JP2019027318A - Waste heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に係り、特に、車載用内燃機関の廃熱回収に適した廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat of an internal combustion engine, and more particularly, to a waste heat recovery apparatus suitable for waste heat recovery of an in-vehicle internal combustion engine.
特許文献1には、蒸気発生器(沸騰器)、過熱器、蒸気タービンおよび凝縮器を備え、内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置(ランキンサイクルシステム)が開示されている。この廃熱回収装置は、さらに、蒸気タービンの出力軸と内燃機関の出力軸とを連結または切り離すクラッチと、蒸気タービンを迂回するバイパス通路と、このバイパス通路を開閉するバイパス弁とを備えている。
上記の廃熱回収装置では、エンジン回転数が所定の閾値を超えた場合に、クラッチによって蒸気タービンの出力軸が内燃機関の出力軸から切り離される。そのうえで、蒸気タービンの出力軸が内燃機関の出力軸から切り離された後に蒸気タービンの過回転を抑制するために、バイパス弁を開くことによって蒸気がバイパス通路に逃がされる。 In the above waste heat recovery apparatus, when the engine speed exceeds a predetermined threshold, the output shaft of the steam turbine is disconnected from the output shaft of the internal combustion engine by the clutch. In addition, in order to suppress over-rotation of the steam turbine after the output shaft of the steam turbine is disconnected from the output shaft of the internal combustion engine, the steam is released to the bypass passage by opening the bypass valve.
特許文献1に記載のように蒸気タービンの過回転を抑制するために蒸気がバイパス通路に逃がされると、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力(より詳細には、蒸気タービンに蒸気を噴きつけるノズルに供給される蒸気の圧力)が低下する。その結果、その後にクラッチによって蒸気タービンの出力軸と内燃機関の出力軸とが再び連結された場合に、蒸気タービンの効率が低下することが懸念される。
As described in
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、クラッチによって蒸気タービンの出力軸が内燃機関の出力軸から切り離された場合に、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力の低下を抑制しつつ蒸気タービンの過回転を抑制できるようにした廃熱回収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. When the output shaft of the steam turbine is disconnected from the output shaft of the internal combustion engine by the clutch, the pressure of the steam supplied to the steam turbine is reduced. It is an object of the present invention to provide a waste heat recovery device that can suppress over-rotation of a steam turbine while suppressing it.
本発明に係る廃熱回収装置は、
内燃機関の廃熱により液相の作動流体を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生器と、
前記蒸気発生器において発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの出力軸と前記内燃機関の出力軸とを連結または切り離すクラッチと、
前記蒸気タービンのタービンブレードに対する蒸気流れの入射角を可変とする可変装置と、
前記クラッチおよび前記可変装置を制御する制御装置と、
を備える。
前記制御装置は、前記クラッチによって前記蒸気タービンの前記出力軸が前記内燃機関の前記出力軸から切り離された場合に、前記蒸気タービンの回転数が上限回転数を超えないように前記可変装置を用いて前記入射角を調整する。
The waste heat recovery apparatus according to the present invention is
A steam generator for generating steam by boiling a liquid-phase working fluid by waste heat of an internal combustion engine;
A steam turbine driven by steam generated in the steam generator;
A clutch that connects or disconnects the output shaft of the steam turbine and the output shaft of the internal combustion engine;
A variable device for varying an incident angle of a steam flow to a turbine blade of the steam turbine;
A control device for controlling the clutch and the variable device;
Is provided.
The control device uses the variable device so that the rotation speed of the steam turbine does not exceed an upper limit rotation speed when the output shaft of the steam turbine is disconnected from the output shaft of the internal combustion engine by the clutch. To adjust the incident angle.
本発明によれば、クラッチによって蒸気タービンの出力軸が内燃機関の出力軸から切り離された場合に、蒸気タービンの回転数が上限回転数を超えないように可変装置を用いて入射角が調整される。入射角の調整の利用によれば、蒸気タービンに供給される蒸気はバイパスされない。このため、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力の低下を抑制しつつ蒸気タービンの過回転を抑制することができる。 According to the present invention, when the output shaft of the steam turbine is disconnected from the output shaft of the internal combustion engine by the clutch, the incident angle is adjusted using the variable device so that the rotation speed of the steam turbine does not exceed the upper limit rotation speed. The By utilizing the adjustment of the incident angle, the steam supplied to the steam turbine is not bypassed. For this reason, it is possible to suppress the excessive rotation of the steam turbine while suppressing a decrease in the pressure of the steam supplied to the steam turbine.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the same reference numerals are given to common elements in the drawings, and redundant description is omitted. In addition, in the embodiment shown below, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., unless otherwise specified or clearly specified in principle, the reference However, the present invention is not limited to these numbers. Further, the structures, steps, and the like described in the embodiments below are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.
1.廃熱回収装置の構成
本実施形態の廃熱回収装置は、車両に搭載されて車両の動力装置である内燃機関の廃熱を回収する。
1. Configuration of Waste Heat Recovery Device The waste heat recovery device of the present embodiment is mounted on a vehicle and recovers waste heat of an internal combustion engine that is a power device of the vehicle.
1−1.廃熱回収装置の全体構成
図1は、本発明の実施形態に係る廃熱回収装置10の全体構成を模式的に示す図である。図1に示す廃熱回収装置10は、ランキンサイクルシステムとして構成されている。本実施形態では、このランキンサイクルシステムの作動流体の一例として、水が用いられる。廃熱回収装置10は、作動流体が流れる通路11上に、熱源側機器12と、ノズル14と、蒸気タービン(以下、単に「タービン」とも称する)16と、冷却側機器18と、ポンプ20とを備えている。
1-1. Overall Configuration of Waste Heat Recovery Apparatus FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a waste
熱源側機器12は、蒸気発生器とともに、一例として過熱器を含んでいる。蒸気発生器は、内燃機関(エンジン)1の廃熱により、通路11内を流通する液相の作動流体を沸騰させて蒸気を発生させるように構成されている。過熱器は、蒸気発生器において発生した飽和蒸気である気相の作動流体を、一例として排気ガスとの熱交換により過熱し、過熱蒸気とする。なお、蒸気発生器の熱源は特に問わない。例えば、その熱源として、エンジン冷却水、過給機において過給された吸入空気等の廃熱を利用することができる。また、単一の熱源に限られるものではなく、複数の熱源により蒸気を発生させるものであっても良い。
The heat
タービン16は、熱源側機器12から送られた気相の作動流体を膨張させて熱エネルギを回収する。上記のノズル14は、タービン16の上流に設けられている。気相の作動流体は、ノズル14からタービン16のタービンブレード16aに噴きつけられ、タービン16を回転させる。
The
冷却側機器18は、コンデンサ(凝縮器)とキャッチタンクを含んでいる。タービン16で膨張した気相の作動流体は、このコンデンサに送られる。コンデンサに送られた気相の作動流体は、コンデンサにより冷却されて凝縮し、液相の作動流体に戻される。気相の作動流体の凝縮により生じた液相の作動流体は、コンデンサからキャッチタンクに送られ、キャッチタンクにおいて一時的に貯留される。
The
上記のポンプ20は、冷却側機器18と熱源側機器12との間の通路11上に配置されている。ポンプ20は、冷却側機器18のキャッチタンクに貯留された液相の作動流体を熱源側機器12の蒸気発生器に送るためのポンプである。
The
タービン16の出力軸(回転軸)16bは、減速機構22を介してエンジン1の出力軸1aと機械的に連結されている。より詳細には、減速機構22の減速比Rは、1よりも大きい値であり、エンジン回転数Neに対してタービン回転数Ntが高くなるように決定されている(Nt=R×Ne)。タービン16で回収された熱エネルギは、エンジン1の回転をアシストする動力としてエンジン1に回収される。
An output shaft (rotary shaft) 16 b of the
廃熱回収装置10は、さらに、タービン16の出力軸16bとエンジン1の出力軸1aとを連結または切り離すためのクラッチ24を備えている。クラッチ24の位置は、タービン16とエンジン1との間の動力伝達経路上であれば特に問わない。また、タービン16の出力軸16bには、タービン回転数Ntを計測するための回転数センサ26が取り付けられている。回転数センサ26は、クラッチ24によってタービン16がエンジン1から切り離された場合であってもタービン回転数Ntを検出可能な位置に設けられている。
The waste
1−2.可変入射角ノズルの構造例
図2は、タービンブレード16aに対する蒸気流れの入射角αについて説明するための図である。ここでは、タービン16の軸方向に垂直な平面であってタービンブレード16aの厚みの中心を通る平面を、タービン16の「基準面S」と称する。本実施形態の構成では、図2に示すように、入射角αは、この基準面Sと、ノズル14からタービンブレード16aに噴きつけられる蒸気流れの方向Dとがなす角度に相当する。なお、入射角αは、ノズル14からの蒸気がタービンブレード16aをその回転方向に押す向きに蒸気流れの方向Dがあり、かつ、この方向Dが基準面Sと平行となるときの値が0°として定義される(ただし、0°は実現可能な値ではない)。
1-2. Structural Example of Variable Incident Angle Nozzle FIG. 2 is a diagram for explaining the incident angle α of the steam flow with respect to the
タービン性能に影響を与えるパラメータとしては、熱源側圧力(すなわち、タービン16(より詳細には、ノズル14)に供給される蒸気の圧力)、蒸気量、および、上述の蒸気の入射角αが挙げられる。タービン16の効率は、この入射角αが小さいほど高くなる。
Parameters affecting the turbine performance include the pressure on the heat source side (that is, the pressure of steam supplied to the turbine 16 (more specifically, the nozzle 14)), the amount of steam, and the above-described incident angle α of steam. It is done. The efficiency of the
本実施形態のノズル14は、より詳細には、入射角αを変更可能に構成されている。このため、以下、ノズル14のことを「可変入射角ノズル14」とも称する。図3は、回転式(A)およびスライド式(B)の2通りの可変入射角ノズルの構造例を模式的に示す図である。図3(A)に示す回転式の例は、本実施形態で採用される例である。この例では、可変入射角ノズル14は、図示省略する駆動機構によって、基準面Sに対する蒸気流れの方向Dが変化する態様で回転可能に構成されている。このような構造例によれば、方向Dを変化させることで入射角αを変更できる。また、図1に示すように、入射角αの把握のために、ノズル14の回転角度を検出する角度センサ28が備えられている。
More specifically, the
一方、図3(B)に示すスライド式の例では、ノズルは、図示省略する駆動機構によって、基準面Sと方向Dとの交点Pを中心としてノズルが回転する態様でスライド可能に構成されている。なお、この例において、ノズルとその上流側の通路との間に位置する接続通路は、上記通路に対するノズルの位置の変化を吸収するために、例えば、フレキシブルパイプ(またはホース)によって構成すればよい。このような構造例によっても、方向Dを変化させることで入射角αを変更できる。なお、ノズルの開口面積を変えずに入射角αのみを変更可能であれば、ここに例示された構造例以外の任意の構造が採用されてもよい。 On the other hand, in the sliding type example shown in FIG. 3B, the nozzle is configured to be slidable in a manner in which the nozzle rotates around the intersection P between the reference plane S and the direction D by a driving mechanism (not shown). Yes. In this example, the connection passage located between the nozzle and the passage on the upstream side thereof may be constituted by, for example, a flexible pipe (or hose) in order to absorb the change in the position of the nozzle with respect to the passage. . Even with such a structural example, the incident angle α can be changed by changing the direction D. Note that any structure other than the structural example illustrated here may be adopted as long as only the incident angle α can be changed without changing the opening area of the nozzle.
1−3.制御装置
廃熱回収装置10は、さらに、クラッチ24および可変入射角ノズル14を制御する制御装置として、電子制御ユニット(ECU)30を備えている。ECU30は、少なくとも入出力インターフェースとメモリとプロセッサとを備えている。入出力インターフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、クラッチ24および可変入射角ノズル14に対して操作信号を出力する。ここでいう各種センサには、上記の回転数センサ26および角度センサ28とともに、エンジン回転数Neを取得するためのクランク角センサ32が含まれる。メモリには、各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。プロセッサは、制御プログラムをメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいてクラッチ24および可変入射角ノズル14に対する操作信号を生成する。
1-3. Control Device The waste
2.クラッチ切断時のタービン回転数制御
2−1.タービン保護等のためのクラッチ切断に伴うタービンの過回転
クラッチ24が連結された状態においてエンジン回転数Neが上昇すると、エンジン回転数Neの上昇の仕方次第ではタービン回転数Ntが高くなり過ぎることがある。より詳細には、エンジン回転数Neの上昇に伴ってタービン16に過回転が生じる理由は、エンジン回転数Neの常用域において、高い効率が得られる高タービン回転数Ntを確保したい等の理由によって、減速比Rが大きくされるためである。
2. 2. Turbine rotational speed control at clutch disconnection 2-1. Turbine over-speed due to clutch disengagement for turbine protection etc. If the engine speed Ne rises while the clutch 24 is engaged, the turbine speed Nt may become too high depending on how the engine speed Ne rises. is there. More specifically, the reason why the
本実施形態では、タービン回転数Ntが所定の上限回転数Ntmaxに到達した場合に、タービン16の保護などの理由でクラッチ24が切断される。しかしながら、クラッチ24が切断されると、タービン16は無負荷状態となるため、タービン16の過回転が生じてしまうことがある。
In the present embodiment, when the turbine rotation speed Nt reaches a predetermined upper limit rotation speed Ntmax, the clutch 24 is disconnected for reasons such as protection of the
2−2.タービンの効率への入射角αの影響
図4(A)〜図4(C)は、タービン16の効率への入射角αの影響を説明するための図である。
2-2. Influence of Incident Angle α on Turbine Efficiency FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining the influence of the incident angle α on the efficiency of the
図4(A)は、入射角αが最小値αmin(0°<αmin<90°)である場合の可変入射角ノズル14とタービンブレード16aとの位置関係を表している。既述したように、タービン16の効率は、この入射角αが小さいほど高くなる。この理由は、入射角αが小さいと、可変入射角ノズル14からの蒸気がタービンブレード16aをその回転方向に効率良く押せるためである。このため、廃熱回収時(すなわち、クラッチ24の連結時)には、入射角αとして最小値αminが使用される。なお、最小値αminの値は、ノズル径と部品強度とを考慮して取り得る最小の入射角αとして、構築されるシステムに応じて設定される。
FIG. 4A shows the positional relationship between the variable
図4(B)は、入射角αが90°である場合の可変入射角ノズル14とタービンブレード16aとの位置関係を表している。この場合には、可変入射角ノズル14からの蒸気は、タービンブレード16aに水平に当たることになる。このため、この場合の蒸気の噴きつけによっては、タービン16の回転力(駆動力)は実質的に生み出されない。
FIG. 4B shows the positional relationship between the variable
図4(C)は、入射角αが90°よりも大きな角度である場合の可変入射角ノズル14とタービンブレード16aとの位置関係を表している。この例のように入射角αが90°を超えると、可変入射角ノズル14からの蒸気は、図4(C)に示すように、タービンブレード16aの正規の回転方向と対向する向きでタービンブレード16aに噴きつけられる。このため、この場合の蒸気の噴きつけは、タービンブレード16aの回転を下げる制動力として作用する。なお、入射角αの最大値αmaxは、最小値αminの設定と同様に、ノズル径と部品強度とを考慮して取り得る最大の入射角α(ただし、180°未満)として、構築されるシステムに応じて設定される。
FIG. 4C shows the positional relationship between the variable
2−3.クラッチ切断時のタービン回転数制御の概要
図4(A)〜図4(C)を参照した説明からも分かるように、90°を基準として入射角αを増減することにより、蒸気からタービンブレード16aに駆動力を与えたり、制動力を与えたりすることができる。そこで、本実施形態では、クラッチ24によってタービン16の出力軸16bがエンジン1の出力軸1aから切り離された場合には、タービン回転数Ntの制御のために入射角αの調整が利用される。具体的には、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxを超えないようにするために、可変入射角ノズル14を用いて、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxに近づくように入射角αが調整される。
2-3. Overview of Turbine Speed Control at Clutch Disengagement As can be seen from the description with reference to FIGS. 4 (A) to 4 (C), the
図5は、本発明の実施形態に係るタービン回転数制御の動作の一例を表したタイムチャートである。図5中の回転数の波形に関し、実線はエンジン回転数Neと減速比Rとの積(Ne×R)、すなわち、タービン16の出力軸16bと連結対象のエンジン1側の回転軸34(図1参照)の回転数であり、破線はタービン回転数Ntである。両者は、クラッチ24の連結中には等しくなる。
FIG. 5 is a time chart showing an example of the operation of the turbine rotation speed control according to the embodiment of the present invention. 5, the solid line indicates the product (Ne × R) of the engine speed Ne and the reduction ratio R, that is, the
図5中の時点t1よりも前の期間では、クラッチ24がON(連結状態)とされ、廃熱回収が行われている。この期間では、可変入射角ノズル14は、入射角αが最小値αminとなるように制御されている。そして、この期間中には、エンジン回転数Neの上昇に伴ってタービン回転数Nt(この場合には、回転軸34の回転数(Ne×R)と等しい)も上昇している。
In a period before time t1 in FIG. 5, the clutch 24 is turned on (connected state), and waste heat recovery is performed. During this period, the variable
時点t1は、クラッチ24の連結中にタービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxに到達した時点に相当する。本実施形態のタービン回転数制御によれば、時点t1において、クラッチ24がOFFとされる(切断される)とともに、入射角αの調整が開始される。時点t1では、上限回転数Ntmaxを超えるタービン16の過回転を抑制するために、入射角αが90°よりも大きくなるように制御されている。
The time point t1 corresponds to a time point when the turbine rotational speed Nt reaches the upper limit rotational speed Ntmax while the clutch 24 is engaged. According to the turbine rotational speed control of the present embodiment, at the time point t1, the clutch 24 is turned off (disconnected), and the adjustment of the incident angle α is started. At the time point t1, the incident angle α is controlled to be larger than 90 ° in order to suppress over-rotation of the
時点t1よりも後の時点t2は、エンジン回転数Neの低下に伴って回転軸34の回転数(Ne×R)が上限回転数Ntmaxにまで低下した時点に相当する。時点t1から時点t2までの期間(t1−t2)は、クラッチ24の切断に伴い、タービン回転数Ntは回転軸34の回転数(Ne×R)から乖離する。
A time point t2 after the time point t1 corresponds to a time point when the rotational speed (Ne × R) of the
期間(t1−t2)では、タービン回転数制御により、詳細は図8〜10を参照して後述するが、回転数センサ26によるタービン回転数Ntの計測値と上限回転数Ntmaxとの回転数差分ΔNt(の絶対値)が小さくなるように、入射角αが調整される。これにより、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxに近づけられる。このように、入射角αの調整を利用する本実施形態のタービン回転数制御は、熱源側機器12にて発生した蒸気をバイパス通路に逃がすという従来手法とは異なり、タービン回転数Ntの調整のために蒸気の圧力を制御するものではない。このため、期間(t1−t2)中においても、図5に示すように、熱源側圧力(タービン16(ノズル14)に供給される蒸気の圧力)を高く維持することができる。
In the period (t1-t2), the turbine rotational speed control will be described in detail later with reference to FIGS. 8 to 10. However, the rotational speed difference between the measured value of the turbine rotational speed Nt by the
上記の時点t2では、クラッチ24が再びONとされる(再接続される)。より詳細には、後述の図11に示すように、クラッチ24の再接続は、回転軸34の回転数(Ne×R)とタービン回転数Ntとが等しくなったときに実行される。
At the time point t2, the clutch 24 is turned on again (reconnected). More specifically, as shown in FIG. 11 described later, the reconnection of the clutch 24 is executed when the rotational speed (Ne × R) of the
クラッチ24が再接続されると、廃熱回収が再開される。上述のように、本実施形態のタービン回転数制御によれば、期間(t1−t2)中にも熱源側圧力が高く維持されているので、時点t2の後の廃熱回収の再開時に、高いタービン回転数Ntの下で高いタービン出力を得ることが可能となる。また、時点t2において入射角αが最小値αminに制御されるため、入射角αの観点においてタービン16の効率を最大に高めつつ、廃熱回収を再開できる。
When the clutch 24 is reconnected, waste heat recovery is resumed. As described above, according to the turbine rotation speed control of the present embodiment, the heat source side pressure is kept high even during the period (t1-t2), so that it is high when the waste heat recovery is resumed after time t2. It becomes possible to obtain a high turbine output under the turbine rotational speed Nt. In addition, since the incident angle α is controlled to the minimum value αmin at time t2, waste heat recovery can be resumed while increasing the efficiency of the
2−4.タービン回転数制御に関するECUの処理
図6は、本発明の実施の形態に係るタービン回転数制御に関する処理のメインルーチンを示すフローチャートである。図6に示すメインルーチンでは、ECU30は、エンジンONの有無、すなわち、エンジン1の始動の有無が判定される(ステップS100)。
2-4. FIG. 6 is a flowchart showing a main routine of processing related to turbine rotational speed control according to the embodiment of the present invention. In the main routine shown in FIG. 6, the
ステップS100においてエンジンONがなされていないと判定した場合には、ECU30は、本ルーチンの今回の処理サイクルを終了する。一方、ステップS100においてエンジンONがなされたと判定した場合には、ECU30は、クラッチ24をONとする(連結する)ための処理を実行する(ステップS102)。
If it is determined in step S100 that the engine is not turned on, the
図7は、クラッチONに関するステップS102の処理のサブルーチンを示すフローチャートである。図7に示すサブルーチンでは、ECU30は、タービン回転数Ntが0ではないことを確認する(ステップS200)。次いで、ECU30は、回転軸34の回転数(Ne×R)とタービン回転数Ntとを取得する(ステップS202)。回転軸34の回転数(Ne×R)は、クランク角センサ32を用いてエンジン回転数Neが取得されたうえで、取得したエンジン回転数Neを既定の減速比Rと乗算することにより算出される。タービン回転数Ntは、回転数センサ26を用いて検出される。
FIG. 7 is a flowchart showing a subroutine of the process of step S102 regarding the clutch ON. In the subroutine shown in FIG. 7, the
次に、ECU30は、ステップS202において取得された回転軸34の回転数(Ne×R)がタービン回転数Ntと等しいか否かを判定する(ステップS204)。その結果、本判定が不成立となる場合には、ステップS202の処理が繰り返し実行される。一方、本判定が成立すると判定した場合には、ECU30は、クラッチ24をONとする(連結する)(ステップS206)。なお、廃熱回収装置10が車両の運転中にエンジンが停止および始動を繰り返すシステム(例えば、アイドリングストップシステムまたはハイブリッドシステム)に適用された場合には、エンジン停止時およびエンジン再始動時にクラッチが連結状態となることがある。このため、このようなシステムでは、上記のエンジン停止時およびエンジン再始動時にタービン回転数Ntが急変するときにも対応できるように、十分なクラッチ容量が確保されることが望ましい。
Next, the
図6に示すメインルーチンでは、ステップS102においてクラッチ24をONとした後に、ECU30は、回転軸34の回転数(Ne×R)が(タービン)上限回転数Ntmax以上であるか否かを判定する(ステップS104)。上限回転数Ntmaxは既定の値である。その結果、本判定が不成立となる場合には、ECU30は、本ルーチンの今回の処理サイクルを終了する。一方、回転軸34の回転数(Ne×R)が上限回転数Ntmax以上になったと判定した場合には、ECU30は、クラッチ24をOFFとする(切り離す)ための処理を実行する(ステップS106)。
In the main routine shown in FIG. 6, after the clutch 24 is turned on in step S102, the
次に、ECU30は、入射角αを調整するための処理を実行する(ステップS108)。図8は、入射角αの調整に関するステップS108の処理のサブルーチンを示すフローチャートである。図8に示すサブルーチンでは、ECU30は、タービン回転数Ntと上限回転数Ntmaxとの回転数差分ΔNt(=Nt−Ntmax)を算出する(ステップS300)。
Next, the
次に、ECU30は、上記の回転数差分ΔNtに応じた入射角αを算出する(ステップS302)。図9は、入射角αの算出に用いられるマップの設定の一例を説明するための図である。図9に示すマップは、90°の入射角αを基準として(すなわち、ゼロとして)、回転数差分ΔNtと入射角αとの関係を以下のように規定している。
Next, the
具体的には、図9に示すマップでは、回転数差分ΔNtの所定の最大値ΔNtmax(正の値)と入射角αの最大値αmaxとを関連付け、かつ、回転数差分ΔNtの所定の最小値ΔNtmin(負の値)と入射角αの最小値αminとを関連付けつつ、回転数差分ΔNtに対応する入射角αが次のように設定されている。すなわち、回転数差分ΔNtが正の値である場合、つまり、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxよりも高い場合には、入射角αはタービン16を減速させるために90°よりも大きくされる。逆に、回転数差分ΔNtが負の値である場合、つまり、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxよりも低い場合には、入射角αはタービン16を増速させるために90°よりも小さくされる。例えば、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxよりも100rpmだけ高い場合には、入射角αは、90°よりも大きなα1に増やされ、逆に、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxよりも100rpmだけ低い場合には、入射角αは、90°よりも小さなα2に減らされる。
Specifically, in the map shown in FIG. 9, a predetermined maximum value ΔNtmax (positive value) of the rotational speed difference ΔNt is associated with a maximum value αmax of the incident angle α, and the predetermined minimum value of the rotational speed difference ΔNt is associated. While associating ΔNtmin (negative value) with the minimum value αmin of the incident angle α, the incident angle α corresponding to the rotation speed difference ΔNt is set as follows. That is, when the rotational speed difference ΔNt is a positive value, that is, when the turbine rotational speed Nt is higher than the upper limit rotational speed Ntmax, the incident angle α is made larger than 90 ° in order to decelerate the
より詳細には、図9に示すマップによれば、入射角αは、正の回転数差分ΔNtが大きいほどより大きくされ、逆に、入射角αは、回転数差分ΔNtが負であってその絶対値が大きいほど、より大きくされる。以上説明したマップの設定によれば、回転数差分ΔNt(の絶対値)が小さくなるように入射角αが調整される。 More specifically, according to the map shown in FIG. 9, the incident angle α is increased as the positive rotational speed difference ΔNt increases, and conversely, the incident angle α is negative when the rotational speed difference ΔNt is negative. The larger the absolute value, the larger. According to the map setting described above, the incident angle α is adjusted so that the rotation speed difference ΔNt (absolute value thereof) becomes small.
次に、ECU30は、入射角αが上記マップを参照して算出された値に変更されるように可変入射角ノズル14を制御する(ステップS304)。図10は、回転数差分ΔNtに応じて入射角αが調整される様子を表したタイムチャートである。図10に示す一例では、回転数差分ΔNtが正となる期間(期間(t1’−t2’)と、時点t3’よりも後の期間)では、90°よりも大きい側の角度範囲内で、入射角αは正の回転数差分ΔNtの変化に応じて調整される。一方、回転数差分ΔNtが負となる期間(t2’−t3’)では、90°よりも小さい側の角度範囲内で、入射角αは負の回転数差分ΔNtの変化に応じて調整される。なお、t1’よりも前の期間では、回転数差分ΔNtがゼロであるため、入射角αは90°で保持される。
Next, the
図6に示すメインルーチンでは、ステップS108において入射角αを調整した後に、ECU30は、回転軸34の回転数(Ne×R)が(タービン)上限回転数Ntmax未満であるか否かを判定する(ステップS110)。その結果、本判定が不成立となる場合には、ECU30は、本ルーチンの今回の処理サイクルを終了する。一方、回転軸34の回転数(Ne×R)が上限回転数Ntmax未満になったと判定した場合には、ECU30は、クラッチ24を再接続するための処理を実行する(ステップS112)。
In the main routine shown in FIG. 6, after adjusting the incident angle α in step S108, the
図11は、クラッチ24の再接続に関するステップS112の処理のサブルーチンを示すフローチャートである。図11に示すサブルーチンでは、ECU30は、回転軸34の回転数(Ne×R)とタービン回転数Ntとを取得する(ステップS400)。次いで、ECU30は、ステップS400において取得された回転軸34の回転数(Ne×R)がタービン回転数Ntと等しいか否かを判定する(ステップS402)。
FIG. 11 is a flowchart showing a subroutine of the process of step S112 regarding the reconnection of the clutch 24. In the subroutine shown in FIG. 11, the
その結果、ステップS402の判定が不成立となる場合には、ステップS400の処理が繰り返し実行される。一方、本判定が成立すると判定した場合には、ECU30は、クラッチ24をONとする(連結する)(ステップS404)。次いで、ECU30は、入射角αを最小値αminに変更する処理を実行する(ステップS406)。
As a result, when the determination in step S402 is not established, the process in step S400 is repeatedly executed. On the other hand, when it is determined that this determination is established, the
以上説明した図6に示すルーチンの処理によれば、クラッチ24によってタービン16の出力軸16bがエンジン1の出力軸1aから切り離された場合には、回転数差分ΔNtが小さくなるように入射角αを調整することにより、タービン回転数Ntを上限回転数Ntmaxに近づけることができる。これにより、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxを超えないように入射角αを調整できる。そして、入射角αの調整の利用によれば、既述したように、タービン16に供給される蒸気はバイパスされない。このため、本実施形態のタービン回転数制御によれば、タービン16(ノズル14)に供給される蒸気の圧力の低下を抑制しつつタービン16の過回転を抑制することができる。
According to the processing of the routine shown in FIG. 6 described above, when the
また、蒸気をバイパス通路に逃がすことによる従来のタービン回転数Ntの制御手法では、熱源側機器の容積の存在に起因して蒸気の圧力によるタービン回転数Ntの調整に応答遅れが生じるため、制御性が良いとはいえない。これに対し、入射角αを利用する本実施形態のタービン回転数制御によれば、上記の応答遅れの影響なしに、クラッチ24が切断される期間中にタービン回転数Ntを上限回転数Ntmaxに近づけておくことができる。このため、タービン回転数Ntが上限回転数Ntmaxにまで下がったときに速やかにクラッチ24の再接続(再度の連結)を行うことができる。 Further, in the conventional method for controlling the turbine speed Nt by allowing steam to escape to the bypass passage, a response delay occurs in the adjustment of the turbine speed Nt by the steam pressure due to the presence of the volume of the heat source side equipment. It's not good. On the other hand, according to the turbine speed control of the present embodiment using the incident angle α, the turbine speed Nt is set to the upper limit speed Ntmax during the period in which the clutch 24 is disengaged without the influence of the response delay. You can keep it close. For this reason, when the turbine rotation speed Nt falls to the upper limit rotation speed Ntmax, the clutch 24 can be quickly reconnected (reconnected).
3.可変装置の変形例
上述した実施の形態1においては、ノズル14の位置が可変であることによってタービンブレード16aに対する蒸気流れの入射角αを変更可能な可変入射角ノズルが、本発明に係る「可変装置」として備えられた例が示された。しかしながら、本発明に係る可変装置は、タービンブレードに対する蒸気流れの入射角を変更可能なものであればよく、例えば次のような構成であってもよい。すなわち、可変装置は、ノズルの位置に代え、あるいはそれとともに、タービンブレードの角度を変更可能なものであってもよい。また、可変装置は、ノズルの位置に代え、あるいはそれとともに、タービン(の出力軸)の角度を変更可能なものであってもよい。
3. In the first embodiment described above, the variable incident angle nozzle capable of changing the incident angle α of the steam flow with respect to the
1 エンジン
1a エンジンの出力軸
10 廃熱回収装置
12 熱源側機器
14 ノズル(可変入射角ノズル)
16 タービン
16a タービンブレード
16b タービンの出力軸
18 冷却側機器
20 ポンプ
22 減速機構
24 クラッチ
30 電子制御ユニット(ECU)
DESCRIPTION OF
16
Claims (1)
前記蒸気発生器において発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの出力軸と前記内燃機関の出力軸とを連結または切り離すクラッチと、
前記蒸気タービンのタービンブレードに対する蒸気流れの入射角を可変とする可変装置と、
前記クラッチおよび前記可変装置を制御する制御装置と、
を備える廃熱回収装置であって、
前記制御装置は、前記クラッチによって前記蒸気タービンの前記出力軸が前記内燃機関の前記出力軸から切り離された場合に、前記蒸気タービンの回転数が上限回転数を超えないように前記可変装置を用いて前記入射角を調整する
ことを特徴とする廃熱回収装置。 A steam generator for generating steam by boiling a liquid-phase working fluid by waste heat of an internal combustion engine;
A steam turbine driven by steam generated in the steam generator;
A clutch that connects or disconnects the output shaft of the steam turbine and the output shaft of the internal combustion engine;
A variable device for varying an incident angle of a steam flow to a turbine blade of the steam turbine;
A control device for controlling the clutch and the variable device;
A waste heat recovery device comprising:
The control device uses the variable device so that the rotation speed of the steam turbine does not exceed an upper limit rotation speed when the output shaft of the steam turbine is disconnected from the output shaft of the internal combustion engine by the clutch. And adjusting the incident angle.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017145548A JP2019027318A (en) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | Waste heat recovery device |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2017145548A JP2019027318A (en) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | Waste heat recovery device |
Publications (1)
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JP2017145548A Pending JP2019027318A (en) | 2017-07-27 | 2017-07-27 | Waste heat recovery device |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2019027318A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020067421A1 (en) | 2018-09-28 | 2020-04-02 | 東ソ-株式会社 | Fluororesin, fluororesin particles, and methods for producing these |
CN111152059A (en) * | 2020-03-03 | 2020-05-15 | 台州路桥南瑞智能装备科技有限公司 | Heat recovery's cast member rough machining equipment |
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2017
- 2017-07-27 JP JP2017145548A patent/JP2019027318A/en active Pending
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