JP6597117B2 - 出力装置及び出力装置の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ランキンサイクルを有する出力装置及び出力装置の制御方法に関する。
近年、車両で発生する排熱を利用して動力に回生するために、ランキンサイクルを有する出力装置の車両への搭載が検討されている。ランキンサイクルとは、循環流路内に、作動流体を循環流路で循環させるポンプ、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、作動流体を膨張させる膨張器、及び冷却源によって作動流体を凝縮させる凝縮器の順に配置したものである（特許文献１参照）。なお、熱源としては、例えばエンジンの排気ガスが利用され、冷却源としては、外気や冷却水が利用される。また、膨張器には、発電機が取り付けられている。
特開２０１２−２０２３７４号公報
ランキンサイクルにおいては、蒸発器は作動流体を過熱蒸気になるよう加熱し、膨張器は過熱蒸気を膨張させる。ランキンサイクルを高効率で動作させるためには、過熱蒸気を一定状態に維持することが望ましい。
しかし、蒸発器に流入する熱源（排気ガス）の排熱量等は、例えばエンジンの動作状態によって変動する場合がある。熱源の排熱量が変動すると、過熱蒸気の温度等が変動することに起因して膨張器に流入する過熱蒸気の流量が変動してしまうため、ランキンサイクルを高効率で動作させることが困難となる。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、高効率で動作可能なランキンサイクルを有する出力装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様においては、循環流路内に、回転することで作動流体を前記循環流路で循環させるポンプ、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、及び冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される出力装置であって、前記熱源の温度及び流量と、前記膨張器を通過する前記作動流体の流量に対応する前記ポンプの回転数との関係を示す特性情報を予め記憶している記憶部と、前記熱源の温度及び流量を検出する検出部と、前記検出部の検出結果と前記記憶部に記憶されている前記特性情報とに基づいて、検出された前記熱源の温度及び流量に対応する前記ポンプの回転数を制御する制御部と、を備えることを特徴とする出力装置を提供する。
かかる出力装置によれば、制御部がポンプの回転数をフィードフォワード制御することとなり、熱源の排熱量が変動しても膨張器に流入する作動流体の流量が一定となるように、ポンプの回転数を迅速に制御できる。これにより、ランキンサイクルを高効率で動作させることが可能となる。
また、前記制御部は、前記蒸発器による前記作動流体の過熱状態が所定状態になるように、前記検出部の検出結果と前記特性情報とに基づいて前記ポンプの回転数を制御することとしてもよい。
また、前記検出部は、前記蒸発器の入口側に設けられていることとしてもよい。また、前記熱源は、前記車両のエンジンの排気ガスであることとしてもよい。
本発明の第２の態様においては、循環流路内に、回転することで作動流体を前記循環流路で循環させるポンプ、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、及び冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される出力装置の制御方法であって、前記熱源の温度及び流量と、前記膨張器を通過する前記作動流体の流量に対応する前記ポンプの回転数との関係を示す特性情報を、記憶部に記憶するステップと、前記熱源の温度及び流量を検出するステップと、検出結果と前記記憶部に記憶されている前記特性情報とに基づいて、検出された前記熱源の温度及び流量に対応する前記ポンプの回転数を制御するステップと、を有することを特徴とする出力装置の制御方法を提供する。
本発明によれば、高効率で動作可能なランキンサイクルを有する出力装置を提供できるという効果を奏する。
本発明の一の実施形態に係る出力装置１の構成の一例を示す模式図である。 マップ化された特性情報を説明するための図である。 ポンプ２０の回転数と過熱蒸気の温度との関係を説明するための図である。 ポンプ２０の回転数制御を説明するためのフローチャートである。
＜出力装置の構成＞
図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る出力装置１の構成について説明する。
図１は、一の実施形態に係る出力装置１の構成の一例を示す模式図である。
出力装置１は、内燃機関であるエンジン（例えば、ディーゼルエンジン）を有する車両に搭載されている。例えば、出力装置１は、トラックやバス等の大型車両に搭載され、電力を発生させる発電装置である。出力装置１は、発電サイクルとしてランキンサイクル２を有し、エンジンの排気ガス等を利用して動力に回生する。図１に示すように、出力装置１は、循環流路１０と、ポンプ２０と、蒸発器３０と、膨張器４０と、発電機４２と、凝縮器５０と、検出部６０と、記憶部７０と、制御部８０を有する。なお、出力装置１は、電力を発生させる発電装置に限定されず、例えばエンジンを回転させるトルクを発生させる装置であってもよい。
循環流路１０は、作動流体が循環する閉ループ状の流路である。作動流体として、本実施形態ではエタノールが利用されているが、これに限定されない。例えば、作動流体が水やフロン等の他の媒体であってもよい。
ポンプ２０は、回転することで作動流体を循環流路１０内で循環させる循環器である。ポンプ２０は、循環流路１０において凝縮器５０と蒸発器３０の間に設けられ、凝縮器５０から液相の作動流体を吸入して、蒸発器３０に圧送する。ポンプ２０の回転数が大きいほど、循環流路１０を単位時間内に流れる作動流体の流量が多くなる。なお、ポンプ２０としては、遠心ポンプやギアポンプ等が用いられる。
蒸発器３０は、循環流路１０においてポンプ２０の下流側に設けられ、作動流体を蒸発させる。例えば、蒸発器３０は、ポンプ２０から送られてくる作動流体と、熱源であるエンジンの排気ガスとの間で熱交換を行うことにより、作動流体を蒸発させる。蒸発された作動流体は、過熱蒸気（又は飽和蒸気）となって膨張器４０に送られる。排気ガスは、排気通路９０を流れて蒸発器３０を通過する。
膨張器４０は、循環流路１０において蒸発器３０の下流側に設けられ、蒸発器３０で加熱された作動流体（例えば過熱蒸気）を膨張させる。膨張器４０は、例えばスクリュ膨張器であり、作動流体の膨張力によって回転するスクリュロータを有する。膨張した作動流体は、凝縮器５０に送られる。
発電機４２は、膨張器４０に連結されており、膨張器４０によって駆動される。発電機４２は、例えばケーシング内に固定子及び回転子を収容した構造となっている。発電機４２は、膨張器４０のスクリュロータの回転に伴い回転することで、電力を発生させる。発生した電力は、例えば車両のバッテリー等に送られる。
凝縮器５０は、循環流路１０において膨張器４０の下流側に設けられ、膨張器４０が膨張させた作動流体を凝縮させる。凝縮器５０は、膨張器４０から送られてくる作動流体と、冷却源である空気との間で熱交換を行うことにより、作動流体を液化する。液化された作動流体は、ポンプ２０に送られる。なお、上記においては、冷却源が空気であることとしたが、これに限定されず、例えば冷却源は車両のエンジンの冷却水であってもよい。
検出部６０は、熱源である排気ガスの温度及び流量を検出する。検出部６０は、例えば蒸発器３０の入口側に設けられた測定センサであり、蒸発器３０に流入する排気ガスの温度及び流量を測定する。検出部６０は、例えばランキンサイクル２の動作中、排気ガスの温度及び流量を継続して測定し、測定結果を制御部８０に出力する。
記憶部７０は、例えばＲＯＭ及びＲＡＭ等により構成され、出力装置１を機能させるための各種プログラムや各種データを記憶する。記憶部７０は、蒸発器３０に流入する排気ガスの温度及び流量と、膨張器４０を通過する作動流体の流量に対応するポンプ２０の回転数との関係を示す特性情報を予め記憶している。
特性情報は、例えば図２に示すようにマップ化されて、記憶部７０に記憶されている。
図２は、マップ化された特性情報を説明するための図である。グラフの横軸が排気ガスの温度を示し、縦軸が排気ガスの流量を示し、太線がポンプの回転数を示す。図２のグラフを見ると分かるように、排気ガスの温度が高くなり、かつ流量が多くなるほど、ポンプ２０の回転数が大きくなる。このように排気ガスの温度及び流量が特定されれば、排気ガスの排熱量の変動に応じたポンプ２０の回転数を取得することができる。
なお、図２に示すポンプ２０の回転数は、排気ガスの排熱量の変動に応じて過熱蒸気の温度が変化することを考量して設定されている。
図３は、ポンプ２０の回転数と過熱蒸気の温度との関係を説明するための図である。図３を見ると分かるように、ポンプ２０の回転数が所定値Ａよりも大きくなると、過熱蒸気の温度が急激に低くなる。このため、排気ガスの排熱量が変動しても、過熱蒸気の温度の変化が小さくなるように、ポンプ２０の回転数が決定される。これにより、膨張器４０に流入する過熱蒸気の流量の変動を抑制できる。
図１に戻り、制御部８０は、例えばＣＰＵにより構成される。制御部８０は、記憶部７０に記憶されている各種プログラムを実行することにより、出力装置１の動作を制御する。例えば、制御部８０は、ランキンサイクル２の動作中に、ポンプ２０及び検出部６０の動作を制御する。
ところで、上述したランキンサイクル２を高効率で動作させるためには、作動流体が蒸発器３０で過熱された過熱蒸気を一定状態に維持する（例えば、膨張器４０に流入する過熱蒸気の流量を一定状態にする）ことが望ましい。
しかし、蒸発器３０に流入する排気ガスの排熱量（温度と流量）は、エンジンの動作状態によって変動しやすい。例えば、エンジンが動作していない場合には排熱量が少なく、エンジンが動作している場合には排熱量が多い。そして、排気ガスの排熱量が変動すると、過熱蒸気の温度も変化することで膨張器４０に流入する過熱蒸気の流量が変動するため、ランキンサイクル２を高効率で動作させることが困難となる。
そこで、本実施形態においては、制御部８０は、検出部６０の検出結果と記憶部７０に記憶されている特性情報（図２）とに基づいて、検出部６０が検出した排気ガスの温度及び流量に対応するポンプ２０の回転数を制御する。すなわち、制御部８０は、排気ガスの温度及び流量に基づいて、ポンプ２０の回転数をフィードフォワード制御することになる。これにより、排気ガスの排熱量が変動しても膨張器４０に流入する作動流体（過熱蒸気）の流量が一定となるように、ポンプ２０の回転数を迅速に制御できる。この結果、ランキンサイクル２を高効率で動作させることが可能となる。
また、制御部８０は、蒸発器３０による作動流体の過熱状態が所定状態になるように、検出部６０の検出結果と特性情報とに基づいて、ポンプ２０の回転数を制御する。例えば、制御部８０は、過熱蒸気の温度変化が小さくなるように、ポンプ２０の回転数を制御する。これにより、過熱蒸気の温度が安定することで、膨張器４０に流入する作動流体の流量を一定にしやすい。
なお、ポンプ２０の回転数を制御する他の方法として、膨張器４０に流入する作動流体の温度及び圧力を計測して、ポンプ２０の回転数をフィードバック制御する方法がある。しかし、フィードバック制御の場合には、排気ガスの排熱量の変化後にポンプ２０の回転数を決定する迄に時間を要するため、排気ガスの排熱量の変化に迅速に対応できない。これに対して、本実施形態の場合には、フィードフォワード制御を行うので、迅速に対応することができる。
＜ポンプの回転数制御＞
図４を参照しながら、排気ガスの排熱量変動に応じたポンプ２０の回転数制御について説明する。図４は、ポンプ２０の回転数制御を説明するためのフローチャートである。
図４のフローチャートは、ランキンサイクル２の動作を開始する前に、記憶部７０が、実験等で求めた特性情報を記憶するところから開始される（ステップＳ１０２）。すなわち、記憶部７０は、蒸発器３０に流入する排気ガスの温度及び流量と、膨張器４０を通過する作動流体の流量に対応するポンプ２０の回転数との関係を示す特性情報（具体的には、図２に示すようにマップ化した特性情報）を記憶する。なお、記憶部７０は、ランキンサイクル２が車両に搭載された場合や、車両のエンジンを交換した場合等に、実験等で求めた特性情報を記憶する。
次に、制御部８０は、ランキンサイクル２が動作を開始した後に、検出部６０によって蒸発器３０に流入する排気ガスの温度及び流量（排熱量）を検出する（ステップＳ１０４）。具体的には、蒸発器３０の上流側に位置する検出部６０が、排気ガスの温度及び流量を測定する。
次に、制御部８０は、測定した排気ガスの温度及び流量と、記憶部７０に記憶されている特性情報とに基づいて、測定した排気ガスの温度及び流量に対応したポンプ２０の回転数を決定する（ステップＳ１０６）。例えば、制御部８０は、図２に示すマップを参照して、ポンプ２０の回転数を決定する。
次に、制御部８０は、決定した回転数でポンプ２０を回転させる（ステップＳ１０８）。これにより、蒸発器３０に流入する排気ガスの排熱量が変動しても、排気ガスで過熱された過熱蒸気の流量を一定にできる。
＜本実施形態における効果＞
上述した出力装置１によれば、制御部８０は、検出部６０の検出結果と記憶部７０に予め記憶されている特性情報（図２）とに基づいて、検出された排気ガスの温度及び流量に対応するポンプ２０の回転数を制御する。
かかる場合には、ポンプ２０の回転数をフィードフォワード制御することとなり、排気ガスの排熱量が変動しても膨張器４０に流入する作動流体（過熱蒸気）の流量が一定となるように、ポンプ２０の回転数を迅速に制御できる。これにより、ランキンサイクル２を高効率で動作させることが可能となる。
なお、上記では、蒸発器３０に流入する熱源が、排気ガスであることとしたが、これに限定されない。例えば、熱源が、エンジンを通過した後の冷却水であってもよい。かかる場合には、冷却源は空気となる。
また、上記では、検出部６０が蒸発器３０の上流側に設けられていることとしたが、これに限定されない。例えば、検出部６０は蒸発器３０の下流側に設けられていることとしてもよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１ 出力装置
２ ランキンサイクル
１０ 循環流路
２０ ポンプ
３０ 蒸発器
４０ 膨張器
５０ 凝縮器
６０ 検出部
７０ 記憶部
８０ 制御部

Claims (4)

  1. 循環流路内に、回転することで作動流体を前記循環流路で循環させるポンプ、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、及び冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される出力装置であって、
    前記熱源の温度及び流量の各々の大きさと、前記膨張器を通過する前記作動流体の流量に対応する前記ポンプの回転数との関係を示す特性情報を予め記憶している記憶部と、
    前記蒸発器の入口側に設けられ、前記蒸発器へ流入する直前の前記熱源の温度及び流量を検出する検出部と、
    前記検出部の検出結果と前記記憶部に記憶されている前記特性情報とに基づいて、検出された前記熱源の温度及び流量に対応する前記ポンプの回転数を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする出力装置。
  2. 前記制御部は、前記蒸発器による前記作動流体の過熱状態が所定状態になるように、前記検出部の検出結果と前記特性情報とに基づいて前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする、
    請求項１に記載の出力装置。
  3. 前記熱源は、前記車両のエンジンの排気ガスであることを特徴とする、
    請求項１又は２に記載の出力装置。
  4. 循環流路内に、回転することで作動流体を前記循環流路で循環させるポンプ、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、及び冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される出力装置の制御方法であって、
    前記熱源の温度及び流量の各々の大きさと、前記膨張器を通過する前記作動流体の流量に対応する前記ポンプの回転数との関係を示す特性情報を、記憶部に記憶するステップと、
    前記蒸発器の入口側に設けられた検出部によって、前記蒸発器へ流入する直前の前記熱源の温度及び流量を検出するステップと、
    検出結果と前記記憶部に記憶されている前記特性情報とに基づいて、検出された前記熱源の温度及び流量に対応する前記ポンプの回転数を制御するステップと、
    を有することを特徴とする出力装置の制御方法。
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