JP2013076371A

JP2013076371A - Rankine cycle system

Info

Publication number: JP2013076371A
Application number: JP2011216767A
Authority: JP
Inventors: Riyako Iwahashi; 利矢子岩橋; Shinichiro Mizoguchi; 真一朗溝口; Hiroyuki Nagai; 宏幸永井; Takayuki Ishikawa; 貴幸石川; Tomonori Imai; 智規今井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Sanden Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Sanden Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: JP5894756B2; CN103032990A; CN103032990B

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Rankine cycle system in which a temperature of a refrigerant is increased efficiently in a heat exchanger.SOLUTION: The Rankine cycle system 30 includes: a refrigerant pump 32 mounted on a vehicle and for circulating the refrigerant; the heat exchanger 36 providing heat exchange between a coolant water for cooling an engine and the refrigerant; an expander 37 for expanding the refrigerant to convert waste heat recovered by the refrigerant into power; and a condenser 38 for condensing the refrigerant expanded by the expander 37. The heat exchanger 36 is provided adjacent to an exhaust passage 3 of the engine.

Description

本発明はランキンサイクルシステムに関するものである。 The present invention relates to a Rankine cycle system.

従来、車両用のランキンサイクルにおいて、蒸発器によって水を蒸発させて、高温高圧蒸気を膨張機に供給し、膨張機で出力を発生させるものが特許文献１に開示されている。 Conventionally, Patent Document 1 discloses a Rankine cycle for a vehicle in which water is evaporated by an evaporator, high-temperature high-pressure steam is supplied to the expander, and an output is generated by the expander.

特開２００１−１８２５０４号公報JP 2001-182504 A

しかし、上記発明では、内燃機関の冷却水とランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を有するランキンサイクルについては考慮されていない。 However, the above invention does not consider the Rankine cycle having a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water of the internal combustion engine and the refrigerant of the Rankine cycle.

冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を用いたランキンサイクルでは、内燃機関の熱が冷却水を介して冷媒に伝えられるために、運転条件によっては熱交換効率が悪くなる、といった問題点がある。 In the Rankine cycle using a heat exchanger that performs heat exchange between the cooling water and the refrigerant, the heat of the internal combustion engine is transferred to the refrigerant through the cooling water, so that the heat exchange efficiency is deteriorated depending on the operating conditions. There is a problem.

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、内燃機関の冷却水とランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行う熱交換器において熱交換効率を改善することを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems, and has an object to improve heat exchange efficiency in a heat exchanger that performs heat exchange between cooling water of an internal combustion engine and a refrigerant of a Rankine cycle. And

本発明のある態様に係るランキンサイクルシステムは、車両に搭載され、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンを冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、冷媒を膨張させることによって冷媒に回収された廃熱を動力に変換する膨張機と、膨張機によって膨張した冷媒を凝縮させる凝縮器とを備えるランキンサイクルシステムである。熱交換器は、エンジンの排気通路に隣接して設けられる。 A Rankine cycle system according to an aspect of the present invention is mounted on a vehicle and circulates a refrigerant pump, a heat exchanger that exchanges heat between cooling water that cools the engine and the refrigerant, and expands the refrigerant. The Rankine cycle system includes an expander that converts waste heat collected by the refrigerant into power and a condenser that condenses the refrigerant expanded by the expander. The heat exchanger is provided adjacent to the engine exhaust passage.

この態様によると、温度が高くなる排気通路に隣接して熱交換器が設けられるので、排気通路からの熱によって熱交換器を暖め、熱交換効率を改善することができる。 According to this aspect, since the heat exchanger is provided adjacent to the exhaust passage where the temperature increases, the heat exchanger can be warmed by the heat from the exhaust passage, and the heat exchange efficiency can be improved.

本発明の実施形態の統合サイクルの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the integration cycle of embodiment of this invention. ポンプ及び膨張機を一体化した膨張機ポンプの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the expander pump which integrated the pump and the expander. 冷媒ポンプの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of a refrigerant pump. 膨張機の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of an expander. 冷媒系バルブの機能を示す概略図である。It is the schematic which shows the function of a refrigerant | coolant type | system | group valve | bulb. ハイブリッド車両の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a hybrid vehicle. エンジンの概略斜視図である。It is a schematic perspective view of an engine. ハイブリッド車両を下方から見た概略図である。It is the schematic which looked at the hybrid vehicle from the lower part. ランキンサイクル運転域の特性図である。It is a characteristic view of a Rankine cycle operation area. ランキンサイクル運転域の特性図である。It is a characteristic view of a Rankine cycle operation area.

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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

図１は本発明の前提となるランキンサイクル３１のシステム全体を表した概略構成図を示している。図１のランキンサイクル３１は、冷凍サイクル５１と冷媒および凝縮器３８を共有する構成になっており、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１を統合したランキンサイクルシステムのことを、これ以降統合サイクル３０と表現する。図４は統合サイクル３０が搭載されるハイブリッド車両１の概略構成図である。尚、統合サイクル３０は、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１の冷媒が循環する回路（通路）及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路（通路）等を含めたシステム全体を指すものとする。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the entire system of a Rankine cycle 31 which is a premise of the present invention. The Rankine cycle 31 of FIG. 1 is configured to share the refrigerant and the condenser 38 with the refrigeration cycle 51, and the Rankine cycle system in which the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51 are integrated is hereinafter expressed as an integrated cycle 30. To do. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the hybrid vehicle 1 on which the integrated cycle 30 is mounted. The integrated cycle 30 includes a circuit (passage) through which the refrigerant of the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51 circulates and components such as a pump, an expander, and a condenser provided in the middle of the circuit, and a circuit for cooling water and exhaust. It shall refer to the entire system including (passage).

ハイブリッド車両１では、エンジン２、モータジェネレータ８１、自動変速機８２が直列に連結され、自動変速機８２の出力はプロペラシャフト８３、ディファレンシャルギヤ８４を介して駆動輪８５に伝達される。エンジン２とモータジェネレータ８１の間には第１駆動軸クラッチ８６を設けている。また、自動変速機８２の摩擦締結要素の一つが第２駆動軸クラッチ８７として構成されている。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７は、エンジンコントローラ７１に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接（接続状態）が制御される。ハイブリッド車両１では、図７Ｂに示すように、車速がエンジン２の効率が悪いＥＶ走行領域にあるときには、エンジン２を停止し第１駆動軸クラッチ８６を遮断し第２駆動軸クラッチ８７を接続してモータジェネレータ８１による駆動力のみでハイブリッド車両１の走行を行わせる。一方、車速がＥＶ走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン２を運転してランキンサイクル３１（後述する）を運転する。エンジン２は排気通路３を備え、排気通路３は、排気マニホールド４と、排気マニホールド４の集合部に接続される排気管５とから構成される。排気管５は途中でバイパス排気管６と分岐しており、バイパス排気管６にバイパスされる区間の排気管５には、排気と冷却水との間で熱交換を行なうための廃熱回収器２２を備える。廃熱回収器２２とバイパス排気管６は、図６に示すように、これらを一体化した廃熱回収ユニット２３として、床下触媒８８とその下流のサブマフラー８９との間に配置される。 In the hybrid vehicle 1, the engine 2, the motor generator 81, and the automatic transmission 82 are connected in series, and the output of the automatic transmission 82 is transmitted to the drive wheels 85 via the propeller shaft 83 and the differential gear 84. A first drive shaft clutch 86 is provided between the engine 2 and the motor generator 81. One of the frictional engagement elements of the automatic transmission 82 is configured as a second drive shaft clutch 87. The first drive shaft clutch 86 and the second drive shaft clutch 87 are connected to the engine controller 71, and their connection / disconnection (connected state) is controlled according to the driving conditions of the hybrid vehicle. In the hybrid vehicle 1, as shown in FIG. 7B, when the vehicle speed is in the EV traveling region where the efficiency of the engine 2 is poor, the engine 2 is stopped, the first drive shaft clutch 86 is disconnected, and the second drive shaft clutch 87 is connected. Thus, the hybrid vehicle 1 is caused to travel only by the driving force of the motor generator 81. On the other hand, when the vehicle speed deviates from the EV travel region and shifts to the Rankine cycle operation region, the engine 2 is operated to operate the Rankine cycle 31 (described later). The engine 2 includes an exhaust passage 3, and the exhaust passage 3 includes an exhaust manifold 4 and an exhaust pipe 5 connected to a collective portion of the exhaust manifold 4. The exhaust pipe 5 branches off from the bypass exhaust pipe 6 on the way, and the exhaust pipe 5 in the section bypassed by the bypass exhaust pipe 6 has a waste heat recovery unit for exchanging heat between the exhaust and the cooling water. 22. As shown in FIG. 6, the waste heat recovery unit 22 and the bypass exhaust pipe 6 are disposed between the underfloor catalyst 88 and the sub muffler 89 downstream thereof as a waste heat recovery unit 23 in which these are integrated.

図１に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン２を出た８０〜９０℃程度の冷却水は、ラジエータ１１を通る冷却水通路１３と、ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４とに別れて流れる。その後、２つの流れは、両通路１３、１４を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ１５で再び合流し、さらに冷却水ポンプ１６を経てエンジン２に戻る。冷却水ポンプ１６はエンジン２によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。サーモスタットバルブ１５は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を大きくしてラジエータ１１を通過する冷却水の流量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を小さくしてラジエータ１１を通過する冷却水の流量を相対的に減らす。エンジン２の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ１１をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる。一方、バイパス冷却水通路１４側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ１１を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路１４を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ１５が構成されている。ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４は、冷却水通路１３から分岐して後述の熱交換器３６に直接接続する第１バイパス冷却水通路２４と、冷却水通路１３から分岐して廃熱回収器２２を経た後に熱交換器３６に接続する第２バイパス冷却水通路２５とからなる。 First, the engine coolant circuit will be described with reference to FIG. The cooling water of about 80 to 90 ° C. leaving the engine 2 flows separately into a cooling water passage 13 that passes through the radiator 11 and a bypass cooling water passage 14 that bypasses the radiator 11. Thereafter, the two flows are merged again by a thermostat valve 15 that determines the distribution of the flow rate of the cooling water flowing through both passages 13 and 14, and then returns to the engine 2 via the cooling water pump 16. The cooling water pump 16 is driven by the engine 2 and its rotation speed is synchronized with the engine rotation speed. The thermostat valve 15 increases the valve opening on the cooling water passage 13 side when the cooling water temperature is high to relatively increase the flow rate of the cooling water passing through the radiator 11, and the cooling water passage when the cooling water temperature is low. The valve opening on the 13th side is reduced to relatively reduce the flow rate of the cooling water passing through the radiator 11. When the coolant temperature is particularly low, such as before the engine 2 is warmed up, the radiator 11 is completely bypassed and the entire amount of coolant flows through the bypass coolant passage 14 side. On the other hand, the valve opening on the bypass cooling water passage 14 side is not fully closed, and when the flow rate of the cooling water flowing through the radiator 11 is increased, the flow rate of the cooling water flowing through the bypass cooling water passage 14 is However, the thermostat valve 15 is configured so that the flow does not stop completely. A bypass cooling water passage 14 that bypasses the radiator 11 is branched from the cooling water passage 13 and directly connected to a heat exchanger 36, which will be described later, and from the cooling water passage 13 to recover waste heat. The second bypass cooling water passage 25 connected to the heat exchanger 36 after passing through the vessel 22.

バイパス冷却水通路１４には、ランキンサイクル３１の冷媒と熱交換を行なう熱交換器３６を備える。この熱交換器３６は蒸発器と過熱器とを統合したものである。すなわち、熱交換器３６には２つの冷却水通路３６ａ、３６ｂがほぼ一列に、また、冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル３１の冷媒が流れる冷媒通路３６ｃは冷却水通路３６ａ、３６ｂと隣接して設けられている。さらに熱交換器３６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル３１の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆向きとなるように各通路３６ａ、３６ｂ、３６ｃが構成されている。 The bypass cooling water passage 14 includes a heat exchanger 36 that exchanges heat with the refrigerant of the Rankine cycle 31. This heat exchanger 36 is an integrated evaporator and superheater. That is, two cooling water passages 36a and 36b are arranged in a row in the heat exchanger 36, and a refrigerant passage 36c through which the refrigerant in the Rankine cycle 31 flows so that heat exchange between the refrigerant and the cooling water is possible. It is provided adjacent to 36b. Further, the passages 36a, 36b, and 36c are configured so that the refrigerant and the cooling water of the Rankine cycle 31 are in opposite directions when viewed from the whole heat exchanger 36.

詳細には、ランキンサイクル３１の冷媒にとって上流（図１の左）側に位置する一方の冷却水通路３６ａは、第１バイパス冷却水通路２４に介装されている。この冷却水通路３６ａ及びこの冷却水通路３６ａに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器左側部分は、エンジン２から出た冷却水を冷却水通路３６ａに直接導入することで、冷媒通路３６ｃを流れるランキンサイクル３１の冷媒を加熱するための蒸発器である。 Specifically, one cooling water passage 36 a located on the upstream side (left side in FIG. 1) for the refrigerant of Rankine cycle 31 is interposed in the first bypass cooling water passage 24. The left side portion of the heat exchanger composed of the cooling water passage 36a and the refrigerant passage portion adjacent to the cooling water passage 36a flows through the refrigerant passage 36c by directly introducing the cooling water from the engine 2 into the cooling water passage 36a. It is an evaporator for heating the refrigerant of Rankine cycle 31.

ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流（図１の右）側に位置する他方の冷却水通路３６ｂには、第２バイパス冷却水通路２５を介して廃熱回収器２２を経た冷却水が導入される。冷却水通路３６ｂ及びこの冷却水通路３６ｂに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器右側部分（ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流側）は、エンジン２の出口の冷却水を排気によってさらに加熱した冷却水を冷却水通路３６ｂに導入することで、冷媒通路３６ｃを流れる冷媒を過熱する過熱器である。 Cooling water that has passed through the waste heat recovery device 22 is introduced into the other cooling water passage 36b located on the downstream (right side in FIG. 1) side of the refrigerant in the Rankine cycle 31 via the second bypass cooling water passage 25. The right side portion of the heat exchanger (downstream side for the refrigerant of Rankine cycle 31) composed of the cooling water passage 36b and the refrigerant passage portion adjacent to the cooling water passage 36b is a cooling water obtained by further heating the cooling water at the outlet of the engine 2 by exhaust gas. Is a superheater that superheats the refrigerant flowing through the refrigerant passage 36c by introducing the refrigerant into the cooling water passage 36b.

廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａは排気管５に隣接して設けている。廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａにエンジン２の出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温の排気によって例えば１１０〜１１５℃程度まで加熱することができる。廃熱回収器２２の全体を俯瞰して見たときに、排気と冷却水とが互いに流れる向きが逆向きとなるように冷却水通路２２ａが構成されている。 The cooling water passage 22 a of the waste heat recovery unit 22 is provided adjacent to the exhaust pipe 5. By introducing the cooling water at the outlet of the engine 2 into the cooling water passage 22a of the waste heat recovery unit 22, the cooling water can be heated to, for example, about 110 to 115 ° C. by high-temperature exhaust. The cooling water passage 22a is configured so that the exhaust and cooling water flow in opposite directions when the waste heat recovery device 22 is viewed from the top.

廃熱回収器２２を設けた第２バイパス冷却水通路２５には制御弁２６が介装されている。エンジン２の内部にある冷却水の温度を指すエンジン水温が、例えばエンジン２の効率悪化やノックを発生させないための許容温度（例えば１００℃）を超えないように、エンジン２の出口の冷却水温度センサ７４の検出温度が所定値以上になると、この制御弁２６の開度を減少させるようにしている。エンジン水温が許容温度に近づくと、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させるので、エンジン水温が許容温度を超えてしまうことを確実に防ぐことができる。 A control valve 26 is interposed in the second bypass cooling water passage 25 provided with the waste heat recovery unit 22. Cooling water temperature at the outlet of the engine 2 so that the engine water temperature, which indicates the temperature of the cooling water inside the engine 2, does not exceed the allowable temperature (for example, 100 ° C.) for preventing deterioration of the efficiency of the engine 2 or knocking When the detected temperature of the sensor 74 becomes equal to or higher than a predetermined value, the opening degree of the control valve 26 is decreased. When the engine water temperature approaches the permissible temperature, the amount of cooling water passing through the waste heat recovery device 22 is reduced, so that it is possible to reliably prevent the engine water temperature from exceeding the permissible temperature.

一方、第２バイパス冷却水通路２５の流量が減少したことによって、廃熱回収器２２により上昇する冷却水温度が上がりすぎて冷却水が蒸発（沸騰）してしまったのでは、冷却水通路内の冷却水の流れが悪くなって部品温度が過剰に上昇してしまう恐れがある。これを避けるため、廃熱回収器２２をバイパスするバイパス排気管６と、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とをコントロールするサーモスタットバルブ７をバイパス排気管６の分岐部に設けている。すなわち、サーモスタットバルブ７は、そのバルブ開度が廃熱回収器２２を出た冷却水温度が所定の温度（例えば沸騰温度１２０℃）を超えないように、廃熱回収器２２を出た冷却水温度に基づいて調節される。 On the other hand, if the flow rate of the second bypass cooling water passage 25 is decreased, the cooling water temperature rising by the waste heat recovery device 22 is excessively increased and the cooling water is evaporated (boiling). There is a risk that the flow of the cooling water will deteriorate and the component temperature will rise excessively. In order to avoid this, a bypass exhaust pipe 6 that bypasses the waste heat recovery unit 22, and a thermostat valve 7 that controls the exhaust passage amount of the waste heat recovery unit 22 and the exhaust passage amount of the bypass exhaust pipe 6 are provided in the bypass exhaust pipe 6. It is provided at the branch. In other words, the thermostat valve 7 is configured such that the valve opening degree of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 is such that the temperature of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 does not exceed a predetermined temperature (for example, boiling temperature 120 ° C.). Adjusted based on temperature.

熱交換器３６とサーモスタットバルブ７と廃熱回収器２２とは、廃熱回収ユニット２３として一体化されていて、車幅方向略中央の床下において排気管途中に配設されている。サーモスタットバルブ７は、バイメタル等を用いた比較的簡易な感温弁でも良いし、温度センサ出力が入力されるコントローラによって制御される制御弁であっても良い。サーモスタットバルブ７による排気から冷却水への熱交換量の調節は比較的大きな遅れを伴うため、サーモスタットバルブ７を単独で調節したのではエンジン水温が許容温度を超えないようにするのが難しい。しかしながら、第２バイパス冷却水通路２５の制御弁２６をエンジン水温（出口温度）に基づき制御するようにしてあるので、熱回収量を速やかに低減し、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぐことができる。また、エンジン水温が許容温度までに余裕がある状態であれば、廃熱回収器２２を出る冷却水温度がエンジン水温の許容温度を越えるほどの高温（例えば１１０〜１１５℃）になるまで熱交換を行って、廃熱回収量を増加させることができる。冷却水通路３６ｂを出た冷却水は、第２バイパス冷却水通路２５を介して第１バイパス冷却水通路２４に合流されている。 The heat exchanger 36, the thermostat valve 7, and the waste heat recovery unit 22 are integrated as a waste heat recovery unit 23, and are arranged in the middle of the exhaust pipe under the floor at the approximate center in the vehicle width direction. The thermostat valve 7 may be a relatively simple temperature-sensitive valve using bimetal or the like, or may be a control valve controlled by a controller to which a temperature sensor output is input. Adjustment of the amount of heat exchange from the exhaust gas to the cooling water by the thermostat valve 7 involves a relatively large delay. Therefore, if the thermostat valve 7 is adjusted alone, it is difficult to prevent the engine water temperature from exceeding the allowable temperature. However, since the control valve 26 of the second bypass cooling water passage 25 is controlled based on the engine water temperature (exit temperature), the heat recovery amount can be quickly reduced and the engine water temperature can be surely exceeded the allowable temperature. Can be prevented. Further, if the engine water temperature has a margin before the allowable temperature, heat exchange is performed until the temperature of the cooling water exiting the waste heat recovery unit 22 becomes high enough to exceed the allowable temperature of the engine water temperature (for example, 110 to 115 ° C.). To increase the amount of recovered waste heat. The cooling water that has exited the cooling water passage 36 b is joined to the first bypass cooling water passage 24 via the second bypass cooling water passage 25.

バイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、例えば熱交換器３６でランキンサイクル３１の冷媒と熱交換することによって十分低下していれば、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が小さくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水の流量は相対的に減らされる。逆にバイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、ランキンサイクル３１が運転されていないことなどによって高くなると、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が大きくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水の流量は相対的に増やされる。このようにサーモスタットバルブ１５の動作によって、エンジン水温（エンジン２内の冷却水温度）を適当に保ちつつ、ランキンサイクル３１への熱の供給も適当に行なわれるように構成されている。 If the temperature of the cooling water from the bypass cooling water passage 14 toward the thermostat valve 15 is sufficiently lowered by exchanging heat with the refrigerant of the Rankine cycle 31 by the heat exchanger 36, for example, the cooling water passage 13 side of the thermostat valve 15 The valve opening is reduced, and the flow rate of the cooling water passing through the radiator 11 is relatively reduced. Conversely, when the temperature of the cooling water from the bypass cooling water passage 14 toward the thermostat valve 15 becomes high due to the Rankine cycle 31 not being operated, the valve opening of the thermostat valve 15 on the cooling water passage 13 side is increased. The flow rate of the cooling water passing through the radiator 11 is relatively increased. As described above, the operation of the thermostat valve 15 is configured to appropriately supply heat to the Rankine cycle 31 while appropriately maintaining the engine water temperature (cooling water temperature in the engine 2).

次に、ランキンサイクル３１について述べる。ここでは、ランキンサイクル３１は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル５１と統合した統合サイクル３０の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル３１を先に説明し、その後に冷凍サイクル５１に言及する。 Next, Rankine cycle 31 will be described. Here, Rankine cycle 31 is not a simple Rankine cycle, but is configured as a part of integrated cycle 30 integrated with refrigeration cycle 51. Hereinafter, the basic Rankine cycle 31 will be described first, and then the refrigeration cycle 51 will be referred to.

ランキンサイクル３１は、エンジン２の冷却水を介してエンジン２の廃熱を冷媒に回収し、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３１は、冷媒ポンプ３２、過熱器としての熱交換器３６、膨張機３７及び凝縮器（コンデンサ）３８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路４１〜４４により接続されている。 The Rankine cycle 31 is a system that recovers waste heat of the engine 2 to a refrigerant through cooling water of the engine 2 and regenerates the recovered waste heat as power. The Rankine cycle 31 includes a refrigerant pump 32, a heat exchanger 36 as a superheater, an expander 37, and a condenser (condenser) 38, and each component is connected by refrigerant passages 41 to 44 through which a refrigerant (R134a and the like) circulates. Has been.

冷媒ポンプ３２の軸は同一の軸上で膨張機３７の出力軸と連結配置され、膨張機３７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ３２を駆動すると共に、発生動力をエンジン２の出力軸（クランク軸）に供給する構成である（図２Ａ参照）。すなわち、冷媒ポンプ３２の軸及び膨張機３７の出力軸は、エンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ３２の軸の先端に設けたポンププーリ３３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト３４を掛け回している（図１参照）。なお、本実施形態の冷媒ポンプ３２としてはギヤ式のポンプを、膨張機３７としてはスクロール式の膨張機を採用している（図２Ｂ、図２Ｃ参照）。 The shaft of the refrigerant pump 32 is connected to the output shaft of the expander 37 on the same shaft, and the refrigerant pump 32 is driven by the output (power) generated by the expander 37 and the generated power is used as the output shaft of the engine 2 ( (Refer to FIG. 2A). That is, the shaft of the refrigerant pump 32 and the output shaft of the expander 37 are arranged in parallel with the output shaft of the engine 2, and the belt 34 is provided between the pump pulley 33 provided at the tip of the shaft of the refrigerant pump 32 and the crank pulley 2a. (See FIG. 1). Note that a gear-type pump is employed as the refrigerant pump 32 of the present embodiment, and a scroll-type expander is employed as the expander 37 (see FIGS. 2B and 2C).

また、ポンププーリ３３と冷媒ポンプ３２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「膨張機クラッチ」という。）３５（第１クラッチ）を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７とを、エンジン２と断接可能にしている（図２Ａ参照）。このため、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合（予測膨張機トルクが正の場合）に膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト（補助）することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。なお、膨張機クラッチ３５は、エンジン２から冷媒ポンプ３２及び膨張機３７に至る動力伝達経路の途中であればどこに設けられていてもよい。 Further, an electromagnetic clutch (hereinafter referred to as “expander clutch”) 35 (first clutch) is provided between the pump pulley 33 and the refrigerant pump 32, and the refrigerant pump 32 and the expander 37 are connected to the engine. 2 (see FIG. 2A). Therefore, the expander 37 is connected by connecting the expander clutch 35 when the output generated by the expander 37 exceeds the driving force of the refrigerant pump 32 and the friction of the rotating body (when the predicted expander torque is positive). Rotation of the engine output shaft can be assisted (assisted) by the output generated. Thus, fuel efficiency can be improved by assisting rotation of an engine output shaft using energy obtained by waste heat recovery. Further, the energy for driving the refrigerant pump 32 that circulates the refrigerant can also be covered by the recovered waste heat. The expander clutch 35 may be provided anywhere in the power transmission path from the engine 2 to the refrigerant pump 32 and the expander 37.

冷媒ポンプ３２からの冷媒は冷媒通路４１を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。 The refrigerant from the refrigerant pump 32 is supplied to the heat exchanger 36 through the refrigerant passage 41. The heat exchanger 36 is a heat exchanger that causes heat exchange between the coolant of the engine 2 and the refrigerant, vaporizes the refrigerant, and superheats the refrigerant.

熱交換器３６からの冷媒は冷媒通路４２を介して膨張機３７に供給される。膨張機３７は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機３７は、図５に示すようにエンジン２に搭載されている。熱交換器３６と膨張機３７とを接続する冷媒通路４２は、排気マニホールド４の近傍に配置される。膨張機３７で回収された動力は冷媒ポンプ３２を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン２に伝達され、エンジン２の回転をアシストする。 The refrigerant from the heat exchanger 36 is supplied to the expander 37 through the refrigerant passage 42. The expander 37 is a steam turbine that converts heat into rotational energy by expanding the vaporized and superheated refrigerant. The expander 37 is mounted on the engine 2 as shown in FIG. A refrigerant passage 42 that connects the heat exchanger 36 and the expander 37 is disposed in the vicinity of the exhaust manifold 4. The power recovered by the expander 37 drives the refrigerant pump 32 and is transmitted to the engine 2 via the belt transmission mechanism to assist the rotation of the engine 2.

膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３を介して凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は、外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。このため、凝縮器３８をラジエータ１１と並列に配置し、ラジエータファン１２によって冷却するようにしている。 The refrigerant from the expander 37 is supplied to the condenser 38 via the refrigerant passage 43. The condenser 38 is a heat exchanger that causes heat exchange between the outside air and the refrigerant to cool and liquefy the refrigerant. For this reason, the condenser 38 is arranged in parallel with the radiator 11 and is cooled by the radiator fan 12.

凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４を介して冷媒ポンプ３２に戻される。冷媒ポンプ３２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ３２により再び熱交換器３６に送られ、ランキンサイクル３１の各構成要素を循環する。 The refrigerant liquefied by the condenser 38 is returned to the refrigerant pump 32 via the refrigerant passage 44. The refrigerant returned to the refrigerant pump 32 is sent again to the heat exchanger 36 by the refrigerant pump 32 and circulates through each component of the Rankine cycle 31.

次に、冷凍サイクル５１について述べる。冷凍サイクル５１は、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル３１と統合され、冷凍サイクル５１の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル５１は、コンプレッサ（圧縮機）５２、凝縮器３８、エバポレータ（蒸発器）５５を備える。 Next, the refrigeration cycle 51 will be described. Since the refrigerating cycle 51 shares the refrigerant circulating through the Rankine cycle 31, it is integrated with the Rankine cycle 31, and the configuration of the refrigerating cycle 51 itself is simplified. That is, the refrigeration cycle 51 includes a compressor (compressor) 52, a condenser 38, and an evaporator (evaporator) 55.

コンプレッサ５２は冷凍サイクル５１の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械で、エンジン２によって駆動される。すなわち、図４にも示したようにコンプレッサ５２の駆動軸にはコンプレッサプーリ５３が固定され、このコンプレッサプーリ５３とクランクプーリ２ａとにベルト３４を掛け回している。エンジン２の駆動力がこのベルト３４を介してコンプレッサプーリ５３に伝達され、コンプレッサ５２が駆動される。また、コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４（第２クラッチ）を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。 The compressor 52 is a fluid machine that compresses the refrigerant of the refrigeration cycle 51 to a high temperature and a high pressure, and is driven by the engine 2. That is, as shown in FIG. 4, the compressor pulley 53 is fixed to the drive shaft of the compressor 52, and the belt 34 is wound around the compressor pulley 53 and the crank pulley 2a. The driving force of the engine 2 is transmitted to the compressor pulley 53 via the belt 34, and the compressor 52 is driven. An electromagnetic clutch (hereinafter referred to as “compressor clutch”) 54 (second clutch) is provided between the compressor pulley 53 and the compressor 52 so that the compressor 52 and the compressor pulley 53 can be connected and disconnected. ing.

図１に戻り、コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４３に合流した後、凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器３８からの液状の冷媒は、冷媒通路４４から分岐する冷媒通路５７を介してエバポレータ（蒸発器）５５に供給される。エバポレータ５５は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ５５は、凝縮器３８からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。 Returning to FIG. 1, the refrigerant from the compressor 52 joins the refrigerant passage 43 via the refrigerant passage 56 and is then supplied to the condenser 38. The condenser 38 is a heat exchanger that condenses and liquefies the refrigerant by heat exchange with the outside air. The liquid refrigerant from the condenser 38 is supplied to an evaporator (evaporator) 55 through a refrigerant passage 57 branched from the refrigerant passage 44. The evaporator 55 is disposed in the case of the air conditioner unit in the same manner as a heater core (not shown). The evaporator 55 is a heat exchanger that evaporates the liquid refrigerant from the condenser 38 and cools the conditioned air from the blower fan by the latent heat of evaporation at that time.

エバポレータ５５によって蒸発した冷媒は冷媒通路５８を介してコンプレッサ５２に戻される。なお、エバポレータ５５によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。 The refrigerant evaporated by the evaporator 55 is returned to the compressor 52 through the refrigerant passage 58. Note that the mixing ratio of the conditioned air cooled by the evaporator 55 and the conditioned air heated by the heater core is adjusted to a temperature set by the occupant according to the opening of the air mix door.

ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１とからなる統合サイクル３０には、サイクル内を流れる冷媒を制御するため、回路途中に各種の弁が適宜設けられている。例えばランキンサイクル３１を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点４５と冷媒ポンプ３２とを連絡する冷媒通路４４にポンプ上流弁６１、熱交換器３６と膨張機３７とを連絡する冷媒通路４２に膨張機上流弁６２を備える。また、冷媒ポンプ３２と熱交換器３６とを連絡する冷媒通路４１には、熱交換器３６から冷媒ポンプ３２への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６３を備えている。膨張機３７と冷凍サイクル合流点４６とを連絡する冷媒通路４３にも、冷凍サイクル合流点４６から膨張機３７への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６４を備えている。また、膨張機上流弁６２上流から膨張機３７をバイパスして逆止弁６４上流に合流する膨張機バイパス通路６５を設け、この膨張機バイパス通路６５にバイパス弁６６を設けている。さらに、バイパス弁６６をバイパスする通路６７に圧力調整弁６８を設けている。冷凍サイクル５１側についても、冷凍サイクル分岐点４５とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路５７にエアコン回路弁６９を設けている。 In the integrated cycle 30 including the Rankine cycle 31 and the refrigeration cycle 51, various valves are appropriately provided in the middle of the circuit in order to control the refrigerant flowing in the cycle. For example, in order to control the refrigerant circulating in the Rankine cycle 31, the refrigerant passage 42 that connects the pump upstream valve 61, the heat exchanger 36, and the expander 37 to the refrigerant passage 44 that connects the refrigeration cycle branch point 45 and the refrigerant pump 32. Is provided with an expander upstream valve 62. The refrigerant passage 41 that connects the refrigerant pump 32 and the heat exchanger 36 is provided with a check valve 63 to prevent the refrigerant from flowing backward from the heat exchanger 36 to the refrigerant pump 32. The refrigerant passage 43 that connects the expander 37 and the refrigeration cycle merge point 46 is also provided with a check valve 64 to prevent the refrigerant from flowing back from the refrigeration cycle merge point 46 to the expander 37. Further, an expander bypass passage 65 that bypasses the expander 37 from the upstream of the expander upstream valve 62 and merges upstream of the check valve 64 is provided, and a bypass valve 66 is provided in the expander bypass passage 65. Further, a pressure regulating valve 68 is provided in a passage 67 that bypasses the bypass valve 66. Also on the refrigeration cycle 51 side, an air conditioner circuit valve 69 is provided in the refrigerant passage 57 that connects the refrigeration cycle branch point 45 and the evaporator 55.

上記４つの弁６１、６２、６６、６９はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ７２により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ７３により検出される凝縮器３８の出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、膨張機３７の回転速度信号等がエンジンコントローラ７１に入力されている。エンジンコントローラ７１では、所定の運転条件に応じ、これらの各入力信号に基づいて、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２や、ラジエータファン１２の制御を行なうとともに、上記４つの電磁式開閉弁６１、６２、６６、６９の開閉を制御する。 The four valves 61, 62, 66, and 69 are all electromagnetic on-off valves. An expander upstream pressure signal detected by the pressure sensor 72, a refrigerant pressure Pd signal at the outlet of the condenser 38 detected by the pressure sensor 73, a rotation speed signal of the expander 37, and the like are input to the engine controller 71. . The engine controller 71 controls the compressor 52 of the refrigeration cycle 51 and the radiator fan 12 based on these input signals in accordance with predetermined operating conditions, and also controls the four electromagnetic on-off valves 61, 62, 66. , 69 is controlled.

例えば、圧力センサ７２により検出される膨張機上流側圧力及び膨張機回転速度に基づいて膨張機トルク（回生動力）を予測し、この予測膨張機トルクが正のとき（エンジン出力軸の回転をアシストすることができるとき）に膨張機クラッチ３５を締結し、予測膨張機トルクがゼロないし負のときに膨張機クラッチ３５を解放する。センサ検出圧力と膨張機回転速度とに基づくことで、排気温度から膨張機トルク（回生動力）を予測する場合とくらべ、高い精度で膨張機トルクを予測することができ、膨張機トルクの発生状況に応じて膨張機クラッチ３５の締結・解放を適切に行うことができる（詳細は特開２０１０−１９０１８５号公報参照）。 For example, the expander torque (regenerative power) is predicted based on the expander upstream pressure detected by the pressure sensor 72 and the expander rotational speed, and when the predicted expander torque is positive (assist rotation of the engine output shaft). The expander clutch 35 is engaged, and when the predicted expander torque is zero or negative, the expander clutch 35 is released. Based on the sensor detection pressure and expander rotational speed, the expander torque can be predicted with higher accuracy than when the expander torque (regenerative power) is predicted from the exhaust temperature. Accordingly, the expander clutch 35 can be appropriately engaged / released (refer to Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-190185 for details).

上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び２つの逆止弁６３、６４は、冷媒系バルブである。これらの冷媒系バルブの機能を改めて図３に示す。 The four on-off valves 61, 62, 66, 69 and the two check valves 63, 64 are refrigerant valves. The functions of these refrigerant valves are shown again in FIG.

図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられるポンプ上流弁６１は、ランキンサイクル３１の停止中等、冷凍サイクル５１の回路に比べてランキンサイクル３１の回路に冷媒が偏り易くなる所定の条件で閉じることで、ランキンサイクル３１への冷媒（潤滑成分含む）の偏りを防止するためのもので、後述するように、膨張機３７下流の逆止弁６４と協働してランキンサイクル３１の回路を閉塞させる。膨張機上流弁６２は、熱交換器３６からの冷媒圧力が相対的に低い場合に冷媒通路４２を遮断し熱交換器３６からの冷媒が高圧になるまで保持することができるようにするものである。これによって、膨張機トルクが十分得られない場合でも冷媒の加熱を促し、例えばランキンサイクル３１が再起動する（回生が実際に行なえるようになる）までの時間を短縮させることができる。バイパス弁６６は、ランキンサイクル３１の始動時等にランキンサイクル３１側に存在する冷媒量が十分でないときなどに、膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２の作動が行えるように開弁し、ランキンサイクル３１の起動時間を短縮するためのものである。膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２を作動させることで、凝縮器３８の出口あるいは冷媒ポンプ３２の入口の冷媒温度が、その部位の圧力を考慮した沸点から所定温度差（サブクール度SC）以上に低下した状態が実現されれば、ランキンサイクル３１には十分な液体冷媒が供給できる状態が整ったことになる。 In FIG. 3, the pump upstream valve 61 is configured such that the pump upstream valve 61 provided at the inlet of the refrigerant pump 32 tends to bias the refrigerant in the circuit of the Rankine cycle 31 compared to the circuit of the refrigeration cycle 51, such as when the Rankine cycle 31 is stopped. By closing under a predetermined condition, it is intended to prevent the bias of the refrigerant (including the lubricating component) to the Rankine cycle 31, and as will be described later, the Rankine cycle cooperates with the check valve 64 downstream of the expander 37. 31 circuits are closed. The expander upstream valve 62 blocks the refrigerant passage 42 when the refrigerant pressure from the heat exchanger 36 is relatively low so that the refrigerant from the heat exchanger 36 can be held until the pressure becomes high. is there. Thereby, even when the expander torque cannot be sufficiently obtained, the heating of the refrigerant is promoted, and for example, the time until the Rankine cycle 31 is restarted (regeneration can actually be performed) can be shortened. The bypass valve 66 is opened so that the refrigerant pump 32 can be operated after the expander 37 is bypassed when the amount of refrigerant existing on the Rankine cycle 31 side is insufficient when the Rankine cycle 31 is started. This is for shortening the startup time of the Rankine cycle 31. By operating the refrigerant pump 32 after the expander 37 is bypassed, the refrigerant temperature at the outlet of the condenser 38 or the inlet of the refrigerant pump 32 has a predetermined temperature difference (subcool degree SC) from the boiling point considering the pressure at that portion. ) If the state lowered as described above is realized, the Rankine cycle 31 is ready to supply a sufficient liquid refrigerant.

熱交換器３６上流の逆止弁６３は、バイパス弁６６、圧力調整弁６８、膨張機上流弁６２と協働して膨張機３７に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。圧力調整弁６８は膨張機３７に供給される冷媒の圧力が高くなり過ぎた場合に開いて、高くなり過ぎた冷媒を逃すリリーフ弁の役割を有している。 The check valve 63 upstream of the heat exchanger 36 is for maintaining the refrigerant supplied to the expander 37 at a high pressure in cooperation with the bypass valve 66, the pressure adjusting valve 68, and the expander upstream valve 62. When the Rankine cycle regenerative efficiency is low, the Rankine cycle operation is stopped, the circuit is closed over the front and rear sections of the heat exchanger, the refrigerant pressure during the stop is increased, and the high-pressure refrigerant is used. Allow the Rankine cycle to restart quickly. The pressure regulating valve 68 functions as a relief valve that opens when the pressure of the refrigerant supplied to the expander 37 becomes too high and releases the refrigerant that has become too high.

膨張機３７下流の逆止弁６４は、上述のポンプ上流弁６１と協働してランキンサイクル３１への冷媒の偏りを防止するためのものである。ハイブリッド車両１の運転開始直後、エンジン２が暖まっていないとランキンサイクル３１が冷凍サイクル５１より低温となり、冷媒がランキンサイクル３１側に偏ることがある。ランキンサイクル３１側に偏る確率はそれほど高くないものの、例えば夏場の車両運転開始直後には、車内を早く冷やしたい状況にあって冷房能力が最も要求されることから、冷媒の僅かな偏在も解消して冷凍サイクル５１の冷媒を確保したいという要求がある。そこで、ランキンサイクル３１側への冷媒の偏在を防止するため逆止弁６４を設けたものである。 The check valve 64 downstream of the expander 37 is for preventing the bias of the refrigerant to the Rankine cycle 31 in cooperation with the above-described pump upstream valve 61. If the engine 2 is not warmed immediately after the start of the operation of the hybrid vehicle 1, the Rankine cycle 31 becomes cooler than the refrigeration cycle 51, and the refrigerant may be biased toward the Rankine cycle 31 side. Although the probability of being biased toward the Rankine cycle 31 is not so high, for example, immediately after the start of vehicle operation in summer, the cooling capacity is most demanded in the situation where it is desired to cool the interior quickly, so the slight uneven distribution of refrigerant is also eliminated. Therefore, there is a demand for securing the refrigerant for the refrigeration cycle 51. Therefore, a check valve 64 is provided to prevent uneven distribution of refrigerant to the Rankine cycle 31 side.

コンプレッサ５２は、駆動停止時に冷媒が自由通過できる構造ではなく、エアコン回路弁６９と協働して冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止することができる。これについて説明する。冷凍サイクル５１の運転が停止したとき、定常運転中の比較的高い温度のランキンサイクル３１側から冷凍サイクル５１側へと冷媒が移動して、ランキンサイクル３１を循環する冷媒が不足することがある。冷凍サイクル５１の中で、冷房停止直後はエバポレータ５５の温度が低くなっていて、比較的容積が大きく温度が低くなっているエバポレータ５５に冷媒が溜まり易い。この場合に、コンプレッサ５２の駆動停止によって凝縮器３８からエバポレータ５５への冷媒の動きを遮断するとともに、エアコン回路弁６９を閉じることで、冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止するのである。 The compressor 52 does not have a structure in which the refrigerant can freely pass when driving is stopped, but can prevent the refrigerant from being biased toward the refrigeration cycle 51 in cooperation with the air conditioner circuit valve 69. This will be described. When the operation of the refrigeration cycle 51 stops, the refrigerant may move from the relatively high temperature Rankine cycle 31 side to the refrigeration cycle 51 side during steady operation, and the refrigerant circulating through the Rankine cycle 31 may be insufficient. In the refrigeration cycle 51, the temperature of the evaporator 55 is low immediately after the cooling is stopped, and the refrigerant tends to accumulate in the evaporator 55 having a relatively large volume and a low temperature. In this case, the movement of the refrigerant from the condenser 38 to the evaporator 55 is interrupted by stopping the driving of the compressor 52, and the air conditioner circuit valve 69 is closed to prevent the refrigerant from being biased to the refrigeration cycle 51.

次に、図５はエンジン２全体のパッケージを示すエンジン２の概略斜視図である。図５において特徴的なのは、熱交換器３６がエンジン２の排気通路３に隣接して配置されていることである。具体的には、熱交換器３６は排気マニホールド４の鉛直上方に排気マニホールド４に隣接して配置されている。排気マニホールド４の鉛直上方のスペースに熱交換器３６を排気マニホールド４と隣接して配置することによって、ランキンサイクル３１のエンジン２への搭載性を向上させている。また、排気マニホールド４の鉛直上方のスペースに熱交換器３６を隣接して配置することによって、排気マニホールド４を流れる排気ガスの熱により、熱交換器３６を暖めることができる。また、エンジン２にはテンションプーリ８が設けられる。 Next, FIG. 5 is a schematic perspective view of the engine 2 showing a package of the entire engine 2. 5 is characterized in that the heat exchanger 36 is disposed adjacent to the exhaust passage 3 of the engine 2. Specifically, the heat exchanger 36 is disposed vertically above the exhaust manifold 4 and adjacent to the exhaust manifold 4. By placing the heat exchanger 36 adjacent to the exhaust manifold 4 in the space vertically above the exhaust manifold 4, the mountability of the Rankine cycle 31 on the engine 2 is improved. Further, the heat exchanger 36 can be warmed by the heat of the exhaust gas flowing through the exhaust manifold 4 by arranging the heat exchanger 36 adjacent to the space directly above the exhaust manifold 4. The engine 2 is provided with a tension pulley 8.

排気マニホールド４を流れる排気ガスの温度は、エンジン２が高負荷、または高回転速度となると高くなる。そのため、エンジン２が高負荷、または高回転速度となるにつれて排気マニホールド４から熱交換器３６へ伝わる熱量が多くなる。 The temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust manifold 4 becomes higher when the engine 2 becomes a high load or a high rotation speed. Therefore, the amount of heat transferred from the exhaust manifold 4 to the heat exchanger 36 increases as the engine 2 increases in load or rotation speed.

次に、ランキンサイクル３１の基本的な運転方法を図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。 Next, a basic operation method of the Rankine cycle 31 will be described with reference to FIGS. 7A and 7B.

まず、図７Ａ及び図７Ｂはランキンサイクル３１の運転領域図である。図７Ａには横軸を外気温、縦軸をエンジン水温（冷却水温度）としたときのランキンサイクル３１の運転域を、図７Ｂには横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク（エンジン負荷）としたときのランキンサイクル３１の運転域を示している。 First, FIGS. 7A and 7B are operation region diagrams of the Rankine cycle 31. FIG. FIG. 7A shows the operating range of Rankine cycle 31 when the horizontal axis is the outside air temperature and the vertical axis is the engine water temperature (cooling water temperature). In FIG. 7B, the horizontal axis is the engine speed and the vertical axis is the engine torque (engine The operating range of the Rankine cycle 31 is shown.

図７Ａ及び図７Ｂのいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル３１を運転するもので、これら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクル３１を運転する。図７Ａにおいては、エンジン２の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ５２の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。エンジン２の排気ガスの温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル３１を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル３１を止めて、冷凍サイクル５１に十分な冷媒と凝縮器３８の冷却能力を提供する。図７Ｂにおいては、ハイブリッド車両であるので、ＥＶ走行領域と、膨張機３７のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。膨張機３７は全ての回転速度でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図７Ｂの場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機３７が構成（膨張機３７各部のディメンジョン等が設定）されている。 7A and 7B, the Rankine cycle 31 is operated when a predetermined condition is satisfied, and the Rankine cycle 31 is operated when both of these conditions are satisfied. In FIG. 7A, the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in a region on the low water temperature side where priority is given to warm-up of the engine 2 and a region on the high outside air temperature side where the load on the compressor 52 increases. At the time of warm-up when the exhaust gas temperature of the engine 2 is low and the recovery efficiency is poor, the cooling water temperature is quickly raised by not operating the Rankine cycle 31. The Rankine cycle 31 is stopped at a high outside air temperature where high cooling capacity is required, and sufficient refrigerant and cooling capacity of the condenser 38 are provided to the refrigeration cycle 51. In FIG. 7B, since the vehicle is a hybrid vehicle, the operation of the Rankine cycle 31 is stopped in the EV traveling region and the region on the high rotational speed side where the friction of the expander 37 increases. Since it is difficult to make the expander 37 have a high-efficiency structure with little friction at all rotation speeds, in the case of FIG. 7B, the expansion is performed so that the friction is small and the efficiency is high in the engine rotation speed range where the operation frequency is high. The machine 37 is configured (the dimensions of each part of the expander 37 are set).

次に本実施形態の効果について説明する。 Next, the effect of this embodiment will be described.

熱交換器４を排気通路３に隣接して設けることで、排気通路３内の排気ガスの熱によって熱交換器３６を暖め、熱交換器３６によって冷媒を効率よく暖めることができる。特に温度が高い排気ガスが流れる排気マニホールド４に隣接して熱交換器３６を設けることで、熱交換器３６によって冷媒を効率よく暖めることができる。またエンジン２付近の空き空間を有効に利用することができ、レイアウト効率を良くすることができる。 By providing the heat exchanger 4 adjacent to the exhaust passage 3, the heat exchanger 36 can be warmed by the heat of the exhaust gas in the exhaust passage 3, and the refrigerant can be efficiently warmed by the heat exchanger 36. By providing the heat exchanger 36 adjacent to the exhaust manifold 4 through which the exhaust gas having a particularly high temperature flows, the refrigerant can be efficiently warmed by the heat exchanger 36. Moreover, the empty space near the engine 2 can be used effectively, and the layout efficiency can be improved.

エンジン２が高負荷、または高回転速度となると冷却水の温度が高くなるので、サーモスタットバルブ１５によってラジエータ１１に冷却水を循環させる冷却水通路１３への冷却水の流量は相対的に多くなり、エンジン２内の冷却水温度は適温に保たれる。この場合、熱交換器３６に流れる冷却水の流量が相対的に少なくなり、冷却水から熱交換器３６に伝わる熱量が少なくなる。冷却水の温度が高く、熱交換器３６を流れる冷却水の流量が相対的に少なくなった場合でも、本実施形態では排気通路３、特に排気マニホールド４に隣接して熱交換器３６を設けることで、熱交換器３６の温度が低下することを抑制することができる。エンジン２が高負荷、または高回転速度となっている場合には、排気ガスの温度も高くなっているので、排気ガスの熱によって熱交換器３６の温度が低下することを抑制することができる。 When the engine 2 has a high load or a high rotational speed, the temperature of the cooling water increases, so that the flow rate of the cooling water to the cooling water passage 13 through which the cooling water is circulated to the radiator 11 by the thermostat valve 15 is relatively increased. The cooling water temperature in the engine 2 is kept at an appropriate temperature. In this case, the flow rate of the cooling water flowing through the heat exchanger 36 is relatively reduced, and the amount of heat transferred from the cooling water to the heat exchanger 36 is reduced. Even in the case where the temperature of the cooling water is high and the flow rate of the cooling water flowing through the heat exchanger 36 is relatively small, in this embodiment, the heat exchanger 36 is provided adjacent to the exhaust passage 3, particularly the exhaust manifold 4. Therefore, it can suppress that the temperature of the heat exchanger 36 falls. When the engine 2 has a high load or a high rotational speed, the temperature of the exhaust gas is also high, so that it is possible to suppress the temperature of the heat exchanger 36 from being lowered by the heat of the exhaust gas. .

また、エンジン２の負荷および回転速度が比較的小さく、冷却水の温度が低くなると、熱交換器３６を流れる冷却水の流量が相対的に多くなる。そのため熱交換器３６において冷却水から冷媒に伝わる熱量が多くなるが、排気ガスの温度が比較的低いので排気通路３（排気マニホールド４）から熱交換器３６に伝わる熱量は少なくなり、熱交換器３６の温度が過剰に上昇することを防止することができる。 Further, when the load and rotation speed of the engine 2 are relatively small and the temperature of the cooling water becomes low, the flow rate of the cooling water flowing through the heat exchanger 36 becomes relatively large. Therefore, although the amount of heat transferred from the coolant to the refrigerant in the heat exchanger 36 increases, the amount of heat transferred from the exhaust passage 3 (exhaust manifold 4) to the heat exchanger 36 decreases because the temperature of the exhaust gas is relatively low, and the heat exchanger It is possible to prevent the temperature of 36 from rising excessively.

このように、本実施形態では、エンジン２の冷却水の温度を適温に保ちつつ、熱交換器３６の温度も適温に保つことができる。 Thus, in this embodiment, the temperature of the heat exchanger 36 can be maintained at an appropriate temperature while maintaining the temperature of the cooling water of the engine 2 at an appropriate temperature.

エンジン、ランキンサイクルを停止した後に熱交換器が急速に温度低下すると、熱交換器に冷媒が滞留する。冷媒を冷凍サイクル５１と共用している場合に、熱交換器３６に冷媒が滞留すると、次回の始動時に冷凍サイクル５１で冷媒不足が生じ、冷凍サイクル５１を素早く運転させることができなくなるおそれがある。本実施形態では、熱交換器３６を排気通路３（排気マニホールド４）に隣接して設けているので、エンジン２、ランキンサイクル３１の運転を停止した後であっても、しばらく間は排気通路３（排気マニホールド４）の熱によって熱交換器３６の温度低下を抑制することができる。そのため、エンジン２、ランキンサイクル３１を停止した後に熱交換器３６に冷媒が滞留することを抑制することができる。そのため、次回の始動時に、冷凍サイクル５１における冷媒不足を抑制することができ、冷凍サイクル５１を素早く運転させることができる。 When the temperature of the heat exchanger rapidly decreases after stopping the engine and Rankine cycle, the refrigerant stays in the heat exchanger. If the refrigerant is shared with the refrigeration cycle 51, if the refrigerant stays in the heat exchanger 36, there is a risk that the refrigeration cycle 51 will run short and the refrigeration cycle 51 cannot be operated quickly at the next start-up. . In this embodiment, since the heat exchanger 36 is provided adjacent to the exhaust passage 3 (exhaust manifold 4), even after the operation of the engine 2 and the Rankine cycle 31 is stopped, the exhaust passage 3 for a while. The temperature drop of the heat exchanger 36 can be suppressed by the heat of the (exhaust manifold 4). Therefore, it is possible to suppress the refrigerant from staying in the heat exchanger 36 after the engine 2 and the Rankine cycle 31 are stopped. Therefore, the refrigerant shortage in the refrigeration cycle 51 can be suppressed at the next start, and the refrigeration cycle 51 can be operated quickly.

熱交換器３６と膨張機３７とを接続する冷媒通路４２を排気マニホールド４に隣接して配置することで、冷媒通路４２の長さを短くすることができ、コストを削減することができる。また、冷媒通路４２における圧力損失を低減することができ、ランキンサイクル３１の効率を向上することができる。 By disposing the refrigerant passage 42 that connects the heat exchanger 36 and the expander 37 adjacent to the exhaust manifold 4, the length of the refrigerant passage 42 can be shortened, and the cost can be reduced. Moreover, the pressure loss in the refrigerant path 42 can be reduced, and the efficiency of the Rankine cycle 31 can be improved.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.

本実施形態では、熱交換器における冷却水の循環をサーモスタットバルブ１５によって制御したが、エンジンコントローラ７１によってバルブなどを制御することで行っても良い。この場合には、冷却水の水温に基づいてバルブなどが制御される。 In this embodiment, the circulation of the cooling water in the heat exchanger is controlled by the thermostat valve 15, but it may be performed by controlling the valve and the like by the engine controller 71. In this case, the valve and the like are controlled based on the coolant temperature.

２エンジン
３排気通路
４排気マニホールド
１１ラジエータ
１３冷却水通路
１４バイパス冷却水通路（バイパス通路）
１５サーモスタットバルブ（流量制御手段）
３０統合サイクル（ランキンサイクルシステム）
３１ランキンサイクル
３２冷媒ポンプ
３６熱交換器
３７膨張機
３８凝縮器
４２冷媒通路
５１冷凍サイクル 2 Engine 3 Exhaust passage 4 Exhaust manifold 11 Radiator 13 Cooling water passage 14 Bypass cooling water passage (bypass passage)
15 Thermostat valve (flow rate control means)
30 Integrated cycle (Rankine cycle system)
31 Rankine cycle 32 Refrigerant pump 36 Heat exchanger 37 Expander 38 Condenser 42 Refrigerant passage 51 Refrigeration cycle

Claims

A refrigerant pump mounted on the vehicle and circulating the refrigerant;
A heat exchanger for exchanging heat between cooling water for cooling the engine and the refrigerant;
An expander that converts waste heat recovered by the refrigerant into power by expanding the refrigerant;
In a Rankine cycle system comprising a condenser for condensing the refrigerant expanded by the expander,
The Rankine cycle system, wherein the heat exchanger is provided adjacent to an exhaust passage of the engine.

A radiator for lowering the temperature of the cooling water;
A cooling water passage for circulating the cooling water to the radiator;
A bypass passage for bypassing the radiator and circulating the cooling water to the heat exchanger;
Flow rate control means for controlling the flow rate of the cooling water flowing through the cooling water passage and the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage;
The Rankine cycle system according to claim 1, wherein the flow rate control unit increases the flow rate of the cooling water flowing through the bypass passage as the temperature of the cooling water increases.

The Rankine cycle system according to claim 1, wherein the heat exchanger is provided adjacent to an exhaust manifold of the engine.

The Rankine cycle system according to claim 3, further comprising a refrigerant passage that connects the heat exchanger and the expander and is disposed in the vicinity of the exhaust manifold.

The Rankine cycle system according to any one of claims 1 to 4, wherein the refrigerant is shared with a refrigeration cycle of an air conditioner.