JP7438035B2

JP7438035B2 - 車両

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Publication number: JP7438035B2
Application number: JP2020104872A
Authority: JP
Inventors: 宏幸永井; 真一朗溝口
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2024-02-26
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: JP2021195932A

Description

本発明は、エンジンの排気ガスから前記エンジンの冷却液に熱を回収する排熱回収器と、大気を熱源とするヒートポンプシステムと、冷却液とヒートポンプシステムのヒートポンプ冷媒との間の熱交換を行う第１熱交換器と、を備える車両に関する。

車両の空調システムにおいて、車室内に導入する外気の加熱にヒートポンプシステムを用いることが知られている。しかし、外気を熱源とするヒートポンプシステムは、低外気温時には熱交換器の着霜により使用できない、または使用できたとしても効率が低下するおそれがある。特許文献１には、エンジン冷却液でヒートポンプ冷媒を加熱することで、つまりエンジンを熱源とすることで、低外気温時でも使用可能なヒートポンプシステムが開示されている。

特許第６３９８５４８号

しかしながら、特許文献１に記載のヒートポンプシステムでは、エンジン冷却液の熱がヒートポンプ冷媒に奪われるので、エンジンが暖機状態になるまでに要する時間が長くなり、燃費性能及び排気エミッションの悪化を招来するおそれがある。

そこで本発明では、空調システムとしてヒートポンプシステムを備え、かつ、より短い時間でエンジンを暖機状態にし得る車両を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、エンジンの排気ガスからエンジンの冷却液に熱を回収する排熱回収器と、ヒートポンプシステムと、冷却液とヒートポンプシステムのヒートポンプ冷媒との間の熱交換を行う第１熱交換器と、を備える車両が提供される。この車両は、エンジンから排出されるエンジン冷却液が排熱回収器及び第１熱交換器を通らずにエンジンに戻る第１回路と、第１回路に介装される第１ウォータポンプと、エンジン冷却液がエンジンを通らずに排熱回収器及び第１熱交換器を循環する第２回路と、第２回路に改装される第２ウォータポンプと、エンジンから排出されるエンジン冷却液が、第１回路の途中で分岐して第２回路に入り、排熱回収器及び第１熱交換器を通過した後に、第２回路の途中で分岐して第１回路に入り、エンジンに戻る第３回路と、第１回路と第２回路との間のエンジン冷却液の入出を制御する第１バルブと、を備え、外気温が第１外気温以下かつ第１外気温より低い第２外気温より高い場合には、ヒートポンプシステムは停止し、第１バルブは開弁し、第１ウォータポンプ及び第２ウォータポンプは作動する。

上記態様によれば、ヒートポンプシステムを備え、かつ、より短い時間でエンジンを暖機状態にし得る車両を提供することができる。

図１は、第１実施形態にかかる車両の空調装置の回路図である。図２は、排熱回収システムの構成図である。図３は、比較例としての空調装置の回路図である。図４は、キャビン加熱要求熱量と外気温との関係の一例を示す図である。図５は、エンジン始動時における上記の各要素の状態についてまとめた表である。図６は、第１実施形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。図７は、第１実施形態に係る第１処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図８は、第１実施形態に係る第２処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図９は、第１実施形態に係る第３処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１０は、低外気温時に図６の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。図１１は、第１実施形態の第１変形例に係る回路図である。図１２は、第１実施形態の第２変形例に係る回路図である。図１３は、第１実施形態の第３変形例に係る回路図である。図１４は、第１実施形態の第４変形例に係る回路図である。図１５は、第２実施形態にかかる車両の空調装置の回路図である。図１６は、エンジン始動時における上記の各要素の状態についてまとめた表である。図１７は、第２実施形態に係る制御ルーチンを示すフローチャートである。図１８は、第２実施形態に係る第１処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図１９は、第２実施形態に係る第２処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２０は、第２実施形態に係る第３処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。図２１は、低外気温時に図１６の制御ルーチンを実行した場合のタイミングチャートである。

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。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について、図１から図９を参照して説明する。

［空調装置］
図１は、第１実施形態にかかる車両の空調装置の回路図である。空調装置はエンジン冷却液回路ＥＷＣ及びヒートポンプシステムとしてのヒートポンプ回路ＨＰＣを備える。

エンジン冷却液回路ＥＷＣは、エンジン１の冷却液排出口と第１熱交換器としての熱交換器３の冷却液導入口とを連結する第１冷却液通路１１と、熱交換器３の冷却液排出口とエンジン１の冷却液導入口とを連結する第２冷却液通路１２と、排熱回収器４の冷却液排出口とエンジン１の冷却液導入口とを連結する第３冷却液通路１３と、を備える。

熱交換器３は、エンジン冷却液と後述するヒートポンプ回路ＨＰＣのヒートポンプ冷媒との熱交換を行う。

排熱回収器４は、エンジン１の排気ガスとエンジン冷却液との熱交換を行うことで、エンジン１の排熱をエンジン冷却液に回収する。排熱回収器４の構成及び機能については後で詳述する。

第１冷却液通路１１には、エンジン冷却液と車室内に導入する空気との熱交換を行うヒータコア２が介装される。また、第１冷却液通路１１の、エンジン１冷却液排出口には、エンジン冷却液の温度を検出する水温センサ１８が配置される。

また、エンジン冷却液回路ＥＷＣは、第１冷却液通路１１から分岐して第３冷却液通路１３に合流する第４冷却液通路１４と、第１冷却液通路１１の第４冷却液通路１４との分岐点よりエンジン側から分岐して、第３冷却液通路１３の第４冷却液通路１４との合流部よりエンジン側に合流する第５冷却液通路１５と、を備える。

第３冷却液通路１３は第１ウォータポンプ６が介装され、第４冷却液通路１４には第２ウォータポンプ７が介装される。そして、第１冷却液通路１１の、第４冷却液通路１４との分岐部と第５冷却液通路１５との分岐部との間には第１バルブ５が介装される。

ヒートポンプ回路ＨＰＣは、第２熱交換器としてのキャビンコンデンサ８と、キャビンコンデンサ８の冷媒排出口と熱交換器３の冷媒導入口とを連結する第１冷媒通路１７と、熱交換器３の冷媒排出口とキャビンコンデンサ８の冷媒導入口とを連結する第２冷媒通路１６と、を備える。

キャビンコンデンサ８は、熱交換器３での熱交換により温度上昇したヒートポンプ冷媒と車室内に導入される空気との熱交換を行う。

第２冷媒通路１６にはヒートポンプ冷媒を圧送するコンプレッサ１０が介装され、第１冷媒通路１７にはキャビンコンデンサ８を通過したヒートポンプ冷媒を急激に膨張させる膨張器９が介装される。

第１ウォータポンプ６、第２ウォータポンプ７、第１バルブ５、ヒートポンプシステム及び後述する三方弁２４の動作は、コントローラ１００により制御される。

上記のヒートポンプシステムが稼働するのは、ヒータコア２の熱量だけでは暖房要求を満足できない場合である。

なお、ヒータコア２とキャビンコンデンサ８は、実際には近接して配置され、例えば、車室内に空気を導入する導入通路（図示せず）のエバポレータ（図示せず）より下流に、空気の流れに対して直列に配置される。また、上記の空調装置を搭載する車両には、外気温を検出する外気温センサ１９が備えられる。

［排熱回収器］
図２は、排熱回収器４を用いる排熱回収システムの構成図である。

エンジン１の排気通路２０は、マニホールド触媒２３より下流で排熱回収通路２２とバイパス通路２１に分岐している。排熱回収通路２２には排熱回収器４が配置されている。バイパス通路２１は、排熱回収器４より下流で排熱回収通路２２と合流しており、合流部にはバイパス通路２１または排熱回収通路２２の一方を選択的に閉鎖する三方弁２４が配置されている。

排熱回収器４には、エンジン１から排出されたエンジン冷却液を導入するエンジン冷却液導入通路２５と、エンジン１に排熱回収後のエンジン冷却液を排出するエンジン冷却液排出通路２６と、が接続されている。

排熱回収器４は、例えば一般的なエンジン冷却液用ラジエータと同様の構成である。すなわち、エンジン冷却液導入通路２５が接続される入側タンク（図示せず）と、エンジン冷却液排出通路２６が接続される出側タンク（図示せず）と、入側タンクと出側タンクとを連結する複数のチューブ（図示せず）とで構成される。複数のチューブは所定の間隔をおいて配置され、その間をエンジン１の排気ガスが通過する構成となっている。これにより、チューブ内を流れるエンジン冷却液と、チューブ間の隙間を流れる排気ガスとの熱交換が行われ、排気ガスの熱がエンジン冷却液に回収される。これを排熱回収ともいう。

上記の排熱回収は、例えばエンジン１が冷機始動した際に実行される。排熱回収を行う場合には、三方弁２４によってバイパス通路２１が閉鎖される。低温のエンジン冷却液（図中の白矢印）が排熱回収器４に導入され、排熱回収器４において高温の排気ガス（図中の黒矢印）と熱交換をする。そして熱交換により温度上昇したエンジン冷却液（図中の黒矢印）がエンジン１に導入される。このように、排熱回収を行うことで、エンジン冷却液の温度上昇を促進し、ひいてはエンジン１の暖機を促進することができる。

排熱回収を行う必要がない場合には、三方弁２４は排熱回収通路２２を閉鎖する。

［エンジン冷却液回路ＥＷＣの動作及び作用効果］
本実施形態に係る図１のエンジン冷却液回路ＥＷＣの動作及び作用効果について、公知のシステムと比較しつつ説明する。

図３は公知のシステムの回路図である。図１と同様の構成要素には、図１と同様の符号を付してある。

図３のシステムも、エンジン冷却液回路ＥＷＣとヒートポンプ回路ＨＰＣとを備える。しかし、図３のシステムは第４冷却液通路１４、第５冷却液通路１５、第１バルブ５及び第２ウォータポンプ７を備えない。このようなシステムによれば、ヒータコア２の熱量だけでは暖房要求を満足できない場合でも、不足する分の熱量をキャビンコンデンサ８で賄うことができる。また、排熱回収器４によりエンジン１の排熱を利用してエンジン冷却液を加熱することで、エンジン１の暖機を促進できる。

ただし、排熱回収器４で加熱されるエンジン冷却液は、熱交換器３においてエンジン冷却液からヒートポンプ冷媒へ熱が奪われた後のものである。つまり、排熱回収器４を備えないシステムと比較すればエンジン１の暖機を促進できるものの、暖機に要する時間については改善の余地がある。

これに対し本実施形態のシステムは、第４冷却液通路１４、第５冷却液通路１５、第１バルブ５及び第２ウォータポンプ７を備える。そして、第１バルブ５を閉弁し、第２ウォータポンプ７を作動させることで、エンジン冷却液回路ＥＷＣを、エンジン１及びヒータコア２を循環する回路（第１回路）と、熱交換器３及び排熱回収器４を循環する回路（第２回路）の２つの独立回路に分けることができる。なお、第１バルブ５を開弁し、第２ウォータポンプ７を非作動にすることにより、エンジン１、ヒータ２、熱交換器３及び排熱回収器４を循環する回路（第３回路）にすることができる。

２つの独立回路に分けることで、図３の構成に比べて、熱交換器３で奪われる熱が減少し、エンジン１を循環するエンジン冷却液の温度上昇が早まる。

また、熱交換器３と排熱回収器４を循環する回路を流れるエンジン冷却液は、エンジン１から熱を受け取らないので、熱交換器３の出口における温度が図３の構成に比べて低くなる。そして、熱交換器３の出口における温度が低い分、図３の構成に比べて排熱回収器４で排気ガスから回収できる熱量が多くなる。排熱回収器４で回収する熱量が増加すれば、熱交換器３を介してヒートポンプ冷媒に与える熱量が増加する。つまり、キャビンコンデンサ８での加熱量が増加する。

上記の通り、２つの独立回路に分けることで、エンジン１の暖機をより促進し、かつヒートポンプシステムによる暖房性能を確保できる。

ところで、エンジン１の暖機に要する時間や、暖房要求を満足するために必要な熱量（以下、キャビン加熱要求熱量ともいう）は、外気温と関係がある。例えば、外気温が低いほど、エンジン始動時におけるエンジン冷却液の温度及び車室内温度は低いため、暖機に要する時間は長くなり、キャビン加熱要求熱量は大きくなる。なお、暖房要求がる場合とは、運転者が空調装置を暖房設定にした場合、または空調装置の設定温度が車室内温度より高い場合のように、車室内の温度を上昇させる必要がある場合である。

図４は、キャビン加熱要求熱量と外気温との関係の一例を示す図である。上記の通り、外気温が低いほどキャビン加熱要求熱量は大きい。また、図示する通り、エンジン１の熱だけで対応可能なキャビン加熱要求熱量（図中の破線Ａ）、排熱回収器４で回収した熱で対応可能なキャビン加熱要求熱量（図中の破線Ｂ）、ヒートポンプシステムで生成した熱で対応可能なキャビン加熱要求熱量（図中の破線Ｃ）には限界がある。そこで、外気温に応じて、キャビン加熱要求熱量を満足するように、エンジン１の熱、排熱回収器４で回収した熱、ヒートポンプシステムで生成した熱のいずれか、またはこれらの組み合わせを選択する。ここで、キャビン加熱要求熱量をエンジン１の熱だけで満足できる下限の外気温をＴｍｐ１とする。このＴｍｐ１はエンジン１の仕様等により異なる温度である。

本実施形態では、外気温に応じて第１バルブ５の開閉、第２ウォータポンプ７の作動／停止、ヒートポンプシステムの作動／停止、排熱回収を実行するか否かを切り換える。

図５は、エンジン始動時における上記の各要素の状態についてまとめた表である。

本実施形態では、コントローラ１００は、外気温センサ１９により外気温Ｔｍｐを検出し、検出した外気温Ｔｍｐが２５℃＜Ｔｍｐの高外気温、５℃＜Ｔｍｐ≦２５℃の中間外気温、－２０℃＜Ｔｍｐ≦５℃の低外気温、Ｔｍｐ≦－２０℃の極低外気温のいずれの温度範囲に属するかに応じて制御を行う。なお、上記の－２０℃、５℃、２５℃という境界温度はあくまでも例示にすぎない。また、低外気温と中間外気温との境界温度である５℃は、図４における温度Ｔｍｐ１の一例である。

高外気温の場合は、暖房要求があることは想定し難いので、ヒートポンプシステムは停止させる。また、冷機始動であっても、エンジン始動時におけるエンジン冷却液温度はほぼ外気温と同じである。そこで、第１バルブ５は開状態にし、第２ウォータポンプ７は停止させる。ただし、エンジン１の暖機促進のため、排熱回収は実行する。

中間外気温の場合は、外気温が上述した温度Ｔｍｐ１より高いので、暖房要求がある場合でもエンジン１の熱だけでキャビン加熱要求熱量を満足できる。そこで、第１バルブ５は開状態にし、第２ウォータポンプ７及びヒートポンプシステムは停止させる。なお、高外気温の場合と同様に、排熱回収は実行する。このように排熱回収器４だけでエンジン１の暖機と暖房要求に応じるための熱量を賄うことで、ヒートポンプシステム及び第２ウォータポンプ７の作動に要する動力を削減し、燃費性能を向上させることができる。

低外気温の場合は、エンジン１の熱だけではキャビン加熱要求熱量を満足できないので、排熱回収器４で回収した熱を利用。そこで、エンジン冷却液回路ＥＷＣを、エンジン１及びヒータコア２を循環する回路と、熱交換器３及び排熱回収器４を循環する回路の２つの独立回路に分ける。つまり、第１バルブ５を閉状態にし、第２ウォータポンプ７を作動させる。そしてヒートポンプシステムを作動させる。もちろん、排熱回収は実行する。

なお、エンジン冷却液が十分に高まったら、つまりエンジン１が暖機状態になったら、第１バルブ５を開状態にし、第２ウォータポンプ７を停止させる。

極低外気温の場合も低外気温の場合と同様にエンジン１の熱だけではキャビン加熱要求熱量を満足できない。ただし、極低外気温の場合には、低外気温の場合と同様に熱交換器３及び排熱回収器４を循環する回路を独立させると、エンジン冷却液とヒートポンプ冷媒との温度差が大きくなり、ヒートポンプシステムで熱を汲み上げることが困難になる。そこで、第１バルブ５は開状態にし、第２ウォータポンプ７は停止させ、ヒートポンプシステムは作動させ、さらに排熱回収を実行する。

図６は、上述した第１バルブ５及び第２ウォータポンプ７の動作を含む、エンジン始動時にコントローラ１００が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。以下、フローチャートのステップに沿って説明する。

ステップＳ１００で、コントローラ１００はエンジン冷却液温度が第１閾値より低いか否かを判定し、低い場合はステップＳ１０１の処理を実行し、そうでない場合はステップＳ１０２の処理を実行する。判定に用いるエンジン冷却液温度は、水温センサ１８で検出するエンジン冷却液温度、つまり水温センサ１８で検出するエンジン冷却液温度である。第１閾値は、エンジン１が暖機状態であると認められる下限の温度であり、例えば７０℃程度とする。

ステップＳ１０１で、コントローラ１００は排熱回収モードを開始する。すなわち、コントローラ１００は三方弁２４によりバイパス通路２１を閉鎖して、排気ガスが排熱回収通路２２を通過する状態にする。排熱回収モードを開始した後は、ステップＳ１０３の処理を実行する。

一方、ステップＳ１０２では、コントローラ１００は排熱非回収モードを開始する。すなわち、コントローラ１００は三方弁２４により排熱回収通路２２を閉鎖して、排気ガスがバイパス通路２１を通過する状態にする。排熱非回収モードを開始した後は、後述するステップＳ１０７の処理を実行する。

ステップＳ１０３で、コントローラ１００は暖房要求の有無を判定し、暖房要求がある場合はステップＳ１０４の処理を実行し、ない場合はステップＳ１０７の処理を実行する。

ステップＳ１０４で、コントローラ１００は外気温センサ１９で検出した外気温が、上述した温度範囲のいずれに属するかを判定する。低外気温の場合はステップＳ１０５の第１処理を実行し、極低外気温の場合はステップＳ１０６の第２処理を実行し、中間外気温または高外気温の場合はステップＳ１０７の第３処理を実行する。

ステップＳ１０５の第１処理は、図７に示す通り、ヒートポンプシステムのコンプレッサ１０をＯＮにするステップＳ２００と、第１バルブ５を閉弁状態にし、かつ第２ウォータポンプ７をＯＮにするステップＳ２０１とからなる。

ステップＳ１０６の第２処理は、図８に示す通り、ヒートポンプシステムのコンプレッサ１０をＯＮにするステップＳ３００と、第１バルブ５を開弁状態にし、かつ第２ウォータポンプ７をＯＦＦにするステップＳ３０１とからなる。

ステップＳ１０７の第３処理は、図９に示す通り、ヒートポンプシステムのコンプレッサ１０をＯＦＦにするステップＳ４００と、第１バルブ５を開弁状態にし、かつ第２ウォータポンプ７をＯＦＦにするステップＳ２０１とからなる。第３処理が終了したら、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１０５またはＳ１０６の処理を行った後、コントローラ１００はステップＳ１０８において、エンジン冷却液温度が第１閾値より高いか否かを判定する。コントローラ１００は、判定結果が肯定的な場合はステップＳ１０９の処理を実行し、否定的な場合はステップＳ１０４の処理に戻る。

ステップＳ１０９で、コントローラ１００はコンプレッサ１０を停止させ、さらに三方弁２４により排熱回収通路２２を閉鎖する。つまり、ヒートポンプシステムを停止させ、排熱非回収モードに切り替える。

ステップＳ１１０で、コントローラ１００は第１バルブ５を閉弁状態にし、第２ウォータポンプ７をＯＮにする。すなわち、低外気温の場合は第１処理後の状態を維持し、極低音の場合は第１処理後の状態に変更する。

ステップＳ１１１で、コントローラ１００はエンジン冷却液温度が第２閾値より高いか否かを判定する。第２閾値は、エンジン１の運転中における制御目標となる温度であり、例えば８５℃程度とする。判定結果が肯定的な場合は、コントローラ１００はステップＳ１１２の処理を実行し、否定的な場合はステップＳ１０４の処理に戻る。

ステップＳ１１２で、コントローラ１００は第１バルブ５を開弁状態にし、第２ウォータポンプ７をＯＦＦにする。つまり、エンジン冷却液がエンジン１、ヒータコア２、熱交換器３及び排熱回収器４を一つの回路で循環する状態にする。

ステップＳ１１３で、コントローラ１００は暖房要求があるか否かを判定し、暖房要求がある場合はステップＳ１１２の処理に戻り、ない場合は本ルーチンを終了する。

図１０は、低外気温時にエンジン始動した場合のタイミングチャートである。具体的には、エンジン１を冷機始動した後、車速４０[ｋｍ／ｈ]程度（図中の一点鎖線）、エンジン回転速度２０００[ｒｐｍ]程度（図中の二点鎖線）で定速走行した場合の、暖機完了するまでのチャートである。なお、車速以外のチャートには、図３に示した構成によるものを比較例として破線で示している。

低外気温なので、第１バルブ５は開状態で第２ウォータポンプ７は作動状態である。つまり、エンジン１及びヒータコア２を循環する回路と、熱交換器３及び排熱回収器４を循環する回路とが独立している。また、ヒートポンプシステムは作動状態である。

エンジン出口冷却液温度が第１閾値に達したタイミングＴ１でヒートポンプシステムは停止する。そして、エンジン冷却液温度が第２閾値に達したタイミングＴ２で第１バルブ５は開弁状態になり、第２ウォータポンプ７は停止する。このとき、第１バルブ５は徐々に開度を増大させる。これは、エンジン１を循環するエンジン冷却液に熱交換器３及び排熱回収器４を循環していたエンジン冷却液が混入する際に、エンジン冷却液温度が急激に低下するのを防ぐためである。エンジン冷却液温度の急低下を防止することで、燃費性能の低下を抑制できる。

エンジン出口冷却液温度は、エンジン１の始動に伴い上昇する。本実施形態では回路が独立しており、エンジン１を循環するエンジン冷却液が熱交換器３で熱を奪われないので、比較例に対して温度上昇が早い。つまり、エンジン１の暖機に要する時間がより短い。なお、タイミングＴ２からエンジン出口エンジン冷却液温度が低下しているが、これは上記の通りエンジン１を循環するエンジン冷却液に熱交換器３及び排熱回収器４を循環していた低温のエンジン冷却液が混入するからである。ただし、一端低下するものの、その後再び上昇に転じる。

排熱回収器４の入口におけるエンジン冷却液温度（図中のＥＨＲＳ入口冷却液温度）は、比較例の構成ではエンジン１の始動に伴い上昇し始める。これは、エンジン１と排熱回収器４が同じ回路にあり、エンジン１の温度が上昇するのに伴い、エンジン１を通過するエンジン冷却液の温度が上昇するからである。

これに対し本実施形態の構成では、排熱回収器４とエンジン１とが別回路になっており、排熱回収器４に導入されるエンジン冷却液は排熱回収器４で温度上昇した後に熱交換器３で温度低下したものである。したがって、ＥＨＲＳ入口冷却液温度は排熱回収器４に導入される排気ガスの温度が上昇するまでは、熱交換器３で熱が奪われることでわずかに低下する。その後、後述する排熱回収量の増大に伴いＥＨＲＳ入口冷却液温度は上昇に転じるが、エンジン冷却液は排熱回収器４と熱交換器３の閉回路を循環し、比較例のようにエンジン１を通過しないので、比較例に比べて低い温度となる。

また、ＥＨＲＳ入口冷却液温度はタイミングＴ２以降、急峻に上昇する。これは、エンジン１側の回路を循環していた高温のエンジン冷却液が混入するからである。ただし、エンジン冷却液の撹拌が進むと、ＥＨＲＳ入口冷却液温度の上昇は後述する図１７に示す通り緩やかになる。

排熱回収器４の入口における排気ガス温度（図中のＥＨＲＳ排気ガス温度）は、エンジン１の始動からやや遅れて上昇し始める。これは、エンジン１から排熱回収器４の入口まで距離があるためである。これについては本実施形態も比較例も同様である。

排熱回収器４での排熱回収量（図中のＥＨＲＳ排熱回収量）は、ＥＨＲＳ排気ガス温度と同様に、エンジン１の始動からやや遅れて上昇し始める。そしてタイミングＴ１で排熱非回収モードに切り換わると、本実施形態も比較例もＥＨＲＳ排熱回収量は減少する。

タイミングＴ１までのＥＨＲＳ排熱回収量は、本実施形態の方が比較例よりＥＨＲＳ排熱回収量は多くなる。これは以下の理由による。

ＥＨＲＳ排熱回収量は、式（１）により定義される。

なお、式（１）は、排熱回収器４の伝熱面積が十分に広く、排熱回収器４の入口における冷却液温度は排熱回収器４の出口における排気ガス温度になるという仮定に基づく。

式（１）からわかる通り、ΔＴが大きくなるほど、つまりＥＨＲＳ排気ガス温度とＥＨＲＳ入口エンジン冷却液温度との差が大きくなるほど排熱回収量Ｑは大きくなる。このため、本実施形態と比較例とを対比すると、上述した通りＥＨＲＳ入口排気ガス温度は等しいが、ＥＨＲＳ入口冷却液温度は本実施形態の方が比較例より低いので、排熱回収量は本実施形態の方が大きくなる。

なお、キャビン加熱量、つまりキャビンに導入される空気を加熱する熱量は、本実施形態と比較例とでほとんど差がない。これは、比較例の構成では、排熱回収器４における排熱回収量は本実施形態に比べて小さいが、エンジン１を通過する際にエンジン１の熱を受け取るため、熱交換器３に導入されるエンジン冷却液の温度については両者にほとんど差がないためである。換言すると、本実施形態によれば、比較例と同等のキャビン加熱量を確保しつつ、エンジン１の暖機に要する時間を比較例よりも短くすることができる。

以上の通り本実施形態の車両は、エンジン１の排気ガスからエンジン１のエンジン冷却液に熱を回収する排熱回収器４と、大気を熱源とするヒートポンプシステムと、エンジン冷却液とヒートポンプシステムのヒートポンプ冷媒との間の熱交換を行う熱交換器３（第１熱交換器）とを備える。そして、エンジン１から排出されるエンジン冷却液が排熱回収器４及び熱交換器３を通らずにエンジン１に戻る第１回路と、第１回路に介装される第１ウォータポンプ６と、エンジン冷却液がエンジン１を通らずに排熱回収器４及び熱交換器３を循環する第２回路と、第２回路に介装される第２ウォータポンプ７と、エンジン１から排出されるエンジン冷却液が、第１回路の途中で分岐して第２回路に入り、排熱回収器４及び熱交換器３を通過した後に、第２回路の途中で分岐して第１回路に入り、エンジン１に戻る第３回路と、第１回路と第２回路との間のエンジン冷却液の入出を制御する第１バルブ５とを備える。これにより、エンジン１を循環するエンジン冷却液の回路と、熱交換器３及び排熱回収器４を循環してヒートポンプ冷媒と熱交換するエンジン冷却液の回路とを独立した回路にすることができる。このように独立した回路にすることで、暖房要求を満足させつつ、エンジン１の暖機を促進させることができる。暖機状態になるまでの時間が短縮されれば、冷機時の燃料噴射量が増量補正される時間が短くなるので、燃費性能が向上する。

本実施形態の具体的な構成は次の通りである。エンジン１の冷却液排出口と熱交換器３の冷却液導入口とを連結する第１冷却液通路１１と、熱交換器３の冷却液排出口と排熱回収器４の冷却液導入口とを連結する第２冷却液通路１２と、排熱回収器４の冷却液排出口とエンジン１の冷却液導入口とを連結する第３冷却液通路１３とを備える。また、第１冷却液通路１１から分岐して第３冷却液通路１３に合流する第４冷却液通路１４と、第１冷却液通路１１の第４冷却液通路１４との分岐点よりエンジン１側から分岐して、第３冷却液通路１３の第４冷却液通路１４との合流部よりエンジン１側に合流する第５冷却液通路１５とを備える。さらに、第３冷却液通路１３に介装される第１ウォータポンプ６と、第４冷却液通路１４に介装される第２ウォータポンプ７と、第１冷却液通路１１の第４冷却液通路１４との分岐部と第５冷却液通路１５との分岐部との間に介装される第１バルブ５と、を備える。

本実施形態の車両では、外気温が第１外気温以下かつ第１外気温より低い第２外気温より高い場合（つまり中間外気温の場合）には、ヒートポンプシステムは停止し、第１バルブ５は開弁し、第１ウォータポンプ６及び第２ウォータポンプ７は作動する。これにより、暖房要求を満足するために必要なキャビン加熱量が小さいときには排熱回収器４で回収した熱で対応し、ヒートポンプシステムを作動させないので、ヒートポンプシステムの作動に要する動力が不要となり、燃費性能が向上する。

本実施形態では、外気温が第２外気温以下かつ第２外気温より低い第３外気温より高い場合（つまり低外気温の場合）には、ヒートポンプシステムは作動し、第１バルブは閉弁し、第１ウォータポンプ及び第２ウォータポンプは作動する。これより、エンジン１を循環するエンジン冷却液の回路と、熱交換器３及び排熱回収器４を循環してヒートポンプ冷媒と熱交換するエンジン冷却液の回路とを独立した回路になる。そして、排熱回収器４で回収された熱は熱交換器３でヒートポンプ冷媒へ移行し、そのヒートポンプ冷媒がヒートポンプシステムによりさらに温度上昇して車室内に導入される空気を温める。ここで、エンジン冷却液の回路が独立することで、排熱回収器４の入口におけるエンジン冷却液の温度の上昇が抑制されるので、排熱回収器４での排熱回収量を増大させることができる。すなわち、本実施形態によれば、より多くの排熱を回収することにより、空調装置の暖房効率を向上させることができる。

本実施形態では、第１バルブ５はエンジン１が暖機状態になった後、さらにエンジン冷却液の温度が上昇してから、具体的には第２閾値に達したら開弁する。ヒートポンプシステムはエンジン１が暖機状態になったら停止するが、ここで第１バルブ５を開状態にすると、エンジン冷却液の温度が低下してエンジン１の温度低下を招くことになる。そこで上記の通り、暖機状態になってから、さらにエンジン冷却液温度が上昇してから第１バルブ５を開くことで、エンジン１の温度低下を抑制する。

本実施形態では、第１バルブ５は開弁する際に徐々に開度を増大させる。これにより、熱交換器３及び排熱回収器４を循環するエンジン冷却液がエンジン１側のエンジン冷却液に混入する際の、エンジン冷却液の温度の急峻な低下を抑制し、エンジン１の温度低下による燃費性能の低下を抑制することができる。

本実施形態では、外気温が第３外気温以下の場合（つまり極低外気温の場合）には、ヒートポンプシステムは作動し、第１バルブ５は開弁し、第２ウォータポンプ７は停止する。極低外気温では、エンジン始動時のエンジン冷却液温度が低く、ヒートポンプシステムで熱を汲み上げることが難しい。そこで、第１バルブ５を開状態にすることでエンジン１本体も熱源として使用してエンジン冷却液温度を上昇させる。

本実施形態のヒートポンプシステムは、車室内に導入される空気を熱交換により加熱する第２熱交換器として、ヒートポンプ冷媒により空気を加熱する熱交換器、つまりキャビンコンデンサ８を備える。つまり、車室内に導入される空気を温める装置として、ヒータコア２の他にキャビンコンデンサ８を備える。これにより、ヒータコア２だけでは熱量が足りない場合でも、キャビンコンデンサ８の熱を用いることができる。

［変形例］
本実施形態にかかる車両の空調装置の回路は、図１に示したものに限られず、例えば図１１から図１４に示す構成の回路であっても構わない。

図１１の構成は、排熱回収器４が第２冷却液通路１２にある点で図１の構成と異なる。

図１２の構成は、排熱回収器４と熱交換器３とが第２ウォータポンプに対して並列に接続されている点で図１の構成と異なる。

図１３の構成は、第１バルブ５が第３冷却液通路１３に配置される点で図１の構成と異なる。

図１４の構成は、第１バルブ５が第３冷却液通路１３に配置される点と、ヒータコア２を通過する冷却液通路と第５冷却液通路１５とが並列になっている点と、で図１の構成と異なる。

上記の各構成でも、図６～図９に示す制御を実行することで、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

［第２実施形態］
図１５は第２実施形態にかかる車両の空調装置の回路図である。図１と共通する要素には同じ番号を付している。以下、図１の回路との相違点を中心に説明する。

第１実施形態では、車室内に導入する空気をキャビンコンデンサ８により直接加熱する。これに対し本実施形態では、ヒートポンプシステムで生成した熱でエンジン冷却液を加熱する水冷コンデンサ３６を備え、水冷コンデンサ３６で加熱されたエンジン冷却液を第２熱交換器としてのヒータコア２に導入し、ヒータコア２にて車室内に導入する空気を加熱する。このため、ヒータコア２の冷却液導入口と水冷コンデンサ３６の冷却液排出口とを連結する第６冷却液通路３８と、ヒータコア２の冷却液排出口と水冷コンデンサ３６の冷却液導入口とを連結する第７冷却液通路３７を備える。第７冷却液通路３７には、第３ウォータポンプ３３が介装される。

また、第１冷却液通路１１の第５冷却液通路１５との分岐部よりエンジン側とヒータコア２の冷却液導入口とを連結する第８冷却液通路３４と、ヒータコア２の冷却液排出口と第３冷却液通路１３の第５冷却液通路１５との合流部よりエンジン側とを連結する第９冷却液通路３５も備える。第８冷却液通路３４には第３バルブ３１が、第９冷却液通路３５には第４バルブ３２が、それぞれ介装される。

図１６は、エンジン始動時における上記の各要素の状態についてまとめた表である。第３ウォータポンプ３３、第２バルブ３０、第３バルブ３１及び第４バルブ３２を除いた部分は図５と同様である。

高外気温の場合は、第３ウォータポンプ３３は停止、第２バルブ３０は開状態、第３バルブ３１は閉状態、第４バルブ３２は閉状態となる。つまり、エンジン冷却液はエンジン１と熱交換器３と排熱回収器４とを循環する。また、ヒートポンプシステムは作動していないので、熱交換器３では滞留しているヒートポンプ冷媒とエンジン冷却液とが熱交換することとなり、熱交換器３でのエンジン冷却液の温度低下が抑制される。

中間外気温の場合は、第３ウォータポンプ３３は停止、第２バルブ３０は閉状態、第３バルブ３１は開状態、第４バルブ３２は開状態となる。つまり、エンジン１から排出されたエンジン冷却液は、一部が熱交換器３及び排熱回収器４を循環し、その他がヒータコア２を循環する。

低外気温の場合は、第３ウォータポンプ３３は作動、第２バルブ３０は開状態、第３バルブ３１は閉状態、第４バルブ３２は閉状態となる。つまり、エンジン冷却液の回路は、エンジン１から排出されて第２冷却液通路１２を介して循環する回路と、熱交換器３及び排熱回収器４を循環する回路と、ヒータコア２及び水冷コンデンサ３６を循環する回路の３つになる。これにより、第１実施形態と同様に、エンジン１の暖機を促進しつつ、暖房要求を満足することができる。

極低外気温の場合は、低外気温の場合と同様に、第３ウォータポンプ３３は作動、第２バルブ３０は開状態、第３バルブ３１は閉状態、第４バルブ３２は閉状態となる。ただし、第１バルブ５は開状態で第２ウォータポンプ７は停止している。つまり、エンジン１から排出されたエンジン冷却液は、一部が熱交換器３及び排熱回収器４を循環し、その他がヒータコア２を循環する。さらに、ヒータコア２を通過したエンジン冷却液の一部はヒータコア２と水冷コンデンサ３６とを循環する。

図１７は、本実施形態においてエンジン始動時にコントローラ１００が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。図６と同様の処理については図６と同じステップ番号を付してある。以下、図６との相違点を中心に説明する。

ステップＳ１００からステップＳ１０４で外気温を判定するところまでは図６と同様である。ただし、ステップＳ１０３で暖房要求がないと判定した場合に実行する第３処理と、ステップＳ１０４の判定結果に基づき低外気温の場合に実行する第１処理と、極低外気温の場合に実行する第２処理と、中間外気温及び高外気温の場合に実行する第３処理の内容が異なる。

低外気温の場合は、コントローラ１００はステップＳ１０５－２において図１８に示す第１処理を実行する。図１８のステップＳ２００及びＳ２０１は図７のステップＳ２００及びＳ２０１と同様である。ただし、本実施形態では、コントローラ１００はステップＳ２０２において第３ウォータポンプ３３を作動させ、ステップＳ２０３において第２バルブ３０を開状態、第３バルブ３１を閉状態、第４バルブ３２を閉状態にする。

極低外気温の場合は、コントローラ１００はステップＳ１０６－２において図１５に示す第２処理を実行する。図１９のステップＳ３００及びＳ３０１は図８のステップ３００及びＳ３０１と同様である。ただし、本実施形態では、コントローラ１００はステップＳ３０２において第３ウォータポンプ３３を作動させ、ステップＳ３０３において第２バルブ３０を開状態、第３バルブ３１を閉状態、第４バルブ３２を閉状態にする。

ステップＳ１０３で暖房要求がないと判定した場合と、ステップＳ１０４で中間外気温及び高外気温と判定した場合は、コントローラ１００はステップＳ１０７－２において図２０に示す第３処理を実行する。なお、下記の第３処理が終了したら、本ルーチンを終了する。

コントローラ１００は、図２０のステップＳ５００でコンプレッサ１０を停止させ、ステップＳ５０１で第１バルブ５を開状態、第２ウォータポンプ７を停止させる。さらにコントローラ１００はステップＳ５０２で第３ウォータポンプ３３を停止させる。そして、コントローラ１００は、ステップＳ５０３で外気温判定を実行する。ここでは、中間外気温か高外気温のいずれであるかを判定する。

中間外気温の場合は、コントローラ１００はステップＳ５０４で第２バルブ３０を閉状態、第３バルブ３１を開状態、第４バルブ３２を開状態にする。

高外気温の場合は、コントローラ１００はステップＳ５０５で第２バルブ３０を開状態、第３バルブ３１を閉状態、第４バルブ３２を閉状態にする。

第１処理または第２処理が終了した後のステップＳ１０８、Ｓ１０９は図６の同ステップと同じである。

ステップＳ１１０－２で、コントローラ１００は、第１バルブ５を閉状態、第２ウォータポンプ７を作動、第３ウォータポンプ３３を作動、第２バルブ３０を開状態、第３バルブ３１を閉状態、第４バルブ３２を閉状態にする。つまり、低外気温の場合は第１処理後の状態を維持し、極低外気温の場合は第２処理後の状態から第１処理後の状態に変更する。

その後のステップＳ１１１からＳ１１３は図６の同ステップと同じである。

ステップＳ１１３で暖房要求がなくなったら、コントローラ１００はステップＳ１１４で第３ウォータポンプ３３を停止、第２バルブ３０を閉状態、第３バルブ３１を開状態、第４バルブ３２を開状態にする。これにより、エンジン１から排出されたエンジン冷却液の一部は熱交換器３及び排熱回収器４を循環してエンジン１に戻り、その他はヒータコア２を循環してエンジン１に戻る。

図２１は、低外気温時にエンジン始動した場合のタイミングチャートである。具体的には、エンジン１を冷機始動した後、車速４０[ｋｍ／ｈ]程度（図中の一点鎖線）、エンジン回転速度２０００[ｒｐｍ]程度（図中の二点鎖線）で定速走行した場合について示している。

エンジン出口冷却液温度が第２閾値に達するタイミングＴ２までは、第３ウォータポンプ３３、第２バルブ３０、第３バルブ３１及び第４バルブ３２があることを除き、基本的には第１実施形態の図１０と同様である。

低外気温なので、エンジン始動後に第３ウォータポンプ３３は作動状態、第２バルブ３０は開状態、第３バルブ３１は閉状態、第４バルブ３２は閉状態になる。そして、タイミングＴ３で暖房要求がなくなったら、第３ウォータポンプ３３は停止状態、第２バルブ３０は閉状態、第３バルブ３１は開状態、第４バルブ３２は開状態になる。

以上のように本実施形態のヒートポンプシステムは、車室内に導入される空気を熱交換により加熱する第２熱交換器をとして、ヒートポンプ冷媒と熱交換により加熱されたエンジン冷却液により空気を加熱する熱交換器、つまりヒータコア２を備える。これにより、キャビンコンデンサ８を追加する必要がなくなるので、従来から知られている空調装置からの変更の規模を縮小でき、ひいては空調装置にかかるコストの低減を実現できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１エンジン
２ヒータコア
３熱交換器
４排熱回収器
５第１バルブ
６第１ウォータポンプ
７第２ウォータポンプ
８キャビンコンデンサ
９膨張器
１０コンプレッサ
２４三方弁
１００コントローラ

Claims

エンジンの排気ガスからエンジン冷却液に熱を回収する排熱回収器と、
ヒートポンプシステムと、
前記エンジン冷却液と前記ヒートポンプシステムのヒートポンプ冷媒との間の熱交換を行う第１熱交換器と、
を備える車両において、
前記エンジンから排出される前記エンジン冷却液が前記排熱回収器及び前記第１熱交換器を通らずに前記エンジンに戻る第１回路と、
前記第１回路に介装される第１ウォータポンプと、
前記エンジン冷却液が前記エンジンを通らずに前記排熱回収器及び前記第１熱交換器を循環する第２回路と、
前記第２回路に改装される第２ウォータポンプと、
前記エンジンから排出される前記エンジン冷却液が、前記第１回路の途中で分岐して前記第２回路に入り、前記排熱回収器及び前記第１熱交換器を通過した後に、前記第２回路の途中で分岐して前記第１回路に入り、前記エンジンに戻る第３回路と、
前記第１回路と前記第２回路との間の前記エンジン冷却液の入出を制御する第１バルブと、
を備え、
外気温が第１外気温以下かつ前記第１外気温より低い第２外気温より高い場合には、
前記ヒートポンプシステムは停止し、
前記第１バルブは開弁し、
前記第１ウォータポンプ及び前記第２ウォータポンプは作動することを特徴とする車両。
請求項１に記載の車両において、
前記エンジンの冷却液排出口と前記第１熱交換器の冷却液導入口とを連結する第１冷却液通路と、
前記第１熱交換器の冷却液排出口と前記排熱回収器の冷却液導入口とを連結する第２冷却液通路と、
前記排熱回収器の冷却液排出口と前記エンジンの冷却液導入口とを連結する第３冷却液通路と、
前記第１冷却液通路から分岐して前記第３冷却液通路に合流する第４冷却液通路と、
前記第１冷却液通路の前記第４冷却液通路との分岐点より前記エンジン側から分岐して、前記第３冷却液通路の前記第４冷却液通路との合流部より前記エンジン側に合流する第５冷却液通路と、
をさらに備え、
前記第１回路は、前記第１冷却液通路の前記エンジンの冷却液排出口から前記第５冷却液通路との分岐部までの部分と、前記第５冷却液通路と、前記第３冷却液通路の前記第５冷却液通路との合流部から前記エンジンの冷却液導入口までの部分と、で構成され、
前記第２回路は、前記第４冷却液通路と、前記第１冷却液通路の前記第４冷却液通路との合流部から前記第１熱交換器の冷却液導入口までの部分と、前記第２冷却液通路と、前記第３冷却液通路の前記排熱回収器の冷却液排出口から前記第４冷却液通路との分岐部までの部分と、で構成され、
前記第１ウォータポンプは前記前記第３冷却液通路に介装され、
前記第２ウォータポンプは前記第４冷却液通路に介装され、
前記第１バルブは、前記第１冷却液通路の、前記第４冷却液通路との分岐部と前記第５冷却液通路との分岐部との間に介装され、
外気温が第１外気温以下かつ前記第１外気温より低い第２外気温より高い場合には、
前記ヒートポンプシステムは停止し、
前記第１バルブは開弁し、
前記第１ウォータポンプ及び前記第２ウォータポンプは作動することを特徴とする車両。
請求項１または２に記載の車両において、
外気温が前記第２外気温以下かつ前記第２外気温より低い第３外気温より高い場合には、
前記ヒートポンプシステムは作動し、
前記第１バルブは閉弁し、
前記第１ウォータポンプ及び前記第２ウォータポンプは作動する、車両。
請求項３に記載の車両において、
前記第１バルブは前記エンジンが暖機状態になった後、さらに前記冷却液の温度が上昇したら開弁する、車両。
請求項４に記載の車両において、
前記第１バルブは開弁する際に徐々に開度を増大させる、車両。
請求項３から５のいずれか一項に記載の車両において、
外気温が前記第３外気温以下の場合には、
前記ヒートポンプシステムは作動し、
前記第１バルブは開弁し、
前記第２ウォータポンプは停止する、車両。
請求項１から６のいずれか一項に記載の車両において、
前記ヒートポンプシステムは、車室内に導入される空気を熱交換により加熱する第２熱交換器を備え、
前記第２熱交換器は、前記ヒートポンプ冷媒により前記空気を加熱する熱交換器、または前記ヒートポンプ冷媒と熱交換により加熱された前記冷却液により前記空気を加熱する熱交換器である、車両。