JP2014231740A - 廃熱利用装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性の高い廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】実施例の廃熱利用装置は、駆動系1に用いられるランキンサイクル3と、バイパス路29と、流量調整弁31と、圧力センサ35と、制御装置11とを備えている。駆動系1は、エンジン5と、エンジン5に対して加圧空気を供給するターボチャージャ7とを有している。ランキンサイクル3は、電動ポンプP1と、加圧空気ボイラ19と、膨張機21と、凝縮器23と、配管25〜28とを有している。電動ポンプP1は、駆動系1による出力要求が所定値を超えることで作動流体の吐出量を増大させる。制御装置11は、設定蒸発圧力と圧力センサ35が検知した検知圧力αとの比較に基づいて流量調整弁31を制御することで、膨張機21に流入する動流体の流量を調整する。
【選択図】図1
【解決手段】実施例の廃熱利用装置は、駆動系1に用いられるランキンサイクル3と、バイパス路29と、流量調整弁31と、圧力センサ35と、制御装置11とを備えている。駆動系1は、エンジン5と、エンジン5に対して加圧空気を供給するターボチャージャ7とを有している。ランキンサイクル3は、電動ポンプP1と、加圧空気ボイラ19と、膨張機21と、凝縮器23と、配管25〜28とを有している。電動ポンプP1は、駆動系1による出力要求が所定値を超えることで作動流体の吐出量を増大させる。制御装置11は、設定蒸発圧力と圧力センサ35が検知した検知圧力αとの比較に基づいて流量調整弁31を制御することで、膨張機21に流入する動流体の流量を調整する。
【選択図】図1
Description
本発明は廃熱利用装置に関する。
特許文献1に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、内燃機関としてのエンジンと、エンジンに加圧空気を供給する過給器としてのターボチャージャとを有している。ランキンサイクルは、ポンプと、冷却水ボイラと、加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有している。冷却水ボイラでは、エンジンに対する冷却水と作動流体とが熱交換を行う。加圧空気ボイラでは、加圧空気と作動流体とが熱交換を行う。また、配管は、ポンプ、冷却水ボイラ、加圧空気ボイラ、膨張機及び凝縮器の順で作動流体を循環させる。
このような廃熱利用装置では、冷却水ボイラ及び加圧空気ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくすることが可能となっている。
ところで、ターボチャージャのような過給器を有する駆動系においては、エンジンのような内燃機関に供給する前に加圧空気を十分に冷却することが好ましい。冷却することで加圧空気の密度が大きくなり、エンジンに対してより多くの加圧空気を供給可能となることから、結果として、内燃機関の出力をより向上させることが可能となるためである。
この点、上記従来の廃熱利用装置では、加圧空気ボイラにおいて加圧空気を冷却可能である。このため、内燃機関の出力要求が大きい場合、例えば、ポンプによる作動流体の吐出量を変更して、配管を循環する作動流体の流量を増加させて、多くの作動流体を加圧空気ボイラに流入させることが考えられる。これにより、加圧空気と作動流体との熱交換がより好適に行われ、加圧空気を十分に冷却することが可能となり、出力要求に応じた加圧空気を内燃機関に供給することが可能となる。
しかし、このように作動流体の流量を増加させた場合、加圧空気ボイラを経て膨張機に流入する作動流体の流量が多くなり、蒸発圧力(ポンプの下流から膨張機の上流までの作動流体の圧力)が増大することとなる。一方、ランキンサイクルは設計段階において、膨張機等の構成部品が許容できる蒸発圧力が予め設定蒸発圧力として決定されている。このため、上記のように膨張機に流入する作動流体の流量が大きくなることで、蒸発圧力が設定蒸発圧力を超える事態が生じ得る。この場合、膨張機等の耐久性、ひいては廃熱利用装置の耐久性の低下が懸念されることとなる。特に、膨張機と内燃機関とを動力伝達可能に構成した場合、膨張機に流入させることが可能な作動流体の流量は、内燃機関の回転数に依存することとなる。このため、内燃機関の回転数が小さい場合には、蒸発圧力が設定蒸発圧力を超ええ易くなり、膨張機の耐久性の低下がより顕著となる。
このような問題に対しては、例えば、上限圧力が大きく設定された膨張機等を採用することが考えられる。しかしながら、この場合には膨張機等の製造コストが増大し、廃熱利用装置が高騰化することとなる。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性の高い廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。
本発明の廃熱利用装置は、内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器とを有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
該ランキンサイクルは、ポンプと、該加圧空気と該作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプ、該加圧空気ボイラ、該膨張機及び凝縮器の順で該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ポンプは前記駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に前記作動流体の吐出量を増大可能であり、
該ポンプによる該作動流体の該吐出量が増大した場合に、該吐出量の増大に伴う前記ランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えていることを特徴とする(請求項1)。
該ランキンサイクルは、ポンプと、該加圧空気と該作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプ、該加圧空気ボイラ、該膨張機及び凝縮器の順で該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ポンプは前記駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に前記作動流体の吐出量を増大可能であり、
該ポンプによる該作動流体の該吐出量が増大した場合に、該吐出量の増大に伴う前記ランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えていることを特徴とする(請求項1)。
本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、作動流体を循環させる。駆動系は、内燃機関と、この内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器とを有している。ランキンサイクルは、ポンプと、加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有している。ポンプは、駆動系による出力要求に応じて作動流体の吐出量を変更可能である。加圧空気ボイラでは、加圧空気と作動流体とが熱交換を行う。配管は、ポンプ、加圧空気ボイラ、膨張機及び凝縮器の順で作動流体を循環させる。
発明者らの知見によれば、過給器によって圧縮された加圧空気は、約150°C程度の温度となる。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラによって作動流体を十分に加熱することが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、膨張機で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくでき、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくすることができる。
また、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラにおける熱交換によって、加圧空気を冷却させることが可能である。このため、内燃機関に対して、多くの加圧空気を供給することが可能となる。さらに、この廃熱利用装置では、駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に、ポンプが作動流体の吐出量を増大可能であることから、駆動系による出力要求が大きい場合には、配管を循環する作動流体の流量を増加させて、多くの作動流体を加圧空気ボイラに流入させることが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、駆動系による出力要求に応じて内燃機関に加圧空気を十分に供給することが可能となる。
さらに、この廃熱利用装置は、ポンプによる作動流体の吐出量が増大した場合に、その吐出量の増大に伴うランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えている。
このため、この廃熱利用装置では、ポンプの吐出量が大きくなり、加圧空気ボイラに流入する作動流体の流量が多くなって、そのままではランキンサイクルの蒸発圧力が設定蒸発圧力以上に増大するおそれがある場合でも、ランキンサイクルの蒸発圧力を設定蒸発圧力以下に抑制することが可能となる。ここで、本発明において、ランキンサイクルの蒸発圧力とは、ポンプの下流から膨張機の上流までの作動流体の圧力を指す。このため、この廃熱利用装置では、上限圧力が大きく設計された膨張機等の構成部品をランキンサイクルに設ける必要がない。
したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性を高くできる。
内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。さらに、これらのエンジンは空冷式でも水冷式でも良い。一方、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給機は複数であっても良い。
また、本発明の廃熱利用装置は、加圧空気ボイラの下流の蒸発圧力を検知圧力として検知する圧力検知手段を備え得る。そして、予め定められる設定蒸発圧力と検知圧力とを比較して蒸発圧力抑制手段により蒸発圧力の上昇を抑制することが好ましい(請求項2)。
この場合、設定蒸発圧力の範囲内でランキンサイクルの蒸発圧力を維持しながら、膨張機に流入する作動流体の流量がより好適に抑制される。このため、この廃熱利用装置では、蒸発圧力が設定蒸発圧力を超える事態が好適に回避されて、膨張機の耐久性が高くできる。さらに、この場合には、膨張機で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを可及的に大きくできることから、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量をより大きくすることも可能となる。
本発明の廃熱利用装置において、蒸発圧力抑制手段は、加圧空気ボイラの下流で配管から分岐し、膨張機を迂回して配管に合流するバイパス路と、膨張機に流入する作動流体の流量とバイパス路に流入する作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁とを有し得る(請求項3)。
この場合、流量調整弁により、加圧空気ボイラを経た作動流体のうち、膨張機に流入する作動流体の流量と、バイパス路に流入する作動流体の流量とを調整することが可能となる。このため、加圧空気ボイラから流出した作動流体は、バイパス路と膨張機とにそれぞれ流入することとなる。この際、バイパス路に流入した作動流体は膨張機を迂回して凝縮器に至ることとなる。このため、ポンプから吐出される作動流体の流量が増大することで、蒸発圧力が設定蒸発圧力超えて上昇するおそれがある場合には、作動流体の一部をバイバス路に流入させることで蒸発圧力の上昇を抑制することが可能となる。
また、本発明の廃熱利用装置において、蒸発圧力抑制手段は、膨張機に流入する作動流体の流量と、ポンプが吐出する作動流体の流量との比を変更する流量比変更手段であり得る(請求項4)。この流量比変更手段は、膨張機の単位回転数当たりの吸入容量を変更可能な容量制御手段であり得る(請求項5)。また、流量比変更手段は、膨張機の回転数を変更可能な変速手段であり得る(請求項6)。これらによっても、ランキンサイクルの蒸発圧力を設定蒸発圧力以下に抑制することが可能となる。
本発明の廃熱利用装置において、膨張機と内燃機関とは動力を伝達可能に構成されていることが好ましい(請求項7)。この場合、内燃機関の動力によって膨張機を作動させることが可能となるとともに、ランキンサイクルにおいて回収したエネルギーにより膨張機を作動させて、内燃機関に対して動力を回生することも可能となる。
本発明の廃熱利用装置によれば、内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性を高くできる。
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
(実施例)
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図1に示すように、車両の駆動系1に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル3と、バイパス路29と、流量調整弁31と、圧力センサ35と、制御装置11とを備えている。これらのバイパス路29及び流量調整弁31が蒸発圧力抑制手段に相当する。また、圧力センサ35が圧力検知手段に相当する。
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図1に示すように、車両の駆動系1に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル3と、バイパス路29と、流量調整弁31と、圧力センサ35と、制御装置11とを備えている。これらのバイパス路29及び流量調整弁31が蒸発圧力抑制手段に相当する。また、圧力センサ35が圧力検知手段に相当する。
駆動系1は、内燃機関としてのエンジン5と、過給器としてのターボチャージャ7と、図示しないラジエータとを有している。エンジン5は、公知の水冷式ガソリンエンジンである。エンジン5の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット(図示略)が形成されている。エンジン5には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口と流入口と(いずれも図示を省略する。)が形成されている。また、エンジン5には、排気を排出する排気口5aと、後述する加圧空気を吸入する吸気口5bとが形成されている。
ターボチャージャ7には公用品が採用されている。ターボチャージャ7は、エンジン5から生じた排気によって作動され、エンジン5に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。
エンジン5とターボチャージャ7とは配管9〜11によって接続されている。また、配管10と配管11とには後述する加圧空気ボイラ19が接続されている。配管9は内部を排気が流通可能となっており、エンジン5の排気口5aとターボチャージャ7とに接続されている。一方、配管10及び配管11は内部を加圧空気が流通可能となっている。配管10はターボチャージャ7と、加圧空気ボイラ19の第1流入口19aとに接続されている。配管11は加圧空気ボイラ19の第1流出口19bと、エンジン5の吸気口5bとに接続されている。
さらに、ターボチャージャ7には、配管12、13の各一端側が接続されている。配管12の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管13の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管12は、ターボチャージャ7を介して配管9と連通している。同様に、配管13は、ターボチャージャ7を介して配管10と連通している。
また、エンジン5はクランクシャフト15を介して公知のプーリ17と接続されている。プーリ17は、第1、2プーリドラム17a、17bと、第1プーリドラム17aと第2プーリドラム17bとを動力伝達可能に連結するプーリベルト17cとを有している。クランクシャフト15は第1プーリドラム17aに接続されており、エンジン5の動力によりプーリドラム17aを回転可能となっている。
ランキンサイクル3は、電動ポンプP1と、加圧空気ボイラ19と、膨張機21と、凝縮器23と、配管25〜28とを有している。また、ランキンサイクル3には、バイパス路29及び流量調整弁31が一体に組み付けられている。配管25〜28及びバイパス路29には、作動流体としてのHFC134aが流通可能となっている。
加圧空気ボイラ19には、第1流入口19a及び第1流出口19bと、第2流入口19c及び第2流出口19dとが形成されている。また、加圧空気ボイラ19内には、両端側でそれぞれ第1流入口19a及び第1流出口19bと連通する第1通路19eと、両端側でそれぞれ第2流入口19c及び第2流出口19dと連通する第2通路19fとが設けられている。この加圧空気ボイラ19では、第1通路19e内の加圧空気と、第2通路19f内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
膨張機21は、加圧空気ボイラ19を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機21等には、許容できる所定の蒸発圧力が予め設定蒸発圧力として決定されている。
膨張機21には、その内部に作動流体を流入させる流入口21aと、作動流体を流出させる流出口21bとが形成されている。また、膨張機21には駆動軸33の一端側が接続されている。この駆動軸33の他端側は第2プーリドラム17bに接続されている。上記のクランクシャフト15、プーリ17及び駆動軸33により、膨張機21とエンジン5とは動力を伝達可能となっている。なお、駆動軸33の適宜箇所には、膨張機21がエンジン5を駆動する方向にのみ回転を許容するワンウェイクラッチ(図示せず)が設けられている。
凝縮器23には、その内部に作動流体を流入させる流入口23aと、作動流体を流出させる流出口23bとが形成されている。凝縮器23は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機21での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器23の近傍には電動ファン23cが設けられている。この電動ファン23cは制御装置11に電気的に接続されている。
バイパス路29は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に膨張機21を迂回させる。流量調整弁31は、膨張機21に流入する作動流体の流量と、バイパス路29に流入する作動流体の流量とを調整することが可能となっている。この流量調整弁31は制御装置11に電気的に接続されている。
これらの加圧空気ボイラ19、膨張機21、凝縮器23、バイパス路39及び流量調整弁31は、配管25〜28によって接続されている。具体的には、凝縮器23の流出口23bと加圧空気ボイラ19の第2流入口19cとは配管25によって接続されている。加圧空気ボイラ19の第2流出口19dと流量調整弁31とは配管26によって接続されている。また、流量調整弁31と膨張機21の流入口21aとは配管27によって接続されている。そして、膨張機21の流出口21bと凝縮器23の流入口23aとは配管28によって接続されている。また、バイパス路33の一端側は流量調整弁31と接続されており、その他端側は配管28と接続されている。
電動ポンプP1は配管25に設けられている。この電動ポンプP1は作動流体の吐出量について、後述の第1吐出量や第2吐出量のように変更することが可能となっている。また、この電動ポンプP1は制御装置11に電気的に接続されている。
この電動ポンプP1を作動させることにより、作動流体は、図2及び図3に示すように、電動ポンプP1から加圧空気ボイラ19、バイパス路29又は膨張機21を経て凝縮器23に至る順で配管25〜38内を循環する。つまり、ランキンサイクル3における作動流体の流通方向において、バイパス路29は、加圧空気ボイラ19の下流で配管26から分岐し、凝縮器23の流入口23aよりも上流で配管28に合流する。
図1に示すように、圧力センサ35は、配管27に設けられている。この圧力センサ35は配管27内を流通する作動流体の圧力を基に、電動ポンプP1の下流から膨張機21の上流までの作動流体の圧力(ランキンサイクル3の蒸発圧力)のうち、加圧空気ボイラ19の下流の作動流体の圧力を検知圧力αとして検知する。また、この圧力センサ35は制御装置11に電気的に接続されており、検知圧力αを制御装置11に向けて送信する。なお、この圧力センサ35は公用品である。また、圧力センサ35は配管25、26に設けられても良い。
制御装置11は、電動ポンプP1及び流量調整弁31等に対する制御手段として機能する。具体的には、制御装置11は、駆動系1による出力要求に基づき、電動ポンプP1に制御信号C1、C2等を発信することで、電動ポンプP1の作動制御、すなわち、電動ポンプP1による作動流体の吐出量の制御を行う。この制御装置11は、アクセルの開度に基づき駆動系1による出力要求の大きさを判断する。
また、制御装置11は予め設定された上記の設定蒸発圧力を記憶している。この設定蒸発圧力は、膨張機21等の上限圧力に対して、ある程度の余裕を持った値に設定される。制御装置11は、この記憶された設定蒸発圧力と圧力センサ35から受信した検知圧力αとの比較を行い、流量調整弁31に対して制御信号C3、C4等を発信し、流量調整弁31による流量制御を行う。さらに、制御装置11は、電動ファン23cの作動制御を行うことで、作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。なお、制御信号C1〜C4(図2及び図3の破線矢印参照)については後述する。
このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。
図2に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系1ではエンジン5が作動する。これにより、排気口5aから排出された排気が配管9、ターボチャージャ7及び配管12を経てマフラから車外に排出される(同図の一点鎖線矢印参照)。この際、排気によってターボチャージャ7が作動される。これにより、車外の空気が配管13よりターボチャージャ7に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管10、加圧空気ボイラ19の第1通路19e及び配管11を経てエンジン5の吸気口5bよりエンジン5内へ吸入される(同図の二点鎖線矢印参照)。なお、図示を省略しているものの、エンジン5(流出口及び流入口)とラジエータとの間で冷却水が循環し、エンジン5の冷却も行われる。
また、制御装置11は、電動ポンプP1に対して制御信号C1を送信する。これにより電動ポンプP1は、所定の第1吐出量で作動流体を吐出する。また、制御装置11は流量調整弁31を制御し、配管26と配管27とを連通させ、配管26、27とバイパス路29とを非連通とさせる。
これらにより、ランキンサイクル3では、同図の実線矢印に示すように、電動ポンプP1によって吐出された作動流体が配管25を経て、加圧空気ボイラ19の第2流入口19cから第2通路19fに至る。そして、作動流体は加圧空気ボイラ19において加圧空気と熱交換される。この際、第1通路19eを流通する加圧空気は約150°C程度の熱を有しているため、第2通路19fを流通する作動流体は、好適に加熱される。一方、第1通路19eを流通する加圧空気は、第2通路19fを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態で吸入口5bからエンジン5内に至ることとなる。
こうして、加圧空気ボイラ19によって加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第2流出口19dから流出し、配管26から配管27へ流入する。この際、圧力センサ35は配管27を流通する作動流体の圧力によって、加圧空気ボイラ19の下流の蒸発圧力を検知圧力αとして検知し、この検知圧力αを制御装置11に送信する。そして、制御装置11は、記憶されている設定蒸発圧力と圧力センサ35から受信した検知圧力αとの比較を行う。ここで、検知圧力αと設定蒸発圧力と等しい場合、又は、検知圧力αが設定蒸発圧力に対して所定の偏差内にある場合には、制御装置11は流量調整弁31に対して制御信号C3を送信する。これにより、流量調整弁31は、膨張機21に流入する作動流体の流量(配管26から配管27に流入する作動流体の流量)と、バイパス路29に流入する作動流体の流量(配管26からバイパス路29に流入する作動流体の流量)との調整を行う。そして、上記のように、配管26と配管27とを連通させ、配管26、27とバイパス路29とを非連通とさせて、加圧空気ボイラ19によって加熱された作動流体の全量を膨張機21に流入させる。
配管27を流通する作動流体は膨張機21の流入口21aから膨張機21内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機21内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機21には回転駆動力が生じる。この回転駆動力は、駆動軸33、プーリ17及びクランクシャフト15を介してエンジン5に回生される。
膨張機21内で減圧された作動流体は流出口21bから流出し、凝縮器23の流入口23aから凝縮器23内へ至る。凝縮器23の作動流体は、凝縮器23の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置11は電動ファン23cの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口23bから流出し、配管25を経て再び加圧空気ボイラ19に至ることとなる。
この制御装置11は、アクセルの開度に基づいて、駆動系1の出力要求の大きさを判断可能する。そこで、アクセルの開度が大きくなり、制御装置11が駆動系1の出力要求が所定値より大きいと判断した場合には、図3に示すように、制御装置11は、電動ポンプP1に対して制御信号C2を送信する。これにより電動ポンプP1は、上記の第1吐出量よりも多い第2吐出量で作動流体を吐出する。
これにより、配管25〜28を循環する作動流体の流量が増大され、加圧空気ボイラ19に流入する作動流体の流量が多くなる。このため、加圧空気ボイラ19における熱交換では、作動流体は加圧空気からより多くの放熱を受けることとなる。この結果、加圧空気をより冷却することが可能となる。
この場合も圧力センサ35は配管27を流通する作動流体の圧力を検知し、この検知圧力αを制御装置11に送信する。そして、制御装置11は、記憶されている設定蒸発圧力と圧力センサ35から受信した検知圧力αとの比較を行う。
上記のように、図3に示す状態では、電動ポンプP1が吐出する作動流体の流量が多いため、圧力センサ35で検知された検知圧力αは図2に示す状態よりも大きくなる。このため、検知圧力αが設定蒸発圧力を超えると制御装置11が判断した場合には、制御装置11は流量調整弁31に対して制御信号C4を送信する。
制御信号C4を受信した流量調整弁31は、配管26について、配管27とバイパス路29とにそれぞれ連通させて、膨張機21に流入する作動流体の流量と、バイパス路29に流入する作動流体の流量との調整を行う。これにより、配管26を流通する作動流体の一部をバイパス路29に流入させることで、膨張機21に流入する作動流体の流量を抑制させる。なお、バイパス路29に流入する作動流体の流量は、検知圧力αと設定蒸発圧力との偏差量に基づき、適宜調整される。
これにより、膨張機21に作用する作動流体の蒸発圧力が調整され、膨張機21は作動流体を好適に膨張及び減圧させることが可能となる。なお、膨張機21を経た作動流体は、バイパス路29を経た作動流体と合流した後、凝縮器23によって放熱されることとなる。
このように、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ19によって作動流体を十分に加熱することが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、膨張機21で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくできる。これにより、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル3において回収可能なエネルギーの量、つまり、エンジン5に回生する回転駆動力を大きくすることができる。
また、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ19における熱交換によって、加圧空気を冷却させることが可能である。このため、エンジン5に対して、多くの加圧空気を供給することが可能となる。さらに、この廃熱利用装置では、駆動系1による出力要求が所定値を超えた場合に電動ポンプP1が作動流体の吐出量を増大させることが可能である。このため、駆動系1による出力要求が所定値を超えることで、電動ポンプP1は第1吐出量から第2吐出量に変更し、配管25〜28を循環する作動流体の流量を増加させて、多くの作動流体を加圧空気ボイラ19に流入させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置では、駆動系1による出力要求に応じてエンジン5に加圧空気を十分に供給することが可能となっている。
さらに、この廃熱利用装置は、バイパス路29、流量調整弁31及び制御装置11を備えている。そして、この流量調整弁31は、加圧空気ボイラ19を経た作動流体のうち、膨張機21に流入する作動流体の流量と、バイパス路29に流入する作動流体の流量とを調整可能となっている。
このため、この廃熱利用装置では、電動ポンプP1の吐出量が設定蒸発圧力に対応する第1吐出量よりも大きい第2吐出量となり、加圧空気ボイラ19に流入する作動流体の流量が多くなった場合でも、膨張機21に流入する作動流体の流量を抑制して、蒸発圧力を設定蒸発圧力以下に維持することが可能となる。この際、制御装置11は、設定蒸発圧力と圧力センサ35が検知した検知圧力αとの比較によって流量調整弁31の制御を行うため、ランキンサイクル3の蒸発圧力のうち、膨張機21に作用する蒸発圧力が設定蒸発圧力を超える事態を好適に回避できる。このため、この廃熱利用装置では、上限圧力が大きく設計された膨張機等をランキンサイクル3に設ける必要がない。
したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、エンジン5の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性を高くできる。
特に、この廃熱利用装置では、制御装置11に記憶されている設定蒸発圧力と圧力センサ35が検知した検知圧力αとの比較に基づいて、制御装置11が流量調整弁31を制御することで、膨張機21に流入する作動流体の流量が抑制される。このため、この廃熱利用装置では、膨張機21の設定圧の範囲内でランキンサイクル3の蒸発圧力を維持しながら、膨張機21に流入する作動流体の流量が好適に抑制される。このため、この廃熱利用装置では、膨張機21に作用する蒸発圧力が膨張機21の設定圧を超える事態を回避しつつ、膨張機21で作動流体を膨張及び減圧させた際の回転駆動力を可及的に大きくできる。このため、この廃熱利用装置では、エンジン5に回生可能な動力を大きくすることが可能となっている。
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、プーリ17と駆動軸33との間に、クラッチを設けても良い。この場合、電磁クラッチや多板式クラッチ等を採用できる。
また、加圧空気ボイラ19に加えて、冷却水と作動流体とで熱交換が可能なボイラ等を設けても良い。この場合、冷却水の熱、すなわち、エンジン5の廃熱等によっても作動流体を加熱できるため、より好適に作動流体を加熱することが可能となり、エンジン5に回生可能な動力を大きくすることが可能となる。また、作動流体との熱交換によって冷却水を冷却することが可能となるため、ラジエータ等を小型化させてもエンジン5を好適に冷却させることが可能となる。
さらに、配管25における電動ポンプP1の上流側には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器23を経た作動流体は、電動ポンプP1によって好適に吐出されて、配管25〜28やバイパス路29を好適に循環することとなる。特に、この廃熱利用装置では、パイパス路29を流通する作動流体は膨張機21によって減圧されないため、レシーバを設けることによる効果が大きくなる。
また、蒸発圧力抑制手段として、バイパス路29及び流量調整弁31に替えて、膨張機21に流入する作動流体の流量と、電動ポンプP1が吐出する作動流体の流量との比を変更する流量比変更手段を採用しても良い。流量比変更手段としては、膨張機21の回転数を変更可能な変速手段によって、膨張機21の回転数を増速して蒸発圧力を低下させることができる。また、膨張機21の単位回転数当たりの吸入容量を変更可能な容量制御手段により膨張機の吸入容量を増大させることにより、蒸発圧力を低下させることもできる。
本発明は車両等に利用可能である。
1…駆動系
3…ランキンサイクル
5…エンジン(内燃機関)
7…ターボチャージャ(過給器)
19…加圧空気ボイラ
21…膨張機
23…凝縮器
25〜28…配管
29…バイパス路(蒸発圧力抑制手段)
31…流量調整弁(蒸発圧力抑制手段)
35…圧力センサ(圧力検知手段)
P1…電動ポンプ(ポンプ)
α…検知圧力
3…ランキンサイクル
5…エンジン(内燃機関)
7…ターボチャージャ(過給器)
19…加圧空気ボイラ
21…膨張機
23…凝縮器
25〜28…配管
29…バイパス路(蒸発圧力抑制手段)
31…流量調整弁(蒸発圧力抑制手段)
35…圧力センサ(圧力検知手段)
P1…電動ポンプ(ポンプ)
α…検知圧力
Claims (7)
- 内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器とを有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
該ランキンサイクルは、ポンプと、該加圧空気と該作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプ、該加圧空気ボイラ、該膨張機及び凝縮器の順で該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ポンプは前記駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に前記作動流体の吐出量を増大可能であり、
該ポンプによる該作動流体の該吐出量が増大した場合に、該吐出量の増大に伴う前記ランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えていることを特徴とする廃熱利用装置。 - 前記加圧空気ボイラの下流の蒸発圧力を検知圧力として検知する圧力検知手段を備え、
予め定められる設定蒸発圧力と前記検知圧力とを比較して前記蒸発圧力抑制手段により前記蒸発圧力の上昇を抑制する請求項1記載の廃熱利用装置。 - 前記蒸発圧力抑制手段は、前記加圧空気ボイラの下流で前記配管から分岐し、前記膨張機を迂回して該配管に合流するバイパス路と、該膨張機に流入する該作動流体の流量と該バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁とを有している請求項1又は2記載の廃熱利用装置。
- 前記蒸発圧力抑制手段は、前記膨張機に流入する前記作動流体の流量と、前記ポンプが吐出する該作動流体の流量との比を変更する流量比変更手段である請求項1又は2記載の廃熱利用装置。
- 前記流量比変更手段は、前記膨張機の単位回転数当たりの吸入容量を変更可能な容量制御手段である請求項4記載の廃熱利用装置。
- 前記流量比変更手段は、前記膨張機の回転数を変更可能な変速手段である請求項4記載の廃熱利用装置。
- 前記膨張機と前記内燃機関とは動力を伝達可能に構成されている請求項1乃至5のいずれか1項記載の廃熱利用装置。
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