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