JP5516433B2 - ランキンサイクルシステム装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から発生する廃熱を、蒸気を介して回収するランキンサイクルシステム装置に関する。

内燃機関の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。この種の廃熱回収装置は、例えば、内燃機関の水冷冷却系統を密閉構造とし、内燃機関における廃熱により気化した冷媒（蒸気）を用いて膨張器（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを機械的動力や電気エネルギーに変換して回収するものがある。例えば、特許文献１にこのような技術が開示されている。

また、内燃機関と電動機の両者を切り替えてまたは併用して駆動動力源として使用するハイブリッド車両（以下、単に「ハイブリッド車両」という）において、電動機及び電動機から動力を得るための機器から廃熱を回収するシステムが特許文献２、３に開示されている。特許文献２のヒートマネージメントシステムは、エンジン内を循環する第１冷媒と、Ｈ／Ｖモータと熱交換する第２冷媒と、の間で熱交換する。特許文献３の蓄熱システムは、内燃機関を冷却するシステムの冷媒が蓄えた廃熱と、車両の電気径部品を冷却するシステムの冷媒が蓄えた廃熱の一方を優先的に蓄熱タンクへ回収する。

特開２０１０−１３３２９９号公報 特開２００９−２０２７９４号公報 特開２００４−１３２１８９号公報

ところで、ランキンサイクルを利用して廃熱を回収する装置は、廃熱を回収して蒸気化した冷媒をエンジンへ再供給するため、蒸気化した冷媒を凝縮し、内燃機関を冷却するのに適した温度まで冷却する必要がある。冷媒の冷却には凝縮器（コンデンサ）が用いられ、冷却ファンによる強制的に供給される大気と冷媒が熱交換することにより、冷媒が冷却される。しかしながら、蒸気化した冷媒は温度が高く、冷媒を凝縮して所定の温度まで冷却するには、熱交換量も多くなるため、凝縮器や冷却用ファンを大型にしなければならない。このため、凝縮器を搭載するスペースが限られるとともに、廃熱回収装置自体の大型化を招く。また、大型の冷却ファンは消費電力も多く、燃費向上の面からも改善の余地がある。

そこで、本発明は、内燃機関から廃熱を得て蒸気化する冷媒を冷却する能力を向上し、凝縮器を小型にすることを目的とする。

かかる課題を解決する本発明のランキンサイクルシステム装置は、内燃機関と他の動力機関とを備えたハイブリッドシステムと、前記内燃機関内を循環し、前記内燃機関の廃熱により蒸気化する第１冷媒と、蒸気化した前記第１冷媒から廃熱のエネルギーを回収する廃熱回収機と、蒸気化した前記第１冷媒を冷却する凝縮器と、前記他の動力機関と熱交換する第２冷媒と、前記凝縮器において前記第１冷媒と前記第２冷媒とが熱交換する熱交換部と、前記第２冷媒の温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部が測定した前記第２冷媒の温度に基づいて、前記熱交換部へ前記第２冷媒を導入する制御部と、を備えている。

この構成により、第２冷媒が凝縮器へと供給されるため、蒸気化した第１冷媒は凝縮器において大気と熱交換するとともに、第２冷媒と熱交換することができる。このため、凝縮器において第１冷媒を冷却する能力が向上する。すなわち、凝縮器では、第１冷媒が第２冷媒と熱交換する分、第１冷媒の大気との熱交換量を減らすことができるため、凝縮器を小型化できる。

また、本発明の構成では、第２冷媒が第１冷媒から廃熱を得て昇温するため、第２冷媒と熱交換する他の動力機関を暖機することができる。他の動力機関が熱を受け取り早期に暖機することにより、他の動力機関の運転効率を向上できる。このような他の動力機関には、電動機、及び電動機とともにに組み込まれる周辺機器、例えばインバータや蓄電池を採用できる。

上記のランキンサイクルシステム装置において、前記制御部は、前記第２冷媒の温度が第１の所定温度未満の場合、前記熱交換部へ前記第２冷媒を導入する構成とすることができる。

第２冷媒の温度が低い場合には、第２冷媒が第１冷媒から持ち去る熱量も多く、冷却能力が高い。さらに、低温の第２冷媒が第１冷媒から得た熱により昇温するため、他の動力機関を暖機することができる。ここで、第１の所定温度は、他の動力機関が暖機完了する温度である。

上記のランキンサイクルシステム装置において、前記制御部は、前記凝縮器の出口における前記第１冷媒の温度が第２の所定温度以上の場合、前記熱交換部へ前記第２冷媒を導入する構成とすることができる。

第１冷媒は内燃機関から熱を得るだけでなく、内燃機関を適切に冷却することに用いられる。このため、第１冷媒を冷却する必要がある。第２冷媒を凝縮器へ供給し、第１冷媒から持ち去る熱量を増加する。これにより、第１冷媒が冷却されて、内燃機関を適切な温度に冷却できる。ここで、第２の所定温度は、内燃機関へ供給するのに適した温度の上限温度である。

本発明は、内燃機関と他の動力機関とを備えたハイブリッドシステムを備え、内燃機関内を循環する第１冷媒と、他の動力機関と熱交換する第２冷媒とが熱交換することにより、第１冷媒を冷却する能力が向上し、凝縮器を小型にすることができる。

実施形態に係るランキンサイクルシステム装置の概略構成を示した説明図である。 ランキンサイクルシステム装置の制御システムのブロック図である。 ランキンサイクルシステムの稼動中における冷媒の熱交換に関する制御のフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施形態に係るランキンサイクルシステム装置１の概略構成を示した説明図である。ランキンサイクルシステム装置１はハイブリッドシステム２を備えている。ハイブリッドシステム２は、内燃機関３と電動機４とを備え、内燃機関３と電動機４のいずれか一方を単独で駆動、または両方同時に駆動することにより動力源として機能する。電動機４はインバータ４１、ＨＶ（ハイブリッド）バッテリ４２とともに他の動力機関を構成する。このランキンサイクルシステム装置１は車両に搭載することができる。

内燃機関３内には、第１冷媒が循環する第１冷媒通路５が設けられている。第１冷媒は、内燃機関３内を循環し、内燃機関３を冷却するとともに、内燃機関３から発生する廃熱により蒸気化する。図中に示す矢印は第１冷媒の流れる方向を示している。ランキンサイクルシステム装置１は、廃熱回収機６を備えている。廃熱回収機６は、内燃機関３の廃熱により蒸気化した第１冷媒から廃熱のエネルギーを回収する。

また、ランキンサイクルシステム装置１内には、第２冷媒が循環する第２冷媒通路７が設けられている。第２冷媒は、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２と熱交換する。すなわち、第２冷媒は、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２へ熱を供給したり、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２から熱を回収して電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２を冷却したりする。また、第２冷媒は、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２のいずれか１つと熱交換する構成としてもよいし、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の他に、電動機４とともにハイブリッドシステム２に組み込まれる周辺機器と熱交換する構成としてもよい。

内燃機関３は内燃機関本体３０のシリンダブロック３０ａとシリンダヘッド３０ｂとを備えている。第１冷媒通路５は、シリンダブロック３０ａに形成されたブロック側ウォータジャケット３１ａとシリンダヘッド３０ｂに形成されたヘッド側ウォータジャケット３１ｂとを接続している。第１冷媒通路５内の第１冷媒は、ヘッド側ウォータジャケット３１ｂ側からブロック側ウォータジャケット３１ａへと流れる。第１冷媒通路５には上流側から順に、気液分離器３２、蒸発器３３、過熱器３４、廃熱回収機６、凝縮器３５、凝縮タンク３６、ベーン型ウォータポンプ３７、逆止弁３８、ウォータポンプ３９が配置されている。

ブロック側ウォータジャケット３１ａとヘッド側ウォータジャケット３１ｂ内の第１冷媒は、シリンダブロック３０ａ、シリンダヘッド３０ｂを冷却する。ウォータポンプ３９が作動すると、ブロック側ウォータジャケット３１ａ及びヘッド側ウォータジャケット３１ｂ内の第１冷媒は、気液分離器３２へ送られる。気液分離器３２は、第１冷媒を蒸気と液体とに分離する。気液分離器３２は、蒸発器３３と２本の通路５１、５２で接続されている。通路５１は気液分離器３２において分離された気体が通り、通路５２は気液分離器３２において分離された液体が通るように構成されている。通路５２には電磁弁５２１が設けられている。電磁弁５２１が開弁すると、通路５２を第１冷媒が流れる。これにより、蒸発器３３内の第１冷媒が不足した場合、気液分離器３２から供給できるように構成されている。

蒸発器３３は過熱器３４と連通されている。蒸発器３３と過熱器３４とは、内燃機関３から排出される排ガスと、第１冷媒とが熱交換するように構成されている。さらに具体的に構成を説明すると、排気管８が蒸発器３３内、過熱器３４内を通るように形成されている。蒸発器３３内の第１冷媒は排気ガスから熱を得て蒸気化する。蒸気化した第１ガスは過熱器３４へ送られる。過熱器３４内の蒸気化した第１冷媒は、排気ガスから熱を得て高温高圧の蒸気となる。過熱器３４は蒸発器３３よりも排気管８の上流側に配置されている。従って、過熱器３４内の第１冷媒は、蒸発器３３内の第１冷媒よりも高温の排気ガスと熱交換する。

過熱器３４内の高温高圧の蒸気は、次に、廃熱回収機６へと送られる。廃熱回収機６は、超音速ノズル６１、タービン６２、発電機６３、蓄電池６４を備えた廃熱回収用のユニットである。高温高圧の蒸気は超音速ノズル６１からタービン６２へと噴きつけられる。これにより、タービン６２が回転する。タービン６２が回転することにより、発電機６３で発電され、発生した電気は蓄電池６４に蓄えられる。こうして、廃熱回収機６は、内燃機関３の廃熱により蒸気化した第１冷媒からエネルギーを回収する。

凝縮器３５は、廃熱回収機６においてタービン６２の駆動後の蒸気を液体へと凝縮する。凝縮器３５は、細分化した通路へ第１冷媒を送り、大気との熱交換を促進することにより、第１冷媒を冷却する。また、凝縮器３５へ大気を強制的に供給する冷却ファン９が設けられている。また、凝縮器３５の第１冷媒の出口には、凝縮後の第１冷媒の温度を測定する第１温度センサ１０が設けられている。

凝縮器３５で液体へ凝縮した第１冷媒は、凝縮器３５の下流のヘッダタンク１１へ一時的に蓄えられた後、凝縮タンク３６へ送られる。凝縮タンク３６内の第１冷媒は、ベーン型ウォータポンプ３７によりウォータポンプ３９側へと供給される。さらに、第１冷媒はウォータポンプ３９により、ブロック側ウォータジャケット３１ａへと供給され、内燃機関３内を循環する。また、ベーン型ウォータポンプ３７は、気液分離器３２内の第１冷媒の量を調整するように作動する。また、ベーン型ウォータポンプ３７とウォータポンプ３９の間の逆止弁３８は、ベーン型ウォータポンプ３７へ第１冷媒が逆流することを防止する。

上記の通り、第１冷媒は内燃機関本体３０、及び内燃機関３の排ガスから廃熱を回収し、高温高圧の蒸気となる。廃熱回収機６は、この蒸気化した第１冷媒の熱エネルギーを電気エネルギーへと変換して回収する。蒸気化した第１冷媒は凝縮器３５において再び液体状態に凝縮される。凝縮された第１冷媒は、内燃機関３へ送られる。これにより第１冷媒は、ランキンサイクルシステム装置１内を循環する。従って、第１冷媒を作動流体とするランキンサイクルが構成されている。

第２冷媒通路７の一部には、熱交換管７１が形成されている。熱交換管７１は、凝縮器３５を通るように構成されている。熱交換管７１を通る第２冷媒は、凝縮器３５内の第１冷媒と熱交換する。熱交換管７１は、凝縮器３５において第１冷媒と第２冷媒とが熱交換する熱交換部として機能する。また、第２冷媒通路７には電動ポンプ７２が設けられている。また、第２冷媒通路７内の第２温度センサ７３が設けられている。第２温度センサ７３は、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の下流側に配置することができる。また、ハイブリッドシステム２には、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２を別途冷却する冷却系統（図示しない）が設けられている。

次に、ランキンサイクルシステム装置１の制御システム２０の構成について説明する。図２は制御システム２０のブロック図である。制御システム２０はＥＣＵ（Electronic Control Unit）２１を有する。ＥＣＵ２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、ハイブリッドシステム２、及び内燃機関３の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りして制御する。

特に、本実施形態では、ＥＣＵ２１は、第１温度センサ１０、第２温度センサ７３と電気的に接続されている。ＥＣＵ２１は第１温度センサ１０が計測する、凝縮器３５出口の第１冷媒の温度と、第２温度センサ７３が計測する、第２冷媒通路７内の第２冷媒の温度を取得する。また、ＥＣＵ２１は、電動ポンプ７２、冷却ファン９、電磁弁５２１と電気的に接続されており、ハイブリッドシステム２、及び内燃機関３の各種センサの取得する情報に基づいて、電動ポンプ７２、冷却ファン９の運転、停止や電磁弁５２１の開閉状態を制御する。特に、ＥＣＵ２１は、第２温度センサ７３が測定した第２冷媒の温度に基づいて、電動ポンプ７２へ駆動信号を送り、熱交換管７１へ第２冷媒を導入する制御を行う。

次に、ランキンサイクルシステムの稼動中における冷媒の熱交換に関する制御について図３を参照しつつ説明する。図３は、ランキンサイクルシステムの稼動中における冷媒の熱交換に関する制御のフローチャートである。この制御は、ＥＣＵ２１により行われる。なお、本制御が行われる条件では、第２冷媒は、第１冷媒よりも低い温度である。

ＥＣＵ２１はステップＳ１において、ランキンサイクルシステムが稼動中か否かを判断する。ＥＣＵ２１はステップＳ１でＹＥＳと判断する場合、すなわち、ランキンサイクルシステムが稼働している場合、ステップＳ２へ進む。ＥＣＵ２１はステップＳ２で、第１冷媒の温度Ｔ_１及び第２冷媒の温度Ｔ_２を検出する。第１冷媒の温度Ｔ_１は第１温度センサ１０が計測する、凝縮器３５出口における第１冷媒の温度である。第２冷媒の温度Ｔ_２は第２温度センサ７３が計測する、第２冷媒通路７内の第２冷媒の温度である。

ＥＣＵ２１は次に、ステップＳ３において、第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ａ未満か否かを判断する。この温度Ｔ_Ａは第１の所定温度である。温度Ｔ_Ａは、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の暖機が完了している温度である。従って、ステップＳ３の処理は、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の暖機が完了していて、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の充放電ができるか否かを判断する処理ともいえる。ＥＣＵ２１はステップＳ３でＹＥＳと判断する場合、すなわち、第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ａ未満である場合、ステップＳ４へ進む。

ＥＣＵ２１はステップＳ４で凝縮器３５へ第２冷媒を導入する。具体的には、電動ポンプ７２を駆動し、第２冷媒通路７の第２冷媒を流動させる。これにより、第２冷媒が熱交換管７１を通るため、第２冷媒と第１冷媒とが熱交換する。第２冷媒は第１冷媒から熱を受け取り昇温する。こうして温度の上昇した第２冷媒は電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２と熱交換するため、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の暖機を促進する。特に、冬季や寒冷地での始動時などの第２冷媒の温度が低い条件で、内燃機関３から得られた廃熱を電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の暖機に積極的に利用できる。また、インバータ４１やＨＶバッテリ４２が暖機することにより充放電が可能となるので、早期にインバータ４１やＨＶバッテリ４２を暖機することにより燃費を向上することができる。ＥＣＵ２１はステップＳ４を終えると、リターンとなる。

ＥＣＵ２１はステップＳ３でＮＯと判断する場合、すなわち、第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ａ以上である場合、ステップＳ５へ進む。ＥＣＵ２１はステップＳ５で、第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ｂ（Ｔ_Ｂ＞Ｔ_Ａ）未満か否かを判断する。温度Ｔ_Ｂは、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の稼働可能な上限温度である。ＥＣＵ２１はステップＳ５でＹＥＳと判断する場合、すなわち、第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ｂ未満である場合、ステップＳ６へ進む。

ＥＣＵ２１はステップＳ６で、第１冷媒の温度Ｔ_１が温度Ｔ_Ｃ以上か否かを判断する。この温度Ｔ_Ｃは第２の所定温度である。温度Ｔ_Ｃは内燃機関３へ供給するのに適した第１冷媒の温度の上限温度である。ＥＣＵ２１はステップＳ６でＹＥＳと判断する場合、すなわち、第１冷媒の温度Ｔ_１が温度Ｔ_Ｃ以上である場合、ステップＳ４へ進む。ステップＳ６でＹＥＳと判断される場合では、第１冷媒の温度Ｔ_１が適温の上限温度以上であり、第２冷媒の温度Ｔ_２が電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の稼働可能温度の上限温度未満である。このとき、第２冷媒は熱を受け取る容量に余裕がある。従って、第２冷媒を凝縮器３５へ導入することにより、第１冷媒と第２冷媒とが熱交換し、第１冷媒を冷却することができる。これにより、凝縮器３５を適切な温度に冷却することができる。特に、第２冷媒の温度が低い場合には、第２冷媒が第１冷媒から持ち去る熱量も多くなるため、高い冷却能力を得ることができる。ここでの処理は、連続して高負荷運転が行われる状況において、冷却ファン９のみによる凝縮器３５の冷却能力が不足する場合に、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の温度が上限温度以下であって、受熱量に余裕がある場合に効果がある。第２冷媒により第１冷媒を冷却することによりランキンサイクルシステムの効率も向上できる。

一方、ＥＣＵ２１はステップＳ５でＮＯと判断する場合、すなわち、第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ｂ以上である場合、ステップＳ７へ進む。ＥＣＵ２１はステップＳ７で、凝縮器３５への第２冷媒の導入を停止する。具体的には、電動ポンプ７２の運転を停止する。これにより、第２冷媒通路７における第２冷媒の流動が停止し、熱交換管７１における第１冷媒と第２冷媒との熱交換が停止する。第２冷媒の温度Ｔ_２が温度Ｔ_Ｂ以上である場合は、第２冷媒が熱を受け取る容量に余裕がないため、第１冷媒と第２冷媒との間の熱交換を抑制する。このため、第１冷媒と第２冷媒との熱交換を停止する。

また、ＥＣＵ２１はステップＳ６でＮＯと判断する場合、すなわち、第１冷媒の温度Ｔ_１が温度Ｔ_Ｃ未満である場合、ステップＳ７へ進む。ステップＳ６でＮＯと判断される場合では、第２冷媒は熱を受け取る容量に余裕があるが、第１冷媒の温度Ｔ_１が適温の状態にあるため、冷却の必要がない。従って、第１冷媒と第２冷媒との熱交換を停止する。ＥＣＵ２１はステップＳ７を終えるとリターンとなる。また、ＥＣＵ２１はステップＳ１でＮＯと判断する場合にもリターンとなる。さらに、このような本制御処理とは別途、適宜冷却ファン９が運転されて第１冷媒の冷却が行われている。また、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２も別途冷却系統により適宜冷却されて、運転に適切な温度に維持される。

上記の構成、及び制御により、ランキンサイクルシステム装置１は、第２冷媒を凝縮器３５へ供給し、蒸気化した第１冷媒と熱交換させる。これにより、凝縮器３５の第１冷媒を冷却する能力が向上する。さらに、第１冷媒が第２冷媒と熱交換する分、凝縮器３５において、第１冷媒と大気との熱交換量を減らすことができるため、凝縮器３５を小型化することができる。また、凝縮器３５へ供給する大気の流量も減らせるため、大気を強制的に凝縮器３５へ供給する冷却ファン９を小型化、省電力化することができる。

また、第２冷媒は第１冷媒を冷却する代わりに、第１冷媒から熱を受け取り昇温する。このように温度の上昇した第２冷媒が冷間始動時の電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２を暖機することができる。従って、凝縮器３５の冷却能力を向上するとともに、電動機４、インバータ４１、ＨＶバッテリ４２の早期稼働を可能とし、燃費を向上できる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。上記実施例では、他の動力機関は電動機と電動機とともに組み込まれる周辺機器としているが、他の動力機関は、上記の構成に限られず、他の動力機関であって、熱交換を行うことができるものを含む。

１ ランキンサイクルシステム装置
２ ハイブリッドシステム
３ 内燃機関
４ 電動機（他の動力機関の一部）
５ 第１冷媒通路
６ 廃熱回収機
７ 第２冷媒通路
９ 冷却ファン
１０ 第１温度センサ
２１ ＥＣＵ（制御部）
３５ 凝縮器
４１ インバータ（他の動力機関の一部）
４２ ＨＶバッテリ（他の動力機関の一部）
７１ 熱交換管（熱交換部）
７３ 第２温度センサ（温度測定部）

Claims (3)

1. 内燃機関と他の動力機関とを備えたハイブリッドシステムと、
   前記内燃機関内を循環し、前記内燃機関の廃熱により蒸気化する第１冷媒と、
   蒸気化した前記第１冷媒から廃熱のエネルギーを回収する廃熱回収機と、
   蒸気化した前記第１冷媒を冷却する凝縮器と、
   前記他の動力機関と熱交換する第２冷媒と、
   前記凝縮器において前記第１冷媒と前記第２冷媒とが熱交換する熱交換部と、
   前記第２冷媒の温度を測定する温度測定部と、
   前記温度測定部が測定した前記第２冷媒の温度に基づいて、前記熱交換部へ前記第２冷媒を導入する制御部と、
   を備えたランキンサイクルシステム装置。
2. 前記制御部は、前記第２冷媒の温度が第１の所定温度未満の場合、前記熱交換部へ前記第２冷媒を導入する請求項１記載のランキンサイクルシステム装置。
3. 前記制御部は、前記凝縮器の出口における前記第１冷媒の温度が第２の所定温度以上の場合、前記熱交換部へ前記第２冷媒を導入する請求項１または２記載のランキンサイクルシステム装置。

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