(57)【要約】【課題】大型化することなく、ランキンサイクル装置における膨張機からの出力をエンジンへ効率よく回生できる排熱回生システムを提供する。【解決手段】走行用の駆動力を発生するエンジン１と、エンジン１から排出される排熱により作動して駆動力を発生するランキンサイクル装置６とを含む排熱回生システムにおいて、ランキンサイクル装置６を構成する膨張機１０をエンジン１の出力軸５と直接接続すると共に、出力軸５に発電機１５を接続し、ランキンサイクル装置６で発生する駆動力を、エンジン１の運転状態に応じて駆動力のアシストもしくは発電として用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行用の駆動力を発生する内燃機関と、前記内燃機関から排出される排熱により作動して駆動力を発生するランキンサイクル装置と、を含む排熱回生システムにおいて、
前記ランキンサイクル装置は、
作動流体を圧送する冷媒ポンプと、
前記作動流体と前記排熱との間で熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の下流側に接続された膨張機と、
前記膨張機の下流側に接続された凝縮器と、を備え、
前記膨張機を前記内燃機関の出力軸と直接接続すると共に、前記出力軸に発電電動装置を接続し、前記ランキンサイクル装置で発生する駆動力を、前記内燃機関の運転状態に応じて駆動力のアシストもしくは発電として用いることを特徴とする排熱回生システム。
【請求項２】
前記発電電動装置を前記内燃機関の出力軸に動力伝達手段を介して接続すると共に、前記発電電動装置に接続されるバッテリと、前記バッテリの充電状態を検出するバッテリセンサを備え、
前記バッテリセンサの出力に応じて前記ランキンサイクル装置で発生する駆動力を調整することを特徴とする請求項１に記載の排熱回生システム。
【請求項３】
前記発電電動装置は、前記内燃機関と独立して駆動力を発生すると共に、前記発電電動装置に充放電可能な蓄電装置を接続し、前記発電電動装置の発電を前記蓄電装置へ蓄電することを特徴とする請求項１に記載の排熱回生システム。
【請求項４】
前記要求される駆動力が予め定められた設定値より小さい場合は、前記内燃機関を停止して前記発電電動装置で駆動力を発生し、前記要求される駆動力が予め定められた設定値より大きい場合は、前記駆動力と前記蓄電装置の充電状態に応じて前記内燃機関で駆動力を発生すると共に、前記ランキンサイクル装置の駆動力を発生させることを特徴とする請求項３に記載の排熱回生システム。
【請求項５】
前記運転状態は、要求される駆動力に対して、前記ランキンサイクル装置で発生する駆動力と前記内燃機関で発生する駆動力とを加算したものから、前記発電電動装置の発電量を減算して求められることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の排熱回生システム。
【請求項６】
前記冷媒ポンプの回転軸と前記膨張機の回転軸を連結し、前記冷媒ポンプを前記膨張機の回転で駆動することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の排熱回生システム。
【請求項７】
前記冷媒ポンプと前記膨張機を連結して一体ユニットとし、前記一体ユニットの回転軸を前記内燃機関の出力軸と直接接続したことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の排熱回生システム。
【請求項８】
前記冷媒ポンプの入口部と出口部を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁とを備え、
前記ランキンサイクル装置で発生される駆動力が不要の場合は、前記バイパス弁により前記バイパス流路を開通することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の排熱回生システム。
【請求項９】
前記冷媒ポンプの入口部と出口部を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁とを備え、
前記内燃機関の冷却水の温度が所定の温度以下の場合は、前記バイパス弁により前記バイパス流路を開通することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の排熱回生システム。
【請求項１０】
前記冷媒ポンプの入口部と出口部を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁とを備え、
前記要求された駆動力が減速の場合で、かつ前記バッテリセンサの出力により充電不要と判断された場合は、前記バイパス流路を開通することを特徴とする請求項２に記載の排熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車用エンジンなどの内燃機関の冷却水や排気ガスにより外部に排出される排熱を、ランキンサイクルにより動力などとして回生する排熱回生システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関（以下、エンジンという。）の冷却水などで外部へ排出される排熱をランキンサイクルにより動力などとして回生する排熱回生システムは、エンジンの冷却水とランキンサイクル装置の作動流体（冷媒とも言う。）との間で熱交換を行なうことで、動力あるいは電力を発生させる。エンジンは、エンジンの冷却水が循環する回路（以下、冷却水回路という。）を備えることで冷却される。ランキンサイクル装置は、エンジンからの排熱で冷媒などの作動流体を加熱させる熱交換器と、冷媒を膨張させて出力を発生させる膨張機と、冷媒を凝縮させる凝縮器と、冷媒を圧送して循環させる冷媒ポンプとから構成される。
【０００３】
ところで、膨張機の出力をエンジン動力のアシストに使うためには、エンジン動力軸と膨張機出力軸を何らかの手段により連結する必要がある。膨張機出力はエンジン動力に対して時間遅れをもったり、エンジン回転速度は自動車に要求される能力によってランキンサイクル装置とは別に決まったりするので、膨張機とエンジンの間に特殊な動力伝達手段を介在させる必要がある。
【０００４】
この動力伝達手段として、例えば特許文献１には遊星歯車機構やベルト式無段変速などで構成した技術が開示されている。また、特許文献２には内燃機関および発電電動機を備えたハイブリッド車両に対して、膨張機の出力軸を遊星歯車機構などにより変速機に接続し、車両の走行状態に応じてランキンサイクル装置の出力を駆動力アシストもしくは発電に利用し、排気ガスの温度が高く流量が多い車両の加速時およびクルーズ時にランキンサイクル装置を作動させ、排気ガスのエネルギーを効率的に回収して内燃機関の燃料消費量を節減する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２７６１６号公報（要約の欄、図１）
【特許文献２】特開２００８−１４３５２２号公報（要約の欄、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に開示された技術では、エンジンと膨張機の間に動力伝達手段を介在させるために、膨張機の出力に応じてエンジンへ回生することができるものの、動力伝達手段の設置スペースが必要であり、伝達効率が低下するとともに排熱回生システム全体が大型化するという課題がある。
【０００７】
また、特許文献２に開示された技術では、ランキンサイクル装置専用に発電機を設ける必要があり、構成が複雑になるという課題がある。
【０００８】
この発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、大型化することなく、ランキンサイクル装置における膨張機からの出力をエンジンへ効率よく回生できる排熱回生システムの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、この発明に係る排熱回生システムは、走行用の駆動力を発生する内燃機関と、前記内燃機関から排出される排熱により作動して駆動力を発生するランキンサイクル装置と、を含む排熱回生システムにおいて、前記ランキンサイクル装置は、作動流体を圧送する冷媒ポンプと、前記作動流体と前記排熱との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器の下流側に接続された膨張機と、前記膨張機の下流側に接続された凝縮器と、を備え、前記膨張機を前記内燃機関の出力軸と直接接続すると共に、前記出力軸に発電電動装置を接続し、前記ランキンサイクル装置で発生する駆動力を、前記内燃機関の運転状態に応じて駆動力のアシストもしくは発電として用いるものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る排熱回生システムは、膨張機を内燃機関の出力軸と直接接続すると共に、前記出力軸に発電電動装置を接続し、ランキンサイクル装置で発生する駆動力を、前記内燃機関の運転状態に応じて駆動力のアシストもしくは発電として用いるので、大型化することなく、ランキンサイクル装置における膨張機からの出力をエンジンへ効率よく回生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの一つの効果を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る排熱回生システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付の図面を参照して、この発明に係る排熱回生システムについて好適な実施の形態を説明する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る排熱回生システムの構成を示す図で、好ましい形態の一つを示す概略構成図である。図１において、エンジン１は、例えば、自動車走行用の駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン１を冷却するための冷却水回路２には、エンジン冷却水を循環させる冷却水ポンプ３が設置されている。エンジン１には、自動車の被駆動部である変速機４にエンジン１の軸出力を伝達する出力軸５が設置されている。
【００１４】
ランキンサイクル装置６は、冷媒ポンプ７、第１熱交換器８、第２熱交換器９、膨張機１０、および凝縮器１１を備えると共に、これらが配管により順次接続されて作動流体が循環する循環流路１２を備えている。冷媒ポンプ７の軸は、エンジン１の出力軸５と連結されている。ランキンサイクル装置６の循環流路１２の内部には、作動流体（例えば、冷媒Ｒ１３４ａ）が充填されている。また、膨張機１０と冷媒ポンプ７とは一体ユニットとしてポンプ一体型膨張機を構成している。
【００１５】
冷媒ポンプ７で液体状態の作動流体を第１熱交換器８へ圧送し、循環流路１２内を循環流通させる。第１熱交換器８では、エンジン１の冷却水回路２とランキンサイクル装置６の循環流路１２とが接続され、加熱されたエンジン冷却水と作動流体との間で熱交換を行なうように構成されている。第２熱交換器９では、エンジン１の排気ガス流路１３とランキンサイクル装置６の循環流路１２とが接続され、エンジン１からの排気ガスと作動流体との間で熱交換を行なうように構成されている。
【００１６】
膨張機１０は、第１熱交換器８と第２熱交換器９とで生成された作動流体の過熱蒸気を膨張させて動力を取り出すように構成されている。凝縮器１１は、膨張機１０から送られてくる蒸気の作動流体を冷却して凝縮するものである。膨張機１０で取り出した動力は出力軸５を通じて伝達される。出力軸５に対して動力伝達手段のベルト１４で連結された発電機１５は、エンジン１と膨張機１０の動力を電力に変換し、発電された電力はバッテリ１６や自動車内部で消費される電力（記載しない）として消費される。エンジン１と膨張機１０の動力から発電機１５の動力を減じたものが変速機４へ入力され、自動車の駆動力としてタイヤに伝達される。
【００１７】
なお、エンジン１が始動されると、エンジン１に連結された冷媒ポンプ７がエンジン１と同期して回転するため、作動流体は冷媒ポンプ７から送り出される。この場合、上記の循環モードと同様にランキンサイクル装置６へ作動流体を送り出すと、第１熱交換器８も第２熱交換器９も温度が低く、作動流体の温度が上昇しないため、膨張機１０で動力を発生させることができない。即ち、ランキンサイクル装置６の各構成要素の圧力損失を受けて動かす冷媒ポンプ７の駆動力が無駄な損失となる。
【００１８】
それに対して、冷媒ポンプ７と第１熱交換器８との間にバイパスバルブ１７を設け、このバイパスバルブ１７を制御し、バイパス流路１８を利用して作動流体を冷媒ポンプ７の入口に戻すと、圧力損失が小さく、冷媒ポンプ７を回転させる動力も極めて小さく抑えることができる。例えば、エンジン冷却水が設定温度（例えば９０℃）以下の場合はバイパス手段を設けることでこの機能の実現が可能となる。
【００１９】
また、膨張機１０と冷媒ポンプ７は一体ユニットとしてポンプ一体型膨張機を構成し、エンジン１の出力軸５と接続されている。このように構成することで膨張機１０と冷媒ポンプ７の回転数はエンジン１の回転数に制約されるものの、部品点数を抑制し、省スペースにランキンサイクル装置６を構成することが可能となる。
【００２０】
次に、ランキンサイクル装置６を用いた動力回生の処理について、図２のフローチャートを用いて具体的な動作を説明する。図２のフローチャートは、スタートとエンドの間にＳ２０１からＳ２０７を含んでいる。
まず、排熱回生システムは、運転者のスロットル信号などから車両に要求される駆動力信号を、また、バッテリ１６の充電状態を示すバッテリセンサ（図示せず）からの信号、即ち、バッテリセンサ信号をマイクロコンピュータのメモリ（図示せず）に読み込み記憶する（ステップＳ２０１）。
【００２１】
次に、エンジン１の駆動力と、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力、および発電機１５の発電力をマイクロコンピュータのメモリ（図示しない）に読み込み記憶する（ステップＳ２０２）。
【００２２】
次に、車両に要求される駆動力に対してエンジン１の動力と、膨張機１０の動力、および発電機１５の発電力から、現在発生している駆動力が不足しているかどうかを判断する（ステップＳ２０３）。このステップにおいて、単純には車両に要求される駆動力に対してエンジン１の動力と膨張機１０の動力を加算したものが小さければ駆動力は不足しており、加算したものが大きければ駆動力は不足していないことになる。
【００２３】
次に、ステップＳ２０３で駆動力が不足していると判断された場合には、エンジン１の動力を増加させるとともに、発電機１５の発電量を減少させる（ステップＳ２０４）。このステップでは、結果的にエンジン１の動力と膨張機１０の動力が大きくなり車両に発生する駆動力が増加する。
【００２４】
一方、ステップＳ２０３で駆動力が不足していないと判断された場合には、バッテリ１６の充電状態を判断する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０５において、バッテリ１６の充電状態は、例えばバッテリセンサから出力される充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）や、バッテリ１６の劣化状態を示すＳＯＨ（State Of Health）に基づき判定される。具体的には、例えばＳＯＣの数値が充電率７０％であると充電可能と判断される。また、ＳＯＣが９０％以上の場合は満充電状態に近いため充電不要と判断すればよい。なお、ＳＯＨの値が基準値以上にバッテリ１６が劣化していると判断された場合には、電力受入れ性が悪化しており充電できない可能性があるので、バッテリ１６の充電は不要と判断する。
【００２５】
ステップＳ２０５でバッテリ１６の充電が必要と判断された場合には、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力を、ベルト１４を介して発電機１５に伝達し、発電機１５にて電力に変換してバッテリ１６を充電する（ステップＳ２０６）。
【００２６】
ステップＳ２０５でバッテリ１６の充電が不要と判断された場合には、バイパスバルブ１７を制御してバイパス流路１８を開放する（ステップＳ２０７）。このようにバイパス流路１８を開放することによって、冷媒ポンプ７の出口から送り出された作動流体が冷媒ポンプ７の入口に戻り、ランキンサイクル装置６を流れないために、膨張機１０が動力を発生することがない。したがって、エンジン１と直接接続したポンプ一体型膨張機において、減速時のランキンサイクル装置６出力が不要な場合に、冷媒ポンプ７から出てきた作動流体を、バイパス流路１８を介して冷媒ポンプ７の入口へ戻すので、冷媒ポンプ７の動力を極めて小さく抑えながらポンプ一体型膨張機を回転させることができる。
【００２７】
なお、ステップＳ２０５ではバッテリ１６の充電状態に応じてバッテリ１６を充電するのか、あるいはバイパス流路１８を開放するのかを判断した。しかし、車両の電子機器に必要とされる電力が不足する場合には、発電機１５でより多くの電力を発電する必要がある。このときはバッテリ１６の状態に関係なく、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力を発電機１５で電力に変換し電子機器に電力として供給してもよい。
【００２８】
このときの動作を図３により説明する。図３は、ある運転パターンを行った場合のランキンサイクル装置６を含むエンジン１の具体的動作を示すタイムチャートである。
時刻ｔ０からドライバはアクセルペダルを踏み、スロットルを調整することで加速を開始する。このとき、エンジン１は駆動力を発生するがランキンサイクル装置６は作動流体の応答性から時間遅れを伴う。また、発電機１５による発電力は零とする。即ち、加速する際、駆動力を減じることになるため車両の電子機器への電力供給はバッテリ１６から供給され、発電機１５による発電力は零とする。
【００２９】
時刻ｔ１からｔ２では、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力に応じてエンジン駆動力が減じられる。このように、エンジン駆動力を減じることができるため、より少ない燃料で走行が可能となる。
【００３０】
時刻ｔ２になると、ドライバは一定車速で走行する。このとき、ドライバはアクセルペダルを緩めスロットルを調整することで車両全体の駆動力を減らす。また、ランキンサイクル装置６は、作動流体の応答性から時間遅れを伴うのでエンジン１の駆動力を調整し一定走行を行なう。一定走行になり車両全体の駆動力負荷が減るので、発電機１５で電子機器への電力供給を行なうことでバッテリ１６の充電量が減らないよう発電量を制御する。
【００３１】
時刻ｔ３からｔ４では、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力と、エンジン駆動力と、発電機１５の発電力がバランスし、一定走行を行なう。
【００３２】
時刻ｔ４から時刻ｔ５では、ドライバはアクセルペダルを緩め、ブレーキペダルにより減速を開始する。このとき、エンジン１はタイヤから伝わる減速力により逆方向の駆動力が発生する。また、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力は時間遅れを伴うため、車両の減速要求に反して駆動力を発生し続ける。このとき、発電力を増加し、ランキンサイクル装置６で得られる膨張機１０の駆動力を発電機１５で電力に変換することにより、ランキンサイクル装置６で得られる動力を無駄なくエネルギー回生することが可能となる。
【００３３】
以上のように、ランキンサイクル装置６で得られる動力に関して膨張機１０をエンジン１の出力軸５と連結することで遊星歯車機構やベルト式無段変速などの動力伝達手段が不要となり、伝達効率を向上させることができる。また、冷媒ポンプ７と膨張機１０を一体ユニットとしたので、冷媒ポンプ７を駆動するモータなどが不要となり、ランキンサイクル装置６を搭載するために必要なスペースを小さくすることができる。
【００３４】
また、ランキンサイクル装置６で得られる動力を車両の駆動力が不足している場合は駆動力として用い、駆動力が十分な場合は発電力として用いることで、無駄なくエネルギー回生することが可能となる。
【００３５】
前記においては簡易的に説明したが、例えば、燃費を最小限にするという観点からランキンサイクル装置６で得られる回生エネルギーを利用してもよい。具体的には、走行に必要な駆動力に対してエンジン駆動力とランキンサイクル装置６より得られる膨張機１０の駆動力が、燃料消費量が少ない方向に動作点を変更することによりエネルギー回生してもよい。
【００３６】
なお、前記においては、出力軸５に対してベルト１４で発電機１５を連結した場合について説明したが、出力軸５に対してベルト１４で電動機を連結し、発電機として機能させてもよく、発電電動装置であればよい。
【００３７】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る排熱回生システムについて説明する。図４は、実施の形態２に係る排熱回生システムの構成を示す図で、好ましい形態の一つを示す概略構成図である。実施の形態１では、エンジン１の出力軸５にベルト１４で連結した発電機１５を用いて発電する形態について説明したが、実施の形態２は、図４に示すように、エンジン１と変速機４の間に電動機４１を連結し、この電動機４１に２次電池４２を電気的に接続して構成している。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。また、本来は電動機４１と２次電池４２の間にインバータが介在するが、この発明と直接関係ないため図示するのを省略している。
【００３８】
電動機４１は、２次電池４２の電力により駆動力を発生することが可能で、エンジン１の駆動力がない場合でも自立走行が可能な出力を出せる性能を有し、例えば出力１０ＫＷ以上の電動機４１で構成すれば、車両の自立走行は可能である。なお、２次電池４２は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池で構成される。２次電池４２の出力電圧は、１００Ｖ以上で容量は１ＫＷ以上あれば本実施の形態の効果を満たすことができる。
【００３９】
実施の形態１との大きな違いは、駆動力を発生させるものが、電動機４１、エンジン１、およびランキンサイクル装置６の膨張機１０の３つあることで、運転者からの駆動力の要求に基づきエンジン１の燃料消費量と２次電池４２の電力消費量に応じて運転状態を判定する。
【００４０】
例えば、必要な駆動力を発生するためにエンジン１で駆動すると燃料消費率の効率が悪い箇所、具体的には、エンジン回転数１２００ｒｐｍ以下、エンジン出力トルク２０Ｎｍ以下（これらの数値は車両に応じて決まる。）ではエンジン１を休止し、ランキンサイクル装置６の膨張機１０の駆動力と２次電池４２からの電力を用いて電動機４１の駆動力で車両を駆動する。また、この際、２次電池４２の容量が不足する場合は、エンジン１を燃焼消費効率の良い箇所、具体的にはエンジン回転数１８００ｒｐｍ、エンジン出力トルク１２０Ｎｍで運転し、ランキンサイクル装置６の膨張機１０の駆動力とエンジン１の駆動力を加算したものから余分な駆動力を電動機４１で発電し、２次電池４２に蓄電する。
【００４１】
以上のように、ランキンサイクル装置６で得られる動力に対してハイブリッド車両など駆動力を電動機４１で補える車両では、燃料消費量をより少なくするようにランキンサイクル装置６の膨張機１０の駆動力を利用することが可能となる。
【００４２】
なお、実施の形態２に示すハイブリッド車両では、電動機４１が１つのモータで駆動および発電の仕事を担う構成としたが、駆動用モータ、発電用モータの２つのモータを備えてもよい。この駆動用モータ、発電用モータを備えた場合には、モータを省エネルギーになるよう設計できるので、燃料消費量をより少なくすることが可能となる。
【００４３】
また、駆動用モータ、発電用モータの２つを備えた車両の場合、エンジン動力は直接変速機４と繋がっていない構成としてもよい。車両の駆動力は駆動用モータで行い、エンジン動力およびランキンサイクル装置６の膨張機１０の動力は発電機により電力に変換され、２次電池４２もしくは駆動用モータの電力に消費される。この場合、エンジン１の運転は燃料消費量が最も小さい運転状態で連続して運転され、ランキンサイクル装置６も安定した出力を発生することが可能となる。
【００４４】
以上、この発明の実施の形態を詳述したが、この発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行なうことが可能である。例えば、実施の形態１では膨張機１０と発電機１５との連結にベルト１４を用いたが、ベルと１４に代えてチェーンで連結してもよく、あるいは直結してもよい。また、実施の形態２では２次電池としてリチウムイオン電池やニッケル水素電池を例に挙げたが、同等の機能を有するキャパシタを用いてもよく、蓄電装置であれば実施は可能である。
【００４５】
更に、実施の形態２ではエンジン１と変速機４の間に電動機４１を連結した場合について説明したが、エンジン１と変速機４の間に発電機を接続し、電動機として機能させてもよく、発電電動装置であればよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  エンジン                            ２  冷却水回路
３  冷却水ポンプ                        ４  変速機
５  出力軸                              ６  ランキンサイクル装置
７  冷媒ポンプ                          ８  第１熱交換器
９  第２熱交換器                        １０  膨張機
１１  凝縮器                            １２  循環流路
１３  排気ガス流路                      １４  ベルト
１５  発電機                            １６  バッテリ
１７  バイパスバルブ                    １８  バイパス流路
４１  電動機                            ４２  ２次電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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