(57)【要約】  ランキンサイクル(8)の作動を制御する制御手段(32)を備え、蒸発器(10)は、所定の最大吸熱量を上限として内燃機関(4)の廃熱から作動流体に吸熱可能に構成され、制御手段(32)は、蒸発器(10)に流入される作動流体が所定の最大吸熱量を吸熱可能な所定流量以下となるときには蒸発器(10)にて蒸発させた作動流体を加熱器(18)にて過熱状態にする一方、蒸発器(10)に流入する作動流体が所定流量を超えるときには蒸発器(10)にて溢れさせた作動流体を加熱器(18)にて蒸発させた後に過熱状態にするべく作動流体の流量制御を行う。
2009101977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器と、該蒸発器から流出された作動流体を前記内燃機関の廃熱により更に加熱する加熱器と、該加熱器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、該膨張機から流出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器から流出された作動流体を前記蒸発器に送出するポンプとを備えたランキンサイクルと、
前記ランキンサイクルの作動を制御する制御手段とを備え、
前記蒸発器は、所定の最大吸熱量を上限として前記廃熱から前記作動流体に吸熱可能に構成され、
前記制御手段は、前記蒸発器に流入する作動流体が前記所定の最大吸熱量を吸熱可能な所定流量以下となるときには該蒸発器にて蒸発させた作動流体を前記加熱器にて過熱状態にする一方、前記蒸発器に流入する作動流体が前記所定流量を超えるときには前記蒸発器にて溢れさせた作動流体を前記加熱器にて蒸発させた後に過熱状態にするべく前記作動流体の流量制御を行うことを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度以上となるとき、前記ポンプの回転数を増大させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記膨張機に流入される作動流体の前記膨張機入口温度が前記所定の膨張機入口設定温度未満となり、且つ前記蒸発器における作動流体の過熱度が所定の設定過熱度以下となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記凝縮器における作動流体の凝縮温度と外気温度との温度差が所定の設定温度差以上となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記蒸発器から流出される冷却水の蒸発器出口温度が所定の蒸発器出口設定温度以下となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記内燃機関を冷却することにより前記廃熱を帯びた冷却水が前記蒸発器を経由した後の冷却水をその温度に応じて冷却するラジエータを有する冷却水回路を備え、
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記ラジエータへ作動流体が流入するとき、前記ポンプの回転数を増大させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記膨張機にて発生する駆動力を電力に変換する発電機を備え、
前記制御手段は、前記発電機における発電量が前記廃熱利用装置外から要求される要求発電量以上となるとき、前記凝縮器にて作動流体と外気とを熱交換させるファンの回転数を減少させる一方、前記発電量が前記要求発電量未満となるとき、前記ファンの回転数を増大させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記加熱器は、前記内燃機関の排ガスを前記廃熱として前記作動流体と熱交換させる排ガス熱交換器であって、該排ガス熱交換器をバイパスさせて前記排ガスを流通させるバイパス手段を備え、
前記制御手段は、前記膨張機入口温度が所定の膨張機入口第２設定温度以上となるとき、前記バイパス手段は前記排ガス熱交換器をバイパスさせて前記排ガスを流通させる一方、前記膨張機入口温度が前記所定の膨張機入口第２設定温度より小さくなるとき、前記バイパス手段は前記排ガス熱交換器に前記排ガスを流通させることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両に用いられて好適な内燃機関の廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の内燃機関の廃熱利用装置は、例えばエンジンが搭載された車両に適用され、エンジンで発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクルと、ランキンサイクルの制御を行うＥＣＵ（電子制御ユニット）とから構成されており、ランキンサイクルは、冷媒がポンプ、蒸発器、膨張機、凝縮器を順次流れる冷凍回路を構成している。
そして、ＥＣＵによって、上記ポンプの回転数を制御して冷媒流量を調節し、上記膨張機の負荷トルクを制御することにより、膨張機回転数を調節してランキンサイクルにおける回収エネルギーを増大させる技術が知られている（例えば、日本国特開２００５−３０７２７号公報、及び日本国特開２００６−１７７２６６号公報参照）。【０００３】
ところで、エンジンの廃熱回収手段として、蒸発器の他にエンジンの排ガスから吸熱するための排ガス熱交換器をランキンサイクルに設けることが考えられる。
しかし、上記各従来技術では、ランキンサイクルに排ガス熱交換器を設けた場合のポンプ回転数の制御方法については格別な配慮がなされておらず、この場合の回収エネルギーの増大化については依然として課題が残されている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、排ガス熱交換器を有するランキンサイクルにおける回収エネルギーを効果的に増大することができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するべく、本発明の内燃機関の廃熱利用装置は、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器と、蒸発器から流出された作動流体を内燃機関の廃熱により更に加熱する加熱器と、加熱器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、膨張機から流出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器から流出された作動流体を蒸発器に送出するポンプとを備えたランキンサイクルと、ランキンサイクルの作動を制御する制御手段とを備え、蒸発器は、所定の最大吸熱量を上限として前記廃熱から前記作動流体に吸熱可能に構成され、制御手段は、蒸発器に流入される作動流体が所定の最大吸熱量を吸熱可能な所定流量以下となるときには蒸発器にて蒸発させた作動流体を加熱器にて過熱状態にする一方、蒸発器に流入する作動流体が所定流量を超えるときには蒸発器にて溢れさせた作動流体を加熱器にて蒸発させた後に過熱状態にするべく作動流体の流量制御を行うことを特徴としている。
【０００５】
上記した内燃機関の廃熱利用装置によれば、蒸発器に流入する作動流体が所定の最大吸熱量を吸熱可能な所定流量以下となるときには、加熱器はいわゆる過熱器として機能し、この場合には作動流体の流量制御により加熱器における過熱度を制御することができる。一方、蒸発器に流入する作動流体が所定流量を超えるときには加熱器は蒸発器及び過熱器として機能する。これにより、蒸発器の小型化を実現しながらランキンサイクルの回収エネルギーを効果的に増大することができる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度以上となるとき、ポンプの回転数を増大させる。
【０００６】
この構成によれば、内燃機関が高負荷となって加熱器の能力が増大して膨張機入口の作動流体の温度が一定以上となるとき、蒸発器に流入する作動流体の流量を増大させる。そして、蒸発器において蒸発しきれない液相の作動流体を溢れさせ、溢れた分の作動流体を加熱器にて蒸発させることにより、加熱器の過熱度を小さくすることができる。これにより、加熱器を利用してポンプの回転数を変更するだけの簡易な制御で、膨張機入口の作動流体温度が高くなり過ぎることによる作動流体や作動流体に添加される潤滑油の分解、劣化を防止することができる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度未満となり、且つ蒸発器における冷媒の過熱度が所定の設定過熱度以下となるとき、ポンプの回転数を減少させる。
【０００７】
この構成によれば、膨張機入口の作動流体温度が一定以下となり、且つ蒸発器における作動流体の過熱度が一定以下となるときには、蒸発器に流入する作動流体の流量を減少させることにより、作動流体を蒸発器にて完全に蒸発させた高圧ガスの状態にして、更にこれを加熱器にて過熱している。これにより、膨張機入口温度を極力高い温度まで上昇させることができるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、凝縮器における作動流体の凝縮温度と外気温度との温度差が所定の設定温度差以上となるとき、ポンプの回転数を減少させる。
【０００８】
この構成によれば、外気温度が高くなり、凝縮温度が高くなったときには、作動流体の流量を減少させることにより、凝縮温度を下げることができるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、制御手段は、流量制御にて、蒸発器から流出される冷却水の蒸発器出口温度が所定の蒸発器出口温度以下となるとき、ポンプの回転数を減少させる。
この構成によれば、冷却水の蒸発器出口温度が低下しすぎるときには、蒸発器に流入する作動流体の流量を減少させることにより、内燃機関の低負荷時であってもその廃熱量に見合った蒸発器の吸熱量とすることができるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
【０００９】
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、内燃機関を冷却することにより廃熱を帯びた冷却水が蒸発器を経由した後の冷却水をその温度に応じて冷却するラジエータを有する冷却水回路を備え、制御手段は、流量制御にて、ラジエータへ作動流体が流入するとき、ポンプの回転数を増大させる。
この構成によれば、ラジエータに冷却水が流れ、内燃機関の廃熱がランキンサイクル以外に廃棄されているときには、蒸発器に流入する作動流体の流量を増大させることにより、蒸発器における吸熱量を極力増大できるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
【００１０】
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、膨張機にて発生する駆動力を電力に変換する発電機を備え、制御手段は、発電機における発電量が廃熱利用装置外から要求される要求発電量以上となるとき、凝縮器にて作動流体と外気とを熱交換させるファンの回転数を減少させる一方、発電量が要求発電量未満となるとき、ファンの回転数を増大させる。
この構成によれば、凝縮器における放熱量を直接に制御することができ、ひいては発電量をその要求量に合致させることができる。
【００１１】
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、加熱器は、内燃機関の排ガスを廃熱として作動流体と熱交換させる排ガス熱交換器であって、排ガス熱交換器をバイパスさせて排ガスを流通させるバイパス手段を備え、制御手段は、膨張機入口温度が所定の膨張機入口第２設定温度以上となるとき、バイパス手段は排ガス熱交換器をバイパスさせて排ガスを流通させる一方、膨張機入口温度が所定の膨張機入口第２設定温度より小さくなるとき、バイパス手段は排ガス熱交換器に排ガスを流通させる。
この構成によれば、排ガスによって作動流体が極めて高温に加熱されることにより生じる作動流体や作動流体に添加される潤滑油の分解、劣化を確実に防止することができるため、回収エネルギーを確実に増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置を示した模式図、
【図２】図１のＥＣＵで行われるランキンサイクル制御の制御ルーチンを示したフローチャート、
【図３】蒸発器入力Ｑに対する、回収エネルギーＥＲ、凝縮器放熱量Ｑ１、膨張機入口温度Ｔ３、冷媒流量Ｆ１を示した特性図の一例、
【図４】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置を示した模式図、
【図５】図４のＥＣＵで行われるダンパ駆動制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面により本発明の実施形態について、先ず第１実施形態から説明する。
図１は、本実施形態の廃熱利用装置２の構成を概略的に示した模式図である。廃熱利用装置２は、例えば車両のエンジン（内燃機関）４を冷却する冷却水回路６と、エンジン４の廃熱を回収するランキンサイクル回路（ランキンサイクル）８（以下、ＲＣ回路という）とから構成されている。
冷却水回路６は、エンジン４から延設される冷却水の循環路７に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器１０、ラジエータ１２、サーモスタット１４、水ポンプ１６が介挿されて閉回路を構成している。
蒸発器１０は、冷却水回路６の冷却水とＲＣ回路８の冷媒とを熱交換することにより、エンジン４で加熱された冷却水、すなわち温水を熱媒体としてエンジン４の廃熱をＲＣ回路８側に吸熱させて回収している。一方、蒸発器１０を通過して冷媒に吸熱された冷却水は、エンジン４を冷却することにより再び加熱された温水となる。【００１４】
ラジエータ１２は、蒸発器１０と直列に配列され、蒸発器１０を通過して冷媒に吸熱された冷却水を外気との熱交換により更に冷却している。
サーモスタット１４は、冷却水温度に応じてラジエータ１２へ通水される冷却水量を制御する機械式の三方切換弁であって、２つの入口ポートと１つの出口ポートとを有している。２つの入口ポートには、ラジエータ１２から延設される流路７ａと、蒸発器１０とラジエータ１２との間の流路７ｂからラジエータ１２を迂回するバイパス路７ｃとがそれぞれ接続され、これにより、冷却水温度に応じてラジエータ１２へ通水される冷却水量が増減されてエンジン４の過熱が防止される。
水ポンプ１６は、エンジン４に装着され、エンジン４の回転数に応じて駆動されて冷却水回路６に冷却水を好適に循環させる。【００１５】
一方、ＲＣ回路８は、冷媒の循環路９に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器１０、加熱器１８、膨張機２０、凝縮器２２、気液分離器２４、冷媒ポンプ２６が順に介挿されて閉回路を構成している。
加熱器１８は、例えば、エンジン４の排ガス管２８を流れる排ガスで冷媒を加熱する排ガス熱交換器であって、蒸発器１０で加熱された冷媒が更に加熱される。
膨張機２０は、蒸発器１０及び加熱器１８で加熱されて過熱蒸気の状態となった冷媒を膨張させ、回転駆動力を発生する容積式の流体機器であって、膨張機２０には、発生した回転駆動力を電力変換して廃熱利用装置２の外部で利用可能とする発電機３０が機械的に連結されている。【００１６】
凝縮器２２は、凝縮器ファン２３がその駆動部２３ａに入力される信号に応じて回転することにより、膨張機２０から流出される冷媒を外気と熱交換させて凝縮液化する空冷式の熱交換器である。
気液分離器２４は、凝縮器２２にて凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ２６側に流出される。
冷媒ポンプ２６は、その駆動部２６ａに入力される信号に応じて駆動される電動ポンプであり、凝縮器２２で凝縮され、気液分離器２４で分離された液冷媒は冷媒ポンプ２６によって蒸発器１０側に圧送され、ＲＣ回路８を好適に循環する。
ここで、廃熱利用装置２には、車両及び廃熱利用装置２の総合的な制御を行う電子コントロールユニット（ＥＣＵ）（制御手段）３２が設けられ、ＥＣＵ３２には駆動部２３ａ，２６ａとともに各種センサが電気的に接続されている。【００１７】
具体的には、冷却水回路６においては、エンジン４出口と蒸発器１０入口との間にエンジン４にて加熱された後の冷却水温度であるエンジン廃熱温度Ｔ１を検出する廃熱温度センサ３４、蒸発器１０出口と流路７ｂからバイパス路７ｃが分岐する分岐箇所との間に冷却水の蒸発器出口温度Ｔ２を検出する蒸発器出口温度センサ３６、ラジエータ１２とサーモスタット１４との間にラジエータ１２を流通する冷却水流量Ｆを検出するラジエータ通水流量センサ３８がそれぞれ設けられている。
一方、ＲＣ回路８においては、排ガス熱交換器１８出口と膨張機２０入口との間に冷媒の膨張機入口温度Ｔ３を検出する膨張機入口温度センサ４０、凝縮器２２に冷媒の凝縮温度Ｔ４を検出する凝縮温度センサ４２、蒸発器１０と排ガス熱交換器１８との間に冷媒の蒸発器出口圧力Ｐを検出する蒸発器出口圧力センサ４４及び冷媒の蒸発器出口温度Ｔ５を検出する蒸発器出口温度センサ４６、外気温度Ｔ６を検出する外気温度センサ４８、発電機３０の発電量Ｅを検出する発電量センサ５０がそれぞれ設けられている。【００１８】
そして、ＥＣＵ３２は、これら各種センサにより検出された温度Ｔ１〜Ｔ６、圧力Ｐ、及び流量Ｆ並びに発電量Ｅに応じて、冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１、及び凝縮器ファン２３の回転数Ｎ２を制御するランキンサイクル制御（流量制御）を行っている。
以下、図２に示されるフローチャートを参照して、このランキンサイクル制御について詳しく説明する。
先ず、それぞれ所定の初期回転数で冷媒ポンプ２６及び凝縮器ファン２３が起動された状態でランキンサイクル制御が開始されると、Ｓ１（以下、Ｓはステップを表す）に移行する。【００１９】
Ｓ１では、膨張機入口温度センサ４０にて検出された冷媒の膨張機入口温度Ｔ３が例えば１５０℃より小さいか否かを判定する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＴ３＜１５０℃が成立すると判定された場合にはＳ２に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）でＴ３＜１５０℃が成立しないと判定された場合にはＳ３に移行する。
Ｓ２に移行した場合には、廃熱温度センサ３４にて検出されたエンジン廃熱温度Ｔ１、及び蒸発器出口圧力センサ４４にて検出された冷媒の蒸発器出口圧力Ｐにより冷媒の蒸発温度Ｔｒ・ｓａｔが算出され、更に蒸発器出口温度センサ４６にて検出された冷媒の蒸発器出口温度Ｔ５から冷媒の蒸発温度Ｔｒ・ｓａｔを引いた温度差として蒸発器１０出口における冷媒の過熱度ＳＨが算出され、この過熱度ＳＨが例えば約３Ｋ（ケルビン）より大きいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＳＨ＞３Ｋが成立すると判定された場合にはＳ４に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）でＳＨ＞３Ｋが成立しないと判定された場合にはＳ５に移行する。なお、この場合、蒸発器１０の熱容量を最大限利用することができる過熱度ＳＨを約３Ｋとしている。
Ｓ３に移行した場合には、冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を増大させ、本制御ルーチンをリターンする。【００２０】
一方、Ｓ２からＳ４に移行した場合には、凝縮温度センサ４２にて検出された冷媒の凝縮温度Ｔ４から外気温度センサ４８にて検出された外気温度Ｔ６を引いた温度差ΔＴが例えば約２０Ｋ（ケルビン）より小さいか否かを判定する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で（Ｔ４−Ｔ６）＜２０Ｋが成立すると判定された場合にはＳ６に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）で（Ｔ４−Ｔ６）＜２０Ｋが成立しないと判定された場合にはＳ７に移行する。なお、十分な圧力比を確保するべくΔＴを約２０Ｋとしている。
Ｓ６に移行した場合には、蒸発器出口温度センサ３６にて検出された冷却水の蒸発器出口温度Ｔ２が例えば８５℃より大きいか否かを判定する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＴ２＞８５℃が成立すると判定された場合にはＳ８に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）でＴ２＞８５℃が成立しないと判定された場合にはＳ９に移行する。なお、この場合、サーモスタット１４が開弁される温度は少なくとも８５℃よりは大きく設定される。
ここで、Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９に移行した場合には、何れの場合も冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を減少させ、本制御ルーチンをリターンする。【００２１】
一方、Ｓ６からＳ８に移行した場合には、ラジエータ通水流量センサ３８にて検出されるラジエータ１２を流通する冷却水流量Ｆがゼロであるか否かを判定する。判別結果が真Ｆ＝０が成立すると判定された場合にはＳ１０に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）でＦ＝０が成立しない、すなわちＦ＞０であると判定された場合にはＳ１１に移行する。
Ｓ１０に移行した場合には、発電量センサ５０にて検出された発電機３０の発電量Ｅが所定の発電要求量ＥＳ以上であるか否かを判定する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＥ≧ＥＳが成立すると判定された場合にはＳ１２に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）でＥ≧ＥＳが成立しないと判定された場合にはＳ１３に移行する。
Ｓ１１に移行した場合には、上記Ｓ３と同様に、冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を増大させ、本制御ルーチンをリターンする。【００２２】
一方、Ｓ１０からＳ１２に移行した場合には、凝縮器ファン２３の回転数Ｎ２を減少させ、本制御ルーチンをリターンし、これに対しＳ１３に移行した場合には、凝縮器ファン２３の回転数Ｎ２を増大させ、本制御ルーチンをリターンする。
このように、ＥＣＵ３２にてランキンサイクル制御が開始されると、上記一連の制御ルーチンが繰り返し実行される。
以上のように、本実施形態では、上記ランキンサイクル制御を行うことにより、エンジン４の負荷に応じて、蒸発器における吸熱量Ｑと、発電機３０の発電量Ｅ、すなわちＲＣ回路８の回収エネルギーＥＲとのバランスが最適化され、蒸発器１０の小型化を実現しながら回収エネルギーＥＲを効果的に増大することができる。【００２３】
図３には、蒸発器入力Ｑに対する、回収エネルギーＥＲ、凝縮器２２での放熱量Ｑ１、換言すると凝縮器出力Ｑ１、膨張機入口温度センサ４０にて検出された冷媒の膨張機入口温度Ｔ３、蒸発器１０に流入する冷媒流量Ｆ１の特性図の一例が示されている。これによれば、例えば、蒸発器入力Ｑが約１０ｋＷとなるときに回収エネルギーＥＲの最大値約０．９５ｋＷを得ることができ、このときの膨張機入口温度Ｔ３は約１４０℃であることが明らかであり、本来、蒸発器１０の最大吸熱量として約１０ｋＷは必要である。
ここで、本実施形態では、ランキンサイクル制御のＳ１のステップを行って冷媒の膨張機入口温度Ｔ３を１５０℃未満に抑制することにより、蒸発器入力Ｑを約８ｋＷに抑制しつつ、約０．９４５ｋＷ程度の回収エネルギーＥＲを得ることができる。【００２４】
すなわち、この場合には、蒸発器入力Ｑの減少分は約２ｋＷであってその減少率は約２０％になる一方、回収エネルギーＥＲの減少分は約０．００５ｋＷであってその減少率は約０．５％にしかならない。このことは、蒸発器入力Ｑの減少により凝縮器出力Ｑ１が減少して凝縮器２２における冷媒の凝縮温度Ｔ４が低下し、膨張機２０における冷媒の膨張圧力比が増大することと、膨張機入口温度が上昇し、膨張時のエンタルピーの傾きが大きくなることとに起因している。これにより、回収エネルギーＥＲの減少に比して蒸発器１０の最大吸熱量を大幅に小さくでき、蒸発器１０の小型化を実現しながら回収エネルギーＥＲを効果的に増大することができる。
しかも、Ｓ１においてＴ３＜１５０℃が成立しない、すなわち蒸発器入力Ｑが大きいために蒸発器１０の熱容量に余裕がないと判定されたときに冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を増大させ、蒸発器１０に流入する冷媒流量を増大させることにより、蒸発器１０において蒸発しきれない液冷媒が溢れ、溢れた分の液冷媒は排ガス熱交換器１８にて蒸発される。すなわち、排ガス熱交換器１８における加熱量が液冷媒の蒸発に使用されることによってＴ３が１５０℃未満に低下され、これにより、排ガス熱交換器１８を利用して冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を変更するだけの簡易な制御で蒸発器１０の小型化と回収エネルギーＥＲの増大との両方を実現することができる。【００２５】
Ｔ３＜１５０℃、且つＳ２においてＳＨ＞３Ｋが成立しないと判定されたときには、蒸発器１０において蒸発しきれない液冷媒が溢れているために蒸発器１０における冷媒の過熱度ＳＨが小さくなったと推定され、この場合には、冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を減少させ、蒸発器１０に流入する冷媒流量を減少させることにより、液冷媒を蒸発器１０にて完全に蒸発させた高圧ガス冷媒の状態にして、更にこの高圧ガス冷媒を排ガス熱交換器１８にて加熱している。これにより、膨張機入口温度Ｔ３を約１５０度まで上昇しつつ小型化された蒸発器１０の熱容量に見合った蒸発器入力Ｑを得ることができるため、回収エネルギーＥＲを更に効果的に増大することができる。
更に、Ｓ４において（Ｔ４−Ｔ６）＜２０Ｋが成立しない、すなわち凝縮器出力Ｑ１が大きいために凝縮器２２の能力に余裕がないと判定されたときに冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を減少させ、蒸発器１０に流入する冷媒流量を減少させている。【００２６】
ここで、凝縮器出力Ｑ１が大きくなるのは蒸発器入力Ｑが大きすぎることに起因しており、この場合はエンジン４の高負荷時に該当し、冷媒の蒸発器出口温度Ｔ５と凝縮温度Ｔ４との温度差が小さくなりすぎて膨張機２０の出力、すなわち回収エネルギーＥＲが減少する傾向にある。しかし、蒸発器１０に流入する冷媒流量を減少させることにより、蒸発器入力Ｑを小さくすることができるため、凝縮器２２の熱容量に見合った凝縮器出力Ｑ１とすることができ、回収エネルギーＥＲを更に効果的に増大することができる。
更にまた、Ｓ６においてＴ２＞８５℃が成立しない、すなわち冷却水の蒸発器出口温度Ｔ２が低下しすぎて蒸発器１０の熱容量に余裕があると判定されたときに冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を減少させ、蒸発器１０に流入する冷媒流量を減少させている。【００２７】
ここで、Ｔ２が極度に低下するのはエンジン４がアイドリング中などの低負荷時の場合であって、この場合に蒸発器入力Ｑが大きくなると、エンジン４が過冷却されてエンジン４における燃料の燃焼効率が低下し、また、冷却水温度が低下して回収エネルギーＥＲが減少する傾向にある。しかし、蒸発器１０に流入する冷媒流量を減少させることにより、エンジン４の低負荷時の廃熱量に見合った蒸発器入力Ｑとすることができるため、回収エネルギーＥＲを更に効果的に増大することができる。
また、Ｓ８においてラジエータ１２を流通する冷却水流量Ｆ＝０が成立しない、すなわちＦ＞０であってラジエータ１２に冷却水が流れてエンジン４の廃熱がＲＣ回路８以外に廃棄されていると判定されたときに冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を増大させ、蒸発器１０に流入する冷媒流量を増大させることにより、蒸発器入力Ｑを極力増大できるため、回収エネルギーＥＲを更に効果的に増大することができる。【００２８】
更に、Ｓ１０においてＥ≧ＥＳが成立すると判定された場合には凝縮器ファン２３の回転数Ｎ２を減少させ、Ｅ≧ＥＳが成立しないと判定された場合には凝縮器ファン２３の回転数Ｎ２を増大させることにより、凝縮器出力Ｑ１を直接に制御することによって凝縮器能力を要求発電量に合致させることができる。
次に、図４に示される廃熱利用装置２の模式図を参照して第２実施形態について説明する。
当該第２実施形態では、上記第１実施形態の排ガス管２８内を仕切板５２によって排ガス熱交換器１８との熱交換側１８ａと非熱交換側１８ｂとに仕切り、ダンパ５４にて何れの側に排ガスを通風させるかを制御するダンパ駆動制御を行うものであり、他は上記第１実施形態と同一の構成をなしている。【００２９】
ダンパ５４は、仕切板５２のエンジン４側の端部に装着され、ダンパ５４の可動部５４ａがＥＣＵ３２に電気的に接続された駆動部５４ｂによって駆動されて熱交換側１８ａまたは非熱交換側１８ｂの何れか一方に排ガスを通風可能に構成されている。
そして、ＥＣＵ３２は、膨張機入口温度センサ４０にて検出された冷媒の膨張機入口温度Ｔ３に応じてダンパ５４を制御するダンパ駆動制御を行っている。
以下、図５に示されるフローチャートを参照して、このダンパ駆動制御について詳しく説明する。
先ず、ダンパ駆動制御が開始されると、Ｓ２０に移行する。【００３０】
Ｓ２０では、膨張機入口温度センサ４０にて検出された冷媒の膨張機入口温度Ｔ３が例えば１７５℃より小さいか否かを判定する。判別結果が真（Ｙｅｓ）でＴ３＜１７５℃が成立すると判定された場合にはＳ２１に移行し、判別結果が偽（Ｎｏ）でＴ３＜１７５℃が成立しないと判定された場合にはＳ２２に移行する。なお、この場合、ＲＣ回路８を循環する冷媒やこの冷媒に添加される潤滑油の劣化・分解が確実に起こらない温度を約１７５℃としている。
Ｓ２１に移行した場合には、排ガス管２８内にて排ガス熱交換器１８に向けて排ガスを通風させるために、ダンパ５４は、熱交換側１８ａを連通させるとともに非熱交換側１８ｂを塞ぐように駆動され、本制御ルーチンをリターンする。【００３１】
一方、Ｓ２２に移行した場合には、排ガス管２８内にて排ガス熱交換器１８をバイパスさせて排ガスを通風させるために、ダンパ５４は、熱交換側１８ａを塞ぐとともに非熱交換側１８ｂを連通させるように駆動され、本制御ルーチンをリターンする。
このように、ＥＣＵ３２にてダンパ駆動制御が開始されると、ランキンサイクル制御とは独立して、上記一連の制御ルーチンが繰り返し実行される。
以上のように、本実施形態では、上記第１実施形態と同様に、蒸発器１０の小型化を実現しながら回収エネルギーＥＲを効果的に増大することができる。
特に当該第２実施形態の場合には、ＲＣ回路８を循環する冷媒やこの冷媒に添加される潤滑油の劣化・分解が確実に起こらない温度が約１７５℃であって、この温度を境にダンパ５４を駆動することにより、冷媒や冷媒に添加している潤滑油の劣化を防止することができるため、回収エネルギーＥＲを確実に増大することができる。【００３２】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、Ｓ８においてラジエータ通水流量センサ３８にて検出されるラジエータ１２を流通する冷却水流量Ｆがゼロであるか否かを判定しているが、代わりにラジエータ１２の出口に温度センサを設けても良く、この場合にも冷却水温度によりラジエータ１２を流通する冷却水の有無を判定することができる。
また、上記実施形態では、ランキンサイクル制御において冷却水及び冷媒の各温度を検出しているが、冷却水は冷媒に比して一般に熱容量が大きいため、制御に遅れが発生する可能性がある。そこで、具体的には検出された冷却水温度Ｔ１，Ｔ２に応じて冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を増減させる場合には、排ガスの温度やエンジン４の回転数によってエンジン４の負荷を予測し、この予測結果に応じて冷媒ポンプ２６の回転数Ｎ１を早めに増減させるようにランキンサイクル制御の制御パラメータを予め設定しておくことにより、ランキンサイクル制御の制御性が更に向上して好ましい。【００３３】
更に、上記実施形態では、蒸発器１０における冷媒の過熱度ＳＨを算出しているが、蒸発器出口圧力センサ４４及び蒸発器出口温度センサ４６を排ガス熱交換器１８に極力近づけて配置することにより、蒸発器１０から排ガス熱交換器１８にかけての冷媒の温度低下が加味された過熱度ＳＨを算出することができるため、ランキンサイクル制御の制御性がより一層向上して好適である。
更にまた、上記実施形態では、加熱器１８は、エンジン４の排ガス管２８を流れる排ガスで冷媒を直接に加熱する排ガス熱交換器として説明しているが、これに限らず、蒸発器１０から流出された冷媒をエンジン４の廃熱により加熱する熱交換器であれば良い。例えば、本発明は、冷却水回路６に排ガス熱交換器を設け、排ガス熱交換器を経由した冷却水と蒸発器１０を経由した冷媒とを熱交換させて冷媒を過熱状態にする過熱器をＲＣ回路８に設け、排ガス熱を過熱器を介して間接的に冷媒に伝達する回路構成にも適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月4日(2010.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
好適な態様として、上記した内燃機関の廃熱利用装置において、内燃機関を冷却することにより廃熱を帯びた冷却水が蒸発器を経由した後の冷却水をその温度に応じて冷却するラジエータを有する冷却水回路を備え、制御手段は、流量制御にて、ラジエータへ冷却水が流入するとき、ポンプの回転数を増大させる。
この構成によれば、ラジエータに冷却水が流れ、内燃機関の廃熱がランキンサイクル以外に廃棄されているときには、蒸発器に流入する作動流体の流量を増大させることにより、蒸発器における吸熱量を極力増大できるため、回収エネルギーを更に効果的に増大することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器と、該蒸発器から流出された作動流体を前記内燃機関の廃熱により更に加熱する加熱器と、該加熱器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、該膨張機から流出された作動流体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器から流出された作動流体を前記蒸発器に送出するポンプとを備えたランキンサイクルと、
前記ランキンサイクルの作動を制御する制御手段とを備え、
前記蒸発器は、所定の最大吸熱量を上限として前記廃熱から前記作動流体に吸熱可能に構成され、
前記制御手段は、前記蒸発器に流入する作動流体が前記所定の最大吸熱量を吸熱可能な所定流量以下となるときには該蒸発器にて蒸発させた作動流体を前記加熱器にて過熱状態にする一方、前記蒸発器に流入する作動流体が前記所定流量を超えるときには前記蒸発器にて溢れさせた作動流体を前記加熱器にて蒸発させた後に過熱状態にするべく前記作動流体の流量制御を行うことを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記膨張機に流入される作動流体の膨張機入口温度が所定の膨張機入口設定温度以上となるとき、前記ポンプの回転数を増大させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記膨張機に流入される作動流体の前記膨張機入口温度が前記所定の膨張機入口設定温度未満となり、且つ前記蒸発器における作動流体の過熱度が所定の設定過熱度以下となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記凝縮器における作動流体の凝縮温度と外気温度との温度差が所定の設定温度差以上となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記蒸発器から流出される冷却水の蒸発器出口温度が所定の蒸発器出口設定温度以下となるとき、前記ポンプの回転数を減少させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記内燃機関を冷却することにより前記廃熱を帯びた冷却水が前記蒸発器を経由した後の冷却水をその温度に応じて冷却するラジエータを有する冷却水回路を備え、
前記制御手段は、前記流量制御にて、前記ラジエータへ冷却水が流入するとき、前記ポンプの回転数を増大させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記膨張機にて発生する駆動力を電力に変換する発電機を備え、
前記制御手段は、前記発電機における発電量が前記廃熱利用装置外から要求される要求発電量以上となるとき、前記凝縮器にて作動流体と外気とを熱交換させるファンの回転数を減少させる一方、前記発電量が前記要求発電量未満となるとき、前記ファンの回転数を増大させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記加熱器は、前記内燃機関の排ガスを前記廃熱として前記作動流体と熱交換させる排ガス熱交換器であって、該排ガス熱交換器をバイパスさせて前記排ガスを流通させるバイパス手段を備え、
前記制御手段は、前記膨張機入口温度が所定の膨張機入口第２設定温度以上となるとき、前記バイパス手段は前記排ガス熱交換器をバイパスさせて前記排ガスを流通させる一方、前記膨張機入口温度が前記所定の膨張機入口第２設定温度より小さくなるとき、前記バイパス手段は前記排ガス熱交換器に前記排ガスを流通させることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【国際調査報告】
2009101977.tif 000008
2009101977.tif 000009