專利名稱：朗肯循環(huán)以及在朗肯循環(huán)中使用的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及朗肯循環(huán)，特別是在朗肯循環(huán)中使用的熱交換器的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
如果在朗肯循環(huán)中進(jìn)行循環(huán)的冷媒與高溫的排氣(數(shù)百。C )之間進(jìn)行熱交換，由于 會(huì)引起冷媒的熱分解，所以為了避免該現(xiàn)象發(fā)生，存在一種首先將排氣的熱量向冷卻水中 回收，然后將冷卻水的熱向冷媒中回收的技術(shù)(參照專利文獻(xiàn))。
專利文獻(xiàn)1:日本特開2010 — 151023號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述專利文獻(xiàn)I的技術(shù)中，雖然可以抑制冷媒的熱分解，但無(wú)法避免與冷 媒的熱交換量減小的問(wèn)題。
因此本發(fā)明的目的是提供一種避免冷媒的熱分解，并且提高與冷媒的熱交換量的 朗肯循環(huán)。
本發(fā)明的熱交換器是以在使用第I冷媒而產(chǎn)生動(dòng)力的朗肯循環(huán)中使用的熱交換 器作為前提。在本發(fā)明的熱交換器中，在被發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的熱量加熱的第2冷媒與上述第 I冷媒以及上述發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
另外，本發(fā)明的朗肯循環(huán)包含將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱向第I冷媒回收的熱交換器；使用 該熱交換器的出口的第I冷媒而產(chǎn)生動(dòng)力的膨脹機(jī)；使從該膨脹機(jī)排出的第I冷媒凝結(jié)的 冷凝器；以及將由該冷凝器凝結(jié)而得到的第I冷媒向上述熱交換器中供給的冷媒泵。并且， 在本發(fā)明的朗肯循環(huán)中，所述熱交換器具有第I熱交換器，其將排氣的熱量向第2冷媒回 收；以及第2熱交換器，其具有第2冷媒通路、第I冷媒通路及冷卻水通路，它們用于在該第 2冷媒與上述第I冷媒以及上述發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，在將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的熱量向朗肯循環(huán)的冷媒和發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水中移 動(dòng)的前提下，排氣只與第2冷媒進(jìn)行熱交換。由此，由于熱交換器只擁有一種冷媒，因此熱 容量較小，在設(shè)置在排氣通路上的催化劑的暖機(jī)過(guò)程中等，不希望使排氣冷卻的情況下，停 止純水的流動(dòng)時(shí)，可以減少熱交換機(jī)從排氣中奪取的熱量。
另外，根據(jù)本發(fā)明，與在朗肯循環(huán)中進(jìn)行循環(huán)的第I冷媒進(jìn)行熱交換的是第2冷 媒。由此，為了使第2冷媒的溫度不超過(guò)使第I冷媒熱分解的高溫度，將純水的溫度設(shè)定為 比排氣溫度低的溫度，從而可以避免第I冷媒的熱分解，并且提高與冷媒的熱交換量。


圖1是表示成為本發(fā)明的前提的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)整體的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖2A是使泵以及膨脹機(jī)一體化后的膨脹機(jī)泵的概略剖面圖。
圖2B是冷媒泵的概略剖面圖。
圖2C是膨脹機(jī)的概略剖面圖。
圖3是表示冷媒類閥的功能的概略圖。
圖4是混合動(dòng)力車輛的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖5是發(fā)動(dòng)機(jī)的概略斜視圖。
圖6是從車輛下方觀察排氣管的配置的概略圖。
圖7A是朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域的特性圖。
圖7B是朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域的特性圖。
圖8是表示在利用膨脹機(jī)扭矩輔助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的中途，混合動(dòng)力車輛I 進(jìn)行加速時(shí)的情況的時(shí)序圖表。
圖9是表示從朗肯循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)停止到再起動(dòng)的情況的時(shí)序圖。
圖10是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)整體的概略結(jié)構(gòu)體。
圖11是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)整體的概略結(jié)構(gòu)體。
圖12是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)整體的概略結(jié)構(gòu)體。
圖13是熱交換器的鉛直方向的概略剖面圖。
圖14是表示3氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下的熱交換器的設(shè)置位置的排氣歧管的俯視圖。
圖15是表示至下水箱的分支部的配置的概略斜視圖。
圖16是表示第2熱交換器的3種冷媒的流動(dòng)方向的模型圖。
圖17是第2熱交換器中的冷媒通路以及冷卻水通路的具體的結(jié)構(gòu)圖。
圖18是第I實(shí)施方式的控制系的框圖。
圖19是用于說(shuō)明2個(gè)開閉閥的驅(qū)動(dòng)的流程圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。
圖1示出表示成為本發(fā)明的前提的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)整體的概略結(jié)構(gòu)圖。圖1的朗 肯循環(huán)31，是與制冷循環(huán)51共用冷媒以及冷凝器38的結(jié)構(gòu)，將朗肯循環(huán)31與制冷循環(huán)51 組合后的循環(huán)，在此后稱為組合循環(huán)30。圖4是搭載組合循環(huán)30的混合動(dòng)力車輛I的概略 結(jié)構(gòu)圖。此外，所謂組合循環(huán)30，是指在朗肯循環(huán)31和制冷循環(huán)51的冷媒進(jìn)行循環(huán)的回路 (通路)以及其中途設(shè)置的泵、膨脹機(jī)、冷凝器等的結(jié)構(gòu)要素的基礎(chǔ)上，包含冷卻水和排氣的 回路(通路)等在內(nèi)的系統(tǒng)整體。
在混合動(dòng)力車輛I中，發(fā)動(dòng)機(jī)2、電動(dòng)發(fā)電機(jī)81、自動(dòng)變速器82串聯(lián)連接，自動(dòng)變 速器82的輸出經(jīng)由傳動(dòng)軸83、差動(dòng)齒輪84傳遞至驅(qū)動(dòng)輪85。在發(fā)動(dòng)機(jī)2與電動(dòng)發(fā)電機(jī)81 之間設(shè)置第I驅(qū)動(dòng)軸離合器86。另外，自動(dòng)變速器82的摩擦接合要素的一個(gè)，作為第2驅(qū) 動(dòng)軸離合器87而構(gòu)成。第I驅(qū)動(dòng)軸離合器86和第2驅(qū)動(dòng)軸離合器87與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器71 連接，對(duì)應(yīng)于混合動(dòng)力車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)條件而控制其接合/斷開(連接狀態(tài))。在混合動(dòng)力車輛I 中，如圖7B所示，在車速處于發(fā)動(dòng)機(jī)2的效率低的EV行駛區(qū)域時(shí)，停止發(fā)動(dòng)機(jī)2，切斷第I 驅(qū)動(dòng)軸離合器86并將第2驅(qū)動(dòng)軸離合器87接合，僅通過(guò)由電動(dòng)發(fā)電機(jī)81產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力使 混合動(dòng)力車輛I行駛。另一方面，在車速離開EV行駛區(qū)域而轉(zhuǎn)換至朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)， 使發(fā)動(dòng)機(jī)2運(yùn)轉(zhuǎn)并使朗肯循環(huán)31 (后述)運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)2具有排氣通路3，排氣通路3由排 氣歧管4和與排氣歧管4的集合部連接的排氣管5構(gòu)成。排氣管5在中途分支為旁路排氣管6，在繞過(guò)旁路排氣管6的區(qū)間的排氣管5上，具有用于在排氣與冷卻水之間進(jìn)行熱交換 的廢熱回收器22。廢熱回收器22和旁路排氣管6如圖6所示，作為將它們一體化而成的廢 熱回收器單元23，配置在地板催化劑88和其下游的輔助消音器89之間。
基于圖1，首先，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水回路進(jìn)行說(shuō)明。在發(fā)動(dòng)機(jī)2中流出的80 90°C 程度的冷卻水，分別流過(guò)穿過(guò)散熱器11的冷卻水通路13、和繞過(guò)散熱器11的旁路冷卻水通 路14。在這之后，2個(gè)流路經(jīng)過(guò)決定兩個(gè)通路13、14中流過(guò)的冷卻水流量的分配的恒溫閥 15而再次合流，并且經(jīng)由冷卻水泵16返回到發(fā)動(dòng)機(jī)2中。冷卻水泵16由發(fā)動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)，其 旋轉(zhuǎn)速度與發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度同步。恒溫閥15在冷卻水溫度較高的情況下，擴(kuò)大冷卻水通路 13側(cè)的閥的開度，而相對(duì)地增加通過(guò)散熱器11的冷卻水量，在冷卻水溫度較低的情況下， 減小冷卻水通路13側(cè)的閥的開度，而相對(duì)地減少通過(guò)散熱器11的冷卻水量。在發(fā)動(dòng)機(jī)2 的暖機(jī)前等特別是冷卻水溫度較低的情況下，完全地繞過(guò)散熱器11，使冷卻水的全部流過(guò) 旁路冷卻水通路14側(cè)。另一方面，恒溫閥15構(gòu)成為，在旁路冷卻水通路14側(cè)的閥的開度 并未全閉，而流過(guò)散熱器11的冷卻水流量增加時(shí)，使流過(guò)旁路冷卻水通路14的冷卻水的流 量，與冷卻水全部流過(guò)旁路冷卻水通路14側(cè)的情況相比降低，但并不完全地停止流動(dòng)。詳 細(xì)的說(shuō)，恒溫閥15是對(duì)應(yīng)于冷卻水溫度而控制向散熱器11中供給的冷卻水流量的三位閥， 具有閥主體15a、2個(gè)入口端口 15b、15c以及I個(gè)出口端口 15d。在2個(gè)入口端口 15b、15c 上分別連接穿過(guò)散熱器11的冷卻水通路13、和繞過(guò)散熱器11的冷卻水通路14，利用恒溫 閥15，對(duì)應(yīng)冷卻水溫度而增加或減少向散熱器11中供給的冷卻水流量，從而適當(dāng)?shù)乇３掷?卻水溫度。繞過(guò)散熱器11的旁路冷卻水通路14，由從冷卻水通路13分支而與后述的熱交 換器36直接連接的第I旁路冷卻水通路24、從冷卻水通路13分支而經(jīng)由廢熱回收器22與 熱交換器36連接的第2旁路冷卻水通路25構(gòu)成。
在旁路冷卻水通路14中，具有與朗肯循環(huán)31的冷媒進(jìn)行熱交換的熱交換器36。 該熱交換器36是將加熱器和過(guò)熱器組合而成。即，在熱交換器36中2條冷卻水通路36a、 36b大致一列地設(shè)置，另外，朗肯循環(huán)31的冷媒所流過(guò)的冷媒通路36c與冷卻水通路36a、 36b相鄰設(shè)置，以使冷媒與冷卻水可以進(jìn)行熱交換。并且各通路36a、36b、36c構(gòu)成為，在俯 瞰熱交換器36的整體而觀察時(shí)，朗肯循環(huán)31的冷媒與冷卻水彼此流動(dòng)的方向?yàn)橄喾捶较颉?br> 詳細(xì)地說(shuō)，對(duì)于朗肯循環(huán)31的冷媒來(lái)說(shuō)位于上游(圖1的左側(cè))側(cè)的一個(gè)冷卻水通 路36a，安裝在第I旁路冷卻水通路24中。由該冷卻水通路36a以及與該冷卻水通路36a 相鄰的冷媒通路部分構(gòu)成的熱交換器左側(cè)部分，是用于通過(guò)將從發(fā)動(dòng)機(jī)2排出的冷卻水直 接導(dǎo)入至冷卻水通路36a中，從而對(duì)流過(guò)冷媒通路36c的朗肯循環(huán)31的冷媒進(jìn)行加熱的加 熱器。
在對(duì)于朗肯循環(huán)31的冷媒來(lái)說(shuō)位于下游(圖1的右側(cè))側(cè)的另一個(gè)冷卻水通路36b 中，經(jīng)由第2旁路冷卻水通路25導(dǎo)入經(jīng)過(guò)廢熱回收器22后的冷卻水。由冷卻水通路36b 以及與該冷卻水通路36b相鄰的冷媒通路部分構(gòu)成的熱交換器右側(cè)部分(對(duì)朗肯循環(huán)31的 冷媒來(lái)說(shuō)是下游側(cè))，是通過(guò)將利用排氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)2的出口的冷卻水進(jìn)一步加熱后而得到的 冷卻水導(dǎo)入至冷卻水通路36b中，從而使流過(guò)冷媒通路36c的冷媒過(guò)熱的過(guò)熱器。
廢熱回收器22的冷卻水通路22a與排氣管5相鄰而設(shè)置。通過(guò)向廢熱回收器22 的冷卻水通路22a中導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)2的出口的冷卻水，可以利用高溫的排氣將冷卻水加熱至 例如110 115°C程度。在俯瞰廢熱回收器22的整體而觀察時(shí)，以排氣與冷卻水彼此流動(dòng)的方向相反的方式構(gòu)成冷卻水通路22a。
在設(shè)置廢熱回收器22的第2旁路冷卻水通路25中安裝控制閥26。如果發(fā)動(dòng)機(jī)2 的出口的冷卻水溫度傳感器74的檢測(cè)溫度大于或等于規(guī)定值，則減小該控制閥26的開度， 以使得表示處于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的冷卻水的溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，不超過(guò)用于防止例如發(fā)動(dòng)機(jī)的效率惡化或發(fā)生爆震的容許溫度(例如100°C )。如果發(fā)動(dòng)機(jī)水溫接近容許溫度，則減少通過(guò)廢熱回收器22的冷卻水量，因此，可以可靠地防止發(fā)動(dòng)機(jī)水溫超過(guò)容許溫度。
另一方面，通過(guò)減少第2旁路冷卻水通路25的流量，利用廢熱回收器22而上升的冷卻水溫度會(huì)上升過(guò)度而使冷卻水蒸發(fā)(沸騰)，由此不僅使熱交換器36的效率下降，還存在冷卻水通路內(nèi)的冷卻水的流動(dòng)變差從而溫度過(guò)量地上升的可能性。為了避免上述情況發(fā)生，在旁路排氣管6的分支部中，設(shè)置繞過(guò)廢熱回收器22的旁路排氣管6、和對(duì)廢熱回收器 22的排氣通過(guò)量和旁路排氣管6的排氣通過(guò)量進(jìn)行控制的恒溫閥7。S卩，恒溫閥7基于廢熱回收器22排出的冷卻水溫度，調(diào)節(jié)恒溫閥的閥的開度，以使得廢熱回收器22排出的冷卻水溫度不會(huì)超過(guò)規(guī)定的溫度(例如沸騰溫度120°C )。
熱交換器36、恒溫閥7和廢熱回收器22，作為廢熱回收單元23而一體化，并在車輛寬度方向大致中央的地板下，在排氣管的中途配置。恒溫閥7可以是使用雙金屬等的比較簡(jiǎn)易的感溫閥，也可以是由輸入溫度傳感器的輸出的控制器進(jìn)行控制的控制閥。由于由恒溫閥7控制的排氣向冷卻水的熱交換量的調(diào)節(jié)，存在比較大的延遲，因此，在單獨(dú)使用恒溫閥7進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下，很難使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫不超過(guò)容許溫度。但是，由于基于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫 (出口溫度)而控制第2旁路冷卻水通路25的控制閥26，因此，迅速地降低熱回收量，可以可靠地防止發(fā)動(dòng)機(jī)水溫超過(guò)容許溫度。另外，如果發(fā)動(dòng)機(jī)水溫是距離容許溫度還有富裕的狀態(tài)，則可以在廢熱回收器22排出的冷卻水溫度達(dá)到超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的容許溫度程度的高溫(例如110 115°C)為止進(jìn)行熱交換，可以增加廢熱回收量。冷卻水通路36b排出的冷卻水經(jīng)由第2旁路冷卻水通路25與第I旁路冷卻水通路24合流。
如果從旁路冷卻水通路14流向恒溫閥15的冷卻水的溫度，例如通過(guò)在熱交換器 36中與朗肯循環(huán)31的冷媒進(jìn)行熱交換而充分地降低，則減小恒溫閥15的冷卻水通路13側(cè)的閥的開度，而相對(duì)地減少通過(guò)散熱器11的冷卻水量。相反地，如果從旁路冷卻水通路14 流向恒溫閥15的冷卻水的溫度，由于朗肯循環(huán)31未運(yùn)轉(zhuǎn)等而導(dǎo)致很高，則擴(kuò)大恒溫閥15 的冷卻水通路13側(cè)的閥開度，而相對(duì)地增加通過(guò)散熱器11的冷卻水量?；谏鲜龅暮銣亻y15的動(dòng)作，構(gòu)成為可以適當(dāng)?shù)乇３职l(fā)動(dòng)機(jī)2的冷卻水溫度，并使熱量向朗肯循環(huán)31中適當(dāng)?shù)毓┙o(回收)。
下面，對(duì)朗肯循環(huán)進(jìn)行敘述。在這里，朗肯循環(huán)31并不是單純的朗肯循環(huán)，而是作為與制冷循環(huán)51組合后而形成的組合循環(huán)30的一部分而構(gòu)成。以下，首先說(shuō)明作為基礎(chǔ)的朗肯循環(huán)31，然后說(shuō)明制冷循環(huán)51。
朗肯循環(huán)31是經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)2的冷卻水而將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱向冷媒中回收，將回收的廢熱作為動(dòng)力而再生的系統(tǒng)。朗肯循環(huán)31具有冷媒泵32、作為過(guò)熱器的熱交換器36、膨脹機(jī)37以及冷凝器(凝結(jié)器)38，各結(jié)構(gòu)要素通過(guò)冷媒(R134a等)進(jìn)行循環(huán)的冷媒通路41 44連接。
冷媒泵32的軸與膨脹機(jī)37的輸出軸同軸地連結(jié)配置，利用膨脹機(jī)37產(chǎn)生的輸出 (動(dòng)力)驅(qū)動(dòng)冷媒泵32，并且將產(chǎn)生的動(dòng)力向發(fā)動(dòng)機(jī)2的輸出軸(曲柄軸)供給(參照?qǐng)D2A)。即，冷媒泵32的軸以及膨脹機(jī)37的輸出軸，與發(fā)動(dòng)機(jī)2的輸出軸平行地配置，在冷媒泵32 的軸的前端設(shè)置的泵帶輪33與曲柄帶輪2a之間架設(shè)傳動(dòng)帶(參照?qǐng)D1)，此外，本實(shí)施方式 冷媒泵32采用齒輪式的泵，膨脹機(jī)37采用渦旋式的膨脹機(jī)(參照?qǐng)D2B、圖2C)。
另外，在泵帶輪33與冷媒泵32之間設(shè)置電磁式的離合器(該離合器在以下稱作 “膨脹機(jī)離合器”)35(第I離合器)，冷媒泵32以及膨脹機(jī)37可以與發(fā)動(dòng)機(jī)2接合/斷開 (參照?qǐng)D2A)。由此，在膨脹機(jī)37產(chǎn)生的輸出超過(guò)冷媒泵32的驅(qū)動(dòng)力以及旋轉(zhuǎn)體所具有的 摩擦的情況下(預(yù)測(cè)膨脹機(jī)扭矩為正的場(chǎng)合)，通過(guò)連接膨脹機(jī)離合器35，可以利用膨脹機(jī) 37產(chǎn)生的輸出輔助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)。這樣，通過(guò)使用由廢熱回收而得到的能量輔助發(fā) 動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)，可以改善燃油消耗。另外，用于驅(qū)動(dòng)使冷媒循環(huán)的冷媒泵32的能量，也 可以通過(guò)回收的廢熱提供。
來(lái)自冷媒泵32的冷媒經(jīng)由冷媒通路41向熱交換器36供給。熱交換器36是在發(fā) 動(dòng)機(jī)2的冷卻水與冷媒之間進(jìn)行熱交換，使冷媒汽化并過(guò)熱的熱交換器。
來(lái)自熱交換器36的冷媒經(jīng)由冷媒通路42向膨脹機(jī)37供給。膨脹機(jī)37是通過(guò)使 汽化并過(guò)熱的冷媒膨脹而將熱量變換成旋轉(zhuǎn)能量的蒸汽渦輪機(jī)。通過(guò)膨脹機(jī)37回收的動(dòng) 力驅(qū)動(dòng)冷媒泵32，并經(jīng)由帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至發(fā)動(dòng)機(jī)2，從而輔助發(fā)動(dòng)機(jī)2的轉(zhuǎn)動(dòng)。
來(lái)自膨脹機(jī)37的冷媒經(jīng)由冷媒通路43向冷凝器38中供給。冷凝器38是在外部 氣體與冷媒之間進(jìn)行熱交換，使冷媒冷卻并液化的熱交換器。由此，將冷凝器38與散熱器 11并列地配置，利用散熱器風(fēng)扇12進(jìn)行冷卻。
通過(guò)冷凝器38液化后的冷媒，經(jīng)由冷媒通路44返回到冷媒泵32。返回到冷媒泵 32的冷媒通過(guò)冷媒泵32再次向熱交換器中輸送，在朗肯循環(huán)31的各結(jié)構(gòu)要素中循環(huán)。
下面，對(duì)制冷循環(huán)51進(jìn)行敘述。由于制冷循環(huán)51共用在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán) 的冷媒，因此與朗肯循環(huán)31合并，制冷循環(huán)51的結(jié)構(gòu)本身很簡(jiǎn)單。即，制冷循環(huán)51具有 壓縮機(jī)52、冷凝器38、蒸發(fā)器55。
壓縮機(jī)52是將制冷循環(huán)51的冷媒壓縮成高溫高壓的流體機(jī)械，利用發(fā)動(dòng)機(jī)2驅(qū) 動(dòng)。即，如圖4所示，在壓縮機(jī)52的驅(qū)動(dòng)軸上固定壓縮機(jī)帶輪53，在該壓縮機(jī)帶輪53與曲 柄帶輪2a之間架設(shè)傳動(dòng)帶34。發(fā)動(dòng)機(jī)2的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由該傳動(dòng)帶34向壓縮機(jī)帶輪53傳遞, 從而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)52。另外，在壓縮機(jī)帶輪53與壓縮機(jī)52之間設(shè)置電磁式的離合器(該離合 器在以下稱作“壓縮機(jī)離合器”)54 (第2離合器)，其可以將壓縮機(jī)52以及壓縮機(jī)帶輪53 接合/斷開。
回到圖1，來(lái)自壓縮機(jī)52的冷媒經(jīng)由冷媒通路56與冷媒通路43合流后，向冷凝器 38供給。冷凝器38是通過(guò)與外部氣體進(jìn)行熱交換而將冷媒凝結(jié)并液化的熱交換器。來(lái)自 冷凝器38的液態(tài)的冷媒經(jīng)由從冷媒通路44分支出的冷媒通路57，向蒸發(fā)器55供給。蒸發(fā) 器55與未圖示的加熱芯相同地配置在空調(diào)單元的殼體內(nèi)。蒸發(fā)器55是使來(lái)自冷凝器38 的液態(tài)冷媒蒸發(fā)，利用此時(shí)的蒸發(fā)潛熱對(duì)來(lái)自送風(fēng)機(jī)的空調(diào)空氣進(jìn)行冷卻的熱交換器。
通過(guò)蒸發(fā)器55蒸發(fā)后的冷媒經(jīng)由冷媒通路58返回到壓縮機(jī)52中。此外，通過(guò)蒸 發(fā)器55冷卻后的空調(diào)空氣與通過(guò)加熱芯加熱后的空調(diào)空氣，對(duì)應(yīng)于空氣混合風(fēng)門的開度 而變更混合比率，從而調(diào)節(jié)為乘員所設(shè)定的溫度。
在由朗肯循環(huán)31與制冷循環(huán)51構(gòu)成的組合循環(huán)30中，為了控制在循環(huán)內(nèi)流動(dòng)的 冷媒，在回路中途適當(dāng)?shù)卦O(shè)置各種閥。例如，為了控制在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒，在將制冷循環(huán)分支點(diǎn)45與冷媒泵32連接的冷媒通路44中具有泵上游閥61，在將熱交換器36 與膨脹機(jī)37連接的冷媒通路42中具有膨脹機(jī)上游閥62。另外，在將冷媒泵32與熱交換器 36連接的冷媒通路41中，具有用于防止冷媒從熱交換器36向冷媒泵32回流的止回閥63。 在將膨脹機(jī)37與制冷循環(huán)合流點(diǎn)46連接的冷媒通路43中，也具有用于防止冷媒從制冷循 環(huán)合流點(diǎn)46向膨脹機(jī)37回流的止回閥64。另外，設(shè)置從膨脹機(jī)上游閥62繞過(guò)膨脹機(jī)37 而與止回閥64上游合流的膨脹機(jī)旁路通路65，在該膨脹機(jī)旁路通路65中設(shè)置旁通閥66。 并且，在繞過(guò)旁通閥66的通路67中設(shè)置壓力調(diào)整閥68。對(duì)于制冷循環(huán)51側(cè)，也在將制冷 循環(huán)分支點(diǎn)45與蒸發(fā)器55連接的冷媒通路57中設(shè)置空調(diào)回路閥69。
上述4個(gè)閥61、62、66、69均是電磁式的開閉閥。將通過(guò)壓力傳感器72檢測(cè)出的膨 脹機(jī)上游壓力的信號(hào)、通過(guò)壓力傳感器73檢測(cè)出的冷凝器38出口的冷媒壓力Pd的信號(hào)、 膨脹機(jī)37的旋轉(zhuǎn)速度信號(hào)等向發(fā)動(dòng)機(jī)控制器71輸入。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器71中，對(duì)應(yīng)規(guī)定的 運(yùn)轉(zhuǎn)條件，基于上述各輸入信號(hào)，進(jìn)行制冷循環(huán)51的壓縮機(jī)52和散熱器風(fēng)扇12的控制，并 且控制上述4個(gè)電磁式開閉閥61、62、66、69的開閉。
例如，基于通過(guò)壓力傳感器72檢測(cè)出的膨脹機(jī)上游側(cè)壓力以及膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度， 預(yù)測(cè)膨脹機(jī)扭矩(再生動(dòng)力)，在該預(yù)測(cè)膨脹機(jī)扭矩為正時(shí)(可以輔助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí))將膨脹機(jī)離合器35接合，在預(yù)測(cè)膨脹機(jī)扭矩為零或負(fù)時(shí)斷開膨脹機(jī)離合器35。通過(guò)基 于傳感器檢測(cè)壓力和膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，與根據(jù)排氣溫度預(yù)測(cè)膨脹機(jī)扭矩(再生動(dòng)力)的情況 相比，可以較高精度地預(yù)測(cè)膨脹機(jī)扭矩，可以對(duì)應(yīng)于膨脹機(jī)扭矩的產(chǎn)生狀況而適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行 膨脹機(jī)離合器35的接合·斷開(詳細(xì)內(nèi)容參照日本特開2010-190185號(hào)公報(bào))。
上述4個(gè)開閉閥61、62、66、69以及2個(gè)止回閥63、64是制冷系統(tǒng)閥。將這些制冷 系統(tǒng)閥的功能重新在圖3中不出。
在圖3中，泵上游閥61的作用是，在與制冷循環(huán)51的回路相比，冷媒容易向朗肯 循環(huán)31的回路集中的規(guī)定條件下，使其關(guān)閉，從而防止冷媒(包含潤(rùn)滑成分)向朗肯循環(huán)31 集中，如后述所示，與膨脹機(jī)37下游的止回閥64協(xié)同動(dòng)作而將朗肯循環(huán)31的回路閉塞。膨 脹機(jī)上游閥62，在來(lái)自熱交換器36的冷媒壓力為相對(duì)較低的情況下，將冷媒通路42斷開， 進(jìn)行保持直至來(lái)自熱交換器36的冷媒成為高壓為止。由此，在不能得到足夠的膨脹機(jī)扭矩 的情況下，也促進(jìn)冷媒的加熱，可以縮短例如至朗肯循環(huán)31再起動(dòng)(能夠?qū)嶋H地進(jìn)行再生) 為止的時(shí)間。旁通閥66的作用是，在朗肯循環(huán)31的起動(dòng)時(shí)等、朗肯循環(huán)31側(cè)未存在足夠 的冷媒量等時(shí)使其開閥，從而繞過(guò)膨脹機(jī)37而使冷媒泵32可以進(jìn)行動(dòng)作，以縮短朗肯循環(huán)31的起動(dòng)時(shí)間。如果通過(guò)繞過(guò)膨脹機(jī)37而使冷媒泵32動(dòng)作，使冷凝器38的出口或者冷媒 泵32的入口的冷媒溫度成為與對(duì)應(yīng)于該部位的壓力的沸點(diǎn)相比低大于或等于規(guī)定溫度的 差(過(guò)冷度SC)的狀態(tài)，則可以調(diào)整成為向朗肯循環(huán)31中供給足夠的液體冷媒的狀態(tài)。
熱交換器36上游的止回閥63是與旁通閥66、壓力調(diào)整閥68、膨脹機(jī)上游閥62協(xié) 同動(dòng)作而將向膨脹機(jī)37中供給的冷媒保持高壓的設(shè)備。在朗肯循環(huán)31的再生效率較低的 條件下，停止朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)在熱交換器36的前后區(qū)間將回路閉塞，預(yù)先使停止 中的冷媒壓力上升，可以利用高壓冷媒而使朗肯循環(huán)31迅速地再起動(dòng)。壓力調(diào)整閥68在 向膨脹機(jī)37中供給的冷媒的壓力過(guò)高的情況下打開，具有使壓力過(guò)高的冷媒外泄的安全 閥的作用。
膨脹機(jī)37下游的止回閥64是與上述的泵上游閥61協(xié)同動(dòng)作，用于防止冷媒向朗肯循環(huán)31集中的設(shè)備?；旌蟿?dòng)力車輛I的運(yùn)轉(zhuǎn)剛開始后，如果發(fā)動(dòng)機(jī)2未暖機(jī)，則朗肯循 環(huán)31比制冷循環(huán)51溫度低，有時(shí)冷媒會(huì)向朗肯循環(huán)31側(cè)集中。雖然向朗肯循環(huán)31側(cè)集 中的概率不是很高，但例如對(duì)于在夏天車輛運(yùn)轉(zhuǎn)剛開始后，想盡快使車內(nèi)冷卻的情況，此時(shí) 對(duì)冷氣設(shè)備能力要求最高，因此存在下述要求即使冷媒稍微集中也要消除，以確保制冷循 環(huán)51的冷媒。因此，為了防止冷媒向朗肯循環(huán)31側(cè)集中而設(shè)置止回閥64。
壓縮機(jī)52并不是在驅(qū)動(dòng)停止時(shí)冷媒可以自由通過(guò)的構(gòu)造，與空調(diào)回路閥69協(xié)同 動(dòng)作而可以防止冷媒向制冷循環(huán)51的集中。對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。在制冷循環(huán)51的運(yùn)轉(zhuǎn)停止 時(shí)，冷媒會(huì)從穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫度比較高的朗肯循環(huán)31側(cè)向制冷循環(huán)51側(cè)移動(dòng)，存在使得在 朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒不足的情況。在制冷循環(huán)51中，冷卻設(shè)備剛停止后，蒸發(fā)器 55的溫度變低，在容積比較大且溫度正在變低的蒸發(fā)器55中易于積存冷媒。在此情況下， 通過(guò)停止壓縮機(jī)52的驅(qū)動(dòng)而切斷冷媒從冷凝器38向蒸發(fā)器55的流動(dòng)，并且關(guān)閉空調(diào)回路 閥69，從而防止冷媒向制冷循環(huán)51的集中。
下面，圖5是表示發(fā)動(dòng)機(jī)2整體組件的發(fā)動(dòng)機(jī)2的概略斜視圖。圖5的特征，是熱 交換器36配置在排氣歧管4的鉛直上方。通過(guò)在排氣歧管4的鉛直上方的空間中配置熱 交換器36，使朗肯循環(huán)31向發(fā)動(dòng)機(jī)2中的搭載性提高。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)2中設(shè)置張緊輪8。
下面，參照?qǐng)D7A以及圖7B對(duì)朗肯循環(huán)31的基本的運(yùn)轉(zhuǎn)方法進(jìn)行說(shuō)明。
首先，圖7A以及圖7B是朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍圖。在圖7A中示出橫軸為外部 氣溫，縱軸為發(fā)動(dòng)機(jī)水溫(冷卻水溫度)時(shí)的朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，圖7B中示出橫軸為發(fā) 動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，縱軸為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩(發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載)時(shí)的朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域。
在圖7A以及圖7B的任何一個(gè)中均滿足規(guī)定的條件時(shí)，朗肯循環(huán)31進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，在 滿足上述兩個(gè)條件的情況下，朗肯循環(huán)31進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在圖7A中，在優(yōu)先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖 機(jī)的低水溫側(cè)的區(qū)域、和壓縮機(jī)52的負(fù)載增大的高外部氣溫側(cè)的區(qū)域中，停止朗肯循環(huán)31 的運(yùn)轉(zhuǎn)。在排氣溫度低且回收效率較差的暖機(jī)時(shí)，不如通過(guò)不運(yùn)轉(zhuǎn)朗肯循環(huán)31而使冷卻水 溫度迅速地上升。在要求較高的致冷能力的高外部溫度時(shí)停止朗肯循環(huán)31，從而向制冷循 環(huán)51提供足夠的冷媒和冷凝器38的冷卻能力。在圖7B中，由于是混合動(dòng)力車輛，因此，在 EV行駛區(qū)域和膨脹機(jī)37的摩擦增大的高轉(zhuǎn)速側(cè)的區(qū)域中停止朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于膨 脹機(jī)37難以成為在全部的旋轉(zhuǎn)速度下摩擦較小且具有高效率的構(gòu)造，因此，在圖7B的情況 下，膨脹機(jī)37構(gòu)成(膨脹機(jī)37的各部分的規(guī)格等設(shè)定)為，在運(yùn)轉(zhuǎn)頻率較高的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速 度區(qū)域中，使摩擦變小且具有高效率。
圖8是利用模型表示在利用膨脹機(jī)扭矩輔助發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)的中途，混合動(dòng) 力車輛I進(jìn)行加速時(shí)的情況的時(shí)序圖。此外，在圖8的右側(cè)，在膨脹機(jī)扭矩對(duì)應(yīng)圖上表示此 時(shí)膨脹機(jī)37的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)推移的情況。利用膨脹機(jī)扭矩對(duì)應(yīng)圖的等高線隔開的范圍中，膨脹 機(jī)旋轉(zhuǎn)速度低且膨脹機(jī)上游壓力較高的部分(左上)膨脹機(jī)扭矩最大，膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度高且 膨脹機(jī)上游壓力越變低(越向右下進(jìn)入)，存在膨脹機(jī)扭矩越變小的趨勢(shì)。特別是陰影部分 的范圍表示在驅(qū)動(dòng)冷媒泵的前提下，膨脹機(jī)扭矩變?yōu)樨?fù)，相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而變成負(fù)載的區(qū)域。
直至駕駛者踩下加速器踏板的tl為止，勻速行駛繼續(xù)而膨脹機(jī)37產(chǎn)生正的扭矩， 利用膨脹機(jī)扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行輔助。
tl以后，膨脹機(jī)37的旋轉(zhuǎn)速度，即，冷媒泵32的旋轉(zhuǎn)速度與發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度成 正比而上升，但排氣溫度或者冷卻水溫度的上升相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的上升具有遲延。因此，相對(duì)于通過(guò)冷媒泵32的旋轉(zhuǎn)速度的上升而增大的冷媒量，可以回收的熱量的比例降 低。
因此，隨著膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度上升，膨脹機(jī)上游的冷媒壓力降低，膨脹機(jī)扭矩降低。
由于該膨脹機(jī)扭矩的降低，如果不能得到足夠的膨脹機(jī)扭矩(例如變?yōu)榱愀浇?t2的定時(shí))，則膨脹機(jī)上游閥62從打開狀態(tài)切換至關(guān)閉狀態(tài)，從而避免再生效率的惡化(與 膨脹機(jī)扭矩的過(guò)度的降低相伴，膨脹機(jī)37反而拖拽發(fā)動(dòng)機(jī)2的現(xiàn)象)。
膨脹機(jī)上游閥62從打開狀態(tài)切換至關(guān)閉狀態(tài)后，在t3的定時(shí)，膨脹機(jī)離合器35 從連接(接合)切換至切斷(斷開)。通過(guò)使該膨脹機(jī)離合器35的切斷時(shí)機(jī)與膨脹機(jī)上游閥 62從打開狀態(tài)切換至關(guān)閉狀態(tài)時(shí)機(jī)相比具有少許遲延，從而使膨脹機(jī)上游的冷媒壓力充分 降低，可以防止斷開膨脹機(jī)離合器35時(shí)的膨脹機(jī)37成為過(guò)度旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。另外，利用冷媒泵 32將大量的冷媒向熱交換器36內(nèi)供給，通過(guò)在朗肯循環(huán)31停止中對(duì)冷媒也進(jìn)行有效地加 熱，從而可以使朗肯循環(huán)31的恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)順利地進(jìn)行。
t3以后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)2的散熱量的上升使膨脹機(jī)上游壓力再次上升，在t4的定時(shí)， 膨脹機(jī)上游閥62從關(guān)閉狀態(tài)切換至打開狀態(tài)，重新開始冷媒向膨脹機(jī)37中的供給。另外， t4時(shí)膨脹機(jī)離合器35被再次連接。通過(guò)該膨脹機(jī)離合器35的再次連接，重新開始利用膨 脹機(jī)扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)輔助。
圖9是利用模型表示從關(guān)閉膨脹機(jī)上游閥62并切斷膨脹機(jī)離合器35后的狀態(tài)下 的朗肯循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)停止開始，與圖8 (t4的控制)不同的狀態(tài)下的朗肯循環(huán)31的重新進(jìn)行 起動(dòng)時(shí)的情況的時(shí)序圖。
在til的定時(shí)，如果駕駛者踩下加速器踏板，則加速器開度增大。在til時(shí)朗肯循 環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)停止。因此，膨脹機(jī)扭矩維持為零。
與從til之后的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的上升相伴，發(fā)動(dòng)機(jī)2的散熱量增大，由于該散熱 量的增大，流入熱交換器36中的冷卻水溫度變高，熱交換器36內(nèi)的冷媒的溫度上升。由于 膨脹機(jī)上游閥62處于關(guān)閉，因此，通過(guò)由該熱交換器36產(chǎn)生的冷媒溫度的上升，使膨脹機(jī) 上游閥62的上游的冷媒壓力，即膨脹機(jī)上游壓力開始上升(til tl2)。
通過(guò)該運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的變化，從朗肯循環(huán)非運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域切換至朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域。在沒 有膨脹機(jī)上游閥62而向朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)換時(shí)，如果立即將膨脹機(jī)離合器35從切斷狀 態(tài)切換至連接狀態(tài)，使膨脹機(jī)37與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸連接，則膨脹機(jī)37成為發(fā)動(dòng)機(jī)2的負(fù)載， 會(huì)產(chǎn)生扭矩沖擊。
另一方面，在圖9中，在向朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域切換時(shí)，不立即將膨脹機(jī)上游閥62從 關(guān)閉狀態(tài)切換至打開狀態(tài)。即，在向朗肯循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)換之后，也繼續(xù)膨脹機(jī)上游閥62 的關(guān)閉狀態(tài)。
不久，在膨脹機(jī)上游壓力與膨脹機(jī)下游壓力的壓差變大，在成為大于或等于規(guī)定 壓力的tl2的定時(shí)，判斷可以運(yùn)轉(zhuǎn)(驅(qū)動(dòng))膨脹機(jī)37，將膨脹機(jī)上游閥62從關(guān)閉狀態(tài)切換至 打開狀態(tài)。通過(guò)向該膨脹機(jī)上游閥62的打開狀態(tài)的切換，向膨脹機(jī)37中供給規(guī)定壓力的 冷媒，使膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度從零迅速地上升。
在通過(guò)該膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的上升使膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的tl3 的定時(shí)，將膨脹機(jī)離合器35從切斷狀態(tài)切換至連接狀態(tài)。通過(guò)在膨脹機(jī)37增加到足夠的 旋轉(zhuǎn)速度之前使膨脹機(jī)離合器35連接，膨脹機(jī)37會(huì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)2的負(fù)載而發(fā)生扭矩沖擊。與其相對(duì)，通過(guò)在與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)速度差變?yōu)榱愕膖l3時(shí)，將膨脹機(jī)離合器35延遲 連接，可以防止膨脹機(jī)37成為發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載，并可以防止與膨脹機(jī)離合器35接合相伴的扭矩 沖擊。
圖10、圖11、圖12是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的朗肯循環(huán)的系統(tǒng)整體的概略結(jié) 構(gòu)圖，各圖表示3種運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的不同之處。即，圖10表示發(fā)動(dòng)機(jī)剛冷起動(dòng)后的催化劑暖機(jī)中 的各通路的狀態(tài)，圖11是表示發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)中的各通路的狀態(tài)，圖12是表示朗肯循環(huán)31 的運(yùn)轉(zhuǎn)中的各通路的狀態(tài)。
在此，作為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的推移，首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)剛冷起動(dòng)后的催化劑暖機(jī)，在催化劑 9的暖機(jī)結(jié)束后進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)。催化劑9的暖機(jī)，只要從發(fā)動(dòng)起動(dòng)開始簡(jiǎn)單地進(jìn)行預(yù) 先規(guī)定的時(shí)間即可。并且，在發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)結(jié)束后進(jìn)入朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn) 朗肯循環(huán)31。
在各圖中，利用實(shí)線記載通路的部分表示冷媒、純水、冷卻水循環(huán)，利用虛線記載 各通路的部分表示冷媒、純水、冷卻水未循環(huán)。另外，關(guān)于開閉閥123、138，在將開閉閥123、 138涂黑記載的情況下，表示開閉閥123、138處于完全關(guān)閉狀態(tài)，在將開閉閥123、138用白 色記載的情況下，表示開閉閥123、138處于完全打開狀態(tài)。以下，使用圖10對(duì)整體的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行說(shuō)明，在說(shuō)明3種運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的各作用的不同時(shí)，會(huì)提及圖11、圖12。
圖1示出的成為本發(fā)明的前提的朗肯循環(huán)，是暫時(shí)將排氣的熱量向發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水 回收，將該向發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水回收的熱經(jīng)由熱交換器36向在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒 (第I冷媒)回收的結(jié)構(gòu)。另一方面，本發(fā)明的第I實(shí)施方式是通過(guò)第I熱交換器92將排氣 的熱量向純水(第2冷媒)回收，并將該向純水回收的熱通過(guò)第2熱交換器111向在朗肯循 環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒(第I冷媒)回收的結(jié)構(gòu)。
在這里，與成為本發(fā)明的前提的朗肯循環(huán)的不同點(diǎn)是，將排氣的熱量不是向溫度 具有上限的冷卻水回收，而是向作為溫度上沒有上限的冷媒的純水回收。即，由于無(wú)法使冷 卻水沸騰，因此，無(wú)法使冷卻水上升至超過(guò)溫度的上限(例如110°c)。另一方面，由于作為冷 媒的新導(dǎo)入的純水與冷卻水不同，不受溫度限制，因此，可以使純水溫度上升至超過(guò)冷卻水 的溫度上限。換言之，可以使純水溫度上升至使純水成為汽化狀態(tài)的溫度為止，向第2熱交 換器111中供給汽化狀態(tài)的純水。并且，通過(guò)在該第2熱交換器111中利用使汽化狀態(tài)的 純水變成液化時(shí)的潛熱而與冷媒之間進(jìn)行熱交換，從而確保更多的熱交換量。
并且，第2熱交換器111構(gòu)成為，在純水與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水之間也可以進(jìn)行熱交 換，在發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)促進(jìn)時(shí)等可以將純水的熱傳給冷卻水。因此，在使排氣的熱量向朗肯 循環(huán)的冷媒和發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水移動(dòng)的前提下，排氣僅與純水(第2冷媒)進(jìn)行熱交換。由此， 由于第2熱交換器111僅擁有I種冷媒，因此，熱容量變小，在排氣通路中設(shè)置的催化劑的 暖機(jī)中途等，在不想冷卻排氣的情況下而停止純水的流動(dòng)時(shí)，可以減少?gòu)呐艢庵斜粖Z取至 第2熱交換器中的熱量。
在圖10中，純水循環(huán)91由第I熱交換器92、第2熱交換器111、以及將上述2個(gè) 熱交換器92、111連接的2條純水通路121、122構(gòu)成。
首先，利用圖13對(duì)在排氣歧管4中設(shè)置的第I熱交換器92進(jìn)行詳述。在這里， 圖13是第I熱交換器92的鉛直方向的概略剖面圖。在圖13中，第I熱交換器92主要由 蒸發(fā)器93構(gòu)成。蒸發(fā)器93是通過(guò)使從排氣歧管4擴(kuò)散的排氣的熱量與純水之間進(jìn)行熱交換，從而不僅使純水沸騰蒸發(fā)(汽化)，而且使純水溫度上升至規(guī)定的溫度的熱交換器，其具 有熱交換部94、下水箱98以及上水箱99。
熱交換部94由例如在鉛直方向上延伸的直筒狀或者板狀的多個(gè)套筒95、和在相 鄰套筒95之間的空間96中設(shè)置的散熱片97構(gòu)成。此外，雖然純水的蒸發(fā)能力會(huì)降低，但 以提高排氣效率為目的或以提高耐久性為目的，也可以不設(shè)置散熱片97。
在熱交換部94的鉛直下部沿水平方向設(shè)置的下水箱98，是將向下水箱98中供給 的凝結(jié)后的純水向各套筒95中分配的設(shè)備。在熱交換部94的鉛直上部沿水平方向設(shè)置的 上水箱99，是收集上升至各套筒95內(nèi)的純水的蒸汽的設(shè)備。利用上水箱99收集到的純水 的蒸汽，經(jīng)由出口 101向第2熱交換器111供給，通過(guò)熱交換器111排出的凝結(jié)后的純水經(jīng) 由入口 102返回到下水箱98中。
在此，將第I熱交換器92的規(guī)格確定為，將純水在蒸汽的狀態(tài)下向第2熱交換器 111中供給，且出口 101處的純水的蒸汽溫度最高達(dá)到150°C。
此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)2停止時(shí)下水箱98內(nèi)的純水的量不足的情況下，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)2 初始起動(dòng)時(shí)從未圖示的純水水箱經(jīng)由通路105向下水箱98中供給一定量的純水。
在圖13中，在第I熱交換器92的右端設(shè)置將上水箱99與下水箱98連通的通路 103，在該通路103的鉛直下部形成圓錐狀部104。
在這里，對(duì)形成圓錐狀部104的理由進(jìn)行說(shuō)明。在發(fā)動(dòng)機(jī)2的運(yùn)轉(zhuǎn)前純水處于規(guī) 定值Hl的液面高度。由于發(fā)動(dòng)機(jī)2的運(yùn)轉(zhuǎn)中排氣歧管4升成為高溫，如果純水進(jìn)行沸騰蒸 發(fā)，則純水從規(guī)定值Hl的液面高度下降至規(guī)定值H2的液面高度。在上述的液面高度下降 后的情況下，下水箱98的液面與通路103的液面的差(水頭差)變小，通常情況下向下水箱 98中流動(dòng)的純水的循環(huán)量變小。另一方面，在本實(shí)施方式中，由于在通路103的下部形成圓 錐狀部104，因此，在由于純水的沸騰蒸發(fā)使純水從規(guī)定值Hl下降至規(guī)定值H2的情況下，規(guī) 定值H2處的液面的面積成為大于規(guī)定值Hl處的液面的面積。如果H2處的液面的面積大 于Hl處的液面的面積，則由于即使蒸汽壓力相同，也因?yàn)榇嬖诿娣e差的部分而使向鉛直下 方按壓的蒸汽的力變大，因此，利用該變大的蒸汽的力可以維持使向下水箱98中流動(dòng)的純 水的循環(huán)量不發(fā)生降低。由此，第I熱交換器92的規(guī)格確定為，在純水沸騰蒸發(fā)期間，使在 該圓錐狀部104處凝結(jié)后的純水的液面下降。
在排氣歧管4中設(shè)置第I熱交換器92的位置，實(shí)際如圖14所示，即，由于排氣歧 管4由與各氣缸的排氣端口連接的各分支部4a、和將上述各分支部4a集合為一個(gè)的集合部 4b構(gòu)成，因此，優(yōu)選在靠近集合部4b的各分支部4a (參照陰影)處設(shè)置第I熱交換器92。 如果是圖14示出的3氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)的情況，則可以列舉3處部位作為第I熱交換器92的設(shè) 置部位。在任何部位設(shè)置均可。
圖15是表示下水箱98至分支部4a的配置的概略斜視圖。在假設(shè)圖13示出的下 水箱98是圓柱狀的情況下，將該圓柱狀的下水箱98沿著分支部4a內(nèi)的排氣流動(dòng)設(shè)置。并 且，使從第2熱交換器111返回來(lái)的凝結(jié)后的純水返回至排氣流動(dòng)的下游，使返回后的液態(tài) 的純水在下水箱98的內(nèi)部流向排氣流動(dòng)的上游。如上所述通過(guò)將返回下水箱98的液態(tài)的 純水的流動(dòng)，與在分支部4a內(nèi)的排氣的流動(dòng)成為相對(duì)的流向，從而使用于使純水沸騰蒸發(fā) 的熱源成為更高的溫度。另外，可以擴(kuò)大熱交換的表面積，可以提高從排氣向純水回收的熱 量。
下面，圖10示出的第2熱交換器111，是在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒和發(fā)動(dòng) 機(jī)冷卻水中的某一個(gè)、與通過(guò)第I熱交換器92供給的純水的蒸汽之間進(jìn)行熱交換的設(shè)備。
使用圖16、圖17對(duì)該第2熱交換器111進(jìn)行詳述。在這里，圖16是表示第2熱交 換器111中的3種冷媒(純水、冷媒、冷卻水)的流動(dòng)方向的模型圖。如圖16所示，第2熱交 換器111由純水的蒸汽流動(dòng)的純水通路112、在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒流動(dòng)的冷媒 通路113、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流動(dòng)的冷卻水通路114構(gòu)成。在此情況下，將純水通路112的中央 部112c設(shè)置為比純水通路112的入口 112a以及出口 112b更寬，在設(shè)置較寬的中央部112c 中設(shè)置冷媒通路113和冷卻水通路114。即，并列配置冷媒通路113和冷卻水通路114，并且 相對(duì)于在圖16的純水通路112中從上向下朝向而流動(dòng)的純水流動(dòng)，使上述的2條通路113、 114與其正交(相交叉)。這是為了增大與純水的蒸汽接觸的部分、即有助于進(jìn)行熱交換的面 積。
并且，冷媒通路113與冷卻水通路114相比，設(shè)置在純水通路112的上游側(cè)。另 外，在圖16中，冷媒通路113的入口 113a設(shè)置在左側(cè)，冷卻水通路114的入口 114a設(shè)置在 右側(cè)，使冷媒與冷卻水形成對(duì)流而流動(dòng)。不僅限與此，也可以使2條通路113、114的入口 113a、114a，出口 113c、114c設(shè)置在同側(cè)，使冷媒、冷卻水向相同方向流動(dòng)。
圖17是圖16示出的第2熱交換器111中的冷媒通路113以及冷卻水通路114的 具體的結(jié)構(gòu)圖。冷媒通路113由入口 113a、向入口 113a的左右方向延伸的通路113b、出口 113c、向出口 113c的左右方向延伸的通路113d、以及在上述2條通路113b、113d之間等間 隔并列地配置的5條通路113e構(gòu)成。冷卻水通路114由入口 114a、向入口 114a的左右方 向延伸的通路114b、出口 114c、向出口 114c的左右方向延伸的通路114d、以及在上述2條 通路114b、114d之間等間隔并列地配置的4條通路114e構(gòu)成。將上述的2條通路113、114 在圖17的左右方向錯(cuò)開配置時(shí)，在并列配置的5條通路113e與并列配置的4條通路114e 之間產(chǎn)生8個(gè)空間115。即，以在并列配置的5條通路113e以及4條通路114e之間產(chǎn)生8 個(gè)空間115的方式形成2條通路113、114。并且，使如上所述錯(cuò)開配置的2條通路113、114 配置為，與在純水通路112中流過(guò)的純水流動(dòng)正交。由此，在圖17中通路113e、114e之間 產(chǎn)生的8個(gè)空間115中，在沿著貫穿紙面的方向上通過(guò)純水的蒸汽，在純水的蒸汽與在朗肯 循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒之間，或者在純水的蒸汽與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
在此情況下，在第2熱交換器111中，利用使沸騰蒸發(fā)(汽化)后的純水液化時(shí)的潛 熱，在其與冷媒或者冷卻水之間進(jìn)行熱交換。由此，可以確保更多的熱交換量。使在第2熱 交換器111中通過(guò)熱交換而凝結(jié)后的純水，向在第2熱交換器111的鉛直下方配置的存水 部116中下落并儲(chǔ)存(參照?qǐng)D10)。此外，并列配置的通路113e、114e的數(shù)量并不僅限于上 述情況。
并且，在第2熱交換器111中的冷媒與冷卻水之間的熱傳遞容易度，小于在第2熱 交換器111中的純水與冷媒之間、以及純水與冷卻水之間的熱傳遞容易度。在此，所謂“熱 傳遞容易度”，是指在2條冷媒通路的冷媒的溫度差相等并且溫度本身也相同時(shí)，每單位時(shí) 間在2條冷媒通路之間傳遞熱量的大小。因此，如果熱傳遞容易度為相對(duì)較大，在2條冷媒 通路之間傳遞的熱量的大小就變得較大，反之，如果熱傳遞容易度為相對(duì)較小，則在2條冷 媒通路之間傳遞的熱量的大小變得較小。該熱傳遞容易度根據(jù)構(gòu)造、熱通過(guò)部位的截面積、 熱通過(guò)部位的材料(熱傳導(dǎo)率)的不同而變化。例如，構(gòu)造的不同是指與冷媒的接觸面積大小(SV比)和翅片的有無(wú)(接觸面積較大的情況與接觸面積較小的情況相比，有翅片的情況與沒有翅片的情況相比，熱傳遞容易度變得較大)。熱通過(guò)部位的截面積的不同是指通路直徑的不同(冷媒通路較細(xì)的情況與冷媒通路較粗的情況相比，熱傳遞容易度變得較大)。熱通過(guò)部位的材料的不同是指材料的熱傳導(dǎo)率的不同(熱傳導(dǎo)率較大的材料的情況與熱傳導(dǎo)率較小的材料的情況相比，熱傳遞容易度變得較大)。
返回到圖10，第I熱交換器92的出口 101與第2熱交換器111的純水通路112的入口 112a (參照?qǐng)D16)通過(guò)純水通路121連接，第2熱交換器111的存水部116與第I熱交換器92的入口 102通過(guò)純水通路122連接。并且，為了控制純水的循環(huán)·停止，在純水通路122中設(shè)置常閉的第I開閉閥123。
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水回路由通常的冷卻水通路、和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水任意地流動(dòng)的冷卻水通路構(gòu)成。在這里,通常的冷卻水通路是由4條冷卻水通路13、131、132、134構(gòu)成。S卩，冷卻水通路13是將發(fā)動(dòng)機(jī)2的出口的冷卻水向恒溫閥15中供給的通路，冷卻水通路131是從恒溫閥15經(jīng)過(guò)散熱器11的通路，第I旁路冷卻水通路132是繞過(guò)散熱器11的通路。冷卻水通路134是使上述的2條冷卻水通路131、132合流并返回到發(fā)動(dòng)機(jī)2的通路。在該冷卻水通路134中安裝冷卻水泵16。
作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水任意地流動(dòng)的冷卻水通路，設(shè)置第2旁路冷卻水通路135，在該第2旁路冷卻水通路135中安裝第2熱交換器111的冷卻水通路114。在這里，在第2熱交換器111的前后，將第2旁路冷卻水通路135劃分為2條冷卻水通路135a、135b。S卩，一條冷卻水通路135a是從冷卻水通路134分支而向第2熱交換器111的冷卻水通路113中供給冷卻水的通路，另一條冷卻水通路135b是使從第2熱交換器111的冷卻水通路113流出的冷卻水與冷卻水通路13合流的通路。并且，為了控制向第2旁路冷卻水通路135中流入的冷卻水的循環(huán)·停止，在冷卻水通路135a中設(shè)置常閉的第2開閉閥138。
并且，朗肯循環(huán)31具有冷媒泵32、蒸發(fā)器141、第2熱交換器111、膨脹機(jī)37以及冷凝器(凝結(jié)器)，各結(jié)構(gòu)要素通過(guò)使冷媒(R134a等)循環(huán)的冷媒通路41 44、47連接。
圖1示出的熱交換器36是將加熱器(蒸發(fā)器)與過(guò)熱器組合而成。另一方面，在圖 10中，圖1示出的熱交換器36由蒸發(fā)器141與作為過(guò)熱器的第2熱交換器111構(gòu)成。
首先，在蒸發(fā)器141中，使用于熱交換的冷卻水通路141a與冷媒通路141b相鄰而設(shè)置。將蒸發(fā)器141的冷卻水通路141a安裝在冷卻水通路13中，并流過(guò)從發(fā)動(dòng)機(jī)2排出的冷卻水。
將冷媒通路41與蒸發(fā)器141的冷媒通路141b連接，并導(dǎo)入冷媒泵32噴出的液體冷媒。由此，在液體冷媒與發(fā)動(dòng)機(jī)2的出口的冷卻水之間進(jìn)行熱交換，使液體冷媒蒸發(fā)而成為氣體冷媒。
將蒸發(fā)器141的冷媒通路141b排出的氣體冷媒經(jīng)由冷媒通路47向第2熱交換器 111的冷媒通路114中導(dǎo)入。由此，在氣體冷媒與純水的蒸汽之間進(jìn)行熱交換，氣體冷媒的溫度、壓力上升。這樣，使溫度、壓力上升后的氣體冷媒經(jīng)由冷媒通路42向膨脹機(jī)37中供5口 O
下面，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)剛冷起動(dòng)后的催化劑暖機(jī)中、發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)中、朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行的各種控制進(jìn)行說(shuō)明。
在這里，對(duì)控制方面作為前提的事項(xiàng)預(yù)先進(jìn)行說(shuō)明。在本實(shí)施方式中，采用R134作為在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒(第I冷媒)，采用LLC (Long Life Coolant ;長(zhǎng)壽防凍液)作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水。此時(shí)，純水(第2冷媒)的沸點(diǎn)是100°C，R134的沸點(diǎn)是80°C 90°C, LLC的沸點(diǎn)是大約120°C。在3種冷媒的動(dòng)作溫度范圍(負(fù)數(shù)十。C 超過(guò)100°C)中， 純水和R134在純水循環(huán)91、朗肯循環(huán)31的各循環(huán)中，是氣液混合物(不僅是氣體冷媒，空氣也存在)。另一方面，LLC在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水回路中只是液體(除了空氣積存，原則上不包含空氣)。
另外，在本實(shí)施方式中，為了確保從第I熱交換器92至第2熱交換器111為止，使純水為蒸汽狀態(tài)，在第I熱交換器92的出口處使純水的最高溫度為150°C。為了確保從蒸發(fā)器141至第2熱交換器111為止使R134為氣體冷媒，在蒸發(fā)器141的出口處使R134的最高溫度為120°C。為了不使LLC沸騰，在冷卻水通路13的發(fā)動(dòng)機(jī)2的出口處使LLC的最高溫度為110°C。
(I)發(fā)動(dòng)機(jī)剛冷起動(dòng)后的催化劑暖機(jī)中
為了使在排氣歧管4的下游處設(shè)置的催化劑9從發(fā)動(dòng)機(jī)2的冷態(tài)開始盡快地暖機(jī)完成，不從排氣中回收熱。因此，如圖10所示，使第I開閉閥123處于完全關(guān)閉狀態(tài)而停止純水在純水循環(huán)91中進(jìn)行循環(huán)。另外，使第2開閉閥138處于完全關(guān)閉狀態(tài)而不向第2熱交換器111中供給LLC。
此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛冷起動(dòng)后的催化劑暖機(jī)中，不處于朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，所以朗肯循環(huán)31不運(yùn)轉(zhuǎn)。在這里，所謂“使朗肯循環(huán)31運(yùn)轉(zhuǎn)”，是指使冷媒(R134)在朗肯循環(huán)31的冷媒通路中循環(huán)。因此，在朗肯循環(huán)31不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，R134不在第2熱交換器111 的冷媒通路114中流動(dòng)。
將此時(shí)的第2熱交換器111內(nèi)的3種冷媒的動(dòng)作，在用點(diǎn)劃線包圍的圖10的右上圖中表示。即，由于純水不流過(guò)純水通路112，因此，在其與R134或LLC之間不進(jìn)行熱交換。 此外，圖10的右上圖中的箭頭只表示流動(dòng)方向，純水、R134、LLC中任何一種均不流動(dòng)。
(2)發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)中
在催化劑9的暖機(jī)完成后，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)2盡快地暖機(jī)完成，從排氣中盡量多地回收熱，使回收的熱向LLC中移動(dòng)。為此，如圖11所示，使第I開閉閥123處于完全打開狀態(tài)而使純水的蒸汽向第2熱交換器111中供給。另外，使第2開閉閥138處于完全打開狀態(tài)， 使冷卻水泵16噴出的冷卻水向第2熱交換器111中供給。
此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)中也不處于朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，所以朗肯循環(huán) 31不運(yùn)轉(zhuǎn)。
將此時(shí)的第2熱交換器111內(nèi)的3種冷媒的動(dòng)作，在用點(diǎn)劃線包圍的圖11的右上圖中表示。S卩，圖11的右上圖中的箭頭表示純水的蒸汽以及液態(tài)的LLC正在流動(dòng)。S卩，純水的蒸汽流過(guò)純水通路112，在該純水的蒸汽與流過(guò)冷卻水通路114的液態(tài)的LLC之間進(jìn)行熱交換，從而加熱低溫的液態(tài)的LLC。該加熱后的LLC從冷卻水通路135b、恒溫閥15、第 2旁路冷卻水通路132、冷卻水通路134返回到發(fā)動(dòng)機(jī)2中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行暖機(jī)。此外，在冷媒通路113中的R134不強(qiáng)制地流動(dòng)的情況下，只從高溫部向低溫部移動(dòng)。
(3)朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)中
使朗肯循環(huán)31運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要從排氣中盡量多地回收熱，將回收的熱向氣態(tài)的R134轉(zhuǎn)移。為此，如圖12所示，使第I開閉閥123處于完全打開狀態(tài)而使純水的蒸汽向第2熱交換器111中供給，并且將來(lái)自蒸發(fā)器141的氣態(tài)的R134向第2熱交換器111中供給。
在這里，在朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于僅希望與在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的R134 進(jìn)行熱交換，因此，為了使被LLC奪取的熱量為最小限度，使第2開閉閥138處于完全關(guān)閉狀態(tài)而使LLC不流向第2熱交換器111中。如果LLC不流向第2熱交換器111的冷卻水通路114中，則通常，在冷卻水通路114的內(nèi)部LLC會(huì)局部地產(chǎn)生沸騰，但是，由于與LLC相鄰存在的R134與純水進(jìn)行熱交換，從而可以避免LLC的局部的沸騰。
將此時(shí)的第2熱交換器111內(nèi)的3種冷媒的動(dòng)作，在用點(diǎn)劃線包圍的圖12的右上圖中表示。即，圖12的右上圖中的箭頭表示純水的蒸汽以及氣態(tài)的R134流動(dòng)。S卩，純水的蒸汽流過(guò)純水通路112，在該純水的蒸汽與流過(guò)冷媒通路113的氣態(tài)的R134之間進(jìn)行熱交換，從而使氣態(tài)的R134過(guò)熱。將該過(guò)熱后的氣態(tài)的R134經(jīng)由冷媒通路42向膨脹機(jī)37中供給，從而對(duì)膨脹機(jī)37進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)該旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)冷媒泵32，使R134在朗肯循環(huán)31的冷媒通路中循環(huán)。
圖18是第I實(shí)施方式的控制系的框圖。發(fā)動(dòng)機(jī)控制器71中輸入通過(guò)水溫傳感器 141檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度，通過(guò)外部氣溫傳感器142檢測(cè)的外部氣溫，通過(guò)曲軸轉(zhuǎn)角傳感器143檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器71中，基于上述信號(hào)控制上述2個(gè)開閉閥123、138的開閉。
參照?qǐng)D19的流程圖對(duì)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器71進(jìn)行的上述控制進(jìn)行說(shuō)明。圖19用于說(shuō)明2個(gè)開閉閥123、138的驅(qū)動(dòng)，圖19的流程每隔一定時(shí)間(例如每IOms)執(zhí)行一次。
在步驟I中觀察是否為發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)。這可以從通過(guò)水溫傳感器141檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的冷卻水溫度進(jìn)行判斷。在不是發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)時(shí)，直接結(jié)束本次的處理。
如果是發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)狀態(tài)，則進(jìn)入步驟2，觀察催化劑9的暖機(jī)是否完成。這只要簡(jiǎn)單地通過(guò)從發(fā)動(dòng)機(jī)2的曲軸起動(dòng)的開始起動(dòng)第I定時(shí)器，使第I定時(shí)器值與第I規(guī)定值相比較而進(jìn)行即可。作為第I規(guī)定值，預(yù)先設(shè)定催化劑9暖機(jī)完成的時(shí)間。在第I定時(shí)器值不足第I規(guī)定值時(shí)，判斷為催化劑9處于暖機(jī)中而進(jìn)入步驟3，為了排氣的熱量不被奪走，使第1、第2的開閉閥123、138均處于完全關(guān)閉狀態(tài)(參照?qǐng)D10)。重復(fù)步驟3的操作直到第 I定時(shí)器值達(dá)到第I規(guī)定值為止。
在步驟2中，當(dāng)?shù)贗定時(shí)器值到達(dá)規(guī)定值時(shí)，判斷為催化劑9的暖機(jī)完成，進(jìn)入步驟4。在步驟4中觀察發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)是否完成。這只要簡(jiǎn)單地通過(guò)從催化劑9的暖機(jī)完成開始起動(dòng)第2定時(shí)器，使第2定時(shí)器值與第2規(guī)定值相比較而進(jìn)行即可。作為第2規(guī)定值，預(yù)先設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)2完成暖機(jī)的時(shí)間。在第2定時(shí)器值不足第2規(guī)定值時(shí)，判斷為發(fā)動(dòng)機(jī) 2處于暖機(jī)中而進(jìn)入步驟5，為了從回收排氣的熱量的純水中，將純水的熱進(jìn)一步向發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水中回收，使第1、第2的開閉閥123、138均處于完全打開狀態(tài)(參照?qǐng)D11)。重復(fù)步驟 5的操作直到第2定時(shí)器值達(dá)到第2規(guī)定值為止。
在步驟4中，當(dāng)?shù)?定`時(shí)器值到達(dá)第2規(guī)定值時(shí)，判斷為發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)完成而進(jìn)入步驟6。在步驟6中基于由水溫傳感器141檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度、由外部氣溫傳感器142檢測(cè)的外部氣溫、由曲軸轉(zhuǎn)角傳感器143檢測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，觀察是否處于上述圖7A、圖7B示出的朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域。在這里，預(yù)先作成將發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和燃料噴射量作為參數(shù)的對(duì)應(yīng)圖，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可以基于此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度和燃料噴射量，對(duì)上述的對(duì)應(yīng)圖進(jìn)行檢索而進(jìn)行判斷。如果不是處于朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域，則結(jié)束本次的處理。
在步驟6中，當(dāng)處于朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域時(shí)進(jìn)入步驟7，為了從回收了排氣的熱 量的純水中，將純水的熱進(jìn)一步向冷媒中回收，使第I開閉閥123處于完全打開狀態(tài)，使第 2開閉閥138處于完全關(guān)閉狀態(tài)(參照?qǐng)D12)。
在這里，對(duì)本實(shí)施方式的作用效果進(jìn)行說(shuō)明。
在本實(shí)施方式中，第2熱交換器111 (熱交換器)在使用冷媒(第I冷媒)而產(chǎn)生動(dòng) 力的朗肯循環(huán)31中使用，第2熱交換器111在由發(fā)動(dòng)機(jī)2的排氣的熱量加溫后的純水(第 2冷媒)與上述冷媒(第I冷媒)以及發(fā)動(dòng)機(jī)2的冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
在本實(shí)施方式中，朗肯循環(huán)31包含將發(fā)動(dòng)機(jī)2的廢熱向冷媒(第I冷媒)中回收 的熱交換器(92、111);使用該熱交換器的出口的冷媒而產(chǎn)生動(dòng)力的膨脹機(jī)37 ;使該膨脹機(jī) 37排出的冷媒凝結(jié)的冷凝器38 ；以及將來(lái)自該冷凝器38的冷媒向上述熱交換器(92、111) 中供給的冷媒泵32，上述熱交換器(92、111)具有將排氣的熱量向純水(第2冷媒)回收的 第I熱交換器92 ;以及第2熱交換器111，其具有用于在該純水與冷媒以及發(fā)動(dòng)機(jī)2的冷卻 水之間進(jìn)行熱交換的純水通路112 (第2冷媒通路)、以及冷媒通路113 (第I冷媒通路)和 冷卻水通路114。
根據(jù)本實(shí)施方式，與在朗肯循環(huán)31中進(jìn)行循環(huán)的冷媒(第I冷媒)進(jìn)行熱交換的是 純水(第2冷媒)。由此，通過(guò)將純水的溫度設(shè)定為比排氣溫度低的溫度(第I熱交換器的出 口溫度是150°C)，以使得純水的溫度不超過(guò)使R134等冷媒熱分解的高溫度，從而可以避免 冷媒的熱分解，并且提高與冷媒的熱交換量。
另外，根據(jù)本發(fā)明，由于排氣只與純水(第2冷媒)進(jìn)行熱交換，因此，在不想冷卻排 氣時(shí)，只要通過(guò)停止純水向第2熱交換器111中的供給，減少?gòu)呐艢庵袏Z取的熱量即可。在 排氣通路中具有催化劑9的發(fā)動(dòng)機(jī)2中，要求在發(fā)動(dòng)機(jī)2的冷起動(dòng)時(shí)首先盡快使催化劑9 暖機(jī)完成。在此情況下，根據(jù)本實(shí)施方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)2剛冷起動(dòng)后，不想冷卻排氣時(shí)，只要通 過(guò)停止純水向第2熱交換器111中的供給，減少?gòu)呐艢庵袏Z取的熱量即可，可以使催化劑9 盡快暖機(jī)完成。
根據(jù)本發(fā)明，具有將冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)2而升溫后的冷卻水向散熱器11中供給的第I 冷卻水通路(13、131);使來(lái)自該散熱器11的冷卻水返回到發(fā)動(dòng)機(jī)2中的第2冷卻水通路 (131,134);從第I冷卻水通路(13)分支，繞過(guò)散熱器11而流過(guò)冷卻水的第I旁路冷卻水 通路132 ;對(duì)該第I旁路冷卻水通路132進(jìn)行接通·斷開的恒溫閥15 ;對(duì)冷卻水進(jìn)行加壓 輸送的冷卻水泵16 ;以及從第2冷卻水通路(134)分支，繞過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)2而流過(guò)冷卻水的第2 旁路冷卻水通路135，第2熱交換器111還具有與純水(第2冷媒)之間進(jìn)行熱交換的冷卻 水通路114，將該冷卻水通路114安裝在第2旁路冷卻水通路135中，因此，在停止朗肯循 環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)中途，通過(guò)將純水(第2冷媒)向第2熱交換器111中供給， 使純水與冷卻水之間進(jìn)行熱交換，從而可以促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明，在第I熱交換器92中利用排氣的熱量將純水(第2冷媒)汽化，在第 2熱交換器111中利用使該汽化后的純水液化時(shí)的潛熱，在其與冷媒(第I冷媒)和冷卻水 的任意一方之間進(jìn)行熱交換，因此，在純水、冷媒和冷卻水的任意一方之間進(jìn)行熱交換時(shí)， 可以確保更多的熱交換量。
如果冷媒(第I冷媒)與冷卻水之間的熱交換量相對(duì)較大，則在希望僅從純水(第2冷媒)向冷媒(第I冷媒)和冷卻水中的任意一個(gè)、例如僅向冷媒中熱移動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生向冷卻 水中的熱移動(dòng)。另外，在僅希望向冷卻水中熱移動(dòng)時(shí)，會(huì)發(fā)生向冷媒中的熱移動(dòng)。即，會(huì)向 不希望發(fā)生熱移動(dòng)側(cè)發(fā)生純水(第2冷媒)的熱泄漏。另一方面，根據(jù)本實(shí)施方式，由于第2 熱交換器111中的冷媒(第I冷媒)與冷卻水之間的熱傳遞容易度，小于第2熱交換器111 中的純水(第2冷媒)與冷媒(第I冷媒)之間、以及純水(第2冷媒)與冷卻水之間的熱傳遞 容易度，因此，冷媒與冷卻水之間的熱交換量相對(duì)較少，在希望僅從純水向冷媒與冷卻水中 的任意一個(gè)進(jìn)行熱交換時(shí)，可以抑制向不希望發(fā)生熱移動(dòng)側(cè)(介質(zhì))發(fā)生的純水(第2冷媒) 的熱泄露，可以提聞熱交換效率。
根據(jù)本實(shí)施方式，對(duì)于具有第2熱交換器111的冷媒通路113 (第I冷媒通路)、純 水通路112 (第2冷媒通路)、冷卻水通路114，使冷媒通路113以及冷卻水通路114與純水 通路112正交(相交叉)而設(shè)置，并且，由于冷媒通路113與冷卻水通路114相比設(shè)置在純 水通路112的上游側(cè)，因此，在停止朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)中途，通過(guò)將純水 (第2冷媒)向第2熱交換器111中供給，在純水(第2冷媒)與冷卻水之間進(jìn)行熱交換，從而 可以促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)。此時(shí)，冷媒通路113的冷媒從溫度較高的一方向較低的一方移 動(dòng)。
根據(jù)本實(shí)施方式，由于設(shè)置將第2旁路冷卻水通路135接通·斷開的第2開閉閥 138 (閥)，在朗肯循環(huán)31的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域中關(guān)閉該第2開閉閥138 (參照?qǐng)D19的步驟6、7)，因 此，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)2的暖機(jī)完成后將純水(第2冷媒)向第2熱交換器111中供給，在純水 (第2冷媒)與冷媒(第I冷媒)之間進(jìn)行熱交換，從而可以使朗肯循環(huán)31運(yùn)轉(zhuǎn)。并且，如果 LLC (冷卻水)不流過(guò)冷卻水通路114，則通常在冷卻水通路114的內(nèi)部LLC (冷卻水)會(huì)產(chǎn) 生局部地沸騰，但是，由于與LLC相鄰存在的R134 (第I冷媒)與純水進(jìn)行熱交換，所以，可 以避免LLC的局部地沸騰。
根據(jù)本實(shí)施方式，由于第I冷媒是冷凍用的冷媒，第2冷媒是純水，冷卻水是LLC， 因此，可以高效率地回收排氣的熱量。
作為冷卻水舉出LLC,但是并不局限于LLC。
在實(shí)施方式中，對(duì)混合動(dòng)力車輛的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但是并不局限于此。本發(fā)明也 適用于僅搭載發(fā)動(dòng)機(jī)2的車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)2可以是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的任意一種。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，其在使用第I冷媒而產(chǎn)生動(dòng)力的朗肯循環(huán)中使用，其特征在于，所述熱交換器，在被發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱量加熱的第2冷媒、與所述第I冷媒以及所述發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，向所述熱交換器導(dǎo)入的第2冷媒，是被發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的熱量加熱并汽化的氣相冷媒，利用使所述氣相的第2冷媒液化時(shí)的潛熱，在其與所述第I冷媒以及所述冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述第I冷媒與所述冷卻水之間的熱傳遞容易度，小于所述第2冷媒與所述第I冷媒之間、以及所述第2冷媒與所述冷卻水之間的熱傳遞容易度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，使流過(guò)所述第I冷媒的第I冷媒通路以及流過(guò)所述冷卻水的冷卻水通路，與流過(guò)所述第2冷媒的第2冷媒通路相交叉而設(shè)置，并且第I冷媒通路與冷卻水通路相比，配置在第2 冷媒通路的上游側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述第I冷媒是制冷循環(huán)用的冷媒，所述第2冷媒是純水，所述冷卻水是LLC。
6.一種朗肯循環(huán)，其包含將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱向第I冷媒回收的熱交換器；使用該熱交換器出口的第I冷媒而產(chǎn)生動(dòng)力的膨脹機(jī)；使從該膨脹機(jī)排出的第I冷媒凝結(jié)的冷凝器；以及將來(lái)自該冷凝器的第I冷媒向所述熱交換器中供給的冷媒泵，其特征在于，所述熱交換器具有第I熱交換器，其將排氣的熱量向第2冷媒回收；以及第2熱交換器，其具有第2冷媒通路、第I冷媒通路、以及冷卻水通路，它們用于在該第 2冷媒與所述第I冷媒以及所述發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的朗肯循環(huán)，其特征在于，具有第I冷卻水通路，其將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻而升溫后的冷卻水向散熱器供給；第2冷卻水通路，其使來(lái)自該散熱器的冷卻水返回到發(fā)動(dòng)機(jī)；第I旁路冷卻水通路，其從所述第I冷卻水通路分支，繞過(guò)所述散熱器而流過(guò)冷卻水；恒溫閥，其對(duì)該第I旁路冷卻水通路進(jìn)行接通·斷開；冷卻水泵，其對(duì)冷卻水進(jìn)行加壓輸送；以及第2旁路冷卻水通路，其從所述第2冷卻水通路分支，在由第I冷卻水通路以及第2冷卻水通路組成的冷卻水通路的區(qū)間中，繞過(guò)所述發(fā)動(dòng)機(jī)而流過(guò)冷卻水，其不與所述第I旁路冷卻水通路重復(fù)，且不繞過(guò)所述冷卻水泵；將所述第2熱交換器的冷卻水通路安裝到所述第2旁路冷卻水通路中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的朗肯循環(huán)，其特征在于，在所述第I熱交換器中，利用排氣的熱量使所述第2冷媒汽化，在所述第2熱交換器中，利用使該汽化后的第2冷媒液化時(shí)的潛熱，在其與所述第I冷媒和所述冷卻水的任意一個(gè)之間進(jìn)行熱交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的朗肯循環(huán)，其特征在于，在所述第2熱交換器中的所述第I冷媒與所述冷卻水之間的熱交換容易度，小于在所述第2熱交換器中的所述第2冷媒與所述第I冷媒之間、以及所述第2冷媒與所述冷卻水之間的熱傳遞容易度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任意一項(xiàng)所述的朗肯循環(huán)，其特征在于，對(duì)于所述第2熱交換器具有的第I冷媒通路、第2冷媒通路、冷卻水通路，使第I冷媒通路以及冷卻水通路與第2冷媒通路相交叉而設(shè)置，并且第I冷媒通路與冷卻水通路相比， 設(shè)置在第2冷媒通路的上游側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的朗肯循環(huán)，其特征在于，設(shè)置閥，其對(duì)所述第2旁路冷卻水通路進(jìn)行接通·斷開，在所述朗肯循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)，關(guān)閉該閥。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的朗肯循環(huán)，其特征在于，所述第I冷媒是制冷循環(huán)用的冷媒，所述第2冷媒是純水，所述冷卻水是LLC。
全文摘要
本發(fā)明提供一種朗肯循環(huán)，其避免冷媒的熱分解，并提高與冷媒的熱交換量。該朗肯循環(huán)(31)包含熱交換器(92、111)，其將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱向第1冷媒回收；膨脹機(jī)(37)，其使用該熱交換器出口的第1冷媒而產(chǎn)生動(dòng)力；冷凝器(38)，其使從該膨脹機(jī)排出的第1冷媒凝結(jié)；以及冷媒泵(32)，其將由該冷凝器凝結(jié)而得到的第1冷媒向上述熱交換器供給，熱交換器具有第1熱交換器(92)，其將排氣的熱量向第2冷媒中回收；以及第2熱交換器，其具有第2冷媒通路(112)以及第1冷媒通路(113)與冷卻水通路(114)，它們用于在該第2冷媒與第1冷媒以及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水之間進(jìn)行熱交換。
文檔編號(hào)F02G5/02GK103032997SQ20121032176
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者后藤泰尚, 石川貴幸, 深見徹 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社