WO2016021375A1 - ランキンサイクルシステム - Google Patents

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WO2016021375A1
WO2016021375A1 PCT/JP2015/070126 JP2015070126W WO2016021375A1 WO 2016021375 A1 WO2016021375 A1 WO 2016021375A1 JP 2015070126 W JP2015070126 W JP 2015070126W WO 2016021375 A1 WO2016021375 A1 WO 2016021375A1
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小林日出夫
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a Rankine cycle system.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose Rankine cycle systems using a refrigerant for cooling an internal combustion engine.
  • a refrigerant for cooling an internal combustion engine.
  • a first pump for supplying a liquid phase refrigerant to the internal combustion engine; a steam generator for supplying waste gas of the internal combustion engine to the liquid phase refrigerant supplied from the gas / liquid separator and supplying the waste heat to the gas / liquid separator; A superheater that gives waste heat of the internal combustion engine to a gas-phase refrigerant supplied from the gas-liquid separator, an expander driven by the refrigerant supplied from the superheater, and supplied from the expander A condenser that condenses the refrigerant, and a second pump that supplies the refrigerant from the condenser to the gas-liquid separator.
  • An object of the present invention is to provide a Rankine cycle system in which a reduction in recovery efficiency of waste heat of an internal combustion engine is suppressed.
  • the object is to provide an internal combustion engine cooled by a refrigerant circulating inside, a gas-liquid separator, and supply a refrigerant from the internal combustion engine to the gas-liquid separator, and again from the gas-liquid separator to the internal combustion engine.
  • a superheater that gives waste heat of the internal combustion engine to the gas-phase refrigerant supplied from the compressor, an expander driven by the refrigerant supplied from the superheater, and the refrigerant supplied from the expander are condensed A condenser, a second pump that supplies refrigerant from the condenser to the gas-liquid separator, a first control valve that controls a flow rate of refrigerant from the internal combustion engine to the gas-liquid separator, and an internal combustion engine If the refrigerant temperature is low, the refrigerant temperature in the internal combustion engine As compared to the case have a control unit for controlling the first control valve to the closing side can be achieved by the Rankine cycle system comprising a.
  • the first control valve When the temperature of the refrigerant in the internal combustion engine is low, the first control valve is controlled to the closed side as compared with the case where the temperature of the refrigerant in the internal combustion engine is high, so that the relatively low temperature refrigerant is separated from the internal combustion engine. It is possible to suppress the supply to the steam generator, and it is possible to suppress the condensation of the gas-phase refrigerant supplied from the steam generator to the gas-liquid separator. Thereby, the fall of the supply amount of the gaseous-phase refrigerant
  • the control unit controls the first control valve to be closed when the temperature of the refrigerant in the internal combustion engine is equal to or lower than a first predetermined value, and the temperature of the refrigerant in the internal combustion engine exceeds the first predetermined value.
  • the first control valve may be controlled to the open side.
  • a second control valve provided between the gas-liquid separator and the superheater, wherein the control unit is configured such that the temperature of the refrigerant in the internal combustion engine is equal to or lower than the first predetermined value and the steam generator
  • the second control valve is closed when the temperature of the refrigerant in the steam generator is equal to or lower than a second predetermined value, and the temperature of the refrigerant in the steam generator exceeds the second predetermined value, or the refrigerant in the internal combustion engine When the temperature exceeds the first predetermined value, the second control valve may be opened.
  • Another object of the present invention is to provide an internal combustion engine cooled by a refrigerant circulating in the interior, a gas-liquid separator, and supply the refrigerant from the internal combustion engine to the gas-liquid separator, and again from the gas-liquid separator to the internal combustion engine.
  • a second path through which the refrigerant can flow and liquid phase refrigerant to the internal combustion engine When the temperature of the liquid refrigerant supplied from the second path is lower than a predetermined value, the first path is provided at a junction of the possible third path and the first, second, and third paths. The path is blocked and the second and third paths are communicated. When the temperature of the liquid-phase refrigerant supplied from the second path is higher than the predetermined value, the second path is blocked and the first and first paths are blocked. This can be achieved by a Rankine cycle system equipped with a thermostat communicating three paths.
  • the thermostat When the temperature of the liquid-phase refrigerant supplied from the second path is lower than a predetermined value, the thermostat shuts off the first path and connects the second and third paths, so that the relatively low-temperature refrigerant is removed from the internal combustion engine.
  • Supply to the gas-liquid separator can be suppressed, and condensation of the gas-phase refrigerant supplied from the steam generator to the gas-liquid separator can be suppressed.
  • coolant from a gas-liquid separator to a superheater and an expander can be suppressed, and the fall of the recovery efficiency of the waste heat of an internal combustion engine can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a Rankine cycle system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of control executed by the ECU after the engine is started.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a Rankine cycle system according to a modification.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a Rankine cycle system according to a modification.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of control executed by the ECU after the engine is started.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the system 1.
  • the system 1 is mounted on a vehicle.
  • the system 1 uses a refrigerant for cooling the engine 11.
  • a water jacket 13 (W / J) is provided in the engine 11, and the pump 12 pumps the refrigerant to the water jacket 13.
  • the pump 12 may be a mechanical type driven by the power of the crankshaft of the engine 11 or an electric water pump driven by a motor.
  • a mechanical water pump is used as an example of the pump 12.
  • the pump 12 starts pumping the refrigerant as the engine 11 starts.
  • the pump 12 is an example of a first pump.
  • the liquid-phase refrigerant pumped from the pump 12 flows through the water jacket 13 and is discharged from the engine 11.
  • the refrigerant can boil due to the heat of the engine 11 when it flows through the water jacket 13.
  • the refrigerant further absorbs the heat of the engine 11 as latent heat during the boiling. In this way, the engine 11 is cooled.
  • a refrigerant containing ethylene glycol and water is used, but the present invention is not limited to this.
  • the system 1 includes a gas-liquid separator 30 (GLS), a steam generator 50 (ESG), a superheater 60 (SH), a turbine 70 (TB), a condenser 80 (CND), a catch tank 90 (CT), and a pump 100. (Pb), various passages through which the refrigerant passes, and ECU 120.
  • GLS gas-liquid separator 30
  • ESG steam generator 50
  • SH superheater 60
  • TB turbine 70
  • CND condenser 80
  • CT catch tank 90
  • Pb pump 100.
  • the passage 110 a communicates the discharge port of the engine 11 and the supply port of the gas-liquid separator 30.
  • the passage 110b communicates the discharge port of the gas-liquid separator 30 and the supply port of the superheater 60.
  • the passage 110 c communicates the discharge port of the superheater 60 and the supply port of the turbine 70.
  • the passage 110 d communicates the exhaust port of the turbine 70 and the supply port of the condenser 80.
  • the passage 110e communicates the discharge port of the condenser 80 and the supply port of the catch tank 90.
  • the passage 110f communicates the discharge port of the catch tank 90 and the supply port of the gas-liquid separator 30.
  • the passage 110h communicates the discharge port of the gas-liquid separator 30 and the supply port of the steam generator 50.
  • the passage 110 i communicates the discharge port of the steam generator 50 and the supply port of the gas-liquid separator 30.
  • the passage 110j communicates the discharge port of the gas-liquid separator 30 and the supply port of
  • the passage 110b is connected to the upper side of the liquid level refrigerant in the gas-liquid separator 30 and can supply the gas-phase refrigerant in the gas-liquid separator 30 to the superheater 60.
  • the passages 110h and 110j are connected to a lower side than the liquid level of the liquid refrigerant in the gas-liquid separator 30, and the liquid refrigerant in the gas-liquid separator 30 is supplied to the engine 11 and the steam generator 50, respectively. It can be supplied.
  • the passage 110 i is connected to the upper side of the liquid phase refrigerant level of the gas-liquid separator 30, and can supply the gas-phase separator 30 generated by the vapor generator 50 to the gas-liquid separator 30.
  • the liquid level sensor 130 detects the liquid level of the liquid phase refrigerant in the gas-liquid separator 30.
  • the temperature sensor 131 is provided in the steam generator 50 and detects the temperature of the liquid-phase refrigerant in the steam generator 50.
  • the temperature sensor 132 is provided in the engine 11 and detects the temperature of the liquid refrigerant in the water jacket 13. These sensors output the detection result to the ECU 120.
  • the temperature sensor 132 may be provided in the vicinity of the outlet of the water jacket 13 communicating with the passage 110a, or may be provided in the passage 110a.
  • Control valves 140a (Va) and 140b (Vb) open and close passages 110a and 110b, respectively, according to commands from ECU 120.
  • the passage 110 a communicates the water jacket 13 of the engine 11 and the gas-liquid separator 30, and the control valve 140 a is a first control valve that controls the flow rate of the refrigerant supplied from the engine 11 to the gas-liquid separator 30. It is an example.
  • the passage 110b communicates the gas-liquid separator 30 and the superheater 60, and the control valve 140b is a second control that controls the flow rate of the gas-phase refrigerant supplied from the gas-liquid separator 30 to the superheater 60. It is an example of a valve.
  • the refrigerant discharged from the water jacket 13 of the engine 11 passes through the passage 110a and is supplied to the gas-liquid separator 30.
  • the refrigerant discharged from the water jacket 13 includes a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant depending on the refrigerant temperature. For example, when the temperature of the engine 11 is low and the refrigerant temperature is low, a liquid-phase refrigerant is supplied to the gas-liquid separator 30. When the temperature of the engine 11 is high, a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant are supplied to the gas-liquid separator 30.
  • the gas-liquid separator 30 separates the supplied refrigerant into a gas phase and a liquid phase.
  • the gas-phase refrigerant in the gas-liquid separator 30 is supplied to the superheater 60 through the passage 110b when the control valve 140b is open.
  • the superheater 60 superheats the refrigerant with the waste heat of the engine 11 to form superheated steam.
  • the heat of the exhaust gas in the exhaust passage of the engine 11 is used as an example of the waste heat of the engine 11.
  • the superheater 60 is provided upstream of the steam generator 50 in the exhaust passage of the engine 11.
  • the refrigerant superheated by the superheater 60 is supplied as superheated steam to the turbine 70 via the passage 110c.
  • the turbine 70 rotates upon receiving the supplied superheated steam.
  • a generator (not shown) is connected to the turbine 70. The generator generates electricity when the turbine 70 rotates.
  • the waste heat of the engine 11 is recovered as electric power of the generator.
  • the refrigerant that is superheated steam expands by rotating the turbine 70. Therefore, the turbine 70 functions as an expander of the system 1.
  • the gas-phase refrigerant discharged from the turbine 70 is supplied to the condenser 80 through the passage 110d.
  • the condenser 80 is a so-called condenser that condenses the gas-phase refrigerant into a liquid-phase refrigerant.
  • the liquid-phase refrigerant discharged from the condenser 80 is supplied to the catch tank 90 via the passage 110e.
  • the catch tank 90 temporarily stores the refrigerant discharged from the condenser 80.
  • the pump 100 is driven in response to an instruction from the ECU 120. When the pump 100 disposed in the passage 110f is driven, the refrigerant in the catch tank 90 is supplied to the gas-liquid separator 30 through the passage 110f.
  • the pump 100 is, for example, an electric positive displacement water pump, but is not limited thereto.
  • the pump 100 is an example of a second pump.
  • the liquid-phase refrigerant in the gas-liquid separator 30 is supplied to the steam generator 50 through the passage 110h.
  • the steam generator 50 heats the liquid-phase refrigerant with the waste heat of the engine 11 and discharges it as steam.
  • the heat of the exhaust gas in the exhaust passage of the engine 11 is used as an example of the waste heat of the engine 11.
  • the refrigerant discharged from the steam generator 50 passes through the passage 110i and is supplied to the gas-liquid separator 30.
  • the liquid-phase refrigerant stored in the gas-liquid separator 30 is supplied to the pump 12 through the passage 110j and supplied to the water jacket 13 of the engine 11.
  • the gas-liquid separator 30 is disposed at a higher position in the direction of gravity than the steam generator 50. Therefore, the liquid phase refrigerant stored in the gas-liquid separator 30 is supplied to the steam generator 50 through the passage 110h mainly using gravity.
  • the ECU 120 controls the control valves 140a and 140b to open and close the passages 110a and 110b. As will be described in detail later, the ECU 120 controls the opening degree of the control valve 140a according to the temperature of the refrigerant in the engine 11. The ECU 120 controls the opening degree of the control valve 140b in accordance with the temperature of the refrigerant in the steam generator 50. The ECU 120 also controls the pump 100. The ECU 120 also controls the operating state of the engine 11 by controlling the fuel injection amount, fuel injection timing, and the like of the engine 11.
  • the ECU 120 has a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), and a RAM (Random Access Memory).
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of control executed by the ECU 120 after the engine 11 is started. 2, it is assumed that the control valves 140a and 140b are open, and a predetermined amount of liquid-phase refrigerant is stored in the gas-liquid separator 30.
  • step S1 determines whether or not the refrigerant temperature in water jacket 13 acquired based on the detection result of temperature sensor 132 is equal to or lower than a predetermined value (step S1).
  • the predetermined value in step S ⁇ b> 1 is a refrigerant temperature at which the turbine 70 can be driven when supplied to the turbine 70 via the gas-liquid separator 30 and the superheater 60.
  • the predetermined value is 80 ° C.
  • This predetermined value is stored in advance in the ROM of the ECU 120.
  • This predetermined value is an example of a first predetermined value.
  • the case of Yes in step S1 corresponds to the case where the warm-up of the engine 11 is not completed, that is, the case where the warm-up operation is being performed.
  • the case of No in step S1 corresponds to the case after the warm-up of the engine 11 is completed.
  • step S2 ECU 120 closes control valve 140a (step S2). Thereby, supply of the low-temperature refrigerant to the gas-liquid separator 30 is stopped.
  • the ECU 120 determines whether or not the refrigerant temperature in the steam generator 50 acquired based on the detection result of the temperature sensor 131 is lower than a predetermined value (step S3).
  • the predetermined value in step S3 is the refrigerant temperature that can drive the turbine 70 when supplied to the turbine 70 via the gas-liquid separator 30 and the superheater 60.
  • the predetermined value is 80 ° C.
  • This predetermined value is stored in advance in the ROM of the ECU 120.
  • This predetermined value is an example of a second predetermined value.
  • the case of Yes in step S3 corresponds to the case where the warm-up of the system 1 is not completed.
  • the case of No in step S3 corresponds to the case after the warm-up of the system 1 is completed.
  • step S4 the ECU 120 closes the control valve 140b (step S4). Thereby, the refrigerant supply to the superheater 60 is stopped. In this case, the turbine 70 is not driven. Moreover, the refrigerant circulates between the gas-liquid separator 30 and the steam generator 50 by closing both the control valves 140a and 140b. Step S4 is executed until it is determined No in Step S3, that is, until the refrigerant temperature in the steam generator 50 exceeds a predetermined value.
  • step S5 ECU 120 opens control valve 140b (step S5).
  • the gas-phase refrigerant in the gas-liquid separator 30 is supplied to the superheater 60, the superheater 60 generates superheated steam, and the superheated steam is supplied to the turbine 70. Thereby, the turbine 70 is driven. Further, the internal pressure of the gas-liquid separator 30 is lowered by opening the control valve 140b. Thereby, the internal pressure of the steam generator 50 communicated with the gas-liquid separator 30 via the passage 110i is also reduced. As a result, the boiling of the refrigerant in the steam generator 50 is facilitated.
  • step S6 the ECU 120 opens the control valve 140a (step S6), and also opens the control valve 140b (step S5).
  • step S6 the refrigerant discharged from the engine 11 is supplied to the gas-liquid separator 30, and the refrigerant discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied to the superheater 60.
  • superheated steam is generated by the superheater 60, the superheated steam is supplied to the turbine 70, and the turbine 70 is driven.
  • the control valves 140a and 140b are closed.
  • the case where the refrigerant temperature is determined to be equal to or lower than the predetermined value in steps S1 and S3 is immediately after the cold start of the engine 11, for example.
  • the refrigerant in the gas-liquid separator 30 circulates between the gas-liquid separator 30 and the steam generator 50, and the superheater 60 and the turbine 70 are kept until the refrigerant temperature discharged from the steam generator 50 exceeds a predetermined value. It is prohibited to supply a gas-phase refrigerant.
  • step S1 If it is determined in step S1 that the refrigerant temperature in the water jacket 13 is equal to or lower than the predetermined value, even if it is determined in step S3 that the refrigerant temperature in the steam generator 50 has exceeded the predetermined value, the control valve 140a is The valve is closed and the control valve 140b is opened. As a result, if the refrigerant in the steam generator 50 exceeds a predetermined value even if the refrigerant temperature in the water jacket 13 is low, the gas phase liquid phase generated by the steam generator 50 is changed to gas-liquid.
  • the turbine 70 can be driven through the separator 30 and the superheater 60 and can be driven. As described above, even when the engine 11 is still in the cold state, when the refrigerant temperature in the steam generator 50 is relatively high, the liquid-phase refrigerant generated by the steam generator 50 is quickly removed from the turbine 70. And the system 1 can be operated.
  • step S1 When it is determined in step S1 that the refrigerant temperature in the water jacket 13 has exceeded a predetermined value, the control valves 140a and 140b are opened, and the refrigerant is supplied from the water jacket 13 to the gas-liquid separator 30.
  • the gas-phase refrigerant in 30 is supplied to the superheater 60 and the turbine 70.
  • the control valve 140b is opened even when the refrigerant temperature in the steam generator 50 is equal to or lower than a predetermined value.
  • the case where the refrigerant temperature in the water jacket 13 exceeds a predetermined value means the case where the engine 11 is in a warm-up state. When the engine 11 is in a warm-up state, the refrigerant in the steam generator 50 is not heated. Regardless of the temperature, the gas-phase refrigerant in the gas-liquid separator 30 is supplied to the turbine 70. Thereby, the turbine 70 can be driven as early as possible after the engine 11 is in a warm-air state.
  • the low-temperature refrigerant in the water jacket 13 is prohibited from being supplied to the gas-liquid separator 30.
  • the system 1 can be operated at an early stage, and the reduction in the recovery efficiency of the waste heat of the engine 11 can be suppressed, and the improvement in fuel efficiency can be suppressed.
  • the steam generator 50 uses the heat of the exhaust gas that becomes high temperature early as a heat source even after the engine 11 is cold started, and the steam generator 50 has a relatively small heat capacity. For this reason, it takes no time for the steam generator 50 to reach a high temperature, and the time required for the refrigerant temperature in the steam generator 50 to exceed a predetermined value is relatively short.
  • the refrigerant temperature in the steam generator 50 may first exceed the predetermined value before the refrigerant temperature in the water jacket 13 exceeds the predetermined value.
  • the system 1 can be operated at an early stage by using the gas-phase refrigerant discharged from the steam generator 50 that becomes hot at an early stage.
  • the opening degree of the control valve 140a may be controlled according to the refrigerant temperature in the water jacket 13.
  • the ECU 120 controls the opening side so that the opening degree of the control valve 140a increases as the refrigerant temperature in the water jacket 13 increases, and the opening degree of the control valve 140a decreases as the refrigerant temperature in the water jacket 13 decreases. You may control to a close side so that it may become.
  • the refrigerant temperature in the water jacket 13 is low, the flow rate of the liquid-phase refrigerant supplied to the gas-liquid separator 30 can be suppressed, and the gas-phase refrigerant generated by the steam generator 50 is separated from the gas-liquid. Condensation in the vessel 30 can be suppressed.
  • the first and second predetermined values that are the conditions for opening and closing the control valves 140a and 140b are the same value, but may be different.
  • 3 and 4 are schematic diagrams showing the overall configuration of the system 1a.
  • the system 1a includes the thermostat 20 and does not include the control valve 140a.
  • the passage 110k communicates the discharge port of the gas-liquid separator 30 and the first supply port of the thermostat 20 so that liquid-phase refrigerant can flow from the gas-liquid separator 30.
  • the passage 110 l communicates with the discharge port of the engine 11 and the second supply port of the thermostat 20, and allows liquid phase refrigerant to flow from the engine 11.
  • the passage 110 m communicates the discharge port of the thermostat 20 and the supply port of the pump 12, and can supply liquid phase refrigerant to the engine 11.
  • the thermostat 20 is provided at the junction of the passages 110k, 110l, and 110m.
  • the thermostat 20 includes a valve body 22.
  • the valve body 22 connects the passages 110l and 110m and blocks the passage 110k.
  • the valve body 22 blocks the passage 110l and connects the passages 110k and 110m. Therefore, when the passage 110k is blocked, the supply of the refrigerant from the gas-liquid separator 30 to the engine 11 is prohibited.
  • the passage 110k and the passage 110m communicate with each other, the refrigerant is supplied from the gas-liquid separator 30 to the engine 11.
  • FIG. 3 shows a state in which the passages 110l and 110m communicate with each other and the passage 110k is blocked.
  • FIG. 4 shows a state in which the passages 110k and 110m communicate with each other and the passage 110l is blocked.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of control executed by the ECU 120a after the engine 11 is started.
  • the ECU 120a determines whether or not the refrigerant temperature in the steam generator 50 acquired based on the detection result of the temperature sensor 131 is equal to or lower than a predetermined value (step S1a).
  • the predetermined value is, for example, 80 ° C.
  • step S2a If it is determined Yes in step S1a, the ECU 120a closes the control valve 140b (step S2a). The supply of the refrigerant to the superheater 60 is stopped by closing the control valve 140b in step S2a.
  • step S3a ECU 120 opens control valve 140b (step S3a). As a result, the refrigerant discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied to the superheater 60.
  • step S4a determines whether or not the temperature of the refrigerant discharged from the water jacket 13 acquired based on the detection result of the temperature sensor 132 is equal to or lower than a predetermined value (step S4a).
  • the valve body 22 of the thermostat 20 connects the passages 110l and 110m as shown in FIG. 3 and blocks the passage 110k. .
  • the refrigerant passing through the water jacket 13 circulates in the water jacket 13 through the passages 110l and 110m.
  • the passage 110 a connected to the water jacket 13 extends vertically above the engine 11, whereas the passage 110 l extends below the engine 11. For this reason, in a state where the passages 110l and 110m communicate with each other, the refrigerant flows into the passage 110l before flowing from the water jacket 13 to the passage 110a.
  • step S4a a relatively high temperature refrigerant is supplied from the water jacket 13 into the thermostat 20 so that the valve body 22 becomes hot, and the valve body 22 blocks the passage 110l as shown in FIG. , 110m. Accordingly, the circulation of the refrigerant is prohibited through the passages 110l and 110m, and the refrigerant is supplied from the water jacket 13 to the gas-liquid separator 30. Further, in the case of No in step S4a, the ECU 120a opens the control valve 140b (step S5a). As a result, the refrigerant discharged from the gas-liquid separator 30 is supplied to the superheater 60.
  • the refrigerant when the refrigerant temperature in the water jacket 13 is relatively low, the refrigerant circulates through the engine 11 through the passage 110l, the thermostat 20, and the passage 110m.
  • coolant when the gaseous-phase refrigerant
  • the passage 110l When the temperature of the refrigerant in the water jacket 13 becomes relatively high, the passage 110l is blocked and the circulation of the refrigerant through the passages 110l and 110m is suppressed, and the refrigerant is supplied from the gas-liquid separator 30 to the water jacket 13. .
  • the passage 110l By blocking the passage 110l in this way, a refrigerant having a temperature exceeding a predetermined value is supplied from the water jacket 13 to the gas-liquid separator 30.

Abstract

　内部を循環する冷媒により冷却される内燃機関と、気液分離器と、前記内燃機関から前記気液分離器に冷媒を供給し再び前記気液分離器から前記内燃機関に液相の冷媒を供給する第１ポンプと、前記気液分離器から供給される液相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与えて前記気液分離器に供給する蒸気発生器と、前記気液分離器から供給される気相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与える過熱器と、前記過熱器から供給される冷媒によって駆動される膨張機と、前記膨張機から供給される冷媒が凝縮される凝縮器と、前記凝縮器から前記気液分離器に冷媒を供給する第２ポンプと、前記内燃機関から前記気液分離器への冷媒の流量を制御する第１制御弁と、前記内燃機関内の冷媒の温度が低い場合、前記内燃機関内の冷媒の温度が高い場合に比べて、前記第１制御弁を閉じ側に制御する制御部と、を備えたランキンサイクルシステム。

Description

ランキンサイクルシステム
　本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。
　特許文献１、２には、内燃機関を冷却する冷媒を利用したランキンサイクルシステムが開示されている。例えばこのようなランキンサイクルシステムは、内部を循環する冷媒により冷却される内燃機関と、気液分離器と、前記内燃機関から前記気液分離器に冷媒を供給し再び前記気液分離器から前記内燃機関に液相の冷媒を供給する第１ポンプと、前記気液分離器から供給される液相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与えて前記気液分離器に供給する蒸気発生器と、前記気液分離器から供給される気相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与える過熱器と、前記過熱器から供給される冷媒によって駆動される膨張機と、前記膨張機から供給される冷媒が凝縮される凝縮器と、前記凝縮器から前記気液分離器に冷媒を供給する第２ポンプと、を備えている。
特開２０１０－２２３１１６号公報 特開２００８－１６９７６０号公報
　例えば、内燃機関から比較的低温の液相の冷媒が気液分離器に供給され、蒸気発生器から気相の冷媒が気液分離器に供給された場合、気液分離器内で液相の冷媒と気相の冷媒とが接触して、気相の冷媒が凝縮して消滅する恐れがある。この場合、気液分離器から過熱器及び膨張機への気相の冷媒の供給量が低下する恐れがある。これにより、内燃機関の廃熱の回収効率が低下する恐れがある。
　本発明は、内燃機関の廃熱の回収効率の低下が抑制されたランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。
　上記目的は、内部を循環する冷媒により冷却される内燃機関と、気液分離器と、前記内燃機関から前記気液分離器に冷媒を供給し再び前記気液分離器から前記内燃機関に液相の冷媒を供給する第１ポンプと、前記気液分離器から供給される液相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与えて前記気液分離器に供給する蒸気発生器と、前記気液分離器から供給される気相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与える過熱器と、前記過熱器から供給される冷媒によって駆動される膨張機と、前記膨張機から供給される冷媒が凝縮される凝縮器と、前記凝縮器から前記気液分離器に冷媒を供給する第２ポンプと、前記内燃機関から前記気液分離器への冷媒の流量を制御する第１制御弁と、前記内燃機関内の冷媒の温度が低い場合、前記内燃機関内の冷媒の温度が高い場合に比べて、前記第１制御弁を閉じ側に制御する制御部と、を備えたランキンサイクルシステムによって達成できる。
　内燃機関内の冷媒の温度が低い場合、内燃機関内の冷媒の温度が高い場合に比べて、第１制御弁を閉じ側に制御することにより、比較的低温の冷媒が内燃機関から気液分離器に供給されることを抑制でき、蒸気発生器から気液分離器に供給される気相の冷媒の凝縮を抑制できる。これにより、気液分離器から過熱器及び膨張機への気相の冷媒の供給量の低下を抑制でき、内燃機関の廃熱の回収効率の低下を抑制できる。
　前記制御部は、前記内燃機関内の冷媒の温度が第１所定値以下の場合に前記第１制御弁を閉じ側に制御し、前記内燃機関内の冷媒の温度が前記第１所定値を超えている場合に前記第１制御弁を開き側に制御してもよい。
　前記気液分離器と前記過熱器との間に設けられた第２制御弁を備え、前記制御部は、前記内燃機関内の冷媒の温度が前記第１所定値以下でありかつ前記蒸気発生器内の冷媒の温度が第２所定値以下の場合に前記第２制御弁を閉じ、前記蒸気発生器内の冷媒の温度が前記第２所定値を超えている場合、又は前記内燃機関内の冷媒の温度が前記第１所定値を超えている場合に前記第２制御弁を開いてもよい。
　また上記目的は、内部を循環する冷媒により冷却される内燃機関と、気液分離器と、前記内燃機関から前記気液分離器に冷媒を供給し再び前記気液分離器から前記内燃機関に液相の冷媒を供給する第１ポンプと、前記気液分離器から供給される液相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与えて前記気液分離器に供給する蒸気発生器と、前記気液分離器から供給される気相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与える過熱器と、前記過熱器から供給される冷媒によって駆動される膨張機と、前記膨張機から供給される冷媒が凝縮される凝縮器と、前記凝縮器から前記気液分離器に冷媒を供給する第２ポンプと、前記気液分離器から液相の冷媒が流通可能な第１経路と、前記内燃機関から液相の冷媒が流通可能な第２経路と、前記内燃機関へ液相の冷媒を供給可能な第３経路と、前記第１、第２、及び第３経路の合流箇所に設けられ、前記第２経路から供給される液相の冷媒の温度が所定値よりも低い場合に前記第１経路を遮断し前記第２及び第３経路を連通し、前記第２経路から供給される液相の冷媒の温度が前記所定値よりも高い場合に前記第２経路を遮断し前記第１及び第３経路を連通するサーモスタットと、を備えたランキンサイクルシステムによって達成できる。
　サーモスタットが第２経路から供給される液相の冷媒の温度が所定値よりも低い場合に第１経路を遮断し第２及び第３経路を連通することにより、比較的低温の冷媒が内燃機関から気液分離器に供給されることを抑制でき、蒸気発生器から気液分離器に供給される気相の冷媒の凝縮を抑制できる。これにより、気液分離器から過熱器及び膨張機への気相の冷媒の供給量の低下を抑制でき、内燃機関の廃熱の回収効率の低下を抑制できる。
　廃熱の回収効率の低下が抑制されたランキンサイクルシステムを提供することができる。
図１は実施例に係るランキンサイクルシステムの模式図である。 図２はエンジンの始動後でのＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。 図３は変形例に係るランキンサイクルシステムの模式図である。 図４は変形例に係るランキンサイクルシステムの模式図である。 図５はエンジンの始動後でのＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。
　本発明の実施例に係るランキンサイクルシステム（以下、システムと称する）１について説明する。図１は、システム１の模式図である。システム１は車両に搭載されている。システム１は、エンジン１１を冷却するための冷媒を利用している。エンジン１１内にはウォータジャケット１３（Ｗ／Ｊ）が設けられ、ポンプ１２は冷媒をウォータジャケット１３に圧送する。ポンプ１２は、エンジン１１のクランクシャフトの動力によって駆動される機械式であってもよいし、モータによって駆動される電動式のウォータポンプであってもよい。本実施例においてはポンプ１２の一例として、機械式のウォータポンプを用いる。この場合、ポンプ１２は、エンジン１１の始動開始とともに冷媒の圧送を開始する。ポンプ１２は、第１ポンプの一例である。
　ポンプ１２から圧送された液相の冷媒はウォータジャケット１３を流通して、エンジン１１から排出される。冷媒はウォータジャケット１３を流通する際に、エンジン１１の熱によって沸騰し得る。冷媒はこの沸騰の際に、潜熱としてエンジン１１の熱をさらに吸収する。このようにしてエンジン１１が冷却される。本実施例においては、エチレングリコールと水とを含む冷媒を用いるが、これに限定されない。
　システム１は、気液分離器３０（ＧＬＳ）、蒸気発生器５０（ＥＳＧ）、過熱器６０（ＳＨ）、タービン７０（ＴＢ）、凝縮器８０（ＣＮＤ）、キャッチタンク９０（ＣＴ）、ポンプ１００（Ｐｂ）、冷媒が通過する各種通路、ＥＣＵ１２０を備える。
　通路１１０ａは、エンジン１１の排出口と気液分離器３０の供給口とを連通する。通路１１０ｂは、気液分離器３０の排出口と過熱器６０の供給口とを連通する。通路１１０ｃは、過熱器６０の排出口とタービン７０の供給口とを連通する。通路１１０ｄは、タービン７０の排出口と凝縮器８０の供給口とを連通する。通路１１０ｅは、凝縮器８０の排出口とキャッチタンク９０の供給口とを連通する。通路１１０ｆは、キャッチタンク９０の排出口と気液分離器３０の供給口とを連通する。通路１１０ｈは、気液分離器３０の排出口と蒸気発生器５０の供給口とを連通する。通路１１０ｉは、蒸気発生器５０の排出口と気液分離器３０の供給口とを連通する。通路１１０ｊは、気液分離器３０の排出口とポンプ１２の供給口とを連通する。
　通路１１０ｂは、気液分離器３０内の液相の冷媒の液面よりも上方側に接続され、気液分離器３０内の気相の冷媒を過熱器６０へ供給可能である。通路１１０ｈ、１１０ｊは、気液分離器３０内の液相の冷媒の液面よりも下方側に接続されて、気液分離器３０内の液相の冷媒をそれぞれエンジン１１、蒸気発生器５０へ供給可能である。通路１１０ｉは、気液分離器３０の液相の冷媒の液面よりも上方側に接続され、蒸気発生器５０で生成された気相の冷媒を気液分離器３０に供給可能である。
　液面センサ１３０は、気液分離器３０内の液相の冷媒の液面を検出する。温度センサ１３１は、蒸気発生器５０に設けられ蒸気発生器５０内の液相の冷媒の温度を検出する。温度センサ１３２は、エンジン１１に設けられウォータジャケット１３内の液相の冷媒の温度を検出する。これらセンサは、検出結果をＥＣＵ１２０に出力する。尚、温度センサ１３２は、通路１１０ａに連通したウォータジャケット１３の排出口付近に設けられてよいし、通路１１０ａに設けられていてもよい。
　制御弁１４０ａ（Ｖａ）、１４０ｂ（Ｖｂ）は、ＥＣＵ１２０からの指令によりそれぞれ通路１１０ａ、１１０ｂを開閉する。通路１１０ａは、エンジン１１のウォータジャケット１３と気液分離器３０とを連通しており、制御弁１４０ａはエンジン１１から気液分離器３０に供給される冷媒の流量を制御する第１制御弁の一例である。通路１１０ｂは、気液分離器３０と過熱器６０とを連通しており、制御弁１４０ｂは、気液分離器３０から過熱器６０に供給される気相の冷媒の流量を制御する第２制御弁の一例である。
　図１に示すように、エンジン１１のウォータジャケット１３から排出された冷媒は、通路１１０ａを通過して気液分離器３０に供給される。ウォータジャケット１３から排出される冷媒には、冷媒温度によるが液相の冷媒と気相の冷媒とを含む。例えば、エンジン１１の温度が低く冷媒温度が低い場合には、液相の冷媒が気液分離器３０に供給される。エンジン１１の温度が高い場合には、液相の冷媒と気相の冷媒とが気液分離器３０に供給される。気液分離器３０は、供給された冷媒を気相と液相とに分離する。
　気液分離器３０内の気相の冷媒は、制御弁１４０ｂが開の場合、通路１１０ｂを通過して過熱器６０に供給される。過熱器６０は、エンジン１１の廃熱によって冷媒を過熱して過熱蒸気にする。本実施例では、このエンジン１１の廃熱の一例として、エンジン１１の排気通路の排気の熱を用いている。過熱器６０は、エンジン１１の排気通路のうち、蒸気発生器５０よりも上流側に設けられている。
　過熱器６０によって過熱された冷媒は、過熱蒸気となって通路１１０ｃを介してタービン７０に供給される。タービン７０は、供給された過熱蒸気を受けて回転する。タービン７０には、不図示の発電機が接続されている。タービン７０が回転により発電機が発電する。このようにして、本実施例に係るシステム１では、エンジン１１の廃熱を発電機の電力として回収する。尚、過熱蒸気である冷媒は、タービン７０を回転させることで膨張する。したがって、タービン７０は、システム１の膨張機として機能する。
　タービン７０から排出された気相の冷媒は、通路１１０ｄを通過して凝縮器８０に供給される。凝縮器８０は、気相の冷媒を凝縮して液相の冷媒にする、いわゆるコンデンサである。凝縮器８０から排出された液相の冷媒は、通路１１０ｅを介してキャッチタンク９０に供給される。キャッチタンク９０は、凝縮器８０から排出された冷媒を一時的に貯留する。ポンプ１００はＥＣＵ１２０からの指示を受けて駆動される。通路１１０ｆに配置されたポンプ１００が駆動されると、キャッチタンク９０の冷媒は通路１１０ｆを介して気液分離器３０に供給される。なお、ポンプ１００は、例えば電動式の容積型ウォータポンプであるがこれに限定されない。ポンプ１００は、第２ポンプの一例である。
　気液分離器３０内の液相の冷媒は、通路１１０ｈを介して蒸気発生器５０に供給される。蒸気発生器５０は、液相の冷媒をエンジン１１の廃熱によって加熱して蒸気にして排出する。本実施例では、このエンジン１１の廃熱の一例として、エンジン１１の排気通路の排気の熱を用いている。
　蒸気発生器５０から排出された冷媒は、通路１１０ｉを通過して、気液分離器３０に供給される。気液分離器３０に貯留された液相の冷媒は、通路１１０ｊを介してポンプ１２に供給され、エンジン１１のウォータジャケット１３に供給される。
　気液分離器３０は、蒸気発生器５０よりも、重力方向で高い位置に配置されている。そのため、気液分離器３０に貯留された液相の冷媒は、重力を主に利用して、通路１１０ｈを通過して、蒸気発生器５０に供給される。
　ＥＣＵ１２０は、制御弁１４０ａ、１４０ｂを制御して通路１１０ａ、１１０ｂを開閉する。詳しくは後述するが、ＥＣＵ１２０は、エンジン１１内の冷媒の温度に応じて制御弁１４０ａの開度を制御する。ＥＣＵ１２０は、蒸気発生器５０内の冷媒の温度に応じて制御弁１４０ｂの開度を制御する。ＥＣＵ１２０はポンプ１００も制御する。また、ＥＣＵ１２０は、エンジン１１の燃料噴射量、燃料噴射時期等を制御して、エンジン１１の運転状態も制御する。ＥＣＵ１２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）を有する。
　ＥＣＵ１２０が実行する制御について、フローチャートを用いて説明する。図２は、エンジン１１の始動後でのＥＣＵ１２０が実行する制御の一例を示したフローチャートである。尚、図２のスタート時点において、制御弁１４０ａ、１４０ｂは開になっているものとし、気液分離器３０には所定量の液相の冷媒が貯留されているものとする。
　ＥＣＵ１２０は、温度センサ１３２の検出結果に基づいて取得したウォータジャケット１３内の冷媒温度が、所定値以下か否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１の所定値は、気液分離器３０及び過熱器６０を介してタービン７０に供給された場合に、タービン７０を駆動可能な冷媒温度である。例えば、所定値は８０℃である。この所定値は予めＥＣＵ１２０のＲＯＭが記憶されている。この所定値は、第１所定値の一例である。尚、ステップＳ１でＹｅｓの場合とは、エンジン１１の暖機が未完了の場合、すなわち、暖機運転中の場合に相当する。ステップＳ１でＮｏの場合とは、エンジン１１の暖機完了後の場合に相当する。
　ステップＳ１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ１２０は制御弁１４０ａを閉にする（ステップＳ２）。これにより、低温の冷媒が気液分離器３０に供給されることが停止される。
　次に、ＥＣＵ１２０は、温度センサ１３１の検出結果に基づいて取得した蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値より低いか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３の所定値は、気液分離器３０及び過熱器６０を介してタービン７０に供給された場合に、タービン７０を駆動可能な冷媒温度である。例えば、所定値は８０℃である。この所定値は、予めＥＣＵ１２０のＲＯＭに記憶されている。この所定値は、第２所定値の一例である。尚、ステップＳ３でＹｅｓの場合とは、システム１の暖機が未完了の場合に相当する。ステップＳ３でＮｏの場合とは、システム１の暖機完了後の場合に相当する。
　ステップＳ３でＹｅｓの場合、ＥＣＵ１２０は制御弁１４０ｂを閉にする（ステップＳ４）。これにより、過熱器６０への冷媒供給が停止される。この場合、タービン７０は駆動しない。また、制御弁１４０ａ、１４０ｂの双方が閉にされることで、冷媒は気液分離器３０と蒸気発生器５０との間を循環する。ステップＳ４は、ステップＳ３でＮｏと判定されるまで、すなわち、蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値を超えるまで実行される。
　ステップＳ３でＮｏの場合、ＥＣＵ１２０は制御弁１４０ｂを開にする（ステップＳ５）。これにより、気液分離器３０内の気相の冷媒が過熱器６０へ供給され、過熱器６０により過熱蒸気が生成され、過熱蒸気がタービン７０へ供給される。これによりタービン７０は駆動される。また、制御弁１４０ｂが開くことにより気液分離器３０の内圧は低下する。それにより、気液分離器３０に通路１１０ｉを介して連通した蒸気発生器５０の内圧も低下する。その結果、蒸気発生器５０内で冷媒の沸騰が容易となる。
　ステップＳ１でＮｏの場合、ＥＣＵ１２０は制御弁１４０ａを開にし（ステップＳ６）、制御弁１４０ｂも開にする（ステップＳ５）。これにより、エンジン１１から排出された冷媒が気液分離器３０に供給され、気液分離器３０から排出された冷媒の過熱器６０への供給が行われる。それにより、過熱器６０により過熱蒸気が生成され、過熱蒸気がタービン７０へ供給され、タービン７０は駆動される。
　以上のように、ステップＳ１、Ｓ３でウォータジャケット１３及び蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値以下と判定された場合、制御弁１４０ａ、１４０ｂは閉にされる。ステップＳ１、Ｓ３で冷媒温度が所定値以下と判定される場合とは、例えばエンジン１１の冷間始動の直後である。この場合、気液分離器３０内の冷媒は気液分離器３０、蒸気発生器５０間を循環し、蒸気発生器５０から排出される冷媒温度が所定値を超えるまで、過熱器６０、タービン７０に気相の冷媒が供給されることが禁止される。
　ステップＳ１でウォータジャケット１３内の冷媒温度が所定値以下と判定された場合、ステップＳ３で蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値を超えたと判定された場合であっても、制御弁１４０ａは閉にされ制御弁１４０ｂは開にされる。これにより、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が低温であっても蒸気発生器５０内の冷媒が所定値を超えている場合には、蒸気発生器５０で生成される気相の液相を気液分離器３０及び過熱器６０を介してタービン７０に供給できタービン７０を駆動できる。このように、エンジン１１がまだ冷間状態であっても蒸気発生器５０内の冷媒温度が比較的高温である場合には、蒸気発生器５０で生成された液相の冷媒を早期にタービン７０に供給してシステム１を稼動させることができる。
　ステップＳ１でウォータジャケット１３内の冷媒温度が所定値を超えたと判定された場合、制御弁１４０ａ、１４０ｂは開にされ、冷媒はウォータジャケット１３から気液分離器３０に供給され、気液分離器３０内の気相の冷媒が過熱器６０、タービン７０に供給される。またこの場合、蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値以下の場合であっても、制御弁１４０ｂは開かれる。ウォータジャケット１３内の冷媒温度が所定値を超えた場合とは、エンジン１１が暖気状態となった場合を意味し、エンジン１１が暖気状態となった場合には、蒸気発生器５０内の冷媒の温度にかかわらず気液分離器３０内の気相の冷媒がタービン７０に供給される。これにより、エンジン１１が暖気状態となってからできる限り早期にタービン７０を駆動させることができる。
　本実施例では、ウォータジャケット１３の低温の冷媒が気液分離器３０に供給されることが禁止される。これにより、蒸気発生器５０から気液分離器３０に供給された気相の冷媒が凝縮することを抑制し、この気相の冷媒を利用して早期にタービン７０を駆動させることができる。このため、冷媒温度が低い冷間始動時であっても、早期にシステム１を稼動させることができ、エンジン１１の廃熱の回収効率の低下を抑制し、燃費向上の低下を抑制できる。
　尚、冷間始動時においては、エンジン１１の熱容量は比較的大きいため、エンジン１１が高温になるのに時間を要し、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が所定値を超えるのに要する時間も比較的長い。一方、蒸気発生器５０は、エンジン１１の冷間始動後であっても早期に高温になる排気の熱を熱源とし、かつ蒸気発生器５０は熱容量も比較的小さい。このため、蒸気発生器５０が高温になるのに時間を要さず、蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値を超えるのに要する時間も比較的短い。従って、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が所定値を超える前に、蒸気発生器５０内の冷媒温度が先に所定値を超える場合がある。本実施例では、このような早期に高熱となる蒸気発生器５０から排出される気相の冷媒を利用して、システム１を早期に稼動させることができる。
　尚、制御弁１４０ａの開度は、ウォータジャケット１３内の冷媒温度に応じて制御してもよい。例えば、ＥＣＵ１２０は、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が高いほど制御弁１４０ａの開度が大きくなるように開き側に制御し、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が低いほど制御弁１４０ａの開度が小さくなるように閉じ側に制御してもよい。この場合も、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が低い場合に気液分離器３０へ供給される液相の冷媒の流量を抑制でき、蒸気発生器５０で生成された気相の冷媒が気液分離器３０内で凝縮することを抑制できる。
　また、上記例では、制御弁１４０ａ、１４０ｂのそれぞれの開閉の条件となる第１及び第２所定値は同じ値であるが、異なっていてもよい。
　次に、変形例であるランキンサイクルシステム１ａについて説明する。尚、システム１ａについて、同一、類似の構成については同一、類似の符号を付することにより、重複する説明を省略する。図３、４はシステム１ａの全体構成を示す模式図である。
　システム１ａは、サーモスタット２０を備え、制御弁１４０ａは備えていない。通路１１０ｋは、気液分離器３０の排出口とサーモスタット２０の第１供給口とを連通し、気液分離器３０から液相の冷媒が流通可能である。通路１１０ｌは、エンジン１１の排出口とサーモスタット２０の第２供給口と連通し、エンジン１１から液相の冷媒が流通可能である。通路１１０ｍは、サーモスタット２０の排出口とポンプ１２の供給口とを連通し、エンジン１１へ液相の冷媒を供給可能である。サーモスタット２０は、通路１１０ｋ、１１０ｌ、１１０ｍの合流箇所に設けられている。
　サーモスタット２０は、弁体２２を備えている。サーモスタット２０内を流れる冷媒温度が所定値以下の場合には、弁体２２は通路１１０ｌ、１１０ｍを連通させ通路１１０ｋを遮断する。サーモスタット２０内を流れる冷媒温度が所定値を超えると、弁体２２は通路１１０ｌを遮断し、通路１１０ｋ、１１０ｍを連通させる。従って、通路１１０ｋが遮断されている場合、気液分離器３０からエンジン１１への冷媒の供給は禁止される。通路１１０ｋと通路１１０ｍとが連通している場合には、気液分離器３０からエンジン１１へ冷媒が供給される。図３は、通路１１０ｌ、１１０ｍが連通し通路１１０ｋが遮断された状態を示している。図４は、通路１１０ｋ、１１０ｍが連通し通路１１０ｌが遮断された状態を示している。
　ＥＣＵ１２０ａによるシステム１ａの制御について、フローチャートを用いて説明する。図５は、エンジン１１の始動後でのＥＣＵ１２０ａが実行する制御の一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ１２０ａは、温度センサ１３１の検出結果に基づいて取得した、蒸気発生器５０内の冷媒温度が所定値以下か否かを判定する（ステップＳ１ａ）。所定値は、例えば８０℃である。
　ステップＳ１ａでＹｅｓと判定された場合、ＥＣＵ１２０ａは制御弁１４０ｂを閉にする（ステップＳ２ａ）。ステップＳ２ａで制御弁１４０ｂが閉にされることで、過熱器６０への冷媒供給が停止される。ステップＳ１ａでＮｏと判定された場合、ＥＣＵ１２０は制御弁１４０ｂを開にする（ステップＳ３ａ）。これにより、気液分離器３０から排出された冷媒の過熱器６０への供給が行われる。
　ＥＣＵ１２０ａは、温度センサ１３２の検出結果に基づいて取得した、ウォータジャケット１３から排出された冷媒温度が所定値以下か否かを判定する（ステップＳ４ａ）。ステップＳ４ａでＹｅｓの場合、ウォータジャケット１３からサーモスタット２０内に供給される冷媒は低温なため、サーモスタット２０の弁体２２は図３に示したように通路１１０ｌ、１１０ｍを連通し通路１１０ｋを遮断する。このように、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が所定値以下の場合には、ウォータジャケット１３を通過する冷媒は通路１１０ｌ、１１０ｍを介してウォータジャケット１３内を循環する。ここで、ウォータジャケット１３に接続された通路１１０ａは、エンジン１１よりも鉛直上方に延びているのに対して、通路１１０ｌはエンジン１１の下方に延びている。このため、通路１１０ｌ、１１０ｍが連通している状態では、冷媒は、ウォータジャケット１３から通路１１０ａに流れる前に通路１１０ｌに流れる。
　ステップＳ４ａでＮｏの場合、サーモスタット２０内にはウォータジャケット１３から比較的高温の冷媒が供給されて弁体２２は高温となり、弁体２２は図４に示したように通路１１０ｌを遮断し通路１１０ｋ、１１０ｍを連通する。これにより、通路１１０ｌ、１１０ｍを介して冷媒の循環が禁止され、冷媒はウォータジャケット１３から気液分離器３０へと供給される。また、ステップＳ４ａでＮｏの場合、ＥＣＵ１２０ａは制御弁１４０ｂを開にする（ステップＳ５ａ）。これにより、気液分離器３０から排出された冷媒の過熱器６０への供給が行われる。
　以上のように、ウォータジャケット１３内の冷媒温度が比較的低い場合には、冷媒は通路１１０ｌ、サーモスタット２０、通路１１０ｍを介してエンジン１１を循環する。これにより、蒸気発生器５０から気相の冷媒が気液分離器３０に供給される場合に、ウォータジャケット１３からの低温の液相の冷媒が気液分離器３０に供給されることを抑制できる。従って、蒸気発生器５０で生成された気相の冷媒が、気液分離器３０内でウォータジャケット１３からの低温の冷媒により凝縮することを抑制でき、エンジン１１の廃熱の回収効率の低下を抑制できる。
　ウォータジャケット１３内の冷媒温度が比較的高くなると、通路１１０ｌが遮断されて、通路１１０ｌ、１１０ｍを介しての冷媒の循環が抑制され、気液分離器３０からウォータジャケット１３に冷媒が供給される。このように通路１１０ｌが遮断されることにより、所定値を超えた温度の冷媒がウォータジャケット１３から気液分離器３０に供給される。
　以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　１　ランキンサイクルシステム
　１１　内燃機関
　１３　ウォータジャケット
　２０　サーモスタット
　３０　気液分離器
　５０　蒸気発生器
　６０　過熱器
　７０　タービン
　８０　凝縮器
　１１０ｋ、１１０ｌ、１１０ｍ　通路
　１２０　ＥＣＵ

Claims (4)

  1. 　内部を循環する冷媒により冷却される内燃機関と、
    　気液分離器と、
    　前記内燃機関から前記気液分離器に冷媒を供給し再び前記気液分離器から前記内燃機関に液相の冷媒を供給する第１ポンプと、
    　前記気液分離器から供給される液相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与えて前記気液分離器に供給する蒸気発生器と、
    　前記気液分離器から供給される気相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与える過熱器と、
    　前記過熱器から供給される冷媒によって駆動される膨張機と、
    　前記膨張機から供給される冷媒が凝縮される凝縮器と、
    　前記凝縮器から前記気液分離器に冷媒を供給する第２ポンプと、
    　前記内燃機関から前記気液分離器への冷媒の流量を制御する第１制御弁と、
    　前記内燃機関内の冷媒の温度が低い場合、前記内燃機関内の冷媒の温度が高い場合に比べて、前記第１制御弁を閉じ側に制御する制御部と、を備えたランキンサイクルシステム。
  2. 　前記制御部は、前記内燃機関内の冷媒の温度が第１所定値以下の場合に前記第１制御弁を閉じ側に制御し、前記内燃機関内の冷媒の温度が前記第１所定値を超えている場合に前記第１制御弁を開き側に制御する、請求項１のランキンサイクルシステム。
  3. 　前記気液分離器と前記過熱器との間に設けられた第２制御弁を備え、
    　前記制御部は、前記内燃機関内の冷媒の温度が前記第１所定値以下でありかつ前記蒸気発生器内の冷媒の温度が第２所定値以下の場合に前記第２制御弁を閉じ、前記蒸気発生器内の冷媒の温度が前記第２所定値を超えている場合、又は前記内燃機関内の冷媒の温度が前記第１所定値を超えている場合に前記第２制御弁を開く、請求項２のランキンサイクルシステム。
  4. 　内部を循環する冷媒により冷却される内燃機関と、
    　気液分離器と、
    　前記内燃機関から前記気液分離器に冷媒を供給し再び前記気液分離器から前記内燃機関に液相の冷媒を供給する第１ポンプと、
    　前記気液分離器から供給される液相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与えて前記気液分離器に供給する蒸気発生器と、
    　前記気液分離器から供給される気相の冷媒に前記内燃機関の廃熱を与える過熱器と、
    　前記過熱器から供給される冷媒によって駆動される膨張機と、
    　前記膨張機から供給される冷媒が凝縮される凝縮器と、
    　前記凝縮器から前記気液分離器に冷媒を供給する第２ポンプと、
    　前記気液分離器から液相の冷媒が流通可能な第１経路と、
    　前記内燃機関から液相の冷媒が流通可能な第２経路と、
    　前記内燃機関へ液相の冷媒を供給可能な第３経路と、
    　前記第１、第２、及び第３経路の合流箇所に設けられ、前記第２経路から供給される液相の冷媒の温度が所定値よりも低い場合に前記第１経路を遮断し前記第２及び第３経路を連通し、前記第２経路から供給される液相の冷媒の温度が前記所定値よりも高い場合に前記第２経路を遮断し前記第１及び第３経路を連通するサーモスタットと、を備えたランキンサイクルシステム。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009191625A (ja) * 2008-02-12 2009-08-27 Toyota Motor Corp 廃熱回収装置
JP2011132922A (ja) * 2009-12-25 2011-07-07 Toyota Motor Corp 廃熱回収装置
JP2012149539A (ja) * 2011-01-17 2012-08-09 Toyota Motor Corp ランキンサイクルシステム装置
JP2012172617A (ja) * 2011-02-22 2012-09-10 Toyota Motor Corp ランキンサイクルシステムの制御装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH029A (ja) 1987-06-08 1990-01-05 Seiko Epson Corp 液晶ライトバルブの駆動方法
JPS6449539A (en) 1987-08-19 1989-02-27 Fukuda Denshi Kk Bioinductive electrode
JPH088745B2 (ja) 1987-09-30 1996-01-29 新電元工業株式会社 バッテリー充放電回路
US4840460A (en) 1987-11-13 1989-06-20 Honeywell Inc. Apparatus and method for providing a gray scale capability in a liquid crystal display unit
JP2008169760A (ja) 2007-01-11 2008-07-24 Toyota Motor Corp 廃熱回収装置
JP4659769B2 (ja) 2007-01-25 2011-03-30 トヨタ自動車株式会社 冷却装置
JP2010223116A (ja) 2009-03-24 2010-10-07 Toyota Motor Corp エンジンの冷却装置
JP5376046B2 (ja) * 2010-03-25 2013-12-25 トヨタ自動車株式会社 ランキンサイクルシステム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009191625A (ja) * 2008-02-12 2009-08-27 Toyota Motor Corp 廃熱回収装置
JP2011132922A (ja) * 2009-12-25 2011-07-07 Toyota Motor Corp 廃熱回収装置
JP2012149539A (ja) * 2011-01-17 2012-08-09 Toyota Motor Corp ランキンサイクルシステム装置
JP2012172617A (ja) * 2011-02-22 2012-09-10 Toyota Motor Corp ランキンサイクルシステムの制御装置

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