JP2016156327A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コストの掛からない構成で始動時の液相流体の沸騰を促進することができるランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】ランキンサイクルシステム１００は、エンジン１０の廃熱により液相流体を沸騰させて気相流体に変化させる沸騰器１２と、沸騰器１２から送出される気相流体をエンジン１０の排気との熱交換によって過熱させる過熱器３０と、過熱器３０を通過した気相流体を膨張させて仕事を取り出す膨張機３４と、膨張機３４を通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器４０と、凝縮器４０で得られた液体流体を沸騰器１２に供給する液送ポンプ２０，４８と、沸騰器１２と過熱器３０との間に設けられた第１バルブ５０と、過熱器３０と凝縮器４０との間に設けられた第２バルブ５２と、沸騰器１２による液相流体の沸騰が終了した場合に２つのバルブ５０，５２を閉じるバルブ操作装置７０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。

ランキンサイクルを利用してエンジン（内燃機関）の廃熱を回収するランキンサイクルシステムが提案されている。ランキンサイクルシステムでは、エンジンの廃熱により液相流体を沸騰させて気相流体に変化させ、気相流体を膨張させることによって仕事を取り出し、膨張後の気相流体を凝縮させて液相流体に戻すことが行われる。

エンジンが冷間状態にある場合、ランキンサイクルシステムの運転を開始してから仕事が取り出されるまでには応答遅れが発生する。この応答遅れは、系内の圧力を低下させ、液相流体の沸騰を促進することによって低減することができる。下記の特許文献１には、ランキンサイクルシステムに負圧ポンプを搭載し、負圧ポンプによって生成した負圧を凝縮器に作用させることが開示されている。凝縮器内の圧力を低下させれば、液相流体を沸騰させる沸騰器から凝縮器までの気相流体の流れを加速するとともに、沸騰器内での液相流体の沸騰を促進することができる。

特開２０１２−１５９０６５号公報 特開２０１４−０９２０７１号公報

しかし、負圧ポンプの搭載は、ランキンサイクルシステムのコストを増大させることになる。また、負圧ポンプを作動させてから系内の圧力が低下するまでにはいくらかの時間を要するので、システムの始動性をより向上させたいのであれば、負圧ポンプとは別に、負圧を蓄えておく負圧タンクが必要となる。ところが、負圧タンクの搭載は、ランキンサイクルシステムのコストをさらに増大させることになる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、コストの掛からない構成で始動時の液相流体の沸騰を促進することができる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。

本発明に係るランキンサイクルシステムは、エンジンの廃熱により液相流体を沸騰させて気相流体に変化させる沸騰器と、沸騰器から送出される気相流体をエンジンの排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、過熱器を通過した気相流体を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、膨張機を通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、凝縮器で得られた液体流体を沸騰器に供給する液送ポンプとを備えるランキンサイクルシステムである。本発明に係るランキンサイクルシステムは、さらに、沸騰器と過熱器との間に設けられた第１バルブと、過熱器と凝縮器との間に設けられた第２バルブと、沸騰器による液相流体の沸騰が終了した場合に１バルブ及び第２バルブを閉じるように構成されたバルブ操作装置とを備える。

以上の構成によれば、沸騰器で液相流体が沸騰することによって発生した気相流体は、沸騰の終了後に過熱器の中に閉じ込められる。過熱器の中の気相流体がエンジンの停止後に凝縮することで、過熱器の中に負圧が発生する。ランキンサイクルシステムの次回の運転開始まで、過熱器は、負圧を蓄える負圧タンクとして機能する。

バルブ操作装置による第１バルブ及び第２バルブの閉操作の手順は、最初に第１バルブを閉じ、過熱器内の圧力が凝縮器内の圧力に近づいてから第２バルブを閉じることが好ましい。このような手順でバルブの閉操作が行われることで、過熱器内に確実に負圧を発生させることができる。

また、バルブ操作装置は、沸騰器による液相流体の沸騰が始まる場合或いは始まった場合に、第１バルブ及び第２バルブを開くように構成される。この構成によれば、過熱器に蓄えられた負圧によって沸騰器から凝縮器までの経路内の圧力を低下させることができるので、沸騰器内での液相流体の沸騰を促進することができる。

バルブ操作装置による第１バルブ及び第２バルブの開操作の手順は、最初に第２バルブを開いて凝縮器の圧力を低下させ、凝縮器内の圧力が過熱器内の圧力に近づいてから第１バルブを開いて沸騰器に負圧を作用させることが好ましい。このような手順でバルブの開操作が行われることで、沸騰器内での液相流体の沸騰を促進するとともに、沸騰器から凝縮器までの気相流体の流れを加速することができる。

過熱器には、気相流体が凝縮してできた液相流体を外部へ排出する通路を設けてもよい。過熱器の内部に液相流体が残留している場合、エンジンの始動時、排気からの受熱によって液相流体が気化し、それにより過熱器の内部の負圧が低下するおそれがある。しかし、液相流体を外部へ排出する通路が設けられていれば、液相流体の気化による負圧の低下は抑えることができる。

ランキンサイクルシステムの次回の運転開始まで、過熱器の内部は真空に近い状態に保たれ、過熱器は外界に対する断熱層として機能する。よって、過熱器の搭載位置は、エンジンの排気通路において触媒の上流であることが好ましい。より好ましくは、過熱器は、排気マニホールドを覆うように排気マニホールドと一体的に設けられる。触媒の上流に過熱器を設置することで、エンジンの始動時に触媒に流れる排気を保温し、触媒の暖機を促進することができる。また、エンジンの暖機の完了後は、過熱器と排気通路との間の熱交換によって排気の温度を抑制することができるので、触媒の過熱を防ぐことができる。

過熱器の搭載位置は、エンジンの排気通路において触媒の外周上であることも好ましい。より好ましくは、過熱器は、触媒を覆うように触媒と一体的に設けられる。触媒の外周上に過熱器を設置することで、エンジンの始動時に触媒を保温して触媒の暖機を促進することができる。また、エンジンの暖機の完了後は、過熱器と触媒との間の熱交換によって触媒の過熱を防ぐことができる。

沸騰器は、エンジンのシリンダブロック或いはシリンダヘッドに設けて、液相流体が沸騰する際の気化熱によりエンジンを冷却するように構成することができる。また、沸騰器は、エンジンの排気通路に設けることもできる。この場合の過熱器の搭載位置は、排気通路において過熱器の下流であることが好ましい。

沸騰器と過熱器との間には、沸騰器から排出される気相流体と液相流体とを分離する気液分離器を設けることができる。この場合の第１バルブの位置は、気液分離器と過熱器との間であることが好ましい。

本発明に係るランキンサイクルシステムによれば、沸騰器で液相流体が沸騰することによって発生した気相流体を、沸騰の終了後に過熱器の中に閉じ込めることができる。過熱器の中の気相流体は、エンジンの停止後に外気との熱交換によって冷却されて凝縮する。エンジンの運転中、過熱器の中の気相流体は過熱状態になっているため、これが凝縮することで過熱器の内部には負圧が発生し、この負圧はランキンサイクルシステムの次回の運転開始まで過熱器に蓄えられる。つまり、本発明に係るランキンサイクルシステムによれば、負圧を発生させてそれを蓄えておくのに、負圧ポンプや負圧タンクを必要としない。よって、本発明に係るランキンサイクルシステムによれば、コストの掛からない構成で始動時の液相流体の沸騰を促進することができる。

実施の形態１のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。 実施の形態１の過熱器の構成を示す図である。 実施の形態１の過熱器の構成の変形例を示す図である。 実施の形態１のランキンサイクルシステムの沸騰冷却時の冷媒のフローを示す図である。 実施の形態１のランキンサイクルシステムのエンジン始動時及び停止時の冷媒のフローを示す図である。 エンジン始動時の沸騰冷却の開始のタイミングを説明するための図である。 エンジンの運転領域に応じた沸騰冷却モードと通常冷却モードの切り替えを説明するための図である。 実施の形態１のバルブ操作の全体の制御フローを示すフローチャートである。 実施の形態１のバルブ操作の沸騰冷却開始時の制御フローを示すフローチャートである。 実施の形態１のバルブ操作の沸騰冷却終了時の制御フローを示すフローチャートである。 比較例のランキンサイクルシステムによる過熱器内圧と触媒温度の時刻による変化を示す図である。 実施の形態１のランキンサイクルシステムによる過熱器内圧と触媒温度の時刻による変化を示す図である。 実施の形態２のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。 実施の形態３のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。 実施の形態４のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
１．ランキンサイクルシステムの構成
図１は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の構成を示す図である。図１に示すように、ランキンサイクルシステム１００はエンジン（内燃機関）１０を含む。エンジン１０の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン１０のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、冷媒が流れる冷媒流路１２が形成されている。冷媒流路１２は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン１０は、冷媒流路１２を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。

ランキンサイクルシステム１００によるエンジン１０の冷却モードには、通常冷却モードと沸騰冷却モードがある。通常冷却モードでは、冷媒の温度が沸点まで達しないように流量を調整し、冷媒流路１２を多量に流れる液相の冷媒による熱の持ち去りによってエンジン１０を冷却することが行われる。沸騰冷却モードでは、通常冷却モードよりも冷媒の流量を減らし、あえて冷媒流路１２内で冷媒を沸騰させ、液相の冷媒が気相の冷媒（すなわち、蒸気）に変化する際の気化熱によってエンジン１０を冷却することが行われる。ランキンサイクルシステム１００により沸騰冷却モードが選択される場合、冷媒流路１２は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン１０の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒は、常温では液相流体であり、エンジン１０の熱により沸騰して気相流体に変化するものであればよく、水には限定されない。

エンジン１０の冷媒流路１２は、冷媒管１４を介して気液分離器１６に接続されている。沸騰冷却モードが選択される場合、冷媒流路１２からは気相冷媒とともに液相冷媒が吐出される。気液分離器１６は、気液分離器１６内に流入した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器１６は、冷媒管１８を介して第１ウォータポンプ２０に接続されている。気液分離器１６で分離された液相冷媒は、冷媒管１８を経由して第１ウォータポンプ２０に流入し、第１ウォータポンプ２０により冷媒流路１２に送られる。

気液分離器１６は、冷媒管２８を介して過熱器３０に接続されている。冷媒管２８には、気液分離器１６と過熱器３０との連通を遮断することができる過熱器入口側バルブ（第１バルブ）５０が設けられている。第１バルブ５０は、信号の入力によって開閉する電磁弁である。過熱器３０は、エンジン１０の排気通路２２において触媒２４の上流に設けられている。過熱器３０と触媒２４との間には隙間はない。

ここで、図２は、過熱器３０の詳細な構成を示す断面図である。過熱器３０は、排気マニホールド２６の周囲を覆うように設けられ、排気マニホールド２６と一体化されている。過熱器３０の内壁面と排気マニホールド２６の外壁面とで囲まれた空間が、気液分離器１６から送られた気相冷媒が流れる流路となる。気液分離器１６では気相冷媒と液相冷媒が共存しているため、気相冷媒は飽和蒸気となっている。過熱器３０に入った気相冷媒は、排気マニホールド２６の壁面から伝えられる排気熱を吸収することによって過熱蒸気となる。

図２に示す構成では、排気マニホールド２６の集合部に対応する位置に、過熱器３０の冷媒入口３０ａが設けられている。この位置は、過熱器３０の鉛直方向の最下部であって、過熱器３０の中で気相冷媒が凝縮した場合には、凝縮によって生じた液相冷媒はここに流れてくる。過熱器３０の冷媒入口３０ａは、凝縮によって生じた液相冷媒を外部に排出する経路して機能する。なお、図２に示す構成において、過熱器３０の冷媒入口３０ａと冷媒出口３０ｂを逆にしてもよい。つまり、冷媒出口を過熱器３０の鉛直方向の最下部に設けて、そこから凝縮によって生じた液相冷媒を排出するようにしてもよい。また、例えば図３に示す構成のように、過熱器３０の冷媒入口３０ａを排気マニホールド２６の枝管を囲む部分に設けて、凝縮によって生じた液相冷媒がここに流れてくるように過熱器３０を形成してもよい。この構成においても、過熱器３０の冷媒入口３０ａと冷媒出口３０ｂを逆にしてもよい。

過熱器３０は、冷媒管３２を介して膨張機であるタービン３４に接続されている。タービン３４では、過熱器３０から送られた気相冷媒（過熱蒸気）を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。冷媒管３２とタービン３４との接続部には、図示しない超音速ノズルが設けられている。気相冷媒は超音速ノズルからタービン３４に噴きつけられ、タービン３４を回転させる。タービン３４の回転は、図示しない減速機を介してエンジン１０の出力軸に伝えられる。つまり、タービン３４で取り出された仕事は、エンジン１０のアシストに用いられる。ただし、タービン３４により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。

タービン３４で膨張した気相冷媒は、冷媒管３６を介してコンデンサ（凝縮器）４０に送られる。冷媒管３６には、過熱器３０とコンデンサ４０との連通を遮断することができる過熱器出口側バルブ（第２バルブ）５２が設けられている。第２バルブ５２は、信号の入力によって開閉する電磁弁である。コンデンサ４０に送られた気相冷媒は、コンデンサ４０により冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻される。気相冷媒の凝縮により生じた液相冷媒は、コンデンサ４０から冷媒管４２を介してキャッチタンク４４に送られ、キャッチタンク４４に一時的に貯留される。キャッチタンク４４は、冷媒管４６を介して気液分離器１６と接続されている。冷媒管４６には、第２ウォータポンプ４８が設けられている。第２ウォータポンプ４８は、キャッチタンク４４に貯留された液相冷媒を気液分離器１６に送るためのポンプである。なお、第２ウォータポンプ４８と気液分離器１６との間には、気液分離器１６側からキャッチタンク４４側への液相冷媒の逆流を防止する図示しない逆止弁が設けられている。

ランキンサイクルシステム１００は、各種のセンサとＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ランキンサイクルシステム１００が備えるセンサには、冷媒流路１２の出口における冷媒温度を計測するための温度センサ６０と、過熱器３０内の圧力（過熱器内圧）を計測するための圧力センサ６２と、コンデンサ４０内の圧力（コンデンサ内圧）を計測するための圧力センサ６４とが含まれる。ＥＣＵ７０は、エンジン１０を含むランキンサイクルシステム１００の全体の運転を制御する制御装置である。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、前述のセンサ６０，６２，６４を含む各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ７０が操作信号を出すアクチュエータには、バルブ５０，５２とウォータポンプ２０，４８が含まれる。メモリには、各種制御プログラム、各種マップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

２．ランキンサイクルシステムの動作
上記構成において説明したように、ランキンサイクルシステム１００は、過熱器３０の入口側と出口側にそれぞれバルブ５０，５２を備え、これらのバルブ５０，５２はＥＣＵ７０によって操作される。沸騰冷却モードによる運転が行われている間、沸騰器である冷媒流路１２から膨張機であるタービン３４を経てコンデンサ４０に至る冷媒のフローを作るため、第１バルブ５０と第２バルブ５２はともに開放されている。

図４は、沸騰冷却時の冷媒のフローを示す図である。図４において、太い実線は液相冷媒（つまり、冷却水）が流れている管路を意味し、太い点線は気相冷媒（つまり、蒸気）が流れている管路を意味している。第１バルブ５０と第２バルブ５２が開かれることで、冷媒流路１２から気液分離器１６を経て過熱器３０に達し、過熱器３０からタービン３４を経てコンデンサ４０に至る気相冷媒の経路が作られる。第１ウォータポンプ２０によりエンジン１０に送られた液相冷媒は、冷媒流路１２においてエンジン１０の廃熱を受け取って沸騰し、高温高圧の気相冷媒となる。冷媒流路１２から出た気相冷媒は、気液分離器１６で液相冷媒と分離されて過熱器３０に送られ、過熱器３０においてエンジン１０の廃熱をさらに受け取って過熱蒸気となる。過熱蒸気は、タービン３４において膨張する際に仕事をし、コンデンサ４０において再び液相冷媒に戻される。コンデンサ４０で発生した液相冷媒は、キャッチタンク４４に蓄えられる。そして、気液分離器１６に蓄えられている液相冷媒の液面の高さが下限以下になったとき、第２ウォータポンプ４８が作動してキャッチタンク４４から気液分離器１６に液相冷媒が送られる。

沸騰冷却モードによる運転は、エンジン１０の停止に伴って終了する。沸騰冷却モードによる運転が終了し、冷媒流路１２での沸騰が止まると、冷媒流路１２から気相冷媒の供給が停止する。この場合、過熱器３０を挟んで設けられた第１バルブ５０と第２バルブ５２はともに閉じられる。

図５は、エンジン１０の停止時の冷媒のフローを示す図である。図５において、太い実線は液相冷媒（つまり、冷却水）が流れている管路を意味し、細い実線は冷媒が流れていない管路を意味している。第１バルブ５０と第２バルブ５２がともに閉じられることで、冷媒流路１２からコンデンサ４０に至る気相冷媒の経路が遮断されるとともに、過熱器３０の内部に気相冷媒が閉じ込められる。エンジン１０の運転時、過熱器３０の内部の気相冷媒は排気マニホールド２６から受ける熱によって過熱蒸気になっている。エンジン１０の停止後、排気マニホールド２６の壁面を通じた熱の供給が無くなることで、過熱器３０の内部の気相冷媒は外気によって冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻る。密度の低い過熱蒸気が凝縮することで、過熱器３０の内部に負圧が発生する。なお、第１ウォータポンプ２０は、沸騰の終了後しばらくの間は動作し、冷媒流路１２と気液分離器１６との間で液相冷媒を循環させる。

過熱器３０を挟んで設けられた第１バルブ５０と第２バルブ５２は、次回、エンジン１０が始動して沸騰冷却モードによる運転が開始されるまで、閉じたままとされる。その間、過熱器３０は、負圧を蓄える負圧タンクとして機能する。

図５に示す冷媒のフローは、エンジン１０の始動時の冷媒のフローでもある。エンジン１０の始動に合わせて第１ウォータポンプ２０が作動し、液相冷媒はエンジン１０の冷媒流路１２と気液分離器１６との間を循環するようになる。冷媒流路１２での液相冷媒の沸騰が始まるまでには、エンジン１０の始動からある程度の時間を要する。その間、第１バルブ５０と第２バルブ５２は閉じたままとされ、過熱器３０の内部に負圧が蓄えられた状態が維持される。エンジン１０の暖機が進むにつれて、冷媒流路１２内の液相冷媒の温度は次第に上昇していく。

やがて、冷媒流路１２で液相冷媒の沸騰が始まるとき、沸騰冷却モードによる運転が開始され、過熱器３０を挟んで設けられた第１バルブ５０と第２バルブ５２はともに開かれる。第１バルブ５０と第２バルブ５２が開かれることで、沸騰器である冷媒流路１２からコンデンサ４０までの冷媒の気相冷媒の経路が作られるとともに、過熱器３０に蓄えられた負圧によって経路内の圧力は低下させられる。これにより、冷媒流路１２での液相冷媒の沸騰が促進され、エンジン１０の沸騰冷却が始まる。

エンジン１０の始動時の第１バルブ５０と第２バルブ５２の開放は、温度センサ６０によって計測される液相冷媒の温度に応じて行われる。図６は、エンジン始動時のエンジン水温（冷媒流路１２を流れる液相冷媒の温度）の時刻による変化と、沸騰冷却モードによる運転の開始のタイミングとを示す図である。図６において、“沸騰冷却＝ｏｆｆ”と記された区間は、沸騰冷却が行われていない時間を示し、“沸騰冷却＝ｏｎ”と記された区間は、沸騰冷却が行われる時間を示している。この図に示すように、沸騰冷却モードによる運転は、エンジン水温が沸点に達する前の所定温度において開始される。ＥＣＵ７０は、温度センサ６０によって計測したエンジン水温が上記所定温度に達したことを検知した場合、第１バルブ５０と第２バルブ５２をともに開放する。なお、２つのバルブ５０，５２の開放は、エンジン水温が沸点に達してから行うことも可能である。ただし、バルブ５０，５２の開放が遅れると冷媒流路１２の内圧が急上昇するため、これを回避するためには、本実施の形態のようにエンジン水温が沸点に達する前にバルブ５０，５２を開放することが好ましい。

なお、冷媒流路１２で沸騰が始まる際には、エンジン１０の廃熱が排気マニホールド２６から過熱器３０に伝えられる。このため、過熱器３０の内部に液相冷媒が残留しているならば、排気マニホールド２６からの受熱によって液相冷媒が気化し、それにより過熱器３０の内部の負圧が低下するおそれがある。しかし、過熱器３０は、凝縮によって生じた液相冷媒が自然に排出されるように冷媒入口３０ａ（或いは冷媒出口）が設けられているので、過熱器３０の内部で液相冷媒が気化することによる負圧の低下は抑えられている。

エンジン１０の停止時に行われる第１バルブ５０と第２バルブ５２の閉操作は、沸騰冷却モードから通常冷却モードへの切り替えの際にも行われる。また、通常冷却モードから沸騰冷却モードへの切り替えの際には、エンジン１０の始動時に行われる第１バルブ５０と第２バルブ５２の開操作が行われる。沸騰冷却モードと通常冷却モードの切り替えは、トルクとエンジン回転速度とで定義されるエンジン１０の運転領域に応じて行われる。図７において、沸騰冷却＝ｏｆｆ”と記された領域は、通常冷却モードが選択される領域を示し、“沸騰冷却＝ｏｎ”と記された領域は、沸騰冷却モードが選択される領域を示している。この図に示すように、低トルク低回転速度域と高回転速度域では、沸騰冷却モードに代えて通常冷却モードが選択される。

３．バルブの操作の詳細
図８は、実施の形態１のバルブ操作の全体の制御フローを示すフローチャートである。ＥＣＵ７０のメモリには、この制御フローに対応する制御プログラムが記憶されている。上述のランキンサイクルシステム１００の動作は、この制御フローに従ってＥＣＵ７０が第１バルブ５０と第２バルブ５２を操作することによって実現される。このとき、ＥＣＵ７０はバルブ操作装置として機能する。

図８に示す制御フローは、エンジン１０を含むランキンサイクルシステム１００の停止状態においてＥＣＵ７０の主電源が入った場合に実行される。エンジン１０の運転が停止している間、第１バルブ５０と第２バルブ５２はともに閉じた状態に維持されている。

ＥＣＵ７０は、まず、エンジン１０の起動スイッチ（例えば、イグニッションスイッチ）がオンになっているかどうか判定する（ステップＳ２）。エンジン１０の起動スイッチがオンになっていない場合、ＥＣＵ７０は、第１バルブ５０と第２バルブ５２をともに閉じたままとする。

エンジン１０の起動スイッチがオンになった場合、第１ウォータポンプ２０による液相冷媒の循環が開始され、エンジン１０の暖機が始まる。ＥＣＵ７０は、沸騰冷却モードによる運転を開始するかどうか温度センサ６０により計測されるエンジン水温に基づいて判定する（ステップＳ４）。エンジン水温が所定温度に達するまで、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２の判定とステップＳ４の判定を繰り返す。エンジン水温が所定温度に達する前にエンジン１０の起動スイッチがオフにされた場合、第１バルブ５０と第２バルブ５２を閉じたまま本制御フローは終了する。

エンジン水温が所定温度に達したことにより沸騰冷却モードによる運転を開始する場合、ＥＣＵ７０は、コンデンサ４０に過熱器３０の負圧を導入するためのバルブ操作を実施する（ステップＳ６）。

図９は、ステップＳ６で実施されるバルブ操作の制御フローを示すフローチャートである。図９に示す制御フローに従い、ＥＣＵ７０は、まず、過熱器出口側バルブである第２バルブ５２を開く（ステップＳ１０２）。第２バルブ５２を開くことで、過熱器３０に蓄えられていた負圧がタービン３４を介してコンデンサ４０に導入される。コンデンサ４０への負圧の導入によりコンデンサ内圧は低下していき、また、過熱器３０からの負圧の放出によって過熱器内圧は上昇していく。

ＥＣＵ７０は、圧力センサ６２のセンサ信号から過熱器内圧を計測するとともに、圧力センサ６４のセンサ信号からコンデンサ内圧を計測し、過熱器内圧とコンデンサ内圧とが等しくなったかどうか判定する（ステップＳ１０４）。過熱器内圧とコンデンサ内圧とが等しくなるまで、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０４の判定を繰り返す。

やがて、過熱器内圧とコンデンサ内圧とが等しくなったとき、ＥＣＵ７０は、過熱器入口側バルブである第１バルブ５０を開く（ステップＳ１０６）。第１バルブ５０を開くことで、沸騰器である冷媒流路１２に気液分離器１６を介して負圧を作用させる。冷媒流路１２に作用した負圧は、冷媒流路１２内の液相冷媒の沸点を下げ、液相冷媒の沸騰を促進する。

以上の手順で２つのバルブ５０，５２を開く操作が行われることで、冷媒流路１２における液相冷媒から気相冷媒への相変化を促進するとともに、冷媒流路１２からコンデンサ４０までの気相流体の流れを加速することができる。ただし、図９に示す制御フローは一例であって、沸騰冷却開始時のバルブ操作がこれに限定されるものではない。過熱器３０に蓄えられた負圧によって冷媒流路１２からコンデンサ４０までの経路内の圧力を低下させることができる限りであれば、過熱器内圧とコンデンサ内圧とが等しくなる前に第１バルブ５０を開いても良いし、第２バルブ５２と第１バルブ５０を同時に開いても良いし、第２バルブ５２より先に第１バルブ５０を開いてもよい。

再び図８に戻って制御フローの説明を続ける。ＥＣＵ７０は、第１バルブ５０と第２バルブ５２を開いた後、沸騰冷却モードによる運転を終了して通常冷却モードによる運転に切り替えるかどうか、エンジン１０のトルクと回転速度とに基づいて判定する（ステップＳ８）。判定に用いるトルクは、空気量、空燃比、点火時期等の制御パラメータから計算される推定トルクでもよいし、アクセル開度とエンジン回転速度から計算される要求トルクでもよい。エンジン１０の動作点が沸騰冷却モードの領域から通常冷却モードの領域へ移動するまで、ＥＣＵ７０は、第１バルブ５０と第２バルブ５２を開いたままステップＳ８の判定を繰り返す。

沸騰冷却モードによる運転を終了する場合、ＥＣＵ７０は、過熱器３０内に負圧を生成するためのバルブ操作を実施する（ステップＳ１０）。

図１０は、ステップＳ１０で実施されるバルブ操作の制御フローを示すフローチャートである。図１０に示す制御フローに従い、ＥＣＵ７０は、まず、過熱器入口側バルブである第１バルブ５０を閉じる（ステップＳ２０２）。第１バルブ５０を閉じることで、沸騰器である冷媒流路１２から過熱器３０への高圧の気相冷媒の流入は遮断される。一方、第２バルブ５２はまだ開いているので、過熱器３０からの気相冷媒の流出は続く。そして、過熱器３０から流出する気相冷媒の流量の減少とともに、過熱器内圧は次第に低下していく。

ＥＣＵ７０は、圧力センサ６４のセンサ信号からコンデンサ内圧を計測するとともに、圧力センサ６２のセンサ信号から過熱器内圧を計測し、コンデンサ内圧と過熱器内圧とが等しくなったかどうか判定する（ステップＳ２０４）。コンデンサ内圧と過熱器内圧とが等しくなるまで、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０４の判定を繰り返す。

やがて、コンデンサ内圧と過熱器内圧とが等しくなったとき、ＥＣＵ７０は、過熱器出口側バルブである第２バルブ５２を閉じる（ステップＳ２０６）。第２バルブ５２を閉じることで、過熱器３０の中に残った気相冷媒はそのまま過熱器３０に閉じ込められる。過熱器３０に閉じ込められた気相冷媒は、排気からの受熱量が減少したときに凝縮し、過熱器３０の中で液相冷媒に戻る。

以上の手順で２つのバルブ５０，５２を閉じる操作が行われることで、過熱器３０内に残存する気相流体の量を減らし、気相流体の凝縮後に過熱器３０の内部に発生する負圧を大きくすることができる。ただし、図１０に示す制御フローは一例であって、沸騰冷却終了時のバルブ操作がこれに限定されるものではない。過熱器３０内に気相冷媒を閉じ込めて負圧を発生させることができる限りであれば、コンデンサ内圧と過熱器内圧とが等しくなる前に第２バルブ５２を閉じても良いし、第１バルブ５０と第２バルブ５２を同時に閉じても良いし、第１バルブ５０より先に第２バルブ５２を閉じてもよい。

再び図８に戻って制御フローの説明を続ける。ＥＣＵ７０は、第１バルブ５０と第２バルブ５２を閉じた後、再び沸騰冷却モードによる運転に切り替えるかどうか、エンジン１０のトルクと回転速度とに基づいて判定する（ステップＳ１２）。沸騰冷却モードによる運転を再開する場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６の処理を実行して第１バルブ５０と第２バルブ５２を開く。その後の処理は前述の通りである。

沸騰冷却モードによる運転への切り替えが行われない場合、第１バルブ５０と第２バルブ５２は閉じたままとされ、過熱器３０内の負圧は維持される。ＥＣＵ７０は、エンジン１０の起動スイッチがオフにされたかどうか判定する（ステップＳ１４）。沸騰冷却モードによる運転を再開するか、エンジン１０の起動スイッチがオフにされるまで、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１２の判定とステップＳ１４の判定を繰り返す。そして、エンジン１０の起動スイッチがオフにされた場合、本制御フローは終了する。第１バルブ５０と第２バルブ５２はともに閉じたままとされるので、ランキンサイクルシステム１００の次回の運転開始まで、過熱器３０の中には負圧が蓄えられる。

４．ランキンサイクルシステムの効果
上述のように、ランキンサイクルシステム１００は、エンジン１０の沸騰冷却時に発生した気相冷媒を、沸騰冷却の終了後に過熱器３０の中に閉じ込めることができる。過熱器３０の中の気相冷媒は、エンジン１０の停止後に外気との熱交換によって冷却されて凝縮する。エンジン１０の運転中、過熱器３０の中の気相冷媒は過熱状態になっているため、これが凝縮することで負圧が発生する。この負圧はランキンサイクルシステム１００の次回の運転開始まで過熱器３０に蓄えられ、次回の沸騰冷却の始まりにおいて沸騰の促進に用いられる。このように、ランキンサイクルシステム１００によれば、負圧を発生させてそれを蓄えておくのに、負圧ポンプや負圧タンクを必要とせず、コストの掛からない構成で沸騰冷却の開始時の液相冷媒の沸騰を促進することができる。

また、過熱器３０の内部に負圧が蓄えられるということは、過熱器３０の内部は真空に近い状態に保たれていることを意味する。エンジン１０の始動時には触媒２４の早期の暖機が求められるが、内部を真空に近い状態に保たれた過熱器３０は、排気マニホールド２６に対して外界に対する断熱層として機能する。これにより、エンジン１０の始動時に触媒２４に流れる排気を保温することができ、触媒２４の暖機を促進することができる。

ここで、図１１は、比較例のランキンサイクルシステムによる過熱器内圧と触媒温度の時刻による変化を示す図である。比較例のランキンサイクルシステムでは、過熱器は排気マニホールドと一体化されておらず、また、エンジン停止時の過熱器内圧は大気圧となっている。図１２は、本実施の形態のランキンサイクルシステム１００による過熱器内圧と触媒温度の時刻による変化を示す図である。ランキンサイクルシステム１００では、過熱器３０の内部が負圧に保たれることによる断熱効果により、触媒温度の上昇速度が高まり早期の暖機の完了が実現される。

また、ランキンサイクルシステム１００によれば、過熱器３０は排気マニホールド２６を覆うように排気マニホールド２６と一体的に設けられている。このため、エンジン１０の暖機が完了して過熱器３０の中を気相冷媒が流れるようになると、過熱器３０を流れる気相冷媒と排気マニホールド２６を流れるより高温の排気との間で熱交換が行われるようになる。この熱交換によって排気の熱が奪われることにより、触媒２４に流れる排気の温度が抑制され、高温の排気ガスによる触媒２４の過熱が防止される。

さらに、ランキンサイクルシステム１００によれば、エンジン１０の停止時、過熱器３０の内部が負圧に保たれることによる断熱効果により、触媒温度の低下速度が抑えられる。これにより、エンジン１０を停止してからある程度時間が経って再始動した場合でも、触媒２４を早期に暖機することが可能となる。

実施の形態２．
図１３は、実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２の構成を示す図である。図１３において、図１に示す実施の形態１のランキンサイクルシステム１００と共通する要素には同一の符号を付している。

実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２は、過熱器８０が触媒を覆うように触媒と一体的に設けられている。この触媒一体型の過熱器８０は、排気マニホールド２６の出口に取り付けられている。過熱器８０の入口側には、実施の形態１と同位置に第１バルブ５０が設けられ、過熱器８０の出口側には、実施の形態１と同位置に第２バルブ５２が設けられている。

このような構成によれば、エンジン１０の始動時は、過熱器８０の断熱効果によって内部の触媒を保温して触媒の暖機を促進することができる。また、エンジン１０の暖機の完了後は、過熱器８０とその内部の触媒との間の熱交換によって触媒の過熱を防ぐことができる。

実施の形態３．
図１４は、実施の形態３のランキンサイクルシステム１０４の構成を示す図である。図１４において、図１３に示す実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２と共通する要素には同一の符号を付している。

実施の形態３のランキンサイクルシステム１０４は、エンジン１０の外部に沸騰器８６を備える。沸騰器８６は、排気通路２２において触媒一体型の過熱器８０の下流に設けられている。ただし、過熱器は必ずしも触媒一体型でなくてもよく、実施の形態１のように触媒の上流に過熱器を設けることもできる。実施の形態１の沸騰器（冷媒流路）は、エンジン１０を沸騰冷却によって冷却する冷却装置を兼ねていたが、本実施の形態の沸騰器８６は、液相冷媒を沸騰させて気相冷媒に変化させるために設けられている。沸騰器８６を過熱器８０とともに排気通路２２に設けることにより、エンジン１０の排気熱を利用して液相冷媒を沸騰させて気相冷媒を発生させ、再度、排気熱を利用して気相冷媒を過熱することができる。これにより、排気熱を効率よく回収することができる。

実施の形態１のようなエンジン内部に設けられる沸騰器（冷媒流路）は、エンジン１０から直接に廃熱の供給を受けるために内部で激しく沸騰し、気相冷媒とともに液相冷媒も冷媒管に飛び出してくる。このため、沸騰器と過熱器との間には気液分離器を設けることが好ましい。一方、このランキンサイクルシステム１０４のように排気熱を利用して液相冷媒を沸騰させる沸騰器８６の場合、沸騰は比較的穏やかであるため、気相冷媒とともに液相冷媒が飛び出すことは少ない。このため、ランキンサイクルシステム１０４は気液分離器を有しておらず、沸騰器８６と過熱器８０とは冷媒管９０を介して接続されている。ただし、沸騰器８６と過熱器８０との間に気液分離器を設けることは可能である。

冷媒管９０には第１バルブ９２が設けられている。第１バルブ９２は、実施の形態１の第１バルブと同じく、第２バルブ５２とともに操作される。第１バルブ９２を第２バルブ５２とともに閉じることで、沸騰器８６と過熱器８０との間の気相冷媒の流通を遮断し、過熱器８０の中に気相冷媒を閉じ込めることができる。また、沸騰器８６はキャッチタンク４４と冷媒管８２を介して接続されている。冷媒管８２には、キャッチタンク４４で回収した液相冷媒を沸騰器８６に供給するための電動式のウォータポンプ８４が設けられている。

なお、ランキンサイクルシステム１０４は、エンジン１０の冷却システムとは独立して構成することができる。その場合、エンジン１０を冷却する冷媒とは別の流体をランキンサイクルシステム１０４の作動流体として用いることができる。作動流体は、常温では液相流体であり、エンジン１０の熱により沸騰して気相流体に変化するものであれば、水には限定されない。

実施の形態４．
図１５は、実施の形態４のランキンサイクルシステム１０６の構成を示す図である。図１５において、図１に示す実施の形態１のランキンサイクルシステム１００と共通する要素には同一の符号を付している。

実施の形態４のランキンサイクルシステム１０６と実施の形態１との違いは、第２バルブ９４の位置である。ランキンサイクルシステム１０６では、過熱器３０とタービン３４を接続する冷媒管３２に第２バルブ９４が設けられている。実施の形態２及び３に示す構成においても、本実施の形態と同じ位置に第２バルブを移すことができる。

なお、気液分離器１６と過熱器３０の間に設けられた第１バルブ５０も、他の位置、例えば、沸騰機である冷媒流路１２と気液分離器１６との間に移すことは可能である。ただし、その場合、２つのバルブを閉じて過熱器３０の内部に負圧を発生させたとき、気液分離器１６に溜まっている液相冷媒の気化によって過熱器３０の負圧が低下するおそれがある。よって、第１バルブ５０のより好ましい位置は、本実施の形態のとおり、気液分離器１６と過熱器３０との間である。

その他．
実施の形態１では、温度センサ６０によって冷媒温度（エンジン水温）を計測しているが、これは沸騰冷却モードへの切り替えを判定する手段の一例である。冷媒流路１２に圧力センサを設けて、蒸気圧から沸騰冷却モードへの切り替えを判定するようにしてもよい。或いは、触媒２４の暖機完了の判定を沸騰冷却モードへの切り替えの判定に利用してもよい。また、過熱器内圧とコンデンサ内圧を計測するための圧力センサ６２，６４は、過熱器内圧とコンデンサ内圧との差圧を計測する差圧センサに代えることができる。また、実施の形態１では、ＥＣＵ７０の信号によってバルブ５０，５２の操作を行っているが、バルブ操作装置としてサーモスタットを備え、サーモスタットによってバルブ５０，５２を操作するようにしてもよい。他の実施の形態についても同様である。

実施の形態１，２或いは４の構成に実施の形態３の構成を組み合わせてもよい。つまり、エンジン内部に設けられる沸騰器（冷媒流路）と別に排気通路にも沸騰器を設け、エンジンから放出される廃熱と排気が有する廃熱の両方を２つの沸騰器によって回収するようにしてもよい。

１０ エンジン
１２ 冷媒流路（沸騰器）
１６ 気液分離器
２０ 第１ウォータポンプ（液送ポンプ）
２２ 排気通路
２４ 触媒
２６ 排気マニホールド
３０ 過熱器
３４ タービン（膨張機）
４０ コンデンサ
４４ キャッチタンク
４８ 第２ウォータポンプ（液送ポンプ）
５０，９２ 第１バルブ
５２，９４ 第２バルブ
７０ ＥＣＵ（バルブ操作装置）
８０ 触媒一体型過熱器
８４ ウォータポンプ（液送ポンプ）
８６ 沸騰器
１００，１０２，１０４，１０６ ランキンサイクルシステム

Claims (11)

1. エンジンの廃熱により液相流体を沸騰させて気相流体に変化させる沸騰器と、
   前記沸騰器から送出される気相流体を前記エンジンの排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
   前記過熱器を通過した気相流体を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、
   前記膨張機を通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、
   前記凝縮器で得られた液体流体を前記沸騰器に供給する液送ポンプと、
   前記沸騰器と前記過熱器との間に設けられた第１バルブと、
   前記過熱器と前記凝縮器との間に設けられた第２バルブと、
   前記沸騰器による液相流体の沸騰が終了した場合に記第１バルブ及び前記第２バルブを閉じるように構成されたバルブ操作装置と、
   を備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。
2. 前記バルブ操作装置は、さらに、前記沸騰器による液相流体の沸騰が始まる場合或いは始まった場合に前記第１バルブ及び前記第２バルブを開くように構成されることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記バルブ操作装置は、最初に前記第１バルブを閉じ、前記過熱器内の圧力が前記凝縮器内の圧力に近づいてから前記第２バルブを閉じるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記バルブ操作装置は、最初に前記第２バルブを開き、前記凝縮器内の圧力が前記過熱器内の圧力に近づいてから前記第１バルブを開くように構成されることを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記過熱器は、気相流体が内部で凝縮してできた液相流体を外部へ排出する通路を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
6. 前記過熱器は、前記エンジンの排気通路において触媒の上流に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
7. 前記過熱器は、前記エンジンの排気マニホールドを覆うように前記排気マニホールドと一体的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
8. 前記過熱器は、前記エンジンの排気通路において触媒の外周上に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
9. 前記沸騰器は、前記エンジンのシリンダブロック或いはシリンダヘッドに設けられ、液相流体が沸騰する際の気化熱により前記エンジンを冷却するように構成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
10. 前記沸騰器は、前記エンジンの排気通路において前記過熱器の下流に設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
11. 前記沸騰器と前記過熱器との間に、前記沸騰器から排出される気相流体と液相流体とを分離する気液分離器をさらに備え、
    前記第１バルブは、前記気液分離器と前記過熱器との間に設けられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。

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