JP2011214480A - Waste heat using device of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両の内燃機関の廃熱を回収して利用するのに好適な廃熱利用装置に関する。 The present invention relates to a waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine, and more particularly, to a waste heat utilization apparatus suitable for recovering and utilizing the waste heat of an internal combustion engine of a vehicle.
この種の廃熱利用装置は、作動流体としての冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機にて発生した回転駆動力が伝達される被動力伝達装置、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンシステムを備えている。 This kind of waste heat utilization device is an evaporator that heats and evaporates the working fluid by the waste heat of the internal combustion engine in the circulation path of the refrigerant as the working fluid, and expands the working fluid that passes through the evaporator to drive rotation. An expander that generates a force, a driven transmission device to which a rotational driving force generated by the expander is transmitted, a condenser that condenses the working fluid that passes through the expander, and a working fluid that passes through the condenser It has a Rankine system in which pumps sent to the evaporator are sequentially inserted.
そして、近年では、ランキンサイクルを車両に搭載するとともに被動力伝達装置を内燃機関とし、膨張機にて発生した回転駆動力で内燃機関の回転駆動力をアシストする構成のランキンシステムが開発されている(特許文献1)。
特に、最近では、膨張機の回転軸と内燃機関のクランクシャフトとをベルトやギヤ組(以下、ベルト等)で連結し、膨張機にて発生した回転駆動力をベルト等を介して内燃機関に伝達するようにして内燃機関の回転駆動力を直接アシストする構成のランキンシステムが開発されている。
In recent years, Rankine systems have been developed in which the Rankine cycle is mounted on a vehicle and the power transmission device is an internal combustion engine, and the rotational driving force generated by the expander assists the rotational driving force of the internal combustion engine. (Patent Document 1).
In particular, recently, the rotating shaft of the expander and the crankshaft of the internal combustion engine are connected by a belt or a gear set (hereinafter referred to as a belt or the like), and the rotational driving force generated by the expander is transmitted to the internal combustion engine via the belt or the like. A Rankine system has been developed that directly assists the rotational driving force of an internal combustion engine in such a way that it is transmitted.
ところで、上記従来のように膨張機にて発生した回転駆動力をベルト等を介して内燃機関に伝達する場合、ランキンシステムの作動中に内燃機関の回転速度が極低速(内燃機関の停止を含む)まで低下するようなことがあると、膨張機の回転駆動力のみがベルト等に伝達され、ベルト等に無理な負荷が作用してベルト等が破損し易いという問題がある。
また、例えばランキンシステムを起動させる際、膨張機側の回転速度が内燃機関側の回転速度よりも小さいと、膨張機ひいてはランキンシステムが内燃機関の負荷になってしまい、膨張機に悪影響を与えるという問題もある。
By the way, when the rotational driving force generated by the expander as described above is transmitted to the internal combustion engine via a belt or the like, the rotational speed of the internal combustion engine is extremely low (including the stop of the internal combustion engine) during the operation of the Rankine system. ), Only the rotational driving force of the expander is transmitted to the belt or the like, and there is a problem that an excessive load acts on the belt or the like and the belt or the like is easily damaged.
Also, for example, when starting the Rankine system, if the rotational speed on the expander side is smaller than the rotational speed on the internal combustion engine side, the expander and thus the Rankine system will be a load on the internal combustion engine, which will adversely affect the expander. There is also a problem.
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、膨張機にて発生した回転駆動力をベルト等を介して内燃機関に伝達可能なランキンサイクルを備え、内燃機関の運転状態に応じてランキンシステムをベルト等や膨張機への悪影響を抑えつつ効率よく作動させることの可能な内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and includes a Rankine cycle capable of transmitting a rotational driving force generated by an expander to an internal combustion engine via a belt or the like, and the Rankine cycle according to the operating state of the internal combustion engine. It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine waste heat utilization device capable of operating a system efficiently while suppressing adverse effects on a belt or the like and an expander.
上記の目的を達成するべく、請求項1の内燃機関の廃熱利用装置は、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を内燃機関に伝達する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクル回路からなるランキンシステムを有した内燃機関の廃熱利用装置において、内燃機関と前記膨張機との間に介装され、内燃機関と前記膨張機との間の回転駆動力の伝達経路の接続と切断とを行う動力伝達手段と、内燃機関の回転速度を検出する機関回転速度検出手段と、該機関回転速度検出手段により検出された内燃機関の回転速度に応じて前記動力伝達手段を接続状態と切断状態とに制御する制御手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an internal combustion engine waste heat utilization apparatus according to claim 1 is provided with an evaporator that heats and evaporates the working fluid by the waste heat of the internal combustion engine in the working fluid circulation path, and passes through the evaporator. An expander that expands the working fluid and transmits a rotational driving force to the internal combustion engine, a condenser that condenses the working fluid via the expander, and a pump that sends the working fluid via the condenser to the evaporator In a waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine having a Rankine system comprising a Rankine cycle circuit sequentially provided, the rotational drive between the internal combustion engine and the expander is interposed between the internal combustion engine and the expander Power transmission means for connecting and disconnecting the force transmission path, engine rotation speed detection means for detecting the rotation speed of the internal combustion engine, and the engine rotation speed detection means according to the rotation speed of the internal combustion engine detected by the engine rotation speed detection means Power transmission hand And a controlling means for controlling the connected state and the disconnected state.
請求項2の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項1において、前記制御手段は、前記機関回転速度検出手段により検出された内燃機関の回転速度が所定回転速度より小さいとき、前記動力伝達手段を切断状態に制御することを特徴とする。
請求項3の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項2において、前記所定回転速度は、内燃機関のアイドル回転速度より小さい値であることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to the first aspect, wherein when the rotational speed of the internal combustion engine detected by the engine rotational speed detection means is smaller than a predetermined rotational speed, the power transmission means Is controlled to a cut state.
The internal combustion engine waste heat utilization apparatus according to
請求項4の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項1乃至3のいずれかにおいて、前記膨張機の回転速度を検出する膨張機回転速度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記膨張機回転速度検出手段により検出される前記膨張機の回転速度に基づく前記動力伝達手段における回転速度が前記機関回転速度検出手段により検出される内燃機関の回転速度に基づく前記動力伝達手段における回転速度より小さいときには、前記動力伝達手段を切断状態に保持することを特徴とする。
The waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to
請求項1記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキンシステムの膨張機は回転駆動力を内燃機関に伝達することで内燃機関のアシストを行うが、この際、内燃機関と膨張機との間の回転駆動力の伝達経路の接続と切断とを行う動力伝達手段が内燃機関の回転速度に応じて接続状態と切断状態とに制御される。
これにより、ランキンシステムの作動中、内燃機関の回転速度に応じて動力伝達手段を接続状態と切断状態とに自在に制御するようにでき、ひいては内燃機関の回転速度に応じてランキンシステムの作動を膨張機に悪影響を与えることなく効率よく制御することができる。
According to the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, the Rankine system expander assists the internal combustion engine by transmitting a rotational driving force to the internal combustion engine. The power transmission means for connecting and disconnecting the transmission path of the rotational driving force between the two is controlled in a connected state and a disconnected state in accordance with the rotational speed of the internal combustion engine.
As a result, during operation of the Rankine system, the power transmission means can be freely controlled according to the rotational speed of the internal combustion engine according to the rotational speed of the internal combustion engine. As a result, the operation of the Rankine system can be controlled according to the rotational speed of the internal combustion engine. Control can be performed efficiently without adversely affecting the expander.
請求項2記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、内燃機関の回転速度が所定回転速度より小さいときには動力伝達手段を切断状態に制御するので、内燃機関の回転速度が所定回転速度より小さいとき、特に内燃機関が停止したときには、ランキンシステムの作動を継続すると、膨張機の回転駆動力の過負荷によってベルト等の劣化が生じるおそれがあるが、動力伝達手段を切断状態とすることで、このようなベルト等の劣化を防止することができる。
According to the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to
請求項3記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、所定回転速度は内燃機関のアイドル回転速度より小さい値であるので、内燃機関が停止する直前で動力伝達手段を切断状態に制御でき、ベルト等への負荷を抑制できる。また、アイドル運転時に頻繁に動力伝達手段を断接操作することがないためにエネルギロスを排除でき、アイドル運転時であってもランキンシステムを良好に作動させることができる。これにより、ランキンシステムを効率よく作動させることができ、ランキンシステムによって内燃機関を良好にアシストすることができる。
According to the waste heat utilization device for an internal combustion engine according to
請求項4記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、内燃機関の回転速度に基づく動力伝達手段における回転速度が膨張機の回転速度に基づく動力伝達手段における回転速度より大きいときには動力伝達手段を切断状態に保持するので、即ち、換言すれば膨張機の回転速度に基づく動力伝達手段における回転速度が内燃機関の回転速度に基づく動力伝達手段における回転速度以上にならないと動力伝達手段を接続状態としないので、例えばランキンシステムを起動させる際において、回転速度の小さい状態の膨張機が不必要に内燃機関の負荷とならないようにでき、内燃機関での無理な作動による膨張機の破損を防止することができる。
According to the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
先ず、第1実施例を説明する。
本発明の第1実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置は、例えば車両に搭載され、図1の模式図に示されるように、車両のエンジン2を冷却する冷却水回路4と、エンジン2の廃熱を回収するランキンサイクル回路(以下RC回路という)6からなるランキンシステムとを備えて構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the first embodiment will be described.
The internal combustion engine waste heat utilization apparatus according to the first embodiment of the present invention is mounted on, for example, a vehicle, and as shown in the schematic diagram of FIG. 1, a
冷却水回路4は、エンジン2から延設される冷却水の循環路5に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器10、ラジエータ12、サーモスタット14、水ポンプ16が介装されて閉回路を構成している。
蒸発器10は、冷却水回路4の冷却水とRC回路6の冷媒とを熱交換することにより、エンジン2で加熱された冷却水、すなわち温水を熱媒体としてエンジン2の廃熱をRC回路6側に吸熱させて回収する。一方、蒸発器10を通過して冷媒に吸熱された冷却水は、エンジン2を冷却することにより再び加熱された温水となる。
The
The
ラジエータ12は、蒸発器10と直列に配列され、蒸発器10を通過して冷媒に吸熱された冷却水を外気との熱交換によりさらに冷却している。
サーモスタット14は、冷却水温度に応じてラジエータ12へ通水される冷却水量を制御する機械式の3方弁であって、2つの入口ポートと1つの出口ポートとを有している。2つの入口ポートには、ラジエータ12から延設される流路5aと、蒸発器10とラジエータ12との間の流路5bからラジエータ12を迂回して接続されるバイパス路5cとがそれぞれ接続されている。これにより、冷却水温度に応じてラジエータ12へ通水される冷却水量が増減されてエンジン2の過熱や過冷却が防止される。
The
The
水ポンプ16は、エンジン2に装着され、エンジン2の回転数に応じて駆動されて冷却水回路4に冷却水を循環させるものである。
一方、RC回路6は、冷媒の循環路7に、冷媒の流れ方向から順に上記蒸発器10、電磁式の膨張機入口弁18、膨張機20、再生器22、ランキンサイクルコンデンサ(凝縮器、以下RCコンデンサという)24、気液分離器26、冷媒ポンプ28、逆止弁29が順に介装されて閉回路を構成している。
The
On the other hand, the
膨張機入口弁18は、例えばノーマルオープン式の電磁弁であって、ランキンシステムを停止させる際に閉弁信号を供給するよう構成されている。
膨張機20は、蒸発器10で加熱されて過熱蒸気の状態となった冷媒を膨張させ、冷媒の流れによって回転駆動力を発生する流体機器であって、上記エンジン2の回転駆動をアシストするよう構成されている。具体的には、エンジン2のクランクシャフト3に接合されたプーリ3aに、膨張機20の駆動軸21に接合されたプーリ21aが無端状のベルト(伝達経路)30を介して同期回転可能に連結されている。
The
The
膨張機20の駆動軸21には、電磁クラッチ(動力伝達手段)32が介装されており、電磁クラッチ32を断接操作することにより、膨張機20の駆動軸21とベルト30ひいてはエンジン2のクランクシャフト3間における回転駆動力の伝達経路の接続と切断とを行うことが可能である。
再生器22は、膨張機20出口の冷媒で蒸発器10入口の冷媒を加熱するRC回路6の内部熱交換器であって、膨張機20出口側の熱量を蒸発器10入口側に積極的に供給することにより、RC回路6における回収エネルギーを増大させる。なお、再生器22は必須のものではなく、無くてもよい。
An electromagnetic clutch (power transmission means) 32 is interposed on the
The
RCコンデンサ24は、再生器22を経由した冷媒を凝縮液化させる熱交換器であり、クーリングファン25により空冷される。
気液分離器26は、RCコンデンサ24にて凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ28側に流出される。
冷媒ポンプ28は、その駆動部にエンジン2の運転状態等に応じて入力される信号に基づき駆動される電動ポンプであり、気液分離器26から流出された液冷媒を蒸発器10側に圧送し循環させる。
The
The gas-
The
逆止弁29は、冷媒ポンプ28から膨張機20への冷媒の流れを許容する一方、逆の膨張機20から冷媒ポンプ28への冷媒の流れを遮断するよう循環路7に配設されている。
そして、RC回路6の循環路7に膨張機20の上流側に位置して圧力センサ42が、下流側に位置して圧力センサ44がそれぞれ配設されている。
また、膨張機20の駆動軸21には、膨張機20の回転速度Nbを検出する膨張機回転速度センサ(膨張機回転速度検出手段)46が設けられ、エンジン2のクランクシャフト3には、エンジン回転速度Neを検出するエンジン回転速度センサ(機関回転速度検出手段)48が設けられている。
The
In the
The
電子コントロールユニット(ECU、制御手段)40は、上記エンジン2の制御の他、本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置の種々の制御を行う制御装置であり、入力側には上記圧力センサ42、44、膨張機回転速度センサ46、エンジン回転速度センサ48等の各種センサ類が電気的に接続され、出力側には上記膨張機入口弁18、冷媒ポンプ28、電磁クラッチ32等の各種デバイス類が接続されている。
The electronic control unit (ECU, control means) 40 is a control device that performs various controls of the waste heat utilization device of the internal combustion engine according to the present invention in addition to the control of the
以下、このように構成された本発明の第1実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置の作用、即ち膨張機入口弁18及び電磁クラッチ32の制御内容について説明する。
[ポンプ異常時]
図2を参照すると、ECU40の実行する、本発明の第1実施例に係る冷媒ポンプ28の異常時におけるポンプ異常時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
Hereinafter, the operation of the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to the first embodiment of the present invention configured as described above, that is, the control contents of the
[When pump is abnormal]
Referring to FIG. 2, a control routine of the pump abnormal time control executed by the
ステップS10では、ランキンシステムが作動中であるか否かを判別する。例えば、ECU40から膨張機入口弁18に開弁信号が供給され、冷媒が循環路7を流通可能な状態であるか否かを判別する。判別結果が偽(No)でランキンシステムが作動中でない場合には、ステップS10の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)でランキンシステムが作動中と判定された場合には、ステップS12に進む。なお、ランキンシステムが作動中であるか否かの判別においては、ランキンシステムの高圧圧力または高低圧の圧力差が所定値以上であればランキンシステムが作動中と判定するようにしてもよい。
In step S10, it is determined whether or not the Rankine system is operating. For example, a valve opening signal is supplied from the
ステップS12では、冷媒ポンプ28に異常があるか否かを判別する。ここでは、例えば圧力センサ42、44からの冷媒の圧力情報に基づき、膨張機20の上流側と下流側との間で冷媒の圧力差が所定値未満まで低下しているか否かを判別する。判別結果が偽(No)の場合には、ステップS12の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)で冷媒の圧力差が所定値未満まで低下していると判定された場合には、冷媒ポンプ28に異常があり冷媒が循環路7を十分に循環せず膨張機20が正常に機能しないような状況と判断でき、ステップS14に進む。
In step S12, it is determined whether or not the
ステップS14では、冷媒ポンプ28に異常があるとのステップS12の判定を受けて、冷媒ポンプ28の作動を停止する。
ステップS16では、ランキンシステムの作動を停止すべく、膨張機入口弁18に閉弁信号を供給して膨張機入口弁18への開弁信号を遮断し、膨張機入口弁18を閉弁する。
そして、ステップS18において、電磁クラッチ32への接続信号を遮断し、電磁クラッチ32を切断状態とする。これにより、膨張機20の駆動軸21とベルト30ひいてはエンジン2のクランクシャフト3との連結が解除される。
In step S14, in response to the determination in step S12 that the
In step S16, in order to stop the operation of the Rankine system, a valve closing signal is supplied to the
In step S18, the connection signal to the
このように、ランキンシステムの作動中、冷媒ポンプ28に異常があり冷媒が循環路7を十分に循環しないような状況下では電磁クラッチ32を切断し、膨張機20とエンジン2との連結を解除するので、正常に機能しない膨張機20ひいてはランキンサイクルが不必要にエンジン2の負荷にならないようにできるとともに、冷媒が不足した状態でエンジン2により無理に膨張機20を回転させないようにして膨張機20の破損を防止することができる。
Thus, during operation of the Rankine system, the
また、ステップS18で電磁クラッチ32を切断状態とする前に、ステップS16で膨張機入口弁18を閉弁するようにしているので、蒸発器10によって昇温し比較的高圧となった冷媒を逆止弁29と膨張機入口弁18との間に閉じこめるようにできる。これにより、その後に電磁クラッチ32を切断状態とした場合であっても、エンジン2との連結が解除され自由になった膨張機20が冷媒の圧力によって急激に回転してしまうことが防止され、膨張機20の発生する振動や騒音を防止して車両の乗員に不快感を与えないようにでき、やはり膨張機20の破損を防止することができる。
[エンジン回転速度低下時]
図3を参照すると、ECU40の実行する、本発明の第1実施例に係るエンジン2におけるエンジン回転速度低下時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
Since the
[When engine speed decreases]
Referring to FIG. 3, a control routine of the control at the time of lowering of the engine rotation speed in the
ステップS20では、上記ポンプ異常時と同様、ランキンシステムが作動中であるか否かを判別し、判別結果が偽(No)でランキンシステムが作動中でない場合には、ステップS20の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)でランキンシステムが作動中と判定された場合には、ステップS22に進む。
ステップS22では、エンジン回転速度センサ48により検出されたエンジン回転速度Neが所定回転速度N1未満であるか否かを判別する。ここに、所定回転速度N1はアイドル回転速度よりも低い値(例えば、100rpm)である。判別結果が偽(No)でエンジン回転速度Neが所定回転速度以上と判定された場合には、ステップS22の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)でエンジン回転速度Neが所定回転速度未満と判定された場合には、ステップS24に進む。
In step S20, as in the case of the pump abnormality, it is determined whether or not the Rankine system is operating. If the determination result is false (No) and the Rankine system is not operating, the determination in step S20 is repeated. If the determination result is true (Yes) and it is determined that the Rankine system is operating, the process proceeds to step S22.
In step S22, it is determined whether or not the engine rotational speed Ne detected by the engine
ステップS24では、ランキンシステムの作動を停止すべく、膨張機入口弁18への開弁信号を遮断し、膨張機入口弁18を閉弁する。
そして、ステップS26において、電磁クラッチ32への接続信号を遮断し、電磁クラッチ32を切断状態とする。これにより、膨張機20の駆動軸21とベルト30ひいてはエンジン2のクランクシャフト3との連結が解除される。
In step S24, in order to stop the operation of the Rankine system, the valve opening signal to the
In step S26, the connection signal to the
さらに、ステップS28において、冷媒ポンプ28の作動を停止する。
このように、ランキンシステムの作動中、エンジン回転速度Neが所定回転速度N1未満であるような場合には電磁クラッチ32を切断し、膨張機20とエンジン2との連結を解除するので、例えばランキンサイクルの出力が大きく膨張機20の回転駆動力がエンジン2の回転駆動力よりも大きくなってしまうような場合であっても、膨張機20の回転駆動力を不必要にベルト30に伝達しないようにでき、ベルト30の劣化を防止することができる。
Further, in step S28, the operation of the
Thus, during operation of the Rankine system, when the engine rotational speed Ne is less than the predetermined rotational speed N1, the
特に、エンジン2が停止するような場合において、膨張機20の回転駆動力で無理にベルト30を押したり引っ張ったりしないようにでき、膨張機20の回転駆動力によるベルト30の破損を防止することができる。
なお、ここでは、所定回転速度N1をアイドル回転速度よりも低い値(例えば、100rpm)としており、このようにすれば、仮にエンジン2が完全に停止してから電磁クラッチ32を切断するのではベルト30に多少なりとも大きな負荷がかかってしまうのであるが、エンジン2が停止する直前で電磁クラッチ32を切断することで、このようなベルト30への負荷を抑制することができる。
In particular, when the
Here, the predetermined rotational speed N1 is set to a value lower than the idle rotational speed (for example, 100 rpm). In this way, if the
また、このように所定回転速度N1をアイドル回転速度よりも低い値(例えば、100rpm)とすれば、仮に所定回転速度N1がアイドル回転速度以上であるとすると、アイドル運転が実施される頻度は大きいためにランキンシステムの作動中に電磁クラッチ32を頻繁に断接操作させなければならずエネルギロスを生じるのであるが、このようなエネルギロスを排除することができるし、アイドル運転時であってもランキンシステムを良好に作動させることができる。これにより、ランキンシステムを効率よく作動させることができ、ランキンシステムによってエンジン2を良好にアシストすることができる。
Further, if the predetermined rotational speed N1 is set to a value lower than the idle rotational speed (for example, 100 rpm) as described above, if the predetermined rotational speed N1 is equal to or higher than the idle rotational speed, the frequency of idling operation is high. For this reason, the electromagnetic clutch 32 must be frequently connected and disconnected during operation of the Rankine system, which causes energy loss. However, such energy loss can be eliminated and even during idle operation. Rankine system can be operated well. Accordingly, the Rankine system can be operated efficiently, and the
また、上記ポンプ異常時と同様、ステップS26で電磁クラッチ32を切断状態とする前に、ステップS24で膨張機入口弁18を閉弁するようにしているので、蒸発器10によって昇温し且つ冷媒ポンプ28により押圧され高圧となった冷媒を逆止弁29と膨張機入口弁18との間に閉じこめるようにできる。故に、エンジン2との連結が解除され自由になった膨張機20が冷媒の圧力によって急激に回転してしまうことが防止され、やはり膨張機20の破損を防止することができる。
[ランキンシステム起動時]
図4を参照すると、ECU40の実行する、本発明の第1実施例に係るランキンシステム起動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。
Further, as in the case of pump abnormality, the
[When Rankine system starts]
Referring to FIG. 4, a control routine of the Rankine system start-up control according to the first embodiment of the present invention, which is executed by the
ランキンシステム起動時には、図4に示すように、先ずステップS30において、圧力センサ42、44からの冷媒の圧力情報に基づき、膨張機20の上流側と下流側との間で冷媒の圧力差が所定値以上であるか否かを判別する。即ち、ランキンシステムの作動を一旦停止した直後のように逆止弁29と膨張機入口弁18との間に閉じこめられた冷媒の圧力が十分に高いか否かを判別する。判別結果が偽(No)で、上流側と下流側との間の冷媒の圧力差が所定値未満である場合には、ステップS32に進み、ランキンシステム初期起動時制御を行う。
At the start of the Rankine system, as shown in FIG. 4, first, in step S30, based on the refrigerant pressure information from the
ランキンシステム初期起動時において、ステップS32では、膨張機入口弁18へ開弁信号を供給し、膨張機入口弁18を開弁する。そして、ステップS34において、冷媒ポンプ28の作動を開始させる。
ステップS36では、膨張機回転速度センサ46により検出された膨張機20の回転速度Nbを読み込む。そして、ステップS38において、回転速度Nbがエンジン2によるプーリ21aの回転速度(プーリ回転速度:エンジン回転速度Ne×プーリ21aのプーリ比)より大きいか否かを判別する。判別結果が偽(No)で回転速度Nbがプーリ21aの回転速度以下の場合には、電磁クラッチ32を接続すると膨張機20がエンジン2の負荷となることから、ステップS40には進まず、ステップS38の判別を繰り返す。
At the time of initial startup of the Rankine system, in step S32, a valve opening signal is supplied to the
In step S36, the rotational speed Nb of the
一方、ステップS38の判別結果が真(Yes)で回転速度Nbがプーリ21aの回転速度より大きい場合には、膨張機20がエンジン2の負荷となることはないと判断でき、ステップS40に進み、電磁クラッチ32を接続する。
このように、ランキンシステム初期起動時においては、膨張機入口弁18を開弁し、冷媒ポンプ28の作動を開始させた後、回転速度Nbがプーリ21aの回転速度より大きい場合にのみ電磁クラッチ32を接続するようにするので、膨張機20がエンジン2の負荷とならないようにランキンシステムを起動させることができるとともに、冷媒が不足した状態でエンジン2により無理に膨張機20を回転させないようにして膨張機20の破損を防止することができる。
On the other hand, if the determination result in step S38 is true (Yes) and the rotational speed Nb is greater than the rotational speed of the
As described above, at the time of initial startup of the Rankine system, the
一方、ステップS30の判別結果が真(Yes)で、上流側と下流側との間の冷媒の圧力差が所定値以上である場合には、ランキンシステムの作動を一旦停止させた直後のランキンシステム再起動時とみなすことができ、ステップS42に進み、ランキンシステム再起動時制御を行う。
ランキンシステム再起動時には、ステップS42において電磁クラッチ32を接続した後、ステップS44において膨張機入口弁18を開弁する。そして、ステップS46において、冷媒ポンプ28の作動を開始させる。
On the other hand, if the determination result in step S30 is true (Yes) and the refrigerant pressure difference between the upstream side and the downstream side is equal to or greater than a predetermined value, the Rankine system immediately after the operation of the Rankine system is temporarily stopped. It can be considered that the system is restarted, and the process proceeds to step S42, where Rankine system restart control is performed.
At the time of restarting the Rankine system, the
即ち、ランキンシステム再起動時においては、上述したようにランキンシステム作動中に蒸発器10によって昇温するとともに冷媒ポンプ28により押圧された冷媒が逆止弁29と膨張機入口弁18との間に閉じこめられて高圧となっており、膨張機入口弁18を開弁したとき、この高圧の冷媒で膨張機20を速やかに作動させることができる。これにより、ランキンシステムを効率よくスムーズに起動させてエンジン2を良好にアシストするようにできる。
That is, when the Rankine system is restarted, the temperature of the
なお、ここでは、上記ステップS36において、膨張機20の回転速度Nbを膨張機回転速度センサ46により検出するようにしているが、回転速度Nbは下記関数(1)〜(3)に基づく推定値であってもよい。
Nb=f(冷媒の膨張機20の上流側と下流側での圧力差) …(1)
Nb=f(冷媒流量) …(2)
Nb=f(冷媒ポンプを作動させてからの経過時間) …(3)
次に、第2実施例を説明する。
Here, in step S36, the rotational speed Nb of the
Nb = f (pressure difference between the upstream side and the downstream side of the refrigerant expander 20) (1)
Nb = f (refrigerant flow rate) (2)
Nb = f (elapsed time since the refrigerant pump was operated) (3)
Next, a second embodiment will be described.
本発明の第2実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置は、図5の模式図に示されるように、上記第1実施例の電動の冷媒ポンプ28に代えて膨張機20に一体にして膨張機20と同期回転する冷媒ポンプ28’を備える点が上記第1実施例と異なっている。以下、第1実施例と同一部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。
図5に示すように、膨張機20の駆動軸21は膨張機20を貫通しており、駆動軸21のプーリ21aと反対側の先端には冷媒ポンプ28’が膨張機20と同期回転可能に接続されている。即ち、膨張機20と冷媒ポンプ28’とからポンプ一体型膨張機が構成されている。
The waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment of the present invention is integrated with the
As shown in FIG. 5, the
以下、このように構成された本発明の第2実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置の作用、即ち膨張機入口弁18及び電磁クラッチ32の制御内容について説明する。
[ポンプ異常時]
図6を参照すると、ECU40の実行する、本発明の第2実施例に係る冷媒ポンプ28’の異常時におけるポンプ異常時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、上記第1実施例と同様のステップについては説明を簡略する。
The operation of the waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to the second embodiment of the present invention thus configured, that is, the control contents of the
[When pump is abnormal]
Referring to FIG. 6, a control routine of the pump abnormal time control executed by the
ステップS110では、ランキンシステムが作動中であるか否かを判別する。判別結果が偽(No)でランキンシステムが作動中でない場合には、ステップS110の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)でランキンシステムが作動中と判定された場合には、ステップS112に進む。
ステップS112では、冷媒ポンプ28’に異常があるか否かを判別する。判別結果が偽(No)の場合には、ステップS112の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)で冷媒の圧力差が所定値未満まで低下していると判定された場合には、冷媒ポンプ28’に異常があると判定し、ステップS116に進む。
In step S110, it is determined whether or not the Rankine system is operating. If the determination result is false (No) and the Rankine system is not in operation, the determination in step S110 is repeated. If the determination result is true (Yes) and the Rankine system is in operation, the process proceeds to step S112. .
In step S112, it is determined whether or not there is an abnormality in the
ステップS116では、ランキンシステムの作動を停止すべく、膨張機入口弁18を閉弁する。そして、ステップS118において、電磁クラッチ32を切断状態とする。これにより、膨張機20の駆動軸21とベルト30ひいてはエンジン2のクランクシャフト3との連結が解除される。
このように、ポンプ一体型膨張機を用いる場合であっても、ランキンシステムの作動中、冷媒ポンプ28’に異常があり冷媒が循環路7を十分に循環しないような状況下では電磁クラッチ32を切断し、膨張機20及び冷媒ポンプ28’とエンジン2との連結を解除するので、正常に機能しない膨張機20及び冷媒ポンプ28’ひいてはランキンサイクルが不必要にエンジン2の負荷にならないようにできるとともに、冷媒が不足した状態でエンジン2により無理に膨張機20を回転させないようにして膨張機20の破損を防止することができる。
In step S116, the
As described above, even when the pump-integrated expander is used, the
また、ステップS118で電磁クラッチ32を切断状態とする前に、ステップS116で膨張機入口弁18を閉弁するようにしているので、蒸発器10によって昇温し比較的高圧となった冷媒を逆止弁29と膨張機入口弁18との間に閉じこめるようにできる。これにより、その後に電磁クラッチ32を切断状態とした場合であっても、エンジン2との連結が解除され自由になった膨張機20が冷媒の圧力によって急激に回転してしまうことが防止され、膨張機20の発生する振動や騒音を防止して車両の乗員に不快感を与えないようにでき、やはり膨張機20の破損を防止することができる。
[エンジン回転速度低下時]
図7を参照すると、ECU40の実行する、本発明の第2実施例に係るエンジン2におけるエンジン回転速度低下時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、この場合にも上記第1実施例と同様のステップについては説明を簡略する。
Since the
[When engine speed decreases]
Referring to FIG. 7, a control routine for the engine speed reduction control in the
ステップS120では、上記ポンプ異常時と同様、ランキンシステムが作動中であるか否かを判別し、判別結果が偽(No)でランキンシステムが作動中でない場合には、ステップS120の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)でランキンシステムが作動中と判定された場合には、ステップS122に進む。
ステップS122では、エンジン回転速度センサ48により検出されたエンジン回転速度Neが所定回転速度N1未満であるか否かを判別する。判別結果が偽(No)でエンジン回転速度Neが所定回転速度以上と判定された場合には、ステップS122の判別を繰り返し、判別結果が真(Yes)でエンジン回転速度Neが所定回転速度未満と判定された場合には、ステップS124に進む。
In step S120, as in the case of the pump abnormality, it is determined whether or not the Rankine system is operating. If the determination result is false (No) and the Rankine system is not operating, the determination in step S120 is repeated. If the determination result is true (Yes) and it is determined that the Rankine system is operating, the process proceeds to step S122.
In step S122, it is determined whether or not the engine rotational speed Ne detected by the engine
ステップS124では、ランキンシステムの作動を停止すべく、膨張機入口弁18への開弁信号を遮断し、膨張機入口弁18を閉弁する。そして、ステップS126において、電磁クラッチ32への接続信号を遮断し、電磁クラッチ32を切断状態とする。これにより、膨張機20の駆動軸21とベルト30ひいてはエンジン2のクランクシャフト3との連結が解除される。
In step S124, in order to stop the operation of the Rankine system, the valve opening signal to the
このように、ポンプ一体型膨張機を用いる場合であっても、ランキンシステムの作動中、エンジン回転速度Neが所定回転速度N1未満であるような場合には電磁クラッチ32を切断し、膨張機20とエンジン2との連結を解除するので、例えばランキンサイクルの出力が大きく膨張機20の回転駆動力がエンジン2の回転駆動力よりも大きくなってしまうような場合において、膨張機20の回転駆動力を不必要にベルト30に伝達しないようにでき、ベルト30の劣化を防止することができる。
Thus, even when the pump-integrated expander is used, when the engine rotational speed Ne is less than the predetermined rotational speed N1 during operation of the Rankine system, the
特に、エンジン2が停止するような場合において、膨張機20の回転駆動力で無理にベルト30を押したり引っ張ったりしないようにでき、膨張機20の回転駆動力によるベルト30の破損を防止することができる。
また、上記ポンプ異常時と同様、ステップS126で電磁クラッチ32を切断状態とする前に、ステップS124で膨張機入口弁18を閉弁するようにしているので、エンジン2との連結が解除され自由になった膨張機20が冷媒の圧力によって急激に回転してしまうことが防止され、やはり膨張機20の破損を防止することができる。
[ランキンシステム起動時]
図8を参照すると、ECU40の実行する、本発明の第2実施例に係るランキンシステム起動時制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに沿い説明する。なお、この場合にも上記第1実施例と同様のステップについては説明を簡略する。
In particular, when the
Further, as in the case of the pump abnormality, the
[When Rankine system starts]
Referring to FIG. 8, a control routine for Rankin system start-up control according to the second embodiment of the present invention, which is executed by the
ランキンシステム起動時には、図8に示すように、ステップS130において膨張機20の上流側と下流側との間で冷媒の圧力差が所定値以上であるか否かを判別する。判別結果が偽(No)で、上流側と下流側との間の冷媒の圧力差が所定値未満である場合には、ステップS132に進み、ランキンシステム初期起動時制御を行う。
ランキンシステム初期起動時において、ステップS132では、膨張機入口弁18へ開弁信号を供給し、膨張機入口弁18を開弁した後、ステップS140に進み、電磁クラッチ32を接続する。
When the Rankine system is started, as shown in FIG. 8, it is determined in step S130 whether or not the refrigerant pressure difference is greater than or equal to a predetermined value between the upstream side and the downstream side of the
At the initial startup of the Rankine system, in step S132, a valve opening signal is supplied to the
このように、ポンプ一体型膨張機を用いる場合には、ランキンシステム初期起動時においては、膨張機入口弁18を開弁させた後、電磁クラッチ32を接続するようにするので、エンジン2の回転駆動力で冷媒ポンプ28’を作動させながら、ランキンシステムをスムーズに起動させることができる。
一方、ステップS130の判別結果が真(Yes)で、上流側と下流側との間の冷媒の圧力差が所定値以上である場合には、ランキンシステムの作動を一旦停止させた直後のランキンシステム再起動時とみなすことができ、ステップS142に進み、ランキンシステム再起動時制御を行う。
As described above, when the pump-integrated expander is used, the
On the other hand, if the determination result in step S130 is true (Yes) and the refrigerant pressure difference between the upstream side and the downstream side is equal to or greater than a predetermined value, the Rankine system immediately after the operation of the Rankine system is temporarily stopped. It can be considered that the system is restarted, and the process proceeds to step S142 to perform control when the Rankine system is restarted.
ランキンシステム再起動時には、ステップS142において電磁クラッチ32を接続した後、ステップS144において膨張機入口弁18を開弁する。
即ち、ポンプ一体型膨張機を用いる場合であっても、ランキンシステム再起動時においては、上述したようにランキンシステム作動中に蒸発器10によって昇温するとともに冷媒ポンプ28’により押圧された冷媒が逆止弁29と膨張機入口弁18との間に閉じこめられて高圧となっており、膨張機入口弁18を開弁したとき、この高圧の冷媒で膨張機20を速やかに作動させることができる。これにより、ランキンシステムを効率よくスムーズに起動させてエンジン2を良好にアシストするようにできる。
When the Rankine system is restarted, the
That is, even when the pump-integrated expander is used, when the Rankine system is restarted, as described above, the temperature is raised by the
以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、第1実施例及び第2実施例共に、冷媒ポンプ28、28’に異常があるか否かを、例えば圧力センサ42、44からの冷媒の圧力情報に基づき、膨張機20の上流側と下流側との間で冷媒の圧力差が所定値未満まで低下しているか否かによって判別するようにしているが、膨張機20の上流側、即ち高圧側の冷媒の圧力のみによって判定するようにしてもよいし、循環路7を流れる冷媒流量を検出するようにして当該冷媒流量から判定するようにしてもよい。
This is the end of the description of the embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the above embodiment, in both the first example and the second example, whether or not the refrigerant pumps 28 and 28 ′ are abnormal is determined based on, for example, the refrigerant pressure information from the
また、上記実施形態では、第1実施例及び第2実施例共に、エンジン回転速度Neが所定回転速度N1未満であるか否かを判別しているが、エンジン2が停止するような場合には、車両側からエンジン2の停止情報(アイドルストップ信号等)を取得することでエンジン2の停止を判定するようにしてもよい。
また、ここではエンジン回転速度Neをエンジン回転速度センサ48で検知するようにしているが、車両ECUの有する回転速度情報をCAN通信等で受信するようにしてもよい。
In the above embodiment, both the first and second examples determine whether or not the engine rotational speed Ne is less than the predetermined rotational speed N1, but in the case where the
Here, the engine rotational speed Ne is detected by the engine
また、上記実施形態では、第1実施例におけるランキンシステム初期起動時において膨張機20側の回転速度Nbとエンジン2側のプーリ21aの回転速度を比較するようにしているが、第1実施例及び第2実施例共に、ランキンシステム再起動時においても、またランキンシステムの作動中においても、回転速度Nbとプーリ21aの回転速度を比較し、電磁クラッチ32を制御するようにしてもよい。この場合、ランキンシステムの作動中にあっては、回転速度Nbについては上述の関数(1)に基づく推定値とすればよく、例えば、ランキンシステムの高圧側と低圧側の圧力差と電磁クラッチ32が切断状態であるときの回転速度との相関式を実験等により取得しておき、この相関式を用いて回転速度Nbを算出するようにすればよい。
Further, in the above embodiment, the rotational speed Nb on the
また、上記実施形態では、第1実施例及び第2実施例共に、ランキンシステム起動時において、ランキンシステム再起動時には、電磁クラッチ32を接続した後、膨張機入口弁18を開弁するようにしているが、電磁クラッチ32を接続すると同時に膨張機入口弁18を開弁するようにしてもよい。これにより、ランキンシステムを効率よくスムーズに起動させてエンジン2をより一層良好にアシストするようにできる。
In the above embodiment, in both the first and second examples, when the Rankine system is started, when the Rankine system is restarted, after the
また、上記実施形態では、第1実施例及び第2実施例共に、エンジン2と膨張機20とをベルト30で連結するようにしているが、これに代えてエンジン2と膨張機20とをギヤ組で連結するようにして伝達経路を構成してもよい。
また、上記実施形態では、第1実施例において、冷媒ポンプ28を電動ポンプとしているが、冷媒ポンプはベルト30や上記ギヤ組によって作動するようなものであってもよく、この場合には、冷媒ポンプを電磁クラッチを介してベルト30やギヤ組に連結し、ECU40で電磁クラッチを作動制御することで冷媒ポンプの作動と非作動とを行うようにすればよい。
In the above embodiment, the
In the above embodiment, the
2 エンジン
3 クランクシャフト
3a プーリ
4 冷却水回路
6 ランキンサイクル回路
7 循環路
10 蒸発器
18 膨張機入口弁
20 膨張機
21 駆動軸
21a プーリ
28 冷媒ポンプ
29 逆止弁
30 ベルト(伝達経路)
32 電磁クラッチ(動力伝達手段)
40 ECU(制御手段)
42、44 圧力センサ
46 膨張機回転速度センサ(膨張機回転速度検出手段)
48 エンジン回転速度センサ(機関回転速度検出手段)
2
32 Electromagnetic clutch (power transmission means)
40 ECU (control means)
42, 44
48 Engine rotation speed sensor (Engine rotation speed detection means)
Claims (4)
内燃機関と前記膨張機との間に介装され、内燃機関と前記膨張機との間の回転駆動力の伝達経路の接続と切断とを行う動力伝達手段と、
内燃機関の回転速度を検出する機関回転速度検出手段と、
該機関回転速度検出手段により検出された内燃機関の回転速度に応じて前記動力伝達手段を接続状態と切断状態とに制御する制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。 An evaporator that heats and evaporates the working fluid by waste heat of the internal combustion engine in the working fluid circulation path, an expander that expands the working fluid via the evaporator and transmits a rotational driving force to the internal combustion engine, and the expansion Waste heat utilization of an internal combustion engine having a Rankine system comprising a Rankine cycle circuit in which a condenser for condensing the working fluid passing through the machine and a pump for sequentially sending the working fluid passed through the condenser to the evaporator are provided In the device
A power transmission means interposed between the internal combustion engine and the expander, for connecting and disconnecting the transmission path of the rotational driving force between the internal combustion engine and the expander;
Engine rotational speed detecting means for detecting the rotational speed of the internal combustion engine;
A waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine, comprising: control means for controlling the power transmission means in a connected state and a disconnected state in accordance with the rotational speed of the internal combustion engine detected by the engine rotational speed detection means.
前記制御手段は、前記機関回転速度検出手段により検出される内燃機関の回転速度に基づく前記動力伝達手段における回転速度が前記膨張機回転速度検出手段により検出される前記膨張機の回転速度に基づく前記動力伝達手段における回転速度より大きいときには、前記動力伝達手段を切断状態に保持することを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用装置。 Further comprising expander rotation speed detection means for detecting the rotation speed of the expander;
The control means is based on the rotation speed of the expander detected by the expander rotation speed detection means, the rotation speed of the power transmission means based on the rotation speed of the internal combustion engine detected by the engine rotation speed detection means. The waste heat utilization apparatus for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the power transmission means is held in a disconnected state when the rotational speed of the power transmission means is greater.
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Legal Events
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A977 | Report on retrieval |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130925 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140219 |