廃熱利用装置
【課題】エンジンの廃熱のみでエジェクタを駆動し得る廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】エンジン（２）の排気ガスの熱を前記エンジン（２）から排出される冷却水に回収する廃熱回収器（２２）を有するランキンサイクル（３１）を備える廃熱回収装置において、エンジン（２）から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器（２２）への冷却水の流量を制御する冷却水流量制御手段（２６）と、廃熱回収器から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器（２２）に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制御手段（７）と、を備える。
【解決手段】エンジン（２）の排気ガスの熱を前記エンジン（２）から排出される冷却水に回収する廃熱回収器（２２）を有するランキンサイクル（３１）を備える廃熱回収装置において、エンジン（２）から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器（２２）への冷却水の流量を制御する冷却水流量制御手段（２６）と、廃熱回収器から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器（２２）に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制御手段（７）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は廃熱利用装置、特にランキンサイクルと冷凍サイクルを統合したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気ガスの廃熱をエネルギとして再利用するランキンサイクルシステムが知られている。引用文献１には、自動車エンジン冷却のためのサイクル循環と、エンジン廃熱利用のための排気ガス熱交換器と、膨張装置を駆動し、かつ、第１熱交換媒体を循環する有機ランキンサイクル循環とから構成されるシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２８２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の特許文献１に記載された技術では、排気ガス熱交換機を通過する冷媒によって排気ガスの熱を回収し、冷媒温度は、排気ガス熱交換機を循環する冷媒の量によって制御している。このとき、冷媒温度が許容温度を超過する場合は、バルブによって排気ガスを排気ガスバイパス管に通過させ、排気ガス熱交換機の温度が上昇することを防止している。
【０００５】
このような構成では、許容温度を、冷媒温度をエンジンに影響を与えない程度の温度（例えば１１０℃）に設定する必要があるため、許容温度付近での排気ガスの廃熱を十分に回収できなかった。
【０００６】
本発明は、エンジンの廃熱をより効率的に回収できる廃熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、エンジンの排気ガスの熱をエンジンから排出される冷却水に回収する廃熱回収器と、冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、膨張機により回生された動力によって駆動されると共に凝縮器からの冷媒を熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルを備える車両に用いられる廃熱回収装置に適用されるものである。この廃熱回収装置において、エンジンから排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器への冷却水の流量を制限する冷却水流量制限手段と、廃熱回収器から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制限手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、排気ガス流量制限手段と冷却水流量制限手段とによって、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぎつつ、廃熱回収器における冷却水温度がエンジン水温の制限温度を超えるほど高い状態とすることができ、廃熱回収の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態の膨張機ポンプの概略断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態の冷媒ポンプの概略断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態の膨張機の概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態の冷媒系バルブの機能を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態のハイブリッド車両の概略構成図である。
【図５】本発明の実施形態のエンジンの概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態のハイブリッド車両を下方から見た概略図である。
【図７】本発明の実施形態のランキンサイクル運転域の特性図である。
【図８】本発明の実施形態の膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両の加速が行われたときの様子を示したタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施形態のランキンサイクルの運転停止からの再起動の様子を示したタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施形態の廃熱回収器を中心とした排気管の説明図である。
【図１１】本発明の実施形態の廃熱回収器における冷却水温度及び流量を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明の前提となるランキンサイクルの、システム全体を表した概略構成図を示している。図１のランキンサイクル３１は、冷凍サイクル５１と冷媒および凝縮器３８を共有する構成になっており、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１を統合したサイクルのことを、これ以降統合サイクル３０と表現する。図４は統合サイクル３０が搭載されるハイブリッド車両１の概略構成図である。なお、統合サイクル３０は、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１の冷媒が循環する回路（通路）及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路（通路）等を含めたシステム全体を指すものとする。
【００１２】
ハイブリッド車両１では、エンジン２、モータジェネレータ８１、自動変速機８２が直列に連結され、自動変速機８２の出力はプロペラシャフト８３、ディファレンシャルギヤ８４を介して駆動輪８５に伝達される。エンジン２とモータジェネレータ８１の間には第１駆動軸クラッチ８６を設けている。また、自動変速機８２の摩擦締結要素の一つが第２駆動軸クラッチ８７として構成されている。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７は、エンジンコントローラ７１に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接（接続状態）が制御される。ハイブリッド車両１では、図７Ｂに示すように、車速がエンジン２の効率が悪いＥＶ走行領域にあるときには、エンジン２を停止し第１駆動軸クラッチ８６を遮断し第２駆動軸クラッチ８７を接続してモータジェネレータ８１による駆動力のみでハイブリッド車両１の走行を行わせる。一方、車速がＥＶ走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン２を運転してランキンサイクル３１（後述する）を運転する。エンジン２は排気通路３を備え、排気通路３は、排気マニホールド４と、排気マニホールド４の集合部に接続される排気管５とから構成される。排気管５は途中でバイパス排気管６と分岐しており、バイパス排気管６にバイパスされる区間の排気管５には、排気と冷却水との間で熱交換を行なうための廃熱回収器２２を備える。廃熱回収器２２とバイパス排気管６は、図６に示すように、これらを一体化した廃熱回収ユニット２３として、床下触媒８８とその下流のサブマフラー８９との間に配置される。
【００１３】
図１に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン２を出た８０〜９０℃程度の冷却水は、ラジエータ１１を通る冷却水通路１３と、ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４とに別れて流れる。その後、２つの流れは、両通路１３、１４を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ１５で再び合流し、さらに冷却水ポンプ１６を経てエンジン２に戻る。冷却水ポンプ１６はエンジン２によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。サーモスタットバルブ１５は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を大きくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を小さくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に減らす。エンジン２の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ１１をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる。一方、バイパス冷却水通路１４側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ１１を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路１４を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ１５が構成されている。ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４は、冷却水通路１３から分岐して後述の熱交換器３６に直接接続する第１バイパス冷却水通路２４と、冷却水通路１３から分岐して廃熱回収器２２を経た後に熱交換器３６に接続する第２バイパス冷却水通路２５とからなる。
【００１４】
バイパス冷却水通路１４には、ランキンサイクル３１の冷媒と熱交換を行なう熱交換器３６を備える。この熱交換器３６は蒸発器と過熱器とを統合したものである。すなわち、熱交換器３６には２つの冷却水通路３６ａ、３６ｂがほぼ一列に、また、冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル３１の冷媒が流れる冷媒通路３６ｃは冷却水通路と隣接して設けられている。さらに熱交換器３６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル３１の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆向きとなるように各通路３６ａ、３６ｂ、３６ｃが構成されている。
【００１５】
詳細には、ランキンサイクル３１の冷媒にとって上流（図１の左）側に位置する一方の冷却水通路３６ａは、第１バイパス冷却水通路２４に介装されている。この冷却水通路３６ａ及びこの冷却水通路に隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器左側部分は、エンジン２から出た冷却水を冷却水通路３６ａに直接導入することで、冷媒通路３６ｃを流れるランキンサイクル３１の冷媒を加熱するための蒸発器である。
【００１６】
ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流（図１の右）側に位置する他方の冷却水通路３６ｂには、第２バイパス冷却水通路２５を介して廃熱回収器２２を経た冷却水が導入される。冷却水通路３６ｂ及びこの冷却水通路３６ｂに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器右側部分（ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流側）は、エンジン２の出口の冷却水を排気によってさらに加熱した冷却水を冷却水通路３６ｂに導入することで、冷媒通路３６ｃを流れる冷媒を過熱する過熱器である。
【００１７】
廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａは排気管５に隣接して設けている。廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａにエンジン２の出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温の排気によって例えば１１０〜１１５℃程度まで加熱することができる。廃熱回収器２２の全体を俯瞰して見たときに、排気と冷却水とが互いに流れる向きが逆向きとなるように冷却水通路２２ａが構成されている。
【００１８】
廃熱回収器２２を設けた第２バイパス冷却水通路２５には制御弁２６が介装されている。後述するように、制御弁２６は、エンジン２の内部にある冷却水の温度を指すエンジン水温が、例えばエンジン２の効率悪化やノックを発生させないための許容温度（例えば１００℃）を超えないように、エンジン出口の冷却水温度センサ７４の検出温度が所定値以上になると、この制御弁２６の開度を減少させるようにしている。エンジン水温が許容温度に近づくと、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させるため、エンジン水温が許容温度を超えてしまうことを確実に防ぐことができる。
【００１９】
一方、第２バイパス冷却水通路２５の流量が減少したことによって、廃熱回収器２２により上昇する冷却水温度が上がりすぎて冷却水が蒸発（沸騰）してしまったのでは、冷却水通路内の冷却水の流れが悪くなって部品温度が過剰に上昇してしまう恐れがある。これを避けるため、廃熱回収器２２をバイパスするバイパス排気管６と、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とをコントロールするサーモスタットバルブ７をバイパス排気管６の分岐部に設けている。すなわち、サーモスタットバルブ７は、そのバルブ開度が廃熱回収器２２を出た冷却水温度が所定の温度（例えば沸騰温度１２０℃）を超えないように、廃熱回収器２２を出た冷却水温度に基づいて調節される。
【００２０】
熱交換器３６とサーモスタットバルブ７と廃熱回収器２２とは、廃熱回収ユニット２３として一体化されていて、車幅方向略中央の床下において排気管途中に配設されている。
【００２１】
バイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、例えば熱交換器３６でランキンサイクル３１の冷媒と熱交換することによって十分低下していれば、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が小さくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に減らされる。逆にバイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、ランキンサイクル３１が運転されていないことなどによって高くなると、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が大きくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に増やされる。このようなサーモスタットバルブ１５の動作に基づいて、エンジン２の冷却水温度が適当に保たれ、熱がランキンサイクル３１へ適当に供給（回収）されるように構成されている。
【００２２】
次に、ランキンサイクル３１について述べる。ここでは、ランキンサイクル３１は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル５１と統合した統合サイクル３０の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル３１を先に説明し、その後に冷凍サイクルに言及する。
【００２３】
ランキンサイクル３１は、エンジン２の冷却水を介してエンジン２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３１は、冷媒ポンプ３２、過熱器としての熱交換器３６、膨張機３７及び凝縮器（コンデンサ）３８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路４１〜４４により接続されている。
【００２４】
冷媒ポンプ３２の軸は同一の軸上で膨張機３７の出力軸と連結配置され、膨張機３７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ３２を駆動すると共に、発生動力をエンジン２の出力軸（クランク軸）に供給する構成である（図２Ａ参照）。すなわち、冷媒ポンプ３２の軸及び膨張機３７の出力軸は、エンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ３２の軸の先端に設けたポンププーリ３３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト３４を掛け回している（図１参照）。なお、本実施形態の冷媒ポンプ３２としてはギヤ式のポンプを、膨張機３７としてはスクロール式の膨張機を採用している（図２Ｂ、図２Ｃ参照）。
【００２５】
また、ポンププーリ３３と冷媒ポンプ３２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「膨張機クラッチ」という。）３５（第１クラッチ）を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７とを、エンジン２と断接可能にしている（図２Ａ参照）。このため、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合（予測膨張機トルクが正の場合）に膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト（補助）することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。なお、膨張機クラッチ３５は、エンジン２から冷媒ポンプ３２及び膨張記３７に至る動力伝達経路の途中であれば、どこに設けられていてもよい。
【００２６】
冷媒ポンプ３２からの冷媒は冷媒通路４１を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。
【００２７】
熱交換器３６からの冷媒は冷媒通路４２を介して膨張機３７に供給される。膨張機３７は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機３７で回収された動力は冷媒ポンプ３２を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン２に伝達され、エンジン２の回転をアシストする。
【００２８】
膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３を介して凝縮器３８に供給される。凝縮器３８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。このため、凝縮器３８をラジエータ１１と並列に配置し、ラジエータファン１２によって冷却するようにしている。
【００２９】
凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４を介して冷媒ポンプ３２に戻される。冷媒ポンプ３２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ３２により再び熱交換器３６に送られ、ランキンサイクル３１の各構成要素を循環する。
【００３０】
なお、冷媒通路４４は、図８に示すように、冷媒ポンプ３２の入口から上方に延びている。
【００３１】
次に、冷凍サイクル５１について述べる。冷凍サイクル５１は、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル３１と統合され、冷凍サイクル５１の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル５１は、コンプレッサ（圧縮機）５２、凝縮器３８、エバポレータ（蒸発器）５５を備える。
【００３２】
コンプレッサ５２は冷凍サイクル５１の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械で、エンジン２によって駆動される。すなわち、図４にも示したようにコンプレッサ５２の駆動軸にはコンプレッサプーリ５３が固定され、このコンプレッサプーリ５３とクランクプーリ２ａとにベルト３４を掛け回している。エンジン２の駆動力がこのベルト３４を介してコンプレッサプーリ５３に伝達され、コンプレッサ５２が駆動される。また、コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４（第２クラッチ）を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
【００３３】
図１に戻り、コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４３に合流した後、凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器３８からの液状の冷媒は、冷媒通路４４から分岐する冷媒通路５７を介してエバポレータ（蒸発器）５５に供給される。エバポレータ５５は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ５５は、凝縮器３８からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。
【００３４】
エバポレータ５５によって蒸発した冷媒は冷媒通路５８を介してコンプレッサ５２に戻される。なお、エバポレータ５５によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。
【００３５】
なお、エバポレータ５５、及び、凝縮器３８とエバポレータ５５とを接続する冷媒雄路４４の一部及び冷媒通路５７は、冷媒ポンプ３２の入口よりも高い位置に配置される。また、冷媒通路４４は、冷凍サイクル分岐点４５において分岐し、冷媒通路５７に接続する（図８参照）。
【００３６】
ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１とからなる統合サイクル３０には、サイクル内を流れる冷媒を制御するため、回路途中に各種の弁が適宜設けられている。例えば、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点４５と冷媒ポンプ３２とを連絡する冷媒通路４４にポンプ上流弁６１、熱交換器３６と膨張機３７とを連絡する冷媒通路４２に膨張機上流弁６２を備える。また、冷媒ポンプ３２と熱交換器３６とを連絡する冷媒通路４１には、熱交換器３６から冷媒ポンプ３２への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６３を備えている。膨張機３７と冷凍サイクル合流点４６とを連絡する冷媒通路４３にも、冷凍サイクル合流点４６から膨張機３７への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６４を備えている。また、膨張機上流弁６２上流から膨張機３７をバイパスして逆止弁６４上流に合流する膨張機バイパス通路６５を設け、この膨張機バイパス通路６５にバイパス弁６６を設けている。さらに、バイパス弁６６をバイパスする通路６７に圧力調整弁６８を設けている。冷凍サイクル５１側についても、冷凍サイクル分岐点４５とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路５７にエアコン回路弁６９を設けている。
【００３７】
上記４つの弁６１、６２、６６、６９はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ７２により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ７３により検出される凝縮器出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、膨張機３７の回転速度信号等がエンジンコントローラ７１に入力されている。エンジンコントローラ７１では、所定の運転条件に応じ、これらの各入力信号に基づいて、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２や、ラジエータファン１２の制御を行なうとともに、上記４つの電磁式開閉弁６１、６２、６６、６９の開閉を制御する。
【００３８】
例えば、圧力センサ７２により検出される膨張機上流側圧力及び膨張機回転速度に基づいて膨張機トルク（回生動力）を予測し、この予測膨張機トルクが正のとき（エンジン出力軸の回転をアシストすることができるとき）に膨張機クラッチ３５を締結し、予測膨張機トルクがゼロないし負のときに膨張機クラッチ３５を解放する。センサ検出圧力と膨張機回転速度とに基づくことで、排気温度から膨張機トルク（回生動力）を予測する場合とくらべ、高い精度で膨張機トルクを予測することができ、膨張機トルクの発生状況に応じて膨張機クラッチ３５の締結・解放を適切に行うことができる（詳細は特開２０１０−１９０１８５号公報参照）。
【００３９】
上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び２つの逆止弁６３、６４は、冷媒系バルブである。これらの冷媒系バルブの機能を改めて図３に示す。
【００４０】
図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられる（図８参照）。ポンプ上流弁６１は、冷凍サイクル５１の回路に比べてランキンサイクル３１の回路に冷媒が偏り易くなる所定の条件で閉じることで、ランキンサイクル３１への冷媒（潤滑成分を含む）の偏りを防止するためのもので、後述するように、膨張機３７下流の逆止弁６４と協働してランキンサイクル３１の回路を閉塞させる。膨張機上流弁６２は、熱交換器３６からの冷媒圧力が相対的に低い場合に冷媒通路４２を遮断し熱交換器３６からの冷媒が高圧になるまで保持することができるようにするものである。これによって、膨張機トルクが十分得られない場合でも冷媒の加熱を促し、例えばランキンサイクル３１が再起動する（回生が実際に行なえるようになる）までの時間を短縮させることができる。バイパス弁６６は、ランキンサイクル３１の始動時等にランキンサイクル３１側に存在する冷媒量が十分でないときなどに、膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ作動が行えるように開弁し、ランキンサイクル３１の起動時間を短縮するためのものである。膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２を作動させることで、凝縮器３８の出口あるいは冷媒ポンプ３２の入口の冷媒温度が、その部位の圧力を考慮した沸点から所定温度差（サブクール度ＳＣ）以上に低下した状態が実現されれば、ランキンサイクル３１には十分な液体冷媒が供給できる状態が整ったことになる。
【００４１】
熱交換器３６上流の逆止弁６３は、バイパス弁６６、圧力調整弁６８、膨張機上流弁６２と協働して膨張機３７に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。圧力調整弁６８は膨張機３７に供給される冷媒の圧力が高くなり過ぎた場合に開いて、高くなり過ぎた冷媒を逃すリリーフ弁の役割を有している。
【００４２】
膨張機３７下流の逆止弁６４は、上述のポンプ上流弁６１と協働してランキンサイクル３１への冷媒の偏りを防止するためのものである。ハイブリッド車両１の運転開始直後、エンジン２が暖まっていないとランキンサイクル３１が冷凍サイクル５１より低温となり、冷媒がランキンサイクル３１側に偏ることがある。ランキンサイクル３１側に偏る確率はそれほど高くないものの、例えば夏場の車両運転開始直後には、車内を早く冷やしたい状況にあって冷房能力が最も要求されることから、冷媒の僅かな偏在も解消して冷凍サイクル５１の冷媒を確保したいという要求がある。そこで、ランキンサイクル３１側への冷媒の偏在を防止するため逆止弁６４を設けたものである。
【００４３】
コンプレッサ５２は、駆動停止時に冷媒が自由通過できる構造ではなく、エアコン回路弁６９と協働して冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止することができる。これについて説明する。冷凍サイクル５１の運転が停止したとき、定常運転中の比較的高い温度のランキンサイクル３１側から冷凍サイクル５１側へと冷媒が移動して、ランキンサイクル３１を循環する冷媒が不足することがある。冷凍サイクル５１の中で、冷房停止直後はエバポレータ５５の温度が低くなっていて、比較的容積が大きく温度が低くなっているエバポレータ５５に冷媒が溜まり易い。この場合に、コンプレッサ５２の駆動停止によって凝縮器３８からエバポレータ５５への冷媒の動きを遮断するとともに、エアコン回路弁６９を閉じることで、冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止するのである。
【００４４】
次に、図５はエンジン全体のパッケージを示すエンジン２の概略斜視図である。図５において特徴的なのは、熱交換器３６が排気マニホールド４の鉛直上方に配置されていることである。排気マニホールド４の鉛直上方のスペースに熱交換器３６を配置することによって、ランキンサイクル３１のエンジン２への搭載性を向上させている。また、エンジン２には、テンショナプーリ８が設けられる。
【００４５】
次に、ランキンサイクル３１の基本的な運転方法を図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。
【００４６】
まず、図７Ａ及び図７Ｂはランキンサイクル３１の運転領域図である。図７Ａには横軸を外気温、縦軸をエンジン水温（冷却水温度）としたときのランキンサイクルの運転域を、図７Ｂは横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク（エンジン負荷）としたときのランキンサイクル３１の運転域を示している。
【００４７】
図７Ａ及び図７Ｂのいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル３１を運転するもので、これら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクル３１を運転する。図７Ａにおいては、エンジン１の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ５２の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。排気温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル３１を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル３１を止めて、冷凍サイクル５１に十分な冷媒と凝縮器３８の冷却能力を提供する。図７Ｂにおいては、ハイブリッド車両であるので、ＥＶ走行領域と、膨張機３７のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。膨張機３７は全ての回転数でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図７の場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機が構成（膨張機各部のディメンジョン等が設定）されている。
【００４８】
図８は膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両１の加速が行われたときの様子をモデルで示したタイミングチャートである。なお、図８の右側には、このときに膨張機３７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ている。膨張機トルクマップの等高線で区切られた範囲のうち、膨張機回転速度が低く膨張機上流圧力が高い部分（左上）では膨張機トルクが最も大きく、膨張機回転速度が高く膨張機上流圧力が低くなるほど（右下に進むほど）膨張機トルクが小さくなる傾向になっている。特に斜線部の範囲は、冷媒ポンプを駆動する前提では膨張機トルクがマイナスになって、エンジンに対しては負荷となってしまう領域を表している。
【００４９】
運転者がアクセルペダルを踏込むｔ１までは、定速走行が継続されて膨張機３７が正のトルクを発生させており、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが行われている。
【００５０】
ｔ１以降、膨張機３７の回転速度、すなわちポンプ３２の回転速度がエンジン回転速度に比例して上昇するが、排気温度或いは冷却水温度の上昇は、エンジン回転速度の上昇に対して遅れを有する。そのため、ポンプ３２の回転速度の上昇によって増大した冷媒量に対して回収可能な熱量の割合が低下する。
【００５１】
従って、膨張機回転速度が上昇するにつれ、膨張機上流の冷媒圧力が低下し、膨張機トルクは低下する。
【００５２】
膨張機トルクが低下すると、膨張機３７や冷媒ポンプ３２はエンジンの駆動力によって回転させられることになり、むしろエンジンの負荷になってしまうので、膨張機トルクが所定以下になるようなときには膨張機クラッチ３５を切断し、膨張機３７の引き摺り現象（エンジンによって回されて却ってエンジンの負荷になること）を回避する。
【００５３】
図８では、膨張機クラッチ３５を切断するｔ３よりも前の、ｔ２のタイミングで膨張機上流弁６２を閉塞しており、ｔ３のタイミングで膨張機上流圧力は膨張機下流圧力と殆ど差がない。このように、膨張機クラッチ３５の切断前に、膨張機上流弁６２を閉塞することによって、膨張機上流の冷媒（膨張機に流入する冷媒の）圧力を十分低下させ、膨張機クラッチ３５を切り離した際の膨張機３７の過回転を防止している。
【００５４】
ｔ３以降、エンジン２の放熱量の上昇により膨張機上流圧力が再び上昇し、ｔ４のタイミングで、膨張機上流弁６２が閉状態から開状態へと切換えられ、膨張機３７への冷媒の供給が再開される。また、ｔ４で膨張機クラッチ３５が再び接続される。この膨張機クラッチ３５の再接続により、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが再開される。
【００５５】
図９は、膨張機上流弁６２が閉じられ膨張機クラッチ３５を切断した状態の、ランキンサイクルの運転停止から、図８（ｔ４の制御）と異なる態様でランキンサイクルの再起動を行なう様子をモデルで示したタイミングチャートである。
【００５６】
ｔ１１のタイミングで運転者がアクセルペダルを踏込むとアクセル開度が増大する。ｔ１１では、ランキンサイクルの運転は停止されている。このため、膨張機トルクはゼロを維持している。
【００５７】
ｔ１１からのエンジン回転速度の上昇に伴ってエンジン２の放熱量が増大し、この放熱量の増大によって熱交換器３６に流入する冷却水温度が高くなり、熱交換器３６内の冷媒の温度が上昇する。膨張機上流弁６２は閉じているので、この熱交換器３６による冷媒温度の上昇によって、膨張機上流弁６２の上流の冷媒圧力、つまり膨張機上流圧力が上昇していく（ｔ１１〜ｔ１２）。
【００５８】
この運転状態の変化によってランキンサイクル非運転域からランキンサイクル運転域へと切換わる。膨張機上流弁６２がなく、ランキンサイクル運転域に移行したときに、即座に膨張機クラッチ３５を切断状態から接続状態へと切換えて膨張機３７をエンジン出力軸と連結したのでは、膨張機３７がエンジン２の負荷となる上にトルクショックが生じてしまう。
【００５９】
一方、図９では、ランキンサイクル運転域へと切換わったとき、即座に膨張機上流弁６２を閉状態から開状態へと切換えることはしない。すなわち、ランキンサイクル運転域に移行した後も膨張機上流弁６２の閉状態を続ける。
【００６０】
やがて、膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差圧が大きくなって所定圧以上となるｔ１２のタイミングで膨張機３７を運転（駆動）できると判断し、膨張弁上流弁６２を閉状態から開状態に切換える。この膨張弁上流弁６２の開状態への切換によって膨張機３７に所定圧の冷媒が供給され、膨張機回転速度がゼロから速やかに上昇する。
【００６１】
この膨張機回転速度の上昇で膨張機回転速度がエンジン回転速度に到達するｔ１３のタイミングで、膨張機クラッチ３５を切断より接続へと切換える。膨張機３７が十分に回転速度を増す前に膨張機クラッチ３５を接続したのでは、膨張機３７がエンジン負荷となるし、トルクショックも生じ得る。これに対して、エンジン出力軸との回転速度差がなくなるｔ１３で膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７がエンジン負荷となることも、膨張機クラッチ３５を締結することに伴うトルクショックも防止できる。
【００６２】
次に、廃熱回収器２２における制御について説明する。
【００６３】
図１０は、本実施形態の廃熱回収器２２を中心とした排気管５（廃熱回収ユニット２３）の説明図である。
【００６４】
図１０において、排気ガスの流れを実線矢印で、冷却水の流れを点線矢印で示す。
【００６５】
排気管５には、前述のように廃熱回収器２２が取付けられている。廃熱回収器２２には、排気ガスと冷却水とが流通可能に構成されており、高温の排気ガスの熱による熱交換によって冷却水の温度を上昇させる。温度が上昇した冷却水は、熱交換機３６においてランキンサイクル３１の冷媒を加熱する。
【００６６】
廃熱回収器２２に導入される冷却水は、制御弁２６によってその流量が制御される。エンジンコントローラ７１は、冷却水温度センサ７４によって検出したエンジン２の出口の冷却水温度に基づいて、制御弁の流量を制御する。すなわち、エンジンコントローラ７１が冷却水温度センサ７４に基づいて制御弁２６の開度を制御して冷却水流量を制限することによって、冷却水流量制限手段が構成されている。
【００６７】
エンジンコントローラ７１は、冷却水温度センサ７４によって検出された冷却水温度が第１の所定温度以上となった場合は、制御弁２６の開度を減少させ、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させる。
【００６８】
この第１の所定温度とは、エンジン２に影響を与えない温度、例えばオーバーヒートが発生する温度よりも所定の余裕分を持った温度とする。
【００６９】
このように制御することによって、冷却水水温、特に、エンジン２の内部を流通する冷却水水温の温度（エンジン水温）が許容温度を超えてしまうことを防止している。廃熱回収器内の冷却水の流通を減少させることにしたので、冷却水に移動する熱の量を速やかに低下させることができる。
【００７０】
排気管５の廃熱回収器の手前には、サーモスタットバルブ７が設けられている。
【００７１】
サーモスタットバルブ７は、軸７ｂを中心として回動するように構成されており、バイパス排気管６を閉塞して廃熱回収器２２に排気ガスを流通させるか、排気管５を閉塞してバイパス排気管６に排気ガスを流通させて、廃熱回収器２２への排気ガスの流通を制限するかを制御する。
【００７２】
サーモスタットバルブ７はサーモスタット７ａを備える。サーモスタット７ａは、廃熱回収器２２の冷却水の出口側に設けられている。サーモスタット７ａは、廃熱回収器２２の冷却水出口温度に基づいて伸縮可能に構成される。
【００７３】
サーモスタット７ａは、軸７ｂを介してサーモスタットバルブ７と連結する。サーモスタット７ａが通過する冷却水の温度に応じて伸縮することにより、サーモスタットバルブ７が、サーモスタット７ａに応動して軸７ｂを中心として回動する。これにより、排気管５の開度が変更される。
【００７４】
サーモスタットバルブ７は、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度に応じてその開度を変更し、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とを変更することができるように構成されている。すなわち、冷却水温度によってサーモスタット７ａが伸縮してサーモスタットバルブ７の開度が変化し、廃熱回収器２２への排気ガスの流量を制限することによって、排気ガス流量制限手段が構成される。
【００７５】
具体的には、サーモスタットバルブ７１は、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度が、第２の所定温度未満である場合は、バイパス排気管６を閉鎖して、排気ガスを廃熱回収器２２に流通させる。廃熱回収器２２は、流通する排気ガスと冷却水とで熱交換を行う。
【００７６】
一方、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度が第２の所定温度以上となった場合は、サーモスタットバルブ７１は、排気管５の廃熱回収器２２への排気ガスの流通を閉鎖して、バイパス排気管６に排気ガスを流通させる。これにより、廃熱回収器２２に排気ガスが流通しないので、廃熱回収器２２を流れる冷却水の水温は上昇することがない。
【００７７】
この第２の所定値とは、冷却水の流通に影響を与えない温度、例えば冷却水が沸騰する温度よりも所定の余裕分を持った温度とする。冷却水が沸騰すると気泡が発生し、流れ出した気泡が熱交換量（冷却水によるエンジンを冷却する作用）を低下させるだけでなく、気泡が冷却水通路断面全体に亘るほどまで成長すると、冷却水の流れが止まってしまう恐れがある。
【００７８】
すなわち、本実施形態では、廃熱回収器２２において、エンジン出口（廃熱回収器入口）冷却水温度に基づいて廃熱回収器２２に流入する冷却水の流量を制御し、出口冷却水温度に基づいて排気ガスの流量を制限するので、沸騰が生じない範囲かつエンジン水温が許す限り、排ガスの熱を十分、確実に回収できると共に、エンジンに影響が発生する温度への上昇を速やかかつ確実に防止することができる。
【００７９】
なお、サーモスタットバルブ７は、バイメタル等を用いた比較的簡易な感温弁でもよいし、温度センサ出力が入力されるコントローラによって制御される制御弁であってもよい。
【００８０】
図１１は、本実施形態の廃熱回収器２２における冷却水温度及び流量を示す説明図である。
【００８１】
この図１１に示すグラフは、横軸の時間経過と共に、縦軸の冷却水温度が上昇している運転状態を示す。なお図中の点線は廃熱回収器２２の入口の冷却水温度、すなわち、冷却水温度センサ７４によって計測された温度を示す。また、図中の一点鎖線は、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度、すなわち、サーモスタット７ａの動作に関わる温度である。
【００８２】
エンジン２が定常運転のときは、エンジン２からの冷却水の温度は、一般的に８０℃〜９０℃付近である。ここで、エンジン２の回転速度が上昇するなど、エンジン２の負荷が過渡的に上昇した場合を説明する。
【００８３】
エンジン２の負荷が上昇したときは、まず、排気ガスの温度が上昇し、遅れてエンジン水温が上昇する。
【００８４】
このとき、廃熱回収器２２の入口の冷却水温度、すなわち、エンジン２から排出される冷却水の温度が、徐々に上昇する。
【００８５】
ここで、廃熱回収器２２の入口の冷却水温度が、第１の制限温度（エンジンがオーバーヒートしない温度の上限、例えば１１０℃）よりも余裕分αを持たせた第１の所定温度（例えば１０５℃）以上となった場合（時間ｔｓ１）は、エンジンコントローラ７１は、制御弁２６の開度を制御して、廃熱回収器２２への冷却水流量を減少させる。廃熱回収器２２を通過する冷却水の流量が減少することによって、廃熱回収器２２における熱交換を少なくして、エンジン水温（エンジン内部の冷却水温度）が過剰に上昇しないように制御する。
【００８６】
また一方で、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度が、第２の制限温度（冷却水が配管内で沸騰しない温度の上限、例えば１２０℃）よりも余裕分βを持たせた第２の所定温度（例えば１１５℃）以上となった場合（時間ｔｓ２）は、サーモスタット７ａの伸張によりサーモスタットバルブ７の開度を全開から全閉へと制御して、バイパス排気管６に排気ガスを流通させ、廃熱回収器２２への排気ガスの流通を制限する。廃熱回収器２２を通過する排気ガスの流量が減少することによって、廃熱回収器２２における熱交換を少なくして、廃熱回収器２２における冷却水温度が過剰に上昇しないように制御する。
【００８７】
以上のように本発明の実施形態では、排気管５に設けられた廃熱回収器２２への冷却水の流通を、エンジン２の出口（廃熱回収器２２の入口）の冷却水温度に基づいて制御するとともに、廃熱回収器２２への排気ガスの流通を、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度に基づいて制御した。
【００８８】
廃熱回収効率を向上させるために、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度を、エンジン水温の許容温度を超えるほど高めようとしたときに、サーモスタットバルブ７による排気ガスから冷却水への熱交換量の調節は比較的大きな遅れを伴うため、サーモスタットバルブ７を単独で調節したのではエンジン水温が許容温度を超えないように制御するのが難しい。しかし、制御弁２６をエンジン水温に基づいて制御するので、冷却水温度が上昇した場合には、廃熱回収器２２を流れる冷却水の流量を制限して熱回収量を速やかに低減して、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぐことができる。
【００８９】
また、エンジン水温が許容温度までに余裕がある状態であれば、サーモスタットバルブ７による調節によって、廃熱回収器２２を出る冷却水温度が沸騰しない範囲（例えば１１０〜１１５℃）で廃熱回収が行えるので、廃熱回収量を増加させることができる。
【００９０】
なお、制御弁２６を閉じ側に制御して、廃熱回収器２２を通過する冷却水流量を最も減少させる場合においても、廃熱回収器を通過する冷却水流量は完全にゼロとはならないように構成されている。サーモスタットバルブ７によって、廃熱回収器２２への排気ガスの流通が停止させられている場合であっても、バイパス排気管６を流れる排気ガスから廃熱回収器２２内の冷却水に熱が伝わって、冷却水の温度は徐々に上昇する。所定の冷却水流量を確保しておけば、仮にバイパス排気管６を流れる排気ガスから廃熱回収器２２内の冷却水に熱が伝わっても、廃熱回収器２２内の冷却水が徐々に置換されて、廃熱回収器２２内の冷却水温度が過剰に高くなってしまうことが防止できる。
【００９１】
また、第１の所定温度における余裕分α及び第２の所定温度における余裕分βは、制御弁２６及びサーモスタットバルブ７の応答性に応じて適宜決めうる値であり、例えば数〜１０℃程度に設定する。
【００９２】
以上説明した本発明の実施形態では、ハイブリッド車両を例に説明したが、これに限られるものでない。エンジン２のみを搭載した車両にも本発明の適用がある。エンジン２は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれでもかまわない。
【符号の説明】
【００９３】
１ ハイブリッド車両
２ エンジン
２ａ クランクプーリ
１２ ラジエータファン
３０ 複合サイクル
３１ ランキンサイクル
３２ 冷媒ポンプ
３３ ポンププーリ
３４ ベルト
３５ 膨張機クラッチ
３６ 熱交換器
３７ 膨張機
５１ 冷凍サイクル
５２ コンプレッサ
５４ コンプレッサクラッチ
５５ エバポレータ
７１ エンジンコントローラ
９２ エジェクタ
９８ 流量制御弁
【技術分野】
【０００１】
この発明は廃熱利用装置、特にランキンサイクルと冷凍サイクルを統合したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気ガスの廃熱をエネルギとして再利用するランキンサイクルシステムが知られている。引用文献１には、自動車エンジン冷却のためのサイクル循環と、エンジン廃熱利用のための排気ガス熱交換器と、膨張装置を駆動し、かつ、第１熱交換媒体を循環する有機ランキンサイクル循環とから構成されるシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２８２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の特許文献１に記載された技術では、排気ガス熱交換機を通過する冷媒によって排気ガスの熱を回収し、冷媒温度は、排気ガス熱交換機を循環する冷媒の量によって制御している。このとき、冷媒温度が許容温度を超過する場合は、バルブによって排気ガスを排気ガスバイパス管に通過させ、排気ガス熱交換機の温度が上昇することを防止している。
【０００５】
このような構成では、許容温度を、冷媒温度をエンジンに影響を与えない程度の温度（例えば１１０℃）に設定する必要があるため、許容温度付近での排気ガスの廃熱を十分に回収できなかった。
【０００６】
本発明は、エンジンの廃熱をより効率的に回収できる廃熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、エンジンの排気ガスの熱をエンジンから排出される冷却水に回収する廃熱回収器と、冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、膨張機により回生された動力によって駆動されると共に凝縮器からの冷媒を熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルを備える車両に用いられる廃熱回収装置に適用されるものである。この廃熱回収装置において、エンジンから排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器への冷却水の流量を制限する冷却水流量制限手段と、廃熱回収器から排出される冷却水の温度に基づいて廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制限手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、排気ガス流量制限手段と冷却水流量制限手段とによって、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぎつつ、廃熱回収器における冷却水温度がエンジン水温の制限温度を超えるほど高い状態とすることができ、廃熱回収の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の統合サイクルの概略構成図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態の膨張機ポンプの概略断面図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態の冷媒ポンプの概略断面図である。
【図２Ｃ】本発明の実施形態の膨張機の概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態の冷媒系バルブの機能を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態のハイブリッド車両の概略構成図である。
【図５】本発明の実施形態のエンジンの概略斜視図である。
【図６】本発明の実施形態のハイブリッド車両を下方から見た概略図である。
【図７】本発明の実施形態のランキンサイクル運転域の特性図である。
【図８】本発明の実施形態の膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両の加速が行われたときの様子を示したタイミングチャートである。
【図９】本発明の実施形態のランキンサイクルの運転停止からの再起動の様子を示したタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施形態の廃熱回収器を中心とした排気管の説明図である。
【図１１】本発明の実施形態の廃熱回収器における冷却水温度及び流量を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１は本発明の前提となるランキンサイクルの、システム全体を表した概略構成図を示している。図１のランキンサイクル３１は、冷凍サイクル５１と冷媒および凝縮器３８を共有する構成になっており、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１を統合したサイクルのことを、これ以降統合サイクル３０と表現する。図４は統合サイクル３０が搭載されるハイブリッド車両１の概略構成図である。なお、統合サイクル３０は、ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１の冷媒が循環する回路（通路）及びその途中に設けられたポンプ、膨張機、凝縮器等の構成要素に加え、冷却水や排気の回路（通路）等を含めたシステム全体を指すものとする。
【００１２】
ハイブリッド車両１では、エンジン２、モータジェネレータ８１、自動変速機８２が直列に連結され、自動変速機８２の出力はプロペラシャフト８３、ディファレンシャルギヤ８４を介して駆動輪８５に伝達される。エンジン２とモータジェネレータ８１の間には第１駆動軸クラッチ８６を設けている。また、自動変速機８２の摩擦締結要素の一つが第２駆動軸クラッチ８７として構成されている。第１駆動軸クラッチ８６と第２駆動軸クラッチ８７は、エンジンコントローラ７１に接続されており、ハイブリッド車両の運転条件に応じてその断接（接続状態）が制御される。ハイブリッド車両１では、図７Ｂに示すように、車速がエンジン２の効率が悪いＥＶ走行領域にあるときには、エンジン２を停止し第１駆動軸クラッチ８６を遮断し第２駆動軸クラッチ８７を接続してモータジェネレータ８１による駆動力のみでハイブリッド車両１の走行を行わせる。一方、車速がＥＶ走行領域を外れてランキンサイクル運転域に移行したときには、エンジン２を運転してランキンサイクル３１（後述する）を運転する。エンジン２は排気通路３を備え、排気通路３は、排気マニホールド４と、排気マニホールド４の集合部に接続される排気管５とから構成される。排気管５は途中でバイパス排気管６と分岐しており、バイパス排気管６にバイパスされる区間の排気管５には、排気と冷却水との間で熱交換を行なうための廃熱回収器２２を備える。廃熱回収器２２とバイパス排気管６は、図６に示すように、これらを一体化した廃熱回収ユニット２３として、床下触媒８８とその下流のサブマフラー８９との間に配置される。
【００１３】
図１に基づき、まず、エンジン冷却水回路について説明する。エンジン２を出た８０〜９０℃程度の冷却水は、ラジエータ１１を通る冷却水通路１３と、ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４とに別れて流れる。その後、２つの流れは、両通路１３、１４を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタットバルブ１５で再び合流し、さらに冷却水ポンプ１６を経てエンジン２に戻る。冷却水ポンプ１６はエンジン２によって駆動され、その回転速度はエンジン回転速度と同調している。サーモスタットバルブ１５は、冷却水温度が高い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を大きくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に増やし、冷却水温度が低い場合に冷却水通路１３側のバルブ開度を小さくしてラジエータ１１を通過する冷却水量を相対的に減らす。エンジン２の暖機前など特に冷却水温度が低い場合には、完全にラジエータ１１をバイパスさせて冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる。一方、バイパス冷却水通路１４側のバルブ開度は全閉になることはなく、ラジエータ１１を流れる冷却水流量が多くなったときに、バイパス冷却水通路１４を流れる冷却水の流量は、冷却水の全量がバイパス冷却水通路１４側を流れる場合と比べて低下するが、流れが完全に停止することがないようにサーモスタットバルブ１５が構成されている。ラジエータ１１をバイパスするバイパス冷却水通路１４は、冷却水通路１３から分岐して後述の熱交換器３６に直接接続する第１バイパス冷却水通路２４と、冷却水通路１３から分岐して廃熱回収器２２を経た後に熱交換器３６に接続する第２バイパス冷却水通路２５とからなる。
【００１４】
バイパス冷却水通路１４には、ランキンサイクル３１の冷媒と熱交換を行なう熱交換器３６を備える。この熱交換器３６は蒸発器と過熱器とを統合したものである。すなわち、熱交換器３６には２つの冷却水通路３６ａ、３６ｂがほぼ一列に、また、冷媒と冷却水が熱交換可能なようにランキンサイクル３１の冷媒が流れる冷媒通路３６ｃは冷却水通路と隣接して設けられている。さらに熱交換器３６の全体を俯瞰して見たときにランキンサイクル３１の冷媒と冷却水が互いに流れ方向が逆向きとなるように各通路３６ａ、３６ｂ、３６ｃが構成されている。
【００１５】
詳細には、ランキンサイクル３１の冷媒にとって上流（図１の左）側に位置する一方の冷却水通路３６ａは、第１バイパス冷却水通路２４に介装されている。この冷却水通路３６ａ及びこの冷却水通路に隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器左側部分は、エンジン２から出た冷却水を冷却水通路３６ａに直接導入することで、冷媒通路３６ｃを流れるランキンサイクル３１の冷媒を加熱するための蒸発器である。
【００１６】
ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流（図１の右）側に位置する他方の冷却水通路３６ｂには、第２バイパス冷却水通路２５を介して廃熱回収器２２を経た冷却水が導入される。冷却水通路３６ｂ及びこの冷却水通路３６ｂに隣接する冷媒通路部分からなる熱交換器右側部分（ランキンサイクル３１の冷媒にとって下流側）は、エンジン２の出口の冷却水を排気によってさらに加熱した冷却水を冷却水通路３６ｂに導入することで、冷媒通路３６ｃを流れる冷媒を過熱する過熱器である。
【００１７】
廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａは排気管５に隣接して設けている。廃熱回収器２２の冷却水通路２２ａにエンジン２の出口の冷却水を導入することで、冷却水を高温の排気によって例えば１１０〜１１５℃程度まで加熱することができる。廃熱回収器２２の全体を俯瞰して見たときに、排気と冷却水とが互いに流れる向きが逆向きとなるように冷却水通路２２ａが構成されている。
【００１８】
廃熱回収器２２を設けた第２バイパス冷却水通路２５には制御弁２６が介装されている。後述するように、制御弁２６は、エンジン２の内部にある冷却水の温度を指すエンジン水温が、例えばエンジン２の効率悪化やノックを発生させないための許容温度（例えば１００℃）を超えないように、エンジン出口の冷却水温度センサ７４の検出温度が所定値以上になると、この制御弁２６の開度を減少させるようにしている。エンジン水温が許容温度に近づくと、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させるため、エンジン水温が許容温度を超えてしまうことを確実に防ぐことができる。
【００１９】
一方、第２バイパス冷却水通路２５の流量が減少したことによって、廃熱回収器２２により上昇する冷却水温度が上がりすぎて冷却水が蒸発（沸騰）してしまったのでは、冷却水通路内の冷却水の流れが悪くなって部品温度が過剰に上昇してしまう恐れがある。これを避けるため、廃熱回収器２２をバイパスするバイパス排気管６と、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とをコントロールするサーモスタットバルブ７をバイパス排気管６の分岐部に設けている。すなわち、サーモスタットバルブ７は、そのバルブ開度が廃熱回収器２２を出た冷却水温度が所定の温度（例えば沸騰温度１２０℃）を超えないように、廃熱回収器２２を出た冷却水温度に基づいて調節される。
【００２０】
熱交換器３６とサーモスタットバルブ７と廃熱回収器２２とは、廃熱回収ユニット２３として一体化されていて、車幅方向略中央の床下において排気管途中に配設されている。
【００２１】
バイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、例えば熱交換器３６でランキンサイクル３１の冷媒と熱交換することによって十分低下していれば、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が小さくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に減らされる。逆にバイパス冷却水通路１４からサーモスタットバルブ１５に向かう冷却水の温度が、ランキンサイクル３１が運転されていないことなどによって高くなると、サーモスタットバルブ１５の冷却水通路１３側のバルブ開度が大きくされて、ラジエータ１１を通過する冷却水量は相対的に増やされる。このようなサーモスタットバルブ１５の動作に基づいて、エンジン２の冷却水温度が適当に保たれ、熱がランキンサイクル３１へ適当に供給（回収）されるように構成されている。
【００２２】
次に、ランキンサイクル３１について述べる。ここでは、ランキンサイクル３１は、単純なランキンサイクルでなく、冷凍サイクル５１と統合した統合サイクル３０の一部として構成されている。以下では、基本となるランキンサイクル３１を先に説明し、その後に冷凍サイクルに言及する。
【００２３】
ランキンサイクル３１は、エンジン２の冷却水を介してエンジン２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３１は、冷媒ポンプ３２、過熱器としての熱交換器３６、膨張機３７及び凝縮器（コンデンサ）３８を備え、各構成要素は冷媒（Ｒ１３４ａ等）が循環する冷媒通路４１〜４４により接続されている。
【００２４】
冷媒ポンプ３２の軸は同一の軸上で膨張機３７の出力軸と連結配置され、膨張機３７の発生する出力（動力）によって冷媒ポンプ３２を駆動すると共に、発生動力をエンジン２の出力軸（クランク軸）に供給する構成である（図２Ａ参照）。すなわち、冷媒ポンプ３２の軸及び膨張機３７の出力軸は、エンジン２の出力軸と平行に配置され、冷媒ポンプ３２の軸の先端に設けたポンププーリ３３と、クランクプーリ２ａとの間にベルト３４を掛け回している（図１参照）。なお、本実施形態の冷媒ポンプ３２としてはギヤ式のポンプを、膨張機３７としてはスクロール式の膨張機を採用している（図２Ｂ、図２Ｃ参照）。
【００２５】
また、ポンププーリ３３と冷媒ポンプ３２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「膨張機クラッチ」という。）３５（第１クラッチ）を設けて、冷媒ポンプ３２及び膨張機３７とを、エンジン２と断接可能にしている（図２Ａ参照）。このため、膨張機３７の発生する出力が冷媒ポンプ３２の駆動力及び回転体が有するフリクションを上回る場合（予測膨張機トルクが正の場合）に膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７の発生する出力によってエンジン出力軸の回転をアシスト（補助）することができる。このように廃熱回収によって得たエネルギを用いてエンジン出力軸の回転をアシストすることで、燃費を向上できる。また、冷媒を循環させる冷媒ポンプ３２を駆動するためのエネルギも、回収した廃熱で賄うことができる。なお、膨張機クラッチ３５は、エンジン２から冷媒ポンプ３２及び膨張記３７に至る動力伝達経路の途中であれば、どこに設けられていてもよい。
【００２６】
冷媒ポンプ３２からの冷媒は冷媒通路４１を介して熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、エンジン２の冷却水と冷媒との間で熱交換を行わせ、冷媒を気化し過熱する熱交換器である。
【００２７】
熱交換器３６からの冷媒は冷媒通路４２を介して膨張機３７に供給される。膨張機３７は、気化し過熱された冷媒を膨張させることにより熱を回転エネルギに変換する蒸気タービンである。膨張機３７で回収された動力は冷媒ポンプ３２を駆動し、ベルト伝動機構を介してエンジン２に伝達され、エンジン２の回転をアシストする。
【００２８】
膨張機３７からの冷媒は冷媒通路４３を介して凝縮器３８に供給される。凝縮器３８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。このため、凝縮器３８をラジエータ１１と並列に配置し、ラジエータファン１２によって冷却するようにしている。
【００２９】
凝縮器３８により液化された冷媒は、冷媒通路４４を介して冷媒ポンプ３２に戻される。冷媒ポンプ３２に戻された冷媒は、冷媒ポンプ３２により再び熱交換器３６に送られ、ランキンサイクル３１の各構成要素を循環する。
【００３０】
なお、冷媒通路４４は、図８に示すように、冷媒ポンプ３２の入口から上方に延びている。
【００３１】
次に、冷凍サイクル５１について述べる。冷凍サイクル５１は、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を共用するため、ランキンサイクル３１と統合され、冷凍サイクル５１の構成そのものは簡素になっている。すなわち、冷凍サイクル５１は、コンプレッサ（圧縮機）５２、凝縮器３８、エバポレータ（蒸発器）５５を備える。
【００３２】
コンプレッサ５２は冷凍サイクル５１の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機械で、エンジン２によって駆動される。すなわち、図４にも示したようにコンプレッサ５２の駆動軸にはコンプレッサプーリ５３が固定され、このコンプレッサプーリ５３とクランクプーリ２ａとにベルト３４を掛け回している。エンジン２の駆動力がこのベルト３４を介してコンプレッサプーリ５３に伝達され、コンプレッサ５２が駆動される。また、コンプレッサプーリ５３とコンプレッサ５２との間に電磁式のクラッチ（このクラッチを以下「コンプレッサクラッチ」という。）５４（第２クラッチ）を設けて、コンプレッサ５２とコンプレッサプーリ５３とを断接可能にしている。
【００３３】
図１に戻り、コンプレッサ５２からの冷媒は冷媒通路５６を介して冷媒通路４３に合流した後、凝縮器３８に供給される。凝縮器３８は外気との熱交換によって冷媒を凝縮し液化する熱交換器である。凝縮器３８からの液状の冷媒は、冷媒通路４４から分岐する冷媒通路５７を介してエバポレータ（蒸発器）５５に供給される。エバポレータ５５は、図示しないヒータコアと同様にエアコンユニットのケース内に配設されている。エバポレータ５５は、凝縮器３８からの液状冷媒を蒸発させ、そのときの蒸発潜熱によってブロアファンからの空調空気を冷却する熱交換器である。
【００３４】
エバポレータ５５によって蒸発した冷媒は冷媒通路５８を介してコンプレッサ５２に戻される。なお、エバポレータ５５によって冷却された空調空気とヒータコアによって加熱された空調空気は、エアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。
【００３５】
なお、エバポレータ５５、及び、凝縮器３８とエバポレータ５５とを接続する冷媒雄路４４の一部及び冷媒通路５７は、冷媒ポンプ３２の入口よりも高い位置に配置される。また、冷媒通路４４は、冷凍サイクル分岐点４５において分岐し、冷媒通路５７に接続する（図８参照）。
【００３６】
ランキンサイクル３１と冷凍サイクル５１とからなる統合サイクル３０には、サイクル内を流れる冷媒を制御するため、回路途中に各種の弁が適宜設けられている。例えば、ランキンサイクル３１を循環する冷媒を制御するため、冷凍サイクル分岐点４５と冷媒ポンプ３２とを連絡する冷媒通路４４にポンプ上流弁６１、熱交換器３６と膨張機３７とを連絡する冷媒通路４２に膨張機上流弁６２を備える。また、冷媒ポンプ３２と熱交換器３６とを連絡する冷媒通路４１には、熱交換器３６から冷媒ポンプ３２への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６３を備えている。膨張機３７と冷凍サイクル合流点４６とを連絡する冷媒通路４３にも、冷凍サイクル合流点４６から膨張機３７への冷媒の逆流を防止するため逆止弁６４を備えている。また、膨張機上流弁６２上流から膨張機３７をバイパスして逆止弁６４上流に合流する膨張機バイパス通路６５を設け、この膨張機バイパス通路６５にバイパス弁６６を設けている。さらに、バイパス弁６６をバイパスする通路６７に圧力調整弁６８を設けている。冷凍サイクル５１側についても、冷凍サイクル分岐点４５とエバポレータ５５とを接続する冷媒通路５７にエアコン回路弁６９を設けている。
【００３７】
上記４つの弁６１、６２、６６、６９はいずれも電磁式の開閉弁である。圧力センサ７２により検出される膨張機上流圧力の信号、圧力センサ７３により検出される凝縮器出口の冷媒圧力Ｐｄの信号、膨張機３７の回転速度信号等がエンジンコントローラ７１に入力されている。エンジンコントローラ７１では、所定の運転条件に応じ、これらの各入力信号に基づいて、冷凍サイクル５１のコンプレッサ５２や、ラジエータファン１２の制御を行なうとともに、上記４つの電磁式開閉弁６１、６２、６６、６９の開閉を制御する。
【００３８】
例えば、圧力センサ７２により検出される膨張機上流側圧力及び膨張機回転速度に基づいて膨張機トルク（回生動力）を予測し、この予測膨張機トルクが正のとき（エンジン出力軸の回転をアシストすることができるとき）に膨張機クラッチ３５を締結し、予測膨張機トルクがゼロないし負のときに膨張機クラッチ３５を解放する。センサ検出圧力と膨張機回転速度とに基づくことで、排気温度から膨張機トルク（回生動力）を予測する場合とくらべ、高い精度で膨張機トルクを予測することができ、膨張機トルクの発生状況に応じて膨張機クラッチ３５の締結・解放を適切に行うことができる（詳細は特開２０１０−１９０１８５号公報参照）。
【００３９】
上記４つの開閉弁６１、６２、６６、６９及び２つの逆止弁６３、６４は、冷媒系バルブである。これらの冷媒系バルブの機能を改めて図３に示す。
【００４０】
図３において、ポンプ上流弁６１は、冷媒ポンプ３２の入口に設けられる（図８参照）。ポンプ上流弁６１は、冷凍サイクル５１の回路に比べてランキンサイクル３１の回路に冷媒が偏り易くなる所定の条件で閉じることで、ランキンサイクル３１への冷媒（潤滑成分を含む）の偏りを防止するためのもので、後述するように、膨張機３７下流の逆止弁６４と協働してランキンサイクル３１の回路を閉塞させる。膨張機上流弁６２は、熱交換器３６からの冷媒圧力が相対的に低い場合に冷媒通路４２を遮断し熱交換器３６からの冷媒が高圧になるまで保持することができるようにするものである。これによって、膨張機トルクが十分得られない場合でも冷媒の加熱を促し、例えばランキンサイクル３１が再起動する（回生が実際に行なえるようになる）までの時間を短縮させることができる。バイパス弁６６は、ランキンサイクル３１の始動時等にランキンサイクル３１側に存在する冷媒量が十分でないときなどに、膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ作動が行えるように開弁し、ランキンサイクル３１の起動時間を短縮するためのものである。膨張機３７をバイパスさせた上で冷媒ポンプ３２を作動させることで、凝縮器３８の出口あるいは冷媒ポンプ３２の入口の冷媒温度が、その部位の圧力を考慮した沸点から所定温度差（サブクール度ＳＣ）以上に低下した状態が実現されれば、ランキンサイクル３１には十分な液体冷媒が供給できる状態が整ったことになる。
【００４１】
熱交換器３６上流の逆止弁６３は、バイパス弁６６、圧力調整弁６８、膨張機上流弁６２と協働して膨張機３７に供給される冷媒を高圧に保持するためのものである。ランキンサイクルの回生効率が低い条件ではランキンサイクルの運転を停止し、熱交換器の前後区間に亘って回路を閉塞することで、停止中の冷媒圧力を上昇させておき、高圧冷媒を利用してランキンサイクルが速やかに再起動できるようにする。圧力調整弁６８は膨張機３７に供給される冷媒の圧力が高くなり過ぎた場合に開いて、高くなり過ぎた冷媒を逃すリリーフ弁の役割を有している。
【００４２】
膨張機３７下流の逆止弁６４は、上述のポンプ上流弁６１と協働してランキンサイクル３１への冷媒の偏りを防止するためのものである。ハイブリッド車両１の運転開始直後、エンジン２が暖まっていないとランキンサイクル３１が冷凍サイクル５１より低温となり、冷媒がランキンサイクル３１側に偏ることがある。ランキンサイクル３１側に偏る確率はそれほど高くないものの、例えば夏場の車両運転開始直後には、車内を早く冷やしたい状況にあって冷房能力が最も要求されることから、冷媒の僅かな偏在も解消して冷凍サイクル５１の冷媒を確保したいという要求がある。そこで、ランキンサイクル３１側への冷媒の偏在を防止するため逆止弁６４を設けたものである。
【００４３】
コンプレッサ５２は、駆動停止時に冷媒が自由通過できる構造ではなく、エアコン回路弁６９と協働して冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止することができる。これについて説明する。冷凍サイクル５１の運転が停止したとき、定常運転中の比較的高い温度のランキンサイクル３１側から冷凍サイクル５１側へと冷媒が移動して、ランキンサイクル３１を循環する冷媒が不足することがある。冷凍サイクル５１の中で、冷房停止直後はエバポレータ５５の温度が低くなっていて、比較的容積が大きく温度が低くなっているエバポレータ５５に冷媒が溜まり易い。この場合に、コンプレッサ５２の駆動停止によって凝縮器３８からエバポレータ５５への冷媒の動きを遮断するとともに、エアコン回路弁６９を閉じることで、冷凍サイクル５１への冷媒の偏りを防止するのである。
【００４４】
次に、図５はエンジン全体のパッケージを示すエンジン２の概略斜視図である。図５において特徴的なのは、熱交換器３６が排気マニホールド４の鉛直上方に配置されていることである。排気マニホールド４の鉛直上方のスペースに熱交換器３６を配置することによって、ランキンサイクル３１のエンジン２への搭載性を向上させている。また、エンジン２には、テンショナプーリ８が設けられる。
【００４５】
次に、ランキンサイクル３１の基本的な運転方法を図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。
【００４６】
まず、図７Ａ及び図７Ｂはランキンサイクル３１の運転領域図である。図７Ａには横軸を外気温、縦軸をエンジン水温（冷却水温度）としたときのランキンサイクルの運転域を、図７Ｂは横軸をエンジン回転速度、縦軸をエンジントルク（エンジン負荷）としたときのランキンサイクル３１の運転域を示している。
【００４７】
図７Ａ及び図７Ｂのいずれにおいても所定の条件を満たしたときにランキンサイクル３１を運転するもので、これら両方の条件が満たされた場合にランキンサイクル３１を運転する。図７Ａにおいては、エンジン１の暖機を優先する低水温側の領域と、コンプレッサ５２の負荷が増大する高外気温側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。排気温度が低く回収効率が悪い暖機時は、むしろランキンサイクル３１を運転しないことで冷却水温度を速やかに上昇させる。高い冷房能力が要求される高外気温時はランキンサイクル３１を止めて、冷凍サイクル５１に十分な冷媒と凝縮器３８の冷却能力を提供する。図７Ｂにおいては、ハイブリッド車両であるので、ＥＶ走行領域と、膨張機３７のフリクションが増大する高回転速度側の領域でランキンサイクル３１の運転を停止している。膨張機３７は全ての回転数でフリクションが少ない高効率な構造とすることが難しいことから、図７の場合では、運転頻度の高いエンジン回転速度域でフリクションが小さく高効率となるように、膨張機が構成（膨張機各部のディメンジョン等が設定）されている。
【００４８】
図８は膨張機トルクによりエンジン出力軸の回転をアシストしている途中でハイブリッド車両１の加速が行われたときの様子をモデルで示したタイミングチャートである。なお、図８の右側には、このときに膨張機３７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ている。膨張機トルクマップの等高線で区切られた範囲のうち、膨張機回転速度が低く膨張機上流圧力が高い部分（左上）では膨張機トルクが最も大きく、膨張機回転速度が高く膨張機上流圧力が低くなるほど（右下に進むほど）膨張機トルクが小さくなる傾向になっている。特に斜線部の範囲は、冷媒ポンプを駆動する前提では膨張機トルクがマイナスになって、エンジンに対しては負荷となってしまう領域を表している。
【００４９】
運転者がアクセルペダルを踏込むｔ１までは、定速走行が継続されて膨張機３７が正のトルクを発生させており、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが行われている。
【００５０】
ｔ１以降、膨張機３７の回転速度、すなわちポンプ３２の回転速度がエンジン回転速度に比例して上昇するが、排気温度或いは冷却水温度の上昇は、エンジン回転速度の上昇に対して遅れを有する。そのため、ポンプ３２の回転速度の上昇によって増大した冷媒量に対して回収可能な熱量の割合が低下する。
【００５１】
従って、膨張機回転速度が上昇するにつれ、膨張機上流の冷媒圧力が低下し、膨張機トルクは低下する。
【００５２】
膨張機トルクが低下すると、膨張機３７や冷媒ポンプ３２はエンジンの駆動力によって回転させられることになり、むしろエンジンの負荷になってしまうので、膨張機トルクが所定以下になるようなときには膨張機クラッチ３５を切断し、膨張機３７の引き摺り現象（エンジンによって回されて却ってエンジンの負荷になること）を回避する。
【００５３】
図８では、膨張機クラッチ３５を切断するｔ３よりも前の、ｔ２のタイミングで膨張機上流弁６２を閉塞しており、ｔ３のタイミングで膨張機上流圧力は膨張機下流圧力と殆ど差がない。このように、膨張機クラッチ３５の切断前に、膨張機上流弁６２を閉塞することによって、膨張機上流の冷媒（膨張機に流入する冷媒の）圧力を十分低下させ、膨張機クラッチ３５を切り離した際の膨張機３７の過回転を防止している。
【００５４】
ｔ３以降、エンジン２の放熱量の上昇により膨張機上流圧力が再び上昇し、ｔ４のタイミングで、膨張機上流弁６２が閉状態から開状態へと切換えられ、膨張機３７への冷媒の供給が再開される。また、ｔ４で膨張機クラッチ３５が再び接続される。この膨張機クラッチ３５の再接続により、膨張機トルクによるエンジン出力軸の回転アシストが再開される。
【００５５】
図９は、膨張機上流弁６２が閉じられ膨張機クラッチ３５を切断した状態の、ランキンサイクルの運転停止から、図８（ｔ４の制御）と異なる態様でランキンサイクルの再起動を行なう様子をモデルで示したタイミングチャートである。
【００５６】
ｔ１１のタイミングで運転者がアクセルペダルを踏込むとアクセル開度が増大する。ｔ１１では、ランキンサイクルの運転は停止されている。このため、膨張機トルクはゼロを維持している。
【００５７】
ｔ１１からのエンジン回転速度の上昇に伴ってエンジン２の放熱量が増大し、この放熱量の増大によって熱交換器３６に流入する冷却水温度が高くなり、熱交換器３６内の冷媒の温度が上昇する。膨張機上流弁６２は閉じているので、この熱交換器３６による冷媒温度の上昇によって、膨張機上流弁６２の上流の冷媒圧力、つまり膨張機上流圧力が上昇していく（ｔ１１〜ｔ１２）。
【００５８】
この運転状態の変化によってランキンサイクル非運転域からランキンサイクル運転域へと切換わる。膨張機上流弁６２がなく、ランキンサイクル運転域に移行したときに、即座に膨張機クラッチ３５を切断状態から接続状態へと切換えて膨張機３７をエンジン出力軸と連結したのでは、膨張機３７がエンジン２の負荷となる上にトルクショックが生じてしまう。
【００５９】
一方、図９では、ランキンサイクル運転域へと切換わったとき、即座に膨張機上流弁６２を閉状態から開状態へと切換えることはしない。すなわち、ランキンサイクル運転域に移行した後も膨張機上流弁６２の閉状態を続ける。
【００６０】
やがて、膨張機上流圧力と膨張機下流圧力との差圧が大きくなって所定圧以上となるｔ１２のタイミングで膨張機３７を運転（駆動）できると判断し、膨張弁上流弁６２を閉状態から開状態に切換える。この膨張弁上流弁６２の開状態への切換によって膨張機３７に所定圧の冷媒が供給され、膨張機回転速度がゼロから速やかに上昇する。
【００６１】
この膨張機回転速度の上昇で膨張機回転速度がエンジン回転速度に到達するｔ１３のタイミングで、膨張機クラッチ３５を切断より接続へと切換える。膨張機３７が十分に回転速度を増す前に膨張機クラッチ３５を接続したのでは、膨張機３７がエンジン負荷となるし、トルクショックも生じ得る。これに対して、エンジン出力軸との回転速度差がなくなるｔ１３で膨張機クラッチ３５を接続することで、膨張機３７がエンジン負荷となることも、膨張機クラッチ３５を締結することに伴うトルクショックも防止できる。
【００６２】
次に、廃熱回収器２２における制御について説明する。
【００６３】
図１０は、本実施形態の廃熱回収器２２を中心とした排気管５（廃熱回収ユニット２３）の説明図である。
【００６４】
図１０において、排気ガスの流れを実線矢印で、冷却水の流れを点線矢印で示す。
【００６５】
排気管５には、前述のように廃熱回収器２２が取付けられている。廃熱回収器２２には、排気ガスと冷却水とが流通可能に構成されており、高温の排気ガスの熱による熱交換によって冷却水の温度を上昇させる。温度が上昇した冷却水は、熱交換機３６においてランキンサイクル３１の冷媒を加熱する。
【００６６】
廃熱回収器２２に導入される冷却水は、制御弁２６によってその流量が制御される。エンジンコントローラ７１は、冷却水温度センサ７４によって検出したエンジン２の出口の冷却水温度に基づいて、制御弁の流量を制御する。すなわち、エンジンコントローラ７１が冷却水温度センサ７４に基づいて制御弁２６の開度を制御して冷却水流量を制限することによって、冷却水流量制限手段が構成されている。
【００６７】
エンジンコントローラ７１は、冷却水温度センサ７４によって検出された冷却水温度が第１の所定温度以上となった場合は、制御弁２６の開度を減少させ、廃熱回収器２２を通過する冷却水量を減少させる。
【００６８】
この第１の所定温度とは、エンジン２に影響を与えない温度、例えばオーバーヒートが発生する温度よりも所定の余裕分を持った温度とする。
【００６９】
このように制御することによって、冷却水水温、特に、エンジン２の内部を流通する冷却水水温の温度（エンジン水温）が許容温度を超えてしまうことを防止している。廃熱回収器内の冷却水の流通を減少させることにしたので、冷却水に移動する熱の量を速やかに低下させることができる。
【００７０】
排気管５の廃熱回収器の手前には、サーモスタットバルブ７が設けられている。
【００７１】
サーモスタットバルブ７は、軸７ｂを中心として回動するように構成されており、バイパス排気管６を閉塞して廃熱回収器２２に排気ガスを流通させるか、排気管５を閉塞してバイパス排気管６に排気ガスを流通させて、廃熱回収器２２への排気ガスの流通を制限するかを制御する。
【００７２】
サーモスタットバルブ７はサーモスタット７ａを備える。サーモスタット７ａは、廃熱回収器２２の冷却水の出口側に設けられている。サーモスタット７ａは、廃熱回収器２２の冷却水出口温度に基づいて伸縮可能に構成される。
【００７３】
サーモスタット７ａは、軸７ｂを介してサーモスタットバルブ７と連結する。サーモスタット７ａが通過する冷却水の温度に応じて伸縮することにより、サーモスタットバルブ７が、サーモスタット７ａに応動して軸７ｂを中心として回動する。これにより、排気管５の開度が変更される。
【００７４】
サーモスタットバルブ７は、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度に応じてその開度を変更し、廃熱回収器２２の排気通過量とバイパス排気管６の排気通過量とを変更することができるように構成されている。すなわち、冷却水温度によってサーモスタット７ａが伸縮してサーモスタットバルブ７の開度が変化し、廃熱回収器２２への排気ガスの流量を制限することによって、排気ガス流量制限手段が構成される。
【００７５】
具体的には、サーモスタットバルブ７１は、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度が、第２の所定温度未満である場合は、バイパス排気管６を閉鎖して、排気ガスを廃熱回収器２２に流通させる。廃熱回収器２２は、流通する排気ガスと冷却水とで熱交換を行う。
【００７６】
一方、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度が第２の所定温度以上となった場合は、サーモスタットバルブ７１は、排気管５の廃熱回収器２２への排気ガスの流通を閉鎖して、バイパス排気管６に排気ガスを流通させる。これにより、廃熱回収器２２に排気ガスが流通しないので、廃熱回収器２２を流れる冷却水の水温は上昇することがない。
【００７７】
この第２の所定値とは、冷却水の流通に影響を与えない温度、例えば冷却水が沸騰する温度よりも所定の余裕分を持った温度とする。冷却水が沸騰すると気泡が発生し、流れ出した気泡が熱交換量（冷却水によるエンジンを冷却する作用）を低下させるだけでなく、気泡が冷却水通路断面全体に亘るほどまで成長すると、冷却水の流れが止まってしまう恐れがある。
【００７８】
すなわち、本実施形態では、廃熱回収器２２において、エンジン出口（廃熱回収器入口）冷却水温度に基づいて廃熱回収器２２に流入する冷却水の流量を制御し、出口冷却水温度に基づいて排気ガスの流量を制限するので、沸騰が生じない範囲かつエンジン水温が許す限り、排ガスの熱を十分、確実に回収できると共に、エンジンに影響が発生する温度への上昇を速やかかつ確実に防止することができる。
【００７９】
なお、サーモスタットバルブ７は、バイメタル等を用いた比較的簡易な感温弁でもよいし、温度センサ出力が入力されるコントローラによって制御される制御弁であってもよい。
【００８０】
図１１は、本実施形態の廃熱回収器２２における冷却水温度及び流量を示す説明図である。
【００８１】
この図１１に示すグラフは、横軸の時間経過と共に、縦軸の冷却水温度が上昇している運転状態を示す。なお図中の点線は廃熱回収器２２の入口の冷却水温度、すなわち、冷却水温度センサ７４によって計測された温度を示す。また、図中の一点鎖線は、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度、すなわち、サーモスタット７ａの動作に関わる温度である。
【００８２】
エンジン２が定常運転のときは、エンジン２からの冷却水の温度は、一般的に８０℃〜９０℃付近である。ここで、エンジン２の回転速度が上昇するなど、エンジン２の負荷が過渡的に上昇した場合を説明する。
【００８３】
エンジン２の負荷が上昇したときは、まず、排気ガスの温度が上昇し、遅れてエンジン水温が上昇する。
【００８４】
このとき、廃熱回収器２２の入口の冷却水温度、すなわち、エンジン２から排出される冷却水の温度が、徐々に上昇する。
【００８５】
ここで、廃熱回収器２２の入口の冷却水温度が、第１の制限温度（エンジンがオーバーヒートしない温度の上限、例えば１１０℃）よりも余裕分αを持たせた第１の所定温度（例えば１０５℃）以上となった場合（時間ｔｓ１）は、エンジンコントローラ７１は、制御弁２６の開度を制御して、廃熱回収器２２への冷却水流量を減少させる。廃熱回収器２２を通過する冷却水の流量が減少することによって、廃熱回収器２２における熱交換を少なくして、エンジン水温（エンジン内部の冷却水温度）が過剰に上昇しないように制御する。
【００８６】
また一方で、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度が、第２の制限温度（冷却水が配管内で沸騰しない温度の上限、例えば１２０℃）よりも余裕分βを持たせた第２の所定温度（例えば１１５℃）以上となった場合（時間ｔｓ２）は、サーモスタット７ａの伸張によりサーモスタットバルブ７の開度を全開から全閉へと制御して、バイパス排気管６に排気ガスを流通させ、廃熱回収器２２への排気ガスの流通を制限する。廃熱回収器２２を通過する排気ガスの流量が減少することによって、廃熱回収器２２における熱交換を少なくして、廃熱回収器２２における冷却水温度が過剰に上昇しないように制御する。
【００８７】
以上のように本発明の実施形態では、排気管５に設けられた廃熱回収器２２への冷却水の流通を、エンジン２の出口（廃熱回収器２２の入口）の冷却水温度に基づいて制御するとともに、廃熱回収器２２への排気ガスの流通を、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度に基づいて制御した。
【００８８】
廃熱回収効率を向上させるために、廃熱回収器２２の出口の冷却水温度を、エンジン水温の許容温度を超えるほど高めようとしたときに、サーモスタットバルブ７による排気ガスから冷却水への熱交換量の調節は比較的大きな遅れを伴うため、サーモスタットバルブ７を単独で調節したのではエンジン水温が許容温度を超えないように制御するのが難しい。しかし、制御弁２６をエンジン水温に基づいて制御するので、冷却水温度が上昇した場合には、廃熱回収器２２を流れる冷却水の流量を制限して熱回収量を速やかに低減して、エンジン水温が許容温度を超えるのを確実に防ぐことができる。
【００８９】
また、エンジン水温が許容温度までに余裕がある状態であれば、サーモスタットバルブ７による調節によって、廃熱回収器２２を出る冷却水温度が沸騰しない範囲（例えば１１０〜１１５℃）で廃熱回収が行えるので、廃熱回収量を増加させることができる。
【００９０】
なお、制御弁２６を閉じ側に制御して、廃熱回収器２２を通過する冷却水流量を最も減少させる場合においても、廃熱回収器を通過する冷却水流量は完全にゼロとはならないように構成されている。サーモスタットバルブ７によって、廃熱回収器２２への排気ガスの流通が停止させられている場合であっても、バイパス排気管６を流れる排気ガスから廃熱回収器２２内の冷却水に熱が伝わって、冷却水の温度は徐々に上昇する。所定の冷却水流量を確保しておけば、仮にバイパス排気管６を流れる排気ガスから廃熱回収器２２内の冷却水に熱が伝わっても、廃熱回収器２２内の冷却水が徐々に置換されて、廃熱回収器２２内の冷却水温度が過剰に高くなってしまうことが防止できる。
【００９１】
また、第１の所定温度における余裕分α及び第２の所定温度における余裕分βは、制御弁２６及びサーモスタットバルブ７の応答性に応じて適宜決めうる値であり、例えば数〜１０℃程度に設定する。
【００９２】
以上説明した本発明の実施形態では、ハイブリッド車両を例に説明したが、これに限られるものでない。エンジン２のみを搭載した車両にも本発明の適用がある。エンジン２は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれでもかまわない。
【符号の説明】
【００９３】
１ ハイブリッド車両
２ エンジン
２ａ クランクプーリ
１２ ラジエータファン
３０ 複合サイクル
３１ ランキンサイクル
３２ 冷媒ポンプ
３３ ポンププーリ
３４ ベルト
３５ 膨張機クラッチ
３６ 熱交換器
３７ 膨張機
５１ 冷凍サイクル
５２ コンプレッサ
５４ コンプレッサクラッチ
５５ エバポレータ
７１ エンジンコントローラ
９２ エジェクタ
９８ 流量制御弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスの熱を前記エンジンから排出される冷却水に回収する廃熱回収器と、
前記冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、前記熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、前記膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記膨張機により回生された動力によって駆動されると共に前記凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルを備える車両に用いられる廃熱回収装置において、
前記エンジンから排出される前記冷却水の温度に基づいて前記廃熱回収器への冷却水の流量を制限する冷却水流量制限手段と、
前記廃熱回収器から排出される前記冷却水の温度に基づいて前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制限手段と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記冷却水流量制限手段は、前記エンジンから排出される前記冷却水の温度を検出する温度検出部と、前記冷却水の流量を制御する制御弁と、前記温度検出部の温度に基づいて前記制御弁の開度を制御するコントローラと、を備え、
前記排気ガス流量制限手段は、前記廃熱回収器から排出される前記冷却水の温度に基づいて伸縮するサーモスタットと、前記サーモスタットの伸縮量に応じて前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制御するバルブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記冷却水流量制御手段は、前記冷却水の温度が第１の温度以上となった場合に、前記廃熱回収器への冷却水の流量を制限し、
前記排気ガス流量制御手段は、前記冷却水の温度が第２の温度以上となった場合に、前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限し、
前記第２の温度は，先記第１の温度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記冷却水流量制限手段は、廃熱回収器を流れる冷却水流量を最も少なくする場合でも、廃熱回収器を流れる冷却水流量がゼロとならないように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
前記排気ガス流量制御手段が、前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量をゼロとするよう設定される場合において、前記冷却水流量制限手段は、前記冷却水の温度が第２の温度を上回らないように、前記廃熱回収器を流れる冷却水の流量を確保することを特徴とする請求項４に記載の廃熱回収装置。
【請求項１】
エンジンの排気ガスの熱を前記エンジンから排出される冷却水に回収する廃熱回収器と、
前記冷却水の熱を冷媒に回収する熱交換器と、前記熱交換器を出た冷媒を用いて動力を発生させる膨張機と、前記膨張機を出た冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記膨張機により回生された動力によって駆動されると共に前記凝縮器からの冷媒を前記熱交換器に供給する冷媒ポンプと、を備えるランキンサイクルを備える車両に用いられる廃熱回収装置において、
前記エンジンから排出される前記冷却水の温度に基づいて前記廃熱回収器への冷却水の流量を制限する冷却水流量制限手段と、
前記廃熱回収器から排出される前記冷却水の温度に基づいて前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限する排気ガス流量制限手段と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記冷却水流量制限手段は、前記エンジンから排出される前記冷却水の温度を検出する温度検出部と、前記冷却水の流量を制御する制御弁と、前記温度検出部の温度に基づいて前記制御弁の開度を制御するコントローラと、を備え、
前記排気ガス流量制限手段は、前記廃熱回収器から排出される前記冷却水の温度に基づいて伸縮するサーモスタットと、前記サーモスタットの伸縮量に応じて前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制御するバルブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記冷却水流量制御手段は、前記冷却水の温度が第１の温度以上となった場合に、前記廃熱回収器への冷却水の流量を制限し、
前記排気ガス流量制御手段は、前記冷却水の温度が第２の温度以上となった場合に、前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量を制限し、
前記第２の温度は，先記第１の温度よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記冷却水流量制限手段は、廃熱回収器を流れる冷却水流量を最も少なくする場合でも、廃熱回収器を流れる冷却水流量がゼロとならないように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
前記排気ガス流量制御手段が、前記廃熱回収器に流入する排気ガスの流量をゼロとするよう設定される場合において、前記冷却水流量制限手段は、前記冷却水の温度が第２の温度を上回らないように、前記廃熱回収器を流れる冷却水の流量を確保することを特徴とする請求項４に記載の廃熱回収装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−７６３７２（Ｐ２０１３−７６３７２Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１６７７１（Ｐ２０１１−２１６７７１）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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