(57)【要約】【課題】内燃機関の燃料消費率の悪化を抑制しつつ、廃熱回収のための作動流体の凍結を解消する。【解決手段】エンジン１０からの排気ガスの廃熱により蒸気化した作動流体が循環する蒸気ループ内において作動流体が凍結している可能性があると判定された場合に、蒸気ループ上に設けられた電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費と、エンジン冷却水のみを熱源として暖房用送風を昇温する場合に悪化する燃費と、エンジン冷却水に加えて蒸気化した作動流体を熱源として暖房用送風を昇温する場合に向上する燃費と、を算出し、エンジン冷却水に加えて蒸気化した作動流体を熱源として暖房用送風を昇温する場合に向上する燃費が、電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費と、エンジン冷却水のみを熱源として暖房用送風を昇温する場合に悪化する燃費とを上回る場合に、電気ヒータ５０を作動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスの廃熱により蒸気化した作動流体が循環する蒸気経路内において前記作動流体が凍結している可能性を判定する凍結判定手段と、
前記凍結判定手段により前記作動流体が凍結している可能性があると判定された場合に、前記蒸気経路上に設けられた加熱装置を作動させた場合に悪化する燃費と、前記内燃機関を冷却する冷媒のみを熱源として車両の昇温対象を昇温する場合に悪化する燃費と、前記冷媒に加えて前記蒸気化した作動流体を熱源として前記昇温対象を昇温する場合に向上する燃費と、を算出する算出手段と、
前記冷媒に加えて前記蒸気化した作動流体を熱源として前記昇温対象を昇温する場合に向上する燃費が、前記加熱装置を作動させた場合に悪化する燃費と、前記冷媒のみを熱源として前記昇温対象を昇温する場合に悪化する燃費とを上回る場合に、前記加熱装置を作動させる制御手段と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の駆動に伴って発生する廃熱のエネルギーを、媒体となる流体を介して回収し、利用する廃熱利用装置が知られている。例えば、特許文献１では、排気通路上に蒸気発生器を設け、蒸気発生器より発生した蒸気を熱交換器に流入させ、熱交換器においてエンジン冷却水と蒸気との間で熱交換を行うことにより、冷間時のエンジン早期暖機を行う廃熱利用装置が記載されている。
【０００３】
また、エンジン冷間時および外気温が低温である場合におけるエンジンの制御に関する技術として、特許文献２及び３がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５６３１５号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３１６１号公報
【特許文献３】特開２００６−０５２７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の廃熱利用装置では、蒸気発生器で発生した蒸気が熱交換器へと流通し、エンジン冷却水との熱交換後に凝縮して蒸気発生器へ循環する蒸気ループが形成されている。ここで、外気温が氷点下である場合、蒸気ループ内において凝縮水が凍結する恐れが生じる。凝縮水が凍結することを防ぐためには、蒸気ループ内に凍結防止用の電気ヒータを設け、蒸気ループに熱を加えるという対策が考えられる。しかしながら、電気ヒータを作動させた場合、電気ヒータが作動する分だけエンジンに負荷が生じ、エンジンの燃料消費率（燃費）が悪化してしまう。
【０００６】
そこで、本明細書開示の制御装置は、内燃機関の燃料消費率の悪化を抑制しつつ、廃熱回収のための作動流体の凍結を解消することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本明細書開示の制御装置は、内燃機関から排出される排気ガスの廃熱により蒸気化した作動流体が循環する蒸気経路内において前記作動流体が凍結している可能性を判定する凍結判定手段と、前記凍結判定手段により前記作動流体が凍結している可能性があると判定された場合に、前記蒸気経路上に設けられた加熱装置を作動させた場合に悪化する燃費と、前記内燃機関を冷却する冷媒のみを熱源として車両の昇温対象を昇温する場合に悪化する燃費と、前記冷媒に加えて前記蒸気化した作動流体を熱源として前記昇温対象を昇温する場合に向上する燃費と、を算出する算出手段と、前記冷媒に加えて前記蒸気化した作動流体を熱源として前記昇温対象を昇温する場合に向上する燃費が、前記加熱装置を作動させた場合に悪化する燃費と、前記冷媒のみを熱源として前記昇温対象を昇温する場合に悪化する燃費とを上回る場合に、前記加熱装置を作動させる制御手段と、を備える。
【０００８】
上記の構成によれば、冷媒に加えて蒸気化した作動流体を熱源として車両の昇温対象を昇温する場合に向上する燃費が、蒸気経路上に設けられた加熱装置を作動させた場合に悪化する燃費と、内燃機関を冷却する冷媒のみを熱源として昇温対象を昇温する場合に悪化する燃費とを上回る場合に、加熱装置を作動させるため、内燃機関の燃料消費率の悪化を抑制しつつ、廃熱回収のための作動流体の凍結が解消される。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書開示の制御装置によれば、内燃機関の燃料消費率の悪化を抑制しつつ、廃熱回収のための作動流体の凍結が解消される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例に係る廃熱利用システムの構成を模式的に示した図である。
【図２】図２は、排気熱回収器の構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、ＥＣＵが実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４（Ａ）は、冷却水温度及び外気温から蒸気暖房燃費効果を算出するためのマップの一例であり、図４（Ｂ）は、冷却水温度及び外気温から水暖房燃費悪化を算出するためのマップの一例であり、図４（Ｃ）は、外気温から電気ヒータ作動時の燃費悪化を算出するためのマップの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１２】
本願発明に係る制御装置を含む廃熱利用システムの構成の一例について図１を参照しつつ説明する。図１は、実施例に係る廃熱利用システム１００の構成を模式的に示した図である。
【００１３】
廃熱利用システム１００は、エンジン１０、冷媒循環通路１１、排気熱回収器２０、蒸気流通配管２１、凝縮液流通配管２２、蒸気側熱交換器３０、及び水側熱交換器４０とを備える。
【００１４】
排気熱回収器２０は、エンジン１０から排出される排気ガスが流通する排気ガス通路１２を備え、排気ガスの廃熱により作動流体を蒸気化する。なお、本実施冷では、作動流体を水であるとして説明をおこなうが、作動流体は水に限られるものではない。排気熱回収器２０の詳細については後述する。
【００１５】
蒸気流通配管２１は、蒸気側熱交換器３０へ引き込まれている。排気熱回収器２０で蒸気化した作動流体は、矢印で示すように蒸気流通配管２１を流通し、蒸気側熱交換器３０において、空調装置７０に流入した空気と熱交換を行う。これにより、蒸気化した作動流体を熱源として、暖房用送風を昇温することができる。なお、本実施例においては、この暖房用送風が、昇温対象の一例である。
【００１６】
凝縮液流通配管２２は、排気熱回収器２０に接続されている。空調装置７０内で空気と熱交換を行った後、凝縮された作動流体は、凝縮液流通配管２２を流通し、排気熱回収器２０へと戻る。このように、蒸気流通配管２１、排気熱回収器２０、及び凝縮液流通配管２２は接続されており、作動流体が循環するループ状の経路を形成している。以後、作動流体が循環するループ状の経路を蒸気ループ（蒸気経路に相当する）と記載する。
【００１７】
また、凝縮液流通配管２２上には、凝縮水の凍結を防止するための電気ヒータ５０が配設されている。電気ヒータ５０は、後述するＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０により、そのオン・オフが制御される。
【００１８】
エンジン１０の冷却に用いられる冷媒が循環する冷媒循環通路１１は、水側熱交換器４０へと引き込まれている。本実施例では、エンジン１０の冷却に用いられる冷媒は水（冷却水）であるとして説明を行うが、冷媒は水に限られるものではない。エンジン１０の熱により温められた冷却水は、矢印で示すように冷媒循環通路１１を流通し、水側熱交換器４０において、空調装置７０に流入した空気と熱交換を行う。これにより、エンジン１０の熱により温められた冷却水を熱源として、暖房用送風を昇温することができる。
【００１９】
また、廃熱利用システム１００は、凍結判定手段、算出手段、及び制御手段として機能するＥＣＵ６０を備える。ＥＣＵ６０は、外気温を計測する外気温計７１、凝縮液流通配管２２の配管表面温度を計測する温度計７２、エンジン１０内の冷却水の温度を計測する水温計７３、及び電気ヒータ５０と電気的に接続されている。
【００２０】
ＥＣＵ６０は、温度計７２から凝縮液流通配管２２の配管表面温度を取得し、蒸気ループ内の凝縮水が凍結している可能性（以後、凍結の可能性と記載する）があるか否か判定する。例えば、ＥＣＵ６０は、配管表面温度が作動流体の凝固点よりも所定温度（例えば５度）低い場合に、凍結の可能性があると判定する。
【００２１】
また、ＥＣＵ６０は、水温計７３からエンジン１０内の冷却水の温度を取得し、取得した冷却水の温度と、空調装置７０から送風される暖房風の目標吹き出し温度（ＴＡＯ：Temperature Air Output）とに基づいて、水側熱交換器４０に加えて、蒸気側熱交換器３０を用いて暖房用送風を目標吹き出し温度ＴＡＯまで昇温させる場合に向上する燃費を算出する。なお、目標吹き出し温度ＴＡＯは、温度設定スイッチの操作によって設定された暖房の設定温度、車室内の気温、日射量、外気温、並びに冷媒温度などに基づいて算出できる。この目標吹き出し温度ＴＡＯは、空調装置７０から車室内に吹き出される空気の温度についての目標値であり、車室内の温度を上記設定温度に維持することが可能になる温度である。
【００２２】
また、ＥＣＵ６０は、取得した冷却水の温度と、目標吹き出し温度ＴＡＯとに基づいて、水側熱交換器４０のみを用いて暖房用送風を目標吹き出し温度ＴＡＯまで昇温させる場合に悪化する燃費を算出する。また、ＥＣＵ６０は、外気温から、電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費を算出する。ＥＣＵ６０は、算出した各燃費に基づき、電気ヒータ５０のオン・オフを制御する。
【００２３】
次に、排気熱回収器２０の構成について図２を用いて説明する。図２は、排気熱回収器２０の構成の一例を示す図である。
【００２４】
蒸気側熱交換器３０において空気と熱交換し、凝縮した作動流体は、凝縮液流通配管２２から排気熱回収器２０へと回収される。排気熱回収器２０内には、排気ガス通路１２が配設されており、排気熱回収器２０に回収された液相の作動流体は、排気ガスとの間で熱交換を行い、沸騰する。沸騰して蒸気化した作動流体は、蒸気流通配管２１から蒸気側熱交換器３０へ流通する。
【００２５】
次に、ＥＣＵ６０が実行する処理の一例について説明する。図３は、ＥＣＵ６０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【００２６】
ＥＣＵ６０は、まず、蒸気ループ内の凝縮水が凍結している可能性があるか否か判定する（ステップＳ１０）。例えば、ＥＣＵ６０は、凝縮液流通配管２２の配管表面温度が、作動流体の凝固点よりも所定温度（例えば、５℃）低い場合に、凝縮水が凍結している可能性があると判定する。なお、凍結判定の方法は上記に限られない。例えば、ＥＣＵ６０は、外気温と車速とを用いて凍結の可能性を判定してもよい。具体的には、外気温が作動流体の凝固点よりも低く、かつ、マップから求められる車速に対する熱移動量が、実際の熱移動量よりも大きい場合に、ＥＣＵ６０は、凍結の可能性があると判定してもよい。また、ＥＣＵ６０は、外気温と駐車時間とを用いて凍結の可能性を判定してもよい。具体的には、外気温が作動流体の凝固点よりも低く、かつ、駐車時間が所定時間を超えた場合に、ＥＣＵ６０は、凍結の可能性があると判定してもよい。さらに、ＥＣＵ６０は、蒸気ループ内の圧力を用いて凍結の可能性を判定してもよい。具体的には、現在の蒸気ループ内の圧力が、正常時のループ内の圧力よりも低い場合に、ＥＣＵ６０は凍結の可能性があると判定してもよい。
【００２７】
蒸気ループ内の凝縮水が凍結する可能性がないと判定した場合（ステップＳ１０／ＮＯ）、ＥＣＵ６０は、凍結の可能性を監視するためステップＳ１０の処理を繰り返す。
【００２８】
蒸気ループ内の凝縮水が凍結する可能性があると判定した場合（ステップＳ１０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は、冷却水の温度、及び目標吹き出し温度（ＴＡＯ）に基づき、蒸気暖房燃費効果を算出する（ステップＳ１２）。具体的には、図４（Ａ）に示すマップを用いて、冷却水の温度及び目標吹き出し温度ＴＡＯから蒸気暖房燃費効果を算出する。ここで、蒸気暖房燃費効果とは、蒸気を熱源として暖房用送風を昇温させる、すなわち、水側熱交換器４０に加えて蒸気側熱交換器３０を利用して暖房用送風を目標吹き出し温度ＴＡＯまで昇温させる場合、水側熱交換器４０のみで暖房用送風を目標吹き出し温度ＴＡＯまで昇温させる場合と比較して、どの程度燃費が向上するかを示すものである。
【００２９】
図４（Ａ）は、冷却水の温度及びＴＡＯから蒸気暖房燃費効果を算出するためのマップの一例である。図４（Ａ）において、各曲線は、ＴＡＯごとの蒸気暖房燃費効果を表す。ＥＣＵ６０は、図４（Ａ）において、水温計７３から取得した冷却水の温度（冷却水温度）から垂直に伸ばした直線と、ＴＡＯと対応する曲線との交点における蒸気暖房燃費効果の値（α）を取得する。なお、図４（Ａ）から、冷却水温度が同じ場合、ＴＡＯが大きいほど蒸気暖房燃費効果が高くなることがわかる。また、冷却水温度が低いほど、蒸気暖房燃費効果は高くなる。
【００３０】
図３に戻り説明を続ける。次に、ＥＣＵ６０は、冷却水温度及びＴＡＯに基づき、水暖房燃費悪化（β）を算出する（ステップＳ１４）。具体的には、図４（Ｂ）に示すマップを用いて、冷却水温度及びＴＡＯから水暖房燃費悪化を算出する。ここで、水暖房燃費悪化とは、冷却水のみを熱源として暖房用送風を昇温させる、すなわち、水側熱交換器４０のみを用いて暖房用送風を目標吹き出し温度ＴＡＯまで昇温させる場合、どの程度燃費が悪化するかを示すものである。水側熱交換器４０は、エンジン１０の冷却水を熱源として暖房用送風を昇温させるため、目標吹き出し温度ＴＡＯが高ければ冷却水の温度を上昇させる必要がある。冷却水の温度を上昇させるには、エンジン１０から熱を受け取る必要があり、燃料が余計に消費される。したがって、水側熱交換器４０のみを用いて暖房用送風を昇温させると、燃費が悪化する。
【００３１】
図４（Ｂ）は、冷却水温度及びＴＡＯから水暖房燃費悪化を算出するためのマップの一例である。図４（Ｂ）において、各曲線は、ＴＡＯごとの水暖房燃費悪化を表す。ＥＣＵ６０は、図４（Ｂ）において、水温計７３から取得した冷却水の温度から垂直に伸ばした直線と、ＴＡＯと対応する曲線との交点における水暖房燃費悪化の値（β）を取得する。なお、図４（Ｂ）から、冷却水温度が同じ場合、ＴＡＯが大きいほど燃費が悪化することがわかる。また、冷却水温度が低いほど、燃費は悪化する。
【００３２】
次に、ＥＣＵ６０は、外気温から、電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費（燃費悪化）を算出する（ステップＳ１６）。具体的には、図４（Ｃ）に示すマップを用いて、外気温に基づいて、燃費悪化を算出する。ここで、燃費悪化とは、電気ヒータ５０を作動させることによって、電気ヒータ５０を作動させない場合の燃費と比較して、どの程度燃費が悪化するかを示すものである。
【００３３】
図４（Ｃ）は、外気温から燃費悪化を算出するためのマップの一例である。図４（Ｃ）において、曲線は外気温と燃費悪化との関係を表している。ＥＣＵ６０は、図４（Ｃ）において、外気温計７１から取得した外気温から垂直に伸ばした直線と、曲線とが交わる点における燃費悪化（γ）を取得する。
【００３４】
次に、ＥＣＵ６０は、蒸気暖房燃費効果が、水暖房燃費悪化と電気ヒータ５０を作動させることによる燃費悪化との和よりも大きいか否か判定する（ステップＳ１８）。すなわち、暖房用送風の昇温に、水側熱交換器４０だけでなく蒸気側熱交換器３０も用いることで向上する燃費（α）を、暖房用送風の昇温に水側熱交換器４０のみを用いた場合に悪化する燃費と電気ヒータ５０を作動させることによって悪化する燃費との和（β＋γ）と比較する。蒸気暖房燃費効果（α）が、水暖房燃費悪化（β）と電気ヒータ５０の作動による燃費悪化（γ）との和よりも大きい場合、すなわち、α＞β＋γの場合（ステップＳ１８／ＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は電気ヒータ５０をＯＮにする（ステップＳ２０）。例えば、水側熱交換器４０だけでなく蒸気側熱交換器３０も用いて暖房用送風を昇温することで燃費が５％向上するとする。このとき、水側熱交換器４０のみによって暖房用送風を昇温させると燃費が２％悪化し、電気ヒータ５０を作動させることによって燃費が１％悪化する場合、ＥＣＵ６０は、電気ヒータ５０をＯＮにする。これにより、電気ヒータ５０が作動し、蒸気ループ内の凍結が解消される。また、蒸気側熱交換器３０の使用により向上した燃費によって、水側熱交換器４０を用いた暖房用送風の昇温によって悪化する燃費と、電気ヒータ５０の作動によって悪化する燃費とをカバーできるため、エンジン１０の燃費の悪化が抑制される。
【００３５】
一方、蒸気暖房燃費効果（α）が、水暖房燃費悪化（β）と電気ヒータ５０の作動による燃費悪化（γ）との和よりも小さい場合（ステップＳ１８／ＮＯ）、ＥＣＵ６０は電気ヒータ５０をＯＦＦにする（ステップＳ２２）。例えば、水側熱交換器４０だけでなく蒸気側熱交換器３０も用いて暖房用送風を昇温することで燃費が３％向上するとする。このとき、水側熱交換器４０のみによって暖房用送風を昇温させると燃費が２％悪化し、電気ヒータ５０を作動させることによって燃費が２％悪化する場合、ＥＣＵ６０は、電気ヒータ５０をＯＦＦにする。この結果、電気ヒータ５０をＯＦＦすることで電気ヒータ５０を作動させることによる燃費の悪化が生じないため、エンジン１０の燃費の悪化が抑制される。なお、蒸気ループ内の凍結は、排気熱回収器２０から蒸気ループへの伝熱により生じる熱によって解消される。
【００３６】
ＥＣＵ６０は、ステップＳ２０又はステップＳ２２の後、ステップＳ１０からの処理を繰り返す。なお、ステップＳ２０において電気ヒータ５０をＯＮした場合、時間の経過にしたがってエンジン冷却水の温度は上昇するため、蒸気暖房燃費効果が時間の経過とともに低下していき、水暖房燃費悪化と電気ヒータ５０の作動による燃費悪化との和を下回ると、すなわち、β＋γ＞αとなると、電気ヒータ５０はＯＦＦされる。
【００３７】
以上説明したように、上述の実施例に係るＥＣＵ６０は、蒸気ループ内で凝縮水が凍結している可能性がある場合、蒸気ループ上に設けられた電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費と、エンジン１０を冷却する冷却水を熱源とする水側熱交換器４０のみによって車両の室内暖房用送風を昇温する場合に悪化する燃費と、水側熱交換機４０に加えてエンジン１０の排気ガスの熱によって蒸気化した作動流体を熱源とする蒸気側熱交換器３０を用いて車両の室内暖房用送風を昇温する場合に向上する燃費と、を算出し、水側熱交換器４０に加えて蒸気側熱交換器３０を用いて室内暖房用送風を昇温する場合に向上する燃費が、蒸気ループ上に設けられた電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費と、水側熱交換器４０のみによって室内暖房用送風を昇温する場合に悪化する燃費とを上回る場合に、電気ヒータ５０を作動させる。これにより、電気ヒータ５０が作動し、蒸気ループ内の凍結が解消される。また、蒸気側熱交換器３０の使用により向上した燃費によって、水側熱交換器４０を用いた暖房用送風の昇温によって悪化する燃費と、電気ヒータ５０の作動によって悪化する燃費とをカバーできるため、エンジン１０の燃費の悪化が抑制される。
【００３８】
また、ＥＣＵ６０は、水側熱交換器４０に加えて蒸気側熱交換器３０を用いて室内暖房用送風を昇温する場合に向上する燃費が、蒸気ループ上に設けられた電気ヒータ５０を作動させた場合に悪化する燃費と、水側熱交換器４０のみによって室内暖房用送風を昇温する場合に悪化する燃費とを下回る場合には、電気ヒータ５０を作動させない。これによって、電気ヒータ５０を作動させることによる燃費の悪化が生じないため、エンジン１０の燃費の悪化が抑制される。なお、蒸気ループ内の凍結は、排気熱回収器２０から蒸気ループへの伝熱により生じる熱によって解消される。
【００３９】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【００４０】
例えば、上記実施例では、昇温対象は暖房用送風であり、蒸気側熱交換器３０及び水側熱交換器４０は、暖房用送風と熱交換を行い、暖房用送風を昇温させていた。しかしながら、昇温対象は、暖房用送風に限られない。例えば、蒸気側熱交換器３０及び水側熱交換器４０は、エンジン１０の構成部品（例えば、クランクキャップ等）と熱交換を行い、エンジン１０の構成部品を昇温させてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０…エンジン
１１…冷媒循環通路
１２…排気ガス通路
２０…排気熱回収器
２１…蒸気流通配管
２２…凝縮水流通配管
３０…蒸気側熱交換器
４０…水側熱交換器
５０…電気ヒータ
６０…ＥＣＵ
７１…外気温計
７２…温度計
７３…水温計
１００…廃熱利用システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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