特開 2022-135401 ランキンサイクルシステムおよびその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022135401

(43)【公開日】2022-09-15

(54)【発明の名称】ランキンサイクルシステムおよびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 17/00 20060101AFI20220908BHJP

   F01D 15/08 20060101ALI20220908BHJP

【ＦＩ】

F01D17/00 M

F01D15/08 A

F01D15/08 C

F01D17/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021035183

(22)【出願日】2021-03-05

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松浮 朋冬

【テーマコード（参考）】

3G071

【Ｆターム（参考）】

3G071AB01

3G071AB06

3G071BA02

3G071BA33

3G071FA03

3G071FA06

3G071GA05

3G071HA01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】システムを小型化および軽量化することが可能なランキンサイクルシステムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】ランキンサイクルシステム１０は、ポンプ１２の回転軸であるポンプ軸１２ａの駆動により圧送された作動流体が蒸発器１４、タービン１６、凝縮器１８を順に介して流れて、ポンプによって再び圧送される、ランキンサイクルシステムにおいて、タービンの回転軸であるタービン軸１６ａは、ポンプ軸に対し同軸上に配置され、タービン軸とポンプ軸との間に配置され、タービン軸の回転数を所定のギア比で変換してポンプ軸へ伝達する変速機４０を備え、ポンプの作動流体出口およびタービンの作動流体入口のそれぞれの温度および圧力に基づいて、タービン軸の回転数を変速することによりポンプ軸に所定トルクが付与されるように、変速機を制御する制御部（ＥＣＵ）５０を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプの回転軸であるポンプ軸の駆動により圧送された作動流体が蒸発器、タービン、凝縮器を順に介して流れて、前記ポンプによって再び圧送される、ランキンサイクルシステムにおいて、
前記タービンの回転軸であるタービン軸は、前記ポンプ軸に対し同軸上に配置され、
前記タービン軸と前記ポンプ軸との間に配置され、前記タービン軸の回転数を所定のギア比で変換して前記ポンプ軸へ伝達する変速機を備え、
前記ポンプの作動流体出口およびタービンの作動流体入口のそれぞれの温度および圧力に基づいて、前記タービン軸の回転数を変速することにより前記ポンプ軸に所定トルクが付与されるように、前記変速機を制御する制御部を備える、ランキンサイクルシステム。

【請求項2】

前記タービン軸のトルクから前記ポンプ軸の前記所定トルクを減算した余剰トルクに対応する発電量で発電するモータジェネレータを備える、
請求項１に記載のランキンサイクルシステム。

【請求項3】

ポンプの回転軸であるポンプ軸の駆動により圧送された作動流体が蒸発器、タービン、凝縮器を順に介して流れて、前記ポンプによって再び圧送される、ランキンサイクルシステムにおける制御方法であって、
前記タービンの回転軸であるタービン軸の回転数を所定のギア比で変換して前記ポンプ軸へ伝達する変速機を備え、
前記ポンプの作動流体出口およびタービンの作動流体入口のそれぞれの温度および圧力に基づいて、前記ポンプの作動流体出口における前記作動流体の密度、および、前記タービンの作動流体入口における前記作動流体の密度のそれぞれを算出するステップと、
算出された前記密度のそれぞれに基づいて、前記タービン軸のトルクが前記ポンプ軸のトルクよりも大きいか否について判定するステップと、
前記タービン軸のトルクが前記ポンプ軸のトルクよりも大きくない場合、前記タービン軸の回転数を変速するように、前記変速機を制御するステップと、
を含む、制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ランキンサイクルシステムおよびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ランキンサイクルは公知であり、例えば省エネの観点から、車載エンジンの排熱回収などに適用されている。ランキンサイクルシステムは、ポンプ、蒸発器、膨張器、凝縮器が順に配置されて、作動流体が循環する閉回路を主構成として有する。ポンプは、ランキンサイクルシステムの閉回路において作動流体を循環させるように、蒸発器に向けて作動流体を圧送する。車載エンジンに適用される例では、蒸発器は熱源としてのエンジンからの廃熱で作動流体を加熱蒸発するように熱交換器として構成され、膨張器は蒸発器を経た作動流体から動力を取り出すように構成され、凝縮器は膨張器を経た作動流体を凝縮液化させるように熱交換器として構成され得る。

【0003】

このようなランキンサイクルシステムにおいて、タービン（膨張器）から動力を受け取る発電機と、オイルポンプを駆動するためのモータとを備えている（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２００６－５０６５７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記特許文献１に記載のランキンサイクルシステムにおいては、発電機およびモータのそれぞれの装置を別々に配置する必要があるため、システムが大型化し、また、システムの重量が増加する。また、このようなランキンサイクルシステムが車載される場合、システムを設置するための広いスペースを必要とする点で好ましくない。

【0006】

本開示の目的は、システムを小型化および軽量化することが可能なランキンサイクルシステムおよびその制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するため、本開示におけるランキンサイクルシステムは、
ポンプの回転軸であるポンプ軸の駆動により圧送された作動流体が蒸発器、タービン、凝縮器を順に介して流れて、前記ポンプによって再び圧送される、ランキンサイクルシステムにおいて、
前記タービンの回転軸であるタービン軸は、前記ポンプ軸に対し同軸上に配置され、
前記タービン軸と前記ポンプ軸との間に配置され、前記タービン軸の回転数を所定のギア比で変換して前記ポンプ軸へ伝達する変速機を備え、
前記ポンプの作動流体出口およびタービンの作動流体入口のそれぞれの温度および圧力に基づいて、前記タービン軸の回転数を変速することにより前記ポンプ軸に所定トルクが付与されるように、前記変速機を制御する制御部を備える。

【0008】

本開示におけるランキンサイクルシステムにおける制御方法は、
ポンプの回転軸であるポンプ軸の駆動により圧送された作動流体が蒸発器、タービン、凝縮器を順に介して流れて、前記ポンプによって再び圧送される、ランキンサイクルシステムにおける制御方法であって、
前記タービンの回転軸であるタービン軸の回転数を所定のギア比で変換して前記ポンプ軸へ伝達する変速機を備え、
前記ポンプの作動流体出口およびタービンの作動流体入口のそれぞれの温度および圧力に基づいて、前記ポンプの作動流体出口における前記作動流体の密度、および、前記タービンの作動流体入口における前記作動流体の密度のそれぞれを算出するステップと、
算出された前記密度のそれぞれに基づいて、前記タービン軸のトルクが前記ポンプ軸のトルクよりも大きいか否について判定するステップと、
前記タービン軸のトルクが前記ポンプ軸のトルクよりも大きくない場合、前記タービン軸の回転数を変速するように、前記変速機を制御するステップと、
を含む。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、システムを小型化および軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本実施の形態のランキンサイクルシステムの概略構成図である。

【図2】図２は、ＥＣＵの動作を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態のランキンサイクルシステム１０の概略構成図である。ランキンサイクルシステム１０は、ポンプ１２、蒸発器１４、タービン１６（膨張器）及び凝縮器１８を備えている。ポンプ１２、蒸発器１４、タービン１６及び凝縮器１８は、作動流体が流通する環状通路２０に順に配置されていて、これらは閉回路を形成する。ここでは、車両に搭載されるランキンサイクルシステム１０について説明する。また、作動流体としてエタノールを用いるが、本開示は作動流体をエタノールに限定するものではない。

【0012】

ポンプ１２は、ポンプ軸１２ａを有し、ポンプ軸１２ａが駆動されることで作動流体を蒸発器１４側に圧送してランキンサイクルシステム１０の環状通路２０を循環させるものである。ポンプ１２は、始動時においてモータジェネレータ１２ｂにより駆動されるが、他の動力源の動力（駆動力）を用いて駆動されてもよい。モータジェネレータ１２ｂは、制御部（後述する）により、ポンプ１２を駆動するためモータに電力を供給する電力供給モードや、余剰トルク（後述する）に対応する発電量で発電する発電モードに切り替え制御される。

【0013】

蒸発器１４は、熱交換器として構成されている。蒸発器１４は、対向流型の熱交換器として構成されている。ここでは、熱源として車両用の内燃機関（以下、エンジン）の排気ガスの熱が利用される。蒸発器１４において、排気ガスの流れ方向と、作動流体の流れ方向とは概ね逆向きである。蒸発器１４は、ポンプ１２が圧送した（液相の）作動流体を、熱源としてのエンジンの排気管内を流通する排気ガスと熱交換させて加熱するものである。蒸発器１４において排気ガスの熱（廃熱）で加熱されることによって作動流体は蒸気化し（蒸発し）、蒸気化した作動流体はタービン１６に流入する。

【0014】

タービン１６は、蒸発器１４で蒸気化した作動流体の膨張エネルギーを動力（機械的エネルギー）として取り出し、タービン軸１６ａを回転させるものである。

【0015】

凝縮器１８は、タービン１６が膨張させた作動流体を冷却して凝縮液化させるものである。凝縮器１８は、対向流型の熱交換器として構成されている。そして、凝縮器１８の作動流体の冷却源としてエンジンの冷却水（エンジン冷却水）が用いられる。つまり、凝縮器１８において、エンジン冷却水の流れ方向と、作動流体の流れ方向とは概ね逆向きである。凝縮器１８は、タービン１６を経た（気相又はガス状の）作動流体を、冷却源としてのエンジン冷却水と熱交換させて冷却するものである。凝縮器１８においてエンジン冷却水との熱交換で冷却されることによって作動流体は凝縮する（液化する）。なお、ここでは、エンジン冷却水は、ラジエータ（不図示）を経た後、凝縮器１８に流入するが、本開示はこのような構成に限定されるものではなく、凝縮器１８を経た後にラジエータで冷却されてもよい。

【0016】

タンク３０は、凝縮器１８とポンプ１２との間に配置されている。タンク３０は、作動流体の気液分離を図るように設けられている。凝縮器１８側からタンク３０に向けて延びる作動流体流路（上流側流路部分）２２は、タンク３０内の上方領域に連通するように設けられている。また、タンク３０からポンプ１２側に向けて延びる作動流体流路（下流側流路部分）２４は、タンク３０内の下方領域に連通するように設けられている。つまり、凝縮器１８で凝縮された作動流体はタンク３０内で気液分離され、液相の作動流体はポンプ１２に吸引され、環状通路２０内を再び循環する。

【0017】

本実施の形態におけるランキンサイクルシステム１０は、ポンプ軸１２ａとタービン軸１６ａとは同軸上に配置されている。ポンプ軸１２ａとタービン軸１６ａとの間には変速機４０が配置されている。変速機４０は、同期装置（不図示）およびアクチュエータ４０ａを有する。アクチュエータ４０ａは、同期装置のスリーブ（不図示）をシフト移動させ、対象となる変速ギアを入力軸や出力軸と結合させることにより、所定のギア比の動力伝達経路を確立するものである。これにより、変速機４０は、タービン軸１６ａの回転数を所定のギア比で変換してポンプ軸１２ａに伝達する。その結果、タービン１６の出力が変速機４０を介してポンプ１２に付与されるため、ポンプ１２の自立駆動が可能となる。

【0018】

ところで、ポンプ１２とタービン１６との特性如何によっては、ポンプ１２の回転数とタービン１６の回転数とが適切な関係にならない場合がある。この場合、ポンプ１２はタービン１６の出力が得られず、ポンプ１２の自立駆動が困難となる。そこで、ポンプ１２とタービン１６との間に適切な変速が必要となる。

【0019】

次に、ポンプ１２による容積仕事とタービン１６による軸仕事との関係について説明する。
容積仕事と軸仕事との関係は、以下の式（１）から式（３）で表される。

【数1】

【数2】

【数3】

ここで、Ｐは圧力、Ｑは体積流量、Ｔはトルク、ωは回転数、ｍドットは質量流量、ρは密度を表す。

【0020】

ポンプ１２において、上式（３）は以下の式（４）で表される。

【数4】

ここで、Ｐ_ｐはポンプ１２の作動流体出口（以下、出口）の圧力、ρ_Ｐはポンプ１２の出口における作動流体の密度、Ｔ_ｐはポンプ１２のトルク、ω_Ｐはポンプ１２の回転数を表す。なお、密度ρ_Ｐは、ポンプ１２の出口の温度、圧力Ｐ_Ｐ、および、蒸気表データから求められる。ポンプ１２の出口の温度、圧力Ｐ_Ｐは、ポンプ１２の出口に設けられる温度センサ（不図示）および圧力センサ（不図示）のそれぞれから取得される。

【0021】

また、上式（４）より、ポンプ１２のトルクＴ_Ｐは以下の式（５）で表される。

【数5】

【0022】

タービン１６において、上式（３）は以下の式（６）で表される。

【数6】

ここで、Ｐ_Ｔはタービン１６の作動流体入口（以下、入口）の圧力、ρ_Ｔはタービン１６の入口における作動流体の密度、Ｔ_Ｔはタービン１６のトルク、ω_Ｔはタービン１６の回転数を表す。なお、密度ρ_Ｔは、タービン１６の入口の温度、圧力Ｐ_Ｔ、蒸気表データから求められる。タービン１６の入口の温度、圧力Ｐ_Ｔは、タービン１６の入口に設けられる温度センサ（不図示）および圧力センサ（不図示）のそれぞれから取得される。

【0023】

また、上式（６）より、タービン１６のトルクは以下の式（７）で表される。

【数7】

【0024】

ポンプ１２が自立駆動するためには、以下の式（８）が成立すればよい。

【数8】

式（８）より、ポンプ１２の回転数ω_ｐとタービン１６の回転数ω_Ｔとの関係は、以下の式（９）、式（１０）で表される。

【数9】

【数10】

【0025】

なお、蒸発器１４で圧力損失がない場合、ポンプ１２の回転数ω_ｐとタービン１６の回転数ω_Ｔとの関係は、以下の式（１１）で表される。

【数11】

【0026】

以上より、ポンプ１２の始動には、モータジェネレータ１２ｂの駆動力でポンプ１２を駆動する必要であるが、作動流体を蒸気化させる十分な熱源がある場合、式（１０）または式（１１）を満たすようにタービン１６の回転数ω_Ｔを変速すれば、タービン１６の出力でポンプ１２を駆動することが可能となる。つまり、ポンプ１２の自立駆動が可能となる。

【0027】

本実施の形態では、ＥＣＵ５０（Electronic Control Unit：制御部）は、式（１０）または式（１１）を満たすようにタービン１６（タービン軸１６ａ）の回転数ω_Ｔを変速するように、変速機４０のアクチュエータ４０ａを制御する。

【0028】

次に、変速機４０の制御を含めたＥＣＵ５０による制御について説明する。変速機４０の制御のために、ポンプ１２の出口、タービン１６の入口のそれぞれに圧力センサが設けられている。また、ポンプ１２の出口、タービン１６の入口のそれぞれに温度センサが設けられている。これらのセンサからの出力は、上記ＥＣＵ５０に入力される。

【0029】

ＥＣＵ５０は、ランキンサイクルシステム１０やエンジンの各種制御を行うように、所謂コンピュータとして構成され、公知の演算処理装置（例えばＣＰＵ）や記憶装置（例えばＲＯＭ、ＲＡＭ）、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。ＥＣＵ５０は、それらセンサからの出力に基づいて各種値を取得し（検出し）、予め記憶しているプログラム及びデータに基づいて所定の演算をし、エンジン（例えばインジェクタやスロットルバルブ）の作動、モータジェネレータ１２ｂの駆動、変速機４０用のアクチュエータ４０ａの駆動等のためにそれらのそれぞれに作動信号を出力する。つまり、ＥＣＵ５０は、エンジンの制御手段、モータジェネレータ１２ｂの制御手段、変速機４０の制御手段のそれぞれに相当する機能部を有し、これらは互いに関連付けられている。なお、ＥＣＵ５０は１つの電子制御ユニットであることに限定されず、複数の電子制御ユニットの複合体として構成されてもよい。

【0030】

次に、ＥＣＵ５０による変速機４０の制御について図２を参照して説明する。図２は、ＥＣＵ５０の動作を示すフローチャートである。図２のフローは、ランキンサイクルシステム１０の運転中に所定時間間隔で実行される。

【0031】

先ず、ステップＳ１００において、ＥＣＵ５０は、ポンプ１２の出口の温度および圧力を取得し、タービン１６の入口の温度および圧力を取得する。

【0032】

次に、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、ポンプ１２の出口における作動流体の密度ρ_Ｐを算出し、タービン１６の入口における作動流体の密度ρ_Ｔを算出する。

【0033】

次に、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、算出した密度ρ_Ｐ，ρ_Ｔ、および、ポンプ１２の回転数ω_ｐ、タービン１６の回転数ω_Ｔに基づいて、タービン１６のトルクＴ_Ｔがポンプ１２のトルクＴ_Ｐよりも大きいか否か（Ｔ_Ｔ＞Ｔ_Ｐが成立するか否か）について判定する。Ｔ_Ｔ＞Ｔ_Ｐが成立する場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１３０に遷移する。Ｔ_Ｔ＞Ｔ_Ｐが成立しない場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、処理はステップＳ１４０に遷移する。

【0034】

次に、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ５０は、タービン軸１６ａのトルクからポンプ軸１２ａのトルクを減算した余剰トルクに対応する発電量で発電するように、モータジェネレータ１２ｂを発電モードに切り替え制御する。その後、図２に示すフローは終了する。

【0035】

次に、ステップＳ１４０において、ＥＣＵ５０は、タービン軸１６ａの回転数を変速するように、変速機４０のアクチュエータ４０ａを制御する。これにより、タービン軸１６ａのトルクが変速機４０を介してポンプ軸１２ａに伝達される。その結果、ポンプ１２の自立駆動が可能となる。その後、図２に示すフローは終了する。

【0036】

以上述べたように、本実施の形態に係るランキンサイクルシステム１０は、ポンプ１２の回転軸であるポンプ軸１２ａの駆動により圧送された作動流体が蒸発器１４、タービン１６、凝縮器１８を順に介して流れて、ポンプ１２によって再び圧送される、ランキンサイクルシステムにおいて、タービン１６の回転軸であるタービン軸１６ａは、ポンプ軸１２ａに対し同軸上に配置され、タービン軸１６ａとポンプ軸１２ａとの間に配置され、タービン軸１６ａの回転数を所定のギア比で変換してポンプ軸１２ａへ伝達する変速機４０を備え、ポンプの作動流体出口およびタービンの作動流体入口のそれぞれの温度および圧力に基づいて、タービン軸１６ａの回転数を変速することによりポンプ軸１２ａに所定トルクが付与されるように、変速機４０を制御するＥＣＵ５０を備える。

【0037】

上記構成により、タービン軸１６ａから変速機４０を介してポンプ１２に所定トルクが付与されるため、ポンプ１２を駆動するモータが不要になる。これにより、システムを小型化および軽量化することが可能となる。また、タービン軸１６ａとポンプ軸１２ａとの間に変速機４０が配置されているため、システムを設置するためのスペースを削減できる。これにより、システムをさらに小型化することが可能となる。

【0038】

上記実施の形態では、タービン軸１６ａのトルクからポンプ軸１２ａの所定トルクを減算した余剰トルクに対応する発電量で発電するモータジェネレータ１２ｂを備える。これにより、生成された電力はバッテリーに貯留することが可能となる。また、ポンプ１２を始動する際に、貯留された電力によりポンプ軸１２ａを駆動できるため、省エネルギー化を図ることが可能となる。

【0039】

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本開示は、システムを小型化および軽量化することが要求されるランキンサイクルシステムを備えた車両に好適に利用される。

【符号の説明】

【0041】

１０ ランキンサイクルシステム
１２ ポンプ
１２ａ ポンプ軸
１２ｂ モータジェネレータ
１４ 蒸発器
１６ タービン
１６ａ タービン軸
１８ 凝縮器
２０ 環状通路
２２，２４ 作動流体流路
３０ タンク
４０ 変速機
４０ａ アクチュエータ
５０ ＥＣＵ

【図1】

【図2】