朗肯循环的制作方法
【专利摘要】朗肯循环包含：废热回收器，其使从发动机排出的冷却水和从发动机排出的排气进行热交换；热交换器，其具有蒸发器和过热器，其中，蒸发器中流过从发动机排出的冷却水而将发动机的废热回收至冷媒，过热器中流过从废热回收器排出的冷却水而将发动机的废热回收至冷媒；膨胀机，其使用热交换器排出的冷媒而产生动力；冷凝器，其使膨胀机排出的冷媒凝结；以及冷媒泵，其由膨胀机驱动，将从冷凝器排出的冷媒供给至热交换器，过热器排出的冷却水与蒸发器排出的冷却水合流而返回至发动机。
【专利说明】朗肯循环
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种朗肯循环。
【背景技术】
[0002]在日本专利厅2010年发行的JP2010 — 77964A的朗肯循环中，包含有:蒸发器，其利用发动机出口的冷却水使冷媒蒸发；废热回收器，其利用排气对发动机出口的冷却水进行加热；以及过热器，其利用废热回收器出口的冷却水使气体冷媒过热。
【发明内容】
[0003]JP2010 - 77964A的朗肯循环，由于是过热器出口的冷却水返回至废热回收器的入口的结构，因此，废热回收器的入口和废热回收器的出口的压力差小。其结果，流向废热回收器的冷却水流量少。
[0004]本发明就是着眼于上述当前的问题点而提出的。本发明的目的在于提供一种能够使足够的冷却水流量流向废热回收器的朗肯循环。
[0005]本发明的某个方式的朗肯循环包含:废热回收器，其使从发动机排出的冷却水和从发动机排出的排气进行热交换；热交换器，其具有蒸发器和过热器，该蒸发器中流过从发动机排出的冷却水而将发动机的废热回收至冷媒，该过热器中流过从废热回收器排出的冷却水而将发动机的废热回收至冷媒；膨胀机，其使用从热交换器排出的冷媒而产生动力；冷凝器，其使膨胀机排出的冷媒凝结；以及冷媒泵，其由膨胀机驱动，将从冷凝器排出的冷媒供给至热交换器。并且，过热器排出的冷却水与蒸发器排出的冷却水合流而返回至发动机。
[0006]下面，对本发明的实施方式、本发明的优点，以及附图进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是表示本发明的实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图。
[0008]图2A是将泵及膨胀机一体化的膨胀机泵的概略剖视图。
[0009]图2B是冷媒泵的概略剖视图。
[0010]图2C是膨胀机的概略剖视图。
[0011]图3是表示冷媒类阀的功能的概略图。
[0012]图4是混合动力车辆的概略结构图。
[0013]图5是发动机的概略斜视图。
[0014]图6是从下方观察发动机的概略图。
[0015]图7A是朗肯循环运转区域的特性图。
[0016]图7B是朗肯循环运转区域的特性图。
[0017]图8是表示在利用膨胀机扭矩辅助发动机输出轴的旋转的过程中，混合动力车辆进行加速时的情况的时序图。[0018]图9是表示从朗肯循环运转停止开始的再起动的情况的时序图。
[0019]图10是表示与图1不同的结构的实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图。
[0020]图11表示流过冷却水的各个位置的冷却水压力的特性图。
[0021]图12是表示车辆的框架及发动机的概略俯视图。
【具体实施方式】
[0022]图1是表示本发明的实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图。
[0023]图1的朗肯循环31及制冷循环51共用冷媒及冷凝器38。将朗肯循环31及制冷循环51组合而成的循环在下面表示为组合循环30。组合循环30是指在朗肯循环31和制冷循环51的冷媒循环的通路及设在其中途的泵、膨胀机、冷凝器等结构要素的基础上，还包含冷却水和排气的通路等的系统整体。
[0024]图4是搭载组合循环30的混合动力车辆I的概略结构图。
[0025]在混合动力车辆I中，发动机2、电动发电机81、自动变速器82串联连结。自动变速器82的输出经由传动轴83、差动齿轮84而传递至驱动轮85。在发动机2和电动发电机81之间设有第I驱动轴离合器86。另外，在自动变速器82中设有第2驱动轴离合器87。该第2驱动轴离合器87是自动变速器82的摩擦接合要素中的一个。
[0026]第I驱动轴离合器86及第2驱动轴离合器87利用与混合动力车辆的运转条件相对应的发动机控制器71的指令而控制接合/断开(连接状态)。混合动力车辆I如图7B所示，在处于发动机2的效率差的EV行驶区域中时，停止发动机2，断开第I驱动轴离合器86而连接第2驱动轴离合器87，仅通过电动发电机81的驱动力行驶。
[0027]在发动机转速上升而进入朗肯循环运转区域中后，使发动机2运转并使朗肯循环31 (在后面进行叙述)运转。
[0028]如图1所示，发动机2的排气通路3包含:排气歧管4、排气管5、旁通排气管6。排气管5与排气歧管4的集合部连接。旁通排气管6从排气管5的中途暂时分支并再次合流。在绕过旁通排气管6的区间的排气管5上，具有废热回收器22。废热回收器22进行排气和冷却水的热交换。由废热回收器22和旁通排气管6 —体化而成的单元称为废热回收单元23。如图6所示，废热回收单元23配置在地板催化剂88和辅助消音器89之间。
[0029]下面，基于图1，对发动机冷却水通路进行说明。发动机冷却水通路包含通过散热器11的冷却水通路13、和绕过散热器11的旁通冷却水通路14。旁通冷却水通路14包含第I旁通冷却水通路24和第2旁通冷却水通路25。第I旁通冷却水通路24从冷却水通路13分支而与后述的热交换器36直接连接。第2旁通冷却水通路25从冷却水通路13分支，经由废热回收器22后与热交换器36连接。
[0030]下面，基于图1，对发动机冷却水的流动进行说明。发动机2排出的冷却水为80至90°C的程度。冷却水分别流向冷却水通路13和旁通冷却水通路14。然后,2个流路在恒温阀15中再次合流。恒温阀15是对应于冷却水温度而控制供给至散热器11的冷却水流量的三位阀。恒温阀15是在形成2个入口端口(入口端口 15b、入口端口 15c)及I个出口端口 15d的壳体中内置阀主体15a的构造。入口端口 15b与冷却水通路13连接。入口端口15c与旁通冷却水通路14连接。恒温阀15对应于冷却水温度而使供给至散热器11的冷却水流量增减。上述恒温阀15确定在冷却水通路13及旁通冷却水通路14中流动的冷却水流量的分配。其结果，确保适当的冷却水温度。在恒温阀15中合流的冷却水经由冷却水泵16返回发动机2。冷却水泵16由发动机2驱动。冷却水泵16的转速与发动机转速同步。在冷却水温度高的情况下，恒温阀15增大冷却水通路13侧的阀开度，相对地增加通过散热器11的冷却水量。另外，在冷却水温度低的情况下，恒温阀15减小冷却水通路13侧的阀开度，相对地减少通过散热器11的冷却水量。在发动机2的暖机前等冷却水温度特别低的情况下，恒温阀15完全关闭冷却水通路13。其结果，冷却水完全绕过散热器11，冷却水全部流向旁通冷却水通路14。
[0031]此外，恒温阀15构成为旁通冷却水通路14侧不完全关闭。因此，即使流过散热器11的冷却水流量增多，流过旁通冷却水通路14的冷却水的流动也不会完全停止。
[0032]下面，对热交换器36进行说明。热交换器36进行朗肯循环31的冷媒和冷却水的热交换。该热交换器36是将蒸发器和过热器组合而成的。即，在热交换器36中，冷却水通路36a及冷却水通路36b大致成为一列，且与朗肯循环31的冷媒通路36c相邻地设置。由于形成上述结构，因此，冷媒和冷却水能够进行热交换。另外，冷却水通路36a及冷却水通路36b以及冷媒通路36c构成为，使朗肯循环31的冷媒和冷却水流动方向彼此成为逆向。
[0033]详细地说，对朗肯循环31的冷媒来说位于上游侧(图1的左侦D的冷却水通路36a安装在第I旁通冷却水通路24中。向由冷却水通路36a及与冷却水通路36a相邻的冷媒通路部分构成的热交换器左侧部分中导入从发动机2排出的冷却水。该部分是对流过冷媒通路36c的冷媒进行加热的加热器。
[0034]向对朗肯循环31的冷媒来说位于下游(图1的右侧)侧的冷却水通路36b中，经由第2旁通冷却水通路25导入经过废热回收器22后的冷却水。向由冷却水通路36b及与该冷却水通路36b相邻的冷媒通路部分构成的热交换器右侧部分(对朗肯循环31的冷媒来说为下游侧)导入从发动机2排出并被排气加热后的冷却水。该部分是使流过冷媒通路36c的冷媒过热的过热器。
[0035]废热回收器22的冷却水通路22a与排气管5相邻地设置。从发动机2排出并导入至废热回收器22的冷却水通路22a的冷却水，利用高温的排气加热至例如110至115度左右。此外，冷却水通路22a构成为，使排气和冷却水彼此逆向地流动。
[0036]在第2旁通冷却水通路25中安装有控制阀26。另外，在发动机2的出口设有冷却水温度传感器74。如果冷却水温度传感器74的检测温度大于规定值，则减少控制阀26的开度，以使得发动机水温不会超过用于确保不发生例如发动机的效率恶化或爆震的容许温度(例如100度)。如果发动机水温接近容许温度，则减少通过废热回收器22的冷却水量，因此，可靠地防止发动机水温超过容许温度。
[0037]另一方面，因减少第2旁通冷却水通路25的流量，利用废热回收器22而上升的冷却水温度过度升高而会导致冷却水蒸发(沸腾)，因此热交换器36的效率下降。另外，冷却水通路内的冷却水的流动性变差，可能导致温度过度上升。为了避免上述情况，在旁通排气管6的分支部上设有恒温阀7，其控制排气回收器22的排气通过量和旁通排气管6的排气通过量。恒温阀7的阀开度基于废热回收器22排出的冷却水温度进行调节，以使得废热回收器22排出的冷却水温度不会超过规定的温度(例如沸腾温度120度)。
[0038]热交换器36、恒温阀7和废热回收器22作为废热回收单元23而一体化，配置在车宽方向大致中央的地板下的排气管中途。恒温阀7可以是使用双金属片等较简单的感温阀。另外，恒温阀7也可以是利用被输入了温度传感器的输出的控制器进行控制的控制阀。由于利用恒温阀7对从排气向冷却水的热交换量的调节伴随有较大的延迟，因此，很难通过单独调节恒温阀7而使得发动机水温不超过容许温度。然而，由于基于发动机水温(出口温度)而控制第2旁通冷却水通路25的控制阀26，因此，迅速地减少热回收量，能够可靠地防止发动机水温超过容许温度。另外，如果处于发动机水温至容许温度为止具有富余的状态，则直至废热回收器22排出的冷却水温度成为超过发动机水温的容许温度的高温(例如110至115度)为止进行热交换，从而能够增加废热回收量。冷却水通路36b排出的冷却水经由第2旁通冷却水通路25而与第I旁通冷却水通路24合流。
[0039]如果冷却水的温度足够低，则减小冷却水通路13侧的阀开度，通过散热器11的冷却水量相对地减少。冷却水的温度足够低，认为例如是朗肯循环31的冷媒的温度低，与该冷媒进行了热交换。如果冷却水温度变高，则增加冷却水通路13侧的阀开度，通过散热器11的冷却水量相对地增加。冷却水温度变高考虑是朗肯循环31没有运转的情况。基于上述恒温阀15的动作，发动机2的冷却水温度保持为适当的温度，热量向朗肯循环31适当地供给(回收)。
[0040]下面，对组合循环30进行说明。组合循环30如上所述，是将朗肯循环31及制冷循环51组合而成的。下面，首先对作为基础的朗肯循环31进行说明，然后再说明制冷循环51。
[0041]朗肯循环31是经由发动机2的冷却水将发动机2的废热回收至冷媒，并将回收的废热作为动力而进行再生的系统。朗肯循环31具有:冷媒泵32、作为过热器的热交换器36、膨胀机37以及冷凝器(CondenSer)38。上述各结构要素通过冷媒(R134a等)所循环的冷媒通路41至44连接。
[0042]冷媒泵32的轴与膨胀机37的输出轴同轴地连结配置(参照图2A)。冷媒泵32轴及膨胀机37的输出轴与发动机2的输出轴平行配置。在设置于冷媒泵32的轴的前端处的泵带轮33和曲轴带轮2a之间架设传动带34 (参照图1)。即，由于形成上述结构，因此，膨胀机37产生的输出(动力)驱动冷媒泵32，并且，驱动发动机2的输出轴(曲轴)。此外，本实施方式的冷媒泵32如图2B所示，为齿轮式的泵。膨胀机37如图2C所示，为涡旋式的膨胀机。
[0043]另外，在泵带轮33和冷媒泵32之间设有电磁式的离合器(下面将该离合器称为“膨胀机离合器”)35。由于形成上述结构，因此，冷媒泵32及膨胀机37能够与发动机2连接/断开(参照图2A)。如果在膨胀机37产生的输出超过冷媒泵32的驱动力及旋转体所具有的摩擦力而具有剩余输出的情况下(预测膨胀机扭矩为正的情况下)，连接膨胀机离合器35，则能够利用膨胀机37的剩余动力对发动机输出轴的旋转进行辅助。如上所述，使用通过废热回收得到的能量辅助发动机输出轴的旋转，由此，能够改善燃油消耗。另外，用于驱动使冷媒循环的冷媒泵32的能量也能够由回收的废热提供。
[0044]经由冷媒通路41将来自冷媒泵32的冷媒供给至热交换器36。热交换器36是在发动机2的冷却水和冷媒之间进行热交换，使冷媒汽化并过热的热交换器。
[0045]经由冷媒通路42将来自热交换器36的冷媒供给至膨胀机37。膨胀机37是通过使汽化并过热的冷媒膨胀而将热量变换为旋转能量的蒸汽涡轮机。由膨胀机37回收的动力驱动冷媒泵32，并经由传动带传动机构传递至发动机2，辅助发动机2的旋转。[0046]经由冷媒通路43将来自膨胀机37的冷媒供给至冷凝器38。冷凝器38是在外部空气和冷媒之间进行热交换，使冷媒冷却并液化的热交换器。冷凝器38与散热器11并列配置，利用散热器风扇12进行冷却。
[0047]通过冷凝器38液化后的冷媒经由冷媒通路44返回冷媒泵32。返回至冷媒泵32的冷媒通过冷媒泵32再次输送至热交换器36，并在朗肯循环31的各结构要素中进行循环。
[0048]下面，对制冷循环51进行说明。制冷循环51由于共用在朗肯循环31中循环的冷媒，因此，与朗肯循环31进行组合，制冷循环51的结构本身简单。制冷循环51具有:压缩机(Compressor) 52、冷凝器 38、蒸发器(Evaporator) 55。
[0049]压缩机52是将制冷循环51的冷媒压缩成高温高压的流体机械。压缩机52由发动机2进行驱动。如图4所示,压缩机带轮53固定在压缩机52的驱动轴上。在该压缩机带轮53和曲轴带轮2a上架设有传动带34。发动机2的驱动力经由该传动带34传递至压缩机带轮53，压缩机52被驱动。另外，在压缩机带轮53和压缩机52之间设有电磁式的离合器(下面将该离合器称为“压缩机离合器”。)54。由于形成为上述结构，因此，压缩机52和压缩机带轮53能够接合/断开。
[0050]返回图1，来自压缩机52的冷媒经由冷媒通路56与冷媒通路43合流后，供给至冷凝器38。冷凝器38是通过与外部空气进行热交换而使冷媒冷凝并液化的热交换器。来自冷凝器38的液状的冷媒，经由从冷媒通路44分支的冷媒通路57供给至蒸发器(Evaporator)55。蒸发器55与加热芯相同地，配置在空调单元的壳体内。蒸发器55是使来自冷凝器38的液态冷媒蒸发，利用此时的蒸发潜热对来自送风机的空调空气进行冷却的热交换器。
[0051]利用蒸发器55蒸发后的冷媒经由冷媒通路58返回压缩机52。此外，利用蒸发器55冷却后的空调空气和利用加热芯加热后的空调空气，对应于空气混合风门的开度而变更混合比率，调整成乘员所设定的温度。
[0052]组合循环30如上所述，由朗肯循环31和制冷循环51构成。在组合循环30中，为了对在循环内流动的冷媒进行控制，在中途适当地设置各种阀。例如，为了对在朗肯循环31中循环的冷媒进行控制，在将制冷循环分支点45和冷媒泵32连接的冷媒通路44中设置泵上游阀61，并且，在将热交换器36和膨胀机37连接的冷媒通路42中设置膨胀机上游阀62。另外，在将冷媒泵32和热交换器36连接的冷媒通路41中设有止回阀63，其用于防止冷媒从热交换器36向冷媒泵32逆流。在将膨胀机37和制冷循环合流点46连接的冷媒通路43中也设有止回阀64，其用于防止冷媒从制冷循环合流点46向膨胀机37逆流。另外，设有膨胀机旁通通路65，其从膨胀机上游阀62上游绕过膨胀机37而在止回阀64上游处合流，在该膨胀机旁通通路65中设有旁通阀66。并且，在绕过旁通阀66的通路67中设有压力调整阀68。在制冷循环51侧，在将制冷循环分支点45和蒸发器55连接的冷媒通路57中设有空调膨胀阀69。
[0053]泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69均是电磁式的开闭阀。由压力传感器72检测出的膨胀机上游压力的信号、由压力传感器73检测出的冷凝器38的出口的冷媒压力Pd的信号、膨胀机37的转速信号等，输入至发动机控制器71。在发动机控制器71中，对应于规定的运转条件，基于上述各输入信号，对制冷循环51的压缩机52、散热器风扇12进行控制，并且，控制泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69的开闭。[0054]例如，基于由压力传感器72检测出的膨胀机上游侧压力及膨胀机旋转速度，预测膨胀机扭矩(再生动力)，在预测膨胀机扭矩为正时(能够辅助发动机输出轴的旋转时)，将膨胀机离合器35接合，在预测膨胀机扭矩为零或负时，断开膨胀机离合器35。基于传感器检测压力和膨胀机转速的预测，与基于排气温度的预测相比精度高。因此，能够对应于膨胀机扭矩的产生状况，适当地进行膨胀机离合器35的接合.断开(详细内容参照JP2010 -190185A)。
[0055]上述4个开闭阀(泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69 )及2个止回阀(止回阀63、止回阀64)是冷媒类阀。在图3中重新示出上述冷媒类阀的功能。
[0056]泵上游阀61在与制冷循环51相比冷媒容易向朗肯循环31集中的规定条件下关闭，防止冷媒(包含润滑成分)向朗肯循环31的集中。泵上游阀61如后述所示，与膨胀机37下游的止回阀64协同动作而使朗肯循环31的回路闭塞。膨胀机上游阀62在来自热交换器36的冷媒压力为相对较低的情况下，能够将冷媒通路42断开，将来自热交换器36的冷媒保持为高压。由此，在不能得到足够的膨胀机扭矩的情况下，也促进冷媒的加热，能够缩短例如直至朗肯循环31再起动为止的时间、即能够实际地进行再生为止的时间。旁通阀66在朗肯循环31的起动时等、在朗肯循环31侧存在的冷媒量不充分时等，使其开阀，从而在绕过膨胀机37而使冷媒泵32能够进行动作，缩短朗肯循环31的起动时间。如果通过绕过膨胀机37后而使冷媒泵32动作，使冷凝器38的出口或者冷媒泵32的入口的冷媒温度，成为与考虑了该部位的压力而得到的沸点相比低大于或等于规定温度差(过冷温度SC)的状态，则成为能够向朗肯循环31中供给充分的液体冷媒的状态。
[0057]热交换器36上游的止回阀63与旁通阀66、压力调整阀68、膨胀机上游阀62协同动作而将供给至膨胀机37的冷媒保持为高压。在朗肯循环31的再生效率较低的条件下，停止朗肯循环的运转，通过将热交换器的前后区间闭塞，从而使停止中的冷媒压力上升，能够利用高压冷媒使朗肯循环迅速地再起动。压力调整阀68在供给至膨胀机37的冷媒的压力过高的情况下打开，具有使压力过高的冷媒外泄的安全阀的作用。
[0058]膨胀机37下游的止回阀64与上述的泵上游阀61协同动作而防止冷媒向朗肯循环31集中。混合动力车辆I的运转刚开始后，如果发动机2未暖机，则朗肯循环31比制冷循环51温度低，有时冷媒会向朗肯循环31侧集中。向朗肯循环31侧集中的概率不是很高。然而，例如对于在夏天车辆运转刚开始后，想尽快使车内冷却的情况，此时优先要求冷气设备能力。在上述情况下，即使冷媒稍微集中也希望消除该情况，以确保制冷循环51的冷媒。因此，为了防止冷媒向朗肯循环31侧集中而设置止回阀64。
[0059]压缩机52并不是在驱动停止时冷媒能够自由通过的构造。压缩机52与空调膨胀阀69协同动作而能够防止冷媒向制冷循环51的集中。对其进行说明。在制冷循环51停止时，冷媒会从稳定运转中的温度较高的朗肯循环31侧向制冷循环51侧移动，在朗肯循环31中进行循环的冷媒有时会不足。在制冷循环51中，冷却设备刚停止后，蒸发器55的温度变低，在容积较大且温度较低的蒸发器55中易于积存冷媒。在此情况下，通过停止压缩机52的驱动而切断冷媒从冷凝器38向蒸发器55的流动，并且关闭空调膨胀阀69，从而防止冷媒向制冷循环51的集中。
[0060]下面，图5是表示发动机2整体组件的发动机2的概略斜视图。图5的特征是热交换器36配置在排气歧管4的铅直上方。通过将热交换器36配置在排气歧管4的铅直上方的空间中，使朗肯循环31向发动机2上的搭载性提高。另外，在发动机2上设有张紧轮8。
[0061]下面，参照图7A以及图7B，对朗肯循环31的基本的运转方法进行说明。
[0062]首先，图7A以及图7B是朗肯循环31的运转区域图。图7A的横轴为外部气温，纵轴为发动机水温(冷却水温度)。图7B的横轴为发动机转速，纵轴为发动机扭矩(发动机负载)。
[0063]在图7A以及图7B这两者的条件被满足的情况下，朗肯循环31进行运转。在图7A中，在优先进行发动机2的暖机的低水温侧的区域、和压缩机52的负载增大的高外部气温侧的区域中，停止朗肯循环31。在排气温度低且回收效率较差的暖机时，通过不运转朗肯循环31而使冷却水温度迅速地上升。在要求较高的致冷能力的高外部温度时停止朗肯循环31，从而向制冷循环51提供足够的冷媒和冷凝器38的冷却能力。在图7B中，由于是混合动力车辆1，因此，在EV行驶区域和膨胀机37的摩擦增大的高转速侧的区域中，停止朗肯循环31。由于膨胀机37难以成为在全部的旋转速度下摩擦较小且具有高效率的构造，因此，在图7B的情况下，膨胀机37构成(膨胀机37的各部分的规格等设定)为，在运转频度较高的发动机转速区域中，摩擦变小且具有高效率。
[0064]图8是示意地表示在利用膨胀机扭矩辅助发动机输出轴的旋转的过程中，混合动力车辆I进行加速时的情况的时序图。此外，在图8的右侧，将此时膨胀机37的运转状态变迁的情况在膨胀机扭矩对应图上显示。在膨胀机扭矩对应图的利用等高线隔开的范围中，膨胀机转速低且膨胀机上游压力高的部分(左上)具有膨胀机扭矩变得最大的倾向。膨胀机转速高且膨胀机上游压力越低(越向右下进入)，越具有膨胀机扭矩变小的倾向。特别是关于斜线部的范围，在驱动冷媒泵的前提下膨胀机扭矩变为负值，是相对于发动机成为负载的区域。
[0065]直至驾驶者踏入加速器踏板的tl为止，持续匀速行驶，膨胀机37产生正的扭矩，利用膨胀机扭矩辅助发动机输出轴的旋转。
[0066]在tl及其以后，膨胀机37的转速即冷媒泵32的转速与发动机转速成正比地上升，另一方面，排气温度或冷却水温度的上升相对于发动机转速的上升存在延迟。因此，相对于通过冷媒泵32的转速的上升而增大的冷媒量，可回收的热量的比例下降。
[0067]因此，随着膨胀机转速上升，膨胀机上游的冷媒压力下降，膨胀机扭矩下降。
[0068]如果由于该膨胀机扭矩的下降而无法得到足够的膨胀机扭矩(例如在零附近的t2的定时)，则将膨胀机上游阀62从打开状态切换为关闭状态，以避免再生效率的恶化。即，避免随着膨胀机扭矩的下降，膨胀机37反而被发动机2牵引的现象。
[0069]在将膨胀机上游阀62从打开状态切换为关闭状态后，在t3的定时，膨胀机离合器35从连接(接合)切换为切断(断开)。通过使该膨胀机离合器35的切断时期与将膨胀机上游阀62从打开状态切换为关闭状态的时期相比具有少许延迟，从而使膨胀机上游的冷媒压力充分下降。由此，防止在膨胀机离合器35断开时，膨胀机37过度旋转。另外，通过利用冷媒泵32将大量的冷媒供给至热交换器36内，即使在朗肯循环31停止中，也能够有效地加热冷媒，从而能够顺利地重新开始朗肯循环31。
[0070]在t3及其以后，通过发动机2的散热量的上升，膨胀机上游压力再次上升。在t4的定时，膨胀机上游阀62从关闭状态切换为打开状态，冷媒重新开始向膨胀机37供给。另夕卜，在t4，膨胀机离合器35再次连接。通过该膨胀机离合器35的再次连接，重新开始利用膨胀机扭矩辅助发动机输出轴的旋转。
[0071]图9是在关闭膨胀机上游阀62并切断膨胀机离合器35的状态下，从朗肯循环的运转停止开始，示意地示出以与图8 (t4的控制)不同的方式进行朗肯循环31的再起动的情况的时序图。
[0072]在til的定时，驾驶者踏入加速器踏板而增大加速器开度。在tll，朗肯循环31的运转处于停止。因此，膨胀机扭矩维持为零。
[0073]伴随从tll开始的发动机转速的上升，发动机2的散热量增大，通过该散热量的增大，使得流入至热交换器36的冷却水温度变高，热交换器36内的冷媒的温度上升。由于膨胀机上游阀62关闭，因此，通过该热交换器36使得冷媒温度上升，由此，膨胀机上游阀62的上游的冷媒压力即膨胀机上游压力逐渐上升(tll至tl2)。
[0074]通过该运转状态的变化，从朗肯循环非运转区域切换至朗肯循环运转区域。在没有膨胀机上游阀62而进入朗肯循环运转区域时，立即将膨胀机离合器35从切断状态切换为连接状态而将膨胀机37与发动机输出轴连结的情况下，膨胀机37会成为发动机2的负载而导致产生扭矩冲击。
[0075]另一方面，在图9中，在向朗肯循环运转区域切换时，不立即将膨胀机上游阀62从关闭状态切换为打开状态。即，在进入朗肯循环运转区域后还继续膨胀机上游阀62的关闭状态。
[0076]不久，膨胀机上游压力和膨胀机下游压力的压力差增大，在成为大于或等于规定压力的tl2的定时，判断出能够运转(驱动)膨胀机37，将膨胀机上游阀62从关闭状态切换为打开状态。通过该膨胀机上游阀62向打开状态的切换，规定压力的冷媒供给至膨胀机37，膨胀机转速从零迅速地上升。
[0077]在通过该膨胀机转速的上升，膨胀机转速到达发动机转速的tl3的定时，将膨胀机离合器35从切断状态向连接状态切换。在膨胀机37增加至充分的转速前连接膨胀机离合器35的情况下，膨胀机37成为发动机负载，还可能产生扭矩冲击。与其相对，通过在与发动机输出轴的转速差消失的tl3，延迟地连接膨胀机离合器35，能够防止膨胀机37成为发动机负载，以及伴随接合膨胀机离合器35的扭矩冲击。
[0078]图10是表不一部分结构与图1不同的实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图。此外，在与图1相同的部分上标注相同的标号。
[0079]冷却水通路13通过散热器11。冷却水通路13包含第I冷却水通路13a和第2冷却水通路13b。第I冷却水通路13a使将发动机2冷却而升温后的冷却水流向散热器11。第2冷却水通路13b使从散热器11排出的冷却水返回发动机2。
[0080]冷却水通路14绕过散热器11。冷却水通路14包含第I旁通冷却水通路24和第2旁通冷却水通路25。第I旁通冷却水通路24从第I冷却水通路13a分支而与蒸发器91连接。第2旁通冷却水通路25从第I冷却水通路13a分支，在经过废热回收器22后与过热器92连接。第I旁通冷却水通路24及第2旁通冷却水通路25合流而成为旁通冷却水通路14。该旁通冷却水通路14与恒温阀15连接。
[0081]恒温阀15通过在例如由固体石蜡和弹性体(橡胶)充满的容器的中央装入活塞而构成。活塞的一端固定在外部的凸缘上。阀主体位于容器的外侧。在不动作时，阀主体被弹簧按压而切断流路(图10的入口端口 15b)。在入口端口 15c的冷却水温度上升至规定值后，在入口端口 15c的冷却水中露出的石蜡膨胀并引起体积变化。此时产生的压力经由弹性体而作用在活塞上。活塞由于固定在凸缘上，因此容器相对地下降，固定在容器上的阀主体打开而形成流路。即图10的入口端口 15b打开。即，上述规定值是阀主体开放时的冷却水温度(开阀温度)。在此，所谓恒温阀15的“感温部”，是指石蜡露出一侧，即入口端口 15c的一侧。
[0082]此外，图1的热交换器36是图10的蒸发器91及过热器92组合而成的。反之也可以说，在图10中，蒸发器91和过热器92分体地设置。下面，参照图10进行说明，但对图1的冷却水通路的回路结构而言，同样的说明(作用效果)也成立。
[0083]在图10中，在蒸发器91中相邻地设有用于热交换的冷却水通路91a及冷媒通路91b。在过热器92中相邻地设有用于热交换的冷却水通路92a及冷媒通路92b。向过热器92中导入比蒸发器91温度高的冷却水。在蒸发器91的冷却水通路91a中流过从发动机2排出而流过第I旁通冷却水通路24的冷却水。在过热器92的冷却水通路92a中流过从废热回收器22排出而流过第2旁通冷却水通路25的冷却水。从蒸发器91的冷却水通路91a排出的冷却水与过热器92的冷却水通路92a排出的冷却水合流后返回发动机2。
[0084]蒸发器91的冷媒通路91b与冷媒通路41连接，导入从冷媒泵32排出的液体冷媒。由于形成上述结构，因此，在蒸发器91中，在液体冷媒和发动机2排出的冷却水之间发生热交换。其结果，液体冷媒蒸发而成为气体冷媒。
[0085]该气体冷媒经由冷媒通路93导入至过热器92的冷媒通路92b。由此，在气体冷媒和由废热回收器22加热的冷却水之间进行热交换，气体冷媒的温度、压力上升。这样，温度、压力上升后的气体冷媒经由冷媒通路42供给至膨胀机37。
[0086]此外，在蒸发器91及过热器92中，以冷媒和冷却水彼此逆向流动的方式构成各通路(冷却水通路9la、冷媒通路9lb、冷却水通路92a、冷媒通路92b)。
[0087]发明人在蒸发器91及过热器92按照上述方式配置的情况下，对蒸发器91及过热器92能否进行高效地动作进行研究。该研究内容在下面进行说明。
[0088]< I >关于蒸发器91及过热器92的压力损失
[0089]图11的横轴表示从冷却水泵16的出口至恒温阀15的入口为止的旁通冷却水通路中的代表性的位置。纵轴表示该代表性的位置处的冷却水压力。图10的发动机2的出口的冷却水压力为A，废热回收器22的出口的冷却水压力为B，恒温阀15的入口(入口端口15c)的冷却水压力为C，在图11中记载上述3个冷却水压力A至C。
[0090]根据图11可以理解，在蒸发器91中，在发动机2的出口的冷却水压力A和恒温阀15的入口的冷却水压力C之间，压力差大。因该大的压力差而冷却水容易流动。另一方面，过热器92由于与废热回收器22串联连接，因此，废热回收器22的出口的冷却水压力B和恒温阀15的入口的冷却水压力C之间的压力差，比蒸发器91的压力差小。因此，与蒸发器相比，冷却水不易流动。因此，在蒸发器91和过热器92的压力损失(通水阻力)的设定中必须考虑上述情况。在本实施方式中，使与废热回收器22串联连接的过热器92的压力损失(通水阻力)与蒸发器92相比减小。
[0091]< 2 >关于蒸发器91及过热器92的热传递方法的不同
[0092]蒸发器91是将冷却水的热量传递至液体冷媒而使其沸腾的沸腾传热，热传递率高。过热器92由于将冷却水的热量传递至气体冷媒，因此，与传递至液体冷媒的情况相比热传递率下降。因此，如果传递相同的热量，则蒸发器91的尺寸比过热器92的尺寸小。为了与向液体冷媒导热(传热)相同地向气体冷媒导热，必须使过热器92的热传递面积比蒸发器91的热传递面积大。在这里，所谓“热传递面积”，是指在蒸发器91的内部及过热器92的内部中，从冷却水向冷媒传递热量的部分的面积。
[0093]< 3 >关于蒸发器91及过热器92的布置
[0094]图12是表示车辆I的框架及发动机2的概略俯视图。
[0095]如图12所示，排热回收单元23位于车辆I的地板下(纵梁102、103之间)。在过热器92位于发动机室101中的情况下，两者相距较远。
[0096]为了利用第2旁通冷却水通路25连接废热回收器22和过热器92，考虑将过热器92从发动机室101移出而靠近废热回收单元23。根据上述方法，第2旁通冷却水通路25变短，但连接过热器92和膨胀机37的冷媒通路42变长。如果冷媒通路42变长，则冷媒通路42的压力损失变大。于是，膨胀机37入口的冷媒压力变低而导致膨胀机37的热回收效率(循环效率)下降。即，与液体的冷却水的压力下降相比，气体的冷媒的压力下降的结果，使得系统整体的损耗变大。
[0097]与其相对，如果将过热器92置于发动机室101中，具体来说，如图12所示，如果使过热器92与排热回收单元23相比更靠近蒸发器91，则冷媒通路42缩短。其结果，朗肯循环31的效率变高。
[0098]如上所述，如果按照上述< I >至< 3 >的研究结果，对蒸发器91及过热器92进行配置，则蒸发器91及过热器92的效率高。在本实施方式中，为了实现结构的进一步简化，如图1所示，可以使蒸发器91及过热器92 —体化而形成热交换器36。
[0099]下面，对本实施方式的作用效果进行说明。
[0100]根据本实施方式，从废热回收器22排出的冷却水在导入至过热器92中后，返回发动机2 (参照图10)。S卩，不会如JP2010 - 77964A的朗肯循环所示，将过热器92排出的冷却水供给至蒸发器91。即，过热器92排出的冷却水不经过蒸发器91而返回发动机2。由于形成上述结构，因此，废热回收器22的入口和过热器92的出口的压力差与现有装置相比变大。由此，即使没有水泵或流量调整阀(分配控制单元)，也能够向废热回收器22流入足够的冷却水，并能够充分地回收来自排气的热量。
[0101]另外，在JP2010 - 77964A的朗肯循环中，使过热器的出口的冷却水与发动机的出口的冷却水合流，并将该合流后的冷却水导入至蒸发器。因此，蒸发器的流量较多。因此，可能导致蒸发器大型化，或牺牲蒸发器的热交换性能。与其相对，根据本实施方式，使2个冷却水通路(冷却水通路91a及冷却水通路92a)排出后的冷却水合流而返回发动机2。根据上述结构，避免蒸发器大型化，或牺牲蒸发器的热交换性能。
[0102]另外，在JP2010 - 77964A的朗肯循环中，蒸发器或过热器与散热器串联连接。与其相对，根据本实施方式，蒸发器91或过热器92不与散热器11串联连接。根据上述结构，与JP2010 - 77964A的朗肯循环相比，通过散热器11的冷却水的压力损失(通水阻力)变小。由此，增加散热器流量而能够增大散热器11的散热量。其结果，能够使散热器11小型化。
[0103]另外，根据本实施方式，过热器92排出的冷却水及蒸发器91排出的冷却水合流后，流入至恒温阀15的感温部(参照图10)。由于形成上述结构，因此，朗肯循环31中的受热存在极限，在过热器92的出口或蒸发器91的出口的冷却水温度变高时，恒温阀15被打开。其结果，由散热器11冷却后的冷却水供给至发动机2。由此，防止发动机2的过热。
[0104]如果过热器与废热回收器串联连接，则过热器侧的冷却水通路的压力损失(废热回收器22的入口和过热器92的出口之间的通路阻力)变大。与其相对，根据本实施方式的结构，由于过热器92的压力损失比蒸发器91的压力损失小，因此，冷却水不会向蒸发器91集中而确保过热器92的冷却水流量。
[0105]蒸发器91是沸腾传热(冷媒侧)，热传递率高，在传递相同热量的情况下，蒸发器91的尺寸比过热器92的尺寸小。另一方面，由于过热器92是通过气体进行的热传递(冷媒侧)，因此，为了与蒸发器91相同地向过热器92导热，必须使过热器92的热传递面积比蒸发器91大。根据本实施方式，由于过热器92的传热面积比蒸发器91大，因此，能够与蒸发器91相同地向过热器92导热。
[0106]在本实施方式中，过热器92与废热回收单元23 (废热回收器22)相比，以接近蒸发器91的方式进行配置(参照图12)。即，根据本实施方式，与连接废热回收单元23 (废热回收器22)和过热器92的第2旁通冷却水通路25相比，连接过热器92和膨胀机37的冷媒通路42短。根据上述结构，与第2旁通冷却水通路25比冷媒通路42短的情况相比，冷媒通路42的压力损失变小。其结果，抑制朗肯循环31的效率恶化。
[0107]在本实施方式中，冷媒泵32排出的冷媒流向蒸发器91，蒸发器91排出的冷媒流向过热器92 (参照图10)。即，根据本实施方式，由于使低温的冷却水(80至90度左右)先进行热交换，使高温的冷却水(110至115度左右)后进行热交换，因此，能够高效地向冷媒导热。
[0108]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只是示出了本发明的应用例的一部分，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式的具体结构。
[0109]例如，在实施方式中，在混合动力车辆的情况下进行了说明，但并不限定于此。也能够应用于仅搭载发动机2的车辆。发动机2可以是汽油发动机、柴油发动机的任一种。
[0110]另外，在实施方式中，将冷媒泵32排出的冷媒先导入至蒸发器91，然后导入至过热器92，但也可以将冷媒泵32排出的冷媒先导入至过热器92，然后导入至蒸发器91。
[0111]并且，使发动机排出的冷却水与排气进行热交换的废热回收器，在上述例子中设在排气管的中途。但是，并不限定于上述结构。也可以设在EGR通路的中途，或与EGR散热器共用。
[0112]此外，在实施方式中所谓的“冷却水”，除了水之外，还包含防冻液或长寿防冻液在内的概念。
[0113]本申请基于2011年9月30日向日本专利厅申请的特愿2011 — 216787而主张优先权，该申请的全部内容通过参照引入本说明书中。
【权利要求】
1.一种朗肯循环,其包含: 废热回收器，其使从发动机排出的冷却水和从发动机排出的排气进行热交换； 热交换器，其具有蒸发器和过热器，该蒸发器中流过从发动机排出的冷却水而将发动机的废热回收至冷媒，该过热器中流过从废热回收器排出的冷却水而将发动机的废热回收至冷媒； 膨胀机，其使用从热交换器排出的冷媒而产生动力； 冷凝器，其使从膨胀机排出的冷媒凝结；以及 冷媒泵，其由膨胀机驱动，将从冷凝器排出的冷媒供给至热交换器， 从过热器排出的冷却水与从蒸发器排出的冷却水合流而返回至发动机。
2.根据权利要求1所述的朗肯循环，其包含: 第I冷却水通路，其将对发动机进行冷却而升温的冷却水供给至散热器； 第2冷却水通路，其使从散热器排出的冷却水返回至发动机； 旁通冷却水通路，其具有从第I冷却水通路分支而绕过散热器的第I旁通冷却水通路，和从第I冷却水通路分支而绕过散热器并与第I旁通冷却水通路合流的第2旁通冷却水通路，在第I旁通冷却水通路及第2旁通冷却水通路合流后，与第2冷却水通路合流；以及恒温阀，其设在旁通冷却水通路向第2冷却水通路合流的部分处，在旁通冷却水通路侧具有感温部， 蒸发器设在第I旁通冷却水通路中， 过热器设在第2旁通冷却水通路中。
3.根据权利要求1或2所述的朗肯循环，其中， 过热器的压力损失小于蒸发器的压力损失。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的朗肯循环，其中， 过热器的传热面积大于蒸发器的传热面积。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的朗肯循环，其中， 过热器配置为，与废热回收器相比靠近蒸发器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的朗肯循环，其中， 从冷媒泵排出的冷媒经过蒸发器而流向过热器。
【文档编号】F01K23/10GK103748347SQ201280040437
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】永井宏幸, 齐藤智彦, 石川贵幸, 沟口真一朗 申请人:日产自动车株式会社