JP2010185417A - 廃熱回収装置搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンによる発電と廃熱回収装置による発電とを単一の発電機で行う。
【解決手段】本発明の廃熱回収装置搭載車両は、エンジン１０と、エンジン１０の廃熱を回収する廃熱回収手段５０と、第１の回転子２１と、第１の回転子２１に対して同心に配置される第２の回転子２２とを有し、第１の回転子２１と第２の回転子２１との相対回転によって発電するモータジェネレータ２０とを備え、第１の回転子２１はエンジン１０の駆動力によって駆動され、第２の回転子２２は廃熱回収手段５０によって回収された熱エネルギーによって駆動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置を搭載した車両に関する。

エンジンの冷却水から廃熱を回収する廃熱回収装置を備える車両が知られている。廃熱回収装置では、エンジンの冷却水と熱交換して高温となった冷媒の膨張力によって膨張機を回転させ、膨張機の回転によって発電機を回転駆動することで、熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、さらに電気エネルギーに変換している。特許文献１には、このような廃熱回収装置を備える車両において、廃熱回収装置の膨張機によって駆動される発電機と、エンジンによって駆動される発電機とをそれぞれ設けることが記載されている。

特開２００７−３０９３１２公報

しかし、上記従来の技術では発電機がエンジン側と廃熱回収装置側との２つ必要となるので車両の重量が増加し、空間効率が悪化し、部品点数が増加する。そこで、発電機を１つだけ設けることが考えられが、発電機をエンジン側にのみ設ける構成では廃熱回収装置による発電を行うことができず、また廃熱回収装置側にのみ設ける構成では、エンジンが冷機状態で冷却水温度が低く、廃熱が生じないような状況において発電を行うことができなくなる。

本発明は、エンジンによる発電と廃熱回収装置による発電とを単一の発電機で行うことを目的とする。

本発明は、エンジンと、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収手段と、第１の回転子と、第１の回転子に対して同心に配置される第２の回転子とを有し、第１の回転子と第２の回転子との相対回転によって発電するモータジェネレータとを備え、第１の回転子はエンジンの駆動力によって駆動され、第２の回転子は廃熱回収手段によって回収された熱エネルギーによって駆動されることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンによって第１の回転子を駆動し、廃熱回収手段によって第２の回転子を駆動するので、モータジェネレータを複数設けることなく単一のモータジェネレータによってエンジンによる発電と、廃熱回収手段による発電とを行うことができる。

本実施形態における廃熱回収装置搭載車両の構成を示す概略構成図である。 モータジェネレータの構造を示す断面図である。 遊星歯車の構造を示す概略断面図である。 モータジェネレータの作動状態を示す概略構成図である。 モータジェネレータの作動状態を示す概略構成図である。 モータジェネレータの作動状態を示す概略構成図である。 本実施形態における廃熱回収装置搭載車両の制御を示すフローチャートである。

以下では図面を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は本実施形態における廃熱回収装置搭載車両の構成を示す概略構成図である。本実施形態における廃熱回収装置搭載車両は、エンジン１０と、モータジェネレータ２０と、遊星歯車３０（逆転機構）と、エンジン１０を冷却する冷却水が循環する冷却水回路４０と、当該冷却水からエンジン１０の廃熱を回収するランキンサイクルシステム５０（廃熱回収手段）と、コントローラ６０とを備える。また当該車両は、エンジン１０の出力を必要としないとき一時的にエンジン１０を停止することができるアイドルストップ車両である。

初めに冷却水回路４０及びランキンサイクルシステム５０について説明する。

冷却水回路４０は、ウォータポンプ４１、加熱器６０、ラジエータ４３を備え、ウォータポンプ４１によって圧送される冷却水はエンジン１、加熱器６０及びラジエータ４３へとこの順に流れ、再度ウォータポンプ４１に還流する。なお、ウォータポンプ４１はエンジン１０によって駆動してもよいし、電動モータによって駆動してもよい。

加熱器６０は、エンジン１０の熱によって高温となった冷却水とランキンサイクルシステム５０を流れる冷媒との間で熱交換を行い、冷却水を冷却する。ラジエータ４３は、加熱器６０によって冷却された冷却水と外気との間で熱交換を行い、冷却水をさらに冷却する。

ランキンサイクルシステム５０は、ポンプ５１、加熱器６０、膨張機５２、凝縮器５３、気液分離器５４を備え、回路内には冷媒が充填される。

ポンプ５１は、液相の冷媒を加圧して加熱器６０へと圧送する。加熱器６０では、冷媒と冷却水回路４０の冷却水との間で熱交換が行われ、液体の冷媒が加熱されて気体になる。気体となった冷媒は膨張機５２へと圧送される。

膨張機５２は、圧装された冷媒を膨張させることにより冷媒の熱エネルギーを機械エネルギーに変換して動力を回収する。膨張機５２において膨張した冷媒は凝縮器５３へと送られる。

凝縮器５３は、冷媒と外気との間で熱交換を行うことで冷媒を冷却して液化する。液化した冷媒は気液分離器５４において気液分離され、液相の冷媒のみがポンプ５１へと送られる。

これにより、エンジン１０の廃熱は冷却水回路４０からランキンサイクルシステム５０へと伝達され、ランキンサイクルシステム５０において動力として回収される。ランキンサイクルシステム５０は冷却水からエンジン１０の廃熱を回収する回路であるので、冷却水温が低いとき、例えばエンジン始動直後などは作動させない。

次にモータジェネレータ２０及び遊星歯車３０について説明する。

モータジェネレータ２０はロータ２１とステータ２２とから構成され、いずれも回転可能である。なお、通常「ステータ」は固定子の意味で用いるが、本明細書では回転可能な回転子を意味することとする。ロータ２１は、エンジン１０のクランク軸に設けられたプーリ７１とロータ２１に設けられたプーリ７２との間にベルト７３を掛け回すことによりエンジン１０に接続される。また、モータジェネレータ２０のステータ２２は遊星歯車３０を介してランキンサイクルシステム５０の膨張機５２の回転軸に接続される。

ここで、モータジェネレータ２０の構造について説明する。図２は、モータジェネレータ２０の構造を示す断面図である。モータジェネレータ２０は、エンジン側に接続される第１のモータシャフト２３と、第１のモータシャフト２３と一体的に回転するロータ２１と、ロータ２１を収容するようにロータ２１と同心に設けられるステータ２２と、ランキンサイクルシステム側に接続され、ステータ２２と一体的に回転する第２のモータシャフト２４とを有する。

第１のモータシャフト２３には、モータジェネレータ２０の外部から外気を取り込んでモータジェネレータ２０を冷却する送風ファン２５と、ロータ２１と電気的に接続されたスリップリング２６とが設けられる。第２のモータシャフト２４には、ステータ２２と電気的に接続された３つのスリップリング２７が設けられる。

インバータ２８は、ロータ２１とステータ２２との回転速度差によって発電された３相交流電力を直流電力に変換してバッテリ８０に供給する。

またここで、遊星歯車３０の構造について説明する。図３は、遊星歯車の構造を示す概略断面図である。遊星歯車３０は、モータジェネレータ２０の第２のモータシャフト２４に接続されるサンギア３１と、膨張機５２の回転軸に接続されるリングギア３２と、サンギア３１及びリングギア３２に噛み合うプラネタリギア３３とから構成される。サンギア３１とリングギア３２とを選択的に断接する第１のクラッチ３４と、プラネタリギア３３の回転を選択的に停止させる第２のクラッチ３５とが設けられる。

これにより、第１のクラッチ３４が締結状態で、第２のクラッチ３５が解放状態であるとき、サンギア３１とリングギア３２とは同一の方向に回転し、第１のクラッチ３４が解放状態で、第２のクラッチ３５が締結状態であるとき、サンギア３１とリングギア３２とは異なる方向に回転する。

次に、第１のクラッチ３４及び第２のクラッチ３５の締結状態とモータジェネレータ２０の作動状態との関係について、図４〜図６を参照しながら説明する。図４〜図６はロータ及びステータの回転方向を矢印で模式的に示した概略構成図である。

図４は、エンジン１０が運転中であって、モータジェネレータ２０が発電を行う場合を示す。この場合には、第１のクラッチ３４を解放状態とし、第２のクラッチ３５を締結状態とすることで、遊星歯車３０のサンギア３１とリングギア３２とを逆方向に回転させる。ロータ２１はエンジン１０によって駆動され、図４の矢印に示す方向に回転する。ステータ２２は膨張機５２によって駆動され、図４の矢印に示す方向に回転する。

これにより、ロータ２１とステータ２２とは逆方向に回転するので、ロータ２１とステータ２２との回転速度差により発電が行われる。このとき、ロータ２１とステータ２２との回転速度差はエンジン１０の回転速度より大きいので、従来のステータが固定されるタイプのモータジェネレータよりも発電量を増加させることができる。

図５は、エンジン１０が運転中であって、モータジェネレータ２０がエンジントルクをアシストする場合を示す。この場合には、第１のクラッチ３４を締結状態とし、第２のクラッチ３５を解放状態とすることで、遊星歯車３０のサンギア３１とリングギア３２とを同方向に回転させる。ロータ２１はエンジン１０によって駆動され、図５の矢印に示す方向に回転する。ステータ２２は膨張機によって駆動され、図５の矢印に示す方向に回転する。

これにより、ロータ２１とステータ２２とは同方向に回転する。また通常、膨張機５２の回転速度はエンジン１０の回転速度より高いので、ステータ２２の回転速度はロータ２１の回転速度より高くなる。したがって、ステータ２２がロータ２１を連れ回すことにより、エンジントルクがアシストされる。すなわち、ステータ２２が仮に固定されているとロータ２１には発電トルクの分だけ負荷がかかるが、ステータ２２がロータ２１と同方向に回転することでロータ２１の負荷は低減し、さらにはステータ２２の回転速度がロータ２１の回転速度より高くなることでロータ２１が連れ回される。

図６は、エンジン１０が停止している場合、すなわちアイドルストップ中を示す。この場合には、第１のクラッチ３４を解放状態とし、第２のクラッチ３５を締結状態とすることで、遊星歯車３０のサンギア３１とリングギア３２とを逆方向に回転させる。ロータ２１の回転はエンジン１０が停止しているので停止している。ステータ２２は膨張機５２によって駆動され、図６の矢印に示す方向に回転する。

これにより、ステータ２２のみが回転し、ロータ２１とステータ２２との回転速度差により発電が行われる。

モータジェネレータ２０は以上のように図４〜図６に示す３つの作動状態を有し、当該作動状態はコントローラ６０によって制御される。コントローラ６０は、エンジン１０の駆動要求の有無及びバッテリ８０の蓄電容量（ＳＯＣ）に基づいて第１のクラッチ３４及び第２のクラッチ３５を制御する。

以下、図７を参照しながらコントローラ６０で行う制御について説明する。図７は本実施形態における廃熱回収装置の制御を示すフローチャートである。本制御は車両が運転状態であるとき、所定の微小時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行される。なお、車両が運転状態であることは、例えばイグニッションスイッチがＯＮ状態であることから判定される。

ステップＳ１では、エンジン１０が運転中であるか否かを判定する。エンジン１０が運転中であると判定されるとステップＳ２進み、エンジン１０が停止中であると判定されるとステップＳ９へ進む。

ステップＳ２では、バッテリ８０のＳＯＣが所定容量Ａより小さいか否かを判定する。ＳＯＣが所定容量Ａより小さいと判定されるとステップＳ３へ進み、第１のクラッチ３４を解放状態とし、第２のクラッチ３５を締結状態とする。これにより、モータジェネレータ２０は図４に示す作動状態となり発電が行われる。ここで、所定容量ＡはＳＯＣが低く充電が必要であると判断できる程度の値であり、予め実験などによって求めておく。

一方、ステップＳ２においてＳＯＣが所定容量Ａ以上であると判定されるとステップＳ４へ進み、ＳＯＣが所定容量Ｂより小さいか否かを判定する。ＳＯＣが所定容量Ｂより小さいと判定されるとステップＳ５へ進み、ＳＯＣが所定容量Ｂ以上であると判定されるとステップＳ８へ進む。ここで、所定容量Ｂは所定容量Ａより大きい値であり、ＳＯＣが十分高いと判断できる程度の値である。

ステップＳ５では、エンジン１０の駆動要求があるか否かを判定する。エンジン１０の駆動要求があると判定されるとステップＳ６へ進み、第１のクラッチ３４を締結状態とし、第２のクラッチ３５を解放状態とする。これにより、モータジェネレータ２０は図５に示す作動状態となりエンジントルクがアシストされる。

一方、ステップＳ５においてエンジン１０の駆動要求がないと判定されるとステップＳ７へ進み、第１のクラッチ３４を解放状態とし、第２のクラッチ３５を締結状態とする。これにより、モータジェネレータ２０は図４に示す作動状態となり発電が行われる。

一方、ステップＳ４においてＳＯＣが所定容量Ｂ以上であると判定されるとステップＳ８へ進み、第１のクラッチ３４を締結状態とし、第２のクラッチ３５を解放状態とする。これにより、モータジェネレータ２０は図５に示す作動状態となりエンジントルクがアシストされる。

一方、ステップＳ１においてエンジン１０が停止中であると判定されるとステップＳ９へ進み、第１のクラッチ３４を解放状態とし、第２のクラッチ３５を締結状態とする。これにより、モータジェネレータ２０は図６に示す作動状態となり発電が行われる。なお、本制御は車両が運転状態であるときに実行されるので、本ステップにおいてエンジン１０が停止中であると判定されるときは、アイドルストップ中である。

すなわち、本制御ではエンジン運転中であって、ＳＯＣが低いときはバッテリ８０を充電するために発電を行い、ＳＯＣが高いときは充電する必要がないのでエンジン１０の駆動力をアシストするように制御する。また、ＳＯＣが所定容量Ａと所定容量Ｂとの間であるときは、エンジン１０の駆動要求の有無によって発電とエンジントルクのアシストとを切り替えるように制御する。さらに、エンジン１０が停止しているアイドルストップ中は、発電を行うように制御する。

以上のように本実施形態では、モータジェネレータ２０のロータ２１とステータ２２とがともに回転可能であり、さらにエンジン１０によってロータ２１を回転駆動し、ランキンサイクルシステム５０の膨張機５２によってステータ２２を回転駆動するので、モータジェネレータ２０を複数設けることなく単一のモータジェネレータ２０によってエンジン１０による発電と、ランキンサイクルシステム５０による発電とを行うことができる。よって、エンジン側及びランキンサイクル側にそれぞれ発電機を設ける構成と比べて、車両を軽量化でき、空間効率を向上させることができ、また部品点数を削減することができる。

また、エンジン１０が運転中であって、ＳＯＣが低いとき、又はエンジン１０の駆動要求がないときは、ロータ２１とステータ２２とを逆方向に回転させるので、ロータ２１とステータ２２との相対回転により発電を行うことができる。また、ロータ２１とステータ２２とを逆方向に回転させることで、ロータ２１とステータ２２との間の相対回転速度はエンジン１０の回転速度より高回転となるので、その分発電量を増大させることができる。

さらに、エンジン１０が運転中であって、ＳＯＣが高いとき、又はエンジン１０の駆動要求があるときは、ロータ２１とステータ２２とを同方向に回転させるので、ステータ２２の回転によってロータ２１が連れ回され、これによってエンジントルクをアシストすることができる。

さらに、アイドルストップ中はエンジン１０の停止によってロータ２１の回転が停止するが、ステータ２２は回転させることができるので、ロータ２１とステータ２２との回転速度差によって発電を行うことができる。

さらに、遊星歯車３０によって膨張機５２の回転軸の回転を逆転してステータ２２へ伝達することができるので、バッテリ８０のＳＯＣ及びエンジン１０の駆動要求の有無に基づいて発電及びエンジントルクのアシストを切り替えることができ、ランキンサイクルシステム５０によって回収されたエネルギーを動力と電気とに無駄なく使用することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。

例えば、本実施形態ではモータジェネレータ２０のロータ２１をエンジン側に接続し、ステータ２２を膨張機側に接続して説明したが、ロータ２２を膨張機側に接続し、ステータ２１をエンジン側に接続しても同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態では遊星歯車３０のサンギア３１をステータ２２に接続し、リングギア３２を膨張機５２の回転軸に接続して説明したが、サンギア３１を膨張機５２の回転軸に接続し、リングギア３２をステータ２２に接続しても同様の作用効果を得ることができる。

さらに、本実施形態では遊星歯車３０をモータジェネレータ２０と膨張機５２との間に設けているが、エンジン１０とモータジェネレータ２０との間に設けてもよい。

さらに、本実施形態ではアイドルストップ車両に廃熱回収装置を適用して説明したが、これに限定されることなくハイブリッド車両など車両使用中にエンジン１０が一時的に停止状態となる車両であれば適用可能である。

さらに、本実施形態ではエンジン１０の廃熱を回収して動力に変換する装置としてランキンサイクルシステムを用いて説明したが、エンジン１０の廃熱を回収して動力に変換できるシステムであればランキンサイクル以外であってもよい。

１０ エンジン
２０ モータジェネレータ
２１ ロータ
２２ ステータ
３０ 遊星歯車
５０ ランキンサイクルシステム
８０ バッテリ

Claims (5)

1. エンジンと、
   前記エンジンの廃熱を回収する廃熱回収手段と、
   第１の回転子と、前記第１の回転子に対して同心に配置される第２の回転子とを有し、前記第１の回転子と前記第２の回転子との相対回転によって発電するモータジェネレータと、
   を備え、
   前記第１の回転子は前記エンジンの駆動力によって駆動され、前記第２の回転子は前記廃熱回収手段によって回収された熱エネルギーによって駆動されることを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
2. 前記エンジン及び前記廃熱回収手段と、前記モータジェネレータとは、前記第１の回転子の回転方向と前記第２の回転子の回転方向とが逆方向となるように接続されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置搭載車両。
3. 前記エンジン及び前記廃熱回収手段と、前記モータジェネレータとは、前記第１の回転子の回転方向と前記第２の回転子の回転方向とが同方向となるように接続されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置搭載車両。
4. 前記エンジンが停止中、前記第１の回転子が停止し、前記第２の回転子のみが回転することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の廃熱回収装置搭載車両。
5. 前記第１の回転子に入力される回転又は前記第２の回転子に入力される回転を逆転させる逆転機構と、
   前記モータジェネレータの発電電力を蓄電するバッテリと、
   を備え、
   前記逆転機構は、前記バッテリの蓄電容量が所定容量より大きいとき、又は前記エンジンに対する駆動要求があるとき、前記第１の回転子又は前記第２の回転子に入力される回転を逆転させることを特徴とする請求項２に記載の廃熱回収装置搭載車両。

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