废热利用装置制造方法

废热利用装置制造方法
【专利摘要】本发明的废热利用装置包括兰金循环和将利用膨胀机再生的动力向发动机传递的动力传递机构，动力传递机构具备使从膨胀机向发动机的动力传递间断的膨胀机离合器，膨胀机具备检测膨胀机的旋转速度的旋转速度传感器，在切断了膨胀机离合器时，根据由旋转速度传感器检测到的膨胀机的旋转速度的上升，检测膨胀机的摩擦增大。
【专利说明】废热利用装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及废热利用装置，特别地涉及将兰金循环和制冷循环整合的废热利用装置。
【背景技术】
[0002]已知有将发动机的废热作为能量进行再利用的兰金循环系统。回收发动机的废热，利用废热使兰金循环工作，从而通过膨胀机(涡轮)得到旋转能量。作为这种系统，公开了包括以下部件的废热回收装置，其包括:涡轮，其利用在过热器中回收发动机的废热得到的蒸汽而被驱动；动力回收单元，其利用通过电磁离合器与涡轮的轴连结的第一滑轮、设置于曲柄轴的第二滑轮、以及架设于第一滑轮和第二滑轮上的传动带从涡轮向曲柄轴回收动力；以及E⑶，其若判断为涡轮超速，则通过电磁离合器使第一滑轮与涡轮的轴连结，调整施加于涡轮的轴上的负载(JP2010-101283A)。

【发明内容】

[0003]上述的专利文献I中公开了，在判断为膨胀机(涡轮)超速的情况下，接合电磁离合器而来防止涡轮超速。
[0004]另一方面，在膨胀机的摩擦增大的情况下，兰金循环的效率降低，因此希望有预先检测膨胀机的摩擦增大的方法。现有技术未公开检测膨胀机的摩擦增大的方案。
[0005]相对于此，也可以考虑对膨胀机使用应变传感器等转矩传感器来检测摩擦增大的方法，但是，不能避免传感器的追加而带来的膨胀机大型化，有可能由于温度带来的误差较大而导致误检测。
[0006]本发明是鉴于这样的问题点而完成的，其目的在于提供回收发动机废热的废热利用装置，该废热利用装置能够检测出膨胀机的摩擦增大。
[0007]根据本发明一实施形态，应用于废热利用装置，废热利用装置包括:兰金循环，其具备将发动机的废热向制冷剂回收的热交换器、使用从热交换器出来的制冷剂产生动力的膨胀机、使从膨胀机出来的制冷剂冷凝的冷凝器、和将来自冷凝器的制冷剂向热交换器供给的制冷剂泵；以及动力传递机构，其将利用膨胀机再生的动力向发动机传递。该废热利用装置的特征在于，动力传递机构具备使膨胀机和发动机之间的动力传递间断的间断单元，膨胀机具备检测膨胀机的旋转速度的旋转速度检测单元，该废热利用装置具备摩擦增大检测单元，该摩擦增大检测单元在切断了间断单元时，根据由旋转速度检测单元检测到的膨胀机的旋转速度的上升，检测出膨胀机的摩擦增大。
[0008]以下参照附图详细地说明本发明的实施方式和本发明的优点。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1是本发明的实施方式的整合循环的示意构成图。
[0010]图2A是本发明的实施方式的膨胀机泵的示意剖面图。[0011]图2B是本发明的实施方式的制冷剂泵的示意剖面图。
[0012]图2C是本发明的实施方式的膨胀机的示意剖面图。
[0013]图3是表示本发明的实施方式的制冷剂系统阀的功能的示意图。
[0014]图4是本发明的实施方式的混合汽车的示意构成图。
[0015]图5是本发明的实施方式的发动机的示意立体图T A石。
[0016]图6是从下方观察到的本发明的实施方式的混合汽车的示意图。
[0017]图7Α是本发明的实施方式的兰金循环运转区域的特性图。
[0018]图7Β是本发明的实施方式的兰金循环运转区域的特性图。
[0019]图8是表示在利用本发明的实施方式的膨胀机转矩辅助发动机输出轴的旋转途中进行了混合汽车的加速时的情形的时序图。
[0020]图9是表示本发明的实施方式的兰金循环从运转停止再起动的情形的时序图。
[0021]图10是表示膨胀机的摩擦增大的检测动作的说明图。
[0022]图11是表示膨胀机的摩擦增大的检测动作的其他例的说明图。
【具体实施方式】
[0023]图1表示作为本发明的前提的兰金循环的系统整体的示意构成图。图1的兰金循环31构成为与制冷循环51共用制冷剂及冷凝器38，这以后将整合兰金循环31和制冷循环51而得到的循环描述为“整合循环30”。图4是搭载有整合循环30的混合汽车I的示意构成图。此外，整合循环30指除了兰金循环31和制冷循环51的制冷剂进行循环的回路(通道)及设置于其途中的泵、膨胀机、冷凝器等构成部件以外，还包含冷却水和排气的回路(通道)等的系统整体。
[0024]混合汽车I中，发动机2、电动发电机81、自动变速机82串联连结，自动变速机82的输出经由传动轴83、差动齿轮84传递到驱动轮85。在发动机2和电动发电机81之间设置有第一驱动轴离合器86。自动变速机82的摩擦接合部件之一作为第二驱动轴离合器87而构成。第一驱动轴离合器86和第二驱动轴离合器87与发动机控制器71连接，根据混合汽车的运转条件控制其接合切断(连接状态)。混合汽车I中，如图7Β所示，当车速位于发动机2的效率差的EV行驶区域时，使发动机2停止，切断第一驱动轴离合器86，接合第二驱动轴离合器87，只利用电动发电机81的驱动力使混合汽车I行驶。另一方面，当车速离开EV行驶区域并转移到兰金循环运转区域时，使发动机2运转，并使兰金循环31 (后述)运转。发动机2具备排气通道3，排气通道3由排气歧管4、和与排气歧管4的集合部连接的排气管5构成。排气管5在中途分支有旁路排气管6，在排气管5的被旁路排气管6旁路的区间具有用于在排气和冷却水之间进行热交换的废热回收器22。如图6所示，废热回收器22和旁路排气管6作为将它们一体化而得到的废热回收单元23，配置于地板下催化剂88和其下游的副消音器89之间。
[0025]首先基于图1对发动机冷却水回路进行说明。从发动机2出来的80°C?90°C左右的冷却水向在冷却器11中通过的冷却水通道13、和将冷却器11旁路的旁路冷却水通道14分流。之后，两个水流在温控阀15再次合流，并且经过冷却水泵16返回到发动机2，该温控阀15决定在两通道13、14中流动的冷却水流量的分配。由发动机2驱动冷却水泵16，冷却水泵16的旋转速度与发动机旋转速度同步。温控阀15在冷却水温度较高的情况下，力口大冷却水通道13侧的阀开度，从而相对地增加通过冷却器11的冷却水量，在冷却水温度较低的情况下，减小冷却水通道13侧的阀开度，从而相对地减少通过冷却器11的冷却水量。在发动机2暖机前等、特别地在冷却水温度较低的情况下，完全地将冷却器11旁路而使冷却水的全量在旁路冷却水通道14侧流动。另一方面，以如下方式构成温控阀15，即:不会使旁路冷却水通道14侧的阀开度为全闭，当在冷却器11中流动的冷却水流量增大时，在旁路冷却水通道14中流动的冷却水的流量与冷却水的全量在旁路冷却水通道14侧流动的情况相比降低，但是，不会使流动完全停止。将冷却器11旁路的旁路冷却水通道14由从冷却水通道13分支并直接与后述的热交换器36连接的第一旁路冷却水通道24、和从冷却水通道13分支并在经过废热回收器22后与热交换器36连接的第二旁路冷却水通道25构成。
[0026]旁路冷却水通道14具备在冷却水和兰金循环31的制冷剂之间进行热交换的热交换器36。热交换器36是将蒸发器和过热器整合后的热交换器。热交换器36中，将两个冷却水通道36a、36b大致配置成一列，以使得制冷剂与冷却水能够进行热交换的方式，与冷却水通道相邻地设置兰金循环31的制冷剂流动的制冷剂通道36c。以使在俯瞰热交换器36整体时兰金循环31的制冷剂与冷却水的流动方向相反的方式，构成各通道36a、36b、36c。
[0027]具体而言，位于对于兰金循环31的制冷剂来说上游(图1左)侧的一方的冷却水通道36a介于第一旁路冷却水通道24之中而被安装。由于将从发动机2出来的冷却水直接导入冷却水通道36a，因此由冷却水通道36a及与冷却水通道相邻的制冷剂通道部分构成的热交换器左侧部分成为用于对在制冷剂通道36c中流动的兰金循环31的制冷剂进行加热的蒸发器。
[0028]向位于对于兰金循环31的制冷剂来说下游(图1右)侧的另一方的冷却水通道36b导入通过第二旁路冷却水通道25并经过废热回收器22后的冷却水。由于将利用排气对发动机2出口的冷却水进一步加热后的冷却水向冷却水通道36b导入，因此，由冷却水通道36b及与冷却水通道36b相邻的制冷剂通道部分构成的热交换器右侧部分(对于兰金循环31的制冷剂来说为下游侧)成为对在制冷剂通道36c中流动的制冷剂进行过热的过热器。
[0029]废热回收器22的冷却水通道22a与排气管5相邻而设置。通过向废热回收器22的冷却水通道22a导入发动机2出口的冷却水，从而能够利用高温排气将冷却水例如加热至110°C?115°C左右。冷却水通道22a构成为，在俯瞰废热回收器22的整体时，排气和冷却水的流动方向相反。
[0030]在设置有废热回收器22的第二旁路冷却水通道25中安装有控制阀26。如后述那样，控制阀26在发动机出口的冷却水温度传感器74的检测温度为规定值以上时，减小控制阀26的开度，以使指位于发动机2内部的冷却水的温度的发动机水温不超过例如用于不使发动机2效率恶化和发生爆震的容许温度(例如100°C )。若发动机水温接近容许温度，则减少通过废热回收器22的冷却水量，因此，可以可靠地防止发动机水温超过容许温度的情况。
[0031]另一方面，如果由于第二旁路冷却水通道25的流量减少，而使由于废热回收器22而上升的冷却水温度过度上升，导致冷却水蒸发(沸腾)，则有可能冷却水通道内的冷却水的流动变差，部件温度过度上升。为了避免这种情况，将对废热回收器22进行旁路的旁路排气管6、和对废热回收器22的排气通过量和旁路排气管6的排气通过量进行控制的温控阀I设置在旁路排气管6的分支部。根据从废热回收器22出来的冷却水温度调节温控阀7的阀开度，以使从废热回收器22出来的冷却水温度不超过规定的温度(例如沸腾温度120。。)。
[0032]热交换器36、温控阀7和废热回收器22作为废热回收单元23而被一体化，在车宽方向大致中央的地板下配置于排气管途中。
[0033]如果从旁路冷却水通道14流向温控阀15的冷却水的温度例如通过在热交换器36中与兰金循环31的制冷剂进行热交换而充分降低，则温控阀15的冷却水通道13侧的阀开度减小，通过冷却器11的冷却水量相对地减少。相反地，如果从旁路冷却水通道14流向温控阀15的冷却水的温度由于兰金循环31未运转等而变高，则温控阀15的冷却水通道13侧的阀开度增大，通过冷却器11的冷却水量相对地增加。构成为，根据这样的温控阀15的动作，适当地保持发动机2的冷却水温度，向兰金循环31适当地供给(回收)热量。
[0034]下面，对兰金循环31进行说明。兰金循环31不是单纯的兰金循环，作为与制冷循环51整合后的整合循环30的一部分而构成。以下，首先说明作为基础的兰金循环31，然后说明制冷循环。
[0035]兰金循环31是借助于发动机2的冷却水将发动机2的废热向制冷剂回收，并将回收的废热再生为动力的系统。兰金循环31具备制冷剂泵32、作为过热器的热交换器36、膨胀机37及冷凝器(condenser) 38,各构成部件通过制冷剂(R134a等)进行循环的制冷剂通道41?44相互连接。
[0036]构成为，制冷剂泵32的轴在同一轴上与膨胀机37的输出轴连结配置，利用膨胀机37产生的输出(动力)驱动制冷剂泵32，并且将产生动力向发动机2的输出轴(曲柄轴)供给(参照图2A)。制冷剂泵32的轴及膨胀机37的输出轴与发动机2的输出轴平行地配置，制冷剂泵32的轴的前端所设置的泵滑轮33与曲柄滑轮2a之间绕有传动带34 (参照图1)。本实施方式的制冷剂泵32采用齿轮式的泵，膨胀机37采用涡旋式的膨胀机(参照图2B、图2C)。膨胀机37中设置有检测膨胀机37的旋转速度即膨胀机旋转速度的旋转速度传感器37a。
[0037]在泵滑轮33和制冷剂泵32之间设置电磁式的离合器(以下称为“膨胀机离合器”。)35，从而能够将制冷剂泵32及膨胀机37与发动机2连接或与发动机2断开(参照图2A)。在膨胀机37产生的输出超过制冷剂泵32的驱动力及旋转体具有的摩擦的情况下(预测膨胀机转矩为正的情况)，将膨胀机离合器35接合，由此能够利用膨胀机37产生的输出辅助(assist)发动机输出轴的旋转。使用这样通过废热回收得到的能量辅助发动机输出轴的旋转，从而能够提高燃油效率。也能够利用回收的废热提供用于驱动使制冷剂循环的制冷剂泵32的能量。只要是从发动机2到制冷剂泵32及膨胀机37的动力传递路径的途中，可以将膨胀机离合器35设置在任何位置。
[0038]来自制冷剂泵32的制冷剂经由制冷剂通道41被供给到热交换器36。热交换器36是在发动机2的冷却水和制冷剂之间进行热交换将制冷剂汽化过热的热交换器。
[0039]来自热交换器36的制冷剂经由制冷剂通道42被供给到膨胀机37。膨胀机37是通过使汽化过热后的制冷剂膨胀从而将热量转换为旋转能量的蒸汽涡轮。由膨胀机37回收的动力驱动制冷剂泵32,并经由传动带传动机构被传递到发动机2，辅助发动机2的旋转。[0040]来自膨胀机37的制冷剂经由制冷剂通道43被供给到冷凝器38。冷凝器38是在外部空气和制冷剂之间进行热交换将制冷剂冷却液化的热交换器。冷凝器38与冷却器11并联配置，由散热风扇12进行冷却。
[0041]由冷凝器38液化后的制冷剂经由制冷剂通道44返回到制冷剂泵32。返回到制冷剂泵32的制冷剂由制冷剂泵32再次送到热交换器36，在兰金循环31的各构成部件中进行循环。
[0042]如图8所示，制冷剂通道44从制冷剂泵32的入口向上方延伸。
[0043]下面，对制冷循环51进行说明。制冷循环51共用在兰金循环31中循环的制冷齐U，因此，与兰金循环31整合，制冷循环51的构成本身变得简单。制冷循环51包括压缩机(compressor) 52、冷凝器 38、以及蒸发器(evaporator) 55。
[0044]压缩机52是将制冷循环51的制冷剂压缩为高温高压的流体机械，由发动机2驱动。也如图4所不,在压缩机52的驱动轴上固定有压缩机滑轮53,在压缩机滑轮53和曲柄滑轮2a上绕有传动带34。发动机2的驱动力经由传动带34被传递到压缩机滑轮53，驱动压缩机52。在压缩机滑轮53和压缩机52之间设置有电磁式的离合器(以下将该离合器称为“压缩机离合器”。)54，可以将压缩机52和压缩机滑轮53之间连接或切断。
[0045]返回到图1，来自压缩机52的制冷剂经过制冷剂通道56与制冷剂通道43合流后，被供给到冷凝器38。冷凝器38是通过与外部空气之间的热交换使制冷剂冷凝液化的热交换器。来自冷凝器38的液状的制冷剂经由从制冷剂通道44分支的制冷剂通道57被供给到蒸发器(evaporator) 55。蒸发器55与未图不的加热器芯同样地设置于空调单兀的壳体内。蒸发器55是使来自冷凝器38的液状制冷剂蒸发，利用这时的蒸发潜热冷却来自鼓风扇的空调空气的热交换器。
[0046]由蒸发器55蒸发的制冷剂经由制冷剂通道58返回到压缩机52。根据空气混合门的开度改变由蒸发器55冷却的空调空气和由加热器芯加热的空调空气的混合比率，调节为乘坐人员设定的温度。
[0047]蒸发器55以及将冷凝器38和蒸发器55连接的制冷剂通道44的一部分及制冷剂通道57配置于比制冷剂泵32的入口高的位置。制冷剂通道44在制冷循环分支点45进行分支，与制冷剂通道57连接。
[0048]由兰金循环31和制冷循环51构成的整合循环30中，为了控制在循环内流动的制冷剂，在回路途中适当地设置有各种阀。例如，为了控制在兰金循环31中循环的制冷剂，而在将制冷循环分支点45和制冷剂泵32之间联络的制冷剂通道44上具备泵上游阀61，在将热交换器36和膨胀机37之间联络的制冷剂通道42上具备膨胀机上游阀62。在将制冷剂泵32和热交换器36之间联络的制冷剂通道41上具备防止制冷剂从热交换器36向制冷剂泵32逆流的单向阀63。在将膨胀机37和制冷循环合流点46之间联络的制冷剂通道43上也具备防止制冷剂从制冷循环合流点46向膨胀机37逆流的单向阀64。另外，设置从膨胀机上游阀62的上游将膨胀机37旁路并向单向阀64上游合流的膨胀机旁路通道65，在膨胀机旁路通道65上设置有膨胀机旁路阀66。在将膨胀机旁路阀66旁路的通道67上设置有压力调整阀68。即使在制冷循环51侧，也在将制冷循环分支点45和蒸发器55之间连接的制冷剂通道57上设置有空调回路阀69。
[0049]上述四个阀61、62、66、69都是电磁式的开闭阀。由压力传感器72检测的膨胀机上游压力的信号、由压力传感器73检测的冷凝器出口的制冷剂压力Pd的信号、由旋转速度传感器37a检测的膨胀机旋转速度的检测信号等输入到发动机控制器71。发动机控制器71根据规定的运转条件，基于这些各输入信号控制制冷循环51的压缩机52和散热风扇12,并且，控制上述四个电磁式开闭阀61、62、66、69的开闭。
[0050]例如，发动机控制器71根据由压力传感器72检测的膨胀机上游侧压力及由旋转速度传感器37a检测的膨胀机旋转速度预测膨胀机转矩(再生动力)，在预测膨胀机转矩为正时(能够辅助发动机输出轴的旋转时)使膨胀机离合器35接合，在预测膨胀机转矩为零乃至负时，释放膨胀机离合器35。由于基于传感器检测压力和膨胀机旋转速度，因此与根据排气温度预测膨胀机转矩(再生动力)的情况相比，能够以较高的精度预测膨胀机转矩，能够根据膨胀机转矩的产生状况适当地将膨胀机离合器35接合、释放(详细内容参照JP2010-190185A)。
[0051]上述四个开闭阀61、62、66、69及两个单向阀63、64为制冷剂系统阀。将这些制冷
剂系统阀的功能重新表示于图3。
[0052]图3中，泵上游阀61设置于制冷剂泵32的入口(参照图8)。泵上游阀61是用于根据与制冷循环51的回路相比制冷剂更容易偏向于兰金循环31的回路的规定条件而关闭，由此防止制冷剂(含润滑成分)偏向于兰金循环31的阀，如后述那样，与膨胀机37下游的单向阀64协同动作将兰金循环31的回路阻塞。膨胀机上游阀62能够在来自热交换器36的制冷剂压力相对较低的情况下，切断制冷剂通道42，并进行保持，直到来自热交换器36的制冷剂成为高压。由此，即使在不能充分得到膨胀机转矩的情况下，也能够促进制冷剂加热，例如缩短直到兰金循环31再起动(实际上能够进行再生)为止的时间。膨胀机旁路阀66是用于在兰金循环31起动时等存在于兰金循环31侧的制冷剂量不充分等时，进行开阀以在将膨胀机37旁路的基础上使制冷剂泵32能够作动，缩短兰金循环31的起动时间的阀。通过在将膨胀机37旁路的基础上使制冷剂泵32作动，从而，只要实现冷凝器38的出口或制冷剂泵32的入口的制冷剂温度从考虑了该部位的压力的沸点降低规定温度差(过冷度SC)以上的状态，则达成能够向兰金循环31供给充分的液体制冷剂的状态。
[0053]热交换器36上游的单向阀63是用于与膨胀机旁路阀66、压力调整阀68、及膨胀机上游阀62协同动作将供给到膨胀机37的制冷剂保持在高压的单向阀。构成为，在兰金循环的再生效率较低的条件下，停止兰金循环的运转，跨越热交换器的前后区间使回路阻塞，由此，预先提高停止过程中的制冷剂压力，利用高压制冷剂，兰金循环能够快速再起动。压力调整阀68在供给到膨胀机37的制冷剂的压力过高的情况下打开，具有释放过高的制冷剂的溢流阀的作用。
[0054]膨胀机37下游O单向阀64是用于与上述的泵上游阀61协同动作防止制冷剂偏向于兰金循环31的单向阀。在混合汽车I刚刚开始运转后，若发动机2还未暖机，则有时兰金循环31比制冷循环51温度低，制冷剂偏向于兰金循环31侧。偏向于兰金循环31侧的概率不是那样高，但是，例如，在夏季车辆刚刚开始运转后，在想要快速使车内降温的状况下，更要求冷气能力，因此，存在以下的要求:即使是制冷剂少许的不均匀，也想要解除来确保制冷循环51的制冷剂。因此，为了防止制冷剂偏向于兰金循环31侧的不均匀，设置了单向阀64。
[0055]压缩机52不是在驱动停止时制冷剂能够自由通过的构造，能够与空调回路阀69协同动作防止制冷剂偏向于制冷循环51。对此进行说明。在制冷循环51的运转已停止时，制冷剂从稳态运转过程中温度比较高的兰金循环31侧向制冷循环51侧移动，有时在兰金循环31中循环的制冷剂不足。在制冷循环51中，在冷气刚刚停止后，蒸发器55的温度变低，制冷剂容易滞留在容积比较大温度变低的蒸发器55。在这种情况下，通过停止驱动压缩机52，切断制冷剂从冷凝器38向蒸发器55的运动，并且，关闭空调回路阀69，由此防止制冷剂偏向于制冷循环51。
[0056]接着，图5是表示发动机整体包装的发动机2示意立体图。图5中，特征性的是热交换器36配置于排气歧管4的铅直上方。在排气歧管4的铅直上方的空间配置热交换器36，由此，提高了兰金循环31针对发动机2的搭载性。发动机2上设置有张紧滑轮8。
[0057]下面，参照图7A及图7B对兰金循环31的基本运转方法进行说明。
[0058]首先，图7A及图7B是兰金循环31的运转区域图。图7A中示出将横轴设为外部空气温度、将纵轴设为发动机水温(冷却水温度)时的兰金循环的运转区域，图7B中示出将横轴设为发动机旋转速度、将纵轴设为发动机转矩(发动机负载)时的兰金循环31的运转区域。
[0059]图7A及图7B中，都是在满足规定的条件时使兰金循环31运转，在满足这两者的条件的情况下，使兰金循环31运转。在图7A中，在优先发动机2暖机的低水温侧的区域、和压缩机52的负载增大的高外部空气温度侧的区域使兰金循环31的运转停止。在排气温度低且回收效率差的暖机时，当然不使兰金循环31运转，从而，使冷却水温度迅速上升。要求较高的冷气能力的高外部空气温度时，使兰金循环31停止，对制冷循环51提供充分的制冷剂和冷凝器38的冷却能力。在图7B中，由于是混合汽车，因此，在EV行驶区域、和膨胀机37的摩擦增大的高旋转速度侧的区域，使兰金循环31的运转停止。将膨胀机37设成在全部转速下摩擦较少的高效率的构造是困难的，因此，在图7的情况下，以使得在运转频度高的发动机旋转速度域中摩擦较小而高效率的方式构成膨胀机(设定膨胀机各部分的尺寸等)。
[0060]图8是利用模型表示在利用膨胀机转矩辅助发动机输出轴的旋转的途中进行了混合汽车I的加速时的情形的时序图。在图8的右侧，将这时膨胀机37的运转状态推移的情形表示于膨胀机转矩映射图上。在膨胀机转矩映射图的利用等高线划分的范围中的、膨胀机旋转速度低且膨胀机上游压力高的部分(左上)，膨胀机转矩最大，具有在膨胀机旋转速度越高且膨胀机上游压力越低(越向右下)则膨胀机转矩越小的倾向。特别地，斜线部分的范围表示以对制冷剂泵进行驱动为前提，膨胀机转矩为负，对发动机来说成为负载的区域。
[0061]在驾驶员踩踏油门踏板的tl之前，继续恒速行驶，膨胀机37产生正的转矩，利用膨胀机转矩进行发动机输出轴的旋转辅助。
[0062]在tl以后，膨胀机37的旋转速度、即泵32的旋转速度与发动机旋转速度成比例地上升，但是，排气温度或冷却水温度的上升相对于发动机旋转速度的上升具有延迟。因此，相对于由于泵32的旋转速度的上升而增大的制冷剂量，可回收的热量的比例下降。
[0063]因此，随着膨胀机旋转速度上升，膨胀机上游的制冷剂压力降低，膨胀机转矩下降。
[0064]若膨胀机转矩下降，则，膨胀机37和制冷剂泵32利用发动机的驱动力旋转，反而成为发动机的负载，因此，在膨胀机转矩成为规定值以下时，切断膨胀机离合器35，避免膨胀机37的拖拉现象(被发动机牵引旋转反而成为发动机的负载)。
[0065]图8中，在切断膨胀机离合器35的t3之前的、t2的时刻，闭合膨胀机上游阀62，在t3的时刻，膨胀机上游压力与膨胀机下游压力几乎没有差。通过在切断膨胀机离合器35之前，闭合膨胀机上游阀62，从而使膨胀机上游的制冷剂(向膨胀机流入的制冷剂)压力充分地降低，防止了断开膨胀机离合器35时膨胀机37的超速。
[0066]在t3以后，由于发动机2的散热量上升而使膨胀机上游压力再次上升，在t4时亥IJ，膨胀机上游阀62从闭状态切换到开状态，重新开始向膨胀机37供给制冷剂。另外，在t4，再次接合膨胀机离合器35。由于再次接合膨胀机离合器35，而重新开始利用膨胀机转矩辅助发动机输出轴的旋转。
[0067]图9是用模型表示从关闭膨胀机上游阀62且切断了膨胀机离合器35的状态下的兰金循环停止运转开始，兰金循环以与图8 (t4的控制)不同的方式重新起动的情形的时序图。
[0068]若在til的时刻驾驶员踩踏油门踏板则油门开度增大。在tll，兰金循环的运转停止。因此，膨胀机转矩保持零。
[0069]伴随从tll起发动机旋转速度的上升，发动机2的散热量增大，由于散热量增大，向热交换器36流入的冷却水温度提高，热交换器36内的制冷剂温度上升。由于已关闭膨胀机上游阀62，因此热交换器36引起的制冷剂温度上升使得膨胀机上游阀62上游的制冷剂压力、即膨胀机上游压力上升(tll?tl2)。
[0070]由于运转状态的变化，从兰金循环非运转区域切换到兰金循环运转区域。如果在将膨胀机上游阀62设为开状态而转移到兰金循环运转区域时，立即将膨胀机离合器35从切断状态切换到接合状态而将膨胀机37与发动机输出轴连结，则膨胀机37成为发动机2的负载，并且产生转矩冲击。
[0071]另一方面，图9中，在切换到兰金循环运转区域时，不会立即将膨胀机上游阀62从闭状态切换到开状态。即，即使转移到兰金循环运转区域后，也持续膨胀机上游阀62的闭状态。
[0072]在不久膨胀机上游压力和膨胀机下游压力之间的压差变大而成为规定压力以上的tl2时刻，判断为能够运转(驱动)膨胀机37，将膨胀机上游阀62从闭状态切换到开状态。通过将膨胀机上游阀62切换到开状态，从而向膨胀机37供给规定压力的制冷剂，膨胀机旋转速度从零迅速上升。
[0073]在膨胀机旋转速度上升且膨胀机旋转速度达到发动机旋转速度的tl3时刻，将膨胀机离合器35从切断切换到接合。如果在膨胀机37充分地增加旋转速度之前接合膨胀机离合器35，则膨胀机37成为发动机负载，也会产生转矩冲击。相对于此，通过在没有与发动机输出轴之间的旋转速度差的tl3将膨胀机离合器35接合，能够防止膨胀机37成为发动机负载，以及伴随膨胀机离合器35接合而引起的转矩冲击。
[0074]下面，对膨胀机37的摩擦增大的检测进行说明。
[0075]在膨胀机37的旋转摩擦增大的情况下，对于膨胀机37的旋转产生阻碍，兰金循环31的效率降低。因此，通过下面那样的方法检测膨胀机37的摩擦是否增大。
[0076]图10是表示用于检测膨胀机37的摩擦是否增大的检测动作的说明图。[0077]发动机控制器71在兰金循环31处于兰金循环运转区域的状态下，释放膨胀机离合器35并且将膨胀机旁路阀66开阀，从而使膨胀机37自由旋转，检测这时的膨胀机旋转速度，由此，检测膨胀机37的摩擦的增大。
[0078]在兰金循环运转区域，将膨胀机离合器35接合，利用膨胀机37的旋转辅助发动机输出轴的旋转。
[0079]在此，发动机控制器71切断膨胀机离合器35并且，将膨胀机旁路阀66开阀，将制冷剂向膨胀机37的流动旁路。其结果，膨胀机37成为空载状态，供给到膨胀机37的制冷剂的压力降低，因此，膨胀机37由于惯性而自由旋转。
[0080]当在兰金循环运转区域中切断膨胀机离合器35时，在膨胀机上游压力为规定值以上、或膨胀机上游压力和膨胀机下游压力之差为规定差以上的情况为利用膨胀机37的旋转辅助发动机旋转的状态，在将其立即设为空载状态的情况下，受到制冷剂的残压，由于与辅助转矩的量相应的自由旋转，膨胀机37的旋转速度暂时上升。
[0081]之后，膨胀机37由于轴承和滚珠轴承等自身的摩擦而逐渐地旋转降低。
[0082]发动机控制器71检测使膨胀机37为空载状态时的膨胀机旋转速度的上升量，来判定膨胀机37是否发生摩擦增大。
[0083]S卩，发动机控制器71在膨胀机旋转速度的上升为规定值以上的上升的情况下判定为正常，在膨胀机旋转速度的上升小于规定值的情况下，判定为膨胀机37的摩擦增大。这样，若在切断了膨胀机离合器35时，根据膨胀机37旋转速度的上升检测出膨胀机37的摩擦增大，则，由于下面的理由而得到高的判断精度。没有残压的状态下的自由旋转引起的膨胀机37的旋转速度的降低，对于摩擦增大与否，难以产生差别，相对于此，存在残压的状态下的膨胀机37的旋转速度的上升，即使由于少许的摩擦增大也比较大地减少，对于摩擦增大与否，容易产生差别。而且，在上述的检测动作中，几乎与离合器切断同时地使旁路阀66开阀，因此，能够在防止膨胀机37超速(旋转速度过大)的同时，进行基于旋转速度的上升的摩擦增大检测。制冷剂泵32由于是利用由膨胀机37再生的动力而被驱动的泵，因此，在使膨胀机的旋转速度上升的情况下难以产生超速，是容易实施基于旋转速度的上升的摩擦增大检测的构成。
[0084]在膨胀机37的摩擦已增大的情况下，例如，在膨胀机37的旋转轴和滚珠轴承、轴承等中产生一些异常的可能性高。这种情况下，发动机控制器71能够通过向驾驶员报警，来催促到服务中心进行检查。对于膨胀机旋转速度的上升的规定值，例如在下降到设计值的上升的90%的情况下，判定为摩擦增大。
[0085]对膨胀机37预先设定了容许旋转速度。发动机控制器71在切断膨胀机离合器35使膨胀机旋转速度上升时，预先把握膨胀机旋转速度不超过容许旋转速度的范围的制冷剂压力，在检测出摩擦增大时，希望预先设定为预先把握膨胀机37的制冷剂压力的压力。
[0086]例如，也可以，在将膨胀机37设为空载时，预先通过实验等求出膨胀机37未达到容许旋转速度的范围中的上限的压力，发动机控制器71在检测出的膨胀机上游压力为上限压力以下的情况下(下降到上限压力以下时)切断膨胀机离合器35。
[0087]另外，也可以，在将膨胀机37设为空载时，预先通过实验等求出膨胀机37未到达容许旋转速度的范围中的膨胀机的上游压力和下游压力之间的上限压力差，发动机控制器71在检测出的膨胀机上游压力和膨胀机下游压力之差为上限压力差以下的情况下(下降到上限压力差以下时)切断膨胀机离合器35。
[0088]图11是表示用于检测膨胀机37的摩擦是否增大的检测动作的另外的例的说明图。
[0089]如上所述，发动机控制器71在兰金循环运转区域将膨胀机离合器35接合，利用膨胀机37的旋转辅助发动机输出轴的旋转。
[0090]在此，发动机控制器71切断膨胀机离合器35。其结果，膨胀机37成为空载状态，由于兰金循环31的制冷剂而使膨胀机旋转速度上升。
[0091]发动机控制器71检测出这时膨胀机37的旋转速度的上升量，来判定是否未发生膨胀机37的摩擦增大。
[0092]另一方面，发动机控制器71检测膨胀机旋转速度，来判定膨胀机旋转速度是否成为相对于预先设定的容许旋转速度具有富余量的规定旋转速度以上。在为规定旋转速度以上的情况下，为了防止膨胀机37达到容许旋转速度，发动机控制器71将膨胀机旁路阀66开阀，来停止向膨胀机37供给制冷剂。膨胀机37由于在膨胀机旁路阀66开阀后不被提供制冷剂的驱动力，因此由于自身摩擦旋转速度逐渐降低。
[0093]这样，在图11所示的方法中，与如利用上述的图10说明的那样同时进行膨胀机离合器35的切断和膨胀机旁路阀66的开阀的情况相比，膨胀机旋转速度的上升量增大，因此，容易判定膨胀机旋转速度的上升，容易进行膨胀机37的摩擦增大判定。
[0094]如图8中叙述的那样，发动机控制器71以在膨胀机转矩为规定值以下时切断膨胀机离合器35，避免膨胀机37的拖拉现象的方式进行控制。
[0095]这时能够构成为，在切断膨胀机离合器35的t3之前的、t2的时刻将膨胀机旁路阀66开阀。在未进行膨胀机的摩擦增大检测时，在切断膨胀机离合器35之前，将膨胀机旁路阀66开阀，由此，能够将膨胀机上游和膨胀机下游之间的制冷剂压力差充分降低，能够防止在切断了膨胀机离合器35时膨胀机37超速的情况。
[0096]如以上那样，在本发明的实施方式中，构成为，在兰金循环运转区域，检测切断膨胀机离合器35而将膨胀机37设为空载时的膨胀机旋转速度的上升。
[0097]通过这样构成，能够根据将膨胀机37设为空载时的膨胀机旋转速度的上升检测出膨胀机37的摩擦增大。特别地，由于没有必要使用应变传感器等转矩传感器，因此，能够避免膨胀机37的大型化、和成本上升。存在残压的状态下的膨胀机37的旋转速度的上升由于少许的摩擦增大而比较大地减少，对于摩擦增大与否容易产生差别，因此能够得到较高的判断精度。如果在离合器切断时将旁路阀66开阀，则能够在防止膨胀机37超速(旋转速度过大)的同时，根据旋转速度的上升进行摩擦增大的检测。
[0098]另外，以在将膨胀机37设为空载时膨胀机37的膨胀机旋转速度不超过膨胀机37的容许旋转速度的方式，将膨胀机旁路阀66开阀，而使驱动膨胀机37的制冷剂的压力降低。由此，不会在将膨胀机37设为空载状态下提供驱动力，防止膨胀机37超速，从而对故障防患于未然。
[0099]另外，在要将膨胀机离合器35切断时，检测膨胀机37的膨胀机上游压力或检测膨胀机上游压力与膨胀机下游压力之间的差，在膨胀机上游压力为规定压力以下、或压力差为规定压力差以下时，切断膨胀机离合器35，因此，不会在膨胀机37为空载状态时提供过剩的驱动力，防止膨胀机37超速，从而对故障防患于未然。[0100]另外，在未进行膨胀机的摩擦增大检测时，例如，在兰金循环运转区域中，在由于膨胀机转矩降低等而要切断膨胀机离合器35的情况下，预先将膨胀机旁路阀66开阀，使驱动膨胀机的制冷剂的压力降低，由此防止膨胀机超速，从而对故障防患于未然。
[0101]在以上说明过的本发明的实施方式中，以混合汽车为例进行了说明，但是，不限于此。也可以将本发明应用于只搭载了发动机2的车辆。发动机2可以是汽油发动机、柴油发动机的任意一种。
[0102]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是，上述实施方式只是表示本发明的应用例的一部分，本发明的技术范围不限于上述实施方式的具体的构成。
[0103]本申请主张在2011年9月30日向日本国专利局提出的日本专利申请特愿2011-216765号的优选权。将该申请的全部内容作为参考引入本说明书中。
【权利要求】
1.一种废热利用装置，包括: 兰金循环(31)，其具备将发动机(2)的废热向制冷剂回收的热交换器(36)、使用从所述热交换器(36)出来的制冷剂产生动力的膨胀机(37)、使从所述膨胀机(37)出来的制冷剂冷凝的冷凝器(38)、和将从所述冷凝器(38)出来的制冷剂向所述热交换器(36)供给的制冷剂泵(32);以及 动力传递机构(34)，其将利用所述膨胀机(37)再生的动力向所述发动机(2)传递， 所述动力传递机构(34)具备使从所述膨胀机向所述发动机的动力传递间断的间断单元(35)， 所述膨胀机(37)具备检测所述膨胀机(37)的旋转速度的旋转速度检测单元(73a)， 该废热利用装置具备摩擦增大检测单元 (71)，该摩擦增大检测单元(71)在切断了所述间断单元(35)时，根据由所述旋转速度检测单元(37a)检测到的所述膨胀机(37)的旋转速度的上升，检测出所述膨胀机(37)的摩擦增大。
2.根据权利要求1所述的废热利用装置，其中， 所述兰金循环(31)包括:将向所述膨胀机(37)导入的制冷剂旁路的旁路通道(65)；以及使制冷剂向所述旁路通道(65)的导通间断的旁路阀(66)， 所述摩擦增大检测单元(71)在切断了所述间断单元(35)时，控制所述旁路阀(66)使所述旁路通道(65)导通。
3.根据权利要求2所述的废热利用装置，其中， 所述摩擦增大检测单元(71)与切断了所述间断单元(35)同时地控制所述旁路阀(65)使所述旁路通道(66)导通。
4.根据权利要求1所述的废热利用装置，其中， 所述兰金循环(31)包括:将向所述膨胀机(37)导入的制冷剂旁路的旁路通道(65)；以及使制冷剂向所述旁路通道(65)的导通间断的旁路阀(66)， 所述摩擦增大检测单元(71)在切断了所述间断单元(35)时，控制所述旁路阀(66)使所述旁路通道(65)导通，以使所述膨胀机(37)的旋转速度为所述膨胀机(37)的容许旋转速度以下。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的废热利用装置，其中， 具备检测所述膨胀机(37)的上游侧的制冷剂压力的压力检测单元(72)， 所述摩擦增大检测单元(71)在由所述压力检测单元(72)检测出的所述膨胀机(37)的上游侧的制冷剂压力为规定压力以下的情况下，切断所述间断单元(35)。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的废热利用装置，其中， 具备检测所述膨胀机(37)的上游侧的制冷剂压力和下游侧的制冷剂压力之差的压力差检测单元(72、73)， 所述摩擦增大检测单元(71)在由所述压力差检测单元(72、73)检测出的所述膨胀机(37)的上游侧的制冷剂压力和下游侧的制冷剂压力之差为规定压力差以下的情况下，切断所述间断单元(35)。
7.根据权利要求2至4中任意一项所述的废热利用装置，其中， 在未进行所述膨胀机(37)的摩擦增大的检测时，当所述膨胀机(37)正在再生动力时，使所述旁路通道(65)导通后，切断所述间断单元(35)。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的废热利用装置，其中，所述制冷剂泵(32)是利用由所 述膨胀机(37)再生的动力被驱动的泵。
【文档编号】F01D15/12GK103987923SQ201280048004
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年8月14日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】石川贵幸, 沟口真一朗, 永井宏幸, 岩桥利矢子, 荻原智, 原口智规 申请人:三电有限公司