JP2018115580A

JP2018115580A - ランキンサイクル

Info

Publication number: JP2018115580A
Application number: JP2017005795A
Authority: JP
Inventors: 佑輔高橋; Yusuke Takahashi
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-07-26

Abstract

【課題】熱効率を向上させたランキンサイクルを提供すること。【解決手段】ポンプから吐出された作動流体が蒸発器、膨張器および凝縮器を順に流れてポンプに吸入されるランキンサイクルであって、凝縮器とポンプとを接続する流路に設けられ、作動流体が凝縮器からポンプに向かって流れる際に開弁する逆止弁と、逆止弁を開弁方向へ付勢するアクチュエータと、を備える。アクチュエータは、ポンプの吸入行程で逆止弁を開弁方向へ付勢する。逆止弁は、ポンプの吐出行程における所定の期間で、アクチュエータによる開弁方向への付勢が停止されて閉弁する。逆止弁は、弁体と、弁座と、弁体を弁座に着座させる方向に付勢するスプリングと、を備え、アクチュエータは、スプリングの付勢力に抗して弁体を弁座から離間させるラッチソレノイドである。【選択図】図２

Description

本発明は、ランキンサイクルに関する。

従来より、車両の燃費向上を目的として、内燃機関の排熱を、ランキンサイクルを用いて回生することが行われている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１２−２０２６６５号公報

特許文献１に記載されるランキンサイクルにおいて、作動流体を循環させるためのポンプの吸入側には、吸入用逆止弁が設けられている。このような吸入用逆止弁は、スプリングにより閉弁方向に付勢されており、低圧側流路内の圧力とポンプ内の圧力との圧力差が所定の圧力差以上となった場合に開弁する。

ところで、ランキンサイクルでは、低圧側流路から吸入した作動流体がポンプ内で再沸騰することを防止するために、吸入用逆止弁が開弁するときのポンプ内の圧力が予め設定されている。また、ランキンサイクルの熱効率は、高圧側流路内の圧力と低圧側流路内の圧力との圧力差に依存することが従来から知られている。

特許文献１に記載のランキンサイクルでは、低圧側流路内の圧力を、吸入用逆止弁が開弁するときのポンプ内の圧力に比べてスプリングの付勢力分だけ高圧に設定する必要があるため、熱効率が良くないという問題があった。

本発明の目的は、熱効率を向上させたランキンサイクルを提供することである。

本発明に係るランキンサイクルは、ポンプから吐出された作動流体が蒸発器、膨張器および凝縮器を順に流れて前記ポンプに吸入されるランキンサイクルであって、前記凝縮器と前記ポンプとを接続する流路に設けられ、前記作動流体が前記凝縮器から前記ポンプに向かって流れる際に開弁する逆止弁と、前記逆止弁を開弁方向へ付勢するアクチュエータと、を備える。

本発明に係るランキンサイクルによれば、熱効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るランキンサイクルの全体構成を示す図本実施形態に係るポンプにおけるシリンダの概略図比較例に係るポンプにおけるシリンダの概略図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこの実施形態により限定されるものではない。

まず、図１を参照して、本実施形態に係るランキンサイクル１の全体構成について説明する。ランキンサイクル１は、ポンプ２と、エバポレータ３と、エキスパンダ４と、コンデンサ５とを備えている。

作動流体６は、ポンプ２、エバポレータ３、エキスパンダ４およびコンデンサ５を順に循環する。作動流体６としては、例えばエタノールが用いられる。なお、作動流体６の種類はこれに限定されない。具体的には、例えば、純水、フロン系の冷媒等を用いることができる。

ポンプ２は、液体の状態の作動流体６をエバポレータ３へ送出する。ポンプ２の詳細な構成については後述する。

エバポレータ３は、例えばディーゼルエンジン７の排ガスを用いて作動流体６を加熱する蒸発器である。なお、エバポレータ３の加熱源はこれに限定されない。具体的には、例えば、ディーゼルエンジン７の冷却水等を用いることができる。

エバポレータ３で加熱されて高圧ガス（蒸気）となった作動流体６は、エキスパンダ４へ送られる。

エキスパンダ４は、高圧ガスの状態の作動流体６により回転駆動される。エキスパンダ４には、駆動軸８を介して例えば発電機９が連結されている。なお、エキスパンダ４の出力先はこれに限定されない。具体的には、例えば、ターボチャージャ等へ出力することができる。

エキスパンダ４の回転駆動に用いられた高圧ガスの状態の作動流体６は、コンデンサ５へ送られる。

コンデンサ５は、例えばインタークーラ１０の冷却水を用いて高圧ガスの状態の作動流体６を冷却する凝縮器である。なお、コンデンサ５の冷却源はこれに限定されない。具体的には、例えば、冷却ファン等を用いることができる。

コンデンサ５で冷却された作動流体６は、再び液体の状態となり、ポンプ２へ送られる。

次に、図２を参照して、ポンプ２の詳細について説明する。図２には、ポンプ２における１つのシリンダ２４が描かれている。ポンプ２は、コンデンサ５と接続された低圧側流路２１と、エバポレータ３と接続された高圧側流路２２と、シリンダ側流路２３とを備える。

シリンダ側流路２３と接続されたシリンダ２４には、ベローズピストン２５が設けられている。ベローズピストン２５の下端付近は、リンク機構２６を介してクランク軸２７と接続されている。リンク機構２６は、クランク軸２７の回転運動をベローズピストン２５の上下運動に変換する。

クランク軸２７は、ディーゼルエンジン７の出力軸に接続されており、ディーゼルエンジン７により回転駆動される。そして、クランク軸２７の回転運動に基づいてベローズピストン２５がシリンダ２４内で上下運動することにより、シリンダ２４内の容積が周期的に変化する。

なお、ピストンを上下運動させる機構は、上述のクランク軸タイプに限定されない。具体的には、例えば、公知の斜板タイプのものを用いてもよい。また、クランク軸を回転駆動させる駆動源についても、上述のエンジンに限定されない。具体的には、例えば、上述のエキスパンダによってクランク軸を回転駆動させてもよい。

低圧側流路２１とシリンダ側流路２３との間には、低圧側流路２１内の圧力とシリンダ２４内の圧力との圧力差が所定の圧力差となった場合に開弁して、低圧側流路２１内の作動流体６をシリンダ２４内に吸入する低圧側逆止弁３０が設けられている。

低圧側逆止弁３０は、第１の弁座３１と、第１の弁体３２と、第１の弁体３２を第１の弁座３１に着座させる方向に付勢する第１のスプリング３３とを有する。低圧側逆止弁３０は、低圧側流路２１内の圧力がシリンダ側流路２３内の圧力よりも第１のスプリング３３の付勢力分だけ高い場合に開弁する。低圧側逆止弁３０は、例えばポペットバルブである。

シリンダ側流路２３と高圧側流路２２との間には、シリンダ２４内の圧力と高圧側流路２２内の圧力との圧力差が所定の圧力差となった場合に開弁して、シリンダ２４内の作動流体６を高圧側流路２２に吐出する高圧側逆止弁４０が設けられている。

高圧側逆止弁４０は、第２の弁座４１と、第２の弁体４２と、第２の弁体４２を第２の弁座４１に着座させる方向に付勢する第２のスプリング４３とを有する。高圧側逆止弁４０は、シリンダ側流路２３内の圧力が高圧側流路２２内の圧力よりも第２のスプリング４３の付勢力分だけ高い場合に開弁する。高圧側逆止弁４０は、例えばポペットバルブである。

本実施形態ではさらに、ポンプ２に、低圧側逆止弁３０を所望のタイミングで開弁させるアクチュエータが設けられている。具体的には、低圧側逆止弁３０に、制御装置５０からの制御信号により第１のスプリング３３の付勢力に抗して第１の弁体３２を第１の弁座３１から離間させるソレノイド５１が設けられている。ソレノイド５１は、制御装置５０から電力を供給されている間だけ、第１の弁体３２を第１の弁座３１から離間させる方向への付勢力を発生させる。

制御装置５０には、クランク角検出センサ５２により検出されたクランク軸２７の回転角度が入力される。制御装置５０は、入力されたクランク軸２７の回転角度に基づいて、ソレノイド５１を制御して、第１の弁体３２を第１の弁座３１から離間させる。

次に、ポンプの吸入行程について説明する。

まず、図３に示す比較例に係るポンプ１０２について簡単に説明する。比較例に係るポンプ１０２の構造は、低圧側逆止弁１３０に、第１のスプリング１３３の付勢力に抗して第１の弁体１３２を第１の弁座１３１から離間させる機構が設けられていない点のみが本実施形態に係るポンプ２の構成と異なっており、その他の点は本実施形態に係るポンプ２と同様の構成である。なお、以下の説明では、配管における圧力損失はないものとして説明する。

ポンプ１０２において、低圧側逆止弁１３０が開弁するときのシリンダ１２４内の圧力は、低圧側流路１２１からシリンダ側流路１２３を介してシリンダ１２４内に吸入した作動流体の再沸騰を防止するために、予めＰ_２に設定されている。

低圧側逆止弁１３０において、第１の弁体１３２を第１の弁座１３１に着座させる方向に付勢する第１のスプリング１３３の付勢力を圧力換算したものをＰ_Ｓとすると、低圧側流路１２１内の圧力Ｐ_１Ｃは、Ｐ_１Ｃ＝Ｐ_２＋Ｐ_Ｓに設定する必要がある。また、高圧側流路１２２内の圧力Ｐ_３と、低圧側流路１２１内の圧力Ｐ_１Ｃとの圧力差ΔＰ_Ｃは、ΔＰ_Ｃ＝Ｐ_３−Ｐ_１Ｃ＝Ｐ_３−Ｐ_２−Ｐ_Ｓで表される。

次に、本実施形態に係るランキンサイクル１のポンプ２について説明する。本実施形態において、低圧側逆止弁３０が開弁するときのシリンダ２４内の圧力を、比較例と同様にＰ_２とする。

本実施形態では、低圧側逆止弁３０は、ソレノイド５１により、吸入行程において開弁状態とされる。具体的には、制御装置５０が、クランク角検出センサ５２が検出したクランク軸２７の回転角度に基づき、ベローズピストン２５が上死点から下死点に向けて移動中であると判断した場合、ソレノイド５１を制御して、第１の弁体３２を、第１の弁座３１から離間させる。

そのため、低圧側流路２１内の圧力Ｐ_１を設定する際に、第１のスプリング３３の付勢力を考慮する必要がない。すなわち、本実施形態では、低圧側流路２１内の圧力Ｐ_１を、Ｐ_２に設定することができる。

この場合、高圧側流路２２内の圧力Ｐ_３と、低圧側流路２１内の圧力Ｐ_１との圧力差ΔＰは、ΔＰ＝Ｐ_３−Ｐ_１＝Ｐ_３−Ｐ_２である。そのため、比較例に比べ、高圧側流路２２内の圧力Ｐ_３と、低圧側流路２１内の圧力Ｐ_１との圧力差を、Ｐ_Ｓだけ大きくすることができる。

次に、ポンプの吐出行程について説明する。

本実施形態では、ベローズピストン２５が下死点から上死点に向かって移動する吐出行程において、所定のタイミングで、低圧側逆止弁３０を閉弁するように構成されている。

具体的には、例えば、上述の吸入行程の後、ソレノイド５１により低圧側逆止弁３０を開弁状態に維持し、ベローズピストン２５が下死点から上死点に向かって移動する途中で低圧側逆止弁３０を閉弁させる。または、複数回の吐出行程のうち、所定回数については低圧側逆止弁３０を開弁状態に維持し、残りの回数については低圧側逆止弁３０を閉弁させる。

こうすることで、高圧側流路２２への吐出量を変化させることができる。そのため、ポンプ２の容量を可変とすることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ポンプ２に、低圧側逆止弁３０を所望のタイミングで開弁させるアクチュエータを設けた。具体的には、制御装置５０からの制御信号により第１の弁体３２を第１のスプリング３３の付勢力に抗して第１の弁座３１から離間させるソレノイド５１を設けた。

そして、ポンプ２の吸入行程において、低圧側逆止弁３０を開弁状態とするように構成した。これにより、低圧側流路２１内の圧力を、低圧側逆止弁３０が開弁するときのシリンダ２４内の圧力と同一に設定することができる。そのため、高圧側流路２２内の圧力と、低圧側流路２１内の圧力との圧力差を大きくすることができ、ランキンサイクル１の熱効率を向上させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、ポンプ２の吸入行程で開弁状態としていた低圧側逆止弁３０を、吐出行程における所定のタイミングで閉弁状態とするように構成した。これにより、高圧側流路２２への吐出量を変化させることができる。そのため、システムが複雑で高価な電動ポンプを用いることなく、ポンプ容量を可変とすることが可能となる。

なお、上述の実施形態では、吸入行程で低圧側逆止弁３０を開弁状態とし、吐出行程における所定のタイミングで低圧側逆止弁３０を閉弁状態とするように構成したが、これに限定されない。具体的には、例えば、吸入行程でのみ低圧側逆止弁３０を開弁状態としてもよい。

また、上述の実施形態では、ソレノイド５１を、第１の弁体３２を第１のスプリング３３の付勢力に抗して第１の弁座３１から離間させる能力を有するものとしたが、これに限定されず、第１のスプリング３３の付勢力に抗する力を発生できさえすればよい。

具体的には、例えば、ソレノイド５１は、第１のスプリング３３のセット荷重をキャンセルするだけの力を発生できればよい。また、例えば、ソレノイド５１は、第１のスプリング３３の閉弁方向への付勢力を低減させることができればよい。

また、上述の実施形態では、低圧側逆止弁３０および高圧側逆止弁４０を、ポンプ２の内部に設けたものを例に挙げて説明を行ったが、これに限定されない。具体的には、例えば、低圧側逆止弁３０および高圧側逆止弁４０の少なくとも一方は、ポンプ２の外部に設けられていてもよい。

本発明のランキンサイクルは、車両において内燃機関の排熱を回生する際に好適に用いられる。

１ランキンサイクル
２、１０２ポンプ
３エバポレータ（蒸発器）
４エキスパンダ（膨張器）
５コンデンサ（凝縮器）
６作動流体
７ディーゼルエンジン
８駆動軸
９発電機
１０インタークーラ
２１、１２１低圧側流路
２２、１２２高圧側流路
２３、１２３シリンダ側流路
２４、１２４シリンダ
２５ベローズピストン
２６リンク機構
２７クランク軸
３０、１３０低圧側逆止弁
３１、１３１第１の弁座
３２、１３２第１の弁体
３３、１３３第１のスプリング
４０高圧側逆止弁
４１第２の弁座
４２第２の弁体
４３第２のスプリング
５０制御装置
５１ソレノイド
５２クランク角検出センサ

Claims

ポンプから吐出された作動流体が蒸発器、膨張器および凝縮器を順に流れて前記ポンプに吸入されるランキンサイクルであって、
前記凝縮器と前記ポンプとを接続する流路に設けられ、前記作動流体が前記凝縮器から前記ポンプに向かって流れる際に開弁する逆止弁と、
前記逆止弁を開弁方向へ付勢するアクチュエータと、を備える
ランキンサイクル。
前記アクチュエータは、前記ポンプの吸入行程で前記逆止弁を開弁方向へ付勢する、
請求項１に記載のランキンサイクル。
前記逆止弁は、前記ポンプの吐出行程における所定の期間で、前記アクチュエータによる開弁方向への付勢が停止されて閉弁する、
請求項１または２に記載のランキンサイクル。
前記逆止弁は、弁体と、弁座と、前記弁体を前記弁座に着座させる方向に付勢するスプリングと、を備え、
前記アクチュエータは、前記スプリングの付勢力に抗して前記弁体を前記弁座から離間させるソレノイドである、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のランキンサイクル。