(57)【要約】【課題】ランキンサイクル装置において、蒸発器において発生する気相作動媒体の温度を応答性良く、かつ精度良く目標温度に制御する。【解決手段】ランキンサイクル装置において、蒸発器の出口での蒸気温度を目標蒸気温度に一致させるべく、蒸発器への給水量を制御し、かつ膨張機の回転数を制御する。蒸発器への給水量をステップ状に減少させると、蒸発器の出口での蒸気温度はゆっくりと上昇して所定温度に収束する。また膨張機の回転数をステップ状に減少させると、一時的ではあるが蒸気温度が速やかに上昇する。従って、蒸発器への給水量の制御と膨張機の回転数の制御とを併用することにより、蒸発器の出口での蒸気温度を応答性良く、かつ精度良く目標蒸気温度に一致させることができ、蒸発器の効率および膨張機の効率を合わせた総合効率を最大にすることができる。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１１）の排気ガス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（１２）と、蒸発器（１２）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容積型の膨張機（１３）とを備えたランキンサイクル装置において、
蒸発器（１２）の出口での気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、蒸発器（１２）への液相作動媒体の供給量を制御し、かつ膨張機（１３）の回転数を制御する制御手段（２０）を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排気ガス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容積型の膨張機とを備えたランキンサイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
実公平２−３８１６１号公報には、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の出口での蒸気温度を目標蒸気温度と比較し、蒸気温度が目標蒸気温度に一致するように廃熱貫流ボイラへの給水量をフィードバック制御するものにおいて、廃熱貫流ボイラの出口での蒸気圧力に基づいて算出したフィードフォワード信号をフィードバック信号に加算することにより、エンジンの負荷変動を補償して蒸気温度の制御精度の向上を図るものが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示すように、ランキンサイクル装置において、膨張機の出力がプラスになるには、つまり膨張機から機械エネルギーを取り出すためには、蒸発器の出口での蒸気温度を飽和蒸気温度以上に制御する必要がある。また図１３に示すように、蒸発器の効率および膨張機の効率は蒸気温度によって変化し、両者の効率を合わせた総合効率を最大にするには、蒸気温度を最適温度に制御する必要がある。しかしながら、図４（Ａ）に示すように、蒸発器への給水量をステップ状に変化させた場合に、蒸気温度の変化の応答性が低いために定常状態に達するのに数十秒から数百秒が必要であり、従ってエンジン負荷の変動速度が速い車両用のランキンサイクル装置では、蒸発器への給水量を変化させることで蒸発器の出口での蒸気温度を応答性良く、かつ精度良く制御することは困難である。
【０００４】
給水量の増減で蒸気温度を応答性良く制御するには蒸発器のヒートマスを小さくすることが必要であり、そのためには蒸発器のケーシングを小型化し、伝熱管の長さを短くする必要があるが、このようにすると蒸発器が発生する蒸気量が不足したり、蒸発器の効率が低下したりする問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ランキンサイクル装置において、蒸発器において発生する気相作動媒体の温度を応答性良く、かつ精度良く目標温度に制御することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
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容積型の膨張機とを備えたランキンサイクル装置において、蒸発器の出口での気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、蒸発器への液相作動媒体の供給量を制御し、かつ膨張機の回転数を制御する制御手段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。
【０００７】
上記構成によれば、エンジンの排気ガス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への液相作動媒体の供給量を制御し、かつ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容積型の膨張機の回転数を制御することにより、蒸発器で発生する気相作動媒体の温度を目標温度に応答性良く、かつ精度良く一致させ、蒸発器の効率および膨張機の効率を合わせた総合効率を最大にすることができる。
【０００８】
尚、実施例のコントローラ２０は本発明の制御手段に対応する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図９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図、図２は蒸発器の内部の作動媒体の温度分布を示す図、図３は膨張機回転数をステップ状に変化させたときの蒸気圧力および蒸気温度の変化を示すグラフ、図４は給水量および膨張機回転数を同時に変化させたときの蒸気温度の変化を示すグラフ、図５は蒸気温度制御のメインルーチンのフローチャート、図６は給水量フィードフォワード値算出ルーチンのフローチャート、図７は目標膨張機回転数算出ルーチンのフローチャート、図８はエンジン回転数Ｎｅおよび吸気負圧Ｐｂ等のエンジン運転状態から燃料流量ＧＦ　を検索するマップ、図９は排気ガス流量Ｇｇａｓ　および排気ガス温度Ｔｇから給水量フィードフォワード値ＱＦＦを検索するマップである。
【００１１】
図１に示すように、車両のエンジン１１の排気ガスの熱エネルギーを回収するためのランキンサイクル装置は、エンジン１１の排気ガスで液相作動媒体（水）を加熱して高温高圧の気相作動媒体（蒸気）を発生させる蒸発器１２と、蒸発器１２で発生した高温高圧の蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機１３と、膨張機１３から排出された蒸気を冷却して水に凝縮させる凝縮器１４と、凝縮器１４から排出された水を貯留するタンク１５と、タンク１５内の水を吸引する給水ポンプ１６と、給水ポンプ１６で吸引した水を蒸発器１２に噴射するインジェクタ１７とを閉回路上に配置してなる。
【００１２】
膨張機１３に接続されたモータ・ジェネレータ１８は例えばエンジン１１と駆動輪との間に配置されており、モータ・ジェネレータ１８をモータとして機能させてエンジン１１の出力をアシストするとともに、車両の減速時にモータ・ジェネレータ１８をジェネレータとして機能させて車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。尚、モータ・ジェネレータ１８は膨張機１３に単体で接続されて電気エネルギーの発生機能のみを有するものでも良い。そして本発明では、モータ・ジェネレータ１８の負荷（発電量）を調整することで、モータ・ジェネレータ１８から膨張機１３に加わる負荷を調整して該膨張機１３の回転数を制御する。エンジン１１の運転状態、つまりエンジン回転数Ｎｅ、吸気負圧Ｐｂ、排気ガス温度Ｔｇおよび空燃比Ａ／Ｆと、蒸気温度センサ１９で検出した蒸発器１２の出口での蒸気温度Ｔが入力されるコントローラ２０は、インジェクタ１７の水供給量（あるいは給水ポンプ１６の回転数）と、モータ・ジェネレータ１８が発生する負荷、つまり膨張機１３の回転数とを制御する。
【００１３】
次に、膨張機１３の回転数を調整することで蒸発器１２の出口での蒸気温度を制御できる理由について説明する。
【００１４】
図２（Ａ）は蒸発器１２の構造を模式的に示すもので、蒸発器１２のケーシング２１の内部に配置された伝熱管２２は、インジェクタ１７に連なる水入口２２ａと膨張機１３に連なる蒸気出口２２ｂとを備えており、ケーシング２１は蒸気出口２２ｂ側に排気ガス入口２１ａを備えるとともに水入口２２ａ側に排気ガス出口２１ｂを備える。従って、作動媒体および排気ガスは相互に逆方向に流れることになる。
【００１５】
図２（Ｂ）に示すように、伝熱管２２の水入口２２ａに供給された水は液相状態で次第に温度上昇し、ａ点において飽和温度に達すると水および蒸気が共存する湿り飽和蒸気（二相状態）になって飽和温度に維持され。ｂ点において水が全て気相状態の過熱蒸気になって該蒸気の温度は飽和温度から上昇する。膨張機１３への蒸気の供給量を一定に保持したまま、図３に示すように、モータ・ジェネレータ１８の負荷を低減して膨張機１３の回転数をステップ状に増加させると蒸気圧力が減少し、水の気化潜熱および膨張熱によって一時的に蒸気温度が低下する。つまり、図２（Ｃ）に示すように、飽和温度が低下してａ点およびｂ点が水入口２２ａ側にシフトし、蒸気出口２２ｂから排出される蒸気温度が一時的に低下する。この蒸気温度の低下速度は蒸気圧力の低下速度に比例するもので数秒のオーダーである。その後、図２（Ｄ）に示すように、伝熱管２２内の作動媒体は排気ガスの熱エネルギーを受け続けて温度上昇し、図３に示すように、膨張機１３の回転数を増加させる前の温度に復帰する。この温度変化は蒸発器１２のヒートマスの影響を受けるため、数十秒〜数百秒のオーダーとなる。このように、膨張機１３の回転数を増減させることで、蒸発器１２の出口での蒸気温度を、一時的にではあるが応答性良く制御することができる。
【００１６】
上述したように、膨張機１３の回転数の増減による蒸気温度の変化は一時的なものであり、時間の経過と共に蒸気温度は元に戻ってしまうため、膨張機１３の回転数の増減と同時にインジェクタ１７から蒸発器１２への給水量を制御する。例えば、蒸発器１２の出口での蒸気温度を上昇させるべく、図４（Ａ）に示すように、蒸発器１２への給水量をステップ状に減少させると、蒸発器１２の出口での蒸気温度は数十秒〜数百秒のオーダーでゆっくりと上昇して所定温度に収束する。このように、給水量の増減による蒸気温度の制御は応答性が極めて低いものであるが、これと同時並行して、図４（Ｂ）に示すように、膨張機１３の回転数をステップ状に減少させて蒸気温度を一時的に上昇させることで、図４（Ｃ）に示すように、蒸気温度を応答性良く、かつ精度良く目標蒸気温度に制御することができ、その結果、蒸発器の効率および膨張機の効率を合わせた総合効率を最大にすることができる。
【００１７】
次に、上記作用を図５〜図７のフローチャートに基づいて更に説明する。
【００１８】
先ずステップＳ１で蒸気温度センサ１９により蒸発器１２の出口での蒸気温度Ｔを検出し、ステップＳ２でエンジン１１の運転状態、つまりエンジン回転数Ｎｅ、吸気負圧Ｐｂ、排気ガス温度Ｔｇおよび空燃比Ａ／Ｆを検出し、ステップＳ３で給水量フィードフォワード値ＱＦＦをＮｅ，Ｐｂ，Ｔｇ，Ａ／Ｆに基づいて算出する。
【００１９】
図６は前記ステップＳ３のサブルーチンを示すもので、ステップＳ１１でエンジン回転数Ｎｅおよび吸気負圧Ｐｂを図８のマップに適用してエンジン１１の燃料流量ＧＦ　を検索する。燃料流量ＧＦ　はエンジン回転数Ｎｅが大きいほど、また吸気負圧Ｐｂが高いほど大きくなる。尚、吸気負圧Ｐｂが高い領域で燃料流量ＧＦ　が急激に増加するのは、エンジン１１の高負荷時に燃料がリッチになるためである。続くステップＳ１２で排気ガス流量Ｇｇａｓ　を空燃比Ａ／Ｆおよび燃料流量ＧＦ　を用いて、（Ａ／Ｆ＋１）×ＧＦ　により算出する。そしてステップＳ１３で排気ガス流量Ｇｇａｓ　および排気ガス温度Ｔｇを図９のマップに適用して給水量フィードフォワード値ＱＦＦを検索する。給水量フィードフォワード値ＱＦＦは、排気ガス流量Ｇｇａｓ　が大きいほど、また排気ガス温度Ｔｇが高いほど大きくなる。尚、給水量フィードフォワード値ＱＦＦは、目標蒸気温度Ｔ０　の上昇に応じて僅かに増加するように補正される。
【００２０】
このようにして給水量フィードフォワード値ＱＦＦが算出されると、図５のフローチャートに戻り、ステップＳ４でインジェクタ１７の給水指令値、つまりインジェクタ１７の開度指令値Ｔｉを給水量フィードフォワード値ＱＦＦから算出する。尚、給水量は給水ポンプ１６の回転数に応じて変化することから、前記ステップＳ４に代えて、ステップＳ４′でインジェクタ１７の給水指令値、つまり給水ポンプ１６の回転数Ｎｐを給水量フィードフォワード値ＱＦＦから算出しても良い。
【００２１】
続くステップＳ５で蒸気温度Ｔを目標蒸気温度Ｔ０　に制御するための膨張機１３の目標回転数Ｎｅｘｐ　を算出する。図７は前記ステップＳ５のサブルーチンを示すもので、ステップＳ２１で蒸気温度Ｔが目標蒸気温度Ｔ０　を越えていれば、ステップＳ２２で目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　に回転数増減量ΔＮｅｘｐ　を加算し、逆に蒸気温度Ｔが目標蒸気温度Ｔ０　以下であれば、ステップＳ２３で目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　から回転数増減量ΔＮｅｘｐ　を減算する。そして図５のフローチャートのステップＳ６で目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　を指令値として出力し、モータ・ジェネレータ１８が発生する負荷を変化させて膨張機１３の回転数を制御する。
【００２２】
次に、図１０および図１１に基づいて本発明の第２実施例を説明する。図１０のフローチャートは図５のフローチャート（第１実施例）のステップＳ３（給水量フィードフォワード値算出）の後に、ステップＳ３Ａ，Ｓ３Ｂを付加したものであり、その他のステップは実質的に同じである。即ち、ステップＳ３Ａで給水量フィードバック値ＱＦＢを目標蒸気温度Ｔ０　と蒸気温度Ｔとの偏差Ｔ０　−ＴのＰＩＤ演算値として算出する。そしてステップＳ３Ｂで給水量フィードフォワード値ＱＦＦに給水量フィードバック値ＱＦＢを加算して給水量Ｑ０　を算出し、ステップＳ４（あるいはステップＳ４′）で給水量Ｑ０　に基づいて給水量指令値を算出する。
【００２３】
ステップＳ５で目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　を算出するとき（図７参照）、図１１に示すように、蒸気流量が小さいときには目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　の回転数増減量ΔＮｅｘｐ　が小さくても蒸気温度を変化させることができるが、蒸気流量が大きいときには目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　の回転数増減量ΔＮｅｘｐ　を大きくしないと蒸気温度を変化させることができない。また目標蒸気温度Ｔ０　と蒸気温度Ｔとの偏差Ｔ０　−Ｔが大きいときには回転数増減量ΔＮｅｘｐ　を大きくし、偏差Ｔ０　−Ｔが小さいときには回転数増減量ΔＮｅｘｐ　を小さくすることで、膨張機回転数を目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　に速やかに収束させることができる。
【００２４】
以上のように、第２実施例によれば、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを併用したことで、膨張機回転数を目標膨張機回転数Ｎｅｘｐ　に一層精密に収束させることができる。
【００２５】
以上、本発明の実施例を詳述したが、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。
【００２６】
例えば、図６のフローチャートで給水量フィードフォワード値ＱＦＦをＮｅ，Ｐｂ，Ｔｇ，Ａ／Ｆに基づいて算出しているが、それを流量センサで排ガス流量を直接検出しても良い。
【００２７】
また図６のフローチャートのステップＳ１１でエンジン１１の燃料流量ＧＦ　をエンジン回転数Ｎｅおよび吸気負圧Ｐｂからマップ検索しているが、それをエンジン１１の燃料噴射量から算出しても良い。
【００２８】
また作動媒体は水（蒸気）に限定されず、他の適宜の作動媒体を採用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように請求項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への液相作動媒体の供給量を制御し、かつ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容積型の膨張機の回転数を制御することにより、蒸発器で発生する気相作動媒体の温度を目標温度に応答性良く、かつ精度良く一致させ、蒸発器の効率および膨張機の効率を合わせた総合効率を最大にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成図
【図２】蒸発器の内部の作動媒体の温度分布を示す図
【図３】膨張機回転数をステップ状に変化させたときの蒸気圧力および蒸気温度の変化を示すグラフ
【図４】給水量および膨張機回転数を同時に変化させたときの蒸気温度の変化を示すグラフ
【図５】蒸気温度制御のメインルーチンのフローチャート
【図６】給水量フィードフォワード値算出ルーチンのフローチャート
【図７】目標膨張機回転数算出ルーチンのフローチャート
【図８】エンジン回転数Ｎｅおよび吸気負圧Ｐｂ等のエンジン運転状態から燃料流量ＧＦ　を検索するマップ
【図９】排気ガス流量Ｇｇａｓ　および排気ガス温度Ｔｇから給水量フィードフォワード値ＱＦＦを検索するマップ
【図１０】第２実施例に係る蒸気温度制御のメインルーチンのフローチャート
【図１１】蒸気流量および偏差Ｔ０　−Ｔから回転数増減量ΔＮｅｘｐ　を検索するマップ
【図１２】蒸気温度と膨張機出力との関係を示すグラフ
【図１３】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
【符号の説明】
１１　　　　エンジン
１２　　　　蒸発器
１３　　　　膨張機
２０　　　　コントローラ（制御手段）
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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