JP2014238007A - Rankine cycle system - Google Patents
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Abstract
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、暖房機能を向上するために、コンデンサ内の冷媒をホットガス冷媒回路に補給するものが、特許文献1に開示されている。
Conventionally,
しかし、上記の発明では、エンジンの冷却水の温度が低い場合に、エンジンの冷却水を暖める点については考慮されておらず、エンジンの冷却水の温度が低い場合にコンデンサ内の冷媒を用いてエンジンの冷却水を暖めることができない、といった問題点がある。 However, in the above invention, when the temperature of the engine cooling water is low, the point of warming the engine cooling water is not considered, and when the temperature of the engine cooling water is low, the refrigerant in the condenser is used. There is a problem that the engine coolant cannot be heated.
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、エンジンの冷却水を冷凍サイクルの冷媒によって暖めることを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems, and aims to warm engine cooling water with a refrigerant in a refrigeration cycle.
本発明のある態様に係るランキンサイクルシステムは、冷媒を循環させる冷媒ポンプと、エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器と、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と、冷媒を循環させるコンプレッサと、冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、凝縮器及び冷媒を共用する冷凍サイクルとを備えるランキンサイクルシステムである。冷凍サイクルは、エンジンが冷機状態から始動する場合に、コンプレッサを駆動し、蒸発器によって吸熱して冷媒を加熱する。ランキンサイクルは、エンジンが冷機状態から始動する場合に、蒸発器によって吸熱した冷媒によって熱交換器でエンジンの冷却水を暖める。 A Rankine cycle system according to an aspect of the present invention uses a refrigerant pump that circulates a refrigerant, a heat exchanger that recovers engine waste heat into the refrigerant, and waste heat recovered by the refrigerant by expanding the refrigerant. A refrigeration cycle having a Rankine cycle including an expander for conversion, a condenser for condensing the refrigerant expanded by the expander, a compressor for circulating the refrigerant, and an evaporator for evaporating the refrigerant, and sharing the condenser and the refrigerant Is a Rankine cycle system. When the engine starts from a cold state, the refrigeration cycle drives the compressor and absorbs heat by the evaporator to heat the refrigerant. In the Rankine cycle, when the engine starts from a cold state, the coolant of the engine is warmed by the heat exchanger by the refrigerant that has absorbed heat by the evaporator.
この態様によると、エンジンが冷機状態から始動する場合に、冷凍サイクルのコンプレッサを駆動することで、冷凍サイクルの冷媒によってエンジンの冷却水を暖めることができる。 According to this aspect, when the engine is started from a cold state, the cooling water of the engine can be warmed by the refrigerant of the refrigeration cycle by driving the compressor of the refrigeration cycle.
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
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
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。さらに冷却水通路13を流れる冷却水の一部はヒータコア28を通る冷却水通路27に流れる。冷却水通路27には電磁弁である冷却水弁29が設けられている。ヒータコア28を通った冷却水は、ラジエータ11の下流でラジエータ11を通った冷却水と合流する。
First, the engine coolant circuit will be described with reference to FIG. The cooling water of about 80 to 90 ° C. leaving the
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。
Thereafter, the two flows are merged again by a
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
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
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
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
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
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
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
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31へ適当に供給(回収)されるように構成されている。
If the temperature of the cooling water from the bypass cooling
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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、ヒータコア28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
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28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
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。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には、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下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。また、冷却水通路27に冷却水弁29を設けている。
In the
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
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
上記4つの開閉弁61、62、66、69及び逆止弁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
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、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
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
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
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
一方、冷却水弁29は、冷却水系バルブである。乗員の暖房または温調要求に応じて冷却水弁29の開度がエンジンコントローラ71によって制御される。
On the other hand, the cooling
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が排気マニホールド4の鉛直上方に配置されていることである。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、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
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
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
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。排気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。なお、ランキンサイクル31を運転しない(運転停止)とは、ランキンサイクル31を運転している場合の冷媒の流れ方向とは逆方向に冷媒が流れている状態を含む。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
次に本実施形態の作用について説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
低外気温であり、エンジン2の冷却水の温度が低くなっている冷機状態からエンジン2を始動する場合には、エンジン2の始動後にランキンサイクル31を運転せずにコンプレッサ52を駆動させる。コンプレッサ52の駆動により冷媒はエバポレータ55によって吸熱し、さらにエンジン2によってコンプレッサ52を駆動させる際に発生する熱を吸熱し、温度が高くなる。温度が高くなった冷媒は、冷媒ポンプ32が停止しているランキンサイクル31内を、ランキンサイクル31の運転時とは逆方向に流れ、熱交換器36でエンジン2の冷却水を暖める。具体的には、冷媒は、冷媒通路56、冷媒通路43、膨張機バイパス通路65、冷媒通路42を通って熱交換器36に流入する。冷媒の熱は熱交換器36によって冷却水に伝えられ、冷却水の温度が高くなる。冷却水への伝熱により温度が低くなった冷媒は、熱交換器36から排出され、冷媒通路41、冷媒ポンプ32、冷媒通路44、冷媒通路57、エバポレータ55、冷媒通路58を通ってコンプレッサ52に流入する。このようにして冷媒は、冷凍サイクル51、ランキンサイクル31を循環する。なお、膨張機クラッチ35は解放している。
When the
また、冷機状態からエンジン2を始動し、乗員によって暖房または温調要求がある場合には、内気循環モードによって車室内の温度を調整し、エンジン2の冷却水を暖める。内気循環モードとは、車室内の空気を循環させるモードである。コンプレッサ52を駆動すると、エバポレータ55による吸熱により、エバポレータ55の周りの空気温度は低くなるが、ヒータコア28によってエバポレータ55の周りの空気を暖めることで、乗員による暖房または温調要求を満たしつつ、エンジン2の冷却水を暖める。
Further, when the
冷機状態からエンジン2を始動した場合に、冷媒によるエンジン2の冷却水の暖機は、車両発進直後などの減速時にも実行される。車両が減速している場合でも、コンプレッサクラッチ54は締結しており、コンプレッサ52は駆動する。そのため、車両が減速している場合でも、コンプレッサ52によって冷媒をランキンサイクル31に循環させて、熱交換器36によってエンジン2の冷却水を暖める。
When the
本実施形態の効果について説明する。 The effect of this embodiment will be described.
エンジン2を冷機状態から始動させる場合に、ランキンサイクル31を運転せずに冷凍サイクル51のコンプレッサ52を駆動する。これによって、冷凍サイクル51のエバポレータ55による吸熱とコンプレッサ52の仕事によって与えられた熱とにより、熱交換器36でエンジン2の冷却水を冷媒によって暖めることができる。すなわち冷却水は、エバポレータ55によって車室内空気から受け取った熱(気化潜熱)と、コンプレッサ52の駆動により発生した熱との、両者で暖められた冷媒と熱交換を行なうことにより、効果的に昇温する。しかも、ランキンサイクル31と冷凍サイクル51とにおいて、冷媒を共用することで、新たな熱交換器や回路を追加することなくエンジン2の冷却水を冷媒によって暖めることができる。従って、統合システム30によって回収可能な熱によってエンジン2の冷却水を暖めることで、エンジン2の冷却水を暖めるための新たな暖機手段を用いずに、エンジン2の冷却水を素早く暖めることができる。
When starting the
冷媒によってエンジン2の冷却水を暖め、乗員によって暖房または温調要求がある場合に、内気循環モードによって車室内の温度を調整することで、外気を車室内に取り入れる外気導入モード(外から取り入れた空気を加熱するモード)によって温度を調整する場合と比較して換気損失を低減することができる。外気導入モードでは、車室内の空気が車室外へと換気されるため、結露による窓ガラスの曇りが生じにくいものの、ヒータコア28では多くの空気を加熱する必要が生じ、車室内暖房に多くの熱が奪われて冷却水が温まりにくい。これにより、エンジン2の暖機に時間がかかるだけでなく、車室内を暖めることについても時間がかかってしまう可能性がある。これに対して、内気循環モードでは、換気分を暖める必要が無くなるために冷却水を効果的に昇温することができ、しかもエバポレータ55によって車室内空気の湿度が低下させられるので、結露による窓ガラスの曇りが生じにくい。すなわち、外気導入モードと同じエネルギを供給したとしても、冷却水の昇温が一層早まり、エンジン2の暖機と車室内を暖めることの双方が速やかに達成され、しかも、結露による窓ガラスの曇りを抑制することができる。尚、乗員による暖房の要求が無い場合であっても、エバポレータ55によって車室内空気の温度が低下する分、空気をヒータコア28で加熱することによって、車室内空気の温度が下がり過ぎないようにすることもできる。
When the cooling water of the
ハイブリッド車両において回生エネルギを蓄えることができない低温時にも車両の減速エネルギの一部を用いてエンジン2の冷却水を暖めることができ、車両の減速エネルギを利用することができる。
The cooling water of the
次に本発明の第2実施形態について図8を用いて説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図8は第2実施形態のランキンサイクル31のシステム全体を表した概略構成図を示している。ここでは第1実施形態と異なる箇所について説明する。本実施形態は冷凍サイクル分岐点45と凝縮器38との間に電磁弁であるコンデンサ弁47を備える。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing the entire system of the
コンデンサ弁47の開閉は、エンジンコントローラ71によって制御される。ランキンサイクル31の運転時にはコンデンサ弁47は開き、冷機状態からエンジン2を始動する場合にはコンデンサ弁47は閉じている。
The opening and closing of the
本実施形態の効果について説明する。 The effect of this embodiment will be described.
冷機状態からエンジン2を始動する場合には、コンデンサ弁47を閉じることで冷媒が凝縮器38に流れることを防ぎ、冷媒の全流量を熱交換器36に流入させることができ、熱交換器36においてエンジン2の冷却水を効率良く暖めることができる。
When the
次に本発明の第3実施形態について図9を用いて説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図9は第3実施形態のランキンサイクル31のシステム全体を表した概略構成図を示している。ここでは第2実施形態と異なる箇所について説明する。本実施形態はランキンサイクル31に、冷媒ポンプ32をバイパスするバイパス通路39と、バイパス通路39に設けたポンプバイパス弁63とを備える。
FIG. 9: has shown the schematic block diagram showing the whole system of
ポンプバイパス弁63の開閉は、エンジンコントローラ71によって制御され、ランキンサイクル31の運転時にはポンプバイパス弁63は閉じ、冷機状態からエンジン2を始動する場合にポンプバイパス弁63は開いている。
The opening and closing of the
本実施形態の効果について説明する。 The effect of this embodiment will be described.
冷機状態からエンジン2を始動する場合には、ポンプバイパス弁63を開くことで冷媒が冷媒ポンプ32に流れることを抑制し、圧力損失を低減することができる。
When the
なお、ポンプバイパス弁63は、バイパス通路39と冷媒通路41との合流点と、冷媒ポンプ32との間に設けてもよい。この場合には、ランキンサイクル31の運転時にポンプバイパス弁63は開き、冷機状態からエンジン2を始動する場合にポンプバイパス弁63は閉じる。さらには、バイパス通路39およびバイパス通路39と冷媒通路41との合流点と、冷媒ポンプ32との間に弁、ランキンサイクル31の運転時には冷媒ポンプ32にのみ冷媒を流し、冷機状態からエンジン2を始動する場合には、バイパス通路39にのみ冷媒が流れるようにしても良い。これらによって、冷機状態からエンジン2を始動する場合に冷媒ポンプ32に冷媒が流れることを抑制することができ、圧力損失をさらに低減することができる。
The
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.
2 エンジン
28 ヒータコア(温調制御手段)
30 統合サイクル(ランキンサイクルシステム)
32 冷媒ポンプ
36 熱交換器
37 膨張機
38 凝縮器
39 バイパス通路
47 コンデンサ弁(流入防止手段)
51 冷凍サイクル
52 コンプレッサ
63 ポンプバイパス弁(流入手段)
2
30 Integrated cycle (Rankine cycle system)
32
51
Claims (5)
前記冷媒を循環させるコンプレッサと、前記冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、前記凝縮器及び前記冷媒を共用する冷凍サイクルとを備えるランキンサイクルシステムであって、
前記冷凍サイクルは、
前記エンジンが冷機状態から始動する場合に、前記コンプレッサを駆動し、前記蒸発器によって吸熱して前記冷媒を加熱し、
前記ランキンサイクルは、
前記エンジンが前記冷機状態から始動する場合に、前記蒸発器によって吸熱した前記冷媒によって前記熱交換器で前記エンジンの冷却水を暖めることを特徴とするランキンサイクルシステム。 A refrigerant pump that circulates the refrigerant; a heat exchanger that recovers waste heat of the engine to the refrigerant; an expander that converts the waste heat recovered by the refrigerant into power by expanding the refrigerant; and the expander A Rankine cycle comprising a condenser for condensing the refrigerant expanded by
A Rankine cycle system comprising a compressor that circulates the refrigerant and an evaporator that evaporates the refrigerant, and a refrigeration cycle that shares the condenser and the refrigerant,
The refrigeration cycle is
When the engine starts from a cold state, the compressor is driven, the refrigerant absorbs heat to heat the refrigerant,
The Rankine cycle is
When the engine is started from the cold state, the coolant of the engine is warmed by the heat exchanger by the refrigerant that has absorbed heat by the evaporator.
前記エンジンが前記冷機状態から始動する場合に、前記冷媒を前記バイパス通路に流入させる流入手段とを備えることを特徴とする請求項1または2に記載のランキンサイクルシステム。 A bypass passage for bypassing the refrigerant pump;
The Rankine cycle system according to claim 1, further comprising an inflow unit that causes the refrigerant to flow into the bypass passage when the engine starts from the cold state.
前記温調制御手段は、前記エンジンが前記冷機状態から始動し、前記車室の暖機または温調要求がある場合に、内気循環モードで前記空気を暖めることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載のランキンサイクルシステム。 The refrigeration cycle includes a temperature control means for warming the air in the passenger compartment of a vehicle equipped with a Rankine cycle system,
The temperature control means warms the air in an inside air circulation mode when the engine is started from the cold state and there is a warm-up or temperature control request for the passenger compartment. The Rankine cycle system according to any one of the above.
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