WO2017051672A1 - 出力装置及び出力装置の制御方法 - Google Patents

出力装置及び出力装置の制御方法 Download PDF

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flow rate
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heat source
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阿部　誠
太志 筒井
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いすゞ自動車株式会社
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    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/08—Arrangement of sensing elements responsive to condition of working-fluid, e.g. pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/20—Devices dealing with sensing elements or final actuators or transmitting means between them, e.g. power-assisted
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to an output device having a Rankine cycle and a control method of the output device.
  • the Rankine cycle is a pump that circulates the working fluid in the circulation channel, an evaporator that evaporates the working fluid with a heat source, an expander that expands the working fluid, and a condensation that condenses the working fluid with a cooling source. It arrange
  • the evaporator heats the working fluid to superheated steam, and the expander expands the superheated steam.
  • the amount of heat exhausted from the heat source (exhaust gas) flowing into the evaporator may vary depending on the operating state of the engine, for example. If the exhaust heat quantity of the heat source fluctuates, the flow rate of the superheated steam flowing into the expander fluctuates due to fluctuations in the temperature of the superheated steam, etc., making it difficult to operate the Rankine cycle with high efficiency. .
  • the present disclosure has been made in view of these points, and an object thereof is to provide an output device having a Rankine cycle that can operate with high efficiency.
  • a pump that circulates the working fluid in the circulation channel by rotating, an evaporator that evaporates the working fluid by a heat source, and an expander that expands the working fluid
  • a Rankine cycle arranged in the order of a condenser for condensing the working fluid by a cooling source, and an output device mounted on a vehicle, the temperature and flow rate of the heat source, and the passage through the expander
  • a storage unit that preliminarily stores characteristic information indicating a relationship with the rotation speed of the pump corresponding to the flow rate of the working fluid, a detection unit that detects the temperature and flow rate of the heat source, a detection result of the detection unit, and the An output device comprising: a control unit that controls the number of rotations of the pump corresponding to the detected temperature and flow rate of the heat source based on the characteristic information stored in the storage unit.
  • the control unit performs feedforward control of the rotation speed of the pump, and the rotation of the pump is controlled so that the flow rate of the working fluid flowing into the expander is constant even if the exhaust heat amount of the heat source fluctuates.
  • the number can be controlled quickly. This makes it possible to operate the Rankine cycle with high efficiency.
  • control unit may control the rotation speed of the pump based on the detection result of the detection unit and the characteristic information so that the superheated state of the working fluid by the evaporator becomes a predetermined state. Good.
  • the detection unit may be provided on the inlet side of the evaporator.
  • the heat source may be exhaust gas of the engine of the vehicle.
  • a pump that circulates the working fluid in the circulation channel by rotating, an evaporator that evaporates the working fluid by a heat source, and an expander that expands the working fluid And a Rankine cycle arranged in the order of a condenser for condensing the working fluid by a cooling source, and a method for controlling an output device mounted on a vehicle, the temperature and flow rate of the heat source, and the expander Storing characteristic information indicating a relationship with the rotational speed of the pump corresponding to the flow rate of the working fluid passing through the storage unit, detecting a temperature and a flow rate of the heat source, a detection result, and the storage unit And controlling the number of revolutions of the pump corresponding to the detected temperature and flow rate of the heat source based on the characteristic information stored in the output.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of an output device 1 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the mapped characteristic information.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the rotational speed of the pump 20 and the temperature of the superheated steam.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining the rotational speed control of the pump 20.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of an output device 1 according to an embodiment.
  • the output device 1 is mounted on a vehicle having an engine (for example, a diesel engine) that is an internal combustion engine.
  • the output device 1 is a power generation device that is mounted on a large vehicle such as a truck or a bus and generates electric power.
  • the output device 1 has a Rankine cycle 2 as a power generation cycle, and regenerates power using engine exhaust gas or the like.
  • the output device 1 includes a circulation flow path 10, a pump 20, an evaporator 30, an expander 40, a generator 42, a condenser 50, a detection unit 60, and a storage unit 70. And a control unit 80.
  • the output device 1 is not limited to a power generation device that generates electric power, and may be a device that generates torque for rotating an engine, for example.
  • the circulation channel 10 is a closed loop channel through which the working fluid circulates.
  • the working fluid ethanol is used in the present embodiment, but is not limited thereto.
  • the working fluid may be another medium such as water or chlorofluorocarbon.
  • the pump 20 is a circulator that circulates the working fluid in the circulation channel 10 by rotating.
  • the pump 20 is provided between the condenser 50 and the evaporator 30 in the circulation channel 10, sucks a liquid-phase working fluid from the condenser 50, and pumps it to the evaporator 30.
  • a centrifugal pump or a gear pump is used as the pump 20, a centrifugal pump or a gear pump is used.
  • the evaporator 30 is provided on the downstream side of the pump 20 in the circulation channel 10 and evaporates the working fluid.
  • the evaporator 30 evaporates the working fluid by exchanging heat between the working fluid sent from the pump 20 and the exhaust gas of the engine that is a heat source.
  • the evaporated working fluid is sent to the expander 40 as superheated steam (or saturated steam).
  • the exhaust gas flows through the exhaust passage 90 and passes through the evaporator 30.
  • the expander 40 is provided on the downstream side of the evaporator 30 in the circulation channel 10 and expands the working fluid (for example, superheated steam) heated by the evaporator 30.
  • the expander 40 is, for example, a screw expander, and includes a screw rotor that is rotated by the expansion force of the working fluid.
  • the expanded working fluid is sent to the condenser 50.
  • the generator 42 is connected to the expander 40 and is driven by the expander 40.
  • the generator 42 has a structure in which a stator and a rotor are accommodated in a casing.
  • the generator 42 generates electric power by rotating with the rotation of the screw rotor of the expander 40.
  • the generated electric power is sent to, for example, a vehicle battery.
  • the condenser 50 is provided on the downstream side of the expander 40 in the circulation flow path 10 and condenses the working fluid expanded by the expander 40.
  • the condenser 50 liquefies the working fluid by exchanging heat between the working fluid sent from the expander 40 and air that is a cooling source.
  • the liquefied working fluid is sent to the pump 20.
  • the cooling source is air.
  • the present invention is not limited to this.
  • the cooling source may be cooling water for a vehicle engine.
  • Detecting unit 60 detects the temperature and flow rate of the exhaust gas that is a heat source.
  • the detection unit 60 is a measurement sensor provided on the inlet side of the evaporator 30, for example, and measures the temperature and flow rate of the exhaust gas flowing into the evaporator 30.
  • the detector 60 continuously measures the temperature and flow rate of the exhaust gas during operation of the Rankine cycle 2, for example, and outputs the measurement result to the controller 80.
  • the storage unit 70 is composed of, for example, a ROM and a RAM, and stores various programs and various data for causing the output device 1 to function.
  • the storage unit 70 stores in advance characteristic information indicating the relationship between the temperature and flow rate of the exhaust gas flowing into the evaporator 30 and the rotational speed of the pump 20 corresponding to the flow rate of the working fluid passing through the expander 40. .
  • the characteristic information is mapped as shown in FIG. 2 and stored in the storage unit 70, for example.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the mapped characteristic information.
  • the horizontal axis of the graph indicates the temperature of the exhaust gas
  • the vertical axis indicates the flow rate of the exhaust gas
  • the thick line indicates the rotational speed of the pump.
  • the higher the exhaust gas temperature and the higher the flow rate the higher the rotational speed of the pump 20.
  • variation of the exhaust heat amount of exhaust gas can be acquired.
  • rotational speed of the pump 20 shown in FIG. 2 is set taking into consideration that the temperature of the superheated steam changes in accordance with fluctuations in the exhaust heat amount of the exhaust gas.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the rotational speed of the pump 20 and the temperature of the superheated steam.
  • the rotation speed of the pump 20 is greater than the predetermined value A, the temperature of the superheated steam is rapidly lowered. For this reason, even if the exhaust heat amount of the exhaust gas fluctuates, the rotation speed of the pump 20 is determined so that the change in the temperature of the superheated steam becomes small. Thereby, the fluctuation
  • control unit 80 is constituted by a CPU, for example.
  • the control unit 80 controls the operation of the output device 1 by executing various programs stored in the storage unit 70.
  • the control unit 80 controls the operations of the pump 20 and the detection unit 60 during the operation of the Rankine cycle 2.
  • the working fluid maintains the superheated steam superheated by the evaporator 30 in a constant state (for example, the flow rate of superheated steam flowing into the expander 40 is constant). It is desirable that
  • the exhaust heat amount (temperature and flow rate) of the exhaust gas flowing into the evaporator 30 is likely to fluctuate depending on the operating state of the engine. For example, the amount of exhaust heat is small when the engine is not operating, and the amount of exhaust heat is large when the engine is operating.
  • the exhaust heat amount of the exhaust gas changes, the temperature of the superheated steam also changes, and the flow rate of the superheated steam flowing into the expander 40 changes, making it difficult to operate the Rankine cycle 2 with high efficiency.
  • the control unit 80 detects the temperature of the exhaust gas detected by the detection unit 60 based on the detection result of the detection unit 60 and the characteristic information stored in the storage unit 70 (FIG. 2).
  • the number of rotations of the pump 20 corresponding to the flow rate is controlled. That is, the control unit 80 performs feedforward control on the rotational speed of the pump 20 based on the temperature and flow rate of the exhaust gas.
  • the rotation speed of the pump 20 can be quickly controlled so that the flow rate of the working fluid (superheated steam) flowing into the expander 40 is constant even if the exhaust heat amount of the exhaust gas varies.
  • the Rankine cycle 2 can be operated with high efficiency.
  • control unit 80 controls the rotation speed of the pump 20 based on the detection result of the detection unit 60 and the characteristic information so that the superheated state of the working fluid by the evaporator 30 becomes a predetermined state. For example, the control unit 80 controls the rotation speed of the pump 20 so that the temperature change of the superheated steam becomes small. As a result, the temperature of the superheated steam is stabilized, so that the flow rate of the working fluid flowing into the expander 40 can be easily made constant.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining the rotational speed control of the pump 20.
  • step S102 the storage unit 70 stores the characteristic information obtained by experiments or the like before the operation of the Rankine cycle 2 is started. That is, the storage unit 70 has characteristic information (specifically, the relationship between the temperature and flow rate of the exhaust gas flowing into the evaporator 30 and the rotational speed of the pump 20 corresponding to the flow rate of the working fluid passing through the expander 40). Stores the characteristic information mapped as shown in FIG. Note that the storage unit 70 stores characteristic information obtained through experiments or the like when the Rankine cycle 2 is mounted on a vehicle or when the engine of the vehicle is replaced.
  • characteristic information specifically, the relationship between the temperature and flow rate of the exhaust gas flowing into the evaporator 30 and the rotational speed of the pump 20 corresponding to the flow rate of the working fluid passing through the expander 40.
  • the control unit 80 detects the temperature and flow rate (exhaust heat amount) of the exhaust gas flowing into the evaporator 30 by the detection unit 60 (step S104). Specifically, the detection unit 60 located on the upstream side of the evaporator 30 measures the temperature and flow rate of the exhaust gas.
  • control unit 80 determines the rotation speed of the pump 20 corresponding to the measured exhaust gas temperature and flow rate based on the measured exhaust gas temperature and flow rate and the characteristic information stored in the storage unit 70. Determination is made (step S106). For example, the control unit 80 determines the rotation speed of the pump 20 with reference to the map shown in FIG.
  • control unit 80 rotates the pump 20 at the determined number of rotations (step S108). Thereby, even if the exhaust heat amount of the exhaust gas flowing into the evaporator 30 fluctuates, the flow rate of the superheated steam superheated by the exhaust gas can be made constant.
  • the control unit 80 detects the temperature and flow rate of the exhaust gas detected based on the detection result of the detection unit 60 and the characteristic information (FIG. 2) stored in the storage unit 70 in advance. The number of rotations of the pump 20 corresponding to is controlled.
  • the rotational speed of the pump 20 is feedforward controlled, and the pump is configured so that the flow rate of the working fluid (superheated steam) flowing into the expander 40 is constant even if the exhaust heat exhaust amount varies.
  • the number of rotations of 20 can be quickly controlled. Thereby, Rankine cycle 2 can be operated with high efficiency.
  • the heat source flowing into the evaporator 30 is the exhaust gas, but is not limited thereto.
  • the heat source may be cooling water after passing through the engine. In such a case, the cooling source is air.
  • the detection unit 60 is provided on the upstream side of the evaporator 30.
  • the present invention is not limited to this.
  • the detection unit 60 may be provided on the downstream side of the evaporator 30.
  • the output device and the control method of the output device according to the present disclosure have an effect of providing an output device having a Rankine cycle that can operate with high efficiency, and the amount of exhaust heat of a heat source such as exhaust gas emitted from the engine. This is useful in that it can provide an output device that can operate stably and efficiently even if the value fluctuates.

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Abstract

循環流路１０内に、回転することで作動流体を循環流路１０で循環させるポンプ２０、排気ガスによって作動流体を蒸発させる蒸発器３０、作動流体を膨張させる膨張器４０、及び冷却源によって作動流体を凝縮させる凝縮器５０の順に配置されたランキンサイクル２を有し、車両に搭載される出力装置１は、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記憶部７０と、排気ガスの温度及び流量を検出する検出部６０と、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制御部８０と、を備える。

Description

出力装置及び出力装置の制御方法
　本開示は、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。
日本国特開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、本開示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。
　本開示の第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。
　本開示の第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。
　本開示によれば、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。
図１は、本開示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。 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。 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。
　＜出力装置の構成＞
　図１を参照しながら、本開示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、本発明を適用した実施形態について説明したが、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。上述した実施形態に、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。
　本出願は、2015年09月25日付で出願された日本国特許出願（特願2015-187720）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本開示に係る出力装置および出力装置の制御方法は、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ができるという効果を奏し、エンジンから放出される排気ガスなどの熱源の排熱量が変動しても、安定して効率的に動作することが可能な出力装置を提供できるという点において有用である。
　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 (5)

  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。
  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. 　前記検出部は、前記蒸発器の入口側に設けられてい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. 　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から３のいずれか１項に記載の出力装置。
  5. 　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。
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