(57)【要約】【課題】  エンジンの運転状態が変化して排気ガスの熱エネルギーが急増しても、蒸発器において発生する蒸気の温度が目標温度をオーバーシュートしないように応答性良く制御する。【解決手段】  ランキンサイクル装置の蒸発器１１から膨張機に供給される蒸気の温度を目標温度に一致させるべく、温度制御手段２１の給水量コントローラ２７が蒸発器１１への給水量を操作しても、エンジンＥの負荷変化に伴って排気ガスの熱エネルギーが急激に変化して蒸気温度を目標温度に制御できない場合に、温度制御手段２１の水噴射量コントローラ２４がエンジンＥの膨張行程あるいは排気行程において、燃焼室から蒸発器１１までの何れかの位置に水を供給するので、その水で排気ガスを冷却して排気ガスの熱エネルギーの急増による蒸気温度のオーバーシュートを確実に抑制することができる。【選択図】        図２
2006249988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（Ｅ）の排気ガスの熱エネルギーで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器（１１）と、蒸発器（１１）で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機（１２）と、蒸発器（１１）から膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるための温度制御手段（２１）とを備えたランキンサイクル装置において、
前記温度制御手段（２１）は、
蒸発器（１１）への液相作動媒体の供給量を操作する液相作動媒体供給量制御手段（２７）と、
エンジン（Ｅ）の負荷変化に伴って排気ガスの熱エネルギーに急激な変化が生じ、蒸発器（１１）への液相作動媒体の供給では気相作動媒体の温度を目標温度に制御できない場合に、蒸発器（１１）よりも上流の排気ガスに液相冷却媒体を供給する排気ガス冷却手段（２４）と、
を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記排気ガス冷却手段（２４）は、エンジン（Ｅ）の負荷変化と、それに伴う排気ガスの温度変化とに基づいて液相冷却媒体の供給量を操作することを特徴とする、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記排気ガス冷却手段（２４）は、排気ガスの温度変化をスロットル開度およびアクセル開度の少なくとも一方に基づいて予測することを特徴とする、請求項２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記排気ガス冷却手段（２４）は、エンジン（Ｅ）の燃焼室（１７）から蒸発器（１１）の入口までの間の何れかの位置に液相冷却媒体を供給することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記排気ガス冷却手段（２４）は、エンジン（Ｅ）の膨張行程あるいは排気行程において液相冷却媒体を供給することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気ガスの熱エネルギーで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、蒸発器から膨張機に供給される気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるための温度制御手段とを備えたランキンサイクル装置に関する。
【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ことで、エンジンの負荷変動を補償して制御精度の向上を図るものが、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】
ところで上記従来のものは、蒸発器への給水量の操作のみで蒸気温度を制御するため、エンジンの負荷が急変して排気ガスの熱エネルギーが急激に増加したような場合に、蒸発器の給水管の長さやヒートマスの影響によって蒸気温度の応答に遅れが生じ、蒸気温度が目標温度をオーバーシュートして膨張機の運転効率が低下してしまう可能性があった。
【０００４】
エンジンの負荷の急変時に蒸気温度が目標温度をオーバーシュートしないようにする他の手法として、エンジンを気筒休止することが考えられる。しかしながら、気筒休止を行うとエンジンの出力自体も変化してしまうため、このランキンサイクル装置を自動車に搭載した場合にはドライバーに違和感を与えてしまう問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、エンジンの運転状態が変化して排気ガスの熱エネルギーが急増しても、蒸発器において発生する蒸気の温度が目標温度をオーバーシュートしないように応答性良く制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、エンジンの排気ガスの熱エネルギーで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機と、蒸発器から膨張機に供給される気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるための温度制御手段とを備えたランキンサイクル装置において、前記温度制御手段は、蒸発器への液相作動媒体の供給量を操作する液相作動媒体供給量制御手段と、エンジンの負荷変化に伴って排気ガスの熱エネルギーに急激な変化が生じ、蒸発器への液相作動媒体の供給では気相作動媒体の温度を目標温度に制御できない場合に、蒸発器よりも上流の排気ガスに液相冷却媒体を供給する排気ガス冷却手段とを備えたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。  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、前記排気ガス冷却手段は、エンジンの負荷変化と、それに伴う排気ガスの温度変化とに基づいて液相冷却媒体の供給量を操作することを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００７】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記排気ガス冷却手段は、排気ガスの温度変化をスロットル開度およびアクセル開度の少なくとも一方に基づいて予測することを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００８】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記排気ガス冷却手段は、エンジンの燃焼室から蒸発器の入口までの間の何れかの位置に液相冷却媒体を供給することを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００９】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記排気ガス冷却手段は、エンジンの膨張行程あるいは排気行程において液相冷却媒体を供給することを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の構成によれば、ランキンサイクル装置の蒸発器から膨張機に供給される気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、温度制御手段の液相作動媒体供給量制御手段が蒸発器への液相作動媒体の供給量を操作しても、エンジンの負荷変化に伴って排気ガスの熱エネルギーが急激に変化して気相作動媒体の温度を目標温度に制御できない場合に、温度制御手段の排気ガス冷却手段が蒸発器よりも上流の排気ガスに液相冷却媒体を供給して冷却するので、排気ガスの熱エネルギーの急増による気相作動媒体の温度のオーバーシュートを確実に抑制することができる。
【００１１】
請求項２の構成によれば、排気ガス冷却手段がエンジンの負荷変化と、それに伴う排気ガスの温度変化とに基づいて液相冷却媒体の供給量を操作するので、排気ガスの熱エネルギーの急増による気相作動媒体の温度のオーバーシュートを一層確実に抑制することができる。
【００１２】
請求項３の構成によれば、排気ガス冷却手段が排気ガスの温度変化をスロットル開度あるいはアクセル開度に基づいて予測するので、排気ガスの温度変化を的確に予測することができる。
【００１３】
請求項４の構成によれば、排気ガス冷却手段がエンジンの燃焼室から蒸発器の入口までの間の何れかの位置に液相冷却媒体を供給するので、排気ガスの温度を液相冷却媒体で効果的に低下させることができる。
【００１４】
請求項５の構成によれば、排気ガス冷却手段がエンジンの膨張行程あるいは排気行程において液相冷却媒体を供給するので、排気ガスの温度を液相冷却媒体で効果的に低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１〜図９は本発明の一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は温度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は目標排気ガス温度算出処理のフローチャート、図５はスロットル開度、排気ガス温度、水噴射量および蒸気温度の変化を示すタイムチャート、図６はスロットル開度、排気ガス温度、蒸気温度および給水量の変化を示すタイムチャート、図７は水噴射開始タイミングおよび水噴射量と排気ガス温度との関係を示すグラフ、図８は水噴射開始タイミングとエンジン出力との関係を示すグラフ、図９はクランクアングルに対する排気ガス温度の変化の関係を示すグラフである。
【００１７】
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。また                                                                    エンジンＥはシリンダ１５およびピストン１６により区画された燃焼室１７を備えており、燃焼室１７に連なる吸気ポート１８および排気ポート１９のうちの排気ポート１９に前記蒸発器１１が接続され、また燃焼室１７に冷却水を噴射する水噴射弁２０が設けられる。
【００１８】
図２には蒸発器１１から膨張機１２に供給される蒸気の温度を制御する温度制御手段２１の構成が示される。温度制御手段２１は、フィードフォワード水噴射量演算手段２２と、フィードバック水噴射量演算手段２３と、水噴射量コントローラ２４と、フィードフォワード給水量演算手段２５と、フィードバック給水量演算手段２６と、給水量コントローラ２７とを備える。
【００１９】
フィードフォワード水噴射量演算手段２２は、スロットル開度（アクセル開度）やエンジン回転数のようなエンジンＥの内部情報に基づいて水噴射量を算出し、水噴射量コントローラ２４は、前記フィードフォワード水噴射量に基づいて水噴射弁２０から燃焼室１７に噴射する水噴射量を操作することで、エンジンＥの排気ガスの温度を制御する。このとき、エンジンＥの排気ポート１９に設けた排気ガス温度センサ２８で検出した排気ガス温度と目標排気ガス温度との偏差に、フィードバック水噴射量演算手段２３が所定のゲインを乗算することでフィードバック水噴射量を算出し、このフィードバック水噴射量を前記フィードフォワード水噴射量から減算した値を水噴射量コントローラ２４に入力することで、フィードフォワード制御による応答性の向上およびフィードバック制御による収束性の向上が図られる。尚、目標排気ガス温度の設定手法については、後から詳述する。
【００２０】
一方、フィードフォワード給水量演算手段２５は、スロットル開度（アクセル開度）やエンジン回転数のようなエンジンＥの内部情報に基づいて給水量を算出し、給水量コントローラ２７は、前記フィードフォワード給水量に基づいて給水ポンプ１４から蒸発器１１への給水量を操作することで、膨張機１２に供給される蒸気温度を制御する。このとき、蒸発器１１の出口に設けた蒸気温度センサ２９で検出した蒸気温度と目標蒸気温度との偏差に、フィードバック給水量演算手段２６が所定のゲインを乗算することでフィードバック給水量を算出し、このフィードバック給水量を前記フィードフォワード給水量から減算した値を給水量コントローラ２７に入力することで、フィードフォワード制御による応答性の向上およびフィードバック制御による収束性の向上が図られる。
【００２１】
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の効率が増加して膨張機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（目標温度）が存在する。
【００２２】
次に、上記作用を図４のフローチャートに基づいて更に詳細に説明する。
【００２３】
先ず、ステップＳ１でスロットル開度ＴＨ（あるいはアクセル開度ＡＰ）を検出し、ステップＳ２でエンジン回転数Ｎｅを検出し、ステップＳ３でスロットル開度ＴＨおよびエンジン回転数Ｎｅから排気ガス温度Ｔｇａｓをマップ検索により算出する。続くステップＳ４で排気ガス温度Ｔｇａｓの算出の遅れを補正する遅れ補正処理を行った後、ステップＳ５で排気ガス温度Ｔｇａｓの時間変化率ｄＴｇａｓ／ｄｔが閾値ＬＴｇを超えていなければ、つまり排気ガス温度Ｔｇａｓの増加率が図５（Ｂ）に鎖線で示すように小さければ、ステップＳ６で水噴射弁２０による燃焼室１７内への水噴射を行わず、ステップＳ７で水噴射量を０に設定する。前記閾値ＬＴｇは、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スロットル開度ＴＨをステップ状に増加させたときの排気ガス温度Ｔｇａｓの増加率（破線で示す特性の傾き）に相当する。
【００２４】
一方、前記ステップＳ５で排気ガス温度Ｔｇａｓの時間変化率ｄＴｇａｓ／ｄｔが閾値ＬＴｇを超えていれば、つまり排気ガス温度Ｔｇａｓの増加率が図５（Ｂ）に実線で示すように大きければ、ステップＳ８で水噴射弁２０による燃焼室１７内への水噴射を実行し、ステップＳ９で目標排気温度を前記ＬＴｇに設定し、ステップＳ１０でフィードフォワード水噴射量演算手段２２により水噴射量ＬＱｉを図５（Ｃ）に破線で示すように設定する。そしてステップＳ１１で排気ガス温度センサ２８で排気ガス温度を検出し、ステップＳ１２で水噴射量コントローラ２４が所定時間だけ水噴射量弁２０を開弁して燃焼室１７内に水を噴射する。
【００２５】
図５のタイムチャートを更に説明すると、図５（Ａ）〜（Ｄ）に実線で示すように、スロットル開度ＴＨ（アクセル開度ＡＰ）をステップ状に増加させたとき、水噴射量Ｑｉを０に設定すると、排気ガスの温度が低下しないためにステップ状に増加してしまい、蒸気温度が目標蒸気温度を超えて許容上限値をオーバーシュートしてしまう問題がある。逆に、図５（Ｂ）〜（Ｄ）に鎖線で示すように、水噴射量Ｑｉを過大に設定すると、排気ガスの温度が必要以上に低下して立ち上がりが遅れてしまい、蒸気温度が目標蒸気温度に達するまでに時間が掛かって応答性が低下する問題がある。
【００２６】
それに対して本実施例では、図５（Ｂ）〜（Ｄ）に破線で示すように、水噴射量Ｑｉを適量ＬＱｉに設定すると、排気ガスの温度が適度の傾きＬＴｇで立ち上がり、蒸気温度が目標蒸気温度に最短時間で収束して応答性を高めることができる。
【００２７】
図６は本発明の効果を説明するタイムチャートであって、図６（Ａ）に示す従来例の如く、燃焼室１７への水噴射を行わないために排気ガス温度が上昇してしまうと、蒸発器１１への給水量を制御しても蒸発器１１からの蒸気温度が目標温度をオーバーシュートしてしまう問題がある。それに対し、図６（Ｂ）に示す実施例では、燃焼室１７への水噴射を行って排気ガス温度の上昇を抑制することで、蒸発器１１への給水量の制御との協働によって蒸発器１１からの蒸気温度を目標温度に応答性良く収束させることが可能となる。
【００２８】
次に、燃焼室１７への水噴射を行うタイミングおよび噴射量が排気ガス温度に与える影響を考察する。
【００２９】
図７（Ａ）に示すように、水噴射を開始するタイミングを吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程で変化させる場合、そのタイミングを膨張行程が開始する上死点を０°としたＴＤＣ前クランクアングルで−９０°から−２００°の範囲（特にＢ位置）に設定すると、排気ガス温度が最も効果的に低下することが分かる。
【００３０】
図７（Ｂ）に示すように、図７（Ａ）のＢ位置で水噴射を開始した場合に、水噴射量を増加させるのに応じて排気ガス温度が低下することが分かる。水噴射弁２０の入出力間の差圧を一定とした場合、水噴射量は水噴射弁２０の開弁時間により決定されるので、要求水噴射量とエンジン回転数とから開弁時間を決定する必要がある。          
【００３１】
図８は、スロットル開度を１００％に増加させても蒸気温度が目標温度をオーバーシュートしないように水噴射量を設定した場合の、水噴射開始タイミングとエンジン出力との関係を示すものである。水噴射開始タイミングが膨張行程から排気行程にかけての範囲と、吸気行程の範囲とにあるときにエンジン出力の変動量が上下限値の間に納まっており、前記図７（Ａ）で説明したように、水噴射開始タイミングを膨張行程から排気行程にかけての範囲（クランクアングルで−９０°〜−２００°の範囲）に設定すると排気ガス温度が効果的に低下することを考慮すると、前記クランクアングルで−９０°〜−２００°の範囲で排気ガス温度を低下させながらエンジン出力の低下を抑制できることが分かる。
【００３２】
図９は水噴射開始タイミングおよび水噴射時間の設定に伴う排気ガス温度の変化を示すものである。この例では排気行程（クランクアングルで−２００°）において水噴射を開始した場合であり、単気筒エンジンの排気ポートの直後の排気ガス温度は、水噴射無しの場合には排気弁が開き始めると上昇して排気弁が閉じると下降するのに対し、水噴射を行うことで排気ガス温度が低下していることが分かる。このとき、水噴射量を調整すれば排気ガスの温度低下量を調整することができる。また四気筒エンジンの排気集合部での排気ガス温度は、各気筒からの排気ガスが混合したものの温度になるため，その変動の周期は単気筒エンジンに比べて４分の１になる。本発明における排気ガス温度の制御には、この混合した排気ガス温度が用いられる。
【００３３】
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。
【００３４】
例えば、実施例ではエンジンＥの燃焼室１７に水噴射を行っているが、排気ポート１９の上流端から蒸発器１１の上流端までの間の任意の位置に水噴射を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】温度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】目標排気ガス温度算出処理のフローチャート
【図５】スロットル開度、排気ガス温度、水噴射量および蒸気温度の変化を示すタイムチャート
【図６】スロットル開度、排気ガス温度、蒸気温度および給水量の変化を示すタイムチャート
【図７】水噴射開始タイミングおよび水噴射量と排気ガス温度との関係を示すグラフ
【図８】水噴射開始タイミングとエンジン出力との関係を示すグラフ
【図９】クランクアングルに対する排気ガス温度の変化の関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００３６】
１１        蒸発器
１２        膨張機
１７        燃焼室
２１        温度制御手段
２４        水噴射量コントローラ（排気ガス冷却手段）
２７        給水量コントローラ（液相作動媒体供給量制御手段）
Ｅ          エンジン
【図１】
2006249988.tif 000003
【図２】
2006249988.tif 000004
【図３】
2006249988.tif 000005
【図４】
2006249988.tif 000006
【図５】
2006249988.tif 000007
【図６】
2006249988.tif 000008
【図７】
2006249988.tif 000009
【図８】
2006249988.tif 000010
【図９】
2006249988.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月13日(2005.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
先ず、ステップＳ１でスロットル開度ＴＨ（あるいはアクセル開度ＡＰ）を検出し、ステップＳ２でエンジン回転数Ｎｅを検出し、ステップＳ３でスロットル開度ＴＨおよびエンジン回転数Ｎｅから排気ガス温度Ｔｇａｓをマップ検索により算出する。続くステップＳ４で排気ガス温度Ｔｇａｓの算出の遅れを補正する遅れ補正処理を行った後、ステップＳ５で排気ガス温度Ｔｇａｓの時間変化率ｄＴｇａｓ／ｄｔが閾値ＬＴｇ／ｄｔを超えていなければ、つまり排気ガス温度Ｔｇａｓの増加率が図５（Ｂ）に鎖線で示すように小さければ、ステップＳ６で水噴射弁２０による燃焼室１７内への水噴射を行わず、ステップＳ７で水噴射量を０に設定する。前記閾値ＬＴｇ／ｄｔは、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、スロットル開度ＴＨをステップ状に増加させたときの排気ガス温度Ｔｇａｓの増加率（破線で示す特性の傾き）に相当する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
一方、前記ステップＳ５で排気ガス温度Ｔｇａｓの時間変化率ｄＴｇａｓ／ｄｔが閾値ＬＴｇ／ｄｔを超えていれば、つまり排気ガス温度Ｔｇａｓの増加率が図５（Ｂ）に実線で示すように大きければ、ステップＳ８で水噴射弁２０による燃焼室１７内への水噴射を実行し、ステップＳ９で目標排気温度を前記ＬＴｇに設定し、ステップＳ１０でフィードフォワード水噴射量演算手段２２により水噴射量ＬＱｉを図５（Ｃ）に破線で示すように設定する。そしてステップＳ１１で排気ガス温度センサ２８で排気ガス温度を検出し、ステップＳ１２で水噴射量コントローラ２４が所定時間だけ水噴射量弁２０を開弁して燃焼室１７内に水を噴射する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
それに対して本実施例では、図５（Ｂ）〜（Ｄ）に破線で示すように、水噴射量Ｑｉを適量ＬＱｉに設定すると、排気ガスの温度が適度の傾きＬＴｇ／ｄｔで立ち上がり、蒸気温度が目標蒸気温度に最短時間で収束して応答性を高めることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2006249988.tif 000012
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2006249988.tif 000013