JP2016188605A

JP2016188605A - ランキンサイクルの制御方法

Info

Publication number: JP2016188605A
Application number: JP2015069101A
Authority: JP
Inventors: 朋冬松浮; Tomofuyu Matsuuki
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-11-04

Abstract

【課題】温度変動する廃熱を従来よりも高い効率で回生することができるランキンサイクルの制御方法を提供する。
【解決手段】タービン７の入口に設置した入口温度センサ１３の測定値Ｔｉが、予め設定された過熱度Ｓを有するようにポンプ４の回転数を調整し、廃熱温度センサ１４の測定値Ｔｗから過熱度Ｓを差し引いた温度における作動流体３の蒸発圧力Ｐｅを決定し、ポンプ回転センサ１６の測定値Ｒｐ及び蒸発圧力Ｐｅと予め設定されたマップデータとに基づいてタービン７の必要回転数Ｒｎを決定し、タービン軸９の回転数が必要回転数Ｒｎと一致するように発電機１０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はランキンサイクルの制御方法に関し、更に詳しくは、温度変動する廃熱を従来よりも高い効率で回生することができるランキンサイクルの制御方法に関する。

従来より、車両の燃費を向上させることを目的として、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の廃熱をランキンサイクルを用いて回生することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このような車両の内燃機関の廃熱としては、排気熱、冷却水熱、ＥＧＲ熱やＣＡＣ（インタークーラー）熱などがあるが、いずれの熱源も車両の運転状態に応じて温度が変動する。

ランキンサイクルを高効率で運転するには、蒸発器の加熱源の温度に相当する蒸気圧力で作動流体を作動させる必要があるが、上記の特許文献１のような従来のランキンサイクルを用いた廃熱回生システムでは、廃熱の温度変動に応じて作動流体の圧力を設定することができないため、廃熱回生の効率が低下してしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、発明者が鋭意研究を進めたところ、構成部品が固定されたランキンサイクルにおいて蒸発器及び凝縮器で作動流体の相変化が十分になされる場合には、「ランキンサイクル内の作動流体の流量は圧縮機（ポンプ）の回転数で決定されること」、及び「膨張器（タービン）の入口における作動流体の圧力は、ポンプとタービンの回転数比により決定されること」を新たに見出し、本発明を完成させるに至ったものである。

特開平１１−５１５８２号公報

本発明の目的は、温度変動する廃熱を従来よりも高い効率で回生することができるランキンサイクルの制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のランキンサイクルの制御方法は、圧縮機、蒸発器、膨張器及び凝縮器を作動流体が順に循環してなるランキンサイクルを用いて、内燃機関の廃熱を回生するランキンサイクルの制御方法であって、前記膨張器の入口における前記作動流体の温度が、予め設定された過熱度を有するように前記圧縮機の回転数を調整し、前記蒸発器の加熱源となる前記廃熱の温度から前記過熱度を差し引いた温度における前記作動流体の蒸発圧力を決定し、前記圧縮機の回転数及び前記蒸発圧力と予め設定されたマップデータとに基づいて前記膨張器の必要回転数を決定し、前記膨張器の回転数を前記必要回転数に一致するように設定することを特徴とするものである。

本発明のランキンサイクルの制御方法によれば、膨張器の入口における作動流体が適当な過熱度を有するように圧縮機の回転数を設定するとともに、膨張器の入口における作動流体の圧力が、その過熱度を考慮した内燃機関の廃熱の温度に相当する蒸発圧力と一致するように膨張器の回転数を設定するので、温度変動する廃熱を従来よりも高い効率で回生することができる。

本発明の実施形態からなるランキンサイクルの制御方法を実施する廃熱回生システムの構成図である。本発明の実施形態からなるランキンサイクルの制御方法を説明するフロー図である。作動流体の蒸気圧特性の例を示すグラフである。マップデータの例を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなるランキンサイクルの制御方法を実施する廃熱回生システムの例を示す。なお、図中の矢印は、流体又は気体の流れ方向を示している。

この廃熱回生システムは、車両に搭載された内燃機関であるディーゼルエンジン１の廃熱を、ランキンサイクル２を用いて回生するものであり、作動流体３が順に強制循環する圧縮機（ポンプ）４、蒸発器５、過熱器６、膨張器（タービン）７及び凝縮器８を備えている。

作動流体３には、水、エタノール若しくはフッ素化合物又はそれらの混合物などが用いられる。

蒸発器５及び過熱器６は、ディーゼルエンジン１の廃熱をそれぞれ加熱源としている。この廃熱としては、排ガス（特に、後処理後の排ガス）、ＥＧＲガス、過給器で圧縮された吸入空気、エンジン本体で吸熱後の冷却水、ラジエーターで放熱後の冷却水などが例示される。

タービン７にはタービン軸９を通じて発電機１０が連結されている。この発電機１０は、タービン軸９の回転動力により発電を行う一方で、内部の電気抵抗を変化させることによりタービン軸９に負荷を加えて回転数を調整する回転数設定手段として機能する。また、凝縮器８に対向して冷却ファン１１が配置されている。

ランキンサイクル２において作動流体３は、ポンプ４において液体の状態で圧縮され、蒸発器５において定圧的に加熱されて高圧の気体となり、過熱器６において高温に加熱されてから、タービン７で断熱膨張しつつタービン軸９を回転駆動させた後に、凝縮器８において冷却ファン１１により定圧的に冷却されて再び液体に戻るという相変化をする。

そして、タービン７の入口には、作動流体３の圧力及び温度をそれぞれ測定する入口圧力センサ１２及び入口温度センサ１３が設置されている。また、蒸発器５には、加熱源である廃熱の温度を測定する廃熱温度センサ１４が設けられている。更に、ポンプ４及びタービン７には、ポンプ回転軸１５の回転数及びタービン軸９の回転数をそれぞれ測定するポンプ回転センサ１６及びタービン回転センサ１７が取り付けられている。

上記のセンサ群並びにランキンサイクル２の構成部品は、制御手段であるＥＣＵ１８に信号線（点線で示す）を通じて接続されている。

このような廃熱回生システムにおいて実施されるランキンサイクルの制御方法を、ＥＣＵ１８の機能として図２に基づいて以下に説明する。

まず、ＥＣＵ１８は、入口圧力センサ１２の測定値Ｐｉを入力し（Ｓ１０）、入口温度センサ１３の測定値Ｔｉが、予め設定された過熱度Ｓを有するようにポンプ回転軸１５の回転数を調整する（Ｓ２０〜Ｓ３０）。このことは、「ランキンサイクル２内の作動流体３の流量は、ポンプ４の回転数により決定される」という知見に基づくものである。

なお、過熱度Ｓとは、タービン７の入口における作動流体３の圧力Ｐｉに相当する飽和蒸気温度Ｔｓからの作動流体３の蒸気の温度の上昇分（Ｔｉ−Ｔｓ）である。この過熱度Ｓは、タービン７の出口において作動流体３が湿り蒸気の状態にならないように、作動流体３の蒸気圧特性及びタービン７の性能仕様などに基づいて予め設定される。

次に、ＥＣＵ１８は、廃熱温度センサ１４の測定値Ｔｗを入力し（Ｓ４０）、その測定値Ｔｗから過熱度Ｓを差し引いた温度（Ｔｗ−Ｓ）における作動流体３の蒸発圧力Ｐｅを、図３に示すような作動流体３の蒸気圧特性に基づいて決定する（Ｓ５０）。

そして、ＥＣＵ１８は、ポンプ回転センサ１６の測定値Ｒｐを入力し（Ｓ６０）、その測定値Ｒｐ及び蒸発圧力Ｐｅと予め設定されたマップデータとに基づいてタービン軸９の必要回転数Ｒｎを決定する（Ｓ７０）。

図４にマップデータの例を示す。このマップデータは、「タービン７の入口における作動流体３の圧力は、ポンプ４とタービン７との回転数比により決定される」という知見から得られたものである。この図４中に示すようにして、蒸発圧力Ｐｅに対応する回転数比と測定値Ｒｐとから必要回転数Ｒｎが求められる。

最後に、ＥＣＵ１８は、タービン回転センサ１７の測定値Ｒｔを入力し（Ｓ８０）、その測定値Ｒｔが必要回転数Ｒｎと一致するように発電機１０を制御してタービン軸９の回転数を設定する（Ｓ９０〜Ｓ１００）。

ＥＣＵ１８は、ディーゼルエンジン１の廃熱の温度変化をカバーする適当な時間間隔で上記のステップ１０〜１００を繰り返し実施する。

このように、タービン７の入口における作動流体３が適切な過熱度Ｓを有するようにポンプ４の回転数を設定するとともに、タービン７の入口における作動流体３の圧力が、過熱度Ｓを考慮したディーゼルエンジン１の廃熱の温度に相当する蒸発圧力Ｐｅと一致するようにタービン軸９の回転数を設定するので、温度変動する廃熱を従来よりも高い効率で回生することができるのである。

なお、上記のランキンサイクルの制御方法においては、タービン軸９の回転数を発電機１０を用いて設定しているが、タービン軸９の回転動力を発電ではなく機械的動力として回収するような場合には、タービン軸９に加わる負荷トルクを制御する手段をタービン７に設けることになる。そのような手段としては、タービン軸９に摩擦力を加えるブレーキ機構などが例示される。

１ディーゼルエンジン
２ランキンサイクル
３作動流体
４ポンプ
５蒸発器
６過熱器
７タービン
８凝縮器
９タービン軸
１０発電機
１１冷却ファン
１２入口圧力センサ
１３入口温度センサ
１４廃熱温度センサ
１５ポンプ回転軸
１６ポンプ回転センサ
１７タービン回転センサ
１８ＥＣＵ

Claims

圧縮機、蒸発器、膨張器及び凝縮器を作動流体が順に循環してなるランキンサイクルを用いて、内燃機関の廃熱を回生するランキンサイクルの制御方法であって、
前記膨張器の入口における前記作動流体の温度が、予め設定された過熱度を有するように前記圧縮機の回転数を調整し、
前記蒸発器の加熱源となる前記廃熱の温度から前記過熱度を差し引いた温度における前記作動流体の蒸発圧力を決定し、
前記圧縮機の回転数及び前記蒸発圧力と予め設定されたマップデータとに基づいて前記膨張器の必要回転数を決定し、
前記膨張器の回転数を前記必要回転数に一致するように設定することを特徴とする制御方法。
前記膨張器に該膨張器の回転数を設定可能な発電機を連結し、
該膨張器の回転数が前記必要回転数と一致するように前記発電機を制御する請求項１に記載の制御方法。
前記マップデータが、前記圧縮機の回転数に対する前記膨張器の回転数の比と、前記膨張器の入口における前記作動流体の圧力との関係を示すグラフである請求項１又は２に記載の制御方法。
前記内燃機関が、車両に搭載されたディーゼルエンジンである請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御方法。