JP2014134174A - 車両用ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の停止後において、膨張機が回転する時間を短くするとともに、作動流体の温度上昇を防止することができる車両用ランキンサイクル装置を提供すること。
【解決手段】車両用ランキンサイクル装置１０は、ポンプ４０、ボイラ５０、膨張機２０、及び放熱器３０が接続されて冷媒が循環する作動流体回路１１を有する。作動流体回路１１は、エンジンＥの停止時に、ボイラ５０に液体状の冷媒を供給可能とする容積調整機構６０を備える。容積調整機構６０は、作動流体回路１１の循環方向での放熱器３０の下流とボイラ５０の上流との間の第１通路２１に配置されて冷媒を収容する収容室６３と、収容室６３の容積を可変する可動部（ピストン６２、ロッド６４、動力伝達機構６５、及び駆動モータ６６）と、可動部を制御する制御部７５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ、ボイラ、膨張機、及び放熱器が順次接続されて作動流体が循環する作動流体回路を有する車両用ランキンサイクル装置に関する。

車両のエンジン（内燃機関）から機械的エネルギーを回収するランキンサイクル装置において、エンジンが停止した時は、ランキンサイクル装置は作動を停止し、膨張機での機械的エネルギーの回収は行われない。しかし、ボイラの内部に残存する高温・高圧蒸気により膨張機を無負荷で回転させると、膨張機の回転数が急上昇してしまう虞がある。また、エンジン停止直後にランキンサイクル装置の作動を停止すると、作動流体が作動流体回路を循環しなくなるため、作動流体がボイラに滞留してしまう。このため、ボイラに残る余熱によって作動流体や、作動流体に含まれるオイルが過熱され、熱分解したり炭化したりする虞がある。

そこで、特許文献１に開示のランキンサイクル装置では、エンジンが停止した後もランキンサイクル装置の作動を継続し、機械的エネルギーを回収するために膨張機に負荷をかけ続けるため、膨張機の回転数が急上昇することが防止できる。すなわち、ボイラへ作動流体としての水を供給し続けることで、蒸気の発生を継続し、膨張機に蒸気を流入させ続ける。このときの給水量は、ボイラの内部エネルギーの減少に応じて減少させる。そして、作動流体の蒸気温度及び蒸気圧力が、膨張機が出力しないような温度及び圧力になった場合に、ランキンサイクル装置の作動を停止する。

特許文献２に開示の排熱回収システムでは、コンデンサをボイラの鉛直上方に設けるとともに、エンジン停止時にバイパス流路を開通させ、コンデンサとボイラとの間でヒートポンプサイクルを形成する。すなわち、コンデンサで液化した作動流体が重力によってバイパス流路を経由してボイラへ移動し、ボイラで気化した作動流体がバイパス流路を経由して再びコンデンサへ戻る閉回路を形成する。したがって、エンジン停止後も、ヒートポンプサイクルによってボイラを作動流体が循環し続け、ボイラにおける作動流体の高温化が防止される。

特開２００６−２５００７５号公報 特開２０１１−１２６２５号公報

ところが、特許文献１のランキンサイクル装置では、膨張機に機械的エネルギーを回収するための負荷を与え続けることで膨張機の回転数が急上昇することは防止されるが、作動流体の温度・圧力が、膨張機が出力を発生しない程度の値になるまでランキンサイクル装置の運転を継続する必要がある。また、作動流体の流量をボイラの内部エネルギーに応じて徐々に減少させるため、作動流体の温度を低下させるのに、さらに時間が掛かる。このため、エンジン停止後であって、ランキンサイクル装置を早期に停止することができず、ユーザが違和感を感じることがある。

一方、特許文献２では、エンジン停止後に、排熱回収システムの作動を停止させることができるが、エンジン停止時のボイラは高温でかつ熱容量も大きいため、ヒートポンプサイクルで循環できる作動流体の量では、作動流体及びオイルの高温化を防ぐには不十分である。

本発明は、内燃機関の停止後において、膨張機が回転する時間を短くするとともに、作動流体の温度上昇を防止することができる車両用ランキンサイクル装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の車両用ランキンサイクル装置は、作動流体を圧送するポンプと、前記ポンプにより圧送された作動流体を車両の内燃機関の排熱によって加熱するボイラと、前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機で膨張された作動流体を放熱させる放熱器と、前記ポンプ、前記ボイラ、前記膨張機、及び前記放熱器が接続されて前記作動流体が循環する作動流体回路と、を有する車両用ランキンサイクル装置であって、前記作動流体回路は、前記内燃機関の停止時に、前記ボイラに液体状の作動流体を供給可能とする容積調整機構を備え、該容積調整機構は、前記作動流体回路の循環方向での前記放熱器を含む該放熱器の下流と前記ボイラを含む該ボイラの上流との間に配置されて作動流体を収容する収容室と、該収容室の容積を可変する可動部と、該可動部を制御する制御部とを備えることを要旨とする。

これによれば、内燃機関の停止後は、制御部によって容積調整機構の可動部が駆動され、容積調整機構の容積が減少するとともに、容積調整機構に収容されていた液体状の作動流体がボイラに供給される。容積調整機構の容積が減少することにより、容積調整機構を含めた作動流体回路の容積が減少する一方で、作動流体回路内の作動流体の量は一定であるため、ボイラにおいては相対的に液体状の作動流体の量が増える。よって、容積調整機構が駆動される前と比べて、ボイラの熱容量による作動流体、及び作動流体に含まれるオイルの温度上昇が抑えられるとともに、ボイラが速やかに冷却される。このため、作動流体の温度・圧力の上昇が抑制され、内燃機関の停止後に膨張機が回転する時間を短くすることができる。

また、前記収容室は、前記作動流体回路において、前記作動流体の循環方向での前記ポンプより下流で、かつ前記ボイラより上流となる位置に配置されていてもよい。
これによれば、ポンプより下流で、かつボイラより上流となる位置では、作動流体は確実に液体状であり、また、液相領域においてボイラに最も近い位置である。したがって、容積調整機構から供給された液体状の作動流体を、ボイラに速やかに供給して、ボイラを速やかに冷却することができる。

また、前記制御部は、前記内燃機関の停止後、かつ前記ポンプが停止された後に前記可動部を制御してもよい。
これによれば、内燃機関の停止後、制御部によって可動部が制御され、容積調整機構の容積が減少したとき、ポンプが停止されていることから、ボイラに供給された作動流体が、ポンプによってボイラから送り出されてしまうことを防止できる。このため、容積調整機構から供給された作動流体をボイラに留め、ボイラでの作動流体の温度上昇を効果的に抑えることができる。

また、前記作動流体回路において、前記作動流体の循環方向での前記ボイラより下流で、かつ前記膨張機より上流と、前記膨張機より下流で、かつ前記放熱器より上流とを接続し、前記膨張機をバイパスするバイパス路を備えるとともに、前記バイパス路に開閉弁を備え、前記内燃機関の停止時に、前記制御部は前記開閉弁を開状態とする。

これによれば、内燃機関の停止後、開閉弁が開状態とされると、ボイラの熱容量によって作動流体が加熱されて気化したとき、その気化した作動流体を膨張機をバイパスして膨張機の下流に流すことができる。このため、ボイラで加熱された作動流体により、膨張機が回転することを防止できる。

また、前記膨張機は、前記内燃機関に直接作動連結されていてもよい。
これによれば、内燃機関の停止後、ボイラの熱容量によって作動流体が気化し、その気化した作動流体が膨張機に供給されても、膨張機を介して内燃機関を駆動させることは不可能であるため、膨張機が回転することを防止できる

本発明によれば、内燃機関の停止後において、膨張機が回転する時間を短くするとともに、作動流体の温度上昇を防止することができる。

実施形態の車両用ランキンサイクル装置を示す模式図。 （ａ）はエンジン停止前の作動流体回路を示す模式図、（ｂ）はエンジン停止後の作動流体回路を示す模式図。 エンジン停止後に制御部が行う制御を示すフローチャート。 別例の車両用ランキンサイクル装置を示す模式図。

以下、車両用ランキンサイクル装置を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、車両用ランキンサイクル装置１０は、膨張機２０、放熱器３０、ポンプ４０、ボイラ５０を順次接続してなる閉回路である作動流体回路１１を備える。この作動流体回路１１では、作動流体としての冷媒が循環するようになっている。そして、作動流体回路１１では、冷媒は、膨張機２０、放熱器３０、ポンプ４０、ボイラ５０の並び順に沿って流れて作動流体回路１１を循環するようになっている。

ポンプ４０の出口とボイラ５０の吸熱部５０ａとは第１通路２１を介して接続されている。また、ボイラ５０は放熱部５０ｂを有するとともに、放熱部５０ｂは、内燃機関としてのエンジンＥに接続された排気通路Ｅ１上に設けられている。エンジンＥの排熱を持つ排気は、放熱部５０ｂで放熱された後にマフラＥ２から排気される。エンジンＥは駆動軸Ｅａを有し、膨張機２０の駆動軸２０ａは、ベルト２０ｂを介してエンジンＥの駆動軸Ｅａと直接作動連結されている。そして、膨張機２０で発生した機械的エネルギーは、エンジンＥの駆動軸Ｅａに伝達される。

ボイラ５０の吸熱部５０ａと膨張機２０の入口とは第２通路２２を介して接続されている。膨張機２０の出口と放熱器３０の入口とは第３通路２３を介して接続されている。放熱器３０の出口とポンプ４０の入口とは第４通路２４を介して接続されている。図２（ａ）に示すように、ボイラ５０には、液体状の冷媒と気体状の冷媒とが混在し、液体状の冷媒だけの液相領域Ｒ１と、気体状の冷媒だけの気相領域Ｒ２と、気液の混相領域とが存在する。また、放熱器３０においても、液体状の冷媒と気体状の冷媒とが混在し、気相領域Ｒ２と、液相領域Ｒ１と、混相領域とが存在する。

そして、ボイラ５０では、ポンプ４０により圧送された低温高圧の液体状の冷媒を、エンジンＥの排気通路Ｅ１を流れる排気と熱交換させることで加熱する。膨張機２０は、ボイラ５０において加熱されて気化した冷媒を膨張させて、機械的エネルギーを発生させる。放熱器３０は、膨張機２０で膨張した冷媒を、外気と熱交換させて冷却し（放熱し）、凝縮させる。ポンプ４０は、液体状の冷媒を作動流体回路１１内に圧送する。

図１に示すように、ポンプ４０の駆動軸４０ａにはモータＭが作動連結されているとともに、モータＭには制御部７５が信号接続されている。作動流体回路１１において、冷媒の循環方向におけるボイラ５０より下流側で、かつ膨張機２０より上流側となる第２通路２２には、バイパス路７１の一端が接続されている。また、作動流体回路１１において、循環方向における膨張機２０より下流側で、かつ放熱器３０より上流側となる第３通路２３には、バイパス路７１の他端が接続されている。バイパス路７１には開閉弁７１ａが設けられている。開閉弁７１ａは制御部７５に信号接続されている。開閉弁７１ａは、制御部７５からの信号により開閉されるようになっている。

作動流体回路１１において、冷媒の循環方向におけるポンプ４０より下流側で、かつボイラ５０よりも上流側となる第１通路２１には、容積調整機構６０が設けられている。容積調整機構６０は、ハウジング６１内にピストン６２が収容されるとともに、このピストン６２によって、ハウジング６１内に冷媒の収容室６３が区画されている。収容室６３は、作動流体回路１１での循環方向において、放熱器３０の下流と、ボイラ５０の上流との間の第１通路２１に配置されている。よって、収容室６３は、第１通路２１の一部を構成しており、ポンプ４０から圧送された冷媒は、第１通路２１の途中で収容室６３を流れてボイラ５０に流れる。

ピストン６２にはロッド６４が連結されるとともに、このロッド６４のハウジング６１からの突出端部には、動力伝達機構６５を介して駆動モータ６６が連結されている。駆動モータ６６には、制御部７５が信号接続されている。そして、制御部７５の制御によって駆動モータ６６が駆動されると、動力伝達機構６５を介してピストン６２がハウジング６１内を移動するとともに、収容室６３の容積を増減させるようになっている。本実施形態では、ピストン６２、ロッド６４、動力伝達機構６５、及び駆動モータ６６が、収容室６３の容積を可変する可動部を構成している。また、制御部７５には、イグニッションスイッチ７６が信号接続されている。

次に、車両用ランキンサイクル装置１０の作用を、図２及び図３に基づいて説明する。
さて、イグニッションスイッチ７６がオフされ、エンジンＥが停止されると（ステップＳ１）、制御部７５はモータＭを停止させて、ポンプ４０の駆動を停止させる（ステップＳ２）。すると、作動流体回路１１での冷媒の循環が停止する。その後、制御部７５は、駆動モータ６６を駆動させて、ピストン６２を、収容室６３の容積を減少させる方向に移動させる（ステップＳ３）。すると、収容室６３を含めた作動流体回路１１全体の容積が、容積調整機構６０を駆動させる前よりも減少するとともに、収容室６３に留まっていた冷媒が第１通路２１に圧送され、ボイラ５０に流れ込む。すると、ボイラ５０での液相領域Ｒ１が増加し、容積調整機構６０が駆動される前と比べてボイラ５０の冷媒量が相対的に増える。その結果、増えた冷媒によってボイラ５０が冷却され、余熱が取られるとともに、冷媒そのものの温度上昇、及び冷媒に含まれるオイルの温度上昇が抑えられる。また、制御部７５は、ポンプ４０の停止後に、開閉弁７１ａを開状態とする。すると、ボイラ５０で気化した冷媒はバイパス路７１を流れ、膨張機２０に流れることが防止される。

車両の始動時に、イグニッションスイッチ７６がオンされ、エンジンＥが始動されると（ステップＳ４）、制御部７５は駆動モータ６６を駆動させてピストン６２を、収容室６３の容積を増大させる方向に移動させる（ステップＳ５）。すると、作動流体回路１１全体の容積が増えるとともに、ボイラ５０の冷媒が収容室６３に収容される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）作動流体回路１１において、放熱器３０より下流で、かつボイラ５０より上流の第１通路２１に容積調整機構６０の収容室６３を設け、容積調整機構６０の収容室６３により作動流体回路１１全体の容積を調整可能とした。そして、エンジンＥの停止後は、容積調整機構６０のピストン６２を制御部７５により駆動させて、作動流体回路１１全体の容積を減少させた。すると、ボイラ５０においては、容積調整機構６０が駆動される前と比べて相対的に冷媒の量が増える。よって、ボイラ５０では、ボイラ５０の熱容量による冷媒、及び冷媒に含まれるオイルの温度上昇が抑えられるとともに、ボイラ５０が速やかに冷却される。このため、エンジンＥ停止後、膨張機２０が回転する時間が短くなり、ユーザが違和感を感じにくくなる。

（２）容積調整機構６０は、作動流体回路１１において、冷媒の循環方向でのポンプ４０より下流で、かつボイラ５０より上流となる第１通路２１に配置されている。この第１通路２１上では、冷媒は確実に液体状であり、また、液相領域Ｒ１のうちボイラ５０に最も近い位置である。したがって、容積調整機構６０から供給された冷媒を、ボイラ５０に速やかに供給して、ボイラ５０を速やかに冷却することができる。

（３）制御部７５は、エンジンＥの停止後、ポンプ４０を停止させた後に容積調整機構６０を駆動させる。このため、容積調整機構６０からボイラ５０に供給された冷媒が、ポンプ４０の駆動によってボイラ５０から流出してしまうことを防止できる。このため、容積調整機構６０から供給された冷媒をボイラ５０に留め、冷媒の温度上昇を抑えてボイラ５０を効果的に冷却することができる。

（４）作動流体回路１１において、膨張機２０をバイパスするバイパス路７１を設けるとともに、バイパス路７１に開閉弁７１ａを設けた。そして、エンジンＥ停止後は、制御部７５によって開閉弁７１ａを開状態とするようにした。このため、ボイラ５０の熱容量によって冷媒が気化しても、その冷媒は、バイパス路７１へ流れ、膨張機２０に流れ込むことが防止される。このため、膨張機２０では上流と下流で圧力差が付かず、膨張機２０が回転することを防止できる。

（５）膨張機２０は、駆動軸２０ａがエンジンＥに直接作動連結され、膨張機２０は無負荷になっていない。このため、エンジンＥの停止後、容積調整機構６０から供給された冷媒によって、ボイラ５０での冷媒の温度上昇が抑えられた状態で、ボイラ５０の熱容量によって冷媒が加熱され、膨張機２０に供給されたとしても、膨張機２０を介してエンジンＥを回転させることは不可能であるため、膨張機２０が回転することを防止できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、膨張機２０の駆動軸２０ａをエンジンＥに直接作動連結したが、これに限らない。図４に示すように、膨張機２０の駆動軸２０ａに発電機５５や補機（負荷）を作動連結してもよい。

○ 容積調整機構６０は、第１通路２１に配置したが、図４に示すように、第１通路２１に分岐路２１ａの一端を接続するとともに、分岐路２１ａの他端に容積調整機構６０の収容室６３を接続してもよい。

○ 容積調整機構６０は、作動流体回路１１の作動時に常に液相領域Ｒ１となる位置であれば、どこに接続されていてもよい。
○ 容積調整機構６０の可動部は、ピストン６２を、ロッド６４、駆動モータ６６、及び動力伝達機構６５を介して可変させる構成に限らず、作動流体回路１１で生じる圧力差を利用してピストン６２を可変させる構成であってもよい。

○ 実施形態では、エンジンＥの停止後にポンプ４０を停止させたが、エンジンＥの停止と同時にポンプ４０を停止させてもよい。
○ バイパス路７１及び開閉弁７１ａは無くてもよい。

○ 内燃機関としてのエンジンＥの種類は限定されず、例えば、ガソリンエンジンでもディーゼルエンジンでもよい。
○ 排熱は、エンジン冷却水やＥＧＲガス等適宜変更してもよい。

Ｅ…内燃機関としてのエンジン、１０…車両用ランキンサイクル装置、１１…作動流体回路、２０…膨張機、３０…放熱器、４０…ポンプ、５０…ボイラ、６０…容積調整機構、６２…可動部を構成するピストン、６３…収容室、６４…可動部を構成するロッド、６５…可動部を構成する動力伝達機構、６６…可動部を構成する駆動モータ、７１…バイパス路、７１ａ…開閉弁、７５…制御部。

Claims (5)

1. 作動流体を圧送するポンプと、
   前記ポンプにより圧送された作動流体を車両の内燃機関の排熱によって加熱するボイラと、
   前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
   前記膨張機で膨張された作動流体を放熱させる放熱器と、
   前記ポンプ、前記ボイラ、前記膨張機、及び前記放熱器が接続されて前記作動流体が循環する作動流体回路と、を有する車両用ランキンサイクル装置であって、
   前記作動流体回路は、前記内燃機関の停止時に、前記ボイラに液体状の作動流体を供給可能とする容積調整機構を備え、
   該容積調整機構は、前記作動流体回路の循環方向での前記放熱器を含む該放熱器の下流と前記ボイラを含む該ボイラの上流との間に配置されて作動流体を収容する収容室と、
   該収容室の容積を可変する可動部と、
   該可動部を制御する制御部とを備える車両用ランキンサイクル装置。
2. 前記収容室は、前記作動流体回路において、前記作動流体の循環方向での前記ポンプより下流で、かつ前記ボイラより上流となる位置に配置されている請求項１に記載の車両用ランキンサイクル装置。
3. 前記制御部は、前記内燃機関の停止時、かつ前記ポンプが停止された後に前記可動部を制御する請求項１又は請求項２に記載の車両用ランキンサイクル装置。
4. 前記作動流体回路において、前記作動流体の循環方向での前記ボイラより下流で、かつ前記膨張機より上流と、前記膨張機より下流で、かつ前記放熱器より上流とを接続し、前記膨張機をバイパスするバイパス路を備えるとともに、前記バイパス路に開閉弁を備え、前記内燃機関の停止時に、前記制御部は前記開閉弁を開状態とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の車両用ランキンサイクル装置。
5. 前記膨張機は、前記内燃機関に直接作動連結されている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の車両用ランキンサイクル装置。