JP2013181394A - エンジンの廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの暖機時などにランキンサイクルを利用して冷却水温を速やかに上昇させて早期に暖機完了できるエンジンの廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】エンジン２の排気通路４５に配設した排気側熱交換器４８、冷却水路５２に設けた冷却水側熱交換器５１、及び膨張器６４を作動流体路６３によりループ状に接続すると共に、膨張器６４をバイパスするバイパス路７０を設ける。エンジン２の暖機時には、排気側熱交換器４８で作動流体を排ガスと熱交換させて過熱蒸気に変化させ、第３，４バルブ６８，６９の切換により膨張器６４をバイパスさせて冷却水側熱交換器５１に流通させる。膨張器６４で減圧膨張していない高温高圧の作動流体との熱交換により冷却水を迅速に昇温可能となる。暖機完了後には第３，４バルブ６８，６９の切換により作動流体を膨張器６４に流通させ、取り出した動力により発電機６６を駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの廃熱回収装置に係り、詳しくはサイクル内で循環する作動流体をエンジンから排出される排ガスと熱交換させ、発生した過熱蒸気を減圧膨張させて動力や電力として取り出す所謂ランキンサイクルを利用したエンジンの廃熱回収装置に関する。

従来よりエンジンから排出される排ガスの廃熱を有効利用すべく、ランキンサイクルを利用したエンジンの廃熱回収装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１に開示された技術では、サイクル内で循環する作動流体を蒸気発生器でエンジンの排ガスと熱交換させ、過熱蒸気に変化した作動流体を膨張器で減圧膨張させて動力として取り出し、その動力により発電機を駆動して発電している。さらに減圧膨張後の作動流体に残存している熱も利用すべく、エンジンの冷態始動時などには、作動流体をエンジンの冷却水と熱交換することにより冷却水を昇温させて暖機時間の短縮化を図っている。

特開２００５−４２６１８号公報

しかしながら、減圧膨張後の作動流体に残存する熱量はそれほど多くはない。これはエンジン冷却水との間で十分な熱交換が望めないことを意味し、冷却水温を迅速に昇温不能なためエンジン暖機時間をほとんど短縮できないという問題があった。従って、エンジン暖機が長引き、未燃炭化水素（ＨＣ）が増加すると共に燃料増量に起因する燃費悪化も発生し、その対策が従来から要望されていた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジンの暖機時などにランキンサイクルを利用して冷却水温を速やかに上昇させて早期に暖機完了でき、ひいては未燃炭化水素の低減及び燃費改善を達成することができるエンジンの廃熱回収装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、サイクル内の作動流体を循環させるポンプと、エンジンから排出される排ガスとサイクル内の作動流体とを熱交換する第１の熱交換器と、第１の熱交換器によって熱交換した作動流体を減圧膨張させる膨張器と、エンジンの冷却水とサイクル内の作動流体とを熱交換する第２の熱交換器と、サイクル内の作動流体を膨張器からバイパスさせる第１のバイパス通路と、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度が予め設定された判定値以上の場合は作動流体を第１のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は作動流体を第１のバイパス通路に流通させるように切換制御する第１の切換手段とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１において、走行用駆動源としてエンジンと共に走行用バッテリにより駆動される走行用モータを備えたハイブリッド車両に搭載され、作動流体の減圧膨張により膨張器が発電機を駆動し、発電電力を走行用バッテリに充電するものである。
請求項３の発明は、請求項１または２において、エンジンに備えられたターボチャージャーのタービンの上流側からコンプレッサの下流側に排ガスをＥＧＲガスとして環流する高圧側ＥＧＲシステムと、高圧側ＥＧＲシステムにより環流される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する高圧側ＥＧＲクーラと、冷却水の温度が判定値以上の場合は作動流体を高圧側ＥＧＲクーラに流通させる第２の切換手段とを備えたものである。

請求項４の発明は、請求項３において、ターボチャージャーのタービンの下流側からコンプレッサの上流側に排ガスをＥＧＲガスとして環流する低圧側ＥＧＲシステムと、低圧側ＥＧＲシステムにより環流される排ガスとサイクル内の作動流体とを熱交換する低圧側ＥＧＲクーラと、冷却水の温度が判定値以上の場合は作動流体を低圧側ＥＧＲクーラに流通させる第３の切換手段とを備えたものである。
請求項５の発明は、請求項４において、冷却水の温度が判定値以上の場合に、膨張器で減圧膨張後の作動流体を第２の熱交換器、低圧側ＥＧＲクーラ、高圧側ＥＧＲクーラの順に流通させるものである。
請求項６の発明は、請求項１乃至４において、低圧側ＥＧＲシステムにより環流される排ガスを前記低圧側ＥＧＲクーラからバイパスさせる第２のバイパス路と、冷却水の温度が判定値以上の場合は排ガスを第２のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は排ガスを第２のバイパス通路に流通させるように切換制御する第４の切換手段とを備えたものである。

以上説明したように請求項１の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、第１の熱交換器、膨張器、第２の熱交換器の順に作動流体を循環させると共に、作動流体を膨張器からバイパスさせる第１のバイパス路を設け、冷却水の温度が判定値以上の場合は第１の切換手段により作動流体を第１のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は作動流体を第１のバイパス通路に流通させるようにした。
従って、冷却水の温度が判定値未満となるエンジンの暖機時には作動流体が第１のバイパス路を流通し、膨張器で減圧膨張していない高温高圧の作動流体が第２の熱交換機で冷却水と熱交換される。よって、冷却水を迅速に昇温させて早期に暖機完了でき、ひいては未燃炭化水素の低減及び燃費改善を達成することができる。
また、冷却水の温度が判定値以上となるエンジンの暖機完了後には、作動流体が膨張器を流通して減圧膨張により動力を取出し可能となる。そして、減圧膨張後の作動流体が第２の熱交換器で既に温度上昇した冷却水と熱交換されて予熱されるため、その後の第１の熱交換器での過熱蒸気の生成を促進でき、ランキンサイクルの効率を高めることができる。

請求項２の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項１に加えて、膨張器により発電機を駆動して発電電力をハイブリッド車両の走行用バッテリに充電するようにした。従って、エンジンの廃熱を走行用バッテリの充電に有効利用することができる。
請求項３の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項１または２に加えて、冷却水の温度が判定値以上の場合に作動流体を高圧側ＥＧＲクーラに流通させるようにした。従って、膨張器で減圧膨張後の作動流体は第２の熱交換器で予熱されると共に、高圧側ＥＧＲクーラでも排ガスとの熱交換により予熱され、その後の第１の熱交換器での過熱蒸気の生成を一層促進することができる。

請求項４の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項３に加えて、冷却水の温度が判定値以上の場合に作動流体を低圧側ＥＧＲクーラに流通させるようにした。従って、膨張器で減圧膨張後の作動流体は第２の熱交換器及び高圧側ＥＧＲクーラで予熱されると共に、低圧側ＥＧＲクーラでも排ガスとの熱交換により予熱され、その後の第１の熱交換器での過熱蒸気の生成を一層促進することができる。
請求項５の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項４に加えて、相対的に低温の第２の熱交換器、中間温度の低圧側ＥＧＲクーラ、高温の高圧側ＥＧＲクーラの順に作動流体を流通させるようにした。従って、作動流体の温度を高温側に段階的に移行でき、熱交換時のロスを回避して作動流体の予熱効果を最大限に得ることができる。

請求項６の発明のエンジンの廃熱回収装置によれば、請求項１乃至４に加えて、排ガスを低圧側ＥＧＲクーラからバイパスさせる第２のバイパス路を設け、冷却水の温度が判定値以上の場合は排ガスを第２のバイパス通路に流さず、冷却水の温度が判定値未満の場合は排ガスを第２のバイパス通路に流通させるようにした。
従って、冷却水の温度が判定値未満になるエンジンの暖機時には、排ガスが低圧側ＥＧＲクーラを流れることなく第２のバイパス路に流通する。エンジンの暖機時に排ガスを低圧側ＥＧＲクーラで冷却すると、筒内に流入する吸気温度が低下して未燃炭化水素の増加や暖機の妨げになるが、このような不具合を防止することができる。

実施形態のエンジンの廃熱回収装置が適用されたハイブリッド電気自動車を示す全体構成図である。 廃熱回収装置の構成を示す詳細図である。

以下、本発明を具体化したエンジンの廃熱回収装置の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のエンジンの廃熱回収装置が適用されたハイブリッド電気自動車を示す全体構成図である。廃熱回収装置の説明に先立って、まず同図に基づき車両全体の構成について述べる。
ハイブリッド電気自動車１はいわゆるパラレル型ハイブリッド車両であり、本実施形態ではトラックとして構成されている。なお、以下の説明では、ハイブリッド電気自動車１を車両と称する場合もある。
ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２の出力軸には走行用クラッチ４の入力軸が連結されており、走行用クラッチ４の出力軸には例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能な走行用モータ６の回転軸を介して自動変速機８の入力軸が連結されている。自動変速機８は一般的な手動変速機をベースとして走行用クラッチ４の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進６速後退１速の変速段を有し、発進段としては第２速が設定されている。当然ながら、エンジン２や変速機８の形式はこれに限定されるものではなく任意に変更可能であり、例えばガソリンエンジンに具体化したり、通常の手動変速機に具体化したりしてもよい。

また、変速機８の出力軸はプロペラシャフト１０、差動装置１２及び駆動軸１４を介して左右の駆動輪１６に接続されている。従って、走行用クラッチ４の切断時には走行用モータ６のみが変速機８を介して駆動輪１６側と連結され、走行用クラッチ４の接続時にはエンジン２及び走行用モータ６が共に変速機８を介して駆動輪１６側と連結される。
走行用モータ６は、走行用バッテリ１８に蓄えられた直流電力がインバータ２０によって交流電力に変換されて供給されることによりモータとして作動し、その駆動トルクが変速機８により適宜変速された後に駆動輪１６に伝達されることにより車両１を走行させる。また、アクセルオフにより車両１が減速する惰行運転時には、走行用モータ６が発電機として作動して交流電力を発電すると共に、回生トルクを発生させて駆動輪１６に制動力を作用させながら車両１を減速させる。そして、発電された交流電力はインバータ２０によって直流電力に変換された後にバッテリ１８に充電され、これにより車両１の減速エネルギが電気エネルギとして回収されて、その後に走行用モータ６による走行に有効利用される。

一方、エンジン２の駆動力は、走行用クラッチ４が接続されているときに走行用モータ６の回転軸を経由して変速機８に伝達され、適宜変速された後に駆動輪１６に伝達される。従って、エンジン２の駆動力が駆動輪１６に伝達されているとき、走行用モータ６がモータとして作動しない場合には、エンジン２の駆動力のみが変速機８を介して駆動輪１６に伝達され、走行用モータ６がモータとして作動する場合には、エンジン２及び走行用モータ６の駆動力が共に変速機８を介して駆動輪１６に伝達されることになる。

また、バッテリ１８の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）が低下してバッテリ１８の充電が必要になると、車両１の走行中であっても走行用モータ６が発電機として作動すると共に、エンジン２の駆動力の一部を用いて走行用モータ６を作動することにより発電が行われ、発電された交流電力をインバータ２０によって直流電力に変換した後にバッテリ１８に充電するようにしている。
車両ＥＣＵ２２は、車両１やエンジン２の運転状態、及びエンジンＥＣＵ２４、インバータＥＣＵ２６並びにバッテリＥＣＵ２８からの情報などに応じて、図示しないアクチュエータを駆動制御して走行用クラッチ４の断接制御及び変速機８の変速制御を行うと共に、これらの制御状態や車両１の走行状態に合わせてエンジン２や走行用モータ６を適切に運転するための統合制御を行う。

そして車両ＥＣＵ２２には、このような制御のために、アクセルペダル３０の操作量Ａccを検出するアクセルセンサ３２、車両１の速度Ｖを検出する車速センサ３４、エンジン２の出力軸の回転速度Ｎeを検出するエンジン回転速度センサ３５、走行用モータ６の回転速度Ｎg（変速機８の入力回転速度）を検出する電動機回転速度センサ３６、及びブレーキペダル３９の踏込操作を検出するブレーキセンサ４０などのセンサ類が接続されている。これらの検出情報に基づき車両ＥＣＵ２２は、車両１の走行に必要な要求トルクを演算し、この要求トルクをエンジン２側と走行用モータ６側とに配分する。
また、これと並行して要求トルク、車両１の走行状態、エンジン２及び走行用モータ６の運転状態、或いはバッテリ１８のＳＯＣなどに基づき走行モード（エンジン走行、モータ走行、エンジン・モータ走行）を選択し、選択した走行モードを実行すべくエンジンＥＣＵ２４及びインバータＥＣＵ２６に指令を出力すると共に、適宜変速機８の変速制御を実行する。
エンジンＥＣＵ２４は、車両ＥＣＵ２２によって設定された走行モード及びエンジントルクを達成するように、噴射量制御や噴射時期制御を実行してエンジン２を運転させる。
また、インバータＥＣＵ２６は、車両ＥＣＵ２２によって設定された走行モード及び走行用モータ６のトルクを達成するように、インバータ２０を駆動制御して走行用モータ６を力行制御によりモータ作動させたり、回生制御によりジェネレータ作動させたりする。

また、バッテリＥＣＵ２８は、バッテリ１８の温度、バッテリ１８の電圧、インバータ２０とバッテリ１８との間に流れる電流などを検出すると共に、これらの検出結果からバッテリ１８のＳＯＣを求め、そのＳＯＣを検出結果と共に車両ＥＣＵ２２に出力する。
本実施形態の車両１は以上のように構成されており、そのエンジン２にはランキンサイクルを利用した廃熱回収装置が備えられている。以下、この廃熱回収装置の構成を図２に従って詳述する。

エンジン２の吸気通路４１には上流側より、ターボチャージャー４２のコンプレッサ４２ａ、インタークーラ４３が配設され、吸気通路４１の下流側はエンジン２の吸気マニホールド４４に接続されている。なお、インタークーラ４３はターボチャージャー４２の過給により温度上昇した吸入空気を冷却する機能を奏するが、その形式は空冷式でも水冷式でもよい。
また、エンジン２の排気マニホールド４５には排気通路４６が接続され、排気通路４６には上流側より、上記ターボチャージャー４２のコンプレッサ４２ａに対して同軸上に設けられたタービン４２ｂ、後処理装置４７、蒸気発生器として機能する排気側熱交換器４８（第１の熱交換器）、及び図示しない消音器が配設されている。なお、本実施形態では、後処理装置４７をＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）及びＳＣＲ（選択還元型ＮＯx触媒）で構成したが、これに限ることはなく任意に変更可能である。

エンジン２の前方（図中の左方）にはクランク軸２ａにより回転駆動される冷却ファン４９が配設され、冷却ファン４９の前側にはラジエータ５０が設けられている。これらのエンジン２及びラジエータ５０は冷却水側熱交換器５１（第２の熱交換器）と共に冷却水路５２を介してループ状に接続されている。
冷却水は図示しないポンプによりエンジン２、冷却水側熱交換器５１、ラジエータ５０の順に冷却水路５２を循環し、エンジン２では冷却作用を奏し、ラジエータ５０では放熱される。このためエンジン２の暖機完了後には、冷却水側熱交換器５１を流通する冷却水の温度が100℃程度に達し、後述するようにランキンサイクルの作動流体（例えば純水など）との間で熱交換が行われる。

排気マニホールド４５の一側と吸気マニホールド４４の入口付近とはＨＰＬ-ＥＧＲ通路５３を介して接続され、ＨＰＬ-ＥＧＲ通路５３にはＨＰＬ-ＥＧＲバルブ５４及びＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５（高圧側ＥＧＲクーラ）が配設されている（高圧側ＥＧＲシステム）。また、排気通路４６の後処理装置４７の下流側と吸気通路４１のコンプレッサ４２ａの上流側とはＬＰＬ-ＥＧＲ通路５６を介して接続され、ＬＰＬ-ＥＧＲ通路５６にはＬＰＬ-ＥＧＲバルブ５７及びＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８（低圧側ＥＧＲクーラ）が配設されている（低圧側ＥＧＲシステム）。
ＨＰＬ-ＥＧＲバルブ５４及びＬＰＬ-ＥＧＲバルブ５７は上記エンジンＥＣＵ２４により開度制御され、それに応じてエンジン２の排ガスがＨＰＬ-ＥＧＲ通路５３及びＬＰＬ-ＥＧＲ通路５６を経てそれぞれＥＧＲガスとして吸気側に環流される。このためエンジン２の暖機完了後にはＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５を流通する排ガスの温度が300〜500℃程度に達し、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８を流通する排ガスの温度が150〜200℃程度に達し、それぞれ後述するようにランキンサイクルの作動流体との間で熱交換が行われる。

ＬＰＬ-ＥＧＲ通路５６のＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８の上流側には第１バルブ５９（第４の切換手段）が介装され、この第１バルブ５９の上流側とＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８の下流側とはバイパス路６１（第２のバイパス路）を介して接続され、バイパス通路６１には第２バルブ６０（第４の切換手段）が介装されている。
一方、上記した排気側熱交換器４８、冷却水側熱交換器５１、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８、及びＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５は廃熱回収装置の作動流体路６３を介してループ状に接続されている。排気側熱交換器４８と冷却水側熱交換器５１との間には膨張器６４及びポンプ６５が介装され、作動流体はポンプ６５により排気側熱交換器４８、膨張器６４、冷却水側熱交換器５１、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８、ＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５の順に作動流体路６３を循環するようになっている。以下の説明では、この循環方向に従って作動流体路６３の上流側と下流側とを規定する。

膨張器６４には発電機６６が連結されており、後述するように過熱蒸気となった作動流体を膨張器６４内で減圧膨張させて動力（回転力）を取り出し、その動力により発電機６６を駆動して発電させるようになっている。
作動流体路６３の膨張器６４の上流側（排気側熱交換器４８側）には第３バルブ６８（第１の切換手段）が介装され、この第３バルブ６８の上流側と膨張器６４の下流側（ポンプ６５側）とはバイパス路７０（第１のバイパス路）を介して接続され、バイパス通路７０には第４バルブ６９（第１の切換手段）が介装されている。

また、作動流体路６３のＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８の上流側には第５バルブ７１（第３の切換手段）が介装され、この第５バルブ７１の上流側とＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８の下流側とはバイパス路７３を介して接続され、バイパス通路７３には第６バルブ７２（第３の切換手段）が介装されている。
また、作動流体路６３のＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５の上流側には第７バルブ７４（第２の切換手段）が介装され、この第７バルブ７４の上流側とＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５の下流側とはバイパス路７６を介して接続され、バイパス通路７６には第８バルブ７５（第２の切換手段）が介装されている。

ポンプ６５及び第１〜８バルブ５９,６０,６８,６９,７１,７２,７４,７５はエンジンＥＣＵ２４に接続され、このエンジンＥＣＵ２４によりポンプ６５の駆動制御と各バルブ５９,６０,６８,６９,７１,７２,７４,７５の開閉制御が行われるようになっている。
また、冷却水側熱交換器５１には水温センサ７８（冷却水温度検出手段）が配設され、冷却水側熱交換器５１内に流入したエンジン冷却水の温度Ｔwを検出してエンジンＥＣＵ２４に出力するようになっている。なお、水温センサ７８の位置はこれに限ることはなく任意に変更可能であり、例えばエンジン２や冷却水路５２の一側に設けてもよい。

次に、このように構成されたエンジン２の廃熱回収装置の制御状況、特に各バルブ５９,６０,６８,６９,７１,７２,７４,７５の制御状況を説明する。
車両ＥＣＵ２２により走行モードとしてエンジン走行或いはエンジン・モータ走行が選択されると、エンジン２の運転指令を入力したエンジンＥＣＵ２４はエンジン２を始動して運転を開始すると共に、ポンプ６５を駆動して作動流体路６３内で作動流体を循環させる。これと並行してエンジンＥＣＵは水温センサ７８により検出された冷却水温Ｔwを予め設定された判定値Ｔw0と比較し、その比較結果に基づき、以下の表１に従って各バルブ５９,６０,６８,６９,７１,７２,７４,７５の開閉状態を切り換える。表中の○は開弁を表し、×は閉弁を表す。

判定値Ｔw0は、エンジン２の暖機が完了した時点の冷却水温が設定されている。従って、冷却水温Ｔwが判定値Ｔw0未満の場合はエンジン２の暖機時と見なせ、また冷却水温Ｔwが判定値Ｔw0以上の場合はエンジン２の暖機完了後と見なせる。
例えば、冷態のエンジン２を始動して暖機を開始すると、当初は冷却水温Ｔwが判定値Ｔw0未満であることから、エンジンＥＣＵ２４は第２，４，６，８バルブ６０,６９,７２,７５を開弁し、第１，３，５，７バルブ５９,６８,７１,７４を閉弁する。
第１バルブ５９が閉弁し、第２バルブ６０が開弁しているため、排ガスはＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８を流通することなくバイパス路６１を経てエンジン２の吸気側に環流される。排ガス温度が比較的低いエンジン２の暖機時にＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８で排ガスを冷却した場合、筒内に流入する吸気温度が低下して未燃炭化水素の増加や暖機の妨げになるが、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８をバイパスさせることで不具合を防止できる。

また、エンジン２の運転継続により、冷却水温Ｔwの上昇に先行して排ガスの温度は上昇する。排気側熱交換器４８では排ガスと作動流体との熱交換が行われ、作動流体は液相から高温高圧の過熱蒸気に変化する。
第３バルブ６８が閉弁し、第４バルブ６９が開弁しているため、排気側熱交換器４８から流出した作動流体は膨張器６４を流れることなくバイパス路７０を流通する。その後の作動流体は冷却水側熱交換器５１を流通し、第５バルブ７１が閉弁し、第６バルブ７２が開弁しているため、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８を流れることなくバイパス路７３を流通する。さらに、第７バルブ７４が閉弁し、第８バルブ７５が開弁しているため、作動流体はＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５を流れることなくバイパス路７６を流通して排気側熱交換器４８に戻され、以上の循環を作動流体路６３内で繰り返す。

エンジン２の暖機時には未だ冷却水温Ｔwが低く（＜Ｔw0）、未燃炭化水素や燃費の面から迅速な冷却水の昇温が要望される。排気側熱交換器４８で昇温した作動流体は膨張器６４をバイパスして冷却水側熱交換器５１を流通する。このため冷却水側熱交換器５１では、膨張器６４で減圧膨張していない高温高圧の作動流体と冷却水との間で熱交換が行われる。よって、冷却水を迅速に昇温させて早期に暖機完了でき、ひいては未燃炭化水素の低減及び燃費改善を達成することができる。
加えて、冷却水側熱交換器５１を流通後の作動流体はＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８及びＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５をバイパスするため、これらのＥＧＲクーラ５８，５５で温度低下することなく排気側熱交換器４８に戻される。よって、再び排気側熱交換器４８で熱交換する際の作動流体の昇温が容易になり、その後の冷却水側熱交換器５１の熱交換ではより高温の作動流体により冷却水を昇温でき、結果としてエンジン２の暖機を一層促進することができる。

そして、冷却水温Ｔwが上昇して判定値Ｔw0以上になると、エンジンＥＣＵ２４は第１，３，５，７バルブ５９,６８,７１,７４を開弁し、第２，４，６，８バルブ６０,６９,７２,７５を閉弁する。
第１バルブ５９が開弁し、第２バルブ６０が閉弁しているため、排ガスはバイパス路６１を流通することなくＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８を経てエンジン２の吸気側に環流される。よって、以下に述べるように排ガスはＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８で作動流体との間で熱交換され、冷却後にエンジン２の吸気側に環流される。
また、この時点の排ガスは十分に温度上昇しているため、排気側熱交換器４８では排ガスとの熱交換により作動流体が高温高圧の過熱蒸気に変化する。第３バルブ６８が開弁し、第４バルブ６９が閉弁しているため、作動流体はバイパス路７０を流れることなく膨張器６４を流通して減圧膨張する。膨張器６４から取り出された動力により発電機６６が駆動されて発電し、その発電電力はインバータ２０により直流電力に変換されてバッテリ１８に充電される。これによりエンジン２の廃熱が電気エネルギとして回収されて、その後に走行用モータ６による走行に有効利用される。

その後の作動流体は冷却水側熱交換器５１を流通し、第５バルブ７１が開弁し、第６バルブ７２が閉弁しているため、バイパス路７３を流れることなくＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８を流通する。さらに、第７バルブ７４が開弁し、第８バルブ７５が閉弁しているため、作動流体はバイパス路７６を流れることなくＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５を流通して排気側熱交換器４８に戻され、以上の循環を作動流体路６３内で繰り返す。
エンジン２の暖機完了後は既に冷却水温Ｔwが十分に上昇しており、上記のように冷却水側熱交換器５１には100℃程度の冷却水が流通し、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８には150〜200℃程度の排ガスが流通し、ＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５には300〜500℃程度の排ガスが流通している。膨張器６４で減圧膨張後の作動流体は、このような冷却水側熱交換器５１、ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８及びＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５を流通して順次熱交換を行う。

従って、その過程で作動流体は予熱され、かなり温度上昇した状態で排気側熱交換器４８に戻される。よって、その後に排気側熱交換器４８で熱交換する際の過熱蒸気の生成を促進でき、冷却水側熱交換器５１ではより高温高圧の過熱蒸気を利用して発電機６６を駆動できる。結果としてランキンサイクルの効率を高め、エンジン２の廃熱を最大限に有効利用することができる。
ここで、作動流体の流通順序は、相対的に低温の冷却水側熱交換器５１、中間温度のＬＰＬ-ＥＧＲクーラ、高温のＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５の順に設定されているため、作動流体の温度は高温側に段階的に移行することになる。これ以外の流通順序では、ある機器で昇温された作動流体がより低温の機器での熱交換により温度低下して予熱の効果が減少してしまう。上記のような作動流体の流通順序とすることで、熱交換時のロスを回避して作動流体の予熱効果を最大限に得ることができる。従って、排気側熱交換器４８での過熱蒸気の生成を促進でき、ランキンサイクルの効率を一層向上させることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ハイブリッド型トラック１に搭載されたエンジン２の廃熱回収装置に具体化したが、適用する車両はこれに限定されることはなく任意に変更可能である。例えばハイブリッド型のバスや乗用車に適用してもよいし、走行用駆動源としてエンジン２のみを備えたエンジン車両に適用してもよい。
また上記実施形態では、廃熱回収装置の作動流体路６３にＨＰＬ-ＥＧＲクーラ５５及びＬＰＬ-ＥＧＲクーラ５８を設けたが、これに限ることはなく、これらのＥＧＲクーラ５５，５８を省略してもよいし、何れか一方のみを設けてもよい。

また上記実施形態では、第１〜８バルブ５９,６０,６８,６９,７１,７２,７４,７５を完全に開弁または閉弁させたが、これらのバルブ制御に関しても限定されるものではない。例えば、各バルブ５９,６０,６８,６９,７１,７２,７４,７５を所定の開度に制御するようにしてもよい。
また上記実施形態では、廃熱回収装置の作動流体路６３に凝縮器を備えなかったが、例えば膨張器６４とポンプ６５との間に凝縮器を設けてもよい。
また、上記実施形態では、作動流体を減圧膨張させて発電機６６を駆動したが、エンジン２の廃熱利用はこれに限ることはなく、例えば取り出した動力を補助動力としてエンジン２のクランク軸２ａに回収してもよい。

２ エンジン
６ 走行用モータ
１８ 走行用バッテリ
２４ エンジンＥＣＵ（第１〜４の切換手段）
４２ ターボ
４２ａ コンプレッサ
４２ｂ タービン
４８ 排気側熱交換器（第１の熱交換器）
５１ 冷却水側熱交換器（第２の熱交換器）
５３ ＨＰＬ-ＥＧＲ通路（高圧側ＥＧＲシステム）
５４ ＨＰＬ-ＥＧＲバルブ（高圧側ＥＧＲシステム）
５５ ＨＰＬ-ＥＧＲクーラ（高圧側ＥＧＲクーラ）
５６ ＬＰＬ-ＥＧＲ通路（低圧側ＥＧＲシステム）
５７ ＬＰＬ-ＥＧＲバルブ（低圧側ＥＧＲシステム）
５８ ＬＰＬ-ＥＧＲクーラ（低圧側ＥＧＲクーラ）
５９ 第１バルブ（第４の切換手段）
６０ 第２バルブ（第４の切換手段）
６１ バイパス路（第２のバイパス路）
６４ 膨張器
６５ ポンプ
６６ 発電機
６８ 第３バルブ（第１の切換手段）
６９ 第４バルブ（第１の切換手段）
７０ バイパス路（第１のバイパス路）
７１ 第５バルブ（第３の切換手段）
７２ 第６バルブ（第３の切換手段）
７４ 第７バルブ（第２の切換手段）
７５ 第８バルブ（第２の切換手段）
７８ 水温センサ（冷却水検出手段）

Claims (6)

1. サイクル内の作動流体を循環させるポンプと、
   エンジンから排出される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器によって熱交換した作動流体を減圧膨張させる膨張器と、
   前記エンジンの冷却水と前記サイクル内の作動流体とを熱交換する第２の熱交換器と、
   前記サイクル内の作動流体を前記膨張器からバイパスさせる第１のバイパス通路と、
   前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
   前記冷却水温度検出手段により検出された冷却水の温度が予め設定された判定値以上の場合は作動流体を前記第１のバイパス通路に流さず、前記冷却水の温度が前記判定値未満の場合は作動流体を第１のバイパス通路に流通させるように切換制御する第１の切換手段と
   を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
2. 走行用駆動源として前記エンジンと共に走行用バッテリにより駆動される走行用モータを備えたハイブリッド車両に搭載され、
   前記作動流体の減圧膨張により前記膨張器が発電機を駆動し、発電電力を前記走行用バッテリに充電することを特徴とする請求項２記載のエンジンの廃熱回収装置。
3. 前記エンジンに備えられたターボチャージャーのタービンの上流側からコンプレッサの下流側に排ガスをＥＧＲガスとして環流する高圧側ＥＧＲシステムと、
   前記高圧側ＥＧＲシステムにより環流される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する高圧側ＥＧＲクーラと、
   前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合は前記作動流体を前記高圧側ＥＧＲクーラに流通させる第２の切換手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの廃熱回収装置。
4. 前記ターボチャージャーのタービンの下流側からコンプレッサの上流側に排ガスをＥＧＲガスとして環流する低圧側ＥＧＲシステムと、
   前記低圧側ＥＧＲシステムにより環流される排ガスと前記サイクル内の作動流体とを熱交換する低圧側ＥＧＲクーラと、
   前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合は前記作動流体を前記低圧側ＥＧＲクーラに流通させる第３の切換手段と
   を備えたことを特徴とする請求項３記載のエンジンの廃熱回収装置。
5. 前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合に、前記膨張器で減圧膨張後の作動流体を前記第２の熱交換器、前記低圧側ＥＧＲクーラ、前記高圧側ＥＧＲクーラの順に流通させることを特徴とする請求項４記載のエンジンの廃熱回収装置。
6. 前記低圧側ＥＧＲシステムにより環流される排ガスを前記低圧側ＥＧＲクーラからバイパスさせる第２のバイパス路と、
   前記冷却水の温度が前記判定値以上の場合は排ガスを前記第２のバイパス通路に流さず、前記冷却水の温度が前記判定値未満の場合は排ガスを第２のバイパス通路に流通させるように切換制御する第４の切換手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか記載のエンジンの廃熱回収装置。

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