JP2013231377A - 廃熱回生システム - Google Patents
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Abstract
【課題】膨張機による膨張機入口圧力の制御が限界に達しても、膨張機入口圧力を所定の圧力以下になるように調整することができる廃熱回生システムを提供する。
【解決手段】廃熱回生システム100は、ポンプ32、低温ボイラ74、高温ボイラ34、膨張機36及びコンデンサ38により構成されるランキンサイクル回路30と、冷媒の膨張機入口圧力pを検出する圧力センサ39と、膨張機入口圧力pを調整するために膨張機36を制御する膨張機制御手段と、低温ボイラバイパス弁73を有する低温ボイラバイパス流路71と、高温ボイラバイパス弁13を有する高温ボイラバイパス流路12とを備え、膨張機制御手段の制御が限界状態に達し、かつ膨張機入口圧力pが上限圧力P1を超えた時、低温ボイラバイパス弁73及び高温ボイラバイパス弁13が開き冷媒の吸熱量を低減させる調整を行う。
【選択図】図1
【解決手段】廃熱回生システム100は、ポンプ32、低温ボイラ74、高温ボイラ34、膨張機36及びコンデンサ38により構成されるランキンサイクル回路30と、冷媒の膨張機入口圧力pを検出する圧力センサ39と、膨張機入口圧力pを調整するために膨張機36を制御する膨張機制御手段と、低温ボイラバイパス弁73を有する低温ボイラバイパス流路71と、高温ボイラバイパス弁13を有する高温ボイラバイパス流路12とを備え、膨張機制御手段の制御が限界状態に達し、かつ膨張機入口圧力pが上限圧力P1を超えた時、低温ボイラバイパス弁73及び高温ボイラバイパス弁13が開き冷媒の吸熱量を低減させる調整を行う。
【選択図】図1
Description
この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。
エンジンの廃熱から機械エネルギー(動力)を回収するランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱するボイラと、加熱された作動流体を膨張させて機械エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次接続されて閉回路を形成している。
一般に、膨張機の入口と出口との作動流体の圧力差が大きいほど、ランキンサイクルの熱回収効率を向上することができる。しかしながら、膨張機の入口と出口との作動流体の圧力差を大きくしすぎると、配管や機器に過剰な負荷がかかり、破損防止のために配管等の耐久性を向上させる必要が出てくる。
この問題を解決するために、特許文献1の廃熱利用装置におけるランキンサイクルでは、膨張機入口の作動流体の圧力を所定の圧力にするために、膨張機の回転数がECUによって制御されている。
しかしながら、特許文献1の廃熱利用装置のように、膨張機入口の作動流体の圧力を調整するために膨張機の回転数を制御する方法では、膨張機の回転数に限界があり、無限に回転数を増やすことはできない。そのため、膨張機の回転数を限界まで増やした場合は、その後はそれ以上作動流体の圧力を調整することができず、作動流体の圧力が過度に上昇してしまい、配管や機器に過剰な負荷がかかるおそれがある。また、膨張機入口の作動流体の圧力を調整するためには、膨張機の吸入容積を制御する方法も考えられるが、膨張機の吸入容積にも限界があるため、回転数制御の場合と同様の問題が生じる。
この発明はこのような問題を解決するため、膨張機による作動流体の圧力制御が限界に達した場合であっても、膨張機入口の作動流体の圧力を所定の圧力以下になるように調整することができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。
上記の目的を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、車両のエンジンの廃熱を利用するものであって、作動流体を圧送するポンプ、廃熱によって作動流体を加熱するボイラ、ボイラによって加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、および膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサが順次連結されて構成されるランキンサイクル回路と、ランキンサイクル回路における作動流体の膨張機入口圧力をポンプの下流側かつ膨張機の上流側で検出する圧力検出手段と、膨張機入口圧力が所定の上限圧力以下になるように膨張機を制御する膨張機制御手段と、ボイラにおける作動流体の吸熱量を調整する吸熱量調整手段とを備え、膨張機制御手段が膨張機入口圧力を低下させるために行う制御が限界状態に達し、かつ膨張機入口圧力が上限圧力を超えた時、吸熱量調整手段が作動流体の吸熱量を低減させる調整を行う。これによって膨張機制御手段による制御が限界状態に達した時であっても、吸熱量調整手段により、膨張機入口圧力を上限圧力以下に保つことができる。
この発明に係る廃熱回生システムの膨張機制御手段は、膨張機の吸入容積を制御してもよく、また、膨張機の回転数を制御してもよい。また、吸熱量調整手段は、膨張機入口圧力が所定の目標圧力になるようにボイラにおける作動流体の吸熱量を調整することもできる。
この発明に係る廃熱回生システムは、ボイラの下流側かつ膨張機の上流側における作動流体の冷媒温度を検出する温度検出手段と、冷媒温度が所定の上限温度以下になるように作動流体の流量を調整する流量調整手段を備えてもよい。またさらに、流量調整手段は、冷媒温度が所定の下限温度以上になるように作動流体の流量を調整することもできる。また、上限温度及び下限温度は、膨張機入口圧力によって決定されてもよい。
この発明による廃熱回生システムによれば、膨張機による作動流体の圧力制御が限界に達した場合であっても、膨張機入口の作動流体の圧力を所定の圧力以下になるように調整することができる。
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る廃熱回生システム100の構成を図1に示す。廃熱回生システム100は、エンジン10から排出される排気ガスが有する廃熱及びエンジン10を冷却した後の冷却水が有する廃熱から機械的エネルギーを回収するものである。
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る廃熱回生システム100の構成を図1に示す。廃熱回生システム100は、エンジン10から排出される排気ガスが有する廃熱及びエンジン10を冷却した後の冷却水が有する廃熱から機械的エネルギーを回収するものである。
廃熱回生システム100は、ポンプ32と、ボイラとしての低温ボイラ74及び高温ボイラ34と、膨張機36と、コンデンサ38とを有し、これらは順次連結して閉回路であるランキンサイクル回路30を構成する。ポンプ32はポンプモータ35と接続している。高温ボイラ34の下流側かつ膨張機36の上流側には温度センサ37及び圧力センサ39が設けられている。また、ポンプ32の下流側かつ低温ボイラ74の上流側の第1分岐点71aには、低温ボイラバイパス流路71の一端が接続されており、低温ボイラバイパス流路71の他端は、低温ボイラ74の下流側かつ高温ボイラ34の上流側の第2分岐点71bに接続されている。低温ボイラバイパス流路71の途中には、流量調整弁として働く低温ボイラバイパス弁73が設けられている。
ポンプ32はポンプモータ35によって駆動され、廃熱回生システム100におけるランキンサイクル回路30内の作動流体としての冷媒を圧送する。このポンプ32はポンプモータ35の回転数を変えることによって、ランキンサイクル回路30内を流通する冷媒流量を適宜増減させることができる。すなわちポンプモータ35は流量調整手段を構成する。低温ボイラ74及び高温ボイラ34は、エンジン10の廃熱によって冷媒を加熱し、気化させる。膨張機36は、低温ボイラ74及び高温ボイラ34において気化した冷媒を膨張させて機械的エネルギーを発生させる。コンデンサ38は、気化した状態の冷媒を外気と熱交換させて冷却凝縮させる。また、温度センサ37は温度検出手段を構成し、高温ボイラ34の下流側かつ膨張機36の上流側における冷媒の温度、すなわち冷媒温度tを検出する。圧力センサ39は圧力検出手段を構成し、ポンプ32の下流側かつ膨張機36の上流側の冷媒の圧力、すなわち膨張機入口圧力pを検出する。さらに、低温ボイラバイパス流路71及び低温ボイラバイパス弁73は、低温ボイラ74における冷媒の吸熱量を調整する吸熱量調整手段を構成する。
一方、エンジン10には排気管11が連結され、エンジン10から発生した排気ガスは排気管11を通って車外へ排出される。排気管11の途中には高温ボイラ34が設けられる。高温ボイラ34において、排気管11を流通する排気ガスとランキンサイクル回路30内を流通する冷媒とが熱交換される。即ち、ランキンサイクル回路30内の冷媒がエンジン10から排出された排気ガスの廃熱によって加熱されて気化する。また、排気管11において、高温ボイラ34は高温ボイラバイパス流路12によってバイパスされている。高温ボイラバイパス流路12の途中には流量調整弁である高温ボイラバイパス弁13が設けられている。高温ボイラバイパス流路12及び高温ボイラバイパス弁13は、高温ボイラ34における冷媒の吸熱量を調整する吸熱量調整手段を構成する。
エンジン10には冷却水回路17が連結され、冷却水回路17を流通する冷却水は、エンジン10を冷却する際にエンジン10の廃熱を受け取る。冷却水回路17の途中には低温ボイラ74が設けられ、冷却水回路17を流通する冷却水の有する廃熱によって、ランキンサイクル回路30内を流通する冷媒が加熱される。
膨張機36は、スクロール式膨張機であり、膨張機36が吸入する冷媒の吸入量(吸入容積)を制御するための周知の吸入容積変更手段36aを有する。本実施の形態において、膨張機36の吸入容積変更手段36aは膨張機制御手段を構成する。また、膨張機36は膨張機側駆動軸43を有し、膨張機側駆動軸43にはベルト41の一端が取り付けられる。一方、エンジン10はエンジン側駆動軸42を有しており、ベルト41の他端はエンジン側駆動軸42に取り付けられる。そのため、膨張機36が発生させた機械的エネルギーは、膨張機側駆動軸43、ベルト41及びエンジン側駆動軸42を介してエンジン10に伝達される。即ち、膨張機36が発生させた機械エネルギーがエンジン10の駆動を助ける。
ポンプモータ35、膨張機36、温度センサ37、圧力センサ39、低温ボイラバイパス弁73及び高温ボイラバイパス弁13にはECU60が電気的に接続されている。
ECU60は、圧力センサ39から取得した膨張機入口圧力pの情報に基づき、膨張機36の吸入容積を制御し、前述の吸入容積変更手段36aの一部を構成する。膨張機36の吸入容積を多くすることで、膨張機入口圧力pが低下し、逆に膨張機36の吸入容積を少なくすることで、膨張機入口圧力pは上昇する。すなわち、ECU60は膨張機36の吸入容積を制御することにより膨張機入口圧力pを調整することができる。
ECU60は、圧力センサ39から取得した膨張機入口圧力pの情報に基づき、膨張機36の吸入容積を制御し、前述の吸入容積変更手段36aの一部を構成する。膨張機36の吸入容積を多くすることで、膨張機入口圧力pが低下し、逆に膨張機36の吸入容積を少なくすることで、膨張機入口圧力pは上昇する。すなわち、ECU60は膨張機36の吸入容積を制御することにより膨張機入口圧力pを調整することができる。
また、ECU60は、低温ボイラバイパス弁73及び高温ボイラバイパス弁13の開閉を制御し、前述の吸熱量調整手段の一部を構成する。膨張機36の吸入容積を増加させた結果、吸入容積の制御が限界に達したことをECU60が認識した場合は、ECU60は低温ボイラバイパス弁73及び高温ボイラバイパス弁13を開く。低温ボイラバイパス弁73を開き、低温ボイラバイパス流路71に流れる冷媒流量を多くすることで、冷媒が低温ボイラ74から受け取る熱量も減少するため、膨張機入口圧力pは低くなる。そして逆に低温ボイラバイパス流路71を流れる流量を少なくすることで、膨張機入口圧力pは高くなる。同様に、高温ボイラバイパス弁13の開閉を制御することにより、冷媒が高温ボイラ34において排気ガスから受け取る熱量を増減させ、膨張機入口圧力pを調整することができる。具体的には、高温ボイラバイパス弁13を開き、高温ボイラバイパス流路12に流れる排気ガス流量を多くすることで、高温ボイラ34を流れる排気ガス流量が減り、冷媒が受け取る熱量も減少するため、膨張機入口圧力pは低くなる。そして逆に高温ボイラバイパス流路12を流れる流量を少なくすることで、膨張機入口圧力pは高くなる。
なお、膨張機36の吸入容積の制御の限界とは、膨張機制御手段が膨張機入口圧力pを低下させるために行う制御の限界状態を意味し、具体的には膨張機36の吸入容積が最大でこれ以上増やすことができない状態をいう。
なお、膨張機36の吸入容積の制御の限界とは、膨張機制御手段が膨張機入口圧力pを低下させるために行う制御の限界状態を意味し、具体的には膨張機36の吸入容積が最大でこれ以上増やすことができない状態をいう。
配管や機器に過剰な負荷がかからずにランキンサイクル回路30が動作することができる膨張機入口圧力pの限界値を上限圧力P1とする。また、ランキンサイクル回路30における熱回収効率が最も高い膨張機入口圧力pを目標圧力P2とする。目標圧力P2は上限圧力P1以下の値をとる。ECU60は、膨張機入口圧力pが上限圧力P1を超えず、かつ目標圧力P2の値をとるように前述のように膨張機36の吸入容積、低温ボイラバイパス弁73の開閉及び高温ボイラバイパス弁13の開閉を制御する。
また、ECU60は、温度センサ37から取得した冷媒温度tの情報に基づいてポンプモータ35の回転数を制御し、前述の流量調整手段の一部を構成する。ポンプモータ35の回転数が増えれば、ポンプ32が圧送する流量が多くなり、冷媒温度tが低下する。逆にポンプモータ35の回転数が少なくなればポンプ32が圧送する流量は少なくなり、冷媒温度tが上昇する。
ECU60は、冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下になるように、ポンプモータ35の回転数を制御する。下限温度T1及び上限温度T2は、膨張機入口圧力pによって決定される。下限温度T1及び上限温度T2は、ランキンサイクル回路30が高い熱回収効率を維持できるような値に設定されている。ここで、膨張機入口圧力pの上限圧力P1を4.0MPaとした場合の、膨張機入口圧力pと下限温度T1及び上限温度T2との具体的な関係が図2のグラフに表されている。なお、図2に示される限界温度T3は、配管や機器に過剰な負荷がかからずにランキンサイクル回路30が動作することができる冷媒温度tの限界値をいう。
具体的には、膨張機入口圧力pが2.0MPa以下の時は、下限温度T1は120℃に、上限温度T2は140℃に決定される。そして膨張機入口圧力pが2.0MPaを超える時は、下限温度T1及び上限温度T2は膨張機入口圧力pの上昇に伴って高くなる。そして、膨張機入口圧力pが上限圧力P1の4.0MPaに達する時には下限温度T1は140℃、上限温度T2は160℃となる。
具体的には、膨張機入口圧力pが2.0MPa以下の時は、下限温度T1は120℃に、上限温度T2は140℃に決定される。そして膨張機入口圧力pが2.0MPaを超える時は、下限温度T1及び上限温度T2は膨張機入口圧力pの上昇に伴って高くなる。そして、膨張機入口圧力pが上限圧力P1の4.0MPaに達する時には下限温度T1は140℃、上限温度T2は160℃となる。
特に、膨張機入口圧力pが目標圧力P2となる時の下限温度をt1、上限温度をt2とする。ECU60は膨張機入口圧力pが目標圧力P2となるような制御を行うため、冷媒温度tも下限温度t1以上かつ上限温度t2以下となるように冷媒流量が調整される。
なお、膨張機入口圧力pが上限圧力P1を超えず、かつ下限温度T1及び上限温度T2が限界温度T3を超えなければ、膨張機入口圧力pと下限温度T1及び上限温度T2との関係は本実施の形態に限定されない。また、上限圧力P1の値及び限界温度T3の値も、本実施の形態に限定されず、設備の耐性等の条件によって適宜設定される。
なお、膨張機入口圧力pが上限圧力P1を超えず、かつ下限温度T1及び上限温度T2が限界温度T3を超えなければ、膨張機入口圧力pと下限温度T1及び上限温度T2との関係は本実施の形態に限定されない。また、上限圧力P1の値及び限界温度T3の値も、本実施の形態に限定されず、設備の耐性等の条件によって適宜設定される。
この実施の形態1に係る廃熱回生システム100の動作について、図3及び4を参照して説明する。
まず、ECU60の膨張機入口圧力pの制御に関するフローチャートを図3に示す。
はじめにステップS1にてECU60は、膨張機入口圧力pが目標圧力P2を超えているか否かについて判定する。膨張機入口圧力pが目標圧力P2以下である場合は、ステップS5にて膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しいかについて判定する。膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しい場合はランキンサイクル回路30はそのままの状態を維持しながら動作する。膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しくない場合、すなわち膨張機入口圧力pが目標圧力P2よりも低い場合は、ステップS6において膨張機36の吸入容積を減らす。
まず、ECU60の膨張機入口圧力pの制御に関するフローチャートを図3に示す。
はじめにステップS1にてECU60は、膨張機入口圧力pが目標圧力P2を超えているか否かについて判定する。膨張機入口圧力pが目標圧力P2以下である場合は、ステップS5にて膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しいかについて判定する。膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しい場合はランキンサイクル回路30はそのままの状態を維持しながら動作する。膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しくない場合、すなわち膨張機入口圧力pが目標圧力P2よりも低い場合は、ステップS6において膨張機36の吸入容積を減らす。
一方、膨張機入口圧力pが目標圧力P2を超えている場合は、ステップS2において膨張機36の吸入容積を増やす。そしてその後、ステップS3において膨張機36の吸入容積の制御が限界に達したか否かについて判定する。限界に達していない場合は、ステップS1に戻り、膨張機入口圧力pが目標圧力P2を超えているか否かについて判定する。
膨張機36の吸入容積の制御が限界に達した場合は、ステップS4にて、低温ボイラバイパス弁73及び高温ボイラバイパス弁13を開き、膨張機入口圧力pが目標圧力P2と等しくなるまで冷媒の吸熱量を調整する。具体的には、膨張機入口圧力pが目標圧力P2より高い場合は、ステップS7にて膨張機入口圧力pが目標圧力P2になるまで、低温ボイラバイパス流路71の冷媒流量及び高温ボイラバイパス流路12の排気ガス流量を増やす。すなわち、低温ボイラ74及び高温ボイラ34における冷媒の吸熱量を減らす。一方、膨張機入口圧力pが目標圧力P2より低い場合は、ステップS8にて膨張機入口圧力pが目標圧力P2になるまで、低温ボイラバイパス流路71の冷媒流量及び高温ボイラバイパス流路12の排気ガス流量を減らす。すなわち、低温ボイラ74及び高温ボイラ34における冷媒の吸熱量を増やす。
次に、ECU60の冷媒温度tの制御に関するフローチャートを図4に示す。
まず、ステップS1’にて圧力センサ39により検出した膨張機入口圧力pに基づいて、下限温度T1及び上限温度T2を決定する。次にステップS2’にて冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲内にあるか否かを判断する。冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲内にあれば、ECU60は冷媒温度tの制御を終了する。一方、冷媒温度tが下限温度T1よりも低ければ、ステップS3’にて冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲の値をとるまでポンプモータ35の回転を減らす。また、冷媒温度tが上限温度T2よりも高い場合、ステップS4’にて冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲の値をとるまでポンプモータ35の回転を増やす。
まず、ステップS1’にて圧力センサ39により検出した膨張機入口圧力pに基づいて、下限温度T1及び上限温度T2を決定する。次にステップS2’にて冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲内にあるか否かを判断する。冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲内にあれば、ECU60は冷媒温度tの制御を終了する。一方、冷媒温度tが下限温度T1よりも低ければ、ステップS3’にて冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲の値をとるまでポンプモータ35の回転を減らす。また、冷媒温度tが上限温度T2よりも高い場合、ステップS4’にて冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下の範囲の値をとるまでポンプモータ35の回転を増やす。
以上より、この実施の形態1に係る廃熱回生システム100では、膨張機36の吸入容積の制御が限界に達しても、低温ボイラバイパス流路71に冷媒及び高温ボイラバイパス流路12に排気ガスを流通させることで、膨張機入口圧力pは上限圧力P1を超えないように適切に調整されることができる。
また、膨張機入口圧力pが目標圧力P2となるように、低温ボイラバイパス流路71及び高温ボイラバイパス流路12に流通する冷媒の量が調整されることによって、ランキンサイクル回路30の熱回収効率が上がる。さらに、冷媒温度tが上限温度T2を超えないようにポンプ32の圧送する冷媒流量が調整されることによって、冷媒が高温になることによる配管等の破損を防ぐことができる。また、冷媒温度tの上限温度T2及び下限温度T1が膨張機入口圧力pに応じて決定されることにより、ランキンサイクル回路30が高い熱回収効率を維持できるように冷媒温度tを調整することができる。
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る廃熱回生システム200の構成を図5に示す。
実施の形態2に係る廃熱回生システム200は、実施の形態1に係る廃熱回生システム100において、ポンプ32’と膨張機36’とが同一の駆動軸31を共有する構成となっている。また、膨張機36’は発電機45と接続している。さらに、コンデンサ38の下流側かつポンプ32の上流側の第1分岐点21aには、ポンプバイパス流路21の一端が接続されており、ポンプバイパス流路21の他端は、ポンプ32’の下流側かつ低温ボイラ74の上流側の第2分岐点21bに接続されている。ポンプバイパス流路21の途中には、流量調整弁として働くポンプバイパス弁23が設けられている。ECU60は、ポンプバイパス弁23に電気的に接続している。
以降の説明において、図1の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る廃熱回生システム200の構成を図5に示す。
実施の形態2に係る廃熱回生システム200は、実施の形態1に係る廃熱回生システム100において、ポンプ32’と膨張機36’とが同一の駆動軸31を共有する構成となっている。また、膨張機36’は発電機45と接続している。さらに、コンデンサ38の下流側かつポンプ32の上流側の第1分岐点21aには、ポンプバイパス流路21の一端が接続されており、ポンプバイパス流路21の他端は、ポンプ32’の下流側かつ低温ボイラ74の上流側の第2分岐点21bに接続されている。ポンプバイパス流路21の途中には、流量調整弁として働くポンプバイパス弁23が設けられている。ECU60は、ポンプバイパス弁23に電気的に接続している。
以降の説明において、図1の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
膨張機36’はポンプ32’と同一の駆動軸31を共有しているため、膨張機36’で発生する機械エネルギーによってポンプ32’を駆動する。また、膨張機36’は発電機45を駆動する。膨張機36’の回転数は可変であり、ECU60が膨張機36’の回転数(発電機45の回転数)を制御する。膨張機36’の回転数が増えることで、膨張機36’への冷媒の流入量が増え、膨張機入口圧力pは低下する。一方、膨張機36’の回転数が減ることにより、膨張機36’への流入量が減り、膨張機入口圧力は上昇する。従って、ECU60による膨張機36’の回転数の制御が本実施の形態における膨張機制御手段であり、この膨張機制御手段は膨張機入口圧力pが上限圧力P1を超えず、かつ目標圧力P2となるように膨張機36’を制御している。
また、ECU60がポンプバイパス弁23の開閉を制御してポンプバイパス流路21を流通する冷媒流量を調整し、ポンプ32が圧送する冷媒流量を適宜増減させることによって、冷媒温度tを調整することができる。すなわち、本実施の形態において、ポンプバイパス流路21及びポンプバイパス弁23は流量調整手段を構成し、この流量調整手段は冷媒温度tが下限温度T1以上かつ上限温度T2以下になるように冷媒流量を調整する。
廃熱回生システム200の動作については、ECU60による膨張機入口圧力pの制御及び冷媒温度tの制御は、実施例1におけるECU60の制御とほぼ同じである。但し、図3に示すステップS2では膨張機36の回転数を増やし、ステップS6では膨張機36の回転数を減らす。また、図4に示すステップS3’ではポンプバイパス流路21を流通する冷媒流量が増えるように、ステップS4’ではポンプバイパス流路21を流通する冷媒流量が減るように、それぞれポンプバイパス弁23の開閉を調整する。
廃熱回生システム200によれば、膨張機36’の回転数の制御が限界に達しても、低温ボイラバイパス流路71に冷媒及び高温ボイラバイパス流路12に排気ガスを流通させることで、膨張機入口圧力pは上限圧力P1を超えず、かつ目標圧力P2となるよう調整することができる。また、ポンプ32’が膨張機36’に駆動されているためにポンプ32の回転数を変更することができない場合でも、ポンプバイパス流路21及びポンプバイパス弁23を設けることにより、ポンプ32が圧送する冷媒流量を調整することができる。従って、冷媒温度tを適宜調整することが可能となる。
なお、膨張機36の回転数の制御の限界とは、実施の形態1と同様に、膨張機制御手段が膨張機入口圧力pを低下させるために行う制御の限界状態を意味し、具体的には膨張機36の回転数が最大でこれ以上増やすことができない状態をいう。
なお、膨張機36の回転数の制御の限界とは、実施の形態1と同様に、膨張機制御手段が膨張機入口圧力pを低下させるために行う制御の限界状態を意味し、具体的には膨張機36の回転数が最大でこれ以上増やすことができない状態をいう。
実施の形態1及び2において、膨張機制御手段の制御の限界状態は、ECU60が自ら行った制御の状態により判断するが、これに限られず、膨張機入口圧力pが第2上限圧力P3に達したことを圧力センサ39が検出することにより判断されてもよい。ここで、第2上限圧力P3とは上限圧力P1より高い値をとる圧力である。すなわち、膨張機制御手段が正常に機能している場合において、膨張機入口圧力pは第2上限圧力P3に達することはない。しかし、膨張機制御手段の制御が正常に機能しなくなった場合は、膨張機入口圧力pが上昇し続け第2上限圧力P3に達するため、膨張機制御手段の制御の限界状態をECU60が判断することができる。
また、膨張機制御手段は、膨張機をバイパスするバイパス流路及びバイパス流路上の開閉弁であってもよい。なお、この場合の膨張機制御手段の制御の限界状態とは、膨張機をバイパスするバイパス流路上の開閉弁の弁開状態が全開の状態であることをいう。
さらに、膨張機はスクロール式のものに限られず、ピストン式やベーン式のものであってもよい。
さらに、膨張機はスクロール式のものに限られず、ピストン式やベーン式のものであってもよい。
また、ランキンサイクル回路30上のボイラは、低温ボイラ74又は高温ボイラ34のうち、どちらか一つだけでもよい。また、冷却水や排気ガス以外の熱源を用いるボイラをさらに備えてもよい。
熱交換量調整手段は、低温ボイラバイパス流路71及び低温ボイラバイパス弁73だけでもよく、高温ボイラバイパス流路12及び高温ボイラバイパス弁13だけでもよい。また、冷却水回路17において低温ボイラ74から冷却水をバイパスさせてもよい。さらにまた、ランキンサイクル回路30上において、高温ボイラ34から冷媒をバイパスするバイパス流路を設けてもよい。
低温ボイラバイパス弁73、高温ボイラバイパス弁13及びポンプバイパス弁23は流量調整弁に限られず、単純開閉弁でもよい。また、本実施の形態では高温ボイラバイパス弁13とポンプバイパス弁23とを同時に開閉しているが、両者を適宜別々に開閉してもよい。
また、流量調整手段としては、ポンプ自体が吐出容量可変のものを用いてもよい。
また、流量調整手段としては、ポンプ自体が吐出容量可変のものを用いてもよい。
100,200 廃熱回生システム、12 高温ボイラバイパス流路(吸熱量調整手段)、13 高温ボイラバイパス弁(吸熱量調整手段)、21 ポンプバイパス流路(流量調整手段)、23 ポンプバイパス弁、32 ポンプ、34 高温ボイラ(ボイラ)、35 ポンプモータ(流量調整手段)、36,36’ 膨張機、36a 吸入容積変更手段(膨張機制御手段)、37 温度センサ、39 圧力センサ、71 低温ボイラバイパス流路(吸熱量調整手段)、73 低温ボイラバイパス弁(吸熱量調整手段)、p 膨張機入口圧力、P1 上限圧力、P2 目標圧力、t 冷媒温度、T1 下限温度、T2 上限温度。
Claims (7)
- 車両のエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムであって、
作動流体を圧送するポンプ、前記廃熱によって前記作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラによって加熱された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機、および膨張後の前記作動流体を冷却凝縮させるコンデンサが順次連結されて構成されるランキンサイクル回路と、
前記ランキンサイクル回路における前記作動流体の膨張機入口圧力を前記ポンプの下流側かつ前記膨張機の上流側で検出する圧力検出手段と、
前記膨張機入口圧力が所定の上限圧力以下になるように前記膨張機を制御する膨張機制御手段と、
前記ボイラにおける前記作動流体の吸熱量を調整する吸熱量調整手段とを備え、
前記膨張機制御手段が前記膨張機入口圧力を低下させるために行う制御が限界状態に達し、かつ前記膨張機入口圧力が前記上限圧力を超えた時、前記吸熱量調整手段が前記作動流体の前記吸熱量を低減させる調整を行うことを特徴とする廃熱回生システム。 - 前記膨張機制御手段は、前記膨張機の吸入容積を制御する請求項1に記載の廃熱回生システム。
- 前記膨張機制御手段は、前記膨張機の回転数を制御する請求項1に記載の廃熱回生システム。
- 前記吸熱量調整手段は、前記膨張機入口圧力が所定の目標圧力になるように前記ボイラにおける前記作動流体の前記吸熱量を調整する請求項1〜3のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
- 前記ボイラの下流側かつ前記膨張機の上流側における前記作動流体の冷媒温度を検出する温度検出手段と、
前記冷媒温度が所定の上限温度以下になるように前記作動流体の流量を調整する流量調整手段を備える請求項1〜4のいずれか記載の廃熱回生システム。 - 前記流量調整手段は、前記冷媒温度が所定の下限温度以上になるように前記作動流体の流量を調整する請求項5に記載の廃熱回生システム。
- 前記上限温度及び前記下限温度は、前記膨張機入口圧力によって決定される請求項6に記載の廃熱回生システム。
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- 2012-04-27 JP JP2012103196A patent/JP2013231377A/ja not_active Withdrawn
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