JP5281587B2 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents
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Description
そして、ECUによって、上記ポンプの回転数を制御して冷媒流量を調節し、上記膨張機の負荷トルクを制御することにより、膨張機回転数を調節してランキンサイクルにおける回収エネルギーを増大させる技術が知られている(例えば、日本国特開2005−30727号公報、及び日本国特開2006−177266号公報参照)。
しかし、上記各従来技術では、ランキンサイクルに排ガス熱交換器を設けた場合のポンプ回転数の制御方法については格別な配慮がなされておらず、この場合の回収エネルギーの増大化については依然として課題が残されている。
上記の目的を達成するべく、本発明の内燃機関の廃熱利用装置は、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器と、蒸発器から流出された作動流体を内燃機関の廃熱により更に加熱する加熱器と、加熱器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、膨張機から流出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出された作動流体を蒸発器に送出するポンプとを備えたランキンサイクルと、ランキンサイクルの作動を制御する制御手段とを備え、制御手段は、膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度以上となるとき、ポンプの回転数を増大させる作動流体の流量制御を行うことにより、蒸発器において蒸発しきれない液冷媒を加熱器にて蒸発させることを特徴としている。
しかも、上記流量制御により加熱器の過熱度を小さくすることもできるため、加熱器を利用してポンプの回転数を変更するだけの簡易な制御で、膨張機入口の作動流体温度が高くなり過ぎることによる作動流体や作動流体に添加される潤滑油の分解、劣化を防止することができる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度未満となり、且つ蒸発器における冷媒の過熱度が所定の設定過熱度以下となるとき、ポンプの回転数を減少させる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、凝縮器における作動流体の凝縮温度と外気温度との温度差が所定の設定温度差以上となるとき、ポンプの回転数を減少させる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、蒸発器から流出される冷却水の蒸発器出口温度が所定の蒸発器出口温度以下となるとき、ポンプの回転数を減少させる。
この構成によれば、冷却水の蒸発器出口温度が低下しすぎるときには、蒸発器に流入する作動流体の流量を減少させることにより、内燃機関の低負荷時であってもその廃熱量に見合った蒸発器の吸熱量とすることができるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
この構成によれば、ラジエータに冷却水が流れ、内燃機関の廃熱がランキンサイクル以外に廃棄されているときには、蒸発器に流入する作動流体の流量を増大させることにより、蒸発器における吸熱量を極力増大できるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
この構成によれば、凝縮器における放熱量を直接に制御することができ、ひいては発電量をその要求量に合致させることができる。
この構成によれば、排ガスによって作動流体が極めて高温に加熱されることにより生じる作動流体や作動流体に添加される潤滑油の分解、劣化を確実に防止することができるため、回収エネルギーを確実に増大することができる。
図1は、本実施形態の廃熱利用装置2の構成を概略的に示した模式図である。廃熱利用装置2は、例えば車両のエンジン(内燃機関)4を冷却する冷却水回路6と、エンジン4の廃熱を回収するランキンサイクル回路(ランキンサイクル)8(以下、RC回路という)とから構成されている。
冷却水回路6は、エンジン4から延設される冷却水の循環路7に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器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。
蒸発器10は、冷却水回路6の冷却水とRC回路8の冷媒とを熱交換することにより、エンジン4で加熱された冷却水、すなわち温水を熱媒体としてエンジン4の廃熱をRC回路8側に吸熱させて回収している。一方、蒸発器10を通過して冷媒に吸熱された冷却水は、エンジン4を冷却することにより再び加熱された温水となる。
サーモスタット14は、冷却水温度に応じてラジエータ12へ通水される冷却水量を制御する機械式の三方切換弁であって、2つの入口ポートと1つの出口ポートとを有している。2つの入口ポートには、ラジエータ12から延設される流路7aと、蒸発器10とラジエータ12との間の流路7bからラジエータ12を迂回するバイパス路7cとがそれぞれ接続され、これにより、冷却水温度に応じてラジエータ12へ通水される冷却水量が増減されてエンジン4の過熱が防止される。
水ポンプ16は、エンジン4に装着され、エンジン4の回転数に応じて駆動されて冷却水回路6に冷却水を好適に循環させる。
加熱器18は、例えば、エンジン4の排ガス管28を流れる排ガスで冷媒を加熱する排ガス熱交換器であって、蒸発器10で加熱された冷媒が更に加熱される。
膨張機20は、蒸発器10及び加熱器18で加熱されて過熱蒸気の状態となった冷媒を膨張させ、回転駆動力を発生する容積式の流体機器であって、膨張機20には、発生した回転駆動力を電力変換して廃熱利用装置2の外部で利用可能とする発電機30が機械的に連結されている。
気液分離器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レシーバであり、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26a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、凝縮器22で凝縮され、気液分離器24で分離された液冷媒は冷媒ポンプ26によって蒸発器10側に圧送され、RC回路8を好適に循環する。
ここで、廃熱利用装置2には、車両及び廃熱利用装置2の総合的な制御を行う電子コントロールユニット(ECU)(制御手段)32が設けられ、ECU32には駆動部23a,26aとともに各種センサが電気的に接続されている。
一方、RC回路8においては、排ガス熱交換器18出口と膨張機20入口との間に冷媒の膨張機入口温度T3を検出する膨張機入口温度センサ40、凝縮器22に冷媒の凝縮温度T4を検出する凝縮温度センサ42、蒸発器10と排ガス熱交換器18との間に冷媒の蒸発器出口圧力Pを検出する蒸発器出口圧力センサ44及び冷媒の蒸発器出口温度T5を検出する蒸発器出口温度センサ46、外気温度T6を検出する外気温度センサ48、発電機30の発電量Eを検出する発電量センサ50がそれぞれ設けられている。
以下、図2に示されるフローチャートを参照して、このランキンサイクル制御について詳しく説明する。
先ず、それぞれ所定の初期回転数で冷媒ポンプ26及び凝縮器ファン23が起動された状態でランキンサイクル制御が開始されると、S1(以下、Sはステップを表す)に移行する。
S2に移行した場合には、廃熱温度センサ34にて検出されたエンジン廃熱温度T1、及び蒸発器出口圧力センサ44にて検出された冷媒の蒸発器出口圧力Pにより冷媒の蒸発温度Tr・satが算出され、更に蒸発器出口温度センサ46にて検出された冷媒の蒸発器出口温度T5から冷媒の蒸発温度Tr・satを引いた温度差として蒸発器10出口における冷媒の過熱度SHが算出され、この過熱度SHが例えば約3K(ケルビン)より大きいか否かを判別する。判別結果が真(Yes)でSH>3Kが成立すると判定された場合にはS4に移行し、判別結果が偽(No)でSH>3Kが成立しないと判定された場合にはS5に移行する。なお、この場合、蒸発器10の熱容量を最大限利用することができる過熱度SHを約3Kとしている。
S3に移行した場合には、冷媒ポンプ26の回転数N1を増大させ、本制御ルーチンをリターンする。
S6に移行した場合には、蒸発器出口温度センサ36にて検出された冷却水の蒸発器出口温度T2が例えば85℃より大きいか否かを判定する。判別結果が真(Yes)でT2>85℃が成立すると判定された場合にはS8に移行し、判別結果が偽(No)でT2>85℃が成立しないと判定された場合にはS9に移行する。なお、この場合、サーモスタット14が開弁される温度は少なくとも85℃よりは大きく設定される。
ここで、S5,S7,S9に移行した場合には、何れの場合も冷媒ポンプ26の回転数N1を減少させ、本制御ルーチンをリターンする。
S10に移行した場合には、発電量センサ50にて検出された発電機30の発電量Eが所定の発電要求量ES以上であるか否かを判定する。判別結果が真(Yes)でE≧ESが成立すると判定された場合にはS12に移行し、判別結果が偽(No)でE≧ESが成立しないと判定された場合にはS13に移行する。
S11に移行した場合には、上記S3と同様に、冷媒ポンプ26の回転数N1を増大させ、本制御ルーチンをリターンする。
このように、ECU32にてランキンサイクル制御が開始されると、上記一連の制御ルーチンが繰り返し実行される。
以上のように、本実施形態では、上記ランキンサイクル制御を行うことにより、エンジン4の負荷に応じて、蒸発器における吸熱量Qと、発電機30の発電量E、すなわちRC回路8の回収エネルギーERとのバランスが最適化され、蒸発器10の小型化を実現しながら回収エネルギーERを効果的に増大することができる。
ここで、本実施形態では、ランキンサイクル制御のS1のステップを行って冷媒の膨張機入口温度T3を150℃未満に抑制することにより、蒸発器入力Qを約8kWに抑制しつつ、約0.945kW程度の回収エネルギーERを得ることができる。
しかも、S1においてT3<150℃が成立しない、すなわち蒸発器入力Qが大きいために蒸発器10の熱容量に余裕がないと判定されたときに冷媒ポンプ26の回転数N1を増大させ、蒸発器10に流入する冷媒流量を増大させることにより、蒸発器10において蒸発しきれない液冷媒が溢れ、溢れた分の液冷媒は排ガス熱交換器18にて蒸発される。すなわち、排ガス熱交換器18における加熱量が液冷媒の蒸発に使用されることによってT3が150℃未満に低下され、これにより、排ガス熱交換器18を利用して冷媒ポンプ26の回転数N1を変更するだけの簡易な制御で蒸発器10の小型化と回収エネルギーERの増大との両方を実現することができる。
更に、S4において(T4−T6)<20Kが成立しない、すなわち凝縮器出力Q1が大きいために凝縮器22の能力に余裕がないと判定されたときに冷媒ポンプ26の回転数N1を減少させ、蒸発器10に流入する冷媒流量を減少させている。
更にまた、S6においてT2>85℃が成立しない、すなわち冷却水の蒸発器出口温度T2が低下しすぎて蒸発器10の熱容量に余裕があると判定されたときに冷媒ポンプ26の回転数N1を減少させ、蒸発器10に流入する冷媒流量を減少させている。
また、S8においてラジエータ12を流通する冷却水流量F=0が成立しない、すなわちF>0であってラジエータ12に冷却水が流れてエンジン4の廃熱がRC回路8以外に廃棄されていると判定されたときに冷媒ポンプ26の回転数N1を増大させ、蒸発器10に流入する冷媒流量を増大させることにより、蒸発器入力Qを極力増大できるため、回収エネルギーERを更に効果的に増大することができる。
次に、図4に示される廃熱利用装置2の模式図を参照して第2実施形態について説明する。
当該第2実施形態では、上記第1実施形態の排ガス管28内を仕切板52によって排ガス熱交換器18との熱交換側18aと非熱交換側18bとに仕切り、ダンパ54にて何れの側に排ガスを通風させるかを制御するダンパ駆動制御を行うものであり、他は上記第1実施形態と同一の構成をなしている。
そして、ECU32は、膨張機入口温度センサ40にて検出された冷媒の膨張機入口温度T3に応じてダンパ54を制御するダンパ駆動制御を行っている。
以下、図5に示されるフローチャートを参照して、このダンパ駆動制御について詳しく説明する。
先ず、ダンパ駆動制御が開始されると、S20に移行する。
S21に移行した場合には、排ガス管28内にて排ガス熱交換器18に向けて排ガスを通風させるために、ダンパ54は、熱交換側18aを連通させるとともに非熱交換側18bを塞ぐように駆動され、本制御ルーチンをリターンする。
このように、ECU32にてダンパ駆動制御が開始されると、ランキンサイクル制御とは独立して、上記一連の制御ルーチンが繰り返し実行される。
以上のように、本実施形態では、上記第1実施形態と同様に、蒸発器10の小型化を実現しながら回収エネルギーERを効果的に増大することができる。
特に当該第2実施形態の場合には、RC回路8を循環する冷媒やこの冷媒に添加される潤滑油の劣化・分解が確実に起こらない温度が約175℃であって、この温度を境にダンパ54を駆動することにより、冷媒や冷媒に添加している潤滑油の劣化を防止することができるため、回収エネルギーERを確実に増大することができる。
例えば、上記実施形態では、S8においてラジエータ通水流量センサ38にて検出されるラジエータ12を流通する冷却水流量Fがゼロであるか否かを判定しているが、代わりにラジエータ12の出口に温度センサを設けても良く、この場合にも冷却水温度によりラジエータ12を流通する冷却水の有無を判定することができる。
また、上記実施形態では、ランキンサイクル制御において冷却水及び冷媒の各温度を検出しているが、冷却水は冷媒に比して一般に熱容量が大きいため、制御に遅れが発生する可能性がある。そこで、具体的には検出された冷却水温度T1,T2に応じて冷媒ポンプ26の回転数N1を増減させる場合には、排ガスの温度やエンジン4の回転数によってエンジン4の負荷を予測し、この予測結果に応じて冷媒ポンプ26の回転数N1を早めに増減させるようにランキンサイクル制御の制御パラメータを予め設定しておくことにより、ランキンサイクル制御の制御性が更に向上して好ましい。
更にまた、上記実施形態では、加熱器18は、エンジン4の排ガス管28を流れる排ガスで冷媒を直接に加熱する排ガス熱交換器として説明しているが、これに限らず、蒸発器10から流出された冷媒をエンジン4の廃熱により加熱する熱交換器であれば良い。例えば、本発明は、冷却水回路6に排ガス熱交換器を設け、排ガス熱交換器を経由した冷却水と蒸発器10を経由した冷媒とを熱交換させて冷媒を過熱状態にする過熱器をRC回路8に設け、排ガス熱を過熱器を介して間接的に冷媒に伝達する回路構成にも適用することができる。
Claims (7)
- 内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器と、該蒸発器から流出された作動流体を前記内燃機関の廃熱により更に加熱する加熱器と、該加熱器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、該膨張機から流出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器から流出された作動流体を前記蒸発器に送出するポンプとを備えたランキンサイクルと、
前記ランキンサイクルの作動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度以上となるとき、前記ポンプの回転数を増大させる前記作動流体の流量制御を行うことにより、前記蒸発器において蒸発しきれない液冷媒を前記加熱器にて蒸発させることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記制御手段は、前記流量制御にて、前記膨張機に流入される作動流体の前記膨張機入口温度が前記所定の膨張機入口設定温度未満となり、且つ前記蒸発器における作動流体の過熱度が所定の設定過熱度以下となるとき、前記ポンプの回転数を減少させ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。
- 前記制御手段は、前記流量制御にて、前記凝縮器における作動流体の凝縮温度と外気温度との温度差が所定の設定温度差以上となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記制御手段は、前記流量制御にて、前記蒸発器から流出される冷却水の蒸発器出口温度が所定の蒸発器出口設定温度以下となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
- 前記内燃機関を冷却することにより前記廃熱を帯びた冷却水が前記蒸発器を経由した後の冷却水をその温度に応じて冷却するラジエータを有する冷却水回路を備え、
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記ラジエータへ冷却水が流入するとき、前記ポンプの回転数を増大させ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。 - 前記膨張機にて発生する駆動力を電力に変換する発電機を備え、
前記制御手段は、前記発電機における発電量が前記廃熱利用装置外から要求される要求発電量以上となるとき、前記凝縮器にて作動流体と外気とを熱交換させるファンの回転数を減少させる一方、前記発電量が前記要求発電量未満となるとき、前記ファンの回転数を増大させることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関の廃熱利用装置。 - 前記加熱器は、前記内燃機関の排ガスを前記廃熱として前記作動流体と熱交換させる排ガス熱交換器であって、該排ガス熱交換器をバイパスさせて前記排ガスを流通させるバイパス手段を備え、
前記制御手段は、前記膨張機入口温度が所定の膨張機入口第2設定温度以上となるとき、前記バイパス手段は前記排ガス熱交換器をバイパスさせて前記排ガスを流通させる一方、前記膨張機入口温度が前記所定の膨張機入口第2設定温度より小さくなるとき、前記バイパス手段は前記排ガス熱交換器に前記排ガスを流通させ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。
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