DE112012004091T5

DE112012004091T5 - Rankine-Zyklus

Info

Publication number: DE112012004091T5
Application number: DE112012004091.0T
Authority: DE
Inventors: c/o IP Dep of NissanMotor Co Mizoguchi Shinichiro; c/o IP Dep of NissanMotor Co Ogihara Satoshi; c/o Sanden Corp. Wada Hirofumi
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-07-24
Also published as: JP2013076369A; JP5740273B2; CN103987926A; WO2013046888A1; US20140250889A1; US9523290B2; CN103987926B

Abstract

Ein Rankine-Zyklus umfasst eine Kühlmittelpumpe, einen Wärmetauscher, einen Expander und einen Kondensator. Der Rankine-Zyklus umfasst ferner eine in einem sich von einem Motor zur Kühlmittelpumpe erstreckenden Energieübertragungsweg angeordnete Kupplung. Vor einem Betrieb des Rankine-Zyklus sowie während der Verlangsamung des Fahrzeugs wird die Kupplung befestigt und die Kühlmittelpumpe mithilfe der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben.

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rankine-Zyklus, der geeignet ist, die Abwärme eines Motors zur Nutzung als Antriebskraft zu sammeln.
HINTERGRUND
Ein Rankine-Zyklus umfasst: Eine zur Zirkulation eines Kühlmittels geeignete Kühlmittelpumpe; einen zur Sammlung der Abwärme des Motors mit einem Kühlmittel geeigneten Abwärmekollektor; einen zur Umwandlung der mit dem Kühlmittel gesammelten Abwärme durch Expandieren des Kühlmittels in Antriebskraft geeigneten Expander; und einen zur Kondensation des vom Expander expandierten Kühlmittels geeigneten Kondensator. Die vom Expander zurückgewonnene Antriebskraft wird über Riemen usw. auf die Ausgangswelle des Motors und einen Stromerzeuger übertragen.
Aus JP 2005-313878A ist bekannt, dass eine Kühlmittelpumpe vor dem Betriebsbeginn des Expanders des Rankine-Zyklus angetrieben wird (”vorläufiger Antrieb”), um die Verteilung des Kühlmittels (insbesondere auch eines dazugehörigen Gleitmittels) im Rankine-Zyklus entsprechend einzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß JP 2005-313878A erfolgt der vorläufige Antrieb der Kühlmittelpumpe mithilfe der Antriebskraft des Motors, was die Kraftstoffeffizienz verschlechtern kann.
Die Erfindung soll verhindern, dass die Kraftstoffeffizienz infolge des vorläufigen Antriebs der Kühlmittelpumpe zur Beseitigung der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels verschlechtert wird.
Unter einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Rankine-Zyklus: Eine zur Zirkulation eines Kühlmittels geeignete Kühlmittelpumpe; einen zur Sammlung der Abwärme des Motors mit einem Kühlmittel geeigneten Wärmetauscher; einen zur Umwandlung der mit dem Kühlmittel gesammelten Abwärme durch Expandieren des Kühlmittels in Antriebskraft geeigneten Expander; und einen zur Kondensation des vom Expander expandierten Kühlmittels geeigneten Kondensator. Der Rankine-Zyklus umfasst ferner eine in einem sich vom Motor zur Kühlmittelpumpe erstreckenden Energieübertragungsweg angeordnete Kupplung. Mit dieser Konfiguration befestigt der Rankine-Zyklus die Kupplung und treibt vor einem Betrieb des Rankine-Zyklus sowie während der Verlangsamung des Fahrzeugs die Kühlmittelpumpe mithilfe der Trägheitskraft des Fahrzeugs.
Nachfolgend werden Ausführungsformen sowie vorteilhafte Wirkungen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines integrierten Zyklus.
2A ist eine schematische Querschnittansicht einer durch Integrieren einer Pumpe mit einem Expander ausgebildeten Expanderpumpe.
2B ist eine Querschnittansicht einer Kühlmittelpumpe.
2C ist eine Querschnittansicht eines Expanders.
3 ist eine schematische Darstellung der Funktionen eines Ventils des Kühlmittelsystems.
4 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines hybriden Fahrzeugs.
5 ist eine schematische Perspektivansicht eines Motors.
6 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration der Auspuffrohre, von der Unterseite des Fahrzeugs betrachtet.
7A ist ein Diagramm eines Betriebsbereich des Rankine-Zyklus.
7B ist ein Diagramm eines Betriebsbereich des Rankine-Zyklus.
8 ist ein Flussdiagramm der vorläufigen Antriebssteuerung der Kühlmittelpumpe.
9 ist ein Zeitdiagramm eines Falls, in dem beim Fahren die Rankine-Betriebsbedindungen erfüllt sind.
10 ist ein Zeitdiagramm des Falls, in dem die Kühlmittelpumpe angetrieben wird, um die Verteilung des Kühlmittels einzustellen, während die Rankine-Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine schematische Darstellung der gesamten Rankine-Zyklus-Anlage 31, auf der die vorliegende Erfindung basiert. Der Rankine-Zyklus 31 der 1 teilt ein Kühlmittel und einen Kondensatur 38 mit einem Kältekreislauf 51. Der sich aus der Integration des Rankine-Zyklus 31 und des Kältekreislauf 51 ergebende Zyklus, wird nachfolgend als ”integrierter Zyklus 30” bezeichnet. 4 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines hybriden Fahrzeugs 1, auf dem der integrierte Zyklus 30 installiert ist. Der integrierte Zyklus 30 ist das Gesamtsystem, das nicht nur die Kreisläufe (Durchgänge), durch die das Kühlmittel des Rankine-Zyklus und des Kältekreislaufs 51 zirkuliert wird, sondern auch die in den Kreisläufen angeordneten Bestandteile wie z. B. Pumpen, Expander, Kondensatoren usw., sowie Pfade (Durchgänge) für Kühlwasser, Abgas usw.
Im hybriden Fahrzeug 1 sind ein Motor 2, ein Motorgenerator (MG) 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 MG 81 ist eine erste Antriebswellen-Kupplung 86 angeordnet. Ferner ist ein Reibkupplungselement des Automatikgetriebes 82 als zweite Antriebswellen-Kupplung 87 konfiguriert. Die erste Antriebswellen-Kupplung (AWK) 86 und die zweite AWK 87 sind mit einer Motorregelung 71 verbunden, und der Verbindungszustand der Kupplungen wird je nach Antriebszustand des hybriden Fahrzeugs gesteuert. Wie in 7B gezeigt, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit in einem EV-Fahrtbereich liegt, in dem der Motor 2 nicht effizient funktioniert, stoppt das hybride Fahrzeug 1 den Motor 2, schaltet die 1. AWK 86 aus und schaltet die Verbindung der 2. AWK 87 ein, so dass das hybride Fahrzeug 1 nur mit der Antriebskraft des MG 81 fährt. Wenn andererseits die Fahrzeuggeschwindigkeit vom EV-Fahrtbereich auf einen Rankine-Zyklus-Fahrtbereich (RZ-Bereich) absinkt, betriebt der Motor 2 den (nachfolgend beschriebenen) Rankine-Zyklus 31. Der Motor 2 umfasst einen Abgasdurchgang 3, und der Abgasdurchgang 3 umfasst einen Auspuffkrümmer 4 und ein mit einem integrierten Teil des Auspuffkrümmers 4 verbundenes Auspuffrohr 5. Vom Auspuffrohr 5 zweigt sich eine Abgas-Bypassleitung 6 ab. Ein Abwärmekollektor 22 ist geeignet, an einer von der Bypassleitung 6 überbrückten Stelle zwischen dem Auspuff und dem Kühlwasser auszutauschen. Wie in 6 dargestellt, sind der Abwärmekollektor (AK) 22 und die Bypassleitung 6 in eine Abwärmerückgewinnungseinheit (ARE) 23 integriert, die zwischen einem weiter nachgeschalteten Fußbodenkatalysator 88 und ein diesem nachgeschalteter Unterschalldämpfer 89 angeordnet.
Ein Kühlwasserkreislauf eines Motors wird nun unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Das bei etwa 80 bis 90°C aus dem Motor 2 austretende Kühlwasser wird geteilt in: Einen durch einen Heizkörper 11 verlaufenden Kühlwasserdurchgang 13; und eine den Heizkörper 11 umgehenden Kühlwasser-Bypassleitung 14. Die geteilten Strömungen fließen an einem Thermostatventil 15 wieder zusammen, das zur Steuerung der Durchflussmengen an Kühlwasser in den Durchgängen 13 und 14 geeignet ist, und kehren über eine Kühlwasserpumpe 16 zum Motor 2 zurück. Die Kühlwasserpumpe 16 wird vom Motor 2 angetrieben, und deren Rotationsgeschwindigkeit wird mit der Rotationsgeschwindigkeit des Motors synchronisiert. Bei hoher Kühlwassertemperatur erhöht das Thermostatventil 15 die Durchflussmenge an Kühlwasser im Heizkörper 11 relativ, indem die Ventilöffnung auf der Seite des Kühlwasserdurchgangs 13 erweitert wird; bei niedriger Kühlwassertemperatur senkt das Thermostatventil 15 die Durchflussmenge an Kühlwasser im Heizkörper 11 relativ durch Einengen der Ventilöffnung auf der Seite des Kühlwasserdurchgangs. 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. Auf keinen Fall ist die Ventilöffnung auf der Seite der Bypassleitung 14 jedoch vollständig geschlossen. Wenn die Durchflussmenge an Kühlwasser im Heizkörper 11 erhöht wird, wird die Durchflussmenge an Kühlwasser in der Bypassleitung 14 gegenüber dem Fall, in dem das ganze Kühlwasser auf der Seite der Bypassleitung 14 fließt, reduziert, aber das Thermostatventil 15 ist derart konfiguriert, dass die Strömung in der Bypassleitung 14 nicht ganz gestoppt wird. Die Bypassleitung 14, die den Heizkörper 11 umgeht, umfasst: eine vom Kühlwasserdurchgang 13 abgezweigte erste Kühlwasser-Bypassleitung 24, die unmittelbar mit dem nachfolgend beschriebenen Wärmetauscher 36 verbunden ist; eine vom Kühlwasserdurchgang 13 abgezweigte zweite Kühlwasser-Bypassleitung 25, die über den AK 22 mit dem Wärmetauscher 36 verbunden ist.
Die Bypassleitung 14 umfasst den Wärmetauscher 36, der zum Austausch von Wärme mit dem Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 geeignet ist. Der Wärmetauscher 36 wird durch Integrieren eines Verdampfers und eines Überhitzers ausgebildet. Im Einzelnen ist der Wärmetauscher 36 mit zwei Kühlwasserdurchgängen 36a, 36b versehen, die im Wesentlichen linear angeordnet sind, sowie mit einem Kühlwasserdurchgang 36c, durch den das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 neben den Kühlwasserdurchgängen 36a und 36b fließt, so dass das Kühlmittel mit dem Kühlwasser Wärme austauscht. 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 der auf der vorgeschalteten Seite (d. h. links in 1) für das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 angeordnete 1. Kühlwasserdurchgang in der ersten Kühlwasser-Bypassleitung 24 zwischengeschaltet. Der Kühlwasserdruchgang 36a und der linke Teil des Wärmetauschers, der aus einem Teil des Kühlmitteldurchgangs neben dem Kühlwasserdurchgang 36a besteht, fungiert als Verdampfer, und durch unmittelbares Einführen des Kühlwassers aus dem Motor 2 in den Kühlwasserdurchgang 36a wird das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 im Kühlmitteldurchgang 36c gewärmt.
In den anderen Kühlwasserdurchgang 36b, der auf der dem Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 nachgeschalteten Seite (rechts in 1) angeordnet ist, wird das durch den AK 22 über die zweite Bypassleitung 25 fließende Kühlwasser eingeführt. Der Kühlwasserdruchgang 36b und der rechte Teil des Wärmetauschers (nachgeschaltete Seite für das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31), der aus einem Teil des Kühlmitteldurchgangs neben dem Kühlwasserdurchgang 36b besteht, fungieren als Heizvorrichtung, und durch Einführen des weiter mit dem Abgas gewärmten Kühlwassers an der Auslaßöffnung des Motors 2 in den Kühlwasserdurchgang 3b wird das durch den Kühlmitteldurchgang 36c fließende Kühlmittel gewärmt.
Ein Kühlwasserdurchgang 22a des AK 22 ist nahe dem Auspuffrohr 5 angeordnet. Durch Einführen des Kühlwassers an der Auslaßöffnung des Motors 2 in den Kühlwasserdurchgang 22a des AK 22 wird das Kühlwasser vom Abgas auf eine hohe Temperatur von bis zu etwa 110–115°C geheizt. Der Kühlwasserdurchgang 22a ist derart konfiguriert, dass das Abgas und das Kühlwasser jeweils in entgegengesetzten Richtungen fließen, wenn der AK 22 insgesamt von oben betrachtet wird.
In der 2. Bypassleitung 25, die mit dem AK 22 ausgestattet ist, ist ein Regelventil 26 angeordnet. Wenn ein Kühlwassertemperatursensor (KWT-Sensor) 74 an der Auslaßöffnung des Motors 2 eine Temperatur erkennt, die einen vorbestimmten Wert erreicht oder übersteigt, wird der Öffnungsgrad des Regelventils 26 reduziert, damit die Wassertemperatur des Motors, die auf die Temperatur des Kühlwassers im Motor 2 schließen lässt, einen zulässigen Grenzwert (z. B. 100°C) nicht übersteigt, um z. B. eine Verschlechterung der Effizienz oder Klopfen des Motors 2 zu vermeiden. Nähert sich die Motorwassertemperatur dem zulässigen Grenzwert, wird die durch den AK 22 fließende Menge an Kühlwasser gesenkt, damit auf zuverlässige Weise verhindert werden kann, dass die Motorwassertemperatur einen zulässigen Grenzwert übersteigt.
Wenn andererseits das Kühlwasser vom AK 22 übermäßig geheizt und aufgrund der reduzierten Durchflussmenge in der 2. Bypassleitung 25 verdampft (gekocht) wird, kommt es womöglich zu einer Störung des Kühlwasserflusses durch den Kühlwasserdurchgang und die Temperatur der Bestandteile kann dadurch übermäßig erhöht werden. Um ein derartiges Problem zu vermeiden, umfasst die Konfiguration: Die den AK 22 umgehenden Abgas-Bypassleitung 6; und ein Thermostatventil 7 zur Steuerung der Durchflussmenge an Abgas durch den AK 22 und der Durchflussmenge an Abgas durch die Abgas-Bypassleitung 6, das am abgezweigten Teil der Bypassleitung 6 angeordnet ist. Im Einzelnen wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 7 aufgrund der Temperatur des aus dem AK 22 austretenden Kühlwassers geregelt, damit die Temperatur des aus dem AK 22 austretenden Kühlwassers einen vorbestimmten Grenzwert (z. B. eine Siedetemperatur von 120°C) nicht übersteigt.
Wärmetauscher 36, Thermostatventil 7 und AK 22 sind als ARE 23 miteinander integriert, die im Auspuffrohr unter dem Fußboden im Wesentlichen im Mittelpunkt der Breite des Fahrzeugs angeordnet ist. Das Thermostatventil 7 kann ein relativ einfach konfiguriertes temperaturempfindliches Ventil aus Bimetall oder dgl., oder ein Regelventil sein, das von einem Steuergerät gesteuert wird, das mit dem Ausgang eines Temperatursensors versorgt wird. Die Regelung des Ausmaßes des Wärmeaustausches vom Abgas an das Kühlwasser durch das Thermostatventil 7 ist mit einer relativ langen Verzögerung verbunden. Daher ist es schwer, die Wassertemperatur des Motors durch bloßes Einstellen des Thermostatventils 7 derart zu steuern, dass sie den Grenzwert nicht übersteigt. Das Regelventil 26 der 2. Bypassleitung 25 wird jedoch aufgrund der Motorwassertemperatur (Auslaßtemperatur) gesteuert. Daher kann die gesammelte Wärmemenge schnell reduziert werden, und es wird auf zuverlässige Weise verhindert, dass die Motorwassertemperatur den Grenzwert übersteigt. Besteht ein Spielraum, der es der Motorwassertemperatur ermöglicht, den Grenzwert zu erreichen, kann die gesammelte Wärmemenge außerdem dadurch erhöht werden, dass der Wärmetausch solange fortgesetzt wird, bis die Temperatur des aus dem AK 22 austretenden Kühlwassers eine dermaßen hohe Temperatur erreicht, dass der Grenzwert der Motorwassertemperatur (z. B. 100 bis 115°C) überschritten wird. Das aus dem Kühlwasserdurchgang 36b austretende Kühlwasser fließt in die erste Bypassleitung 24 hinein, um mit der zweiten Bypassleitung 25 zusammenzufließen.
Weist das auf das Thermostatventil 15 aus der Bypassleitung 14 zufließende Kühlwasser z. B. infolge eines Wärmeaustausches mit dem Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 am Wärmetauscher 36 eine hinreichend niedrige Temperatur auf, wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 15 für den Kühlwasserdurchgang 13 reduziert und die Durchflussmenge an Kühlwasser im Heizkörper 11 wird relativ reduziert. Weist das auf das Thermostatventil 15 aus der Bypassleitung 14 zufließende Kühlwasser hingegen z. B. infolge des Nichtbetriebs des Rankine-Zyklus 31 eine hohe Temperatur auf, so wird der Öffnungsgrad des Thermostatventils 15 für den Kühlwasserdurchgang 13 erhöht und die Durchflussmenge an Kühlwasser im Heizkörper 11 wird relativ erhöht. Aufgrund dieses Vorgangs des Thermostatventils 15 wird eine derartige Konfiguration ausgebildet, dass das Kühlwasser des Motors 2 seine Temperatur entsprechend aufrecht erhält, und dem Rankine-Zyklus 31 eine entsprechende Wärmemenge zugeführt (zurückgewonnen) wird.
Anschließend wird der Rankine-Zyklus 31 beschrieben. Der Rankine-Zyklus 31 ist vorliegend kein einfacher Rankine-Zyklus, sondern ist Teil des integrierten Zyklus 30, zu dem der Kältekreislauf 51 gehört. Nachfolgend wird zunächst der Rankine-Zyklus 31 als Grundlage beschrieben; danach wird der Kältekreislauf 51 beschrieben.
Der Rankine-Zyklus 31 ist ein System zur Sammlung der Abwärme des Motors 2 mit dem Kühlmittel über das Kühlwasser des Motors 2 sowie zur Regeneration der Antriebskraft aus der gesammelten Abwärme. Der Rankine-Zyklus 31 umfasst eine Kühlmittelpumpe 32, den als Überhitzer fungierenden Wärmetauscher, einen Expander 37 und einen Kondensator 38, und jede Komponente ist über Kühlmitteldurchgänge 41–44 miteinander verbunden, in dem das Kühlmittel (z. B. R134a und dgl.) zirkuliert wird.
Die Welle der Pumpe 32, die zur koaxialen Bindung an die Ausgangswelle des Expanders 37 konfiguriert ist, treibt die Pumpe 32 unter Nutzung der Ausgangsenergie (Antriebskraft) des Expanders 37, und führt die erzeugte Antriebskraft der Ausgangswelle (Kurbelwelle) des Motors 2 zu (siehe 2A). Im Einzelnen sind die Welle der Pumpe 32 und die Ausgangswelle des Expanders 37 parallel zur Ausgangswelle des Motors 2 angeordnet und zwischen den nachfolgend aufgeführten Elementen ist ein Riemen 34 angeordnet: eine Pumpenscheibe 33 an einem distalen Ende der Welle der Pumpe 32; und eine Kurbelscheibe 2a (siehe 1). Die vorliegende Ausführungsform verwendet eine Zahnradpumpe als Pumpe 32 und einen Rollexpander als Expander 37 (sehe 2B und 2C).
Zwischen der Pumpenscheibe 33 und der Kühlmittelpumpe 32 ist eine elektromagnetische Kupplung (”Expanderkupplung”) 35 (1. Kupplung) angeordnet, um die Verbindung der Pumpe 32 und des Expander 37 mit dem Motor 2 herzustellen und abzubrechen (siehe 2A). Übersteigt der Ausgang des Expanders 37 die Antriebskraft der Pumpe 32 und die Reibung des Drehkörpers (d. h. wenn das vorausgesagte Drehmoment des Expanders positiv ist), wird die Expanderkupplung 35 also verbunden, um die Rotation der Motor-Ausgangswelle mit dem Ausgang des Expanders 37 zu unterstützen. Wie oben beschrieben, wird die Rotation der Ausgangswelle des Motors durch die aus der Abwärmesammlung gewonnene Energie unterstüzt, was die Kraftstoffeffizienz erhöht. Außerdem wird die zum Antrieb der zur Zirkulation des Kühlmittels geeigneten Pumpe 32 erforderliche Energie auch von der zurückgewonnenen Abwärme bereitgestellt. Die Expanderkupplung 35 kann an einer beliebigen Stelle angeordnet sein, solange die Expanderkupplung 35 in einem Energieübertragungswegs vom Motor 2 zur Pumpe 32 und dem Expander 37 angeordnet ist.
Das Kühlmittel aus der Pumpe 32 wird dem Wärmetauscher 36 über den Kühlmitteldurchgang 41 zugeführt. Der Wärmetauscher 36 ist tauscht Wärme zwischen dem Kühlwasser des Motors 2 und dem Kühlmittel aus, damit das Kühlmittel verdampft und überhitzt wird.
Das Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 36 wird dem Expander 37 über den Kühlmitteldurchgang 42 zugeführt. Der Expander 37 ist eine Dampfturbine, die zur Umwandlung von Wärme in Rotationsenergie durch Erweiterung des verdampften und überhitzten Kühlmittels geeignet ist. Die vom Expander 37 gesammelte Energie wird zum Antrieb der Pumpe 32 verwendet, sie wird auch über einen 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 zum Wärmeaustausch zwischen der Umgebungsluft und dem Kühlmittel geeignet ist, um das Kühlmittel zu kühlen und zu verflüssigen. Der Kondensator 38 ist also mit dem Heizkörper 11 parallelgeschaltet und wird von einem Kühlerlüfter 12 gekühlt.
Das vom Kondensator 38 verflüssigte Kühlmittel wird über den Kühlmitteldurchgang 32 wieder der Pumpe 44 zugeführt. Das zur Pumpe 32 zurückgeführte Kühlmittel wird durch die Pumpe 32 dem Wärmetauscher 36 wieder zugeführt und durch jeden Bestandteil des Rankine-Zyklus 31 zirkuliert.
Anschließend wird der Kältekreislauf 51 beschrieben. Der Kältekreislauf 51, ist geeignet, das im Rankine-Zyklus 31 zirkulierte Kühlmittel zu teilen, und ist mit dem Rankine-Zyklus 31 integriert. Im Einzelnen umfasst der Kältekreislauf 51 einen Kompressor 52, dem Kondensator 38 und einem Verdampfer 55.
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, und der Kompressor 52 wird angetrieben. Zwischen der Kompressorscheibe 53 und dem Kompressor 52 ist eine ferner elektromagnetische Kupplung (”Kompressorkupplung”) 54 (2. Kupplung) 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 den Kühlmitteldurchgang 56 in den Kühlmitteldurchgang 43 und wird dann dem Kondensator 38 zugeführt. Der Kondensator 38 ist ein Wärmetauscher, der geeignet ist, das Kühlmittel durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft zu kondensieren und zu verflüssigen. Das flüssige Kühlmittel aus dem Kondensator 38 wird über den vom Kühlmitteldurchgang 44 abgezweigten Kühlmitteldurchgang 57 dem Verdampfer 55 zugeführt. Wie eine Heizvorrichtung (nicht dargestellt) ist der Verdampfer in einem Gehäuse einer Klimaanlage angeordnet. Der Verdampfer 55 ist ein Wärmetauscher zum Verdampfen des flüssigen Kühlmittels aus dem Kondensator 38 sowie zum Kühlen der klimatisierten Luft aus einem Gebläse mit der zu diesem Zeitpunkt erzeugten latenten Wärme.
Das Kühlmittel aus dem Verdampfer 55 wird über den Kühlmitteldurchgang 58 wieder dem Kompressor 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 die Lufttemperatur auf eine vom Fahrer eingestellte Temperatur eingestellt werden kann.
Der integrierte Zyklus 30, zu dem der Rankine-Zyklus 31 und der Kältekreislauf 51 gehören, ist in der Mitte des Kreislaufs mit verschiedenen Ventilen versehen, um das im Kreislauf fließende Kühlmittel zu steuern. Um das im Rankine-Zyklus 31 zirkulierte Kühlmittel zu steuern, ist z. B. ein der Pumpe vorgeschaltetes Ventil 61 im Kühlmitteldurchgang 44 vorgesehen, das einen Verzweigungspunkt 45 des Kältekreislaufs mit der Pumpe 32 zu verbinden, und ein dem Expander vorgeschaltetes Ventil 62 ist im Kühlmitteldurchgang 42 vorgesehen, der den Wärmetauscher 36 mit dem Expander 37 verbindet. Der Kühlmitteldurchgang 41, der die Kühlmittelpumpe 32 mit dem Wärmetauscher 63 verbindet, ist mit einem Rückventil 36 versehen, das zur Verhinderung eines Rückflusses des Kühlmittels vom Wärmetauscher 36 zur Pumpe 32 geeignet ist. Der Kühlmitteldurchgang 43, der den Expander 37 mit dem Verzweigungspunkt 46 verbindet, ist mit einem Rückventil 64 versehen, das zur Verhinderung eines Rückflusses des Kühlmittels vom Verzweigungspunkt 46 zum Expander 37 geeignet ist. Eine sich von dem Ventil 62 vorgeschalteteter Stelle erstreckende Expander-Bypassleitung 65, die in eine dem Rückventil 64 vorgeschaltete unter Umgehung des Expanders 37 hineinfließt, ist ferner vorgesehen, und die Bypassleitung 65 umfasst ein Bypassventil 66. Ein das Bypassventil 66 umgehender Durchgang 67 ist ferner mit einem Druckeinstellventil 68 versehen. Außerdem ist der Kühlmitteldurchgang 57, der den Verzweigungspunkt 45 und den Verdampfer 55 verbindet, auch im Kältekreislauf 51 mit einem Klimatisierungskreislaufventil 69 ausgestattet.
Die vorgenannten vier Ventile 61, 62, 66 und 69 sind alle elektromagnetische Auf-/Zu-Ventile. Die Motorregelung 71 empfängt: Ein vom Drucksensor 72 erkanntes Signal des dem Expander vorgeschalteten Drucks, ein Signal eines an der Auslaßöffnung des Kondensators 38 vom Drucksensor 73 erkannten Kühlmitteldrucks Pd, ein vom Rotationsgeschwindigkeitssensor erkanntes Rotationsgeschwindigkeitssignal des Expanders 37, usw.. Die Motorregelung 71 steuert den Kompressor 52 des Kältekreislaufs 51 und den Kühlerlüfter 12 je nach dem vorbestimmten Betriebszustand, und steuert dabei auch die Ein- und Ausschaltung der vorgenannten elektromagnetischen Auf-/Zu-Ventile 61, 62, 66 und 69.
Beispielsweise wird ein Expanderdrehmoment (regenerierte Antriebskraft) auf der Grundlage des vom Drucksensor 72 erkannten vorgeschalteten Drucks und der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders geschätzt, und die Expanderkupplung 35 wird verbunden, wenn das geschätzte Drehmoment positiv ist (d. h. wenn die Rotation der Motor-Ausgangswelle unterstützt werden kann) und freigesetzt, wenn das geschätzte Expanderdrehmoment gleich Null oder negativ ist. Da das Expanderdrehmoment aufgrund des von einem Sensor erkannten Drucks und der Rotationsgeschwindigkeit des Expanders geschätzt wird, wird die Schätzung des Expanderdrehmoments (der regenerierten Antriebskraft) genauer als bei einer Konfiguration, in der das Drehmoment aufgrund der Abgastemperatur geschätzt wird. Daher wird die Expanderkupplung 35 je nach den Ereignisbedingungen des Expanderdrehmoments entsprechend verbunden und getrennt (Näheres siehe JP-A-2010-190185 ).
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 in 3 dargestellt.
In 3, um eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels (auch eines dazugehörigen Gleitmittels) im Rankine-Zyklus 31 zu vermeiden, wird das Ventil 61 unter einer vorbestimmten Bedingung geschlossen, in der das Kühlmittel eher in den Kreisläufen des Rankine-Zyklus 31 als in denen des Kältekreislaufs 51 verteilt ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, schließt das Ventil 61 die Kreisläufe des Rankine-Zyklus 31 im Zusammenwirken mit dem dem Expander 37 nachgeschalteten Rückventil 64. Das Ventil 62 ist derart konfiguriert, dass es den Kühlmitteldurchgang 42 sperrt, wenn der Kühlmitteldruck aus dem Wärmetauscher 36 relativ niedrig ist, so dass das Kühlmittel aus dem Wärmetauscher 36 zurückbehalten wird, bis das Kühlmittel einen hohen Druck aufweist. Dadurch wird die zum Neustarten des Rankine-Zyklus 31 (die für die Aufnahme der eigentlichen Regeneration erforderliche Zeit) selbst dann verkürzt, wenn das Expanderdrehmoment nicht ausreicht, und die Heizung des Kühlmittels wird beschleunig. Wenn 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, was die zum Neustarten des Rankine-Zyklus 31 erforderliche Zeit verkürzt. Wenn die Pumpe 32 unter Umgehung des Expanders 37 betrieben wird, kann der Rankine-Zyklus 31 hinreichend mit flüssigem Kühlmittel versorgt werden, solange die Temperatur des Kühlmittels an der Auslaßöffnung des Kondensators 38 oder der Einlaßöffnung der Pumpe 32 unter Berücksichtigung des zu dem Zeitpunkt vorhandenen Drucks um einen vorbestimmten Temperaturunterschied (Unterkühlungsgrad SC) hinreichend unter den Siedepunkt absinkt.
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 Regeneration des Rankine-Zyklus bei niedriger Effizienz erfolgt, wird der Betrieb des Rankine-Zyklus eingestellt und die dem Wärmetauscher vor- und nachgeschalteten Kreisläufe werden 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. Wird der Druck des dem Expander 37 zuzuführenden Kühlmittels zu hoch, eröffnet sich das Ventil 68, um das unter übermäßigem Druck stehende Kühlmittel abzulassen.
Das dem Expander 37 nachgeschaltete Rückventil 64 verhindert im Zusammenwirken mit dem Ventil 61 eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im des Rankine-Zyklus 31. 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, und dem Rankine-Zyklus 51 kann mehr Kühlmittel zugeteilt werden. Obwohl die Wahrscheinlichkeit einer derartigen ungleichmäßigen Verteilung im Rankine-Zyklus 31 nicht sehr hoch ist, ist es wünschenswert, das Kühlmittel des Kältekreislaufs 51 dadurch besser abzusichern, dass selbst eine geringfügig ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels behoben wird. Dies ist z. B. gleich nach dem Start des Fahrzeugs im Sommer erforderlich, wenn das Fahrzeuginnnere schnell gekühlt werden muss, was die höchste Kühlleistung erfordert. Also ist das Rückventil 64 vorgesehen, um die ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus 31 zu verhindern.
Der Kompressor 52 ist nicht derart konfiguriert, dass das Kühlmittel bei Betriebsstopp frei durchfließt. Der Kompressor 52 verhindert eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im Kältekreislauf 51 im Zusammenwirken mit dem Klimaanlageventil 69. Dies wird nachfolgend beschrieben. Wird der Betrieb des Kältekreislaufs 51 eingestellt, kann sich das Kühlmittel vom (bei relativ hoher Temperatur konstant betriebenen) Rankine-Zyklus 31 hin zum Kältekreislauf 51 bewegen, was zu einem Kühlmittelmangel im Rankine-Zyklus 31 führt. Gleich nach dem Stopp des Kühlgeräts ist die Temperatur des Verdampfers 55 im Kältekreislauf 51 niedrig. Als neigt das Kühlmittel dazu, sich im Verdampfer 55 anzusammeln, der ein relativ hohes Volumen und niedrige Temperatur aufweist. Zu diesem Zeitpunkt wird eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im Kältekreislauf 51 nicht nur dadurch verhindert, dass die Bewegungen des Kühlmittels vom Kondensator 38 zum Verdampfer 55 aufgrund des Betriebsstopps des Kompressors 52 blockiert sind sondern auch dadurch, dass das Ventil 69 geschlossen ist.
5 ist ein schematische perspektivische Ansicht des Motors 2 insgesamt. Die Besonderheit der 5 besteht darin, dass der Wärmetauscher 36 vertikal oberhalb des Auspuffkrümmers 4 angeordnet ist. Dadurch, dass der Wärmetauscher 36 vertikal oberhalb des Auspuffkrümmers 4 angeordnet ist, wird die Montierbarkeit des Rankine-Zyklus 31 auf den Motor 2 verbessert. Der Motor 2 ist außerdem mit einer Spannrolle 8 ausgestattet.
Anschließend werden die Grundzüge des Betriebs des Rankine-Zyklus 31 unter Bezugnahme auf 7A und 7B beschrieben.
Erstens sind 7A und 7B Diagramme eines Betriebsbereichs des Rankine-Zyklus 31. 7A zeigt den Betriebsbereich des Rankine-Zyklus 31, 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.
Wenn in jeder der 7A und 7B eine vorbestimmte Bedingung erfüllt wird, wird der Rankine-Zyklus 31 betrieben. Wenn 7A und 7B die entsprechenden Bedingungen erfüllt werden, wird der Rankine-Zyklus 31 betrieben. 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. Wenn der Motor geheizt wird (d. h. wenn das Abgas eine niedrige Temperatur aufweist und die Rückgewinnungseffizienz niedrig ist), wird der Rankine-Zyklus 31 nicht betrieben, wodurch die Temperatur des Kühlwassers sofort erhöht wird. Ist die Außenlufttemperatur hoch und wird eine hohe Kühlleistung benötigt, wird der Rankine-Zyklus 31 gestoppt, damit genug Kühlmittel und Kühlleistung vom 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 eingestellt, in denen die Reibung des Expanders 37 erhöht wird. Es ist schwierig, den Expander 37 mit einer dermaßen hohen Effizienz zu versehen, dass bei allen Drehzahlen die Reibung gering bleibt. Also ist der Expander 37 in 7B derart konfiguriert (Dimensionen usw. jedes Bestandteils des Expanders 37 werden eingestellt), dass die Reibung reduziert und im häufig genutzten Rotationsgeschwindigkeit des Motors eine hohe Effizienz erreicht wird.
Das Kühlmittel bewegt sich infolge der Temperaturveränderungen der Bestandteile im Zyklus, und zwar sowohl ohne Rücksicht darauf, ob der Zyklus betrieben wird. Auf diese Weise kommt es zu einer lokal ungleichmäßigen Verteilung des Schmieröls. Im integrierten Zyklus 30 dieser Ausführungsform sind das Ventil 61 und das Rückventil 64 vorgesehen, um eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels (insbesondere auch des Gleitmittels) im nicht betriebenen Rankine-Zyklus 31 (siehe 3) zu verhindern, diese Anordnung kann die ungleichmäßige Verhinderung des Kühlmittels bei Nichtbetrieb des Rankine-Zyklus 31 jedoch nicht ganz verhindern. Die Verteilung des Kühlmittels kann bei Nichtbetrieb kann durch die Verteilung des Kühlmittels, wenn das Fahrzeug nicht gefahren wird (d. h. kein Zündschlüssel), beeinflusst werden. In den Sperrbereichen zwischen den Ventilen kann sich auch eine lokal ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels ergeben. Ist das Kühlmittel ungleich verteilt, kann es vorkommen, dass das Innere (Kreisläufe) des Rankine-Zyklus 31 insgesamt nicht hinreichend mit Gleitmittel versorgt wird, was die Lubrikation der Rotationsteile und dgl. kann beeinträchtigt und die Zuverlässigkeit des Zyklus reduziert werden. Wenn also der Zundschlüssel eingesteckt wird, ist es wünschenswert, dass das Kühlmittel derart zirkuliert wird, dass es sich über das gesamte Innere des Rankine-Zyklus 31 verteilt, um die Lubrikation zu gewährleisten. Um den Rankine-Zyklus 31 zu betreiben, ist es außerdem wichtig, dass genügend flüssiges Kühlmittel an der Einlassöffnung der Pumpe 32 bei Betriebsbeginn hergestellt oder zugeführt wird (vorliegt). Nicht nur dann, wenn der Rankine-Zyklus 31 erstmals nach dem Einstecken des Schlüssels gestartet wird, sondern auch dann, wenn der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 aufgrund der Betriebszustände des Motors 2 vorübergehend eingestellt wird (d. h. Betriebsstopp und Wiederaufnahme des Betriebs werden bei eingestecktem Schlüssel wiederholt), kann es zu einem Kühlmittelmangel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 kommen.
Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt also eine nachfolgend beschriebene vorläufige Antriebssteuerung der Kühlmittelpumpe vor dem Betriebsstart, um eine ungleiche Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus 31 zu beheben und den Kühlmittelmangel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 auszugleichen, wenn der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 gestartet wird. Im Einzelnen wird die Verteilung mindestens einmal nach dem Einstecken des Schlüssels eingestellt, damit das gesamte Innere des Rankine-Zyklus 31 hinreichend mit Kühlmittel versorgt wird. Außerdem erfolgt bei jedem Start des Rankine-Zyklus das Kühlmittel vorbereitet, damit an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 genügend flüssiges Kühlmittel vorhanden ist. Der Unterschied zwischen der Vorbereitung des Kühlmittels und der Einstellung der Verteilung liegt z. B. in der Stärke des vorläufigen Antriebs der Pumpe. Bei der Vorbereitung des Kühlmittels dauert der vorläufige Betrieb der Pumpe länger als bei der Einstellung der Verteilung. Bei der Vorbereitung des Kühlmittels muss der vorläufige Betrieb der Pumpe 32 grundsätzlich kontinuierlich sein. Bei der Umverteilung spielt es hingegen keine große Rolle, ob der vorläufige Antrieb kontinuierlich ist. Da der Unterschied zwischen der Vorbereitung des Kühlmittels und der Umverteilung von den Betriebsbedigungen beeinflusst werden können, kann die jeweilige Dauer der beiden Vorgänge auch umgekehrt sein.
Die Umverteilung, mit der ein Kühlmittelmangel infolge eines länger dauernden Betriebsstoffs ausgeglichen werden soll, genügt, wenn sie mindestens einmal nach dem Einstecken des Schlüssels erfolgt. Selbst wenn der Betrieb des Rankine-Zyklus danach bei eingestecktem Schlüssel vorübergehend eingestellt wird, ist ein Gleitmittelmangel grundsätzlich ausgeschlossen. Die Vorbereitung des Kühlmittels ist eine Vorbearbeitung beim Start, die vor dem Betriebsstart des Rankine-Zyklus erfolgt, damit die Einlaßöffnung der Pumpe 32 im Betrieb des Rankine-Zyklus 31 hinreichend mit flüssigem Kühlmittel versorgt wird (d. h. dass die Kühlmittelzufuhr von der Vergasung des Kühlmittels nicht unterbrochen wird). Ist der Rankine-Zykus 31 gestoppt, verändern sich die Zustände an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 rasch (d. h. eine ununterbrochene Versorgung mit flüsigem Kühlmittel ist nicht mehr möglich). Also wird das Kühlmittel bei jedem Start des Rankine-Zyklus vorbereitet. Darunter, dass die ununterbrochene Versorgung der Einlassöffnung der Pumpe 32 mit flüssigem Kühlmittel möglich ist, ist zu verstehen, dass das Kühlmittel in einem zum Betrieb des Rankine-Zyklus 31 erforderlichen Zustand an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 vorliegt. Im Einzelnen heißt dies, dass eine Abnahme der Temperatur (der Unterkühlungsgrad) an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 (oder der Auslaßöffnung des Kondensators 38) vom Siedepunkt unter Berücksichtigung des Drucks am Standort ein vorbestimmter Wert oder mehr ist. Dazu muss genügend flüssiges Kühlmittel hergestellt und beim Start der Einlassöffnung der Pumpe 32 zugeführt werden.
Hinsichtlich der Anordnung des Steuergeräts umfasst die vorliegende Antriebskontrolle der Kühlmittelpumpe ungefähr: eine erste Umverteilung; eine Kühlmittelvorbereitung; und eine zweite Umverteilung, die jeweils nachfolgend zusammengefasst werden.
(a) Zusammenfassung der ersten Umverteilung
Wenn die Betriebsvoraussetzungen des Rankine-Zyklus 31 (”Rankine-Betriebsbedingungen”) erfüllt sind und eine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, wird die Expanderkupplung 35 befestigt und die Pumpe 32 mit dem Ausgang des Motors 2 betrieben, und das Bypassventil 66 wird eröffnet. Dadurch wird das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 zirkuliert, und die ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus 31 wird behoben. Das Bypassventil 66 wird eröffnet, damit das Kühlmittel den Expander 37 umgeht und so den Streckenwiderstand reduziert wird.
Unter Umverteilungsbedarf ist der Fall zu verstehen, in dem der Rankine-Zyklus 31 während einer Fahrt kein einziges Mal betrieben wird (d. h. vom Ein- bis zum Ausstecken des Schlüssels), oder wenn die Gesamtdauer, in der die Umverteilung erfolgt (insbesondere die 1. und 2. Umverteilung) die Dauer unterschreitet, die zur Behebung der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels (”Umverteilungsdauer”) erforderlich ist. In diesem Fall gilt das Kühlmittel in den Innenkreisläufen des Rankine-Zyklus 31 noch als ungleichmäßig verteilt, und der Kühlmittelmangel gilt als nicht ausgeglichen. Die Umverteilung kann im Rahmen der Vorbereitung des Kühlmittels, um der Einlaßöffnung der Pumpe 32 genügend flüssiges Kühlmittel zuzuführen.
(b) Zusammenfassung der Vorbereitung des Kühlmittels
Wenn die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind und keine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, wird die Expanderkupplung 35 befestigt und das Bypassventil 66 wird während der verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung eröffnet. Dann wird die Pumpe 32 während der Verlangsamung von der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben und es ist genügend (flüssiges) Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 vorhanden.
Erfolgt einige Zeit nach der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen aber keine Unterbrechung der Kraftstoffversorgung, wodurch die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz infolge des Nichtbetriebs des Rankine-Zyklus 31 noch verschärft wird, wird die Expanderkupplung 35 befestigt und die Pumpe 32 von der Antriebskraft des Motors 2 angetrieben. So ist an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 genügend Kühlmittel vorhanden und der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 beginnt nach Abschluss der Vorbereitung
Wird die verlangsamungsbedingte Unterbrechung der Kraftstoffversorgung beendet, noch bevor genügend Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Kühlmittelpumpe 32 vorhanden ist, wird die Pumpe 32 mit dem Ausgang des Motors 2 weiter betrieben, damit das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 auf zuverlässige Weise vorbereitet wird. Die Vorbereitung des Kühlmittels kann auch zur Umverteilung und damit zur Beseitigung der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus 31 sowie zum Ausgleich des Gleitmittelmangels dienen.
(c) Zusammenfassung der zweiten Umverteilung
Wenn die Rankine-Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind und das Kühlmittel umverteilt werden muss, wird die Expanderkupplung 35 befestigt und das Bypassventil 66 wird während der verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung des Motors 2 eröffnet, und die Pumpe 32 wird zum Zeitpunkt der Verlangsamung mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben. Dadurch wird das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 zirkuliert, und die ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels wird behoben.
Wenn aber die verlangsamungsbedingte Unterbrechung der Kraftstoffversorgung noch vor der Beseitigung der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels endet, wird die Expanderkupplung 35 freigegeben und die Bearbeitung wird beendet.
8 ist ein Flussdiagramm der vorläufigen Antriebssteuerung der oben beschriebenen Kühlmittelpumpe. Die vorläufige Antriebssteuerung der Kühlmittelpumpe wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm näher beschrieben.
In den Schritten S11–S16 ermittelt die Motorregelung 71, ob der Rankine-Zyklus 31 betrieben wird (bereits gestartet wurde) (Schritt S11), ob die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind (Schritt S12) und ob das Kühlmittel umverteilt werden muss (eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels vorliegt) (Schritte S15 und S16).
Wenn die Rankine-Betriebsbedingungen nicht vorher erfüllt werden und diesmal erstmalig erfüllt werden, veranlasst die Motorregelung 71 einen Timer 1, die nach der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen abgelaufene Zeit zu messen (Schritte S13 und S14). Der Timer 1 ist geeignet, die Zeit zu messen, die trotz der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen ohne verlangsamungsbedingte Unterbrechung der Kraftstoffversorgung noch Betrieb des Rankine-Zyklus 31 abgelaufen ist.
Die Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen wird unter Bezugnahme auf die in 7A und 7B abgebildeten Tabellen ermittelt. Befinden sich ein von der Außentemperatur und der Kühlwassertemperatur bestimmter Betriebspunkt und ein von der Rotationsgeschwindigkeit und dem Drehmoment bestimmter Betriebspunkt beide im Betriebsbereich der Rankine-Zyklus, wird die Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen festgestellt.
Beim Betrieb des Rankine-Zyklus befestigt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 und treibt die Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 an, und erhält dabei den Rankine-Betriebszustand aufrecht, in dem das Kühlmittel der Seite des Expanders 37 bei geschlossenem Bypassventil 66 zugeführt wird (Schritt S61) und setzt den Timer 1 und einen Timer 2 zurück (Schritte S62 und S63).
Der Timer 2 ist geeignet, bei der 1. Umverteilung des Kühlmittels, der Vorbereitung des Kühlmittels und der 2. Umverteilung des Kühlmittels die Zeit zu messen, die nach dem Start der Pumpe 32 bei befestigter Expanderkupplung 35 abgelaufen ist. Mit dem Timer 2 wird ermittelt, ob die Dauer des vorläufigen Antriebs der Pumpe eine Kühlmittelvorbereitungszeit erreicht hat, die ausreicht, um die Einlaßöffnung der Pumpe 32 hinreichend mit flüssigem Kühlmittel zu versorgen.
Wenn der Rankine-Zyklus nicht betrieben wird, die Rankine-Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind und keine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, gibt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 frei und eröffnet das Bypassventil 66 (Schritt S64) und behält dabei den Nichtbetriebszustand des Rankine-Zyklus bei und setzt den Timer 1 und den Timer 2 zurück (Schritte S62 und S63).
(a) Näheres zur ersten Umverteilung des Kühlmittels
Wenn der Rankine-Zyklus nicht betrieben wird, die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind und eine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, geht die Bearbeitung weiter zum Schritt S21 und die Motorregelung 71 führt die erste Umverteilung durch.
Zunächst ermittelt die Motorregelung 71, ob die Umverteilung des Kühlmittels (insbesondere die 1. und 2. Umverteilung) während dieser Fahrt zum erstenmal erfolgt (Schritt S21). Bei erstmaliger Umverteilung wird ein Zähler N auf Null zurückgesetzt (Schritt S22); bei nicht erstmaliger Umverteilung wird der Zähler N erhöht (Schritt S23).
Der Zähler N ist geeignet, die Dauer der Umverteilung des Kühlmittels kumulativ zu messen. Bei der 1. oder 2. Umverteilung des Kühlmittels steigt der Zähler N weiterhin, und wird nach dem Ende der Fahrt wieder zurückgesetzt.
Danach ermittelt die Motorregelung 71, ob die Umverteilung an die vorige Umverteilung anschließt (Schritt S24). Schließt die Umverteilung nicht an die vorige Umverteilung an (d. h. die Umverteilung beginnt diesmal) wird der Timer 2 gestartet (Schritt S25).
Danach ermittelt die Motorregelung 71, ob der Zähler N gleich der Umverteilungszeit ist oder diese übersteigt (Schritt S26). Die Umverteilungszeit wird als die zur Umverteilung des Kühlmittels zur Behebung der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels erforderliche Betriebszeit eingestellt (d. h. Antriebszeit der Pumpe 32).
Wenn der Zähler N die Umverteilungszeit unterschreitet, ist die ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels noch nicht behoben. Also befestigt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 und treibt die Pumpe 32 an, und eröffnet das Bypassventil 66, damit das Kühlmittel den Expander 37 umgeht (Schritt S65). Dadurch wird das Kühlmittel des Rankine-Zyklus 31 zirkuliert, und das Kühlmittel wird umverteilt. Zu diesem Zeitpunkt wird als Antriebskraft der Pumpe 32 während der verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung die Trägheitskraft des Fahrzeugs und sonst die Antriebskraft des Motors 2 verwendet.
Wenn ob der Zähler N gleich der Umverteilungszeit ist oder diese übersteigt, ermittelt die Motorregelung 71, ob der Timer 2 gleich einer Vorbereitungszeit oder diese übersteigt (Schritt S66). Die Vorbereitungszeit, die ab Antriebsbeginn der Pumpe 32 gezählt wird, ist die zur Umverteilung des Kühlmittels und zur hinreichenden Vorbereitung des Kühlmittels (in flüssiger Form) an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 erforderliche Zeit.
Wenn der Timer 2 die Vorbereitungszeit unterschreitet, ist das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 nicht hinreichend vorbereitet. Also befestigt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 und treibt die Pumpe 32 an, und eröffnet das Bypassventil 66, damit das Kühlmittel den Expander 37 umgeht (Schritt S65). Dadurch wird das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 hinreichend vorbereitet.
Wenn der Timer 2 gleich der Vorbereitungszeit oder diese übersteigt, ist das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 hinreichend vorbereitet. Also befestigt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 und treibt die Pumpe 32 an, und schließt das Bypassventil 66, damit das Kühlmittel in den Expander 37 fließt (Schritt S67). Danach beginnt der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 eingestellt. Außerdem setzt die Motorregelung 71 den Timer 1 und den Timer 2 zurück (Schritt S68).
(b) Näheres zur Vorbereitung des Kühlmittels
Wenn der Rankine-Zyklus nicht betrieben wird, die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind und keine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, geht die Bearbeitung weiter zum Schritt S31 und die Motorregelung 71 bereitet das Kühlmittel vor.
Danach ermittelt die Motorregelung 71, ob der Motor 2 während der verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung ist (Schritt S31). Wenn die Motorregelung 71 ermittelt, dass der Motor 2 nicht während der verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung ist, ermittelt die Motorregelung 71 ferner, ob der Timer 1 gleich einem Wartezeit-Grenzwert ist oder diesen übersteigt (Schritt S33).
Der Wartezeit-Grenzwert wird als Grenzwert der Wartezeit nach der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen eingestellt, in der durch den Antrieb der Pumpe 32 mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs mit einer Verstärkung der Kraftstoffeffizienz gerechnet wird. Dieser Grenzwert wird auch länger als die Vorbereitungszeit eingestellt. Wird der Grenzwert überschritten, nimmt der Einfluss der Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz infolge des Nichtbetriebs des Rankine-Zyklus 31 zu. Also wird die Kraftstoffeffizienz eher durch Befestigen der Expanderkupplung 35 und Antreiben der Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 verstärkt.
Während die Unterbrechung der Kraftstoffversorgung andauert, oder der Timer 1 gleich dem Wartezeit-Grenzwert ist oder diesen übersteigt, ermittelt die Motorregelung 71, ob das vorige Ergebnis auch war, dass die Unterbrechung der Kraftstoffversorgung andauerte oder der Timer 1 gleich dem Grenzwert war oder diesen überstieg (Schritt S33). War das vorige Ergebnis, dass die Versorgungsunterbrechung nicht andauerte oder der Timer den Grenzwert unterschritt (d. h. die Versorgungsunterbrechung nun andauert oder der Timer 1 zwischen der vorigen Zeit und dieser Zeit gleich dem Grenzwert geworden ist oder diesen überschritten hat), wird der Timer 2 gestartet (Schritt S35).
Danach ermittelt die Motorregelung 71, ob der Timer 2 gleich der Vorbereitungszeit ist oder diese übersteigt (Schritt S66). Wenn der Timer 2 die Vorbereitungszeit unterschreitet, ist das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 nicht hinreichend vorbereitet. Also wird die Expanderkupplung 35 befestigt die Pumpe 32 angetrieben, und das Bypassventil 66 wird eröffnet, damit das Kühlmittel den Expander 37 umgeht (Schritt S65). Dadurch wird das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 hinreichend vorbereitet.
Wenn der Timer 2 gleich der Vorbereitungszeit ist oder diesen übersteigt, befestigt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 und treibt die Pumpe 32 an, und schließt das Bypassventil 66, damit das Kühlmittel in den Expander 37 fließt (Schritt S67). Danach beginnt der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 eingestellt. Außerdem setzt die Motorregelung 71 den Timer 1 und den Timer 2 zurück (Schritt S68).
Wenn die Versorgungsunterbrechung nicht andauert und der Timer 1 den Grenzwert unterschreitet, ermittelt die Motorregelung 71, ob die Expanderkupplung 35 bereits befestigt ist (Schritt S37). Ist die Expanderkupplung 35 bereits befestigt worden, hält die Motorregelung 71 die Kupplung 35 befestigt und das Bypassventil 66 offen, bis der Timer gleich der vorbestimmten Zeit ist oder diese übersteigt (Schritte S66 und S65). Wenn die Expanderkupplung 35 frei ist, hält die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 frei und das Bypassventil 66 offen (Schritt S69).
(c) Näheres zur zweiten Umverteilung des Kühlmittels
Wenn der Rankine-Zyklus nicht betrieben wird, die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind und keine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, geht die Bearbeitung weiter zum Schritt S41 und nimmt die Motorregelung 71 die 2. Umverteilung des Kühlmittels vor.
Zunächst ermittelt die Motorregelung 71, ob der Motor 2 während der verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung ist. Wenn er nicht während der Versorgungsunterbrechung ist, gibt die Motorregelung 71 die Expanderkupplung 35 frei, und eröffnet Bypassventil 66 (Schritt S64). Dann hält die Motorregelung 71 den Rankine-Zyklus im nicht betriebenen Zustand und setzt den Timer 1 und den Timer 2 zurück (Schritte S62 und S63).
Ist der Motor 2 während der Versorgungsunterbrechung, ermittelt die Motorregelung 2 ferner, ob die Umverteilung des Kühlmittels (insbesondere die 1. und 2. Umverteilung) während dieser Fahrt zum erstenmal erfolgt (Schritt S42). Bei erstmaliger Umverteilung wird ein Zähler N auf Null zurückgesetzt (Schritt S43); bei nicht erstmaliger Umverteilung wird der Zähler N erhöht (Schritt S44).
Danach ermittelt die Motorregelung 71, ob der Zähler N gleich der Umverteilungszeit ist oder diese übersteigt (Schritt S45). Wenn der Zähler N gleich der Umverteilungszeit ist oder diese übersteigt, ist die Umverteilung des Kühlmittels abgeschlossen. Also wird die Expanderkupplung 35 freigegeben und das Bypassventil 66 eröffnet (Schritt S64). Dann halt die Motorregelung 71 den Rankine-Zyklus im nicht betriebenen Zustand und setzt den Timer 1 und den Timer 2 zurück (Schritte S62 und S63).
Wenn der Zähler N die Umverteilungszeit unterschreitet, wird ermittelt, ob die 2. Umverteilung des Kühlmittels an die vorige Umverteilung anschließt (Schritt S46). Schließt die 2. Umverteilung nicht an die vorige Umverteilung an (d. h. die 2. Umverteilung beginnt diesmal) wird der Timer 2 gestartet (Schritt S67).
Die Motorregelung 71 befestigt die Expanderkupplung 35 und treibt die Pumpe 32 an, und eröffnet das Bypassventil 66, damit das Kühlmittel den Expander 37 umgeht (Schritt S70). Dann setzt die Motorregelung 71 den Timer 1 zurück (Schritt S63). Die vorteilhafte Wirkung der vorläufigen Antriebssteuerung der Kühlmittelpumpe wird nachfolgend näher beschrieben.
Gemäß der oben beschriebenen vorläufigen Antriebssteuerung wird die Pumpe 32 vor Betriebsbeginn des Rankine-Zyklus 31 (Schritt S65 und S70) angetrieben. Als Quelle der Antriebskraft der Pumpe 32 wird während der Versorgungsunterbrechung die Trägheitskraft des Fahrzeugs verwendet und die Antriebskraft des Motors 2 wird nicht verbraucht. Also wird die Kraftstoffeffizienz gegenüber dem Stand der Technik (Druckschrift 1) verstärkt.
Wenn die Pumpe 32 angetrieben wird, wird das Bypassventil 66 wird eröffnet, damit das Kühlmittel den Expander 37 umgeht (Schritte S65 und S70). Wenn der auf die Bewegungen des Kühlmittels im Rankine-Zyklus 31 angewendete Streckenwiderstand reduziert wird, lässt sich das Kühlmittel leicht umverteilen. Dadurch kann das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 leichter verflüssigt werden.
Ein Beispiel eines Falls, in dem die Pumpe 32 vor dem Betriebsbeginn des Rankine-Zyklus 31 angetrieben wird, ist der Fall der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen. Die Pumpe 32 wird während der Versorgungsunterbrechung von der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben und es ist genügend (flüssiges) Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 vorhanden (Y in den Schritten S12 und S31 und Schritt S65). Da die Antriebskraft des Motors 2 nicht verbraucht wird, verschlechtert sich die Kraftstoffeffizienz nicht.
Wenn die Versorgungsunterbrechung selbst nach Ablauf des Wartezeit-Grenzwerts nach der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen nicht eingeleitet wird, wird die Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 angetrieben (Y im Schritt S32, Schritt S65). Also verhindert diese Konfiguration die vom langfristigen Nichtbetrieb des Rankine-Zyklus verursachte Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz verhindert, während die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind.
Wenn in dieser Ausführungsform die Versorgungsunterbrechung selbst nach Ablauf des Wartezeit-Grenzwerts nach der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen nicht eingeleitet wird, wird die Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 angetrieben. Alternativ kann die Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 angetrieben werden, wenn die Versorgungsunterbrechung selbst nach Erreichen einer vorbestimmten Strecke nach der Erfüllung der Rankine-Betriebsbedingungen nicht eingeleitet wird.
Außerdem, sobald der Antrieb der Pumpe 32 gleichzeitig mit der Versorgungsunterbrechung beginnt, wird die Pumpe 32 selbst bei einer vorzeitigen Unterbrechung der Versorgungsunterbrechung weiter angetrieben, indem der Antrieb von der Trägheitskraft auf die Antriebskraft des Motors 2 umgeschaltet wird, bis das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 hinreichend vorbereitet ist (N im Schritt S31, Y im Schritt S37, Schritt S65). Dadurch wird das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 vor Beginn des Betriebs des Rankine-Zyklus 321 auf zuverlässige Weise hinreichend vorbereitet.
9 ist ein Zeitdiagramm eines Falls, in dem beim Fahren die Rankine-Betriebsbedindungen erfüllt sind. In diesem Fall wird das Gaspedal zum Zeitpunkt t11 freigegeben und die Versorgungsunterbrechung beginnt nach einer Verzögerung zum Zeitpunkt t12. Außerdem werden die Rankine-Betriebsbedingungen zum Zeitpunkt t212 erfüllt.
Gemäß der oben beschriebenen vorläufigen Antriebssteuerung der Kühlmittelpumpe ist die Expanderkupplung 35 befestigt und der Antrieb der Kühlmittelpumpe 32 beginnt zum Zeitpunkt t12. Die Kühlmittelpumpe 32 wird während der Versorgungsunterbrechung mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben. Also wird der Verbrauch der Antriebskraft des Motors 2 um den vom schraffierten Bereich der Zeichnung angedeuteten Wert gegenüber der Konfiguration, bei der die Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 angetrieben wird, reduziert. Dadurch wird die Kraftstoffeffizienz erhöht.
Während des Betriebs der Pumpe 32 ist das Bypassventil 66 geöffnet. Mit dieser Anordnung umgeht das Kühlmittel den Expander 37 und der auf das Kühlmittel im Rankine-Zyklus 31 angewendete Streckenwiderstand wird reduziert. Dadurch lässt sich das Kühlmittel leichter umverteilen und an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 leichter verflüssigen.
Wenn danach das (flüssige) Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 hinreichend vorbereitet wird, beginnt zum Zeitpunkt t13 der Betrieb des Rankine-Zyklus 31.
Zum Zeitpunkt t14 wird die Wandlerkupplung bei getätigtem Gaspedal befestigt, und die Einspritzung wird wieder aufgenommen.
Ein Beispiel eines Falls, in dem die Pumpe 32 vor dem Betriebsbeginn des Rankine-Zyklus 31 angetrieben wird, ist der Fall, in dem: nach der Feststellung, dass eine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist (d. h. dass das Kühlmittel ungleichmäßig verteilt ist) und die Rankine-Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind, wird die Pumpe 32 während der Versorgungsunterbrechung mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben, um das Kühlmittel im Rankine-Zyklus 31 umzuverteilen (N im Schritt S12, Y in den Schritten S16 und S41, Schritt S70). Da die Antriebskraft des Motors 2 nicht verbraucht wird, verschlechtert sich die Kraftstoffeffizienz nicht.
Wird die Versorgungsunterbrechung vor Abschluss der Umverteilung beendet, wird der Antrieb der Pumpe 32 eingestellt und die Umverteilung wird auch eingestellt (N im Schritt S41, S64). Da die Rankine-Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind, kommt es zu keiner Wirkung wie z. B. einer Verzögerung des Betriebsbeginns des Rankine-Zyklus 31. Durch die Wiederaufnahme des Betriebs der Pumpe 32 zum Zeitpunkt der nächsten Versorgungsunterbrechung wird die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz unterdrückt.
Die Umverteilung erfolgt, wenn der Rankine-Zyklus 31 während einer Fahrt gar nicht betrieben wird, oder wenn der kumulative Zeitwert, in dem die Umverteilung erfolgt (insbesonderauch die 1. und 2. Umverteilung des Kühlmittels), die Umverteilungszeit unterschreitet (Y im Schritt S15 oder S16). Wenn nach Fahrtende und vor dem Beginn der nächsten Fahrt eine längere Zeit abläuft, kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels. Durch die oben beschriebene Steuerung wird das Kühlmittel in einer beliebigen Fahrt umverteilt.
Durch Messen der nach Abschluss der vorigen Umverteilung abgelaufenen Zeit, zurückgelegten Strecke, usw., kann das Kühlmittel umverteilt werden, wenn die Zeit abgelaufen ist, die Strecke zurückgelegt worden ist, oder sonst ein vorbestimmter Wert erreicht wird (d. h. Zeit, Entfernung oder dgl., bei der das Kühlmittel womöglich ungleichmäßig verteilt ist).
10 ist ein Zeitdiagramm des Falls, in dem die Kühlmittelpumpe 32 angetrieben wird, um die Verteilung des Kühlmittels einzustellen, während die Rankine-Betriebsbedingungen nicht erfüllt sind. In diesem Fall wird das Gaspedal zum Zeitpunkt t21 freigegeben und die Versorgungsunterbrechung beginnt nach einer Verzögerung zum Zeitpunkt t22.
Gemäß der oben beschriebenen vorläufigen Antriebssteuerung der Kühlmittelpumpe wird die Expanderkupplung 35 befestigt, wenn eine Umverteilung des Kühlmittels erforderlich ist, und die Pumpe 32 wird während der Versorgungsunterbrechung mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben, wie in der Zeichnung dargestellt. Bei dieser Anordnung wird der Verbrauch der Antriebskraft des Motors 2 um den vom schraffierten Bereich der Zeichnung angedeuteten Wert gegenüber der Konfiguration, bei der die Pumpe 32 mit der Antriebskraft des Motors 2 angetrieben wird, reduziert. Dadurch wird die Kraftstoffeffizienz erhöht.
Während des Betriebs der Pumpe 32 ist das Bypassventil 66 außerdem geöffnet. Deshalb umgeht das Kühlmittel den Expander 37 und der Streckenwiderstand wird reduziert. Dadurch lässt sich das Kühlmittel leichter umverteilen und an der Einlaßöffnung der Pumpe 32 leichter verflüssigen.
Wenn danach die Rotationsgeschwindigkeit 2 zum Zeitpunkt t23 auf eine Wiederherstellungsgeschwindigkeit für den Fall der Versorgungsunterbrechung reduziert wird, wird die Wandlerkupplung freigesetzt und die Einspritzung wieder aufgenommen. Daraufhin wird die Expanderkupplung 35 freigegeben und der Betrieb der Pumpe 32 eingestellt.
Oben wurden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die obigen Ausführungsformen sind jedoch lediglich Beispiele, in denen der Aspekt der Erfindung angewendet wird, und der Schutzumfang der Erfindung ist keineswegs auf die konkreten Konfigurationen der obigen Ausführungsformen beschränkt.
In den obigen Ausführungsformen wird die Kühlmittelpumpe 32 während der Versorgungsunterbrechung mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben. Die Pumpe 32 kann jedoch mit nur dann mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben werden, wenn die Versorgungsunterbrechung erfolgt, nachdem der Betriebspunkt des Motors 2 in einen Bereich mit hoher Belastung oder hoher Rotationsgeschwindigkeit eintritt und die Rankine-Betriebsbedingungen erfüllt sind.
Solange die Pumpe 32 mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs unter den vorgenannten Betriebsbedingungen angetrieben wird, wenn die Belastung des Motors 2 oder dessen Rotationsgeschwindigkeit reduziert wird und die Rankine-Nichtbetriebsbedingungen nicht mehr vorliegen, beginnt der Betrieb des Rankine-Zyklus 31 schnell. Während die Reibung des Expanders 37 unter den vorgenannten Betriebsbedingungen hoch ist, kommt es auf die Reibung des Expanders 37 nicht an, da in dieser Situation kein positiver Ausgang erforderlich ist.
In den obigen Ausführungsformen erfolgt der primäre Antrieb der Kühlmittelpumpe während der Versorgungsunterbrechung, kann aber auch zu anderen Zeitpunkten erfolgen. Solange die Verlangsamung erfolgt, kann die Kühlmittelpumpe 32 auch ohne Versorgungsunterbrechung mit der Trägheitskraft des Fahrzeugs angetrieben werden. Daher wird der Kraftstoffverbrauch infolge der Umverteilung oder Vorbereitung des Kühlmittels unterdrückt. Das Eintreten einer Verlangsamung wird aufgrund einer mangelnden Beschleunigungsabsicht erkannt (d. h. Freigabe des Gaspedals durch den Fahrer). Bei dem in der Ausführungsform beschriebenen hybriden Fahrzeug erfolgt der vorläufige Antrieb der Kühlmittelpumpe bei der Ausführung der Erfindung mithilfe der Trägheitskraft des Fahrzeugs unter Befestigung der 1. AWK 86 auch während der Verlangsamung, selbst wenn der Energieübertragungsweg zwischen Motor und Antriebsrädern während der Verlangsamung (die 1. AWK 86 ist ausgeschaltet) abgeschnitten wird.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-216752 , die am 30. September 2011 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde und die vollinhaltlich als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gilt.

Claims

Rankine-Zyklus umfassend: eine zur Zirkulation eines Kühlmittels geeignete Kühlmittelpumpe; einen Wärmetauscher zur Sammlung der Abwärme des Motors mit dem Kühlmittel; einen Expander zur Umwandlung der mit dem Kühlmittel gesammelten Abwärme durch Expandieren des Kühlmittels in Antriebskraft; einen Kondensator zur Kondensation des vom Expander expandierten Kühlmittels; eine in einem sich vom Motor zur Kühlmittelpumpe erstreckenden Energieübertragungsweg angeordnete Kupplung; und ein Vorantriebsgerät der Kühlmittelpumpe zur Befestigung Kupplung und zum Antrieb der Kühlmittelpumpe mithilfe der Trägheitskraft des Fahrzeugs vor dem Betrieb des Rankine-Zyklus und während der Verlangsamung des Fahrzeugs.
Rankine-Zyklus nach Anspruch 1, umfassend: ein den Expander umgehendes Bypassventil, wobei das Vorantriebsgerät das Bypassventil eröffnet, damit das Kühlmittel den Expander umgeht, während die Kühlmittelpumpe bei befestigter Kupplung vor dem Betrieb des Rankine-Zyklus und während der Verlangsamung angetrieben wird.
Rankine-Zyklus nach Anspruch 1 oder 2, wobei: Das Vorantriebsgerät die Kupplung befestigt und die Kühlmittelpumpe während der Verlangsamung antreibt, wenn die Betriebsbedingungen des Rankine-Zyklus erfüllt sind, so dass das Kühlmittel an einer Einlaßöffnung der Kühlmittelpumpe in einem vorbestimmten Zustand vorliegt.
Rankine-Zyklus nach Anspruch 3, wobei: das Vorantriebsgerät die Kupplung befestigt und die Kühlmittelpumpe mithilfe der Antriebskraft des Motors antreibt, wenn keine Verlangsamung des Fahrzeugs vorliegt, und zwar selbst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit nach der Erfüllung der Betriebsbedingungen des Rankine-Zyklus.
Rankine-Zyklus nach Anspruch 3, wobei: die Kupplung befestigt bleibt und die Kühlmittelpumpe mithilfe der Antriebskraft des Motors angetrieben wird, wenn die Verlangsamung des Fahrzeugs endet, bevor das Kühlmittel an der Einlaßöffnung der Kühlmittelpumpe im vorbestimmten Zustand vorliegt.
Rankine-Zyklus nach einem der Ansprüche 1–5, wobei: das Vorantriebsgerät die Kupplung befestigt und die Kühlmittelpumpe während der Verlangsamung des Fahrzeugs antreibt, wenn die Betriebsbedingungen des Rankine-Zyklus nicht erfüllt sind, um eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus zu beheben.
Rankine-Zyklus nach Anspruch 6, wobei: das Vorantriebsgerät die Kupplung befestigt und den ANtrieb der Kühlmittelpumpe einstellt, wenn die Verlangsamung des Fahrzeugs vor der Behebung der ungleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus eingestellt wird.
Rankine-Zyklus nach Anspruch 6 oder 7, wobei: das Vorantriebsgerät der Kühlmittelpumpe ermittelt, ob im Rankine-Zyklus eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels vorliegt, und die Kupplung befestigt und die Kühlmittelpumpe während der Verlangsamung des Fahrzeugs antreibt, wenn die Betriebsbedingungen des Rankine-Zyklus nicht erfüllt sind und eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels festgestellt wird, um eine ungleichmäßige Verteilung des Kühlmittels im Rankine-Zyklus zu beheben.
Rankine-Zyklus nach einem der Ansprüche 1–8, wobei: die Verlangsamung des Fahrzeugs mit einer verlangsamungsbedingten Unterbrechung der Kraftstoffversorgung verbunden ist, und die Versorgungsunterbrechung erfolgt, nachdem ein Betriebspunkt des Motors einen Bereich mit hoher Belastung oder Rotationsgeschwindigkeit erreicht und der Betrieb des Rankine-Zyklus verboten ist.
Rankine-Zyklus nach einem der Ansprüche 1–9, wobei: der Rankine-Zyklus den Kondensator und das Kühlmittel mit einem Kältekreislauf einer Klimaanlage teilt.