JP2000345915A - 動力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン１の冷却系において発生させた蒸気
を排気により加熱してタービン４を駆動する廃熱回収シ
ステムを備えた動力装置において、幅広い運転域におい
てより高い効率を発揮させる。 【解決手段】 タービン４に接続した回転電機５とエン
ジン１とを、クラッチ１０を備えた回連伝達機構を介し
て連結し、クラッチ１０を開放してタービン４の回転力
のみによって回転電機５を発電機として駆動する状態の
他に、クラッチ１０を締結してエンジン１の出力により
回転電機５の発電駆動を補助し、またはタービン４の回
転力をエンジン１の駆動力に付加する状態を運転状態に
応じて制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は車両への搭載に適し
た廃熱回収システムを備えた動力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】内燃機関の水冷冷却系
統を密閉構造とし、冷却に伴って発生した気化冷媒をさ
らに排気により過熱して高温化し、この高温蒸気により
タービン発電を行うようにした廃熱回収システムが知ら
れている（この種の装置の公知文献として例えば特開平
５−２９６０５５号公報を参照）。

【０００３】しかしながら、従来はタービンの出力を発
電機の駆動のみに用いる構造となっていたため、タービ
ン出力を機関駆動力に付加して運転するような切換動作
ができず、このため幅広い運転域にて高い効率を得るこ
とができなかった。また、タービンを駆動する飽和蒸気
量が十分に発生しないアイドル時のような低負荷時には
発電量が不足してバッテリー上がりを起こすおそれがあ
った。

【０００４】本発明はこのような問題点を解消すること
を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、請求項１の発明は、ポンプにより冷媒を循環させる
密閉された冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された
冷媒の飽和蒸気を機関排気で過熱する過熱器と、この過
熱器で過熱された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネ
ルギに変換するタービンと、タービンからの冷媒を冷却
して液化するコンデンサと、タービン出力により駆動さ
れる回転電機と、回転電機との間で充放電を行うバッテ
リーとを備える内燃機関を有し、前記タービンと内燃機
関とをクラッチを備えた回転伝達機構を介して接続する
と共に、運転状態を検出して前記クラッチの締結・開放
と前記クラッチ・バッテリー間の充放電を制御する制御
装置を設けた。

【０００６】請求項２の発明は、上記請求項１の発明の
制御装置を、機関始動時にはクラッチを締結すると共に
回転電機にバッテリ電力を供給して回転電機の出力によ
り内燃機関の始動クランキングを行うように構成した。

【０００７】請求項３の発明は、上記請求項１の発明の
制御装置を、バッテリの充電状態を判定し、充電を要す
ると判定したときには、そのときの運転状態でのタービ
ンのみにより回転電機を発電作動させたときの発電量Ｃ
１と内燃機関の出力を回転電機に伝達して発電作動させ
たときの発電量Ｃ２とを比較し、Ｃ１がＣ２よりも大の
ときにはクラッチを開放して、Ｃ１がＣ２よりも小のと
きにはクラッチを締結して、それぞれ回転電機に発電作
動させるように構成した。

【０００８】請求項４の発明は、上記請求項１の発明の
制御装置を、バッテリの充電状態を判定し、充電過剰と
判定したときには、クラッチを締結すると共に回転電機
の発電作動を停止させるように構成した。

【０００９】請求項５の発明は、上記請求項１の発明の
制御装置を、運転状態毎にクラッチ締結時のエネルギ効
率とクラッチ開放時のエネルギ効率を求め、エネルギ効
率がより大となるクラッチ状態を選択するように構成し
た。

【００１０】請求項６の発明は、上記請求項５の発明の
制御装置を、クラッチ締結時のタービン効率ηｔｏｎ、
クラッチ開放時のタービン効率ηｔｏｆｆ、回転電機の
発電効率ηｒ、バッテリ効率ηｖに基づいてエネルギ効
率を演算し、 ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも小のときにはク
ラッチ開放 ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも大のときにはク
ラッチ締結 を行うように構成した。

【００１１】請求項７の発明は、上記請求項６の発明に
おいて、動力源としてバッテリ電力により作動する電動
機を備え、該電動機の効率をηｍとするとき、ηｏｆｆ
にηｍを乗じた結果をηｏｆｆとしてクラッチの開放ま
たは締結を選択するように制御装置を構成した。

【００１２】請求項８の発明は、上記請求項５の発明の
制御装置を、内燃機関の出力Ａ、出力Ａのときの内燃機
関の消費燃料重量ｇａ、タービンの出力Ｂ、機関出力Ａ
とタービン出力の和Ｃ、出力Ｃのときの内燃機関の消費
燃料重量ｇｃ、回転電機の発電効率ηｒ、バッテリ効率
ηｖ、タービン出力に前記発電効率ηｒとバッテリ効率
ηｖを乗じた出力Ｄを演算し、 Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも大のときにはクラッ
チ開放 Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも小のときにはクラッ
チ締結 を行うように構成した。

【００１３】

【作用・効果】上記請求項１以下の各発明において、冷
却経路の内部に密封された液相の冷媒は内燃機関の燃焼
熱をうけて一部が気化し、気相となってタービンへ向か
う。その途中、気相冷媒は過熱器により内燃機関の排気
熱を受けて高温化してタービンに流入し、タービンを効
率よく駆動する。タービンを通過して低温化した冷媒は
コンデンサにて冷却液化して液相となり、ポンプにより
内燃機関へと循環させられる。前記タービンの回転力は
基本的には回転電機の駆動に費やされ、回転電機の発電
電力はバッテリの充電にあてられる。

【００１４】ただし、本発明では回転電機と内燃機関と
の間に設けたクラッチを運転状態に応じて締結または開
放（以下、それぞれＯＮまたはＯＦＦと表す。）するこ
とができる。クラッチＯＦＦの状態にて従来と同様の運
転を行える他、クラッチＯＮの状態とすることによりタ
ービン出力と内燃機関の出力を相互に補うことができる
ので、例えば以下の各発明として示すように装置構成を
単純化したり、動力装置として幅広い運転域にてより高
いエネルギ効率を引き出したりすることが可能となる。

【００１５】請求項２の発明では、機関始動時にはクラ
ッチＯＮ状態で回転電機の動力により機関始動を行うこ
とができる。したがって、スタータモータが不要とな
り、装置構成の単純化を図ることができる。

【００１６】請求項３の発明では、バッテリ充電が必要
と判定したときには、そのときの運転状態下にて、クラ
ッチＯＦＦとしてタービンのみにより回転電機を駆動し
て発電させたとき（発電量Ｃ１）と、クラッチＯＮとし
て内燃機関動力を付加して回転電機を発電作動させたと
き（発電量Ｃ２）とを比較し、より大きい発電量が得ら
れるクラッチ状態を選択するようにしたので、バッテリ
充電を効率よく行うことができる。

【００１７】請求項４の発明では、バッテリが充電過剰
と判定したときには、クラッチＯＮとすると共に回転電
機の発電作動を停止させる。このときタービンの出力は
内燃機関の動力に付加されるので、バッテリの過充電を
防止しつつタービンによる余剰動力を機関駆動力に付加
して動力装置としての効率を高めることができる。

【００１８】請求項５の発明では、運転状態毎に動力装
置としてのクラッチＯＮ時のエネルギ効率とクラッチＯ
ＦＦ時のエネルギ効率を求め、エネルギ効率がより大と
なるクラッチ状態を選択する。エネルギ効率を求める手
法としては、内燃機関の種類、特性、用途、補助動力と
して電動機を有するか否か等により種々の選択が可能で
あり、例えば次の請求項６以下の各発明に示したような
手法を用いることができる。

【００１９】すなわち、請求項６の発明では、クラッチ
締結時のタービン効率ηｔｏｎ、クラッチ開放時のター
ビン効率ηｔｏｆｆ、回転電機の発電効率ηｒ、バッテ
リ効率ηｖに基づいてエネルギ効率を演算し、 ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも小のときにはク
ラッチＯＦＦ ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも大のときにはク
ラッチＯＮ にする。これにより運転状態によらず動力装置として常
により高い効率を発揮させることができる。

【００２０】ハイブリッドカーのように、動力源として
バッテリ電力により作動する電動機を備える場合には、
請求項７の発明として示したように、該電動機の効率を
ηｍとするとき、ηｏｆｆにηｍを乗じた結果をηｏｆ
ｆとしてクラッチのＯＮまたはＯＦＦを選択するように
制御装置を構成することにより高効率による運転を行う
ことができる。

【００２１】あるいは、内燃機関のみを動力源とする動
力装置の場合には、請求項８の発明として示したよう
に、内燃機関の出力Ａ、出力Ａのときの内燃機関の消費
燃料重量ｇａ、タービンの出力Ｂ、機関出力Ａとタービ
ン出力の和Ｃ、出力Ｃのときの内燃機関の消費燃料重量
ｇｃ、回転電機の発電効率ηｒ、バッテリ効率ηｖ、タ
ービン出力に前記発電効率ηｒとバッテリ効率ηｖを乗
じた出力Ｄを演算し、 Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも大のときにはクラッ
チＯＦＦ Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも小のときにはクラッ
チＯＮ に制御するようにしても同様に高効率の運転を行うこと
ができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図面に基
づいて説明する。

【００２３】図１は実施形態の冷却系統の概略図、図２
は制御系統の概略図である。図１または図２において、
１はエンジン（内燃機関）、２はエンジン冷却ジャケッ
トに接続して閉ループ状の冷媒循環経路を構成する冷媒
通路である。３は冷媒通路の途中に設けられた過熱器で
あり、エンジン１の排気ガスの熱をエンジン１の冷却ジ
ャケットから流出してくる冷媒蒸気に付与してより高温
化する。４はその下流に位置するタービンであり、過熱
器３からの高温蒸気により回転する。５はタービン４に
連結された回転電機であり、基本的にはタービン４の回
転力により発電機として作動し、その出力はインバータ
６を介して充電電力としてバッテリ７（図２）に付与さ
れる。８はタービン４の下流側に介装されたコンデンサ
であり、タービン４からの冷媒蒸気を冷却して液相に戻
す。９はコンデンサ８にて冷却液化された冷媒をエンジ
ン冷却ジャケットに戻すポンプであり、このポンプ９に
よる冷媒強制循環によりエンジン冷却熱によりタービン
を駆動するランキンサイクルを形成している。

【００２４】図２に示したように、回転電機５とエンジ
ン１との間には電磁式のクラッチ１０を有する減速装置
（回転伝達機構）１１を設けてあり、クラッチ１０をＯ
Ｎとすることによりエンジン１とタービン４または回転
電機５との間で回転力の伝達を可能にしている。すなわ
ち、クラッチ１０をＯＦＦとした状態では従来と同様に
タービン４の回転力を発電のための動力源としてのみ利
用可能であるのに対して、クラッチ１０をＯＮとした状
態ではタービン４の回転力を減速装置１１を介してエン
ジンに伝達することにより動力補助を行い、あるいはエ
ンジン１の出力により回転電機５を駆動してエンジン１
を動力源とする発電を行わせることができる。なお図２
において１２はインバータ６からのバッテリ電力により
作動する車両電気系を示しており、ハイブリッドカーの
場合はその動力源となる電動モータなどもこれにあた
る。

【００２５】図２において、１３は上述したクラッチ１
０のＯＮ・ＯＦＦや回転電機５とバッテリ７とのあいだ
の電力の授受を、後述するように各種の運転状態を検出
しながら制御するコントローラであり、上記インバータ
６と共にこの実施形態における制御装置を構成する。以
下このコントローラ１３によるクラッチ１０および回転
電機５の制御例につき図３以下の各図に沿って説明す
る。

【００２６】図３はコントローラ１３が実行する制御の
概略を示した流れ図であり、この制御は一定の周期で繰
り返し実行される。この制御ではまず運転状態の検出が
行われる（ステップ３０１）。検出する運転状態として
は、キースイッチの位置、エンジン１およびタービン４
の回転数と負荷（圧力比）、バッテリ７の電圧などであ
る。ついでエンジン始動条件か否かを例えばキースイッ
チのスタータ接点の開閉状態から判定し、始動要求があ
る場合にはクラッチ１０をＯＮとしたうえで回転電機５
にバッテリ７からの電力を供給し、回転電機５をスター
タモータとして作動させることにより始動クランキング
を行ってエンジン１を始動させる（ステップ３０２〜３
０４）。エンジン始動後のクラッチ１０の状態はステッ
プ３０５以下の処理によって判定される始動後の運転状
態に依存する。ステップ３０２において例えばキースイ
ッチがＯＮでエンジン回転数が予め定めた基準値以上の
ときはすでに始動は完了しているものと判定してステッ
プ３０５以下の処理に直接移行する。

【００２７】ステップ３０５では、検出したバッテリ電
圧Ｖと基準値Ｖ０，Ｖ１との比較により充電が必要な状
態か否か等を判定する。基準値Ｖ０は充電が必要な下限
バッテリ電圧に、基準値Ｖ１は過充電のおそれがある上
限バッテリ電圧に、それぞれ相当する。ここでＶ０≦Ｖ
≦Ｖ１が成立しないとき、つまり実電圧Ｖが適正範囲外
であるときには、ついでステップ３０９へ移行し、Ｖ＞
Ｖ１つまり過充電状態であるか否かを判定する。

【００２８】ステップ３０９においてＶ＞Ｖ１であれば
クラッチ１０をＯＮとし、このとき回転電機５は発電を
行わせずに空転状態とする。これによりタービン４が発
生している回転力はそのほぼ全部が減速装置１１を介し
てエンジン１に付加されることになるので、要求される
駆動力に対してエンジン１の消費燃料量が減少する。こ
れに対して、Ｖ＞Ｖ１でなければ、これはステップ３０
５での判断との関係からＶ＜Ｖ０、つまり充電が必要な
バッテリ状態であることを意味しているので、ステップ
３１１以下の充電のためのクラッチ制御の処理に移行す
る。

【００２９】ステップ３１１では、そのときの回転数お
よび負荷において、クラッチ１０をＯＦＦとしてタービ
ン４のみにより回転電機５を駆動して発電させた場合の
発電量Ｃ１と、クラッチ１０をＯＮとしてエンジン１の
動力を回転電機５に付加して発電させた場合の発電量Ｃ
２とを比較し、より大きな発電量が得られるクラッチ状
態を選択する（ステップ３１１〜３１３）。何れの状態
がより大きな発電量となるかは、運転状態毎に予め実験
的に調べておくことができるので、この実験結果に基づ
いて作成したテーブルを検出運転状態をパラメータとし
て検索することによりクラッチ１０をＯＮとすべきかＯ
ＦＦとすべきかを決定させることができる。このように
してより大きな発電量が得られる状態で運転させること
によりバッテリ７を効率よく充電することができる。

【００３０】一方、ステップ３０５の判断においてＶ０
≦Ｖ≦Ｖ１の条件が成立した場合には、このときは現在
の運転状態においてクラッチ１０をＯＮとすべきかＯＦ
Ｆとべきかをエネルギ効率の観点から判定する（ステッ
プ３０５〜３０８）。図３ではこの判定をステップ３０
６の「判断Ａ」として示してあるが、具体的には例えば
次のような考え方による。すなわち、図４または図５は
それぞれタービン４の運転性能を示したものであるが、
クラッチ１０をＯＦＦとしてタービン４を回転電機５の
駆動のためにのみ用いる場合には図５に矢印で示したよ
うに高いタービン効率ηｔが得られるような運転点でタ
ービン４が運転されるように回転電機５の負荷（発電
量）を制御すればよい。これに対して、クラッチ１０を
ＯＮとした場合には図４に示したようにタービン回転数
がエンジン１の回転数に応じて変化することになるの
で、タービン４の出力をエンジン出力に付加して高効率
を得られる運転状態においてのみクラッチ１０をＯＮに
する必要がある。

【００３１】このような判断を行うために、クラッチＯ
Ｎ時のタービン効率ηｔｏｎ、クラッチＯＦＦ時のター
ビン効率ηｔｏｆｆ、回転電機５の発電効率ηｒ、バッ
テリ７の効率ηｖとするとき、 ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも小のときにはク
ラッチＯＦＦ ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも大のときにはク
ラッチＯＮ にする。これにより運転状態によらず動力装置として常
により高い効率を発揮させることが可能となる。

【００３２】なお、ハイブリッドカーのように、動力源
としてエンジンの他にバッテリ電力により作動する電動
モータを備える場合には、バッテリ７の出力が電動モー
タによりどの程度活用されるかをも考慮する必要があ
る。この場合には、電動モータの効率をηｍとすると
き、上記ηｏｆｆにηｍを乗じた結果をηｏｆｆとして
クラッチのＯＮまたはＯＦＦを選択するように図る。

【００３３】これに対して、動力源がエンジンのみの場
合には次のようにしてクラッチ１０のＯＮ・ＯＦＦの判
断を行うこともできる。すなわち、エンジン１の出力
Ａ、出力Ａのときのエンジン１の消費燃料重量ｇａ、タ
ービンの出力Ｂ、機関出力Ａとタービン出力の和（要求
駆動力）Ｃ、出力Ｃのときのエンジン１の消費燃料重量
ｇｃ、回転電機５の発電効率ηｒ、バッテリ７の効率η
ｖ、タービン４の出力に前記発電効率ηｒとバッテリ効
率ηｖを乗じた出力Ｄを演算し、 Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも大のときにはクラッ
チＯＦＦ Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも小のときにはクラッ
チＯＮ となるように制御する。

【００３４】図６はこの判断の考え方を説明したもの
で、例えばいまエンジン１が回転数Ｘ１ｒｐｍにて運転
しているときの要求駆動力をＣとするとき、クラッチ１
０をＯＮにしてエンジン１とタービン４の双方の出力を
駆動力として利用するものとすると、この運転点でそれ
ぞれが発揮する出力はあらかじめ実験的に求めておくこ
とができるので、この結果から前記要求出力Ｃを満たす
エンジン出力Ａとタービン出力Ｂの組み合わせが求めら
れる（Ｃ＝Ａ＋Ｂ。図６の上欄参照）。一方、クラッチ
１０をＯＦＦとして、回転数Ｘ２ｒｐｍの運転点にてエ
ンジン１のみによって要求出力Ｃを満たそうとするとき
には、必要なエンジン出力はＣとなる。また、このとき
タービン４の出力Ｄは発電のために用いることになるの
でタービン４に関する所要出力Ｄは予め定めた規定の発
電量を満たすのに必要な出力に回転電機５の効率ηｒと
バッテリ効率ηｂとを乗じたものとなる（図６の下欄参
照）。そこで、クラッチＯＮとしてエンジン１が出力Ａ
を発揮するときの消費燃料重量ｇａで要求出力Ｃを除し
た出力燃料量比と、クラッチＯＦＦとしてエンジン１が
出力Ｃを発揮するときの消費燃料重量ｇｃでこのときの
必要出力（Ｃ＋Ｄ）を除した出力燃料量比とを比較する
ことにより、何れのクラッチ状態のときがよりエネルギ
効率が高いか判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の冷却系統の概略構成図。

【図２】上記実施形態の制御系統の概略構成図。

【図３】上記実施形態の制御内容を示す流れ図。

【図４】クラッチＯＮのときのタービンの運転域を示す
運転性能線図。

【図５】クラッチＯＦＦのときのタービンの運転域を示
す運転性能線図。

【図６】車両の走行用動力源としてエンジンのみを備え
た場合のクラッチの切換判定を説明するための説明図。

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関） ２ 冷媒通路 ３ 過熱器 ４ タービン ５ 回転電機 ６ インバータ ７ バッテリ ８ コンデンサ ９ ポンプ １０ クラッチ １１ 減速機（回転伝達機構）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポンプにより冷媒を循環させる密閉された
   冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和
   蒸気を機関排気で過熱する過熱器と、この過熱器で過熱
   された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネルギに変換
   するタービンと、タービンからの冷媒を冷却して液化す
   るコンデンサと、タービン出力により駆動される回転電
   機と、回転電機との間で充放電を行うバッテリーとを備
   える内燃機関を有し、 前記タービンと内燃機関とをクラッチを備えた回転伝達
   機構を介して接続すると共に、運転状態を検出して前記
   クラッチの締結・開放と前記クラッチ・バッテリー間の
   充放電を制御する制御装置を設けたことを特徴とする動
   力装置。
2. 【請求項２】制御装置は、機関始動時にはクラッチを締
   結すると共に回転電機にバッテリ電力を供給して回転電
   機の出力により内燃機関の始動クランキングを行うよう
   にした請求項１に記載の動力装置。
3. 【請求項３】制御装置は、バッテリの充電状態を判定
   し、充電を要すると判定したときには、そのときの運転
   状態でのタービンのみにより回転電機を発電作動させた
   ときの発電量Ｃ１と内燃機関の出力を回転電機に伝達し
   て発電作動させたときの発電量Ｃ２とを比較し、Ｃ１が
   Ｃ２よりも大のときにはクラッチを開放して、Ｃ１がＣ
   ２よりも小のときにはクラッチを締結して、回転電機に
   発電作動させるようにした請求項１に記載の動力装置。
4. 【請求項４】制御装置は、バッテリの充電状態を判定
   し、充電過剰と判定したときには、クラッチを締結する
   と共に回転電機の発電作動を停止させるようにした請求
   項１に記載の動力装置。
5. 【請求項５】制御装置は、運転状態毎にクラッチ締結時
   のエネルギ効率とクラッチ開放時のエネルギ効率を求
   め、エネルギ効率が大となるクラッチ状態を選択するよ
   うにした請求項１に記載の動力装置。
6. 【請求項６】制御装置は、クラッチ締結時のタービン効
   率ηｔｏｎ、クラッチ開放時のタービン効率ηｔｏｆ
   ｆ、回転電機の発電効率ηｒ、バッテリ効率ηｖに基づ
   いてエネルギ効率を演算し、 ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも小のときにはク
   ラッチ開放 ηｔｏｎがηｏｆｆ×ηｒ×ηｖよりも大のときにはク
   ラッチ締結 を行う請求項５に記載の動力装置。
7. 【請求項７】動力源としてバッテリ電力により作動する
   電動機を備え、該電動機の効率をηｍとするとき、ηｏ
   ｆｆにηｍを乗じた結果をηｏｆｆとしてクラッチの開
   放または締結を選択する請求項６に記載の動力装置。
8. 【請求項８】制御装置は、内燃機関の出力Ａ、出力Ａの
   ときの内燃機関の消費燃料重量ｇａ、タービンの出力
   Ｂ、機関出力Ａとタービン出力の和Ｃ、出力Ｃのときの
   内燃機関の消費燃料重量ｇｃ、回転電機の発電効率η
   ｒ、バッテリ効率ηｖ、タービン出力に前記発電効率η
   ｒとバッテリ効率ηｖを乗じた出力Ｄを演算し、 Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも大のときにはクラッ
   チ開放 Ｃ／ｇａが（Ｃ＋Ｄ）／ｇｃよりも小のときにはクラッ
   チ締結 を行う請求項５に記載の動力装置。