自動車の熱管理技術と課題

1
自動車の熱管理技術と課題
トヨタ自動車（株）
車両基盤企画部車両統合技術開発室
松野孝充
TOYOTA
2
都市環境
排気ガス
自動車と環境
地球環境
CO2
エネルギー需給
リサイクル
TOYOTA
3
究極の環境対応車をめざして
究極の環境対応車
Gate3
ｴﾈﾙｷﾞｰｾｷｭﾘﾃｨ
Gate2
ＣＯ２削減
THSⅡ FCHV
THS
合成燃料
ﾊﾞｲｵ燃料ハイブリッド技術 PHV
ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ HV
DPNR
Gate1
排ｶﾞｽｸﾘｰﾝ化
CNG
代替燃料
エンジン
ｺﾓﾝﾚｰﾙ
ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ
エンジン
D-4
ﾘｰﾝﾊﾞｰﾝ
VVT-i
ガソリン
エンジン
EV
電気
ｴﾈﾙｷﾞｰ車
TOYOTA
4
CO2排出量規制
出典：Y.Matsuda：Toyota’s Powertrain Strategy・・・
32.International Wiener Motorsymposium 2011
TOYOTA
熱ﾏﾈｰｼﾞﾒﾝﾄの目的
5
暖機完了後のｴﾈﾙｷﾞｰﾌﾛｰ
車速
(km/h)
燃料Q
燃料Qｆ
ｴﾝｼﾞﾝ
回転数
(rpm)
100%
エ
ン
ジ
E/
ン
G
ｴﾝｼﾞﾝ
冷却水
温(℃)
冷却水受
熱量
Qw 35%
排気損失
Qex26%
ｴｽﾃｨﾏHV
HV化で効率向上したものの
まだ60%は熱損失
→有効ｴﾈﾙｷﾞｰへ変換(Recycle)
ｴﾝｼﾞﾝ仕事量Le
ｴﾝｼﾞﾝ仕事量Le
39%
更なる燃費向上
時間(sec)
時間(sec)
冬季ｺｰﾙﾄﾞｽﾀｰﾄ時ｴﾈﾙｷﾞｰﾌﾛｰ
ｴﾝｼﾞﾝ暖機
Qm 11%
車速
(km/h)
燃料Qf
燃料Qf
ｴﾝｼﾞﾝ
回転数
(rpm)
100%
ｴﾝｼﾞﾝ
冷却水
温(℃)
時間(sec)
時間(sec)
エ
ン
ジ
ン
冷却水受
熱量
Qw 43%
ﾎﾞﾃﾞｰ放熱
Qb 13%
ヒータ放熱
Qh 24%
排気損失
Qex 33%
ｴﾝｼﾞﾝ仕事量Le
ｴﾝｼﾞﾝ仕事量Le
24%
その他
Qs 9%
換気損失
Qv 11%
初期熱需要により
燃料消費増し効率低下
→需要低減(Reduce)
蓄熱(Reuse)
排気熱利用(Reuse)
燃費と快適性の両立
出典：中川ら排気熱再循環ｼｽﾃﾑによる冬季実用燃費向上自技会誌 Vol.61 No.7
TOYOTA
6
燃費の季節変動
乗用車の都道府県別・月別燃費
出典：中川ら排気熱再循環ｼｽﾃﾑによる冬季実用燃費向上自技会誌 Vol.61 No.7
TOYOTA
次世代ｽﾓｰﾙﾊｲﾌﾞﾘｯﾄﾞｺﾝｾﾌﾟﾄ「FT-Bh」
7
欧州燃費測定方法：2.1L/100km
CO2排出量： 49g/km（現在のＢｾｸﾞﾒﾝﾄ車の1/2) →低油水温によるﾌﾘｸｼｮﾝ増
暖房時の室温低下が顕著化
車両仕様：空車重量786kg・Cd0.235・1000cc 2気筒ｱﾄｷﾝｿﾝｻｲｸﾙｴﾝｼﾞﾝ
出典：ﾄﾖﾀ自動車ﾆｭｰｽﾘﾘｰｽ2012.03.06
TOYOTA
9
熱管理技術
①熱供給量低下に対応した需要低減
需要低減：ｴﾝｼﾞﾝ車室等のﾋｰﾄﾏｽ､放熱ﾛｽ
ｴﾝｼﾞﾝ・T/Mの低温効率改善
→ 需要低減
・低温ﾌﾘｸｼｮﾝ低減
低温ﾌﾘｸｼｮﾝ低減
・断熱材/
断熱材/遮熱ｶﾞﾗｽ
②熱需給のミスマッチ
・顕熱蓄熱
・潜熱、化学蓄熱
時間的なズレ：初期需要大、暖機後需要小
→ 蓄熱
空間的なズレ：排ｶﾞｽ、ｴﾝｼﾞﾝ油水、駆動油､室内
→ 熱輸送
・排気熱回収
排気熱回収
・熱分配ﾙｰﾌﾟ
・熱分配ﾙｰﾌﾟ
→ 熱創出
・ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟ
③効率よく熱を創る
④熱供給過多:夏or高速走行etc.
→ ｴﾈﾙｷﾞ変換
・ｽﾀｰﾘﾝｸﾞｻｲｸﾙ
･ﾗﾝｷﾝｻｲｸﾙ
・熱電発電
･廃熱冷房
TOYOTA
10
熱需要の削減 Reduce
TOYOTA
11
ｴﾝｼﾞﾝ暖機需要熱の低減
Reduce
・大雑把に言えば130kJ/K
・基本：冷却水等熱マス低減
・次に熱を拡散させない
冷却水循環
潤滑ｵｲﾙ循環
部材伝熱
ｴﾝｼﾞﾝ
燃焼熱
冷却水
ｵｲﾙ
ｴﾝｼﾞﾝ冷却用電動ｳｫｰﾀﾎﾟﾝﾌﾟ（ｴﾝｼﾞﾝ装着状態）
蓄熱の利用：必要熱量の削減とｾｯﾄで。
出典：ｱｲｼﾝ精機ﾆｭｰｽﾘﾘｰｽ2009.05.21
TOYOTA
12
暖房時の熱ｴﾈﾙｷﾞｰﾌﾛｰ
7.5%
ｶﾞﾗｽ放熱
ｴﾝｼﾞﾝ表面放熱
冷却
11%
25%
75%
暖房
熱負
荷
水熱
量Q
w
Reduce
ﾎﾞﾃﾞｰ放熱
換気熱量
8.5%
車室内部品蓄熱
48%
外気温 ‒20℃
20℃ Coldｽﾀｰﾄ
Coldｽﾀｰﾄ
GoGo-Stop走行
Stop走行 30分後
30分後
TOYOTA
Reduce 13
換気損失低減；内外気2層HVACﾕﾆｯﾄ
低温環境での湿度ｺﾝﾄﾛｰﾙが今後重要
出典：宮嶋ら内外気２層ｴｱｺﾝﾕﾆｯﾄﾃﾞﾝｿｰﾃｸﾆｶﾙﾚﾋﾞｭｰvol.2 No.4
TOYOTA
Reduce 14
ﾎﾞﾃﾞｨ熱損失低減（主に冷房視点）；断熱材配置・熱線吸収ｶﾞﾗｽ
ﾙｰﾌ断熱：ｼﾝｻﾚｰﾄ(1.5m2)追加
ｼﾝｻﾚｰﾄ貼付部位(
ｼﾝｻﾚｰﾄ貼付部位(平面視）
ﾙｰﾌ断熱（ｽﾗﾌﾞｳﾚﾀﾝ）
高熱線吸収ｶﾞﾗｽ
ﾌﾛｱ断熱(RSPP)
高熱線吸収ｶﾞﾗｽ
1st.Gen.Prius
新たな付加物ではｺｽﾄ･重量が課題
1st.Gen.EstimaHV
出典：ﾄﾖﾀ自動車新型車解説書
TOYOTA
15
ｳｫｰﾑｱｯﾌﾟ時内装材の熱損失
Reduce
ﾄﾞｱ（外気への放熱がある部位）
0.25
１
0.25
熱流Q=
（Ｔｒ−Ｔｏ）＋ΣmCp（Ｔi-To)
（Σd/λ＋Σ1/α）
Ａ貫流損失分
蓄熱分
λ：熱伝導率を下げる
d：断熱材の板厚を上げる
0.15
m：質量低減
Cp：比熱低減
0.1
0.15
0.1
0.05
0.05
貫流損失分
0
0
0
600
1200
1800
乗車時間（sec)
2400
m：質量低減
Cp：比熱低減
33分
33分
蓄熱分
熱流Q= ΣmCp（Ｔi-To)
蓄熱分
0.2
熱流（ＫJ/s）
0.2
熱流（Ｋ J / s）
ｲﾝﾊﾟﾈ(外気と接していない部位）
3000
3600
0
蓄熱分
600
1200
1800
2400
乗車時間（sec)
3000
3600
・内装ﾄﾘﾑ材の低ﾋｰﾄﾏｽ、低熱伝導率化をｺｽﾄ､見栄え等と両立の必要有り。
・外断熱は効果小
TOYOTA
16
空間・時間的需給調整 Reuse
TOYOTA
17
蓄エネルギー密度
Reuse
化学エネルギー
体積エネルギー密度 [kJ/L]
100000
化学蓄熱
10000
1000
フライホイール
(5500rpm@NR)
燃焼エネルギー
100
2次電池
圧縮空気
(20atm)
10
1
0.1
揚水
(落差500m)
10
潜熱蓄熱材
1000
100000
0.1
重量エネルギー密度 [kJ/kg]
ｴﾈﾙｷﾞｰ容器としてはLi電池以上のﾎﾟﾃﾝｼｬﾙが必要
TOYOTA
18
蓄熱システムの可能性
形態
蓄熱材
Reuse
は車両で採用実績有り．
実施例
水
コンクリート
顕熱蓄熱
レンガ
低
Ritter Fahrzeug Technik
温水蓄熱
Denso→Toyota
温水蓄熱
水和塩
有機塩
潜熱蓄熱
パラフィン
無機塩
無機塩
金属水素化合物
化学蓄熱
ｱﾝﾓﾆｱ化合物
有機物
材料の蓄
熱密度
中
Modine & merck→BMW
LiNO3/Mg(NO3)2・6H2O
NREL
相変化材料
Shtuz→VW
水酸化バリウム八水和物
高
Ergenics,USA
水素吸蔵合金
TOYOTA
19
顕熱蓄熱システム
Reuse
’03 ﾌﾟﾘｳｽ
動機：ｽﾀｰﾄ初期の排気ｴﾐｯｼｮﾝ改善
全体ｼｽﾃﾑはやや複雑
出典：H.Kobayashi et al. Toyota’s Heat Management system
25.International Wiener Motorensymposium 2004
TOYOTA
20
Reuse
燃費にも効果有り
ﾀﾝｸ内での温水・冷水混合回避
TOYOTA
21
排気熱回収システム
構造動作等
Reuse
ｴﾝｼﾞﾝ暖気性向上
ﾋｰﾀ熱量確保
ｴﾝｼﾞﾝｽﾄｯﾌﾟの早期化
ｴﾝｼﾞﾝｽﾄｯﾌﾟの頻度増
冬季燃費向上
出典：中川ら排気熱再循環ｼｽﾃﾑによる冬季実用燃費向上自技会誌 Vol.61 No.7
TOYOTA
22
Reuse
ベース.csv
排気熱回収器ON.csv
100
温度
（℃）
車速
(km/h) 50
60
0
4000
ｴﾝｼﾞﾝ水
温
ﾋｰﾀ吹出温
度
排気熱回収
器有り
40
排気熱回収
器無し
20
0
500
時間(sec)
時間(sec)
1000
ｴﾝｼﾞﾝｽﾄｯﾌﾟの早期化
ｴﾝｼﾞﾝ 3000
回転数2000
(rpm)
1000
0
80
70
ｴﾝｼﾞﾝ 60
水温 50
(℃) 40
30
20
10
0
-10
0
排気熱回収あり
排気熱回収無し
200
400
600
800
1000
1200
1400
時間（sec
）
時間（sec）
快適性：ﾋｰﾀ吹出温約7℃の効果
燃費：8％冬季燃費向上
出典：中川ら排気熱再循環ｼｽﾃﾑによる冬季実用燃費向上自技会誌 Vol.61 No.7
TOYOTA
23
ｴﾈﾙｷﾞｰ変換
Recycle
TOYOTA
ﾌﾞﾚｲﾄﾝｻｲｸﾙ
熱ｴﾈﾙｷﾞｰ変換
Recycle
圧縮機
膨張機
熱交換器
T
C
100
理論最大変換効率
ｶﾙﾉｰｻｲｸﾙ
80
ｽﾀｰﾘﾝｸﾞｻｲｸﾙ
60
冷却
ﾗﾝｷﾝｻｲｸﾙ
動力
ﾌﾞﾚｲﾄﾝｻｲｸﾙ
40
ﾀｰﾋﾞﾝ
凝縮器
蒸発器
ｻｲｸﾙ効率（%）
25
熱
20
ﾗﾝｷﾝｻｲｸﾙ
0
0
200
冷却水
400
600
P
800
1000
1200
ｻｲｸﾙの最高温度（℃）
ｽﾀｰﾘﾝｸﾞｻｲｸﾙ
排気ガス
廃熱
蓄熱
廃熱源
膨張ﾋﾟｽﾄﾝ
動力
放熱
圧縮ﾋﾟｽﾄﾝ
TOYOTA
26
冷却水熱源ランキンサイクル
Recycle
1993年検討
Working Fluid（Vapor） HCFC123
Glass
Torque Meter
Max112℃
Working
Fluid
（Liquid）
1
Engine
（Evaporative
Cooling）
Expander
カローラ１．５L
Powder Brake
圧力
P
PH
4
Pump
2
3
Fan
QW（ｴﾝｼﾞﾝ冷却熱量）
4
4’
LP
（ﾎﾟﾝﾌﾟ動力）
PL
3
1’
1
LT
（ｴｷｽﾊﾟﾝﾀﾞ出力）
2
QC （ｺﾝﾃﾞﾝｻ放熱量）
Condenser
ｴﾝﾀﾙﾋﾟh
Receiver Tank
・ｴﾝｼﾞﾝを冷媒で沸騰冷却、ｴｷｽﾊﾟﾝﾀﾞｰで動力回収
出典：S.Ogino et al. Waste Heat Recovery of Passenger Car・・・
SAE Technical Paper 930880
TOYOTA
27
Recycle
実験結果
ENERGY RECOVERY （W）
500
Qw=12.5kW
400
40km/h
8.3kW
300
200
6.4kW
アイドル
100
0
0
1000
2000
3000
EXPANDER SPEED（RPM）
FUEL ECONOMY
IMPROVEMENT RATE （%）
AMBIENT
TEMPERATURE=25℃
TEMPERATURE=25℃
6
4
2
0 10
20
30
40
AMBIENT TEMPERATURE（℃）
・変換効率は約３％
・エキスパンダー効率改善、高温熱源（排ガス）の利用
・ﾗﾝｷﾝ用熱媒体開発が必要
TOYOTA
29
ｴﾝｼﾞﾝ横置き形ｽﾀｰﾘﾝｸﾞ機関
Recycle
∼’10 検討例
Flow loss 83w
Exhaust Heat
Loss 19w
Indicated Power
0.82kw
Target Heat Input
3ｋｗ
Loss 19w
Heat Loss
1.7kw
Net Power 710w
Input
2.3kw
Indicated Power
0.82kw
Fig 9 Heat balance
Net Power
0.71kw
= 4.6%
Ex.Heat Input
15.3kw
出典：矢口ら排気熱回収ｽﾀｰﾘﾝｸﾞｴﾝｼﾞﾝの研究
自技会学術講演会前刷集 No.45-10
TOYOTA
30
熱電発電効率と材料特性
理論変換効率
Th-Tc
1 + ZT - 1
ηmax =
´
Th
1 + ZT + Tc/Th
ZT:素子性能指数
【%】
Recycle
60
理論変換効率
ηmax
カルノー効率
50
ZT=8
40
ZT=4
Qin
高温側
Th（K）
p型素子
低温側
Tc（K)
Ｐ
30
Ｎ
n型素子
ﾗｼﾞｴｰﾀ
Qout
ZT=2
ZT=1
20
10
冷却水
0
1
2
3
発電量：P＝Qin×η
Tc=60℃時
（Th=400℃
Th=730℃
Th/Tc
4
Th=1000℃）
TOYOTA
32
廃熱回収による冷熱・温熱生成
長所：省電力消費短所：体格大（搭載性難）
TOPMACS was part of the EU 6th framework
program (STREP) research. <2005 – 2009>
Dimensions:
900 x 400 x 500 <180L>
Weight :
85 kg
Average Cooling Power：
900W on board
2500W on Lab test
•
出展：http://www.ecn.nl/docs/library/report/2010/m10002.pdf
TOYOTA
33
技術開発支援の例
TOYOTA
34
【欧州】ｴｺｲﾉﾍﾞｰｼｮﾝｸﾚｼﾞｯﾄ
（EC)No725/2011
･ECﾓｰﾄﾞﾃｽﾄでは効果が表れない先進CO2低減技術の効果を評価し、認められれば
最大 7g/km のCO2排出クレジットの付与。
技術事例（未確定）
LED exterior lighting （LEDﾗｲﾄ）
Battery charging solar roof （ｿｰﾗｰ充電）
Efficient alternator （高効率ｵﾙﾀﾈｰﾀ）
Engine heat storage （ｴﾝｼﾞﾝ保温･蓄熱）
除外規定
すでに130g/km規制で補完的措置10g/km分として認定されたもの
高効率ｴｱｺﾝｼｽﾃﾑ、低転がり抵抗ﾀｲﾔ、ｷﾞﾔｼﾌﾄｲﾝｼﾞｹｰﾀ、ﾊﾞｲｵ燃料の使用
TOYOTA
35
【米国】ｵﾌｻｲｸﾙ技術ｸﾚｼﾞｯﾄ
RIN 2060-AQ54
17MY-25MY CAFÉ/GHG規制値に対して、FTPｻｲｸﾙ、Hwyｻｲｸﾙﾃｽﾄに効果が表れない
燃費向上ｱｲﾃﾑに燃費ｸﾚｼﾞｯﾄを付与
高効率ﾗｲﾄ
高効率ﾗｲﾄ
ｴﾝｼﾞﾝ排熱回収
ｴﾝｼﾞﾝ排熱回収
ｿｰﾗｰﾙｰﾌﾊﾟﾈﾙ
可変ｴｱﾛﾊﾟｰﾂ
可変ｴｱﾛﾊﾟｰﾂ
ｴﾝｼﾞﾝ Start&Stop
電動ﾋｰﾀｳｫｰﾀﾎﾟﾝﾌﾟ
電動ﾋｰﾀｳｫｰﾀﾎﾟﾝﾌﾟ
ｱｸﾃｨｳﾞﾄﾗﾝｽﾐｯｼｮﾝ暖機
ｱｸﾃｨｳﾞﾄﾗﾝｽﾐｯｼｮﾝ暖機
ｱｸﾃｨｳﾞｴﾝｼﾞﾝ暖機
ｱｸﾃｨｳﾞｴﾝｼﾞﾝ暖機
日射熱抑制（
日射熱抑制（ｶﾞﾗｽ、塗料）
ｶﾞﾗｽ、塗料）
TOYOTA
36
まとめに代えて
自動車における熱ｴﾈﾙｷﾞｰの有効利用に関して現状と課題をまとめた。
今後、下記についての研究開発が重要と思われる。
＜冷暖房熱負荷低減＞
軽量・低ｺｽﾄの内装ﾄﾘﾑ材料熱反射ｶﾞﾗｽの低ｺｽﾄ化車室内湿度制御
＜ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟｼｽﾃﾑ＞
低温作動高効率維持着霜対策ｼｽﾃﾑの簡素化
＜蓄熱ｼｽﾃﾑ＞
材料探索、特性改善ｼｽﾃﾑ化ﾓｼﾞｭｰﾙ化
＜ｴﾈﾙｷﾞｰ変換技術＞
高ZT材料開発、特性改善熱交換器合理化まずは熱→冷熱利用か？
TOYOTA
37
笑顔のために、期待を超えて
ご清聴ありがとうございました。
TOYOTA

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