JP2014234801A

JP2014234801A - エンジンの廃熱利用装置

Info

Publication number: JP2014234801A
Application number: JP2013118493A
Authority: JP
Inventors: 永井　宏幸; Hiroyuki Nagai; 宏幸永井; 真一朗溝口; Shinichiro Mizoguchi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2014-12-15
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: JP6205867B2

Abstract

【課題】ランキンサイクルの液冷凝縮器と液冷インタークーラを組み合わせ、冷却液を冷却する第２熱交換器の放熱能力を小さいものにとどめ得る廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】ランキンサイクル（２１）と、吸気を過給する過給機（８１）と、過給機（８１）により過給される吸気を冷却するインタークーラ（８５）とを備え、ランキンサイクルの凝縮器（２８）は膨張機を出た冷媒を冷却液との熱交換によって凝縮させる液冷凝縮器であり、インタークーラ（８５）は冷却液との熱交換によって吸気を冷却する液冷インタークーラであり、液冷凝縮器（２８）と、液冷インタークーラ（８５）と、冷却液を冷却する第２熱交換器（９２）と第２熱交換器を出た冷却液を吐出するポンプ（９３）とを冷却液が循環する冷却液通路（９５〜９７）で接続する。
【選択図】図１

Description

この発明はエンジンの廃熱利用装置、特にランキンサイクルと過給機用のインタークーラとを組み合わせたものに関する。

ランキンサイクルとターボチャージャのインタークーラを組み合わせたものがある（特許文献１参照）。このものでは、ターボチャージャにより高温・高圧となった吸気を熱交換器に導入し、ランキンサイクルの冷媒との間で熱交換を行わせて温度上昇した冷媒を膨張機に導き、膨張機を出た冷媒を空冷凝縮器で凝縮させている。その一方で、熱交換器により温度低下した吸気をさらに空冷のインタークーラに導いて冷却している。

特開２００８−８２２４号公報

ところで、ランキンサイクルと過給機を組み合わせるため、ランキンサイクルの凝縮器、過給機用インタークーラとを共に液冷に変更し、これら液冷凝縮器と液冷インタークーラとに冷却液を流すことに本発明者が初めて思い至ったとき、次のメリットが生じることが判明した。すなわち、非過給領域ではランキンサイクルの水冷凝縮器の放熱が支配的になるのに対して、過給領域では水冷インタークーラの放熱が支配的になる。水冷凝縮器の放熱と水冷インタークーラの放熱とが負荷条件で重複しないのであれば、冷却液を冷却する第２熱交換器としては、過給領域での水冷インタークーラの放熱と非過給領域での水冷凝縮器の放熱との合計を賄う放熱能力は必要ないこととなる。

しかしながら、こうした知見は上記特許文献１に一切記載がない。

そこで本発明は、凝縮器とインタークーラとを共に液冷としてランキンサイクルと過給機を組み合わせ、２つの部材を流れる冷却液を冷却する第２熱交換器の放熱能力を小さいものにとどめ得る廃熱利用装置を提供することを目的とする。

本発明のエンジンの廃熱利用装置は、エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器、この熱交換器出口の冷媒を用いて動力を発生させる膨張機、この膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器、この凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプを含むランキンサイクルと、吸気を過給する過給機と、前記過給機により過給される吸気を冷却するインタークーラとを備えている。本発明のエンジンの廃熱利用装置は、さらに前記凝縮器は前記膨張機を出た冷媒を冷却液との熱交換によって凝縮させる液冷凝縮器であり、前記インタークーラは冷却液との熱交換によって吸気を冷却する液冷インタークーラであり、前記液冷凝縮器と、前記液冷インタークーラと、前記冷却液を冷却する第２熱交換器と、前記第２熱交換器を出た冷却液を吐出するポンプとを冷却液が循環する冷却液通路で接続している。

低中負荷側の非過給領域ではランキンサイクルの液冷凝縮器の放熱が支配的だが、高負荷側の過給領域では液冷インタークーラの放熱が支配的になる。このようにランキンサイクルの液冷凝縮器の放熱と液冷インタークーラの放熱とが負荷条件で重複しないとき、過給領域での液冷インタークーラの放熱と非過給領域での液冷凝縮器の放熱との合計を賄う放熱能力の第２熱交換器を設けることは不要であることから、本発明は、ランキンサイクルの凝縮器及びインタークーラを共に液冷とし、この液冷凝縮器と、液冷インタークーラと、冷却液を冷却する第２熱交換器と、第２熱交換器を出た冷却液を吐出するポンプとを冷却液が循環する冷却液通路で接続したので、第２熱交換器としては、過給領域での液冷インタークーラの放熱と非過給領域での液冷凝縮器の放熱との合計よりも小さな放熱能力の第２熱交換器で足りる。これよって第２熱交換器の放熱能力を効果的に活用し、第２熱交換器の放熱能力不足や大型化を回避できる。

本発明の第１実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図である。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。冷媒ポンプの概略断面図である。膨張機の概略断面図である。第２冷却水回路の放熱量及び水冷凝縮器入口冷媒温度、水冷インタークーラ入口空気温度の特性図である。水冷インタークーラ入口冷却水温度の特性図である。第１実施形態の膨張機クラッチの制御を説明するためのフローチャートである。第２実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図である。第２実施形態の膨張機クラッチ固着時の制御を説明するためのフローチャートである。第３実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図である。図１０より第２冷却水回路のみを取り出した概略構成図である。第３実施形態の膨張機クラッチ固着時の制御を説明するためのフローチャートである。第４実施形態の第２冷却水回路の概略構成図である。

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。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図を示している。図２は冷媒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。

図１において、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。

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を通過する冷却水量を相対的に増やす。冷却水温度が低い場合には冷却水通路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。この場合、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。

バイパス冷却水通路１４には、ランキンサイクル２１の冷媒と熱交換を行なう蒸発器２６を備える。すなわち、蒸発器２６には冷却水通路２６ａが、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２１の冷媒が流れる冷媒通路２６ｂが冷却水通路２６ａと隣接して設けられている。さらに蒸発器２６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル２１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２６ａ、２６ｂが構成されている。

詳細には、ランキンサイクル２１の冷媒にとって冷却水通路２６ａは、バイパス冷却水通路１４に介装されている。この冷却水通路２６ａ及びこの冷却水通路２６ａに隣接する冷媒通路２６ｂで構成される蒸発器２６は、エンジン２から出た冷却水を冷却水通路２６ａに導入することで、冷媒通路２６ｂを流れるランキンサイクル２１の冷媒を加熱するためのものである。

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、例えば蒸発器２６でランキンサイクル２１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る。これによって、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に減らされる。この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２１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る。これによって、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に増やされる。このようなサーモスタットバルブ１５の動作に基づいて、エンジン２の冷却水温度が適当に保たれ、熱がランキンサイクル２１へ適当に供給（回収）されるように構成されている。

次に、本発明の前提となる基本発明のランキンサイクル２１について述べる。基本発明のランキンサイクル２１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、本発明の出願時に未公開である。ランキンサイクル２１は、冷媒ポンプ２２、蒸発器２６、膨張機２７及び空冷凝縮器（コンデンサ）２８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路３１〜３４により接続されている。なお、図１に示す凝縮器２８は水冷凝縮器であるが、基本発明の凝縮器は空冷凝縮器であるので、空冷凝縮器として説明する。

図２にも示したように冷媒ポンプ２２の軸２２ａは同一の軸上で膨張機２７の出力軸２７ａと連結配置され、膨張機２７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ２２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。すなわち、図１に示したように冷媒ポンプ２２の軸２２ａ及び膨張機２７の出力軸２７ａがエンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ２２の軸２２ａの先端に設けたポンププーリ２３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト２４を掛け回している。なお、本実施形態の冷媒ポンプ２２としてはギヤ式のポンプを、膨張機２７としてはスクロール式の膨張機を採用している（図３、図４参照）。

また、ポンププーリ２３と冷媒ポンプ２２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。）２５を設けて、冷媒ポンプ２２及び膨張機２７とを、エンジン２と断接可能にしている（図２参照）。このため、膨張機２７の発生する出力が冷媒ポンプ２２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に膨張機クラッチ２５を接続することで、膨張機２７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２２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。

冷媒ポンプ２２からの冷媒は冷媒通路３１を介して蒸発器２６に供給される。蒸発器２６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し加熱する熱交換器である。

蒸発器２６からの冷媒は冷媒通路３２を介して膨張機２７に供給される。膨張機２７は、気化し加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２７で回収された動力は冷媒ポンプ２２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。

膨張機２７からの冷媒は冷媒通路３３を介して空冷凝縮器２８に供給される。空冷凝縮器２８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、空冷凝縮器２８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。ここで説明した凝縮器２８は基本発明に用いている場合であるため空冷式であるが、後述するように本実施形態では、空冷凝縮器に代えて水冷凝縮器２８を構成することとなる。

空冷凝縮器２８により液化された冷媒は、冷媒通路３４を介して冷媒ポンプ２２に戻される。冷媒ポンプ２２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ２２により再び蒸発器２６に送られ、ランキンサイクル２１の各構成要素を循環する。

ランキンサイクル２１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２１を循環する冷媒を制御するため、凝縮器２８と冷媒ポンプ２２とを連絡する冷媒通路３４にポンプ上流弁５１、蒸発器２６と膨張機２７とを連絡する冷媒通路３２に膨張機上流弁５２を備える。また、冷媒ポンプ２２と蒸発器２６とを連絡する冷媒通路３１には、蒸発器２６から冷媒ポンプ２２への冷媒の逆流を防止するため逆止弁５３を備えている。膨張機２７と凝縮器２８とを連絡する冷媒通路３３にも、凝縮器２８から膨張機２７への冷媒の逆流を防止するため逆止弁５４を備えている。また、膨張機上流弁５２上流から膨張機２７をバイパスして逆止弁５４上流に合流する膨張機バイパス通路５５を設け、この膨張機バイパス通路５５にバイパス弁５６を設けている。さらに、バイパス弁５６をバイパスする通路５７に圧力調整弁５８を設けている。

上記３つの弁５１、５２、５６はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ６２により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ６３により検出される凝縮器２８の出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、膨張機２７の回転速度信号等がエンジンコントローラ６１に入力されている。エンジンコントローラ６１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、ラジエータファン１２の制御を行なうとともに、上記３つの電磁式開閉弁５１、５２、５６の開閉を制御する。

例えば、圧力センサ６２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２５を締結する。一方、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２５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２５の締結・解放を適切に行うことができる。これで、基本発明のランキンサイクル２１の説明を終える。

次に、エンジン２にはターボチャージャ８１（過給機）を備える。ターボチャージャ８１は、排気タービン８２と吸気コンプレッサ８３とを同軸に連結したものである。ここで、排気タービン８２は排気管５を流れる排気のエネルギーによって回転駆動される。スロットル弁７上流の吸気管６に介装される吸気コンプレッサ８３は吸気を圧縮して吐出する。排気タービン８２をバイパスする通路８６にはこの通路８６を開閉するウエイストゲートバルブ８７を設けてある。

吸気コンプレッサ８３により圧縮された吸気は高温・高圧となるため、この高温・高圧となった吸気を冷却する空冷インタークーラ８５を、吸気コンプレッサ８３とスロットル弁７の間の吸気管６に設けている。なお、ここではインタークーラ８５を空冷として説明したが、後述するように本実施形態では、空冷インタークーラに代えて水冷インタークーラに変更することとなる。

さて、ランキンサイクルとターボチャージャの空冷インタークーラを組み合わせた従来装置はある。

ここで、ランキンサイクル２１とターボチャージャ８１を組み合わせるため、ランキンサイクル２１の空冷凝縮器２８及び空冷インタークーラ８５を共に水冷（液冷）に変更し、これら水冷凝縮器と水冷インタークーラとに冷却水を流すことに発明者が初めて思い至ったとき、次のメリットが生じることがわかった。すなわち、非過給領域ではランキンサイクル２１の水冷凝縮器の放熱が支配的となるのに対して、過給領域では水冷インタークーラの放熱が支配的になる。水冷凝縮器の放熱と水冷インタークーラの放熱とが負荷条件で重複しないのであれば、冷却水を冷却するサブラジエータ（第２熱交換器）としては、過給領域での水冷インタークーラの放熱と非過給領域での水冷凝縮器の放熱との合計を賄う放熱能力は必要ないこととなる。しかしながら、こうした知見は上記従来装置に一切記載がない。

そこで本発明者の知見に基づき、本発明の第１実施形態では、基本発明のランキンサイクル２１に用いた空冷凝縮器２８及び空冷インタークーラ８５を水冷に変更し、水冷凝縮器、水冷インタークーラを含む冷却水回路９１を、上記のエンジン冷却水回路とは独立に構成する。この冷却水回路９１を上記のエンジン冷却水回路と区別するため、「第２冷却水回路」という。なお、第１実施形態のランキンサイクルに用いる水冷凝縮器及び水冷インタークーラにそれぞれ付する符号としては、基本発明のランキンサイクル２１に用いる空冷凝縮器２８、空冷インタークーラ８５にそれぞれ付している符号と同じ符号を付するものとする。

第２冷却水回路９１は、水冷凝縮器２８、水冷インタークーラ８５、サブラジエータ９２（第２凝縮器）、冷却水ポンプ９３を備え、各構成要素を冷却水が循環する冷却水通路９５〜９７により接続する。

サブラジエータ９２はラジエータ１１と並列に配置し、ラジエータファン１２によってサブラジエータ９２内の冷却水を冷却する。サブラジエータ９２により冷却された冷却水を、冷却水ポンプ９３によって水冷インタークーラ８５に供給する。冷却水ポンプ９３は、サブラジエータ９２と水冷インタークーラ８５を接続する冷却水通路９５に介装する。冷却水ポンプ９３は、エンジンコントローラ６１からの指令を受けるモータ９４によって駆動する。

水冷インタークーラ８５は、吸気コンプレッサ８３によって高温・高圧となった吸気を冷却水との熱交換によって冷却するものである。冷却された吸気はスロットル弁７によって調量された後にコレクタ８に蓄えられ、吸気マニホールドより各気筒の燃焼室に分配される。

一方、水冷インタークーラ８５によって温度上昇した冷却水を、水冷インタークーラ８５と水冷凝縮器２８を接続する冷却水通路９６を介して水冷凝縮器２８に供給する。水冷凝縮器２８は、膨張機２７からの冷媒と冷却水との間で熱交換を行わせ、ランキンサイクル２１の冷媒を冷却し液化する熱交換器である。水冷凝縮器２８により温度上昇した冷却水は、水冷凝縮器２８とサブラジエータ９２を接続する冷却水通路９７を介してサブラジエータ９２に戻し、サブラジエータ９２で冷却する。サブラジエータ９２で冷却した冷却水を冷却水ポンプ９３によって吐出し、冷却水通路９５、９６、９７を再び循環させる。

次に、ランキンサイクル２１の空冷凝縮器、空冷インタークーラを共に水冷に変更するとともに、水冷凝縮器２８と水冷インタークーラ８５とに循環する第２冷却水回路９１を構成した理由を図５を参照してさらに説明する。

図５（ａ）はエンジン回転速度が一定の条件下での第２冷却水回路９１の放熱量の特性図である。同じく図５（ｂ）はエンジン回転速度が一定の条件下で水冷凝縮器入口の冷媒温度と水冷インタークーラ入口の吸気温度とを重ねて示した特性図である。まず第２冷却水回路９１の放熱量は、水冷凝縮器２８の放熱量と水冷インタークーラ８５の放熱量の合計であるが、図５（ａ）には水冷凝縮器２８の放熱量、水冷インタークーラ８５の放熱量の個別の放熱量を重ねて記載している。すなわち、エンジントルク域を大雑把に低、中、高の３つの各エンジントルク域に分けたとき、ランキンサイクル２１は主に低中エンジントルク域（低中負荷域）で運転される。このため、エンジントルクの小さい側ではエンジントルクの増加とともに水冷凝縮器２８の放熱量が徐々に増え、エンジントルクの大きい側になると増加の程度は小さくなっている。

一方、ターボチャージャ８１による過給が効くのは、エンジントルクが所定値ａ以上となる高エンジントルク領域（つまり過給領域）のみである。このため、所定値ａより小さいエンジントルク域（つまり非過給領域）では、水冷インタークーラ８５の放熱量は水冷凝縮器２８の放熱量よりも格段に小さく、過給領域になって、水冷インタークーラ８５の放熱量が急激に上昇する。そして、水冷インタークーラ８５の放熱量はエンジントルクが所定値ｂで水冷凝縮器２８の放熱量と交差し、所定値ｂ以上のエンジントルク域で水冷凝縮器２８の放熱量を上回る。

次に、図５（ｂ）では、横軸のパラメータを図５（ａ）と同じに採っている。水冷凝縮器入口の冷媒温度は４０℃〜５０℃よりエンジントルクの増加と共に上昇し、過給領域になると、急激に上昇し、１５０℃〜２００℃に至っている。一方、水冷インタークーラ入口の吸気温度は、非過給領域で水冷凝縮器入口冷媒温度より低く、過給領域になると、急上昇する。このため、エンジントルクが所定値ｃのとき水冷インタークーラ入口吸気温度と水冷凝縮器入口冷媒温度が交差し、所定値ｃ以上のエンジントルク域で水冷インタークーラ入口空気温度が水冷凝縮器入口冷媒温度を上回っている。

なお、図５（ａ）では水冷凝縮器２８の放熱量の特性を、図５（ａ）では水冷凝縮器入口冷媒温度の特性をエンジントルクが最大となるまで示しているが、実際には全てのエンジントルク域でランキンサイクル２１を運転することはしていない。高エンジントルク側でランキンサイクル２１を運転しておらず、ランキンサイクル２１を運転するのは低中エンジントルク域だけである。

図５（ａ）、図５（ｂ）よりエンジントルクが所定値ａ以上となる過給領域で水冷インタークーラ８５の放熱が支配的となるのに対して、エンジントルクが所定値ａ未満の非過給領域で水冷凝縮器２８の放熱が支配的となっている。つまり、水冷凝縮器２８の放熱と水冷インタークーラ８５の放熱とがエンジントルク条件（負荷条件）で重複していないのである。このため、水冷インタークーラ８５の最大放熱量に対応する放熱能力を有するサブラジエータ９２を設けておけば、水冷インタークーラ８５が働くことのない低中エンジントルク域で水冷凝縮器２８が放熱できる。水冷凝縮器２８と水冷インタークーラ８５の放熱量を単純に合計した放熱量に対応する放熱能力を有するサブラジエータを設けることは必要なく、水冷インタークーラ８５の最大放熱量に対応する放熱能力のサブラジエータ９２を設けることで足りるのである。

このように、本実施形態では、エンジン２の廃熱を冷媒に回収する熱交換器２６、この熱交換器２６出口の冷媒を用いて動力を発生させる膨張機２７、この膨張機２７を出た冷媒を凝縮させる凝縮器２８、この凝縮器２８からの冷媒を熱交換器２６に供給する冷媒ポンプ２２を含むランキンサイクル２１と、吸気を過給するターボチャージャ８１（過給機）と、ターボチャージャ８１により過給される吸気を冷却するインタークーラ８５とを備え、前記凝縮器２８は膨張機２７を出た冷媒を冷却水（冷却液）との熱交換によって凝縮させる水冷凝縮器であり、前記インタークーラ８５は冷却水（冷却液）との熱交換によって吸気を冷却する水冷インタークーラであり、前記水冷液冷凝縮器２８と、前記水冷インタークーラ８５と、冷却水（冷却液）を冷却するサブラジエータ９２（第２熱交換器）と、冷却水ポンプ９８（第２熱交換器を出た冷却液を吐出するポンプ）とを冷却水が循環する冷却水通路９５〜９７（冷却液通路）で接続している。図５（ａ）、図５（ｂ）に示したように非過給領域ではランキンサイクルの液冷凝縮器２８の放熱が支配的であるのに対して、過給領域では水冷インタークーラ８５の放熱が支配的になる。このようにランキンサイクルの水冷凝縮器２８の放熱と水冷インタークーラ８５の放熱とが負荷条件で重複しないとき、過給領域での水冷インタークーラ８５の放熱と非過給領域での水冷凝縮器２８の放熱との合計を賄う放熱能力のサブラジエータ９２を設けることは不要であることから、本実施形態によれば、ランキンサイクル２１の凝縮器２８及びインタークーラ８５を共に水冷とし、この水冷凝縮器２８と、水冷インタークーラ８５と、サブラジエータ９２と、冷却水ポンプ９３とを冷却水通路９５〜９７で接続したので、サブラジエータ９２としては、過給領域での水冷インタークーラ８５の放熱と非過給領域での水冷凝縮器２８の放熱との合計よりも小さな放熱能力のサブラジエータ９２で足りる。これによってサブラジエータ９２の放熱能力を効果的に活用し、サブラジエータ９２の放熱能力不足や大型化を回避できる。

次に、図６は水冷インタークーラ入口の冷却水温度の特性図で、水冷凝縮器２８、水冷インタークーラ８５の順に冷却水を流した場合を一点破線で、水冷インタークーラ８５、水冷凝縮器２８の順に冷却水を流した場合を実線で重ねて示している。図１にも示したように水冷インタークーラ８５、水冷凝縮器２８の順に冷却水を流すときには、サブラジエータ９２を出た最も温度の低い冷却水が水冷インタークーラ８５に先に流れる。このため、水冷インタークーラ入口の冷却水温度は、図６に実線で示したようにエンジントルクが所定値ａ未満の非過給領域では殆ど上昇せず、エンジントルクが所定値ａ以上の過給領域に入ってから上昇する。

一方、水冷凝縮器２８、水冷インタークーラ８５の順に冷却水を流すときには、非過給領域での水冷凝縮器２８の放熱によって温度上昇した冷却水が水冷インタークーラ８５に流れる。これによって、水冷インタークーラ入口の冷却水温度が図６に一点鎖線で示したように水冷インタークーラ８５、水冷凝縮器２８の順に冷却水を流す場合の水冷インタークーラ入口冷却水温度より上昇する。過給領域でこの水冷インタークーラ入口冷却水温度が上昇する分だけ吸気温度が上昇するため、作動ガス温度が上昇してノッキングが生じ勝ちとなり、エンジンの燃費・出力が悪化する。

このように、本実施形態によれば、水冷インタークーラ８５と水冷凝縮器２８とを直列に設け、上流から水冷インタークーラ８５、水冷凝縮器２８の順にサブラジエータ９２出口の冷却水を流すので、例えばアクセルペダルを急激に踏み込むことによってランキンサイクル２１の運転域（非過給領域）から過給領域へと移行する加速時に一時的に水冷インタークーラ８５と水冷凝縮器２８とで放熱が重複したとしても、水冷インタークーラ８５の冷却性能を確保できる。

次に、図７のフローはエンジンコントローラ６１が膨張機クラッチ２５を制御するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ１では水冷凝縮器入口の冷媒温度Ｔ１を温度センサ６５（図１参照）により、ステップ２では水冷インタークーラ入口の吸気温度Ｔ２を温度センサ６６（図１参照）により検出する。

ステップ３では２つの温度Ｔ１、Ｔ２を比較し、水冷凝縮器入口の冷媒温度Ｔ１が水冷インタークーラ入口の吸気温度Ｔ２以下であるときにはステップ４に進み、ランキンサイクルを運転するため膨張機クラッチ２５を接続状態とする。膨張機クラッチ２５を接続状態とすればエンジン２により冷媒ポンプ２２が駆動される。ここで、膨張機クラッチ２５としての電磁式のクラッチでは、ソレノイドコイル（図示しない）への通電で電磁力を発生させ、この電磁力で２つの部材を圧着させてクラッチを接続状態とする。また、ソレノイドコイルへの通電を停止し電磁力を消失させることで電磁式のクラッチを切断状態としているものとすると、膨張機クラッチ２５を接続状態とするには、ソレノイドコイルに通電すればよい。

一方、ステップ３で水冷凝縮器入口冷媒温度Ｔ１よりも水冷インタークーラ入口吸気温度Ｔ２のほうが高くなったときにはステップ５に進み、膨張機クラッチ２５を切断することにより冷媒ポンプ２２を停止させる。冷媒ポンプ２２が停止すれば、ランキンサイクル２１の運転が停止する。膨張機クラッチ２５を切断するには、ソレノイドコイルへの通電を中止すればよい。膨張機クラッチ２５を切断すると、冷媒ポンプ２２の軸２２ａの回転が停止するため冷媒ポンプ２２が停止し、ランキンサイクル２１の運転が停止する。ここで、Ｔ１よりＴ２のほうが高くなるのは、図５（ｂ）に示したようにほぼ過給領域である。

図５（ｂ）より、過給領域においてもランキンサイクル２１を運転したのでは、水冷凝縮器２８が放熱する。サブラジエータ９２の放熱能力には限りがあるので、過給領域で行う水冷凝縮器２８の放熱の全てを熱交換できるわけでないので、サブラジエータ９２出口の冷却水温度がその分上昇し、インタークーラの放熱を邪魔することとなる。そこで、本実施形態では、Ｔ１よりもＴ２のほうが高くなったときに膨張機クラッチ２５を切断することで、過給領域での水冷インタークーラの放熱を邪魔しないようにするのである。

このように、本実施形態によれば、膨張機２７からエンジン２への回転力の伝導を断接する膨張機クラッチ２５を備え、水冷凝縮器２８（液冷凝縮器）入口の冷媒温度Ｔ１よりも水冷インタークーラ８５（液冷インタークーラ）入口の吸気温度Ｔ２のほうが高くなったときには膨張機クラッチ２５を切断することにより冷媒ポンプ２２を停止させるので（図７のステップ３、５参照）、ランキンサイクル２１の運転が停止し、水冷凝縮器２８の放熱がなくなる。これによって、水冷凝縮器２８の放熱が水冷インタークーラ８５の放熱を邪魔することがなくなり、過給領域で水冷インタークーラ８５を効率よく働かせることができる。

（第２実施形態）
図８は第２実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図で、第１実施形態の図１と置き換わるものである。図１と同一部分には同一の符号を付している。

第１実施形態では、水冷凝縮器入口の冷媒温度Ｔ１よりも水冷インタークーラ入口の吸気温度Ｔ２のほうが高くなったときに膨張機クラッチ２５を切断することとして、過給領域で水冷インタークーラ８５を効率よく働かせるようにした。しかしながら、膨張機クラッチ２５が常時接続状態となる固着が生じることがある。膨張機クラッチ２５に固着が生じたときには膨張機クラッチ２５を切断することができない。膨張機クラッチ２５を切断できないと、過給領域になっても水冷凝縮器２５が放熱を続ける。すると、水冷凝縮器２８の放熱が水冷インタークーラ８５の放熱を邪魔することとなり、過給領域で水冷インタークーラ８５を効率よく働かせることができなくなる。過給領域で水冷インタークーラ８５を効率よく働かせることができないと、作動ガスの高温化でノッキングが生じ勝ちとなり、エンジンの燃費・出力が悪化する。

そこで第２実施形態では、膨張機クラッチ２５が常時接続状態となる固着が生じたときにはターボチャージャ８１（過給機）による過給を中止する。

具体的に説明すると、図９のフローはエンジンコントローラ６１が膨張機クラッチ２５に固着が生じたときにターボチャージャ８１による過給を停止するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

図９においてステップ１１で膨張機クラッチ２５に固着が生じたか否かをみる。ここでも、膨張機クラッチ２５としての電磁式のクラッチでは、ソレノイドコイルへの通電で電磁力を発生させ、この電磁力で２つの部材を圧着させてクラッチを接続状態とする。また、ソレノイドコイルへの通電を停止し電磁力を消失させることで電磁式のクラッチを切断状態としているものとする。このとき、電磁式のクラッチに滑り入力のような大きな入力が入ることによって、２つの部材がはりついたり、焼き付いたりしてクラッチに固着が生じることがまれにあるのである。また、経時劣化などによってもクラッチに固着が生じ得る。また、ソレノイドコイルへの通電、非通電はリレーによって行っているので、リレーの故障によってクラッチ固着の状態が生じ得る。

膨張機クラッチ２５に固着が生じたか否かは、冷媒ポンプ軸２２ａの回転速度を検出するポンプ軸回転速度センサ１０１（図９参照）に基づけばよい。すなわち、過給領域ではランキンサイクル２１を運転しないので、ソレノイドコイルへの通電を停止することで、膨張機クラッチ２５を切断している。従って、ランキンサイクル２１を運転しない過給領域でも冷媒ポンプ軸２２ａが回転していれば、膨張機クラッチ２５に固着が生じていることとなる。そこで、ランキンサイクル２１を運転しない過給領域でポンプ軸回転速度センサ１０１により検出される回転速度Ｎｐｍｐがゼロでなければ、膨張機クラッチ２５に固着が生じていると判定できる。この判定結果、つまり膨張機クラッチ２５に固着が生じているか否かの情報（データ）はメモリに記憶しておく。そして、ステップ１１でこの情報をみて膨張機クラッチ２５に固着が生じてなければそのまま今回の処理を終了する。

ステップ１１で膨張機クラッチ２５に固着が生じているときにはステップ１２に進み、ターボチャージャ８１による過給を停止するため、排気タービン８２をバイパスする通路８６に設けてあるウエイストゲートバルブ８７（図８参照）を開く。同様に、第４実施形態で後述するスーパーチャージャ１２１の場合には（図１３参照）、電磁式のクラッチ１２３をＯＦＦ（切断）とするか、バイパス弁１２５を全開とすることによってスーパーチャージャ１２１による過給を停止する。過給を停止する方法はこれに限らない。例えば、スロットル弁７の開度を全開側で制限することにより過給領域を用いないようにすることによっても、ターボチャージャ８１やスーパーチャージャ１２１による過給を停止することができる。

このように第２実施形態によれば、膨張機クラッチ２５が常時接続状態となる固着が生じたときにはターボチャージャ８１（過給機）による過給を中止するので（図９のステップ１１、１２参照）、膨張機クラッチ２５に固着が生じたときにも、ターボチャージャ８１を働かせることに伴うノッキングを抑制して、エンジンの燃費・出力の悪化を抑制することができる。

（第３実施形態）
図１０は第３実施形態のランキンサイクルのシステム全体を表した概略構成図で、第１実施形態の図１と置き換わるものである。図１と同一部分には同一の符号を付している。

ここで、水冷凝縮器２８と水冷インタークーラ８５を並列に接続した構成を見やすくため、図１０より第２冷却水回路９１のみを取り出した概略構成図を図１１に示す。この図１１を参照して第２冷却水回路９１’を説明すると、サブラジエータ９２の出口に接続する冷却水通路９５を２つに分岐し、一方の分岐冷却水通路９５ａを水冷インタークーラ８５に、他方の分岐冷却水通路９５ｂを水冷凝縮器２８に接続する。また、サブラジエータ９２の入口に接続する冷却水通路９７を２つに分岐し、一方の分岐冷却水通路９７ａを水冷インタークーラ８５に、他方の分岐冷却水通路９７ｂを水冷凝縮器に接続する。このようにして水冷凝縮器２８と水冷インタークーラ８５を並列接続したとき、冷却水ポンプ９３出口の冷却水は、分岐冷却水通路９５ａ、９５ｂを介して水冷凝縮器２８、水冷インタークーラ８５に流れる。

このように第３実施形態によれば、水冷インタークーラ８５（液冷インタークーラ）と水冷凝縮器２８（液冷凝縮器）とを並列に設け、これら８５、９２にサブラジエータ９２（第２熱交換器）出口の冷却水（冷却液）を流すので、水冷インタークーラと水冷凝縮器とを直列に設けた第１実施形態の場合と同様に、サブラジエータ９２の放熱能力を効果的に活用し、サブラジエータ９２の放熱能力不足や大型化を回避できる。

次に、第３実施形態においても、膨張機クラッチに固着が生じたときの対策を考える。すなわち、第２実施形態では水冷凝縮器２８と水冷インタークーラ８５とを直列に接続した第２冷却水回路９１を前提として、膨張機クラッチ２５に固着が生じたときにターボチャージャ８１による過給を停止した。一方、第３実施形態形態では、水冷凝縮器２８と水冷インタークーラ８５とを並列に接続した第２冷却水回路９１’を前提として、膨張機クラッチ２５に固着が生じたときに水冷凝縮器２８への冷却水の流れを遮断する。

膨張機クラッチが常時接続状態となる固着が生じたときには水冷凝縮器２８への冷却水の流れを遮断するため、分岐冷却水通路９５ｂに常開の開閉弁１１１を設ける。開閉弁１１１は、例えば電磁式の弁から構成され、ＯＮ信号を与えたとき全閉となり、ＯＦＦ信号を与えることによって全開状態に戻る。なお、分岐冷却水通路９７ｂに常開の開閉弁１１１を設けてもかまわない。

図１２のフローは第３実施形態の膨張機クラッチ２５に固着が生じたときに開閉弁１１１を制御するためのもので、エンジンコントローラ６１が一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ２１では、過給領域にあるか否かをみる。過給領域にあるか否かはエンジントルクに基づいて判定すればよい。例えば、エンジン負荷に基づいてエンジントルクを算出し、この算出したトルクと所定値ａを比較し、算出したエンジントルクが所定値ａ以上であれば過給領域にあると、算出したエンジントルクが所定値ａ未満であれば非過給領域にあると判定する。ここで、エンジントルクの代用値としては、アクセルペダルの開度や、ガソリンエンジンでは燃料噴射制御に用いられる基本噴射パルス幅を用いればよい。エンジントルクより過給領域にないと判定されたときにはそのまま今回の処理を終了する。

ステップ２１でエンジントルクより過給領域にあると判定されたときにはステップ２２に進み、膨張機クラッチ２５に常時接続状態となる固着が生じているか否かをみる。膨張機クラッチ２５に固着が生じていないときにはステップ２３に進み開閉弁１１１にＯＦＦ信号を出力し開閉弁１１１を全開状態とする。

ステップ２２で膨張機クラッチ２５に固着が生じているときにはステップ２４に進み、開閉弁１１１にＯＮ信号を出力し開閉弁１１１を全閉状態とする。これによって、図１１において水冷凝縮器２８に冷却水が流れなくなるので、水冷凝縮器２８の放熱により温度上昇した冷却水がサブラジエータ９２に戻されることがなくなる。

第３実施形態によれば、膨張機２７からエンジン２への回転力の伝導を断接する膨張機クラッチ２５と、分岐冷却水通路９５ｂ（液冷凝縮器に流れる冷却液通路）を開閉する開閉弁１１１とを備え、膨張機クラッチ２５が常時接続状態となる固着が生じたときには開閉弁１１１を閉じるので（図１２のステップ２２、２４参照）、膨張機クラッチ２５に固着が生じて、ランキンサイクル２１が常時熱回収状態となり水冷凝縮器２８の放熱があっても、水冷凝縮器２８に冷却水が流れることがないので、冷却水温度が上昇しない。つまり、水冷凝縮器２８の放熱が水冷インタークーラ８５の放熱を邪魔しないので、サブラジエータ９２の能力を超えないようにすることができる。

（第４実施形態）
図１３は第４実施形態の第２冷却水回路９１の概略構成図である。第１実施形態の図１と同一部分には同一の符号を付している。なお、ランキンサイクル２１は第１実施形態と同じに構成されているが、図１３には水冷凝縮器２８しか示していない。

第１実施形態では、ランキンサイクル２１とターボチャージャ８１を組み合わせた場合に、ランキンサイクル２１の凝縮器２８及びインタークーラ８５を共に水冷に変更して第２冷却水回路９１を構成するものであった。一方、第４実施形態は、ランキンサイクル２１とスーパーチャージャ１２１（過給機）を組み合わせた場合に、ランキンサイクル２１の凝縮器２８及びスーパーチャージャ用のインタークーラ８５を共に水冷に変更して第２冷却水回路９１を構成するものである。

まず、スーパーチャージャ１２１の構成を簡単に説明すると、図１３においてスロットル弁７上流の吸気管６にスーパーチャージャ１２１を備える。ここでのスーパーチャージャ１２１はリショルム式で説明するが、リショルム式に限定されるものでない。スーパーチャージャ１２１をエンジン２により駆動するため、スーパーチャージャ１２１のプーリ１２１ａとクランクシャフトプーリ２ａとにベルト１２２を掛け回し、クランクシャフトの回転力をベルト１２２を介してプーリ１２１ａに伝える。

プーリ１２１ａとスーパーチャージャ１２１の駆動軸１２１ｂの間にエンジンコントローラ６１によってＯＮ、ＯＦＦ制御する電磁式のクラッチ１２３を設ける。なお、電磁式のクラッチ１２３はなくてもかまわない。

スーパーチャージャ１２１をバイパスする通路１２４が設けられ、このバイパス通路１２４に、エンジンコントローラ６１により制御されるデューティ制御可能なバイパス弁１２５を有している。

エンジンコンローラ６１では、電磁式のクラッチ１２３をＯＮとすると共に、バイパス弁１２５を全閉とすることで、スーパーチャージャ１２１を運転する。すなわち、電磁式のクラッチ１２３をＯＮにしてプーリ１２１ａと駆動軸１２１ｂを接続したとき、スーパーチャージャ１２１の内部で一対のねじれたスクリュー状のロータが逆方向に回転し空気を吸入して吐出する（過給する）。

スーパーチャージャ１２１により圧縮された吸気は高温・高圧となるため、この高温・高圧となった吸気を冷却する空冷インタークーラ１２６を、スーパーチャージャ１２１とスロットル弁７の間の吸気管６に設けている。

一方、スーパーチャージャ１２１の運転を停止するには、電磁式のクラッチ１２３をＯＮとした状態でバイパス弁１２５を全開とするか、または電磁式のクラッチ１２３をＯＦＦとする。

このように構成されるスーパーチャージャ１２１を備えるエンジン２の場合にも、スロットル弁７の開度とバイパス弁１２５の開度とを協調制御することで、自然吸気ではこれ以上吸気を燃焼室に供給できなくなるスロットル弁開度付近よりスーパーチャージャ１２１による過給を行わせることができる。このときには、エンジントルクに対する水冷インタークーラ１２６の放熱量、水冷インタークーラ入口吸気温度の特性は図５（ａ）、図５（ｂ）と同様となる。なお、スーパーチャージャ１２１の使い方としてはこれに限られるものでない。

第４実施形態では上記スーパーチャージャ１２１と、前述の基本発明のランキンサイクル２１を組み合わせる場合に、ランキンサイクル２１の空冷凝縮器２８及び空冷インタークーラ１２６を水冷に変更し、水冷凝縮器、水冷インタークーラを含む第２冷却水回路９１を構成する。なお、水冷凝縮器、水冷インタークーラに付する符号としては、空冷凝縮器２８、空冷インタークーラ１２６に付している符号と同じ符号を付するものとする。

第２冷却水回路９１は、水冷凝縮器２８、水冷インタークーラ１２６、サブラジエータ９２（第２凝縮器）、冷却水ポンプ９３を備え、各構成要素を冷却水が循環する冷却水通路９５〜９７により接続する。

第４実施形態は、第１実施形態のターボチャージャに代えてスーパーチャージャとしただけのものであるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

実施形態では、第２冷却水回路９１、９１’を流れる液体が冷却水である場合で説明したが、これに限られるものでない。冷却水と同等の冷却用の液体であればよい。

実施形態では、冷媒ポンプ２２と膨張機２７を同軸で連結配置し、膨張機２７の出力（動力）で冷媒ポンプ２２を駆動すると共に、動力を伝導装置を介してエンジン２の出力軸に供給する場合（動力回生）で説明したが、この場合に限定されるものでない。例えば、冷媒ポンプ、膨張機及びモータジェネレータを同軸で連結配置し、膨張機の出力（動力）で冷媒ポンプ及びモータジェネレータを駆動し、動力を電力として回収する場合（電力回生）にも本発明を適用できる。

２エンジン
２１ランキンサイクル
２２冷媒ポンプ
２５膨張機クラッチ
２６蒸発器
２７膨張機
２８水冷凝縮器
６１エンジンコントローラ
８１ターボチャージャ（過給機）
８５水冷インタークーラ
９１、９１’ 第２冷却水回路
９２サブラジエータ（第２熱交換器）
９３冷却水ポンプ
９５〜９７冷却水通路（冷却液通路）
１２１スーパーチャージャ（過給機）
１２６水冷インタークーラ

Claims

エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器、この熱交換器出口の冷媒を用いて動力を発生させる膨張機、この膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器、この凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプを含むランキンサイクルと、
吸気を過給する過給機と
前記過給機により過給される吸気を冷却するインタークーラと
を備え、
前記凝縮器は前記膨張機を出た冷媒を冷却液との熱交換によって凝縮させる液冷凝縮器であり、
前記インタークーラは冷却液との熱交換によって吸気を冷却する液冷インタークーラであり、
前記液冷凝縮器と、前記液冷インタークーラと、前記冷却液を冷却する第２熱交換器と、前記第２熱交換器を出た冷却液を吐出するポンプとを冷却液が循環する冷却液通路で接続することを特徴とするエンジンの廃熱利用装置。
前記液冷インタークーラと前記液冷凝縮器とを直列に設け、
上流から液冷インタークーラ、液冷凝縮器の順に前記第２熱交換器出口の冷却液を流すことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの廃熱利用装置。
前記膨張機から前記エンジンへの回転力の伝導を断接するクラッチを備え、
前記液冷凝縮器入口の冷媒温度よりも前記液冷インタークーラ入口の吸気温度のほうが高くなったときには前記冷媒ポンプを停止させることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの廃熱利用装置。
前記クラッチが常時接続状態となる固着が生じたときには前記過給機による過給を中止することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの廃熱利用装置。
前記液冷インタークーラと前記液冷凝縮器とを並列に設け、
これらに前記第２熱交換器出口の冷却液を流すことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの廃熱利用装置。
前記膨張機から前記エンジンへの回転力の伝導を断接するクラッチと、
前記液冷凝縮器に流れる冷却液通路を開閉する開閉弁と
を備え、
前記クラッチが常時接続状態となる固着が生じたときには前記開閉弁を閉じることを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載のエンジンの廃熱利用装置。