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CN103154488A - 内燃机的废热利用装置 - Google Patents

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CN103154488A
CN103154488A CN2011800474106A CN201180047410A CN103154488A CN 103154488 A CN103154488 A CN 103154488A CN 2011800474106 A CN2011800474106 A CN 2011800474106A CN 201180047410 A CN201180047410 A CN 201180047410A CN 103154488 A CN103154488 A CN 103154488A
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Abstract

一种内燃机的废热利用装置，兰肯回路（40）具有作为多个热交换器的EGR回路的EGR冷却器（36）和排气通路的废气热交换器（41），以沿兰肯回路的工作流体的流动方向观察，EGR冷却器配置在废气热交换器的上游的方式配置上述EGR冷却器和废气热交换器，并利用控制元件（60），对EGR冷却器中的EGR气体和工作流体的热交换量进行控制，以使由EGR气体温度检测元件（39）检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围（例如150℃～200℃）。

Description

内燃机的废热利用装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机的废热利用装置，详细而言，涉及适合于将车辆的内燃机的废热回收利用的废热利用装置。
背景技术
这种废热利用这包括兰肯循环，该兰肯循环在作为工作流体的制冷剂的循环流路上依次安装有蒸发器、膨胀器、动力接收装置、冷凝器及泵，其中，上述蒸发器利用内燃机的废热对工作流体进行加热以使其蒸发，上述膨胀器使经由上述蒸发器的工作流体膨胀以产生旋转驱动力，上述动力接收装置接收在上述膨胀器中产生的旋转驱动力，上述冷凝器使经由上述膨胀器的工作流体冷凝，上述泵将经由上述冷凝器的工作流体送出至上述蒸发器。
作为内燃机的废热之一，有为了降低NOx而使废气的一部分回流至吸气的EGR气体（废气再循环气体）的热、即来自在EGR通路中为使EGR气体的温度降低而设置的EGR冷却器的散热，已知有利用上述EGR气体的热的兰肯循环系统（参照专利文献1）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007－239513号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1公开的技术中，将EGR气体用作热源来构成兰肯循环系统，但存在如下问题：例如根据内燃机的运转状况的不同，需要通过调节设于EGR通路的EGR阀来使EGR气体流量增减，在利用EGR阀来切断EGR气体这样的情况下，在切断期间，在兰肯循环系统中完全无法利用EGR气体的热。
此外，在上述专利文献1公开的技术中，由于在兰肯循环系统中利用EGR气体的热，因此，相反会使EGR气体的温度降低，但一般来说，若EGR气体的温度低于100℃，则EGR气体中的水分会冷凝，存在产生酸而使EGR通路等腐蚀这样的问题，因而如何不使EGR气体中的水分冷凝便成为技术问题。
此外，在专利文献1公开的技术中，基本上是利用EGR气体作为热源，但例如在EGR气体之外，利用内燃机的多个热源来构成兰肯循环系统的情况下，如何利用内燃机的多个热源来构成兰肯循环系统也成为技术问题。
本发明鉴于上述技术问题而作，其目的在于提供一种能在不使EGR气体中的水分冷凝的情况下，高效地将包括EGR气体在内的内燃机的多个热源用于兰肯循环系统的内燃机的废热利用装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了实现上述目的，本发明的内燃机的废热利用装置的特征在于包括：兰肯回路，该兰肯回路在工作流体的循环流路中依次装有利用内燃机的废热对工作流体进行加热的多个热交换器、使经由该多个热交换器的工作流体膨胀来产生旋转驱动力的膨胀器、使经由该膨胀器的工作流体冷凝的冷凝器、将经由该冷凝器的工作流体送出至上述热交换器的泵；废气热交换器，该废气热交换器装在将内燃机的废气朝大气排放的排气通路中；EGR回路，该EGR回路具有使内燃机的废气的一部分作为EGR气体回流至吸气的EGR通路、装在该EGR通路中并至少通过与内燃机的运转状态相对应的开闭来进行EGR气体的流通和阻断的EGR阀、装在该EGR通路中并对EGR气体进行冷却的EGR冷却器；EGR气体温度检测元件，该EGR气体温度检测元件沿上述EGR通路的EGR气体的流动方向观察设置在上述EGR冷却器的下游，并对EGR气体的温度进行检测；以及控制元件，该控制元件至少在上述EGR阀打开而使EGR气体流通时，对在上述EGR冷却器中的EGR气体的热交换量进行控制，上述兰肯回路中的上述多个热交换器是上述EGR冷却器和上述废气热交换器，其构成为沿上述循环流路的工作流体的流动方向观察，上述EGR冷却器位于上述废气热交换器的上游，在上述EGR冷却器中利用EGR气体的热对工作流体进行加热，并在上述废气热交换器中利用废气的热对工作流体进行加热，上述控制元件对上述EGR冷却器中的EGR气体与工作流体的热交换量进行控制，以使由上述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围（技术方案1）。
较为理想的是，上述控制元件通过改变上述兰肯回路的上述膨胀器的负荷来使经过上述EGR冷却器的工作流体的压力可变，以使由上述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围（技术方案2）。
此外，最好是上述控制元件通过改变上述兰肯回路的上述泵的排出量来使经过上述EGR冷却器的工作流体的流量可变，以使由上述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围（技术方案3）。
此外，最好是上述兰肯回路包括从上述循环流路分岔合流来迂回绕过上述EGR冷却器的EGR冷却器迂回通路和在上述循环流路和上述EGR冷却器迂回通路中对工作流体的流动进行调节的调节阀，上述控制元件通过调节上述调节阀来使经过上述EGR冷却器的工作流体的流量可变，以使由上述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围（技术方案4）。
此外，最好是还包括冷却水回路，该冷却水回路具有使内燃机的冷却水在散热器中循环的冷却水通路和装在该冷却水通路中并对冷却水的热和工作流体的热进行热交换的冷却水热交换器，上述兰肯回路中沿上述循环流路的工作流体的流动方向观察，上述冷却水热交换器位于上述EGR冷却器及上述废气热交换器的上游（技术方案5）。
此外，最好是上述兰肯回路包括从上述循环流路分岔合流并迂回绕过上述冷却水热交换器的冷却水热交换器迂回通路、在上述循环流路和上述冷却水热交换器迂回通路中对工作流体的流动进行调节的第二调节阀、对返回至内燃机的冷却水的温度进行检测的冷却水温度检测元件，上述控制元件通过对上述第二调节阀进行调节来使经过上述冷却水热交换器的工作流体的流量可变，以使由上述冷却水温度检测元件检测出的冷却水的温度不会为规定温度以下（技术方案6）。
此外，最好是上述控制元件通过调节上述第二调节阀并改变经过上述冷却水热交换器的工作流体的流量来使上述冷却水热交换器中的吸热量可变，以使由上述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围（技术方案7）。
发明效果
根据本发明的内燃机的废热利用装置，兰肯回路具有多个热交换器，多个热交换器是EGR回路的EGR冷却器和排气通路的废气热交换器，以沿兰肯回路的工作流体的流动方向观察，EGR冷却器配置在废气热交换器的上游的方式配置上述EGR冷却器和废气热交换器，并利用控制元件，对EGR冷却器中的EGR气体和工作流体的热交换量进行控制，以使由EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
因此，兰肯回路的工作流体在EGR气体回流时，首先通过在EGR冷却器中吸收EGR气体的热来使EGR气体降低至规定温度范围，然后，在废气热交换器中进一步吸收废气的热。
藉此，将EGR气体保持在例如不会使EGR气体中的水分冷凝且不会产生酸的100℃以上，从而防止EGR通路及EGR阀的腐蚀，并且，在EGR冷却器中使兰肯回路的工作流体充分吸收EGR气体的热，从而使EGR气体的温度降低至规定温度范围，另外能在废气热交换器中使兰肯回路的工作流体吸收废气的热，并能高效地利用内燃机的废热（技术方案1）。
此外，在EGR气体没有发生回流时，兰肯回流的工作流体也能在废气热交换器中吸收废气的热后升温、升压，因此，的确能高效地利用内燃机的废热。
此外，通过改变兰肯回路的膨胀器的负荷来使经过EGR冷却器的工作流体的压力可变、即使蒸发温度可变，就能调节EGR冷却器中的热交换量，并能将EGR气体的温度保持在规定温度范围（技术方案2）。
此外，通过改变兰肯回路的泵的排出量来使经过EGR冷却器的工作流体的流量可变，就能调节EGR冷却器中的热交换量，并能将EGR气体的温度保持在规定温度范围（技术方案3）。
此外，通过调节在循环流路和EGR冷却器迂回通路中对工作流体的流动进行调节的调节阀，来使经过EGR冷却器的工作流体的流量可变，就能调节在EGR冷却器中的热交换量，并能将EGR气体的温度保持在规定温度范围（技术方案4）。
此外，以沿兰肯回路的工作流体的流动方向观察，冷却水热交换器位于EGR冷却器及废气热交换器的上游的方式配置冷却水热交换器、EGR冷却器和废气热交换器，并利用控制元件，对EGR冷却器中的EGR气体和工作流体的热交换量进行控制，以使由EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
因此，兰肯回路的工作流体在EGR气体回流时，首先在冷却水热交换器中吸收冷却水的热，接着在EGR冷却器中吸收EGR气体的热，从而使EGR气体降低至规定温度范围，然后，在废气热交换器中进一步吸收废气的热。
藉此，首先在冷却水热交换器中使兰肯回路的工作流体吸收温度比EGR气体及废气的温度低的冷却水的热，之后，将EGR气体例如保持在EGR气体中的水分不发生冷凝且不产生酸的100℃以上的规定温度范围，从而防止EGR通路及EGR阀的腐蚀，并且，能在EGR冷却器中使兰肯回路的工作流体充分吸收EGR气体的热，还能在废气热交换器中使兰肯回路的工作流体吸收废气的热，进一步有效地利用内燃机的废热（技术方案5）。
此外，通过调节在循环流路和冷却水热交换器迂回通路中对工作流体的流动进行调节的第二调节阀，并使经过冷却水热交换器的工作流体的流量可变，能调节在冷却水热交换器中的热交换量，并能使冷却水的温度不会为规定温度以下。藉此，能防止内燃机的效率降低（技术方案6）。
此外，通过调节第二调节阀并改变经过冷却水热交换器的工作流体的流量来使冷却水热交换器中的吸热量可变，能调节在EGR冷却器中的热交换量，并能将EGR气体的温度保持在规定温度范围。例如，在EGR气体的温度比规定温度范围高的情况下，通过调节第二调节阀，并减少经过冷却水热交换器的工作流体的流量，来将在冷却水热交换器中的吸热量抑制得较低，能促进EGR冷却器中工作流体从EGR气体的吸热（技术方案7）。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的内燃机的废热利用装置的示意图。
图2是示意表示第一实施例的莫里尔图的图。
图3是表示本发明第二实施例的内燃机的废热利用装置的示意图。
图4是示意表示第二实施例的莫里尔图的图。
图5是表示本发明第三实施例的内燃机的废热利用装置的示意图。
图6是示意表示第三实施例的莫里尔图的图。
图7是表示本发明第四实施例的内燃机的废热利用装置的示意图。
图8是示意表示第四实施例的莫里尔图的图。
图9是表示卡车等重型车辆中的发动机输出与气体温度间的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。
〔第一实施例〕
图1是示意地表示本发明第一实施例的内燃机的废热利用装置的图。
废热利用装置例如装载在车辆上，其是由发动机2及兰肯回路40构成。
发动机2构成为发动机主体（内燃机）3例如是柴油发动机，吸气通路4经由吸气歧管而与发动机主体3的吸气端口连通，排气通路6经由排气歧管而与排气端口连通。此外，在吸气通路4及排气通路6上以跨吸气通路4和排气通路6的方式设置有增压器8，通过该增压器8，能利用废气流来对吸气进行增压。在吸气通路4中装有中间冷却器10，通过该中间冷却器10，能对吸气进行冷却来实现吸气效率的提高。
在发动机2中设置有使冷却水在发动机主体3内部的水套（waterjacket）中循环的冷却水回路20，冷却水回路20构成为在与水套连通的冷却水循环通路22中沿冷却水的流动方向观察依次装有散热器24、恒温器26、被发动机主体3驱动的水泵27、发动机主体3。在恒温器26上以合流方式连接有迂回绕过散热器24的散热器迂回流路28，藉此，恒温器26能根据冷却水的温度而自动地使冷却水迂回绕过散热器24流动，或是流入散热器24。另外，在散热器24上设置有冷却风扇25。藉此，冷却水在散热器24中与外部气体进行热交换，并对发动机主体3进行冷却。
此外，在发动机2中设置有EGR回路（废气再循环回路）30，该EGR回路30主要是为了降低NOx而使废气的一部分作为EGR气体（废气再循环气体）回流至吸气中，EGR回路30构成为在EGR通路32中设有对EGR气体的流量进行调节的EGR阀34和使EGR气体的温度降低的EGR冷却器36。
兰肯回路40构成为在工作流体（例如乙醇）的循环流路42上沿工作流体的流动方向观察依次装有上述EGR冷却器（热交换器）36、与排气通路6进行热交换的废气热交换器（热交换器、过热器）41、利用在上述EGR冷却器36及废气热交换器41中被加热而处于过热状态的工作流体的膨胀来产生旋转驱动力的膨胀器44、兰肯冷凝器（冷凝器）45以及使工作流体循环的泵46。另外，在兰肯冷凝器45上设置有冷却风扇47。
在兰肯回路40的循环流路42中以迂回绕过EGR冷却器36的方式设置有EGR冷却器迂回通路50，在EGR冷却器迂回通路50的从循环流路42分岔的分岔部处装有三通阀（调节阀）52。
通过这样构成，在兰肯回路40中，利用EGR冷却器36使工作流体从在EGR回路30中回流的EGR气体吸热，并且利用废气热交换器41使工作流体从在发动机2的排气通路6中流动的废气吸热，从而能回收发动机2的废热。
另外，将EGR冷却器36配置在废气热交换器41的上游侧是因为，若首先使工作流体流过废气热交换器41，则工作流体会在废气热交换器41中充分吸热，可能使在EGR冷却器36中能吸收的热量不足，而使EGR气体无法降低至规定的温度。
在膨胀器44上连接有能同步旋转的发电机56，并连接有上述泵46。藉此，将膨胀器44所产生的旋转驱动力传递至发电机56及泵46，利用发电机56进行发电，并利用泵46使工作流体循环。另外，发电机56构成为能使发电负荷可变，泵46构成为能使容量可变。在此，发电机56发出的电力被蓄积在电池中，例如用作车辆空调装置的动力源，或是在车辆为冷藏车这样的情况下用作冷冻冷藏用压缩机的动力源。
在冷却水回路20的冷却水循环通路22的水泵27旁边位置处设置有对冷却水的温度Tw进行检测的冷却水温度传感器（冷却水温度检测元件）29，在EGR回路30的EGR通路32的EGR冷却器36下游位置处设置有对EGR气体的温度Tegr进行检测的EGR气体温度传感器（EGR气体温度检测元件）39，在发动机2的排气通路6的排气歧管旁边位置处设置有对废气的温度Tex进行检测的废气温度传感器19。
此外，在废热利用装置中设置有对发动机2及兰肯回路40进行综合控制的电子控制单元（ECU）（控制元件）60，废气温度传感器19、冷却水温度传感器29、EGR气体温度传感器39等各种传感器与控制元件60的输入侧连接，冷却风扇25、EGR阀34、泵46、冷却风扇47、三通阀52、发电机56等各种设备与控制元件60的输出侧电连接。
藉此，ECU60基于来自废气温度传感器19、冷却水温度传感器29、EGR气体温度传感器39的输入，能适当地对冷却风扇25、EGR阀34、泵46、冷却风扇47、三通阀52、发电机56进行控制。
以下，对如上构成的第一实施例的内燃机的废热利用装置的动作进行说明。
一旦发动机2的发动机主体3开始动作，则冷却水回路20的水泵27开始驱动，而使冷却水开始在冷却水循环通路22中循环。在上述过程中，在发动机主体3处于冷态起动状态而冷却水的温度Tw比规定温度T1（恒温器设定值）低的情况下，利用恒温器26使冷却水以迂回绕过散热器24的方式流动，一旦冷却水的温度Tw达到规定温度T1，则冷却水在散热器24中流动而被冷却。藉此，在发动机主体3处于冷态起动状态时，可促进发动机主体3的暖机，在发动机主体3暖机后，可适当控制冷却风扇25的动作，将在散热器24中被冷却的冷却水的温度Tw保持在规定温度T2（例如80℃）。
在发动机2处于能使EGR气体回流至吸气的运转状态下时，EGR气体根据EGR阀34的开度而在EGR通路32中回流。
此时，若在兰肯回路40中操作三通阀52以使工作流体朝EGR冷却器36一侧流动，则EGR气体和在循环流路42中流动的工作流体在EGR冷却器36中进行热交换，使EGR气体的温度降低，而使工作流体的温度及压力上升。
在兰肯回路40的循环流路42中流动的工作流体在EGR冷却器36中吸热后，在废气热交换器41中进一步与废气进行热交换，使废气的温度降低，而使工作流体的温度及压力进一步上升。
如上所述升温、升压后的工作流体流入膨胀器44，并在膨胀器44中产生旋转驱动力。藉此，驱动发电机56发电。此外，通过对泵46进行驱动，来使工作流体在循环流路42中循环。
工作流体减压后从膨胀器44排出，该被减压后的工作流体利用兰肯冷凝器45朝外部气体散热。
如上所述，EGR回路30的EGR气体的热和排气通路6的废气的热被在兰肯回路40的循环流路42中流动的工作流体吸收，并利用升温及升压后的工作流体驱动发电机56来发电，但可利用ECU60来适当调节在EGR冷却器36中工作流体所吸收的吸热量（热交换量）。详细来说，基于利用EGR气体温度传感器39检测出的EGR气体的温度Tegr，对工作流体所吸收的吸热量进行控制，以将回流至吸气中的EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
在此，将EGR冷却器36的蒸发温度设定为100℃以上，将规定温度T3设定为例如150℃～200℃（规定温度范围）。如上所述将规定温度T3设定为100℃以上的例如150℃～200℃是因为，若EGR气体的温度Tegr不足100℃，则EGR气体中的水分会冷凝并产生酸，从而导致EGR通路32及EGR阀34等出现腐蚀，另外，较为理想的是，设定为尽可能低的温度。
具体来说，由于能通过调节在EGR冷却器36中流动的工作流体的蒸发温度、即蒸发压力来控制工作流体所吸收的吸热量，因此，利用ECU60，对膨胀器44及发电机56的负荷进行可变操作来调节工作流体的压力，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
此外，由于还能通过调节在EGR冷却器36中流动的工作流体的流量来控制工作流体所吸收的吸热量，因此，利用ECU60，对泵46的容量（排出量）进行可变操作来调节工作流体的流量，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
或者，由于还能通过调节三通阀52的开度来控制在EGR冷却器36中流动的工作流体的流量调节，因此，利用ECU60，对三通阀52的开度进行可变操作来调节工作流体的流量，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
此外，也可以将上述情况组合，对发电机56的负荷进行可变操作、对泵46的容量进行可变操作、另外对三通阀52的开度进行可变操作，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
这样，在本发明第一实施例的内燃机的废热利用装置中，兰肯回路40沿工作流体的流动方向观察依次在上游侧配置有EGR冷却器36，在下游侧配置有废气热交换器41，因此，如图2中示意示出的第一实施例的莫里尔图那样，在兰肯回路40的循环流路42中流动的工作流体首先能在EGR冷却器36中吸收EGR气体的热来使EGR气体的温度充分降低，之后还能在废气热交换器41中吸收废气的热。藉此，使工作流体的温度及压力上升来使膨胀器44工作，并能将发动机2的废热有效地用于发电机56的发电。
特别是，由于对发电机56的负荷进行可变操作来调节工作流体的压力、或对泵46的容量进行可变操作来调节工作流体的流量、或对三通阀52的开度进行可变操作来调节工作流体的流量、或是将它们组合实施，以使EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3，因此，在进行EGR气体回流的情况下，能将EGR气体的温度Tegr可靠地维持在规定温度T3（例如150℃～200℃），能防止EGR气体中的水分冷凝而产生酸，从而能理想地防止EGR通路32及EGR阀34等的腐蚀。
另一方面，由于在发动机2处于无法使EGR气体回流至吸气的运转状态时，EGR阀34断开而使EGR气体不回流至吸气，因此，无法在兰肯回路40中利用EGR气体的热。在这种情况下，在兰肯回路40的循环流路42中流动的工作流体在废气热交换器41中仅与废气进行热交换，废气的温度降低，而工作流体的温度及压力上升。
藉此，即便是在EGR气体的回流被切断的情况下，也能通过废气热交换器41来吸收废气的热，无论EGR回路30的状态如何，均能将发动机2的废热有效地用于发电机56的发电。
〔第二实施例〕
图3是示意地表示本发明第二实施例的内燃机的废热利用装置的图。
在第二实施例中，在兰肯回路40中还利用在冷却水回路20的冷却水循环通路22中流动的冷却水的热，这点与上述第一实施例不同，以下，对与第一实施例不同的部分进行说明。
如图3所示，在发动机2中设置有冷却水回路20’，在冷却水回路20’的冷却水循环通路22’中的、沿冷却水的流动方向观察的散热器24的上游处装有预热器（冷却水热交换器、热交换器）23，该预热器23与兰肯回路40’进行热交换。
预热器23在兰肯回路40’中位于循环流路42’中的EGR冷却器36的上游侧，并装在泵46与三通阀52之间。即，在第二实施例中，兰肯回路40’构成为沿工作流体的流动方向观察依次在最上游侧配置预热器23、接着配置EGR冷却器36、并在最下游侧配置废气热交换器41。
另外，将预热器23配置在EGR冷却器36的上游侧是因为，工作流体的蒸发温度为100℃以上、例如是150℃，冷却水的温度例如是80℃或是比80℃更低，若不将预热器设置在上游侧，则无法从预热器23吸热。
此外，在兰肯回路40’的循环流路42’上以迂回绕过预热器23的方式设置有预热器迂回通路（冷却水热交换器迂回通路）53，并在预热器迂回通路53的从循环流路42’分岔的分岔部处装三通阀（第二调节阀）54。此外，三通阀54与ECU60的输出侧电连接。
此外，在兰肯回路40’的循环流路42’的预热器23下游位置处，设置有对工作流体的温度Tr进行检测的工作流体温度传感器59。
以下，对如上构成的第二实施例的内燃机的废热利用装置的动作进行说明。
在发动机2中，在发动机主体3处于冷态起动状态而冷却水回路20’的冷却水的温度Tw比规定温度T1低的情况下，利用恒温器26使冷却水以迂回绕过散热器24的方式流动。在这种情况下，在兰肯回路40’中，操作三通阀54，以使工作流体流至预热器迂回通路53，而避免工作流体流至预热器23。藉此，可防止发动机主体3的冷却水的热不必要地被兰肯回路40’的工作流体吸收，并可促进发动机主体3的暖机。
若发动机主体3暖机，而使冷却水的温度Tw达到规定温度T1，则冷却水回路20’的冷却水在散热器24中流动而被冷却，在兰肯回路40’中，操作三通阀54，以使工作流体流动至预热器23。藉此，发动机主体3的冷却水的热经由预热器23而开始被兰肯回路40的工作流体吸收，冷却水的温度降低，而工作流体的温度上升。
此外，若在发动机2处于能使EGR气体回流至吸气的运转状态时，EGR气体根据EGR阀34的开度而在EGR通路32中回流，并在兰肯回路40’中对三通阀52进行操作，以使工作流体流至EGR冷却器36一侧，则EGR气体与在循环流路42’中流动的工作流体在EGR冷却器36中热交换，EGR气体的温度降低，而工作流体的温度及压力上升。
在兰肯回路40’的循环流路42’中流动的工作流体在EGR冷却器36中吸热后，在废气热交换器41中进一步与废气进行热交换，使废气的温度降低，而使工作流体的温度及压力进一步上升。
如上所述升温、升压后的工作流体流入膨胀器44，并在膨胀器44中产生旋转驱动力。藉此，驱动发电机56发电。此外，通过对泵46进行驱动，来使工作流体在循环流路42’中循环。
在第二实施例中，如上所述，冷却水回路20’的冷却水的热、EGR回路30的EGR气体的热和排气通路6的废气的热被在兰肯回路40’的循环流路42’中流动的工作流体吸收，并利用升温及升压后的工作流体驱动发电机56来发电，但可利用ECU60来适当调节在预热器23及EGR冷却器36中工作流体所吸收的吸热量（热交换量）。
在预热器23中，基于由冷却水温度传感器29检测出的冷却水的温度Tw，对工作流体所吸收的吸热量进行控制，从而使返回至发动机主体3的冷却水的温度Tw不会为上述规定温度T2（规定温度，例如为80℃）以下。具体来说，由于能通过调节在预热器23中流动的工作流体的流量来控制工作流体所吸收的吸热量，因此，利用ECU60，对三通阀54的开度进行可变操作，来对在预热器23中流动的工作流体的流量进行调节，以使冷却水的温度Tw不会为规定温度T2以下。藉此，可将冷却水的温度Tw保持在比规定温度T2高的温度，并可防止因发动机主体3的过度冷却而导致的效率降低。
此外，同时，在冷却水的温度Tw为比规定温度T2高的情况下，对冷却风扇25的动作进行适当控制，并将被散热器24冷却的冷却水的温度Tw保持在规定温度T2。
对于EGR冷却器36来说，基于利用EGR气体温度传感器39检测出的EGR气体的温度Tegr，对工作流体所吸收的吸热量进行控制，从而将回流至吸气中的EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。在此，与第一实施例的情况相同，将规定温度T3设定为100℃以上的、例如150℃～200℃。
具体来说，与第一实施例的情况相同，对发电机56的负荷进行可变操作来调节工作流体的压力、或对泵46的容量进行可变操作来调节工作流体的流量、或是对三通阀52的开度进行可变操作来调节工作流体的流量，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。或者，对三通阀54的开度进行可变操作，并调节在预热器23中流动的工作流体的流量来调节在预热器23中的吸热量，以促进在EGR冷却器36中工作流体从EGR气体吸热。此外，也可以将上述情况选择性地组合实施，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
这样，在本发明第二实施例的内燃机的废热利用装置中，兰肯回路40’沿工作流体的流动方向观察依次在最上游侧配置有预热器23、接着配置有EGR冷却器36、在最下游侧配置有废气热交换器41，因此，如图4中示意示出的第二实施例的莫里尔图那样，在兰肯回路40’的循环流路42’流动的工作流体首先能在预热器23中吸收冷却水的热，接着在EGR冷却器36中吸收EGR气体的热来使EGR气体的温度充分降低，之后还能在废气热交换器41中吸收废气的热。藉此，使工作流体的温度及压力充分上升来使膨胀器44工作，并能将发动机2的废热有效地用于发电机56的发电。
特别是，在本发明第二实施例的内燃机的废热利用装置中，由于在预热器23中，对工作流体的流量进行调节，以使返回至发动机主体3的冷却水的温度Tw不会为上述规定温度T2（例如80℃）以下，因此，不仅能在预热器23中使工作流体良好地吸收冷却水的热，并且能抑制发动机2的性能降低，且能在位于下游的EGR冷却器36中充分地吸收EGR气体的热。
特别是，与第一实施例相同，由于对发电机56的负荷进行可变操作来调节工作流体的压力、或对泵46的容量进行可变操作来调节工作流体的流量、或对三通阀52的开度进行可变操作来调节工作流体的流量、或对三通阀54的开度进行可变操作来调节在预热器23中流动的工作流体的流量、或是将它们组合实施，以使EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3，因此，在进行EGR气体回流的情况下，能将EGR气体的温度Tegr可靠地维持在规定温度T3（例如150℃～200℃），能防止EGR气体中的水分冷凝而产生酸，从而能理想地防止EGR通路32及EGR阀34等的腐蚀。
另一方面，由于在发动机2处于无法将EGR气体回流至吸气的运转状态时，EGR阀34断开而使EGR气体不回流至吸气，因此，无法在兰肯回路40’中利用EGR气体的热。在这种情况下，在兰肯回路40’的循环流路42’中流动的工作流体在预热器23中与冷却水进行热交换并在废气热交换器41中与废气进行热交换，或是根据冷却水的温度Tw及工作流体的温度Tr而仅在废气热交换器41中与废气进行热交换，来使温度及压力上升。
藉此，即便是在EGR气体的回流被切断的情况下，也能通过预热器23及废气热交换器41来使兰肯回路40’的工作流体良好地吸收发动机主体3的冷却水及废气的热，无论EGR30的状态如何，均能将发动机2的废热有效地用于发电机56的发电。
〔第三实施例〕
图5是示意地表示本发明第三实施例的内燃机的废热利用装置的图。
在第三实施例中，在兰肯回路140中进行两级膨胀这点上与上述第一实施例不同，以下，对与第一实施例不同的部分进行说明。
如图5所示，兰肯回路140构成为在工作流体（例如水）的循环流路142中沿工作流体的流动方向观察依次装有上述EGR冷却器36、与排气通路6进行热交换的废气热交换器（热交换器、过热器）41、膨胀器44、第二废气热交换器（热交换器、过热器）141、第二膨胀器144、兰肯冷凝器45以及使工作流体循环的泵46。另外，在兰肯冷凝器45上设置有冷却风扇47。此外，在膨胀器44上连接有能同步旋转的发电机56，在第二膨胀器144上连接有能同步旋转的第二发电机156，发电机56、第二发电机156分别与ECU60的输出侧电连接。
这样，在兰肯回路140中，在EGR冷却器36及废气热交换器41中使工作流体升温、升压，并利用升温、升压后的工作流体在膨胀器44中产生旋转驱动力，然后，在第二废气热交换器141中使工作流体再次升温，并利用再次升温后的工作流体而另外在第二膨胀器144中产生旋转驱动力。
在这种情况下，与第一实施例的情况相同，可利用ECU60适当调节在EGR冷却器36中工作流体所吸收的吸热量。详细来说，基于利用EGR气体温度传感器39检测出的EGR气体的温度Tegr，对工作流体所吸收的吸热量进行控制，从而将回流至吸气中的EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。在此，与第一实施例的情况相同，将规定温度T3设定为100℃以上的、例如150℃～200℃。
具体来说，与第一实施例的情况相同，对发电机56的负荷进行可变操作来调节工作流体的压力、或对泵46的容量进行可变操作来调节工作流体的流量、或是对三通阀52的开度进行可变操作来调节工作流体的流量，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。此外，也可以将上述情况组合，对发电机56的负荷进行可变操作、对泵46的容量进行可变操作、另外对三通阀52的开度进行可变操作，以将EGR气体的温度Tegr维持在规定温度T3。
在此，对发电机56的负荷进行可变操作是因为，蒸发压力是通过改变与兰肯冷凝器45连接的膨胀器44的负荷来进行控制的。即，不对第二发电机156的负荷而是对发电机56的负荷进行可变操作是因为，例如若发电机56的负荷小，则膨胀器44高速旋转，工作流体不断被送至兰肯冷凝器45侧，EGR冷凝器36中的蒸发赶不及，而使蒸发压力下降，相反，即便对第二发电机156的负荷进行可变操作来减小第二个膨胀器144的负荷、使膨胀器144高速旋转，若不使第一个膨胀器44很快地旋转，则蒸发压力也不会变化。
这样，在本发明第三实施例的内燃机的废热利用装置中，兰肯回路140沿工作流体的流动方向观察依次在上游侧配置有EGR冷却器36、在下游侧配置有废气热交换器41及第二废气热交换器141，因此，如图6中示意示出的第三实施例的莫里尔图那样，在兰肯回路140的循环流路142中流动的工作流体能首先在EGR冷却器36中吸收EGR气体的热来使EGR气体的温度充分降低，之后还能在废气热交换器41及第二废气热交换器141中吸收废气的热，并使工作流体的温度及压力上升来将发动机2的废热有效地用于发电机56及第二发电机156的发电。
特别是，在本发明第三实施例的内燃机的废热利用装置中，在兰肯回路40中包括膨胀器44和第二膨胀器144，并且包括废气热交换器41和第二废气热交换器141，并利用在废气热交换器41中从废气吸热后的工作流体使膨胀器44动作，来利用发电机56进行发电，然后，利用在第二废气热交换器141中从废气吸热的工作流体使第二膨胀器144动作，来利用第二发电机156进行发电，因此，通过实施两级膨胀，就能更有效地利用发动机2的废热。
在像上述第一实施例及第二实施例这样工作流体是乙醇的情况下，在膨胀器44的入口处以200℃进行等熵膨胀，从而在兰肯冷凝器45的入口处保持气体的状态。但是，在像本实施例这样工作流体是水的情况下，在膨胀器44的入口处以200℃进行等熵膨胀，而在兰肯冷凝器45的入口处于气液两相状态。虽然存在稍许液相是没有问题的，但若大量工作流体处于液相，则存在因腐蚀等而使膨胀器44损坏这样的问题。因此，在本实施例中，在中途使温度上升后，再次进行膨胀。
〔第四实施例〕
图7是示意地表示本发明第四实施例的内燃机的废热利用装置的图。
在第四实施例中，与上述第二实施例同样地，在兰肯回路140中还利用在冷却水回路20的冷却水循环通路22中流动的冷却水的热，这点与上述第三实施例不同。
如图7所示，在发动机2中设置有冷却水回路20’，在冷却水回路20’的冷却水循环通路22’中的、沿冷却水的流动方向观察的散热器24的上游处装有预热器23，该预热器23与兰肯回路140’进行热交换。
与第二实施例同样地，预热器23在兰肯回路140’中位于循环流路142’中的EGR冷却器36的上游侧，并装在泵46与三通阀52之间。即，在第四实施例中，兰肯回路140’构成为沿工作流体的流动方向观察依次在最上游侧配置预热器23、接着配置EGR冷却器36、并在最下游侧配置废气热交换器41及第二废气热交换器141。此外，在兰肯回路140’的循环流路142’中，与第二实施例同样地，以迂回绕过预热器23的方式设置预热器迂回通路53，并在预热器迂回通路53的从循环流路142’分岔的分岔部处装有三通阀54，在循环流路142’的预热器23下游位置设置有对工作流体的温度Tr进行检测的工作流体温度传感器59。
这样，在本发明第四实施例的内燃机的废热利用装置中，兰肯回路140’沿工作流体的流动方向观察依次在最上游侧配置有预热器23、接着配置有EGR冷却器36、并在最下游侧配置有废气热交换器41及第二废气热交换器141，因此，如图8中示意示出的第四实施例的莫里尔图所示，在兰肯回路140’的循环流路142’中流动的工作流体能首先在预热器23中吸收冷却水的热，接着在EGR冷却器36中吸收EGR气体的热，而使EGR气体的温度充分降低，之后还能在废气热交换器41及第二废气热交换器141中吸收废气的热，从而不仅能起到与上述第二实施例相同的效果和基于两级膨胀的与上述第三实施例相同的效果，而且能使工作流体的温度及压力充分上升而更进一步有效地利用发动机2的废热。
以上，如基于第一至第四实施例进行说明的那样，根据本发明的内燃机的废热利用装置，能在不使EGR气体中的水分冷凝的情况下，将包括EGR气体的发动机2的多个热源高效地用于兰肯回路40、40’、140、140’中。
另外，兰肯回路40、40’、140、140’的工作流体能从冷却水、EGR气体及废气吸收的热量会根据随着车辆的载重量及道路的坡度变化而变动的发动机3的负荷增减，但由于发动机主体3的负荷的增减与废气的温度Tex成比例，因此，最好利用ECU60，来根据由废气温度传感器19检测出的废气的温度Tex对兰肯冷凝器45的冷却风扇47的动作进行控制。
具体来说，随着由废气温度传感器19检测出的废气的温度Tex的上升，而使冷却风扇47的旋转速度增大。通过如上所述构成，即便在车辆的载重量很大的情况下或是坡度很大的情况下，也能进一步有效地使兰肯回路40、40’、140、140’发挥作用。
即便兰肯回路40、40’、140、140’的工作流体能从冷却水、EGR气体或废气吸收的热量足够，能使膨胀器44输入前的蒸发压力（高压侧压力）上升，若兰肯冷凝器45中的散热量不够，则冷凝压力（低压侧压力）会上升，而使膨胀器44前后的压力比不够，因而无法提高膨胀器44所能回收的输出。也就是说，必须根据兰肯回路40、40’、140、140’高压侧的输入的增加，使兰肯回路40、40’、140、140’低压侧的散热量也增加。
因此，已经进行如下操作：对兰肯冷凝器45的压力及温度进行检测，并以使兰肯冷凝器45的压力为规定压力值的方式对冷却风扇47的旋转速度进行控制，来使兰肯冷凝器45中的散热量增加。
但是，在对兰肯冷凝器45的压力及温度进行检测，并以使兰肯冷凝器45的压力为规定压力值的方式对冷却风扇47的旋转速度进行控制的情况下，即便处于因车辆进入上坡行驶状态而使发动机主体3的负荷变大、成为能从发动机主体3回收废热的状态，由于兰肯冷凝器45的压力及温度的变动会稍微晚点才被检测到，因此，会短时间持续无法充分回收由发动机主体3的负荷增大而产生的废热的状态。此外，在车辆从上坡行驶状态转为平地行驶状态的情况下，即便处于发动机主体3的负荷减少、从发动机主体3回收的废热回收量变少的状态，由于兰肯冷凝器45的压力及温度的变动会稍微晚点才被检测到，因此，存在使冷却风扇47动作而白白消耗的电力的状态。
另一方面，在卡车等重型车辆的情况下，因车辆的载重量及上坡坡度等的影响而使发动机主体3的负荷发生变动，但通过本发明的发明人的研究结果可知，如图9所示，发动机主体3的负荷（发动机输出）的增加与废气温度（气体温度）成比例，比起兰肯回路40、40’、140、140’中的兰肯冷凝器45的压力及温度，废气温度对于发动机负荷的响应性更快。因此，通过ECU60根据由废气温度传感器19检测出的废气的温度Tex来控制兰肯冷凝器45的冷却风扇47的动作，能立即与发动机主体3的负荷变动对应地实现废热回收，并能高效地使兰肯回路40、40’、140、140’动作。此外，废气的温度通过测定EGR废气温度，能响应性更好地实现废热回收，从而能高效地使兰肯回路40、40’、140、140’动作。
以上是对本发明一实施方式的说明，但本发明并不限定于上述实施方式，能在不脱离本发明思想的范围内进行各种改变。
例如，在上述实施方式中，在兰肯回路40、40’、140、140’中，以在膨胀器44、144中产生旋转驱动力，并利用发电机56、156进行发电的方式将发动机2的废热变换成电能加以利用，但不局限于此，例如，也可以利用膨胀器44、144的旋转驱动力来辅助发动机主体3的驱动。
此外，在上述实施方式中，以发动机主体3例如为柴油发动机的情况为例进行了说明，但发动机主体3只要是内燃机，则例如也可以是汽油发动机。
此外，在上述实施方式中，废气热交换器41及第二废气热交换器141串联配置在排气通路6中，但也可以将排气通路分为两重来并联。
此外，在上述实施方式中，预热器23、EGR冷却器36中的吸热量是通过使工作流体迂回来进行调节的，但也可以通过使冷却水或EGR气体迂回来进行调节。
此外，也可以另外追加中间冷却器10的废热及未图示的油冷却器等，来作为吸热源。
此外，也可以将膨胀器44及第二膨胀器144配置在同一轴上，并将发电机56及第二发电机156合并成一个。
(符号说明)
2发动机
3发动机主体（内燃机）
6排气通路
20、20’冷却水回路
23预热器（冷却水热交换器、热交换器）
29冷却水温度传感器（冷却水温度检测元件）
30EGR回路
36EGR冷却器（热交换器）
39EGR气体温度传感器（EGR气体温度检测元件）
40、40’、140、140’兰肯回路
41废气热交换器（热交换器、过热器）
44膨胀器
45兰肯冷凝器（冷凝器）
46泵
50EGR冷却器迂回通路
52三通阀（调节阀）
53预热器迂回通路（冷却水热交换器迂回通路）
54三通阀（第二调节阀）
56发电机
60电子控制单元（ECU）
141第二废气热交换器（热交换器、过热器）
144第二膨胀器
156第二发电机
ehd

Claims (7)

1.一种内燃机的废热利用装置，其特征在于，包括：
兰肯回路，该兰肯回路在工作流体的循环流路中依次装有利用内燃机的废热对工作流体进行加热的多个热交换器、使经由该多个热交换器的工作流体膨胀来产生旋转驱动力的膨胀器、使经由该膨胀器的工作流体冷凝的冷凝器、将经由该冷凝器的工作流体送出至所述热交换器的泵；
废气热交换器，该废气热交换器装在将内燃机的废气朝大气排放的排气通路中；
EGR回路，该EGR回路具有使内燃机的废气的一部分作为EGR气体回流至吸气的EGR通路、装在该EGR通路中并至少通过与内燃机的运转状态相对应的开闭来进行EGR气体的流通和阻断的EGR阀、装在该EGR通路中并对EGR气体进行冷却的EGR冷却器；
EGR气体温度检测元件，该EGR气体温度检测元件沿所述EGR通路的EGR气体的流动方向观察设置在所述EGR冷却器的下游，并对EGR气体的温度进行检测；以及
控制元件，该控制元件至少在所述EGR阀打开而使EGR气体流通时，对在所述EGR冷却器中的EGR气体的热交换量进行控制，
所述兰肯回路中的所述多个热交换器是所述EGR冷却器和所述废气热交换器，其构成为沿所述循环流路的工作流体的流动方向观察，所述EGR冷却器位于所述废气热交换器的上游，在所述EGR冷却器中利用EGR气体的热对工作流体进行加热，并在所述废气热交换器中利用废气的热对工作流体进行加热，
所述控制元件对所述EGR冷却器中的EGR气体与工作流体的热交换量进行控制，以使由所述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
2.如权利要求1所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，
所述控制元件通过改变所述兰肯回路的所述膨胀器的负荷来使经过所述EGR冷却器的工作流体的压力可变，以使由所述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
3.如权利要求1或2所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，
所述控制元件通过改变所述兰肯回路的所述泵的排出量来使经过所述EGR冷却器的工作流体的流量可变，以使由所述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
4.如权利要求1至3中任一项所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，
所述兰肯回路包括从所述循环流路分岔合流来迂回绕过所述EGR冷却器的EGR冷却器迂回通路以及在所述循环流路和所述EGR冷却器迂回通路中对工作流体的流动进行调节的调节阀，
所述控制元件通过调节所述调节阀来使经过所述EGR冷却器的工作流体的流量可变，以使由所述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
5.如权利要求1至4中任一项所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，
还包括冷却水回路，该冷却水回路具有使内燃机的冷却水在散热器中循环的冷却水通路以及装在该冷却水通路中并对冷却水的热和工作流体的热进行热交换的冷却水热交换器，
所述兰肯回路中沿所述循环流路的工作流体的流动方向观察，所述冷却水热交换器位于所述EGR冷却器及所述废气热交换器的上游。
6.如权利要求5所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，
所述兰肯回路包括从所述循环流路分岔合流并迂回绕过所述冷却水热交换器的冷却水热交换器迂回通路、在所述循环流路和所述冷却水热交换器迂回通路中对工作流体的流动进行调节的第二调节阀、对返回至内燃机的冷却水的温度进行检测的冷却水温度检测元件，
所述控制元件通过对所述第二调节阀进行调节来使经过所述冷却水热交换器的工作流体的流量可变，以使由所述冷却水温度检测元件检测出的冷却水的温度不会为规定温度以下。
7.如权利要求6所述的内燃机的废热利用装置，其特征在于，
所述控制元件通过调节所述第二调节阀并改变经过所述冷却水热交换器的工作流体的流量，来使所述冷却水热交换器中的吸热量可变，以使由所述EGR气体温度检测元件检测出的EGR气体的温度处于规定温度范围。
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