特開 2022-152031 電力回生型ランキンサイクルシステム及び電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法

(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】P2022152031

(43)【公開日】2022-10-12

(54)【発明の名称】電力回生型ランキンサイクルシステム及び電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 21/00 20060101AFI20221004BHJP

   F01D 17/08 20060101ALI20221004BHJP

   F01D 17/00 20060101ALI20221004BHJP

   F01K 13/02 20060101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

F01D21/00 R

F01D17/08 A

F01D17/00 J

F01K13/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021054645

(22)【出願日】2021-03-29

(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】110001368

【氏名又は名称】清流国際弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(72)【発明者】

【氏名】吉永 寛史

【テーマコード（参考）】

3G071

【Ｆターム（参考）】

3G071AA01

3G071AB01

3G071BA24

3G071CA02

3G071DA11

3G071EA01

3G071FA02

3G071FA03

3G071FA05

3G071FA06

3G071FA08

3G071GA06

3G071HA01

3G071HA05

3G071JA02

(57)【要約】

【課題】異常発生時に安全に運転を停止できる電力回生型ランキンサイクルシステムの提供。
【解決手段】フィードポンプ２１が送出した作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器２３と、蒸発した作動流体で回転することで機械仕事を得る膨張器２５と、膨張後の作動流体を凝縮してフィードポンプ２１に送出する凝縮器２７と、蒸発器２３と凝縮器２７を直結する、作動流体の流路である開閉可能なバイパス路５１と、膨張器２５の回転で回生駆動する電動発電機４０と、電動発電機４０のトルクとバイパス路５１の開閉を制御する制御部２９を備える電力回生型ランキンサイクルシステム３において、制御部２９は、通常運転と判断した場合はバイパス路５１を閉鎖した状態を維持し、異常運転と判断した場合は、膨張器２５の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にしてバイパス路を開放する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を直結する、前記作動流体の流路である開閉可能なバイパス路と、前記膨張器の回転軸に駆動軸が接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機と、前記電動発電機のトルクと前記バイパス路の開閉を制御する制御部を備える電力回生型ランキンサイクルシステムにおいて、
前記制御部は、
前記作動流体の温度と圧力、前記ポンプに流入する前記作動流体の流量、及び前記凝縮器に冷媒を圧送する圧送ポンプの流量のうち、全てが予め定められた所定の範囲内の場合は通常運転と判断し、少なくとも１つが前記所定の範囲外の場合は異常運転と判断し、
通常運転と判断した場合は前記バイパス路を閉鎖した状態を維持し、
異常運転と判断した場合は、前記膨張器の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で前記電動発電機のトルク指示値を０にして前記バイパス路を開放することを特徴とする電力回生型ランキンサイクルシステム。

【請求項2】

前記制御部は、
異常運転と判断した場合は前記膨張器の入口過熱度が前記過熱度閾値未満になるまでの間、前記蒸発器に入力される前記加熱流体の熱量に基づき前記膨張器が回転可能な最低回転数が維持されるように前記電動発電機のトルクを制御する請求項１に記載の電力回生型ランキンサイクルシステム。

【請求項3】

前記制御部は、
前記電動発電機のトルク指示値を０にして前記バイパス路を開放した後で、前記膨張器の出口温度である膨張器出口温度が予め定められたポンプ停止閾値未満に下がった場合に前記ポンプの回転を停止する請求項１又は２に記載の電力回生型ランキンサイクルシステム。

【請求項4】

作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を直結する、前記作動流体の流路である開閉可能なバイパス路と、前記膨張器の回転軸に駆動軸が接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機を備える電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法であって、
前記作動流体の温度と圧力、前記ポンプに流入する前記作動流体の流量、及び前記凝縮器に冷媒を圧送する圧送ポンプの流量のうち、全てが予め定められた所定の範囲内の場合は通常運転と判断し、少なくとも１つが前記所定の範囲外の場合は異常運転と判断する運転条件判断工程と、
通常運転と判断した場合は前記バイパス路を閉鎖した状態を維持する閉鎖維持工程と、
異常運転と判断した場合は、前記膨張器の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で前記電動発電機のトルク指示値を０にして前記バイパス路を開放する開放工程と、
を実施することを特徴とする電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力回生型ランキンサイクルシステム及び電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電力回生型ランキンサイクルシステムは、作動流体の蒸発・膨張で生成する圧力を利用して機械仕事を得る熱サイクルを利用し、機械仕事を電動発電機に入力して回生駆動させて電力を得るシステムである。電力回生型ランキンサイクルシステムは外燃機関だが、内燃機関で駆動する車両に搭載する場合がある。これは、作動流体を蒸発させる熱源として内燃機関の排ガスの熱を用いる場合があるためである。一方で電力回生型ランキンサイクルシステムは高温、高圧の作動流体を用いるため、異常が発生した場合は装置を損傷させずにシステムを停止する必要がある。例えば特許文献１には作動流体を膨張させる膨張器に蒸発した作動流体を供給する蒸発器と、膨張器から排出された蒸気を凝縮する凝縮器とを直結するバイパス流路を設け、膨張器が故障した場合はバイパス流路に作動流体を流入させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－２３１７３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のように異常が発生した場合に作動流体を蒸発器から凝縮器に流入させると、膨張器を介した場合よりも高温・高圧の蒸気が凝縮器に流入して凝縮器が故障する恐れがあった。また、電力回生型ランキンサイクルシステムで異常が発生した場合は電動発電機のトルク指示値を０にする必要があるが、加熱流体が膨張器を回転させられるエネルギーを異常発生時に持つ場合はトルク指示値を０にすると膨張器が無負荷回転になり損傷する可能性があった。

【0005】

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、異常発生時に安全に運転を停止できる電力回生型ランキンサイクルシステムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の目的を達成するための本開示の一態様は、作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を直結する、前記作動流体の流路である開閉可能なバイパス路と、前記膨張器の回転軸に駆動軸が接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機と、前記電動発電機のトルクと前記バイパス路の開閉を制御する制御部を備える電力回生型ランキンサイクルシステムにおいて、前記制御部は、前記作動流体の温度と圧力、前記ポンプに流入する前記作動流体の流量、及び前記凝縮器に冷媒を圧送する圧送ポンプの流量のうち、全てが予め定められた所定の範囲内の場合は通常運転と判断し、少なくとも１つが前記所定の範囲外の場合は異常運転と判断し、通常運転と判断した場合は前記バイパス路を閉鎖した状態を維持し、異常運転と判断した場合は、前記膨張器の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で前記電動発電機のトルク指示値を０にして前記バイパス路を開放することを特徴とする。

【0007】

また、本開示の他の態様は、作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記蒸発器と前記凝縮器を直結する、前記作動流体の流路である開閉可能なバイパス路と、前記膨張器の回転軸に駆動軸が接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機を備える電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法であって、前記作動流体の温度と圧力、前記ポンプに流入する前記作動流体の流量、及び前記凝縮器に冷媒を圧送する圧送ポンプの流量のうち、全てが予め定められた所定の範囲内の場合は通常運転と判断し、少なくとも１つが前記所定の範囲外の場合は異常運転と判断する運転条件判断工程と、通常運転と判断した場合は前記バイパス路を閉鎖した状態を維持する閉鎖維持工程と、異常運転と判断した場合は、前記膨張器の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で前記電動発電機のトルク指示値を０にして前記バイパス路を開放する開放工程と、を実施することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、異常発生時に安全に運転を停止できる電力回生型ランキンサイクルシステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施形態に係るランキンサイクルシステムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。

【図2】飽和蒸気圧における作動流体の温度と圧力の関係を示す例である。

【図3】本開示の実施形態に係るランキンサイクルシステムの制御方法を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面に基づき本開示の実施形態を詳細に説明する。まず図１及び図２を参照して本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３を備える内燃機関１の概略構成を説明する。図１では内燃機関１としてディーゼルエンジンを例示する。図１に示すように内燃機関１は吸気路５、燃焼室７、排気路９、後処理装置１１、切替バルブ１３、及び電力回生型ランキンサイクルシステム３を備える。

【0011】

吸気路５は内燃機関１の燃焼に必要な空気を導入する管路であり、一端が大気開放され、他端が燃焼室７に接続される。燃焼室７は空気を酸化剤として燃料を燃焼させて機械仕事を得る部屋であり、円筒状の気筒７ａと、気筒７ａ内に上下動可能に配置された円柱状のピストン７ｂと、気筒７ａの上端部である図示しないシリンダヘッドに囲まれた空間である。

【0012】

この構造では、吸気路５から燃焼室７に導入された空気を、ピストン７ｂで燃料の発火点以上に圧縮加熱し、図示しない燃料噴射装置から燃焼室７に燃料を噴射して燃料を自己発火させピストン７ｂを押し出すことで機械仕事を得る。ピストン７ｂには図示しないコンロッドやクランクが連結されており、上下動を回転運動に変換する。

【0013】

排気路９は燃焼室７での燃焼で生じた排ガスを排出する管路であり、一端が燃焼室７に接続され、他端が二股に分かれて大気開放される。二股に分かれた管路の一方は排ガスを電力回生型ランキンサイクルシステム３に送出する管路９ａであり、他方は電力回生型ランキンサイクルシステム３を介さずに排ガスを大気放出する管路９ｂである。

【0014】

後処理装置１１は排ガス中のＮＯ_x、微粒子、未燃燃料、一酸化炭素、可溶有機成分等の大気放出が規制される物質を無害化する装置であり、排気路９の中途で管路９ａ、９ｂの上流側に設けられる。具体的な後処理装置１１としては、ＮＯ_xを還元する触媒であるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）、微粒子を捕集するフィルタであるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、未燃燃料や一酸化炭素、可溶有機成分等を酸化する触媒であるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）を含む装置を例示できる。

【0015】

切替バルブ１３は後処理装置１１を通過した排ガスを電力回生型ランキンサイクルシステム３に送出する管路９ａか、電力回生型ランキンサイクルシステム３を介さずに大気放出する管路９ｂかの何れかの管路に切り替える弁体である。切替バルブ１３は排気路９の後処理装置１１の下流であって、排気路９が二股に分かれる分岐点に設けられる。切替バルブ１３は電力回生型ランキンサイクルシステム３を駆動する場合は管路９ａを開放して管路９ｂを閉鎖し、電力回生型ランキンサイクルシステム３を駆動しない場合は管路９ａを閉鎖して管路９ｂを開放する。切替バルブ１３の駆動は電力回生型ランキンサイクルシステム３の制御部２９が制御してもよいし、内燃機関１の制御部が制御してもよい。

【0016】

電力回生型ランキンサイクルシステム３は作動流体の蒸発・膨張で生成する圧力を利用して機械仕事を得る熱サイクルを利用した原動機である。ここでは作動流体を蒸発させる熱源である加熱流体として内燃機関１の排ガスを用いている。

【0017】

図１に示すように電力回生型ランキンサイクルシステム３はフィードポンプ２１、蒸発器２３、膨張器２５、凝縮器２７、圧送ポンプ３１、バイパス路５１、電動発電機４０、制御部２９、及びタンク３５を備える。電力回生型ランキンサイクルシステム３は排気流量センサ４５、排気温度センサ４７、作動流体温度センサ４１、作動流体圧力センサ４２、フィードポンプ流量センサ５０も備える。電力回生型ランキンサイクルシステム３は膨張器回転数検出手段４３、圧送ポンプ流量センサ４４、及び膨張器出口温度センサ４８も備える。

【0018】

フィードポンプ２１は電力回生型ランキンサイクルシステム３の作動流体を送出する回転式のポンプである。フィードポンプ２１は所望の流量の作動流体を送出でき、回転数を自動制御できる構造であれば公知の遠心ポンプやギアポンプを用いればよい。作動流体は沸点が内燃機関１の排ガスの温度以下で、電力回生型ランキンサイクルシステム３を構成する装置を腐食させない材料であれば適宜選択できる。一般にはエタノールが用いられるが、水やフロン系の流体でもよい。

【0019】

蒸発器２３はフィードポンプ２１が送出した作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる装置であり、フィードポンプ２１の出力部と管路で接続される。本実施形態では加熱流体が内燃機関１の排ガスであるため、蒸発器２３は内燃機関１の排気路９の管路９ａに接して設けられ、排ガスの熱を作動流体に伝達して蒸発させられるボイラである。

【0020】

膨張器２５は蒸発器２３で蒸発した作動流体を膨張させ機械仕事を得る装置であり、蒸発器２３の出力部と管路で接続される。膨張器２５は蒸発した作動流体から機械仕事を得られる構造であれば公知の構造を用いることができるが、作動流体の膨張力で回転するスクリュロータを有するスクリュー膨張器を例示できる。

【0021】

凝縮器２７は膨張後の作動流体を冷却することで凝縮して液体に戻してフィードポンプ２１に送出する装置であり、膨張器２５の出力部及びフィードポンプ２１の入力部と管路で接続される。凝縮器２７は作動流体を所望の温度まで冷却できる構造であれば冷媒は公知のものを用いればよい。以下の説明では冷媒として冷却水を用いた水冷式の凝縮器２７を例に説明する。

【0022】

圧送ポンプ３１は凝縮器２７に導入された作動流体を冷却する冷却水を凝縮器２７に圧送するポンプである。より具体的には圧送ポンプ３１は内燃機関１のラジエータやサブラジエータから送出された内燃機関１用の冷却水やインタークーラ用の冷却水を凝縮器２７内に設けられた図示しない管体に圧送し、管体を介して冷却水と作動流体を熱交換させて作動流体を冷却する。圧送ポンプ３１は凝縮器２７内の作動流体を所望の温度に冷却できる程度の流量、圧力で冷却水を凝縮器２７内に圧送できるのであれば、公知のポンプを用いればよい。

【0023】

バイパス路５１は作動流体の流路の１つであり、蒸発器２３と凝縮器２７を直結する流路である。バイパス路５１は流路の入口に設けられた弁体であるバイパス路バルブ５３によって開閉可能な流路である。図２ではバイパス路バルブ５３として、蒸発器２３から流入する作動流体を膨張器２５かバイパス路５１のいずれかに選択的に流出させる三方弁を例示している。バイパス路５１は、電力回生型ランキンサイクルシステム３の動作時には基本的に閉鎖されているが、異常運転時には開放され、蒸発器２３から排出された作動流体を、膨張器２５を介さずに凝縮器２７に送出する。

【0024】

電動発電機４０は、膨張器２５の回転で得られる機械仕事で駆動軸を回転させることで回生電力を生成する装置である。電動発電機４０が生成した電力は図示しない蓄電池に充電される。電動発電機４０は始動時のように膨張器２５が機械仕事を出力していない場合は、始動を速めるために図示しない蓄電池から電力の供給を受けて力行する場合もあり、この場合、電動発電機４０は電動機として機能する。図１に示す電動発電機４０は膨張器２５の回転軸に駆動軸が同軸に接続され、膨張器２５の機械仕事による動力が伝達される。ただし、ギヤ等を介して接続することで動力を伝達する構造でもよい。

【0025】

電動発電機４０は電力回生型ランキンサイクルシステム３の運転時の膨張器２５の回転数とトルクで電力を生成でき、かつ膨張器２５の回転数を制御できる範囲のトルクを出力できるのであれば、公知の電動発電機を用いればよい。

【0026】

制御部２９は電力回生型ランキンサイクルシステム３の動作を制御するコンピュータである。特に、電動発電機４０のトルクとバイパス路５１の開閉を制御する。より具体的には制御部２９は電力回生型ランキンサイクルシステム３の運転が通常運転か異常運転かを判断し、異常運転と判断した場合に安全に動作を停止する制御を行う。通常運転とは、作動流体の温度と圧力、フィードポンプ２１に流入する作動流体の流量、及び凝縮器２７に冷媒を圧送する圧送ポンプ３１の流量のうち、全てが予め定められた所定の範囲内で電力回生型ランキンサイクルシステム３が運転している場合を示す。なお、作動流体の温度と圧力は流路の位置によって異なる。具体的にはフィードポンプ２１から送出された作動流体は蒸発器２３を通過すると温度と圧力が上昇し、膨張器２５を通過すると温度と圧力が低下し、凝縮器２７を通過すると温度と圧力がさらに低下してフィードポンプ２１に戻る。よって、通常運転における作動流体の温度と圧力が「予め定められた所定の範囲内」というのは、これらの一連の流路におけるすべての流路における温度と圧力が、その位置における「予め定められた所定の範囲内」であることを意味する。

【0027】

ただし実機では流路の全域の温度と圧力を検出することはできないため、温度と圧力が変化する地点の前後にセンサを配置して、センサの検出値の全てが「予め定められた所定の範囲内」であれば通常運転とみなす。また、作動流体は蒸発器２３、膨張器２５、凝縮器２７を通過すると温度と圧力が変化するため、「予め定められた所定の範囲内」が具体的にどの程度かは温度と圧力を検出する位置により異なる。より具体的にはセンサによる検出地点に設けられた装置が損傷しない温度と圧力の範囲が「予め定められた所定の範囲内」である。

【0028】

一方で異常運転時とは、その状態で運転を続行した場合に電力回生型ランキンサイクルシステム３を構成する各装置が損傷する可能性がある状態を意味する。具体的には運転中に作動流体の温度と圧力、フィードポンプ２１に流入する作動流体の流量、及び凝縮器２７に冷媒を圧送する圧送ポンプ３１の流量のうち、少なくとも１つが予め定められた所定の範囲外である場合を示す。なお、ここでいう異常運転時とは、運転中の異常を示すものであるため、始動時のように電力回生型ランキンサイクルシステム３が機械仕事を出力していない場合は含まれない。

【0029】

制御部２９は通常運転と判断した場合はバイパス路５１を閉鎖した状態を維持する。この状態では作動流体は蒸発器２３、膨張器２５、凝縮器２７、及びフィードポンプ２１を循環しつつ、膨張器２５で機械仕事を生成して電動発電機４０を回生駆動させて電力を得ることで排ガスからエネルギーを回収する。

【0030】

一方で制御部２９は異常運転と判断した場合は、電力回生型ランキンサイクルシステム３を安全に停止する。具体的には、膨張器２５の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にして、バイパス路バルブ５３を制御してバイパス路５１を開放する。この際、作動流体が膨張器２５に流れ込まないようにバイパス路バルブ５３を制御する。膨張器２５の入口過熱度が過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にして、バイパス路５１を開放する理由は以下の通りである。

【0031】

まずトルク指示値を０にするタイミングについて説明する。異常が発生した場合は、電力回生型ランキンサイクルシステム３の動作を停止する必要があり、膨張器２５の回転を停止する必要がある。一方で膨張器２５は回転数を直接制御できないため、膨張器２５の回転を停止させる際には電動発電機４０の指示トルクを０にすることで膨張器２５の回転を停止させる必要がある。しかしながら指示トルクを０にした際に、膨張器２５の過熱度が高く膨張器２５を回転させるエネルギーを作動流体が持っている場合、指示トルクを０にした状態で膨張器２５は回転する。この状態では無負荷で膨張器２５が回転するが、膨張器２５は自身や他の装置の損傷を防ぐために無負荷運転が禁止されている。そのため異常検知と同時に指示トルクを０にすることはできない。そこで本実施形態では、制御部２９が異常運転と判断した場合は膨張器２５の入口過熱度が過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にする。過熱度閾値とは、膨張器２５の運転最低過熱度、つまり膨張器２５が運転できる過熱度の下限である。膨張器２５の入口過熱度が過熱度閾値未満の場合は膨張器２５を回転させるエネルギーを作動流体が持っていないため、指示トルクを０にしても膨張器２５が回転して無負荷運転になることはない。これが膨張器２５の入口過熱度が過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にする理由である。

【0032】

なお、入口過熱度とは膨張器２５に導入される作動流体の蒸気温度が飽和水蒸気圧の温度から何度高いかを示す値である。飽和水蒸気圧における温度と圧力の関係が図２に示す関係にある場合、膨張器２５に導入される作動流体の蒸気の圧力がＰｖの場合、飽和蒸気圧における温度はＴｖとなる。このＴｖを膨張器２５に導入される作動流体の温度から引いた値が入口過熱度である。

【0033】

次に、バイパス路５１を開放するタイミングについて説明する。異常運転時は膨張器２５の回転を停止する必要がある。そのため、膨張器２５に作動流体が流れ込まないようにバイパス路５１を開放し、蒸発器２３から排出された作動流体を、膨張器２５を介さずに凝縮器２７に送出する。一方で異常発生時に入口過熱度が過熱度閾値以上の場合にバイパス路５１を開放し、蒸発器２３から排出された作動流体を、膨張器２５を介さずに凝縮器２７に送出すると、通常運転時を超える温度、圧力の作動流体が凝縮器２７に流れ込む。これにより凝縮器２７が損傷する可能性がある。これは、通常運転時には膨張器２５を通過した作動流体は通過前よりも温度と圧力が下がるのに対し、膨張器２５を介さずに凝縮器２７に送出された作動流体は温度と圧力が下がらないためである。よって本実施形態では膨張器２５の入口過熱度が過熱度閾値未満になった後でバイパス路５１を開放する。入口過熱度が過熱度閾値未満の作動流体は膨張器２５を回転させるエネルギーを持っていないため、通常運転時に膨張器２５に流れ込む作動流体の温度、圧力と大きな差がないためである。

【0034】

このように、制御部２９は異常運転と判断した場合は膨張器２５の入口過熱度が過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にして、バイパス路バルブ５３を制御してバイパス路５１を開放する。よって異常発生時に膨張器２５が無負荷運転にならず、かつ通常運転時よりも高温、高圧の作動流体が凝縮器２７に流れ込むことも無いので、異常発生時に安全に運転を停止できる。

【0035】

一方で制御部２９は異常運転と判断した場合に直ちに電動発電機４０の指示トルクを０にすることはできないが、作動流体の過熱度を早く下げられるような指示トルクで電動発電機４０を制御するのが好ましい。

【0036】

そこで、制御部２９は異常運転と判断した場合は、膨張器２５の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になるまでの間、回転数が一定に維持される指示トルクで電動発電機４０を制御するのが好ましい。具体的には蒸発器２３に入力される加熱流体である排ガスの熱量に基づき膨張器２５が回転可能な最低回転数が維持されるように電動発電機４０のトルクを制御するのが好ましい。排ガスの熱量を示す物理量としては排気温度と排気流量を用いることができる。図１の膨張器２５は電動発電機４０と駆動軸が同軸に接続されているため、電動発電機４０の回転数は膨張器２５の回転数と同じである。一方で所定のギヤ比のギヤを介して電動発電機４０と膨張器２５が接続されている場合、電動発電機４０と膨張器２５の回転数はギヤ比に応じた値になる。

【0037】

このように、制御部２９が異常運転時に電動発電機４０と膨張器２５の回転数を最低回転数に維持することで、無負荷運転にならない範囲で、かつ作動流体の過熱度を下げられる範囲に回転数が維持されるため、作動流体の過熱度を早く下げられる。

【0038】

また、異常運転時に電力回生型ランキンサイクルシステム３を完全に停止するためには電動発電機４０のトルクが０になり、バイパス路５１が開放されるだけでなく、フィードポンプ２１の回転も停止する必要がある。一方で、作動流体の温度・圧力が十分に低下しない状態でフィードポンプ２１を停止すると、高温の作動流体が滞留して、滞留した位置に設置された流路や装置を損傷させる可能性がある。

【0039】

そこで制御部２９は、電動発電機４０のトルク指示値を０にしてバイパス路５１を開放した後で、膨張器２５の出口温度である膨張器出口温度が予め定められたポンプ停止閾値未満に下がった場合にフィードポンプ２１の回転を停止するのが好ましい。ここでいう膨張器出口温度とは膨張器２５及びバイパス路５１から送出される作動流体の温度である。また、ポンプ停止閾値とは、フィードポンプ２１を停止すると電力回生型ランキンサイクルシステム３を構成する各装置、特に凝縮器２７が損傷する可能性がある膨張器出口温度の下限である。

【0040】

このように制御部２９はバイパス路５１を開放して電動発電機４０の指示トルクを０にした後で膨張器２５の出口温度である膨張器出口温度がポンプ停止閾値未満に下がった場合にポンプの回転を停止するのが好ましい。この構成では、高温・高圧の流体が凝縮器２７等の装置や流路に滞留する可能性がなくなった時点でフィードポンプ２１の回転を停止するため、高温・高圧の流体が凝縮器２７等の装置や流路に滞留して損傷させる可能性が益々低下する。

【0041】

制御部２９は通常運転か異常運転かを判断するための作動流体の温度・圧力、フィードポンプ２１に流入する作動流体の流量、及び圧送ポンプ３１が圧送する冷却水の流量を示す信号が入力されるように構成されている。制御部２９は過熱度を求めるための、膨張器２５に導入される作動流体の温度及び圧力を示す信号が出力されるようにも構成されている。

【0042】

制御部２９は電動発電機４０と電気的に接続され、トルク指示値を入力できるように構成されている。制御部２９は膨張器２５が回転可能な最低回転数が維持されるように電動発電機４０のトルクを制御するために、膨張器２５の回転数を示す信号、加熱流体の流量である排気流量を示す信号、及び加熱流体の温度である排気温度を示す信号が入力される。制御部２９は異常運転時にフィードポンプ２１を停止するタイミングを決めるために、膨張器２５の出口温度を示す信号が入力されるようにも構成されている。

【0043】

タンク３５は作動流体を貯留する容器であり、凝縮器２７とフィードポンプ２１の間の流路に設けられる。タンク３５は凝縮器２７で液体に戻った作動流体を貯留してフィードポンプ２１の駆動によって作動流体をフィードポンプ２１に送出する。

【0044】

排気流量センサ４５は加熱流体である排ガスの流量としての排気流量を検出するセンサであり、ここでは内燃機関１の排気路９に設けられて排ガスの流量を検出するセンサである。排気流量センサ４５は制御部２９と電気的に接続されており、検出した排気流量を示す信号を制御部２９に送信する。これは、制御部２９は加熱流体の流量に基づき膨張器２５の最低回転数を算出するためである。排気流量センサ４５は公知の流量センサを用いればよい。

【0045】

排気温度センサ４７は加熱流体である排ガスの温度としての排気温度を検出するセンサであり、図１では蒸発器２３への排ガスの入口となる排気路９の管路９ａに設けられる。排気温度センサ４７は制御部２９と電気的に接続されており、検出した温度を示す信号を制御部２９に送信する。これは、制御部２９は加熱流体の温度に基づき膨張器２５の最低回転数を算出するためである。排気温度センサ４７は排ガス中の物質で腐食せず、所望の精度で排気温度を検出できるのであれば公知の温度センサを用いることができる。

【0046】

作動流体温度センサ４１は作動流体の温度を検出するセンサであり、制御部２９と電気的に接続されて検出値を出力する。これは、制御部２９は作動流体の温度に基づき正常運転か異常運転かを判断するためである。ここでは作動流体温度センサ４１として、膨張器２５の入口に設けられて膨張器２５に流入する作動流体の温度を検出する温度センサを例示しているが、他の装置に流入／流出する作動流体の温度を検出する図示しない温度センサも設けられる。作動流体温度センサ４１は作動流体で腐食せず、所望の精度で温度を求められるのであれば、公知の温度センサを用いることができる。

【0047】

作動流体圧力センサ４２は作動流体の圧力を検出するセンサであり、制御部２９と電気的に接続されて検出値を出力する。これは、制御部２９は作動流体の圧力に基づき正常運転か異常運転かを判断するためである。ここでは作動流体圧力センサ４２として、膨張器２５の入口に設けられて膨張器２５に流入する作動流体の圧力を検出する圧力センサを例示しているが、他の装置に流入／流出する作動流体の圧力を検出する図示しない圧力センサも設けられる。作動流体圧力センサ４２は作動流体で腐食せず、所望の精度で作動流体の圧力を求められるのであれば公知の圧力センサを用いればよい。

【0048】

フィードポンプ流量センサ５０はフィードポンプ２１に流入する作動流体の流量を検出するセンサであり、制御部２９と電気的に接続されて検出値を出力する。これは、制御部２９はフィードポンプ２１に流入する作動流体の流量に基づき正常運転か異常運転かを判断するためである。ここではフィードポンプ流量センサ５０として、フィードポンプ２１の入口に設けられた流量計を例示している。フィードポンプ流量センサ５０は作動流体で腐食せず、所望の精度で作動流体の流量を求められるのであれば公知の流量計を用いればよい。

【0049】

膨張器回転数検出手段４３は膨張器２５の回転数を検出するセンサであり、制御部２９と電気的に接続されて検出値を出力する。これは、制御部２９は異常運転時に膨張器２５の回転数を一定に維持するために膨張器２５の回転数の検出値を用いるためである。図１では膨張器回転数検出手段４３として回転計を例示しているが、電動発電機４０の回転数と膨張器２５の回転数は、同軸の場合は同じであり、ギヤを介している場合はギヤ比に対応した回転数になる。そのため、電動発電機４０の回転数から膨張器２５の回転数を検出してもよい。

【0050】

圧送ポンプ流量センサ４４は圧送ポンプ３１が圧送する冷却水の流量を検出するセンサであり、制御部２９と電気的に接続されて検出値を出力する。これは、制御部２９は圧送ポンプ３１が圧送する冷却水の流量に基づき正常運転か異常運転かを判断するためである。圧送ポンプ流量センサ４４は冷却水で腐食せず、所望の精度で冷却水の流量を検出できるのであれば、公知の流量計を用いればよい。

【0051】

膨張器出口温度センサ４８は膨張器出口温度を検出するセンサであり、制御部２９と電気的に接続されて検出値を出力する。これは、制御部２９は膨張器出口温度に基づき異常運転時にフィードポンプ２１を停止するか否かを判断するためである。膨張器出口温度センサ４８は作動流体で腐食せず、所望の精度で作動流体の圧力を求められるのであれば公知の流量計を用いればよい。以上が本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３を備える内燃機関１の概略構成の説明である。

【0052】

次に本開示の本実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３の制御方法の一例について図３を参照して説明する。まず前提として電力回生型ランキンサイクルシステム３が運転中で、バイパス路５１が閉鎖されているとする。

【0053】

この状態では制御部２９は、作動流体温度センサ４１、作動流体圧力センサ４２、フィードポンプ流量センサ５０、圧送ポンプ流量センサ４４、膨張器出口温度センサ４８の検出値を取得する。さらに取得した検出値から運転状態が通常運転か異常運転かを判断する（図３のＳ１、運転条件判断工程）。具体的には、作動流体の温度と圧力、フィードポンプ２１に流入する作動流体の流量、及び凝縮器２７に冷媒を圧送するポンプの流量のうち、全てが予め定められた所定の範囲内の場合は通常運転と判断する。一方で少なくとも１つが所定の範囲外の場合は異常運転と判断する。Ｓ１で通常運転と判断した場合、制御部２９はＳ２に進み、異常運転と判断した場合はＳ３に進む。

【0054】

Ｓ１で通常運転と判断した場合、制御部２９はバイパス路５１を閉鎖した状態を維持してＳ１に戻る（図３のＳ２、閉鎖維持工程）。また、フィードポンプ２１の回転数や電動発電機４０のトルク指示は、電力回生型ランキンサイクルシステム３に入力される排ガスの熱量に基づき、適宜設定する。

【0055】

Ｓ１で異常運転と判断した場合は、制御部２９は電動発電機４０を制御して膨張器２５の回転数を一定にする（図３のＳ３）。具体的には、まず制御部２９は排気流量センサ４５が検出した排気温度と排気温度センサ４７が検出した排気流量に基づき膨張器２５の最低回転数を求め、次に膨張器回転数検出手段４３の検出値から実回転数を求める。制御部２９はさらに、膨張器２５の回転数が最低回転数に維持されるように最低回転数と実回転数の差を０にするようにフィードバック制御等で電動発電機４０のトルクを指示する。この際、必要に応じて切替バルブ１３を制御して管路９ａから電力回生型ランキンサイクルシステム３に送出される排ガスの流量を減らす等して、作動流体の温度や圧力を下げる制御を行っても良い。

【0056】

電動発電機４０のトルクを指示すると、制御部２９は膨張器２５に導入される作動流体の温度と圧力を作動流体温度センサ４１と作動流体圧力センサ４２に検出させ、検出値から入口過熱度を求める。さらに制御部２９は求めた入口過熱度が過熱度閾値未満か否かを判断し、過熱度閾値未満の場合はＳ５に進み、過熱度閾値以上の場合はＳ３に戻る（図４のＳ４）。Ｓ５で入口過熱度が過熱度閾値未満と判断した場合、制御部２９は電動発電機４０のトルク指示値を０にしてバイパス路５１を開放する（図３のＳ５、開放工程）。

【0057】

次に制御部２９は膨張器出口温度センサ４８の検出値を取得して、膨張器２５の出口温度がポンプ停止閾値未満であるか否かを判断し、ポンプ停止閾値未満の場合はＳ７に進み、ポンプ停止閾値以上である場合はＳ８に進む（図３のＳ６）。

【0058】

Ｓ６で膨張器２５の出口温度がポンプ停止閾値未満と判断した場合、制御部２９はフィードポンプ２１の回転を停止して終了する（図３のＳ７）。Ｓ６で膨張器２５の出口温度がポンプ停止閾値以上と判断した場合、制御部２９はフィードポンプ２１の回転を停止せずにＳ６に戻る（図３のＳ８）。以上が本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３の制御方法の一例の説明である。

【0059】

このように本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３は、異常運転と判断した場合は、膨張器２５の入口過熱度が予め定められた所定の過熱度閾値未満になった後で電動発電機４０のトルク指示値を０にしてバイパス路５１を開放する。

【0060】

そのため、異常発生時に膨張器２５が無負荷運転にならず、かつ通常運転時よりも高温・高圧の作動流体が凝縮器２７に流れ込むことも無いので、異常発生時に安全に運転を停止できる。

【0061】

以上、実施形態に基づき本開示を説明したが本開示は実施形態に限定されない。当業者であれば本開示の技術思想の範囲内において各種変形例及び改良例に想到するのは当然のことであり、これらも当然に本開示に含まれる。

【符号の説明】

【0062】

１ ：内燃機関
３ ：電力回生型ランキンサイクルシステム
５ ：吸気路
７ ：燃焼室
７ａ ：気筒
７ｂ ：ピストン
９ ：排気路
９ａ ：管路
９ｂ ：管路
１１ ：後処理装置
１３ ：切替バルブ
２１ ：フィードポンプ
２３ ：蒸発器
２５ ：膨張器
２７ ：凝縮器
２９ ：制御部
３１ ：圧送ポンプ
３５ ：タンク
４０ ：電動発電機
４１ ：作動流体温度センサ
４２ ：作動流体圧力センサ
４３ ：膨張器回転数検出手段
４４ ：圧送ポンプ流量センサ
４５ ：排気流量センサ
４７ ：排気温度センサ
４８ ：膨張器出口温度センサ
５０ ：フィードポンプ流量センサ
５１ ：バイパス路
５３ ：バイパス路バルブ

【図1】

【図2】

【図3】