CN103890326B - 发动机废热利用装置 - Google Patents

Abstract

发动机废热利用装置包含朗肯循环（31）和冷却水通路（13、14），该朗肯循环具有使发动机（2）输出的冷却水流过而将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器（36）、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机（37）、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器（38）、将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵（32），该冷却水通路在朗肯循环运行时，使与朗肯循环没有运行时相比更高温的冷却水流过。

Description

发动机废热利用装置

技术领域

本发明涉及一种具有朗肯循环的发动机废热利用装置。

背景技术

日本特许厅2009年发行的JP2009－264353A的朗肯循环，将发动机的废热回收，该发动机在通过散热器的冷却水通路、和绕过散热器的旁通通路的合流部处，设置机械式的恒温器阀。

发明内容

然而，在JP2009－264353A中，针对与朗肯循环运行、不运行相关而如何设定冷却水温度，完全没有记载。

本发明是着眼于上述的现有问题而提出的。本发明的目的是提供一种发动机废热利用装置，其在使朗肯循环运行时，可使膨胀机的热回收效率提高。

本发明的一个方式的发动机废热利用装置包含朗肯循环和冷却水通路，该朗肯循环具有使从发动机输出的冷却水流过而将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器、将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵，该冷却水通路在朗肯循环运行时，使与朗肯循环没有运行时相比更高温的冷却水流过。

本发明的实施方式、本发明的优点，与添加的附图一起在下面进行详细地说明。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图。

图2A是将泵以及膨胀机一体化的膨胀机泵的概略剖面图。

图2B是冷媒泵的概略剖面图。

图2C是膨胀机的概略剖面图。

图3是表示冷媒类阀的功能的概略图。

图4是混合动力车辆的概略结构图。

图5是发动机的概略斜视图。

图6是从下方观察混合动力车辆的概略图。

图7A是朗肯循环运行区域的特性图。

图7B是朗肯循环运行区域的特性图。

图8是表示在通过膨胀机扭矩对发动机输出轴的旋转进行辅助的中途，混合动力车辆1进行加速时的状态的时序图。

图9是表示朗肯循环从运行停止再次起动的状态的时序图。

图10是从图1中主要将发动机冷却水回路提取出而进行表示的概略图。

图11是朗肯循环运行区域、非运行区域的特性图。

图12是用于说明具有加热器的电子控制的恒温器阀的控制的流程图。

图13是说明在朗肯循环运行时和未运行时，效率最高时的冷却水温度不同的情况的图。

具体实施方式

（第1实施方式）

图1示出表示作为本发明的前提的朗肯循环的系统整体的概略结构图。

图1的朗肯循环31以及制冷循环51共用冷媒以及冷凝器38。下面将组合了朗肯循环31以及制冷循环51的循环表示为组合循环30。组合循环30是指在朗肯循环31及制冷循环51的冷媒进行循环的通路以及在其中途设置的泵、膨胀机、冷凝器等结构要素的基础上，还包含冷却水和排气通路等的系统整体。

图4是搭载有组合循环30的混合动力车辆1的概略结构图。

在混合动力车辆1中，发动机2、电动发动机81、自动变速器82串联连结。自动变速器82的输出经由传动轴83、差动齿轮84传递至驱动轮85。在发动机2和电动发动机81之间设有第1驱动轴离合器86。另外，在自动变速器82中设置第2驱动轴离合器87。该第2驱动轴离合器87是自动变速器82的摩擦接合要素之一。

第1驱动轴离合器86及第2驱动轴离合器87，通过与混合动力车辆的运行条件相对应的发动机控制器71的指令，控制接合/断开（连接状态）。混合动力车辆1如图7B所示，在处于发动机2效率差的EV区域时，使发动机2停止，将第1驱动轴离合器86切断，将第2驱动轴离合器87连接，仅利用电动发动机81的驱动力行驶。

如果发动机转速提高，转换至朗肯循环运行区域，则发动机2运行，朗肯循环31（后述）运行。

如图1所示，发动机2的排气通路3包含排气歧管4、排气管5、旁通排气管6。排气管5与排气歧管4的集合部连接。旁通排气管6从排气管5的中途开始分支并再次合流。在绕过旁通排气管6的区间的排气管5中具有废热回收器22。废热回收器22进行排气和冷却水的热交换。将废热回收器22及旁通排气管6一体化的单元称为废热回收单元23。如图6所示，废热回收单元23配置在地板催化剂88和辅助消音器89之间。

下面，基于图1，对发动机冷却水通路进行说明。发动机冷却水通路包含：通过散热器11的冷却水通路13；以及绕过散热器11的旁通冷却水通路14。旁通冷却水通路14包含第1旁通冷却水通路24和第2旁通冷却水通路25。第1旁通冷却水通路24从冷却水通路13开始分支，与后述的热交换器36直接连接。第2旁通冷却水通路25从冷却水通路13开始分支，经过废热回收器22后，与热交换器36连接。

下面，基于图1，对发动机冷却水的流动进行说明。从发动机2流出的冷却水的温度为80～90℃左右。冷却水分别流经冷却水通路13和旁通冷却水通路14。然后，两条流路在恒温器阀15处再次合流。恒温器阀15是根据冷却水温度控制供给至散热器11的冷却水流量的三位阀。恒温器阀15是在形成两个入口端口（入口端口15b、入口端口15c）及一个出口端口15d的壳体中内置阀主体15a的构造。在入口端口15b处连接冷却水通路13。在入口端口15c处连接旁通冷却水通路14。恒温器阀15根据冷却水温度对供给至散热器11的冷却水流量进行增减。这样，恒温器阀15确定流经冷却水通路13以及旁通冷却水通路14的冷却水流量的分配。其结果，将冷却水温度保持为适当温度。在恒温器阀15处合流的冷却水经由冷却水泵16返回至发动机2。

下面，对热交换器36进行说明。热交换器36进行朗肯循环31的冷媒和冷却水之间的热交换。热交换器36通过将加热器和过热器组合而成。即，在热交换器36中，将冷却水通路36a及冷却水通路36b大致排成一列、且与朗肯循环31的冷媒通路36c相邻地设置。由于为上述的结构，因此能够进行冷媒和冷却水的热交换。另外，冷却水通路36a、冷却水通路36b以及冷媒通路36c构成为，使朗肯循环31的冷媒和冷却水彼此的流向成为反向。

详细地说，对于朗肯循环31的冷媒来说位于上游（图1的左）侧的冷却水通路36a安装在第1旁通冷却水通路24中。从发动机2流出的冷却水导入至由冷却水通路36a以及与冷却水通路36a相邻的冷媒通路部分构成的热交换器左侧部分。该部分是对流经冷媒通路36c的冷媒进行加热的加热器。

经过第2旁通冷却水通路25并经由废热回收器22的冷却水，导入对于朗肯循环31的冷媒来说位于下游（图1的右）侧的冷却水通路36b。从发动机2输出且由排气加热后的冷却水，导入至由冷却水通路36b及与该冷却水通路36b相邻的冷媒通路部分构成的热交换器右侧部分（对于朗肯循环31的冷媒来说为下游侧）。该部分是使流经冷媒通路36c的冷媒过热的过热器。

废热回收器22的冷却水通路22a与排气管5相邻地设置。从发动机2排出而导入至废热回收器22的冷却水通路22a的冷却水，利用高温的排气，例如被加热至110～115℃左右。另外，冷却水通路22a构成为，使排气和冷却水彼此逆向地流动。

在第2旁通冷却水通路25中安装有控制阀26。另外，在发动机2的出口处设置冷却水温度传感器74。如果冷却水温度传感器74的检测温度比规定值大，则使控制阀26的开度减小，以使得发动机水温不会超过例如用于不使发动机的效率恶化或发生爆震的容许温度（例如100℃）。如果发动机水温接近容许温度，则使通过废热回收器22的冷却水量减少，因此，能够可靠地防止发动机水温超过容许温度。

另一方面，因第2旁通冷却水通路25的流量的减少，从而在废热回收器22中上升的冷却水温度会过高而冷却水进行蒸发（沸腾），因此热交换器36中的效率下降。另外，可能导致冷却水通路内的冷却水的流动恶化而温度过度升高。为了避免该情况，在旁通排气管6的分支部处设有对废热回收器22的排气通过量和旁通排气管6的排气通过量进行控制的恒温器阀7。恒温器阀7的阀开度基于从废热回收器22输出的冷却水温度进行调节，以使得从废热回收器22输出的冷却水温度不会超过规定的温度（例如沸腾温度120℃）。

将热交换器36、恒温器阀7和废热回收器22作为废热回收单元23而一体化，配置在车宽方向大致中央的地板下的排气管中途。恒温器阀7只要利用使用了双金属片等的比较简易的感温阀即可。另外，恒温器阀7也可以利用通过被输入温度传感器的输出的控制器而进行控制的控制阀。由于利用恒温器阀7进行的从排气向冷却水的热交换量的调节，会伴随着比较大的延迟，因此难以通过单独地对恒温器阀7进行调节而使发动机水温不超过容许温度。但是，由于基于发动机水温（出口温度）对第2旁通冷却水通路25的控制阀26进行控制，因此，能够使热回收量迅速下降而可靠地防止发动机水温超过容许温度。另外，如果发动机水温处于至容许温度为止存在富余的状态，则直至从废热回收器22输出的冷却水温度成为超过发动机水温的容许温度程度的高温（例如110～115℃）为止进行热交换，能够增加废热回收量。从冷却水通路36b输出的冷却水经由第2旁通冷却水通路25与第1旁通冷却水通路24合流。

下面，对组合循环30进行说明。组合循环30如上所述，将朗肯循环31及制冷循环51组合而成。下面，首先对于基本的朗肯循环31进行说明，然后对制冷循环51进行说明。

朗肯循环31是经由发动机2的冷却水将发动机2的废热回收至冷媒，将回收的废热作为动力而进行再生的系统。朗肯循环31具有冷媒泵32、作为过热器的热交换器36、膨胀机37以及冷凝器（condenser）38。它们通过冷媒（R134a等）所循环的冷媒通路41～44进行连接。

冷媒泵32的轴与膨胀机37的输出轴同轴地连结配置（参照图2A）。冷媒泵32以及膨胀机37的输出轴与发动机2的输出轴平行地配置。在设置于冷媒泵32的轴的前端的泵带轮33、和曲轴带轮2a之间架设传动带34（参照图1）。由于为上述的结构，因此，膨胀机37所产生的输出（动力）对冷媒泵32进行驱动，并且对发动机2的输出轴（曲轴）进行驱动。另外，本实施方式的冷媒泵32如图2B所示为齿轮式的泵。膨胀机37如图2C所示，为涡旋式的膨胀机。

另外，在泵带轮33和冷媒泵32之间设置电磁式的离合器（下面将该离合器称为“膨胀机离合器”）35。由于为上述的结构，因此，冷媒泵32及膨胀机37能够与发动机2接合/断开（参照图2A）。如果在膨胀机37所产生的输出超过冷媒泵32的驱动力及旋转体所具有的摩擦力而存在剩余输出的情况下（预测膨胀机扭矩为正的情况下），将膨胀机离合器35连接，则能够通过膨胀机37的剩余动力辅助发动机输出轴的旋转。通过如上所述利用由废热回收而获得的能量，辅助发动机输出轴的旋转，从而能够改善燃料消耗。另外，用于驱动使冷媒循环的冷媒泵32的能量，也能够由所回收的废热提供。

来自冷媒泵32的冷媒经由冷媒通路41供给至热交换器36。热交换器36是在发动机2的冷却水和冷媒之间进行热交换，使冷媒汽化并过热的热交换器。

来自热交换器36的冷媒经由冷媒通路42供给至膨胀机37。膨胀机37是通过使汽化并过热后的冷媒膨胀而将热量变换为旋转能量的蒸汽涡轮机。利用膨胀机37回收到的动力对冷媒泵32进行驱动，经由带传动机构传递至发动机2，辅助发动机2的旋转。

来自膨胀机37的冷媒经由冷媒通路43供给至冷凝器38。冷凝器38是在外部气体和冷媒之间进行热交换，使冷媒冷却并液化的热交换器。冷凝器38与散热器11并列地配置，由散热器风扇12进行冷却。

被冷凝器38液化的冷媒经由冷媒通路44返回至冷媒泵32。返回至冷媒泵32的冷媒，由冷媒泵32再次输送至热交换器36，在朗肯循环31的各结构要素中进行循环。

下面，对制冷循环51进行说明。由于制冷循环51共用在朗肯循环31中循环的冷媒，因此，与朗肯循环31组合而将制冷循环51的结构本身简化。制冷循环51具有压缩机52、冷凝器38、蒸发器55。

压缩机52是将制冷循环51的冷媒压缩为高温高压的流体机械。压缩机52由发动机2进行驱动。如图4所示，在压缩机52的驱动轴上固定压缩机带轮53。在该压缩机带轮53和曲轴带轮2a上架设传动带34。发动机2的驱动力经由该传动带34传递至压缩机带轮53，使压缩机52驱动。另外，在压缩机带轮53和压缩机52之间设置电磁式的离合器（下面将该离合器称为“压缩机离合器”）54。由于为上述的结构，因此压缩机52和压缩机带轮53能够接合/断开。

返回至图1，来自压缩机52的冷媒经由冷媒通路56在冷媒通路43处合流后，供给至冷凝器38。冷凝器38是通过与外部气体之间的热交换而将冷媒冷凝并液化的热交换器。来自冷凝器38的液态冷媒经由从冷媒通路44分支的冷媒通路57供给至蒸发器55。蒸发器55与加热器芯相同地设置在空调单元的壳体内。蒸发器55是使来自冷凝器38的液态冷媒蒸发，利用此时的蒸发潜热，将来自吹风机的空调空气冷却的热交换器。

由蒸发器55蒸发的冷媒经由冷媒通路58返回至压缩机52。另外，由蒸发器55冷却的空调空气和由加热器芯加热的空调空气，与空气混合风门的开度相对应而变更混合比例，调节至乘客所设定的温度。

组合循环30如上所述，由朗肯循环31和制冷循环51构成。在组合循环30中，为了对在循环内流动的冷媒进行控制而在中途适当地设置各种阀。例如，为了控制在朗肯循环31中循环的冷媒，而在将制冷循环分支点45和冷媒泵32连接的冷媒通路44中设置泵上游阀61，并且，在将热交换器36和膨胀机37连接的冷媒通路42中设置膨胀机上游阀62。另外，在将冷媒泵32和热交换器36连接的冷媒通路41中设置逆止阀63，其用于防止冷媒从热交换器36向冷媒泵32逆流。在将膨胀机37和制冷循环合流点46连接的冷媒通路43中设置逆止阀64，其用于防止冷媒从制冷循环合流点46向膨胀机37逆流。另外，设置膨胀机旁通通路65，其从膨胀机上游阀62上游绕过膨胀机37，并在逆止阀64上游处合流，在该膨胀机旁通通路65中设置旁通阀66。并且，在绕过旁通阀66的通路67中设置压力调整阀68。对于制冷循环51侧，在将制冷循环分支点45和蒸发器55连接的冷媒通路57中也设置空调膨胀阀69。

泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69均为电磁式的开闭阀。将由压力传感器72检测出的膨胀机上游压力的信号、由压力传感器73检测出的冷凝器38的出口的冷媒压力Pd的信号、膨胀机37的转速信号等输入至发动机控制器71。在发动机控制器71中，与规定的运行条件相对应，基于上述各输入信号，进行制冷循环51的压缩机52和散热器风扇12的控制，并且对泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69的开闭进行控制。

例如，基于由压力传感器72检测出的膨胀机上游侧压力以及膨胀机转速，对膨胀机扭矩（再生动力）进行预测，在预测膨胀机扭矩为正时（能够辅助发动机输出轴的旋转时）将膨胀机离合器35接合，在预测膨胀机扭矩为零或者负时将膨胀机离合器35断开。基于传感器检测压力和膨胀机转速的预测，与基于排气温度的预测相比精度高。由此，能够与膨胀机扭矩的产生状态相对应，适当地将膨胀机离合器35接合·断开（详细地说，参照JP2010-190185A）。

上述四个开闭阀（泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69）以及上述两个逆止阀（逆止阀63、逆止阀64）为冷媒类阀。在图3中另外示出上述冷媒类阀的功能。

泵上游阀61在与制冷循环51相比冷媒容易向朗肯循环31集中的规定的条件下关闭，防止冷媒（包含润滑成分）向朗肯循环31集中。泵上游阀61如后所述与膨胀机37下游的逆止阀64协同动作，将朗肯循环31闭塞。膨胀机上游阀62在来自热交换器36的冷媒压力相对较低的情况下，将冷媒通路42切断，将来自热交换器36的冷媒保持为高压。由此，在无法充分获得膨胀机扭矩的情况下，也促进冷媒的加热，例如能够缩短直至朗肯循环31再次起动为止的时间、即直至实际能够再生为止的时间。旁通阀66的作用是，在朗肯循环31的起动时等、存在于朗肯循环31侧的冷媒量不充分时等，使其开阀，从而绕过膨胀机37而使冷媒泵32能够动作，缩短朗肯循环31的起动时间。如果通过绕过膨胀机37而使冷媒泵32动作，使冷凝器38的出口或者冷媒泵32的入口的冷媒温度，成为从考虑了该部位的压力而得到的沸点下降大于或等于规定温度差（低温处理温度SC）的状态，则成为能够在朗肯循环31中供给充分的液体冷媒的状态。

热交换器36上游的逆止阀63与旁通阀66、压力调整阀68、膨胀机上游阀62协同动作，将向膨胀机37供给的冷媒保持为高压。在朗肯循环31的再生效率低的条件下，朗肯循环31停止运行，将热交换器36的前后区间闭塞，因此使停止中的冷媒压力不断上升，能够利用高压冷媒而使朗肯循环31迅速地再次起动。压力调整阀68在向膨胀机37供给的冷媒的压力过高的情况下打开，起到将过高的冷媒排出的安全阀的作用。

膨胀机37下游的逆止阀64与上述的泵上游阀61协同动作，防止冷媒向朗肯循环31集中。在混合动力车辆1刚开始运行后，如果发动机2未进行暖机，则朗肯循环31与制冷循环51相比为低温，有时冷媒会向朗肯循环31侧集中。向朗肯循环31侧集中的概率不高。然而，例如，在夏天车辆刚刚开始运行之后，处于期望车内尽快降温的情况，因此首先要求制冷能力。在上述情况下，即使是冷媒的略微不均匀也希望消除，确保制冷循环51的冷媒。由此，为了防止冷媒向朗肯循环31集中而设置逆止阀64。

压缩机52不是在驱动停止时使冷媒能够自由通过的结构。压缩机52与空调膨胀阀69协同动作，能够防止冷媒向制冷循环51中集中。对于该情况进行说明。在制冷循环51停止时，冷媒从稳定运行中的温度比较高的朗肯循环31侧向制冷循环51侧移动，有时在朗肯循环31中循环的冷媒不足。在制冷循环51中，空调刚刚停止后，蒸发器55的温度变低，冷媒容易停留在容积比较大而温度低的蒸发器55中。在该情况下，由于压缩机52的驱动停止，而将冷媒从冷凝器38向蒸发器55的移动切断，并且通过将空调膨胀阀69关闭，从而能够防止冷媒向制冷循环51集中。

下面，图5是表示发动机2整体组件的发动机2的概略斜视图。图5中的特征在于，将热交换器36配置在排气歧管4的铅垂上方。通过在排气歧管4的铅垂上方的空间配置热交换器36，从而提高将朗肯循环31向发动机2搭载的搭载性。另外，在发动机2上设有张紧带轮8。

下面，参照图7A及图7B，对朗肯循环31的基本运行方法进行说明。

首先，图7A及图7B是朗肯循环31的运行区域图。图7A的横轴为外气温度，纵轴为发动机水温（冷却水温度）。图7B的横轴为发动机转速，纵轴为发动机扭矩（发动机负载）。

朗肯循环31在满足图7A及图7B这两者条件的情况下运行。在图7A中，在优先对发动机2进行暖机的低水温侧的区域、和压缩机52的负载增大的高外气温侧的区域中，使朗肯循环31停止。在排气温度低且回收效率差的暖机时，通过不使朗肯循环31运行从而迅速地使冷却水温度上升。在要求较高的制冷能力的高外气温度时使朗肯循环31停止，向制冷循环51提供充分的冷媒和冷凝器38的冷却能力。在图7B中，由于为混合动力车辆，因此，在EV行驶区域和膨胀机37的摩擦力增大的高转速侧的区域中，使朗肯循环31停止。膨胀机37难以在全部的转速下成为摩擦力较小且高效率的结构，因此，在图7B的情况下，使膨胀机37构成为（膨胀机37各部分的规格等设定为），在运行频率高的发动机转速区域中摩擦力小且效率高。

图8是示意地示出在利用膨胀机扭矩对发动机输出轴的旋转进行辅助的中途，混合动力车辆1进行加速时的状态的时序图。另外，在图8的右侧，在膨胀机扭矩对应图上示出此时膨胀机37的运行状态推移的情况。在由膨胀机扭矩对应图的等高线划分的范围中，膨胀机转速低而膨胀机上游压力高的部分（左上），具有膨胀机扭矩成为最大的倾向。具有膨胀机转速越高而膨胀机上游压力越低（越趋于右下方），膨胀机扭矩变得越小的倾向。特别地，斜线部分的范围，是在驱动冷媒泵的前提下，膨胀机扭矩为负，相对于发动机成为负载的区域。

直至驾驶员踏入加速器踏板的t1为止，保持匀速行驶，膨胀机37产生正扭矩，利用膨胀机扭矩进行发动机输出轴的旋转辅助。

t1以及t1之后，膨胀机37的转速即冷媒泵32的转速与发动机转速成正比地上升，另一方面，排气温度或者冷却水温度的上升相对于发动机转速的上升而滞后。因此，相对于随着冷媒泵32的转速上升而增大的冷媒量，可回收的热量的比例下降。

由此，随着膨胀机转速上升，膨胀机上游的冷媒压力下降，膨胀机扭矩下降。

如果由于该膨胀机扭矩的下降而无法充分地获得膨胀机扭矩（例如在零附近的t2的定时），则膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态，避免再生效率的恶化。即，避免伴随着膨胀机扭矩的过度下降，膨胀机37相反地被发动机2牵引的现象。

在膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态后，在t3的定时膨胀机离合器35从连接（接合）切换至切断（断开）。通过使该膨胀机离合器35的切断时机与将膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态的时机相比稍微延迟，从而能够使膨胀机上游的冷媒压力充分地下降。由此，在膨胀机离合器35切断时，能够防止膨胀机37过度旋转。另外，利用冷媒泵32将大量的冷媒供给至热交换器36内，在朗肯循环31停止中也能够有效地对冷媒加热，从而朗肯循环31能够顺利地再次运行。

t3以及t3之后，由于发动机2的散热量上升而使膨胀机上游压力再次上升。在t4的定时，膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态，再次开始向膨胀机37供给冷媒。另外，在t4再次使膨胀机离合器35连接。通过该膨胀机离合器35的再次连接，从而再次开始利用膨胀机扭矩对发动机输出轴进行旋转辅助。

图9是示意地示出在膨胀机上游阀62关闭且膨胀机离合器35切断的状态下，从朗肯循环的运行停止开始，以与图8（t4的控制）不同的状态，进行朗肯循环31的再次起动的状态的时序图。

如果在t11的定时驾驶员踏入加速器踏板，则加速器开度增大。在t11，朗肯循环31的运行停止。因此，膨胀机扭矩保持零。

伴随着从t11开始的发动机转速的上升而发动机2的散热量增大，通过该散热量的增大，流入热交换器36的冷却水温度提高，热交换器36内的冷媒的温度上升。由于膨胀机上游阀62关闭，因此，通过该热交换器36使冷媒温度上升，从而膨胀机上游阀62上游的冷媒压力即膨胀机上游压力不断上升（t11～t12）。

通过该运行状态的变化，从朗肯循环非运行区域切换至朗肯循环运行区域。在膨胀机上游阀62关闭，转换至朗肯循环运行区域时，如果膨胀机离合器35立刻从切断状态切换至连接状态，膨胀机37与发动机输出轴连结，则由于膨胀机37成为发动机2的负载而会产生扭矩冲击。

另一方面，在图9中，在切换至朗肯循环运行区域时，不立刻将膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态。即，转换至朗肯循环运行区域后，也继续膨胀机上游阀62的关闭状态。

不久，膨胀机上游压力和膨胀机下游压力之间的差压变大，在大于或等于规定压力的t12的定时判断为膨胀机37能够运行（驱动），膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态。通过将该膨胀机上游阀62切换至打开状态，向膨胀机37供给规定压力的冷媒，膨胀机转速迅速从零开始上升。

在由于该膨胀机转速的上升而膨胀机转速到达发动机转速的t13的定时，膨胀机离合器35从切断状态切换至连接状态。如果在膨胀机37转速充分增加之前将膨胀机离合器35连接，则膨胀机37会成为发动机负载，也可能产生扭矩冲击。与此相对，通过在与发动机输出轴的转速差消失的t13使膨胀机离合器35延迟地连接，从而能够防止膨胀机37成为发动机负载，以及与膨胀机离合器35接合相伴的扭矩冲击。

图10是从图1中主要将发动机冷却水回路提取出而进行表示的概略图。对于与图1相同的部分标注相内的标号。

冷却水通路13通过散热器11。冷却水通路线13包含第1冷却水通路13a和第2冷却水通路13b。第1冷却水通路13a将使发动机2冷却而升温的冷却水（冷媒）供给至散热器11。第2冷却水通路13b使从散热器11输出的冷却水返回至发动机2。冷却水通路14绕过散热器11，与第2冷却水通路13b合流。

在朗肯循环运行时和没有运行时，效率最高时的冷却水温度不同。参照图13对其进行说明。图13的横轴表示发动机的冷却水温度。纵轴表示表示效率（消耗燃料的发热量可作功的比例）。图13表示在规定的发动机运转条件下（例如规定的负载和转速）下，朗肯循环运行时的冷却水温度和效率的关系。另外，表示在相同的发动机运转条件下，朗肯循环没有运行时的冷却水温度和效率的关系。

如图13所示，在朗肯循环没有运行时，在80℃～95℃的范围内效率最高。因此，优选冷却水温度设定为中央附近的温度（例如85℃），以使得即使有少许的温度变化，也保持高效率。另一方面，朗肯循环运行时与朗肯循环没有运行时相比，在高温侧效率变高。这是由于如果朗肯循环运行，则通过将废热回收，使冷却损耗或排气损耗减少。因此，优选至少在发动机不产生爆震的范围内，将冷却水设定为较高的温度（比85℃高的温度）。

这样，即使发动机运转条件相同，通过将朗肯循环运行时的冷却水温度设定得比没有运行时的冷却水温度高，作为整体的效率也会变高。

这样，从热交换器36的出口输出的气体冷媒的温度·压力越高，膨胀机37的热回收效率越高。因此，本发明人考虑在抑制爆震的范围内将冷却水温尽可能地提高。

当前，具有下述一种装置，其在冷却水通路13和旁通冷却水通路14的合流处，设置机械式的恒温器阀。为了容易理解，在这里，将图1的恒温器阀替换为机械式的恒温器阀而对该现有装置进行说明。

例如，在如发动机冷起动时这样冷却水的温度较低时，发动机2被加热，发动机2的效率较高。因此，在该情况下，阀主体15a将入口端口15b隔断，使入口端口15c和出口端口15d连通。这样，冷却水流入旁通冷却水通路14，不流入散热器11。

另一方面，在如高负载时这样冷却水的温度较高时，必须避免爆震。因此，在该情况下，阀主体15a使入口端口15b打开，使入口端口15b和出口端口15d连通。这样，冷却水流入散热器11。并且，在散热器11中冷却的冷却水供给至发动机2。其结果，发动机2被冷却。

此外，恒温器阀的开度，通常在冷却水温度处于规定的温度范围内时，伴随冷却水温度的上升而增加。如果恒温器阀的开度增加，则流入散热器侧的冷却水量增加。

在现有装置中，为了专门使发动机2的热效率变高，而确定恒温器阀的一个开阀温度（流入散热器侧的温度）。在朗肯循环运行的情况和没有运行的情况下，冷却水温度是否变化并没有记载。此外，所谓恒温器阀的开阀温度，是恒温器阀成为开阀状态的温度。作为恒温器阀的开阀温度，表示恒温器阀开始打开的温度、恒温器阀全开的温度、或它们的平均温度等代表温度。

与之相对，在第1实施方式中，取代机械式的恒温器阀，而使用电子控制的恒温器阀15。这样，可与朗肯循环31的运行相对应，使冷却水温度上升。电子控制的恒温器阀15与机械式的恒温器阀不同，其开阀温度可任意地设定。但除此之外，与机械式的恒温器阀相同。也就是说，在闭阀状态下，阀主体15a使入口端口15b断开，使入口端口15c和出口端口15d连通。这样，冷却水流入旁通冷却水通路14，不流入散热器11。另外，在开阀状态下，入口端口15b和出口端口15d连通。这样，冷却水流入散热器11。

电子控制的恒温器阀15由发动机控制器71控制。朗肯循环31运行时的开阀温度与朗肯循环31没有运行时的开阀温度相比，设定得较高。

此外，所谓恒温器阀的开阀温度，是恒温器阀成为开阀状态的温度，表示恒温器阀开始打开的温度、恒温器阀全开的温度、或它们的平均温度等代表温度。这一点与现有装置的恒温器阀相同。

下面，参照图11对电子控制的恒温器阀15的开阀温度进行说明。

图11是朗肯循环31的运行区域、非运行区域的特性图。基本上与图7B相同。在图11中，点划线所示的长方形区域是朗肯循环运行区域。除此之外的区域是朗肯循环非运行区域。

这样确定朗肯循环31的运行区域、非运行区域性的理由，在下面的（1）～（4）中示出。

（1）在朗肯循环运行区域（至少小于或等于规定值B的转速的转速范围）内，冷却水设定为高温。如果冷却水设定为高温，则发动机摩擦力及冷却损耗降低。而且，由于设定为高温是在规定的低转速区域（小于或等于规定值B的转速）内，而在高转速区域内相对地设定为低温，因此抑制发动机2产生爆震。由于在冷却水的高温设定区域内设定朗肯循环区域，因此，朗肯循环运行中的冷却水温度相对升高，膨胀机37的热回收效率提高。

（2）膨胀机37的高效率转速范围，与冷却水的高温设定区域的发动机转速范围相对应。换言之，在膨胀机37的摩擦力变大、效率下降的区域内，冷却水设定为低温。这是由于，在运转频率高而应改善燃料消耗的区域内，使朗肯循环31运行。反之，由于在为了避免爆震而必须成为低温设定的区域内效率低，因此不使朗肯循环31运行。

（3）极低转速区域（小于或等于规定值A的转速的怠速区域），成为朗肯循环非运行区域。由于在极低转速区域内，车速低、行驶风阻较弱，因此冷凝器38的能力较低。在这种情况下即使朗肯循环31运行，效率也较差。因此，担心在这种情况下使朗肯循环31运行，由于无用的运转而使部件恶化。因此，在这种情况下，通过不使朗肯循环31运行，从而使部件恶化减少，部件寿命延长，可靠性提高。

（4）高负载区域（大于或等于规定值C的扭矩区域）成为朗肯循环非运行区域。在该区域内，摩擦力较高，膨胀机37的效率较低。在这种低效的状态下，朗肯循环31不运行。

上述规定值A、B、C，是从使朗肯循环31高效地运行的观点出发而适当地确定，而并不是从发动机2的热效率的观点出发而确定的。规定值A，作为一个例子，为相当于车速10km/h的发动机转速。规定值B，作为一个例子，为3000rpm左右。

下面，对恒温器阀15的开阀温度进行说明。此外，在这里，为了将电子控制的恒温器阀15的控制简化，恒温器阀15的开阀温度，与图11所示的朗肯循环31的运行区域、非运行区域相对应。也就是说，在包含朗肯循环运行区域在内的小于或等于规定值B的转速区域（网格区域）内，恒温器阀15的开阀温度相对地设定得较高。在超过规定值B的转速区域（由虚线包围的区域）内，恒温器阀15的开阀温度相对地设定得较低。作为一个例子，相对较高的开阀温度为100℃。相对较低的开阀温度为82℃。此外，这些开阀温度，是将成为全开的温度作为代表温度而示出的。这样，朗肯循环31的控制区域分为两个，通过针对各控制区域确定开阀温度，从而在朗肯循环运行区域内，将恒温器阀15的开阀温度相对地设定得较高。

这样，在本实施方式中，在朗肯循环31运行时，电子控制的恒温器阀15的开阀温度设定得较高。也就是说，在比规定值B的转速低的情况下使朗肯循环31运行，将电子控制的恒温器阀15的开阀温度设定得较高。并且，在发动机的转速超过规定的转速时，不使朗肯循环运行。

在转速比规定值B小的朗肯循环运行区域内，电子控制的恒温器阀15关闭，直至冷却水温度达到100℃。其结果，冷却水流入旁通冷却水通路14，不流入散热器11。如果冷却水温度超过100℃，则电子控制的恒温器阀15打开。其结果，冷却水流入散热器11，在散热器11中冷却的冷却水供给至发动机。

另一方面，在超过规定值B的情况下，电子控制的恒温器阀15关闭，直至冷却水温度达到82℃。其结果，冷却水流入旁通冷却水通路14，不流入散热器11。如果冷却水温度超过82℃，则电子控制的恒温器阀15打开。其结果，冷却水流入散热器11，在散热器11中冷却的冷却水供给至发动机。

下面，对开阀温度为两个（82℃、100℃）的电子控制的恒温器阀15的结构进行说明。

机械式的恒温器阀15，例如，通过在由固态石蜡和弹性体（橡胶）充满的容器的中央装入活塞而构成。活塞的一端固定在外部的凸缘上。阀主体位于容器的外侧。在不动作时，阀主体由弹簧推压而将流路（图1的入口端口15b）隔断。如果冷却水温度上升至规定值，则石蜡膨胀，体积发生变化。此时产生的压力经由弹性体作用在活塞上。由于活塞固定在凸缘上，因此容器相对地下降，固定在容器上的阀主体打开，流路开通。即，图1的入口端口15b打开。也就是说，上述的规定值为阀主体打开时的冷却水温度（开阀温度）。

电子控制的恒温器阀15，是在容器内的石蜡部分中装入加热器15e的结构。如果加热器15e通电，则补充热量，即使冷却水温度未达到上述的规定值，阀主体15a也会动作而使流路（入口端口15b）打开。也就是说，如果加热器15e通电，则开阀温度变得比上述规定值低。

在不通电时，冷却水温度为100℃时开阀，在通电时，冷却水温度为82℃时开阀这种规格的电子控制恒温器阀，在市场有售。在本实施方式中，使用这种电子控制恒温器阀。

如图10所示，在加热器15e上串联地连接常开的开关元件15f。并且，串联连接的一侧与电池9的正极端子连接，另一侧接地。发动机控制器71输入由曲轴角传感器91检测出的发动机转速。另外，发动机控制器71输入由加速器开度传感器92检测出的加速器开度。并且，发动机控制器71基于这些输入信号，对开关元件15f进行控制，从而控制加热器15e的通电、不通电。

参照图12的流程图对该控制进行说明。图12的流程图以固定时间周期（例如10ms周期）执行。

在步骤1中，发动机控制器71读入由曲轴角传感器91检测出的发动机转速Ne、由加速器开度传感器92检测出的加速器开度。

在步骤2中，发动机控制器71基于发动机转速Ne和加速器开度或吸入空气量，利用公知的方法计算发动机扭矩。例如，发动机控制器71，通过根据发动机转速Ne和加速器开度检索规定的对应图，从而计算发动机扭矩。

在步骤3中，发动机控制器71判定是否成为高负载。具体地说，发动机控制器71判定根据发动机扭矩和发动机转速Ne确定的运转点，是否属于比图11的规定值C大的扭矩区域。如果属于该区域，则为高负载。如果判定结是为肯定，则发动机控制器71跳转至步骤6中进行处理。在步骤6中，发动机控制器71将开关元件15f闭合，对加热器15e通电。由此，电子控制的恒温器阀15，在冷却水温度变为82℃时打开。由此抑制成为高负载时的爆震。也就是说，在成为高负载时，发动机控制器71对加热器15e通电而使电子控制的恒温器阀15在低温侧的82℃打开。这样，由于在散热器11中冷却的冷却水供给至发动机2，因此抑制爆震。

如果在步骤3中判定结果为否定，则发动机控制器71跳转至步骤4中进行处理。在步骤4中，发动机控制器71判定发动机转速Ne是否比规定值B小。规定值B是确定朗肯循环运行区域的转速上限的值，被预先确定。如果判定结果为肯定，则发动机控制器71跳转至步骤5中进行处理。在步骤5中，发动机控制器71不向开关元件15f输出信号。这样，开关元件15f保持断开的状态，加热器15e处于非通电状态。其结果，电子控制的恒温器阀15的开阀温度变为100℃。也就是说，在朗肯循环31运行的朗肯循环运行区域内，在冷却水温度成为100℃时，电子控制的恒温器阀15打开。换言之，与朗肯循环非运行区域相比，在朗肯循环运行区域内冷却水温度提高，使膨胀机37的热回收效率提高。

如果步骤4的判定结果为否定，则发动机控制器71跳转至步骤6中进行处理。也就是说，在发动机转速Ne超过规定值B时，为了使加热器15e成为通电状态而前进至步骤6。在步骤6中，发动机控制器71使开关元件15f闭合，对加热器15e通电。由此，电子控制的恒温器阀15在冷却水温度变为82℃时打开。也就是说，在朗肯循环非运行区域内，在冷却水温度变为82℃时，电子控制的恒温器阀15打开。

在上述例子中，根据发动机的运转条件（负载和转速）区分朗肯循环的运行区域和非运行区域。并且，使冷却水温度的设定产生变化。但并不限定于此。例如，也可以不根据发动机的运转条件（负载和转速）区分朗肯循环的运行区域和非运行区域，而是在相同的发动机运转条件下，区分朗肯循环的运行区域和非运行区域。并且，也可以根据朗肯循环的运行区域和非运行区域，改变冷却水温度的设定。

下面，对本实施方式的作用效果进行说明。

根据本实施方式，与朗肯循环非运行区域相比，在朗肯循环运行区域内，冷却水温度相对地升高。其结果，热交换器36出口的气体冷媒的温度、压力升高，膨胀机37的热回收效率提高。另一方面，由于在朗肯循环非运行区域内，冷却水温度相对地降低，因此抑制爆震。

另外，在朗肯循环31运行的情况下，通过将冷却水温度相对地升高而使膨胀机37的热回收效率提高的区域，成为发动机2的热负载较小的低·中负载（或低·中转速）区域。也就是说，成为因发动机输出减小、发动机摩擦减小而导致的燃料消耗改善的余地较大的区域。其结果，发动机摩擦力也降低。

根据本实施方式，使用可任意地设定开阀温度的电子控制的恒温器阀15。并且，与朗肯循环31没有运行时相比，在朗肯循环31运行时，开阀温度设定得较高（参照图12的步骤2～4）。由此，装置容易实现。

根据本实施方式，发动机2成为高负载时的开阀温度与朗肯循环没有运行时相同（参照图12的步骤3、6）。因此，抑制高负载下的爆震。

热交换器36设置在旁通冷却水通路14中。由于这样构成，因此流过旁通冷却水通路14的冷却水和冷媒进行热交换。由于如果设定为高温，则流过旁通冷却水通路14的冷却水的量增加，因此在朗肯循环31运行时，冷却水和冷媒高效地进行热交换。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅表示本发明的适用例的一部分，本发明的技术范围不由上述实施方式的具体结构进行限定。

例如，在实施方式中，针对混合动力车辆的情况进行了说明，但不限于此。也能够适用于仅搭载发动机2的车辆中。发动机2可以是汽油发动机、柴油发动机中的任一种。

在实施方式中，对电子控制的恒温器阀进行了说明，但也可以是例如占空比可控制的阀。在该情况下，与朗肯循环没有运行时相比，在朗肯循环运行时，只要开阀量设定得较少即可。

本申请基于2011年9月30日向日本特许厅提出的特愿2011－216786并主张优先权，上述申请的全部内容通过参照而引入本说明书中。

Claims (6)

1.一种发动机废热利用装置，其包含朗肯循环，该朗肯循环具有使从发动机输出的冷却水流过而将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器、将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵，

发动机冷却水的温度设定为，在发动机的暖机完成之后朗肯循环运行时，与朗肯循环没有运行时相比为高温。

2.一种发动机废热利用装置，其包含：

朗肯循环，其具有使从发动机输出的冷却水流过而将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器、将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵；以及

冷却水通路，其具有将从发动机输出的冷却水供给至散热器的第1冷却水通路、使从散热器输出的冷却水返回至发动机的第2冷却水通路、从第1冷却水通路分支并绕过散热器而与第2冷却水通路合流的旁通冷却水通路、以及阀，该阀利用闭阀状态使冷却水不流过散热器而流过旁通冷却水通路，利用开阀状态使冷却水流过散热器，在朗肯循环运行时，与朗肯循环未运行时相比，开阀温度设定得较高。

3.根据权利要求2所述的发动机废热利用装置，其中，

前述阀在发动机为高负载时的开阀温度设定为，与朗肯循环没有运行时相同。

4.一种发动机废热利用装置，其包含：

朗肯循环，其具有使从发动机输出的冷却水流过而将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器、将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵；以及

冷却水通路，其具有将从发动机输出的冷却水供给至散热器的第1冷却水通路、使从散热器输出的冷却水返回至发动机的第2冷却水通路、从第1冷却水通路分支并绕过散热器而与第2冷却水通路合流的旁通冷却水通路、以及阀，该阀利用闭阀状态使冷却水不流过散热器而流过旁通冷却水通路，利用开阀状态使冷却水流过散热器，在朗肯循环运行时，与朗肯循环未运行时相比，开阀量设定得较小。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的发动机废热利用装置，其中，

热交换器设置在旁通冷却水通路中，使流过旁通冷却水通路的冷却水与冷媒进行热交换。

6.一种发动机废热利用装置，其包含：

冷却水通路，其在发动机的转速小于或等于规定的转速时，使与超过规定的转速时相比更高温的冷却水流过；以及

朗肯循环，其具有使从发动机输出的冷却水流过而将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器、将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵，该朗肯循环在发动机的转速小于或等于规定的转速时运行，在发动机的转速超过前述规定的转速时不运行。