JP5202380B2 - ランキンサイクルシステム搭載車両 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの廃熱を回収するランキンサイクルシステムを搭載した車両に関する。

エンジンの排気、冷却水から車外へ捨てられていた熱エネルギーを動力として回生する廃熱回収装置を備え、回生した動力を用いてエンジンをアシストすることで、エンジンの燃費を向上させる技術が提案されている。

特許文献１は、このような廃熱回収装置において、回生した動力をエンジンに伝達する経路上にクラッチを配置することを提案している。この構成によれば、急加速時等、廃熱回収装置がエンジンの負荷となる場合は、該クラッチを解放することで廃熱回収装置をエンジンから切り離すことができ、本来燃費を向上させるための廃熱回収装置が逆にエンジンの燃費悪化の原因となるのを回避できる。

特開２００７−２３１８５７公報

特許文献１では、排気温度に基づき廃熱回収装置により回生される動力が予測され、これに基づきクラッチの締結、解放が制御される。

しかしながら、排気温度の変化が回生される動力に表れるまでには遅れがあるため、かかる予測方法では、実際には負荷とならない場合であってもクラッチを解放してしまう、あるいは、負荷となる場合であってもクラッチを締結してしまう可能性があった。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、回生した動力をエンジンに伝達する経路上にクラッチを配置したランキンサイクルシステム搭載車両において、回生される動力の予測精度を向上させ、クラッチの締結、解放を適切に行えるようにすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、エンジンと、該エンジンの廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を膨張機で動力（以下、この動力を「回生動力」という。）として回生するランキンサイクルシステムと、を備えたランキンサイクルシステム搭載車両であって、前記回生動力を前記エンジンに伝達する動力伝達機構と、前記動力伝達機構によって形成される前記膨張機と前記エンジンの間の動力伝達経路上に配置されるクラッチと、前記膨張機の回転速度を取得する回転速度取得手段と、前記膨張機に流入する冷媒の圧力である上流側冷媒圧力を取得する上流側冷媒圧力取得手段と、前記膨張機の回転速度及び上流側冷媒圧力に基づき前記回生動力を予測する回生動力予測手段と、前記回生動力の予測値が正のときに前記クラッチを締結し、ゼロないし負のときに前記クラッチを解放するクラッチ制御手段と、を備えたことを特徴とするランキンサイクルシステム搭載車両が提供される。

また、本発明の別の態様によれば、エンジンと、該エンジンの廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を膨張機で動力（以下、この動力を「回生動力」という。）として回生するランキンサイクルシステムと、を備えたランキンサイクルシステム搭載車両であって、前記回生動力を前記エンジンに伝達する動力伝達機構と、前記動力伝達機構によって形成される前記膨張機と前記エンジンの間の動力伝達経路上に配置されるクラッチと、前記膨張機の回転速度を取得する回転速度取得手段と、前記膨張機の上流側と下流側の冷媒圧力差を取得する冷媒圧力差取得手段と、前記膨張機の回転速度及び冷媒圧力差に基づき前記回生動力を予測する回生動力予測手段と、前記回生動力の予測値が正のときに前記クラッチを締結し、ゼロないし負のときに前記クラッチを解放するクラッチ制御手段と、を備えたことを特徴とするランキンサイクルシステム搭載車両が提供される。

これらの態様によれば、排気温度から回生動力を予測する場合と比べ、高い精度で回生動力を予測することができ、回生動力の発生状況に応じてクラッチの締結・解放を適切に行うことができる。

本発明の実施形態に係るランキンサイクルシステム搭載車両の概略構成図である。 動力伝達機構の一例を示した図である。 動力伝達機構の別の例を示した図である。 クラッチの締結・解放制御の内容を示したフローチャートである。 膨張機トルクマップである。 本発明の実施形態の作用効果を説明するための図である。 膨張機トルクマップの別の例である。 膨張機トルクマップの別の例である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るランキンサイクルシステム搭載車両の概略構成図である。車両は、エンジン１０とランキンサイクルシステム２０を備える。

エンジン１０は、水冷式の内燃機関であり、内部を流通する冷却水によって温度制御される。エンジン１０冷却後の冷却水は、流路１１により後述する蒸発器２２、図示しないラジエータへと送られ、冷却される。

ランキンサイクルシステム２０は、エンジン１０の冷却水からエンジン１０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。ランキンサイクルシステム２０は、ポンプ２１、蒸発器２２、膨張機２３及び凝縮器２４を備え、各構成要素はＲ１３４ａ等の冷媒が流通する流路２５ａ〜２５ｄにより接続される。

ポンプ２１は電動ポンプである。蒸発器２２は、エンジン１０の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を加熱し気化する熱交換器である。膨張機２３は、気化した冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギーに変換する蒸気タービンである。凝縮器２４は外気と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を冷却し液化する熱交換器である。凝縮器２４により液化された冷媒はポンプ２１により再び蒸発器２２に送られ、ランキンサイクルシステム２０の各構成要素を循環する。

蒸発器２２と膨張機２３を接続する流路２５ａには、膨張機２３に流入する冷媒の温度である上流側冷媒温度Ｔｃを検出する上流側冷媒温度センサ３１、膨張機２３に流入する冷媒の圧力である上流側冷媒圧力Ｐｄを検出する上流側冷媒圧力センサ３２が取り付けられている。また、膨張機２３と凝縮器２４を接続する流路２５ｂには、膨張機２３から流出する冷媒の圧力である下流側冷媒圧力Ｐｓを検出する下流側冷媒圧力センサ３３が取り付けられている。これらセンサ３１〜３３は電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）４０に電気的に接続されており、これらセンサ３１〜３３の検出信号はＥＣＵ４０に入力される。

ランキンサイクルシステム２０は以上のように構成され、膨張機２３のトルク（以下、「膨張機トルク」という。特許請求の範囲中の「回生動力」に対応。）Ｔｅｘは、動力伝達機構５０を介してエンジン１０へと伝達される。

図２Ａは、動力伝達機構５０の一例を示している。動力伝達機構５０は、膨張機２３の出力軸に取り付けられた膨張機プーリ５１と、膨張機プーリ５１、オルタネータのプーリ５２、エンジン１０のクランクプーリ５３及びエアコンコンプレッサのプーリ５４に掛け回されるベルト５５により構成される。膨張機トルクＴｅｘは、ベルト５５を介して、エンジン１０、オルタネータ、エアコンコンプレッサに伝達され、エンジン１０のアシストが行われる。

ここで、膨張機トルクＴｅｘが正のときは、これによってエンジン１０をアシストすることができるので、エンジン１０の燃費を向上させることができる。しかしながら、膨張機トルクＴｅｘがゼロないし負のときは、逆に膨張機２３がエンジン１０の負荷となり、エンジン１０の燃費を悪化させる。

このため、この実施形態では、エンジン１０のクランクシャフト（図示せず）とクランクプーリ５３の間にクラッチ６０が配置され、膨張機２３を必要に応じてエンジン１０から切り離すことができるようになっている。クラッチ６０は、例えば、電磁クラッチであり、ＥＣＵ４０からの制御信号を受けて締結・解放される。

なお、クラッチ６０を配置する位置はこの位置に限らず、動力伝達機構５０によって形成される膨張機２３とエンジン１０の間の動力伝達経路上であればよい。例えば、図２Ｂに示すように、膨張機２３の出力軸（図示せず）と膨張機プーリ５１の間にクラッチ６０を配置することも可能である。

図１に戻り、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ４１、ＲＡＭ・ＲＯＭからなる記憶装置４２、入出力インターフェース４３等を含む。記憶装置４２には、後述する制御を実行するためのプログラム、マップ等が格納されている。入出力インターフェース４３には、センサ３１〜３３の検出信号の他、図示しないエンジンコントローラからエンジン回転速度信号が入力される。ＣＰＵ４１は、記憶装置４２に格納されるプログラムを読み出して実行し、膨張機２３の回転速度Ｎｅ及び上流側冷媒圧力Ｐｄに基づき膨張機２３のトルクＴｅｘを予測する。そして、ＣＰＵ４１は、膨張機トルクＴｅｘが正か否かに応じてクラッチ６０の締結・解放信号を生成し、入出力インターフェース４３からクラッチ６０に出力する。

図３はＥＣＵ４０が実行するクラッチ６０の締結・解放制御の内容を示したフローチャートである。この制御は、ＥＣＵ４０において所定時間（例えば、１０ミリ秒）毎に実行される。以下、これを参照しながらクラッチ６０の締結・解放制御について説明する。

ＳＴ０１では、ＥＣＵ４０は、上流側冷媒圧力センサ３２から膨張機２３の上流側冷媒圧力Ｐｄを取得する。

ＳＴ０２では、ＥＣＵ４０は、図示しないエンジンコントローラからエンジン１０の回転速度Ｎｅを取得する。そして、ＥＣＵ４０は、エンジン１０の回転速度Ｎｅと、クランクプーリ５３と膨張機プーリ５１のプーリ比とに基づき、膨張機２３の回転速度Ｎｅｘを演算する。

ＳＴ０３では、ＥＣＵ４０は、膨張機トルクＴｅｘを予測する。ＥＣＵ４０は、予め用意された膨張機トルクマップ（図４）から膨張機２３の回転速度Ｎｅｘ及び上流側冷媒圧力Ｐｄに対応する値を検索することで、膨張機トルクＴｅｘを予測する。膨張機２３は上流側冷媒圧力Ｐｄを受けて回転するので、膨張機トルクＴｅｘは、膨張機２３の回転速度Ｎｅｘが同一であれば、上流側冷媒圧力Ｐｄが高くなるほど大きくなる。また、膨張機２３の回転速度Ｎｅｘが高いと、膨張機２３に流入する冷媒量が不足するので、高回転域では膨張機トルクＴｅｘはゼロ以下となる。

ＳＴ０４では、ＥＣＵ４０は、膨張機トルクＴｅｘが正か否かを判定する。膨張機トルクＴｅｘが正のときは処理がＳＴ０５に進み、膨張機トルクＴｅｘがゼロないし負のときは処理がＳＴ０６に進む。

ＳＴ０６では、ＥＣＵ４０は、クラッチ６０に締結信号を出力し、クラッチ６０を締結する。これにより、膨張機トルクＴｅｘがエンジン１０に伝達され、エンジン１０のアシストが行われる。

ＳＴ０７では、ＥＣＵ３０は、クラッチ６０に解放信号を出力し、クラッチ６０を解放する。これにより、膨張機２３がエンジン１０から機械的に切り離され、膨張機２３がエンジン１０の負荷になるのが防止される。

続いて、本実施形態の作用効果について説明する。

本実施形態では、膨張機２３とエンジン１０の間の動力伝達経路上にクラッチ６０が配置される。そして、膨張機２３の回転速度Ｎｅ及び上流側冷媒圧力Ｐｄに基づき膨張機トルクＴｅｘが予測され、膨張機トルクＴｅｘの予測値が正のときにクラッチ６０が締結され、ゼロないし負のときにクラッチ６０が解放される。

膨張機２３の回転速度Ｎｅ及び上流側冷媒圧力Ｐｄに基づき膨張機トルクＴｅｘを予測する場合、排気温度から予測する場合に比べて、高い精度で膨張機トルクＴｅｘを予測でき、膨張機トルクＴｅｘの発生状況に応じてクラッチ６０の締結・解放を適切に行うことができる。つまり、本実施形態では、実際には負荷とならない場合であってもクラッチ６０を解放してしまう、あるいは、負荷となる場合であってもクラッチ６０を締結してしまうのを防止できる。

図５（Ａ）は車両加速中に膨張機トルクＴｅｘによりエンジン１０のアシストが行われる様子を示したタイムチャートである。また、図５（Ｂ）はこのときに膨張機２３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たものである。

時刻ｔ１では、運転者がアクセルペダルを踏み込み、アクセル開度ＡＰＯが増大する。この時点では膨張機２３が正のトルクを発生させており、膨張機トルクＴｅｘによるエンジン１０のアシストが行われている。

時刻ｔ１以降、膨張機２３の回転速度Ｎｅｘがエンジン１０の回転速度Ｎｅに比例して上昇し、エンジン１０の回転速度Ｎｅの上昇に遅れてエンジン１０の放熱量Ｑが増大する。また、ランキンサイクルシステム２０により回収される熱量はエンジン１０の放熱量Ｑに比例する。

膨張機２３の回転速度Ｎｅｘが上昇するにつれ、膨張機２３に流入する冷媒が不足し、上流側冷媒圧力Ｐｄが低下するため、膨張機トルクＴｅｘは低下する。

時刻ｔ２で膨張機トルクＴｅｘがゼロ以下になると、クラッチ６０が解放される。これにより、膨張機２３がエンジン１０の負荷となるのが防止される。

時刻ｔ２以降、エンジン１０の放熱量Ｑの上昇により膨張機２３の上流側冷媒圧力Ｐｄが上昇し、時刻ｔ３で膨張機トルクＴｅｘが再び正になる。これを受けて、時刻ｔ３では、クラッチ６０が再び締結され、これにより、膨張機トルクＴｅｘによるエンジン１０のアシストが再開される。

このように本実施形態では、膨張機トルクＴｅｘの発生状況に応じてクラッチ６０の締結・解放を適切に行うことが可能である。

なお、本実施形態では、膨張機２３の回転速度Ｎｅｘ及び上流側冷媒圧力Ｐｄに基づき膨張機トルクＴｅｘを予測しているが、膨張機２３の回転速度Ｎｅと、膨張機２３の上流側と下流側の冷媒圧力差ΔＰｅｘとに基づき膨張機トルクＴｅｘを予測するようにしてもよい。この場合、図３のＳＴ０３において図６に示すマップを参照して膨張機トルクＴｅｘを予測する。膨張機トルクＴｅｘは、膨張機２３の上流側冷媒圧力Ｐｄだけでなく下流側冷媒圧力Ｐｓの影響も受け、両者の差が大きいほど膨張機トルクＴｅｘも大きくなる。したがって、上流側と下流側の冷媒圧力差ΔＰｅｘに基づき膨張機トルクＴｅｘを予測するようにすることで、膨張機トルクＴｅｘの予測精度をさらに高めることができる。

膨張機２３の上流側と下流側の冷媒圧力差ΔＰｅｘは、上流側冷媒圧力センサ３２から取得される上流側冷媒圧力Ｐｄと下流側冷媒圧力センサ３３から取得される下流側冷媒圧力Ｐｓの差を演算することで得られる。あるいは、膨張機２３の上流側と下流側の圧力差を検出する差圧センサを取り付け、冷媒圧力差ΔＰｅｘを直接的に取得するようにしてもよい。

また、膨張機トルクＴｅｘは膨張機２３の上流側冷媒温度Ｔｃの影響を受ける。膨張機２３の回転速度Ｎｅ及び上流側冷媒圧力Ｐｄ（あるいは冷媒圧力差ΔＰｅｘ）が同じであっても、上流側冷媒温度Ｔｃが高いほど冷媒に回収されている廃熱の量が多いため、膨張機トルクＴｅｘも大きくなる。したがって、図７に示すように、上流側冷媒温度Ｔｃに応じて複数のマップを用意しておき、上流側冷媒温度Ｔｃに応じて図３のＳＴ０３で参照するマップを切り換えるようにすれば、膨張機トルクＴｅｘの予測精度をさらに高めることができる。

なお、上流側冷媒温度Ｔｃの影響を予測に用いる方法は、このようにマップを切り換える方法に限らず、膨張機２３の回転速度Ｎｅ及び上流側冷媒圧力Ｐｄ（あるいは冷媒圧力差ΔＰｅｘ）から予測した膨張機トルクＴｅｘを上流側冷媒温度Ｔｃに応じて補正する等の方法であってもよい。

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趣旨ではない。

例えば、上記実施形態におけるランキンサイクルシステム２０は、エンジン１０の冷却水からエンジン１０の廃熱を回収するシステムであるが、エンジン１０の排気からエンジン１０の廃熱を回収するシステムであってもよい。この場合、冷媒としてはより沸点の高い水等を用いる。

また、動力伝達機構５０の構成は上記ベルト５５を用いる構成に限定されず、ギヤを介してエンジン１０やエンジン１０に接続される変速機（図示せず）に伝達する機構であってもよい。

また、上記実施形態では、膨張機トルクＴｅｘに基づき制御が行われるが、膨張機トルクＴｅｘに代えてトルクＴｅｘに膨張機回転速度Ｎｅｘを掛けて得られる膨張機出力Ｗｅｘに基づいて上記制御を行うことも可能である。特許請求の範囲で用いられる「動力」という表現には、これらトルク、出力が含まれるものとする。

１０…エンジン
２０…ランキンサイクルシステム
２１…ポンプ
２２…熱交換器
２３…膨張機
２４…凝縮器
３１…上流側冷媒温度センサ（上流側冷媒温度取得手段）
３２…上流側冷媒圧力センサ（上流側冷媒圧力取得手段、冷媒圧力差取得手段）
３３…下流側冷媒圧力センサ（冷媒圧力差取得手段）
４０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
５０…動力伝達機構
６０…クラッチ
ＳＴ０２…回転速度取得手段
ＳＴ０３…膨張機トルク予測手段
ＳＴ０４〜ＳＴ０６…クラッチ制御手段

Claims (4)

1. エンジンと、該エンジンの廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を膨張機で動力（以下、この動力を「回生動力」という。）として回生するランキンサイクルシステムと、を備えたランキンサイクルシステム搭載車両であって、
   前記回生動力を前記エンジンに伝達する動力伝達機構と、
   前記動力伝達機構によって形成される前記膨張機と前記エンジンの間の動力伝達経路上に配置されるクラッチと、
   前記膨張機の回転速度を取得する回転速度取得手段と、
   前記膨張機に流入する冷媒の圧力である上流側冷媒圧力を取得する上流側冷媒圧力取得手段と、
   前記膨張機の回転速度及び上流側冷媒圧力に基づき前記回生動力を予測する回生動力予測手段と、
   前記回生動力の予測値が正のときに前記クラッチを締結し、ゼロないし負のときに前記クラッチを解放するクラッチ制御手段と、
   を備えたことを特徴とするランキンサイクルシステム搭載車両。
2. 請求項１に記載のランキンサイクルシステム搭載車両であって、
   前記膨張機に流入する冷媒の温度である上流側冷媒温度を取得する上流側冷媒温度取得手段を備え、
   前記回生動力予測手段は、前記膨張機の回転速度、上流側冷媒圧力及び上流側冷媒温度に基づき前記回生動力を予測する、
   ことを特徴とするランキンサイクルシステム搭載車両。
3. エンジンと、該エンジンの廃熱を冷媒に回収し、回収した廃熱を膨張機で動力（以下、この動力を「回生動力」という。）として回生するランキンサイクルシステムと、を備えたランキンサイクルシステム搭載車両であって、
   前記回生動力を前記エンジンに伝達する動力伝達機構と、
   前記動力伝達機構によって形成される前記膨張機と前記エンジンの間の動力伝達経路上に配置されるクラッチと、
   前記膨張機の回転速度を取得する回転速度取得手段と、
   前記膨張機の上流側と下流側の冷媒圧力差を取得する冷媒圧力差取得手段と、
   前記膨張機の回転速度及び冷媒圧力差に基づき前記回生動力を予測する回生動力予測手段と、
   前記回生動力の予測値が正のときに前記クラッチを締結し、ゼロないし負のときに前記クラッチを解放するクラッチ制御手段と、
   を備えたことを特徴とするランキンサイクルシステム搭載車両。
4. 請求項３に記載のランキンサイクルシステム搭載車両であって、
   前記膨張機に流入する冷媒の温度である上流側冷媒温度を取得する上流側冷媒温度取得手段を備え、
   前記回生動力予測手段は、前記膨張機の回転速度、冷媒圧力差及び上流側冷媒温度に基づき前記回生動力を予測する、
   ことを特徴とするランキンサイクルシステム搭載車両。

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