WO2013046969A1

WO2013046969A1 - 廃熱利用装置

Info

Publication number: WO2013046969A1
Application number: PCT/JP2012/070652
Authority: WO
Inventors: 貴幸石川; 真一朗溝口; 永井　宏幸; 利矢子岩橋; 智荻原; 今井　智規
Original assignee: 日産自動車株式会社; サンデン株式会社
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2013-04-04
Also published as: CN103987923A; US20150047351A1; DE112012004058B4; CN103987923B; US9441503B2; DE112012004058T5; JP5804879B2; JP2013076370A

Abstract

　ランキンサイクルと、膨張機により回生された動力をエンジンに伝達する動力伝達機構と、を備える廃熱利用装置において、動力伝達機構は、膨張機からエンジンへの動力の伝達を断続する膨張機クラッチを備え、膨張機は、膨張機の回転速度を検出する回転速度センサを備え、膨張機クラッチを切断したときに、回転速度センサにより検出された膨張機の回転速度の上昇に基づいて、膨張機のフリクションの増大を検出する。

Description

廃熱利用装置

　この発明は廃熱利用装置、特にランキンサイクルと冷凍サイクルを統合したものに関する。

　エンジンの廃熱をエネルギとして再利用するランキンサイクルシステムが知られている。エンジンの廃熱を回収し、廃熱によってランキンサイクルを稼動して、膨張機（タービン）によって回転エネルギを得る。このようなシステムとして、過熱器においてエンジンの廃熱を回収した蒸気により駆動されるタービンと、電磁クラッチによりタービンのシャフトに連結される第１プーリ、クランクシャフトに設けられた第２プーリ、及び、第１プーリと第２プーリとに張設されたベルトによりタービンからクランクシャフトへ動力を回収する動力回収手段と、タービンの過回転を判断すると、電磁クラッチにより第１プーリをタービンのシャフトに連結し、タービンのシャフトにかかる負荷を調整するＥＣＵと、を備える廃熱回収装置が開示されている（ＪＰ２０１０－１０１２８３Ａ）。

　前述の特許文献１では、膨張機（タービン）が過回転を判断した場合に電磁クラッチを締結してタービンの過回転を防止することが示されている。

　一方で、膨張機のフリクションが増大した場合には、ランキンサイクルの効率が低下するために、膨張機のフリクションの増大を予め検出する方法が望まれている。従来技術は、膨張機のフリクションの増大を検出する方策は開示されていない。

　これに対して、膨張機に歪みセンサ等のトルクセンサを用いてフリクションの増大を検出する方法も考えられるが、センサの追加による膨張機の大型化が避けられず、温度による誤差が大きいため誤検出の可能性がある。

　本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、エンジンの廃熱を回収する廃熱利用装置において、膨張機のフリクションの増大を検出できる廃熱利用装置を提供することを目的とする。

　本発明の一実施態様によると、エンジンの廃熱を冷媒に回収する熱交換器と、熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮器からの冷媒を熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルと、膨張機により回生された動力をエンジンに伝達する動力伝達機構と、を備える廃熱利用装置に適用される。この廃熱利用装置において、動力伝達機構は、膨張機とエンジンとの動力の伝達を断続する断続手段を備え、膨張機は、膨張機の回転速度の検出する回転速度検出手段を備え、断続手段を切断したときに、回転速度検出手段により検出された膨張機の回転速度の上昇に基づいて、膨張機のフリクションの増大を検出するフリクション増大検出手段を備えることを特徴とする。

　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態の統合サイクルの概略構成図である。図２Ａは、本発明の実施形態の膨張機ポンプの概略断面図である。図２Ｂは、本発明の実施形態の冷媒ポンプの概略断面図である。図２Ｃは、本発明の実施形態の膨張機の概略断面図である。図３は、本発明の実施形態の冷媒系バルブの機能を示す概略図である。図４は、本発明の実施形態のハイブリッド車両の概略構成図である。図５は、本発明の実施形態のエンジンの概略斜視図である。図６は、本発明の実施形態のハイブリッド車両を下方から見た概略図である。図７Ａは、本発明の実施形態のランキンサイクル運転域の特性図である。図７Ｂは、本発明の実施形態のランキンサイクル運転域の特性図である。図８は、本発明の実施形態の膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両の加速が行われたときの様子を示したタイミングチャートである。図９は、本発明の実施形態のランキンサイクルの運転停止からの再起動の様子を示したタイミングチャートである。図１０は、膨張機のフリクションの増大の検出動作を示す説明図である。図１１は、膨張機のフリクションの増大の検出動作の他の例を示す説明図である。

　図１は、本発明の前提となるランキンサイクルの、システム全体を表す概略構成図を示す。図１のランキンサイクル３１は、冷媒および凝縮器３８を冷凍サイクル５１とで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とを統合したサイクルのことを、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。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と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。

　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との間には第１駆動軸クラッチ８６が設けられる。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として構成される。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７とは、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を走行させる。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するための廃熱回収器２２を備える。廃熱回収器２２とバイパス排気管６とは、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。

　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。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、冷却水ポンプ１６の回転速度はエンジン回転速度と同調する。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。

　バイパス冷却水通路１４は、冷却水とランキンサイクル３１の冷媒とで熱交換する熱交換器３６を備える。熱交換器３６は蒸発器と過熱器とを統合したものである。熱交換器３６には２つの冷却水通路３６ａ、３６ｂがほぼ一列に配置され、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が冷却水通路と隣接して設けられている。熱交換器３６の全体を俯瞰し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。

　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。冷却水通路３６ａ及び冷却水通路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。

　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。

　廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａは排気管５に隣接して設けられる。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。

　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。後述するように、制御弁２６は、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、制御弁２６の開度を減少させる。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ため、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。

　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の分岐部に設ける。サーモスタットバルブ７は、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。

　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。

　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。

　次に、ランキンサイクル３１について述べる。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に言及する。

　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。

　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）。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）。本実施形態の冷媒ポンプ３２はギヤ式のポンプを、膨張機３７はスクロール式の膨張機を採用している（図２Ｂ、図２Ｃ参照）。膨張機３７には、膨張機３７の回転速度である膨張機回転速度を検出する回転速度センサ３７ａが設けられている。

　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（以下「膨張機クラッチ」という。）３５を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７を、エンジン２と断接可能にしている（図２Ａ参照）。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）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。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。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。

　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して、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。

　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。

　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して、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。凝縮器３８は、ラジエータ１１と並列に配置され、ラジエータファン１２によって冷却される。

　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。

　冷媒通路４４は、図８に示すように、冷媒ポンプ３２の入口から上方に延びている。

　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。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。

　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。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、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が掛け回されている。エンジン２の駆動力がベルト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。コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５２との間には電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４が設けられ、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。

　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、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設される。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。

　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。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。

　エバポレータ５５、及び、凝縮器３８とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路４４の一部及び冷媒通路５７は、冷媒ポンプ３２の入口よりも高い位置に配置される。冷媒通路４４は、冷凍サイクル分岐点４５において分岐し、冷媒通路５７に接続する。

　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。冷媒ポンプ３２と熱交換器３６とを連絡する冷媒通路４１には、熱交換器３６から冷媒ポンプ３２への冷媒の逆流を防止する逆止弁６３が備えられている。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にも、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逆止弁６４が備えられている。また、膨張機上流弁６２の上流から膨張機３７をバイパスして逆止弁６４上流に合流する膨張機バイパス通路６５を設け、膨張機バイパス通路６５に膨張機バイパス弁６６が設けられている。膨張機バイパス弁６６をバイパスする通路６７には、圧力調整弁６８が設けられている。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には、エアコン回路弁６９が設けられている。

　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出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、回転速度センサ３７ａにより検出される膨張機回転速度の検出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を制御するとともに、上記４つの電磁式開閉弁６１、６２、６６、６９の開閉を制御する。

　例えば、エンジンコントローラ７１は、圧力センサ７２により検出される膨張機上流側圧力及び回転速度センサ３７ａにより検出される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、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）を予測する場合と比べ、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を適切に締結・解放することができる（詳細はＪＰ２０１０－１９０１８５Ａ参照）。

　上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び２つの逆止弁６３、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。

　図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられる（図８参照）。ポンプ上流弁６１は、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（潤滑成分を含む）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。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）までの時間を短縮できる。膨張機バイパス弁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を作動させるように開弁し、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。

　熱交換器３６上流の逆止弁６３は、膨張機バイパス弁６６、圧力調整弁６８、膨張機上流弁６２と協働して膨張機３７に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。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。

　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。

　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。

　次に、図５はエンジン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。エンジン２には、テンショナプーリ８が設けられる。

　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。

　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の運転域を、図７Ｂ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。

　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。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は全ての回転数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７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、膨張機が構成（膨張機各部のディメンジョン等が設定）されている。

　図８は膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両１の加速が行われたときの様子をモデルで示したタイミングチャートである。図８の右側には、このときに膨張機３７の運転状態が推移する様子を膨張機トルクマップ上に表している。膨張機トルクマップの等高線で区切られた範囲のうち、膨張機回転速度が低く膨張機上流圧力が高い部分（左上）では膨張機トルクが最も大きく、膨張機回転速度が高く膨張機上流圧力が低くなるほど（右下に進むほど）膨張機トルクが小さくなる傾向になっている。特に斜線部の範囲は、冷媒ポンプを駆動する前提では膨張機トルクがマイナスになって、エンジンに対しては負荷となってしまう領域を表している。

　運転者がアクセルペダルを踏込むｔ１までは、定速走行が継続されて膨張機３７が正のトルクを発生させており、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが行われている。

　ｔ１以降、膨張機３７の回転速度、すなわちポンプ３２の回転速度がエンジン回転速度に比例して上昇するが、排気温度又は冷却水温度の上昇は、エンジン回転速度の上昇に対して遅れを有する。そのため、ポンプ３２の回転速度の上昇によって増大した冷媒量に対して回収可能な熱量の割合が低下する。

　従って、膨張機回転速度が上昇するにつれ、膨張機上流の冷媒圧力が低下し、膨張機トルクは低下する。

　膨張機トルクが低下すると、膨張機３７や冷媒ポンプ３２はエンジンの駆動力によって回転させられることになり、むしろエンジンの負荷になってしまうので、膨張機トルクが所定以下になるときには膨張機クラッチ３５を切断し、膨張機３７の引き摺り現象（エンジンによって回されて却ってエンジンの負荷になること）を回避する。

　図８では、膨張機クラッチ３５を切断するｔ３よりも前の、ｔ２のタイミングで膨張機上流弁６２を閉塞しており、ｔ３のタイミングで膨張機上流圧力は膨張機下流圧力と殆ど差がない。膨張機クラッチ３５の切断前に、膨張機上流弁６２を閉塞することによって、膨張機上流の冷媒（膨張機に流入する冷媒の）圧力を十分低下させ、膨張機クラッチ３５を切り離した際の膨張機３７の過回転を防止している。

　ｔ３以降、エンジン２の放熱量の上昇により膨張機上流圧力が再び上昇し、ｔ４のタイミングで、膨張機上流弁６２が閉状態から開状態へと切換えられ、膨張機３７への冷媒の供給が再開される。また、ｔ４で膨張機クラッチ３５が再び接続される。膨張機クラッチ３５の再接続により、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが再開される。

　図９は、膨張機上流弁６２が閉じられ膨張機クラッチ３５を切断した状態の、ランキンサイクルの運転停止から、図８（ｔ４の制御）と異なる態様でランキンサイクルが再起動する様子をモデルで示したタイミングチャートである。

　ｔ１１のタイミングで運転者がアクセルペダルを踏込むとアクセル開度が増大する。ｔ１１では、ランキンサイクルの運転は停止されている。このため、膨張機トルクはゼロを維持している。

　ｔ１１からのエンジン回転速度の上昇に伴ってエンジン２の放熱量が増大し、放熱量の増大によって熱交換器３６に流入する冷却水温度が高くなり、熱交換器３６内の冷媒の温度が上昇する。膨張機上流弁６２は閉じているので、熱交換器３６による冷媒温度の上昇によって、膨張機上流弁６２の上流の冷媒圧力、つまり膨張機上流圧力が上昇していく（ｔ１１～ｔ１２）。

　運転状態の変化によってランキンサイクル非運転域からランキンサイクル運転域へと切換わる。膨張機上流弁６２がなく、ランキンサイクル運転域に移行したときに、即座に膨張機クラッチ３５を切断状態から接続状態へと切換えて膨張機３７をエンジン出力軸と連結したのでは、膨張機３７がエンジン２の負荷となる上に、トルクショックが生じてしまう。

　一方、図９では、ランキンサイクル運転域へと切換わったとき、即座に膨張機上流弁６２を閉状態から開状態へと切換えることはしない。すなわち、ランキンサイクル運転域に移行した後も膨張機上流弁６２の閉状態を続ける。

　やがて、膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差圧が大きくなって所定圧以上となるｔ１２のタイミングで膨張機３７を運転（駆動）できると判断し、膨張機上流弁６２を閉状態から開状態に切換える。膨張機上流弁６２の開状態への切換によって膨張機３７に所定圧の冷媒が供給され、膨張機回転速度がゼロから速やかに上昇する。

　膨張機回転速度の上昇で膨張機回転速度がエンジン回転速度に到達するｔ１３のタイミングで、膨張機クラッチ３５を切断より接続へと切換える。膨張機３７が十分に回転速度を増す前に膨張機クラッチ３５を接続したのでは、膨張機３７がエンジン負荷となるし、トルクショックも生じ得る。これに対して、エンジン出力軸との回転速度差がなくなるｔ１３で膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７がエンジン負荷となることも、膨張機クラッチ３５を締結することに伴うトルクショックも防止できる。

　次に、膨張機３７のフリクションの増大の検出について説明する。

　膨張機３７の回転のフリクションが増大した場合には、膨張機３７の回転に支障が出てランキンサイクル３１の効率が低下する。そこで、次のような方法によって、膨張機３７のフリクションの増大があるかを検出する。

　図１０は、膨張機３７のフリクションが増大しているかを検出するための検出動作を示す説明図である。

　エンジンコントローラ７１は、ランキンサイクル３１がランキンサイクル運転域にある状態において、膨張機クラッチ３５を解放するとともに膨張機バイパス弁６６を開弁して、膨張機３７を自由回転させ、このときの膨張機回転速度を検出することによって。膨張機３７のフリクションの増大を検出する。

　ランキンサイクル運転域では、膨張機クラッチ３５を接続し、膨張機３７の回転によってエンジン出力軸の回転をアシストする。

　ここで、エンジンコントローラ７１は、膨張機クラッチ３５を切断するとともに、膨張機バイパス弁６６を開弁して、膨張機３７への冷媒の流れをバイパスする。この結果、膨張機３７が無負荷状態となり、膨張機３７に供給される冷媒の圧力が低下するので、膨張機３７は慣性によって自由回転する。

　ランキンサイクル運転域において膨張機クラッチ３５を切断するとき、膨張機上流圧力が所定値以上、または膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差が所定差以上である場合は、膨張機３７の回転によってエンジン回転をアシストしている状態であり、これを直ちに無負荷状態とした場合は冷媒の残圧を受け、アシストトルク分の自由回転によって、膨張機３７の回転速度が一旦上昇する。

　その後、膨張機３７は、ベアリングや軸受等の自身のフリクションによって漸次回転が低下する。

　エンジンコントローラ７１は、膨張機３７を無負荷としたときの膨張機回転速度の上昇分を検出して、膨張機３７のフリクションの増大が発生していないかを判定する。

　すなわち、エンジンコントローラ７１は、膨張機回転速度の上昇が所定値以上の上昇である場合は正常と判定し、膨張機回転速度の上昇が所定値未満である場合は、膨張機３７のフリクションが増大していると判定する。このように、膨張機クラッチ３５を切断したときに、膨張機３７の回転速度の上昇に基づいて膨張機３７のフリクションの増大を検出すると、次のような理由で高い診断精度が得られる。残圧がない状態での自由回転による膨張機３７の回転速度の低下は、フリクション増大の有無で差が出にくいのに対し、残圧がある状態での膨張機３７の回転速度の上昇は、僅かなフリクションの増大によっても比較的大きく目減りし、フリクション増大の有無で差が出易いからである。そして、上記の検出動作では、クラッチ切断とほぼ同時にバイパス弁６６を開弁するので、膨張機３７が過回転（回転速度が過剰）となるのを防止しつつ、回転速度の上昇に基づいたフリクション増大の検出を行なうことができる。冷媒ポンプ３２は、膨張機３７により回生された動力で駆動されるポンプなので、膨張機の回転速度を上昇させる場合に過回転を生じにくくさせ、回転速度の上昇に基づいたフリクション増大の検出が実施し易い構成である。

　膨張機３７のフリクションが増大した場合は、たとえば膨張機３７の回転軸や軸受、ベアリング等に何らかの異常が発生している可能性が高い。この場合、エンジンコントローラ７１は、運転者に警告を通報して、サービスセンターでの点検を行うことを促すことができる。膨張機回転速度の上昇の所定値は、例えば、設計値における上昇の９０％に低下している場合に、フリクションの増大と判定する。

　膨張機３７は、予め許容回転速度が設定されている。エンジンコントローラ７１は、膨張機クラッチ３５を切断して膨張機回転速度が上昇したときに膨張機回転速度が許容回転速度を超えない範囲の冷媒圧力を予め把握しておき、フリクションの増大を検出するときに、予め膨張機３７の冷媒圧力を予め把握しておいた圧力に設定しておくことが望ましい。

　例えば、膨張機３７を無負荷としたときに、膨張機３７が許容回転速度に到達しない範囲での上限の圧力を予め実験等によって求めておき、エンジンコントローラ７１が、検出した膨張機上流圧力が、上限圧力以下である場合に（上限圧力以下まで下がったところで）膨張機クラッチ３５を切断するようにしてもよい。

　また、膨張機３７を無負荷としたときに、膨張機３７が許容回転速度に到達しない範囲での膨張機の上流圧力と下流圧力との上限の圧力差を予め実験等によって求めておき、エンジンコントローラ７１が、検出した膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差が、上限圧力差以下である場合に（上限圧力差以下まで下がったところで）膨張機クラッチ３５を切断するようにしてもよい。

　図１１は、膨張機３７のフリクションが増大しているかを検出するための検出動作の別の例を示す説明図である。

　前述のように、エンジンコントローラ７１は、ランキンサイクル運転域では、膨張機クラッチ３５を接続し、膨張機３７の回転によってエンジン出力軸の回転をアシストする。

　ここで、エンジンコントローラ７１は、膨張機クラッチ３５を切断する。この結果、膨張機３７は無負荷状態となり、ランキンサイクル３１の冷媒によって膨張機回転速度が上昇する。

　エンジンコントローラ７１は、このときの膨張機３７の回転速度の上昇分を検出して、膨張機３７のフリクションの増大が発生していないかを判定する。

　一方、エンジンコントローラ７１は、膨張機回転速度を検出して、膨張機回転速度が予め設定された許容回転速度に対して余裕分を持った所定回転速度以上となったか否かを判定する。所定回転速度以上となった場合は、膨張機３７が許容回転速度に達することを防ぐために、エンジンコントローラ７１は、膨張機バイパス弁６６を開弁して、膨張機３７への冷媒の供給を停止する。膨張機３７は、膨張機バイパス弁６６が開弁した後は冷媒による駆動力が与えられないため、自身のフリクションによって漸次回転が低下する。

　このように、図１１に示す方法では、前述の図１０で説明したように、膨張機クラッチ３５の切断と膨張機バイパス弁６６の開弁とを同時に行った場合と比較して、膨張機回転速度の上昇分が大きくなるので、膨張機回転速度の上昇が判定しやすく、膨張機３７のフリクションの増大の判定が行いやすい。

　図８において前述したように、エンジンコントローラ７１は、膨張機トルクが所定以下になるときには膨張機クラッチ３５を切断し、膨張機３７の引き摺り現象を回避するように制御する。

　このとき、膨張機クラッチ３５を切断するｔ３よりも前の、ｔ２のタイミングで膨張機バイパス弁６６を開弁するように構成することができる。膨張機のフリクション増大の検出を行なわないときは、膨張機クラッチ３５の切断前に、膨張機バイパス弁６６を開弁することによって、膨張機上流と膨張機下流との冷媒圧力差を十分低下させることができ、膨張機クラッチ３５を切断したときに膨張機３７が過回転することを防止することができる。

　以上のように本発明の実施形態では、ランキンサイクル運転域において、膨張機クラッチ３５を切断して膨張機３７を無負荷としたときの膨張機回転速度の上昇を検出するように構成した。

　このように構成することによって、膨張機３７を無負荷としたときの膨張機回転速度の上昇に基づいて、膨張機３７のフリクションの増大を検出することができる。特に、歪みセンサ等のトルクセンサを用いる必要がないため、膨張機３７の大型化、コストの上昇を避けることができる。残圧がある状態での膨張機３７の回転速度の上昇は、僅かなフリクションの増大によっても比較的大きく目減りし、フリクション増大の有無で差が出易いため高い診断制度が得られる。クラッチ切断の際にバイパス弁６６を開弁することにすれば、回転速度の上昇に基づいたフリクション増大の検出を、膨張機３７が過回転（回転速度が過剰）となるのを防止しつつ行なうことができる。

　また、膨張機３７を無負荷としたとき、膨張機３７の膨張機回転速度が膨張機３７の許容回転速度を上回らないように、膨張機バイパス弁６６を開弁して、膨張機３７を駆動させる冷媒の圧力を低下させる。これにより、膨張機３７を無負荷状態で駆動力を与えることがなくなり、膨張機３７の過回転を防止して故障を未然に防止する。

　また、膨張機クラッチ３５を切断するときに、膨張機３７の膨張機上流圧力または膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差を検出し、膨張機上流圧力が所定圧力以下、又は圧力差が所定圧力差以下のときに膨張機クラッチ３５を切断するので、膨張機３７が無負荷状態のときに過剰な駆動力を与えることがなくなり、膨張機３７の過回転を防止して故障を未然に防止する。

　また、膨張機のフリクション増大の検出を行なわないとき、例えばランキンサイクル運転域において、膨張機トルクの低下等によって膨張機クラッチ３５を切断する場合には、予め膨張機バイパス弁６６を開弁しておき、膨張機を駆動させる冷媒の圧力を低下させることによって、膨張機の過回転を防止して故障を未然に防止する。

　以上説明した本発明の実施形態では、ハイブリッド車両を例に説明したが、これに限られるものでない。エンジン２のみを搭載した車両にも本発明の適用がある。エンジン２は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれでもかまわない。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する主旨ではない。

　本願は、２０１１年９月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－２１６７６５に基づく優先権を主張する。この出願のすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　エンジン（２）の廃熱を冷媒に回収する熱交換器（３６）と、前記熱交換器（３６）を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機（３７）と、前記膨張機（３７）を出た冷媒を凝縮させる凝縮器（３８）と、前記凝縮器（３８）を出た冷媒を前記熱交換器（３６）に供給する冷媒ポンプ（３２）と、を備えるランキンサイクル（３１）と、
　前記膨張機（３７）により回生された動力を前記エンジン（２）に伝達する動力伝達機構（３４）と、
　を備える廃熱利用装置において、
　前記動力伝達機構（３４）は、前記膨張機から前記エンジンへの動力の伝達を断続する断続手段（３５）を備え、
　前記膨張機（３７）は、前記膨張機（３７）の回転速度を検出する回転速度検出手段（７３ａ）を備え、
　前記断続手段（３５）を切断したときに、前記回転速度検出手段（３７ａ）により検出された前記膨張機（３７）の回転速度の上昇に基づいて、前記膨張機（３７）のフリクションの増大を検出するフリクション増大検出手段（７１）を備える廃熱利用装置。
　請求項１に記載の廃熱利用装置であって、
　前記ランキンサイクル（３１）は、前記膨張機（３７）に導入する冷媒をバイパスさせるバイパス通路（６５）と、前記パイパス通路（６５）への冷媒の導通を断続するバイパス弁（６６）と、を備え、
　前記フリクション増大検出手段（７１）は、前記断続手段（３５）を切断したとき、前記バイパス弁（６６）を制御して前記バイパス通路（６５）を導通させる廃熱利用装置。
　請求項２に記載の廃熱利用装置であって、
　前記フリクション増大検出手段（７１）は、前記断続手段（３５）を切断したのと同時に、前記バイパス弁（６５）を制御して前記バイパス通路（６６）を導通させる廃熱利用装置。
　請求項１に記載の廃熱利用装置であって、
　前記ランキンサイクル（３１）は、前記膨張機（３７）に導入する冷媒をバイパスさせるバイパス通路（６５）と、前記パイパス通路（６５）への冷媒の導通を断続するバイパス弁（６６）と、を備え、
　前記フリクション増大検出手段（７１）は、前記断続手段（３５）を切断したとき、前記膨張機（３７）の回転速度が前記膨張機（３７）の許容回転速度以下となるように、前記バイパス弁（６６）を制御して前記バイパス通路（６５）を導通させる廃熱利用装置。
　請求項１から４のいずれかに記載の廃熱利用装置であって、
　前記膨張機（３７）の上流側の冷媒圧力を検出する圧力検出手段（７２）を備え、
　前記フリクション増大検出手段（７１）は、前記圧力検出手段（７２）によって検出された前記膨張機（３７）の上流側の冷媒圧力が所定圧力以下である場合に、前記断続手段（３５）を切断する廃熱利用装置。
　請求項１から４のいずれかに記載の廃熱利用装置であって、
　前記膨張機（３７）の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差を検出する圧力差検出手段（７２、７３）を備え、
　前記フリクション増大検出手段（７１）は、前記圧力差検出手段（７２、７３）によって検出された前記膨張機（３７）の上流側の冷媒圧力と下流側の冷媒圧力との差が所定圧力差以下である場合に、前記断続手段（３５）を切断する廃熱利用装置。
　請求項２から４のいずれかに記載の廃熱利用装置であって、
　前記膨張機（３７）のフリクション増大の検出を行なわないときは、前記膨張機（３７）が動力を回生しているときに、前記バイパス通路（６５）を導通させた後に、前記断続手段（３５）を切断する廃熱利用装置。
　請求項１から７のいずれかに記載の廃熱利用装置であって、
　前記冷媒ポンプ（３２）は、前記膨張機（３７）により回生された動力で駆動されるポンプである廃熱利用装置。