CN107250488A - 兰金循环系统 - Google Patents

Abstract

在兰金循环系统中，在发动机的制冷剂通路沸腾了的液相制冷剂的一部分变化为气相制冷剂。气相制冷剂通过过热器过热而成为过热蒸气，所述过热器通过与发动机的排气的热交换而过热。通过了过热器的过热蒸气在喷向透平而使透平旋转之后，由压缩机冷凝。透平通过动力传递路径连接于发动机的输出轴，在动力传递路径设置有离合器装置。在透平与压缩机之间设置有透平出口阀，ECU在动力传递路径因离合器装置的作用而被截断的情况下，将透平出口阀关闭。

Description

兰金循环系统

技术领域

本发明涉及兰金循环系统，尤其涉及利用内燃机的废热的兰金循环系统。

背景技术

以往，例如在日本特开2010-242518号公报中，公开了一种涉及对发动机的废热进行回收的废热回收装置的技术。该废热回收装置作为以对发动机主体的废热进行回收的制冷剂为工作流体的兰金循环系统而进行工作，由如下部件构成：水套，在其内部通过的制冷剂回收废热而成为蒸气状态；透平，其从蒸气状态的制冷剂回收动力；以及变速器，其将在透平中获得的动力向曲轴能够变速地传递。并且，由透平回收的动力用作发动机的辅助动力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-242518号公报

专利文献2：日本特开2013-234662号公报

发明内容

发明要解决的问题

在上述现有的技术中，在判断为透平转速不是兰金循环系统能够安全运转的区域的情况下，切断设置于变速器的离合器而使曲轴和旋转轴分离。然而，透平也在切断了离合器之后因惯性进行旋转。因此，在透平转速上升着的过程中切断了离合器的情况下，有可能也在切断后因惯性透平转速上升而成为过度旋转。

本发明是鉴于上述那样的课题而做出的，其目的在于提供一种在使透平的旋转向内燃机的输出轴传递的兰金循环系统中，能够抑制透平的过度旋转的兰金循环系统。

用于解决问题的技术方案

第1发明为了达到上述的目的，是一种兰金循环系统，其特征在于，

具备：

沸腾器，其利用内燃机的废热使液相制冷剂沸腾而使该液相制冷剂变化为气相制冷剂；

过热器，其通过从所述沸腾器排出的气相制冷剂与所述内燃机的排气的热交换来使从所述沸腾器排出的气相制冷剂过热；

透平，其接受通过了所述过热器的气相制冷剂的供给而进行旋转；

冷凝器，其使通过了所述透平的气相制冷剂冷凝而恢复到液相制冷剂；

控制阀，其设置在所述透平与所述冷凝器之间；

动力传递路径，其将所述透平的旋转向所述内燃机的输出轴传递；

离合器装置，其使所述动力传递路径连结或截断；以及

控制装置，其构成为在所述动力传递路径因所述离合器装置的作用而被截断的情况下，使所述控制阀向关闭方向动作。

第2发明在第1发明的基础上，其特征在于，

所述离合器装置构成为，在所述内燃机的内燃机转速超过了内燃机转速阈值的情况下截断所述动力传递路径。

第3发明在第1发明或第2发明的基础上，其特征在于，

包括：

旁通路径，其从所述沸腾器与所述过热器之间分支并在所述控制阀与所述冷凝器之间合流；和

旁通阀，其设置于所述旁通路径，

所述控制装置构成为，在使所述控制阀向关闭方向动作的情况下打开所述旁通阀。

第4发明在第1发明至第3发明中的任一发明的基础上，其特征在于，

具备取得所述透平的转速的透平转速取得装置，

所述控制装置构成为，在所述动力传递路径因所述离合器装置的作用而被截断了的情况下，调整所述控制阀的开度以使得所述透平的转速接近透平转速阈值。

第5发明在第1发明至第3发明中的任一发明的基础上，其特征在于，

具备：

入口压力取得装置，其取得所述透平的入口侧的气相制冷剂的蒸气压即入口压力；和

出口压力取得装置，其取得所述透平的出口侧的气相制冷剂的蒸气压即出口压力，

所述控制装置构成为，根据所述入口压力和所述出口压力来算出所述透平的输出，根据所述出口压力来算出所述透平的叶片的流体摩擦阻力，在所述动力传递路径因所述离合器装置的作用而被截断了的情况下操作所述控制阀，以使得所述流体摩擦阻力相对于所述透平的输出的比例接近预定的目标比例。

发明的效果

根据第1发明，在兰金循环系统的透平与冷凝器之间设置有控制阀。并且，控制阀在动力传递回路因离合器装置的作用而被截断的情况下被向关闭方向动作。当控制阀被向关闭方向动作时，透平内的蒸气密度变高，由此，透平的旋转阻力变大。因此，根据本发明，能够在动力传递回路因离合器装置的作用而被截断的情况下有效地抑制透平的过度旋转。

根据第2发明，离合器装置构成为，在内燃机的内燃机转速超过了内燃机转速阈值的情况下截断动力传递路径。因此，根据本发明，能够防止透平转速比与内燃机转速阈值相对应的透平转速高。

根据第3发明，旁通阀控制装置构成为，在使控制阀向关闭方向动作的情况下打开旁通阀。因此，根据本发明，能够使向透平导入的蒸气经由旁通阀逃逸，所以能够有效地抑制透平入口侧的蒸气压的过度的上升。

根据第4发明，在截断动力传递回路的情况下，调整该控制阀的开度以使得透平的转速接近透平转速阈值。因此，根据本发明，能够抑制透平的过度旋转，并且能够提高透平转速以便为使动力传递路径连结的情况做准备。

根据第5发明，取得透平入口侧的气相制冷剂的蒸气压即入口侧蒸气压和透平出口侧的气相制冷剂的蒸气压即出口侧蒸气压。并且，基于所取得的入口侧蒸气压和出口侧蒸气压算出透平输出，另外，基于出口侧蒸气压算出透平的叶片的流体摩擦阻力。并且，控制控制阀的开度以使得流体摩擦阻力相对于所算出的透平输出的比例接近预定的目标比例。在透平输出与流体摩擦阻力平衡了的状态下透平转速被维持为恒定。因此，根据本发明，能够抑制透平的过度旋转，并且能够提高透平转速以便为动力传递路径的顺畅的再次连结做准备。

附图说明

图1是示意地示出组装有本发明的实施方式1的兰金循环系统的内燃机的图。

图2是示出在本发明的实施方式1中执行的控制的流程图。

图3是示意地示出组装有本发明的实施方式2的兰金循环系统的内燃机的图。

图4是示出在本发明的实施方式2中执行的控制的前半部分的流程图。

图5是示出在本发明的实施方式2中执行的控制的后半部分的流程图。

图6是示出透平的输出特性的P-V线图。

具体实施方式

实施方式1.

参照附图说明本发明的实施方式1。此外，对在各图中共同的要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。另外，本发明并不由以下的实施方式限定。

[实施方式1的构成]

图1是示意地示出组装有本发明的实施方式1的兰金循环系统的内燃机的图。兰金循环系统100具备形成于内燃机(以下，也称为“发动机”)10的内部的制冷剂通路12。制冷剂通路12包括形成于发动机10的缸体和/或缸盖的水套。在制冷剂通路12安装有水温传感器121。发动机10通过利用发动机10的热使在该制冷剂通路12内流通的制冷剂沸腾并使其一部分蒸发来冷却。即，制冷剂通路12作为沸腾器发挥功能，该沸腾器利用发动机10的废热使制冷剂沸腾而使其从液相制冷剂向气相制冷剂变化。此外，制冷剂通路12只要是能够在发动机10的内部流通的通路即可，其构成没有特别限定。另外，流通于制冷剂通路12的制冷剂只要是通过从发动机10接受热而沸腾的物质即可，其种类没有特别限定。

在制冷剂通路12连接有第1气相制冷剂路径14。第1气相制冷剂路径14是用于将在制冷剂通路12中接受了发动机10的废热的制冷剂向发动机10的外部导出的路径，由耐高温及高压的管或软管构成。在第1气相制冷剂路径14，从靠近发动机10的一侧起依次配置有气液分离器16、过热器18、透平20、以及透平出口阀22。并且，在第1气相制冷剂路径14的端部连接有作为冷凝器的压缩机24。

气液分离器16用于将从发动机10内的制冷剂通路12导出了的制冷剂分离成气相制冷剂和液相制冷剂。由气液分离器16分离出的气相制冷剂被送向设置于第1气相制冷剂路径14的更下游侧的过热器18。另一方面，由气液分离器16分离出的液相制冷剂贮存在气液分离器16内。在气液分离器16的下端连接有第1液相制冷剂路径26。第1液相制冷剂路径26连接于发动机10的内部的制冷剂通路12。在第1液相制冷剂路径26设置有第1水泵28。第1水泵28作为以发动机10所具备的曲轴为驱动源的机械式的泵而构成。此外，第1水泵28也可以采用电动式的离心型泵。当第1水泵28运转时，贮存在气液分离器16内的液相制冷剂的一部分经由第1液相制冷剂路径26被送向制冷剂通路12。此外，在气液分离器16设置有液面传感器161。液面传感器161用于监视贮存在气液分离器16内的液相制冷剂的过度不足。

另外，兰金循环系统100具备排气热蒸气发生器30。排气热蒸气发生器30配置在发动机10的排气路径8的途中。液相制冷剂经由连接于气液分离器16的下端的第2液相制冷剂路径32向排气热蒸气发生器30导入。导入了的液相制冷剂通过与排气路径8中的排气的热交换而过热并沸腾，其一部分成为蒸气。即，排气热蒸气发生器30作为沸腾器发挥功能，该沸腾器利用发动机10的废热使制冷剂沸腾而使其从液相制冷剂向气相制冷剂变化。成为了蒸气的气相制冷剂经由第2气相制冷剂路径34导出，并再次向气液分离器16返回。

过热器18配置于排气热蒸气发生器30的上游侧的排气路径8(图1中的(a)部位)。从第1气相制冷剂路径14向过热器18内导入了的气相制冷剂，通过与排气路径8中的排气的热交换而进一步过热，成为过热蒸气。过热蒸气向第1气相制冷剂路径14的更下游的透平20导入。透平20构成为包括：透平嘴201，其对从第1气相制冷剂路径14导入的过热蒸气进行减压；和透平旋转轴203，其固定了多个透平叶片202。向透平20导入了的过热蒸气在透平嘴201中被减压并被喷向透平叶片202。通过将过热蒸气喷向透平叶片202，从而透平旋转轴203进行旋转。

透平20的透平旋转轴203经由减速器等的动力传递路径36连接于作为发动机10的输出轴的曲轴38。另外，在动力传递路径36的途中，设置有用于使该动力传递路径36连结或截断的离合器装置40。离合器装置40作为能够利用电信号来使动力传递路径36连结或截断的电磁离合器而构成。另外，在兰金循环系统，设置有用于检测透平旋转轴203的转速Nt的透平旋转传感器72、和用于检测曲轴38的转速Ne的曲轴角传感器74。

透平出口阀22作为在透平20与压缩机24之间调整第1气相制冷剂路径14的开度的控制阀发挥功能。当将透平出口阀22向关闭侧控制时，能够与此相伴地使透平20内的蒸气密度上升。

压缩机24作为对通过了透平20的气相制冷剂进行冷凝而使其恢复到液相制冷剂的冷凝器发挥功能。在压缩机24的下端连接有第3液相制冷剂路径42的一端。在第3液相制冷剂路径42，从靠近压缩机24的一侧依次配置有收集容器(英文：catch tank)44、第2水泵46以及第1开闭阀48。并且，第3液相制冷剂路径42的端部连接于气液分离器16的下端。

经由第1气相制冷剂路径14从透平20向压缩机24导入了的气相制冷剂在压缩机24中被冷凝而恢复到液相制冷剂，暂时贮存于收集容器44。第2水泵46是用于将贮存于收集容器44的液相制冷剂经由第3液相制冷剂路径42送向气液分离器16的电动式的泵。第2水泵46的驱动基于液面传感器161的输出信号控制成贮存在气液分离器16内的液相制冷剂不会发生过度不足。另外，第1开闭阀48是与第2水泵46的驱动的开启·关闭相对应地进行开闭的阀。在第2水泵46停止着的期间将第1开闭阀48关闭，从而防止液相制冷剂向收集容器44侧的逆流。

收集容器44的下端经由第4液相制冷剂路径50连接于贮存容器(英文：reservetank)52的下端。在第4液相制冷剂路径50的途中设置有第2开闭阀54。此外，在贮存容器52的上端连接有端部向大气开放的上部管56。

另外，兰金循环系统100具备旁通路径58，该旁通路径58将气液分离器16的上端、与第1气相制冷剂路径14中的透平出口阀22与压缩机24之间连接。在旁通路径58，从靠近气液分离器16的一侧依次设置有旁通阀60和旁通嘴62。当将旁通阀60打开时，气液分离器16内的气相制冷剂被向旁通嘴62导入。导入了的气相制冷剂在通过旁通嘴62时被减压的基础上被向压缩机24导入。由此，第1气相制冷剂路径14中的透平20的入口侧的蒸气压被减压。此外，旁通路径58只要是从第1气相制冷剂路径14绕过过热器18、透平20以及透平出口阀22的路径即可，并不一定必须连接于气液分离器16的上端。即，旁通路径58只要作为从第1气相制冷剂路径14中的制冷剂通路12与过热器18之间分支并在透平出口阀22与压缩机24之间合流的路径而构成即可。

而且，兰金循环系统100具备作为控制装置的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)70。ECU70至少具备输入输出接口、存储器以及运算处理装置(CPU)。输入输出接口为了从安装于兰金循环系统100或搭载有兰金循环系统100的发动机10的各种传感器取入传感器信号、并且对兰金循环系统100所具备的各种致动器输出操作信号而设置。在ECU70取入信号的传感器中，除了上述的透平旋转传感器72、水温传感器121以及液面传感器161之外，还包括曲轴角传感器74等用于取得发动机运转状态的各种传感器。在ECU70输出操作信号的致动器中，除了上述的透平出口阀22、旁通阀60、第1开闭阀48、第2开闭阀54、离合器装置40、第1水泵28以及第2水泵46之外，还包括用于控制发动机10的运转的各种致动器。在存储器中存储有各种的控制程序以及映射等。CPU从存储器读出控制程序等并执行，基于所取入的传感器信号来生成各种致动器的操作信号。

[实施方式1的动作]

接着，对具备实施方式1的兰金循环系统100的发动机10的基本的动作进行说明。此外，在图1中，液相制冷剂的流动用粗实线表示，气相制冷剂(蒸气)用粗虚线表示。

实施方式1的兰金循环系统100将发动机10的废热的能量作为透平20的旋转能量(日文：回転エネルギ)进行回收，辅助发动机10的输出轴的旋转。首先，说明在兰金循环系统100中实现的兰金循环。制冷剂通路12以及排气热蒸气发生器30作为接受发动机10的废热而使液相制冷剂沸腾的沸腾器发挥功能。当液相制冷剂沸腾时，液相制冷剂的一部分变化为气相制冷剂(蒸气)。在制冷剂通路12中产生了的气相制冷剂经由第1气相制冷剂路径14被向气液分离器16导入。另外，在排气热蒸气发生器30中产生了的气相制冷剂经由第2气相制冷剂路径34被向气液分离器16导入。气液分离器16内的气相制冷剂经由第1气相制冷剂路径14被向过热器18导入。气相制冷剂在通过过热器18的过程中进一步接受发动机10的排气热，由此向更高温高压的过热蒸气变化。通过了过热器18的过热蒸气经由第1气相制冷剂路径14被向透平20导入。

在透平20中，被导入了的过热蒸气在由透平嘴201减压而膨胀了后喷向透平叶片202。由此，过热蒸气的热能作为透平20的旋转运动而被取出。通过了透平20的低压的气相制冷剂经由第1气相制冷剂路径14被向压缩机24导入。被导入了的气相制冷剂在压缩机24内被冷却而向液相制冷剂变化，并经由第3液相制冷剂路径42而被暂时贮存于收集容器44。并且，在利用液面传感器161检测出气液分离器16内的液相制冷剂的不足的情况下，驱动第2水泵46，收集容器44内的液相制冷剂经由第3液相制冷剂路径42被向气液分离器16内导入。

这样，当利用兰金循环系统100实现兰金循环时，发动机10的废热变换为透平20的旋转能量。透平旋转轴203经由动力传递路径36以及离合器装置40连结于曲轴38。因此，透平20的旋转能量通过使离合器装置40连结而被直接用于曲轴38的旋转。由此，能够提高系统整体的能量转换效率，所以能够期待燃料经济性的提高。

接着，对实施方式1的兰金循环系统100的特征动作进行说明。由于透平效率高的透平转速为数万rpm/min.，所以动力传递路径36所具备的减速器以在发动机转速的实用范围内透平20的效率变高的方式设定其减速比R。因此，当发动机10的转速成为实用上极少使用的高旋转区域的速度时，透平20的转速成为过剩而透平的耐久性、噪音振动等会成为问题。因此，在实施方式1的兰金循环系统100中，在发动机10的转速Ne比实用上限发动机转速Nemax高的情况下，使离合器装置40分离而截断动力传递路径36。

然而，即使动力传递路径36通过离合器装置40的分离操作而被截断了，也不一定可切实地防止透平20的过度旋转。即，在发动机转速Ne急剧上升并到达了实用上限发动机转速Nemax那样的情况下，即使在动力传递路径36被截断之后，有时也会因透平20的旋转加速度而透平转速上升。在这样的情况下，有可能透平20会成为过度旋转。

因此，在实施方式1的兰金循环系统100中，在透平20的出口侧配置透平出口阀22，在切断离合器装置40而截断动力传递路径36的情况下关闭透平出口阀22。当将透平出口阀22关闭时，透平20内的蒸气密度上升，所以向透平叶片202的流体摩擦阻力急剧增大。因此，若切断离合器装置40并且关闭透平出口阀22，则能够切实地使透平转速下降而抑制过度旋转。

此外，在切断离合器装置40并将透平出口阀22关闭的期间，若继续从过热器18供给过热蒸气，则会导致透平20的入口侧的蒸气压上升。因此，在实施方式1的兰金循环系统100中，在切断了离合器装置40的情况下，将透平出口阀22关闭并且打开旁通阀60。当将旁通阀60打开时，气液分离器16内的气相制冷剂通过旁通路径58而被向旁通嘴62导入。气相制冷剂在通过旁通嘴62时被减压并被向透平出口阀22与压缩机24之间的第1气相制冷剂路径14导入。即，当将旁通阀60打开时，气液分离器16内的气相制冷剂绕过过热器18、透平20、以及透平出口阀22并被向压缩机24导入。由此，能够有效地使透平20的入口侧的蒸气压逃逸。

另外，如上所述，在实施方式1的兰金循环系统100中，在发动机转速Ne超过了实用上限发动机转速Nemax的情况下，进行离合器装置40的切断以及透平出口阀22的闭阀。在透平出口阀22关闭的期间，透平20的内部的蒸气密度上升，与此相伴地透平转速Nt下降。在透平转速Nt下降至极低速时、之后发动机转速Ne下降至实用上限发动机转速Nemax而使离合器装置40再次连结的情况下，有可能无法使离合器装置40顺畅地连结，而无法有效地辅助发动机旋转。

因此，在实施方式1的兰金循环系统100中，在切断了离合器装置40的情况下，基于透平出口阀22的开度来控制透平转速Nt。更详细而言，在切断离合器装置40的情况下，需要抑制透平20的过度旋转，所以将透平出口阀22暂时全闭。并且，之后根据透平旋转传感器72的信号检测透平转速Nt，并对透平出口阀22的开度进行反馈控制以使得检测出的透平转速Nt接近预定的实用上限透平转速Ntmax。此外，实用上限透平转速Ntmax是在发动机转速Ne为实用上限发动机转速Nemax的状态下使离合器装置40连结了的情况下的透平转速。根据这样的控制，离合器装置40被分离的期间的透平转速Nt被控制为实用上限透平转速Ntmax，所以能够在发动机转速Ne下降至实用上限发动机转速Nemax的情况下使离合器装置40顺畅地连结。

此外，兰金循环系统100中的ECU70的各功能通过处理电路实现。即，ECU70具备处理电路，该处理电路构成为，在动力传递路径因离合器装置40的作用而被截断的情况下，使作为控制阀的透平出口阀22向关闭方向动作，打开旁通阀，并且，调整控制阀的开度以使得透平的转速接近透平转速阈值。处理电路既可以是专用的硬件，也可以是执行存储于存储器的程序的CPU(也称为Central Processing Unit：中央处理单元、中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理机、微型电子计算机、处理机、DSP)。

在处理电路为专用的硬件的情况下，处理电路与例如单一电路、复合电路、程序化的处理机、并行程序化的处理机、ASIC、FPGA、或将它们组合而成的装置相当。另外，在处理电路为CPU的情况下，ECU70的各功能通过软件、固件、或软件与固件的组合来实现。软件和/或固件作为程序而记述，存储于存储器。处理电路通过读出存储于存储器的程序并执行来实现各功能。即，ECU70具备用于存储如下程序的存储器，该程序在由处理电路执行时结果执行如下步骤：在动力传递路径因离合器装置40的作用而被截断的情况下，使透平出口阀22向关闭方向动作，打开旁通阀，并且，调整控制阀的开度以使得透平的转速接近透平转速阈值。另外，这些程序也可以说是使由ECU70执行的处理的次序和/或方法由计算机执行。在此，存储器与例如RAM、ROM、闪存、EPROM以及EPPROM等非易失性或易失性的半导体存储器。这样，处理电路能够通过硬件、软件、固件、或它们的组合来实现上述的各功能。

[实施方式1的具体的处理]

接着，说明在实施方式1的兰金循环系统中执行的控制的具体的处理。图2是用于说明在实施方式1中由ECU70执行的控制的流程图。此外，该流程图将在启动了发动机10的情况下ECU70对透平出口阀22、离合器装置40以及旁通阀60进行控制的一系列的处理总结成单一的流程图来表示，并不是表示在ECU70中执行的控制例程本身。

在图2所示的流程图中，首先，当启动发动机10时，将旁通阀60和透平出口阀22关闭，并且使离合器装置40分离(步骤S1)。接着，判定由水温传感器121检测出的发动机冷却水(制冷剂)的水温Te是否为预定的预热温度Teth以下(步骤S2)。预热温度Teth作为发动机10的预热完成的发动机水温而读入预先设定了的值。结果，在没有确认到Te≥Teth的成立的情况下，判断为发动机预热尚未完成，移向步骤S1。

另一方面，在上述步骤S2中确认到Te≥Teth的成立的情况下，判断为：由于发动机预热完成了，所以制冷剂通路12作为沸腾器发挥功能，移向下一步骤，判定由曲轴角传感器74检测出的发动机转速Ne是否为预定的实用上限发动机转速Nemax以下(步骤S3)。实用上限发动机转速Nemax作为在使离合器装置40连结了的状态下透平转速成为上限的发动机转速而读入预先设定了的值。结果，在确认到Ne≤Nemax的成立的情况下，判断为：即使使离合器装置40结合了，透平20也不会成为过度旋转，移向下一步骤，进行离合器装置40的结合、透平出口阀22的开阀、以及旁通阀60的闭阀(步骤S4)。

接着，判定发动机转速Ne是否为预定的实用上限发动机转速Nemax以上(步骤S5)。结果，在没有确认到Ne≥Nemax的成立的情况下，判断为透平20还不会成为过度旋转，在继续了离合器装置40的结合的基础上再次执行本步骤S5的处理。另一方面，在本步骤S5中确认到Ne≥Nemax的成立的情况下、或在上述步骤S3中没有确认到Ne≤Nemax的成立的情况下，判断为：在离合器装置40被分离了的状态下透平20有可能成为过度旋转，移向下一步骤，将透平出口阀22关闭并且将旁通阀60打开(步骤S6)。接着，使离合器装置40分离(步骤S7)。

接着，判定透平20的透平转速Nt是否比实用上限透平转速Ntmax小(步骤S8)。实用上限透平转速Ntmax是与实用上限发动机转速Nemax相对应的透平转速，并且是在使动力传递路径36的减速比为R的情况下成为Ntmax＝Nemax×R的转速。结果，在确认到Nt<Ntmax的成立的情况下，将透平出口阀22以一步开阀的方式进行控制，以使得透平转速Nt接近实用上限透平转速Ntmax(步骤S9)。另一方面，在上述步骤S8中，在没有确认到Nt<Ntmax的成立的情况下，将透平出口阀22以一步闭阀的方式进行控制，以使得透平转速Nt接近实用上限透平转速Ntmax(步骤S10)。

当进行上述步骤S9或步骤S10的处理时，接着，再次判定发动机转速Ne是否为预定的实用上限发动机转速Nemax以上(步骤S11)。结果，在确认到Ne≥Nemax的成立的情况下，判断为：当离合器装置40被再次结合时透平20有可能成为过度旋转，通过返回到上述步骤S8的处理来继续离合器装置40的分离。另一方面，在本步骤S11中，在没有确认到Ne≥Nemax的成立的情况下，判断为：即使离合器装置40被再次结合了，透平20也不会成为过度旋转，移向上述步骤S4，再次使离合器装置40结合。

如以上说明了的那样，根据实施方式1的兰金循环系统100，在切断离合器装置40的情况下将透平出口阀22关闭，所以能够有效地抑制透平的过度旋转。

在上述的实施方式1的系统中，将能够利用电信号使动力传递路径36连结或截断的电磁离合器用作离合器装置40。离合器装置40也可以作为仅向一方的方向传递转距的单向离合器或其他公知的离合器而构成。这点也适用于后述的实施方式2的系统。

此外，在采用了单向离合器作为离合器装置40的情况下，在成为了发动机转速Ne≤透平转速Nt/减速比R时自动地结合，在成为了发动机转速Ne<透平转速Nt/减速比R时自动地分离。因此，上述步骤S7中的离合器装置40的分离处理通过在步骤S6中将透平出口阀22关闭而透平转速下降，从而自动地进行。

另外，在上述的实施方式1的系统中，说明了以对发动机10的废热进行回收的制冷剂为工作流体的兰金循环系统100，但在兰金循环系统100中，不一定必须以在发动机10的制冷剂通路12内流动的制冷剂为工作流体。即，兰金循环系统100的制冷剂可以是如下构成：与发动机10的制冷剂为不同的系统，利用热交换器在兰金循环系统100的制冷剂与发动机10的制冷剂之间进行热交换。此外，这点也适用于后述的实施方式2的系统。

另外，在上述的实施方式1的系统中，根据发动机转速Ne是否超过了实用上限发动机转速Nemax来进行离合器装置40的分离·结合，但也可以根据由透平旋转传感器72检测出的透平转速Nt是否超过了实用上限透平转速来进行离合器装置40的分离·结合。

另外，在上述的实施方式1的系统中，作为兰金循环系统100的沸腾器而使用制冷剂通路12和排气热蒸气发生器30双方，但也可以仅使用任一方。另外，沸腾器只要是利用发动机10的废热使兰金循环的制冷剂沸腾的装置即可，也可以利用热交换器等其他公知的构成。此外，这点也适用于后述的实施方式2的系统。

另外，在上述的实施方式1的系统中，在切断离合器装置40的情况下，使透平出口阀22全闭。然而，透平出口阀22的开度只要至少向关闭侧控制就能使透平转速下降，所以也可以不为全闭。此外，这点也适用于后述的实施方式2的系统。

此外，在上述的实施方式1的系统中，实用上限发动机转速Nemax相当于第2发明中的“内燃机转速阈值”，实用上限透平转速Ntmax相当于第4发明中的“透平转速阈值”，透平旋转传感器72相当于第4发明中的“透平转速取得装置”。

实施方式2.

接着，参照附图对本发明的实施方式2进行说明。

[实施方式2的特征]

图3是示意地示出组装有本发明的实施方式2的兰金循环系统的内燃机的图。图3所示的兰金循环系统200，除了在第1气相制冷剂路径14中的透平20与透平出口阀22之间的位置设置有出口压力传感器76的这一点、以及不具备透平旋转传感器72的这一点以外，具有与上述的图1所示的兰金循环系统100同样的构成。

在上述的实施方式1的兰金循环系统100中，在将透平出口阀22关闭并使离合器装置40分离之后，控制透平出口阀22的开度，以使得由透平旋转传感器72检测出的透平转速Nt接近实用上限透平转速Ntmax。与此相对，本实施方式2的兰金循环系统200的特征在于，以不使用从透平旋转传感器72获得的转速信息的方式控制使离合器装置40分离之后的透平出口阀22的开度的这一点。以下，沿着流程图，详细地说明在实施方式2的兰金循环系统200中执行的控制的具体的处理。

[实施方式2的具体的处理]

图4以及图5是用于说明在实施方式2中由ECU70执行的控制的流程图，图4表示前半部分，图5表示后半部分。此外，该流程图将在启动了发动机10的情况下ECU70对透平出口阀22、离合器装置40以及旁通阀60进行控制的一系列的处理总结成单一的流程图来表示，并不是表示在ECU70中执行的控制例程本身。

在图4所示的流程图的步骤S1至步骤S7的处理中，执行与图2所示的流程图的步骤S1至步骤S7同样的处理。由此，在发动机转速Ne成为了实用上限发动机转速Nemax以上的情况下进行透平出口阀22的闭阀、旁通阀60的开阀以及离合器装置40的分离。

当执行步骤S7的处理时，接着移向图5所示的流程图的步骤S21。在该步骤中，算出透平20的净输出Ht(步骤S21)。图6是示出透平的输出特性的P-V线图。此外，该图所示的Pti为透平嘴201的入口侧的蒸气的压力(以下，称为“入口压力”)。入口压力Pti能够根据处于与该入口压力Pti成比例关系的发动机冷却水的水温Te来推定。即，ECU70具有作为使用水温传感器121的检测信号来取得入口压力Pti的入口压力取得装置的功能。另外，该图所示的Pt0是透平嘴201的出口侧的蒸气的压力(以下，称为“出口压力”)，能够由出口压力传感器76检测。即，ECU70具有作为使用出口压力传感器76的检测信号来取得出口压力Pt0的出口压力取得装置的功能。如图5所示，透平20的输出Ht由透平嘴201的前后的蒸气压决定。在本步骤中，推定或检测入口压力Pti以及出口压力Pt0，基于图5所示的输出特性，算出透平20的净输出Ht。

接着，算出向透平叶片202的流体摩擦阻力Lf(步骤S22)。作为向透平叶片202的流体摩擦阻力的代表例，例如列举有通风损失、转子摩擦损失等。通风损失以及转子摩擦损失使用透平20的直径Dt、透平转速Nt、透平叶片202的高度Yt、以及蒸气密度γ，分别由以下的关系式表示。

通风损失∝Dt⁴*Nt³*Yt^1.5*γ

转子摩擦损失∝Dt⁵*Nt³*γ…(1)

因此，向透平叶片202的流体摩擦阻力Lf能够利用下式(2)所示的关系式算出。此外，式中的A、B为比例常数。

流体摩擦阻力Lf＝A(Dt⁴*Nt³*Yt^1.5*γ)+B(Dt⁵*Nt³*γ)…(2)

透平20的直径Dt以及透平叶片202的高度Yt为透平20的特征值，比例常数A、B能够通过实机试验等来特定。另外，透平转速Nt作为在离合器装置40被切断时作为目标的透平转速，例如使用实用上限透平转速Ntmax。另外，蒸气密度γ使用透平嘴201的出口压力Pt0来算出。

接着，判定流体摩擦阻力Lf/净输出Ht是否比预定的目标比例大(步骤S23)。此外，流体摩擦阻力Lf/净输出Ht是用于判断是透平转速下降的条件还是透平转速上升的条件的比例，在流体摩擦阻力Lf/净输出Ht＝1的情况下，透平转速被保持为实用上限透平转速Ntmax。不过，若流体摩擦阻力Lf/净输出Ht<1，则透平转速上升而有可能成为过度旋转，所以在本步骤中将目标比例设为比1稍大的1.02。这样，只要控制透平出口阀22的开度以使得流体摩擦阻力Lf/净输出Ht＝1.02，则透平转速就被维持为比实用上限透平转速Ntmax稍低的转速。

在本步骤S23中的判定的结果、确认到流体摩擦阻力Lf/净输出Ht>1.02的成立的情况下，判断为透平转速比实用上限透平转速Ntmax小，移向下一步骤，将透平出口阀22的开度一步开阀(步骤S24)。

另一方面，在上述步骤S23中的判定的结果、没有确认到流体摩擦阻力Lf/净输出Ht>1.02的成立的情况下，判断为透平转速有可能超过实用上限透平转速Ntmax，移向下一步骤，将透平出口阀22的开度一步闭阀(步骤S25)。

当进行上述步骤S24或步骤S25的处理时，接着再次判定发动机转速Ne是否为预定的实用上限发动机转速Nemax以上(步骤S26)。结果，在确认到Ne≥Nemax的成立的情况下，判断为：当离合器装置40被再次结合时透平20有可能成为过度旋转，通过返回到上述步骤S23的处理来继续离合器装置40的分离。另一方面，在本步骤S26中没有确认到Ne≥Nemax的成立的情况下，判断为：即使离合器装置40被再次结合了，透平20也不会成为过度旋转，移向步骤S4，再次使离合器装置40结合。

如以上说明了的那样，根据实施方式2的兰金循环系统200，在切断离合器装置40的情况下，控制透平出口阀22的开度以使得流体摩擦阻力Lf/净输出Ht接近目标比例(＝1.02)。由此，能够使透平转速接近作为目标的转速，所以能够顺畅地进行离合器装置40的再次的结合。

在上述实施方式1的系统中，根据发动机冷却水的水温Te推定入口压力Pti，但也可以在透平嘴201的入口侧设置压力传感器来直接检测。

另外，在上述的实施方式1的系统中，将流体摩擦阻力Lf/净输出Ht的目标比例设为了1.02，但该值不限于此。即，只要能够一边防止透平转速的过度旋转一边使透平转速接近实用上限透平转速Ntmax即可，也可以使用其他的目标比例值。

附图标记说明

8：排气路径；

10：发动机；

12：制冷剂通路；

121：水温传感器；

14：第1气相制冷剂路径；

16：气液分离器；

161：液面传感器；

18：过热器；

20：透平；

201：透平嘴；

202：透平叶片；

203：透平旋转轴；

22：透平出口阀；

24：压缩机(冷凝器)；

26：第1液相制冷剂路径；

28：水泵；

30：排气热蒸气发生器；

32：第2液相制冷剂路径；

34：第2气相制冷剂路径；

36：动力传递路径；

38：曲轴；

40：离合器装置；

42：第3液相制冷剂路径；

44：收集容器；

46：水泵；

48：第1开闭阀；

50：第4液相制冷剂路径；

52：贮存容器；

54：第2开闭阀；

56：上部管；

58：旁通路径；

60：旁通阀；

62：旁通嘴；

70：ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)；

72：透平旋转传感器；

74：曲轴角传感器；

76：出口压力传感器；

100、200：兰金循环系统。

Claims (5)

1.一种兰金循环系统，其特征在于，

具备：

沸腾器，其利用内燃机的废热使液相制冷剂沸腾而使该液相制冷剂变化为气相制冷剂；

过热器，其通过从所述沸腾器排出的气相制冷剂与所述内燃机的排气的热交换来使从所述沸腾器排出的气相制冷剂过热；

透平，其接受通过了所述过热器的气相制冷剂的供给而进行旋转；

冷凝器，其使通过了所述透平的气相制冷剂冷凝而恢复到液相制冷剂；

控制阀，其设置在所述透平与所述冷凝器之间；

动力传递路径，其将所述透平的旋转向所述内燃机的输出轴传递；

离合器装置，其使所述动力传递路径连结或截断；以及

控制装置，其构成为在所述动力传递路径因所述离合器装置的作用而被截断的情况下，使所述控制阀向关闭方向动作。

2.根据权利要求1所述的兰金循环系统，其特征在于，

所述离合器装置构成为，在所述内燃机的内燃机转速超过了内燃机转速阈值的情况下截断所述动力传递路径。

3.根据权利要求1或2所述的兰金循环系统，其特征在于，

包括：

旁通路径，其从所述沸腾器与所述过热器之间分支并在所述控制阀与所述冷凝器之间合流；和

旁通阀，其设置于所述旁通路径，

所述控制装置构成为，在使所述控制阀向关闭方向动作的情况下打开所述旁通阀。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的兰金循环系统，其特征在于，

具备取得所述透平的转速的透平转速取得装置，

所述控制装置构成为，在所述动力传递路径因所述离合器装置的作用而被截断了的情况下，调整所述控制阀的开度以使得所述透平的转速接近透平转速阈值。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的兰金循环系统，其特征在于，

具备：

入口压力取得装置，其取得所述透平的入口侧的气相制冷剂的蒸气压即入口压力；和

出口压力取得装置，其取得所述透平的出口侧的气相制冷剂的蒸气压即出口压力，

所述控制装置构成为，根据所述入口压力和所述出口压力来算出所述透平的输出，根据所述出口压力来算出所述透平的叶片的流体摩擦阻力，在所述动力传递路径因所述离合器装置的作用而被截断了的情况下操作所述控制阀，以使得所述流体摩擦阻力相对于所述透平的输出的比例接近预定的目标比例。