JP6549955B2

JP6549955B2 - 廃熱利用装置

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Publication number: JP6549955B2
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Inventors: 秀之種岡
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Publication date: 2019-07-24
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Description

本発明は、廃熱利用装置に関する。

従来、車両において生じる廃熱を用いて機械エネルギを生成するランキンサイクルが知られている。具体的には、車両のエンジンの廃熱を回収する冷却水と熱交換を行う作動媒体を用いて、機械エネルギを生成するランキンサイクルに関する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、確実な廃熱回収を可能とする廃熱利用装置を提供するために、エンジンの廃熱を伴う冷却水によって、サイクル内の冷媒を加熱すると共に、加熱された冷媒を膨張器で膨張させて機械的エネルギを回収し、膨張後の冷媒を凝縮器で凝縮液化するランキンサイクルを有する廃熱利用装置において、エンジン冷却水の温度が所定温度以上で、かつ、エンジン冷却水が流動状態にある場合に、ランキンサイクルを作動させる技術が開示されている。

特開２００７−３０９３１２号公報

ところで、エンジンの冷却水を循環させる冷却水ポンプとして、エンジンによって駆動される機械式のポンプが用いられ得る。このような冷却水ポンプを用いた車両に適用される廃熱利用装置では、エンジンが停止した時に、ランキンサイクルを停止させる制御が行われる場合がある。例えば、特許文献１の技術では、エンジンが停止した場合に、エンジン冷却水が流動状態ではないとして、ランキンサイクルを停止させる制御が行われる。

ここで、エンジンが停止した後においても、エンジンの冷却水は廃熱を有しているため、ランキンサイクルを作動させることによって廃熱を回収することができれば、より多くの機械的エネルギを生成することができる。但し、停車中にエンジンが停止している場合、ランキンサイクルの作動に伴って駆動部や作動媒体から生じる音は騒音として感じられやすい。一方、ハイブリッド車両のモータ駆動による走行時などのように、走行中にエンジンが停止している場合、ランキンサイクルの作動に伴って生じる音は騒音として感じられにくい。ゆえに、走行中であれば、エンジンが停止した後であっても、ランキンサイクルを継続して作動させることによって、騒音の発生を回避しつつ廃熱の回収量を増大させ得る。

エンジンが停止した時には、機械式の冷却水ポンプは停止するので、エンジンの冷却水の流動は停止する。ゆえに、エンジンが停止した後にランキンサイクルを継続して作動させると、冷却水が循環する流路内のランキンサイクルの作動媒体との熱交換が行われる部分において冷却水が有する廃熱が回収される。それにより、当該部分での冷却水の局所的な温度低下が生じ得る。冷却水の温度は、センサによって検出され、エンジンの各種制御において用いられる。センサによって検出された冷却水の温度を用いるエンジンの制御は、冷却水の流路全体における温度分布が略均一であることを前提として行われるため、冷却水の局所的な温度低下が生じることによって冷却水の流路全体における温度分布のばらつきが増大すると、適切なエンジンの制御がなされなくなる場合がある。

具体的には、エンジンが再始動し、冷却水が流動を開始した場合、センサにより検出される冷却水の温度は、冷却水の流路全体における温度分布に応じて変動する。ゆえに、冷却水の流路全体における温度分布のばらつきが増大した状態でエンジンが再始動した場合には、冷却水の流路全体における温度分布が略均一である場合と比較して、センサにより検出される冷却水の温度の変動が大きくなるので、適切なエンジンの制御がなされなくなる場合がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、エンジンの冷却水の局所的な温度低下を抑制しつつ、廃熱の回収量を増大させることが可能な廃熱利用装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、車両のエンジンの廃熱を回収する冷却水と熱交換を行う作動媒体を用いて、機械エネルギを生成するランキンサイクルと、前記車両の走行中に前記エンジンが停止した場合に、前記作動媒体を循環させるランキンサイクルポンプを、前記エンジンが停止した時点における前記ランキンサイクルポンプの回転数と比較して、低い回転数で駆動させるポンプ制御部と、を備える廃熱利用装置が提供される。

前記ランキンサイクルは、前記作動媒体と前記冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器を備え、前記ポンプ制御部は、前記車両の走行中に前記エンジンが停止した場合に、前記熱交換器の近傍における前記冷却水の温度が低いほど、前記ランキンサイクルポンプの回転数を低い値に設定してもよい。

前記ランキンサイクルは、前記作動媒体と前記冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器を備え、前記ポンプ制御部は、前記車両の走行中に前記エンジンが停止した場合に、前記熱交換器の近傍における前記冷却水の温度と前記エンジンの近傍における前記冷却水の温度との差が大きいほど、前記ランキンサイクルポンプの回転数を低い値に設定してもよい。

前記ポンプ制御部は、前記エンジンが停止したと判定された場合に、前記車両が走行していないときには、前記ランキンサイクルポンプを停止させてもよい。

前記ランキンサイクルは、前記作動媒体が循環する流路に設けられ前記作動媒体を膨張させて機械エネルギを生成する膨張器、前記流路の前記膨張器より上流側と下流側とを連通するバイパス流路及び前記バイパス流路を開閉可能なバイパス弁を含み、前記エンジンが停止したと判定された場合に、車両が走行していないときには、前記バイパス弁を開放するバイパス弁制御部を備えてもよい。

以上説明したように本発明によれば、エンジンの冷却水の局所的な温度低下を抑制しつつ、廃熱の回収量を増大させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る廃熱利用システムの概略構成の一例を示す模式図である。同実施形態に係る制御装置の機能構成の一例を示す説明図である。エンジンの冷却水の温度の差とランキンサイクルポンプの回転数の設定値との関係を表すマップの一例を示す説明図である。走行中の車両のエンジンが停止した場合におけるランキンサイクルポンプの回転数の制御の一例について説明するための説明図である。走行中の車両がエンジンの停止とともに停車した場合におけるランキンサイクルポンプの回転数の制御の一例について説明するための説明図である。エンジンが運転している状態で走行中の車両が停車した場合におけるランキンサイクルポンプの回転数の制御の一例について説明するための説明図である。同実施形態に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。応用例に係る廃熱利用システムの概略構成の一例を示す模式図である。応用例に係る制御装置の機能構成の一例を示す説明図である。走行中の車両がエンジンの停止とともに停車した場合におけるバイパス弁の開閉の制御の一例について説明するための説明図である。応用例に係る制御装置が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．廃熱利用システムの構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る廃熱利用システム１０の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る廃熱利用システム１０の概略構成の一例を示す模式図である。図１に示したように、廃熱利用システム１０は、エンジン１０２と、冷却水流路１０４と、冷却水ポンプ１０６と、廃熱利用装置１０８と、発電機１１０と、高電圧バッテリ１１２と、第１の水温センサ１１４と、第２の水温センサ１１６と、を備える。以下では、一例として、本実施形態に係る廃熱利用システム１０をハイブリッド車両に適用した場合について説明する。

エンジン１０２は、車両の走行状態に応じて運転又は停止する。例えば、エンジン１０２は車両の走行中において要求トルクに応じて運転又は停止し、エンジン１０２が停止している時には高電圧バッテリ１１２に蓄電された電力を用いたモータ駆動による走行が行われる。エンジン１０２が運転している時には、エンジン１０２の気筒において燃料の燃焼が生じているので、燃焼に伴ってクランクシャフトが回転している。燃焼によって生成された駆動力は、クランクシャフトを介して車輪に伝達される。一方、エンジン１０２が停止している時には、エンジン１０２の気筒において燃料の燃焼が生じていないので、クランクシャフトは回転していない。

冷却水流路１０４は、エンジン１０２を冷却するためにエンジン１０２のシリンダブロックやシリンダヘッドに設けられ、冷却水が循環する流路である。エンジン１０２の廃熱は、冷却水流路１０４内を循環する冷却水によって回収される。冷却水流路１０４は、エンジン１０２の外部においてランキンサイクル２００の熱交換器２０６と接続され、熱交換器２０６においてランキンサイクル２００の作動媒体と熱交換を行う。

冷却水ポンプ１０６は、冷却水流路１０４内で冷却水を循環させるポンプである。また、冷却水ポンプ１０６は、エンジン１０２によって駆動される機械式のポンプである。具体的には、冷却水ポンプ１０６は、エンジン１０２のクランクシャフトとギア又はチェーンを介して接続されており、エンジン１０２により生成される駆動力によって駆動される。ゆえに、エンジン１０２が運転している時には、エンジン１０２の気筒における燃焼に伴ってクランクシャフトが回転しているので、冷却水ポンプ１０６は駆動されている。よって、冷却水は冷却水流路１０４内を循環する。一方、エンジン１０２が停止している時には、クランクシャフトは回転していないので、冷却水ポンプ１０６は停止している。ゆえに、エンジン１０２の状態が運転している状態から停止している状態へ切り替わった場合に、冷却水ポンプ１０６は停止するので、冷却水の流動は停止する。

廃熱利用装置１０８は、車両のエンジン１０２の廃熱を回収し、当該廃熱を機械エネルギとして再利用するための装置である。図１に示したように、廃熱利用装置１０８は、ランキンサイクル２００と、制御装置４００と、を含む。

ランキンサイクル２００は、車両のエンジン１０２の廃熱を回収する冷却水と熱交換を行う作動媒体を用いて、機械エネルギを生成する。図１に示したように、ランキンサイクル２００は、作動媒体流路２０２と、ランキンサイクルポンプ２０４と、熱交換器２０６と、膨張器２０８と、凝縮器２１０と、タンク２１２と、を含む。

作動媒体流路２０２は、ランキンサイクル２００の作動媒体が循環する流路である。作動媒体として、例えば、水、フロン又はアルコールが適用され得る。

ランキンサイクルポンプ２０４は、タンク２１２に貯留された作動媒体を吸い上げ、作動媒体流路２０２内で作動媒体を循環させるポンプである。ランキンサイクルポンプ２０４の駆動は、制御装置４００によって制御される。具体的には、制御装置４００によって、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数が制御される。ランキンサイクルポンプ２０４は、例えば、電動モータによって駆動され、制御装置４００からの動作指示に基づいて当該電動モータがランキンサイクルポンプ２０４を駆動するように構成される。

熱交換器２０６には、作動媒体流路２０２及び冷却水流路１０４が接続される。熱交換器２０６において、作動媒体と冷却水との間で熱交換が行われる。それにより、作動媒体は、エンジン１０２の廃熱を有する冷却水によって加熱され、気化する。

膨張器２０８は、熱交換器２０６で気化した作動媒体を膨張させて機械エネルギを生成する。具体的には、膨張器２０８において、作動媒体は膨張室へ吸入され、膨張室で作動媒体が膨張し、羽根車が作動媒体の流れを受けることにより、当該羽根車と接続された回転体の回転運動のエネルギが生成される。膨張器２０８は発電機１１０と接続されており、膨張器２０８で生成された機械エネルギは発電機１１０へ伝達される。

凝縮器２１０は、膨張器２０８を通過した気相の作動媒体を、ファンによる送風等によって、冷却して凝縮する。凝縮器２１０によって凝縮された作動媒体は、タンク２１２へ貯留される。

制御装置４００は、演算処理装置であるＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶するＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等で構成される。

制御装置４００は、廃熱利用システム１０を構成する各装置の動作を制御する。具体的には、制御装置４００は、制御対象である各アクチュエータに対して電気信号を用いて動作指示を行う。より具体的には、制御装置４００は、ランキンサイクルポンプ２０４の駆動を制御する。また、制御装置４００は、各センサから出力された情報を受信する。制御装置４００は、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて各センサと通信を行ってもよい。なお、本実施形態に係る制御装置４００が有する機能は複数の制御装置により分割されてもよく、その場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。なお、制御装置４００の詳細については、後述する。

発電機１１０は、膨張器２０８で生成された機械エネルギによって駆動され、発電を行う。具体的には、発電機１１０は膨張器２０８の回転体と接続され、回転体の回転運動のエネルギが発電機１１０へ伝達されることによって、発電が行われる。発電機１１０は高電圧バッテリ１１２と電気的に接続されており、発電機１１０で発電された電力は高電圧バッテリ１１２へ蓄電される。

高電圧バッテリ１１２は、高電圧（例えば、２００Ｖ）の電力供給源である。具体的には、高電圧バッテリ１１２は、車両の駆動力を出力する駆動用モータへ電力を供給する他、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリへ電力を供給する。

第１の水温センサ１１４は、熱交換器２０６の近傍に設けられ、熱交換器２０６の近傍における冷却水の温度を検出し、検出結果を出力する。具体的には、第１の水温センサ１１４は、冷却水流路１０４の熱交換器２０６より下流側に設けられる。

第２の水温センサ１１６は、エンジン１０２の近傍に設けられ、エンジン１０２の近傍における冷却水の温度を検出し、検出結果を出力する。具体的には、第２の水温センサ１１６は、冷却水流路１０４のエンジン１０２より下流側に設けられる。第２の水温センサ１１６によって検出された冷却水の温度は、エンジン１０２の各種制御において用いられる。

＜２．制御装置の構成＞
続いて、図２〜図６を参照して、本実施形態に係る制御装置４００の機能構成について説明する。図２は、本実施形態に係る制御装置４００の機能構成の一例を示す説明図である。図２に示したように、制御装置４００は、エンジン状態判定部４０２と、走行状態判定部４０４と、ランキンサイクルポンプ制御部４０６と、を含む。

[エンジン状態判定部]
エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２の運転状態の切り替えが行われたか否かを判定し、判定結果をランキンサイクルポンプ制御部４０６へ出力する。エンジン状態判定部４０２は、例えば、エンジン回転数や燃料噴射量を示す情報に基づいて、エンジン１０２が運転しているか否かを判定する。なお、制御装置４００と通信バスを介して接続された他の制御装置によって、エンジン１０２が運転しているか否かが判定されてもよい。

また、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２の運転状態の切り替えが行われたか否かを判定する。具体的には、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２が停止したか否かを判定する。例えば、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２の状態が運転している状態から停止している状態へ切り替わった場合に、エンジン１０２が停止したと判定する。また、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２が再始動したか否かを判定する。例えば、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２が停止した後、エンジン１０２の状態が停止している状態から運転している状態へ切り替わった場合に、エンジン１０２が再始動したと判定する。なお、制御装置４００と通信バスを介して接続された他の制御装置によって、エンジン１０２の運転状態の切り替えが行われたか否かが判定されてもよい。

[走行状態判定部]
走行状態判定部４０４は、車両が走行しているか否かを判定し、判定結果をランキンサイクルポンプ制御部４０６へ出力する。例えば、走行状態判定部４０４は、車速を示す情報に基づいて、車両が走行しているか否かを判定する。なお、制御装置４００と通信バスを介して接続された他の制御装置によって、車両が走行しているか否かが判定されてもよい。

[ランキンサイクルポンプ制御部]
ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、本発明に係るポンプ制御部の一例である。ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４の駆動を制御する。具体的には、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を制御する。

ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、エンジン１０２の運転状態の切り替えが行われたか否かの判定結果及び車両が走行しているか否かの判定結果に基づいて、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を制御する。具体的には、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、ランキンサイクルポンプ２０４を、エンジン１０２が停止した時点におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数と比較して、低い回転数で駆動させる。

エンジン１０２が停止した後において、エンジン１０２の冷却水は廃熱を有しているので、車両の走行中にエンジン１０２が停止した後にランキンサイクルポンプ２０４を駆動させて、ランキンサイクル２００を作動させることによって、廃熱の回収量を増大させることができる。

エンジン１０２が停止した時には、冷却水ポンプ１０６が停止するので、冷却水の流動は停止する。ゆえに、エンジン１０２が停止した後においてランキンサイクル２００を継続して作動させると、冷却水の流動が停止した冷却水流路１０４内の熱交換器２０６の近傍において冷却水が有する廃熱が回収される。ここで、本実施形態によれば、エンジン１０２が停止した後においてランキンサイクル２００を継続して作動させる場合、ランキンサイクルポンプ２０４は、エンジン１０２が停止した時点におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数と比較して、低い回転数で駆動される。ゆえに、エンジン１０２が停止した後における作動媒体流路２０２内での作動媒体の流速は、エンジン１０２が停止した時点と比較して、低くなる。それにより、冷却水から回収される廃熱の単位時間あたりの熱量が低減される。よって、エンジン１０２が停止した後において、作動媒体と冷却水との間の熱交換による熱交換器２０６の近傍での冷却水の局所的な温度低下を抑制することができる。

なお、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、エンジン１０２が運転している状態において、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を、例えば、燃料噴射量やエンジン回転数等の車両の状態量に基づいて設定する。また、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、エンジン１０２が再始動したと判定された場合に、エンジン１０２が運転している状態におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御を再開する。

ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、冷却水の温度に基づいてランキンサイクルポンプ２０４の回転数を設定してもよい。具体的には、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、熱交換器２０６の近傍の冷却水の温度が低いほど、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定する。例えば、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、第１の水温センサ１１４により検出される冷却水の温度が低いほど、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定する。

熱交換器２０６の近傍の冷却水の温度が低いほど、冷却水から作動媒体流路２０２内の作動媒体へ伝達される単位時間あたりの熱量は少ないので、作動媒体の温度は上昇しにくい。このような場合であっても、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定し、作動媒体流路２０２内での作動媒体の流速を低下させることによって、冷却水との熱交換後の作動媒体の温度を所定の温度以上に維持することができる。よって、作動媒体の温度の低下に伴うランキンサイクル２００による機械エネルギの生成の効率低下を抑制することができる。

ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、熱交換器２０６の近傍における冷却水の温度とエンジン１０２の近傍における冷却水の温度との差に基づいて、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を設定してもよい。具体的には、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、熱交換器２０６の近傍における冷却水の温度とエンジン１０２の近傍における冷却水の温度との差が大きいほど、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定する。

例えば、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、第１の水温センサ１１４及び第２の水温センサ１１６によってそれぞれ検出される冷却水の温度の差が大きいほど、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定する。ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、例えば、図３に示したマップ５０を用いて、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を設定する。マップ５０は、第１の水温センサ１１４及び第２の水温センサ１１６によってそれぞれ検出される冷却水の温度の差ｄＴとランキンサイクルポンプ２０４の回転数の設定値Ｎとの関係性を表す。マップ５０において、回転数Ｎの設定値は、図３に示したように、冷却水の温度の差ｄＴが大きいほど、低い値に設定される。

マップ５０における冷却水の温度の差ｄＴは、例えば、第２の水温センサ１１６によって検出される冷却水の温度から第１の水温センサ１１４によって検出される冷却水の温度を減算して得られる。なお、冷却水の温度の差ｄＴは、第１の水温センサ１１４によって検出される冷却水の温度から第２の水温センサ１１６によって検出される冷却水の温度を減算して得られる値の絶対値を求めることによって特定されてもよい。

冷却水の温度の差ｄＴが大きいほど、熱交換器２０６の近傍の冷却水の温度が低いので、作動媒体の温度は上昇しにくい。このような場合であっても、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定することによって、冷却水との熱交換後の作動媒体の温度を所定の温度以上に維持することができる。よって、作動媒体の温度の低下に伴うランキンサイクル２００による機械エネルギの生成の効率低下を抑制することができる。さらに、冷却水の温度の差ｄＴが大きいほど、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を低い値に設定することによって、作動媒体と冷却水との間の熱交換による熱交換器２０６の近傍での冷却水の局所的な温度低下を抑制する効果を高めることができる。それにより、エンジンの制御に影響を与える程度に冷却水の温度の差ｄＴが増大することを抑制することができる。

図４は、走行中の車両のエンジン１０２が停止した場合におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御の一例について説明するための説明図である。図４において、各時刻における車両の走行状態、エンジン１０２の運転状態及びランキンサイクルポンプ２０４の回転数が示されている。

図４に示した例では、走行中の車両のエンジン１０２は時刻Ｔ１１に停止し、時刻Ｔ１３に再始動している。時刻Ｔ１１において、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が停止したと判定される。また、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１３の間において、走行状態判定部４０４により車両が走行していると判定される。ゆえに、時刻Ｔ１１〜時刻Ｔ１３の間において、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４を、エンジン１０２が停止した時刻Ｔ１１におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数と比較して、低い回転数で駆動させる。

例えば、図４に示したように、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、時刻Ｔ１１を経過した後、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を一定の減少速度で減少させる。そして、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数が、図３に示したマップ５０を用いて設定される設定値Ｎに到達する時刻Ｔ１２を経過した後、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を設定値Ｎに維持する。

時刻Ｔ１３において、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が再始動したと判定される。ゆえに、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、時刻Ｔ１３を経過した後、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を一定の増加速度で増加させた後、エンジン１０２が運転している状態におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御を再開する。

図５は、走行中の車両がエンジン１０２の停止とともに停車した場合におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御の一例について説明するための説明図である。図５において、各時刻における車両の走行状態、エンジン１０２の運転状態及びランキンサイクルポンプ２０４の回転数が示されている。

ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、エンジン１０２が停止したと判定された場合に、車両が走行していないときには、ランキンサイクルポンプ２０４を停止させる。停車中にエンジン１０２が停止している場合には、ランキンサイクル２００の作動に伴って駆動部や作動媒体から生じる音は騒音として感じられやすい。ゆえに、エンジン１０２が停止した後であっても車両が走行していない場合には、ランキンサイクルポンプ２０４を停止させ、ランキンサイクル２００を停止させることによって、騒音の発生を回避することができる。

図５に示した例では、走行中の車両が、時刻Ｔ２１にエンジン１０２の停止とともに停車し、時刻Ｔ２２にエンジン１０２の再始動とともに走行を再開している。時刻Ｔ２１において、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が停止したと判定される。また、時刻Ｔ２１〜時刻Ｔ２２の間において、走行状態判定部４０４により車両が走行していないと判定される。ゆえに、時刻Ｔ２１〜時刻Ｔ２２の間において、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４を停止させる。

そして、時刻Ｔ２２において、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が再始動したと判定される。ゆえに、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、時刻Ｔ２２を経過した後、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を一定の増加速度で増加させた後、エンジン１０２が運転している状態におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御を再開する。

図６は、エンジン１０２が運転している状態で走行中の車両が停車した場合におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御の一例について説明するための説明図である。図６において、各時刻における車両の走行状態、エンジン１０２の運転状態及びランキンサイクルポンプ２０４の回転数が示されている。

図６に示した例では、走行中の車両が、時刻Ｔ３１にエンジン１０２が運転している状態で停車し、時刻Ｔ３２に走行を再開している。時刻Ｔ３１から時刻Ｔ３２の間において、エンジン１０２は運転を継続しているので、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が停止していないと判定される。ゆえに、時刻Ｔ３１から時刻Ｔ３２の間において、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を、時刻Ｔ３１より以前の時刻及び時刻Ｔ３２以後の時刻における場合と同様に制御する。時刻Ｔ３１から時刻Ｔ３２の間において、車両は停車しているが、エンジン１０２は継続して運転しているので、冷却水ポンプ１０６は継続して駆動している。ゆえに、冷却水の流動は停止しないので、エンジン１０２が停止している場合と比較して、ランキンサイクル２００の作動による冷却水の局所的な温度低下は生じにくい。

＜３．動作＞
続いて、図７を参照して、本実施形態に係る制御装置４００が行う処理の流れについて説明する。図７に示した処理は、車両の制御システムが起動した後において、常時行われる。

図７は、本実施形態に係る制御装置４００が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図７に示したように、まず、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２が停止したか否かを判定する（ステップＳ５０２）。エンジン状態判定部４０２によってエンジン１０２が停止していないと判定された場合（ステップＳ５０２／ＮＯ）、ステップＳ５０２の判定処理が繰り返される。一方、エンジン状態判定部４０２によってエンジン１０２が停止したと判定された場合（ステップＳ５０２／ＹＥＳ）、走行状態判定部４０４は、車両が走行しているか否かを判定する（ステップＳ５０４）。

走行状態判定部４０４によって車両が走行していると判定された場合（ステップＳ５０４／ＹＥＳ）、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４を、エンジン１０２が停止した時点におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数と比較して、低い回転数で駆動させる（ステップＳ５０６）。それにより、エンジン１０２の冷却水が有する廃熱を回収しつつ、作動媒体と冷却水との間の熱交換による冷却水の局所的な温度低下を抑制することができる。一方、走行状態判定部４０４によって車両が走行していないと判定された場合（ステップＳ５０４／ＮＯ）、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４を停止させる（ステップＳ５０８）。それにより、ランキンサイクル２００の作動による騒音の発生を回避することができる。

ステップＳ５０６又はステップＳ５０８の処理の後、エンジン状態判定部４０２は、エンジン１０２が再始動したか否かを判定する（ステップＳ５１０）。エンジン状態判定部４０２によってエンジン１０２が再始動していないと判定された場合（ステップＳ５１０／ＮＯ）、ステップＳ５０４の判定処理へ戻る。一方、エンジン状態判定部４０２によってエンジン１０２が再始動したと判定された場合（ステップＳ５１０／ＹＥＳ）、図７に示した処理は終了し、ランキンサイクルポンプ制御部４０６によりエンジン１０２が運転している状態におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御が再開される。

以上説明したように、本実施形態に係る制御装置４００によれば、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、ランキンサイクルポンプ２０４は、エンジン１０２が停止した時点におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数と比較して、低い回転数で駆動する。それにより、エンジン１０２の冷却水の局所的な温度低下を抑制しつつ、廃熱の回収量を増大させることが可能となる。

＜４．応用例＞
続いて、ランキンサイクルの停止に伴う作動媒体の熱分解を防止するために、作動媒体流路の膨張器より上流側と下流側とを連通するバイパス流路及びバイパス流路を開閉可能なバイパス弁を備える応用例について、図８〜図１１を参照して、説明する。

（４−１．廃熱利用システムの構成）
まず、図８を参照して、応用例に係る廃熱利用システム２０の概略構成について説明する。図８は、応用例に係る廃熱利用システム２０の概略構成の一例を示す模式図である。図８に示したように、応用例に係る廃熱利用システム２０では、図１に示した廃熱利用システム１０と比較して、廃熱利用装置１５８のランキンサイクル２５０にバイパス流路２５２及びバイパス弁２５４が設けられる点が異なる。

バイパス流路２５２は、作動媒体流路２０２の膨張器２０８より上流側と下流側とを連通する流路である。バイパス流路２５２には、バイパス流路２５２を開閉可能なバイパス弁２５４が設けられる。ランキンサイクル２５０が作動している状態では、バイパス弁２５４はバイパス流路２５２を閉鎖しており、作動媒体は、ランキンサイクルポンプ２０４、熱交換器２０６、膨張器２０８、凝縮器２１０及びタンク２１２を順に流れる。バイパス弁２５４の駆動は、制御装置４５０によって制御される。バイパス弁２５４として、例えば、電磁弁が適用される。

（４−２．制御装置の構成）
続いて、図９及び図１０を参照して、応用例に係る制御装置４５０の機能構成について説明する。図９は、応用例に係る制御装置４５０の機能構成の一例を示す説明図である。図９に示したように、制御装置４５０では、図２に示した制御装置４００と比較して、バイパス弁制御部４５２が含まれる点が異なる。

バイパス弁制御部４５２は、バイパス弁２５４の駆動を制御する。具体的には、バイパス弁制御部４５２は、バイパス弁２５４の開閉を制御する。より具体的には、バイパス弁制御部４５２は、エンジン１０２の運転状態の切り替えが行われたか否かの判定結果及び車両が走行しているか否かの判定結果に基づいて、バイパス弁２５４の開閉を制御する。

バイパス弁制御部４５２は、エンジン１０２が停止したと判定された場合に、車両が走行していないときに、バイパス弁２５４を開放する。エンジン１０２が停止したと判定された場合に、車両が走行していないときに、ランキンサイクル２５０の作動による騒音の発生を回避するために、ランキンサイクルポンプ制御部４０６によってランキンサイクルポンプ２０４が停止する。ゆえに、作動媒体の流動は停止する。ここで、エンジン１０２が停止した後において、エンジン１０２の冷却水は廃熱を有しているため、作動媒体と冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器２０６の近傍の作動媒体が加熱される状態が継続する。よって、作動媒体として例えばフロン又はアルコール等が用いられている場合において、熱交換器２０６の近傍の作動媒体が過剰に加熱されることによって、作動媒体の熱分解が生じる可能性がある。

応用例では、エンジン１０２が停止したと判定された場合に、車両が走行していないときに、バイパス弁２５４が開放される。ゆえに、作動媒体流路２０２の膨張器２０８より上流側における熱交換器２０６の近傍の作動媒体がバイパス流路２５２を通じて作動媒体流路２０２の膨張器２０８より下流側へ流動し得る。それにより、熱交換器２０６の近傍の作動媒体が過剰に加熱されることを防止することができるので、作動媒体の熱分解を防止することができる。

バイパス弁制御部４５２は、エンジン１０２が再始動した時には、バイパス弁２５４を閉鎖する。

図１０は、走行中の車両がエンジン１０２の停止とともに停車した場合におけるバイパス弁２５４の開閉の制御の一例について説明するための説明図である。図１０において、各時刻における車両の走行状態、エンジン１０２の運転状態、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数及びバイパス弁２５４の開閉状態が示されている。

図１０に示した例では、走行中の車両が、時刻Ｔ４１にエンジンの停止とともに停車し、時刻Ｔ４２にエンジンの再始動とともに走行を再開している。時刻Ｔ４１において、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が停止したと判定される。また、時刻Ｔ４１〜時刻Ｔ４２の間において、走行状態判定部４０４により車両が走行していないと判定される。ゆえに、時刻Ｔ４１〜時刻Ｔ４２の間において、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４を停止させる。さらに、応用例では、時刻Ｔ４１〜時刻Ｔ４２の間において、バイパス弁制御部４５２は、バイパス弁２５４を開放する。

時刻Ｔ４２において、エンジン状態判定部４０２によりエンジン１０２が再始動したと判定される。ゆえに、時刻Ｔ４２において、バイパス弁制御部４５２は、バイパス弁２５４を閉鎖する。また、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、時刻Ｔ４２を経過した後、ランキンサイクルポンプ２０４の回転数を一定の増加速度で増加させた後、エンジン１０２が運転している状態におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御を再開する。

（４−３．動作）
続いて、図１１を参照して、応用例に係る制御装置４５０が行う処理の流れについて説明する。

図１１は、応用例に係る制御装置４５０が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１１に示したように、応用例では、図７を参照して説明した制御装置４００が行う処理の流れと比較して、エンジン状態判定部４０２によってエンジン１０２が停止したと判定され（ステップＳ５０２／ＹＥＳ）、かつ、走行状態判定部４０４によって車両が走行していないと判定された場合（ステップＳ５０４／ＮＯ）における処理の流れが異なる。

応用例では、ステップＳ５０４の判定処理において、走行状態判定部４０４によって車両が走行していないと判定された場合（ステップＳ５０４／ＮＯ）、図７に示した処理の流れと同様に、ランキンサイクルポンプ制御部４０６は、ランキンサイクルポンプ２０４を停止させる（ステップＳ５０８）。そして、応用例に係るバイパス弁制御部４５２は、ランキンサイクル２５０の停止に伴う作動媒体の熱分解を防止するために、バイパス弁２５４を開放する（ステップＳ７０２）。その後、ステップＳ５１０の判定処理へ進む。

なお、応用例では、エンジン状態判定部４０２によってエンジン１０２が再始動したと判定された場合（ステップＳ５１０／ＹＥＳ）、図１１に示した処理は終了し、バイパス弁制御部４５２によってバイパス弁２５４が閉鎖された後に、ランキンサイクルポンプ制御部４０６によりエンジン１０２が運転している状態におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数の制御が再開される。

以上説明したように、応用例に係る制御装置４５０によれば、エンジン１０２が停止したと判定された場合に、車両が走行していないときに、バイパス弁２５４は開放される。ゆえに、熱交換器２０６の近傍の作動媒体がバイパス流路２５２を通じて作動媒体流路２０２の膨張器２０８より下流側へ流動し得る。それにより、作動媒体が過剰に加熱されることを防止することができるので、作動媒体の熱分解を防止することができる。

＜５．むすび＞
以上説明したように、本実施形態によれば、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、ランキンサイクルポンプ２０４の駆動は継続する。それにより、エンジンが停止した後においてエンジン１０２の冷却水が有する廃熱を回収することができる。ゆえに、廃熱の回収量を増大させることができる。また、車両の走行中にエンジン１０２が停止した場合に、ランキンサイクルポンプ２０４は、エンジン１０２が停止した時点におけるランキンサイクルポンプ２０４の回転数と比較して、低い回転数で駆動する。それにより、エンジン１０２が停止した後における作動媒体流路２０２内での作動媒体の流速は、エンジン１０２が停止した時点と比較して、低くなる。ゆえに、エンジン１０２の停止とともに流動が停止した冷却水から回収される廃熱の単位時間あたりの熱量が低減される。よって、エンジン１０２が停止した後において、作動媒体と冷却水との間の熱交換による熱交換器２０６の近傍での冷却水の局所的な温度低下を抑制することができる。

上記では、本発明に係る廃熱利用装置をハイブリッド車両に適用した例について説明したが、本発明の技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、本発明に係る廃熱利用装置は走行状態に応じてエンジンが運転又は停止し、走行中においてもエンジンが停止し得る車両であれば、動力源として高電圧バッテリを有しない車両にも適用され得る。その場合、ランキンサイクルによって生成された機械エネルギを用いて発電機により発電された電力は、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリへ蓄電され得る。

また、本明細書においてフローチャートを用いて説明した処理は、必ずしもフローチャートに示された順序で実行されなくてもよい。いくつかの処理ステップは、並列的に実行されてもよい。また、追加的な処理ステップが採用されてもよく、一部の処理ステップが省略されてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０、２０廃熱利用システム
１０２エンジン
１０４冷却水流路
１０６冷却水ポンプ
１０８、１５８廃熱利用装置
１１０発電機
１１２高電圧バッテリ
１１４第１の水温センサ
１１６第２の水温センサ
２００、２５０ランキンサイクル
２０２作動媒体流路
２０４ランキンサイクルポンプ
２０６熱交換器
２０８膨張器
２１０凝縮器
２１２タンク
２５２バイパス流路
２５４バイパス弁
４００、４５０制御装置
４０２エンジン状態判定部
４０４走行状態判定部
４０６ランキンサイクルポンプ制御部
４５２バイパス弁制御部

Claims

車両のエンジンの廃熱を回収する冷却水と熱交換を行う作動媒体を用いて、機械エネルギを生成するランキンサイクルと、
前記車両の走行中に前記エンジンが停止した場合に、前記作動媒体を循環させるランキンサイクルポンプを、前記エンジンが停止した時点における前記ランキンサイクルポンプの回転数と比較して、低い回転数で駆動させるポンプ制御部と、
を備える廃熱利用装置。
前記ランキンサイクルは、前記作動媒体と前記冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器を備え、
前記ポンプ制御部は、前記車両の走行中に前記エンジンが停止した場合に、前記熱交換器の近傍における前記冷却水の温度が低いほど、前記ランキンサイクルポンプの回転数を低い値に設定する、
請求項１に記載の廃熱利用装置。
前記ランキンサイクルは、前記作動媒体と前記冷却水との間で熱交換が行われる熱交換器を備え、
前記ポンプ制御部は、前記車両の走行中に前記エンジンが停止した場合に、前記熱交換器の近傍における前記冷却水の温度と前記エンジンの近傍における前記冷却水の温度との差が大きいほど、前記ランキンサイクルポンプの回転数を低い値に設定する、
請求項１に記載の廃熱利用装置。
前記ポンプ制御部は、前記エンジンが停止したと判定された場合に、前記車両が走行していないときには、前記ランキンサイクルポンプを停止させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱利用装置。
前記ランキンサイクルは、前記作動媒体が循環する流路に設けられ前記作動媒体を膨張させて機械エネルギを生成する膨張器、前記流路の前記膨張器より上流側と下流側とを連通するバイパス流路及び前記バイパス流路を開閉可能なバイパス弁を含み、
前記エンジンが停止したと判定された場合に、車両が走行していないときには、前記バイパス弁を開放するバイパス弁制御部を備える、
請求項４に記載の廃熱利用装置。