JP6038645B2

JP6038645B2 - 車両

Info

Publication number: JP6038645B2
Application number: JP2012285813A
Authority: JP
Inventors: 中村　正明; 正明中村; 卓俊古川; 耕一町田; 清広下川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014126031A

Description

本発明は、エンジンに圧縮空気を供給する過給機とランキンサイクルシステムとを備えた車両に関する。

車両に搭載されるランキンサイクルシステムとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたランキンサイクルシステムは、熱交換器としてＲＡ凝縮器及び蒸発器を備えており、走行風の流れ方向においてＲＡ凝縮器がラジエータの上流側に配置されている。

特開２００８−２９７９６２号公報

通常、ランキンサイクルシステムの作動媒体は、エンジン冷却水よりも沸点が低いため、走行風の流れ方向においてＲＡ凝縮器がラジエータの上流側に配置することで、ラジエータの冷却効果を確保しつつ、小型化を図ることができる。

しかしながら、特許文献１に記載のランキンサイクルシステムでは、蒸発器での効率が十分に検討されていないため、ランキンサイクル効率を向上する観点において改善の余地がある。

そこで、本発明は、ランキンサイクル効率を向上させることができる車両を提供することを目的とする。

本発明者らが鋭意研究を行った結果、過給機が搭載された車両においては、インタークーラーの廃熱を利用することでランキンサイクルシステムを更に効率化できるとの知見を得た。

すなわち、本発明に係るランキンサイクルシステムは、エンジンに圧縮空気を供給する過給機を備えた車両に搭載されるランキンサイクルシステムであって、走行風の流れ方向においてインタークーラーの下流側に蒸発器が配置される。

本発明に係るランキンサイクルシステムによれば、インタークーラーの下流側に蒸発器を配置することで、インタークーラーを通過した高温の走行風を蒸発器に流れ込ませることができる。これにより、高温の走行風と蒸発器を流れる作動媒体との熱交換により、蒸発器における作動媒体の蒸発効率が高まるため、ランキンサイクル効率を向上させることができる。

この場合、蒸発器には、作動媒体を蒸発させる熱源としてエンジン冷却水が流れ込んでおり、蒸発器とエンジン冷却水を冷却するラジエータとが走行風の流れ方向において重ならない位置に配置されているものとすることができる。

エンジン冷却水を蒸発器の熱源とする場合、ラジエータ内を流れるエンジン冷却水と蒸発器の熱源であるエンジン冷却水とは略同じ温度であり、ランキンサイクルで熱を回収し、ラジエータに流れるエンジン冷却水は非常に少ないため、インタークーラーと蒸発器との間にラジエータが配置されていると、インタークーラーの通過により加熱された走行風がラジエータの通過により冷却されるため、蒸発器における作動媒体の蒸発効率が低下する。そこで、蒸発器とラジエータとを走行風の流れ方向において重ならない位置に配置することで、インタークーラーを通過した高温の走行風を、ラジエータで冷却されることなく蒸発器に流れ込ませることができる。これにより、蒸発器における作動媒体の蒸発効率が低下するのを抑制することができる。

また、インタークーラーと蒸発器との間に配置される開閉可能なシャッターと、インタークーラーの出口における圧縮空気の温度が蒸発器の出口における作動媒体の温度よりも低い場合にシャッターを閉じる開閉装置と、を更に備えるものとすることができる。

このように構成すれば、走行風が十分に昇温されていない状態で蒸発器に流れ込むのを防止することができるため、蒸発器における作動媒体の蒸発効率が低下するのを抑制することができる。

本発明によれば、ランキンサイクル効率を向上させることができる。

実施形態に係るランキンサイクルシステムを示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態に係るランキンサイクルシステムは、エンジンに圧縮空気を供給する過給機を備えた車両に搭載されるものである。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係るランキンサイクルシステムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１は、車両２に搭載されるものであり、エンジン冷却水循環回路３を流れるエンジン冷却水を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器１１と、蒸発器１１で蒸発された作動媒体を利用して発電を行う膨張機１２と、車両の冷熱源などにより膨張機１２において発電に利用された作動媒体を冷却して凝縮する凝縮器１３と、凝縮器１３で凝縮された作動媒体を圧縮して蒸発器１１に送り出すポンプ１４と、を備えている。

エンジン冷却水循環回路３は、エンジン４のシリンダーヘッド４１及びシリンダーブロック４２に設けられたウォータージャケット４３にエンジン冷却水を循環させることでエンジン４の燃焼室を冷却するための循環回路であり、第一循環回路３１と、第二循環回路３２と、第三循環回路３３と、を備えている。なお、エンジン冷却水循環回路３におけるエンジン冷却水の循環は、図示しないポンプにより行われる。

第一循環回路３１は、ウォータージャケット４３の上部から排出されたエンジン冷却水をウォータージャケット４３の下部に戻す暖気用循環回路である。

第二循環回路３２は、サーモスタット弁３５を介して第一循環回路３１から分岐されて、蒸発器１１の熱源流路を通って第一循環回路３１に合流するランキンサイクル用循環回路である。

第三循環回路３３は、蒸発器１１を迂回するように、流量調整弁３６を介して第二循環回路３２から分岐されて、ラジエータ５を通って第二循環回路３２に再度合流する冷却用循環回路である。

ラジエータ５は、エンジン冷却水を走行風との熱交換により冷却するものである。そして、凝縮器１３は、走行風の流れ方向においてラジエータ５の上流側に配置されている。また、蒸発器１１は、走行風の流れ方向においてラジエータ５と重ならない位置に配置されている。

サーモスタット弁３５は、エンジン冷却水の水温に応じて開閉する弁である。具体的に説明すると、サーモスタット弁３５は、エンジン冷却水の水温が設定温度未満である場合は、第二循環回路３２への流路を閉じて、エンジン冷却水を第一循環回路３１のみで循環させ、エンジン冷却水の水温が設定温度以上である場合は、第二循環回路３２への流路を開いて、エンジン冷却水を第二循環回路３２にも流すものである。なお、サーモスタット弁３５が開閉される設定温度は、特に限定されるものではないが、例えば、ランキンサイクルシステム１の作動媒体の沸点以上とすることができる。

流量調整弁３６は、第二循環回路３２を流れるエンジン冷却水の流量に応じて開閉する弁である。具体的に説明すると、流量調整弁３６は、第二循環回路３２を流れるエンジン冷却水の流量が設定量未満である場合は、流路を閉じて、エンジン冷却水が第三循環回路３３に流れるのを阻止し、第二循環回路３２を流れるエンジン冷却水の流量が設定量以上である場合は、流路を開いて、エンジン冷却水を第三循環回路３３にも流すものである。

また、車両２には、エンジン４の排気ガスを利用してエンジン４に圧縮空気を供給する過給機（不図示）と、過給機からエンジン４に供給する圧縮空気を冷却して空気密度を高めるインタークーラー６と、が設けられている。そして、蒸発器１１は、走行風の流れ方向において、インタークーラー６の下流側に配置されている。

また、車両２には、インタークーラー６と蒸発器１１との間に配置されて開閉可能なシャッター７と、シャッター７の開閉を行う開閉装置８と、が設けられている。

シャッター７は、インタークーラー６と蒸発器１１との間を開閉するものであれば如何なる構造であってもよい。シャッター７の構造としては、例えば、引き戸のように開閉する機構や、開き戸のように開閉する機構等が挙げられる。

シャッター７開閉装置は、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも低い場合（Ｔ_Ｉ／Ｃ＜Ｔ_Ｅ）にシャッター７を閉じ、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも高い場合（Ｔ_Ｉ／Ｃ＞Ｔ_Ｅ）にシャッター７を開くものである。

インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃとは、インタークーラー６の出口における圧縮空気の温度である。インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃの測定手法は、特に限定されるものではないが、例えば、インタークーラー６の出口に取り付けられた温度センサ（不図示）により測定することができる。

蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅとは、蒸発器１１の出口における作動媒体の温度である。蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅの測定手法は、特に限定されるものではないが、例えば、蒸発器１１の出口に取り付けられた温度センサ（不図示）により測定することができる。

次に、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１０の動作について説明する。

まず、エンジン４を始動すると、エンジン冷却水がエンジン冷却水循環回路３を循環し始める。このとき、エンジン冷却水がサーモスタット弁３５の設定温度に昇温されるまで、サーモスタット弁３５が第二循環回路３２への流路を閉じているため、エンジン冷却水が第一循環回路３１のみを循環する暖気運転が行われる。

エンジン冷却水がサーモスタット弁３５の設定温度に昇温されると、サーモスタット弁３５が第二循環回路３２への流路を開き、エンジン冷却水が第二循環回路３２にも流れる。すると、サーモスタット弁３５の設定温度以上に昇温されたエンジン冷却水が蒸発器１１の熱源流路に流れ込み、蒸発器１１において作動媒体が蒸発する。そこで、ポンプ１４を作動させて、作動媒体をランキンサイクルシステム１内で循環させる。これにより、ランキンサイクルシステム１では、蒸発器１１で作動媒体が蒸発され、膨張機１２で作動媒体により発電が行われ、凝縮器１３で作動媒体が凝縮され、ポンプ１４で作動媒体が蒸発器１１に送り出される。

そして、第二循環回路３２を流れるエンジン冷却水の流量が流量調整弁３６の設定量以上になると、第二循環回路３２が第三循環回路３３への流路を開き、エンジン冷却水が第三循環回路３３にも流れる。これにより、ラジエータ５において、走行風との熱交換によりエンジン冷却水が冷却される。このとき、走行風の流れ方向において凝縮器１３がラジエータ５の上流側に配置されているが、通常、ランキンサイクルシステム１の作動媒体はエンジン冷却水よりも沸点が低いため、ラジエータ５の冷却効果を確保しつつ、小型化を図ることができる。これにより、エンジン冷却水の余剰エネルギーがラジエータ５での熱交換に使われるため、蒸発器１１における熱交換エネルギーが過大となるのを抑制することができる。

一方、エンジン４を始動すると、インタークーラー６内を流れる圧縮空気の温度が徐々に高くなってくる。このとき、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも低い間は、開閉装置８がシャッター７を閉じているため、インタークーラー６を通過した冷たい走行風は蒸発器１１に流れ込まない。

インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも高くなると、開閉装置８がシャッター７を開く。すると、走行風の流れ方向においてインタークーラー６の下流側に蒸発器１１が配置されているため、インタークーラー６内を流れる圧縮空気との熱交換により加熱された走行風が蒸発器１１に流れ込む。また、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも高くなっているため、蒸発器１１に流れ込む走行風の温度は蒸発器１１を流れる作動媒体の温度よりも高くなっている。このため、蒸発器１１を流れる作動媒体が高温の走行風と熱交換することで、蒸発器１１における作動媒体の蒸発効率が高まる。

このように、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１によれば、インタークーラー６の下流側に蒸発器１１を配置することで、インタークーラー６を通過した高温の走行風を蒸発器１１に流れ込ませることができるため、蒸発器１１における作動媒体の蒸発効率が高まる。これにより、ランキンサイクル効率を向上させることができる。

また、蒸発器１１とラジエータ５とを走行風の流れ方向において重ならない位置に配置することで、インタークーラー６を通過した高温の走行風を、ラジエータ５で冷却されることなく蒸発器１１に流れ込ませることができる。これにより、蒸発器１１における作動媒体の蒸発効率が低下するのを抑制することができる。

更に、インタークーラー６の出口温度が蒸発器１１の出口温度よりも高くなるまでシャッター７を閉じておくことで、走行風が十分に昇温されていない状態で蒸発器１１に流れ込むのを防止することができるため、蒸発器１１における作動媒体の蒸発効率が低下するのを抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、走行風の流れ方向において蒸発器１１とラジエータ５とが重ならない位置に配置されるものとして説明したが、ランキンサイクル効率が実用上問題ない範囲で、走行風の流れ方向において蒸発器１１とラジエータ５とが重なる位置に配置するものとしてもよい。

また、上記実施形態では、ラジエータ５とインタークーラー６との位置関係については特に言及しなかったが、ラジエータ５とインタークーラー６とは、走行風の流れ方向において重なっていても重なっていなくてもよい。

また、上記実施形態では、シャッター７及び開閉装置８が設けられるものとして説明したが、シャッター７及び開閉装置８は特に設けられなくてもよい。

また、上記実施形態では、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも高い場合にシャッター７を開くものとして説明したが、少なくともインタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも低い場合にシャッター７を閉じていれば、シャッター７を開くタイミングはこれに限定されない。このため、例えば、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも所定温度以上高くなるまでシャッター７を閉じておき、インタークーラー６の出口温度Ｔ_Ｉ／Ｃが蒸発器１１の出口温度Ｔ_Ｅよりも所定温度以上高くなるとシャッター７を開くものとしてもよい。

１…ランキンサイクルシステム、２…車両、３…エンジン冷却水循環回路、４…エンジン、５…ラジエータ、６…インタークーラー、７…シャッター、８…開閉装置、１０…ランキンサイクルシステム、１１…蒸発器、１２…膨張機、１３…凝縮器、１４…ポンプ、３１…第一循環回路、３２…第二循環回路、３３…第三循環回路、３５…サーモスタット弁、３６…流量調整弁、４１…シリンダーヘッド、４２…シリンダーブロック、４３…ウォータージャケット。

Claims

エンジンに圧縮空気を供給する過給機と、
前記過給機からエンジンに供給する圧縮空気を冷却するインタークーラーと、
作動媒体を蒸発させる蒸発器を備えるランキンサイクルと、
前記インタークーラーと前記蒸発器との間に配置される開閉可能なシャッターと、
前記インタークーラーの出口における圧縮空気の温度が前記蒸発器の出口における作動媒体の温度よりも低い場合に前記シャッターを閉じる開閉装置と、を備え、
前記蒸発器は、走行風の流れ方向においてインタークーラーの下流側に配置される、
車両。
前記蒸発器には、前記作動媒体を蒸発させる熱源としてエンジン冷却水が流れ込んでおり、
前記蒸発器と前記エンジン冷却水を冷却するラジエータとが走行風の流れ方向において重ならない位置に配置されている、
請求項１に記載の車両。