(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから出た排気の一部を吸気通路に戻すＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路の上流側に設けられＥＧＲガスの熱を冷却水に回収する第１ＥＧＲクーラと、
前記第１ＥＧＲクーラにより昇温する冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、
前記第１ＥＧＲクーラよりも下流のＥＧＲガスの熱を前記熱交換器を出た冷媒に回収する第２ＥＧＲクーラと、
前記第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、
前記膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプと
を含むことを特徴とするランキンサイクル。
【請求項２】
前記２つのＥＧＲクーラの間に前記ＥＧＲ通路を開閉し得る開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル。
【請求項３】
第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒温度が上限温度以上であるときには前記開閉弁を全閉状態とすることを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクル。
【請求項４】
前記第２ＥＧＲクーラの構成材としてアルミニウム材を用いることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のランキンサイクル。
【請求項５】
前記第１ＥＧＲクーラに流す冷却水の流量を、ランキンサイクルの運転時は非運転時よりも少なくすることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載のランキンサイクル。
【請求項６】
前記第１ＥＧＲクーラに流す冷却水の流量を調整し得る制御弁を備え、
前記ランキンサイクルの運転時に前記第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒温度が下限温度以下のときには前記制御弁を用いて前記第１ＥＧＲクーラに流す冷却水の流量を減少させることを特徴とする請求項５に記載のランキンサイクル。
【請求項７】
前記第１ＥＧＲクーラに流す冷却水の流量を調整し得る制御弁を備え、
前記ランキンサイクルの運転時に前記第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒圧力が下限圧力以下のときには前記制御弁を用いて前記第１ＥＧＲクーラに流す冷却水の流量を減少させることを特徴とする請求項５に記載のランキンサイクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はランキンサイクル、特にＥＧＲガスの熱をランキンサイクルの冷媒に回収するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＧＲガスの熱を回収するため、ＥＧＲ通路に２つの熱交換器を直列に設け、上流側の熱交換器でＥＧＲガスの熱をランキンサイクルの冷媒に回収し、下流側の熱交換器でＥＧＲガスの熱を冷却水に回収するものがある（特許文献１参照）。このものでは、下流側の熱交換器の下流のＥＧＲ通路に流量調節弁を設けてもいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２５５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＥＧＲ通路に流入する排気は５００〜７００℃と高温である。このため、上記特許文献１の技術のようにランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器をＥＧＲ通路の上流側に配置したのでは、冷媒が熱分解する温度に加熱される可能性がある。冷媒が熱分解されてしまうと、冷媒の性能を維持できなくなる。
【０００５】
そこで本発明は、ＥＧＲガスの熱を冷媒に回収する場合であっても冷媒が熱分解する温度に到達することを回避し得るランキンサイクル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】
【０００６】
本発明のランキンサイクルは、エンジンから出た排気の一部を吸気通路に戻すＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路の上流側に設けられＥＧＲガスの熱を冷却水に回収する第１ＥＧＲクーラと、この第１ＥＧＲクーラにより昇温する冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、前記第１ＥＧＲクーラよりも下流のＥＧＲガスの熱を前記熱交換器を出た冷媒に回収する第２ＥＧＲクーラとを含んでいる。さらに、この第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、この膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、この凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプとを含んでいる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ＥＧＲガスはＥＧＲ通路の上流側に設けられた第１ＥＧＲクーラを流れる冷却水によって冷やされるので、下流側の第２ＥＧＲクーラを流れる冷媒の温度が、熱分解が発生する温度に到達することを回避できる。しかも、第１ＥＧＲクーラで冷却水に回収した熱を、熱交換器を介して冷媒を蒸発させるのに用いることができるので、第２ＥＧＲクーラでは冷媒の熱分解を防ぎつつ冷媒蒸気を効果的に過熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図２】第１ＥＧＲクーラを流れる冷却水、第２ＥＧＲクーラを流れる冷媒の各温度モデルである。
【図３】ハイブリッド車両の概略構成図である。
【図４】ランキンサイクル運転域の特性図である。
【図５】ランキンサイクル運転域の特性図である。
【図６】フラグの設定及び制御弁開度の設定を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図を示している。図１のランキンサイクル３１は、冷凍サイクル５１と冷媒および凝縮器３８を共有する構成になっている。ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１を統合したサイクルのことを、「統合サイクル」と表現する。図３は統合サイクル３０が搭載されるハイブリッド車両１の概略構成図である。なお、統合サイクル３０は、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１の冷媒が循環する回路（通路）及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路（通路）等を含めたシステム全体を指すものとする。
【００１１】
ハイブリッド車両１では、エンジン２、モータジェネレータ８１、自動変速機８２が直列に連結され、自動変速機８２の出力はプロペラシャフト８３、ディファレンシャルギヤ８４を介して駆動輪８５に伝達される。エンジン２とモータジェネレータ８１の間には第１駆動軸クラッチ８６を設けている。また、自動変速機８２の摩擦締結要素の一つが第２駆動軸クラッチ８７として構成されている。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７は、エンジンコントローラ７１に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接（接続状態）が制御される。ハイブリッド車両１では、図５に示すように、車速がエンジン２の効率が悪いＥＶ走行領域にあるときには、エンジン２を停止し第１駆動軸クラッチ８６を遮断し第２駆動軸クラッチ８７を接続してモータジェネレータ８１による駆動力のみでハイブリッド車両１の走行を行わせる。一方、車速がＥＶ走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン２を運転してランキンサイクル３１（後述する）を運転する。
【００１２】
エンジン２には排気通路３及び吸気通路６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管５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、上流側の吸気ダクト９とから構成される。
【００１３】
エンジン２にはさらに排気の一部をＥＧＲガスとしてコレクタ部８（吸気通路６）に還流させるＥＧＲ通路２１が設けられている。
【００１４】
さて、ＥＧＲガスの熱を回収するためＥＧＲ通路２１に２つの熱交換器と流量調節弁を直列に設けている従来装置がある。この従来装置では、上流側の熱交換器でＥＧＲガスの熱をランキンサイクルの冷媒に回収し、下流側の熱交換器でＥＧＲガスの熱を冷却水に回収するようにしている。
【００１５】
しかしながら、ＥＧＲ通路２１に流入する排気は５００〜７００℃と高温である。このため、従来装置のようにＥＧＲ通路２１の上流側にランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器を配置したのでは、冷媒が熱分解する温度（例えば１７０℃）に到達してしまうことが考えられ、冷媒の性能を維持できなくなる。
【００１６】
そこで本発明の第１実施形態では、ＥＧＲ通路２１の上流側にＥＧＲガスの熱を冷却水に回収する第１ＥＧＲクーラ２２を設ける。そして、第１ＥＧＲクーラ２２よりも下流のＥＧＲガスの熱をランキンサイクルの冷媒に回収する第２ＥＧＲクーラ２３をＥＧＲ通路２１の下流側に設ける。
【００１７】
ＥＧＲガスの熱を冷却水に回収する第１ＥＧＲクーラ２２を上流側に設けたのは次の理由からである。すなわち、ＥＧＲガスは上流側に設けた第１ＥＧＲクーラ２２で冷却水によって冷やされ、この冷やされたＥＧＲガスが第２ＥＧＲクーラ２３を流れる。これによって、下流側の第２ＥＧＲクーラ２３を流れる冷媒の温度が熱分解する温度（１７０℃程度）に到達することを回避するためである。また、第１ＥＧＲクーラ２２で冷却水に回収した熱を、熱交換器３６を介して冷媒を蒸発させるのに用いることができるので、第２ＥＧＲクーラ２３では冷媒の熱分解を防ぎつつ冷媒蒸気を効果的に過熱することができる。
【００１８】
第１ＥＧＲクーラ２２の冷却水通路２２ａはＥＧＲ通路２１に隣接して設けている。冷却水通路２２ａにエンジン出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温のＥＧＲガスによって例えば１１０℃程度まで加熱する。第１ＥＧＲクーラ２２の全体を俯瞰して見たときに、ＥＧＲガスと冷却水とが互いに流れる向きが逆となるように冷却水通路２２ａを構成している。
【００１９】
第２ＥＧＲクーラ２３の冷媒通路２３ａもＥＧＲ通路２１に隣接して設けている。冷媒通路２３ａにランキンサイクルの冷媒を導入することで、冷媒を高温のＥＧＲガスによって例えば１４０℃程度まで加熱する。第２ＥＧＲクーラ２３の全体を俯瞰して見たときに、ＥＧＲガスと冷媒とが互いに流れる向きが逆となるように冷媒通路２３ａを構成している。
【００２０】
２つのＥＧＲクーラ２２、２３をＥＧＲ通路２１に設けたときにＥＧＲクーラ２２、２３を流れる冷却水、冷媒の各温度モデルを図２に示す。図２に示したようにＥＧＲ通路２１に流入する排気（つまりＥＧＲガス）の温度は５００〜７００℃である。この場合に、エンジン出口の冷却水の温度は８５℃程度であるから、第１ＥＧＲクーラ２２によって、冷却水温度を１１０℃程度まで上昇させる。上昇させる温度を１１０℃程度するのは、これ以上昇温させると冷却水が蒸発してしまい、エンジン２を液冷することができなくなるためである。第１ＥＧＲクーラ２２による熱交換によってＥＧＲガスの温度は、１７０℃程度まで低下する。１１０℃程度まで上昇させた冷却水は熱交換器３６（後述する）に導き、ここでランキンサイクルの冷媒と熱交換を行わせ、ランキンサイクルの冷媒を１００℃程度まで上昇させる。つまり、熱交換器３６を加熱器あるいは蒸発器として働かせる。この熱交換器３６の出口の冷媒蒸気を図２に示したように第２ＥＲＧクーラ２３に導いて１４０℃程度まで過熱して上昇させる。つまり、第２ＥＲＧクーラ２３は過熱器として働く。上昇させる温度を１４０℃程度とするのは、ランキンサイクルの冷媒が熱分解する温度の最低値が１７０℃程度であるので、この温度に到達しないように３０℃程度を余裕代とするものである。このような各温度モデルとなるように第１ＥＧＲクーラ２２及び第２ＥＧＲクーラ２３を設計する。これにより、第１ＥＧＲクーラ２２で冷却水に回収した熱を、熱交換器３６を介して冷媒を蒸発させるのに用いることができるので、第２ＥＧＲクーラ２３では冷媒の熱分解を防ぎつつ冷媒蒸気を効果的に過熱することができる。
【００２１】
図１に戻り、第１ＥＧＲクーラ２２で冷却水によりＥＧＲガスが冷やされため、第２ＥＧＲクーラ２３を通るＥＧＲガスは第１ＥＧＲクーラ２２を通るＥＧＲガスより常に低温となる。このことは第２ＥＧＲクーラ２３の構成材としては第１ＥＧＲクーラ２２の構成材ほど耐熱性が要求されないことを意味する。この結果、本実施形態では、第２ＥＧＲクーラ２３の構成材として軽量かつ安価なアルミニウム材を用いることができる。
【００２２】
このように、第１ＥＧＲクーラ２２を上流側に設けていても、特にエンジン２の高負荷運転が継続するような場合に、冷却水によるＥＧＲガスの冷却だけでは足りず、第２ＥＧＲクーラ２３を流れる冷媒の温度が熱分解する温度に到達することが考え得る。これを避けるにはＥＧＲ通路２１を開閉し得る開閉弁２４を設けると共に、第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒温度の上限温度Ｔｕｐｌｍｔを定めておく。ここで、開閉弁２４としては、二位置弁（ＯＮ−ＯＦＦ弁）を用いればよい。上限温度Ｔｕｐｌｍｔとしては、上記のように１７０℃（冷媒が熱分解する温度の最低値）から３０℃（余裕代）を差し引いた１４０℃を採用すればよい。そして、実際の第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒温度が上限温度Ｔｕｐｌｍｔ以上となったときには開閉弁２４を全閉状態として、第２ＥＧＲクーラ２３を流れるＥＧＲガスの流量をゼロとすることである。
【００２３】
この場合に、開閉弁２４を設ける位置として、第１ＥＧＲクーラ２２の上流、２つのＥＧＲクーラ２２、２３の間、第２ＥＧＲクーラ２３の下流の３つのケースが考えられる。まず、第１ＥＧＲクーラ２２の上流に開閉弁２４を設ける第１のケースは、開閉弁２４の耐熱上から技術的に難しい。第２ＥＧＲクーラ２３の下流に開閉弁２４を設ける第３のケースでは、高温のＥＧＲガスが第２ＥＧＲクーラ２３を満たす可能性がある（完全に遮断されていない）ため、冷媒温度が冷媒が熱分解する温度に到達することを避けることができない。そこで、本実施形態では２つのＥＧＲクーラ２２、２３の間に開閉弁２４を設ける第２のケースを採用している。第２のケースでは、第１、第３のケースの問題が生じることはない。なお、流量調節弁を２つの熱交換器の下流側に設けている従来装置は、そもそも第１ＥＧＲクーラが冷媒と熱交換しているので、仮にＥＧＲクーラ間に流量調節弁を設けたとしても、冷媒温度が冷媒が熱分解する温度に到達することを避けることができない。
【００２４】
また、第１ＥＧＲクーラ２２の入口よりも上流の冷却水通路１５に、第１ＥＧＲクーラ２２を流れる冷却水の流量を調整し得る制御弁２５を設けている。制御弁２５としてはデューティ制御可能な弁を用いればよい。デューティ制御可能な弁では、デューティ値が例えば大きくなれば弁開度が大きくなって流量が増え、この逆にデューティ値が小さくなれば弁開度が小さくなって流量が減る。
【００２５】
ここで、制御弁２５を設けた理由を説明する。冷媒の有する熱エネルギーを受けて膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合に、膨張機３７が回転して冷媒ポンプ３２を駆動することができる。第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度や冷媒圧力が低下してくると、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを下回り、膨張機３７が回転して冷媒ポンプ３２を駆動することができなくなる。これより、膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得るための第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度最低値及び冷媒圧力最低値が定まる。膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得る冷媒温度最低値及び膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得る冷媒圧力最低値は適合により求めることができる。
【００２６】
このため、厳密には冷媒圧力をも考慮すべきであるが、ここでは簡単のため冷媒温度で代表させるものとし、適合により求めた冷媒温度最低値より余裕代だけ高い温度を下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔとして設定しておく。そして、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度が下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔ以下のときには、制御弁２５の開度を小さくすることにより、第１ＥＲＧクーラ２２でＥＧＲガスから冷却水が受け取る熱量を減らす。これによって、第２ＥＧＲクーラ２３でＥＧＲガスから冷媒が受け取る熱量を増やすことが可能となり、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度を下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超える温度へと戻すことができる。このように、制御弁２５を設けたのは、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度が下限温度以下に低下することがあっても、膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得るようにするためである。
【００２７】
図１に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン２を出た８０〜９０℃程度の冷却水は、ラジエータ１１を通る冷却水通路１３と、ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１７とに別れて流れる。その後、２つの流れは、両通路１３、１７を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ１８で再び合流し、さらに冷却水ポンプ１９を経てエンジン２に戻る。冷却水ポンプ１９はエンジン２によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。
【００２８】
サーモスタットバルブ１８は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を大きくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を小さくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に減らす。エンジン２の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ１１をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路１７側を流れる。一方、バイパス冷却水通路１７側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ１１を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路１７を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路１７側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ１８が構成されている。
【００２９】
ラジエータ１１を通る冷却水通路１３は、エンジン出口から直接ラジエータ１１に接続される第１冷却水通路１４と、エンジン出口から第１ＥＧＲクーラ２２、熱交換器３６を経た後にラジエータ１１に接続される第２冷却水通路１５とからなる。
【００３０】
第２冷却水通路１５には、ランキンサイクル３１の冷媒と熱交換を行なう熱交換器３６を備える。すなわち、熱交換器３６には冷却水通路３６ａが、また冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル３１の冷媒が流れる冷媒通路３６ｂは冷却水通路３６ａと隣接して設けられている。さらに熱交換器３６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル３１の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆となるように各通路３６ａ、３６ｂが構成されている。熱交換器３６は、第１ＥＧＲクーラ２２で昇温した冷却水を冷却水通路３６ａに導入することで、冷媒通路３６ｂを流れるランキンサイクル３１の冷媒を加熱するための加熱器である。
【００３１】
次に、ランキンサイクル３１について述べる。ここでは、ランキンサイクル３１は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル５１と統合した統合サイクル３０の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル３１を先に説明し、その後に冷凍サイクル５１に言及する。
【００３２】
ランキンサイクル３１は、エンジン２の冷却水及びＥＧＲガスを介してエンジン２の廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を動力として回生するシステムである。ランキンサイクル３１は、冷媒ポンプ３２、加熱器としての熱交換器３６、過熱器としての第２ＥＧＲクーラ２３、膨張機３７及び凝縮器（コンデンサ）３８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路４１〜４５により接続されている。
【００３３】
冷媒ポンプ３２の軸は同一の軸上で膨張機３７の出力軸と連結配置され、膨張機３７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ３２を駆動すると共に、発生動力をエンジン２の出力軸（クランク軸）に供給する構成である。すなわち、冷媒ポンプ３２軸及び膨張機３７の出力軸は、エンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ３２軸の先端に設けたポンププーリ３３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト３４を掛け回している。
【００３４】
また、ポンププーリ３３と冷媒ポンプ３２との間に電磁式のクラッチ３５を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７とを、エンジン２と断接可能にしている。このため、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合（予測膨張機トルクが正の場合）にクラッチ３５を接続することで、膨張機３７の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト（補助）することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。
【００３５】
冷媒ポンプ３２からの冷媒は冷媒通路４１を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を１００℃程度にまで加熱する熱交換器である。
【００３６】
熱交換器３６からの冷媒は冷媒通路４２を介して第２ＥＧＲクーラ２３に供給される。第２ＥＧＲクーラ２３は、ＥＧＲガスと冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し１４０℃程度にまで過熱する過熱器である。
【００３７】
第２ＥＧＲクーラ２３からの冷媒は冷媒通路４３を介して膨張機３７に供給される。膨張機３７は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機３７で回収された動力は冷媒ポンプ３２を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン２に伝達され、エンジン２の回転をアシストする。
【００３８】
膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４４を介して凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は、外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。このため、凝縮器３８をラジエータ１１と並列に配置すれば、ラジエータファン１２によって冷却することができる。
【００３９】
凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４５を介して冷媒ポンプ３２に戻される。冷媒ポンプ３２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ３２により再び熱交換器３６に送られ、ランキンサイクル３１の各構成要素を循環する。
【００４０】
次に、冷凍サイクル５１について述べる。冷凍サイクル５１は、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル３１と統合され、冷凍サイクル５１の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル５１は、コンプレッサ（圧縮機）５２、凝縮器３８、エバポレータ（蒸発器）５５を備える。
【００４１】
コンプレッサ５２は冷凍サイクル５１の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械で、エンジン２によって駆動される。すなわち、図３にも示したようにコンプレッサ５２の駆動軸にはコンプレッサプーリ５３が固定され、このコンプレッサプーリ５３とクランクプーリ２ａとにベルト３４を掛け回している。エンジン２の駆動力がこのベルト３４を介してコンプレッサプーリ５３に伝達され、コンプレッサ５２が駆動される。また、コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５２との間に電磁式のクラッチ５４を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
【００４２】
コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４４に合流した後、凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器３８からの液状の冷媒は、冷媒通路４５から分岐する冷媒通路５７を介してエバポレータ（蒸発器）５５に供給される。エバポレータ５５は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ５５は、凝縮器３８からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。
【００４３】
エバポレータ５５によって蒸発した冷媒は冷媒通路５８を介してコンプレッサ５２に戻される。なお、エバポレータ５５によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。
【００４４】
次に、ランキンサイクル３１の基本的な運転方法説明する。
【００４５】
まず、図４及び図５はランキンサイクル３１の運転領域図である。図４には横軸を外気温、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３１の運転域を、図５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３１の運転域を示している。
【００４６】
図４及び図５のいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル３１を運転するもので、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３１を運転する。図４おいては、エンジン２の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ５２の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。排気温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル３１を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル３１を止めて、冷凍サイクル５１に十分な冷媒と凝縮器３８の冷却能力を提供する。図５においては、ハイブリッド車両であるので、ＥＶ走行領域と、膨張機３７のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。膨張機３７は全ての回転速度でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図５の場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機３７が構成（膨張機３７各部のディメンジョン等が設定）されている。
【００４７】
ランキンサイクル３１を流れる冷媒を制御するため、回路途中に弁が適宜設けられている。すなわち、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点４６と冷媒ポンプ３２とを連絡する冷媒通路４５にポンプ上流弁６１、第２ＥＧＲクーラ２３と膨張機３７とを連絡する冷媒通路４３に膨張機上流弁６２を備える。なお、膨張機上流弁６２が全閉状態となったとき、膨張機３７をバイパスして冷媒を流すためのバイパス冷媒通路４７を設けている。
【００４８】
上記２つの弁６１、６２はいずれも電磁式の開閉弁である。エンジントローラ７１には、外気温センサ２７からの外気温の信号、水温センサ２８からの冷却水温度の信号、エンジン回転速度センサ２９からエンジン回転速度の信号が入力されている。エンジンコントローラ７１では、これら信号に基づき図４、図５に示したランキンサイクル３１の運転域にあるか否かを判定し、ランキンサイクル３１の運転域にあれば上記２つの弁６１、６２を全開状態としてランキンサイクル３１を運転する。一方、図４、図５に示したランキンサイクル３１の非運転域であれば上記２つの弁６１、６２を全閉状態としてランキンサイクル３１の運転を停止する。
【００４９】
また、エンジンコントローラ７１には、温度センサ２６からの第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度の信号が入力されている。エンジンコントローラ７１では、この温度信号に基づいて開閉弁２４を開閉する。また、ランキンサイクルの運転域にあるか否かによって制御弁２５の開度を相違させ、かつランキンサイクルの運転域にあるときには温度センサ２６からの温度信号に基づいて制御弁２５の開度を制御する。
【００５０】
エンジンコントローラ７１で行われるこれらの制御を図６のフローチャートを参照して説明する。図６のフローは開閉弁２４の開閉を指示するフラグを設定すると共に、制御弁２５の開度を設定するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。
【００５１】
図６においてステップ１ではランキンサイクル３１の運転域にあるか否かをみる。ランキンサイクル３１の非運転域にあるときにはステップ３に進み制御弁２５の開度を基本値Ａに、ランキンサイクル３１の運転域にあるときにはステップ２に進み制御弁２５の開度を基本値Ａよりも小さな基本値Ｂに設定する。ランキンサイクル３１の運転域で制御弁２５の開度をランキンサイクルの非運転域より小さくするのは、ランキンサイクル３１の運転域で第１ＥＧＲクーラ２２を流れる冷却水がＥＧＲガスから受け取る熱量をランキンサイクルの非運転域より減らすためである。これによって、第２ＥＧＲクーラ２３を流れる冷媒がＥＧＲガスから受け取る熱量がランキンサイクルの非運転域より増えることとなる。つまり、ランキンサイクル３１の非運転域ではＥＧＲガスの熱を冷却水に回収し、ランキンサイクル３１の運転域になると、冷却水がＥＧＲガスから回収する熱量を減らし、その減らした分だけ多い熱量を冷媒に回収させるようにするわけである。
【００５２】
ステップ４では温度センサ２６により検出される第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔと上限温度Ｔｕｐｌｍｔとを比較する。上限温度Ｔｕｐｌｍｔとしては、ランキンサイクル３１の冷媒が熱分解する最低の温度（例えば１７０℃程度）より余裕代（例えば３０℃程度）だけ低い温度（例えば１４０℃程度）を設定しておく。第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが上限温度Ｔｕｐｌｍｔ以上であるときにはランキンサイクル３１の冷媒が熱分解する温度に到達する可能性があると判断する。このときにはステップ５に進み、開閉弁２４を全閉状態として第２ＥＧＲクーラ２３にＥＧＲガスが流れないようにするためフラグを立てる（フラグ＝１）。これによって、ＥＧＲガスが第２ＥＧＲクーラ２３に流れないようにし、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度が、冷媒が熱分解する温度に到達することを阻止する。
【００５３】
一方、ステップ４で第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが上限温度Ｔｕｐｌｍｔ未満であるときにはランキンサイクル３１の冷媒が熱分解する温度に到達する可能性はないと判断する。このときにはステップ６に進み、開閉弁２４を全開状態として第２ＥＧＲクーラ２３にＥＧＲガスを流すためフラグを下ろす（フラグ＝０）。
【００５４】
ステップ７ではランキンサイクル３１の運転域にあるか否かを再度みる。ランキンサイクル３１の非運転域にあるときにはそのまま今回の処理を終了する。
【００５５】
ステップ７でランキンサイクル３１の運転域にあるときにはステップ８に進み、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔと下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔとを比較する。下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔとしては、膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得るための最低温度に余裕代を加算した温度を設定しておく。第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超えているときには膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ると判断しそのまま今回の処理を終了する。
【００５６】
一方、ステップ８で第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔ以下であるときには、膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ないと判断してステップ９に進む。ステップ９では、制御弁２５の開度の前回値から所定値ΔＢを差し引いた値を制御弁２５の開度として設定することにより小さくする。なお、初回だけは、基本値Ｂから所定値ΔＢを差し引いた値を制御弁２５の開度として設定する。所定値ΔＢは一定値でよい。
【００５７】
これは、ランキンサイクルの運転域において第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔ以下であるときに、第１ＥＧＲクーラ２２を流れる冷却水がＥＧＲガスから受け取る熱量を減らすためである。これによって、第２ＥＧＲクーラ２３を流れる冷媒がＥＧＲガスから受け取る熱量が増える。つまり、ランキンサイクルの運転域で第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒温度が下限温度以下であるときには、冷却水がＥＧＲガスから回収する熱量を減らし、その減らした分だけ多い熱量を冷媒に回収させて、第２ＥＧＲクーラ出口の冷媒温度を上昇させるわけである。
【００５８】
制御弁２５の開度の減少によって、次回にステップ８で第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超えれば、膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ると判断しそのまま次回の処理を終了する。
【００５９】
一方、次回にもステップ８で第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔ以下であれば、まだ膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ないため、ステップ９の操作を実行する。つまり、ランキンサイクル３１の運転域において、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超えるまで制御弁２５の開度を漸減する。そして制御弁２５の開度を漸減している途中で第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超えれば、膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ると判断しそのまま次回の処理を終了する。なお、制御弁２５の開度の漸減によって制御弁２５の開度が負になることがあるので、ステップ１０では制御弁２５の開度とゼロとを比較し、制御弁２５の開度が負になっていればステップ１１に進んで、制御弁２５の開度をゼロとする。
【００６０】
このようにして設定されたフラグの値を受けてエンジンコントローラ７１では開閉弁２４に開閉信号を送り、フラグ＝１のときには開閉弁２４を全閉状態とし、フラグ＝０のときには開閉弁２４を全開状態とする。また、図６で設定された制御弁２５の開度を制御弁２５に与えるデューティ値に変換し、この変換したデューティ値となる信号を作って制御弁２５に与える。尚、上記実施形態では予め決められた運転条件（外気温やエンジン水温の温度条件あるいはエンジンの回転速度や負荷）に応じてランキンサイクル３１を運転するか運転しないかを決めたが、運転条件が同一であっても、例えばハイブリッド車両においてＥＶ走行を行なうときはランキンサイクル３１を運転せず、ＥＶ走行を行なわないときは運転するように構成することもできる。この場合、運転条件が同一であっても、ランキンサイクル３１の運転時は第１ＥＧＲクーラ２２に流す冷却水の流量を、ランキンサイクル３１の非運転時よりも少なくし、例えば、上述の制御弁２５の開度の基本値の設定は、ランキンサイクル３１の運転時には基本値Ａよりも小さな基本値Ｂに設定する。
【００６１】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。
【００６２】
本実施形態では、エンジン２から出た排気の一部を吸気通路６に戻すＥＧＲ通路２１と、このＥＧＲ通路２１の上流側に設けられＥＧＲガスの熱を冷却水に回収する第１ＥＧＲクーラ２２と、この第１ＥＧＲクーラ２２により昇温する冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器３６と、第１ＥＧＲクーラ２２よりも下流のＥＧＲガスの熱を熱交換器３６を出た冷媒に回収する第２ＥＧＲクーラ２３と、この第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒を用いて動力を発生させる膨張機３７と、この膨張機３７を出た冷媒を凝縮させる凝縮器３８と、この凝縮器３８からの冷媒を熱交換器３６に供給する冷媒ポンプ３２とを含んでいる。本実施形態によれば、ＥＧＲガスはＥＧＲ通路２１の上流側に設けられた第１ＥＧＲクーラ２２で冷却水によって冷やされるので、下流側の第２ＥＧＲクーラ２３を流れる冷媒の温度が、熱分解が発生する温度に到達することを回避できる。しかも、第１ＥＧＲクーラ２２で冷却水に回収した熱を、熱交換器３６を介して冷媒を蒸発させるのに用いることができるので、第２ＥＧＲクーラ２３では冷媒の熱分解を防ぎつつ冷媒蒸気を効果的に過熱することができる。
【００６３】
本実施形態では、２つのＥＧＲクーラ２２、２３の間にＥＧＲ通路を開閉し得る開閉弁２４を設け、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度が上限温度Ｔｕｐｌｍｔ以上であるときにはこの開閉弁２４を全閉状態とする（図６のステップ４、５参照）。本実施形態によれば、開閉弁２４を全閉状態とすればＥＧＲガスが第２ＥＧＲクーラ２３に入り込まないので、冷媒の温度が、熱分解が発生する温度に到達すことを回避できる。この場合、開閉弁２４を全閉状態とするといっても、ＥＧＲ通路２１をＥＧＲガスが流れなくなるだけで排気通路５を遮断することはないので、エンジン２の運転に影響を与えることはない。
【００６４】
本実施形態では、第２ＥＧＲクーラ２３の構成材としてアルミニウム材を用いる。第１ＥＧＲクーラ２２でＥＧＲガスが冷やされることから第２ＥＧＲクーラ２３を通るＥＧＲガスは第１ＥＧＲクーラ２２を通るＥＧＲガスより常に低温となる。つまり、本実施形態によれば、第２ＥＧＲクーラ２３の構成材としてアルミニウム材を用いることで、熱交換性能を高く維持させつつも軽量かつ安価とすることができる。
【００６５】
本実施形態によれば、第１ＥＧＲクーラ２２に流す冷却水の流量を、ランキンサイクル３１の運転時は非運転時よりも少なくするので（図６のステップ１〜３参照）、ランキンサイクル３１の運転域で第２ＥＧＲクーラ２３を流れる冷媒がＥＧＲガスから受け取る熱量をランキンサイクル３１の非運転時より多くすることができる。
【００６６】
本実施形態によれば、第１ＥＧＲクーラ２２に流す冷却水の流量を調整し得る制御弁２５を備え、ランキンサイクル３１の運転時に第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔ以下のときにはこの制御弁２５を用いて第１ＥＧＲクーラ２２に流す冷却水の流量を減少させるので（図６のステップ８、９参照）、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔを下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超える温度域へと戻すことが可能となり、ランキンサイクル３１の運転域で膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ない事態を回避できる。
【００６７】
実施形態では、ランキンサイクル３１の運転域において第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度Ｔが下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔ以下のときには制御弁２５を用いて第１ＥＧＲクーラ２２に流す冷却水の流量を第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒温度が下限温度Ｔｌｏｗｌｍｔを超えているときより減少させる場合で説明したが、これに限られるものでない。ランキンサイクル３１の運転時に第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒圧力が下限圧力以下のときには制御弁２５を用いて第１ＥＧＲクーラ２２に流す冷却水の流量を減少させるようにしてもかまわない。ここで、上記適合により求めた冷媒圧力最低値より余裕代だけ高い圧力を下限圧力として設定しておく。これによれば、第２ＥＧＲクーラ２３出口の冷媒圧力を下限圧力を超える圧力域へと戻すことが可能となり、ランキンサイクル３１の運転域で膨張機３７が冷媒ポンプ３２を駆動し得ない事態を回避できる。
【符号の説明】
【００６８】
２  エンジン
２１  ＥＧＲ通路
２２  第１ＥＧＲクーラ
２３  第２ＥＧＲクーラ
２４  開閉弁
２５  制御弁
２６  温度センサ
３１  ランキンサイクル
３２  冷媒ポンプ
３６  熱交換器
３７  膨張機
３８  凝縮器
７１  エンジンコントローラ
【図１】
0005842668.tif 000002
【図２】
0005842668.tif 000003
【図３】
0005842668.tif 000004
【図４】
0005842668.tif 000005
【図５】
0005842668.tif 000006
【図６】
0005842668.tif 000007