JP6604355B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

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Description

本発明は、廃熱回収装置に係り、特にランキンサイクルシステムにより内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。
従来、例えば特開２０１０−２４２５１８号公報には、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する技術が開示されている。この廃熱回収装置は、エンジン本体の廃熱を回収する冷媒を作動流体とするランキンサイクルシステムとして作動するものであり、内部を通過する冷媒が廃熱を回収して蒸気状態となるウォータジャケットと、蒸気状態の冷媒から動力を回収するタービンと、タービンにおいて得られる動力をクランク軸へ変速可能に伝達する変速器と、により構成されている。そして、タービンにより回収された動力は、エンジンの補助動力として利用される。
特開２０１０−２４２５１８号公報 特開２０１６−０９８７０４号公報
上述した従来の技術のように、内燃機関のクランク軸とタービンの回転軸とが常時連結されている構成では、例えばタービンの回転速度がタービン効率の高い回転速度に到達していない場合に、内燃機関のトルクによってタービンの回転を補助することができる。これにより、タービンの回転速度を逸早く高効率な回転速度まで高めることができるので、廃熱回収効率を高めることができる。
しかしながら、内燃機関のクランク軸とタービンの回転軸とが常時連結されている構成では、回転体であるクランク軸とともにタービンが常時回転するため、内燃機関の慣性質量が常に大きいという課題がある。特に、内燃機関の始動時のクランキングでは、内燃機関の慣性質量が大きいことによるエネルギ損失の課題が顕著となる。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関のクランク軸とタービンの回転軸とが常時連結されている廃熱回収装置において、廃熱回収効率を高めつつ慣性質量に起因するエネルギの損失を低減することのできる内燃機関の廃熱回収装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、内燃機関の廃熱回収装置を対象としている。廃熱回収装置は、内燃機関の廃熱により液相冷媒を蒸気化する蒸発器と、蒸発器を通過した気相冷媒の供給を受けて回転するタービンと、タービンを通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、凝縮器から送出された液相冷媒を蒸発器へと供給するポンプと、タービンの回転軸と内燃機関のクランク軸とを常時連結する連結機構と、を備えている。そして、内燃機関のクランク軸は、車両変速機に直接連結されている。さらに、廃熱回収装置は、タービンと蒸発器との間に設けられたタービン制御弁と、タービンを通過した気相冷媒を外部へと送出するバキュームポンプと、タービン制御弁及びバキュームポンプを制御する制御装置と、を備えている。そして、制御装置は、タービン制御弁が閉弁されている期間において、タービンの出口圧力が所定の負圧値よりも低くなるようにバキュームポンプを駆動するように構成されている。
また、上記のように構成された内燃機関の廃熱回収装置は、連結機構が、クランク軸の回転速度に対するタービンの回転軸の回転速度の比率である回転速度比が固定された増速器として構成されていてもよい。
また、上記のように構成された内燃機関の廃熱回収装置では、連結機構は、クランク軸の回転速度に対するタービンの回転軸の回転速度の比率である回転速度比を変更可能な変速器として構成されていてもよい。。そして、廃熱回収装置は、変速器を制御して回転速度比を変化させる変速器制御装置を備えていてもよい。
なお、変速器制御装置は、内燃機関の始動時に、回転速度比が１未満となるように変速器を制御してもよい。
さらに、変速器制御装置は、クランク軸の回転速度に基づいて、タービンの回転軸の回転速度がタービン目標回転速度となるための回転速度比を算出し、算出された回転速度比となるように変速器を制御してもよい。
上記のように構成された内燃機関の廃熱回収装置では、タービンの回転軸が内燃機関クランク軸に常時連結されている。これにより、例えばタービンの回転速度が高効率な回転速度に到達していない場合に、内燃機関のトルクによってタービンの回転が補助されるので、廃熱回収効率を高めることができる。また、内燃機関のクランク軸が車両変速機に直接連結された上記の廃熱回収装置では、クランク軸と車両変速機の間にフライホイールを備えていないが、クランク軸に常時連結されたタービンがフライホイールとしての機能を常時果たすことができる。これにより、内燃機関の慣性質量を低減することができるので、廃熱回収効率を高めつつ慣性質量に起因するエネルギの損失を低減することが可能となる。
実施の形態１の廃熱回収装置のシステム構成を示す図である。 実施の形態１の廃熱回収装置に組み込まれたエンジンシステムの構成を示す図である。 実施の形態２の廃熱回収装置において実行される制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施の形態３の廃熱回収装置に組み込まれたエンジンシステムの構成を示す図である。 ハイブリッド車両に搭載されたエンジンの回転速度の時間変化の一例を示す図である。 モータージェネレータの出力特性を示す図である。 エンジンの始動から停止までの間のエンジン回転速度及びタービン回転速度の変化を示すタイムチャートの一例である。 実施の形態３の廃熱回収装置において実行される変速器の回転速度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
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、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、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．
１−１．廃熱回収装置の構成
図１は、実施の形態１の廃熱回収装置１のシステム構成を示す図である。廃熱回収装置１は、車両に搭載された内燃機関（以下、「エンジン」とも称する）２のエンジンシステムを含んで構成される。車両は、エンジン２による動力と図示しないモーターによる動力とを利用するハイブリッド車両である。なお、実施の形態１の廃熱回収装置１に適用可能な車両はハイブリッド車両に限らず、アイドルストップ機能を備えたアイドルストップ車両等、エンジン２の稼働及び停止が頻繁に行なわれることを前提とした種々の車両に適用することができる。
廃熱回収装置１は、複数の冷媒管３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が環状に接続されてなる冷媒循環回路を備える。冷媒循環回路には、冷媒管３７から冷媒管３１へ液相冷媒を送り出す液相冷媒供給手段としてのポンプ２４が配置される。廃熱回収装置１は、エンジン２の排気通路４を流れる排気ガスと、冷媒循環回路を循環する冷媒との間で熱交換を行うことで、排気ガスが持つ廃熱を冷媒に移動させる。なお、冷媒は、常温では液体であり、エンジン２の熱により沸騰或いは蒸発して気相冷媒に変化するものであればよい。本実施の形態では、この冷媒は水とする。
排気通路４には、排気ガスの流れ方向の下流側から順に、加温器８、熱交換器である蒸発器１０、及び過熱器１４が取り付けられている。ポンプ２４の出口は冷媒管３１によって加温器８に接続されている。加温器８は、排気通路４を流れる排気ガスと、冷媒循環回路を循環する冷媒との間で熱交換を行うことで、排気ガスが持つ廃熱を冷媒に移動させるためのものである。加温器８は冷媒管３２によって蒸発器１０に接続されている。蒸発器１０は冷媒管３３によって過熱器１４に接続されている。ポンプ２４から送り出された水は、加温器８において排気ガスから熱を吸収し、高温の熱水になる。熱水は、蒸発器１０において高温の排気ガスから熱を吸収して沸騰或いは蒸発し、水蒸気になる。水蒸気は、過熱器１４においてさらに高温の排気ガスから熱を吸収し、過熱水蒸気になる。
過熱器１４は、冷媒管３４によってタービン１８に接続されている。タービン１８は、過熱器１４から送られた水蒸気を膨張させて仕事を取り出す膨張機として機能するものである。冷媒管３４とタービン１８との接続部には、タービンノズル１６が設けられている。水蒸気はタービンノズル１６からタービン１８に噴きつけられ、タービン１８を回転させる。タービン１８の回転は、後述する増速器８０を介してエンジン２のクランク軸３に伝えられる。つまり、タービン１８で取り出された仕事は、エンジン２のアシストに用いられる。
タービン１８は、冷媒管３５によって凝縮器２０に接続されている。タービン１８で膨張した水蒸気は、凝縮器２０により冷却されて凝縮し、液相の水に戻される。鉛直方向において凝縮器２０よりも下方には、水を蓄えるキャッチタンク２２が配置されている。凝縮器２０は、冷媒管３６によってキャッチタンク２２に接続されている。凝縮器２０において水蒸気の凝縮により生じた水は、キャッチタンク２２に一時的に貯留される。キャッチタンク２２は、冷媒管３７によってポンプ２４の入り口に接続されている。キャッチタンク２２の水は、ポンプ２４によって再び蒸発器１０へ送り出される。なお、ポンプ２４は、ベーンポンプ等の容積型のポンプである。
廃熱回収装置１は、冷媒管３６の途中と外部タンク７５の上部とを接続する冷媒管７８の途中にバキュームポンプ７１を備える。冷媒管３６の気相の水は、バキュームポンプ７１が駆動されることによって外部タンク７５へと送り出される。バキュームポンプ７１と外部タンク７５の間の冷媒管７８には、外部タンク７５からバキュームポンプ７１へ向かう方向の逆流を防ぐための逆止弁７６が設けられている。外部タンク７５へ送り出された気相の水は、外気によって冷却されて液相の水となる。外部タンク７５の底部は、冷媒管７９を介してキャッチタンク２２に接続されている。冷媒管７９の途中には、タンク水量制御弁７７が設けられている。外部タンク７５の水位は、図示しない水位計によって監視されている。外部タンク７５の水位が所定の水位になると、タンク水量制御弁７７が開かれて、外部タンク７５に貯められた液相の水がキャッチタンク２２ヘと戻される。これにより、冷媒循環回路を循環する冷媒量が保たれる。なお、外部タンク７５に貯められた液相の水をキャッチタンク２２ヘと戻す際には、バキュームポンプ７１が駆動される。これにより、外部タンク７５の圧力が上昇するため、冷媒管７９にウォーターポンプを備えていなくても、外部タンク７５に貯められた液相の水をキャッチタンク２２ヘと送り出すことができる。
廃熱回収装置１は、冷媒管３４に設けられたタービン制御弁４０を備える。タービン制御弁４０は、後述する制御装置７０からの信号によって動作する制御弁である。
廃熱回収装置１は、複数の流体管５１，５２，５３が環状に接続されてなるエンジン冷却水循環回路を備える。エンジン冷却水循環回路には、流体管５３から流体管５１へエンジン冷却水を送り出すエンジン冷却ポンプ６０が配置される。エンジン冷却ポンプ６０の出口は流体管５１によってエンジン２のエンジン冷却水導入口に接続されている。エンジン２のエンジン冷却水導出口は流体管５２によってラジエータ６１の導入口に接続されている。エンジン２から導出された高温のエンジン冷却水は、ラジエータ６１により冷却される。ラジエータ６１の導出口は、流体管５３によってエンジン冷却ポンプ６０の入口に接続されている。エンジン冷却ポンプ６０は、後述する制御装置７０からの信号によって動作する電動のポンプである。
廃熱回収装置１は、冷媒循環回路及びエンジン冷却水循環回路の途中に複数のセンサが配置される。冷媒管３４には、タービンノズル１６の前圧力（以下、高圧側圧力）Ｐ１を検出するための圧力センサ７２と、タービンノズル１６の前温度（以下、高圧側温度）Ｔ１を検出するための温度センサ７４が配置される。また、冷媒管３５には、タービン１８の出口圧力（以下、低圧側圧力）Ｐ２を検出するための圧力センサ７３が配置される。
廃熱回収装置１は制御装置７０を備える。制御装置７０は、廃熱回収装置１の全体を総合制御する制御装置である。制御装置７０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、廃熱回収装置１に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、廃熱回収装置１が備える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。制御装置７０が信号を取り込むセンサには、上述した圧力センサ７２，７３、及び温度センサ７４が含まれる。制御装置７０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したポンプ２４、エンジン冷却ポンプ６０、タービン制御弁４０、バキュームポンプ７１が含まれる。メモリには、廃熱回収装置１を制御するための各種の制御プログラム、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。なお、制御装置７０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
１−２．廃熱回収装置が組み込まれたエンジンの構成
図２は、実施の形態１の廃熱回収装置１に組み込まれたエンジンシステムの構成を示す図である。この図に示すように、タービン１８の回転軸１９は、連結機構である増速器８０を介してエンジン２の出力軸としてのクランク軸３に常時連結されている。増速器８０は複数のプーリーとベルトによって構成されている。より詳しくは、増速器８０は、クランクプーリー８１、増速器入力プーリー８２、増速器出力プーリー８３、タービンプーリー８４、及びベルト８５，８６により構成されている。クランクプーリー８１は、クランク軸３と一体に回転するように固定される。増速器入力プーリー８２と増速器出力プーリー８３は、同軸に固定される。タービンプーリー８４は、タービン１８の回転軸１９と一体に回転するように固定される。クランクプーリー８１は、ベルト８５を介して増速器入力プーリー８２に連結される。また、増速器出力プーリー８３は、ベルト８６を介してタービンプーリー８４に連結される。なお、実施の形態１の増速器８０は、クランク軸３の回転速度（以下、「エンジン回転速度」と称する）に対するタービン１８の回転軸１９の回転速度（以下、「タービン回転速度」と称する）の比（以下、「回転速度比」と称する）が固定された連結機構として構成されている。ここでは、例えば、回転速度比が１０となるように、クランクプーリー８１、増速器入力プーリー８２、増速器出力プーリー８３、及びタービンプーリー８４の径が調整されている。
エンジン２のクランク軸３には、車両変速機５が連結されている。ここで特記すべきは、クランク軸３は、フライホイールを介さずに車両変速機５に直接連結されている。つまり、実施の形態１のエンジン２はフライホイールを備えていない。この構成による作用及びその効果については、詳細を後述する。
１−３．廃熱回収装置１の廃熱回収制御
次に、廃熱回収装置１にて行われる廃熱回収制御について説明する。実施の形態１の廃熱回収装置１は、ランキンサイクルを稼働して、エンジン２の稼働中の廃熱をタービン１８の回転エネルギとして回収する。廃熱回収装置１の廃熱回収制御は、エンジン２の稼働中にタービン制御弁４０を開くことにより行なわれる。蒸発器１０には液相冷媒としての水が貯められている。蒸発器１０は、エンジン２の排気ガスがもつ廃熱を受け取って水を沸騰させる。水が沸騰すると、その一部が気相冷媒（水蒸気）に変化する。蒸発器１０において発生した水蒸気は、冷媒管３３を経由して過熱器１４へ導入される。
蒸発器１０にて相転移した水蒸気は、過熱器１４を通過する過程でエンジン２の排気熱を更に受け取ることにより、より高温高圧の過熱水蒸気へと変化する。タービン制御弁４０が開かれた状態では、過熱器１４を通過した過熱水蒸気が、冷媒管３４を経由してタービン１８へ導入される。タービン１８では、導入された過熱水蒸気がタービンノズル１６によって減圧されて膨張した後タービン翼へと噴きつけられる。これにより、過熱水蒸気の熱エネルギがタービン１８の回転運動として取り出される。タービン１８を通過した低圧の水蒸気は冷媒管３５を経由して凝縮器２０へと導入される。凝縮器２０へ導入された水蒸気は冷却されて水へと変化し、冷媒管３６を経由してキャッチタンク２２へと一時的に貯留される。このような廃熱回収動作が継続して行なわれることにより、エンジン２の廃熱が継続して回収される。
１−４．廃熱回収装置１の特徴的動作
次に、廃熱回収装置１にて行われる廃熱回収制御での特徴的動作について説明する。ハイブリッド車両では、エンジン２の始動及び停止が頻繁に行なわれる。廃熱回収装置１による廃熱回収効率を高めるためには、エンジン２が稼働している限られた期間にタービン１８の回転速度を高効率な回転速度（例えば２００００ｒｐｍ／ｍｉｎ．）まで上昇させることが求められる。しかしながら、停止しているタービン１８を過熱水蒸気のみによって効率点まで回転させるには長時間を要する。これは、タービン１８の慣性力を上回る動力が必要であるためである。
実施の形態１の廃熱回収装置１は、上記の課題に対処するため、タービン１８の回転軸１９が、増速器８０を介してクランク軸３に常時連結されている。このような構成によれば、エンジン２が始動されると、クランク軸３の回転が増速器８０によって増速された後にタービン１８の回転軸１９へと常時伝えられる。例えば、クランク軸３の回転速度が２０００ｒｐｍ／ｍｉｎ．まで上昇すると、タービン１８の回転軸１９は２００００ｒｐｍ／ｍｉｎ．で回転される。これにより、タービン１８の回転速度を速やかに高めることができるので、廃熱回収効率を効果的に高めることが可能となる。
但し、タービン１８の回転軸１９がクランク軸３に常時連結されていると、クランク軸３を回転させるための慣性質量が増加するという課題がある。この課題に対処するため、実施の形態１の廃熱回収装置１は、クランク軸３がフライホイールを介さずに車両変速機５に直接連結されている。クランク軸３に常時連結されたタービン１８は、回転するタービン１８の慣性力によって、クランク軸３の回転速度の変動の抑制、振動の抑制といったフライホイールとしての機能を常時果たすことができる。このため、実施の形態１のシステムのように、フライホイールを介さずにクランク軸３を車両変速機５に連結する構成とすれば、ドライバビリティの悪化を招くことなくクランク軸３を回転させるための慣性質量を低減し、エネルギ効率を高めることが可能となる。
ところで、上述した実施の形態１の廃熱回収装置１では、複数のプーリーとベルトによって構成された増速器８０について説明したが、ギアによって構成された増速器を用いてもよい。
実施の形態２．
次に、実施の形態２の廃熱回収装置について説明する。実施の形態２の廃熱回収装置１は、図１及び図２に示すハードウェア構成を用いて、制御装置７０に後述する図３に示す制御ルーチンを実行させることにより実現することができる。
２−１．実施の形態２の廃熱回収装置の特徴
エンジン２が稼働されると、クランク軸３が回転するとともに、これに連結されているタービン１８も回転する。タービン１８の羽根が受ける抵抗は、タービン１８の内部が真空に近いほど低くなる。そこで、実施の形態２の廃熱回収装置１では、エンジン２の始動からランキンサイクルが稼働して廃熱回収制御が実行可能となるまでの間、タービン１８の内部を真空状態に近づける制御に特徴を有している。より詳しくは、実施の形態２の廃熱回収装置１のポンプ２４は容積型のポンプとして構成されているため、タービン制御弁４０を閉弁した状態でバキュームポンプ７１を駆動することにより、タービン１８の内部を真空状態に近づけることができる。このような制御によれば、エンジン２の始動からランキンサイクルが正常に稼働するまでの期間のタービン抵抗を低減することができるので、エネルギ効率をより高めることが可能となる。以下、フローチャートに従って、実施の形態２で実行される制御の具体的処理について説明する。
２−２．実施の形態２の廃熱回収装置において実行される具体的処理
図３は、実施の形態２の廃熱回収装置１において実行される制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図３に示す制御ルーチンは、エンジン２の始動要求が出された場合に制御装置７０によって実行される。
図３に示す制御ルーチンでは、先ずタービン制御弁４０が閉じられる（ステップＳ２）。次に、圧力センサ７３によって検出される低圧側圧力Ｐ２が所定の真空圧設定値Ｐ０よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ４）。ここでの真空圧設定値Ｐ０は、タービン１８の抵抗が許容範囲まで低下したか否かを判定するための閾値であって、真空状態に対応する所定の負圧値（ゲージ圧）が読み込まれる。
上記ステップＳ４の判定において、判定の成立が認められない場合には、次のステップへと移行して、バキュームポンプ７１が駆動される（ステップＳ６）。ステップＳ６の処理が行なわれると、再度ステップＳ２へ戻る。一方、上記ステップＳ４の判定において、判定の成立が認められた場合には、タービン１８の内部が真空状態になったと判断されて、バキュームポンプ７１が停止される（ステップＳ８）。
次に、エンジン２の暖機が完了しているか否かが判定される（ステップＳ１０）。ここでは、具体的には、エンジン２の水温が所定の暖機後水温に到達しているか否かが判定される。その結果、判定の成立が認められない場合には、蒸発器１０が水を沸騰させる状態にないと判断されて、再びステップＳ２の処理へと移行する。
一方、上記ステップＳ１０の処理において、判定の成立が認められた場合には、次のステップへと移行して、高圧側圧力Ｐ１と低圧側圧力Ｐ２との圧力比（Ｐ１／Ｐ２）が算出される（ステップＳ１２）。次に、算出された圧力比（Ｐ１／Ｐ２）が所定の設定圧力比よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１４）。設定圧力比は、タービン１８が過熱水蒸気によって稼働し得る状態か否かを判定するための圧力比であって、予め設定された値が読み込まれる。その結果、ステップＳ１４の判定の成立が認められない場合には、再びステップＳ２の処理へと移行する。
一方、上記ステップＳ１４の処理において判定の成立が認められた場合には、次のステップへと移行して、エンジン２が停止しているか否かが判定される（ステップＳ１６）。その結果、判定の成立が認められた場合には、再びステップＳ２の処理へと移行する。一方、ステップＳ１６の処理において判定の成立が認められない場合には、次のステップへと移行して、タービン制御弁４０が開弁される（ステップＳ１８）。これにより、廃熱回収制御が開始される。
このように、実施の形態２のシステムによれば、エンジン２が始動されてから廃熱回収動作を開始するまでの間、タービン１８の内部が真空に制御される。これにより、タービン１８の抵抗を低減することができるので、エネルギ効率をさらに高めることが可能となる。
ところで、上述した実施の形態２のシステムでは、タービン１８の内部を真空にするために、タービン制御弁４０を閉弁するとともにバキュームポンプ７１を駆動することとしたが、バキュームポンプ７１の駆動は必須ではない。すなわち、ランキンサイクルの稼働中は、タービンノズル１６からタービン１８、冷媒管３５、凝縮器２０、冷媒管３６、キャッチタンク２２、冷媒管３７、ポンプ２４までの経路が、凝縮器２０での冷媒の凝縮によって低圧の状態にある。このため、エンジン２の停止時に少なくともタービン制御弁４０を閉弁することとすれば、次のエンジン２の始動時にバキュームポンプ７１を駆動しなくともタービン１８の内部を低圧に維持することができる。
実施の形態３．
次に、実施の形態３の廃熱回収装置について説明する。実施の形態３の廃熱回収装置１は、図１及び後述する図４に示すハードウェア構成を用いて、制御装置７０に後述する図８に示す制御ルーチンを実行させることにより実現することができる。
３−１．実施の形態３の廃熱回収装置の構成の特徴
図４は、実施の形態３の廃熱回収装置１に組み込まれたエンジンシステムの構成を示す図である。なお、図４に示すエンジンシステムの構成は、連結機構である増速器８０に代えて変速器９０を備える点、及びハイブリッド車両の構成の一部が明記されている点を除いて、図２に示すエンジンの構成と同様の構成を備えている。図４に示すように、エンジンシステムには第１モータージェネレータ１０１と、第２モータージェネレータ１０２と、ハイブリッドバッテリ１０３とが搭載されている。第１モータージェネレータ１０１は、主にエンジン２の始動に使用されるモーターであり、第２モータージェネレータ１０２は、主に車両の走行に使用されるモーターである。これらのモータージェネレータ１０１，１０２は、ハイブリッドバッテリ１０３に電気的に接続されており、ハイブリッドバッテリ１０３からの電力の供給及びハイブリッドバッテリ１０３への蓄電を実行可能に構成されている。
タービン１８の回転軸１９は、連結機構である変速器９０を介してエンジン２の出力軸としてのクランク軸３に常時連結されている。変速器９０は、回転速度比を変化させることが可能な連結機構である。変速器９０は、クランクプーリー９１、変速器入力プーリー９２、変速器出力プーリー９３、タービンプーリー９４、及びベルト９５，９６により構成されている。クランクプーリー９１は、クランク軸３と一体に回転するように固定される。変速器入力プーリー９２と変速器出力プーリー９３は、同軸に固定される。タービンプーリー９４は、タービン１８の回転軸１９と一体に回転するように固定される。クランクプーリー９１は、ベルト９５を介して変速器入力プーリー９２に連結される。また、変速器出力プーリー９３は、ベルト９６を介してタービンプーリー９４に連結される。クランクプーリー９１は、図示しないアクチュエータを操作することによって有効プーリー径を変更可能に構成されている。制御装置７０は、変速器９０を制御して回転速度比を変化させる変速器制御装置としての機能を備えている。なお、変速器９０の構成は上記のものに限らず、回転速度比を変化させるための他の公知の構成を適用した変速器を用いることとしてもよい。
３−２．実施の形態３の廃熱回収装置の特徴的動作
次に、実施の形態３の廃熱回収装置１にて行われる廃熱回収制御での特徴的動作について説明する。図５は、ハイブリッド車両に搭載されたエンジンの回転速度の時間変化の一例を示す図である。図５に示すように、ハイブリッド車両では、車両への加速要求又はハイブリッドバッテリ１０３への蓄電要求等を受けて、エンジンの始動と停止が頻繁に行なわれる。また、ハイブリッド車両では、エンジンの始動時に回転速度を急激に高めた後、狭い回転速度幅で稼働する（例えば１５００〜２５００ｒｐｍ／ｍｉｎ．）という特性もある。ハイブリッド車両のエンジンの始動（クランキング）には、第１モータージェネレータ１０１が使用される。図６は、モータージェネレータの出力特性を示す図である。図６に示すように、モータージェネレータは、エンジン始動時のように、必要トルクが大きくかつモーター回転速度が低い場合に回転効率が低いという特性がある。このため、実施の形態１の増速器８０のように回転速度比が高い比率（例えば１０）で固定されている場合には、タービン１８を停止状態から回転させるための必要トルクが過大となり、消費電力の増大による燃費の悪化が問題となる。
そこで、実施の形態３の廃熱回収装置１では、回転速度比を変化させることが可能な変速器９０を用いることにより、エンジン２の始動から停止までの間のエネルギ効率を高めることとしている。より具体的には、エンジン２の始動時(クランキング時)において、回転速度比が１未満に制御される。また、エンジン２の回転速度の変動が小さい定常期間において、タービン回転速度の変動を抑制するように、回転速度比が制御される。以下、図７を参照して変速器９０の具体的な回転速度制御について説明する。
図７は、エンジンの始動から停止までの間のエンジン回転速度及びタービン回転速度の変化を示すタイムチャートの一例である。なお、この図中の（ａ）はエンジン回転速度の変化を、（ｂ）は増速器８０を備えた実施の形態１の廃熱回収装置１におけるタービン回転速度の変化を、そして（ｃ）は変速器９０を備えた実施の形態３の廃熱回収装置１におけるタービン回転速度の変化を、それぞれ示している。
図７における時間ｔ０から時間ｔ１までの期間は、エンジン２の始動時の期間である。この期間は、先ず、エンジン２のクランキング時に、回転速度比が始動時回転速度比に固定される。始動時回転速度比は、１未満の値に設定されることにより、タービン回転速度がエンジン回転速度よりも小さくなる。この図に示す例では、始動時回転速度比が０．３３に設定されている。これにより、エンジン２のクランキングに必要なトルクを低減することができるので、クランキングに用いるモーターの効率悪化を抑制することができる。
エンジン２が始動されると、エンジン回転速度は、定常運転での目標回転速度（例えば２０００ｒｐｍ／ｍｉｎ．）に向かって上昇する。タービン回転速度は、エンジン回転速度が目標回転速度に到達した場合に最も効率が良い回転速度（例えば２００００ｒｐｍ／ｍｉｎ．）に保たれることが好ましい。そこで、図７に示すチャートの例では、タービン回転速度がエンジン２の固有振動回転速度を超えた後に、回転速度比を目標とする比率（ここでは１０）に向かって増加させることが行なわれる。これにより、エンジン２の固有振動回転速度までは慣性質量を小さく維持することで振動の問題となる回転速度域を速やかに通過することとし、固有振動回転速度を超えた後は回転速度比を徐々に増加させてタービン回転速度を速やかに高めることが可能となる。
図７における時間ｔ１から時間ｔ２までの期間は、エンジン回転速度が２０００ｒｐｍ／ｍｉｎ．前後のエンジン目標回転速度で運転する定常期間である。この定常期間のタービン回転速度は、最も効率の良い回転速度に維持されることが好ましい。しかしながら、この定常期間の回転速度比は大きい比率に設定されている（例えば１０）。このため、実施の形態１のように回転速度比が固定された増速器８０では、図中の（ｂ）のように、エンジン回転速度の微小な変動を受けてタービン回転速度が大きく変動してしまう。
実施の形態３の廃熱回収装置１では、定常期間のタービン回転速度の変動を抑制するように、回転速度比が制御される。図７に示す例では、例えば定常期間のエンジン回転速度が２１００ｒｐｍ／ｍｉｎ．に上昇した場合に回転速度比を９．５７に下げ、エンジン回転速度が１９００ｒｐｍ／ｍｉｎ．に下降した場合に回転速度比を１０．５７に上げ、更にエンジン回転速度が２２００ｒｐｍ／ｍｉｎ．に上昇した場合に回転速度比を９．１４に下げることが行なわれている。これにより、この定常期間のタービン回転速度の変動は、例えば１９９００ｒｐｍ／ｍｉｎ．から２０１００ｒｐｍ／ｍｉｎ．の範囲に抑えられる。これにより、定常期間のタービン効率を高く維持することができるので、廃熱回収効率を高めることが可能となる。
図７における時間ｔ２から時間ｔ３の期間は、エンジン回転速度が上昇する加速期間である。この期間は、エンジン回転速度の上昇によってタービン回転速度が過回転とならないように、回転速度比を小さくすることが行なわれる。図７に示す例では、加速期間の回転速度比が４に下げられている。
図７における時間ｔ３から時間ｔ４の期間は、時間ｔ１から時間ｔ２と同様の定常期間である。この期間は、上述した定常期間と同様の動作が行なわれる。また、図７における時間ｔ４から時間ｔ５の期間は、エンジン２が減速して停止するまでの減速停止期間である。この期間は、次回の始動に備えて回転速度比を徐々に小さくすることが行なわれる。図７に示す例では、エンジン２の停止時に回転速度比が０．３３まで下げられている。
このように、実施の形態３の廃熱回収装置１によれば、回転速度比を調整してタービン回転速度の変動をできるだけ抑えることにより、目標とするタービン回転速度（以下、「タービン目標回転速度」と称する）を実現することができる。なお、タービン目標回転速度は、タービン効率の最も高い回転速度に設定することが好ましいが、タービン１８には、フライホイールとしての機能を果たすための最低限の慣性力が作用することも求められる。そこで、タービン目標回転速度は、これら双方の要求を満たすような値に設定されることが好ましい。以下、タービン目標回転速度の決定も含めた変速器９０の回転速度制御の具体的処理について、フローチャートを参照して説明する。
３−３．実施の形態３の廃熱回収装置において実行される具体的処理
図８は、実施の形態３の廃熱回収装置１において実行される変速器９０の回転速度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図８に示す制御ルーチンは、ハイブリッド車両の走行中に制御装置７０によって繰り返し実行される。
図８に示す制御ルーチンでは、先ずエンジン２が停止しているか否かが判定される（ステップＳ２０）。その結果、判定の成立が認められた場合には、タービン回転速度がエンジン回転速度よりも小さくなるように、回転速度比が始動時回転速度比（例えば０．３３）に固定される（ステップＳ２２）。
次に、エンジン目標回転速度が読み込まれる（ステップＳ２４）。エンジン目標回転速度は、エンジン２の始動時の回転速度の目標値であって、車両の運転状態等に応じて決定された値（例えば２０００ｒｐｍ／ｍｉｎ．）が使用される。次に、タービン目標慣性力が算出される（ステップＳ２６）。タービン目標慣性力は、タービン１８がフライホイールとしての機能を果たすために必要な慣性力の目標値であって、エンジン目標回転速度等に基づいて決定された値が使用される。
次に、タービン１８にタービン目標慣性力が作用するときのタービン目標回転速度が算出される（ステップＳ２８）。次に、エンジン始動信号が受信される（ステップＳ３０）。これにより、エンジン２のクランキングが開始される。この際、回転速度比は、上記ステップＳ２２において設定された始動時回転速度比に固定されている。エンジン２が始動すると、エンジン回転速度がエンジン目標回転速度となるように制御される。次に、タービン回転速度がタービン目標回転速度となるように、変速器９０のアクチュエータが操作される（ステップＳ３２）。ここでは、具体的には、検出されたエンジン回転速度に基づいて、タービン回転速度がタービン目標回転速度となるための回転速度比が算出される。そして、算出された回転速度比になるように変速器９０のアクチュエータが操作される。
次に、タービン回転速度がタービン目標回転速度となったか否かが判定される（ステップＳ３４）。その結果、タービン回転速度がタービン目標回転速度に到達していないときには、ステップＳ３２の処理に戻って、変速器９０のアクチュエータが再度操作される。一方、タービン回転速度がタービン目標回転速度に到達したときには、本ルーチンの最初に戻る。
上記ステップＳ２０の処理において、判定の成立が認められない場合には、エンジン２が既に始動していると判断されて、エンジン目標回転速度が読み込まれる（ステップＳ４０）。ここでは、車両の運転状態等に応じて決定されたエンジン目標回転速度が読み込まれる。次に、タービン目標慣性力が算出される（ステップＳ４２）。次に、タービン目標回転速度が算出される（ステップＳ４４）。ここでは、上述したステップＳ２６及びＳ２８と同様の処理が実行される。
ステップＳ４６からステップＳ５６では、タービン１８の蒸気量に基づいてタービン目標回転速度を補正する処理が実行される。具体的には、先ず、検出された高圧側圧力Ｐ１、高圧側温度Ｔ１、及び低圧側圧力Ｐ２を用いて、タービンノズル１６の出口から噴射される蒸気速度が算出される（ステップＳ４６）。次に、上記ステップＳ４４において算出されたタービン目標回転速度に基づいて、タービン１８の周速の目標値（以下、タービン目標周速）が算出される（ステップＳ４８）。次に、上記ステップＳ４６で算出された蒸気速度と上記ステップＳ４８で算出されたタービン目標周速との差分値が補正量として算出される（ステップＳ５０）。
次に、上記ステップＳ５０で算出された補正量が目標慣性力許容幅の範囲内か否かが判定される（ステップＳ５２）。目標慣性力許容幅は、エンジン２の振動等の観点から許容される目標慣性力の範囲に対応するタービン回転速度の増減分であって、予め設定された値が読み込まれる。その結果、判定の成立が認められない場合には、目標慣性力を許容幅の範囲内に保つことができないと判断することができる。この場合には、算出された補正量を反映させずに、上記ステップＳ４４で算出されたタービン目標回転速度が最終的なタービン目標回転速度として決定される（ステップＳ５４）。
一方、上記ステップＳ５２の処理において判定の成立が認められた場合には、蒸気量に基づいてタービン目標回転速度をタービン効率の良い回転速度に補正したとしても目標慣性力を許容幅の範囲内に保つことができると判断することができる。この場合には、次のステップへと移行して、上記ステップＳ４４で算出されたタービン目標回転速度に上記ステップＳ５０で算出された補正量が加算される（ステップＳ５６）。そして、ステップＳ５４へと移行して、上記ステップＳ５６において算出されたタービン目標回転速度が最終的なタービン目標回転速度として決定される。
ステップＳ５４の処理が実行されると、次にステップＳ３２に移行して、タービン回転速度がタービン目標回転速度となるように、変速器９０のアクチュエータが操作される。ここでは、具体的には、検出されたエンジン回転速度に基づいて、タービン回転速度がタービン目標回転速度となるための回転速度比が算出される。そして、算出された回転速度比になるように変速器９０のアクチュエータが操作される。次のステップＳ３４では、タービン回転速度がタービン目標回転速度となったか否かが判定される。その結果、タービン回転速度がタービン目標回転速度に到達していないときには、ステップＳ３２の処理に戻って、変速器９０のアクチュエータが再度操作される。一方、タービン回転速度がタービン目標回転速度に到達したときには、本ルーチンの最初に戻る。
このように、実施の形態３の廃熱回収装置１によれば、エンジン２の運転状態に応じて変速器９０の回転速度比が制御される。これにより、クランキング時の慣性質量を低減することができるので、モーターの効率悪化を抑制することができる。また、実施の形態３のシステムによれば、タービン１８による慣性力の許容幅の範囲でタービン効率を高めるためのタービン目標回転速度が決定されるので、廃熱回収効率を高めつつ慣性質量に起因するエネルギの損失を低減することが可能となる。また、定常期間のタービン回転速度の変動を抑えることができるので、タービン効率を高く維持して廃熱回収効率を高めることが可能となる。
ところで、タービン目標回転速度の決定方法は、上述した方法に限られない。すなわち、タービン１８のタービン効率と慣性力との双方の要求に基づいて、適宜最適な値を決定すればよい。
また、実施の形態３の廃熱回収装置１は、上述した実施の形態２の廃熱回収装置１にて実行される制御を併せて実行するように構成されていてもよい。
１ 廃熱回収装置
２ エンジン（内燃機関）
３ クランク軸
４ 排気通路
５ 車両変速機
８ 加温器
１０ 蒸発器
１４ 過熱器
１６ タービンノズル
１８ タービン
１９ 回転軸
２０ 凝縮器
２２ キャッチタンク
２４ ポンプ
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７ 冷媒管
４０ タービン制御弁
５１，５２，５３ 流体管
６０ エンジン冷却ポンプ
６１ ラジエータ
７０ 制御装置
７１ バキュームポンプ
７２，７３ 圧力センサ
７４ 温度センサ
７５ 外部タンク
７６ 逆止弁
７７ タンク水量制御弁
７８，７９ 冷媒管
８０ 増速器
８１ クランクプーリー
８２ 増速器入力プーリー
８３ 増速器出力プーリー
８４ タービンプーリー
８５，８６ ベルト
９０ 変速器
９１ クランクプーリー
９２ 変速器入力プーリー
９３ 変速器出力プーリー
９４ タービンプーリー
９５，９６ ベルト
１０１ 第１モータージェネレータ
１０２ 第２モータージェネレータ
１０３ ハイブリッドバッテリ

Claims (5)

  1. 内燃機関の廃熱により液相冷媒を蒸気化する蒸発器と、
    前記蒸発器を通過した気相冷媒の供給を受けて回転するタービンと、
    前記タービンを通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、
    前記凝縮器から送出された液相冷媒を前記蒸発器へと供給するポンプと、
    前記タービンの回転軸と前記内燃機関のクランク軸とを常時連結する連結機構と、を備え、
    前記クランク軸は、車両変速機に直接連結され、
    前記タービンと前記蒸発器との間に設けられたタービン制御弁と、
    前記タービンを通過した気相冷媒を外部へと送出するバキュームポンプと、
    前記タービン制御弁及び前記バキュームポンプを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記タービン制御弁が閉弁されている期間において、前記タービンの出口圧力が所定の負圧値よりも低くなるように前記バキュームポンプを駆動するように構成されていることを特徴とする内燃機関の廃熱回収装置。
  2. 前記連結機構は、前記クランク軸の回転速度に対する前記タービンの回転軸の回転速度の比率である回転速度比が固定された増速器であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
  3. 前記連結機構は、前記クランク軸の回転速度に対する前記タービンの回転軸の回転速度の比率である回転速度比を変更可能な変速器であり、
    前記変速器を制御して前記回転速度比を変化させる変速器制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
  4. 前記変速器制御装置は、前記内燃機関の始動時に、前記回転速度比が１未満となるように前記変速器を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
  5. 前記変速器制御装置は、前記クランク軸の回転速度に基づいて、前記タービンの回転軸の回転速度がタービン目標回転速度となるための前記回転速度比を算出し、算出された前記回転速度比となるように前記変速器を制御するように構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の廃熱回収装置。
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