-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
zur Rückgewinnung der Leistung unter Nutzung von Abwärme
von einer Wärme erzeugenden Vorrichtung, wie etwa einer
Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs.
-
Eine
Abwärmerückgewinnungsvorrichtung war bisher für
die Rückgewinnung der Leistung unter Nutzung der Abwärme
einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
hat einen Rankine-Kreislauf mit einer Heizung zum Heizen eines Arbeitsfluids
unter Verwendung der Abwärme von einer Brennkraftmaschine,
einer Expansionseinheit (Turbine) zum Erzeugen einer Antriebsdrehkraft
durch Expandieren des geheizten Arbeitsfluids und eines Kondensators
zum Kondensieren des expandierten Arbeitsfluids.
-
Gemäß einem
Rankine-Kreislauf, der zum Beispiel in
JP-A-2004-60462 offenbart
ist, wird die Drehzahl der Expansionseinheit derart gesteuert, dass
sie den Druck des Kältemittels auf einer Hochdruckseite
(Druck auf der Einlassseite), das in die Expansionseinheit strömt,
in Übereinstimmung mit einem Zieldruck bringt.
-
Die
Berücksichtigung des Drucks der Hochdruckseite der Expansionseinheit
ist wirksam, um zu unterdrücken, dass das Kältemittel,
das in die Expansionseinheit strömt, in zwei gasförmige/flüssige
Phasen transformiert wird, und um eine geeignete Viskosität
eines Schmieröls (geeignetes Maß der Ölfilmdicke)
aufrecht zu erhalten, die für Vorrichtungen (z. B. Gleitabschnitt
der Expansionseinheit) notwendig ist, welche den Rankine-Kreislauf
bilden. Wenn der Druck des Kältemittels auf einer Niederdruckseite (Druck
auf der Auslassseite), das aus der Expansionseinheit strömt,
jedoch zu hoch ist, ist es schwierig, die Druckdifferenz zwischen
der Hochdruckseite und der Niederdruckseite hinreichend aufrecht
zu erhalten, und folglich kann eine Überexpansion stattfinden.
Das heißt, wenn die Expansionseinheit nicht derart betrieben
wird, dass das Kältemittel richtig expandiert wird, wird
es schwierig, den Rankine-Kreislauf stabil und effizient zu betreiben.
-
Gemäß einem
Rankine-Kreislauf, der in
JP-A-2004-108220 offenbart ist, werden eine
Pumpe und ein Generator als eine unitäre Struktur mit einer Hauptwelle
einer Expansionseinheit verbunden.
-
Eine
Flüssigkeit oder ein Gas (Abgas von einer Gasexpansionseinheit
oder einem Motor) werden zum Heizen in die Heizung eingespeist.
Das von einer Pumpe geschickte Arbeitsfluid wird durch die Heizung
in überhitzten Dampf transformiert und dann in die Expansionseinheit
eingeleitet. In der Expansionseinheit wird das Arbeitsfluid adiabatisch
expandiert, und auf diese Weise wird die Antriebskraft erzeugt. Die
Antriebskraft betreibt die Pumpe, und der Generator, der mit der
Expansionseinheit verbunden ist, wird von der Antriebskraft angetrieben,
und folglich wird der Betrieb des Rankine-Kreislaufs fortgesetzt und
die Wärmeenergie des Abgases wird als elektrische Energie
gespeichert. Das Arbeitsfluid wird, nachdem es expandiert wurde,
durch Kühlluft und ähnliches in dem Kondensator
gekühlt und kondensiert und wird dann von der Pumpe eingesaugt.
-
Wenn
das Arbeitsfluid beim Start des Rankine-Kreislaufs zum Heizen von
dem Wärmetauscher in die Expansionseinheit strömt,
wird eine deutliche Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem
Auslass der Expansionseinheit erzeugt. Damit wird eine große
Kraft auf die gleitenden Abschnitte der Expansionseinheit ausgeübt
und dies kann die Haltbarkeit nachteilig beeinflussen. An sich ist
es schwierig, den Rankine-Kreislauf stabil zu starten.
-
Angesichts
der vorstehenden Probleme ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
bereitzustellen, die fähig ist, unter Nutzung von Abwärme
von einer Wärme erzeugenden Vorrichtung Leistung stabil
und effizient zurück zu gewinnen. Eine zweite Aufgabe der
vorliegenden Erfindung ist es, eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
mit einem Rankine-Kreislauf bereitzustellen, in dem eine Pumpe, eine
Expansionseinheit und ein Generator direkt miteinander verbunden
sind, und die einen Betrieb stabil starten kann.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung,
die Abwärme von einer Wärme erzeugenden Vorrichtung
nutzt, einen Rankine-Kreislauf, eine Temperaturerfassungseinrichtung,
eine einlassseitige Druckerfassungseinrichtung, eine auslassseitige
Druckerfassungseinrichtung und eine Steuereinheit. Der Rankine-Kreislauf
umfasst eine Pumpe zum Zirkulieren eines Arbeitsfluids, eine Heizung
zum Heizen des Arbeitsfluids mit der Abwärme, eine Expansionseinheit
zum Umwandeln der Expansionsenergie des geheizten Arbeitsfluids
in mechanische Energie und einen Kondensator zum Kondensieren und
Verflüssigen des expandierten Arbeitsfluids. Die Temperaturerfassungseinrichtung
erfasst eine Temperatur des Arbeitsfluids, das in die Expansionseinheit
strömt. Die einlassseitige Druckerfassungseinrichtung erfasst
den einlassseitigen Druck auf einer Einlassseite der Expansionseinheit.
Die auslassseitige Druckerfassungseinrichtung erfasst den auslassseitigen
Druck auf einer Auslassseite der Expansionseinheit.
-
Die
Steuereinheit steuert eine Befehlsdrehzahl der Expansionseinheit
basierend auf einer Überhitzungsgradinformation auf der
Einlassseite der Expansionseinheit und Druckinformationen, wobei
die Überhitzungsgradinformation aus der Temperatur des
Arbeitsfluids, die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasst
wird, und dem einlassseitigen Druck, der von der einlassseitigen
Druckerfassungseinrichtung erfasst wird, erhalten wird und die Druckinformation
durch Betrachten des auslassseitigen Drucks, der von der auslassseitigen
Druckerfassungseinrichtung erfasst wird, erhalten wird.
-
Da
die auf den Überhitzungsgrad bezogenen Informationen gemäß dem
vorstehenden Aufbau berücksichtigt werden, kann das Schmieröl,
das für die Vorrichtungen (z. B. Gleitabschnitte der Expansionseinheit),
die den Rankine-Kreislauf bilden, notwendig ist, auf einer geeigneten
Viskosität gehalten werden. Durch Berücksichtigen
der auf den Druck einschließlich den auslassseitigen Druck
bezogenen Informationen kann auch eine ausreichende Druckdifferenz zwischen
dem einlassseitigen Druck der Expansionseinheit, der auf der Hochdruckseite
besteht, und dem auslassseitigen Druck der Expansionseinheit hinreichend
aufrecht erhalten werden, und daher wird die Überexpansion
in der Expansionseinheit verringert. Das heißt, die Expansionseinheit
kann geeignet betrieben werden, indem ein hochdruckseitiger Zustand (Überhitzungsgradinformation)
und ein niederdruckseitiger Zustand (Druckinformation) berücksichtigt werden,
und folglich wird der Rankine-Kreislauf stabil und effizient betrieben.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
einen Rankine-Kreislauf, eine elektrische Rotationsmaschine eine
Steuereinheit, einen Umleitungsdurchgang, einen Öffnungs-/Schließteil, eine
Temperaturerfassungseinrichtung und Druckdifferenzerfassungseinrichtungen.
Der Rankine-Kreislauf umfasst eine Pumpe zum Druckzuführen
eines flüssigphasigen Arbeitsfluids, eine Heizung zum Umwandeln
des flüssigphasigen Arbeitsfluids, das von der Pumpe zugeführt
wird, in ein gasphasiges Arbeitsfluid durch Heizen mit Abwärme
von einer Wärme erzeugenden Vorrichtung, eine Expansionseinheit
zum Umwandeln von Expansionsenergie des aus der Heizung strömenden
gasphasigen Arbeitsfluids in mechanische Energie, einen Kondensator
zum Kondensieren und Verflüssigen des expandierten gasphasigen
Arbeitsfluids, das aus der Expansionseinheit strömt, und
Einleiten des verflüssigten Arbeitsfluids in die Pumpe.
Die elektrische Rotationsmaschine hat sowohl die Funktion eines
Elektromotors als auch eines Generators und ist durch die gleiche
Welle mit der Pumpe und der Expansionseinheit verbunden. Die Steuereinheit
steuert den Betrieb der elektrischen Rotationsmaschine. Der Umleitungsdurchgang
umgeht die Expansionseinheit. Der Öffnungs-/Schließteil
wird von der Steuereinheit gesteuert, um den Umleitungsdurchgang
zu öffnen und zu schließen. Die Temperaturerfassungseinrichtung
erfasst eine Temperatur des gasphasigen Arbeitsfluids auf einer
Einlassseite der Expansionseinheit. Die Druckdifferenzerfassungseinrichtung
erfasst eine Druckdifferenz zwischen der Einlassseite und einer Auslassseite
der Expansionseinheit.
-
Beim
Start des Rankine-Kreislaufs steuert die Steuereinheit den Öffnungs-/Schließteil,
um den Umleitungsdurchgang zu öffnen, und steuert die elektrische
Rotationsmaschine derart, dass sie mit einer vorgegebenen Drehzahl
als der Elektromotor arbeitet. Wenn ferner die Temperatur des gasphasigen Arbeitsfluids,
die von der Temperaturerfassungseinrichtung erfasst wird, gleich
oder höher als eine vorgegebene Temperatur wird, steuert
die Steuereinheit den Öffnungs-/Schließteil, um
den Umleitungsdurchgang zu schließen, und steuert die elektrische Rotationsmaschine
derart, dass eine Drehzahl der elektrischen Rotationsmaschine relativ
zu der vorgegebenen Drehzahl zunimmt, bis eine Druckdifferenz, die
von der Druckdifferenzerfassungseinrichtung erfasst wird, eine vorgegebene
Druckdifferenz erreicht.
-
Daher
wird der Öffnungs-/Schließteil zuerst geöffnet
und die elektrische Rotationsmaschine wird mit der vorgegebenen
Drehzahl als der Elektromotor betrieben, um dadurch die Pumpe und
die Expansionseinheit zu betreiben. Das Arbeitsfluid strömt hauptsächlich
durch einen Umleitungsdurchgang, während es auch in die
Expansionseinheit strömt. Daher zirkuliert das Arbeitsfluid
in dem Rankine-Kreislauf, ohne eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass
und dem Auslass der Expansionseinheit zu erzeugen.
-
Das
Arbeitsfluid nimmt einen hinreichend überhitzten Zustand
an, wenn seine Temperatur auf der Einlassseite der Expansionseinheit
höher als eine vorgegebene Temperatur wird, und es kann
bestätigt werden, dass die Expansionseinheit in einen Zustand
versetzt wird, in dem sie durch die Expansion des Arbeitsfluids
angetrieben werden kann.
-
In
dieser Phase wird der Öffnungs-/Schließteil geschlossen,
so dass das Arbeitsfluid von dem Umleitungsdurchgang zu der Expansionseinheit strömt
und dass die Expansionseinheit durch die Expansion des Arbeitsfluids
betrieben wird.
-
Obwohl
in diesem Fall eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem
Auslass der Expansionseinheit auftritt, wird die Betriebsdrehzahl
der elektrischen Rotationsmaschine relativ zu der vorgegebenen Drehzahl
entsprechend der Druckdifferenz erhöht. Damit wird eine
Betriebsdrehzahl der Expansionseinheit erhöht, und ein
Ausstoßvermögen der Expansionseinheit wird allmählich
erhöht. Folglich ist es möglich, die Anstiegscharakteristik
der Druckdifferenz (den Grad der Zunahme der Druckdifferenz relativ
zu der Zeit) zu entspannen.
-
Daher
wird das Auftreten einer deutlichen Druckdifferenz in der Expansionseinheit
unterdrückt, und der Rankine-Kreislauf kann stabil gestartet
werden.
-
Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen gleiche
Teile mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet sind, deutlicher, wobei:
-
1 ein
Diagramm ist, welches das gesamte System einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
mit einem Rankine-Kreislauf gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch
darstellt;
-
2 ein
Flussdiagramm ist, das einen die Steuerung des Betriebs des Rankine-Kreislaufs
gemäß der ersten Ausführungsform betreffenden Hauptstrom
schematisch darstellt;
-
3 ein
Flussdiagramm ist, das eine Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung
gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
-
4 ein
Flussdiagramm ist, das eine Rankine-Startsteuerung gemäß der
ersten Ausführungsform darstellt;
-
5 ein
Flussdiagramm ist, das eine Rankine-Startbestimmungssteuerung darstellt,
die anschließend an die Rankine-Startsteuerung der ersten Ausführungsform
ausgeführt wird;
-
6 ein
Flussdiagramm ist, das eine Rankine-Betriebssteuerung gemäß der
ersten Ausführungsform darstellt;
-
7 ein
Diagramm von Charakteristiken ist, die eine Beziehung zwischen einem
hochdruckseitigen Zustand und der Drehzahl (maximale Drehzahl, minimale
Drehzahl) der Expansionseinheit gemäß der ersten
Ausführungsform darstellen;
-
8 ein
Diagramm von Charakteristiken ist, die eine Beziehung zwischen einem
niederdruckseitigen Zustand und der Drehzahl (maximale Drehzahl,
minimale Drehzahl) der Expansionseinheit gemäß der
ersten Ausführungsform darstellen;
-
9 ein
Diagramm von Charakteristiken ist, die eine Beziehung zwischen der
Batteriespannung und der Befehlsdrehzahl gemäß der
ersten Ausführungsform darstellen;
-
10 ein
Flussdiagramm ist, das eine Rankine-Stoppsteuerung gemäß der
ersten Ausführungsform darstellt;
-
11 ein
Flussdiagramm ist, das eine Rankine-Stoppbestimmungssteuerung gemäß der
ersten Ausführungsform darstellt;
-
12 ein
Flussdiagramm ist, das die Rankine-Betriebssteuerung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
13 ein
Diagramm ist, das eine Zunahme und eine Abnahme einer maximalen
Drehzahl der Expansionseinheit basierend auf einem Überhitzungsgrad
und einem Druckverhältnis gemäß der zweiten
Ausführungsform darstellt;
-
14 ein
Diagramm von Charakteristiken ist, die eine Beziehung zwischen dem
niederdruckseitigen Zustand und der Drehzahl (maximale Drehzahl,
minimale Drehzahl) der Expansionseinheit gemäß einem
modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform darstellen;
-
15 ein
Diagramm von Charakteristiken ist, die eine Beziehung zwischen der
Batteriespannung und der Befehlsdrehzahl in einem anderen modifizierten
Beispiel der ersten und zweiten Ausführungsformen darstellen;
-
16 ein
Diagramm ist, welches das gesamte System einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
mit dem Rankine-Kreislauf gemäß noch einem anderen
modifizierten Beispiel der ersten und zweiten Ausführungsformen
schematisch darstellt;
-
17 ein
Diagramm ist, welches das gesamte System einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
mit dem Rankine-Kreislauf gemäß einer dritten
Ausführungsform schematisch darstellt;
-
18 ein
Flussdiagramm ist, das die Rankine-Startsteuerung gemäß der
dritten Ausführungsform darstellt;
-
19 ein
Zeitdiagramm ist, das eine Druckdifferenz in der Expansionseinheit
und die Drehzahl der Pumpe und der Expansionseinheit von dem Start bis
zur Normalsteuerung des Rankine-Kreislaufs gemäß der
dritten Ausführungsform darstellt;
-
20A bis 20C Diagramme
sind, die schematisch Durchsätze des Kältemittels
an verschiedenen Abschnitten beim Start des Rankine-Kreislaufs gemäß der
dritten Ausführungsform zeigen;
-
21A und 21B Zeitdiagramme
sind, welche die Druckdifferenz in der Expansionseinheit und die
Drehzahl der Pumpe und der Expansionseinheit vom Start bis zu der
Normalsteuerung des Rankine-Kreislaufs gemäß einem
modifizierten Beispiel der dritten Ausführungsform darstellen;
-
22 ein
Diagramm ist, welches das gesamte System einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung
mit dem Rankine-Kreislauf gemäß einer vierten
Ausführungsform schematisch darstellt;
-
23 ein
Flussdiagramm ist, das die Rankine-Startsteuerung gemäß der
vierten Ausführungsform darstellt;
-
24 ein
Zeitdiagramm ist, das die Druckdifferenz in der Expansionseinheit
und die Drehzahl der Pumpe und der Expansionseinheit vom Start bis zur
Normalsteuerung des Rankine-Kreislauf gemäß der
vierten Ausführungsform darstellt; und
-
25 ein
Zeitdiagramm ist, das die Druckdifferenz in der Expansionseinheit
und die Drehzahl der Pumpe und der Expansionseinheit vom Start bis zur
Normalsteuerung des Rankine-Kreislaufs gemäß einem
modifizierten Beispiel der vierten Ausführungsform darstellt.
-
(Erste Ausführungsform)
-
Eine
erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun
unter Bezug auf 1 bis 11 beschrieben.
-
1 ist
ein Diagramm, welches das gesamte System einer Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1 mit
einem Rankine-Kreislauf 20 schematisch darstellt. Wie in 1 gezeigt,
wird die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1 der
vorliegenden Ausführungsform zum Beispiel auf ein Fahrzeug
angewendet, das einen Motor 10 als eine Antriebsquelle verwendet.
-
Der
Motor 10 ist eine wassergekühlte Brennkraftmaschine.
Der Motor 10 ist mit einem Strahlerkreis 11 zum
Kühlen des Motors 10 durch Zirkulieren des Motorkühlwassers
und einer Heizungsschaltung 12 zum Heizen von Luft, die
klimatisiert werden soll, unter Verwendung des Kühlwassers
(heißes Wasser) als eine Wärmequelle versehen.
-
Ein
Strahler 13 ist in dem Strahlerkreis 11 bereitgestellt.
Der Strahler 13 kühlt das Kühlwasser,
das von einer Heißwasserpumpe 14 zirkuliert wird,
durch Austauschen von Wärme mit Außenluft. Die
Heißwasserpumpe 14 kann entweder eine elektrische Pumpe
oder eine mechanische Pumpe sein. Eine Heizung 22 des Rankine-Kreislaufs 20,
die später beschrieben wird, ist in dem Strömungsdurchgang
auf der Auslassseite des Motors 10 angeordnet, und das Kühlwasser
strömt durch die Heizung 22.
-
Ein
Strahlerumleitungsdurchgang 15 ist in dem Strahlerkreis 11 bereitgestellt,
um das Kühlwasser strömen zu lassen, während
der Strahler 13 umgangen wird. Ferner ist der Strahlerkreis 11 mit
einem Thermostat 16 versehen, der die Menge des durch den
Strahler 13 strömenden Kühlwassers und
die Menge des durch den Strahlerumleitungsdurchgang 15 strömenden
Kühlwassers einstellt.
-
Der
Heizungskreis 12 ist mit einem Heizungskern 17 versehen,
durch den mittels der Heißwasserpumpe 14 das Kühlwasser
(Heißwasser) zirkuliert. Der Heizungskern 17 ist
in einem (nicht gezeigten) Klimaanlagengehäuse einer Klimatisierungseinheit
angeordnet und heizt die zu klimatisierende Luft, die von einem
(nicht gezeigten) Gebläse geblasen wird, durch Austauschen
der Wärme mit dem Heißwasser. Eine (nicht gezeigte)
Luftmischklappe ist in dem Klimaanlagengehäuse bereitgestellt,
und die Menge der zu klimatisierenden Luft, die durch den Heizungskern 17 strömt,
wird durch Öffnen und Schließen der Luftmischklappe
geändert.
-
Der
Heizungskreis 12 umfasst einen Heizungsdurchgang 19 zum
Umgehen des Heizungskerns 17. Die Heizung 22 des
Rankine-Kreislaufs 20 ist in dem Heizungsdurchgang 19 angeordnet,
so dass das Kühlwasser durch die Heizung 22 strömt. Ein
Absperrventil 18 ist stromaufwärtig von der Heizung 22 bereitgestellt.
Nach dem Öffnen und Schließen des Absperrventils 18 wird
das Kühlwasser geeignet eingestellt, so dass es in Richtung
der Heizung 22 strömt oder nicht.
-
Der
Rankine-Kreislauf 20 gewinnt von dem Motor 10 erzeugte
Abwärmeenergie (Wärme des Kühlwassers)
zurück und wandelt die Abwärmeenergie in mechanische
Energie (eine Antriebskraft einer Expansionseinheit 23,
die später beschrieben wird) und ferner in elektrische
Energie (die Menge der Leistungserzeugung eines Generators 25,
der später beschrieben wird) um, um sie zu nutzen. Der
Rankine-Kreislauf 20 wird nun beschrieben.
-
Der
Rankine-Kreislauf 20 umfasst eine Pumpe 21, die
Heizung 22, die Expansionseinheit 23 und einen
Kondensator 24, die in der Form einer Schleife verbunden
sind, um einen geschlossenen Kreis zu bilden. Ferner ist ein Umleitungsdurchgang 26 zwischen
der Heizung 22 und dem Kondensator 24 bereitgestellt,
um die Expansionseinheit 23 zu umgehen. Der Umleitungsdurchgang 26 ist
mit einem Umleitungsventil (Öffnungs-/Schließteil) 27 versehen. Das
Umleitungsventil 27 ist zum Beispiel ein elektromagnetisches
Ventil, und ein Öffnungs-/Schließarbeitsgang seines
Ventilkörpers wird von einer Stromsteuerschaltung 30 gesteuert,
die später beschrieben wird.
-
Die
Pumpe 21 ist eine elektrische Pumpe zum Zirkulieren des
Kältemittels (Arbeitsfluids, auf das hier nachstehend als
das „RA-Kältemittel" Bezug genommen wird) in dem
Rankine-Kreislauf 20 unter Verwendung des Generators 25,
der von der Stromsteuerschaltung 30 betrieben wird, als
einer Antriebsquelle. In der vorliegenden Ausführungsform
hat die Pumpe 21 zum Beispiel die gleiche Welle wie die
Antriebswelle der Expansionseinheit 23.
-
Die
Heizung 22 ist ein Wärmetauscher, der den Wärmeaustausch
zwischen dem von der Pumpe 21 zugeführten RA-Kältemittel
und dem durch den Strahlerkreis 11 strömenden
Kühlwasser mit einer hohen Temperatur durchführt,
um dadurch das RA-Kältemittel zu heizen und es in ein überhitztes Dampfkältemittel
(gasphasiges Arbeitsfluid) umzuwandeln.
-
Die
Expansionseinheit 23 ist eine Fluideinheit, die durch die
Expansion des durch die Heizung 22 geheizten RA-Kältemittels
eine Rotationsantriebskraft erzeugt. Der Generator 25 ist
mit der Antriebswelle der Expansionseinheit 23 verbunden.
Der Generator 25 wird mit der Antriebskraft, die von der
Expansionseinheit 23 erzeugt wird, betrieben, und die von
dem Generator 25 erzeugte elektrische Leistung wird über
einen Stromrichter 31, der die Stromsteuerschaltung 30 ausmacht,
die später beschrieben wird, in eine Batterie 33 geladen.
Das aus der Expansionseinheit 23 strömende RA-Kältemittel
strömt zu dem Kondensator 24.
-
Der
Kondensator 24 ist mit einer Ausstoßseite der
Expansionseinheit 23 verbunden und ist ein Wärmetauscher,
der den Wärmeaustausch mit der Kühlluft, die von
einem Gebläseventilator 28 des sogenannten Ansaugtyps,
welcher der Axialströmungstyp ist, geblasen wird, und dem überhitzten Dampfkältemittel,
nachdem es expandiert ist, durchführt, wodurch das überhitzte
Dampfkältemittel in das flüssigphasige Kältemittel
kondensiert und verflüssigt wird. Das aus dem Kondensator 24 strömende
flüssigphasige Kältemittel strömt zu
der Pumpe 21.
-
Der
Generator 25 ist eine Rotationsmaschine sowohl mit der
Funktion eines Elektromotors als auch eines Generators und wird
von der Stromsteuerschaltung 30 gesteuert. Die Pumpe 21 ist
auf einer Seite mit der Welle des Generators 25 verbunden, und
die Expansionseinheit 23 ist auf der entgegengesetzten
Seite mit der Welle des Generators 25 verbunden.
-
Die
Stromsteuerschaltung 30 ist eine Steuereinheit zum Steuern
der Betriebe verschiedener Vorrichtungen der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1.
Die Stromsteuerschaltung 30 umfasst den Stromrichter 31 und
eine Steuereinheit 32 (ESG). Der Stromrichter 31 steuert
den Betrieb des Generators 25, der mit der Expansionseinheit 23 verbunden
ist. Der Stromrichter 31 liefert die elektrische Leistung von
der Batterie 33 an den Generator 25, um den Generator 25 als
den Elektromotor zu betreiben, um dadurch die Pumpe 21 und
die Expansionseinheit 23 anzutreiben. Wenn der Generator 25 von
der Antriebskraft der Expansionseinheit 23 als der Generator
betrieben wird, lädt der Stromrichter 31 die Batterie 33 mit
der von dem Generator 25 erzeugten elektrischen Leistung
auf. Die Stromsteuerschaltung 30 hat eine bekannte Zeitschalterfunktion.
-
Ferner
umfasst der Rankine-Kreislauf 20 verschiedene Sensoren,
wie etwa einen Kühlwassertemperatursensor 201 zum
Erfassen der Temperatur Tw des Kühlwassers, das in die
Heizung 22 strömt, einen Durchsatzsensor 202 zum
Erfassen des Durchsatzes Gw des Kühlwassers, das durch
die Heizung 22 strömt, einen Luftgeschwindigkeitssensor 203 zum
Erfassen der Luftgeschwindigkeit (vorderen Luftgeschwindigkeit)
Va vor (stromaufwärtig von) dem Kondensator 24,
einen Kondensatortemperatursensor 204 zum Erfassen der
Lufttemperatur (vorderen Lufttemperatur) Ta vor (stromaufwärtig von)
dem Kondensator 24, einen Pumpentemperatursensor 205 (Unterkühlungsgraderfassungseinrichtung)
zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels am Einlass,
um einen Unterkühlungsgrad (Unterkühlung) am Einlass
der Pumpe 21 zu erfassen, einen Expansionseinheitstemperatursensor 206 (Temperaturerfassungseinrichtung)
zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels (Temperatur
des Kältemittels auf der Einlassseite) Tex, das in die
Expansionseinheit 23 strömt, einen einlassseitigen
Drucksensor 207 (einlassseitige Druckerfassungseinrichtung)
zum Erfassen des Drucks Pex_ein auf der Einlassseite der Expansionseinheit 23 und
einen auslassseitigen Drucksensor 208 (auslassseitige Druckerfassungseinrichtung)
zum Erfassen des Drucks Pex_aus auf der Auslassseite der Expansionseinheit 23.
-
Basierend
auf den Erfassungssignalen von den vorstehenden verschiedenen Sensoren 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208 und ähnlichen steuert
die Steuereinheit 32 den Betrieb des Stromrichters 31 ebenso
wie des Absperrventils 18, des Gebläseventilators 28 und
des Generators 25 (Pumpe 21 und Expansionseinheit 23).
-
(Betrieb)
-
(Hauptstrom)
-
Als
nächstes werden nachstehend der Betrieb, der Ablauf und
die Wirkung basierend auf dem vorstehenden Aufbau beschrieben. 2 ist
ein Flussdiagramm, das einen den Steuerbetrieb des Rankine-Kreislaufs 20 betreffenden
Hauptstrom gemäß der vorliegenden Ausführungsform
darstellt.
-
Wie
in 2 gezeigt, umfasst der Hauptstrom eine Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung (S1),
eine Rankine-Startsteuerung & Startbestimmungssteuerung
(S2, S3), eine Rankine-Betriebssteuerung (S4), eine Rankine-Stoppsteuerung
(S5), eine Rankine-Stoppbestimmungssteuerung (S6) und eine Anomalitätsgegenmaßnahmenverarbeitung (S7).
-
In
der Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung des Schritts S1 wird bestimmt,
ob ein Rankine-Betriebsbefehl ausgegeben wird oder nicht. Wenn der
Betriebsbefehl ausgegeben wird (S1: Ja), geht die Routine weiter
zu der Rankine-Startsteuerung & Startbestimmungssteuerung
der Schritte S2 und S3. Wenn der Betriebsbefehl nicht ausgegeben
wird (S1: Nein), wird der Schritt S1 wiederholt.
-
In
der Rankine-Startst dreuerung & Startbestimmungssteuerung
der Schritte S2 und S3 wird bestimmt, ob der Rankine-Kreislauf 20 normal
gestartet hat oder nicht. Wenn der Rankine-Kreislauf 20 normal
gestartet hat (S2, S3: Ja), geht die Routine weiter zu der Rankine-Betriebssteuerung
von Schritt S4.
-
In
der Rankine-Betriebssteuerung von Schritt S4 wird bestimmt, ob der
Betrieb des Rankine-Kreislaufs 20 gestoppt werden sollte
oder nicht. Wenn es einen Befehl gibt, der das Stoppen anzeigt (S4:
Ja), geht die Routine weiter zu der Rankine-Stoppsteuerung von Schritt
S5. Wenn es keinen Befehl gibt, der das Stoppen anzeigt (S4: Nein),
wird der Schritt S4 wiederholt. Wenn der Rankine-Kreislauf 20 nicht
normal gestartet ist S2, S3: Nein), geht die Routine bei den Schritten
S2 und S3 weiter zu der Rankine-Stoppsteuerung von Schritt S5, ohne
den Schritt S4 zu durchlaufen.
-
Nach
der Rankine-Stoppsteuerung von Schritt S5, geht die Routine weiter
zu der Rankine-Stoppbestimmungssteuerung von Schritt S6.
-
In
der Rankine-Stoppbestimmungssteuerung von Schritt 56 wird
bestimmt, ob der Rankine-Kreislauf 20 normal gestoppt ist
oder nicht. Wenn der Rankine-Kreislauf 20 normal gestoppt
ist (S6: Ja), kehrt die Routine zurück zu der Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung
von Schritt S1, um danach den Hauptstrom zu wiederholen.
-
Wenn
der Rankine-Kreislauf 20 in der Rankine-Stoppbestimmungssteuerung
von Schritt S6 nicht normal gestoppt wird (S6: Nein), d. h. der
Rankine-Kreislauf 20 anomal gestoppt wird, geht die Routine
weiter zu Schritt S7, in dem eine Anomalitätsgegenmaßnahmenverarbeitung
durchgeführt wird.
-
Detaillierte
Inhalte der Steuerung bei den Steuerschritten S1 bis S7 werden nun
nacheinander beschrieben.
-
(S1: Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung)
-
3 ist
ein Flussdiagramm, das die Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung
von Schritt S1 im Detail darstellt. Bezug nehmend auf 3 wird
zuerst bei Schritt S11 bestimmt, ob die von dem Kühlwassertemperatursensor 201 erfasste
Kühlwassertemperatur Tw höher als ein vorgegebener
Wert Twc ist oder nicht. Wenn die Kühlwassertemperatur
Tw höher als der vorgegebene Wert Twc ist (S11: Ja), geht
die Routine weiter zu Schritt S12, wo bestimmt wird, ob der Durchsatz
Gw des von dem Durchsatzsensor 202 erfassten Kühlwassers
größer als ein vorgegebener Wert Gwc ist. Wenn
die Kühlwassertemperatur Tw bei Schritt S11 niedriger als
der vorgegebene Wert Twc ist (S11: Nein) wird die Verarbeitung von
Schritt S11 wiederholt.
-
Wenn
der Durchsatz Gw des Kühlwassers bei Schritt S12 größer
als der vorgegebene Wert Gwc ist (S12: Ja), geht die Routine weiter
zu Schritt S13, wo bestimmt wird, ob die Kondensator-Vorderluftgeschwindigkeit
Va, die von dem vor dem Kondensator 24 angeordneten Luftgeschwindigkeitssensor 203 erfasst
wird, größer als ein vorgegebener Wert Vac ist. Wenn
der Durchsatz Gw des Kühlwassers bei dem Schritt S12 gleich
oder kleiner als der vorgegebene Wert Gwc ist (S12: Nein), kehrt
die Routine wieder zu Schritt S11 zurück.
-
Wenn
die Kondensator-Vorderluftgeschwindigkeit Va bei dem Schritt S13
größer als der vorgegebene Wert Vac ist (S13:
Ja), geht die Routine weiter zu Schritt S14, wo bestimmt wird, ob
die von dem Kondensatortemperatursensor 204 erfasste Kondensator-Vorderluftgeschwindigkeit
Ta niedriger als ein vorgegebener Wert Tac ist. Wenn die Kondensator-Vorderluftgeschwindigkeit
Va bei dem Schritt S13 gleich oder kleiner als der vorgegebene Wert
Vac ist (S13: Nein), kehrt die Routine wieder zu Schritt S11 zurück.
-
Wenn
die Kondensator-Vorderlufttemperatur Ta bei dem Schritt S14 niedriger
als der vorgegebene Wert Tac ist (S14: Ja), geht die Routine weiter
zu Schritt S15, wo bestimmt wird, ob eine Batteriespannung Eb niedriger
als ein vorgegebener Wert Ebc ist. Wenn die Kondensator-Vorderlufttemperatur
Ta bei dem Schritt S14 gleich oder höher als der vorgegebene
Wert Tac ist (S14: Nein), kehrt die Routine wieder zu Schritt S11
zurück.
-
Wenn
die Batteriespannung Eb bei dem Schritt S15 niedriger als der vorgegebene
Wert Ebc ist (S15: Ja), wird bei dem Schritt S16 der Rankine-Betriebsbefehl
ausgegeben und danach geht die Routine weiter zu der Rankine-Startsteuerung & Startbestimmungssteuerung
(S2, S3). Wenn die Batteriespannung Eb gleich oder höher
als der vorgegebene Wert Ebc ist (S15: Nein), kehrt die Routine
wieder zu Schritt S11 zurück.
-
Die
vorgegebenen Werte Twc, Gwc, Vac, Tac und Ebc sind auf Grenzwerte
für Grade mit der Fähigkeit festgelegt, Energie
durch die Expansionseinheit 23 und den Generator 25 zurück
zu gewinnen, wenn der Rankine-Kreislauf 20 gestartet wird.
-
Wie
vorstehend beschrieben, wird bei den Schritten S11 bis S15 der Rankine-Betriebsbefehl
nur ausgegeben, wenn die Bedingungen für die Kühlwassertemperatur,
den Durchsatz des Kühlwassers, die Kondensator-Vorderluftgeschwindigkeit,
die Kondensator-Vorderlufttemperatur und die Batteriespannung alle
erfüllt sind. Wenn eine der Bedingungen nicht erfüllt
ist, wird der unterbrochene Zustand aufrecht erhalten, ohne den
Rankine-Betriebsbefehl auszugeben, und die Steuerroutine (Schritt
S1) wird wiederholt.
-
Durch
die Steuerroutine (Schritt S1) kann der Rankine-Kreislauf 20 nur
betrieben werden, wenn er in einem Zustand mit der Fähigkeit
ist, hinreichend Energie zurück zu gewinnen.
-
(S2, S3: Rankine-Startsteuerung & Startbestimmungssteuerung)
-
4 ist
ein Flussdiagramm, das die Rankine-Startsteuerung von Schritt S2
im Detail darstellt, und 5 ist ein Flussdiagramm, das
die Rankine-Startbestimmungssteuerung von Schritt S3 im Detail darstellt,
die anschließend an den Schritt S2 ausgeführt
wird.
-
Bezug
nehmend auf 4 wird bei Schritt S21 bestimmt,
ob das Umleitungsventil 27 geöffnet ist oder nicht.
Wenn das Umleitungsventil 27 geöffnet ist (S21:
Ja), wird bei Schritt S22 eine minimale Drehzahl der Expansionseinheit
befohlen. Die minimale Drehzahl kann zum Beispiel auf 2000 U/min
festgelegt werden. Ansprechend auf diesen Befehl wird der Generator 25 als
der Elektromotor betrieben, um dadurch die Pumpe 21 und
die Expansionseinheit 23 anzutreiben.
-
Wenn
bei dem Schritt S21 bestimmt wird, dass das Umleitungsventil 27 geschlossen
ist (S21: Nein), wird das Umleitungsventil 27 bei Schritt
S23 derart gesteuert, dass es geöffnet wird.
-
Selbst
wenn die Expansionseinheit 23 in einem Zustand angetrieben
wird, in dem das Umleitungsventil 27 geöffnet
ist, tritt zwischen dem Einlass und dem Auslass der Expansionseinheit 23 keine Druckdifferenz ΔP
auf. Beim Antreiben der Expansionseinheit 23 und der Pumpe 21 bei
den Schritten S21 bis S23 wird zuerst das Umleitungsventil 27 derart
gesteuert, dass es geöffnet wird, so dass der Druck in
der Expansionseinheit 23 nicht plötzlich erzeugt
wird, um einen gleitenden Kontakt zwischen den Gleitelementen zu
vermeiden und um zu vermeiden, dass die Gleitelemente in einem schlecht
geschmierten Zustand abgenutzt werden, bis das zusammen mit dem
RA-Kältemittel zirkulierende Schmieröl sich in
dem Rankine-Kreislauf 20 gleichmäßig
verteilt.
-
Nachdem
die Expansionseinheit 23 und die Pumpe 21 angetrieben
werden, startet der Zeitschalter bei Schritt S24, und die Routine
geht weiter zu Schritt S25. Bei Schritt S25 wird bestimmt, ob ein
Unterkühlungsgrad (Unterkühlung) SCp, der basierend auf
einer von dem Pumpentemperatursensor 205 erfassten Temperatur
erhalten wird, größer als ein vorgegebener Wert
SCpc ist und ob die Kältemitteltemperatur Tex an dem Einlass
der Expansionseinheit, der von dem Expansionseinheitstemperatursensor 206 erfasst
wird, höher als ein vorgegebener Wert Texc1 ist.
-
Wenn
der Unterkühlungsgrad Scp größer als der
vorgegebene Wert SCpc ist und die Kältemitteltemperatur
Tex am Einlass der Expansionseinheit höher als der vorgegebene
Wert Texc1 ist (S25: Ja) stoppt der Zeitschalter bei Schritt S26,
und das Umleitungsventil 27 wird derart gesteuert, dass
es bei Schritt S28 geschlossen wird.
-
Wenn
der Unterkühlungsgrad SCp oder die Kältemitteltemperatur
Tex am Einlass der Expansionseinheit bei Schritt S25 gleich oder
niedriger als der vorgegebene Wert SCpc oder Texc1 ist, sind die Bedingungen
nicht erfüllt (S25: Nein). Folglich wird bei Schritt S27
bestimmt, ob eine vorgegebene Zeitspanne Tic1 verstrichen ist oder
nicht. Wenn die vorgegebene Zeitspanne Ti1 nicht verstrichen ist
(S27: Nein), kehrt die Routine wieder zu Schritt S25 zurück, und
es wird bestimmt, ob vorgegebene Bedingungen erfüllt sind
oder nicht.
-
Das
heißt, wenn die beiden Bedingungen des Unterkühlungsgrads
und der Kältemitteltemperatur an dem Einlass der Expansionseinheit
innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne erfüllt werden, geht die
Routine weiter zu der nächsten Rankine-Startbestimmungssteuerung
(Schritt S3, siehe 5). Wenn andererseits eine Bedingung
nicht erfüllt ist, geht die Routine weiter zu der Rankine-Stoppsteuerung
(S5), ohne zu der Rakine-Startbestimmungssteuerung weiter zu gehen.
-
Nachdem
das Umleitungsventil 27 derart gesteuert wird, dass es
bei Schritt S28 geschlossen wird, startet der Zeitschalter, wie
in 5 gezeigt, bei Schritt S31. Dann wird bei Schritt
S32 bestimmt, ob eine Rankine-Rückgewinnungsmenge Rpg größer als
0 ist, und ob eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem einlassseitigen
Druck Pex_ein der Expansionseinheit 23 und dem auslassseitigen
Druck Pex_aus auf der Auslassseite der Expansionseinheit 23 größer
als ein vorgegebener Wert ΔPc1 ist.
-
Wenn
die Rankine-Rückgewinnungsmenge Rpg größer
als 0 ist und die Druckdifferenz ΔP der Expansionseinheit 23 größer
als der vorgegebene Wert ΔPc1 ist (S32: Ja), stoppt der
Zeitschalter bei Schritt S33, und es wird bei Schritt S35 bestimmt, dass
der Rankine-Kreislauf 20 in Betrieb ist. Danach geht die
Routine weiter zu der Rankine-Betriebssteuerung (S4: siehe 6).
-
Wenn
die Rankine-Rückgewinnungsmenge Rpg bei dem Schritt S32
andererseits 0 ist oder die Druckdifferenz ΔP der Expansionseinheit 23 gleich oder
kleiner als der vorgegebene Wert ΔPc1 ist (S32: Nein),
wird bei Schritt S34 bestimmt, ob eine vorgegebene Zeitspanne Tic2
vergangen ist. Wenn die vorgegebene Zeitspanne nicht vergangen ist
(S34: Nein), kehrt die Routine wieder zu Schritt S32 zurück, bei
dem bestimmt wird, ob die vorgegebnen Bedingungen erfüllt
sind.
-
Das
heißt, wenn die beiden Bedingungen für die Rankine-Rückgewinnungsmenge
Rpg und die Druckdifferenz ΔP der Expansionseinheit 23 innerhalb
der vorgegebenen Zeitspanne erfüllt sind, geht die Routine
weiter zu der nächsten Rankine-Betriebssteuerung (S4).
Wenn jedoch eine der Bedingungen nicht erfüllt ist, geht
die Routine weiter zu der Rankine-Stoppsteuerung (S5), ohne zu der
Rankine-Betriebssteuerung weiter zu gehen.
-
Gemäß der
Steuerroutine (S2, S3), wie vorstehend im Detail beschrieben, werden
zur Zeit des Starts des Rankine-Kreislaufs 20 die Bedingungen (Unterkühlungsgrad
SCp, Kältemitteltemperatur Tex am Einlass der Expansionseinheit),
die als Voraussetzungen für den Start dienen, und die Bedingungen (Rankine-Rückgewinnungsmenge
Rpg, Druckdifferenz ΔP in der Expansionseinheit 23)
in der Anfangsstartzeitspanne geprüft und als geeignet
bestätigt. Daher wird ein stabiler Start sichergestellt.
Ferner wird die zulässige Zeit, bis die Bedingungen erfüllt sind,
unter Verwendung der Zeitschalterfunktion festgelegt. Wenn daher
innerhalb der Zeit keine geeigneten Werte erhalten werden, wird
die Routine in die Stoppsteuerung umgeschaltet, wobei die elektrische Leistung
beschränkt wird, so dass sie nicht verschwenderisch für
den Start verwendet wird.
-
(S4: Rankine-Betriebssteuerung)
-
6 ist
ein Flussdiagramm, das die Rankine-Betriebssteuerung von Schritt
S4 darstellt, welche ein kennzeichnender Teil der vorliegenden Ausführungsform
ist. 7 ist ein Diagramm von Steuercharakteristiken,
die eine Beziehung zwischen dem hochdruckseitigen Zustand und der
Drehzahl (maximale Drehzahl, minimale Drehzahl) darstellen, 8 ist
ein Diagramm von Steuercharakteristiken, die eine Beziehung zwischen
dem niederdruckseitigen Zustand und der Drehzahl (maximale Drehzahl,
minimale Drehzahl) darstellen, und 9 ist ein
Diagramm von Steuercharakteristiken, die eine Beziehung zwischen
der Batteriespannung und der Befehlsdrehzahl N_id darstellen.
-
Bezug
nehmend auf 6 werden bei Schritt S41 zuerst
eine maximale Drehzahl (erste maximale Drehzahl) Nmax1 und eine
minimale Drehzahl (erste minimale Drehzahl) Nmin1 der Expansionseinheit 23 basierend
auf dem hochdruckseitigen Zustand, der auf 7 beruht,
bestimmt. Hier ist der hochdruckseitige Zustand ein Überhitzungsgrad
SH (Überhitzungsgradinformation) an dem Einlass der Expansionseinheit 23,
wobei der Überhitzungsgrad SH basierend auf der Kältemitteltemperatur
Tex auf der Einlassseite der Expansionseinheit 23, die
von dem Expansionseinheitstemperatursensor 206 erfasst
wird, und dem Kältemitteldruck (einlassseitigen Druck Pex_ein)
erhalten wird.
-
Als
nächstes werden bei Schritt S42 eine maximale Drehzahl
(zweite maximale Drehzahl) Nmax2 und eine minimale Drehzahl (zweite
minimale Drehzahl) Nmin2 der Expansionseinheit 23 basierend
auf dem niederdruckseitigen Zustand, gestützt auf 8,
bestimmt. Hier ist der niederdruckseitige Zustand der auslassseitige
Druck Pex_aus (Druckinformation P) auf der Auslassseite der Expansionseinheit 23,
der von dem auslassseitigen Drucksensor 208 erfasst wird.
-
Bei
Schritt S43 werden die maximalen Drehzahlen Nmax1, Nmax2 und die
minimalen Drehzahlen Nmin1, Nmin2 verglichen, und die kleineren
Werte werden jeweils als die maximale Drehzahl Nmax_s und die minimale
Drehzahl Nmin_s bestimmt.
-
Bei
Schritt S44 wird die Befehlsdrehzahl N_id der Expansionseinheit 23 basierend
auf der Batteriespannung gestützt auf 9 bestimmt.
Wenn die Batteriespannung im Allgemeinen niedrig ist, wird die Befehlsdrehzahl
N_id, wie in 9 gezeigt, hoch festgelegt (z.
B. wenn sie gleich oder niedriger als E_niedrig ist, dann ist die
Befehlsdrehzahl N_id Nmax), und wenn die Batteriespannung hoch ist,
wird die Befehlsdrehzahl N_id klein festgelegt. Auf diese Weise
wird beim Bestimmen der Befehlsdrehzahl N_id der Expansionseinheit 23 die
Batteriespannung berücksichtigt. Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass
die Batterie überladen wird.
-
Nachdem
die Befehlsdrehzahl N_id der Expansionseinheit 23 bestimmt
ist, wird bei Schritt S45 bestimmt, ob die Befehlsdrehzahl N_id
null ist. Wenn sie nicht null ist (S45: Nein) wird die Befehlsdrehzahl N_id
der Expansionseinheit 23 bei Schritt S47 befohlen, so dass
die Expansionseinheit 23 und die Pumpe 21 mit
der Befehlsdrehzahl N_id angetrieben werden. Dann kehrt die Routine
zurück zu der Verarbeitung von Schritt S41.
-
Wenn
die Befehlsdrehzahl bei Schritt S44 andererseits null ist (S45:
Ja), startet der Zeitschalter bei Schritt S46 (in einer ersten Routine)
und dann wird bei Schritt S48 bestimmt, ob eine vorgegebene Zeitspanne
Tic3 vergangen ist. Wenn die vorgegebene Zeitspanne Tic3 nicht vergangen
ist (S48: Nein), kehrt die Routine wieder zu Schritt S41 zurück,
und die Verarbeitung von Schritt S41 bis S45 wird ausgeführt.
Wenn die Befehlsdrehzahl N_id selbst nach der Ausführung
der Verarbeitung von Schritt S41 bis S45 immer noch null ist (S45:
Ja), zählt der Zeitschalter bei Schritt S46 weiter (in
der zweiten und nachfolgenden Routinen). Dann wird bei Schritt S48
erneut bestimmt, ob die vorgegebene Zeitspanne Tic3 vergangen ist.
Wenn die vorgegebene Zeitspanne Tic3 vergangen ist (S48: Ja), wird
die Routine in die Rankine-Stoppsteuerung umgeschaltet (S5).
-
Das
heißt, durch die Verarbeitung von Schritt S45 bis Schritt
S48 (Stoppverzögerungsschritte) wird der Rankine-Kreislauf 20 in
einem Fall, in dem die Befehlsdrehzahl N_id null ist, nicht sofort
gestoppt. Der Rankine-Kreislauf 20 wird in einem Fall gestoppt, in
dem die Befehlsdrehzahl N_id eine vorgegebene Zeitspanne lang kontinuierlich
null ist. Mit anderen Worten wird die Verarbeitung zum Stoppen den
Rankine-Kreislaufs 20 eine vorgegebene Zeitspanne lang
verzögert. Als solches kann der Verbrauch der elektrischen
Leistung, der zum erneuten Starten des Rankine-Kreislaufs 20 benötigt
wird, verringert werden.
-
Als
nächstes werden nachstehend die Auswirkungen der Schritte
S41 bis S43 (maximaler/minimaler Drehzahlbestimmungsschritt) beschrieben. Zuerst
wird nachstehend kurz eine Beziehung zwischen der Drehzahl der Expansionseinheit 23 und dem Überhitzungsgrad
SH beschrieben. Wenn die Drehzahl der Expansionseinheit 23 erhöht
wird, strömt das Kältemittel in erhöhten
Mengen. Folglich kann die Verdampfung durch die Heizung 22 nicht
folgen, und der Überhitzungsgrad SH am Einlass der Expansionseinheit 23 nimmt
ab. Das Halten des Überhitzungsgrads SH auf einem hinreichend
hohen Pegel ist notwendig, damit die Heizung 22 einen ausreichend
hohen Verdampfungsgrad aufrecht erhält, um zu beschränken,
dass das RA-Kältemittel in dem Zustand von zwei Phasen
in die Expansionseinheit 23 strömt, ebenso um
die Viskosität des durch den Rankine-Kreislauf 20 zirkulierenden
Schmieröls aufrecht zu erhalten.
-
Daher
kann die Drehzahl erhöht werden, wenn der Überhitzungsgrad
SH hoch ist. Wenn der Überhitzungsgrad jedoch klein ist,
ist es erwünscht, die Drehzahl zu senken, um einen geeigneten Überhitzungsgrad
SH zu erhalten und eine geeignete Viskosität des Schmieröls
zu erhalten.
-
Nachstehend
wird eine Beziehung zwischen der Drehzahl der Expansionseinheit 23 und
dem auslassseitigen Druck Pex_aus beschrieben. Wenn die Drehzahl
erhöht wird, wird der auslassseitige Druck Pex_aus erhöht.
Wenn im Gegensatz dazu die Drehzahl verringert wird, wird der auslassseitige
Druck Pex_aus verringert. Hier wird der Wert des einlassseitigen
Drucks Pex_ein aus einem Volumenverhältnis der Pumpe 21 zu
der Expansionseinheit 23 bestimmt.
-
Wenn
der auslassseitige Druck Pex_aus groß ist (Druckdifferenz ΔP
ist klein) kann eine Überexpansion auftreten. Daher kann
die Drehzahl erhöht werden, wenn der auslassseitige Druck
Pex_aus klein ist (Druckdifferenz ΔP ist hoch). Es ist
jedoch erwünscht, die Drehzahl zu verringern, wenn der
auslassseitige Druck Pex_aus groß ist.
-
Mit
der vorstehenden Beziehung kann die Drehzahl erhöht werden,
wenn zum Beispiel der Überhitzungsgrad SH ausreichend hoch
ist. Eine Zunahme der Drehzahl bewirkt jedoch eine Zunahme des auslassseitigen
Drucks Pex aus, und eine Überexpansion kann stattfinden.
-
Die
Drehzahl kann erhöht werden, wenn der auslassseitige Druck
Pex_aus sehr klein ist, die Druckdifferenz ΔP ausreichend
groß ist und die Überexpansion nicht stattfindet.
Eine Zunahme der Drehzahl kann jedoch eine übermäßige
Abnahme des Überhitzungsgrads bewirken. Wenn daher aus
den maximalen Drehzahlen Nmax1, Nmax2 und den minimalen Drehzahlen
Nmin1, Nmin2, die basierend auf dem Überhitzungsgrad SH
und dem auslassseitigen Druck Pex aus erhalten werden, die kleineren verwendet
werden, wird die Überexpansion der Expansionseinheit 23 unterdrückt,
und ein hinreichend großer Überhitzungsgrad SH
kann aufrecht erhalten werden.
-
Auf
diese Weise wird durch Berücksichtigung des Überhitzungsgrads
SH als dem hochdruckseitigen Zustand das in die Expansionseinheit 23 strömende
Kältemittel dabei beschränkt, den gasförmigen/flüssigen
Zweiphasenzustand anzunehmen, und außerdem wird zugelassen,
dass die Viskosität des Schmieröls zum Schmieren
der Expansionseinheit 23 hinreichend aufrecht erhalten
wird.
-
Indem
ferner der auslassseitige Druck Pex_aus der Expansionseinheit 23 als
der niederdruckseitige Zustand berücksichtigt wird, ist
es erlaubt, eine hinreichende Druckdifferenz ΔP zu dem einlassseitigen
Druck Pex_ein aufrecht zu erhalten und die Überexpansion
in der Expansionseinheit 23 zu unterdrücken. Das
heißt, der Rankine-Kreislauf 20 kann stabil betrieben
werden.
-
(S5: Rankine-Stoppsteuerung)
-
10 ist
ein Flussdiagramm, das eine Rankine-Stoppsteuerung von Schritt S5
im Detail darstellt.
-
Bezug
nehmend auf 10 wird bei Schritt S51 zuerst
eine minimale Drehzahl der Expansionseinheit befohlen und dann wird
das Umleitungsventil 27 derart gesteuert, dass es bei Schritt
S52 geöffnet wird. Danach wird die Drehzahl der Expansionseinheit
bei Schritt S53 auf null befohlen, um die Expansionseinheit 23 und
die Pumpe 21 zum Stillstand zu bringen. Danach wird die
Routine in eine nächste Rankine-Stoppbestimmungssteuerung
umgeschaltet (S6). Die „minimale Drehzahl der Expansionseinheit", auf
die hier Bezug genommen wird, unterscheidet sich von der minimalen
Drehzahl Nmin_s, die bei Schritt S43 in
-
6 erhalten
wird, ist aber ein vorgegebener Wert.
-
Gemäß der
Steuerroutine (S5) wird das Umleitungsventil 27 zu der
Zeit des Stoppens des Rankine-Kreislaufs 20 geöffnet,
nachdem die Drehzahl der Expansionseinheit 23 auf eine
vorgegebene Drehzahl hinunter verringert wurde, und danach wird die
Drehzahl der Expansionseinheit auf null befohlen. Auf diese Weise
wird der Betrieb gestoppt, nachdem die Druckdifferenz ΔP
in der Expansionseinheit 23 durch Öffnen des Umleitungsventils 27 beseitigt
wurde. Daher wird die Expansionseinheit 23, davon abgehalten,
dass sie aus der Steuerung läuft, und der Rankine-Kreislauf 20 wird
stabil zum Stillstand gebracht.
-
(S6: Rankine-Stoppbestimmungssteuerung)
-
11 ist
ein Flussdiagramm, das eine Rankine-Stoppbestimmungssteuerung von
Schritt S6 im Detail zeigt.
-
Bezug
nehmend auf 11 wird bei Schritt S61 bestimmt,
ob die Druckdifferenz ΔP in der Expansionseinheit 23 niedriger
als ein vorgegebener Wert ΔPc2 ist. Wenn die Druckdifferenz ΔP
niedriger als der vorgegebene Wert ΔPc2 ist (S61: Ja),
wird bei Schritt S62 bestimmt, dass der Rankine-Kreislauf normal
gestoppt wurde. Auf diese Weise kehrt die Routine zurück
zu der Rankine-Betriebsbestimmungssteuerung (S1), um die Steuerung
des Hauptstroms zu wiederholen (2).
-
Wenn
die Druckdifferenz ΔP gleich oder höher als der
vorgegebene Wert ΔPc2 ist (S61: Nein), wird bei Schritt
S63 bestimmt, dass der Rankine-Kreislauf 20 anomal gestoppt
wurde, und folglich geht die Routine weiter zu einer Anomalitätsgegenmaßnahmenverarbeitung
(S7, 12).
-
Gemäß der
Steuerroutine (S6) wird die Druckdifferenz ΔP in der Expansionseinheit 23 als eine
Referenz für die Bestimmung verwendet. Der Hauptstrom wird
in einem Fall, in dem der Rankine-Kreislauf 20 anomal gestoppt
wird, nicht wiederholt. Daher kann der Rankine-Kreislauf 20,
der eine hohe Zuverlässigkeit aufrecht erhält,
realisiert werden.
-
(S7: Anomalitätsgegenmaßnahmenverarbeitung)
-
Wenn
der Rankine-Kreislauf 20 anomal gestoppt wird, wird die
Anomalitätsgegenmaßnahmenverarbeitung ausgeführt.
Konkret wird zum Beispiel das Absperrventil 18 derart gesteuert,
dass es geschlossen wird. Da in diesem Fall kein Kühlwasser
in die Heizung 22 strömt, kann der Betrieb des
Rankine-Kreislaufs 20 zwangsweise zum Stillstand gebracht
werden.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Als
nächstes wird eine zweite Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 12 und 13 beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform werden Schritte, die
mit denen der ersten Ausführungsform gemeinsam sind, mit
den gleichen Bezugsnummern bezeichnet wie denen der ersten Ausführungsform,
und nachstehend beschrieben sind Abschnitte, die sich von denen
der ersten Ausführungsform unterscheiden.
-
12 ist
ein Flussdiagramm, das die Rankine-Betriebssteuerung (S4) gemäß der
vorliegenden Ausführungsform im Detail darstellt. In der
vorliegenden Ausführungsform hat die Rankine-Betriebssteuerung
(S4) einen maximalen/minimalen Drehzahlfestlegungsschritt (S411),
der sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet.
Der Aufbau der Vorrichtungen und andere Steuerungen sind gleich
wie die der ersten Ausführungsform. Daher wird nachstehend
der maximale/minimale Drehzahlfestlegungsschritt (S411) beschrieben,
und andere Abschnitte werden nicht nochmals beschrieben.
-
Bezug
nehmend auf 12 wird bei Schritt S411 eine
Zunahme oder Abnahme der maximalen Drehzahl Nmax_s der Expansionseinheit 23 entsprechend
dem Überhitzungsgrad SH am Einlass der Expansionseinheit 23 und
einem Wert des Druckverhältnisses Pr der Expansionseinheit 23 (Druckinformation
P in der vorliegenden Ausführungsform) bestimmt. Eine minimale
Drehzahl Nmin_s wird als konstant angenommen. Hier wird das Druckverhältnis
Pr der Expansionseinheit 23 durch ein Verhältnis
(Pr = Pex_ein/Pex_aus) des einlassseitigen Drucks Pex_ein zu dem
auslassseitigen Druck Pex_aus ausgedrückt.
-
13 ist
ein Diagramm, das eine Zunahme und eine Abnahme der maximalen Drehzahl
Nmax_s der Expansionseinheit 23 basierend auf dem Überhitzungsgrad
SH und dem Druckverhältnis Pr darstellt. Hier können
ein konstanter Wert der minimalen Drehzahl Nmin_s und ein Anfangswert
der maximalen Drehzahl Nmax_s jeweils auf vorgegebene Werte festgelegt
werden. Was als ein Bezug der „Zunahme oder Abnahme" in
der maximalen Drehzahl Nmax_s dient, ist in der ersten Routine ein
vorgegebener Anfangswert und nach der vorhergehenden Routine in der
zweiten und nachfolgenden Routinen ein Wert der maximalen Drehzahl
Nmax_s. In 13 wurde ferner ein Grenzwert
im Voraus festgelegt, wenn die maximale Drehzahl erhöht
wird; d. h. die maximale Drehzahl Nmax_s wird bestimmt, so dass
sie ihren Grenzwert nicht überschreitet. Ferner wurde ein Grenzwert
für die Senkung der maximalen Drehzahl Nmax_s auf einen
Wert (konstanten Wert) der minimalen Drehzahl Nmin_s festgelegt.
Der Wert der minimalen Drehzahl Nmin_s nimmt nur dann 0 an, wenn
das Druckverhältnis Pr und der Überhitzungsgrad
SH beide in Minimalbereichen sind (Pr < Pr_min, SH < SH_min).
-
In
den gepunkteten Abschnitten, die in 13 „keine Änderung"
anzeigen, nehmen der Überhitzungsgrad SH und das Druckverhältnis
Pr bei der maximalen Drehzahl Nmax_s geeignete Werte an, und daher
kann die maximale Drehzahl Nmax_s aufrecht erhalten werden; d. h.
es gibt keine Zunahme oder Abnahme (Inkrement/Dekrement = null), und
die maximale Drehzahl Nmax_s wird unverändert aufrecht
erhalten.
-
Nachstehend
wird ein Fall betrachtet, in dem zum Beispiel ein Bereich Q1, in
dem das Druckverhältnis Pr und der Überhitzungsgrad
SH beide in passenden Bereichen sind (Pr_niedrig < Pr < Pr_hoch, SH_min < SH < SH_niedrig), in
einen Bereich Q2 verschoben wurde, in dem der Druck Pr aufgrund
einer Änderung des Fahrzeugszustands gesunken ist (Prmin < Pr < Pr_niedrig, SHmin < SH < SH_niedrig).
-
In
diesem Fall bedeutet eine Abnahme des Druckverhältnisses
Pr eine Zunahme des Drucks Pex_aus auf der Auslassseite. Hier kann
jede weitere Zunahme des Drucks Pex_aus auf der Auslassseite eine Überexpansion
verursachen. Daher wird die „Abnahme" (Inkrement/Dekrement
nimmt einen Minuswert an) derart ausgewählt, dass die maximale Drehzahl
Nmax_s verringert wird.
-
Ferner
wird nachstehend ein Fall betrachtet, in dem zum Beispiel der Bereich
Q1 in einen Bereich Q3 verschoben wurde, in dem der Überhitzungsgrad aufgrund
einer Änderung des Fahrzeugzustands verringert wurde (Pr_niedrig < Pr < Pr_hoch, SH < SH_min).
-
Da
in diesem Fall der Überhitzungsgrad SH nicht höher
als ein passender Wert ist, wird „Abnahme" (Inkrement/Dekrement
nimmt einen Minuswert an) ausgewählt, um den Überhitzungsgrad
SH durch Verringern der maximalen Drehzahl Nmax_s aufrecht zu erhalten.
-
Ferner
wird nachstehend ein Fall betrachtet, in dem zum Beispiel ein Bereich
Q4, in dem das Druckverhältnis Pr und der Überhitzungsgrad
SH beide in passenden Bereichen sind (Pr_niedrig < Pr < Pr_hoch, SH > SH_hoch) in einen
Bereich Q5 verschoben wurde, in dem das Druckverhältnis
aufgrund einer Änderung des Fahrzeugzustands gestiegen
ist (Pr > Pr_hoch,
SH ≥ SH_hoch).
-
Da
das Druckverhältnis Pr und der Überhitzungsgrad
SH in diesem Fall beide passende und ausreichende Werte annehmen,
wird eine „Zunahme" (Inkrement/Dekrement nimmt einen Pluswert
an) ausgewählt, um die maximale Drehzahl Nmax_s zu erhöhen,
so dass die Batterie 33 die elektrische Energie mit einer
maximalen Effizienz wiedergewinnt (Menge der Rückgewinnung
wird erhöht).
-
Nachdem
der Inkrementbetrag in der „Zunahme" gemäß der
vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, klein festgelegt
wurde, wird die Drehzahl (maximale Drehzahl Nmax, Befehlsdrehzahl
N_id) derart gesteuert, dass sie allmählich zunimmt, wenn
die Bedingungen des Druckverhältnisses Pr und des Überhitzungsgrads
SH aufgrund einer Änderung des Fahrzeugzustands in den
Bereich Q5 fallen und wenn der Zustand (Pr > Pr_hoch, SH > SH_hoch) fortbesteht.
-
Nach
dem Festlegen des Inkrements/Dekrements auf ein geeignetes Maß,
wie vorstehend beschrieben, wird die Befehlsdrehzahl N_id nicht
stark variiert, sondern wird in einem Fall, in dem die Fahrzeugzustände
(Motorbetriebszustand, Zunahme der Menge an Kühlwasser,
die in die Heizung 22 strömt, etc.) sich deutlich
verändert haben, sanft variiert, was es möglich
macht, eine geschmeidigere und anspruchsvollere Steuerung zu realisieren.
-
(Modifizierte Beispiele der ersten und
zweiten Ausführungsformen)
-
In
der vorstehenden ersten Ausführungsform war die Druckinformation
P als der niederdruckseitige Zustand der auslassseitige Druck Pex_aus
der Expansionseinheit 23. Stattdessen kann die Druckinformation
P zum Beispiel ein Differenzdruck ΔP (einlassseitiger Druck
Pex_ein – auslassseitiger Druck Pex_aus) zwischen dem Druck
Pex_ein auf der Einlassseite und dem Druck Pex_aus auf der Auslassseite
der Expansionseinheit 23 sein. In diesem Fall kann das
in 14 gezeigte Diagramm der Charakteristiken anstelle
des Diagramms der in 8 erklärten Charakteristiken
verwendet werden, um die gleiche Wirkung wie die der vorstehenden
ersten Ausführungsform zu erhalten.
-
In
dem Diagramm mit Charakteristiken (9), in dem
die Batteriespannung bei Schritt S44 in den ersten und zweiten Ausführungsformen
berücksichtigt wird (siehe 6 und 12),
kann die Befehlsdrehzahl N_id statt stufenweise geändert
zu werden, kontinuierlich variiert werden. In diesem Fall kann das
Diagramm mit in 15 gezeigten Charakteristiken
verwendet werden. Insbesondere, wenn die Batteriespannung zwischen
E_niedrig und E_hoch liegt, wird die Befehlsdrehzahl N_id kontinuierlich
variiert, wobei die Änderung, die von der Befehlsdrehzahl
N_id der Expansionseinheit 23 angenommen werden kann, ausgeweitet
wird und es ermöglicht wird, eine anspruchsvollere Steuerung
zu realisieren.
-
In
den vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsformen wurden
die Pumpe 21 und die Expansionseinheit 23 von
der gleichen Welle angetrieben, sie können jedoch, wie
in 16 gezeigt auch nicht von der gleichen Welle angetrieben
werden (die Pumpe 21 kann von einem (nicht gezeigten) dedizierten
Elektromotor angetrieben werden).
-
(Dritte Ausführungsform)
-
Eine
dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nun unter Bezug auf 17 bis 20°C beschrieben.
-
17 ist
ein Diagramm, welches das gesamte System der Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1 mit
dem Rankine-Kreislauf 20 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform darstellt. 18 ist
ein Flussdiagramm, das eine Steuerung (Rankine-Startsteuerung S2a)
beim Start des Rankine-Kreislaufs 20 darstellt, welche
ein kennzeichnender Abschnitt der vorliegenden Erfindung ist, 19 ist
ein Zeitdiagramm, das die Druckdifferenz in der Expansionseinheit
und die Drehzahl der Pumpe und der Expansionseinheit von dem Start
bis zur Normalsteuerung des Rankine-Kreislaufs 20 darstellt,
und 20A bis 20C sind
Diagramme, die schematisch die Durchsätze des Kältemittels
an verschiedenen Abschnitten beim Start des Rankine-Kreislaufs 20 zeigen.
-
In
der vorliegenden Ausführungsform ist die Pumpe 21 durch
die gleiche Antriebswelle mit dem Generator 25 und mit
der Expansionseinheit 23 verbunden. Die gleichen Abschnitte
wie die der ersten Ausführungsform werden mit den gleichen
Bezugsnummern bezeichnet und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
-
(S2a: Rankine-Startsteuerung)
-
Beim
Starten des Rankine-Kreislaufs 20 öffnet die Stromsteuerschaltung 30 das
Absperrventil 18 und betreibt den Gebläseventilator 28.
Wie in 18 gezeigt, wird das Umleitungsventil 27 ferner bei
Schritt S100 geöffnet, und der Generator 25 wird bei
Schritt S110 mit einer vorgegebenen Drehzahl (durch die Expansionseinheit
vorgegebene Drehzahl MGS1 in 19) als
ein Elektromotor betrieben. Hier wurde die vorgegebene Drehzahl
im Voraus als eine Drehzahl (z. B. 1500 U/min) auf der Minimumseite bestimmt,
die von dem Stromrichter 31 gesteuert werden kann.
-
Nach
dem Betreiben des Generators 25 werden die Pumpe 21 und
die Expansionseinheit 23 betrieben, und das RA-Kältemittel
zirkuliert in dem Rankine-Kreislauf 20. Da das Umleitungsventil 27 in
diesem Fall geöffnet wurde, strömt das RA-Kältemittel hauptsächlich
durch den Umleitungsdurchgang 26 (20A),
während es auch durch die Expansionseinheit 23 strömt.
Da das RA-Kältemittel hauptsächlich durch den
Umleitungsdurchgang 26 strömt, tritt zwischen
dem Einlass und dem Auslass der Expansionseinheit 23 keine
Druckdifferenz (hier nachstehend Expansionseinheit-Druckdifferenz)
auf (Zeitspanne P1 in 19: vom Start des Motors/Generators
MG bis das Umleitungsventil geschlossen wird).
-
Wenn
das RA-Kältemittel durch den Rankine-Kreislauf 20 zirkuliert
breitet sich das in dem RA-Kältemittel enthaltene Schmieröl
gleichmäßig zwischen verschiedenen Gleitabschnitten
der Expansionseinheit 23 und der Pumpe 21 aus.
Auf diese Weise werden die Expansionseinheit 23 und die Pumpe
in einen geschmierten Zustand versetzt.
-
Als
nächstes wird bei Schritt S120 bestimmt, ob die Kältemitteltemperatur
Tex am Einlass der Expansionseinheit, die von dem Expansionseinheitstemperatursensor 206 erfasst
wird, gleich oder höher als eine vorgegebene Temperatur
Texc2 ist. Wenn sie gleich oder höher als die vorgegebene
Temperatur Texc2 ist, wird das Umleitungsventil 27 bei
Schritt S130 geschlossen. Wenn bei Schritt S120 bestimmt wird, dass
die Kältemitteltemperatur Tex an dem Einlass der Expansionseinheit
niedriger als die vorgegebene Temperatur Texc2 ist, wird die Verarbeitung
von Schritt S110 fortgesetzt.
-
Hier
ist die vorgegebene Temperatur Texc2 die Temperatur, die im Voraus
als eine Kältemitteltemperatur (Kältemittelüberhitzungsgrad)
bestimmt wurde, um die Expansionseinheit 23 durch die Expansion
des überhitzten Dampfkältemittels, das in die
Expansionseinheit 23 strömt, ausreichend anzutreiben.
Die vorgegebene Temperatur kann zum Beispiel auf einen Wert (60 bis
70°C) um etwa 20°C niedriger als die Temperatur
(80 bis 90°C) des Motorkühlwassers festgelegt
werden.
-
Nach
dem Schließen des Umleitungsventils 27 wird der
Kältemittelstrom des Umleitungsdurchgangs 26 unterbrochen
und folglich strömt das RA-Kältemittel alles durch
die Expansionseinheit 23 (20B).
Hier wirkt die Expansionseinheit 23 als ein Widerstand
und erzeugt eine Expansionseinheit-Druckdifferenz ΔP (Zeitspanne
P2 in 19: ab dem Schließen
des Umleitungsventils bis zum Abschluss des Kreislaufbeginns). Die
Stromsteuerschaltung 30 berechnet die Expansionseinheit-Druckdifferenz
als eine Differenz zwischen dem einlassseitigen Kältemitteldruck,
der von dem einlassseitigen Drucksensor 207 erfasst wird,
und dem auslassseitigen Kältemitteldruck, der von dem auslassseitigen
Drucksensor 208 erfasst wird.
-
Die
Stromsteuerschaltung 30 erhöht die Drehzahl des
Generators 25 durch Wiederholen der Schritte S140 und S150,
bis die Expansionseinheit-Druckdifferenz ΔP eine vorgegebene
Druckdifferenz (vorgegebene Differenz des Drucks) ΔPc3
erreicht. Die vorgegebene Druckdifferenz ist hier eine Druckdifferenz,
die im Voraus aus einer Beziehung zwischen dem Volumen und dem Druck
der Expansionseinheit 23 bestimmt wird, so dass ein geeigneter Expansionsbetrieb
erreicht wird (wobei der Überexpansionsbetrieb oder der
unzureichende Expansionsbetrieb unterbunden wird). Ferner wird die
Drehzahl des Generators 25 derart gesteuert, dass sie von
einem vorgegebenen Wert MGS1 bis zu MGS2 (Zeitspanne P3 in 19:
vom Schließen des Umleitungsventils bis zum Abschluss der
Kreislaufstartsteuerung) kontinuierlich und monoton zunimmt (linear
zunimmt).
-
Wenn
bei Schritt S150 bestimmt wird, dass die Expansionseinheit-Druckdifferenz
die vorgegebene Druckdifferenz ΔPc3 erreicht hat, schaltet
die Routine bei Schritt S160 auf die Normalsteuerung des Generators
25 um, und die Rankine-Startsteuerung endet.
-
(Normale Rankine-Steuerung)
-
Nach
der vorstehenden Rankine-Startsteuerung steuert die Stromsteuerschaltung 30 die
Drehzahl des Generators 25 und die Drehzahl des Gebläseventilators 28,
so dass die Expansionseinheit-Druckdifferenz eine vorgegebene Druckdifferenz wird,
wodurch die Abwärmeenergie des Motors 10 durch
die Expansionseinheit 23 in mechanische Energie umgewandelt
wird und ferner durch den Generator 25 in elektrische Energie
umgewandelt wird.
-
Das
heißt, in der normalen Rankine-Steuerung wird die Expansionseinheit 23 durch
die Expansion des überhitzten Dampfkältemittels
von der Heizung 22 angetrieben. Daher wird die Pumpe 21 von der
Antriebskraft der Expansionseinheit 23 angetrieben, und
das Kältemittel zirkuliert weiterhin in dem Rankine-Kreislauf 20.
-
Wenn
die Antriebskraft der Expansionseinheit 23 die Antriebskraft
zum Antreiben der Pumpe 21 überschreitet, dann
wird der Generator 25 als der Generator betrieben, und
die Steuereinheit 32 lädt die Batterie 33 durch
den Stromrichter 31 mit elektrischer Leistung auf, die
von dem Generator 25 erzeugt wird. Die in der Batterie 33 geladene
elektrische Leistung wird an verschiedene Zusatzeinheiten zugeführt.
-
(Rankine-Stoppsteuerung)
-
Wenn
die Menge der in der Batterie 33 gespeicherten elektrischen
Leistung einen vorgegebenen Wert übersteigt oder wenn die
Abwärme des Motors 10 (Überhitzungsgrad
des Kältemittels am Einlass der Expansionseinheit) nicht
ausreichend ist, bringt die Stromsteuerschaltung 30 den
Betrieb des Rankine-Kreislaufs 20 zum Stillstand. Um den
Betrieb des Rankine-Kreislaufs 20 zum Stillstand zu bringen,
wird die Drehzahl des Generators 25 auf eine minimale Drehzahl
verringert, das Umleitungsventil 27 wird geöffnet,
und, nachdem bestätigt wurde, dass der Differenzdruck in
der Expansionseinheit hinreichend gesenkt wurde, wird der Betrieb
des Generators 25 zu Stillstand gebracht, um dadurch die Pumpe 21 und
die Expansionseinheit 23 zum Stillstand zu bringen. Der
Gebläseventilator 28 wird ebenfalls zum Stillstand
gebracht.
-
In
einem Fall, in dem während des Betriebs des Rankine-Kreislaufs 20 ein
anomaler Zustand aufgetreten ist, schließt die Stromsteuerschaltung 30 das
Absperrventil 18, um den Strom des Motorkühlwassers
in die Heizung 22 zu blockieren und um dadurch den Betrieb
des Rankine-Kreislaufs 20 zwangsweise zum Stillstand zu
bringen.
-
Beim
Start des Rankine-Kreislaufs 20 in der vorliegenden Erfindung,
wie vorstehend beschrieben, wird die in 18 gezeigte
Rankine-Startsteuerung S2a ausgeführt. Nämlich,
wird zuerst das Umleitungsventil 27 geöffnet,
um den Generator 25 mit einer vorgegebenen Drehzahl als
den Elektromotor zu betreiben, um dadurch die Pumpe 21 und
die Expansionseinheit 23 zu betreiben. In diesem Fall strömt das
Kältemittel hauptsächlich durch den Umleitungsdurchgang 26,
während es auch in die Expansionseinheit 23 strömt.
Daher zirkuliert das Kältemittel durch den Rankine-Kreislauf 20,
ohne die Expansionseinheit-Druckdifferenz zu erzeugen, und das in dem
Kältemittel enthaltene Schmieröl wird an verschiedene
Gleitabschnitte in der Pumpe 21 und der Expansionseinheit 23 zugeführt.
Das heißt, die Pumpe 21 und die Expansionseinheit 23 werden
in der Anfangsphase des Starts in einen Zustand versetzt, in dem
sie betriebsbereit geschmiert sind.
-
Wenn
die Kältemitteltemperatur (der Überhitzungsgrad)
am Einlass der Expansionseinheit die vorgegebene Temperatur übersteigt,
ist das Kältemittel in einem ausreichend überhitzten
Zustand, und es kann bestätigt werden, dass die Expansionseinheit 23 in
einem Zustand ist, in dem sie fähig ist, durch die Expansion
des Kältemittels (überhitzten Dampfkältemittels)
betrieben zu werden.
-
In
diesem Zustand wird das Umleitungsventil 27 geschlossen.
Daher wird das Kältemittel von dem Umleitungsdurchgang 26 auf
die Expansionseinheit umgeschaltet, und daher kann die Expansionseinheit 23 durch
die Expansion des Kältemittels betrieben werden.
-
Zu
dieser Zeit tritt die Druckdifferenz in der Expansionseinheit auf.
Nach dem Erhöhen der Betriebsdrehzahl des Generators 25 entsprechend
der Druckdifferenz in der Expansionseinheit relativ zu der vorgegebenen
Drehzahl kann die Betriebsdrehzahl der Expansionseinheit 23 jedoch
erhöht werden, und das Ausstoßvermögen
der Expansionseinheit 23 kann sukzessive erhöht
werden, was es möglich macht, die Anstiegscharakteristik
der Druckdifferenz in der Expansionseinheit (Verhältnis
der, Zunahme der Druckdifferenz relativ zur Zeit) zu entspannen. Nämlich
wird, wie in 20C gezeigt, angenommen, dass
die Pumpe 21 mit einer vorgegebenen Drehzahl (z. B. 1500
U/min) angetrieben wird und das Kältemittel mit einem Durchsatz 3 ausstößt.
Wenn in diesem Fall die Drehzahl des Generators 25 zunimmt
(z. B. 1500 U/min→2000 U/min), wurde die Drehzahl der Expansionseinheit 23 zu
der Zeit, zu der das Kältemittel in die Expansionseinheit 23 strömte,
bereits erhöht (2000 U/min). Nämlich macht die
Expansionseinheit 23 den Expansionsbetrieb durch, um das
Kältemittel mit einem Durchsatz 4 relativ zu dem
Kältemittel mit dem Durchsatz 3 auszustoßen.
Da diese Beziehung sich hier nachstehend wiederholt, kann der Grad
der Zunahme der Druckdifferenz in der Expansionseinheit entspannt
werden.
-
Folglich
ist es weniger wahrscheinlich, dass in der Expansionseinheit die
kurzfristige Druckdifferenz auftritt. Als solches kann der Rankine-Kreislauf 20 stabil
gestartet werden.
-
(Modifiziertes Beispiel der dritten Ausführungsform)
-
In
der vorstehenden dritten Ausführungsform, wird die Drehzahl
des Generators 25 (Drehzahl der Pumpe 21 und der
Expansionseinheit 23) derart gesteuert, dass sie entsprechend
dem Anstieg der Druckdifferenz in der Expansionseinheit kontinuierlich
und monoton zunimmt (linear zunimmt). Alternativ kann die Drehzahl
derart gesteuert werden, dass ihr Zunahmeverhältnis, wie
in 21A gezeigt, mit dem Verlauf der Zeit abnimmt.
-
Ferner
kann die Drehzahl des Generators 25 (Drehzahl der Pumpe 21 und
der Expansionseinheit 23) derart gesteuert werden, dass
sie, wie in Schritt 21B gezeigt, stufenweise zunimmt.
-
In
diesen Fällen wird es, ähnlich dem Fall von 19,
ermöglicht, das Auftreten einer deutlichen Druckdifferenz
in der Expansionseinheit 23 unterdrückt wird.
-
(Vierte Ausführungsform)
-
Eine
vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 22 bis 24 gezeigt.
Im Vergleich zu der vorstehenden dritten Ausführungsform
hat die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1 der
vierten Ausführungsform ferner einen Pumpentemperatursensor 205 und
steuert die Drehzahl in zwei Stufen, wenn der Generator 25 in
der Rankine-Startsteuerung betrieben werden soll.
-
In
der in 22 gezeigten Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1 ist
der Pumpentemperatursensor (Unterkühlungsgraderfassungseinrichtung) 205 auf
der Einlassseite der Pumpe 21 (zwischen dem Kondensator 24 und
der Pumpe 21) bereitgestellt, um den Unterkühlungsgrad
(die Unterkühlung) des Kältemittels am Einlass
der Pumpe 21 zu erhalten. Das Erfassungssignal des Pumpentemperatursensors 205 wird
an die Steuereinheit 32 ausgegeben.
-
Wie
in 23 gezeigt, hat die Rankine-Startsteuerung S2b
der vierten Ausführungsform die Schritte S101, S102 und
S111, die gegenüber dem Schritt S110 der dritten Ausführungsform
abgeändert sind.
-
Das
heißt, in der Rankine-Startsteuerung S2b öffnet
die Stromsteuerschaltung 30 das Umleitungsventil 27 bei
dem Schritt S100 und betreibt den Generator 25 bei dem
Schritt S101 mit einer ersten vorgegebenen Drehzahl. Die erste vorgegebene Drehzahl
ist eine Drehzahl, die von dem Stromrichter 31 als eine
steuerbare Drehzahl auf der Seite einer relativ hohen Drehzahl festgelegt
wird (Zeitspanne P1a in 24: vom
Start des MG bis zum Abschluss der Sicherstellung der Kältemittelzirkulationsmenge).
-
Nach
dem Betreiben des Generators 25 mit der ersten vorgegebenen
Drehzahl wird die Pumpe 21 auf der hohen Drehzahlseite
betrieben, und folglich zirkuliert das Kältemittel in dem
Rankine-Kreislauf 20 mit einem Durchsatz, der höher
ist als der im Fall der vorstehenden dritten Ausführungsform.
-
Bei
dem Schritt S102 wird bestimmt, ob die einlassseitige Kältemitteltemperatur
(der Kältemittelunterkühlungsgrad am Einlass)
TP, der von dem Pumpentemperatursensor 205 erfasst wird,
gleich oder höher als ein vorgegebener Unterkühlungsgrad TPc
ist. Wenn die einlassseitige Kältemitteltemperatur TP gleich
oder höher als der vorgegebene Unterkühlungsgrad
TPc ist, wird der Generator 25 bei dem Schritt S111 mit
einer zweiten vorgegebenen Drehzahl betrieben, die niedriger als
die erste vorgegebene Drehzahl ist. Hier ist der vorgegebene Unterkühlungsgrad
ein Unterkühlungsgrad, der im Voraus als eine Kühltemperatur
bestimmt wird, bei der das aus dem Kondensator 24 strömende
Kältemittel zuverlässig in das flüssigphasige
Kältemittel umgewandelt werden kann. Ferner ist die zweite
vorgegebene Drehzahl eine Drehzahl, die im Voraus als eine Drehzahl
auf der Minimumseite bestimmt werwird kann, die ähnlich
der vorstehenden dritten Ausführungsform von dem Stromrichter 31 gesteuert
werden kann (Zeitspanne P1b in 24: vom
Abschluss der Sicherstellung der Kältemittelzirkulationsmenge
bis zum Schließen des Umleitungsventils). Wenn die Bestimmung
bei Schritt S102 negativ ist, wird der Schritt S101 fortgesetzt.
-
Bei
dem Schritt S120 wird bestimmt, ob die Kältemitteltemperatur
Tex am Einlass der Expansionseinheit, die von dem Expansionseinheitstemperatursensor 206 erfasst
wird, gleich oder höher als die vorgegebene Temperatur
Texc2 ist. Wenn die Kältemitteltemperatur Tex gleich oder
höher als die vorgegebene Temperatur Texc2 ist, werden, ähnlich
der vorstehenden dritten Ausführungsform, die Schritte S130
bis S160 ausgeführt. Wenn die Kältemitteltemperatur
niedriger als die vorgegebene Temperatur Texc2 ist, wird der Schritt
S110 fortgesetzt.
-
In
der vierten Ausführungsform ist die vorgegebene Drehzahl
zu der Zeit, wenn der Generator 25 zuerst betrieben wird,
die erste vorgegebene Drehzahl auf der hohen Drehzahlseite. Daher
kann die Ausstoßmenge der Pumpe 21 erhöht
werden, um das Kältemittel in kurzen Zeitspannen durch
den Rankine-Kreislauf 20 zu zirkulieren. Als solches kann die
Zeit, bevor das Umleitungsventil 27 geschlossen wird, im
Vergleich zu der vorstehenden dritten Ausführungsform verkürzt
werden, und der Rankine-Kreislauf 20 kann stabil gestartet
werden.
-
Wenn
der Unterkühlungsgrad des Kältemittels auf der
Einlassseite der Pumpe 21 gleich oder mehr als der vorgegebene
Unterkühlungsgrad ist, ist das Kältemittel in
einem ausreichend unterkühlten Zustand. Auf diese Weise
kann bestätigt werden, dass das Kältemittel durch
die Pumpe 21 hinreichend zirkuliert werden kann, ohne dass
Kältemittel in der gasförmigen Phase beteiligt
ist. Daher kann die Zeitsteuerung zum Ändern der ersten
vorgegebenen Drehzahl auf die zweite vorgegebene Drehzahl geeignet
bestimmt werden.
-
(Modifiziertes Beispiel der vierten Ausführungsform)
-
Wenn
der Generator 25 in der vorstehenden vierten Ausführungsform
zuerst betrieben wurde, wurde die Drehzahl einfach von der ersten
vorgegebenen Drehzahl auf die zweite vorgegebene Drehzahl geändert,
wenn der Unterkühlungsgrad Tp des Kältemittels
gleich oder mehr als ein vorgegebener Unterkühlungsgrad
Tpc war. Wie in 25 gezeigt, kann die Drehzahl
jedoch kontinuierlich und monoton verringert werden oder kann stufenweise
verringert werden (nicht gezeigt). Dies ermöglicht, dass
der Rankine-Kreislauf 20 ohne Überlastung reibungslos betrieben
wird.
-
(Andere Ausführungsformen)
-
In
den vorstehenden Ausführungsformen wird die Druckdifferenz
in der Expansionseinheit 23 von dem einlassseitigen Drucksensor 207 und
dem auslassseitigen Drucksensor 208 erfasst. Nicht darauf
beschränkt kann die Druckdifferenz in der Expansionseinheit
aus der Kältemitteltemperatur berechnet werden, die mit
dem Kältemitteldruck in Beziehung steht.
-
In
den vorstehenden Ausführungsformen ist die Wärme
erzeugende Vorrichtung, die von der Abwärme begleitet wird,
der Motor 10 (das Motorkühlwasser) für
Fahrzeuge. Nicht darauf beschränkt kann die vorliegende
Erfindung weithin auf diejenigen angewendet werden, die zur Zeit
des Betriebs Wärme erzeugen und teilweise Wärme
auslassen (Abwärme), um die Temperatur zu steuern, wie
etwa eine Brennkraftmaschine, einen Brennstoffzellenstapel eines
Brennstoffzellenfahrzeugs, verschiedene Motoren und Stromrichter.
-
Ferner
wurde die Beschreibung unter der Annahme gemacht, dass die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung 1 auf
ein Fahrzeug angewendet wird. Nicht darauf beschränkt kann
die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung jedoch auf
eine ortsfeste Verwendung angewendet werden.
-
Die
vorliegende Erfindung kann implementiert werden, indem die vorstehenden
Ausführungsformen geeignet kombiniert werden. Zum Beispiel kann
die Rankine-Startsteuerung S2a oder S2b von 18 oder 23 in
dem in 2 gezeigten Hauptstrom ausgeführt werden.
-
Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen werden Fachleuten der Technik ohne weiteres
einfallen. Die Erfindung ist in ihrem weiteren Sinn daher nicht auf
gezeigte und beschriebene spezifische Details, die repräsentativen
Vorrichtungen und veranschaulichende Beispiele beschränkt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2004-60462
A [0003]
- - JP 2004-108220 A [0005]