JP2011085071A

JP2011085071A - 廃熱回生システム

Info

Publication number: JP2011085071A
Application number: JP2009238298A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Mori; 英文森; Masao Iguchi; 雅夫井口; Fuminobu Enoshima; 史修榎島; Masahiro Kawaguchi; 真広川口
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-15
Also published as: JP5163620B2; US20110088394A1; KR20110041392A; EP2312136A1; CN102042120A

Abstract

【課題】エンジンのキースイッチがオフにされた際に、モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる廃熱回生システムを提供する。
【解決手段】廃熱回生システム１００のランキンサイクル１１０は、ギヤポンプ１１１と、冷却水ボイラ１１２と、排気ガスボイラ１１３と、膨張機１１４と、コンデンサ１１５とから構成される。また、膨張機１１４で発生した動力を電力に変換するモータジェネレータ１１６と、コンデンサ１１５の上流側と下流側とを連通させるバイパス流路１１７とを備える。コントロールユニット１５０は、モータジェネレータ１１６の回転数制御を行い、エンジン１４０のキースイッチがオフにされると、バイパス流路１１７を開状態にした後、膨張機１１４の上流側と下流側との圧力差Δｐが所定値δｐ以下になるのを待って、モータジェネレータ１１６の回転数制御を停止する、
【選択図】図１

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。

車両用エンジンの廃熱を動力に変換するランキンサイクルを利用した廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクルは、液相冷媒を加圧吐出するポンプと、液相冷媒をエンジンの廃熱と熱交換させて気化させるボイラと、気相冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張機と、気相冷媒を凝縮させるコンデンサとから構成されている。

特許文献１には、冷却水ボイラと排気ガスボイラとを備えた廃熱回生システムが記載されている。図１を参照すると、この廃熱回生システムのランキンサイクル１７は、冷媒をラジエータの冷却水と熱交換させて加熱する冷却水ボイラである第１熱交換器１５と、冷媒をエンジン１から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する排気ガスボイラである第２熱交換器３とを備えている。冷媒ポンプ４から吐出された冷媒は、第１熱交換器１５及び第２熱交換器３において熱を吸収し、膨張機５において膨張する過程で動力を発生させ、冷却器（コンデンサ）６において凝縮される過程で熱を放出する。

特開２００７−８５１９５号公報

従来、膨張機の出力軸に回転駆動力を電力に変換するモータジェネレータを接続し、その回転数を制御装置によって制御して発電を行うことが行われている。しかしながら、そのような構成において、エンジンを停止するためにキースイッチがオフにされると、ランキンサイクルの動作が停止するが、このとき、モータジェネレータの回転数制御（モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐ制御）をそれと同時に突然停止させてしまうと、膨張機の上流側と下流側とに圧力差が残存するため、モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇し、ノイズバイブレーション（ＮＶ）の悪化及びモータジェネレータの劣化・損傷に繋がる虞がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、ランキンサイクルの膨張機にモータジェネレータを接続してその回転数を制御する構成において、エンジンを停止するためにキースイッチがオフにされた際に、モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、冷媒を加圧吐出するポンプと、冷媒をエンジンからの廃熱と熱交換させるボイラと、冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張機と、冷媒を凝縮させるコンデンサとから構成されるランキンサイクルを有する廃熱回生システムであって、廃熱回生システムの動作を制御する制御手段と、膨張機で発生した動力を電力に変換するモータジェネレータと、コンデンサの上流側と下流側とを連通させるバイパス流路とを備え、制御手段は、モータジェネレータの回転数制御を行い、エンジンのキースイッチがオフにされると、バイパス流路を開状態にした後、膨張機の上流側と下流側との圧力差が所定値以下になるのを待って、モータジェネレータの回転数制御を停止する。
これにより、エンジンのキースイッチがオフにされた際に、モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。

また、この発明に係る廃熱回生システムは、冷媒を加圧吐出するポンプと、冷媒をエンジンからの廃熱と熱交換させるボイラと、冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張機と、冷媒を凝縮させるコンデンサとから構成されるランキンサイクルを有する廃熱回生システムであって、廃熱回生システムの動作を制御する制御手段と、膨張機で発生した動力を電力に変換するモータジェネレータと、ポンプの下流側から膨張機の上流側までの領域と、膨張機の下流側からポンプの上流側までの領域とを連通させるバイパス流路とを備え、制御手段は、モータジェネレータの回転数制御を行い、エンジンのキースイッチがオフにされると、バイパス流路を開状態にする。
これにより、エンジンのキースイッチがオフにされた際に、モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。また、バイパス流路を開状態にするのと同時にモータジェネレータの回転数制御を停止することができる。

この発明に係る廃熱回生システムによれば、エンジンを停止するためにキースイッチがオフにされた際に、モータジェネレータの回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。

この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
車両に搭載される廃熱回生システム１００において、ランキンサイクル１１０は、液相冷媒を断熱圧縮して吐出するギヤポンプ１１１と、冷媒をラジエータ１３０の冷却水と熱交換させて等圧加熱する冷却水ボイラ１１２と、冷媒をエンジン１４０から排出される排気ガスと熱交換させて等圧加熱する排気ガスボイラ１１３と、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３において等圧加熱されて気化された冷媒を断熱膨張させて動力を発生させる膨張機１１４と、気相冷媒を等圧凝縮させるコンデンサ１１５とから構成され、それらの内部を冷媒が循環する。これ以降、ランキンサイクル１１０において、ギヤポンプ１１１の下流側から膨張機１１４の上流側までの領域を「高圧領域」、膨張機１１４の下流側からギヤポンプ１１１の上流側までの領域を「低圧領域」と呼ぶ。

膨張機１１４の出力軸１１４ａは、気相冷媒が膨張機１１４の内部で膨張する過程において発生させる動力によって回転駆動され、モータジェネレータ１１６を介してギヤポンプ１１１の駆動軸１１１ａに連結されている。ここで、モータジェネレータ１１６は、回転駆動力を電力に変換するものであり、コントロールユニット１５０に電気的に接続されている。コントロールユニット１５０は、廃熱回生システム１００の動作を制御するための制御手段であり、モータジェネレータ１１６の回転数制御（モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐ制御、並びに、膨張機１１４の入口の温度が所定値になるようにする制御）を行う。

コンデンサ１１５の上流側には、バイパス流路１１７の一端が接続されており、バイパス流路１１７の他端は、コンデンサ１１５の下流側に接続されている。ここで、バイパス流路１１７の圧力損失は、コンデンサ１１５のそれに比べて十分小さくなるように調整されている。バイパス流路１１７の途中には、開閉弁１１８が設けられており、開閉弁１１８は、コントロールユニット１５０に電気的に接続されている。コントロールユニット１５０は、開閉弁１１８を開閉させることによって、バイパス流路１１７の開閉状態を制御する。

次に、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。

車両が運転状態にあり、モータジェネレータ１１６が回転数制御されている状態では、開閉弁１１８は閉じられており、バイパス流路１１７は閉状態である。このとき、ギヤポンプ１１１から吐出された冷媒は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３を流通する過程において高温の気相冷媒となり、膨張機１１４において膨張する過程で動力を発生させ、コンデンサ１１５において凝縮されて液相冷媒となった後、ギヤポンプ１１１に再び吸入される。

この状態において、運転者によってエンジン１４０のキースイッチがオフにされると、コントロールユニット１５０は、開閉弁１１８を開くことによって、バイパス流路１１７を開状態にすると共に、内蔵タイマによる時間計測を開始し、モータジェネレータ１１６の回転数制御を停止してもその回転数が許容値を超えなくなるまでに要する所定時間Ｔ（定め方は後述）が経過するのを待つ。

このとき、ギヤポンプ１１１から吐出された冷媒は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３を流通する過程で気化した後、膨張機１１４において膨張する。次に、バイパス流路１１７は開状態であり、その圧力損失はコンデンサ１１５のそれに比べて十分小さくなるように調整されているため、膨張機１１４を出た気相冷媒は、コンデンサ１１５には流入せず、バイパス流路１１７を流通して、ギヤポンプ１１１に再び吸入される。ここで、ギヤポンプ１１１の入口容積は、膨張機１１４の入口容積に比べて小さくなるように構成されており、それらの容積差によって、ランキンサイクル１１０における低圧領域が次第に昇圧されていく。その結果、膨張機１１４の上流側の圧力ｐ１と膨張機１１４の下流側の圧力ｐ２との圧力差Δｐ＝ｐ１−ｐ２が次第に０に近づいていく。

コントロールユニット１５０は、膨張機１１４の上流側と下流側との圧力差Δｐが、モータジェネレータ１１６の回転数制御を停止してもその回転数が許容値を超えることがない所定値δｐ（０．２ＭＰａ程度）以下になるまでに要する時間を実験により予め取得し、これを所定時間Ｔとして内蔵メモリに記憶している。そして、この所定時間Ｔが経過するのを待って、モータジェネレータ１１６の回転数制御を停止する。そのため、モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。

以上説明したように、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００は、コンデンサ１１５の上流側と下流側とを連通させるバイパス流路１１７を備える。エンジン１４０のキースイッチがオフにされると、バイパス流路１１７を開状態にした後、膨張機１１４の上流側と下流側との圧力差Δｐが所定値δｐ以下になるのを待って、モータジェネレータ１１６の回転数制御を停止する。これにより、エンジン１４０のキースイッチがオフにされた際に、モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。

尚、膨張機１１４とギヤポンプ１１１の選び方によっては、それらの入口容積差によって、圧力差Δｐが０には近づかずに或る値δｐ’に収束してしまう場合もあり得る。そのような場合でも、或る値δｐ’が所定値δｐ以下であるならば、モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００について、図２を参照して説明する。

実施の形態２に係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１におけるコンデンサ１１５の上流側と下流側とを連通させるバイパス流路１１７に替えて、ギヤポンプ１１１の下流側と膨張機１１４の下流側とを連通させるバイパス流路２２０を設けることによって、ランキンサイクル２１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。

エンジン１４０のキースイッチがオフにされると、コントロールユニット２５０は、開閉弁２２１を開くことによってバイパス流路２２０を開状態にして、ランキンサイクル２１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。このとき、ギヤポンプ１１１から吐出された高圧の液相冷媒がバイパス流路２２０を流通して膨張機１１４の下流側の低圧の気相冷媒中に流入し、その一部は高温によって気化され、ランキンサイクル２１０の高圧領域と低圧領域とが瞬時に均圧化される。その結果、膨張機１１４の上流側と下流側との圧力差Δｐが速やかに０になる。圧力差Δｐが速やかに０になるため、コントロールユニット２５０は、バイパス流路２２０を開状態にするのと同時にモータジェネレータ１１６の回転数制御を停止することができる。

以上説明したように、実施の形態２に係る廃熱回生システム２００は、ギヤポンプ１１１の下流側と膨張機１１４の下流側とを連通させるバイパス流路２２０を備えることによって、ランキンサイクル２１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。これにより、モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。また、バイパス流路２２０を開状態にするのと同時にモータジェネレータ１１６の回転数制御を停止することができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システム３００について、図３を参照して説明する。

実施の形態３に係る廃熱回生システム３００は、実施の形態２におけるギヤポンプ１１１の下流側と膨張機１１４の下流側とを連通させるバイパス流路２２０に替えて、膨張機１１４の上流側とギヤポンプ１１１の上流側とを連通させるバイパス流路３２２を設けることによって、ランキンサイクル３１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。

エンジン１４０のキースイッチがオフにされると、コントロールユニット３５０は、開閉弁３２３を開くことによってバイパス流路３２２を開状態にして、ランキンサイクル３１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。このとき、膨張機１１４の上流側の高圧の気相冷媒がバイパス流路３２２を流通してギヤポンプ１１１の上流側の低圧の液相冷媒中に流入し、その一部は低温によって凝縮され、ランキンサイクル３１０の高圧領域と低圧領域とが瞬時に均圧化される。その結果、膨張機１１４の上流側と下流側との圧力差Δｐが速やかに０になり、コントロールユニット３５０は、バイパス流路３２２を開状態にするのと同時にモータジェネレータ１１６の回転数制御を停止することができる。

以上説明したように、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００は、膨張機１１４の上流側とギヤポンプ１１１の上流側とを連通させるバイパス流路３２２を備えることによって、ランキンサイクル３１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。このように構成しても、モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。また、バイパス流路３２２を開状態にするのと同時にモータジェネレータ１１６の回転数制御を停止することができる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システム４００について、図４を参照して説明する。

実施の形態４に係る廃熱回生システム４００は、実施の形態２におけるギヤポンプ１１１の下流側と膨張機１１４の下流側とを連通させるバイパス流路２２０に替えて、ギヤポンプ１１１の下流側と上流側とを連通させるバイパス流路４２４を設けることによって、ランキンサイクル４１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。

エンジン１４０のキースイッチがオフにされると、コントロールユニット４５０は、開閉弁４２５を開くことによってバイパス流路４２４を開状態にして、ランキンサイクル４１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。このとき、ギヤポンプ１１１から吐出された高圧の液相冷媒がバイパス流路４２４を流通してギヤポンプ１１１の上流側の低圧の液相冷媒中に流入し、ランキンサイクル４１０の高圧領域と低圧領域とが瞬時に均圧化さる。その結果、膨張機１１４の上流側と下流側との圧力差Δｐが速やかに０になり、コントロールユニット４５０は、バイパス流路４２４を開状態にするのと同時にモータジェネレータ１１６の回転数制御を停止することができる。

以上説明したように、実施の形態４に係る廃熱回生システム４００は、ギヤポンプ１１１の下流側と上流側とを連通させるバイパス流路４２４を備えることによって、ランキンサイクル４１０の高圧領域と低圧領域とを連通させる。このように構成しても、モータジェネレータ１１６の回転数が許容値を超えるまでに上昇することを防ぐことができる。また、バイパス流路４２４を開状態にするのと同時にモータジェネレータ１１６の回転数制御を停止することができる。

その他の実施の形態．
実施の形態１において、膨張機１１４の上流側と下流側とにそれぞれ圧力センサを設け、膨張機１１４の上流側の圧力ｐ１及び下流側の圧力ｐ２を取得して圧力差Δｐ＝ｐ１−ｐ２を算出し、これに基づいて圧力差Δｐが所定値δｐ以下になったか否かを判定してもよい。

実施の形態２〜４では、ギヤポンプ１１１の下流側と膨張機１１４の下流側、膨張機１１４の上流側とギヤポンプ１１１の上流側、ギヤポンプ１１１の下流側と上流側にそれぞれバイパス流路２２０，３２２，４２４を設けることによって、ランキンサイクルの高圧領域と低圧領域とを連通させていたが、高圧領域と低圧領域とが連通されるようなその他の箇所にバイパス流路を設けてもよい。

１００，２００，３００，４００廃熱回生システム、１１０，２１０，３１０，４１０ランキンサイクル、１１１ギヤポンプ（ポンプ）、１１２冷却水ボイラ（ボイラ）、１１３排気ガスボイラ（ボイラ）、１１４膨張機、１１５コンデンサ、１１７バイパス流路、１３０ラジエータ、１４０エンジン、１５０，２５０，３５０，４５０コントロールユニット（制御手段）、２２０，３２２，４２４バイパス流路。

Claims

冷媒を加圧吐出するポンプと、
冷媒をエンジンからの廃熱と熱交換させるボイラと、
冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張機と、
冷媒を凝縮させるコンデンサと
から構成されるランキンサイクルを有する廃熱回生システムであって、
該廃熱回生システムの動作を制御する制御手段と、
前記膨張機で発生した動力を電力に変換するモータジェネレータと、
前記コンデンサの上流側と下流側とを連通させるバイパス流路と
を備え、
前記制御手段は、前記モータジェネレータの回転数制御を行い、前記エンジンのキースイッチがオフにされると、前記バイパス流路を開状態にした後、前記膨張機の上流側と下流側との圧力差が所定値以下になるのを待って、前記モータジェネレータの回転数制御を停止する、
ことを特徴とする、廃熱回生システム。
冷媒を加圧吐出するポンプと、
冷媒をエンジンからの廃熱と熱交換させるボイラと、
冷媒を膨張させて動力を発生させる膨張機と、
冷媒を凝縮させるコンデンサと
から構成されるランキンサイクルを有する廃熱回生システムであって、
該廃熱回生システムの動作を制御する制御手段と、
前記膨張機で発生した動力を電力に変換するモータジェネレータと、
前記ポンプの下流側から前記膨張機の上流側までの領域と、前記膨張機の下流側から前記ポンプの上流側までの領域とを連通させるバイパス流路と
を備え、
前記制御手段は、前記モータジェネレータの回転数制御を行い、前記エンジンのキースイッチがオフにされると、前記バイパス流路を開状態にする、
ことを特徴とする、廃熱回生システム。