(57)【要約】【課題】エンジン１０の停止後において、高温ボイラ３４及び作動流体の温度上昇及び膨張機３６の回転数の暴走を防止しつつ、ランキンサイクル回路３０を早期に停止させることができる廃熱回生システム１００を提供することを課題とする。【解決手段】廃熱回生システム１００は、ポンプ３２、高温ボイラ３４、膨張機３６、およびコンデンサ３８を有するランキンサイクル回路３０と、膨張機３６をバイパスし、開閉弁３３を有する膨張機バイパス流路３１と、エンジン１０の作動停止時において、開閉弁３３を開状態にして冷媒を膨張機バイパス流路３１に流通させるとともに、ポンプ３２にアイドリング状態時よりも多い流量の冷媒を圧送させる制御手段６０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両のエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムであって、
作動流体を圧送するポンプ、前記廃熱によって前記作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラによって加熱された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、および膨張後の前記作動流体を冷却凝縮させるコンデンサが順次連結されて構成されるランキンサイクル回路と、
前記ボイラの下流側かつ前記膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続する膨張機バイパス流路と、
前記膨張機バイパス流路への前記作動流体の流入の有無を制御する膨張機バイパス流路制御手段と、
前記エンジンの作動停止時において、前記膨張機バイパス流路制御手段に前記作動流体を前記膨張機バイパス流路に流通させるとともに、前記ポンプに前記エンジンのアイドリング状態時よりも多い流量の前記作動流体を圧送させる制御手段とを備える廃熱回生システム。
【請求項２】
前記ボイラの下流側かつ前記コンデンサの上流側に設けられた作動流体検出手段を備え、
該作動流体検出手段は前記ボイラの出口における前記作動流体の状態を検出し、
前記制御手段は、前記作動流体の状態に基づいて、前記ポンプに前記作動流体の圧送を停止させる請求項１に記載の廃熱回生システム。
【請求項３】
前記作動流体検出手段が検出する前記作動流体の状態は温度である請求項２に記載の廃熱回生システム。
【請求項４】
前記ボイラは、前記ポンプの下流側に設けられた高温ボイラと、前記ポンプと前記高温ボイラとの間に設けられ、前記高温ボイラよりも低温の熱媒体と作動流体との間で熱交換する低温ボイラとからなり、
前記ポンプの下流側かつ前記低温ボイラの上流側に設けられた第１分岐点と、前記低温ボイラの下流側かつ前記高温ボイラの上流側に設けられた第２分岐点とを接続する低温ボイラバイパス流路と、
前記低温ボイラバイパス流路への前記作動流体の流入の有無を制御する低温ボイラバイパス流路制御手段と備え、
前記低温ボイラバイパス流路制御手段は前記エンジンの作動停止時に前記低温ボイラバイパス流路制御手段に前記作動流体を前記低温ボイラバイパス流路に流通させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
【請求項５】
前記コンデンサはコンデンサファンを有し、
前記制御手段は、前記エンジンの作動停止時に該コンデンサファンを作動させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱するボイラと、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次接続されて閉回路を形成している。
【０００３】
通常、車両に搭載される廃熱回生システムでは、エンジンが停止した時は、ランキンサイクルの作動を停止し、膨張機での機械的エネルギーの回収は行わない。しかし、ボイラの内部に残存する高温・高圧蒸気により膨張機を無負荷で自由回転（フリーラン）させると膨張機の回転数が急上昇して、膨張機にダメージを与える可能性がある。また、エンジン停止直後にランキンサイクルの作動を停止すると、作動流体がランキンサイクル回路を循環しなくなるのでボイラに滞留する。そのため、ボイラに残る余熱によって作動流体や作動流体に含まれるオイルが過熱され、熱分解したり炭化したりする可能性がある。
【０００４】
特許文献１のランキンサイクル装置では、エンジンが停止した後もランキンサイクル装置の運転を継続し、機械的エネルギーを回収するために膨張機に負荷をかけ続けるため、膨張機の回転数が暴走することを防ぐことができる。すなわち、ボイラへの作動流体としての水を供給し続けることで蒸気の発生を継続し、膨張機に蒸気を流入させ続ける。このときの給水量はボイラの内部エネルギーの減少に応じて減少させる。そして作動流体の蒸気温度及び蒸気圧力が、膨張機が出力を発生しないような温度及び圧力になった場合に、ランキンサイクル装置の運転を停止する。
【０００５】
特許文献２の排熱回生システムでは、コンデンサをボイラの鉛直上方に設けるとともに、エンジン停止時にバイパス流路を開通させ、コンデンサとボイラとの間でヒートポンプサイクルをつくる。すなわち、コンデンサで液化した作動流体が重力によってバイパス流路を経由してボイラへ移動し、ボイラで気化した作動流体がバイパス流路を経由して再びコンデンサへ戻る閉回路を形成する。従って、エンジン停止後もヒートポンプサイクルによってボイラに作動流体が循環し続け、ボイラにおける作動流体の高温化が防止されるため、ポンプへの電力供給を早期に停止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２５００７５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のランキンサイクル装置では、膨張機に機械的エネルギーを回収するための負荷を与え続けることで暴走は防止されるが、作動流体の温度・圧力が、膨張機が出力を発生しない程度の値になるまで運転を継続する必要がある。また、作動流体の流量をボイラの内部エネルギーに応じて徐々に減少させるため、作動流体の温度を低下させるのに、更に時間がかかる。そのため、ランキンサイクル装置を早期に停止することができない。また、エンジン停止後にランキンサイクル装置が長時間作動することに対しユーザーが違和感を感じる。
【０００８】
一方、特許文献２では、エンジン停止直後にランキンサイクル回路の動作を停止させることができるが、エンジン停止時のボイラは高温でかつ熱容量も大きいため、ヒートパイプサイクルで循環できる流量では、作動流体とオイルの高温化を防ぐには不十分である。
【０００９】
この発明はこのような問題を解決するため、エンジン停止後において、ボイラ及び作動流体の温度上昇及び膨張機の回転数の暴走を防止しつつ、ランキンサイクル回路の動作を早期に停止させることができる廃熱回生システム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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、車両のエンジンの廃熱を利用するものであって、作動流体を圧送するポンプ、廃熱によって作動流体を加熱するボイラ、ボイラによって加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、および膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサが順次連結されて構成されるランキンサイクル回路と、ボイラの下流側かつ膨張機の上流側に設けられ、膨張機の入口における作動流体の状態を検出する作動流体検出手段と、作動流体検出手段の下流側かつ膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と膨張機の下流側かつコンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続する膨張機バイパス流路と、膨張機バイパス流路への作動流体の流入の有無を制御する膨張機バイパス流路制御手段と、エンジンの作動停止時において、膨張機バイパス流路制御手段に作動流体を膨張機バイパス流路に流通させる制御手段とを備える。これによって、膨張機をバイパスして、アイドリング状態時よりも多い流量の作動流体を圧送することができる。
【００１１】
この発明に係る廃熱回生システムは、ボイラの下流側かつコンデンサの上流側に設けられた作動流体検出手段を備え、作動流体検出手段はボイラの出口における作動流体の状態を検出し、制御手段は、作動流体の状態に基づいて、ポンプに作動流体の圧送を停止させることもできる。
【００１２】
作動流体検出手段が検出する前記作動流体の状態は温度であってもよい。
【００１３】
この発明に係る廃熱回生システムはさらに、ボイラは、ポンプの下流側に設けられた高温ボイラと、ポンプと高温ボイラとの間に設けられ、高温ボイラよりも低温の熱媒体と作動流体との間で熱交換する低温ボイラからなり、ポンプの下流側かつ低温ボイラの上流側に設けられた第１分岐点と、低温ボイラの下流側かつ高温ボイラの上流側に設けられた第２分岐点とを接続する低温ボイラバイパス流路と、低温ボイラバイパス流路への作動流体の流入の有無を制御する低温ボイラバイパス流路制御手段とを備え、低温ボイラバイパス流路制御手段はエンジンの作動停止時に低温ボイラバイパス流路制御手段に作動流体を低温ボイラバイパス流路に流通させることもできる。
【００１４】
コンデンサはコンデンサファンを有し、制御手段は、エンジンの作動停止時にコンデンサファンを作動させてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明による廃熱回生システムによれば、エンジン停止後において、ボイラ及び作動流体の温度上昇及び膨張機の回転数の暴走を防止しつつ、ランキンサイクル回路を早期に停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図２】図１のランキンサイクル回路の制御を示すフローチャートである。
【図３】図１のランキンサイクル回路における冷媒流量の変化を示すグラフである。
【図４】この発明の実施形態２に係る廃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】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００は、ポンプ３２と、ボイラとしての高温ボイラ３４と、膨張機３６と、コンデンサ３８とを有し、これらは順次連結して閉回路であるランキンサイクル回路３０を構成する。ポンプ３２はモータ３５と接続している。高温ボイラ３４の下流側かつ膨張機３６の上流側には温度センサ３７が設けられている。温度センサ３７の下流側かつ膨張機３６の上流側の第１分岐点３１ａには、膨張機バイパス流路３１の一端が接続されており、膨張機バイパス流路３１の他端は、膨張機３６の下流側かつコンデンサ３８の上流側の第２分岐点３１ｂに接続されている。膨張機バイパス流路３１の途中には膨張機側開閉弁３３が設けられている。
【００１８】
ポンプ３２はモータ３５によって駆動され、廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル回路３０内の作動流体としての冷媒を圧送する。モータ３５はＥＣＵ６０と電気的に接続されており、ＥＣＵ６０の指示に応じて回転数を変化させることにより、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を適宜増減させることができる。高温ボイラ３４にはエンジン１０からの排気ガスが供給されており、排気ガスと冷媒とを熱交換させて冷媒を加熱する。膨張機３６は、高温ボイラ３４において加熱されて気化した冷媒を膨張させて機械的エネルギーを発生させる。コンデンサ３８は、気化した状態の冷媒を外気と熱交換させて冷却凝縮させる。
【００１９】
ＥＣＵ６０は、エンジン作動状態検出器６１、膨張機側開閉弁３３、モータ３５及び温度センサ３７に電気的に接続されている。ＥＣＵ６０は、エンジン作動状態検出器６１及び温度センサ３７から取得される情報に基づいて、膨張機側開閉弁３３の開閉及びモータ３５の回転を制御する。エンジン作動状態検出器６１は、エンジン１０に取り付けられ、エンジンの作動状態（エンジン１０が作動しているか否か）を検出する。ここで、エンジン作動状態検出器６１は、エンジン１０の回転数を検出する回転センサである。
【００２０】
また、エンジン１０は駆動軸４２を有し、膨張機３６は駆動軸４３を有する。ベルト４１はエンジン１０の駆動軸４２と、膨張機３６の駆動軸４３とを接続し、膨張機３６が発生させた機械的エネルギー（膨張機出力）を駆動軸４２に伝達する。
【００２１】
エンジン１０には排気管１１が連結され、エンジン１０から発生した排気ガスは排気管１１を通って車外へ排気される。排気管１１の途中には高温ボイラ３４が設けられる。高温ボイラ３４において、排気管１１を流通する排気ガスとランキンサイクル回路３０内を流通する冷媒とが熱交換される。即ち、ランキンサイクル回路３０内の冷媒が排気ガスの廃熱によって加熱される。
【００２２】
この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について、図１及び２を参照して説明する。
この発明の実施の形態１に係るＥＣＵ６０のフローチャートを図２に示す。
まず、ステップＳ１にてＥＣＵ６０は、エンジン作動状態検出器６１からの情報に基づいて、エンジン１０が作動しているか否かについて判定する。なお、「エンジンの作動時」とは、エンジン回転数がアイドル状態時の回転数と同程度又はそれ以上の回転数の時をいう。
【００２３】
エンジン１０が作動している場合は、ステップＳ６にすすみ、車両がアイドリング状態か否かについて判定し、アイドリング状態の場合は膨張機側開閉弁３３を開状態とする（ステップＳ７）。すなわち、アイドリング状態の場合は、膨張機出力の発生が不要なため、膨張機３６をバイパスして冷媒を膨張機バイパス流路３１に流通させる。この際、膨張機３６の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差圧が０になるため、膨張機３６による膨張機出力は発生しない。次にステップＳ８において、高温ボイラ３４において冷媒が過熱されないように、ポンプ３２が圧送する冷媒流量（Ｑ２）をＥＣＵ６０によって調整する。
【００２４】
また、通常の走行時においては膨張機側開閉弁３３を閉状態とする（ステップＳ９）。次に、ステップＳ１０において、膨張機３６において必要な膨張機出力が発生するように、ポンプ３２が圧送する冷媒流量（Ｑ１）を調整する。膨張機出力は、膨張機３６の駆動軸４３及びベルト４１を介して、エンジン１０の駆動軸４２に伝達される。
【００２５】
一方、エンジン１０を止めた時、すなわちエンジン１０の作動停止時は、ステップＳ７と同様に、膨張機バイパス流路３１上の膨張機側開閉弁３３を開状態にし、膨張機バイパス流路３１へ冷媒を流入させる（ステップＳ２）。この際、膨張機３６の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差圧が０になるため、膨張機３６による膨張機出力は発生していない状態となる。
【００２６】
次に、ステップＳ３においてＥＣＵ６０はモータ３５の回転数を増加させることにより、ポンプ３２が圧送する冷媒流量を増加させ、アイドリング時の冷媒流量Ｑ２より多い流量Ｑ３を維持する（図３参照）。冷媒流量を増加させることによって高温ボイラ３４をより早く冷却することができる。
【００２７】
次に、ステップＳ４においてＥＣＵ６０は高温ボイラ３４の出口における冷媒温度Ｔを判定する。ここで、冷媒温度Ｔが所定温度ｔ以下の場合、ＥＣＵ６０はポンプ３２の作動を停止させる。所定温度ｔは、高温ボイラ３４において滞留する冷媒を高温化させることなく、ランキンサイクル回路３０の動作を停止することができると判断される温度の上限値である。
【００２８】
次に、この発明の実施形態１に係る廃熱回生システム１００における冷媒流量の変化について図３を参照して説明する。図３は、この発明の実施形態１に係るランキンサイクル回路内の冷媒の流量の変化を表したグラフである。
エンジン１０の作動時かつ膨張機出力が必要な時ＡＯＮにおいて、ポンプ３２は通常制御流量Ｑ１の冷媒を圧送する。ここで、通常制御流量Ｑ1とは、エンジン１０の作動時かつ膨張機出力が必要な時ＡＯＮにおいて膨張機３６が吸入する冷媒を狙いの状態、すなわち必要な膨張機出力が得られる状態（温度）に維持するために必要な冷媒流量である。また、エンジン１０が作動しておりかつ膨張機出力が不要な時Ａｉ（アイドリング時）は、ポンプ３２はアイドリング時流量Ｑ２の冷媒を圧送する。アイドリング時流量Ｑ２は、エンジン１０の作動時かつ膨張機出力不要時Ａｉにおいて高温ボイラ３４及び冷媒が過熱されないようにするために必要な冷媒流量である。アイドリング時流量Ｑ２は通常制御流量Ｑ１よりも小さくなる。なお、アイドリング時Ａｉとは、車両が信号待ち等の時にアイドリング状態となった時である。次に、エンジン１０の停止時ＡＯＦＦ以降においては、ポンプ３２はエンジン停止後流量Ｑ３の冷媒を圧送する。エンジン１０はアイドリング時Ａｉを経てエンジン１０の作動を停止するが、冷媒流量はエンジン１０の停止と同時に増加する。すなわち、エンジン停止後流量Ｑ３はアイドリング時流量Ｑ２よりも大きくなる。
【００２９】
以上説明したように、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、エンジン１０の停止後に膨張機バイパス流路３１に冷媒を流通させることで、ランキンサイクル回路３０内の冷媒の循環をしばらく止めずにいることができる。そのため、高温ボイラ３４の余熱で冷媒や冷媒中のオイルが高温になることを防ぐことができる。また、膨張機バイパス流路３１を開通させることで、膨張機３６の前後の差圧が０になるため、膨張機３６の出力が発生せず、膨張機３６の回転数が暴走することを防ぐこともできる。さらに、エンジン１０の停止後、冷媒流量を増加させることで高温ボイラ３４の冷却を早め、早期にランキンサイクル回路３０の動作を停止させることができる。
【００３０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図４に示す。
実施の形態２に係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、ボイラとして低温ボイラ７４を追加した上で、更に低温ボイラバイパス流路７１、低温ボイラ側開閉弁７３、冷却水回路１７及びコンデンサファン３９を追加したものである。ランキンサイクル回路３０上において、低温ボイラ７４は、ポンプ３２の下流側かつ高温ボイラ３４の上流側に設けられている。低温ボイラ７４は、エンジン１０の冷却水回路１７を流通するエンジン冷却用の冷却水と冷媒とを流通させて互いに熱交換させ、エンジン１０からの廃熱によって冷媒を加熱することができる。なお、低温ボイラ７４におけるエンジン冷却用の冷却水の温度は、高温ボイラ３４における排気ガスの温度よりも低温である。また、ポンプ３２の下流側かつ低温ボイラ７４の上流側の第１分岐点７１ａには、低温ボイラバイパス流路７１の一端が接続されており、低温ボイラバイパス流路７１の他端は、低温ボイラ７４の下流側かつ高温ボイラ３４の上流側の第２分岐点７１ｂに接続されている。低温ボイラバイパス流路７１の途中には低温ボイラ側開閉弁７３が設けられ、ＥＣＵ６０と電気的に接続している。
またさらに、ランキンサイクル回路３０上のコンデンサ３８に隣接して、コンデンサ３８に外気を送り込むためのコンデンサファン３９が設けられる。
なお、以降の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
廃熱回生システム２００の動作については、ＥＣＵ６０の制御は、実施形態１におけるＥＣＵ６０の制御とほぼ同じである。但し、廃熱回生システム２００では、ステップＳ２に該当する制御において、膨張機側開閉弁３３とともに低温ボイラ側開閉弁７３を開状態にし、かつコンデンサファン３９を作動状態にする。
また、廃熱回生システム２００における冷媒流量の変化についても、図３と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００３２】
廃熱回生システム２００によれば、エンジン１０の停止後に冷媒を低温ボイラバイパス流路７１に流入させ、低温ボイラ７４で冷媒が冷却水と熱交換しないようにすることにより、より効率よく高温ボイラ３４を冷却することができる。また、コンデンサファン３９により、ランキンサイクル回路３０内を循環する冷媒温度を低く維持できるため、より早期に高温ボイラの冷却をすることができる。
【００３３】
実施の形態１及び２において、温度センサ３７の替わりに圧力センサを用いて検出された冷媒の圧力に基づいて冷媒の流量を調整してもよい。また、温度センサと圧力センサを組み合わせて、冷媒の温度及び圧力の両方を検出し、検出された温度及び圧力に基づいて冷媒の流量を調整することができる。
また、実施形態１及び２では冷媒温度Ｔに基づいてポンプ３２の動作を停止させるが、これに限られず、エンジン１０の停止後一定の時間が経過した時にポンプ３２の動作を停止させてもよい。
さらにまた、膨張機バイパス流路３１及び低温ボイラバイパス流路７１への冷媒の流入を制御する弁は、開閉弁３３、７３に限られず、第１分岐点３１ａ、７１ａにおいて三方弁を設けてもよい。
実施の形態１及び２において、エンジン１０がアイドリング状態にあるときに、ステップ７において膨張機側開閉弁３３を開いて膨張機３６の出力を発生させないようにしているが、膨張機側開閉弁３３を閉じて膨張機３６の出力を発生させるようにしてもよい。
作動流体検出手段としての温度センサや圧力センサは、高温ボイラ３４の出口からコンデンサ３８の入口までの間の適宜の箇所に設けてもよい。
ＥＣＵ６０がエンジン作動状態検出器６１によりエンジン１０の回転数を検出するのに代えて、ＥＣＵ６０はエンジンＥＣＵからエンジン回転数情報を得るようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１００，２００  廃熱回生システム、１０  エンジン、３０  ランキンサイクル回路、３１  膨張機バイパス流路、３２  ポンプ、３３  膨張機側開閉弁（膨張機バイパス流路制御手段）、３４  高温ボイラ（ボイラ）、３６  膨張機、３７  温度センサ（作動流体検出手段）、３８  コンデンサ、３９  コンデンサファン、６０  ＥＣＵ（制御手段）、７１  低温ボイラバイパス流路、７３  低温ボイラ側開閉弁（低温ボイラバイパス流路制御手段）、７４  低温ボイラ（ボイラ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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