 的S15)。由此，即使在由低温侧热交换器组16的各个低温侧热交换器13a、13b交换的热 量若干不同的情况下，通过流量控制阀17对向低温侧热交换器组16的各个低温侧热交换 器13a、13b流动的工作流体的流量进行控制，而使各个低温侧热交换器13a、13b的工作流 体出口温度1\、T2成为互相相等，由此能够回收更多热量，能够效率良好地回收废热。另一方面，在由第一温度传感器21、22检测到的各个低温侧热交换器13a、13b的 工作流体出口温度I\、T2，为由第二温度传感器23检测到的低温侧热交换器组16上游侧的 工作流体的温度T3以下的情况下，控制器18将第一旁通阀25向第一旁通流路24侧B切换 (图2的S14)，对低温侧热交换器组16 (低温侧热交换器13a、13b)进行旁通地使工作流体 循环。由此，能够防止在发动机启动时等通过冷却水等低温热源来冷却工作流体，能够避免 热损失的产生。图3所示的处理流程在图2所示的处理流程中附加了热气缩短功能。在图3所示的处理流程中，即使在由第一温度传感器21、22检测到的各个低温侧 热交换器13a、13b的工作流体出口温度1\、T2，为由第二温度传感器23检测到的低温侧热 交换器组16上游侧的工作流体的温度T3以下的情况下，在由第一温度传感器21、22检测 到的各个低温侧热交换器13a、13b的工作流体出口温度1\、T2低于规定的低温侧热交换器 目标下限温度Tt(图3的S16 < IVmdTi < Tt)，且热气模式许可标志为真的情况下(FH =True)，控制器18也将第一旁通阀25向低温侧热交换器组16侧A切换(图3的S13)， 将工作流体向低温侧热交换器组16的各个低温侧热交换器13a、13b供给。由此，在发动机 启动时等、冷却水等低温热源的温度比规定值低的情况下，取消旁通，而工作流体对冷却水 等进行加热，由此能够缩短暖机运行所要的时间。可以考虑，将能够切换热气模式许可标志的专用开关设置在驾驶席的仪表部，以 便驾驶员能够选择是否许可热气模式。另外，切换热气模式许可标志的手段并不限定于上 述专用开关。接着，根据图4对其他实施方式涉及的废热回收装置10进行说明。
图4是其他实施方式涉及的废热回收装置的概略图。对与图1相同部分赋予相同 符号并省略说明。在工作流体循环流路15上设置有对高温侧热交换器12的工作流体出口温度进行 检测的第二温度传感器28、以及对高温侧热交换器12的工作流体出口压力进行检测的压 力传感器29。另外，本实施方式涉及的废热回收装置10具有第二旁通流路30，从工作流体循 环流路15分支，对高温侧热交换器12以及膨胀器14进行旁通；和第二旁通阀31，选择性地 切换到使工作流体流入高温侧热交换器12的位置、以及使工作流体流入第二旁通流路30 的位置。作为第二旁通阀31使用方向流量控制阀或者与其类似的阀。根据图5对控制器18的阀控制进行说明。仅对与图3的处理流程的不同点进行 说明。在图5所示的处理流程中，在未输入对产生了内燃机11的过热等的情况进行表示 的外部异常信号的情况下(图5的S17)，控制器18将第二旁通阀31向高温侧热交换器12 侧A切换(图5的S18)，将工作流体向高温侧热交换器12供给。然后，在由第二温度传感器28检测到的高温侧热交换器12的工作流体出口温度 T4比规定的容许最高温度Tumit高(T4 > Tlimit)、或者由压力传感器29检测到的高温侧热交 换器12的工作流体出口压力Pi比规定的容许最高压力PUMIT高汜> PLIMIT)、或者由第二温 度传感器28检测到的低温侧热交换器组16上游侧的工作流体的温度T3比规定的目标温度 Tc高(T3 > Tc)的情况下(图5的S19)，控制器18对第二旁通阀31的开度进行调整，以使 向高温侧热交换器12流动的工作流体的流量增加(图5的S20)。由此，能够防止高温侧热 交换器12等的破损。另一方面，在不满足图5的S24所示的条件的情况下，控制器18对第 二旁通阀31的开度进行调整，以使高温侧热交换器12的工作流体出口温度T4成为规定的 最高温度目标值TTAKeET(图5的S21)。由此，能够回收更多热量，能够效率良好地回收废热。另外，在输入了对产生了内燃机11的过热等的情况进行表示的外部异常信号的 情况下(图5的S17)，控制器18将第二旁通阀31向第二旁通流路30侧B切换(图5的 S22、S23)，对高温侧热交换器12以及膨胀器14进行旁通地使工作流体循环。由此，通过停 止从废气等高温流体的热回收，并提高工作流体的循环速度，能够在低温侧热交换器13a、 13b中通过低温的工作流体对冷却水等效率良好地进行冷却。以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方 式，也能够采取其他的各种实施方式。
权利要求
一种废热回收装置，用于通过内燃机的废热使工作流体蒸发而驱动膨胀器，其特征在于，具有工作流体循环流路，使上述膨胀器的工作流体进行循环；高温侧热交换器，用于通过上述内燃机的废气等高温流体对在上述工作流体循环流路中流动的工作流体进行加热；低温侧热交换器组，将低温侧热交换器互相并列地配置而构成，该低温侧热交换器用于通过上述内燃机的冷却水或油等低温流体的任意一种对在上述工作流体循环流路中流动的工作流体进行加热，针对每种上述低温流体具有该低温侧热交换器；流量控制阀，对向该低温侧热交换器组的各个低温侧热交换器流动的工作流体的流量进行控制；以及控制单元，控制该流量控制阀。
2.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，上述低温侧热交换器组配设在比上述高温侧热交换器靠工作流体上游侧的上述工作 流体循环流路上。
3.根据权利要求1或者2所述的废热回收装置，其特征在于，具有第一旁通流路，从上述工作流体循环流路分支，对上述低温侧热交换器组进行旁通；和第一旁通阀，选择性地切换到使上述工作流体向上述低温侧热交换器组流动的位置、 以及使上述工作流体向上述第一旁通流路流动的位置。
4.根据权利要求1 3的任意一项所述的废热回收装置，其特征在于，具有第二旁通流路，从上述工作流体循环流路分支，对上述高温侧热交换器进行旁通；和第二旁通阀，选择性地切换到使上述工作流体向上述高温侧热交换器流动的位置、以 及使上述工作流体向上述第二旁通流路流动的位置。
5.根据权利要求1 4的任意一项所述的废热回收装置，其特征在于，上述低温侧热交换器组的各个低温侧热交换器，通过大致相同程度的温度的流体对在 上述工作流体循环流路中流动的工作流体进行加热。
全文摘要
提供一种废热回收装置，能够从内燃机的多种热源中高效地回收废热，用于通过内燃机(11)的废热使工作流体蒸发而驱动膨胀器(14)，其具有工作流体循环流路(15)，使膨胀器(14)的工作流体循环；高温侧热交换器(12)，用于通过内燃机(11)的废气等高温流体对在工作流体循环流路(15)中流动的工作流体进行加热；低温侧热交换器组(16)，将低温侧热交换器(13a、13b)互相并列地配置而构成，该低温侧热交换器用于通过内燃机(11)的冷却水或油等低温流体的任意一种对在工作流体循环流路(15)中流动的工作流体进行加热，针对每种低温流体具有该低温侧热交换器(13a、13b)；流量控制阀(17)，对向低温侧热交换器组(16)的各个低温侧热交换器(13a、13b)流动的工作流体的流量进行控制；以及控制单元(18)，控制流量控制阀(17)。
文档编号F01K23/06GK101978140SQ20098011025
公开日2011年2月16日 申请日期2009年2月17日 优先权日2008年3月27日
发明者寺岛幸士, 山本康, 阿部诚 申请人:五十铃自动车株式会社