JP5118578B2 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents
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また、膨張機に流入する冷媒の過熱度が所定範囲となるように(特許文献2参照)、或いは、凝縮器の凝縮能力が所定能力となるように(特許文献3参照)、ポンプまたは膨張機の回転数の少なくとも一方を制御する技術が開示されている。
しかしながら、膨張機の入口と出口との冷媒の温度差を大きくするために、膨張機の入口の冷媒温度を際限なく上昇させると、冷媒や冷媒に添加される潤滑油が熱分解し、ランキンサイクルの作動に支障を来すおそれがある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機入口の冷媒特性を最適に制御することにより、熱回収効率を大幅に向上することができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。
更に、請求項3記載の発明では、請求項1または2において、膨張機入口圧力設定手段は、膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度とエントロピ推定手段にて推定されたエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピに対応する冷媒圧力を膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定することを特徴としている。
更にまた、請求項7記載の発明では、請求項6において、膨張機入口温度設定手段は、冷媒が分解しない最高温度を設定温度として設定することを特徴としている。
図1は内燃機関の廃熱利用装置の一例を模式的に示しており、この廃熱利用装置は例えば車両に搭載され、車両のエンジン(内燃機関)2を冷却する冷却水回路4と、エンジン2の廃熱を回収するランキンサイクル6(以下、RC回路という)とを備えている。
冷却水回路4は、エンジン2から延設される冷却水の循環路5に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器(熱交換器)10、ラジエータ12、サーモスタット14、水ポンプ16が介挿されて閉回路を構成している。
ラジエータ12は、蒸発器10と直列に配列され、蒸発器10にて冷媒に吸熱されて冷却された冷却水を外気の送風による熱交換により更に冷却する。
一方、RC回路6は、冷媒の循環路7に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器10、排ガス熱交換器18、膨張機20、凝縮器22、レシーバ24、冷媒ポンプ(ポンプ)26が介挿されて閉回路を構成している。
膨張機20は、蒸発器10及び排ガス熱交換器18で加熱されて超臨界状態となった冷媒を膨張させ、駆動力を発生する回転機器であって、膨張機20には、発生した駆動力を電力変換して廃熱利用装置の外部で利用可能とする発電機28が機械的に連結されている。そして、膨張機20の駆動部に入力される信号に応じて膨張機20の回転数を含む負荷が制御される。
レシーバ24は、凝縮器22にて凝縮された冷媒を気液二層に分離する気液分離器であり、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ26側に流出される。
冷媒ポンプ26は、その駆動部に入力される信号に応じて駆動される電動ポンプであり、レシーバ24から流出された液冷媒を蒸発器10側に圧送し、RC回路6に好適に循環させる。
具体的には、ECUには膨張機20及びポンプ26の各駆動部が電気的に接続され、更に、凝縮器22の入口における冷媒の凝縮圧力Pconを検出する凝縮圧力センサ(凝縮圧力検出手段)30、膨張機20の入口における冷媒の膨張機入口圧力Pexを検出する膨張機入口圧力センサ(膨張機入口圧力検出手段)32、膨張機20の入口における冷媒の膨張機入口温度Texを検出する膨張機入口温度センサ(膨張機入口温度検出手段)34が電気的に接続されている。
詳しくは、ECUには図2に示されるようなマップ36が格納されており、このマップ36は冷媒の飽和蒸気線、等エントロピ線、等温度線から構成され、ECUは、これらの線上のデータから、RC回路6のサイクルの熱収支を示すモリエル線図を決定している。
先ず、冷媒(a)は蒸発器10に流入し、エンジン2から吸熱した冷却水で加熱されてエンタルピhが増加したガス状態の冷媒(b)にされる。
冷媒(b)は排ガス熱交換器18に流入し、排ガス管19を流れる排ガスで更に加熱されて、エンタルピhが更に増加した超臨界状態の冷媒(c)にされる。
冷媒(d)は凝縮器22にて凝縮され、等圧にてエンタルピhが更に減少した冷媒(e)にされる。
ここで、ECUは、マップ36を参照し、膨張機20の入口における冷媒(c)の設定温度Texs及び設定圧力Pexsを設定し、膨張機入口圧力センサ32にて検出された冷媒(c)の膨張機入口圧力Pexが設定圧力Pexsになるように膨張機20の負荷Lexを制御する膨張機制御(膨張機制御手段)を実行している。
先ず、上記各制御がスタートされるとS1に移行し、S1では、マップ36を参照することにより、凝縮圧力センサ30にて検出された凝縮器22の入口における冷媒(d)の凝縮圧力Pconに対応する冷媒の飽和蒸気のエントロピSconを推定し(エントロピ推定手段)、S2に移行する。
具体的には、ポンプ26の回転数Npは、循環路7を循環する冷媒の量、即ち排ガス熱交換器18に通ガスされる単位時間あたりの冷媒量を決定することから、ポンプ26の回転数Npを減少させることにより、排ガス熱交換器18に滞留する単位時間あたりの冷媒量が減少するため、膨張機入口温度Texが上昇する。
これに対し、S3にて設定された設定圧力Pexsは、S5にて実行される膨張機制御の目標値として使用され、S5では膨張機入口圧力Pexが設定圧力Pexsになるように膨張機20の負荷Lexを制御する。
一方、膨張機20の負荷Lexを増大させることにより、膨張機20の回転数Nexが減少し、膨張機20を通ガスされる冷媒量が減少するため、膨張機入口圧力Pexが上昇する。
当該第2実施形態は、上記第1実施形態における膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンのS1におけるエントロピSconの推定方法を変更するものであり、他は上記第1実施形態と同様の構成をなしている。
本実施形態では、S1において、凝縮圧力Pconにおける飽和蒸気冷媒に所定の補正過熱温度Tcorを加算した点でエントロピSconとして推定する。
当該第3実施形態は、上記第1実施形態における膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンのS2における設定温度Texsの設定方法を変更するものであり、他は上記第1実施形態と同様の構成をなしている。
S13では、Np=Npminとなるときの膨張機入口温度Texpminを膨張機入口温度センサ34により検出し、S14に移行する。
その後、S3では、マップ36を参照することにより、120℃となる設定温度Texsに対応する設定圧力Pexsを5MPaとして読み取って設定し、S5では膨張機入口圧力Pexが5MPaになるように膨張機制御を実行する。
当該第4実施形態は、上記第2,第3実施形態における膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンのS1におけるエントロピSconの推定方法を変更するものであり、他は上記第2,第3実施形態と同様の構成をなしている。
本実施形態では、冷媒(c)のエントロピSexが冷媒(d4)のエントロピSconよりも小となるようにエントロピSconを推定する。即ち、凝縮圧力Pconにおける飽和蒸気冷媒に所定の補正過熱温度相当分を加算した点で冷媒(d4)のエントロピを推定し、そのエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピを冷媒(c)のエントロピとして推定する。
以上のように、本実施形態では、上述したようにしてエントロピSconを推定することにより、膨張機20の全断熱膨張効率、換言するとポリトロープ膨張効率を考慮してエントロピSconを推定することができるため、高圧側が超臨界状態となるRC回路6の膨張機20の入口の冷媒特性を膨張機の実際の断熱性能に即して確実に制御することができる。
当該第5実施形態は、図示しない膨張機出口温度センサ(膨張機出口温度検出手段)により実際の膨張機出口温度を測定して、仮決めしているd2点の温度との間に差が生じている場合には膨張機制御を行うものであり、他は上記第4実施形態と同様の構成をなしている。
次に、そのエントロピにおける膨張機入口の冷媒温度を設定温度(150℃)としてc5点を仮設定し、その点の圧力を膨張機入口設定圧力Pexsとする。
次に、膨張機負荷Lexを制御して膨張機入口圧力Pexが設定圧力Pexsとなるように制御する。
一方、d2点もあくまでも仮設定であって、その過熱度は5Kに一致するとは限らないため、膨張機負荷Lexを制御して過熱度を5Kに合わせる。具体的には、d2点よりも膨張機出口温度が高いときには設定圧力Pexsを大きくし、温度が低いときには設定圧力Pexsを小さくする。これにより、d2点の冷媒の性状が確定する。
例えば、上記各実施形態では凝縮圧力を測定しているが、この圧力の代わりに凝縮温度を測定しても良い。
また、上記各実施形態ではランキンサイクルの冷媒としてR134aを用いているが、この他の冷媒として、R152aやR1234yf(HFO−1234yf)を用いることが可能であり、何れの冷媒も膨張機入口温度を150℃に設定可能である。
6 ランキンサイクル
7 冷媒の循環路
10 蒸発器(熱交換器)
20 膨張機
22 凝縮器
26 冷媒ポンプ(ポンプ)
30 凝縮圧力センサ(凝縮圧力検出手段)
32 膨張機入口圧力センサ(膨張機入口圧力検出手段)
34 膨張機入口温度センサ(膨張機入口温度検出手段)
Claims (8)
- 冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により冷媒を加熱して超臨界状態とする熱交換器、該熱交換器を経由した冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した冷媒を熱交換器に圧送するポンプが順次介挿されるランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用装置であって、
冷媒の凝縮圧力を検出する凝縮圧力検出手段と、
前記膨張機の入口における冷媒の圧力を検出する膨張機入口圧力検出手段と、
前記凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応する飽和蒸気冷媒のエントロピを推定するエントロピ推定手段と、
前記膨張機の入口における冷媒の設定温度を設定する膨張機入口温度設定手段と、
前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度と前記エントロピ推定手段にて推定されたエントロピに対応する冷媒圧力を前記膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定する膨張機入口圧力設定手段と、
前記膨張機入口圧力検出手段にて検出された膨張機入口圧力が前記膨張機入口圧力設定手段にて設定された設定圧力になるように前記膨張機の負荷を制御する膨張機制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記エントロピ推定手段は、前記凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算したものを過熱蒸気のエントロピとして推定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記膨張機入口圧力設定手段は、前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度と前記エントロピ推定手段にて推定されたエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピに対応する冷媒圧力を前記膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記膨張機の入口における冷媒の温度を検出する膨張機入口温度検出手段と、
前記膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度になるように前記ポンプにて圧送する冷媒の流量を制御するポンプ制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記ポンプには圧送可能な所定の最低流量が予め設定され、
前記ポンプ制御手段によって前記ポンプにて圧送する冷媒の流量を前記所定の最低流量まで下げても前記膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度にならないとき、前記膨張機入口温度設定手段は、前記ポンプにて圧送する冷媒の流量が前記所定の最低流量となるときに前記膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度を設定温度として設定することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記膨張機入口温度設定手段は、冷媒の臨界温度以上で、且つ冷媒の分解温度未満の温度を前記設定温度として設定することを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記膨張機入口温度設定手段は、冷媒が分解しない最高温度を前記設定温度として設定することを特徴とする請求項6に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記膨張機の出口における冷媒の温度を検出する膨張機出口温度検出手段を更に備え、
前記膨張機出口温度検出手段にて検出された膨張機出口温度が前記凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算した過熱蒸気温度となるように前記設定圧力を補正することを特徴とする請求項7に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
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