(57)【要約】【課題】  蒸発器から出る気相作動媒体の温度を目標温度に制御する際の応答性を高める。【解決手段】  蒸発器１１への給水量を制御する給水量制御手段Ｃは、エンジンの排気ガスエネルギーの変化量から演算したフィードフォワード給水量と、蒸発器１１で発生した蒸気の実温度から演算した第１フィードバック給水量とだけでなく、それに更に蒸発器１１の内部状態を表すパラメータ、例えば蒸発器１１の内部密度から演算した第２フィードバック給水量を加算した加算値に基づいて蒸発器１１への給水量を決定するので、エンジンのアイドリング状態が続いて蒸発器１１の内部が高温になったような場合でも、給水量を増加させて蒸発器１１から出る蒸気の温度を目標温度に一致させる際の応答性を高めることができる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器（１１）に供給される液相作動媒体をエンジン（Ｅ）の排気ガスの熱エネルギーで加熱して発生する気相作動媒体の温度を、前記液相作動媒体の供給量を操作することによって目標温度に制御する液相作動媒体供給量制御手段（Ｃ）を備えた蒸発器の制御装置において、
前記液相作動媒体供給量制御手段（Ｃ）は、
エンジン（Ｅ）の負荷状態の変化量から演算した液相作動媒体のフィードフォワード供給量と、蒸発器（１１）で発生した気相作動媒体の実温度から演算した液相作動媒体の第１フィードバック供給量と、蒸発器（１１）の内部状態を表すパラメータから演算した液相作動媒体の第２フィードバック供給量との加算値に基づいて蒸発器（１１）への液相作動媒体の供給量を決定することを特徴とする蒸発器の制御装置。
【請求項２】
エンジン（Ｅ）の負荷状態を表すパラメータは、エンジン回転数、吸入空気量、空燃比、排気ガス温度および排気ガス流量の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発器の制御装置。
【請求項３】
蒸発器（１１）への液相作動媒体の供給量は、液相作動媒体供給ポンプ（１４）の回転数、該ポンプ（１４）の下流側に設けたインジェクタの開度および該ポンプ（１４）の下流側に設けた流量制御弁の開度の少なくとも一つにより制御されることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発器の制御装置。
【請求項４】
蒸発器（１１）の内部状態を表すパラメータは、作動媒体の密度、相変化位置、熱伝達率、熱通過率、伝熱量および内部蓄熱量の少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の蒸発器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸発器に供給される液相作動媒体をエンジンの排気ガスの熱エネルギーで加熱して発生する気相作動媒体の温度を、前記液相作動媒体の供給量を操作することによって目標温度に制御する液相作動媒体供給量制御手段を備えた蒸発器の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一定速度で回転するエンジンの排気ガスを熱源とする廃熱貫流ボイラが発生する蒸気の温度を目標温度と比較し、その偏差から得た給水信号により廃熱貫流ボイラへの給水量をフィードバック制御する際に、エンジンのスロットル開度信号を蒸気圧力で補正して得たフィードフォワード信号を前記フィードバック信号に加算するものが、下記特許文献１により公知である。
【特許文献１】実公平２−３８１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、図１４（ａ）に示すように、蒸発器に供給された水は排気ガスとの間で熱交換し、蒸発器の内部に上流側から下流側に水の領域（液相領域）、湿り飽和蒸気の領域（二相領域）および過熱蒸気の領域（気相領域）を構成する。蒸発器の内部が低温であるときには液相領域が広くて気相領域が狭いため、蒸発器の内部の作動媒体の密度が高くなる。このように蒸発器の内部密度が高いときには、熱伝達率の高い液相状態の伝熱面積が大きく、かつ内部の高温部分が少ないため、図１４（ｂ）に示すように、蒸発器への給水量をステップ状に増加させると、蒸発器の出口の蒸気温度は応答性良く低下する。
【０００４】
それに対して、エンジンを長時間アイドリング運転したような場合には、図１５（ａ）に示すように、蒸発器の内部が高温になって液相領域が狭くて気相領域が広いため、蒸発器の内部の作動媒体の密度が低くなる。このように蒸発器の内部密度が低いときには、図１５（ｂ）に示すように、給水量を増加させても蒸発器の内部の温度が低下するまでに時間がかかって応答性が低下し、また熱伝達率の低い気相状態の伝熱面積が大きいために熱交換効率が低くなる。
【０００５】
このように、蒸発器の内部が高温になっていると、蒸発器に供給される排気ガスのエネルギーや蒸発器から出る蒸気の温度に基づいて給水量を制御するだけでは、目標温度を超えて上昇した蒸気温度を目標温度に収束させる応答性が低くなる問題があった。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、蒸発器から出る気相作動媒体の温度を目標温度に制御する際の応答性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、蒸発器に供給される液相作動媒体をエンジンの排気ガスの熱エネルギーで加熱して発生する気相作動媒体の温度を、前記液相作動媒体の供給量を操作することによって目標温度に制御する液相作動媒体供給量制御手段を備えた蒸発器の制御装置において、前記液相作動媒体供給量制御手段は、エンジンの負荷状態の変化量から演算した液相作動媒体のフィードフォワード供給量と、蒸発器で発生した気相作動媒体の実温度から演算した液相作動媒体の第１フィードバック供給量と、蒸発器の内部状態を表すパラメータから演算した液相作動媒体の第２フィードバック供給量との加算値に基づいて蒸発器への液相作動媒体の供給量を決定することを特徴とする蒸発器の制御装置が提案される。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、エンジンの負荷状態を表すパラメータは、エンジン回転数、吸入空気量、空燃比、排気ガス温度および排気ガス流量の少なくとも一つであることを特徴とする蒸発器の制御装置が提案される。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、蒸発器への液相作動媒体の供給量は、液相作動媒体供給ポンプの回転数、該ポンプの下流側に設けたインジェクタの開度および該ポンプの下流側に設けた流量制御弁の開度の少なくとも一つにより制御されることを特徴とする蒸発器の制御装置が提案される。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、蒸発器の内部状態を表すパラメータは、作動媒体の密度、相変化位置、熱伝達率、熱通過率、伝熱量および内部蓄熱量の少なくとも一つであることを特徴とする制御装置が提案される。
【００１１】
尚、実施例の給水ポンプ１４は本発明の液相作動媒体供給ポンプに対応し、実施例の給水量制御手段Ｃは本発明の液相作動媒体供給量制御手段に対応する。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の構成によれば、蒸発器への液相作動媒体の供給量を制御する液相作動媒体供給量制御手段は、エンジンの負荷状態の変化量から演算した液相作動媒体のフィードフォワード供給量と、蒸発器で発生した気相作動媒体の実温度から演算した液相作動媒体の第１フィードバック供給量とだけでなく、それに更に蒸発器の内部状態を表すパラメータから演算した液相作動媒体の第２フィードバック供給量を加算した加算値に基づいて蒸発器への液相作動媒体の供給量を決定するので、液相作動媒体の供給量を増加させて蒸発器から出る気相作動媒体の温度を目標温度に一致させる際の応答性を高めることができる。
【００１３】
請求項２の構成によれば、エンジンの負荷状態を表すパラメータを、エンジン回転数、吸入空気量、空燃比、排気ガス温度あるいは排気ガス流量としたので、エンジンの負荷状態を的確に把握することができる。
【００１４】
請求項３の構成によれば、蒸発器への液相作動媒体の供給量を、液相作動媒体供給ポンプの回転数、該ポンプの下流側に設けたインジェクタの開度あるいは該ポンプの下流側に設けた流量制御弁の開度により制御するので、液相作動媒体の供給量を的確に制御することができる。
【００１５】
請求項４の構成によれば、蒸発器の内部状態を表すパラメータを、作動媒体の密度、相変化位置、熱伝達率、熱通過率、伝熱量あるいは内部蓄熱量としたので、蒸発器の内部状態を的確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１７】
図１〜図１０は本発明の第１実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、図２は給水量制御手段の制御ブロック図、図３は最適蒸気温度と蒸発器および膨張機の最高効率との関係を示すグラフ、図４は蒸発器の内部密度から給水量またはゲイン増加分を検索するマップを示す図、図５は蒸発器の内部密度の測定装置の一例を示す図、図６は蒸発器の内部の温度分布を示すグラフ、図７は蒸発器の内部密度の測定装置の他の実施例を示す図、図８は蒸発器の内部の音波の応答周波数から内部密度を検索するマップを示す図、図９は給水量の増加時の蒸発器の内部密度および内部温度の変化を示すグラフ、図１０は排気ガスエネルギーの増加時における給水量および蒸気温度の変化を示すグラフである。
【００１８】
図１には本発明が適用されるランキンサイクル装置Ｒの全体構成が示される。エンジンＥの排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置Ｒは、エンジンＥが排出する排気ガスで水を加熱して高温・高圧蒸気を発生させる蒸発器１１と、蒸発器１１で発生した高温・高圧蒸気により作動して機械エネルギーを発生する膨張機１２と、膨張機１２で仕事を終えた降温・降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器１３と、凝縮器１３から排出された水を加圧して再度蒸発器１１に供給する給水ポンプ１４とを備える。
【００１９】
図２に示すように、給水ポンプ１４による蒸発器１１に対する給水量を制御する給水量制御手段Ｃは、フィードフォワード給水量演算手段２１と、第１フィードバック給水量演算手段２２と、第２フィードバック給水量演算手段２３と、減算手段２４と、加算手段２５とを備える。
【００２０】
フィードフォワード給水量演算手段２１は排気ガスエネルギーから蒸発器１１に対する給水量、つまりフィードフォワード給水量を演算する。減算手段２４は、蒸発器１１が発生する蒸気の目標温度と実温度（出口温度）との偏差を算出する。蒸気の目標温度は、次のようにして求められる。即ち、図３に示すように、ランキンサイクル装置の蒸発器１１の効率および膨張機１２の効率は蒸気温度によって変化し、蒸気温度が増加すると蒸発器１１の効率が減少して膨張機の効率が増加し、逆に蒸気温度が減少すると蒸発器１１の効率が増加して膨張機１２の効率が減少することから、両者の効率を合わせた総合効率が最大になる最適蒸気温度を目標温度とする。そして第１フィードバック給水量演算手段２２において前記偏差に所定のゲインを乗算することで、第１フィードバック給水量を演算する。
【００２１】
蒸発器１１の内部状態である内部密度は第２フィードバック給水量演算手段２３に入力され、そこで図４に示すマップを用いて第２フィードバック給水量（給水量の増加分）が演算される。蒸発器１１の内部密度が通常の値のとき、第２フィードバック給水量は０に設定され、内部密度の増加および減少に応じて第２フィードバック給水量は減少および増加する。そしてフィードフォワード給水量、第１フィードバック給水量および第２フィードバック給水量は加算手段２５で加算され、そのトータルの給水量で蒸発器１１に給水が行われる。
【００２２】
蒸発器１１の内部密度の第１の測定手法は、図５に示すように、蒸発器１１の内部の配管３１に所定間隔で複数の温度センサ３２…を設け、その温度分布を観測するものである。図６のグラフはその観測結果であり、温度が次第に増加している液相領域の体積をＶ１、温度が一定の二相領域の体積をＶ２、温度が次第に増加している気相領域の体積をＶ３とし、更に各領域の平均密度ρ１，ρ２，ρ３を温度分布と圧力とから演算する。そして蒸発器１１全体の平均内部密度ρを、蒸発器１１全体の体積をＶとして、                                        （ρ１＊Ｖ１＋ρ２＊Ｖ２＋ρ３＊Ｖ３）／Ｖ
により演算する。
【００２３】
蒸発器１１の内部密度の第２の測定手法は、図７に示すように、蒸発器１１の内部に音波発生器３３と応答音波計測器３４とを設け、音波発生器３３から発射した音波が蒸発器１１の内部で反射した反射波を応答音波計測器３４で受信し、その応答周波数を図８のマップに適用するものである。内部密度は、応答周波数の増加に応じて増加する。尚、図４の実施例はリニアに増加する場合の例示である。また音波発生器３３を廃止してエンジンの回転音を用いることもできる。
【００２４】
以上のように、排気ガスエネルギー、蒸気の目標温度、蒸気の実温度のような蒸発器１１の入出力情報だけでなく、蒸発器１１の内部密度のような内部情報を用いて給水量を制御するので、蒸発器１１の内部密度が低いために蒸気の温度制御の応答性が低下する可能性があるときに（図１５参照）、その応答性を高めることができる。
【００２５】
即ち、図９（ａ）に示すように、蒸発器１１の内部密度が高いときには、図９（ｂ）に実線で示すように、従来例（破線参照）に比べて給水量の立ち上がり時にピークを持たせることで、蒸発器１１の内部密度を速やかに高めて蒸気温度を速やかに低下させ、蒸気温度を応答性良く目標温度に収束させることができる。
【００２６】
図１０には、排気ガスエネルギーをステップ状に増加させた場合の給水量の変化特性と、蒸発器１１の出口温度の応答特性とが示される。給水量は従来例に比べて速やかに増加しており、その結果として蒸発器１１の出口温度の目標からのずれが小さくなり、かつ速やかに目標温度に収束していることが分かる。
【００２７】
図１１〜図１３は本発明の第２実施例を示すもので、図１１は給水量制御手段の制御ブロック図、図１２は状態量推定手段の一例を示す図、図１３は状態量推定手段の他の例を示す図である。
【００２８】
図１１に示すように、蒸発器１１に対する給水量を制御する給水量制御手段Ｃは、フィードフォワード給水量演算手段２１と、第１フィードバック給水量演算手段２２と、第２フィードバック給水量演算手段２３と、減算手段２４と、加算手段２５と、状態量推定手段２６と、加算手段２７と、乗算手段２８とを備える。フィードフォワード給水量演算手段２１、第１フィードバック給水量演算手段２２、第２フィードバック給水量演算手段２３および減算手段２４の機能は第１実施例と同じである。
【００２９】
第１実施例では蒸発器１１の内部密度ρを実測により求めていたが、第２実施例では蒸発器１１の内部密度ρを状態量推定手段２６により、図１２に示す演算モデルを用いて推定する。即ち、蒸発器１１の熱伝達モデルを表す熱伝達方程式をリアルタイムに解き、蒸発器１１の内部変数である内部密度ρおよび計算出口温度Ｔｃを求める。内部密度ρは蒸発器１１への給水量にフィードバックされ、計算出口温度Ｔｃは蒸発器１１の実出口温度Ｔａとの差分により補正されて入力にフィードバックされる。
【００３０】
図１１に戻り、状態量推定手段２６により推定された内部密度ρは第２フィードバック給水量演算手段２３に入力され、そこで図４に示すマップを用いてゲインマップとして第２フィードバックゲイン（ゲインの増加分）が演算される。この第２フィードバックゲインは加算手段２７において第１フィードバック給水量演算手段２２が出力する第１フィードバックゲインと加算された後、乗算手段２８で目標温度および出口温度（実温度）の偏差と乗算され、フィードバック給水量が演算される。そして、このフィードバック給水量は加算手段２５でフィードフォワード給水量と加算されて最終的な給水量が算出される。      
【００３１】
しかして、この第２実施例によっても、上述した第１実施例と同様の作用効果を達成することができる。
【００３２】
図１３は状態量推定手段２６の他の例を示すものである。
【００３３】
この状態量推定手段２６は、給水ポンプ１４から蒸発器１１に供給される水の流量Ｑｉｎと、蒸発器１１から膨張機１２に供給される蒸気の流量Ｑｏｕｔとを流量計で観測し、蒸発器１１内の蒸気の内部密度ρを、
ρ＝∫｛Ｑｉｎ（ｔ）−Ｑｏｕｔ（ｔ）｝ｄｔ／Ｖ
により算出するようになっている。
【００３４】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３５】
例えば、実施例ではエンジンＥの負荷状態を表すパラメータとして排気ガスエネルギーを例示したが、エンジン回転数、吸入空気量、空燃比、排気ガス温度および排気ガス流量の何れかであっても良い。
【００３６】
また実施例では蒸発器１１への水の供給量を給水ポンプ１４の回転数で制御しているが、給水ポンプ１４の下流側に設けたインジェクタの開度や、給水ポンプ１４の下流側に設けた流量制御弁の開度により制御しても良い。
【００３７】
また実施例では蒸発器１１の内部状態を表すパラメータとして内部密度ρを例示したが、蒸発器１１の相変化位置、熱伝達率、熱通過率、伝熱量および内部蓄熱量の何れかであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】給水量制御手段の制御ブロック図
【図３】最適蒸気温度と蒸発器および膨張機の最高効率との関係を示すグラフ
【図４】蒸発器の内部密度から給水量またはゲイン増加分を検索するマップを示す図
【図５】蒸発器の内部密度の測定装置の一例を示す図
【図６】蒸発器の内部の温度分布を示すグラフ
【図７】蒸発器の内部密度の測定装置の他の実施例を示す図
【図８】蒸発器の内部の音波の応答周波数から内部密度を検索するマップを示す図
【図９】給水量の増加時の蒸発器の内部密度および内部温度の変化を示すグラフ
【図１０】排気ガスエネルギーの増加時における給水量および蒸気温度の変化を示すグラフ
【図１１】第２実施例に係る給水量制御手段の制御ブロック図
【図１２】状態量推定手段の一例を示す図
【図１３】状態量推定手段の他の例を示す図
【図１４】従来の給水量の増加時の蒸発器の内部密度および内部温度の変化を示すグラフ（低温時）
【図１５】従来の給水量の増加時の蒸発器の内部密度および内部温度の変化を示すグラフ（高温時）
【符号の説明】
【００３９】
１１        蒸発器
１４        給水ポンプ（液相作動媒体供給ポンプ）
Ｃ          給水量制御手段（液相作動媒体供給量制御手段）
Ｅ          エンジン
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2006214294.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2006214294.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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