JP6772631B2 - 車両のランキンサイクルシステム及び車両のランキンサイクルシステムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両のランキンサイクルシステム及び車両のランキンサイクルシステムの制御方法に関する。

車両には、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスの熱エネルギー（排熱エネルギー）の一部を回収して、この回収した排熱エネルギーによりエンジンに接続されるタービン等の膨張器を駆動させて、この膨張器の駆動力をエンジンのアシストに使用するランキンサイクルシステムが備えられることがある。

この一例として、液体の作動流体を圧送するポンプと、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器と、気体の作動流体を冷却して液体に戻す復水器とを有する通常運転用の回路を備えた車両用蒸気エンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−８９４５２号公報

ところで、従来の車両のランキンサイクルシステムでは、エンジンをアシストする必要がない場合には、作動流体を膨張器に通過させずに、膨張器をバイパスする通路に通過させて、膨張器を作動させないようにしていた。

このように、エンジンをアシストする必要がない場合にも、ランキンサイクルシステムにより回収した排熱エネルギーを有効活用するシステムや、このシステムを用いた制御方法等については、未だ良案が提案されていない。

本発明の目的は、内燃機関の排気ガスより回収した排熱エネルギーの活用効率を向上させることができる車両のランキンサイクルシステム及び車両のランキンサイクルシステム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ための本発明の車両のランキンサイクルシステムは、内燃機関の排熱により作動流体を液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器と、前記内燃機関に接続されて、前記蒸発器で加熱蒸発した作動流体により駆動される膨張器と、該膨張器を通過した作動流体を気体から液体に冷却凝縮させる凝縮器と、制御装置と、で構成される車両のランキンサイクルシステムにおいて、前記膨張器における作動流体が流れる方向を正逆に切り替える切替機構を備えていると共に、前記切替機構が、前記蒸発器と前記膨張器の間の作動流体の流路に第１流路切替装置を、前記膨張器と前記凝縮器の間の作動流体の流路に第２流路切替装置を備え、前記膨張器に作動流体が流入出する第１流入出口と第２流入出口を備えて、前記制御装置が、前記膨張器の動力を前記内燃機関のアシストに使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の第１流入出口より流入し、前記膨張器の第２流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と同じ方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関をアシストし、前記膨張器の動力を前記内燃機関の制動力の増大に使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の前記第２流入出口より流入し、前記第１流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と逆方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関の制動力を増大する制御を行うように構成されている。

また、上記の目的を達成するための本発明の車両のランキンサイクルシステムの制御方法は、内燃機関の排熱により作動流体を液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器と、前記内燃機関に接続されて、前記蒸発器で加熱蒸発した作動流体により駆動される膨張器と、該膨張器を通過した作動流体を気体から液体に冷却凝縮させる凝縮器とで構成される車両のランキンサイクルシステムで、さらに、前記蒸発器と前記膨張器の間の作動流体の流路に備えた第１流路切替装置と、前記膨張器と前記凝縮器の間の作動流体の流路に備えた第２流路切替装置と、前記膨張器に作動流体が流入出する第１流入出口及び第２流入出口と、を備えて、前記膨張器における作動流体が流れる方向を正逆に切り替える切替機構を備えた車両のランキンサイクルシステムの制御方法において、前記膨張器の動力を前記内燃機関のアシストに使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の第１流入出口より流入し、前記膨張器の第２流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と同じ方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関をアシストし、前記膨張器の動力を前記内燃機関の制動力の増大に使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の前記第２流入出口より流入し、前記第１流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と逆方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関の制動力を増大する制御を行うことを特徴とする方法である。

本発明の車両のランキンサイクルシステム及び車両のランキンサイクルシステムの制御方法によれば、膨張器の動力を内燃機関のアシストに使用できるだけでなく、作動流体が膨張器を流れる方向を逆方向にして、膨張器の回転方向を内燃機関のアシスト時の回転方向と逆方向に切り替えることで、膨張器の動力を内燃機関の制動力の増大にも使用することができる。

その結果、内燃機関の排気ガスより回収した排熱エネルギーの活用効率を向上させることができる。

本発明の車両のランキンサイクルシステムの構成で、作動流体が正流路を通過するときを示す図である。 本発明の車両のランキンサイクルシステムの構成で、作動流体が逆流路を通過するときを示す図である。 本発明の車両のランキンサイクルシステムの制御フローを示す図である。 従来技術の車両のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態の車両のランキンサイクルシステム及び車両のランキンサイクルシステムの制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の車両のランキンサイクルシステム１は、ポンプ１１と、ボイラー（蒸発器）１２と、タービン（膨張器）１３と、凝縮器１４とを備えて構成されるシステムである。

ポンプ１１は、液体状態の作動流体ＷＦ（例えば、水）をボイラー１２に圧送する装置である。ボイラー１２は、ポンプ１１より圧送された作動流体ＷＦをエンジン（内燃機関）２０の排気ガスＧと熱交換させることで、排気ガスＧの熱エネルギー（排熱エネルギー）により作動流体ＷＦを液体から気体に加熱蒸発させる装置である。タービン１３は、ボイラー１２で加熱蒸発した気体状態の作動流体ＷＦにより駆動される装置で、この装置に接続されるエンジン２０にこの作動流体ＷＦによる駆動力を供給する装置である。凝縮器１４は、タービン１３を通過した作動流体ＷＦをエンジン冷却水等の冷却媒体Ｗと熱交換させることで、作動流体ＷＦを気体から液体に冷却凝縮させて、液体状態の作動流体ＷＦをポンプ１１に送出する装置である。

すなわち、このランキンサイクルシステム１は、ポンプ１１より圧送された液体状態の作動流体ＷＦをボイラー１２で排気ガスＧの熱エネルギーを利用して気体に加熱蒸発させた後、この気体状態の作動流体ＷＦによりタービン１３に駆動力を発生させて、この駆動力によりエンジン２０をアシストするとともに、タービン１３を通過した作動流体ＷＦを凝縮器１４で冷却媒体Ｗにより冷却凝縮させて液体状態の作動流体ＷＦをポンプ１１に送出するシステムである。

より端的に言えば、ランキンサイクルシステム１は、エンジン２０の排気ガスＧの熱エネルギーの一部を回収して、この回収したエネルギーにより駆動されるタービン１３の駆動力によりエンジン２０をアシストするシステムである。

なお、本実施形態では、膨張器１３としてタービンを用いているが、気体の膨張力を利用して駆動力を発生させる装置であれば、タービン以外の装置（例えば、ピストン）でもよい。また、ボイラー１２で熱交換する作動流体ＷＦと排気ガスＧの温度差は、使用状況にもよるが、５０℃〜１５０℃程度である。

また、本発明のランキンサイクルシステム１を制御する制御装置３０を備える。この制御装置３０は、エンジン２０の運転状態等に応じて、ポンプ１１による作動流体ＷＦの圧送量等を制御する装置である。

ところで、図４に示す従来技術の車両のランキンサイクルシステム１Ｘでは、さらに、ボイラー１２とタービン１３の間の作動流体ＷＦの流路からバイパスバルブ５１を介して分岐して、タービン１３と凝縮器１４の間の作動流体ＷＦの流路に合流するバイパス通路５０を備えていた。そして、エンジン２０をアシストする必要がある場合には、制御装置３０によりバイパスバルブ５１を制御して、作動流体ＷＦがボイラー１２からタービン１３に流れるようにし、エンジン２０をアシストする必要がない場合には、制御装置３０によりバイパスバルブ５１を制御して、作動流体ＷＦをタービン１３に通過させずに、バイパス通路５０に通過させて、タービン１３を駆動させないようにしていた。

これに対し、本発明の車両のランキンサイクルシステム１は、エンジン２０のアシストが不要の場合にも、ランキンサイクルシステム１により回収した排熱エネルギーを有効活用することができ、エンジン２０の排気ガスＧより回収した排熱エネルギーの活用効率を向上させることができるシステムである。

より詳細には、本発明の車両のランキンサイクルシステム１では、図１に示すように、ボイラー１２とタービン１３の間の作動流体ＷＦの流路に、流路を切り替える（スイッチィングする）第１電磁切替弁（第１流路切替装置）４０を、タービン１３と凝縮器１４の間の作動流体ＷＦの流路に第２電磁切替弁（第２流路切替装置）４１を備える。また、タービン１３に作動流体ＷＦが流入出する流入出口として、第１流入出口１３ａと第２流入出口１３ｂを備えて、第１流入出口１３ａを作動流体ＷＦの流入口とするときは第２流入出口１３ｂを作動流体ＷＦの流出口に、第２流入出口１３ｂを作動流体ＷＦの流入口とするときは第１流入出口１３ａを作動流体ＷＦの流出口として構成する。これらの第１電磁切替弁４０、第２電磁切替弁４１、タービン１３の第１流入出口１３ａ及び第２流入出口１３ｂにより、タービン１３における作動流体ＷＦが流れる方向を正逆に切り替える切替機構を構成する。

そして、図１に示すように、制御装置３０により、ボイラー１２とタービン１３が第１電磁切替弁４０の第１位置４０ａを介して接続されており、かつ、タービン１３と凝縮器１４が第２電磁切替弁４１の第１位置４１ａで接続されているときには、第１電磁切替弁４０を通過した作動流体ＷＦがタービン１３の第１流入出口１３ａより流入し、第２流入出口１３ｂより流出して、エンジン２０の回転方向と同じ方向にタービン１３を回転させた（タービン１３をエンジン２０に対して正トルクが発生するように作動させた）後、第２電磁切替弁４１を通過するようにする。このときの第１電磁切替弁４０と第２電磁切替弁４１の間の作動流体ＷＦの流路を正流路ＯＦ（図１の太線部）と称す。

一方、図２に示すように、制御装置３０により、ボイラー１２とタービン１３が第１電磁切替弁４０の第２位置４０ｂを介して接続されており、かつ、タービン１３と凝縮器１４が第２電磁切替弁４１の第２位置４１ｂで接続されているときには、第１電磁切替弁４０を通過した作動流体ＷＦがタービン１３の第２流入出口１３ｂより流入し、第１流入出口１３ａより流出して、エンジン２０の回転方向と逆方向にタービン１３を回転させた（タービン１３をエンジン２０に対して逆トルクが発生するように作動させた）後、第２電磁切替弁４１を通過するようにする。このときの第１電磁切替弁４０と第２電磁切替弁４１の間の作動流体ＷＦの流路を逆流路ＲＦ（図２の太線部）と称す。

これらの正流路ＯＦと逆流路ＲＦは、制御装置３０により、作動流体ＷＦ用の流路との第１電磁切替弁４０及び第２電磁切替弁４１の接続位置を切り替えることで切り替わる。

そして、制御装置３０が、タービン１３の動力をエンジン２０のアシストに使用する場合は、第１電磁切替弁４０及び第２電磁切替弁４１を制御して、第１電磁切替弁４０と第２電磁切替弁４１の間の作動流体ＷＦ用の流路を正流路ＯＦに切り替えて、作動流体ＷＦをタービン１３の第１流入出口１３ａより流入し、第２流入出口１３ｂより流出して、エンジン２０の回転方向と同じ方向にタービン１３を回転させる制御を行う。すなわち、タービン１３の回転動力によりエンジン２０をアシストする制御を行う。

本発明では、さらに、制御装置３０が、タービン１３の動力をエンジン２０の制動力の増大に使用する場合は、第１電磁切替弁４０及び第２電磁切替弁４１を制御して、第１電磁切替弁４０と第２電磁切替弁４１の間の作動流体ＷＦ用の流路を逆流路ＲＦに切り替えて、作動流体ＷＦをタービン１３の第２流入出口１３ｂより流入し、第１流入出口１３ａより流出して、エンジン２０の回転方向と逆方向にタービン１３を回転させる制御を行う。すなわち、タービン１３の回転動力により、タービン１３とは逆方向に回転するエンジン２０の回転を阻害して、エンジン２０の制動力を増大させる制御を行う。

以上をまとめると、本発明では、制御装置３０が、エンジン２０をアシストする場合は、切替機構により作動流体ＷＦがタービン１３を流れる方向を正方向（正流路ＯＦ）にしてタービン１３を正回転させてエンジン２０をアシストし、エンジン２０の制動力を増大する場合は、切替機構により作動流体ＷＦがタービン１３を流れる方向を逆方向（逆流路ＲＦ）にしてタービン１３を逆回転させてエンジン２０の制動力を増大する制御を行う。

この構成によれば、タービン１３の動力をエンジン２０のアシストに使用できるだけでなく、タービン１３に作動流体ＷＦが流入出する作動流体ＷＦの流入出口（１３ｂ、１３ａ）をエンジン２０のアシスト時の流入出口（１３ａ、１３ｂ）と逆に切り替えて、タービン１３の回転方向をエンジン２０のアシスト時の回転方向と逆方向に切り替えることで、タービン１３の動力をエンジン２０の制動力の増大（エンジンブレーキの増大）にも使用することができる。

その結果、エンジン２０の排気ガスＧより回収した排熱エネルギーの活用効率を向上させることができる。

また、上記の車両のランキンサイクルシステム１において、車両が減速走行中である場合を、タービン１３の動力をエンジン２０の制動力の増大に使用する場合とし、車両が加速走行中または定速走行中である場合を、タービン１３の動力をエンジン２０のアシストに使用する場合とする。すなわち、車両が減速走行中であるときには、タービン１３の動力によりエンジン２０の制動力を増大させる一方、減速走行中以外のときには、常にタービン１３の動力によりエンジン２０をアシストする。

この構成によれば、車両が減速走行中であるときには、タービン１３によるエンジン２０の制動力の増大分だけ、フットブレーキによる制動力を低減させることができる。その結果、フットブレーキの使用頻度を低減させることができ、フットブレーキの耐久性を向上させることができる。

また、車両が減速走行中以外のときには、タービン１３によるエンジン２０のアシスト分だけ、エンジン２０の出力を低減させることができる。その結果、エンジン２０の燃料噴射量を低減させることができ、エンジン２０の燃費を向上させることができる。

なお、図示しないが、図１の構成に、さらに、図４に示すようなバイパス通路５０及びバイパスバルブ５１を備えて、エンジン２０の排気通路（図示しない）に備えたＰＭ捕集用の微粒子捕集装置（図示しない）の強制ＰＭ再生制御時等で、排気ガスＧが過剰に高温化して、排気ガスＧとボイラー１２で熱交換する作動流体ＷＦも過剰に高温化するときに、制御装置３０によりバイパスバルブ５１を制御して、作動流体ＷＦがタービン１３を通過せずにバイパス通路５０を通過するようにしてもよい。

このようにすることで、タービン１３に作動流体ＷＦの過剰な熱エネルギーが流入しないので、タービン１３の耐久性を向上させることができる。

なお、排気ガスＧ及び作動流体ＷＦが過剰に高温化したか否かの判定は、例えば、排気通路または作動流体用の流路に温度センサー（図示しない）を備えて、この温度センサーの検出値が設定閾値（実験等により設定される最適値）以上となったか否かにより行う。

次に、本発明の車両のランキンサイクルシステムの制御方法について、図３に示す制御フローを基に説明する。図３の制御フローは、エンジン２０の運転中に予め設定した制御時間を経過する度に上級の制御フローより呼ばれてスタートする制御フローとして示している。

図３の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、車両が減速走行中であるのか否かを判定する。この判定は、例えば、車両に備えた車速センサ（図示しない）の検出値の単位時間当たりの変動量の正負に応じて行う。ステップＳ１０にて、車両が減速走行中である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に進み、ステップＳ２０にて、第１電磁切替弁４０及び第２電磁切替弁４１を制御して、第１電磁切替弁４０と第２電磁切替弁４１の間の作動流体ＷＦ用の流路を逆流路ＲＦに切り替えて、作動流体ＷＦをタービン１３の第２流入出口１３ｂより流入し、第１流入出口１３ａより流出して、エンジン２０の回転方向と逆方向にタービン１３を回転させて、タービン１３の回転動力によりエンジン２０の回転を阻害して、エンジン２０の制動力を増大させる制御を行う。ステップＳ２０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

一方、ステップＳ１０にて、車両が減速走行中ではない場合（ＮＯ）には、ステップＳ３０に進み、ステップＳ３０にて、第１電磁切替弁４０及び第２電磁切替弁４１を制御して、第１電磁切替弁４０と第２電磁切替弁４１の間の作動流体ＷＦ用の流路を正流路ＯＦに切り替えて、作動流体ＷＦをタービン１３の第１流入出口１３ａより流入し、第２流入出口１３ｂより流出して、エンジン２０の回転方向と同じ方向にタービン１３を回転させて、タービン１３の回転動力によりエンジン２０をアシストする制御を行う。ステップＳ３０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

以上より、本発明の車両のランキンサイクルシステム１を基にした、本発明の車両のランキンサイクルシステムの制御方法は、エンジン２０の排熱により作動流体ＷＦを液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器１２と、エンジン２０に接続されて、蒸発器１２で加熱蒸発した作動流体ＷＦにより駆動される膨張器１３と、この膨張器１３を通過した作動流体ＷＦを気体から液体に冷却凝縮させる凝縮器１４と、膨張器１３における作動流体ＷＦが流れる方向を正逆に切り替える切替機構と、で構成される車両のランキンサイクルシステムの制御方法において、エンジン２０をアシストする場合は、切替機構により作動流体ＷＦが膨張器１３を流れる方向を正方向にして膨張器１３を正回転させてエンジン２０をアシストし、エンジン２０の制動力を増大する場合は、切替機構により作動流体ＷＦが膨張器１３を流れる方向を逆方向にして膨張器１３を逆回転させてエンジン２０の制動力を増大する制御を行うことを特徴とする方法となる。

本発明の車両のランキンサイクルシステム１及び車両のランキンサイクルシステムの制御方法によれば、エンジン２０の排気ガスＧより回収した排熱エネルギーの活用効率を向上させることができる。

なお、図１、図２、図４では、エンジン２０とボイラー１２を直接接続しているが、実際には、エンジン２０より排気ガス浄化処理装置（図示しない）等を介して大気に通じる排気通路（排気管）より分岐して、ボイラー１２に接続している。

１、１Ｘ 車両のランキンサイクルシステム
１２ ボイラー（蒸発器）
１３ タービン（膨張器）
１３ａ 第１流入出口
１３ｂ 第２流入出口
１４ 凝縮器
２０ エンジン（内燃機関）
３０ 制御装置
４０ 第１電磁切替弁（第１流路切替装置）
４１ 第２電磁切替弁（第２流路切替装置）
Ｇ 排気ガス
ＷＦ 作動流体

Claims (3)

1. 内燃機関の排熱により作動流体を液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器と、前記内燃機関に接続されて、前記蒸発器で加熱蒸発した作動流体により駆動される膨張器と、該膨張器を通過した作動流体を気体から液体に冷却凝縮させる凝縮器と、制御装置と、で構成される車両のランキンサイクルシステムにおいて、
   前記膨張器における作動流体が流れる方向を正逆に切り替える切替機構を備えていると共に、前記切替機構が、前記蒸発器と前記膨張器の間の作動流体の流路に第１流路切替装置を、前記膨張器と前記凝縮器の間の作動流体の流路に第２流路切替装置を備え、前記膨張器に作動流体が流入出する第１流入出口と第２流入出口を備えて、
   前記制御装置が、
   前記膨張器の動力を前記内燃機関のアシストに使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の第１流入出口より流入し、前記膨張器の第２流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と同じ方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関をアシストし、
   前記膨張器の動力を前記内燃機関の制動力の増大に使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の前記第２流入出口より流入し、前記第１流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と逆方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関の制動力を増大する制御を行うように構成されている車両のランキンサイクルシステム。
2. 前記車両が減速走行中である場合を、前記膨張器の動力を前記内燃機関の制動力の増大に使用する場合とし、前記車両が加速走行中または定速走行中である場合を、前記膨張器の動力を前記内燃機関のアシストに使用する場合とする請求項１に記載の車両のランキンサイクルシステム。
3. 内燃機関の排熱により作動流体を液体から気体に加熱蒸発させる蒸発器と、前記内燃機関に接続されて、前記蒸発器で加熱蒸発した作動流体により駆動される膨張器と、該膨張器を通過した作動流体を気体から液体に冷却凝縮させる凝縮器とで構成される車両のランキンサイクルシステムで、さらに、前記蒸発器と前記膨張器の間の作動流体の流路に備えた第１流路切替装置と、前記膨張器と前記凝縮器の間の作動流体の流路に備えた第２流路切替装置と、前記膨張器に作動流体が流入出する第１流入出口及び第２流入出口と、を備えて、前記膨張器における作動流体が流れる方向を正逆に切り替える切替機構を備えた車両のランキンサイクルシステムの制御方法において、
   前記膨張器の動力を前記内燃機関のアシストに使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の第１流入出口より流入し、前記膨張器の第２流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と同じ方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関をアシストし、
   前記膨張器の動力を前記内燃機関の制動力の増大に使用する場合は、前記第１流路切替装置及び前記第２流路切替装置を制御して、作動流体を前記膨張器の前記第２流入出口より流入し、前記第１流入出口より流出して、前記内燃機関の回転方向と逆方向に前記膨張器を回転させることで前記内燃機関の制動力を増大する制御を行うことを特徴とする車両のランキンサイクルシステムの制御方法。

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