(57)【要約】【課題】排気再循環装置の熱を回収して動力を回生する排熱回収装置の燃費効率を向上する。【解決手段】冷却水通路（１０）と、作動媒体の膨張収縮により駆動力を発生する膨張機（４３）と、作動媒体と冷却水とで熱交換を行い作動媒体を加熱する熱交換機（４２）と、エンジン及び膨張機の動作を制御する制御装置（３０）と、を備え、冷却水通路（１０）は、エンジンをバイパスするバイパス通路（６０）を備え、熱交換機（４２）はバイパス通路に備えられると共に、熱交換機（４２）の冷却水の入口側及び出口側に冷却水の流通を遮断する入口弁（６２）及び出口弁（６３）をそれぞれ設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のエンジンの排熱を回収して動力として回生する排熱回収装置であって、
冷却水により前記エンジンを冷却する冷却水通路と、
作動媒体の膨張収縮により駆動力を発生する膨張機と、
前記作動媒体と前記冷却水とで熱交換を行い前記作動媒体を加熱する熱交換機と、
前記エンジン及び前記膨張機の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記冷却水通路は、前記エンジンをバイパスするバイパス通路を備え、
前記熱交換機は前記バイパス通路に備えられると共に、前記熱交換機の冷却水の入口側及び出口側に冷却水の流通を遮断する入口弁及び出口弁をそれぞれ設けたことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
前記冷却水回路は、冷却水の圧力に基づいて冷却水を貯留するリザーバタンクを備え、
前記制御装置は、前記リザーバタンクの水位、または、前記エンジンから出た冷却水の水温に基づいて、前記入口弁及び出口弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
車両のエンジンの排熱を回収して動力として回生する排熱回収装置であって、
冷却水により前記エンジンを冷却する冷却水通路と、
作動媒体の膨張収縮により駆動力を発生する膨張機と、
前記作動媒体と前記冷却水とで熱交換を行い前記作動媒体を加熱する第１の熱交換機と、
前記作動媒体と冷却媒体とで熱交換を行い前記作動媒体を冷却する第２の熱交換機と、
前記冷却媒体が循環すると共に機器を冷却する冷却媒体回路と、
前記エンジン及び前記膨張機の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記冷却媒体回路は、前記機器をバイパスする第２のバイパス通路を備え、
前記第２の熱交換機は前記第２のバイパス通路に備えられると共に、前記第２の熱交換機の冷却媒体の入口側及び出口側に冷却媒体の流通を遮断する冷却媒体入口弁及び冷却媒体出口弁をそれぞれ設けたことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項４】
前記冷却媒体回路は、冷却媒体の圧力に基づいて冷却媒体を貯留する第２のリザーバタンクを備え、
前記制御装置は、前記第２のリザーバタンクの水位、または、前記冷却媒体の温度に基づいて、前記冷却媒体入口弁及び前記冷却媒体出口弁の開度を制御することを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
【請求項５】
前記機器は、モータ及びインバータの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの排熱を回収してこれを運動エネルギとして回生する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排熱を冷却水や冷媒を介して回収し、この熱により膨張機を回転させて運動エネルギとして回生する排熱回収装置（ランキンサイクルシステム）が実用化されている。
【０００３】
このような排熱回収装置として、熱交換機においてエンジンの冷却水と冷媒とで熱交換を行い、記された媒体により膨張機でエネルギを発生させるものが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５１０２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱交換機は、一般的にアルミニウムやステンレス等の薄い金属板を介して冷却水とランキンサイクル冷媒とが互いに接している。そのため、衝撃や振動、または不適切な冷却水の混入により腐蝕が発生する等の理由により、この金属板が損傷して、冷却水回路とランキンサイクル回路とが連通してしまう可能性がある。
【０００６】
このとき、冷却水回路内にガス状のランキンサイクルの媒体が混入すると、冷却水ポンプにキャビテーションが発生して冷却水を圧送できなくなり、エンジン水温が上昇してオーバーヒートとなる可能性がある。従来の排熱回収装置では、このように冷却水回路とランキンサイクル回路とが連通した場合の対策が取られていなかった。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換機の損傷により冷却水回路にランキンサイクル冷媒が混入した場合に、これを遮断してエンジンのオーバーヒートを防止する排熱回収装置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】
【０００８】
本発明は、車両のエンジンの排熱を回収して動力として回生する排熱回収装置であって、冷却水によりエンジンを冷却する冷却水通路と、作動媒体の膨張収縮により駆動力を発生する膨張機と、作動媒体と冷却水とで熱交換を行い作動媒体を加熱する熱交換機と、エンジン及び膨張機の動作を制御する制御装置と、を備えるものである。
【０００９】
この冷却水通路は、エンジンをバイパスするバイパス通路を備え、熱交換機はバイパス通路に備えられると共に、熱交換機の冷却水の入口側及び出口側に冷却水の流通を遮断する入口弁及び出口弁をそれぞれ設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱交換機の冷却水の入口側及び出口側に冷却水の流通を遮断する入口弁及び出口弁をそれぞれ設けたので、この入口弁及び出口弁により、冷却水回路から熱交換機を分離することができる。これにより、熱交換機が損傷して冷却水回路に作動冷媒が漏れ出しても、これを遮断することができ、冷却水通路にガスが混入することを抑制できてエンジンのオーバーヒートを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態のエンジンを中心としたランキンサイクルシステムの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態のランキンサイクルの運転領域を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態のコントローラが実行する蒸発機の損傷の発生を検出する処理のフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態のコントローラによる蒸発機の損傷の判断基準を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態のエンジン２を中心としたランキンサイクルシステム１の構成を示す説明図である。
【００１４】
図１において、車両に搭載されるエンジン２の冷却水回路１０と、エンジン２の排熱を回収して駆動力を発生するランキンサイクル回路４０とが示されている。
【００１５】
エンジン２は、排気通路３と吸気通路６とを備える。排気通路３は、排気マニホールド４と、排気マニホールド４の集合部に接続される排気通路３と、排気通路３に備えられる触媒５と、消音機１６とから構成される。吸気通路６は、吸気マニホールド７と、吸気マニホールド７に接続されるコレクタ部８と、上流側のエアフィルタ９とから構成される。
【００１６】
排気通路３と吸気通路６との間には、排気の一部を吸気に再循環する排気再循環装置（ＥＧＲ）２０が備えられる。ＥＧＲ２０は、ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲバルブ２２とを備える。
【００１７】
エンジン２の冷却水回路１０には、冷却水ポンプ１１と、ラジエタ１２と、サーモスタット１３とが備えられている。冷却水回路１０は、冷却水ポンプ１１によって冷却水をエンジン２等に循環し、ラジエタ１２により冷却水と大気とで熱交換を行うことで冷却水を冷却する。サーモスタット１３は、冷却水水温によってラジエタ１２への通路を開閉し、冷却水水温が低下することを防止する。
【００１８】
エンジン２を通過した冷却水の一部は、バイパス通路６０を経由して再び冷却水ポンプ１１により循環される。このバイパス通路６０には、入口弁６２及び出口弁６１を介して、蒸発機４２が備えられている。蒸発機４２は、後述するようにランキンサイクル冷媒とエンジン２の冷却水とで熱交換を行い、ランキンサイクル冷媒を加熱する。また、バイパス通路６０には、バイパス通路６０内の冷却水が一定の圧力を超えた場合に冷却水を外部へと逃がすリリーフ弁６３が設けられている。
【００１９】
ラジエタ１２にはリザーバタンク１５が備えられている。リザーバタンク１５は、冷却水回路１０の圧力に基づいて冷却水を受け取り、またはこれを補充する。
【００２０】
ランキンサイクル回路４０には、蒸発機４２、膨張機４３、凝縮機５１、冷媒ポンプ４６が備えられている。
【００２１】
冷媒ポンプ４６は、エンジン２のクランクプーリ４５とベルト４７を介して連結され、クランクプーリ４５の回転に伴い回転駆動され、冷媒をランキンサイクル回路４０に循環する。なお、冷媒ポンプ４６は、膨張機４３と同軸に連結されて膨張機４３と共に回転する。
【００２２】
冷媒ポンプ４６を出た冷媒は、蒸発機４２においてエンジン２を循環する冷却水とで熱交換を行う。熱交換が行われて高温となった冷媒は、膨張機４３において液相から気相と膨張され、その体積変化により膨張機４３にエネルギを与える。膨張機４３は、このエネルギを回転エネルギに変換し、同軸の冷媒ポンプ４６を回転駆動させると共に、ベルト４７を介してクランクプーリ４５を回転駆動する。これによりエンジンの駆動がアシストされる。すなわち、回収した熱により発生駆動力をエンジン２の回生動力とすることができる。
【００２３】
膨張機４３を出た気相の冷媒は、凝縮機５１において後述する冷凍サイクル５０の冷凍サイクル冷媒と熱交換を行うことにより冷却されて、気相から液相となり、再び冷媒ポンプ４６によりランキンサイクル回路４０を循環する。
【００２４】
冷凍サイクル５０は、冷凍サイクル回路５５に、冷凍サイクル冷媒を循環させるポンプ５２、大気と熱交換を行い、冷媒を冷却するサブラジエタ５３が備えられている。また、この冷凍サイクル５０には、車両に搭載される機器（モータＭＯＴ、インバータＩＮＶ、車両用エアコンＣＡＣ等）の冷却を行うことができるように構成されている。
【００２５】
冷凍サイクル冷媒（冷却冷媒）は、これら機器を適切な温度とするために、エンジン水温（例えば９０℃）と比較して相対的に低い温度（例えば２０℃）で管理されている。そのため、ランキンサイクル回路４０のランキンサイクル冷媒の冷却を、外気温に依存することなく行うことができる。
【００２６】
冷凍サイクル回路５５には、バイパス通路５６が設けられる。バイパス通路５６には、入口弁７２及び出口弁７１を介して、凝縮機５１が備えられている。凝縮機５１は、低温の冷凍サイクル冷媒とランキンサイクル冷媒とで熱交換を行い、ランキンサイクル冷媒を冷却する。ランキンサイクル冷媒の熱を吸収した冷凍サイクル冷媒は、サブラジエタ５３において大気と熱交換を行い、冷却される。サブラジエタ５３にはリザーバタンク５７が備えられている。リザーバタンク５７は、冷凍サイクル回路５５の圧力に基づいて冷凍サイクル冷媒を受け取り、またはこれを補充する。
【００２７】
また、バイパス通路５６には、バイパス通路５６内の冷凍サイクル冷媒が一定の圧力を超えた場合に冷凍サイクル冷媒を外部へと逃がすリリーフ弁６３が設けられている。なお、冷凍サイクル冷媒として、エンジン冷却水と同様にＬＬＣが用いられる。
【００２８】
これらエンジン２をはじめとする各構成は、コントローラ３０により制御される。
【００２９】
コントローラ３０は、例えば、アクセルペダル開度（ＡＰＯ）、ブレーキペダル踏み込み量（ＢＲＫ）、車速（ＶＳＰ）等の信号に基づいて、図示しない変速機の変速比とエンジン２の駆動力とを制御して、車両を運転する。
【００３０】
また、コントローラ３０は、これら各信号に基づいて、ランキンサイクルシステム１の膨張機４３の回転駆動を制御することにより、排熱のエネルギを回生してエンジン２の駆動力をアシストするか否かを制御する。また、コントローラ３０は、ＥＧＲバルブ２２の開度を制御して、エンジン２の吸気側に再循環する排気の量を制御する。
【００３１】
ランキンサイクルシステム１はこのように構成され、エンジン２の排熱を冷却水及びランキンサイクル媒体を介して回収し、回収された熱により回生動力を発生することでエンジンの駆動力をアシストする。これによりエンジンの燃費効率を向上することができる。
【００３２】
次に、本発明の実施形態のランキンサイクルシステム１による排熱の回収を説明する。
【００３３】
コントローラ３０は、冷却水温度、外気温、エンジン回転速度Ｎｅ、車速ＶＳＰ等により、ランキンサイクルシステム１を運転させてエンジン２の動力をアシストするか否かを決定する。なお、排熱を回収してランキンサイクルシステム１を運転させることでエンジン２の動力をアシストすることを、以降は「ランキンサイクルを運転する」と表記する。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態のランキンサイクルの運転領域を示す説明図である。図２（Ａ）は横軸を外気温、縦軸をエンジン水温（冷却水温度）としたときのランキンサイクルの運転領域を示す。図２（Ｂ）は、横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク（エンジン負荷）としたときのランキンサイクルの運転領域を示す。
【００３５】
この図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、運転領域がこれら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクルを運転、すなわち、熱を回収したランキンサイクル冷媒によって膨張機４３を回転駆動させて、エンジン２の駆動力をアシストする。
【００３６】
また、図２（Ａ）に示すように、冷却水水温が低く（例えば８０℃）エンジン２の暖機を優先する低水温側の領域と、エアコン等の負荷が増大する高外気温側の領域では、ランキンサイクルの運転を停止する。このような領域では、ランキンサイクルを運転することにより負荷が増大し、かえってエンジン２の燃費効率が低下するためである。
【００３７】
また、図２（Ｂ）に示すように、エンジン回転速度が低く排熱の容量が小さい領域と、膨張機４３のフリクションが増大する高回転速度側の領域ではランキンサイクルの運転を停止する。膨張機４３はエンジン２のクランクシャフトに連結されているためその回転速度がエンジン回転速度に依存する。膨張機４３は、回転速度が高い場合にフリクションが少ない高効率な構造とすることは難しい。そこで、膨張機４３はランキンサイクルを運転する頻度が高いエンジン回転速度域においてフリクションが小さく高効率となるように設計されている。この回転速度域でランキンサイクルが効率よく運転される。
【００３８】
次に、蒸発機４２の損傷の対策について説明する。
【００３９】
蒸発機４２は、アルミニウムやステンレス等の薄い金属板を介して冷却水とランキンサイクル冷媒とが互いに接している。そのため、衝撃や振動、または不適切な冷却水の混入により腐蝕が発生する等の理由により、この金属板が損傷して、冷却水回路１０とランキンサイクル回路４０とが連通してしまう可能性がある。
【００４０】
このような状態が発生し、冷却水回路１０内にガス状のランキンサイクル媒体が混入すると、冷却水ポンプ１１にキャビテーションが発生して冷却水を冷却水回路に圧送できなくなる。冷却水が流通しなくなるとエンジン２の水温が上昇してオーバーヒートとなる可能性がある。従来は、蒸発機４２の損傷の対策が取られていなかった。
【００４１】
これに対して、本発明の実施形態は、次のように構成することで、蒸発機４２の損傷により冷却水回路１０にランキンサイクル冷媒が混入した場合に、これを遮断してエンジンのオーバーヒートを防止するように構成した。
【００４２】
図３は、本発明の実施形態のコントローラ３０が実行する蒸発機４２の損傷の発生を検出する処理のフローチャートである。この図３に示す処理は、コントローラ３０において所定の周期（たとえば１０ｍｓ）毎に実行される。
【００４３】
前述のように、冷却水回路１０のバイパス通路には、入口弁６２及び出口弁６１を介して熱交換機としての蒸発機４２が接続されている。コントローラ３０は、これら入口弁６２及び出口弁６１の開閉を制御する。
【００４４】
通常の状態では、入口弁６２及び出口弁６１は共に解放され、冷却水が蒸発機４２を流通する。
【００４５】
コントローラ３０は、リザーバタンク１５水位（または圧力）、冷却水水温（エンジン出口水温）を常に取得している（ステップＳ１０）。
【００４６】
コントローラ３０は、取得したリザーバタンク１５の水位及び冷却水水温が所定値を超えたか否かを判定する。所定値を超えた場合には、蒸発機４２に損傷が発生していると判定し、ステップＳ３０に移行する。そうでない場合はステップＳ１０に戻り、処理を繰り返す。このように、リザーバタンク１５の水位（または圧力）とエンジン出口水温とによって、蒸発機４２に損傷が発生したか否かを判定することができる。
【００４７】
ステップＳ３０では、コントローラ３０は、蒸発機４２の入口側にある入口弁６２と、蒸発機４２の出口側にある出口弁６１とをそれぞれ閉塞する。これにより、冷却水回路１０とランキンサイクル回路４０とが連通する可能性がある蒸発機４２を、冷却水回路１０から切り離すことができる。この結果、蒸発機４２が損傷していた場合にも、冷却水回路１０にランキンサイクル冷媒がさらに混入することが防止できる。その後、本フローチャートによる処理を終了する。
【００４８】
このように、リザーバタンク１５の水位（または圧力）とエンジン出口水温とによって、蒸発機４２に損傷が発生したか否かを判定することができる。
【００４９】
図４は、本発明の実施形態のコントローラ３０による蒸発機４２の損傷の判断基準を示す説明図である。
【００５０】
図４を参照すると、エンジン水温とリザーバタンク１５の水位（または圧力）との関係が示されている。そして、リザーバタンク１５の水位が高い領域では、冷却水回路１０の冷却水水量が減少していることを示す。これは水位ではなく圧力でも同等である。従って、図４に斜線部分で示す領域（ＮＧ領域）となったことをコントローラ３０が検出した場合は、蒸発機４２において冷却水回路１０にランキンサイクル冷媒が漏れていることが予測される。
【００５１】
そこで、コントローラ３０は、前述のように、蒸発機４２の入口側にある入口弁６２と、蒸発機４２の出口側にある出口弁６１とをそれぞれ閉塞して、蒸発機４２を冷却水回路１０から切り離す。
【００５２】
このような制御によって、蒸発機４２の損傷によりエンジン２がオーバーヒートすることが防止される。なお、このとき、ランキンサイクルの運転領域であっても、ランキンサイクルの運転を停止する（冷媒ポンプ４６の吐出量を減じて膨張機４３への媒体の流入を遮断する）。
【００５３】
なお、冷却水回路１０のバイパス通路６０には、前述のようにリリーフ弁６３が設けられている。このリリーフ弁６３は、冷却水回路１０内の冷却水圧力が高くなった場合に冷却水を逃して、冷却水回路１０が圧力により破損することを防止するものである。
【００５４】
前述のように蒸発機４２に損傷により冷却水回路１０にランキンサイクル冷媒が漏れた場合、特に、ランキンサイクル冷媒の圧力が高い場合は、冷却水回路１０の圧力が急増して、冷却水回路１０の損傷が発生する虞がある。
【００５５】
これを防ぐために、冷却水回路１０の冷却水圧力が高くなった場合にリリーフ弁６３が自動的に解放されることで、冷却水を逃し、冷却水回路１０が圧力により破損することが防止される。
【００５６】
なお、以上蒸発機４２の損傷により冷却水回路１０とランキンサイクル回路４０とが連通した場合に、これを対策する方法を説明した。ところで、ランキンサイクル回路４０は、さらに凝縮機５１において冷凍サイクル５０の冷凍サイクル回路５５と接している。この凝縮機５１の損傷により、ランキンサイクル冷媒が冷凍サイクル回路５５に漏れ、冷凍サイクル５０に問題を生じる虞がある。
【００５７】
そこで、この冷凍サイクル５０についても、コントローラ３０は、同様の動作を行う。
【００５８】
すなわち、冷凍サイクル回路５５のバイパス通路５６には、入口弁７２及び出口弁７１を介して熱交換機としての凝縮機５１が接続されている。コントローラ３０は、これら入口弁７２及び出口弁７１の開閉を制御する。通常の状態では、入口弁７２及び出口弁７１は共に解放され、冷凍サイクル冷媒が凝縮機５１を流通する。
【００５９】
ここで、コントローラ３０は、リザーバタンク５７の水位（または圧力）、冷凍サイクル冷媒温度を常に取得している（ステップＳ１０）。
【００６０】
コントローラ３０は、取得したリザーバタンク５７の水位及び冷凍サイクル冷媒温度が所定値を超えたか否かを判定する。所定値を超えた場合には、凝縮機５１に損傷が発生していると判定し、凝縮機５１の入口側にある入口弁７２と、凝縮機５１の出口側にある出口弁７１とをそれぞれ閉塞する。これにより、冷凍サイクル回路５５とランキンサイクル回路４０とが連通する可能性が凝縮機５１を、冷凍サイクル回路５５から切り離すことができる。この結果、凝縮機５１が損傷していた場合にも、冷凍サイクル回路５５にランキンサイクル冷媒がさらに混入することが防止できる。
【００６１】
冷凍サイクル５０は、冷却水回路１０と同様の冷却水（ＬＬＣ）を用いているので、図４に示す判断基準をそのまま凝縮機５１が損傷しているかの判定に用いることができる。
【００６２】
なお、冷凍サイクル回路５５のバイパス通路５６には、冷却水回路１０と同様にリリーフ弁７３が設けられている。
【００６３】
前述のように凝縮機５１に損傷により冷凍サイクル回路５５にランキンサイクル冷媒が漏れた場合、冷凍サイクル回路５５の圧力が急増して、冷凍サイクル回路５５の損傷が発生する虞がある。これを防ぐために、冷凍サイクル回路５５の冷凍サイクル冷媒圧力が高くなった場合にリリーフ弁７３が自動的に解放されることで、冷凍サイクル冷媒を逃し、冷凍サイクル回路５５が圧力により破損することが防止される。
【符号の説明】
【００６４】
１    ランキンサイクルシステム
２    エンジン
３    排気通路
１０    冷却水回路
１１    冷却水ポンプ
１２    ラジエタ
１５    リザーバタンク
２０    排気再循環装置（ＥＧＲ）
３０    コントローラ
４０    ランキンサイクル回路
４２    蒸発機（第１の熱交換機）
４３    膨張機
４６    冷媒ポンプ
４７    ベルト
５０    冷凍サイクル
５１    凝縮機（第２の熱交換機）
５２    ポンプ
５３    サブラジエタ
５５    冷凍サイクル回路
５６    バイパス通路（第２のバイパス通路）
５７    リザーバタンク
６０    バイパス通路
６１    出口弁
６２    入口弁
６３    リリーフ弁
７１    出口弁（冷却冷媒出口弁）
７２    入口弁（冷却冷媒入口弁）
７３    リリーフ弁
【図１】
2014129754.tif 000003
【図２】
2014129754.tif 000004
【図３】
2014129754.tif 000005
【図４】
2014129754.tif 000006