(57)【要約】【課題】始動時における暖房能力の向上を図るとともに、ランキンサイクルによるエネルギー回収効率を向上させる。【解決手段】エンジン１の冷却水循環路１０の空調用ヒータ１７の上流側に、冷却水を蓄熱するヒートストレージ１６を備えるとともに、エンジン１の排気と循環路を還流する作動流体との間で熱交換する第１の熱交換器３２と、ヒートストレージ１６の上流側から導入した冷却水と作動流体との間で熱交換する第２の熱交換器３３とを備えたランキンサイクルシステム３０と、ヒートストレージ１６の冷却水の入口を開閉する第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９と、ヒートストレージ１６の冷却水の出口を開閉する第３の開閉弁２０と、を備え、エンジン停止時またはエンジン始動時において、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９を閉作動させるとともに第３の開閉弁２０を開作動させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの冷却水循環路の空調用ヒータの上流側に設けられ、冷却水を蓄熱する蓄熱手段と、
前記エンジンの排気と循環路を還流する作動流体との間で熱交換する排気熱交換器と、
前記蓄熱手段の上流側から導入した冷却水と前記作動流体との間で熱交換する冷却水熱交換器とを備え、前記作動流体を介して前記エンジンの排気及び冷却水の熱を回収し動力に変換するランキンサイクル手段と、
前記蓄熱手段の冷却水の入口を開閉する入口開閉弁と、
前記蓄熱手段の冷却水の出口を開閉する出口開閉弁と、
エンジン停止時またはエンジン始動時において、前記入口開閉弁が閉作動するとともに前記出口開閉弁が開作動するように、前記入口開閉弁及び出口開閉弁を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする車両の廃熱回収装置。
【請求項２】
前記蓄熱手段における蓄熱量を検出する蓄熱量検出手段を設け、
前記制御手段は、前記蓄熱量検出手段により検出した蓄熱量が所定値以上である場合には前記入口開閉弁を閉作動するよう制御することを特徴とする請求項１に記載の車両の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記エンジンは、吸気通路に還流する排気を冷却する水冷式のＥＧＲクーラを備え、
前記冷却水熱交換器は、前記エンジンを通過した冷却水及び前記ＥＧＲクーラを通過した冷却水の夫々と前記作動流体との間で熱交換することを特徴とする請求項１または２に記載の車両の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記空調用ヒータの停止時には、前記出口開閉弁を閉作動させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の車両の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両の廃熱回収装置に係り、詳しくはランキンサイクルシステムを備えたエンジンの廃熱回収技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費向上を目的として、エンジンの廃熱を利用するランキンサイクルシステムを搭載した車両が提案されている。
ランキンサイクルシステムは、Ｒａ１３４等の作動流体を循環する循環路に、熱交換器、膨脹器を介装して構成されており、例えばエンジンの排気の熱エネルギーを熱交換器にて回収し、膨脹器にて動力に変換するシステムである。そして、この動力により例えば発電機を駆動することで、今まで廃棄していたエネルギーを有効活用することが可能となっている。
【０００３】
更に、膨脹器通過後の作動流体によってエンジンの冷却水を暖めることによって、膨脹器通過後の作動流体に残存する熱エネルギーを有効活用するシステムも開発されている。当該システムは、例えばランキンサイクルの膨脹器の後段に、空調用ヒータへ供給される冷却水との間で熱交換する熱交換器を備えている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４２６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のようにランキンサイクルシステムにおける廃熱をエンジン冷却水の加熱に利用したとしても、例えば冬季においてエンジン停止時やエンジン始動時のように排気温度が十分に上昇していない場合には、ランキンサイクルシステムから廃熱を供給してもエンジン冷却水を十分に加熱することができず、暖房能力を確保することが困難である。
【０００６】
また、夏期においては空調用ヒータが不要となる場合が多いので、上記のようにランキンサイクルシステムの廃熱によって冷却水を積極的に加熱させる必要性が低下し、むしろエンジン稼働時にランキンサイクルシステムを有効活用して動力としてエネルギーをより多く回収することが望まれる。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、始動時における暖房能力の向上を図るとともに、ランキンサイクルによるエネルギー回収効率を向上させる車両の廃熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、エンジンの冷却水循環路の空調用ヒータの上流側に設けられ、冷却水を蓄熱する蓄熱手段と、エンジンの排気と循環路を還流する作動流体との間で熱交換する排気熱交換器と、蓄熱手段の上流側から導入した冷却水と作動流体との間で熱交換する冷却水熱交換器とを備え、作動流体を介して前記エンジンの排気及び冷却水の熱を回収し動力に変換するランキンサイクル手段と、蓄熱手段の冷却水の入口を開閉する入口開閉弁と、蓄熱手段の冷却水の出口を開閉する出口開閉弁と、エンジン停止時またはエンジン始動時において、入口開閉弁が閉作動するとともに出口開閉弁が開作動するように、入口開閉弁及び出口開閉弁を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、蓄熱手段における蓄熱量を検出する蓄熱量検出手段を設け、制御手段は、蓄熱量検出手段により検出した蓄熱量が所定値以上である場合には入口開閉弁を閉作動するよう制御することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２において、エンジンは、吸気通路に還流する排気を冷却する水冷式のＥＧＲクーラを備え、冷却水熱交換器は、エンジンを通過した冷却水及びＥＧＲクーラを冷却した冷却水の夫々と前記作動流体との間で熱交換することを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、制御手段は、空調用ヒータの停止時には、出口開閉弁を閉作動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように請求項１の発明の車両の廃熱回収装置によれば、排気熱交換器により排気の熱を回収するとともに、冷却水熱交換器により冷却水の熱を夫々回収可能であるので、いずれの熱源からでも独立してランキンサイクル手段によって熱エネルギーを回収することができる。したがって、ランキンサイクル手段を効率的に活用することができ、エンジンの廃熱の回収率を向上させることができる。
【００１２】
また、蓄熱手段により冷却水の熱エネルギーを蓄えることができるので、エンジン始動時またはエンジン停止時に出口開閉弁が開作動することで、蓄熱手段に蓄えた熱エネルギーにより空調用ヒータを作動することができる。
特に、エンジン始動時においては、入口開閉弁が閉作動されることで、冷却水の蓄熱手段への流入が阻止されるので、低温の冷却水が蓄熱手段に流入することが防止され、蓄熱手段の温度低下を抑制することができる。したがって、エンジン始動時における空調用ヒータの性能を向上させることができる。
【００１３】
請求項２の発明の車両の廃熱回収装置によれば、蓄熱手段における蓄熱量が所定値以上である場合に、冷却水は蓄熱手段に流入しないので、その分冷却水熱交換器への冷却水への流入量が増加する。したがって、ランキンサイクル手段による熱回収率を向上させることができる。
【００１４】
請求項３の発明の車両の廃熱回収装置によれば、冷却水熱交換器は、エンジン本体を通過した冷却水及びＥＧＲクーラを冷却した冷却水のいずれにおいても作動流体と熱交換できるので、エンジンの廃熱をより効率的に回収することができる。
【００１５】
請求項４の発明の車両の廃熱回収装置によれば、空調用ヒータの停止時には、出口開閉弁を閉作動させることで、蓄熱手段からヒータへの冷却水の流入が防止されるので、蓄熱手段からの熱エネルギーの無駄な流出を防止することができ、廃熱の回収率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の廃熱回収装置の実施形態の構成図である。
【図２】エンジン運転時における各開閉弁の制御要領を示すフローチャートである。
【図３】エンジン停止時における各開閉弁の制御要領を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の廃熱回収装置の一実施形態を説明する。本発明の廃熱回収装置は、車両走行用のエンジン(以下、エンジン１という)の廃熱を回収し、動力に変換できるシステムである。
図１は本実施形態の廃熱回収装置の構成図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１には、ターボチャージャ２が備えられている。ターボチャージャ２は、エンジン１の吸気通路３に介装されたコンプレッサ４と排気通路５に介装されたタービン６とにより構成されている。コンプレッサ４の下流側の吸気通路３には、コンプレッサ４によって圧縮され高温化した吸気を冷却するインタークーラ７が備えられている。
【００１９】
また、エンジン１には、排気通路５から排気の一部を吸気通路３に還流するＥＧＲ流路８が備えられている。ＥＧＲ流路８には、その効果を向上させるために、還流する排気を冷却するＥＧＲクーラ９が備えられている。ＥＧＲクーラ９は、エンジン１の冷却水を用いて、還流する排気の冷却を行う。
図中破線で示すエンジン１の冷却水循環路１０は、メイン冷却水路１１、ヒータ用冷却水路１２、及びＥＧＲ用冷却水路１３を備えて構成されている。メイン冷却水路１１は、ラジエータ１４とエンジン１本体内との間を循環する流路である。ラジエータ１４の下流側のメイン冷却水路１１には、冷却水を循環させるためにポンプ１５が備えられている。
【００２０】
ヒータ用冷却水路１２は、エンジン１本体からラジエータ１４に向かうメイン冷却水路１１から分岐して、ヒートストレージ１６、空調用ヒータ１７を順番に通過し、ラジエータ１４に戻るように構成されている。ヒートストレージ１６は、例えば断熱材によって覆われた冷却水の貯留タンクであって、流入する高温の冷却水の熱エネルギーを貯留する機能を有する。空調用ヒータ１７は、車室内や車両のフロントガラスに向けて供給する空気を暖める機能を有する。
【００２１】
ＥＧＲ用冷却水路１３は、ポンプ１５の下流側で分岐してＥＧＲクーラ９を通過し、ヒートストレージ１６に接続する。
ヒートストレージ１６の冷却水入口には、ヒータ用冷却水路１２を開閉する第１の開閉弁１８と、ＥＧＲ用冷却水路１３を開閉する第２の開閉弁１９が設けられている。なお、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９は、本発明の入口開閉弁に該当する。ヒートストトレージ１６と空調用ヒータ１７との間には、ヒータ用冷却水路１２を開閉する第３の開閉弁２０(出口開閉弁)が設けられている。
【００２２】
車両には、ランキンサイクルシステム３０が搭載されている。ランキンサイクルシステム３０は、Ｒａ１３４等の作動流体が循環する循環路３１と、第１の熱交換器３２（排気熱交換器）、第２の熱交換器３３（冷却水熱交換器）、膨張器３４、凝縮器３５及びポンプ３６とを備えて構成されている。循環路３１には、第２の熱交換器３３、第１の熱交換器３２、膨張器３４、凝縮器３５及びポンプ３６の順番に介装されている。
【００２３】
第１の熱交換器３２は、エンジン１の排気を熱源として作動流体を加熱する機能を有する。第２の熱交換器３３は、第１の開閉弁１８の上流からエンジン本体通過後の冷却水を導入するとともに、第２の開閉弁１９の上流からＥＧＲクーラ９通過後の冷却水を導入し、これらの暖められた冷却水を熱源として作動流体を加熱する機能を有する。そして、第１の熱交換器３２及び第２の第２の熱交換器３３は、全体として作動流体を気化させる機能を有する。
【００２４】
膨脹器３４は、具体的には気化された作動流体によって駆動されるタービンであって、作動流体の熱エネルギーを動力（回転力）に変換する。凝縮器３５は、膨脹器３４通過後の作動流体を液化する機能を有する。ポンプ３６は、凝縮器３５通過後の作動流体を第１の熱交換器３２に圧送する機能を有する。
【００２５】
ランキンサイクルシステム３０は、ポンプ３６を駆動して循環路内で作動流体が循環することで、排気熱や冷却水の熱を動力として回収することが可能となる。膨脹器３４により例えば発電機を駆動することで動力を電気エネルギーとして利用したり、エンジン１の補助駆動力として利用したりすることができ、これによりエンジン１の負荷を低減させて燃費を向上させることが可能となる。
【００２６】
ヒートストレージ１６には、ヒートストレージ１６の温度、具体的には貯留された冷却水の温度を検出するヒートストレージ温度センサ４０（蓄熱量検出手段）が設けられている。ヒートストレージ温度センサ４０は、ヒートストレージ１６における蓄熱量を検出する本発明の蓄熱量検出手段に該当する。
また、エンジン１の排気通路５には、排気温度センサ４１が設けられている。更に、排気通路５から第１の熱交換器３２への排気の導入路４２には、当該導入路４２を開閉する第４の開閉弁４５が設けられている。
【００２７】
ＥＣＵ５０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）及び中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成される。
更に、本実施形態のＥＣＵ５０は、ヒートストレージ温度センサ４０、排気温度センサ４１、暖房スイッチの操作状況及びエンジン１の運転状況に基づいて、第１の開閉弁１８、第２の開閉弁１９、第３の開閉弁２０、第４の開閉弁４５、及びポンプ３６を作動制御する。
【００２８】
ＥＣＵ５０は、エンジン運転時には、ポンプ３６を駆動制御する。したがって、エンジン運転時には、ランキンサイクルシステム３０により排気、エンジン冷却水及びＥＧＲクーラ冷却水の廃熱からエネルギーが回収される。
図２、３は、ＥＣＵ５０における、第１の開閉弁１８、第２の開閉弁１９、第３の開閉弁２０及び第４の開閉弁４５の作動制御要領を示すフローチャートであり、図２はエンジン運転時、図３はエンジン停止時を示す。
【００２９】
図２に示す制御は、エンジン始動時に制御を開始し、エンジン運転中は実行を続ける。
まず、ステップＳ１０では、エンジン始動初期条件として、第１の開閉弁１８、第２の開閉弁１９、及び第３の開閉弁２０を閉作動させる。そして、ステップＳ２０に進む。
【００３０】
ステップＳ２０では、ヒートストレージ温度センサ４０からヒートストレージ１６の温度ＴHSを入力し、当該温度ＴHSが所定温度Ｔ1より低いか否かを判別する。所定温度Ｔ1は、空調用ヒータ１７を十分に作動可能な熱エネルギーを貯留しているか否かを判別可能な閾値に設定すればよい。ヒートストレージ１６の温度ＴHSが所定温度Ｔ1より低い場合には、ステップＳ３０に進む。
【００３１】
ステップＳ３０では、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９を閉作動させる。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、ヒートストレージ温度センサ４０から入力したヒートストレージ１６内の温度ＴHSが所定温度Ｔ1より高いか否かを判別する。ヒートストレージ１６内の温度ＴHSが所定温度Ｔ1より高い場合には、ステップＳ５０に進む。ヒートストレージ１６内の温度ＴHSが所定温度Ｔ1以下である場合には、ステップＳ３０に戻る。
【００３２】
ステップＳ５０では、暖房が開始されるか否かを判別する。具体的にはヒータスイッチがＯＮになっているか否か、あるいは車両の空調装置における作動制御信号により判断すればよい。暖房が開始される場合には、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ６０では、第３の開閉弁２０を開作動させる。そして、ステップＳ２０に戻る。
【００３３】
ステップＳ５０において暖房が開始されないと判定された場合には、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、第３の開閉弁２０を閉作動させる。そして、ステップＳ２０に戻る。
ステップＳ２０において、ヒートストレージ１６の温度ＴHSが所定温度Ｔ1以上であると判定された場合には、ステップＳ８０に進む。
【００３４】
ステップＳ８０では、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９を開作動させる。そして、ステップＳ９０に進む。
ステップＳ９０では、熱回収を開始するか否かを判別する。具体的には、排気温度センサ４１により検出した排気温度Ｔeが所定温度Ｔ2以上であるか否かを判別する。所定温度Ｔ2は、第１の熱交換器３２により排気から熱を回収可能か否かを判別可能となる閾値に設定すればよい。熱回収を開始する、即ち排気温度Ｔeが所定温度Ｔ2以上である場合には、ステップＳ１００に進む。
【００３５】
ステップＳ１００では、第４の開閉弁４５を開作動させ、排気を第１の熱交換器３２に導入する。そして、ステップＳ５０に進む。
ステップＳ９０において、熱回収を開始しない、即ち排気温度Ｔeが所定温度Ｔ2未満であると判定した場合には、ステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０では、第４の開閉弁４５を閉作動させる。そして、ステップＳ５０に進む。
【００３６】
次に、図３を用いて、エンジン停止時における各開閉弁１８、１９、２０の制御要領を説明する。
図３に示す制御は、エンジン停止時に制御を開始する。
始めに、ステップＳ２００では、エンジン停止初期条件として、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９を閉作動させる。そして、ステップＳ２１０に進む。
【００３７】
ステップＳ２１０では、前述のステップＳ５０のように、暖房を開始するか否かを判別する。暖房を開始する場合には、ステップＳ２２０に進む。
ステップＳ２２０では、第３の開閉弁２０を開作動させる。そして、ステップＳ２１０に戻る。
【００３８】
ステップＳ２１０において暖房が必要でないと判定された場合には、ステップＳ２３０に進む。
ステップＳ２３０では、第３の開閉弁２０を閉作動させる。そして、ステップＳ２１０に戻る。
【００３９】
以上のように制御することで、本実施形態では、エンジン始動直後に第１の開閉弁１８、第２の開閉弁１９及び第３の開閉弁２０が閉作動される。そして、ヒートストレージ１６の温度ＴHSが所定温度Ｔ1より低い場合には、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９を開作動させる。エンジン１の運転時間経過に伴って冷却水温度が上昇することで、ヒートストレージ１６の温度ＴHSも上昇する。そして、ヒートストレージ１６の温度ＴHSが所定温度Ｔ1より大きくなってから、暖房が必要である場合には第３の開閉弁２０が開作動する。これにより、ヒートストレージ１６に貯留している冷却水の熱エネルギーを利用して空調用ヒータ１７を作動させることが可能となる。暖房が不要な場合には、第３の開閉弁２０が閉作動するので、空調用ヒータ１７に不要な熱供給が行われず、ヒートストレージ１６の貯熱性を確保することができる。
【００４０】
エンジン停止時には、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９が閉作動され、暖房が必要な場合には第３の開閉弁２０が開作動するので、ヒートストレージ１６に貯留している冷却水の熱エネルギーを利用して空調用ヒータ１７を作動させることが可能となる。
【００４１】
したがって、停車時に例えばアイドリングストップしてもヒートストレージ１６を用いて空調用ヒータ１７を作動させることが可能なので、空調用ヒータ１７のためにエンジン１を作動させる必要がなく、燃費を向上させることができる。
ランキンサイクルシステム３０は、排気の熱を利用した第１の熱交換器３２と冷却水の熱を利用した第２の熱交換器３３を備えており、いずれの熱源を使用しても作動可能である。したがって、ランキンサイクルを効率的に作動させることができる。
【００４２】
また、本実施形態では、エンジン運転時において、ヒートストレージ１６の温度ＴHSが所定温度Ｔ1以上である場合には、第１の開閉弁１８及び第２の開閉弁１９が閉作動し、エンジン１本体及びＥＧＲクーラ９から空調用ヒータ１７への冷却水の流入が阻止されるので、第２の熱交換器３３に導かれる冷却水が増加する。よって、ヒートストレージ１６に十分に蓄熱され、空調用ヒータ１７の作動が確保される場合では、必要以上にヒートストレージ１６に熱エネルギーを供給して廃棄されることなく、ランキンサイクルシステム３０に導かれるので、廃熱の回収率を向上させることができる。
【００４３】
更に、ヒートストレージ１６の温度が所定温度Ｔ1以上である場合には、第３の開閉弁２０を閉じ、ヒートストレージ１６の熱を利用してエンジン１の吸気を暖めるように構成するとよい。このように構成すれば、冷態始動時に吸気温度を向上させることができ、暖気時間を短縮させることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１      エンジン
９      ＥＧＲクーラ
１０    冷却水循環路
１６    ヒートストレージ(蓄熱手段)
３２    第１の熱交換器（排気熱交換器）
３３    第２の熱交換器（冷却水熱交換器）
３０    ランキンサイクルシステム
１８    第１の開閉弁（入口開閉弁）
１９    第２の開閉弁（入口開閉弁）
２０    第３の開閉弁(出口開閉弁)
４０    ヒートストレージ温度センサ（蓄熱量検出手段）
【図１】
2011052662.tif 000003
【図２】
2011052662.tif 000004
【図３】
2011052662.tif 000005