DE112012004058B4

DE112012004058B4 - Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme

Info

Publication number: DE112012004058B4
Application number: DE112012004058.9T
Authority: DE
Inventors: c/o Nissan Motor Co. Ltd. Iwahashi Riyako; Takayuki Ishikawa; c/o IP Dep of NissanMotor Co Mizoguchi Shinichiro; Hiroyuki Nagai; c/o IP Dep of NissanMotor Co Ogihara Satoshi; c/o Sanden Corporation Haraguchi Tomonori
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: CN103987923B; DE112012004058T5; WO2013046969A1; CN103987923A; JP2013076370A; US20150047351A1; JP5804879B2; US9441503B2

Abstract

Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme, umfassend:einen Rankine-Zyklus (31), umfassend einen Wärmetauscher (36), der die Abwärme eines Motors (2) mittels eines Kühlmittels zurückgewinnt, einen Expander (37), der mithilfe des aus dem Wärmetauscher (36) austretenden Kühlmittels Energie erzeugt, einen Kondensator (38), der das aus dem Expander (37) austretende Kühlmittel kondensiert und eine Kühlmittelpumpe (32), die das aus dem Kondensator (38) austretende Kühlmittel dem Wärmetauscher (36) zuführt; undeinen Energieübertragungsmechanismus (34), der die vom Expander (37) regenerierte Energie auf den Motor (2) überträgt, wobei:der Energieübertragungsmechanismus (34) eine Kupplung (35), die die Übertragung der Energie vom Expander auf den Motor unterbricht oder ermöglicht, umfasst; undder Expander (37) einen Drehgeschwindigkeitsdetektor (37a) umfasst, der eine Drehgeschwindigkeit des Expanders (37) erkennt;die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme umfasst ferner eine Motorregelung (71), die eine Zunahme der Reibung des Expanders aufgrund einer Erhöhung der vom Drehgeschwindigkeitsdetektor (73a) erkannten Drehgeschwindigkeit des Expanders (37) erkennt, wenn die Kupplung (35) getrennt wird.

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme, insbesondere eine, die einen Rankine-Zyklus mit einem Kältekreislauf integriert.
Stand der Technik
Eine Rankine-Zyklus-Anlage, in der die Abwärme eines Motors als Energie wieder verwertet wird, ist bekannt. Die Motorabwärme wird zurückgewonnen, der Rankine-Zyklus wird mit der Abwärme betrieben und es wird Rotationsenergie von einem Expander (Turbine) erzeugt. Als Beispiel einer derartigen Anlage ist eine Vorrichtung zur Abwärmerückgewinnung beschrieben worden ( JP 2010-101283 A ). Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ist mit einer Turbine, die von Dampf angetrieben wird, durch die Motorabwärme in einem Überhitzer zurückgewonnen wird, sowie mit einem Energierückgewinnungsmittel ausgestattet. Das Energierückgewinnungsmittel (ERM) umfasst eine mit der Welle der Turbine über eine elektromagnetische Kupplung verbundene erste Riemenscheibe, sowie eine auf der Kurbelwelle angeordnete zweite Riemenscheibe. Das ERM gewinnt die Energie von der Turbine für die Kurbelwelle über einen sich über die erste Riemenscheibe und die zweite Riemenscheibe erstreckenden Riemen zurück. Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung ist auch mit einer ECU ausgestattet, die die Last auf der Turbinenwelle durch Verbinden der ersten Riemenscheibe mit der Welle der Turbine über die elektromagnetische Kupplung einstellt, wenn festgestellt wird, dass die Rotation der Turbine übermäßig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
In der oben zitierten Patentveröffentlichung 1 wird die elektromagnetische Kupplung zum Abbruch der übermäßigen Rotation der Turbine befestigt, wenn festgestellt wird, dass die Rotation des Expanders (Turbine) übermäßig ist.
Patentveröffentlichung JP 2010-203284 A offenbart ebenfalls einen Rankine-Zyklus-Anlage gemäß dem Stand der Technik.
Dabei nimmt die Effizienz des Rankine-Zyklus mit zunehmender Reibung des Expanders ab. Daher wäre ein Verfahren zur Erkennung einer Zunahme der Expanderreibung wünschenswert. Der Stand der Technik kennt kein Verfahren zur Erkennung der Zunahme der Reibung eines Expanders.
Obwohl die Zunahme der Reibung mittels eines Drehmomentsensors wie z.B. eines Belastungssensors, erkennbar ist führt dieses Verfahren unweigerlich zu einer Vergrößerung des Expanders aufgrund des zusätzlichen Sensors, und es besteht die Möglichkeit eines Detektionsfehlers aufgrund großer Temperaturfehler.
Die vorliegende Erfindung wurde als Lösungsansatz für die vorgenannten Probleme entwickelt, und ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung bereitzustellen, die die Motorabwärme zurückgewinnt und eine Zunahme der Reibung des Expanders erkennen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung einen Rankine-Zyklus und einen Energieübertragungsmechanismus. Der Rankine-Zyklus umfasst einen Wärmetauscher, der die Abwärme eines Motors mittels eines Kühlmittels zurückgewinnt, einen Expander, der mithilfe des aus dem Wärmetauscher austretenden Kühlmittels Energie erzeugt, einen Kondensator, der das aus dem Expander austretende Kühlmittel kondensiert und eine Kühlmittelpumpe, die das aus dem Kondensator austretende Kühlmittel dem Wärmetauscher zuführt. Der Energieübertragungsmechanismus überträgt die vom Expander regenerierte Energie auf den Motor. Der Energieübertragungsmechanismus umfasst ein Verbindungs-/Trennelement, das die Übertragung der Energie vom Expander auf den Motor unterbricht oder ermöglicht. Der Expander umfasst einen Drehgeschwindigkeitsdetektor, der eine Drehgeschwindigkeit des Expanders erkennt. Die Abwärmerückgewinnungsvorrichtung umfasst ferner ein Mittel zur Erkennung einer Zunahme der Reibung, die eine Zunahme der Reibung des Expanders aufgrund einer Erhöhung der vom Drehgeschwindigkeitsdetektor erkannten Drehgeschwindigkeit des Expanders erkennt, wenn das Verbindungs-/Trennelement getrennt wird.
Eine Ausführungsform der der Erfindung sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines integrierten Zyklus nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist ein schematischer Querschnitt einer Expanderpumpe gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2B ist ein schematischer Querschnitt einer Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2C ist ein schematischer Querschnitt eines Expanders gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm des Funkionierens eines Ventils eines Kältekreislaufsgemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein schematisches Diagramm eines hybriden Fahrzeugs gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein schematisches Diagramm des hybriden Fahrzeugs gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von unten.
7A ist eine Merkmaltabelle eines Betriebsbereichs eines Rankine-Zyklus gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7B ist eine Merkmaltabelle eines Betriebsbereichs eines Rankine-Zyklus gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Zeitdiagramm eines Falls gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in dem sich das hybride Fahrzeug beschleunigt, während die Rotation einer Motor-Ausgangswelle vom Drehmoment eines Expanders unterstützt wird.
9 ist ein Zeitdiagramm des Neustartens des Rankine-Zyklus nach einem Betriebsabbruch gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine graphische Darstellung eines Vorgangs zur Erkennung einer Zunahme der Reibung des Expanders.
11 ist eine graphische Darstellung eines weiteren Beispiels des Vorgangs zur Erkennung einer Zunahme der Reibung des Expanders.

Beschreibung der Ausführungsformen
1 ist ein schematisches Diagramm einer gesamten Rankine-Zyklus-Anlage, auf der die vorliegende Erfindung basiert. In 1 teilt der Rankine-Zyklus 31 ein Kühlmittel und einen Kondensatur 38 mit einem Kältekreislauf 51. Ein Zyklus, der den Rankine-Zyklus 31 und den Kältekreislauf 51 integriert, wird nachfolgend als „integrierter Zyklus 30“ bezeichnet. 4 ist ein schematisches Diagramm eines hybriden Fahrzeugs 1, auf dem der integrierte Zyklus 30 montiert ist. Der integrierte Zyklus 30 ist das Gesamtsystem, insbesondere auch die Kühlwasser- und Abgaskreisläufe (Durchgänge), sowie Kreisläufe (Durchgänge), durch die das Kühlmittel zwischen dem Rankine-Zyklus 31 und dem Kältekreislauf 51 zirkuliert wird, sowie die in der Mitte der Kreisläufe angeordneten Bestandteile wie z.B. eine Pumpe, ein Expander und der Kondensator.
Im hybriden Fahrzeug 1 sind ein Motor 2, ein Motorgenerator 81 und ein Automatikgetriebe 82 reihengeschaltet. Der Ausgang des Automatikgetriebes 82 wird über eine Propellerwelle 83 und ein Differentialgetriebe 84 auf die Antriebsräder 85 übertragen. Zwischen dem Motor 2 und dem Motorgenerator 81 ist eine erste Antriebswellen-Kupplung 86 angeordnet. Einer der Schleifbefestiger des Automatikgetriebes 82 ist als zweite Antriebswellen-Kupplung 87 konfiguriert. Die erste Antriebswellen-Kupplung 86 und die zweite Antriebswellen-Kupplung 87 sind mit einer Motorregelung verbunden, und der Verbindungszustand der Kupplungen wird je nach Antriebszustand des hybriden Fahrzeugs gesteuert. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit im in 7B dargestellten hybriden Fahrzeug 1 in einem EV-Fahrtbereich liegt, in dem die Effizienz des Motors 2 niedrig ist, wird der Motor 2 gestoppt und die 1. Antriebswellen-Kupplung 86 wird getrennt, während die 2. Antriebswellen-Kupplung 87 verbunden ist. Das hybride Fahrzeug 1 wird also nur von der Antriebskraft des Motorgenerator 81 angetrieben. Verlässt die Fahrzeuggeschwindigkeit den EV-Fahrtbereich und geht in den Betriebsbereich des Rankine-Zyklus über, betreibt der Motor den Rankine-Zyklus 31 (wie weiter unten beschrieben wird). Der Motor 2 ist mit einem Abgasdurchgang 3 ausgestattet. Der Abgasdurchgang 3 umfasst einen Auspuffkrümmer 4 und ein mit einem konvergierenden Teil des Auspuffkrümmers 4 verbundenes Auspuffrohr 5. Das Auspuffrohr 5 verzweigt sich an einer Stelle zu einer Abgas-Bypassleitung 6. Das Auspuffrohr 5 ist an einer von der Bypassleitung 6 überbrückten Stellt mit einem Abwärmerückgewinnungsgerät 22 zum Wärmeaustausch zwischen dem Auspuff und dem Kühlwasser ausgestattet. Das Abwärmerückgewinnungsgerät 22 und die Bypassleitung 6 sind in eine Abwärmerückgewinnungseinheit 23 integriert, die zwischen einem weiter nachgeschalteten Fußbodenkatalysator 88 und Unterschalldämpfer 89 angeordnet, wie in 6 dargestellt.
Ein Kühlwasserkreislauf eines Motors wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das Kühlwasser tritt bei einer Temperatur von etwa 80 bis 90 °C aus dem Motor 2 aus und fließt getrennt in einen durch einen Heizkörper 11 verlaufenden Kühlwasserdurchgang 13 sowie eine Kühlwasser-Bypassleitung 14, die den Heizkörper 11 überbrückt. Danach fließen die beiden Strömungen in einem Thermostatventil 15 zusammen, das die Zuteilung des Volumens des durch die Durchgänge 13 und 14 fließenden Kühlwassers bestimmt. Die kombinierte Strömung kehrt dann über eine Kühlwasserpumpe 16 zum Motor zurück. Die Kühlwasserpumpe 16 wird vom Motor 2 angetrieben, während die Rotationsgeschwindigkeit der Kühlwasserpumpe 16 mit der Rotationsgeschwindigkeit des Motors synchronisiert wird. Ist die Kühlwassertemperatur hoch, wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 15 auf der Seite des Kühlwasserdurchgangs 13 erhöht, um die durch den Heizkörper 11 fließende Menge an Kühlwasser relativ zu erhöhen. Ist die Kühlwassertemperatur niedrig, wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 15 auf der Seite des Kühlwasserdurchgangs 13 gesenkt, um die durch den Heizkörper 11 fließende Menge an Kühlwasser relativ zu reduzieren. Ist die Kühlwassertemperatur besonders niedrig, z.B. vor der Aufwärmung des Motors 2, wird der Heizkörper 11 völlig umgangen, damit die ganze Menge an Kühlwasser auf der Seite der Kühlwasser-Bypassleitung 14 fließen kann. Dabei wird das Ventil auf der Seite der Kühlwasser-Bypassleitung 14 nie vollständig geschlossen. Wird die Durchflussmenge des im Heizkörper 11 fließenden Kühlwassers erhöht, wird die Durchflussmenge des in der Bypassleitung 14 fließenden Kühlwassers gegenüber dem Fall, in dem die ganze Menge an Kühlwasser auf der Seite der Bypassleitung 14 fließt, gesenkt. Das Thermostatventil ist jedoch derart konfiguriert, dass der Durchfluss in der Bypassleitung 14 nie vollständig gestoppt wird. Die Bypassleitung 14, die den Heizkörper 11 umgeht, umfasst eine erste Kühlwasser-Bypassleitung 24, die sich vom Kühlwasserdurchgang 13 abzeigt und direkt mit einem Wärmetauscher 36 verbunden ist, der nachfolgend beschrieben wird. Die Bypassleitung 14 umfasst ferner eine zweite Kühlwasser-Bypassleitung 25, die sich vom Kühlwasserdurchgang 13 abzeigt und über das Abwärmerückgewinnungsgerät 22 mit dem Wärmetauscher 36 verbunden ist.
Die Bypassleitung 14 ist mit dem Wärmertauscher 36 ausgestattet. Der Wärmetauscher 36 tauscht Wärme zwischen dem Kühlwasser und dem Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 aus. Der Wärmetauscher 36 integriert einen Verdampfer und einen Überhitzer. Im Wärmetauscher 36 sind zwei Kühlwasserdurchgänge 36a und 36b im Wesentlichen reihengeschaltet. Ein Kühlmitteldurchgang 36c, in dem das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 fließt, ist neben den Kühlwasserdurchgängen angeordnet, damit Kühlmittel und Kühlwasser Wärme austauschen können. Die Durchgänge 36a, 36b und 36c sind derart konfiguriert, dass, wenn der Wärmetauscher 36 insgesamt von oben betrachtet wird, die Fließrichtungen des Kühlmittels des Rankine-Zyklus 31 und des Kühlwassers einander entgegengesetzt sind.
Im Einzelnen ist einer der auf der vorgeschalteten Seite (links in 1) für das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 angeordneten Kühlwasserdurchgänge im Wege der ersten Bypassleitung 24 angeordnet. Der linke Teil des Wärmetauschers, insbesondere auch der Kühlwasserdurchgang 36a und ein Abschnitt eines Kühlmitteldurchgangs neben dem Kühlwasserdurchgang, ist der Verdampfer. Der Verdampfer wärmt das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31, das im Kühlmitteldurchgang 36c fließt, indem das aus dem Motor 2 austretende Kühlasser direkt in den Kühlwasserdurchgang 36a eingeführt wird.
In den anderen Kühlwasserdurchgang 36b, der auf der nachgeschalteten Seite (rechts in 1) für das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 angeordnet ist, wird das durch das Abwärmerückgewinnungsgerät 22 über die zweite Bypassleitung 25 fließende Kühlwasser eingeführt. Der rechte Teil des Wärmetauschers (die nachgeschaltete Seite für das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31), insbesondere auch der Kühlwasserdurchgang 36b und der Abschnitt des Kühlmitteldurchgangs neben dem Kühlwasserdurchgang 36b, ist der Überhitzer. Mit dem Überhitzer wird das durch den Kühlmitteldurchgang 36c fließende Kühlmittel überhitzt, indem das Kühlwasser an der Auslaßöffnung des Motors 2, das vom Abgas noch zusätzlich gewärmt wird, in den Kühlwasserdurchgang 36b eingeführt wird.
Der Kühlwasserdurchgang 22a des Abwärmerückgewinnungsgerät 22 ist neben dem Auspuffrohr 5 angeordnet. Indem das Kühlwasser an der Auslaßöffnung des Motors 2 in den Kühlwasserdurchgang 22a des Abwärmerückgewinnungsgerät 22 eingeführt wird, kann das Kühlwasser auf Temperaturen von etwa 110 - 115 °C z.B. durch das hochgradig gewärmte Abgas geheizt werden. Der Kühlwasserdurchgang 22a ist derart konfiguriert, dass, wenn der Wärmetauscher 22 insgesamt von oben betrachtet wird, die Fließrichtungen des Abgases und des Kühlwassers einander entgegengesetzt sind.
Im Weg der 2. Bypassleitung 25, die mit dem Abwärmerückgewinnungsgerät 22 ausgestattet ist, ist ein Regelventil 26 angeordnet. Wie weiter unten beschrieben wird, wenn die von einem Kühlwasser-Temperatursensor 74 an der Auslaßöffnung des Motors erkannte Temperatur mindestens einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wird der Öffnungsgrad des Regelventils 26 reduziert. Dadurch wird verhindert, dass die Motorwassertemperatur, die die Temperatur des Kühlwassers im Motor 2 erkennen lässt, eine zulässige Höchsttemperatur (z.B. 100 °C) übersteigt, um eine Verschlechterung der Effizienz oder Klopfen des Motors 2 zu vermeiden. Nähert sich die Motorwassertemperatur dem zulässigen Grenzwert, wird die durch das Abwärmerückgewinnungsgerät 22 fließende Menge an Kühlwasser gesenkt, damit auf zuverlässige Weise verhindert werden kann, dass die Motorwassertemperatur einen zulässigen Grenzwert übersteigt.
Wenn andererseits aufgrund einer Abnahme der Durchflussmenge in der 2. Bypassleitung 25 die Temperatur des Kühlwassers vom Abwärmerückgewinnungsgerät 22 übermäßig erhöht und verdampft (gekocht) wird, wird die Kühlwasserströmung im Kühlwasserdurchgang negativ beeinflusst, und die Temperaturen der Bestandteile können zu hoch werden. Um dies zu vermeiden ist die Abgas-Bypassleitung 6 zur Umgehung des Abwärmerückgewinnungsgerät 22 vorgesehen. Ein Thermostatventil 7 zur Steuerung der Durchflussmenge an Abgas durch das Abwärmerückgewinnungsgerät 22 und die Durchflussmenge an Abgas durch die Abgas-Bypassleitung 6 ist am abgezweigten Teil der Bypassleitung 6 angeordnet. Der Öffnungsgrad des Thermostatventils 7 wird aufgrund der Temperatur des aus dem Abwärmerückgewinnungsgerät 22 austretenden Kühlwassers geregelt, damit die Temperatur des aus dem Abwärmerückgewinnungsgerät 22 austretenden Kühlwassers einen vorbestimmten Grenzwert (z.B. eine Siedetemperatur von 120 °C) nicht übersteigt.
Wärmetauscher 36, Thermostatventil 7 und Abwärmerückgewinnungsgerät 22 sind als Abwärmerückgewinnungseinheit 23 miteinander integriert, die in der Mitte des Auspuffrohrs unter dem Fußboden im Wesentlichen im Mittelpunkt der Breite des Fahrzeugs angeordnet ist.
Wird die Temperatur des von der Bypassleitung 14 auf das Thermostatventil 15 zufließende z.B. vom Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 im Wärmetauscher 36 hinreichend reduziert, wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 15 auf der Seite des Kühlwasserdurchgangs 13 reduziert. Auf diese Weise wird die Menge an Kühlwasser, die durch den Heizkörper 11 fließt, relativ gesenkt. Wird im umgekehrten Sinne die Temperatur des von der Bypassleitung 14 auf das Thermostatventil 15 zufließende z.B. infolge des Nichtfunktionierens des Rankine-Zyklus 31 im Wärmetauscher 31 erhöht, wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 15 auf der Seite des Kühlwasserdurchgangs 13 erhöht. Folglich wird die Menge an Kühlwasser, die durch den Heizkörper 11 fließt, relativ erhöht. Aufgrund dieses Vorgangs des Thermostatventils 15 wird die Temperatur des Kühlwassers des Motors 2 entsprechend aufrechterhalten, während dem Rankine-Zyklus 31 eine entsprechende Wärmemenge zugeführt (zurückgewonnen) wird.
Anschließend wird der Rankine-Zyklus 31 beschrieben. Der Rankine-Zyklus 31 ist kein einfacher Rankine-Zyklus, sondern ist als Teil des integrierten Zyklus 30 konfiguriert, zu dem der Kältekreislauf 51 gehört. Nachfolgend wird zunächst der Rankine-Zyklus 31 als Grundlage, und danach der Kältekreislauf beschrieben.
Der Rankine-Zyklus 31 ist ein System zur Rückgewinnung der Abwärme des Motors 2 mit dem Kühlmittel über das Kühlwasser des Motors 2 sowie zur Regeneration der zurückgewonnenen Abwärme als Energie. Der Rankine-Zyklus 31 ist mit einer Kühlmittelpumpe 32, dem Wärmetauscher 36 als Überhitzer, einem Expander 37 und dem Kondensator 38 ausgestattet. Die jeweiligen Bestandteile sind über Kühlmitteldurchgänge 41 bis 44 miteinander verbunden, in denen das Kühlmittel (z.B. R134a) zirkuliert wird.
Die Welle der Kühlmittelpumpe 32 ist koaxial mit der Ausgangswelle des Expanders 37 verbunden. Die Kühlmittelpumpe 32 wird vom Ausgang (Energie) des Expanders 37 angetrieben, während die erzeugte Energie der Ausgangswelle (Kurbelwelle) des Motors 2 zugeführt wird (siehe 2A). Die Welle der Kühlmittelpumpe 32 und die Ausgangswelle des Expanders 37 sind mit der Ausgangswelle des Motors 2 parallel geschaltet, wobei sich ein Riemen 34 zwischen einer Pumpenscheibe 33 am Ende der Welle der Kühlmittelpumpe 32 und einer Kurbelscheibe 2a erstreckt (siehe 1). Gemäß dieser Ausführungsform ist die Pumpe 32 eine Zahnradpumpe, und der Expander 37 ist ein Rollexpander (2B und 2C). Der Expander 37 ist mit einem Rotationsgeschwindigkeitssensor 37a zur Erkennung der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders, d.h. der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37.
Zwischen der Pumpenscheibe 33 und der Kühlmittelpumpe 32 ist eine elektromagnetische Kupplung („Expanderkupplung“) 35 angeordnet, um zu ermöglichen, dass die Pumpe 32 und der Expander 37 mit dem Motor 2 verbunden und davon getrennt werden (siehe 2A). Übersteigt der Ausgang des Expanders 37 die Antriebskraft der Pumpe 32 und die Reibung des Drehkörpers (d.h. wenn ein vorausgesagtes Drehmoment des Expanders positiv ist), wird die Expanderkupplung 35 verbunden, um die Rotation der Motor-Ausgangswelle mit dem Ausgang des Expanders 37 zu unterstützen. Dadurch, dass die Rotation der Motor-Ausgangswelle mit der durch Abwärmerückgewinnung erzeugten Energie unterstützt wird, kann die Kraftstoffeffizienz verbessert werden. Die Antriebsenergie der Pumpe 32 zur Zirkulation des Kühlmittels kann auch von der zurückgewonnenen Abwärme bereitgestellt werden. Die Expanderkupplung 35 kann an einer beliebigen Stelle in der Mitte des Energieübertragungswegs vom Motor 2 zur Pumpe 32 und dem Expander 37.
Das Kühlmittel aus der Pumpe 32 wird dem Wärmetauscher 36 über den Kühlmitteldurchgang 41 zugeführt. Der Wärmetauscher 36 ist ein Wärmetauscher zum Austauschen von Wärme zwischen dem Kühlwasser des Motors 2 und dem Kühlmittel sowie zum Verdampfen und Überhitzen des Kühlmittels.
Das Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 36 wird dem Expander 37 über den Kühlmitteldurchgang 42 zugeführt. Der Expander 37 ist eine Dampfturbine, die Wärme in Rotationsenergie durch Erweiterung des verdampften und überhitzten Kühlmittels umwandelt. Die vom Expander 37 zurückgewonnenene Energie wird zum Antrieb der Pumpe 32 verwendet, sie wird auch über den Riemenübertragungsmechanismus dem Motor 2 zugeführt, um die Rotation des Motors 2 zu unterstützen.
Das Kühlmittel aus dem Expander 37 wird dem Kondensator 38 über den Kühlmitteldurchgang 43 zugeführt. Der Kondensator 38 ist ein Wärmetauscher, der die Wärme zwischen der Umgebungsluft und dem Kühlmittel austauscht, um das Kühlmittel zu kühlen und zu verflüssigen. Der Kondensator 38 ist mit dem Heizkörper 11 parallelgeschaltet und wird von einem Kühlerlüfter 12 gekühlt.
Das vom Kondensator 38 verflüssigte Kühlmittel wird über den Kühlmitteldurchgang 44 wieder der Pumpe 32 zugeführt. Das zur Pumpe 32 zurückgeführte Kühlmittel wird durch die Pumpe 32 dem Wärmetauscher 36 wieder zugeführt und durch die Bestandteile des Rankine-Zyklus 31 zirkuliert.
Anschließend wird der Kältekreislauf 51 beschrieben. Der Kältekreislauf 51 ist mit dem Rankine-Zyklus 31 integriert, um das im Rankine-Zyklus 31 zirkulierte Kühlmittel zu teilen. Die Konfiguration des Kältekreislaufs 51 selbst ist einfach. Der Kältekreislauf 51 ist mit einem Kompressor 52, dem Kondensator 38 und einem Verdampfer 55 ausgestattet.
Der Kompressor 52 ist eine Strömungsmaschine zum Komprimieren des Kühlmittels im Kältekreislauf 51 auf hohe Temperatur und Druck, und wird vom Motor 2 angetrieben. Wie auch in 4 gezeigt wird, ist eine Kompressorscheibe 53 auf der Antriebswelle des Kompressors 52 befestigt, und der Riemen 34 erstreckt sich über die Kompressorscheibe 53 und die Kurbelscheibe 2a. Die Antriebskraft des Motors 2 wird über den Riemen 34 auf die Kompressorscheibe 53 übertragen, um den Kompressor 52 anzutreiben. Zwischen der Kompressorscheibe 53 und dem Kompressor 52 ist eine elektromagnetische Kupplung („Kompressorkupplung“) 54 angeordnet, um die Verbindung und Trennung des Kompressors 52 und der Kompressorscheibe 53 zu ermöglichen.
In der 1 fließt das Kühlmittel aus dem Kompressor 52 über einen Kühlmitteldurchgang 56 in den Kühlmitteldurchgang 43 und wird dann dem Kondensator 38 zugeführt. Der Kondensator 38 ist ein Wärmetauscher, der das Kühlmittel durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft kondensiert und verflüssigt. Das flüssige Kühlmittel aus dem Kondensator 38 wird über den vom Kühlmitteldurchgang 44 abgezweigten Kühlmitteldurchgang 57 dem Verdampfer 55 zugeführt. Der Verdampfer 55 ist innerhalb desselben Gehäuses einer Klimaanlage angeordnet, in der eine nicht dargestellte Heizvorrichtung angeordnet ist. Der Verdampfer 55 ist ein Wärmetauscher zum Kühlen der klimatisierten Luft aus einem Gebläse mit der durch Verdampfen des flüssigen Kühlmittels aus dem Kondensator 38 erzeugten latenten Verdunstungswärme.
Das vom Verdampfer 55 verdampfte Kühlmittel wird über den Kühlmitteldurchgang 58 wieder dem Kompressor 52 zugeführt. Ein Mischverhältnis der vom Verdampfer 55 gekühlten klimatisierten Luft und der von der Heizvorrichtung gewärmten klimatisierten Luft wird je nach Öffnungsgrad einer Luftmischtür modifiziert, damit eine vom Fahrer eingestellte Temperatur erreicht werden kann.
Der Verdampfer 55, ein den Kondensator 38 mit dem Verdampfer 55 verbindender Teil des Kühlmitteldurchgangs 44, und der Kühlmitteldurchgang 57 sind an höheren Stellen angeordnet als die Einlaßöffnung der Pumpe 32. Der Kühlmitteldurchgang 44 zweigt sich von einem Verzweigungspunkt 54 des Kältekreislaufs ab und ist mit dem Kühlmitteldurchgang 57 verbunden.
Der integrierte Zyklus 30, zu dem der Rankine-Zyklus 31 und der Kältekreislauf 51 gehört, ist nach Bedarf in der Mitte des Kreislaufs mit verschiedenen Ventilen versehen, um das im Kreislauf fließende Kühlmittel zu steuern. Beispielsweise ist der Kühlmitteldurchgang 44, der den Verzweigungspunkt 45 und die Pumpe 32 verbindet, mit einem vorgeschalteten Ventil 61 versehen, um das im Rankine-Zyklus 31 zirkulierte Kühlmittel zu steuern. Der Kühlmitteldurchgang 42, der den Wärmetauscher 36 und den Expander 37 verbindet, ist mit einem vorgeschalteten Ventil 62 versehen. Der Kühlmitteldurchgang 42, der die Kühlmittelpumpe 32 und den Wärmetauscher verbindet, ist mit einem Rückventil 36 versehen, um den Rückfluss des Kühlmittels vom Wärmetauscher 36 zur Pumpe 32 zu verhindern. Der Kühlmitteldurchgang 43, der den Expander 37 und einen Verzweigungspunkt 46 verbindet, ist mit einem Rückventil 64 versehen, um den Rückfluss des Kühlmittels vom Verzweigungspunkt 46 zum Expander 37 zu verhindern. Eine dem vorgeschalteten Ventil 62 vorgeschaltete Expander-Bypassleitung 65 umgeht den Expander und verbindet sich mit der dem Rückventil 64 vorgeschalteten Leitung. Die Bypassleitung 65 ist mit einem Bypassventil 66 ausgestattet. Das Bypassventil 66 wird von einem Durchgang 67 umgangen, der mit einem Druckeinstellventil 68 versehen ist. Außerdem ist der Kühlmitteldurchgang 57, der den Verzweigungspunkt 45 und den Verdampfer 55 verbindet, auf der Seite des Kältekreislaufs 51 mit einem Klimatisierungskreislaufventil 69 ausgestattet.
Die vorgenannten vier Ventile 61, 62, 66 und 69 sind alle elektromagnetische Auf-/Zu-Ventile. Ein vom Drucksensor 72 erkanntes Signal des dem Expander vorgeschalteten Drucks, ein Signal eines an der Auslaßöffnung des Kondensators vom Drucksensor 73 erkannten Kühlmitteldrucks Pd, ein vom Rotationsgeschwindigkeitssensor 37a erkanntes Rotationsgeschwindigkeits-Erkennungssignal des Expanders, usw. werden alle in die Motorregelung 71 eingegeben. Die Motorregelung 37 steuert den Kompressor 52 des Kältekreislaufs 51 und den Kühlerlüfter 12 auf der Grundlage eines vorbestimmten Antriebszustandes sowie der jeweiligen Eingangssignale, und steuert dabei auch die Öffnung und Schließung der vorgenannten elektromagnetischen Auf-/Zu-Ventile 61, 62, 66 und 69.
Beispielsweise prognostiziert die Motorregelung 71 ein Expanderdrehmoment (Regenerationsenergie) auf der Grundlage des vom Druckschalter 72 erkannten vorgeschalteten Expanderdrucks und der vom Sensor 37a erkannten Rotationsgeschwindigkeit des Expanders. Ist das prognostizierte Expanderdrehmoment positiv (d.h. wenn die Rotation der Motor-Ausgangswelle unterstützt werden kann), veranlasst die Motorregelung 71 die Befestigung der Expanderkupplung 35. Ist das prognostizierte Expanderdrehmoment gleich Null oder negativ, veranlasst die Motorregelung 71 die Freisetzung der Expanderkupplung 35. Auf der Grundlage des vom Sensor erkannten Drucks und der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders kann das Expanderdrehmoment mit größerer Genauigkeit prognostiziert werden, als wenn das Expanderdrehmoment (Regenerationsenergie) aufgrund der Abgastemperatur prognostiziert wird. Also kann die Expanderkupplung 35 je nach dem Erzeugungszustand des Expanderdrehmoments befestigt oder freigegeben werden (näher siehe JP 2010-190185 A ).
Die vorgenannten vier Auf-/Zu-Ventile 61, 62, 66 und 69 sowie die beiden Rückventile 63 und 64 sind Ventile des Kühlmittelsystems. Die Funktionen dieser Ventile werden noch einmal in 3 dargestellt.
In 3 ist das vorgeschaltete Ventil 61 an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 angeordnet. Das Ventil 61 wird unter einer vorbestimmten Bedingung geschlossen, so dass das Kühlmittel dazu neigt, im Kreislauf des Rankine-Zyklus 31 im Vergleich mit dem des Kältekreislaufs 51 ungleichmäßig vorzuliegen. Hierdurch soll eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels (insbesondere auch eines dazugehörigen Gleitmittels) in Bezug auf den Rankine-Zyklus 31 verhindert werden. Im Einzelnen, wie nachfolgend beschrieben wird, schließt das Ventil 61 den Kreislauf des Rankine-Zyklus 31 im Zusammenwirken mit dem Expander 37 nachgeschalteten Rückventil 64. Das Ventil 62 ist derart konfiguriert, dass es den Kühlmitteldurchgang 42 schließt, wenn der Kühlmitteldruck aus dem Wärmetauscher 36 relativ niedrig ist, und dass der Durchgang 42 geschlossen bleibt, bis das Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 36 einen hohen Druck aufweist. Selbst wenn ein hinreichendes Expanderdrehmoment nicht erreichbar ist, kann also die Heizung des Kühlmittels gefördert werden, und die Dauer vor dem Neustart des Rankine-Zyklus 31 (d.h. bevor die Regeneration tatsächlich möglich wird), kann z.B. verkürzt werden. Wenn z.B. die zu Beginn des Rankine-Zyklus 31 auf der Seite des Rankine-Zyklus vorliegende Menge an Kühlmittel nicht ausreicht, wird das Bypassventil 66 eröffnet, um die Pumpe 32 zu aktivieren, während der Expander 37 umgangen wird. Also verkürzt das Bypassventil 66 die Startzeit des Rankine-Zyklus 31. Wenn die Kühlmitteltemperatur an der Auslaßöffnung des Kondensators 38 oder der Einlaßöffnung der Pumpe 32 durch Aktivieren der Pumpe 32 unter Umgehung des Expanders 37 von einem von dem in dem Abschnitt vorliegenden Siedepunkt mindestens um einen vorbestimmten Druckunterschied (Unterkühlungsgrad SC) absinkt, kann der Rankine-Zyklus 31 hinreichend mit flüssigem Kühlmittel versorgt werden.
Das dem Wärmetauscher 36 vorgeschaltete Rückventil 63 hält das dem Expander 37 zugeführte Kühlmittel im Zusammenwirken mit dem Bypassventil 66, dem Druckeinstellventil 68 und dem vorgeschalteten Ventil 62 bei hohem Druck. Wenn die Regenerationseffizienz des Rankine-Zyklus niedrig ist, wird der Betrieb des Rankine-Zyklus eingestellt und der Kreislauf wird über den Abschnitt des Wärmetauschers geschlossen. Also wird während des Stopps der Kühlmitteldruck derart erhöht, dass der Rankine-Zyklus mit dem Hochdruck-Kühlmittel schnell neu gestartet werden kann. Das Druckeinstellventil 68 fungiert als Entlastungsventil zur Freigabe des Kühlmittels, wenn der Druck des dem Expander 37 zugeführten Kühlmittels zu hoch ist.
Das dem Expander 37 nachgeschaltete Rückventil 64 soll im Zusammenwirken mit dem vorgeschalteten Ventil 61 eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in Richtung des Rankine-Zyklus 31 verhindern. Gleich nach dem Start des hybriden Fahrzeugs 1 kann die Temperatur des Rankine-Zyklus 31 die des Kältekreislaufs 51 untersteigen, wenn der Motor 2 noch nicht aufgewärmt ist. Folglich kann das Kühlmittel auf der Seite des Rankine-Zyklus 31 ungleichmäßig verteilt sein. Die Wahrscheinlichkeit einer ungleichmäßigen Verteilung in Richtung des Rankine-Zyklus 31 ist nicht so hoch. Gleich nach dem Start des Fahrzeugs im Sommer z.B. muss das Fahrzeuginnnere jedoch schnell gekühlt werden, weshalb die höchste Kühlleistung erforderlich ist. In diesem Fall muss der Kältekreislauf 51 dadurch mit Kühlmittel versorgt werden, dass selbst eine geringfügig ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels behoben wird. Also ist das Rückventil 64 vorgesehen, um die ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in Richtung des Rankine-Zyklus 31 zu verhindern.
Der Kompressor 52 ist derart konfiguriert, dass eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in Richtung des Kältekreislaufs 51 im Zusammenwirken mit dem Ventil 69 verhindert wird, statt derart strukturiert zu sein, dass das Kühlmittel im deaktivierten Zustand frei fließen kann, wie weiter unten beschrieben wird. Wird der Betrieb des Kältekreislaufs 51 eingestellt, kann sich das Kühlmittel vom stabil betriebenen Rankine-Zyklus 31 bei relativ hoher Temperatur hin zum Kältekreislauf 51 bewegen, was zu einem Kühlmittelmangel im Rankine-Zyklus 31 führt. Im Kältekreislauf 51 ist die Temperatur des Verdampfers 55 niedrig, gleich nachdem das Kühlen eingestellt wird, so dass das Kühlmittel dazu neigt, sich im Verdampfer 55 in relativ hohem Volumen und bei hoher Temperatur anzusammeln. In diesem Fall wird die Bewegung des Kühlmittels vom Kondensator 38 hin zum Verdampfer 55 durch Deaktivieren des Kompressors 52 blockiert, während das Ventil 69 geschlossene ist. Auf diese Weise wird eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels in Richtung des Kältekreislaufs 51 verhindert.
5 ist eine schematische perspektivische Ansicht des Motors 2 insgesamt. In 5 ist der Wärmetauscher 36 charakteristisch vertikal oberhalb des Auspuffkrümmers 4 angeordnet. Ist der Wärmetauscher 36 vertikal oberhalb des Auspuffkrümmers 4 angeordnet, wird die Montierbarkeit des Rankine-Zyklus 31 auf den Motor 2 verbessert. Der Motor 2 ist mit einer Spannungsrolle 8 ausgestattet.
Anschließend werden die Grundzüge des Betriebs des Rankine-Zyklus 31 unter Bezugnahme auf 7A und 7B beschrieben.
7A und 7B sind Diagramme der Betriebsbereiche des Rankine-Zyklus 31. 7A zeigt den Betriebsbereich des Rankine-Zyklus, wobei die horizontale Achse die Temperatur der Umgebungsluft und die vertikale Achse die Temperatur des Motorwassers (Kühlwassertemperatur) zeigt. 7B zeigt den Betriebsbereich des Rankine-Zyklus 31, wobei die horizontale Achse die Rotationsgeschwindigkeit des Motors und die vertikale Achse das Drehmoment des Motors (Motorbelastung) zeigt.
In jeder der 7A und 7B wird der Rankine-Zyklus 31 betrieben, wenn eine vorbestimmte Bedingung erfüllt wird. Also wird der Rankine-Zyklus 31 betrieben, wenn beide Bedingungen erfüllt sind. In 7A wird der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 in einem niedrigen Wassertemperaturbereich eingestellt, in dem die Aufwärmung des Motors 2 den Vorrang hat, sowie in einem hohen Umgebungstemperaturbereich, in dem die Belastung des Kompressors 52 erhöht wird. Ist die Abgastemperatur niedrig und die Rückgewinnungseffizienz schlecht, wird der Rankine-Zyklus 31 nicht betrieben, um die Temperatur des Kühlwassers schnell zu erhöhen. Ist die Außenlufttemperatur hoch und wird eine hohe Kühlleistung benötigt, wird der Rankine-Zyklus 31 gestoppt, damit genug Kühlmittel und Kühlkapazität des Kondensators 38 dem Kältekreislauf 51 zugeführt werden können. Da in 7B das Fahrzeug ein hybrides Fahrzeug ist, wird der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 in einem EV-Fahrtbereich sowie in einem hohen Rotationsgeschwindigkeitsbereich, in denen die Reibung des Expanders 37 erhöht wird. Es ist schwierig, den Expander 37 mit einer hoch effizienten Struktur zu versehen, damit bei allen Drehzahlen die Reibung gering bleibt. Im Fall der 7 ist der Expander also (mittels der Dimensionierung usw. der verschiedenen Expanderteile) derart konfiguriert, dass eine geringe Reibung und eine hohe Effizienz in einem Rotationsgeschwindigkeitsbereich des Motors erreichbar sind, in denen die Betriebsfrequenz hoch ist.
8 ist ein Zeitdiagramm eines Modells des Falls, in dem sich das hybride Fahrzeug 1 beschleunigt, während die Rotation einer Motor-Ausgangswelle vom Drehmoment eines Expanders unterstützt wird. Rechts der 8 wird der resultierende Übergang des Betriebszustandes des Expanders 37 in einer Expander-Drehmoment-Tabelle veranschaulicht. In den von den Höhenlinien in der Drehmomenttabelle geteilten Bereichen, wo (oben links) die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders niedrig und der vorgeschaltete Expanderdruck hoch ist, ist das Drehmoment des Expanders am höchsten. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders und je niedriger der vorgeschaltete Druck des Expanders (unten rechts), desto geringer wird tendenziell das Drehmoment des Expanders. V.a. die schraffierten Bereiche sind Bereiche, in denen das Drehmoment des Expanders negativ wird und die Belastung des Motors erhöht, vorausgesetzt, dass die Kühlmittelpumpe angetrieben wird.
Bis der Fahrer bei t1 das Gaspedal tätigt, wird weiterhin bei konstanter Geschwindigkeit gefahren, wobei der Expander 37 ein positives Drehmoment erzeugt und die Rotation der Motor-Ausgangswelle mit dem Drehmoment des Expanders unterstützt wird.
Nach t1 steigt die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37, d.h. die Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe 32, im Verhältnis zur Rotationsgeschwindigkeit des Motors. Ein Anstieg der Abgas- oder Kühlwassertemperatur bleibt jedoch hinter der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Motors zurück. Also sinkt das Verhältnis der Menge an zurückgewinnbarer Geschwindigkeit zur Kühlmittelmenge im Verhältnis zur Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit der Pumpe 32.
Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit des Expanders nehmen also der dem Expander vorgeschaltete Kühlmitteldruck und das Drehmoment des Expanders ab.
Mit der Abnahme des Drehmoments des Expanders werden Expander 37 und Pumpe 32 von der Antriebskraft des Motors angetrieben, wodurch die Motorbelastung erhöht wird. Wenn also das Drehmoment des Expanders einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, wird die Expanderkupplung 35 getrennt, um einen Widerstand des Expanders 37 (bei dem der Expander vom Motor gedreht wird, wodurch die Motorbelastung erhöht wird) zu vermeiden.
In 8 ist das vorgeschaltete Expanderventil 62 zum Zeitpunkt t2 geschlossen, bevor bei t3 die Expanderkupplung 35 getrennt wird. Zum Zeitpunkt t3 besteht kaum ein Unterschied zwischen dem Expander vor- und nachgeschalteten Druck. Durch Schließen des Ventils 62 vor dem Trennen der Expanderkupplung 35 kann der Druck des dem Expander vorgeschalteten Kühlmittels (d.h. des in den Expander hineinfließenden Kühlmittels) hinreichend reduziert werden, wodurch eine übermäßige Rotation des Expanders 37 bei der Trennung der Kupplung 35 vermieden werden kann.
Nach t3 wird der vorgeschaltete Expanderdruck infolge der Zunahme der vom Motor 2 abgeleiteten Wärmemenge wieder erhöht. Nach dem Zeitpunkt t4 wechselt das Ventil 62 vom geschlossenen in den geöffneten Zustand, wodurch die Zufuhr des Kühlmittels zum Expander 37 wieder aufgenommen wird. Bei t4 wird die Kupplung 35 außerdem wieder verbunden, wodurch die Unterstützung der Motor-Ausgangswelle durch das Drehmoment des Expanders wieder aufgenommen wird.
9 ist ein Zeitdiagramm eines Modells, bei dem der Rankine-Zyklus ab dem Betriebsabbruch auf eine andere Weise neu gestartet wird, als in 8 (Steuerung von t4) dargestellt wird, wobei das Ventil 62 geschlossen und die Expanderkupplung 35 getrennt ist.
Tätigt der Fahrer das Gaspedal zum Zeitpunkt t11, wird der Öffnungsgrad des Gaspedals erhöht. Nach t11 wird der Betrieb des Rankine-Zyklus eingestellt. Also wird das Drehmoment des Expanders gleich Null gehalten.
Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit ab t11 nimmt auch die vom Motor 2 abgeleitete Wärmemenge zu. Infolge der Zunahme der abgeleiteten Wärmemenge steigt die Temperatur des in den Wärmetauscher 36 hineinfließenden Kühlwassers, wodurch die Temperatur des Kühlmittels im Wärmetauscher 36 erhöht wird. Da das Ventil 62 geschlossen ist, wird der Kühlmitteldruck im dem Ventil 62 vorgeschalteten Bereich, d.h. der dem Expander vorgeschaltete Druck, aufgrund des vom Wärmetauscher 36 verursachten Anstiegs der Kühlmitteltemperatur (t 11 zu t12) erhöht.
Infolge des veränderten Betriebszustandes wechselt der Betriebsbereich vom Nicht-Rankine-Zyklus- zum Rankine-Zyklus-Betriebsbereich. Wenn das Ventil 62 in den geöffneten Zustand geschaltet wird, und die Expanderkupplung 35 vom getrennten unmittelbar zum verbundenen Zustand geschaltet wird, um den Expander 37 mit der Motor-Ausgangswelle beim Übergang in den Rankine-Zyklus-Betriebsbereich zu verbinden, erhöht der Expander 37 die Belastung des Motors 2, was zu einem Drehmomentstoß führt.
In 9 wird das Ventil 62 nicht unmittelbar vom geschlossenen zum geöffneten Zustand geschaltet, wenn in den Rankine-Zyklus-Betriebsbereich gewechselt wird. Insbesondere bleibt das Ventil 62 selbst nach dem Übergang in den Rankine-Zyklus-Betriebsbereich geschlossen.
Mit zunehmendem Differentialdruck zwischen dem Expander vor- und nachgeschalteten Druck, der zum Zeitpunkt t12 einen vorbestimmten Wert erreicht, wird festgestellt, dass der Expander 37 betrieben (angetrieben) werden kann, woraufhin das Ventil 62 vom geschlossenen in den geöffneten Zustand geschaltet wird. Wenn das Ventil 62 in den geöffneten Zustand gebracht wird, wird das Kühlmittel bei einem vorbestimmten Druck dem Expander 37 zugeführt, wobei die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders schnell ab Null zunimmt.
Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit des Expanders, die bei t13 die Rotationsgeschwindigkeit des Motors erreicht, geht die Expanderkupplung 35 vom getrennten zum verbundenen Zustand über. Wird die Expanderkupplung 35 verbunden, bevor die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders hinreichend erhöht worden ist, erhöht der Expander 37 die Motorbelastung, was zu einem Drehmomentstoß führen kann. Durch Verbinden der Expanderkupplung 35 bei t13, wenn der Rotationsgeschwindigkeitsunterschied von der Motor-Ausgangswelle entfällt, kann verhindert werden, dass der Expander 37 die Motorbelastung erhöht und das es zu einem Drehmomentstoß kommt, indem die Expanderkupplung 35 befestigt wird.
Als nächstes wird die Erkennung einer Zunahme der Reibung des Expanders 37 beschrieben.
Wird die Rotationsreibung des Expanders 37 erhöht, wird die Rotation des Expanders 37 gestört und die Effizienz des Rankine-Zyklus 31 gesenkt. Also wird eine Zunahme der Reibung des Expanders 37 nach dem nachfolgenden Verfahren erkannt.
10 ist eine graphische Darstellung eines Vorgangs zur Ermittlung, ob die Reibung des Expanders 37 zugenommen hat.
Befindet sich der Rankine-Zyklus 31 im Rankine-Zyklus-Betriebsbereich, gibt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 frei und eröffnet das Bypassventil 66, um die freie Rotation des Expanders 37 zu ermöglichen. Dadurch, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders zu diesem Zeitpunkt erkannt wird, kann die Motorregelung 71 eine Zunahme der Reibung des Expanders 37 erkennen.
Im Rankine-Zyklus-Betriebsbereich ist die Expanderkupplung 35 verbunden, und die Rotations der Motor-Ausgangswelle wird durch die des Expanders 37 unterstützt.
Hier trennt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 und eröffnet das Bypassventil 66, um die Kühlmittelströmung zum Expander 37 zu überbrücken. Folglich geht der Expander 37 in einen unbelasteten Zustand über, wobei der Druck des dem Expander 37 zugeführten Kühlmittels abnimmt und sich der Expander 37 durch die Trägheit frei dreht.
Wird die Expanderkupplung 35 im Rankine-Zyklus-Betriebsbereich getrennt, wird die Rotation des Motors von der des Expanders 37 unterstützt, wenn der dem Expander vorgeschaltete Druck einen vorbestimmten Wert unterschreitet oder der Unterschied zwischen dem dem Expander vor- und nachgeschalteten Druck einen vorbestimmten Wert nicht unterschreitet. Geht dieser Zustand unmittelbar in den unbelasteten Zustand über, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 von der einem Hilfsmoment infolge des Restdrucks des Kühlmittels entsprechenden freien Rotation vorübergehend erhöht.
Danach nimmt die Rotation des Expanders 37 durch die eigene Reibung, z.B. von Lagern, schrittweise ab.
Die Motorregelung 71 ermittelt, ob die Reibung des Expanders 37 erhöht ist oder nicht, indem eine Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit erkannt wird, wenn der Expander 37 sich im unbelasteten Zustand befindet.
Im Einzelnen stellt die Motorregelung 71 fest, dass die Reibung normal ist, wenn die Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders einen vorbestimmten Wert nicht unterschreitet. Unterschreitet die Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders einen vorbestimmten Wert, stellt die Motorregelung 71 fest, dass die Reibung des Expanders 37 erhöht wird. Wird die Zunahme der Reibung des Expanders 37 also aufgrund der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 bei getrennter Expanderkupplung 35 erkannt, kann eine hohe diagnostische Genauigkeit aus folgendem Grund erreicht werden. Grund hierfür ist, dass eine Abnahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 infolge der freien Rotation in einem restdruckfreien Zustand keine erheblichen Unterschiede in Abhängigkeit von dem (Nicht-)Vorliegen einer Zunahme der Reibung aufweist. Andererseits wird die Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 bei vorhandenem Restdruck selbst von einer geringfügigen Zunahme der Reibung relativ erheblich erhöht, was einen klar erkennbaren Unterschied in Abhängigkeit vom (Nicht-)Vorliegen einer Zunahme der Reibung ergibt. Im oben beschriebenen Erkennungsvorgang wird das Bypassventil 66 im Wesentlichen gleichzeitig mit der Trennung der Kupplung eröffnet. Also kann die Zunahme der Reibung aufgrund der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit erkannt und dabei eine übermäßige Rotation (übermäßige Rotationsgeschwindigkeit) de Expanders 37 verhindert werden kann. Die Pumpe 32 wird von der vom Expander 37 regenerierten Energie angetrieben. Also kommt es nicht ohne weiteres zu übermäßiger Rotation, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders erhöht wird, und die Erkennung einer Reibungszunahme aufgrund einer Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit kann ohne Schwierigkeit erfolgen.
Wenn die Reibung des Expanders 37 zunimmt, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine Anomalie der Drehwelle, Lager usw. des Expanders 37 vorliegt. In diesem Fall kann die Motorregelung 71 dem Fahrer eine Warnung geben, um ihm eine Untersuchung in einer Werkstätte vorzuschlagen. Hinsichtlich des vorbestimmten Wertes der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders kann festgestellt werden, dass keine Reibungszunahme vorliegt, wenn die Zunahme der Rotationgseschwindigkeit des Expanders nicht mehr als 90 % eines Auslegungswerts beträgt.
Der Expander 37 weist eine voreingestellte zulässige Rotationsgeschwindigkeit auf. Vorzugsweise kann der Motorregelung 71 im Voraus ein Kühlmitteldruck in einem Bereich mitgeteilt werden, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders die zulässige Rotationgseschwindigkeit nicht überschreitet, wenn die Expanderkupplung 35 getrennt und die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders erhöht ist. Wenn die Zunahme der Reibung erkannt wird, kann die Motorregelung 71 dann den Kühlmitteldruck des Expanders 37 auf den bereits mitgeteilten Wert einstellen.
Beispielsweise wird ein Höchstdruck in einem Bereich, in dem der Expander 37 ohne Belastung die zulässige Rotationsgeschwindigkeit nicht erreicht, experimentell oder sonst im Voraus ermittelt. Übersteigt der erkannte vorgeschaltete Druck des Expanders den Höchstdruck nicht (d.h. höchstens den Grenzwert beträgt), kann die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 trennen.
Vorzugsweise kann ein Höchstdruckunterschied in einem Bereich, in dem der Expander 37 ohne Belastung die zulässige Rotationsgeschwindigkeit nicht erreicht, experimentell oder sonst im Voraus ermittelt werden. Übersteigt der erkannte vorgeschaltete Druckunterschied zwischen dem vor- und nachgeschalteten Druck des Expanders den Grenzwert nicht (d.h. höchstens den Grenzwert beträgt), kann die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 trennen.
11 ist eine graphische Darstellung eines weiteren Beispiels des Vorgangs zur Ermittlung, ob die Reibung des Expanders 37 zugenommen hat.
Wie oben beschrieben, verbindet die Motorregelung 71 im Rankine-Zyklus-Betriebsbereich die Expanderkupplung 35, um die Rotation der Motor-Ausgangswelle mit der Rotation des Expanders 37 zu unterstützen.
Wenn die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 trennt, geht der Expander 37 in den unbelasteten Zustand über, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders wegen des Kühlmittels des Rankine-Zyklus 31 zunimmt.
Zu diesem Zeitpunkt erkennt die Motorregelung 71 das Ausmaß der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 und ermittelt, ob die Reibung des Expanders 37 erhöht ist.
Dabei erkennt die Motorregelung 71 die Rotationsgeschwindigkeit und ermittelt, ob die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders einen vorbestimmten Wert nicht unterschreitet, der bezüglich der vorbestimmten zulässigen Rotationsgeschwindigkeit einen Spielrauf aufweist. Wird die vorbestimmte Rotationsgeschwindigkeit erreicht oder überschritten, eröffnet die Motorregelung 71 das Bypassventil 66 zum Abbruch der Kühlmittelzufuhr zum Expander 37, um zu verhindern, dass der Expander 37 den Grenzwert erreicht. Nach der Eröffnung des Bypassventils 66 wird dem Expander 37 infolge des Kühlmittels keine Antriebskraft zugeführt, also verlangsamt sich die Rotation des Expanders 37 schrittweise aufgrund der eigenen Reibung.
Nach dem in 11 dargestellten Verfahren ist das Ausmaß der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders größer als der Fall, in dem die Expanderkupplung 35 getrennt ist und das Bypassventil 66 gleichzeitig geöffnet ist, wie oben in Bezug auf 10 beschrieben. Entsprechend kann die Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders, und auch die Zunahme der Reibung des Expanders 37 leichter ermittelt werden.
Wie unter Bezugnahme auf 8 beschrieben, trennt die Motorregelung die Expanderkupplung 35, um einen Widerstand des Expanders 37 zu vermeiden, wenn das Drehmoment des Expanders 37 einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt.
Zu diesem Zeitpunkt kann das Bypassventil 66 zum Zeitpunkt t2 eröffnet werden, bevor bei t3 die Expanderkupplung 35 getrennt wird. Erfolgt keine Erkennung der Reibungszunahme des Expanders, kann das Bypassventil 66 vor der Trennung der Expanderkupplung 35 geöffnet werden. Auf diese Weise kann der Unterschied zwischen dem Expander vor- und nachgeschalteten Kühlmitteldruck hinreichend reduziert werden, wodurch eine übermäßige Rotation des Expanders 37 bei der Trennung der Expanderkupplung 35 vermieden werden kann.
Wei oben beschrieben, wird gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders dann erkannt, wenn im Rankine-Zyklus-Betriebsbereich die Expanderkupplung 35 getrennt ist und der Expander 37 keine Belastung aufweist.
In der obigen Konfiguration ist eine Zunahme der Reibung des Expanders 37 aufgrund einer Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders erkennbar, wenn der Expander 37 keine Belastung aufweist. Da v.a. auf einen Drehmomentsensor, z.B. Belastungssensor, verzichtet werden kann, kann eine Vergrößerung des Expanders 37 sowie Mehrkosten vermieden werden. Liegt ein Restdruck vor, wird die Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit 37 selbst von einer geringfügigen Zunahme der Reibung relativ erheblich erhöht. Also wird infolge des (Nicht-)Vorliegens einer Zunahme der Reibung ein Unterschied verursacht, wobei eine hohe Diagnosegenauigkeit erreichbar ist. Ist das Bypassventil 66 zum Zeitpunkt der Trennung der Kupplung geöffnet, kann die Zunahme der Reibung aufgrund der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit erkannt und dabei eine übermäßige Rotation (übermäßige Rotationsgeschwindigkeit) des Expanders 37 verhindert werden kann.
Im unbelasteten Zustand des Expanders 66 wird das Bypassventil 66 eröffnet, um den Druck des Kühlmittels zu senken, das den Expander 37 antreibt, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 die zulässige Rotationsgeschwindigkeit des Expanders 37 nicht übersteigt. Auf diese Weise wird vermieden, dass dem Expander 37 im unbelasteten Zustand Antriebskraft zugeführt wird, wobei die übermäßige Rotation des Expanders 37 verhindert und Fehlfunktionen vorgebeugt wird.
Ist die Expanderkupplung 35 getrennt, wird der vorgeschaltete Druck des Expanders 37 oder der Unterschied zwischen dem vor- und nachgeschalteten Druck des Expanders erkannt. Übersteigt der vorgeschaltete Druck des Expanders nicht einen vorbestimmten Wert, oder wenn der Druckunterschied einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, wird die Expanderkupplung 35 getrennt. Also wird vermieden, dass dem Expander 37 im unbelasteten Zustand übermäßige Antriebskraft zugeführt wird, wobei die übermäßige Rotation des Expanders 37 verhindert und Fehlfunktionen vorgebeugt wird.
Erfolgt keine Erkennung der Zunahme der Reibung des Expanders, z.B. wenn im Rankine-Zyklus-Betriebsbereich die Expanderkupplung 35 durch eine Abnahme des Expanderdrehmoments getrennt wird, usw., wird das Bypassventil 66 im Voraus eröffnet, um den Druck des Kühlmittels zum Antrieb des Expanders zu reduzieren. Auf diese Weise wird eine übermäßige Rotation des Expanders vermieden und Fehlfunktionen vorgebeugt.
Obwohl die vorstehende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft in Bezug auf ein hybrides Fahrzeug beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung auf eine derartige Ausführungsform nicht beschränkt. Die vorliegende Erfindung findet auch auf ein Fahrzeug Anwendung, das nur mit dem Motor 2 ausgestattet ist. Der Motor 2 kann ein Benzin- oder Dieselmotor sein.
Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist diese Ausführungsform lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und soll den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung keinesfalls auf die konkrete Konfiguration der Ausführungsform beschränken.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-216765 , die am 30. September 2011 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde und die vollinhaltlich als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gilt.

Claims

Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme, umfassend: einen Rankine-Zyklus (31), umfassend einen Wärmetauscher (36), der die Abwärme eines Motors (2) mittels eines Kühlmittels zurückgewinnt, einen Expander (37), der mithilfe des aus dem Wärmetauscher (36) austretenden Kühlmittels Energie erzeugt, einen Kondensator (38), der das aus dem Expander (37) austretende Kühlmittel kondensiert und eine Kühlmittelpumpe (32), die das aus dem Kondensator (38) austretende Kühlmittel dem Wärmetauscher (36) zuführt; und einen Energieübertragungsmechanismus (34), der die vom Expander (37) regenerierte Energie auf den Motor (2) überträgt, wobei: der Energieübertragungsmechanismus (34) eine Kupplung (35), die die Übertragung der Energie vom Expander auf den Motor unterbricht oder ermöglicht, umfasst; und der Expander (37) einen Drehgeschwindigkeitsdetektor (37a) umfasst, der eine Drehgeschwindigkeit des Expanders (37) erkennt; die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme umfasst ferner eine Motorregelung (71), die eine Zunahme der Reibung des Expanders aufgrund einer Erhöhung der vom Drehgeschwindigkeitsdetektor (73a) erkannten Drehgeschwindigkeit des Expanders (37) erkennt, wenn die Kupplung (35) getrennt wird.
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme nach Anspruch 1, wobei der Rankine-Zyklus (31) eine Bypassleitung (65) umfasst, die das in den Expander (37) eingeführte Kühlmittel überbrückt und ein Bypassventil (66), das die Leitung des Kühlmittels in die Bypassleitung (65) unterbricht oder zulässt, wobei die Motorregelung (71) die Bypassleitung (65) dadurch zum Leiten bringt, dass das Bypassventil (66) gesteuert wird, wenn die Kupplung (35) getrennt ist.
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme nach Anspruch 2, wobei die Motorregelung (71) die Bypassleitung (65) dadurch zum Leiten bringt, dass das Bypassventil (66) gesteuert wird, und gleichzeitig die Kupplung (35) getrennt wird.
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme nach Anspruch 1, wobei wobei der Rankine-Zyklus (31) eine Bypassleitung (65) umfasst, die das in den Expander (37) eingeführte Kühlmittel überbrückt und ein Bypassventil (66), das die Leitung des Kühlmittels in die Bypassleitung (65) unterbricht oder zulässt, und wobei die Motorregelung (71) die Bypassleitung (65) dadurch zum Leiten bringt, dass das Bypassventil (66) gesteuert wird, wenn die Kupplung (35) getrennt ist, damit die Rotationgseschwindigkeit des Expanders (37) eine zulässige Rotationsgeschwindigkeit des Expanders (37) nicht übersteigt.
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein Drucksensor (72), der einen Unterschied zwischen dem Expander (37) vor- und nachgelagerten Kühlmitteldruck erkennt, wobei die Motorregelung (71) die Kupplung (35) trennt, wenn der Unterschied zwischen dem vom Drucksensor (72) erkannten dem Expander (37) vorgelagerte Kühlmitteldruck einen vorbestimmten Druck nicht übersteigt.
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kupplung (35) getrennt wird, nachdem die Bypassleitung (65) während der Regeneration der Energie durch den Expander (37) zum Leiten gebracht wird.
Die Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühlmittelpumpe (32) eine Pumpe ist, die von der vom Expander (37) regenerierten Energie betrieben wird.