(57)【要約】【課題】廃熱回収システムの効率を向上させる。【解決手段】本発明は、エンジン１と、エンジン１の冷却水の熱を外気に放出するラジエータ１２を有し、冷却水がエンジン１とラジエータ１２との間を循環する冷却水回路１０と、冷却水の熱を回収して冷媒を加熱する加熱器２２と、加熱後の冷媒を膨張させることで動力を出力する膨張機２３と、膨張後の冷媒の熱を外気に放出して冷媒を凝縮させるランキン用凝縮器２４とを有するランキンサイクル２０と、ランキン用凝縮器２４に送風する第１のファン２と、ラジエータ２４に送風する第２のファン３と、第１のファン２及び第２のファン３の作動を制御するファン制御手段４とを備える廃熱回収システム搭載車両において、ファン制御手段４は、冷却水の温度が所定の温度より低いとき第１のファン２のみを作動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンの冷却水の熱を外気に放出するラジエータを有し、前記冷却水が前記エンジンと前記ラジエータとの間を循環する冷却水回路と、
前記冷却水の熱を回収して冷媒を加熱する加熱器と、加熱後の前記冷媒を膨張させることで動力を出力する膨張機と、膨張後の前記冷媒の熱を外気に放出して前記冷媒を凝縮させるランキン用凝縮器とを有するランキンサイクルと、
前記ランキン用凝縮器に送風する第１のファンと、
前記ラジエータに送風する第２のファンと、
前記第１のファン及び前記第２のファンの作動を制御するファン制御手段と、
を備える廃熱回収システム搭載車両において、
前記ファン制御手段は、前記冷却水の温度が所定の温度より低いとき前記第１のファンのみを作動させることを特徴とする廃熱回収システム搭載車両。
【請求項２】
前記ファン制御手段は、前記冷却水の温度が前記所定の温度以上となったとき前記第１のファンに加えて前記第２のファンも作動させることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収システム搭載車両。
【請求項３】
前記ファン制御手段は、前記第１のファンの風量を第１の風量となるように制御しているときに、前記冷却水の温度が前記所定の温度より低い所定の判定温度以上となったとき、前記第１のファンの風量を前記第１の風量より大きい第２の風量となるように制御し、
前記所定の判定温度は、外気温度が低いほど低く設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱回収システム搭載車両。
【請求項４】
エアコン用冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮後の前記エアコン用冷媒の熱を外気に放出して前記エアコン用冷媒を冷却して液化させるエアコン用凝縮器と、液化後の前記エアコン用冷媒を気化させることで車室内へ導入される空調風を冷却する蒸発器とを有するエアコンサイクルを備え、
前記第１のファン、前記第２のファン、前記ランキン用凝縮器、前記エアコン用凝縮器、前記ラジエータは、前記第１のファンが前記ランキン用凝縮器及び前記エアコン用凝縮器に送風し、前記第２のファンが前記ラジエータに送風するように配置されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の廃熱回収システム搭載車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収システムを搭載した車両におけるモータファンの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、車両において、エンジンの冷却水を冷却するラジエータと、エアコン用冷媒を冷却するコンデンサとを共通のモータファンによって冷却することが記載されている。さらに、車速、エンジンの冷却水温度、エアコン用冷媒の圧力に基づいてモータファンの作動又は停止を切り替え制御することで、ラジエータやコンデンサの過剰冷却による燃費性能の悪化を防止することが記載されている。
【０００３】
また特許文献２には、ランキンサイクルを用いてエンジンの廃熱を回収する廃熱回収システムが記載されている。廃熱回収システムでは、加熱器においてエンジンの冷却水との熱交換によって冷媒を加熱し、高圧の冷媒を膨張機において断熱膨張させることで動力を回収している。また膨張後の冷媒は凝縮器においてモータファンによって冷却され、再度加熱器へと送られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２０４６８６公報
【特許文献２】特開２００４−２３２４９２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献２に記載のような廃熱回収システムを搭載した車両に、上記特許文献１に記載のようなモータファンの制御を適用した場合、エンジンの冷却水温度が上昇するとモータファンが作動してラジエータからの放熱が促進され、エンジンの冷却水温度が低下する。冷却水温度の低下により加熱器において回収できる熱エネルギーが減少するので、膨張機において動力として取り出せる機械エネルギーが低下し、廃熱回収システムの効率が低下する。
【０００６】
本発明は、廃熱回収システムの効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、エンジンと、エンジンの冷却水の熱を外気に放出するラジエータを有し、冷却水がエンジンとラジエータとの間を循環する冷却水回路と、冷却水の熱を回収して冷媒を加熱する加熱器と、加熱後の冷媒を膨張させることで動力を出力する膨張機と、膨張後の冷媒の熱を外気に放出して冷媒を凝縮させるランキン用凝縮器とを有するランキンサイクルと、ランキン用凝縮器に送風する第１のファンと、ラジエータに送風する第２のファンと、第１のファン及び第２のファンの作動を制御するファン制御手段とを備える廃熱回収システム搭載車両において、ファン制御手段は、冷却水の温度が所定の温度より低いとき第１のファンのみを作動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エンジンの冷却水の温度が所定の温度より低いときは、ランキン用凝縮器に送風する第１のファンのみを作動させるので、ラジエータから外気へと放出される熱量を極力低減することができる。これによりランキンサイクルによって回収できる熱量が増大してより多くの動力を出力することができるので、廃熱回収システムの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態における廃熱回収システム搭載車両の構成を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態における廃熱回収システム搭載車両の制御を示す概略構成図である。
【図３】本実施形態における廃熱回収システム搭載車両の制御を示す概略構成図である。
【図４】モータファン作動エンジン冷却水温と外気温度との関係を示すマップである。
【図５】本実施形態における車速、エアコンサイクルの冷媒圧力、冷却水温、モータファンの出力の関係を示すマップである。
【図６】従来例における車速、エアコンサイクルの冷媒圧力、冷却水温、モータファンの出力の関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では図面を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は本実施形態における廃熱回収システム搭載車両の構成を示す概略構成図である。本実施形態における廃熱回収システム搭載車両は、エンジン１を冷却する冷却水回路１０と、冷却水からエンジン１の廃熱を回収するランキンサイクル２０と、車室内へ供給される空調風を冷却するエアコンサイクル３０と、第１のモータファン２（第１のファン）と、第２のモータファン３（第２のファン）と、コントローラ４（ファン制御手段）とから構成される。
【００１１】
冷却水回路１０について説明する。
【００１２】
冷却水回路１０は、ウォータポンプ１１、ラジエータ１２、バイパス通路１３、サーモスタット１４を備え、回路内には冷却水（不凍液）が充填される。
【００１３】
ウォータポンプ１１は、エンジン１によって駆動され、冷却水を回路内に循環させる。なお、ウォータポンプ１１は電動モータによって駆動してもよい。ラジエータ１２は、冷却水と外気との間で熱交換を行い、冷却水の熱を外部に放熱する。バイパス通路１３は、ラジエータ１２の入口側と出口側とに接続され、ラジエータ１２を迂回するように冷却水を流す流路である。サーモスタット１４はバイパス通路１３の入口側に設けられ、冷却水の温度によって開閉する弁である。すなわち、冷却水温度が高いときは開弁して冷却水をラジエータ１２へと流通させ、冷却水温度が低いときは閉弁して冷却水をバイパス通路１３へと流通させる。
【００１４】
ランキンサイクル２０について説明する。
【００１５】
ランキンサイクル２０は、ポンプ２１、加熱器２２、膨張機２３、凝縮器２４（以下「ランキン用凝縮器」という）、気液分離器２５を備え、回路内にはランキン用冷媒が充填される。
【００１６】
ポンプ２１は、液相の冷媒を加圧して加熱器２２へと圧送する。加熱器２２では、冷媒と冷却水回路１０の冷却水との間で熱交換が行われ、液体の冷媒が加熱されて気体になる。気体となった冷媒は膨張機２３へと圧送される。膨張機２３は、圧装された冷媒を断熱膨張させることにより冷媒の熱エネルギーを機械エネルギーに変換して動力を回収する。膨張機２３において膨張した冷媒は凝縮器２４へと送られる。凝縮器２４は、冷媒と外気との間で熱交換を行うことで冷媒を冷却して液化する。液化した冷媒は気液分離器２５において気液分離され、液相の冷媒のみがポンプ２１へと送られる。
【００１７】
エアコンサイクル３０について説明する。
【００１８】
エアコンサイクル３０は、圧縮機３１、凝縮器３２（以下「エアコン用凝縮器」という）、気液分離器３３、膨張弁３４、蒸発器３５を備え、回路内にはエアコン用冷媒が流通する。
【００１９】
圧縮機３１は、エンジン１からベルトを介して伝達される駆動力によって駆動され、気相の冷媒を高温高圧に圧縮する。高温高圧となった冷媒は凝縮器３２へと送られる。なお、圧縮機３１はエンジン１に代えて電動モータにより駆動するようにしてもよい。凝縮器３２は、冷媒と外気との間で熱交換を行うことで冷媒を冷却して液化する。液化した冷媒は気液分離器３３により気液分離され、液相の冷媒のみが膨張弁３４へと送られる。膨張弁３４では液相の冷媒が減圧膨張され、減圧膨張された冷媒は蒸発器３５へと送られる。蒸発器３５では、減圧膨張された冷媒を気化させ、その蒸発潜熱により蒸発器３５を通過する空調風を冷却する。気化した冷媒は圧縮機３１へと送られる。
【００２０】
第１のモータファン２及び第２のモータファン３について説明する。
【００２１】
第１のモータファン２はランキン用凝縮器２４及びエアコン用凝縮器３２の近傍に設けられ、各凝縮器２４、３２に対して外気を送風することで各凝縮器２４、３２における冷媒からの放熱を促進させる。第２のモータファン３はラジエータ１２の近傍に設けられ、ラジエータ１２に対して外気を送風することでラジエータ１２における冷却水からの放熱を促進させる。すなわち、ラジエータ用のモータファン２は、ランキンサイクル用及びエアコンサイクル用のモータファン３とは独立して設けられる。
【００２２】
コントローラ４は、車速Ｖを検出する車速センサ５、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出する冷却水温センサ６、外気温Ｔｏを検出する外気温センサ７、エアコンの作動状態を検出するエアコン作動状態検出センサ８、エアコンサイクルの冷媒圧力Ｐｄを検出する冷媒圧力センサ９から各検出値を受信し、第１のモータファン２及び第２のモータファン３の出力を制御する。第１のモータファン２及び第２のモータファン３は図示しないバッテリからの供給電力によって駆動され、第１のモータファン２及び第２のモータファン３の出力は、例えばＰＷＭドライバなどによってディーティ比を変化させることで制御する。
【００２３】
次に、図２、図３を参照しながらコントローラ４による第１のモータファン２及び第２のモータファン３の制御について説明する。図２、図３は、本実施形態における廃熱回収システム搭載車両の制御を示すフローチャートであり、図２は第１のモータファンの制御を示し、図３は第２のモータファンの制御を示す。第１のモータファン２及び第２のモータファン３は独立して制御されており、図２、図３はいずれも所定の微小時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行される。
【００２４】
初めに図２を参照しながら第１のモータファン２の制御について説明する。
【００２５】
ステップＳ１１では、エンジン１の冷却水温度Ｔｗ、外気温度Ｔｏ、車速Ｖ、エアコンの作動状態をそれぞれ検出する。
【００２６】
ステップＳ１２では、第１のモータファン２の作動冷却水温度ＴＬ、ＴＭ、ＴＨ（判定温度）を設定する。作動冷却水温度ＴＬ、ＴＭ、ＴＨは、第１のモータファン２の出力を設定するために後述するステップＳ１５において用いる閾値であり、図４のマップを参照して外気温度に応じて設定される。作動冷却水温度ＴＬ、ＴＭ、ＴＨはそれぞれ外気温度が高いほど高い値に設定され、例えば外気温度が１５℃であれば作動冷却水温度はＴＬ＝７５℃、ＴＭ＝８５℃、ＴＨ＝９５℃と設定される。
【００２７】
ステップＳ１３では、エアコンの作動状態がＯＮ状態であるか否かを判定する。エアコンがＯＮ状態であればステップＳ１４へ進み、ＯＦＦ状態であればステップＳ１５へ進む。
【００２８】
ステップＳ１４では、エアコンサイクルの冷媒圧力Ｐｄを検出する。
【００２９】
ステップＳ１５では、第１のモータファン２の出力を設定する。第１のモータファン２の出力は図５（ａ）のマップを参照して、エンジン１の冷却水温度Ｔｗ、外気温度Ｔｏ、車速Ｖ、エアコンの作動状態、エアコンサイクルの冷媒圧力Ｐｄに基づいて設定される。
【００３０】
図５（ａ）のマップは、エンジン１の冷却水温度Ｔｗ、外気温度Ｔｏ、車速Ｖ、エアコンの作動状態、エアコンサイクルの冷媒圧力Ｐｄと第１のモータファン２の出力との関係を示しており、第１のモータファン２の出力はＯＦＦ（停止）、ＬＯＷ（低風量）、ＭＩＤ（中風量）、ＨＩＧＨ（高風量）の４段階の中から選択される。また、作動冷却水温度ＴＬ、ＴＭ、ＴＨにはステップＳ２において設定された値が挿入される。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、車速Ｖは０〜２０ｋｍ／ｈ、２０〜８０ｋｍ／ｈ、８０ｋｍ／ｈ以上の３つの領域に分けられ、車速Ｖが低い領域ほど第１のモータファンの出力が高くなるように設定される。
【００３２】
また、各速度領域はエアコン停止状態、作動状態の２つの領域に分けられ、さらにエアコンが作動状態である領域は、冷媒圧力Ｐｄに応じて、Ｐｄ＜Ａ、Ａ≦Ｐｄ＜Ｂ、Ｂ≦Ｐｄ＜Ｃ、Ｃ≦Ｐｄの４つの領域に分けられる。第１のモータファン２の出力は、エアコンが停止状態より作動状態の方が高くなるように設定され、冷媒圧力Ｐｄが高いほど高くなるように設定される。
【００３３】
また、冷却水温度Ｔｗに応じて、Ｔｗ＜ＴＬ、ＴＬ≦Ｔｗ＜ＴＭ、ＴＭ≦Ｔｗ＜ＴＨ、ＴＨ≦Ｔｗの４つの領域に分けられ、第１のモータファン２の出力は冷却水温度Ｔｗが高いほど高くなるように設定される。
【００３４】
ここで、作動冷却水温度ＴＬ、ＴＭ、ＴＨは外気温度Ｔｏが低いほど低くなるように設定されているので、第１のモータファン２の出力は外気温度Ｔｏが低いほど高くなるように設定される。これにより外気温度Ｔｏが低いほど、冷却水温度Ｔｗがより低温の状態から第１のモータファン２が作動することになる。
【００３５】
図２に戻ってステップＳ１６では、ステップＳ１５において設定された出力に基づいて第１のモータファン２の出力を制御する。
【００３６】
次に図３を参照しながら第２のモータファン３の制御について説明する。
【００３７】
ステップＳ２１では、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出する。
【００３８】
ステップＳ２２では、第２のモータファン３の出力を設定する。第２のモータファン３の出力は図５（ｂ）のマップを参照して、エンジン１の冷却水温度Ｔｗに基づいて設定される。
【００３９】
図５（ｂ）のマップは、エンジン１の冷却水温度Ｔｗと第２のモータファン３との関係を示しており、第２のモータファン３の出力はＯＦＦ（停止）、ＨＩＧＨ（高風量）の２段階から選択される。
【００４０】
図５（ｂ）に示すように第２のモータファン３の出力はエンジン１の冷却水温度Ｔｗのみに応じて変化し、冷却水温度Ｔｗが１０５℃以上ではＨＩＧＨに設定され、１０５℃未満ではＯＦＦに設定される。すなわち、第２のモータファン３は冷却水温度Ｔｗが１０５℃に達するまでは常に停止させておく。
【００４１】
図３に戻ってステップＳ２３では、ステップＳ２２において設定された出力に基づいて第２のモータファン３の出力を制御する。
【００４２】
以下、本実施形態における作用について従来例と比較しながら説明する。
【００４３】
従来、エアコン用凝縮器はラジエータの近傍に設けられ、モータファンによってラジエータとエアコン用凝縮器とが冷却される構成であった。このような構成では、モータファンの出力は例えば図６のマップに示されるように制御される。すなわち、エアコンが作動状態のときはエアコン用凝縮器を冷却する必要があるので、エアコンサイクルの冷媒圧力Ｐｄに応じてモータファンの出力が制御される。
【００４４】
モータファンが作動すると、ラジエータも同時に冷却されるので、エンジンの冷却水の熱が放出され、冷却水温度Ｔｗが低下する。よって、このような従来の構成にランキンサイクルを適用すると、ランキンサイクルによって回収できる熱量が低下する。
【００４５】
これに対して本実施形態では、ランキン用凝縮器２４とエアコン用凝縮器３２とを第１のモータファン２によって冷却し、ラジエータ１２を第２のモータファン３によって冷却する構成とし、第１のモータファン２はエンジン１の冷却水温度Ｔｗが高いほど、より高い出力となるように制御し、第２のモータファン３はエンジン１の冷却水温度Ｔｗが１０５℃未満であるときは運転状態にかかわらず停止するように制御する。
【００４６】
これにより、ラジエータ１２を冷却する第２のモータファン３を停止させておく領域（図５（ｂ）におけるＯＦＦ状態の領域）が拡大されるので、ラジエータ１２からの放熱量を低減することができる。また、第１のモータファン２はランキン用凝縮器２４を冷却することでランキンサイクル２０の冷媒を冷却し、これに応じてランキンサイクル２０の冷媒はエンジン１の冷却水から、より多くの廃熱を回収して間接的にエンジン１の冷却水を冷却する。したがって、ラジエータ１２からの放熱量が低減された分、ランキンサイクル２０でより多くの廃熱を回収することができる。
【００４７】
以上のように本実施形態では、エンジン１の冷却水温度Ｔｗが１０５℃より低いときは、ランキン用凝縮器２４に外気を送風する第１のモータファン２のみを作動させるので、ラジエータ１２から外気へと放出される熱量を極力低減して、その分ランキンサイクル２０によって回収できる熱量を増大させることができる。よって膨張機２３においてより多くの動力を出力することができるので、廃熱回収システムの効率を向上させることができる。
【００４８】
また、ランキンサイクル２０による廃熱回収だけでは冷却水の冷却能力が不足するような場合には、冷却水温度Ｔｗが１０５℃以上まで上昇すると第１のモータファン２に加えて第２のモータファン３も作動させるので、廃熱回収の効率を向上させながら冷却水温度Ｔｗの過剰な上昇を抑制することができる。
【００４９】
さらに、第１のモータファン２の風量（出力）は、エンジン１の冷却水温度Ｔｗとモータファン作動冷却水温度ＴＬ、ＴＭ、ＴＨとの大小関係により、エンジン１の冷却水温度Ｔｗが高いほど大きくなるように制御され、さらに作動冷却水温ＴＬ、ＴＭ、ＴＨは外気温度Ｔｏが低いほど低くなるように設定されるので、外気温度Ｔｏが低いときでも外気温度Ｔｏと冷却水温度Ｔｗとの温度差を確保して廃熱回収を行うことができ、廃熱回収システムの効率をさらに向上させることができる。
【００５０】
さらに、第１のモータファン２はランキン用凝縮器２４及びエアコン用凝縮器３２に外気を送風するように配置され、第２のモータファン３はラジエータ１２に外気を送風するように配置されるので、エアコンの作動状態に関係なくエンジン１の冷却水温度Ｔｗが１０５℃に達するまでは第２のモータファン３を停止させておくことができ、ラジエータ１２から外気へと放出される熱量を極力低減して、廃熱回収システムの効率を向上させることができる。
【００５１】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１  エンジン
２  第１のモータファン
３  第２のモータファン
４  コントローラ
１０  冷却水回路
１２  ラジエータ
２０  ランキンサイクル
２２  加熱器
２３  膨張機
２４  ランキン用凝縮器
３０  エアコンサイクル
３１  圧縮機
３２  エアコン用凝縮器
３５  蒸発器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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