ランキンサイクル装置

【課題】ランキンサイクル装置において蒸発器から膨張機に供給される蒸気の圧力を目標圧力に応答性良く制御する。
【解決手段】目標圧力設定手段Ｍ５が膨張機１２に供給される蒸気の実流量および温度に基づいて該蒸気の目標圧力を設定し、予測流量演算手段Ｍ１がエンジンのスロットル開度ＴＨおよび回転数Ｎｅに基づいて膨張機１２に供給される蒸気の予測流量Ｑｓを演算し、目標回転数演算手段Ｍ６が前記予測流量Ｑｓおよび目標圧力に基づいて膨張機１２の目標回転数を演算するので、膨張機１２に供給される蒸気の実流量の応答遅れの影響を受けることなく、スロットル開度ＴＨの変化に即座に応答する蒸気の予測流量Ｑｓを用いて蒸気の圧力を目標圧力に応答性良く制御することができる。

【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。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクル装置において、蒸発器への蒸気の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での蒸気圧力を目標圧力に精度良く制御すべく、蒸発器の出口での蒸気の流量および前記目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での蒸気圧力および前記目標圧力の偏差に、前記蒸気の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、これらフィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御するものが、下記特許文献１により公知である。
【特許文献１】特開２００４−６０４６２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、ランキンサイクル装置を高効率な状態に維持するには、エンジン負荷の変動に対して、膨張機に供給される蒸気の温度および圧力を最適値に制御する必要があり、従来の一般的な制御では、蒸発器への給水量を変化させることで蒸気温度を制御し、膨張機の回転数を変化させることで蒸気圧力を制御していた。
【０００４】
この制御によれば、図１２に示すように、アクセルペダルを踏み込んでアクセル開度をステップ状に増加させると、スロットル開度がステップ状に増加してエンジン出力もステップ状に増加する。エンジン出力の増加に伴って排気ガスのエネルギーが増加すると、蒸発器で発生する蒸気の温度が目標蒸気温度を超えて上昇するが（ａ部分参照）、蒸発器のヒートマスが存在するために蒸気温度の上昇はエンジン出力の増加に対して時間遅れを持つ。このようにして蒸気温度が上昇すると、蒸気温度の上昇を抑えるべく蒸発器に対する給水量が増加するようにフィードバック制御が行われる（ｂ部分参照）。給水量の増加により蒸発器から膨張機への蒸気供給量が増加して蒸気圧力が増加するため、蒸気圧力を低下させるべく膨張機の回転数が増加するようにフィードバック制御が行われる。しかしながら蒸気圧力の増加が急激であると、膨張機の回転数が最大回転数に達してしまって蒸気圧力を充分に低下させることができず（ｃ部分参照）、蒸気圧力が上限圧力を超えてオーバーシュートしてしまい（ｄ部分参照）、膨張機の運転効率が低下したり耐久性に悪影響が及ぶ可能性がある。
【０００５】
このように、膨張機の回転数を変化させて蒸気圧力を制御する場合、膨張機の入口での蒸気流量や蒸気圧力を検出してから膨張機の回転数を増加させて蒸気圧力を低下させようとしても、蒸発器の内部での圧力低下に伴って相変化（液相→飽和、飽和→気相）が加速され、結果的に蒸気流量が増加するために蒸気圧力が低下するまでに時間遅れが生じる問題がある。
【０００６】
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から膨張機に供給される気相作動媒体の圧力を目標圧力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】
【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、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、膨張機に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定する目標圧力設定手段と、エンジンのスロットル開度および回転数に基づいて膨張機に供給される気相作動媒体の予測流量を演算する予測流量演算手段と、予測流量演算手段で演算した予測流量および目標圧力設定手段で設定した目標圧力に基づいて膨張機の目標回転数を演算する目標回転数演算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。
【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、前記目標回転数演算手段は、予測流量演算手段で演算した予測流量、目標圧力設定手段で設定した目標圧力および膨張機に供給される気相作動媒体の温度に基づいて膨張機の目標回転数を演算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、前記予測流量演算手段は、エンジンのスロットル開度および回転数に基づいて排気ガス流量を演算し、この排気ガス流量および排気ガス温度から排気ガスエネルギーを演算し、この排気ガスエネルギーおよび膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から前記予測流量を演算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。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、前記予測流量演算手段は、エンジンのスロットル開度および回転数に基づいて排気ガスエネルギーを演算し、この排気ガスエネルギーおよび膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から前記予測流量を演算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】
【００１１】
請求項１の構成によれば、目標圧力設定手段が膨張機に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定し、予測流量演算手段がエンジンのスロットル開度および回転数に基づいて膨張機に供給される気相作動媒体の予測流量を演算し、目標回転数演算手段が前記予測流量および目標圧力に基づいて膨張機の目標回転数を演算するので、膨張機に供給される気相作動媒体の実流量の応答遅れの影響を受けることなく、スロットル開度の変化に即座に応答する気相作動媒体の予測流量を用いて該気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く制御することができる。
【００１２】
請求項２の構成によれば、目標回転数演算手段が前記予測流量および目標圧力に加えて膨張機に供給される気相作動媒体の温度から膨張機の目標回転数を演算するので、膨張機の目標回転数をより精度良く演算することができる。
【００１３】
請求項３の構成によれば、予測流量演算手段が排気ガス流量に加えて排気ガス温度から排気ガスエネルギーを演算し、かつ前記排気ガスエネルギーに加えて膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から気相作動媒体の予測流量を演算するので、前記予測流量を更に精度良く演算することができる。
【００１４】
請求項４の構成によれば、予測流量演算手段が排気ガスエネルギーに加えて膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から気相作動媒体の予測流量を演算するので、前記予測流量を更に精度良く演算することができる。
【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５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は膨張機の回転数の制御系のブロック図、図３は膨張機の回転数の制御に用いるマップを示す図、図４は蒸気エネルギーおよび蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップを示す図、図５は膨張機の回転数の制御系のタイムチャートである。
【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。
【００１８】
図２に示すように、予測流量演算手段Ｍ１は、従来は蒸発器１１からから膨張機１２に供給される蒸気の流量を直接検出するか、あるいは蒸発器１１に対する給水量から推定していた蒸気の流量を応答遅れなく推定するためのもので、排気ガス流量演算手段Ｍ２と、排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３と、蒸気流量演算手段Ｍ４とを備える。
【００１９】
排気ガス流量演算手段Ｍ２は、アクセル開度ＡＰ（つまりスロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅを、図３（Ａ）に示すマップに適用して排気ガス流量Ｑｇを演算する。図３（Ａ）のｉ部分でアクセル開度ＡＰの増加に対する排気ガス流量Ｑｇの増加率が減少するのは、エンジン回転数Ｎｅが大きいときには燃料噴射量が増加して空燃比Ａ／Ｆが小さくなるためである。
【００２０】
排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３は、排気ガス温度Ｔｇおよび空燃比Ａ／Ｆを、図３（Ｂ）に示すマップに適用して排気ガスのエンタルピＨｇを演算し、それに排気ガス流量演算手段Ｍ２で演算した排気ガス流量Ｑｇを乗算して排気ガスエネルギーＥｇを演算する。蒸気流量演算手段Ｍ４は、図３（Ｂ）で演算した排気ガスエネルギーＥｇおよび目標蒸気温度Ｔｏｂｊを、図３（Ｃ）に示すマップに適用して蒸気の予測流量Ｑｓを算出する。
【００２１】
一方、目標圧力設定手段Ｍ５は、蒸発器１１から膨張機１２に供給される蒸気の実流量および温度を図４のマップに適用して蒸気の目標圧力を設定する。この目標圧力は膨張機１２が最大の効率で運転される蒸気圧力に相当する。
【００２２】
目標回転数演算手段Ｍ６は、フィードフォワード回転数演算手段Ｍ７およびフィードバック回転数演算手段Ｍ８を備える。フィードフォワード回転数演算手段Ｍ７は、予測流量演算手段Ｍ１で演算した蒸気の予測流量Ｑｓおよび目標圧力設定手段Ｍ５で設定した蒸気の目標圧力を、図３（Ｄ）に示すマップに適用して膨張機１２のフィードフォワード回転数を演算する。蒸気の目標圧力と実圧力との偏差が入力されたフィードバック回転数演算手段Ｍ８は、前記偏差に所定のゲインを乗算してフィードバック回転数を演算する。そして目標回転数演算手段Ｍ６は、フィードフォワード回転数からフィードバック回転数を減算したものを、膨張機１２の目標回転数として出力する。
【００２３】
膨張機１２にはモータ・ジェネレータ１５が接続されており、このモータ・ジェネレータ１５のジェネレータ負荷が減少すると膨張機１２の回転数が増加し、ジェネレータ負荷が増加すると膨張機１２の回転数が減少することから、膨張機１２の回転数を任意に制御することができる。そして膨張機１２の回転数を増加させると該膨張機１２の入口での蒸気圧力が減少し、逆に膨張機１２の回転数を減少させると該膨張機１２の入口での蒸気圧力が増加する。
【００２４】
目標回転数演算手段Ｍ６が出力する膨張機１２の目標回転数と、膨張機１２の実回転数（フィードバック回転数）との偏差はＰＩフィードバック項演算手段Ｍ９に入力され、そこで演算された目標トルクをモータ・ジェネレータ１５に発生させることで、膨張機１２の回転数が目標回転数にフィードバック制御される。
【００２５】
上述した制御の結果を図５に示すタイムチャートに基づいて纏めると、アクセルペダルを踏み込んでアクセル開度をステップ状に増加させると、スロットル開度がステップ状に増加してエンジン出力もステップ状に増加する。このエンジン出力の増加（つまりアクセル開度あるいはスロットル開度の増加）に基づいて蒸発器１１から膨張機１２に供給される将来の蒸気の予測流量Ｑｓを演算し、この予測流量Ｑｓに基づいて膨張機１２の目標回転数を演算するので、エンジン出力が増加してから実際に蒸気流量が増加するまでのタイムラグの影響を受けることなく、エンジン出力の増加すると同時に膨張機１２の回転数を目標回転数に制御することができる（ｇ部分参照）。
【００２６】
その結果、エンジン出力の増加に伴って蒸発器１２で発生する蒸気の温度が目標温度を超えて上昇しても（ｅ部分参照）、その上昇量を従来の制御（図１２のａ部分参照）に比べて小さくすることができる。また蒸気温度の上昇を抑えるべく蒸発器１１への給水量が増加するようにフィードバック制御が行われるが（ｆ部分参照）、その給水量の増加量を従来の制御（図１２のｂ部分参照）に比べて小さくすることができる。
【００２７】
これにより、蒸気圧力は目標圧力から殆ど外れなくなり（ｈ部分参照）、蒸気圧力が上限圧力を超えてオーバーシュートする事態を確実に回避することで、膨張機１２の運転効率が低下したり耐久性に悪影響が及ぶのを防止することができる。
【００２８】
図６および図７は本発明の第２実施例を示すもので、図６は膨張機の回転数の制御系のブロック図、図７はアクセル開度およびエンジン回転数から排気ガスエネルギーを検索するマップを示す図である。
【００２９】
第２実施例は、第１実施例の図２における予測流量演算手段Ｍ１の構成を簡素化したものである。第１実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガス流量演算手段Ｍ２、排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３および蒸気流量演算手段Ｍ４を備えているが、第２実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガス流量演算手段Ｍ２を備えておらず、排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３および蒸気流量演算手段Ｍ４だけを備えている。
【００３０】
第２実施例の排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３は、アクセル開度ＡＰ（スロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅを図７に示すマップに適用して排気ガスエネルギーＥｇを演算する。図７に示すマップにおいて、同一のエンジン回転数Ｎｅでアクセル開度ＡＰを増加させると、排気ガス温度の上昇と排気ガス流量の増加のために、排気ガスエネルギーＥｇが二次関数的に増加する（ｊ部分参照）。ただし、エンジン回転数Ｎｅが大きいときは燃料噴射量が増加し、空燃比が小さくなって排気ガス流量は減少する（ｋ部分参照）。
【００３１】
この第２実施例によれば、アクセル開度ＡＰ（スロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅだけから排気ガスエネルギーＥｇを演算し、排気ガス温度Ｔｇを用いていないので、排気ガス温度Ｔｇの変化を待つことなく、将来の蒸気の予測流量Ｑｓを一層速やかに演算することができる。尚、空燃比Ａ／Ｆは燃料噴射指令に基づいて瞬時に変化するものであるため、排気ガスエネルギーＥｇの演算から省いても応答性に影響を及ぼすことはない。
【００３２】
図８および図９は本発明の第３実施例を示すもので、図８は膨張機の回転数の制御系のブロック図、図７はアクセル開度およびエンジン回転数から蒸気の予測流量を検索するマップを示す図である。
【００３３】
第３実施例は、第２実施例の図６における予測流量演算手段Ｍ１の構成を簡素化したものである。第２実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３および蒸気流量演算手段Ｍ４を備えているが、第３実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３を備えておらず、蒸気流量演算手段Ｍ４だけを備えている。
【００３４】
第３実施例の蒸気流量演算手段Ｍ４、アクセル開度ＡＰ（スロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅを図９に示すマップに適用して蒸気の予測流量Ｑｓを演算する。この予測流量Ｑｓは蒸気温度を最適温度に制御できた場合の蒸気流量であり、それに見合った膨張機１２の目標回転数をダイレクトに設定するため、蒸発器１１への給水量に依存せずに最終的な予測流量Ｑｓを演算することができる。
【００３５】
ところで、上記第１〜第３実施例において、エンジン出力の変動幅が小さい場合に、蒸気圧力の上昇を予測して膨張機１２の回転数を増加させると、逆に蒸気圧力が過剰に低下してしまう可能性がある。そこで本第４実施例では、図１０のフローチャートに基づいて蒸気流量の予測制御を行うか否かを判定する。
【００３６】
即ち、ステップＳ１でエンジン出力Ｐｓｅが閾値ＰＳＥＳＷを超えており、蒸気圧力が許容最大圧力を超える虞があるときには（図１１の実線参照）、ステップＳ２で第１〜第３実施例の蒸気流量の予測制御を行い、逆に前記ステップＳ１でエンジン出力Ｐｓｅが閾値ＰＳＥＳＷを超えておらず、蒸気圧力が許容最大圧力を超える虞がないときには（図１１の鎖線参照）、ステップＳ３で第１〜第３実施例の蒸気流量の予測制御を行わずに従来の通常制御を行う。これにより、蒸気圧力の過剰な低下による膨張機１２の出力低下を効果的に回避することができる。
【００３７】
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。
【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】膨張機の回転数の制御系のブロック図
【図３】膨張機の回転数の制御に用いる各種マップを示す図
【図４】蒸気エネルギーおよび蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップを示す図
【図５】膨張機の回転数の制御系のタイムチャート
【図６】第２実施例に係る膨張機の回転数の制御系のブロック図
【図７】アクセル開度およびエンジン回転数から排気ガスエネルギーを検索するマップを示す図
【図８】第３実施例に係る膨張機の回転数の制御系のブロック図
【図９】アクセル開度およびエンジン回転数から蒸気の予測流量を検索するマップを示す図
【図１０】第４実施例に係る膨張機の回転数の制御の切換ルーチンのフローチャート
【図１１】図１０のフローチャートを説明するグラフ
【図１２】従来の膨張機の回転数の制御系のタイムチャート
【符号の説明】
【００３９】
１１蒸発器
１２膨張機
Ｅエンジン
Ｅｇ排気ガスエネルギー
Ｍ１予測流量演算手段
Ｍ５目標圧力設定手段
Ｍ６目標回転数演算手段
Ｎｅエンジン回転数
Ｑｇ排気ガス流量
Ｑｓ予測流量
Ｔｇ排気ガス温度
ＴＨスロットル開度
Ｔｏｂｊ気相作動媒体の目標温度
【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。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクル装置において、蒸発器への蒸気の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での蒸気圧力を目標圧力に精度良く制御すべく、蒸発器の出口での蒸気の流量および前記目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での蒸気圧力および前記目標圧力の偏差に、前記蒸気の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、これらフィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御するものが、下記特許文献１により公知である。
【特許文献１】特開２００４−６０４６２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、ランキンサイクル装置を高効率な状態に維持するには、エンジン負荷の変動に対して、膨張機に供給される蒸気の温度および圧力を最適値に制御する必要があり、従来の一般的な制御では、蒸発器への給水量を変化させることで蒸気温度を制御し、膨張機の回転数を変化させることで蒸気圧力を制御していた。
【０００４】
この制御によれば、図１２に示すように、アクセルペダルを踏み込んでアクセル開度をステップ状に増加させると、スロットル開度がステップ状に増加してエンジン出力もステップ状に増加する。エンジン出力の増加に伴って排気ガスのエネルギーが増加すると、蒸発器で発生する蒸気の温度が目標蒸気温度を超えて上昇するが（ａ部分参照）、蒸発器のヒートマスが存在するために蒸気温度の上昇はエンジン出力の増加に対して時間遅れを持つ。このようにして蒸気温度が上昇すると、蒸気温度の上昇を抑えるべく蒸発器に対する給水量が増加するようにフィードバック制御が行われる（ｂ部分参照）。給水量の増加により蒸発器から膨張機への蒸気供給量が増加して蒸気圧力が増加するため、蒸気圧力を低下させるべく膨張機の回転数が増加するようにフィードバック制御が行われる。しかしながら蒸気圧力の増加が急激であると、膨張機の回転数が最大回転数に達してしまって蒸気圧力を充分に低下させることができず（ｃ部分参照）、蒸気圧力が上限圧力を超えてオーバーシュートしてしまい（ｄ部分参照）、膨張機の運転効率が低下したり耐久性に悪影響が及ぶ可能性がある。
【０００５】
このように、膨張機の回転数を変化させて蒸気圧力を制御する場合、膨張機の入口での蒸気流量や蒸気圧力を検出してから膨張機の回転数を増加させて蒸気圧力を低下させようとしても、蒸発器の内部での圧力低下に伴って相変化（液相→飽和、飽和→気相）が加速され、結果的に蒸気流量が増加するために蒸気圧力が低下するまでに時間遅れが生じる問題がある。
【０００６】
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から膨張機に供給される気相作動媒体の圧力を目標圧力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】
【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、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、膨張機に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定する目標圧力設定手段と、エンジンの出力および回転数に基づいて膨張機に供給される気相作動媒体の予測流量を演算する予測流量演算手段と、予測流量演算手段で演算した予測流量および目標圧力設定手段で設定した目標圧力に基づいて膨張機の目標回転数を演算する目標回転数演算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。
【０００８】
また請求項２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、膨張機に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定する目標圧力設定手段と、エンジンのスロットル開度またはアクセル開度と回転数とに基づいて膨張機に供給される気相作動媒体の予測流量を演算する予測流量演算手段と、予測流量演算手段で演算した予測流量および目標圧力設定手段で設定した目標圧力に基づいて膨張機の目標回転数を演算する目標回転数演算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。
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記目標回転数演算手段は、予測流量演算手段で演算した予測流量、目標圧力設定手段で設定した目標圧力および膨張機に供給される気相作動媒体の温度に基づいて膨張機の目標回転数を演算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。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、前記予測流量演算手段は、エンジンのスロットル開度および回転数に基づいて排気ガス流量を演算し、この排気ガス流量および排気ガス温度から排気ガスエネルギーを演算し、この排気ガスエネルギーおよび膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から前記予測流量を演算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。
【００１１】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、前記予測流量演算手段は、エンジンのスロットル開度および回転数に基づいて排気ガスエネルギーを演算し、この排気ガスエネルギーおよび膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から前記予測流量を演算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】
【００１２】
請求項１の構成によれば、目標圧力設定手段が膨張機に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定し、予測流量演算手段がエンジンの出力および回転数に基づいて膨張機に供給される気相作動媒体の予測流量を演算し、目標回転数演算手段が前記予測流量および目標圧力に基づいて膨張機の目標回転数を演算するので、膨張機に供給される気相作動媒体の実流量の応答遅れの影響を受けることなく、エンジンの出力の変化に即座に応答する気相作動媒体の予測流量を用いて該気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く制御することができる。
【００１３】
請求項２の構成によれば、目標圧力設定手段が膨張機に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定し、予測流量演算手段がエンジンのスロットル開度またはアクセル開度と回転数とに基づいて膨張機に供給される気相作動媒体の予測流量を演算し、目標回転数演算手段が前記予測流量および目標圧力に基づいて膨張機の目標回転数を演算するので、膨張機に供給される気相作動媒体の実流量の応答遅れの影響を受けることなく、エンジンのスロットル開度またはアクセル開度の変化に即座に応答する気相作動媒体の予測流量を用いて該気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く制御することができる。
【００１４】
請求項３の構成によれば、目標回転数演算手段が前記予測流量および目標圧力に加えて膨張機に供給される気相作動媒体の温度から膨張機の目標回転数を演算するので、膨張機の目標回転数をより精度良く演算することができる。
【００１５】
請求項４の構成によれば、予測流量演算手段が排気ガス流量に加えて排気ガス温度から排気ガスエネルギーを演算し、かつ前記排気ガスエネルギーに加えて膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から気相作動媒体の予測流量を演算するので、前記予測流量を更に精度良く演算することができる。
【００１６】
請求項５の構成によれば、予測流量演算手段が排気ガスエネルギーに加えて膨張機に供給される気相作動媒体の目標温度から気相作動媒体の予測流量を演算するので、前記予測流量を更に精度良く演算することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
図１〜図５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は膨張機の回転数の制御系のブロック図、図３は膨張機の回転数の制御に用いるマップを示す図、図４は蒸気エネルギーおよび蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップを示す図、図５は膨張機の回転数の制御系のタイムチャートである。
【００１９】
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。
【００２０】
図２に示すように、予測流量演算手段Ｍ１は、従来は蒸発器１１からから膨張機１２に供給される蒸気の流量を直接検出するか、あるいは蒸発器１１に対する給水量から推定していた蒸気の流量を応答遅れなく推定するためのもので、排気ガス流量演算手段Ｍ２と、排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３と、蒸気流量演算手段Ｍ４とを備える。
【００２１】
排気ガス流量演算手段Ｍ２は、アクセル開度ＡＰ（つまりスロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅを、図３（Ａ）に示すマップに適用して排気ガス流量Ｑｇを演算する。図３（Ａ）のｉ部分でアクセル開度ＡＰの増加に対する排気ガス流量Ｑｇの増加率が減少するのは、エンジン回転数Ｎｅが大きいときには燃料噴射量が増加して空燃比Ａ／Ｆが小さくなるためである。
【００２２】
排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３は、排気ガス温度Ｔｇおよび空燃比Ａ／Ｆを、図３（Ｂ）に示すマップに適用して排気ガスのエンタルピＨｇを演算し、それに排気ガス流量演算手段Ｍ２で演算した排気ガス流量Ｑｇを乗算して排気ガスエネルギーＥｇを演算する。蒸気流量演算手段Ｍ４は、図３（Ｂ）で演算した排気ガスエネルギーＥｇおよび目標蒸気温度Ｔｏｂｊを、図３（Ｃ）に示すマップに適用して蒸気の予測流量Ｑｓを算出する。
【００２３】
一方、目標圧力設定手段Ｍ５は、蒸発器１１から膨張機１２に供給される蒸気の実流量および温度を図４のマップに適用して蒸気の目標圧力を設定する。この目標圧力は膨張機１２が最大の効率で運転される蒸気圧力に相当する。
【００２４】
目標回転数演算手段Ｍ６は、フィードフォワード回転数演算手段Ｍ７およびフィードバック回転数演算手段Ｍ８を備える。フィードフォワード回転数演算手段Ｍ７は、予測流量演算手段Ｍ１で演算した蒸気の予測流量Ｑｓおよび目標圧力設定手段Ｍ５で設定した蒸気の目標圧力を、図３（Ｄ）に示すマップに適用して膨張機１２のフィードフォワード回転数を演算する。蒸気の目標圧力と実圧力との偏差が入力されたフィードバック回転数演算手段Ｍ８は、前記偏差に所定のゲインを乗算してフィードバック回転数を演算する。そして目標回転数演算手段Ｍ６は、フィードフォワード回転数からフィードバック回転数を減算したものを、膨張機１２の目標回転数として出力する。
【００２５】
膨張機１２にはモータ・ジェネレータ１５が接続されており、このモータ・ジェネレータ１５のジェネレータ負荷が減少すると膨張機１２の回転数が増加し、ジェネレータ負荷が増加すると膨張機１２の回転数が減少することから、膨張機１２の回転数を任意に制御することができる。そして膨張機１２の回転数を増加させると該膨張機１２の入口での蒸気圧力が減少し、逆に膨張機１２の回転数を減少させると該膨張機１２の入口での蒸気圧力が増加する。
【００２６】
目標回転数演算手段Ｍ６が出力する膨張機１２の目標回転数と、膨張機１２の実回転数（フィードバック回転数）との偏差はＰＩフィードバック項演算手段Ｍ９に入力され、そこで演算された目標トルクをモータ・ジェネレータ１５に発生させることで、膨張機１２の回転数が目標回転数にフィードバック制御される。
【００２７】
上述した制御の結果を図５に示すタイムチャートに基づいて纏めると、アクセルペダルを踏み込んでアクセル開度をステップ状に増加させると、スロットル開度がステップ状に増加してエンジン出力もステップ状に増加する。このエンジン出力の増加（つまりアクセル開度あるいはスロットル開度の増加）に基づいて蒸発器１１から膨張機１２に供給される将来の蒸気の予測流量Ｑｓを演算し、この予測流量Ｑｓに基づいて膨張機１２の目標回転数を演算するので、エンジン出力が増加してから実際に蒸気流量が増加するまでのタイムラグの影響を受けることなく、エンジン出力の増加すると同時に膨張機１２の回転数を目標回転数に制御することができる（ｇ部分参照）。
【００２８】
その結果、エンジン出力の増加に伴って蒸発器１２で発生する蒸気の温度が目標温度を超えて上昇しても（ｅ部分参照）、その上昇量を従来の制御（図１２のａ部分参照）に比べて小さくすることができる。また蒸気温度の上昇を抑えるべく蒸発器１１への給水量が増加するようにフィードバック制御が行われるが（ｆ部分参照）、その給水量の増加量を従来の制御（図１２のｂ部分参照）に比べて小さくすることができる。
【００２９】
これにより、蒸気圧力は目標圧力から殆ど外れなくなり（ｈ部分参照）、蒸気圧力が上限圧力を超えてオーバーシュートする事態を確実に回避することで、膨張機１２の運転効率が低下したり耐久性に悪影響が及ぶのを防止することができる。
【００３０】
図６および図７は本発明の第２実施例を示すもので、図６は膨張機の回転数の制御系のブロック図、図７はアクセル開度およびエンジン回転数から排気ガスエネルギーを検索するマップを示す図である。
【００３１】
第２実施例は、第１実施例の図２における予測流量演算手段Ｍ１の構成を簡素化したものである。第１実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガス流量演算手段Ｍ２、排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３および蒸気流量演算手段Ｍ４を備えているが、第２実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガス流量演算手段Ｍ２を備えておらず、排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３および蒸気流量演算手段Ｍ４だけを備えている。
【００３２】
第２実施例の排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３は、アクセル開度ＡＰ（スロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅを図７に示すマップに適用して排気ガスエネルギーＥｇを演算する。図７に示すマップにおいて、同一のエンジン回転数Ｎｅでアクセル開度ＡＰを増加させると、排気ガス温度の上昇と排気ガス流量の増加のために、排気ガスエネルギーＥｇが二次関数的に増加する（ｊ部分参照）。ただし、エンジン回転数Ｎｅが大きいときは燃料噴射量が増加し、空燃比が小さくなって排気ガス流量は減少する（ｋ部分参照）。
【００３３】
この第２実施例によれば、アクセル開度ＡＰ（スロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅだけから排気ガスエネルギーＥｇを演算し、排気ガス温度Ｔｇを用いていないので、排気ガス温度Ｔｇの変化を待つことなく、将来の蒸気の予測流量Ｑｓを一層速やかに演算することができる。尚、空燃比Ａ／Ｆは燃料噴射指令に基づいて瞬時に変化するものであるため、排気ガスエネルギーＥｇの演算から省いても応答性に影響を及ぼすことはない。
【００３４】
図８および図９は本発明の第３実施例を示すもので、図８は膨張機の回転数の制御系のブロック図、図７はアクセル開度およびエンジン回転数から蒸気の予測流量を検索するマップを示す図である。
【００３５】
第３実施例は、第２実施例の図６における予測流量演算手段Ｍ１の構成を簡素化したものである。第２実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３および蒸気流量演算手段Ｍ４を備えているが、第３実施例の予測流量演算手段Ｍ１は排気ガスエネルギー演算手段Ｍ３を備えておらず、蒸気流量演算手段Ｍ４だけを備えている。
【００３６】
第３実施例の蒸気流量演算手段Ｍ４、アクセル開度ＡＰ（スロットル開度ＴＨ）およびエンジン回転数Ｎｅを図９に示すマップに適用して蒸気の予測流量Ｑｓを演算する。この予測流量Ｑｓは蒸気温度を最適温度に制御できた場合の蒸気流量であり、それに見合った膨張機１２の目標回転数をダイレクトに設定するため、蒸発器１１への給水量に依存せずに最終的な予測流量Ｑｓを演算することができる。
【００３７】
ところで、上記第１〜第３実施例において、エンジン出力の変動幅が小さい場合に、蒸気圧力の上昇を予測して膨張機１２の回転数を増加させると、逆に蒸気圧力が過剰に低下してしまう可能性がある。そこで本第４実施例では、図１０のフローチャートに基づいて蒸気流量の予測制御を行うか否かを判定する。
【００３８】
即ち、ステップＳ１でエンジン出力Ｐｓｅが閾値ＰＳＥＳＷを超えており、蒸気圧力が許容最大圧力を超える虞があるときには（図１１の実線参照）、ステップＳ２で第１〜第３実施例の蒸気流量の予測制御を行い、逆に前記ステップＳ１でエンジン出力Ｐｓｅが閾値ＰＳＥＳＷを超えておらず、蒸気圧力が許容最大圧力を超える虞がないときには（図１１の鎖線参照）、ステップＳ３で第１〜第３実施例の蒸気流量の予測制御を行わずに従来の通常制御を行う。これにより、蒸気圧力の過剰な低下による膨張機１２の出力低下を効果的に回避することができる。
【００３９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】膨張機の回転数の制御系のブロック図
【図３】膨張機の回転数の制御に用いる各種マップを示す図
【図４】蒸気エネルギーおよび蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップを示す図
【図５】膨張機の回転数の制御系のタイムチャート
【図６】第２実施例に係る膨張機の回転数の制御系のブロック図
【図７】アクセル開度およびエンジン回転数から排気ガスエネルギーを検索するマップを示す図
【図８】第３実施例に係る膨張機の回転数の制御系のブロック図
【図９】アクセル開度およびエンジン回転数から蒸気の予測流量を検索するマップを示す図
【図１０】第４実施例に係る膨張機の回転数の制御の切換ルーチンのフローチャート
【図１１】図１０のフローチャートを説明するグラフ
【図１２】従来の膨張機の回転数の制御系のタイムチャート
【符号の説明】
【００４１】
１１蒸発器
１２膨張機
ＡＰアクセル開度
Ｅエンジン
Ｅｇ排気ガスエネルギー
Ｍ１予測流量演算手段
Ｍ５目標圧力設定手段
Ｍ６目標回転数演算手段
Ｎｅエンジン回転数
Ｑｇ排気ガス流量
Ｑｓ予測流量
Ｔｇ排気ガス温度
ＴＨスロットル開度
Ｔｏｂｊ気相作動媒体の目標温度

【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容積型の膨張機（１２）とを備えたランキンサイクル装置において、
膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定する目標圧力設定手段（Ｍ５）と、
エンジン（Ｅ）のスロットル開度（ＴＨ）および回転数（Ｎｅ）に基づいて膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の予測流量（Ｑｓ）を演算する予測流量演算手段（Ｍ１）と、
予測流量演算手段（Ｍ１）で演算した予測流量（Ｑｓ）および目標圧力設定手段（Ｍ５）で設定した目標圧力に基づいて膨張機（１２）の目標回転数を演算する目標回転数演算手段（Ｍ６）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】
前記目標回転数演算手段（Ｍ６）は、予測流量演算手段（Ｍ１）で演算した予測流量（Ｑｓ）、目標圧力設定手段（Ｍ５）で設定した目標圧力および膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の温度に基づいて膨張機（１２）の目標回転数を演算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】
前記予測流量演算手段（Ｍ１）は、エンジン（Ｅ）のスロットル開度（ＴＨ）および回転数（Ｎｅ）に基づいて排気ガス流量（Ｑｇ）を演算し、この排気ガス流量（Ｑｇ）および排気ガス温度（Ｔｇ）から排気ガスエネルギー（Ｅｇ）を演算し、この排気ガスエネルギー（Ｅｇ）および膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の目標温度（Ｔｏｂｊ）から前記予測流量（Ｑｓ）を演算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】
前記予測流量演算手段（Ｍ１）は、エンジン（Ｅ）のスロットル開度（ＴＨ）および回転数（Ｎｅ）に基づいて排気ガスエネルギー（Ｅｇ）を演算し、この排気ガスエネルギー（Ｅｇ）および膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の目標温度（Ｔｏｂｊ）から前記予測流量（Ｑｓ）を演算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。
【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容積型の膨張機（１２）とを備えたランキンサイクル装置において、
膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定する目標圧力設定手段（Ｍ５）と、
エンジン（Ｅ）の出力および回転数（Ｎｅ）に基づいて膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の予測流量（Ｑｓ）を演算する予測流量演算手段（Ｍ１）と、
予測流量演算手段（Ｍ１）で演算した予測流量（Ｑｓ）および目標圧力設定手段（Ｍ５）で設定した目標圧力に基づいて膨張機（１２）の目標回転数を演算する目標回転数演算手段（Ｍ６）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】
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容積型の膨張機（１２）とを備えたランキンサイクル装置において、
膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の実流量および温度に基づいて該気相作動媒体の目標圧力を設定する目標圧力設定手段（Ｍ５）と、
エンジン（Ｅ）のスロットル開度（ＴＨ）またはアクセル開度（ＡＰ）と回転数（Ｎｅ）とに基づいて膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の予測流量（Ｑｓ）を演算する予測流量演算手段（Ｍ１）と、
予測流量演算手段（Ｍ１）で演算した予測流量（Ｑｓ）および目標圧力設定手段（Ｍ５）で設定した目標圧力に基づいて膨張機（１２）の目標回転数を演算する目標回転数演算手段（Ｍ６）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３】
前記目標回転数演算手段（Ｍ６）は、予測流量演算手段（Ｍ１）で演算した予測流量（Ｑｓ）、目標圧力設定手段（Ｍ５）で設定した目標圧力および膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の温度に基づいて膨張機（１２）の目標回転数を演算することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記予測流量演算手段（Ｍ１）は、エンジン（Ｅ）のスロットル開度（ＴＨ）および回転数（Ｎｅ）に基づいて排気ガス流量（Ｑｇ）を演算し、この排気ガス流量（Ｑｇ）および排気ガス温度（Ｔｇ）から排気ガスエネルギー（Ｅｇ）を演算し、この排気ガスエネルギー（Ｅｇ）および膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の目標温度（Ｔｏｂｊ）から前記予測流量（Ｑｓ）を演算することを特徴とする、請求項３に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記予測流量演算手段（Ｍ１）は、エンジン（Ｅ）のスロットル開度（ＴＨ）および回転数（Ｎｅ）に基づいて排気ガスエネルギー（Ｅｇ）を演算し、この排気ガスエネルギー（Ｅｇ）および膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の目標温度（Ｔｏｂｊ）から前記予測流量（Ｑｓ）を演算することを特徴とする、請求項３に記載のランキンサイクル装置。

【図１】