JP6394416B2 - Boiling cooler - Google Patents
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Description
この発明は、沸騰冷却装置に関する。 The present invention relates to a boiling cooling device.
従来、例えば特開2008−248703号公報には、エンジンのウォータージャケットに流す冷却水の沸騰気化熱を利用して当該エンジンの冷却を行うと共に、冷却水が受け取った熱エネルギーを回収する沸騰冷却装置が開示されている。この沸騰冷却装置において、ウォータージャケットは冷却水を循環させる閉回路の一部を構成しており、当該閉回路の途中には、沸騰により気化した冷却水(つまり水蒸気)の熱エネルギーを回収するためのタービンの他、水蒸気を冷却して冷却水に戻すためのコンデンサ、冷却水を一時的に貯留するためのキャッチタンク、キャッチタンクからウォータージャケットに冷却水を送るためのポンプ等が設けられている。 Conventionally, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-248703 discloses a boiling cooling apparatus that cools an engine by using boiling evaporative heat of cooling water flowing in an engine water jacket and collects thermal energy received by the cooling water. Is disclosed. In this boiling cooling device, the water jacket constitutes a part of a closed circuit for circulating the cooling water, and in the middle of the closed circuit, in order to recover the thermal energy of the cooling water (that is, water vapor) vaporized by boiling. In addition to this turbine, a condenser for cooling water vapor and returning it to the cooling water, a catch tank for temporarily storing the cooling water, a pump for sending the cooling water from the catch tank to the water jacket, etc. are provided. .
また、上述した閉回路の途中には、タービンをバイパスしてウォータージャケットの出口側とコンデンサを接続するバイパス通路が設けられており、閉回路がバイパス通路に分岐する箇所には冷却水および水蒸気の流通先を切り替える三方弁が設けられている。冷却水および水蒸気の流通先はエンジンの負荷状態に応じて切り替えられ、具体的には、低負荷〜中負荷運転時にはタービン側とされ、高負荷運転時にはバイパス通路側とされる。 Further, a bypass passage is provided in the middle of the above-described closed circuit to connect the condenser to the outlet side of the water jacket by bypassing the turbine. A three-way valve for switching the distribution destination is provided. The distribution destinations of the cooling water and the steam are switched according to the load state of the engine, specifically, the turbine side during low to medium load operation and the bypass passage side during high load operation.
ところで、上述の様な沸騰冷却装置において、燃費効果を最大化するためには、エンジンの出力軸(以下、「エンジン軸」ともいう。)とタービン軸とを減速機を介して連結することが望ましい。また、エンジン実用域での燃費を最大限向上するためには、タービン効率が最良となるよう減速比を可能な限り大きくとることが望ましい。しかし、エンジン軸とタービン軸を連結している場合、実用域以上のエンジン高回転域においてタービンが超高速回転してしまうことから、このようなエンジン高回転域ではエンジン軸とタービン軸を連結している電磁クラッチやワンウェイクラッチ(OWC)を切り、タービンの耐久信頼性を確保し、騒音振動を抑制する必要がある。 By the way, in the boiling cooling apparatus as described above, in order to maximize the fuel efficiency effect, the engine output shaft (hereinafter also referred to as “engine shaft”) and the turbine shaft may be connected via a reduction gear. desirable. In order to maximize the fuel efficiency in the engine practical range, it is desirable to make the reduction ratio as large as possible so that the turbine efficiency is the best. However, when the engine shaft and the turbine shaft are connected, the turbine rotates at an ultra-high speed in a high engine speed range that is beyond the practical range. Therefore, in such a high engine speed range, the engine shaft and the turbine shaft are connected. It is necessary to disconnect the electromagnetic clutch and the one-way clutch (OWC), to ensure the durability reliability of the turbine, and to suppress the noise vibration.
ここで、タービン切り離し後も上述したエンジン冷却を継続するためには、ウォータージャケットと接するエンジンの燃焼室の壁面温度を大きく下げる必要が出てくる。この理由は、エンジン高回転域ではエンジンの発熱量が多く、ウォータージャケット内における水蒸気の体積割合が相対的に増えることから、水蒸気が邪魔をして冷却水が行き渡り難くなるためである。しかし、上述した沸騰冷却装置の構成では、三方弁の操作により冷却水や水蒸気の流通先を切り替えることしかできず、燃焼室の壁面温度を十分に下げることが難しい。 Here, in order to continue the above-described engine cooling even after the turbine is disconnected, it is necessary to greatly reduce the wall temperature of the combustion chamber of the engine in contact with the water jacket. The reason for this is that in the high engine speed range, the amount of heat generated by the engine is large, and the volume ratio of water vapor in the water jacket relatively increases. However, in the configuration of the boiling cooling device described above, it is only possible to switch the flow destination of cooling water or water vapor by operating the three-way valve, and it is difficult to sufficiently reduce the wall surface temperature of the combustion chamber.
この点、ウォータージャケットの出口側から排出された水蒸気と冷却水とを分離する気液分離器を上述した三方弁の設置箇所に設け、当該気液分離器の気相側に上述したバイパス通路を接続すると共に、当該バイパス通路に流量調整弁を設けてタービン切り離し後に当該流量調整弁の操作によって当該バイパス通路に流す水蒸気量を多くする構成とすれば、タービン切り離し後にウォータージャケット内の水蒸気圧を大きく下げることが可能となる。しかし、ウォータージャケット内の水蒸気圧が下がれば、上述した水蒸気の体積割合が更に増加することになるので、より一層、ウォータージャケット内に冷却水が行き渡り難くなる。故に、ウォータージャケット内がオーバーヒートして燃焼室の壁面温度が過上昇する可能性がある。 In this regard, a gas-liquid separator that separates the water vapor discharged from the outlet side of the water jacket from the cooling water is provided at the above-described three-way valve installation location, and the above-described bypass passage is provided on the gas-phase side of the gas-liquid separator. In addition to providing a flow rate adjusting valve in the bypass passage and disconnecting the turbine to increase the amount of water vapor flowing through the bypass passage by operating the flow rate adjusting valve, the water vapor pressure in the water jacket is increased after the turbine is disconnected. Can be lowered. However, if the water vapor pressure in the water jacket is lowered, the volume ratio of the water vapor described above is further increased, so that it becomes even more difficult for the cooling water to reach the water jacket. Therefore, the inside of the water jacket may overheat and the wall surface temperature of the combustion chamber may increase excessively.
この発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。即ち、熱エネルギーを回収するためのタービンの軸とエンジンの出力軸とが連結される沸騰冷却装置において、両者の連結が解除されるエンジン高回転域において燃焼室の壁面温度の上昇を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. That is, in a boiling cooling device in which a turbine shaft for recovering thermal energy and an output shaft of an engine are connected, an increase in the wall temperature of the combustion chamber is suppressed in a high engine speed range where the connection between the two is released. With the goal.
上述の課題を解決するため、本発明は、沸騰冷却装置であって、
エンジンの内部に形成され冷媒が流れるウォータージャケットと、
前記ウォータージャケットの出口側に接続されて前記ウォータージャケットから排出された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離すると共に、分離した液相冷媒を前記ウォータージャケットの入口側に送る気液分離器と、
前記気液分離器の気相側に接続されると共に前記エンジンの出力軸に切り離し可能に連結され、前記気液分離器で分離した気相冷媒により回転して前記出力軸に気相冷媒の熱エネルギーを伝達するタービンと、
前記タービンの出口側に接続され気相冷媒および液相冷媒を冷却するコンデンサと、
前記コンデンサの出口側に接続されたキャッチタンクと、
前記キャッチタンクと前記気液分離器の液相側とを接続する通路に設けられ、前記キャッチタンク内の液相冷媒を前記気液分離器に送る送液ポンプと、
前記気液分離器の気液界面が所定位置よりも低い場合に前記送液ポンプを駆動するポンプ駆動手段と、
前記タービンをバイパスして前記気液分離器の気相側と前記コンデンサの入口側とを接続するバイパス通路を開閉するバイパス弁と、
前記エンジンの回転速度が所定高回転域にある場合に、前記バイパス通路を開くように前記バイパス弁を操作するバイパス弁制御手段と、
前記バイパス通路を開く間、前記出力軸から前記タービンを切り離す解除手段と、
前記気液分離器の液相側と前記コンデンサの入口側とを接続する液体排出通路を開閉する液体排出弁と、
前記出力軸から前記タービンを切り離している間であって、前記ウォータージャケット内の冷媒温度が前記エンジンの回転速度と負荷により特定される目標温度以上の場合に、前記液体排出通路を開くように前記液体排出弁を操作する液体排出弁制御手段と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is a boiling cooling apparatus,
A water jacket formed inside the engine and through which the coolant flows,
A gas-liquid separator connected to the outlet side of the water jacket and separating the refrigerant discharged from the water jacket into a gas phase refrigerant and a liquid phase refrigerant and sending the separated liquid phase refrigerant to the inlet side of the water jacket When,
Connected to the gas phase side of the gas-liquid separator and releasably connected to the output shaft of the engine, and rotated by the gas-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator, and heat of the gas-phase refrigerant to the output shaft A turbine that transmits energy;
A condenser connected to the outlet side of the turbine for cooling the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant;
A catch tank connected to the outlet side of the capacitor;
A liquid-feeding pump provided in a passage connecting the catch tank and the liquid-phase side of the gas-liquid separator, and sending the liquid-phase refrigerant in the catch tank to the gas-liquid separator;
A pump driving means for driving the liquid feeding pump when the gas-liquid interface of the gas-liquid separator is lower than a predetermined position;
A bypass valve that opens and closes a bypass passage that bypasses the turbine and connects the gas phase side of the gas-liquid separator and the inlet side of the condenser;
Bypass valve control means for operating the bypass valve to open the bypass passage when the rotational speed of the engine is in a predetermined high rotation range;
Release means for disconnecting the turbine from the output shaft while opening the bypass passage;
A liquid discharge valve for opening and closing a liquid discharge passage connecting the liquid phase side of the gas-liquid separator and the inlet side of the capacitor;
While the turbine is disconnected from the output shaft, and when the refrigerant temperature in the water jacket is equal to or higher than the target temperature specified by the rotational speed and load of the engine, the liquid discharge passage is opened. Liquid discharge valve control means for operating the liquid discharge valve;
It is characterized by providing.
本発明によれば、エンジンの回転速度が所定高回転域にある場合、バイパス通路を開くようにバイパス弁を操作し、尚且つ、エンジン軸からタービンを切り離すので、気液分離器の気相冷媒がタービンに供給されるのを回避し、同時に、エンジン軸によってタービンが超高速回転するのを抑制できる。また、タービンを切り離している間であって、ウォータージャケット内の冷媒温度が目標温度以上の場合、液体排出通路を開くように液体排出弁を操作するので、気液分離器の液相冷媒をコンデンサに排出することができる。そのため、コンデンサで冷却した液相冷媒をキャッチタンクに貯留することができると共に、気液分離器の気液界面を低下させることができる。そのため、気液界面が所定位置よりも低くなることで送液ポンプが駆動され、冷却された液相冷媒をキャッチタンクから気液分離器に送り、更に、気液分離器からウォータージャケットの入口側に送ることができる。従って、タービン軸とエンジン軸との連結が解除される所定回転速度以上の場合において、燃焼室の壁面温度の過上昇を抑制することができる。 According to the present invention, when the rotational speed of the engine is within a predetermined high rotational speed range, the bypass valve is operated so as to open the bypass passage, and the turbine is separated from the engine shaft. Can be prevented from being supplied to the turbine, and at the same time, the turbine can be prevented from rotating at an extremely high speed by the engine shaft. Also, when the refrigerant temperature in the water jacket is equal to or higher than the target temperature while the turbine is disconnected, the liquid discharge valve is operated to open the liquid discharge passage. Can be discharged. Therefore, the liquid-phase refrigerant cooled by the condenser can be stored in the catch tank, and the gas-liquid interface of the gas-liquid separator can be lowered. Therefore, the liquid pump is driven when the gas-liquid interface becomes lower than the predetermined position, and the cooled liquid-phase refrigerant is sent from the catch tank to the gas-liquid separator, and further from the gas-liquid separator to the inlet side of the water jacket Can be sent to. Therefore, it is possible to suppress an excessive increase in the wall temperature of the combustion chamber when the rotational speed is equal to or higher than a predetermined rotational speed at which the connection between the turbine shaft and the engine shaft is released.
[装置構成の説明]
図1は、実施の形態の沸騰冷却装置の構成を説明するための図である。図1に示す沸騰冷却装置100は、エンジン10の内部に形成されたウォータージャケット(図示しない)を備えており、このウォータージャケット内を流通する冷媒がエンジン10の熱を受け取って沸騰することにより、エンジン10が冷却される。なお、ウォータージャケット内に流通させる冷媒は、エンジン10の熱を受け取って沸騰する作動媒体であれば特に限定されない。
[Description of device configuration]
Drawing 1 is a figure for explaining the composition of the boiling cooling device of an embodiment. The boiling
ウォータージャケットは、冷媒通路12を介して気液分離器14の上方に接続されている。気液分離器14は、ウォータージャケットの出口側から排出されて気液分離器14に流入した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離するように構成されている。気液分離器14の底面には、冷媒通路16の一端が接続されている。冷媒通路16の他端は、ウォータージャケットの入口側に接続されている。冷媒通路16には、送液ポンプ18が設けられている。送液ポンプ18は、エンジン10のクランク軸を駆動源とする機械式のポンプであるが、電動式の遠心型ポンプを使用することもできる。気液分離器14内の液相冷媒の一部は、冷媒通路16を経由して送液ポンプ18に流入し、送液ポンプ18の駆動によりウォータージャケットの入口側に送られる。
The water jacket is connected above the gas-
また、沸騰冷却装置100は、エンジン10の排気触媒20の下流に排気熱蒸気発生器22を備えている。排気熱蒸気発生器22は気液分離器14と、冷媒通路24,26を介して接続されている。気液分離器14内の液相冷媒が冷媒通路24を経由して排気熱蒸気発生器22に流入すると、その一部が排気熱により気化する。部分気化した液相冷媒は、排気熱蒸気発生器22から冷媒通路26を経由して気液分離器14に流入する。冷媒通路26から気液分離器14に流入した冷媒は、気液分離器14において液相冷媒と気相冷媒とに分離される。
In addition, the boiling
また、沸騰冷却装置100は、過熱器28とタービンノズル30とタービン32とを備えている。過熱器28は、排気触媒20と排気熱蒸気発生器22の間に設けられている。また、過熱器28には冷媒通路34の一端が接続されており、冷媒通路34の他端は気液分離器14の上方に接続されている。気液分離器14内の気相冷媒が冷媒通路34を経由して過熱器28に流入すると、排気熱により過熱蒸気となる。過熱蒸気は冷媒通路36を経由してタービンノズル30に流入し、タービン32に噴きつけられる。過熱蒸気が噴きつけられることで、タービン32が回転する。タービン32のローター軸(タービン軸)38は、減速機やクラッチ(電磁クラッチやOWC)を介してエンジン10の出力軸(何れも図示しない)に連結されており、クラッチの係合によりローター軸38と当該出力軸が連結されている間、タービン32の回転による動力が減速機で減速されて当該出力軸に伝達される。
The boiling
また、沸騰冷却装置100は、コンデンサ40とキャッチタンク42とリザーブタンク44とを備えている。コンデンサ40の入口側は、タービン出口通路46を介してタービン32と接続されており、タービン出口通路46にはタービン出口弁48が設けられている。タービン出口弁48を操作してタービン出口通路46を開くことにより、タービン32を通過した気相冷媒がコンデンサ40に流入し、コンデンサ40において冷却されて液相冷媒に戻る。コンデンサ40の出口側は、冷媒通路50を介してキャッチタンク42に接続されており、コンデンサ40の出口側から排出された液相冷媒は、キャッチタンク42に一時的に貯留される。キャッチタンク42は冷媒通路52を介してリザーブタンク44と接続されており、冷媒通路52には開閉弁54が設けられている。キャッチタンク42の液相冷媒量が不足している場合に開閉弁54を操作して冷媒通路52を開くことで、リザーブタンク44内の液相冷媒がキャッチタンク42に補充される。
The boiling
また、キャッチタンク42は、冷媒通路56を介して気液分離器14の下方に接続されており、冷媒通路56には送液ポンプ58と開閉弁60が設けられている。詳細は後述するが、送液ポンプ58の駆動と開閉弁60の操作は、液面センサ62からの信号に基づいて行われる。液面センサ62は、気液分離器14の液面(つまり気液界面)がその位置よりも低い場合にON信号を発し、液面がその位置以上となった場合にOFF信号を発するように構成されている。開閉弁60を操作して冷媒通路56を開いている間に送液ポンプ58を駆動すると、キャッチタンク42内の液相冷媒が気液分離器14に補充される。
The
上述の通り、液相冷媒はエンジン10、排気熱蒸気発生器22や過熱器28においてエンジン10からの排気熱を受け取り、高温高圧の気相冷媒となる。気相冷媒の熱エネルギーは、タービン32の回転によって機械的動力として回収されるので、エンジン10の燃費を向上させることが可能となる。タービン32通過後の気相冷媒はコンデンサ40において再び液相冷媒に戻され、送液ポンプ58の駆動により気液分離器14に送られ、送液ポンプ18の駆動によりウォータージャケットに送られる。このように、沸騰冷却装置100は、ランキンサイクルシステムとしても機能している。
As described above, the liquid phase refrigerant receives exhaust heat from the
また、沸騰冷却装置100は、過熱器28、タービンノズル30、タービン32やタービン出口弁48をバイパスして気液分離器14とタービン出口通路46を接続するバイパス通路64を備えている。バイパス通路64の一端は気液分離器14の上方に接続されており、バイパス通路64の他端はタービン出口弁48よりも下流側のタービン出口通路46に接続されている。バイパス通路64には、バイパス弁66とバイパスノズル68とが設けられている。バイパス弁66は、電磁弁等からなる圧力逃し弁であり、バイパス弁66を操作してバイパス通路64を開くことにより、高圧側の気液分離器14の気相冷媒がバイパス通路64を経由して低圧側のコンデンサ40に流入し、気液分離器14内の蒸気圧が低下する。コンデンサ40に流入した気相冷媒は、コンデンサ40において冷却されて液相冷媒に戻る。
The boiling
また、沸騰冷却装置100は、気液分離器14内の液相冷媒をコンデンサ40に排出するための液体排出通路70を備えている。液体排出通路70の一端は気液分離器14の下方に接続されており、液体排出通路70の他端はタービン出口弁48よりも下流側のタービン出口通路46に接続されている。液体排出通路70には、液体排出弁72と液体排出ノズル74とが設けられている。但し、液体排出ノズル74を省略することもできる。液体排出弁72は電磁弁等からなり、液体排出弁72を操作して液体排出通路70を開くと、高圧側の気液分離器14の液相冷媒が液体排出通路70を経由して低圧側のコンデンサ40に流入する。コンデンサ40に流入した液相冷媒は、コンデンサ40において冷却される。
In addition, the boiling
ここで、液体排出通路70が気液分離器14に接続する位置は、液面センサ62の設置箇所よりも低い位置で、尚且つ、この設置箇所に液面がある場合において気液分離器14から大量の液相冷媒が排出されたとしても、エンジン10の冷却に支障の出ない量の液相冷媒が残る位置(例えば気液分離器14の底面)とされる。
Here, the position where the
また、液体排出弁72の最大開度は、最大開度とした場合に気液分離器14からコンデンサ40に排出される液相冷媒量が、送液ポンプ58の最大吐出量よりも少なくなる開度に設定される。この理由は、上述の液相冷媒量が最大吐出量よりも多いと、気液分離器14内の液相冷媒が突発的に減少して気液分離器14内やウォータージャケット内の蒸気圧が適正値よりも下がり、ウォータージャケット内がオーバーヒートしてしまう可能性があるためである。なお、液体排出弁72の最大開度の設定の代わりに、液体排出ノズル74の断面積の設定により、液体排出通路70が気液分離器14に接続する位置を常に液面以下にすることもできる。
Further, when the maximum opening degree of the
また、沸騰冷却装置100は、ECU(Electronic Control Unit)80を備えている。ECU80は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとCPUとを備えている。入出力インタフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ECU80が信号を取り込むセンサには、液面センサ62の他、ウォータージャケット内を流れる冷媒温度を検出する温度センサ76が含まれる。ECU80が操作信号を出すアクチュエータには、タービン出口弁48、開閉弁54,60、送液ポンプ58、バイパス弁66、液体排出弁72等が含まれる。メモリには、各種制御プログラム、各種マップ等が記憶されている。CPUは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、ECU80が取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。
Moreover, the boiling
[実施の形態の特徴]
ECU80による制御には、キャッチタンク42内の液相冷媒を気液分離器14に補充する補充制御が含まれる。この補充制御は、液面センサ62からの信号に基づいて行われるものであり、他の制御(例えば後述の排出制御)に優先して割り込み実行される。図2は、補充制御のルーチンを示すフローチャートである。なお、このルーチンはエンジン10の運転中に定期的に繰り返し実行されるものとする。
[Features of the embodiment]
The control by the
図2に示すルーチンにおいて、先ず、ECU80は、液面センサ62が液面低下を検出したか否かを判定する(ステップS10)。上述したように、液面センサ62は、気液分離器14の液面がその位置よりも低い場合にON信号を発するので、ECU80が液面センサ62からON信号を受け取った場合は液面が低下していると判断できる。液面が低下していると判定した場合、ECU80は、開閉弁60を操作して冷媒通路56を開き、送液ポンプ58を駆動する(ステップS12)。一方、液面センサ62からOFF信号が発せられた場合は液面が低下していないと判断できるので、ECU80は、開閉弁60を操作して冷媒通路56を閉じ、送液ポンプ58の駆動を停止する(ステップS14)。
In the routine shown in FIG. 2, first, the
ところで、上述したように、ローター軸38はエンジン10の出力軸に連結されており、クラッチの係合によりローター軸38と当該出力軸が連結されている間、タービン32の回転による動力が減速機で減速されて当該出力軸に伝達される。従って、エンジン10の駆動をアシストして燃費向上を図ることができる。しかし、ローター軸38と当該出力軸を連結していると、実用域以上のエンジン高回転域においてタービン32が超高速回転してしまう。そこで、本実施の形態では、このようなエンジン高回転域ではクラッチを解除すると共に、タービン出口弁48とバイパス弁66を操作して、タービン出口通路46を閉じてバイパス通路64を開く。これにより、タービン32を回転させない間は、気液分離器14内の気相冷媒をバイパス通路64に流してコンデンサ40に送り、気液分離器14内の蒸気圧を適正値に保っている。
By the way, as described above, the
但し、クラッチ解除後、つまり、タービン32切り離し後もエンジン10の冷却を継続するためには、ウォータージャケットと接するエンジン10の燃焼室の壁面温度を大きく下げる必要が出てくる。この理由は、エンジン高回転域ではエンジン10の発熱量が多く、ウォータージャケット内における気相冷媒の体積割合が相対的に増えることから、気相冷媒が邪魔をして冷却水が行き渡り難くなるためである。
However, in order to continue cooling the
ここで、バイパス弁66の開度を増加させれば、気液分離器14内の蒸気圧を大きく下げることができるので、ウォータージャケット内の蒸気圧も大きく下げることができる。しかし、バイパス弁66の操作によってウォータージャケット内の蒸気圧が下がると、次のような問題が生じる。図3は、バイパス弁66の開度を増加させた場合の問題点を説明するための図である。図3に示すように、バイパス弁66の開度を増加させれば、ウォータージャケット内の蒸気圧が低下して気相冷媒の体積割合が更に増加する。そのため、より一層、ウォータージャケット内に液相冷媒が行き渡り難くなり、液相冷媒が届かない部位では蒸発による冷却ができずウォータージャケット内がオーバーヒートして燃焼室の壁面温度が過上昇する可能性がある。
Here, if the opening degree of the
そこで、本実施の形態では、クラッチ解除後におけるウォータージャケット内の液相冷媒の温度が目標温度以上の場合、液体排出弁72を操作して液体排出通路70を開いて気液分離器14の液相冷媒をコンデンサ40に排出する排出制御を実行する。排出制御を実行すれば気液分離器14の液相冷媒をコンデンサ40に排出できる。そのため、コンデンサ40で冷却した液相冷媒をキャッチタンク42に貯留することができ、また、気液分離器14の液面を低下させることができる。そのため、液面センサ62の位置よりも液面が低くなることで、上述した補充制御が実行されることになる。従って、冷却された液相冷媒をキャッチタンク42から気液分離器14に送り、更に送液ポンプ18によって気液分離器14からウォータージャケットの入口側に送ることができる。よって、燃焼室の壁面温度が過上昇するのを未然に防止できる。
Therefore, in the present embodiment, when the temperature of the liquid phase refrigerant in the water jacket after releasing the clutch is equal to or higher than the target temperature, the
[具体的処理]
次に、図4を参照しながら、上述した機能を実現するための具体的な処理について説明する。図4は、本実施の形態において、ECU80により実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図4に示すルーチンは、エンジン10の始動から停止までの間に実行されるものとする。
[Specific processing]
Next, specific processing for realizing the above-described functions will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a control routine executed by
図4に示すルーチンにおいて、先ず、ECU80は、クラッチを解除すると共に、タービン出口弁48、開閉弁54,60、バイパス弁66や液体排出弁72を操作してタービン出口通路46、冷媒通路52,56、バイパス通路64や液体排出通路70を閉じる(ステップS20)、エンジン10の暖機が完了したか否かを判定する(ステップS22)。エンジン10の暖機が完了したか否かは、例えば温度センサ76が検出した冷媒温度が暖機温度(設定値)以上か否かで判定される。ステップS20,S22の処理は、検出温度が暖機温度以上と判定されるまで繰り返される。
In the routine shown in FIG. 4, first, the
ステップS22において、検出温度が暖機温度以上であると判定した場合、ECU80はエンジン10の回転速度が実用域の上限回転速度(設定値)未満であるか否かを判定する(ステップS24)。そして、この回転速度が上限回転速度未満であると判定された場合、ECU80はクラッチを係合し、更に、タービン出口弁48とバイパス弁66を操作してタービン出口通路46を開き、バイパス通路64を閉じる(ステップS26)。これにより、上述したランキンサイクルシステムが稼働する。一方、回転速度が上限回転速度以上であると判定された場合、ECU80はステップS30以降の処理に進む。
If it is determined in step S22 that the detected temperature is equal to or higher than the warm-up temperature, the
ステップS26に続いて、ECU80は、エンジン10の回転速度が上限回転速度以上であるか否かを判定する(ステップS28)。本ステップの処理はステップS24の処理と反対の処理である。そして、回転速度が上限回転速度以上であると判定した場合、ECU80は、タービン出口弁48を操作してタービン出口通路46を閉じると共に、バイパス弁66を操作してバイパス通路64を開き(ステップS30)、クラッチを解除する(ステップS32)。なお、ステップS28の処理は、回転速度が上限回転速度以上と判定されるまで繰り返される。
Subsequent to step S26, the
ステップS32に続いて、ECU80は、ウォータージャケット内の冷媒温度が、エンジン10の回転速度と負荷により定まる目標温度以上であるか否かを判定する(ステップS34)。ウォータージャケット内の冷媒温度が目標温度以上であるか否かは、具体的に、温度センサ76が検出した冷媒温度が目標温度以上であるか否かで判定される。なお、本ステップで用いられる目標温度は、エンジン回転速度とエンジン負荷に基づいて予め定め、マップ形式でECU80のメモリに記憶されているものとする。
Subsequent to step S32, the
ステップS34において冷媒温度が目標温度以上であると判定した場合、ECU80は、液体排出弁72を操作して液体排出通路70を所定期間(例えば1s)開き(ステップS36)、その後、エンジン10の回転速度が上限回転速度以上であるか否かを判定する(ステップS38)。ステップS36において液体排出通路70を開くことは、上述した排水制御を実行することに他ならず、排水制御を実行すれば気液分離器14の液相冷媒をコンデンサ40に送って冷却すると共に、気液分離器14の液面を低下できる。なお、ステップS38の処理は、ステップS28の処理と同一である。
If it is determined in step S34 that the refrigerant temperature is equal to or higher than the target temperature, the
ステップS34において、冷媒温度が目標温度未満であると判定した場合、ECU80は、液体排出弁72を操作して液体排出通路70を所定期間(例えば1s)閉じ(ステップS40)、その後、ステップS38の処理を実行する。ステップS38において、エンジン10の回転速度が上限回転速度以上であると判定した場合、上述した排水制御の継続の可否を判定すべくステップS34の処理に戻る。一方、回転速度が上限回転速度未満であると判定した場合、液体排出弁72を操作して液体排出通路70を閉じ(ステップS42)、ステップS26の処理に戻る。
If it is determined in step S34 that the refrigerant temperature is lower than the target temperature, the
以上、図4に示したルーチンによれば、エンジン10の暖機後、エンジン10の回転速度が上限回転速度未満の場合にエンジン10の出力軸をローター軸38に連結してランキンサイクルシステムを稼働できる。また、エンジン10の回転速度が上限回転速度以上であって、尚且つ、ウォータージャケット内の冷媒温度が目標温度以上である場合には、上述した連結を解除して排水制御を実行できる。従って、クラッチ解除後においても気液分離器14の蒸気圧を適正値に保つことができる。また、気液分離器14の液相冷媒をコンデンサ40に排水してコンデンサ40で冷却すると共に、気液分離器14の液面を低下できる。
As described above, according to the routine shown in FIG. 4, after the
なお、上述した実施の形態においては、送液ポンプ58が本発明の「送液ポンプ」に相当している。
また、ECU80が図2のステップS12の処理を実行することにより本発明の「ポンプ駆動手段」が、図4のステップS30の処理を実行することにより本発明の「バイパス弁制御手段」が、図4のステップS32の処理を実行することにより本発明の「解除手段」が、図4のステップS36の処理を実行することにより本発明の「液体排出弁制御手段」が、それぞれ実現されている。
In the embodiment described above, the
Further, when the
10 エンジン
12,16,24,26,34,36,50,52,56 冷媒通路
14 気液分離器
32 タービン
40 コンデンサ
42 キャッチタンク
54,60 開閉弁
58 送液ポンプ
62 液面センサ
64 バイパス通路
66 バイパス弁
70 液体排出通路
72 液体排出弁
80 ECU
100 沸騰冷却装置
10
100 Boiling cooler
Claims (1)
前記ウォータージャケットの出口側に接続されて前記ウォータージャケットから排出された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離すると共に、分離した液相冷媒を前記ウォータージャケットの入口側に送る気液分離器と、
前記気液分離器の気相側に接続されると共に前記エンジンの出力軸に切り離し可能に連結され、前記気液分離器で分離した気相冷媒により回転して前記出力軸に気相冷媒の熱エネルギーを伝達するタービンと、
前記タービンの出口側に接続され気相冷媒および液相冷媒を冷却するコンデンサと、
前記コンデンサの出口側に接続されたキャッチタンクと、
前記キャッチタンクと前記気液分離器の液相側とを接続する通路に設けられ、前記キャッチタンク内の液相冷媒を前記気液分離器に送る送液ポンプと、
前記気液分離器の気液界面が所定位置よりも低い場合に前記送液ポンプを駆動するポンプ駆動手段と、
前記タービンをバイパスして前記気液分離器の気相側と前記コンデンサの入口側とを接続するバイパス通路を開閉するバイパス弁と、
前記エンジンの回転速度が所定高回転域にある場合に、前記バイパス通路を開くように前記バイパス弁を操作するバイパス弁制御手段と、
前記バイパス通路を開く間、前記出力軸から前記タービンを切り離す解除手段と、
前記気液分離器の液相側と前記コンデンサの入口側とを接続する液体排出通路を開閉する液体排出弁と、
前記出力軸から前記タービンを切り離している間であって、前記ウォータージャケット内の冷媒温度が前記エンジンの回転速度と負荷により特定される目標温度以上の場合に、前記液体排出通路を開くように前記液体排出弁を操作する液体排出弁制御手段と、
を備えることを特徴とする。 A water jacket formed inside the engine and through which the coolant flows,
A gas-liquid separator connected to the outlet side of the water jacket and separating the refrigerant discharged from the water jacket into a gas phase refrigerant and a liquid phase refrigerant and sending the separated liquid phase refrigerant to the inlet side of the water jacket When,
Connected to the gas phase side of the gas-liquid separator and releasably connected to the output shaft of the engine, and rotated by the gas-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator, and heat of the gas-phase refrigerant to the output shaft A turbine that transmits energy;
A condenser connected to the outlet side of the turbine for cooling the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant;
A catch tank connected to the outlet side of the capacitor;
A liquid-feeding pump provided in a passage connecting the catch tank and the liquid-phase side of the gas-liquid separator, and sending the liquid-phase refrigerant in the catch tank to the gas-liquid separator;
A pump driving means for driving the liquid feeding pump when the gas-liquid interface of the gas-liquid separator is lower than a predetermined position;
A bypass valve that opens and closes a bypass passage that bypasses the turbine and connects the gas phase side of the gas-liquid separator and the inlet side of the condenser;
Bypass valve control means for operating the bypass valve to open the bypass passage when the rotational speed of the engine is in a predetermined high rotation range;
Release means for disconnecting the turbine from the output shaft while opening the bypass passage;
A liquid discharge valve for opening and closing a liquid discharge passage connecting the liquid phase side of the gas-liquid separator and the inlet side of the capacitor;
While the turbine is disconnected from the output shaft, and when the refrigerant temperature in the water jacket is equal to or higher than the target temperature specified by the rotational speed and load of the engine, the liquid discharge passage is opened. Liquid discharge valve control means for operating the liquid discharge valve;
It is characterized by providing.
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