ランキンサイクルシステムの制御装置
【課題】ランキンサイクルシステムにおいて発生する蒸気の量を安定させることを課題とする。
【解決手段】ランキンサイクルシステム１の制御装置１００は、熱を付与して液相の冷媒を蒸気化するエンジン２の本体２０、過熱器７と、本体２０で発生した蒸気を液相の冷媒と分離して取り出す気液分離器５と、発生した蒸気から動力または電力を回収する回収機４と、冷媒を本体２０、または気液分離器５へ圧送するベーン型ウォータポンプ１０と、ＥＣＵ５０とを備え、本体２０、及び過熱器７において発生する蒸気量を算出するとともに、過熱器７において発生する蒸気量に相当する冷媒の液量を算出し、算出された液量を圧送するベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を算出し、算出された駆動量でベーン型ウォータポンプ１０を駆動し、算出された液量の冷媒を供給させる。
【解決手段】ランキンサイクルシステム１の制御装置１００は、熱を付与して液相の冷媒を蒸気化するエンジン２の本体２０、過熱器７と、本体２０で発生した蒸気を液相の冷媒と分離して取り出す気液分離器５と、発生した蒸気から動力または電力を回収する回収機４と、冷媒を本体２０、または気液分離器５へ圧送するベーン型ウォータポンプ１０と、ＥＣＵ５０とを備え、本体２０、及び過熱器７において発生する蒸気量を算出するとともに、過熱器７において発生する蒸気量に相当する冷媒の液量を算出し、算出された液量を圧送するベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を算出し、算出された駆動量でベーン型ウォータポンプ１０を駆動し、算出された液量の冷媒を供給させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから発生する廃熱を、蒸気を介して回収するランキンサイクルシステムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。この種の廃熱回収装置は、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱により気化した冷媒（蒸気）を用いて膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを機械的動力や電気エネルギーに変換して回収するものがある。
【０００３】
このようなランキンサイクルを利用する装置が機能するには、作動流体である冷媒が循環しなければならない。このため、ランキンサイクルを利用する装置では、冷却系統に設けた圧送機（ポンプ）により、冷媒が循環するように構成されている。さらに、このような冷却系統に設けられた圧送機は、冷媒の供給時以外に停止することにより運転効率を向上させている。
【０００４】
このような装置において、例えば、特許文献１のエンジンの冷却装置では、ウォータジャケット内の冷却水位を検知する水位センサの出力に基づき、ウォータジャケット内の冷却水の有無を判断し、冷却水がないと判断した場合にウォータジャケットへ冷却水を供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７９５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の装置において、圧送機は、エンジンの発熱部、すなわち、冷媒へ熱を付与し、冷媒が蒸気化する部位（蒸気発生部）における、液相の冷媒の量が所定値を下回った場合にのみ駆動されるように構成されている。したがって、圧送機は、蒸気発生部の液相冷媒量の変動のみにより駆動され、エンジンの運転状態に関わらず、蒸気発生部への冷媒の供給量が一定である。
【０００７】
ところが、エンジンの低温時、または低負荷時では、エンジンの発熱部、すなわち、冷媒へ熱を付与し、冷媒が蒸気化する部位（蒸気発生部）において発生する熱量が少ないため、冷媒は蒸気となりにくい。このため、圧送機の駆動量が一定である場合、蒸気発生部への冷媒の供給量が一時的に多くなり、冷媒が過剰となる。さらに、冷媒の量が過剰となることにより、熱量が冷媒の温度上昇（顕熱の上昇）に用いられるため、蒸気の発生する量が低下してしまう。また、エンジンの高温時、または高負荷時では、蒸気発生部において発生する熱量が多くなるため、蒸気の発生する量が多くなる。圧送機の駆動量が一定である場合、冷媒の供給量が不足する。このため、蒸気発生部における液相の冷媒の量が不足する。この結果、蒸気発生部において冷媒が不足し、エンジン内の冷媒の温度も上昇し、冷却不足になることも考えられる。
【０００８】
このように、圧送機による冷媒の供給量が一定である場合、エンジンの運転状態によっては、蒸気発生部において発生する蒸気の量に増減が生じる。このため、ランキンサイクルのタービンの回転にもばらつきが生じ、エネルギーの回収が安定しない。
【０００９】
そこで、本発明は、ランキンサイクルシステムにおいて発生する蒸気の量を安定させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決する本発明のランキンサイクルシステムの制御装置は、熱を付与して液相の作動流体を蒸気化する蒸気発生部と、前記蒸気発生部において発生した蒸気から動力または電力を回収する回収機と、前記作動流体を前記蒸気発生部へ圧送する圧送機と、前記蒸気発生部において発生する蒸気量を算出する第１算出手段と、前記蒸気量に相当する前記作動流体の液量を算出し、前記液量を圧送する前記圧送機の駆動量を算出する第２算出手段と、前記第２算出手段により算出された前記駆動量で前記圧送機を駆動し、前記液量を前記蒸気発生部へ供給させる供給手段と、を備える。
【００１１】
上記の構成により、発生した蒸気量に相当する液相の作動流体が蒸気発生部に供給される。このため、蒸気発生部では、減少した液相の作動流体に相当する量の作動流体が新たに供給されるので、作動流体の過剰や不足に起因した発生蒸気量のばらつきが抑制される。これにより、ランキンサイクルシステムにおいて発生する蒸気の量を安定させることができる。
【００１２】
上記のランキンサイクルシステムの制御装置において、前記作動流体はエンジンを冷却する冷媒であって、前記作動流体はエンジンに設けられた流路内を循環し、前記蒸気発生部はエンジンの廃熱を前記作動流体へ付与する構成とすることができる。このような構成により、エンジンの廃熱を回収するランキンサイクルシステムにおいて、発生する蒸気の量を安定させることができる。また、エンジンに設けられた流路内へ冷媒が過不足なく供給されるため、エンジンの過度の冷却やオーバーヒートが抑制できる。
【００１３】
上記のランキンサイクルシステムの制御装置において、前記第１算出手段は、前記エンジンの運転状態に基づいて、発生する蒸気量を算出することとしてもよい。これにより、エンジンの運転状態により変化する蒸気発生部における蒸気の発生量に対応して、蒸気として減少した分の作動流体を供給することができる。このため、蒸気発生部における作動流体の量が適切に維持されて、発生する蒸気の量を安定させることができる。なお、運転状態には、エンジンの回転数、トルク、熱効率、液相の前記作動流体の温度、排気温度、その他蒸気発生部において発生する蒸気の量の算出に関連する情報を含むものとすることができる。また、運転状態には、エンジン運転時の外気温などのエンジン外部の情報をも含むこととしてもよい。
【００１４】
上記のランキンサイクルシステムの制御装置において、前記蒸気発生部は、前記エンジンの運転により発生する熱を前記作動流体へ伝播するエンジン本体と、前記エンジンの排気から得られる熱を前記作動流体へ伝播する過熱器と、を含み、前記第１算出手段は、前記作動流体が前記本体から受熱することにより発生した蒸気量と、前記作動流体が前記過熱器において排気から受熱することにより発生した蒸気量とを算出することとしてもよい。これにより、エンジン本体において発生した蒸気量と、過熱器において発生した蒸気量とを別途算出することができるので、発生蒸気量を算出する精度が向上できる。これにより、蒸気発生部へ供給する作動流体の流量の精度が向上するので、発生する蒸気量を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、蒸気発生部において発生する蒸気量に相当する液量を算出し、蒸気発生部へ供給させることにより、ランキンサイクルシステムにおける蒸気の発生量を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ランキンサイクルシステムの制御装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】ＥＣＵに関する信号の伝達を示したブロック図である。
【図３】蒸気発生部への冷媒の供給に関する制御処理について示したフローチャートである。
【図４】熱効率を算出するマップの一例を示した説明図である。
【図５】図３の蒸気発生部における総発生蒸気量を算出する処理についてのサブルーチンを示したフローチャートである。
【図６】エンジンの本体から受熱することにより発生した蒸気量の算出マップの一例を示した説明図である。
【図７】冷却損失量を算出するマップの一例を示した説明図である。
【図８】排気損失量を算出するマップの一例を示した説明図である。
【図９】過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量の算出マップの一例を示した説明図である。
【図１０】ベーン型ウォータポンプの回転数の算出マップの一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【実施例】
【００１８】
図１は本実施例におけるランキンサイクルシステム１の制御装置（以下、単に、「制御装置」と言う。）１００の概略構成を示した説明図である。ランキンサイクルシステム１はエンジン２、冷媒通路３、回収機４を備えている。ランキンサイクルシステム１は、冷媒を作動流体として、エンジン２から発生する廃熱により冷媒を蒸気化し、発生した蒸気により回収機４を駆動して電気エネルギーを回収する。作動流体である冷媒は、ランキンサイクルシステム１内に形成された冷媒通路３を流れて、ランキンサイクルシステム１内を循環する。
【００１９】
冷媒通路３には、冷媒が流れる上流側から順に、気液分離器５、過熱器７、回収機４、凝縮器８、凝縮タンク９、ベーン型ウォータポンプ１０、逆止弁１１、ウォータポンプ１２が配置されている。
【００２０】
エンジン２は廃熱を付与して液相の冷媒を蒸気化する蒸気発生部を備えている。蒸気発生部は後述するエンジン２の本体２０、気液分離器５、過熱器７からなる。
【００２１】
本体２０は、ブロック側ウォータジャケット２１ａが形成されたシリンダブロック２０ａと、ヘッド側ウォータジャケット２１ｂが形成されたシリンダヘッド２０ｂとを備えている。ブロック側ウォータジャケット２１ａとヘッド側ウォータジャケット２１ｂとは、冷媒通路３と接続されている。冷媒は、ヘッド側ウォータジャケット２１ｂ側から冷媒通路３へ流れ込み、冷媒通路３からブロック側ウォータジャケット２１ａへ流れ込む。すなわち、冷媒通路３は、ヘッド側ウォータジャケット２１ｂ、及びブロック側ウォータジャケット２１ａとともに、冷媒が循環するループ状の流路を形成している。このため、冷媒はエンジン２に設けられたウォータジャケット２１ａ、２１ｂ内を循環する。なお、図中に示す矢印は冷媒の流れる方向を示している。
【００２２】
エンジン２が運転されると、シリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂが暖機する。ブロック側ウォータジャケット２１ａとヘッド側ウォータジャケット２１ｂ内の冷媒は、暖機したシリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂを冷却する。冷媒はシリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂを冷却する際に、シリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂから受熱するため、冷媒の温度が上昇する。すなわち、本体２０はエンジン２の運転により発生する熱を冷媒へ伝播する。ここで受熱した冷媒の一部は蒸気化する。
【００２３】
エンジン２の運転開始とともに、ウォータポンプ１２が稼働し、冷媒通路３内に流れが生じる。これにより、ブロック側ウォータジャケット２１ａ及びヘッド側ウォータジャケット２１ｂ内の冷媒は、本体２０の下流側に位置する気液分離器５へ送られる。気液分離器５は、冷媒を気相冷媒（蒸気）と液相冷媒とに分離する。したがって、本体２０で発生した蒸気は気液分離器５において液相の冷媒と分離されて取り出される。
【００２４】
気液分離器５の下流側には、過熱器７が配置されており、気液分離器５と過熱器７とは通路３１、及び通路３２で接続されている。通路３１と通路３２とは冷媒通路３の一部である。通路３１は気液分離器５において分離された気相の冷媒が通り、通路３２は気液分離器５において分離された液相の冷媒が通るように構成されている。通路３２には電磁弁１３が設けられている。電磁弁１３が開弁すると、気液分離器５から過熱器７へ向かって通路３２内を液相の冷媒が送られる。このように、気液分離器５から過熱器７へ液相の冷媒を供給できるように構成されている。
【００２５】
過熱器７は、エンジン２の排気から得られる熱を気相の冷媒および液相の冷媒へ伝播する。過熱器７の内部には冷媒が通る通路と、エンジン２から排出される排気ガスが通る通路とが別個に形成されており、過熱器７内において、冷媒と排ガスとが熱交換するように構成されている。さらに、過熱器７は、液相の冷媒を蒸気化する蒸発部７ａと気相の冷媒へ熱を付与して高温化する過熱部７ｂとを備えている。過熱部７ｂは蒸発部７ａよりも高温の排ガスと接触するように配置されている。蒸発部７ａ内の液相の冷媒は排気ガスから熱を得て蒸気化する。蒸気化した（気相の）冷媒は過熱部７ｂへ移動する。過熱部７ｂ内の気相の冷媒は、排気ガスから熱を得て高温高圧の気相冷媒（蒸気）となる。
【００２６】
以上のように、本体２０、気液分離器５、過熱器７では、エンジン２から排出される廃熱を液相の冷媒へ付与して液相の冷媒を蒸気化する蒸気発生部として機能する。
【００２７】
過熱器７内で排ガスから熱を得て高温高圧となった気相冷媒（蒸気）は、回収機４へと送られる。回収機４は、エンジン２から冷媒が受け取った廃熱のエネルギーを電力へ変換し回収する装置である。すなわち、回収機４は、蒸気発生部において発生した蒸気から電力を回収する。回収機４は、超音速ノズル４１、タービン４２、発電機４３、蓄電池４４、シャフト４５を備えた廃熱回収用のユニットである。高温高圧の気相冷媒は超音速ノズル４１からタービン４２へと噴きつけられる。これにより、タービン４２が回転する。タービン４２と発電機４３とはシャフト４５で接続されており、タービン４２が所定の回転数、及びトルクを得ると、発電機４３において安定した発電が可能となる。発電機４３において発生した電気は蓄電池４４に蓄えられる。また、回収機４は、高温高圧の気相冷媒が持つエネルギーを電力として回収する代わりに機械的動力として回収する構成であってもよい。
【００２８】
回収機４においてタービン４２に噴きつけられた蒸気は、通路３３を通り、凝縮器８へ送られる。この通路３３は冷媒通路３の一部である。凝縮器８は、通路３３を通り送られてくる気相の冷媒を液相へ凝縮する。凝縮器８は細分化した管路へ冷媒を送り、大気との熱交換を促進することにより冷媒を冷却する。また、エンジン２には凝縮器８へ大気を強制的に供給する冷却ファン１４が設けられている。また、凝縮器８の排出口には、凝縮ヘッダタンク１５が設けられており、凝縮器８で凝縮した冷媒が一時的に蓄えられる。
【００２９】
凝縮ヘッダタンク１５内の冷媒は、その後、凝縮タンク９へ送られる。凝縮タンク９に蓄えられた冷媒は、ベーン型ウォータポンプ１０により下流側へ送られる。ベーン型ウォータポンプ１０は、本発明の圧送機に相当し、凝縮タンク９内の冷媒を蒸気発生部である本体２０または気液分離器５へと圧送する。また、ウォータポンプ１２は、ベーン型ウォータポンプ１０により圧送された冷媒をブロック側ウォータジャケット２１ａへ供給する。また、ベーン型ウォータポンプ１０とウォータポンプ１２の間の逆止弁１１は、ベーン型ウォータポンプ１０へ冷媒が逆流することを防止する。
【００３０】
逆止弁１１とウォータポンプ１２との間の冷媒通路３と、気液分離器５の底部とを連通するように通路３４が形成されている。この通路３４は冷媒通路３の一部である。通路３４における冷媒の流れは、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量に応じて変化する。ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量がウォータポンプ１２の駆動量より大きい場合、ウォータポンプ１２がブロック型ウォータジャケット２１ａへ圧送する冷媒の量よりもベーン型ウォータポンプ１０が圧送する冷媒の量が多いため、ウォータポンプ１２の圧送量を超えた冷媒が通路３４へ流入し、通路３４の冷媒は気液分離器５へ向かって流れる。反対に、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量がウォータポンプ１２の駆動量以下である場合、気液分離器５内の冷媒が通路３４へ流れ込み、ウォータポンプ１２によりブロック側ウォータジャケット２１ａへ供給される。
【００３１】
上記の通り、冷媒は本体２０、及び過熱器７において、エンジン２の廃熱を回収し、高温高圧の蒸気となる。回収機４は、この蒸気化した冷媒がエンジンから受け取った熱エネルギーを電気エネルギーへと変換して回収する。蒸気化した冷媒は凝縮器８において再び液体状態に凝縮され、再度、本体２０内へ送られて、ランキンサイクルシステム１内を循環する。従って、ランキンサイクルシステム１は、冷媒を作動流体とするランキンサイクルを構成している。
【００３２】
さらに、ランキンサイクルシステム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central
Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、ランキンサイクルシステム１やエンジン２の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りして制御する。図２は本実施例におけるＥＣＵ５０に関する信号の伝達を示したブロック図である。本実施例では、ＥＣＵ５０は回転センサ５１、トルクセンサ５２、水温センサ５３、蒸気温センサ５４、排気温センサ５５のそれぞれと電気的に接続されている。回転センサ５１はエンジン２のクランクシャフト（図示しない）の回転数を検出する。トルクセンサ５２はエンジン２のトルクを検出する。水温センサ５３は気液分離器５内における液相の冷媒の温度を検出する。蒸気温センサ５４は過熱器７の過熱部７ｂの出口付近に配置されて、気相の冷媒（蒸気）の温度を検出する。排気温センサ５５は排気管１６における、過熱器７に導入される直前の排気の温度を計測する位置に配置されて、エンジン２の排ガスの温度を検出する。
【００３３】
また、ＥＣＵ５０は、ベーン型ウォータポンプ１０、電磁弁１３、冷却ファン１４のそれぞれと電気的に接続されており、各種センサの取得する情報に基づいて、ベーン型ウォータポンプ１０、冷却ファン１４の運転を制御し、電磁弁１３の開閉状態を制御する。
【００３４】
さらに、本実施例において、ＥＣＵ５０は本発明の第１算出手段として機能する。すなわち、ＥＣＵ５０は蒸気発生部において発生する蒸気量を算出する。本実施例では、蒸気発生部において発生する蒸気量とは、冷媒が本体２０から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｅ、及び冷媒が過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｈを合わせた総発生蒸気量Ｖｔを指すものとする。また、ＥＣＵ５０は本発明の第２算出手段として機能する。すなわち、ＥＣＵ５０は、第１算出手段が算出した蒸気量に相当する冷媒（作動流体）の液量を算出し、その液量を圧送するベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を算出する。さらに、ＥＣＵ５０は、本発明の供給手段として機能する。すなわち、第２算出手段により算出された駆動量でベーン型ウォータポンプ１０を駆動し、第１算出手段において算出された液量を本体２０または気液分離器５（蒸気発生部）へ供給させる。
【００３５】
次に、制御装置１００の制御について説明する。図３は蒸気発生部への冷媒の供給に関する制御処理について示したフローチャートである。この制御はＥＣＵ５０により行われる。以下、本実施例の制御処理について図３を参照しつつ説明する。
【００３６】
ＥＣＵ５０はステップＳ１において、ランキンサイクルシステム１が稼動中か否かを判断する。ＥＣＵ５０は、ランキンサイクルシステム１が稼動中であるか否かについて、気液分離器５内の液相冷媒の温度が飽和蒸気温度Ｔｓ以上であるか否かにより判断する。気液分離器５内の液相冷媒の温度は、水温センサ５３により検出した値を用いる。ＥＣＵ５０はステップＳ１においてＹＥＳと判断する場合、すなわち、ランキンサイクルシステム１が稼動中である場合、ステップＳ２へ進む。
【００３７】
ＥＣＵ５０はステップＳ２において、エンジン２の運転状態を把握するため、エンジン２の運転条件を取得する。エンジン２の運転条件は、例えば、エンジン回転数、エンジン２のトルク、熱効率、過熱器７内の液相冷媒の温度、排気温度から取得する。エンジン回転数は、回転センサ５１が取得する値を用い、エンジン２のトルクはトルクセンサ５２が検出する値を用い、過熱器７内の液相冷媒の温度は蒸気温センサ５４が検出する値から予測する。排気温度は排気温センサ５５が検出する値を用いる。熱効率は、例えば、図４に示すような予め作成されたマップを参照して取得することができる。図４のマップによると、エンジン回転数とエンジン負荷とから熱効率を求めることができる。図４のマップでは、マップの中央付近で最も熱効率が高く、高回転若しくは低回転、または高負荷若しくは低負荷になるほど、熱効率が低下する。ＥＣＵ５０はステップＳ２において、エンジン２の運転条件を取得すると、ステップＳ１０へ進む。
【００３８】
ＥＣＵ５０はステップＳ１０において、蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理へ進む。ここで、蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理について説明する。図５はステップＳ１０の蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理についてのサブルーチンを示したフローチャートである。
【００３９】
蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理が開始すると、ＥＣＵ５０はステップＳ１１において、冷媒が本体２０から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｅを算出する。蒸気量Ｖｅは、予め作成された蒸気量Ｖｅ算出マップを用いて算出する。ここで、蒸気量Ｖｅ算出マップについて説明する。図６は蒸気量Ｖｅ算出マップの一例を示した説明図である。図６の縦軸は、蒸気量Ｖｅを示し、横軸はエンジン２の出力を示している。エンジン２の出力は、エンジン２の運転状態、例えば、エンジン２の回転数、負荷、熱効率、冷却排気損失割合から特定する。エンジン２の回転数は回転センサ５１から取得し、エンジン２の負荷はスロットルの開度から取得し、熱効率は上記の図４のマップを参照して取得する。また、冷却排気損失割合は、例えば、図７及び図８に示すような予め作成されたマップを参照して取得する。図７は冷却損失量を示したマップの一例であり、図８は排気損失量を示したマップの一例である。図７、図８によると、冷却損失量、排気損失量はともに、エンジン回転数、及びエンジン負荷から求めることができる。図７に示すように、エンジン回転数、エンジン負荷が高くなるほど、冷却損失量が大きくなる。図８に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、排気損失量が大きくなる。ＥＣＵ５０は、これらのマップを参照して算出した冷却排気損失割合からエンジン出力を特定できる。ＥＣＵ５０は、図６の蒸気量Ｖｅ算出マップにおいて、エンジン２の出力に相当する蒸気量Ｖｅを算出する。ＥＣＵ５０はステップＳ１１の処理を終えると、ステップＳ１２へ進む。
【００４０】
ＥＣＵ５０はステップＳ１２において、電磁弁１３が開弁状態であるか否かを判断する。ＥＣＵ５０は、過熱器７内の温度が過熱器制御温Ｔｈ以上である場合に電磁弁１３を開弁させる。過熱器制御温Ｔｈは過熱器７の蒸発部７ａにおいて、液相の冷媒が排気から受熱し、蒸気化することができる温度である。従って、電磁弁１３が開弁状態であるときは、過熱器７内で蒸気が発生している状態である。一方、電磁弁１３が閉弁状態であるときは、蒸発部７ａで有効なエネルギーを取り出すための蒸気が発生していない状態である。このため、電磁弁１３の状態により、蒸気の発生量が変化し、その後の処理が変化する。ＥＣＵ５０はステップＳ１２においてＹＥＳと判断する場合、すなわち、電磁弁１３が開弁状態である場合、ステップＳ１３へ進む。
【００４１】
ＥＣＵ５０はステップＳ１３において、冷媒が過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｈを算出する。蒸気量Ｖｈは、予め作成された蒸気量Ｖｈ算出マップを用いて算出する。図９は蒸気量Ｖｈ算出マップの一例を示した説明図である。図９の縦軸は、蒸気量Ｖｈを示し、横軸は排気熱量を示している。排気熱量は、排気温センサ５５により検出されるエンジン２の排ガスの温度から導き出される。また、蒸気量Ｖｈ算出マップは、排気熱量の他に、エンジン２の回転数、負荷、気液分離器５内の液相冷媒が蒸気化する飽和蒸気温度Ｔｓ、過熱器制御温Ｔｈのいずれか１つまたはいくつかに基づいて、蒸気量Ｖｈを算出するものであってもよい。また、蒸気量Ｖｈ算出マップは、排気熱量やここで述べた情報を総合的に参照して、蒸気量Ｖｈを算出するものであってもよい。ＥＣＵ５０はステップＳ１３において、蒸気量Ｖｈを算出すると、ステップＳ１５へ進む。
【００４２】
一方、ＥＣＵ５０はステップＳ１２においてＮＯと判断する場合、すなわち、電磁弁１３が閉弁状態である場合、ステップＳ１４へ進む。
【００４３】
ＥＣＵ５０はステップＳ１４において、冷媒が過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｈの値を０とする。電磁弁１３が閉弁状態である場合、過熱器７内の液相冷媒が蒸気化していないため、蒸気量Ｖｈを０とする。ＥＣＵ５０はステップＳ１４の処理を終えるとステップＳ１５へ進む。
【００４４】
ＥＣＵ５０はステップＳ１５において、総発生蒸気量Ｖｔを算出する。総発生蒸気量Ｖｔは本体２０から受熱し発生した蒸気量Ｖｅ、及び過熱器７において排気から受熱して発生した蒸気量Ｖｈを合わせたもの、すなわち、
Ｖｔ ＝ Ｖｅ ＋ Ｖｈ （１）
として表わされる。ＥＣＵ５０は総発生蒸気量Ｖｔを算出し、ステップＳ１５の処理を終えるとサブルーチンを終了する。
【００４５】
ＥＣＵ５０は、蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理についてのサブルーチンを終えると、次にステップＳ３へ進む。
【００４６】
ＥＣＵ５０はステップＳ３において、ステップＳ１０のサブルーチンで算出された総発生蒸気量Ｖｔに相当する冷媒の液量を算出し、その液量を圧送するベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を算出する。ここでは、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量は、ポンプ回転数Ｒで表わすものとする。ポンプ回転数Ｒは、予め作成されたポンプ回転数Ｒ算出マップを用いて算出する。図１０はポンプ回転数Ｒ算出マップの一例を示した説明図である。図１０の縦軸は、ポンプ回転数Ｒを示し、横軸は総発生蒸気量Ｖｔを示している。なお、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を表わすものとして、ポンプ回転数Ｒに限定されず、ベーン型ウォータポンプ１０へ与える印加電圧を算出することにより駆動量を表わし、流量を設定することとしてもよい。また、ＥＣＵ５０はポンプ回転数Ｒで駆動する時間を算出してもよい。ＥＣＵ５０はステップＳ３でポンプ回転数を算出すると、ステップＳ４へ進む。
【００４７】
ＥＣＵ５０はステップＳ４において、ステップＳ３で算出したポンプ回転数Ｒとなるようにベーン型ウォータポンプ１０へ駆動出力を送り、ベーン型ウォータポンプ１０を駆動し、総発生蒸気量Ｖｔに相当する、算出された冷媒の液量を蒸気発生部へ供給させる。これにより、総発生蒸気量Ｖｔに相当する液量の冷媒が蒸気発生部へ圧送される。ＥＣＵ５０はステップＳ４の処理を終えるとリターンとなる。なお、ＥＣＵ５０はステップＳ１においてＮＯと判断する場合、すなわち、ランキンサイクルシステム１が稼動していない場合、処理を終えてリターンとなる。
【００４８】
このように、制御装置１００の制御処理により、蒸気化して抜け出た分に相当する冷媒が蒸気発生部へ供給される。このため、ウォータジャケット２１ａ、２１ｂ、気液分離器５、過熱器７における液相の冷媒量が一定に保たれる。これにより、発生する蒸気量のばらつきが抑制され、回収機４におけるエネルギーの回収が安定する。また、液相の冷媒が過多になる状態や極端に減少することが抑制されるので、本体２０の暖機不良や冷却不足が防がれる。
【００４９】
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、さら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。
【符号の説明】
【００５０】
１ ランキンサイクルシステム
２ エンジン
２０ 本体（蒸気発生部の一部）
３ 冷媒通路
４ 回収機
５ 気液分離器（蒸気発生部の一部）
７ 過熱器（蒸気発生部の一部）
８ 凝縮器
１０ ベーン型ウォータポンプ（圧送機）
１３ 電磁弁
１５ 凝縮ヘッダタンク
５０ ＥＣＵ（第１算出手段、第２算出手段、及び供給手段）
１００ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから発生する廃熱を、蒸気を介して回収するランキンサイクルシステムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。この種の廃熱回収装置は、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱により気化した冷媒（蒸気）を用いて膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを機械的動力や電気エネルギーに変換して回収するものがある。
【０００３】
このようなランキンサイクルを利用する装置が機能するには、作動流体である冷媒が循環しなければならない。このため、ランキンサイクルを利用する装置では、冷却系統に設けた圧送機（ポンプ）により、冷媒が循環するように構成されている。さらに、このような冷却系統に設けられた圧送機は、冷媒の供給時以外に停止することにより運転効率を向上させている。
【０００４】
このような装置において、例えば、特許文献１のエンジンの冷却装置では、ウォータジャケット内の冷却水位を検知する水位センサの出力に基づき、ウォータジャケット内の冷却水の有無を判断し、冷却水がないと判断した場合にウォータジャケットへ冷却水を供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７９５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の装置において、圧送機は、エンジンの発熱部、すなわち、冷媒へ熱を付与し、冷媒が蒸気化する部位（蒸気発生部）における、液相の冷媒の量が所定値を下回った場合にのみ駆動されるように構成されている。したがって、圧送機は、蒸気発生部の液相冷媒量の変動のみにより駆動され、エンジンの運転状態に関わらず、蒸気発生部への冷媒の供給量が一定である。
【０００７】
ところが、エンジンの低温時、または低負荷時では、エンジンの発熱部、すなわち、冷媒へ熱を付与し、冷媒が蒸気化する部位（蒸気発生部）において発生する熱量が少ないため、冷媒は蒸気となりにくい。このため、圧送機の駆動量が一定である場合、蒸気発生部への冷媒の供給量が一時的に多くなり、冷媒が過剰となる。さらに、冷媒の量が過剰となることにより、熱量が冷媒の温度上昇（顕熱の上昇）に用いられるため、蒸気の発生する量が低下してしまう。また、エンジンの高温時、または高負荷時では、蒸気発生部において発生する熱量が多くなるため、蒸気の発生する量が多くなる。圧送機の駆動量が一定である場合、冷媒の供給量が不足する。このため、蒸気発生部における液相の冷媒の量が不足する。この結果、蒸気発生部において冷媒が不足し、エンジン内の冷媒の温度も上昇し、冷却不足になることも考えられる。
【０００８】
このように、圧送機による冷媒の供給量が一定である場合、エンジンの運転状態によっては、蒸気発生部において発生する蒸気の量に増減が生じる。このため、ランキンサイクルのタービンの回転にもばらつきが生じ、エネルギーの回収が安定しない。
【０００９】
そこで、本発明は、ランキンサイクルシステムにおいて発生する蒸気の量を安定させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決する本発明のランキンサイクルシステムの制御装置は、熱を付与して液相の作動流体を蒸気化する蒸気発生部と、前記蒸気発生部において発生した蒸気から動力または電力を回収する回収機と、前記作動流体を前記蒸気発生部へ圧送する圧送機と、前記蒸気発生部において発生する蒸気量を算出する第１算出手段と、前記蒸気量に相当する前記作動流体の液量を算出し、前記液量を圧送する前記圧送機の駆動量を算出する第２算出手段と、前記第２算出手段により算出された前記駆動量で前記圧送機を駆動し、前記液量を前記蒸気発生部へ供給させる供給手段と、を備える。
【００１１】
上記の構成により、発生した蒸気量に相当する液相の作動流体が蒸気発生部に供給される。このため、蒸気発生部では、減少した液相の作動流体に相当する量の作動流体が新たに供給されるので、作動流体の過剰や不足に起因した発生蒸気量のばらつきが抑制される。これにより、ランキンサイクルシステムにおいて発生する蒸気の量を安定させることができる。
【００１２】
上記のランキンサイクルシステムの制御装置において、前記作動流体はエンジンを冷却する冷媒であって、前記作動流体はエンジンに設けられた流路内を循環し、前記蒸気発生部はエンジンの廃熱を前記作動流体へ付与する構成とすることができる。このような構成により、エンジンの廃熱を回収するランキンサイクルシステムにおいて、発生する蒸気の量を安定させることができる。また、エンジンに設けられた流路内へ冷媒が過不足なく供給されるため、エンジンの過度の冷却やオーバーヒートが抑制できる。
【００１３】
上記のランキンサイクルシステムの制御装置において、前記第１算出手段は、前記エンジンの運転状態に基づいて、発生する蒸気量を算出することとしてもよい。これにより、エンジンの運転状態により変化する蒸気発生部における蒸気の発生量に対応して、蒸気として減少した分の作動流体を供給することができる。このため、蒸気発生部における作動流体の量が適切に維持されて、発生する蒸気の量を安定させることができる。なお、運転状態には、エンジンの回転数、トルク、熱効率、液相の前記作動流体の温度、排気温度、その他蒸気発生部において発生する蒸気の量の算出に関連する情報を含むものとすることができる。また、運転状態には、エンジン運転時の外気温などのエンジン外部の情報をも含むこととしてもよい。
【００１４】
上記のランキンサイクルシステムの制御装置において、前記蒸気発生部は、前記エンジンの運転により発生する熱を前記作動流体へ伝播するエンジン本体と、前記エンジンの排気から得られる熱を前記作動流体へ伝播する過熱器と、を含み、前記第１算出手段は、前記作動流体が前記本体から受熱することにより発生した蒸気量と、前記作動流体が前記過熱器において排気から受熱することにより発生した蒸気量とを算出することとしてもよい。これにより、エンジン本体において発生した蒸気量と、過熱器において発生した蒸気量とを別途算出することができるので、発生蒸気量を算出する精度が向上できる。これにより、蒸気発生部へ供給する作動流体の流量の精度が向上するので、発生する蒸気量を安定させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、蒸気発生部において発生する蒸気量に相当する液量を算出し、蒸気発生部へ供給させることにより、ランキンサイクルシステムにおける蒸気の発生量を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ランキンサイクルシステムの制御装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】ＥＣＵに関する信号の伝達を示したブロック図である。
【図３】蒸気発生部への冷媒の供給に関する制御処理について示したフローチャートである。
【図４】熱効率を算出するマップの一例を示した説明図である。
【図５】図３の蒸気発生部における総発生蒸気量を算出する処理についてのサブルーチンを示したフローチャートである。
【図６】エンジンの本体から受熱することにより発生した蒸気量の算出マップの一例を示した説明図である。
【図７】冷却損失量を算出するマップの一例を示した説明図である。
【図８】排気損失量を算出するマップの一例を示した説明図である。
【図９】過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量の算出マップの一例を示した説明図である。
【図１０】ベーン型ウォータポンプの回転数の算出マップの一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【実施例】
【００１８】
図１は本実施例におけるランキンサイクルシステム１の制御装置（以下、単に、「制御装置」と言う。）１００の概略構成を示した説明図である。ランキンサイクルシステム１はエンジン２、冷媒通路３、回収機４を備えている。ランキンサイクルシステム１は、冷媒を作動流体として、エンジン２から発生する廃熱により冷媒を蒸気化し、発生した蒸気により回収機４を駆動して電気エネルギーを回収する。作動流体である冷媒は、ランキンサイクルシステム１内に形成された冷媒通路３を流れて、ランキンサイクルシステム１内を循環する。
【００１９】
冷媒通路３には、冷媒が流れる上流側から順に、気液分離器５、過熱器７、回収機４、凝縮器８、凝縮タンク９、ベーン型ウォータポンプ１０、逆止弁１１、ウォータポンプ１２が配置されている。
【００２０】
エンジン２は廃熱を付与して液相の冷媒を蒸気化する蒸気発生部を備えている。蒸気発生部は後述するエンジン２の本体２０、気液分離器５、過熱器７からなる。
【００２１】
本体２０は、ブロック側ウォータジャケット２１ａが形成されたシリンダブロック２０ａと、ヘッド側ウォータジャケット２１ｂが形成されたシリンダヘッド２０ｂとを備えている。ブロック側ウォータジャケット２１ａとヘッド側ウォータジャケット２１ｂとは、冷媒通路３と接続されている。冷媒は、ヘッド側ウォータジャケット２１ｂ側から冷媒通路３へ流れ込み、冷媒通路３からブロック側ウォータジャケット２１ａへ流れ込む。すなわち、冷媒通路３は、ヘッド側ウォータジャケット２１ｂ、及びブロック側ウォータジャケット２１ａとともに、冷媒が循環するループ状の流路を形成している。このため、冷媒はエンジン２に設けられたウォータジャケット２１ａ、２１ｂ内を循環する。なお、図中に示す矢印は冷媒の流れる方向を示している。
【００２２】
エンジン２が運転されると、シリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂが暖機する。ブロック側ウォータジャケット２１ａとヘッド側ウォータジャケット２１ｂ内の冷媒は、暖機したシリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂを冷却する。冷媒はシリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂを冷却する際に、シリンダブロック２０ａ、シリンダヘッド２０ｂから受熱するため、冷媒の温度が上昇する。すなわち、本体２０はエンジン２の運転により発生する熱を冷媒へ伝播する。ここで受熱した冷媒の一部は蒸気化する。
【００２３】
エンジン２の運転開始とともに、ウォータポンプ１２が稼働し、冷媒通路３内に流れが生じる。これにより、ブロック側ウォータジャケット２１ａ及びヘッド側ウォータジャケット２１ｂ内の冷媒は、本体２０の下流側に位置する気液分離器５へ送られる。気液分離器５は、冷媒を気相冷媒（蒸気）と液相冷媒とに分離する。したがって、本体２０で発生した蒸気は気液分離器５において液相の冷媒と分離されて取り出される。
【００２４】
気液分離器５の下流側には、過熱器７が配置されており、気液分離器５と過熱器７とは通路３１、及び通路３２で接続されている。通路３１と通路３２とは冷媒通路３の一部である。通路３１は気液分離器５において分離された気相の冷媒が通り、通路３２は気液分離器５において分離された液相の冷媒が通るように構成されている。通路３２には電磁弁１３が設けられている。電磁弁１３が開弁すると、気液分離器５から過熱器７へ向かって通路３２内を液相の冷媒が送られる。このように、気液分離器５から過熱器７へ液相の冷媒を供給できるように構成されている。
【００２５】
過熱器７は、エンジン２の排気から得られる熱を気相の冷媒および液相の冷媒へ伝播する。過熱器７の内部には冷媒が通る通路と、エンジン２から排出される排気ガスが通る通路とが別個に形成されており、過熱器７内において、冷媒と排ガスとが熱交換するように構成されている。さらに、過熱器７は、液相の冷媒を蒸気化する蒸発部７ａと気相の冷媒へ熱を付与して高温化する過熱部７ｂとを備えている。過熱部７ｂは蒸発部７ａよりも高温の排ガスと接触するように配置されている。蒸発部７ａ内の液相の冷媒は排気ガスから熱を得て蒸気化する。蒸気化した（気相の）冷媒は過熱部７ｂへ移動する。過熱部７ｂ内の気相の冷媒は、排気ガスから熱を得て高温高圧の気相冷媒（蒸気）となる。
【００２６】
以上のように、本体２０、気液分離器５、過熱器７では、エンジン２から排出される廃熱を液相の冷媒へ付与して液相の冷媒を蒸気化する蒸気発生部として機能する。
【００２７】
過熱器７内で排ガスから熱を得て高温高圧となった気相冷媒（蒸気）は、回収機４へと送られる。回収機４は、エンジン２から冷媒が受け取った廃熱のエネルギーを電力へ変換し回収する装置である。すなわち、回収機４は、蒸気発生部において発生した蒸気から電力を回収する。回収機４は、超音速ノズル４１、タービン４２、発電機４３、蓄電池４４、シャフト４５を備えた廃熱回収用のユニットである。高温高圧の気相冷媒は超音速ノズル４１からタービン４２へと噴きつけられる。これにより、タービン４２が回転する。タービン４２と発電機４３とはシャフト４５で接続されており、タービン４２が所定の回転数、及びトルクを得ると、発電機４３において安定した発電が可能となる。発電機４３において発生した電気は蓄電池４４に蓄えられる。また、回収機４は、高温高圧の気相冷媒が持つエネルギーを電力として回収する代わりに機械的動力として回収する構成であってもよい。
【００２８】
回収機４においてタービン４２に噴きつけられた蒸気は、通路３３を通り、凝縮器８へ送られる。この通路３３は冷媒通路３の一部である。凝縮器８は、通路３３を通り送られてくる気相の冷媒を液相へ凝縮する。凝縮器８は細分化した管路へ冷媒を送り、大気との熱交換を促進することにより冷媒を冷却する。また、エンジン２には凝縮器８へ大気を強制的に供給する冷却ファン１４が設けられている。また、凝縮器８の排出口には、凝縮ヘッダタンク１５が設けられており、凝縮器８で凝縮した冷媒が一時的に蓄えられる。
【００２９】
凝縮ヘッダタンク１５内の冷媒は、その後、凝縮タンク９へ送られる。凝縮タンク９に蓄えられた冷媒は、ベーン型ウォータポンプ１０により下流側へ送られる。ベーン型ウォータポンプ１０は、本発明の圧送機に相当し、凝縮タンク９内の冷媒を蒸気発生部である本体２０または気液分離器５へと圧送する。また、ウォータポンプ１２は、ベーン型ウォータポンプ１０により圧送された冷媒をブロック側ウォータジャケット２１ａへ供給する。また、ベーン型ウォータポンプ１０とウォータポンプ１２の間の逆止弁１１は、ベーン型ウォータポンプ１０へ冷媒が逆流することを防止する。
【００３０】
逆止弁１１とウォータポンプ１２との間の冷媒通路３と、気液分離器５の底部とを連通するように通路３４が形成されている。この通路３４は冷媒通路３の一部である。通路３４における冷媒の流れは、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量に応じて変化する。ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量がウォータポンプ１２の駆動量より大きい場合、ウォータポンプ１２がブロック型ウォータジャケット２１ａへ圧送する冷媒の量よりもベーン型ウォータポンプ１０が圧送する冷媒の量が多いため、ウォータポンプ１２の圧送量を超えた冷媒が通路３４へ流入し、通路３４の冷媒は気液分離器５へ向かって流れる。反対に、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量がウォータポンプ１２の駆動量以下である場合、気液分離器５内の冷媒が通路３４へ流れ込み、ウォータポンプ１２によりブロック側ウォータジャケット２１ａへ供給される。
【００３１】
上記の通り、冷媒は本体２０、及び過熱器７において、エンジン２の廃熱を回収し、高温高圧の蒸気となる。回収機４は、この蒸気化した冷媒がエンジンから受け取った熱エネルギーを電気エネルギーへと変換して回収する。蒸気化した冷媒は凝縮器８において再び液体状態に凝縮され、再度、本体２０内へ送られて、ランキンサイクルシステム１内を循環する。従って、ランキンサイクルシステム１は、冷媒を作動流体とするランキンサイクルを構成している。
【００３２】
さらに、ランキンサイクルシステム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central
Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、ランキンサイクルシステム１やエンジン２の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りして制御する。図２は本実施例におけるＥＣＵ５０に関する信号の伝達を示したブロック図である。本実施例では、ＥＣＵ５０は回転センサ５１、トルクセンサ５２、水温センサ５３、蒸気温センサ５４、排気温センサ５５のそれぞれと電気的に接続されている。回転センサ５１はエンジン２のクランクシャフト（図示しない）の回転数を検出する。トルクセンサ５２はエンジン２のトルクを検出する。水温センサ５３は気液分離器５内における液相の冷媒の温度を検出する。蒸気温センサ５４は過熱器７の過熱部７ｂの出口付近に配置されて、気相の冷媒（蒸気）の温度を検出する。排気温センサ５５は排気管１６における、過熱器７に導入される直前の排気の温度を計測する位置に配置されて、エンジン２の排ガスの温度を検出する。
【００３３】
また、ＥＣＵ５０は、ベーン型ウォータポンプ１０、電磁弁１３、冷却ファン１４のそれぞれと電気的に接続されており、各種センサの取得する情報に基づいて、ベーン型ウォータポンプ１０、冷却ファン１４の運転を制御し、電磁弁１３の開閉状態を制御する。
【００３４】
さらに、本実施例において、ＥＣＵ５０は本発明の第１算出手段として機能する。すなわち、ＥＣＵ５０は蒸気発生部において発生する蒸気量を算出する。本実施例では、蒸気発生部において発生する蒸気量とは、冷媒が本体２０から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｅ、及び冷媒が過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｈを合わせた総発生蒸気量Ｖｔを指すものとする。また、ＥＣＵ５０は本発明の第２算出手段として機能する。すなわち、ＥＣＵ５０は、第１算出手段が算出した蒸気量に相当する冷媒（作動流体）の液量を算出し、その液量を圧送するベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を算出する。さらに、ＥＣＵ５０は、本発明の供給手段として機能する。すなわち、第２算出手段により算出された駆動量でベーン型ウォータポンプ１０を駆動し、第１算出手段において算出された液量を本体２０または気液分離器５（蒸気発生部）へ供給させる。
【００３５】
次に、制御装置１００の制御について説明する。図３は蒸気発生部への冷媒の供給に関する制御処理について示したフローチャートである。この制御はＥＣＵ５０により行われる。以下、本実施例の制御処理について図３を参照しつつ説明する。
【００３６】
ＥＣＵ５０はステップＳ１において、ランキンサイクルシステム１が稼動中か否かを判断する。ＥＣＵ５０は、ランキンサイクルシステム１が稼動中であるか否かについて、気液分離器５内の液相冷媒の温度が飽和蒸気温度Ｔｓ以上であるか否かにより判断する。気液分離器５内の液相冷媒の温度は、水温センサ５３により検出した値を用いる。ＥＣＵ５０はステップＳ１においてＹＥＳと判断する場合、すなわち、ランキンサイクルシステム１が稼動中である場合、ステップＳ２へ進む。
【００３７】
ＥＣＵ５０はステップＳ２において、エンジン２の運転状態を把握するため、エンジン２の運転条件を取得する。エンジン２の運転条件は、例えば、エンジン回転数、エンジン２のトルク、熱効率、過熱器７内の液相冷媒の温度、排気温度から取得する。エンジン回転数は、回転センサ５１が取得する値を用い、エンジン２のトルクはトルクセンサ５２が検出する値を用い、過熱器７内の液相冷媒の温度は蒸気温センサ５４が検出する値から予測する。排気温度は排気温センサ５５が検出する値を用いる。熱効率は、例えば、図４に示すような予め作成されたマップを参照して取得することができる。図４のマップによると、エンジン回転数とエンジン負荷とから熱効率を求めることができる。図４のマップでは、マップの中央付近で最も熱効率が高く、高回転若しくは低回転、または高負荷若しくは低負荷になるほど、熱効率が低下する。ＥＣＵ５０はステップＳ２において、エンジン２の運転条件を取得すると、ステップＳ１０へ進む。
【００３８】
ＥＣＵ５０はステップＳ１０において、蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理へ進む。ここで、蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理について説明する。図５はステップＳ１０の蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理についてのサブルーチンを示したフローチャートである。
【００３９】
蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理が開始すると、ＥＣＵ５０はステップＳ１１において、冷媒が本体２０から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｅを算出する。蒸気量Ｖｅは、予め作成された蒸気量Ｖｅ算出マップを用いて算出する。ここで、蒸気量Ｖｅ算出マップについて説明する。図６は蒸気量Ｖｅ算出マップの一例を示した説明図である。図６の縦軸は、蒸気量Ｖｅを示し、横軸はエンジン２の出力を示している。エンジン２の出力は、エンジン２の運転状態、例えば、エンジン２の回転数、負荷、熱効率、冷却排気損失割合から特定する。エンジン２の回転数は回転センサ５１から取得し、エンジン２の負荷はスロットルの開度から取得し、熱効率は上記の図４のマップを参照して取得する。また、冷却排気損失割合は、例えば、図７及び図８に示すような予め作成されたマップを参照して取得する。図７は冷却損失量を示したマップの一例であり、図８は排気損失量を示したマップの一例である。図７、図８によると、冷却損失量、排気損失量はともに、エンジン回転数、及びエンジン負荷から求めることができる。図７に示すように、エンジン回転数、エンジン負荷が高くなるほど、冷却損失量が大きくなる。図８に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、排気損失量が大きくなる。ＥＣＵ５０は、これらのマップを参照して算出した冷却排気損失割合からエンジン出力を特定できる。ＥＣＵ５０は、図６の蒸気量Ｖｅ算出マップにおいて、エンジン２の出力に相当する蒸気量Ｖｅを算出する。ＥＣＵ５０はステップＳ１１の処理を終えると、ステップＳ１２へ進む。
【００４０】
ＥＣＵ５０はステップＳ１２において、電磁弁１３が開弁状態であるか否かを判断する。ＥＣＵ５０は、過熱器７内の温度が過熱器制御温Ｔｈ以上である場合に電磁弁１３を開弁させる。過熱器制御温Ｔｈは過熱器７の蒸発部７ａにおいて、液相の冷媒が排気から受熱し、蒸気化することができる温度である。従って、電磁弁１３が開弁状態であるときは、過熱器７内で蒸気が発生している状態である。一方、電磁弁１３が閉弁状態であるときは、蒸発部７ａで有効なエネルギーを取り出すための蒸気が発生していない状態である。このため、電磁弁１３の状態により、蒸気の発生量が変化し、その後の処理が変化する。ＥＣＵ５０はステップＳ１２においてＹＥＳと判断する場合、すなわち、電磁弁１３が開弁状態である場合、ステップＳ１３へ進む。
【００４１】
ＥＣＵ５０はステップＳ１３において、冷媒が過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｈを算出する。蒸気量Ｖｈは、予め作成された蒸気量Ｖｈ算出マップを用いて算出する。図９は蒸気量Ｖｈ算出マップの一例を示した説明図である。図９の縦軸は、蒸気量Ｖｈを示し、横軸は排気熱量を示している。排気熱量は、排気温センサ５５により検出されるエンジン２の排ガスの温度から導き出される。また、蒸気量Ｖｈ算出マップは、排気熱量の他に、エンジン２の回転数、負荷、気液分離器５内の液相冷媒が蒸気化する飽和蒸気温度Ｔｓ、過熱器制御温Ｔｈのいずれか１つまたはいくつかに基づいて、蒸気量Ｖｈを算出するものであってもよい。また、蒸気量Ｖｈ算出マップは、排気熱量やここで述べた情報を総合的に参照して、蒸気量Ｖｈを算出するものであってもよい。ＥＣＵ５０はステップＳ１３において、蒸気量Ｖｈを算出すると、ステップＳ１５へ進む。
【００４２】
一方、ＥＣＵ５０はステップＳ１２においてＮＯと判断する場合、すなわち、電磁弁１３が閉弁状態である場合、ステップＳ１４へ進む。
【００４３】
ＥＣＵ５０はステップＳ１４において、冷媒が過熱器７において排気から受熱することにより発生した蒸気量Ｖｈの値を０とする。電磁弁１３が閉弁状態である場合、過熱器７内の液相冷媒が蒸気化していないため、蒸気量Ｖｈを０とする。ＥＣＵ５０はステップＳ１４の処理を終えるとステップＳ１５へ進む。
【００４４】
ＥＣＵ５０はステップＳ１５において、総発生蒸気量Ｖｔを算出する。総発生蒸気量Ｖｔは本体２０から受熱し発生した蒸気量Ｖｅ、及び過熱器７において排気から受熱して発生した蒸気量Ｖｈを合わせたもの、すなわち、
Ｖｔ ＝ Ｖｅ ＋ Ｖｈ （１）
として表わされる。ＥＣＵ５０は総発生蒸気量Ｖｔを算出し、ステップＳ１５の処理を終えるとサブルーチンを終了する。
【００４５】
ＥＣＵ５０は、蒸気発生部における総発生蒸気量Ｖｔを算出する処理についてのサブルーチンを終えると、次にステップＳ３へ進む。
【００４６】
ＥＣＵ５０はステップＳ３において、ステップＳ１０のサブルーチンで算出された総発生蒸気量Ｖｔに相当する冷媒の液量を算出し、その液量を圧送するベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を算出する。ここでは、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量は、ポンプ回転数Ｒで表わすものとする。ポンプ回転数Ｒは、予め作成されたポンプ回転数Ｒ算出マップを用いて算出する。図１０はポンプ回転数Ｒ算出マップの一例を示した説明図である。図１０の縦軸は、ポンプ回転数Ｒを示し、横軸は総発生蒸気量Ｖｔを示している。なお、ベーン型ウォータポンプ１０の駆動量を表わすものとして、ポンプ回転数Ｒに限定されず、ベーン型ウォータポンプ１０へ与える印加電圧を算出することにより駆動量を表わし、流量を設定することとしてもよい。また、ＥＣＵ５０はポンプ回転数Ｒで駆動する時間を算出してもよい。ＥＣＵ５０はステップＳ３でポンプ回転数を算出すると、ステップＳ４へ進む。
【００４７】
ＥＣＵ５０はステップＳ４において、ステップＳ３で算出したポンプ回転数Ｒとなるようにベーン型ウォータポンプ１０へ駆動出力を送り、ベーン型ウォータポンプ１０を駆動し、総発生蒸気量Ｖｔに相当する、算出された冷媒の液量を蒸気発生部へ供給させる。これにより、総発生蒸気量Ｖｔに相当する液量の冷媒が蒸気発生部へ圧送される。ＥＣＵ５０はステップＳ４の処理を終えるとリターンとなる。なお、ＥＣＵ５０はステップＳ１においてＮＯと判断する場合、すなわち、ランキンサイクルシステム１が稼動していない場合、処理を終えてリターンとなる。
【００４８】
このように、制御装置１００の制御処理により、蒸気化して抜け出た分に相当する冷媒が蒸気発生部へ供給される。このため、ウォータジャケット２１ａ、２１ｂ、気液分離器５、過熱器７における液相の冷媒量が一定に保たれる。これにより、発生する蒸気量のばらつきが抑制され、回収機４におけるエネルギーの回収が安定する。また、液相の冷媒が過多になる状態や極端に減少することが抑制されるので、本体２０の暖機不良や冷却不足が防がれる。
【００４９】
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、さら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。
【符号の説明】
【００５０】
１ ランキンサイクルシステム
２ エンジン
２０ 本体（蒸気発生部の一部）
３ 冷媒通路
４ 回収機
５ 気液分離器（蒸気発生部の一部）
７ 過熱器（蒸気発生部の一部）
８ 凝縮器
１０ ベーン型ウォータポンプ（圧送機）
１３ 電磁弁
１５ 凝縮ヘッダタンク
５０ ＥＣＵ（第１算出手段、第２算出手段、及び供給手段）
１００ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を付与して液相の作動流体を蒸気化する蒸気発生部と、
前記蒸気発生部において発生した蒸気から動力または電力を回収する回収機と、
前記作動流体を前記蒸気発生部へ圧送する圧送機と、
前記蒸気発生部において発生する蒸気量を算出する第１算出手段と、
前記蒸気量に相当する前記作動流体の液量を算出し、前記液量を圧送する前記圧送機の駆動量を算出する第２算出手段と、
前記第２算出手段により算出された前記駆動量で前記圧送機を駆動し、前記液量を前記蒸気発生部へ供給させる供給手段と、
を備えるランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項２】
前記作動流体はエンジンを冷却する冷媒であって、
前記作動流体はエンジンに設けられた流路内を循環し、
前記蒸気発生部はエンジンの廃熱を前記作動流体へ付与することを特徴とする請求項１記載のランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項３】
前記第１算出手段は、前記エンジンの運転状態に基づいて、発生する蒸気量を算出することを特徴とする請求項２記載のランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項４】
前記蒸気発生部は、
前記エンジンの運転により発生する熱を前記作動流体へ伝播するエンジン本体と、
前記エンジンの排気から得られる熱を前記作動流体へ伝播する過熱器と、
を含み、
前記第１算出手段は、前記作動流体が前記本体から受熱することにより発生した蒸気量と、前記作動流体が前記過熱器において排気から受熱することにより発生した蒸気量とを算出することを特徴とする請求項２または３記載のランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項１】
熱を付与して液相の作動流体を蒸気化する蒸気発生部と、
前記蒸気発生部において発生した蒸気から動力または電力を回収する回収機と、
前記作動流体を前記蒸気発生部へ圧送する圧送機と、
前記蒸気発生部において発生する蒸気量を算出する第１算出手段と、
前記蒸気量に相当する前記作動流体の液量を算出し、前記液量を圧送する前記圧送機の駆動量を算出する第２算出手段と、
前記第２算出手段により算出された前記駆動量で前記圧送機を駆動し、前記液量を前記蒸気発生部へ供給させる供給手段と、
を備えるランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項２】
前記作動流体はエンジンを冷却する冷媒であって、
前記作動流体はエンジンに設けられた流路内を循環し、
前記蒸気発生部はエンジンの廃熱を前記作動流体へ付与することを特徴とする請求項１記載のランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項３】
前記第１算出手段は、前記エンジンの運転状態に基づいて、発生する蒸気量を算出することを特徴とする請求項２記載のランキンサイクルシステムの制御装置。
【請求項４】
前記蒸気発生部は、
前記エンジンの運転により発生する熱を前記作動流体へ伝播するエンジン本体と、
前記エンジンの排気から得られる熱を前記作動流体へ伝播する過熱器と、
を含み、
前記第１算出手段は、前記作動流体が前記本体から受熱することにより発生した蒸気量と、前記作動流体が前記過熱器において排気から受熱することにより発生した蒸気量とを算出することを特徴とする請求項２または３記載のランキンサイクルシステムの制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７２６１７（Ｐ２０１２−１７２６１７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６３５０（Ｐ２０１１−３６３５０）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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