WO2009133619A1 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

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working fluid
heat
internal combustion
evaporator
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粕谷潤一郎
狩野靖明
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サンデン株式会社
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    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/14—Indicating devices; Other safety devices
    • F01P11/20—Indicating devices; Other safety devices concerning atmospheric freezing conditions, e.g. automatically draining or heating during frosty weather
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F01P3/22—Liquid cooling characterised by evaporation and condensation of coolant in closed cycles; characterised by the coolant reaching higher temperatures than normal atmospheric boiling-point
    • F01P2003/2278—Heat pipes
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat utilization device for an internal combustion engine, and more particularly to a waste heat utilization device for an internal combustion engine suitable for a vehicle.
  • a Rankine cycle circuit is formed by using components of a refrigeration cycle to recover the power of the waste heat of the internal combustion engine, and the recovered power is used for internal combustion.
  • a technique for assisting the shaft output of an engine is known (see Japanese Patent No. 2540738).
  • the refrigeration cycle circuit is configured to include a compressor and an evaporator, and this compressor is used as a compressor that uses an internal combustion engine as a drive source and an expander that assists the internal combustion engine.
  • the evaporator is configured to be selectively switched with a high-temperature evaporator incorporated in a cooling water circuit of the internal combustion engine.
  • the Rankine A cycle circuit is formed.
  • the Rankine cycle circuit of the above prior art no special consideration is given to the use of the heat of exhaust gas for warming up the internal combustion engine.
  • an internal combustion engine waste heat utilization apparatus of the present invention includes an internal combustion engine cooled by cooling water and a radiator for cooling the cooling water, and the cooling water cooled by the radiator is the internal combustion engine.
  • a cooling water circuit that circulates through the engine, an evaporator that heats the working fluid by exchanging heat with the cooling water that passes through the internal combustion engine, and further heats the working fluid that passes through the evaporator by exchanging heat with the heat medium
  • a heat exchanger that expands the working fluid that has passed through the heat exchanger to generate a driving force, a condenser that condenses the working fluid that has passed through the expander, and an evaporator and a heat exchanger
  • a Rankine cycle circuit further comprising a pump that forms a heat exchange region, forms an energy generation region with an expander and a condenser, and circulates a working fluid between the energy generation region and the heat exchange region; Rankine cycle circuit By switching to the bypass path that bypasses the energy generation region and the bypass path, the working fluid heated and evaporated by the heat exchanger flows into the evaporator, the cooling water is heated by the working fluid that condenses, and the pump heats again. It has a flow path switching means for forming
  • the Rankine cycle circuit can function as a normal Rankine cycle and also function as a heat pipe that heats cooling water. Therefore, it becomes possible to positively introduce the heat of the exhaust gas into the evaporator.
  • the flow path switching means includes a temperature sensor for detecting a temperature of the cooling water circulating in the cooling water circuit, and a temperature of the cooling water detected by the temperature sensor. When the temperature is equal to or lower than a predetermined temperature, a switching valve that switches to a bypass path to form a heat pipe path is included.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a modification in which the switching valve in FIG. 1 is replaced with a solenoid valve; It is a schematic diagram which shows the modification which replaced the switching valve of FIG. 2 with the solenoid valve.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a waste heat utilization device 2 for an internal combustion engine according to the present embodiment.
  • the waste heat utilization device 2 cools a Rankine cycle circuit 4 and, for example, a vehicle engine (internal combustion engine) 6. And a cooling water circuit 8 through which the cooling water is circulated.
  • the Rankine cycle circuit 4 includes an evaporator 10, an exhaust gas heat exchanger (heat exchanger) 12, an expander 14, a condenser 16, a liquid receiver 18, and a pump 20. Circulates in order through the evaporator 10, the exhaust gas heat exchanger 12, the expander 14, the condenser 16, and the liquid receiver 18.
  • the evaporator 10 is a heat exchanger that heats the working fluid by exchanging heat mainly between the working fluid delivered from the pump 20 and the high-temperature cooling water flowing through the cooling water circuit 8.
  • the evaporator 10 includes a cooling water path for guiding the cooling water and a working fluid path for guiding the working fluid, and the cooling water path and the operation are provided between the cooling water path and the working fluid path.
  • a boundary wall that separates the fluid path is provided.
  • the exhaust gas heat exchanger 12 is provided in the exhaust gas pipe 22 through which the exhaust gas of the engine 6 flows out, and the working fluid is exchanged between the working fluid heated by the evaporator 10 and the exhaust gas flowing through the exhaust gas pipe 22. Is further heated.
  • the expander 14 is a fluid device that generates a driving force related to rotation or the like by the expansion of the working fluid that is heated by the evaporator 10 and the exhaust gas heat exchanger 12 to be in a superheated steam state.
  • a generator 24 is connected to the expander 14, and the driving force generated by the expander 14 via the generator 24 can be used outside the waste heat utilization apparatus 2.
  • the condenser 16 is a heat exchanger that condenses and liquefies the working fluid discharged from the expander 14 by heat exchange with the outside air.
  • the liquid receiver 18 is a receiver that separates the working fluid condensed by the condenser 16 into gas-liquid two layers, and only the separated liquefied working fluid flows out to the pump 20 side, and the pump 20 again.
  • the Rankine cycle circuit 4 as a closed circuit is formed by flowing into the evaporator 10 by operation.
  • the cooling water circuit 8 includes a radiator 26, a thermostat 28, a linear three-way valve 34, and a pump 30.
  • the cooling water exchanges heat with the working fluid of the Rankine cycle circuit 4 in the evaporator 10
  • Water is circulated through the engine 6, the linear three-way valve 34, the evaporator 10, the radiator 26, and the thermostat 28 sequentially by the operation of the pump 30.
  • the radiator 26 is arranged in series with the evaporator 10 and cools the cooling water circulated by the operation of the pump 30 by exchanging heat with the outside air.
  • thermostat 28 Connected to the thermostat 28 is a bypass path 32 that branches from the flow path 8 a of the cooling water circuit 8 between the evaporator 10 and the radiator 26 and bypasses the radiator 26 and merges downstream of the radiator 26.
  • the thermostat 28 is a mechanical switching valve that can selectively select whether the cooling water is passed through the radiator 26 or the bypass passage 32 according to the cooling water temperature. 28 switches the flow path according to the cooling water temperature or controls the flow rate of the cooling water flowing to the radiator 26 to keep the body temperature of the engine 6 substantially constant, thereby preventing the engine 6 from overheating.
  • the pump 30 is attached to the engine 6 and operates according to the rotational speed of the engine 6 to circulate the amount of cooling water required for cooling the engine 6 to the cooling water circuit 8.
  • the linear three-way valve 34 is installed between the engine 6 and the evaporator 10 and has one inlet port and two outlet ports.
  • the linear three-way valve 34 is proportional to an input signal input to the drive unit of the three-way valve 34.
  • a flow path 8b of a cooling water circuit 8 extending from the engine 6 is connected to the inlet port of the three-way valve 34, and branched to each outlet port from the flow path 8b via the three-way valve 34.
  • a bypass path 36 that bypasses the evaporator 10 and joins downstream of the evaporator 10 and a flow path 8 c that extends from the flow path 8 b to the evaporator 10 via the three-way valve 34 are connected.
  • the cooling water flowing through the flow path 8b is distributed to the bypass path 36 and the flow path 8c by the three-way valve 34.
  • the cooling water flow rate flowing through the flow path 8b is the total flow rate Ft
  • the cooling water flow rate flowing through the bypass path 36 is the bypass flow distribution flow rate Fb
  • the cooling water flow rate flowing through the flow path 8c is the evaporator distribution flow rate Fe
  • the total flow rate Ft bypass.
  • the relational expression of the path distribution flow rate Fb + evaporator distribution flow rate Fe is substantially established, and the three-way valve 34 has a structure that does not become a large pressure loss element when viewed from the entirety of the cooling water circuit 8.
  • the bypass path 36 is partly shared with the bypass path 32 of the radiator 26, and the cooling water pressure is derived from the shared path 8 d and the flow path 8 c, respectively.
  • the differential pressure sensor 38 detects the differential pressure ⁇ P before and after the evaporator 10.
  • a temperature sensor 40 for detecting the cooling water temperature T in the bypass passage 32 is provided, a temperature sensor 42 for directly detecting the temperature of the cooling water flowing into the engine 6 and the rotational speed of the engine 6 are detected.
  • a rotation speed sensor 44 is attached to the engine 6.
  • three-way switching valves (switching valves) 48 and 50 are installed between the exhaust gas heat exchanger 12 and the expander 14, and between the pump 20 and the evaporator 10, respectively. These switching valves 48 and 50 have three ports that can also be used as an inlet port and an outlet port for the working fluid, and each has one valve body corresponding to an input signal input to the drive unit of each switching valve 48 and 50.
  • the switching valves 48 and 50 are switched simultaneously and smoothly.
  • the switching valves 48 and 50 have a structure that does not become a large pressure loss element when viewed from the whole Rankine cycle circuit 4.
  • a flow path 4a extending from the exhaust gas heat exchanger 12 to the switching valve 48, a flow path 4b extending from the expander 14 to the switching valve 48, A flow path 4c (bypass path) extending from the switching valve 50 to the switching valve 48 is connected.
  • a flow path 4d extending from the evaporator 10 to the switching valve 50, and a flow path 4e (bypass path) extending from the liquid receiver 18 to the switching valve 50 are provided.
  • the flow path 4c is connected.
  • a flow path 4f extending from the pump 20 is connected to the flow path 4c, and each of the flow paths 4a to 4f constitutes a part of the Rankine cycle circuit 4.
  • the Rankine cycle circuit 4 changes the flow path and the flow direction of the working fluid by switching the switching valves 48 and 50, so that the Rankine cycle path 52 functions as a general Rankine cycle, and the evaporation.
  • Both the heat pipe path 54 functioning as a heat pipe for heating the cooling water in the vessel 10 can be formed.
  • the Rankine cycle path 52 is switched to form a path 52a in which the switching valve 48 communicates the flow path 4a and the flow path 4b, and the switching valve 50 communicates the flow path 4c and the flow path 4d. It is switched and closed to form the path 52b.
  • FIG. 1 shows a state in which the Rankine cycle path 52 is formed.
  • the white ports of the switching valves 48 and 50 indicate fully open ports, and the black ports indicate fully closed ports. That is, the Rankine cycle path 52 includes the expander 14, the condenser 16, and the constituent elements of the Rankine cycle circuit 4 other than the evaporator 10 and the exhaust gas heat exchanger 12 (heat exchange region), the liquid receiver 18, and the pump 20.
  • a unit (energy generation region) 56 including the generator 24 is included.
  • FIG. 2 shows a state in which the heat pipe path 54 is formed.
  • the switching valve 48 is switched to form a path 54a in which the flow path 4a and the flow path 4c are communicated.
  • the switching valve 50 is switched and closed to form a path 54b formed by communicating the flow path 4d and the flow path 4e.
  • the white ports of the switching valves 48 and 50 in FIG. 2 indicate fully open ports, and the black ports indicate fully closed ports. That is, the heat pipe path 54 is configured to bypass the unit 56, and the working fluid heated by the exhaust gas heat exchanger 12 heats the cooling water circulating in the cooling water circuit 8 in the evaporator 10.
  • the Rankine cycle circuit 4 constitutes the heat pipe path 54 that functions as a heat pipe in which the working fluid heated and evaporated by the exhaust gas heat exchanger 12 using the pump 20 as a drive source radiates and condenses and circulates in the evaporator.
  • the working fluid circulating in the heat pipe path 54 flows in a direction opposite to the flow direction of the working fluid in the Rankine cycle path 52, and the flow direction of the cooling water and the working fluid exchanged in the evaporator 10 is determined by the Rankine cycle.
  • the flow direction is opposite, whereas in the heat pipe path 54, the flow direction is the same.
  • control of each sensor and the motor-operated valve will be described.
  • the sensors 38, 40, 42, 44 serving as detection ends, the three-way valve 34 serving as the operation end, and the switching valves 48, 50 are electrically connected to an electronic control unit (ECU) 46 that performs overall control of the vehicle and the waste heat utilization device 2.
  • ECU electronice control unit
  • the ECU 46 outputs a signal to drive and control a desired outlet port of the three-way valve 34 to a desired opening based on an input signal detected from the differential pressure sensor 38, and detects from the temperature sensor 40. Based on the input signal, a signal is output so as to switch the desired ports of the switching valves 48 and 50 to fully open or fully closed simultaneously.
  • the ECU 46 executes a control routine that controls the differential pressure valve opening degree that drives the three-way valve 34 in accordance with the differential pressure ⁇ P before and after the evaporator 10 detected by the differential pressure sensor 38. That is, by driving the three-way valve 34 so that the differential pressure ⁇ P is equal to or less than a predetermined differential pressure set value ⁇ PH preset by the ECU 46, even if the total flow rate Ft of the cooling water fluctuates, the fluctuation amount is evaporated. By flowing to the bypass path 36 without flowing to 10, the evaporator distribution flow rate Fe can be limited to substantially constant or less.
  • the ECU 46 executes a control routine which is a temperature valve switching control (flow path switching means) for simultaneously switching and driving the switching valves 48 and 50 in accordance with the coolant temperature T detected by the temperature sensor 40. It is processed in the ECU 46 as a control routine independent of the pressure valve opening control.
  • a control routine which is a temperature valve switching control (flow path switching means) for simultaneously switching and driving the switching valves 48 and 50 in accordance with the coolant temperature T detected by the temperature sensor 40. It is processed in the ECU 46 as a control routine independent of the pressure valve opening control.
  • S represents a step
  • the process proceeds to S1.
  • S1 it is determined whether or not the coolant temperature T detected by the temperature sensor 40 is equal to or lower than a predetermined temperature set value TL . If the determination result is true (Yes) and the cooling water temperature T is determined to be equal to or lower than the predetermined temperature setting value TL , the process proceeds to S3, and the determination result is false (No) and the cooling water temperature T is the temperature setting value T. If it is determined that it is greater than L, the process proceeds to S2.
  • the switching valves 48 and 50 are simultaneously switched to form the Rankine cycle path 52.
  • the switching state of the switching valves 48 and 50 is maintained as it is.
  • the switching valves 48 and 50 are simultaneously switched to form the heat pipe path 54.
  • the heat pipe path 54 is already formed, the switching state of the switching valves 48 and 50 is maintained as it is. In this manner, when the temperature valve switching control is started in S0, a series of control routines of S1 and S2 or S1 and S3 are repeatedly executed.
  • the Rankine cycle circuit 4 bypasses the unit 56 including the expander 14, the condenser 16, and the generator 24, so that the evaporator 10, the exhaust gas heat exchanger 12, and the liquid receiver are bypassed. 18.
  • a heat pipe path 54 which is composed of only the pump 20 and is a so-called heat exchange region, is formed.
  • the heat pipe path 54 causes the working fluid heated by the exhaust gas heat exchanger 12 to flow into the evaporator 10 and heats the cooling water in the cooling water circuit 8. That is, the Rankine cycle circuit 4 can function as a normal Rankine cycle and also function as a heat pipe that heats the cooling water.
  • the heat of the exhaust gas heat exchanger 12 in the Rankine cycle circuit 4 can be positively introduced into the evaporator 10.
  • the heat pipe path 54 of the Rankine cycle circuit 4 when the temperature T of the cooling water detected by the temperature sensor 40 is below a predetermined temperature set point T L is the switching Setsu ⁇ 48 in order to bypass the unit 56 It is done.
  • This not only stops the function of the Rankine cycle circuit 4 and prevents the engine 6 from being overcooled by the cooling water, particularly when starting the engine 6 in which the cooling water temperature T is lowered.
  • the engine 6 can be quickly warmed up with the cooled cooling water, and the deterioration of fuel consumption when the engine 6 is started is greatly improved. Therefore, the functions of both the coolant circuit 8 and the Rankine cycle circuit 4 can be made to function properly only in an appropriate environment at an appropriate time according to the operating state of the engine 6.
  • the temperature sensor 40 is installed as the detection end.
  • the temperature sensor 42 attached to the engine 6 is used. Even when used, the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained.
  • the switching valves 48 and 50 are operated based on the cooling water temperature to form the heat pipe path to heat the cooling water.
  • the engine 6 is mainly warmed up when the engine 6 is started.
  • the switching valves 48 and 50 are switched for a predetermined time from the start of the engine 6 to form the heat pipe path, the same effect as in the above embodiment can be obtained.
  • the switching valves 48 and 50 that are three-way switching valves are used.
  • a heat pipe path 56 may be formed.
  • the solenoid valves 58 and 60 and the switching valve 50 may be used in place of the solenoid valves 62 and 64 in the same manner.

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Abstract

　内燃機関(6)の廃熱利用装置(2)は、冷却水を冷却するラジエータ(26)を有する冷却水回路(8)と、蒸発器(8)及び熱交換器(12)で熱交換領域を形成するとともに、膨張機(14)と凝縮器(16)でエネルギ発生領域(56)を形成するランキンサイクル回路(4)とを備え、ランキンサイクル回路(4)は、エネルギ発生領域(56)をバイパスするバイパス路(4c,4e)と、該バイパス路(4c,4e)に切り換えることにより、熱交換器(12)で加熱された作動流体を蒸発器(8)に流入させ、作動流体で冷却水を加熱するヒートパイプ経路(54)を形成する流路切換手段とを有する。

Description

内燃機関の廃熱利用装置
　本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両に好適な内燃機関の廃熱利用装置に関する。
　内燃機関の廃熱利用装置としては、例えば車両用内燃機関において、冷凍サイクルの構成部品を利用してランキンサイクル回路を形成することで内燃機関の廃熱を動力回収し、その回収した動力で内燃機関の軸出力をアシストする技術が知られている（日本国特許第２５４０７３８号公報参照）。
　この技術によると、冷凍サイクル回路はコンプレッサと蒸発器とを含んで構成されており、このコンプレッサは、内燃機関を駆動源とする圧縮機、及び内燃機関をアシストする膨張機として使用されている。また、この蒸発器は、内燃機関の冷却水回路に組み込まれた高温蒸発器と選択的に切り換えられるように構成され、この高温蒸発器を蒸発器に換えて冷凍サイクル回路に接続することでランキンサイクル回路が形成される。
　しかしながら、上記従来技術のランキンサイクル回路では、内燃機関の暖機に排ガスの熱を利用する点については格別な配慮がなされていない。
　本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の作動状況に応じて内燃機関の冷却水加熱回路とランキンサイクル回路との両方を適正に機能させることができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するべく、本発明の内燃機関の廃熱利用装置は、冷却水により冷却される内燃機関と、冷却水を冷却するラジエータを有し、該ラジエータで冷却された冷却水が内燃機関を経由して循環する冷却水回路と、内燃機関を経由した冷却水と熱交換して作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を熱媒体と熱交換して更に加熱する熱交換器、該熱交換器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器を有し、蒸発器及び熱交換器で熱交換領域を形成するとともに、膨張機と凝縮器でエネルギ発生領域を形成し、該エネルギ発生領域と該熱交換領域との間で作動流体を循環させるポンプを更に含むランキンサイクル回路とを備え、ランキンサイクル回路は、エネルギ発生領域をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に切り換えることにより、熱交換器で加熱蒸発された作動流体を蒸発器に流入させ、凝縮する作動流体で冷却水を加熱し、ポンプで再び熱交換器に作動流体を循環させるヒートパイプとして機能させるヒートパイプ経路を形成する流路切換手段とを有することを特徴としている。
　上記した内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクル回路は、通常のランキンサイクルとして機能するとともに、冷却水を加熱するヒートパイプとしても機能させることができる。従って、排ガスの熱を蒸発器に積極的に導入することが可能となる。
　好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、流路切換手段は、冷却水回路を循環する冷却水の温度を検出する温度センサと、該温度センサで検出された冷却水の温度が所定の温度以下のときには、バイパス路に切り換えてヒートパイプ経路を形成する切換弁と含む。
　この構成によれば、特に内燃機関の始動時には、排ガスの熱が冷却水に導入されるため、その暖機が迅速に且つ確実に実施され、内燃機関の作動状況に応じた冷却水回路及びランキンサイクル回路の両方の機能の適正化を迅速に図ることができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置おいてランキンサイクル経路が形成された状態を示す模式図、 図１の廃熱利用装置においてヒートパイプ経路が形成された状態を示す模式図、 図１のＥＣＵで実行される温度バルブ切換制御の制御ルーチンを示したフローチャート、 図１の切換弁を電磁弁に置き代えた変形例を示す模式図、 図２の切換弁を電磁弁に置き代えた変形例を示す模式図である。
　以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
　図１は本実施形態の内燃機関の廃熱利用装置２の構成を示す模式図であって、この廃熱利用装置２は、ランキンサイクル回路４と、例えば車両のエンジン（内燃機関)６を冷却する冷却水が循環する冷却水回路８とを含んで構成されている。
　ランキンサイクル回路４は、蒸発器１０、排ガス熱交換器（熱交換器）１２、膨張機１４、凝縮器１６、受液器１８、及びポンプ２０を含んで構成され、ポンプ２０の作動によって作動流体が蒸発器１０、排ガス熱交換器１２、膨張機１４、凝縮器１６、受液器１８を順次流れて循環する。
　蒸発器１０は、主としてポンプ２０から送出される作動流体と冷却水回路８を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。蒸発器１０内には、いずれも図示しないが、冷却水を導く冷却水経路と、作動流体を導く作動流体経路とを備え、冷却水経路と作動流体経路との間には冷却水経路と作動流体経路とを区画する境界壁が設けられている。
　排ガス熱交換器１２は、エンジン６の排ガスが流出される排ガス管２２内に設けられ、蒸発器１０で加熱された作動流体と排ガス管２２を流れる排ガスとの間で熱交換することにより作動流体が更に加熱される。
　膨張機１４は、蒸発器１０、及び排ガス熱交換器１２で加熱され過熱蒸気の状態となる作動流体の膨張によって回転等に係る駆動力を発生させる流体機器である。また、膨張機１４には例えば発電機２４が接続され、発電機２４を介して膨張機１４で発生した駆動力を廃熱利用装置２の外部で使用可能である。
　凝縮器１６は、膨張機１４から吐出される作動流体を外気との熱交換によって凝縮液化する熱交換器である。また、受液器１８は、凝縮器１６で凝縮された作動流体を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液化作動流体のみがポンプ２０側に流出され、再びポンプ２０の作動によって蒸発器１０に流入することにより閉回路としてのランキンサイクル回路４が形成される。
　一方、冷却水回路８は、ラジエータ２６、サーモスタット２８、リニア三方弁３４、ポンプ３０を含んで構成され、冷却水が蒸発器１０においてランキンサイクル回路４の作動流体と熱交換する際には、冷却水がポンプ３０の作動によってエンジン６、リニア三方弁３４、蒸発器１０、ラジエータ２６、サーモスタット２８を順次流れて循環する。
　ラジエータ２６は、蒸発器１０と直列に配列され、ポンプ３０の作動によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。
　サーモスタット２８には、蒸発器１０とラジエータ２６との間における冷却水回路８の流路８ａから分岐するとともにラジエータ２６を迂回してラジエータ２６の下流に合流するバイパス路３２が接続されている。これより、サーモスタット２８は、冷却水をその冷却水温度に応じてラジエータ２６へ通水させるかバイパス路３２へ通水させるかを択一的に選択可能な機械式の切換弁であって、サーモスタット２８が冷却水温度に応じて流路を切り換え或いはラジエータ２６へ通水する冷却水の流量を配分制御することによりエンジン６の本体温度を略一定に保持し、エンジン６の過熱が防止される。
　ポンプ３０は、エンジン６に装着され、エンジン６の回転数に応じて作動することによりエンジン６の冷却に要する冷却水量を冷却水回路８に循環させる。
　リニア三方弁３４は、エンジン６と蒸発器１０との間に設置され、１つの入口ポートと２つの出口ポートとを有し、三方弁３４の駆動部に入力される入力信号に比例して１つの弁体を連続的に可変駆動することにより、入口ポートに流入する冷却水を各出口ポートに配分して流出させるとともに、これら各配分流量を微調整可能な電動弁である。
　詳しくは、三方弁３４の入口ポートには、エンジン６から延設される冷却水回路８の流路８ｂが接続され、各出口ポートには、流路８ｂから三方弁３４を介して分岐されるとともに蒸発器１０を迂回して蒸発器１０の下流に合流するバイパス路３６、流路８ｂから三方弁３４を介して蒸発器１０まで延設される流路８ｃがそれぞれ接続されている。
　これより、流路８ｂを流れる冷却水は、三方弁３４によってバイパス路３６と流路８ｃとに配分される。流路８ｂを流れる冷却水流量を全流量Ｆｔ、バイパス路３６を流れる冷却水流量をバイパス路配分流量Ｆｂ、流路８ｃを流れる冷却水流量を蒸発器配分流量Ｆｅとすると、全流量Ｆｔ＝バイパス路配分流量Ｆｂ＋蒸発器配分流量Ｆｅの関係式が略成立し、三方弁３４は冷却水回路８の全体からみて大きな圧力損失要素とはならない構造となっている。
　一方、バイパス路３６はラジエータ２６のバイパス路３２と一部が共用されており、この共用路８ｄと流路８ｃとからはそれぞれ冷却水圧力が導出され、これら導出された圧力は差圧センサ３８に入力されている。すなわち、差圧センサ３８は蒸発器１０の前後における差圧ΔＰを検出している。
　他のセンサとしては、バイパス路３２における冷却水温度Ｔを検出する温度センサ４０が設けられる他、エンジン６に流入する冷却水の温度を直接検出する温度センサ４２やエンジン６の回転数を検出する回転数センサ４４がエンジン６に装着されている。
　ところで、ランキンサイクル回路４において、排ガス熱交換器１２と膨張機１４との間、及びポンプ２０と蒸発器１０との間にはそれぞれ三方切換弁（切換弁）４８，５０が設置されている。
　これら切換弁４８，５０は、作動流体の入口ポート及び出口ポートとして兼用可能な３つのポートを有し、各切換弁４８，５０の駆動部に入力される入力信号に応じてそれぞれ１つの弁体を駆動するとともに、作動流体の流れ方向に拘らず、それぞれ異なる２つの流路のいずれか一方を択一的に選択して切換可能な電動式の切換弁である。なお、切換弁４８，５０の切換は同時に且つ円滑になされ、切換弁４８，５０は三方弁３４と同様にランキンサイクル回路４の全体からみて大きな圧力損失要素とはならない構造となっている。
　詳しくは、切換弁４８の各ポートには、排ガス熱交換器１２から切換弁４８に亘って延設される流路４ａ、膨張機１４から切換弁４８に亘って延設される流路４ｂ、切換弁５０から切換弁４８に亘って延設される流路４ｃ(バイパス路）が接続されている。
　一方、切換弁５０の各ポートには、蒸発器１０から切換弁５０に亘って延設される流路４ｄ、受液器１８から切換弁５０に亘って延設される流路４ｅ(バイパス路）、並びに上記流路４ｃが接続されている。また、流路４ｃにはポンプ２０から延設される流路４ｆが接続され、これら各流路４ａ～４ｆはランキンサイクル回路４の一部を構成している。
　ここで、本実施形態のランキンサイクル回路４は、切換弁４８，５０の切換によって作動流体の流路及び流れ方向を変更することにより、一般的なランキンサイクルとして機能するランキンサイクル経路５２と、蒸発器１０において冷却水を加熱するヒートパイプとして機能するヒートパイプ経路５４との両方を形成できる。
　詳しくは、ランキンサイクル経路５２は、切換弁４８が流路４ａと流路４ｂとを連通させてなる経路５２ａを形成すべく切り換えられるとともに、切換弁５０が流路４ｃと流路４ｄとを連通させてなる経路５２ｂを形成すべく切り換えられて閉成される。なお、図１はランキンサイクル経路５２が形成された状態を示しており、切換弁４８，５０の白抜きされたポートは全開ポートを示し、黒塗りされたポートは全閉ポートを示している。
　すなわち、ランキンサイクル経路５２は、蒸発器１０及び排ガス熱交換器１２（熱交換領域）、並びに受液器１８、ポンプ２０以外のランキンサイクル回路４の構成要素である膨張機１４、凝縮器１６、発電機２４からなるユニット（エネルギ発生領域）５６を含んで構成されている。
　一方、図２にはヒートパイプ経路５４が形成された状態が示されており、この場合には、切換弁４８が流路４ａと流路４ｃとを連通させてなる経路５４ａを形成すべく切り換えられるとともに、切換弁５０が流路４ｄと流路４ｅとを連通させてなる経路５４ｂを形成すべく切り換えられて閉成される。なお、図１と同様に、図２中の切換弁４８，５０の白抜きされたポートは全開ポートを示し、黒塗りされたポートは全閉ポートを示している。
　すなわち、ヒートパイプ経路５４は、上記ユニット５６をバイパスして構成されており、排ガス熱交換器１２で加熱された作動流体が蒸発器１０において冷却水回路８を循環する冷却水を加熱する。蒸発器１０で冷却水を加熱した後の作動流体は、切換弁５０、受液器１８、ポンプ２０、切換弁４８を順次経由し、再び排ガス熱交換器１２に到達する。
　このように、ランキンサイクル回路４は、ポンプ２０を駆動源として排ガス熱交換器１２で加熱蒸発された作動流体が蒸発器で放熱凝縮し循環するヒートパイプとして機能するヒートパイプ経路５４を構成する。
　なお、ヒートパイプ経路５４を循環する作動流体は、ランキンサイクル経路５２における作動流体の流れ方向と逆方向に流れ、蒸発器１０で熱交換される冷却水と作動流体との流れ方向は、ランキンサイクル経路５２では対向する流れ方向であるのに対し、ヒートパイプ経路５４では同一の流れ方向となる。
　以下、上記した各センサ及び電動弁の制御について説明する。
　検出端たる各センサ３８，４０，４２，４４及び操作端たる三方弁３４、切換弁４８，５０は車両及び廃熱利用装置２の総合的な制御を行う電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４６に電気的に接続されており、ＥＣＵ４６は、差圧センサ３８から検出される入力信号に基づいて三方弁３４の所望の出口ポートを所望の開度に駆動制御すべく信号を出力し、温度センサ４０から検出される入力信号に基づいて切換弁４８，５０の所望のポートを全開または全閉に同時に切換駆動すべく信号を出力する。
　詳しくは、ＥＣＵ４６では、差圧センサ３８で検出される蒸発器１０の前後の差圧ΔＰに応じて三方弁３４を駆動する差圧バルブ開度制御たる制御ルーチンが実行される。すなわち、差圧ΔＰがＥＣＵ４６で予め設定された所定の差圧設定値ΔＰＨ以下となるように三方弁３４を駆動することにより、冷却水の全流量Ｆｔが変動してもその変動分を蒸発器１０へ流さずにバイパス路３６に流すことにより、蒸発器配分流量Ｆｅを略一定或いはそれ以下に制限することができる。
　同じくＥＣＵ４６では、温度センサ４０で検出される冷却水温度Ｔに応じて切換弁４８，５０を同時に切換駆動する温度バルブ切換制御（流路切換手段）たる制御ルーチンが実行され、この制御ルーチンは差圧バルブ開度制御とは独立した制御ルーチンとしてＥＣＵ４６内で処理されている。
　以下、図３に示されるフローチャートを参照して温度バルブ切換制御について説明する。
　先ず、Ｓ０（以下、Ｓはステップを表す）で温度バルブ切換制御が開始されると、Ｓ１に移行する。
　Ｓ１では、温度センサ４０で検出された冷却水温度Ｔが所定の温度設定値ＴＬ以下であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で冷却水温度Ｔが所定の温度設定値ＴＬ以下と判定された場合にはＳ３に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）で冷却水温度Ｔが温度設定値ＴＬより大きいと判定された場合にはＳ２に移行する。
　Ｓ２に移行した場合には、ランキンサイクル経路５２を形成すべく切換弁４８，５０が同時に切り換えられる。既にランキンサイクル経路５２が形成されている場合には、切換弁４８，５０の切換状態はそのまま保持される。
　一方、Ｓ１においてＳ３に移行した場合には、ヒートパイプ経路５４を形成すべく切換弁４８，５０が同時に切り換えられる。既にヒートパイプ経路５４が形成されている場合には、切換弁４８，５０の切換状態はそのまま保持される。
　このようにして、Ｓ０において温度バルブ切換制御が開始されると、Ｓ１及びＳ２、またはＳ１及びＳ３の一連の制御ルーチンが繰り返し実行される。
　以上のように、本実施形態では、ランキンサイクル回路４は、膨張機１４、凝縮器１６、発電機２４を含むユニット５６をバイパスすることにより、蒸発器１０、排ガス熱交換器１２、受液器１８、ポンプ２０のみからなる、いわば熱交換領域たるヒートパイプ経路５４を形成する。このヒートパイプ経路５４は、排ガス熱交換器１２で加熱された作動流体を蒸発器１０に流入させて冷却水回路８の冷却水を加熱する。すなわち、ランキンサイクル回路４は、通常のランキンサイクルとして機能するとともに、冷却水を加熱するヒートパイプとしても機能させることができる。
　これにより、ランキンサイクル回路４における排ガス熱交換器１２の熱を蒸発器１０に積極的に導入することが可能となる。
　また、ランキンサイクル回路４のヒートパイプ経路５４は、温度センサ４０で検出された冷却水の温度Ｔが所定の温度設定値ＴＬ以下のときには、ユニット５６をバイパスすべく切換弁４８，５０が切り換えられる。これにより、特に、冷却水温度Ｔが低下しているエンジン６の始動時には、ランキンサイクル回路４の機能を停止してエンジン６が冷却水で過冷却されることが防止されるのみならず、加熱された冷却水でエンジン６を迅速に暖機させることができ、エンジン６の始動時における燃費の悪化が大幅に改善される。従って、エンジン６の作動状況に応じて冷却水回路８及びランキンサイクル回路４の両方の機能を適切な時期に適切な環境でのみ適正に機能させることができる。
　以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
　例えば、上記実施形態では、検出端として温度センサ４０を設置しているが、冷却水回路８を循環する冷却水温度が測定可能であれば良く、代わりにエンジン６に装着される温度センサ４２を使用する場合にも上記実施形態と同様の効果を奏する。
　また、上記実施形態では、冷却水温度に基づいて切換弁４８，５０を作動させ、ヒートパイプ経路を形成することにより冷却水を加熱しているが、主にエンジン６の始動時の暖機が迅速に実施されれば良く、例えばエンジン６の始動から所定の時間だけ切換弁４８，５０を切り換えてヒートパイプ経路を形成するようにしても上記実施形態と同様の効果が得られる。
　更に、上記実施形態では、三方切換弁たる切換弁４８，５０を使用しているが、ヒートパイプ経路５６が形成されれば良く、例えば図４、５に示されるように切換弁４８の代わりに電磁弁５８，６０、切換弁５０の代わりに電磁弁６２，６４を使用して同様に制御しても良い。

Claims (2)

  1. 内燃機関の廃熱利用装置であって、
    　冷却水により冷却される内燃機関と、
    　前記冷却水を冷却するラジエータを有し、該ラジエータで冷却された冷却水が前記内燃機関を経由して循環する冷却水回路と、
    　前記内燃機関を経由した冷却水と熱交換して作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を熱媒体と熱交換して更に加熱する熱交換器、該熱交換器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器を有し、前記蒸発器及び前記熱交換器で熱交換領域を形成するとともに、前記膨張機と前記凝縮器でエネルギ発生領域を形成し、該エネルギ発生領域と該熱交換領域との間で作動流体を循環させるポンプを更に含むランキンサイクル回路とを備え、
    　前記ランキンサイクル回路は、前記エネルギ発生領域をバイパスするバイパス路と、該バイパス路に切り換えることにより、前記熱交換器で加熱蒸発された作動流体を前記蒸発器に流入させ、凝縮する作動流体で冷却水を加熱し、前記ポンプで再び前記熱交換器に作動流体を循環させるヒートパイプとして機能させるヒートパイプ経路を形成する流路切換手段とを有する。
  2. 請求項１の内燃機関の廃熱利用装置であって、
    　前記流路切換手段は、前記冷却水回路を循環する冷却水の温度を検出する温度センサと、該温度センサで検出された冷却水の温度が所定の温度以下のときには、前記バイパス路に切り換えて前記ヒートパイプ経路を形成する切換弁と含む。
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