JP2010196476A - 廃熱回収装置搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】減速時に余剰となる回生動力の有効利用し、燃費をさらに向上させる。
【解決手段】エンジン１０と、前記エンジン１０の廃熱を動力として回生し（以下、この動力を「回生動力」という。）、該回生動力を前記エンジン１０に伝達する廃熱回収装置と、を備えた廃熱回収装置搭載車両であって、前記エンジン１０によって駆動される補機と、アクセルペダルが離されて前記車両が減速する際に、前記エンジン１０の燃料カットを行う燃料カット制御手段と、前記燃料カット中、前記補機に仕事をさせることで前記車両の減速エネルギーを回生する補機回生と、前記回生動力を用いて前記エンジン１０をアシストする回生動力アシストとを行う減速時制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの廃熱を動力として回生する廃熱回収装置を搭載した車両に関する。

エンジンの排気、冷却水から車外へ捨てられていた熱エネルギーを動力として回生する廃熱回収装置を備え、回生された動力（以下、この動力を「回生動力」という。）を用いてエンジンをアシストすることで、燃費を向上させる技術が提案されている。

廃熱回収装置がエンジンの廃熱を受け取ってから回生動力が発生するまでには、５秒程度の遅れがある。したがって、車両が加速状態から一定走行状態や減速状態、あるいは、一定走行状態から減速状態に移行した場合、回生動力が余剰になる場合がある。

この点に関し、特許文献１では、減速時、回生動力に応じてエンジンの出力を減少させ、駆動力が過剰になるのを防止している。

特開２００２−１１５５７４公報

特許文献１が開示する技術によれば、減速時に余剰となる回生動力を利用してエンジンの燃費を向上させることができる。

しかしながら、特許文献１が開示する方法は、エンジンの出力を減少させることができる状況でのみ可能である。したがって、アクセルペダルが離されて減速する場合は、余剰な回生動力に見合っただけエンジンの出力を減少させることができず、このような場合は回生動力を廃棄せざるを得ない。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、減速時に余剰となる回生動力の有効利用し、燃費をさらに向上させることを目的とする。

本発明のある態様によればエンジンと、前記エンジンの廃熱を動力として回生し（以下、この動力を「回生動力」という。）、該回生動力を前記エンジンに伝達する廃熱回収装置と、を備えた廃熱回収装置搭載車両であって、前記エンジンによって駆動される補機と、アクセルペダルが離されて前記車両が減速する際に、前記エンジンの燃料カットを行う燃料カット制御手段と、前記燃料カット中、前記補機に仕事をさせることで前記車両の減速エネルギーを回生する補機回生と、前記回生動力を用いて前記エンジンをアシストする回生動力アシストとを行う減速時制御手段と、を備えたことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両が提供される。

上記態様によれば、エンジンの減速燃料カット中、回生動力を用いた回生動力アシストが行われ、補機回生による車両減速度の増大を抑えることができる。これにより、補機回生による回生量を増やし、燃費を向上させることができる。

また、燃料カットの終了条件が、車両減速度が許容減速度を超える、エンジン回転速度や車速が所定の燃料カットリカバ値まで低下する等の場合は、燃料カットの終了条件が成立するまでの時間が長くなるので、燃料カットの継続時間が長くなり、これによっても燃費を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る廃熱回収装置搭載車両の概略構成図である。 電子制御ユニット（ＥＣＵ）の制御内容を示したフローチャートである。 本発明の実施形態の作用効果を説明するためのタイムチャートで、本発明を適用しない場合（比較例）を示す。 本発明の実施形態の作用効果を説明するためのタイムチャートで、本発明を適用する場合を示す。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る廃熱回収装置搭載車両の概略構成図である。車両は、エンジン１０と、廃熱回収装置としてのランキンサイクルシステム２０を備える。

エンジン１０のクランク軸は自動変速機を介して図示しない駆動輪に接続される。また、クランク軸には図示しないプーリが連結されており、エンジン１０の出力が該プーリに掛け回されるベルトを介してオルタネータ１２（図中、「ＡＬＴ」）、エアコンコンプレッサ１３（図中、「ＣＯＭＰ」）等の補機へと伝達される。

エンジン１０はエンジン制御モジュール５１により制御される。エンジン制御モジュール５１は、エンジン１０の運転状態（回転速度、アクセル開度、吸気量等）に基づき、燃料噴射量、スロットル開度を制御する。また、車両が加速状態あるいは一定走行状態からアクセルペダルが離され、車両が減速状態になると、エンジン制御モジュール５１は、エンジン１０の燃料噴射を停止する燃料カットを開始する。エンジン制御モジュール５１は、エンジン１０の回転速度、車速が所定の燃料カットリカバ値まで低下したとき、あるいは、車両減速度が許容減速度を超えて後述するように電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）４０から燃料カット終了の指示を受けたときには、燃料カットを終了し、エンジン１０の燃料噴射を再開する。

オルタネータ１２は、例えば、交流発電機と整流器で構成され、交流発電機から出力される三相交流電力を整流器で直流電力に変換する。オルタネータ１２は図示しないバッテリに電気的に接続されており、オルタネータ１２から出力される直流電力によりバッテリを充電することができる。オルタネータ１２の発電量（以下、「仕事量」と表現する。）は発電制御モジュール５２により監視・制御される。

エアコンコンプレッサ１３は、容量可変型の斜板式コンプレッサであり、内部に収装されるピストンの往復動により図示しないエアコンの冷媒を吸入、圧縮する。また、エアコンコンプレッサ１３は、圧力制御弁で内部の圧力バランスを変更してピストンに連結される斜板の角度を変更することにより、ピストンストローク量を変更し、吐出量を変更することができる。エアコンコンプレッサ１３の吐出量（以下、「仕事量」と表現する。吐出圧、ピストンストローク量でも代用可）はエアコン制御モジュール５３により監視・制御される。

ランキンサイクルシステム２０は、エンジン１０の排気からエンジン１０の廃熱を回収し、回収した廃熱を動力として回生するシステムである。ランキンサイクルシステム２０は、ポンプ２１、蒸発器２２、アキュムレータ２３、開閉弁２４、膨張機２５、及び、凝縮器２６を備え、各構成要素は、冷媒としての水が流通する流路２７により接続される。

ポンプ２１は電動ポンプである。蒸発器２２は、エンジン１０の排気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を加熱して蒸発させる熱交換器である。

アキュムレータ２３は、冷媒蒸気を蓄える耐圧容器であり、断熱性の高い外壁に覆われている。アキュムレータ２３には、アキュムレータ２３内の冷媒蒸気の圧力を検出する圧力センサ３１と温度を検出する温度センサ３２が取り付けられている。センサ３１、３２はＥＣＵ４０に電気的に接続されており、センサ３１、３２の検出信号はＥＣＵ４０に入力される。

開閉弁２４は、アキュムレータ２３に冷媒蒸気を蓄え始めるタイミング、及び、蓄えられた冷媒蒸気を放出するタイミングを制御する開閉弁である。開閉弁２４は、ＥＣＵ４０に電気的に接続され、ＥＣＵ４０によって開閉制御される。

膨張機２５は、冷媒蒸気を膨張させることにより熱を回転エネルギーに変換する蒸気タービンである。膨張機２５で取り出された動力（以下、「回生動力」という。）は、動力伝達機構１５によりエンジン１０のクランク軸に伝達され、エンジン１０のアシストが行われる。動力伝達機構１５は、ギヤ列あるいはベルトにより構成される。

凝縮器２６は、外気と冷媒蒸気との間で熱交換を行わせ、冷媒蒸気を冷却し液化する熱交換器である。凝縮器２６により液化された冷媒は、ポンプ２１により再び蒸発器２２に送られ、ランキンサイクルシステム２０の各構成要素を循環する。

ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ４１、ＲＡＭ・ＲＯＭからなる記憶装置４２、入出力インターフェース４３等で構成される。記憶装置４２には、後述する減速時制御を実行するプログラムが格納されている。入出力インターフェース４３には、センサ３１、３２の検出信号の他、エンジン制御モジュール５１からの車速信号及び燃料カット制御信号、発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３からのオルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量を表す信号が入力される。

ＣＰＵ４１は、記憶装置４２に格納されるプログラムを読み出して実行し、入力される各種信号に基づき、開閉弁２４の制御信号を生成し、該制御信号を入出力インターフェース４３から開閉弁２４に出力する。また、ＣＰＵ４１は、ＥＣＵ４０が減速制御中に各制御モジュール５１〜５３と協調動作するために必要な信号を、入出力インターフェース４３から各制御モジュール５１〜５３に出力する。

減速時制御について説明する。車両が加速状態あるいは一定走行状態からアクセルペダルが離され車両が減速状態となり、エンジン１０の燃料カットが開始されると、ＥＣＵ４０は、開閉弁２４を閉じ、アキュムレータ２３に冷媒蒸気を蓄え始める。同時に、オルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量を増やすよう発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３に指示し、補機による車両の減速エネルギーの回生を開始する（以下、この回生を「補機回生」という。）。これにより、車両減速度は時間の経過とともに増加する。

ＥＣＵ４０は、車両減速度を監視し、車両減速度が許容減速度に到達するまでの時間を予測する。そして、ＥＣＵ４０は、車両減速度が許容減速度に到達したタイミングで回生動力によりエンジン１０のアシスト（以下、このアシストを「回生動力アシスト」という。）が開始されるよう開閉弁２４を開き、回生動力アシストを開始させる。

回生動力アシスト中、ＥＣＵ４０は、アキュムレータ２３に蓄えられている冷媒蒸気の圧力、温度に基づき回生動力の大きさを予測する。そして、ＥＣＵ４０は、予測された回生動力の大きさに基づき、発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３を介して補機回生による回生量を調整し、回生動力アシスト中の車両減速度を許容減速度に維持する。

その後、アキュムレータ２３に蓄えられている冷媒蒸気が少なくなると、回生動力が消滅し、車両減速度が再び増加に転じる。車両減速度が許容減速度を超えると、ＥＣＵ４０は、エンジン制御モジュール５１に燃料カットを終了するよう指示を出す。指示を受けたエンジン制御モジュール５１はエンジン１０の燃料噴射を再開し、車両減速度が許容減速度を超えて増大しないようにする。

図２を参照しながら減速時制御の詳細についてさらに説明する。図２は、ＥＣＵ４０が実行する減速時制御の内容を示しており、ＥＣＵ４０において実行される。

まず、Ｓ１１では、ＥＣＵ４０は、エンジン制御モジュール５１から入力される車速信号、燃料カット制御信号に基づき、車両が減速状態かつ燃料カット状態にあるか判定する。肯定的な判定がなされたときは処理がＳ１２に進み、否定的な判定がなされたときは処理が終了する。

Ｓ１２では、ＥＣＵ４０は、開閉弁２４を閉じ、アキュムレータ２３に冷媒蒸気を蓄え始める。これと同時に、オルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量を増やすよう発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３に指示を出し、車両の減速エネルギーを回生する補機回生を開始する。補機回生では、例えば、減速当初は、エアコンコンプレッサ１３の仕事量を増大させ、その後、エアコンの冷媒温度が十分に低下したところで、オルタネータ１２の仕事量を増大させるようにする。このとき、運転者に違和感を与えないように、ＥＣＵ４０は、車両減速度が一定の割合で増加するよう発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３を介してオルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量を調整する。

Ｓ１３では、ＥＣＵ４０は、車両減速度が許容減速度を超えているか判定する。車両減速度は車速信号に基づき演算することができる。車両減速度が許容減速度を超えていない場合は処理がＳ１４に進み、超えている場合は処理がＳ１６に進む。

Ｓ１４では、ＥＣＵ４０は、車両減速度が許容減速度に到達するまでの時間を予測する。例えば、ＥＣＵ４０は、許容減速度と車両減速度の現在値の差を、車両減速度の現在値の単位時間あたりの変化量で割って、車両減速度が許容減速度に到達するまでの時間を予測する。

Ｓ１５では、ＥＣＵ４０は、車両減速度が許容減速度に到達するまでの時間が回生遅れ時間以下か判定する。回生遅れ時間とは、開閉弁２４を開いてからアキュムレータ２３内の冷媒蒸気が膨張機２５に供給され、回生動力が実際に発生するまでの時間である。車両減速度が許容減速度に到達するまでの時間が回生遅れ時間以下になると、処理がＳ１６に進む。そうでない場合は、Ｓ１４、Ｓ１５の処理が繰り返される。

Ｓ１６では、ＥＣＵ４０は、開閉弁２４を開き、アキュムレータ２３に蓄えられている冷媒蒸気を膨張機２５に供給することで、回生動力を発生させる。回生動力は回生遅れ時間だけ遅れて発生するが、Ｓ１５の処理により、車両減速度が許容減速度に到達するタイミングよりも回生遅れ時間だけ先に開閉弁２４が開かれるので、回生動力は車両減速度が許容減速度に到達するタイミングで発生する。また、ＥＣＵ４０は、発生する回生動力の大きさに応じて、発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３を介してオルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量を調整し、車両減速度を許容減速度に維持する協調回生を開始する。このとき、エアコンコンプレッサ１３よりもオルタネータ１２の方が仕事量を調整しやすいので、エアコンコンプレッサ１３が動作しているときはエアコンコンプレッサ１３を停止し、オルタネータ１２の仕事量を調整して車両減速度を許容減速度に維持するようにする。

Ｓ１７では、ＥＣＵ４０は、車両減速度が許容減速度を超えているか再び判定する。アキュムレータ２３に蓄えられていた冷媒蒸気が少なくなって回生動力が消滅すると、車両減速度が再び増加に転じる。車両減速度が許容減速度を超えていると判定された場合は、処理がＳ１８に進む。そうでない場合は、Ｓ１６、Ｓ１７の処理が繰り返される。

Ｓ１８では、ＥＣＵ４０は、オルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量をゼロにするよう、発電制御モジュール５２及びエアコン制御モジュール５３に指示を出し、協調回生を終了する。さらに、ＥＣＵ４０は、エンジン制御モジュール５１に燃料カット終了を指示し、エンジン１０の燃料噴射を再開させる。

Ｓ１９では、ＥＣＵ４０は、減速時制御を終了する。

続いて、本実施形態の作用効果について説明する。

上記実施形態によれば、エンジン１０の減速燃料カット中、回生動力を用いた回生動力アシストが行われ、補機回生（上記実施形態ではオルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３による車両の減速エネルギーの回生）による車両減速度の増大を抑えることができる。これにより、補機による回生量を増やし、燃費を向上させることができる。

また、燃料カットの終了条件が、車両減速度が許容減速度を超える、エンジン回転速度や車速が所定の燃料カットリカバ値まで低下する等の場合は、燃料カットの終了条件が成立するまでの時間が長くなるので、燃料カットの継続時間が長くなり、これによっても燃費を向上させることができる。

また、補機回生を開始するタイミングよりも遅らせて回生動力アシストを開始する、より好適には、車両減速度が許容減速度に到達するタイミングで回生動力アシストを開始するようにした。これにより、減速当初は適度な減速感を得つつ減速度が過大になるのを抑えることができ、運転者にとって自然な減速を実現することができる。

さらに、上記実施形態では、回生動力によりエンジン１０をアシストしている間、補機回生による回生量（上記実施形態ではオルタネータ１２、エアコンコンプレッサ１３の仕事量）を調整して車両減速度が許容減速度に維持されるようにした。これにより、回生動力アシストにより車両減速度が変動するのを抑え、車両減速度の変動により運転性が損なわれるのを防止することができる。

図３は、上記減速時制御を行わない場合（比較例）の減速時の様子を示したタイムチャートである。図４は、上記減速時制御を行う場合（本実施形態）の減速時の様子を示したタイムチャートである。

いずれも時刻ｔ１で、アクセルペダルが離されて車両が減速し始めるのに合わせて燃料カットと補機回生が開始される。補機回生が行われることにより、車両減速度は時間の経過とともに増大し、時刻ｔ２には車両減速度が許容減速度に到達する。

比較例（図３）では、ここで車両減速度が許容減速度を超えることになり、燃料カットが終了される。したがって、比較例では、燃料カット及び補機回生の継続時間はＴ１（＝ｔ２−ｔ１）となる。

これに対し、本実施形態（図４）では、車両減速度が許容減速度に到達する時刻ｔ２に合わせて回生動力が発生するように開閉弁２４が開かれ、時刻ｔ２に回生動力を用いた回生動力アシストが開始される。なお、この回生動力は本来、図中波線で示すように減速開始直後に発生するものであるが、アキュムレータ２３と開閉弁２４の働きにより、本来の発生タイミングよりも遅延して発生する。

そして、回生動力が発生している間（時刻ｔ２〜ｔ３）は、車両減速度が許容減速度に維持されるよう回生動力の大きさに応じて補機回生の回生量が調整され、車両減速度の変動により運転性が損なわれるのが防止される。

その後、アキュムレータ２３に蓄えられていた冷媒蒸気が少なくなり、回生動力が消滅すると、車両減速度が再び増加に転じる（時刻ｔ３）。減速度が許容減速度を超えると燃料カットが終了するが、本実施形態では、燃料カット及び補機回生の継続時間はＴ２（＝ｔ３−ｔ１）となり、比較例と比べΔＴ（＝ｔ３−ｔ２）だけ長くなり、その分、燃費が向上する。

なお、回生動力の発生タイミングを遅らせる方法としては、上記実施形態のように、廃熱回収装置がランキンサイクルシステム２０であれば、冷媒蒸気を蓄えるアキュムレータ２３と、アキュムレータ２３から膨張機２５への冷媒蒸気の供給を制御する開閉弁２４とで構成することができる。ただし、この構成では、開閉弁２４を開いてから回生動力が発生するまでに遅れ（回生遅れ時間）が生じるので、車両減速度が許容減速度に到達するタイミングよりも回生遅れ時間だけ先に開閉弁２４を開くようにする。これにより、車両減速度が許容減速度に到達するタイミングで回生動力を発生させることが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態におけるランキンサイクルシステム２０は、エンジン１０の排気からエンジン１０の廃熱を回収するシステムであるが、エンジン１０の冷却水からエンジン１０の廃熱を回収するシステムであってもよい。この場合、冷媒としてはより沸点の低いＲ１３４ａ等を用いる。

さらに、廃熱回収装置はランキンサイクルシステム２０に限定されず、スターリングエンジン、ブレイトンサイクル等、ランキンサイクルシステム以外の廃熱回収装置を用いることも可能である。

１０…エンジン
１２…オルタネータ（補機）
１３…エアコンコンプレッサ（補機）
２０…ランキンサイクルシステム（廃熱回収装置）
２２…蒸発器
２３…アキュムレータ（遅延手段）
２４…開閉弁（遅延手段）
２５…膨張機
４０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５１…エンジン制御モジュール（燃料カット制御手段）
５２…発電制御モジュール
５３…エアコン制御モジュール
Ｓ１１〜Ｓ１９…減速時制御手段

Claims (7)

1. エンジンと、前記エンジンの廃熱を動力として回生し（以下、この動力を「回生動力」という。）、該回生動力を前記エンジンに伝達する廃熱回収装置と、を備えた廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記エンジンによって駆動される補機と、
   アクセルペダルが離されて前記車両が減速する際に、前記エンジンの燃料カットを行う燃料カット制御手段と、
   前記燃料カット中、前記補機に仕事をさせることで前記車両の減速エネルギーを回生する補機回生と、前記回生動力を用いて前記エンジンをアシストする回生動力アシストとを行う減速時制御手段と、
   を備えたことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
2. 請求項１に記載の廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記回生動力の発生タイミングを遅延させる遅延手段を備え、
   前記減速時制御手段は、前記回生動力アシストを開始するタイミングを前記遅延手段により遅延させ、前記補機回生を開始するタイミングよりも遅くする、
   ことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
3. 請求項２に記載の廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記燃料カット制御手段は、車両減速度が許容減速度を超えたら前記燃料カットを終了し、
   前記減速時制御手段は、前記車両減速度が前記許容減速度に到達するタイミングで前記回生動力アシストを開始する、
   ことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
4. 請求項３に記載の廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記減速時制御手段は、前記回生動力アシストを行っている間、前記補機回生による回生量を調整して前記車両減速度を前記許容減速度に維持する、
   ことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
5. 請求項２から４のいずれか一つに記載の廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記廃熱回収装置は、前記エンジンの廃熱で冷媒を蒸発させる蒸発器と、冷媒蒸気により駆動されて前記回生動力を出力する膨張機と、を備えるランキンサイクルシステムであり、
   前記遅延手段は、前記蒸発器と前記膨張機の間に配置されて冷媒蒸気を蓄えるアキュムレータと、該アキュムレータから前記膨張機への冷媒蒸気の流れを制御する開閉弁とで構成される、
   ことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
6. 請求項５に記載の廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記減速時制御手段は、前記アキュムレータ内に蓄えられる冷媒蒸気の状態に基づき、前記開閉弁が開かれてから前記回生動力が発生するまでの遅れ時間を予測し、前記回生動力アシストを開始するタイミングよりも前記遅れ時間だけ前に前記開閉弁を開く、
   ことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。
7. 請求項５または６に記載の廃熱回収装置搭載車両であって、
   前記アキュムレータ内に蓄えられる冷媒蒸気の状態に基づき前記回生動力の大きさを予測し、
   前記減速時制御手段は、前記回生動力アシストを行っている間、前記予測される前記回生動力の大きさに応じて前記補機回生による回生量を調整し、前記車両減速度を前記許容減速度に維持する、
   ことを特徴とする廃熱回収装置搭載車両。

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