制御装置
【課題】冷媒の凍結による配管の閉塞を抑制する。
【解決手段】冷媒にエンジン１からの廃熱を付与して発生させた蒸気により膨張器１０を駆動するランキンサイクルシステム１００内の圧力を制御する大気開放弁１２ａと、冷媒が凍結する可能性があるか否かを判定し、冷媒が凍結する可能性がある場合に、大気開放弁１２ａによりランキンサイクルシステム１００内の圧力を上昇させるＥＣＵ３０と、を備える。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力の上昇により、内燃機関内の冷媒の沸騰が抑制されるため、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【解決手段】冷媒にエンジン１からの廃熱を付与して発生させた蒸気により膨張器１０を駆動するランキンサイクルシステム１００内の圧力を制御する大気開放弁１２ａと、冷媒が凍結する可能性があるか否かを判定し、冷媒が凍結する可能性がある場合に、大気開放弁１２ａによりランキンサイクルシステム１００内の圧力を上昇させるＥＣＵ３０と、を備える。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力の上昇により、内燃機関内の冷媒の沸騰が抑制されるため、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【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】
従来より、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって蒸気タービンのような膨張器を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。
【０００３】
通常、ランキンサイクルシステム内の圧力は、大気圧以下に維持される。ランキンサイクル内の圧力の制御に関する技術として、例えば、特許文献１〜５がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９７６７２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６５５８７号公報
【特許文献３】特開２０００−３４５８３５号公報
【特許文献４】特開２００６−２０７３９６号公報
【特許文献５】特開２００７−００９８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ランキンサイクル稼動時は、タービンノズルが絞りとなり、コンデンサ圧力Ｐ２は、エンジン側圧力Ｐ１よりも低く設定されている。これにより、コンデンサ側圧力Ｐ２は、大気圧以下に設定されている。一方でエンジン側圧力Ｐ１は、大気圧よりも高く設定されている。しかし、ランキンサイクルが停止したとき、ランキンサイクルシステム内の圧力は、作動媒体の温度低下による液化のため大気圧以下になってしまう。エンジンが停止した後であっても、エンジンからの熱はエンジン内の冷媒に伝播するため、エンジン内の冷媒温度の低下速度は、エンジン外のランキンサイクルシステムの経路内温度の低下速度に比べて遅くなる。したがって、エンジンの停止後、エンジン内の冷媒温度は、エンジン外のランキンサイクルシステムの経路内温度よりも高くなるため、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧が、エンジン外のランキンサイクルシステムの経路内温度に対応する飽和蒸気圧よりも高くなる。この結果、エンジン内の冷却水が沸騰し蒸気が生成される。エンジン内で発生した蒸気は、エンジン内よりも低い温度となっている、エンジン以外のランキンサイクルシステムの各部に移動する。エンジン以外のランキンサイクルシステムの各部に移動した蒸気は熱を奪われるため、ランキンサイクルシステムの各部において凝縮水が生成され、ランキンサイクルシステムの各部に付着する。ここで、外気温が氷点下である場合には、ランキンサイクルシステムの各部に付着した凝縮水が凍結し、凍結した凝縮水によってランキンサイクルシステム内の経路が閉塞されてしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本明細書開示の制御装置は、冷媒の凍結に起因する配管の閉塞を抑制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、冷媒に内燃機関からの廃熱を付与して発生させた蒸気により膨張器を駆動するランキンサイクルシステム内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記冷媒が凍結する可能性があるか否かを判定する凍結可能性判定手段と、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる制御手段と、を備える。
【０００８】
上記の構成によれば、ランキンサイクルシステム内の圧力の上昇により、内燃機関内の冷媒の沸騰が抑制されるため、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【０００９】
また、上記制御装置は、前記内燃機関の運転状態を判定する判定手段を備え、前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関の運転が停止したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる構成としてもよい。
【００１０】
上記構成によれば、内燃機関の停止後に内燃機関内の冷媒が沸騰するのを抑制できるため、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【００１１】
また、上記制御装置において、前記制御手段は、前記ランキンサイクルシステム内の圧力が、前記冷媒の温度に対応する飽和蒸気圧よりも高い圧力となるように、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる構成としてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、ランキンサイクルシステム内の圧力を冷媒の温度に対応する飽和蒸気圧よりも高い圧力とすることで、内燃機関内の冷媒が沸騰するのを抑制できる。これにより、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【００１３】
また、上記制御装置において、前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関が始動したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記内燃機関と過熱器とにおいて廃熱を付与して発生させた蒸気を、液相状態の冷媒を貯留する貯留手段内に設けられた蒸気通路から外部に放出し、前記ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させる構成としてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、ランキンサイクルシステム内の圧力を、ランキンサイクルシステムの稼動に好適な圧力とすることができる。また、蒸気が貯留手段内に配設された蒸気通路を通過するため、蒸気通路と接触する貯留手段内の凍結した冷媒を蒸気が持つ熱により融解することができる。この結果、外気温が氷点下であっても、ランキンサイクルシステムの始動を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本明細書開示の制御装置によれば、冷媒の凍結による配管の閉塞が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、従来のランキンサイクルシステムにおいてエンジンが停止した場合の蒸気の流れについて説明するための図である。
【図３】図３は、実施例に係るランキンサイクルシステムにおいてエンジンが停止した場合について説明するための図である。
【図４】図４は、エンジン停止後の放置冷却過程にけるランキンサイクルシステム各部の温度、及び、飽和蒸気圧の推移を表すグラフである。
【図５】図５は、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることによって、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制できる原理について説明するための図である。
【図６】図６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７】図７は、本実施例に係るランキンサイクルシステムのエンジン再始動時における蒸気の流れを説明するための図である。
【図８】図８は、エンジン再始動時において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９】図９は、図８のステップＳ５６の処理を行った場合の蒸気の流れを説明するための別の図である。
【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。
【００１８】
本願発明に係る制御装置を含むランキンサイクルシステム１００の概略構成について図１を参照しつつ説明する。図１は、実施例に係るランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。以後、ランキンサイクルシステム１００における冷媒は水であるとして説明を行うが、冷媒は水に限られず、不凍液でもよい。図１において、点線の矢印は、気相の冷媒（蒸気）の流通方向を示し、実線の矢印は液相の冷媒（水）の流通方向を示す。また、図１において、ハッチング部分は液相状態の冷媒を表す。
【００１９】
ランキンサイクルシステム１００は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン１を備えている。エンジン１は、内燃機関の一例である。
【００２０】
エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内にはウォータジャケット２が形成されており、このウォータジャケット２内の冷却水が沸騰することによってエンジン１の冷却が行われる。このときエンジン１は、蒸気を発生させる。
【００２１】
エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、ウォータジャケット２から蒸気化した冷媒（すなわち蒸気）が流通する蒸気通路３の一端が接続されている。
【００２２】
蒸気通路３の他端には、気液分離器４が配設されている。エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した混合冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（水）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端は、エンジン１内に液化冷媒を圧送する第１ウォーターポンプ６に接続される。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。
【００２３】
気液分離器４の上端部は、蒸気流通経路３ａの一端と接続されている。蒸気流通経路３ａの他端は、過熱器８に接続される。蒸気流通経路３ａは、気液分離機４で分離された蒸気を過熱器８へと流通させる。
【００２４】
過熱器８には、排気管が引き込まれている。排気管の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気管は、過熱器８を貫通しており、その内部を排気ガスが通過する。排気ガスは、気液分離器４で分離された蒸気と熱交換をする。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱器８で更に熱を付与された蒸気は、蒸気流通経路３ｂへと流入する。
【００２５】
過熱器８の下流側には、膨張器１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う。膨張器１０は、例えば、蒸気タービンである。膨張器１０が備えるタービン翼は、蒸気流通経路３ｂを通じて供給された蒸気により回転駆動される。タービン翼の回転力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。これにより、廃熱の回収が行われる。
【００２６】
膨張器１０の下流側には、エネルギを回収された後の冷却媒体を排出する排出通路１１が設けられている。排出通路１１の一端は、膨張器１０に接続されており、排出通路１１の他端は、他端はコンデンサ（凝縮器）１２に接続されている。排出通路１１は、膨張器１０が排出した蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、蒸気を冷却することによって凝縮して液化冷媒を生成する。またコンデンサ１２は、冷却ファン１３による送風により冷却される。この結果コンデンサ１２は、蒸気を凝縮させることができる。コンデンサ１２の下流側にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留するキャッチタンク（貯留手段）１４が設置されている。
【００２７】
キャッチタンク１４の下流側には、キャッチタンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン１側へ再循環させる冷媒回収路１６が設けられている。冷媒回収路１６は、冷媒循環路５に接続されている。冷媒回収路１６には第２ウォータポンプ１７が配設されている。この第２ウォータポンプ１７は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１７が稼動状態となると、キャッチタンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。また、第２ウォータポンプ１７の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１８が配設されている。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒が循環する経路を備えている。
【００２８】
また、実施例に係るランキンサイクルシステム１００において、コンデンサ１２は、大気開放弁１２ａ圧力計１２ｂ、及び凝縮水温計１２ｃを備える。コンデンサ１２が備える大気開放弁１２ａは、圧力制御手段の一例である。大気開放弁１２ａは、キャッチタンク１４内を通過しリザーブタンク２３へと引き込まれる
蒸気通路２０及びリザーブタンク２３内に設置された蒸気通路２４に接続されている。蒸気通路２０の一端は大気開放弁１２ａと接続し、他端はリザーブタンク２３内に引き込まれ大気に開放されている。また、蒸気通路２０は、冷媒回路１６、第２ウォータポンプ１７、及び一方弁１８と熱交換を行うことができるように配設されている。大気開放弁１２ａは、ＥＣＵ３０によってその開閉を制御され、ランキンサイクルシステム１００内の圧力を変更する。圧力計１２ｂは、膨張器１０の下流の圧力値（タービン下流圧力値）を計測し、後述するＥＣＵ３０に計測した圧力を出力する。凝縮水温計１２ｃは、コンデンサ１２で凝縮した凝縮水の水温を計測し、ＥＣＵ３０に計測した水温を出力する。
【００２９】
また、実施例に係るランキンサイクルシステム１００は、冷却水を貯留しておくリザーブタンク２３を備える。リザーブタンク２３には、その一端がコンデンサ１２に接続される冷却水通路２５が接続されている。冷却水通路２５には、リザーブタンク開閉弁２５ａが備えられおり、リザーブタンク開閉弁２５ａは、ＥＣＵ３０の制御によってその開閉を制御される。また、リザーブタンク２３内には、蒸気通路２４が配置されている。なお、リザーブタンク２３は、大気に開放されている。
【００３０】
また、ランキンサイクルシステム１００は、凍結可能性判定手段、制御手段及び判定手段として機能するＥＣＵ（Electronic control unit）３０を備える。ＥＣＵ３０は、ウォータジャケット２内の冷却水の温度（以後、エンジン水温という）を計測するエンジン水温計２１、外気温を計測する外気温計２２、コンデンサ１２が備える大気開放弁１２ａ、圧力計１２ｂ及び凝縮水温計（水温センサ）１２ｃ、並びにリザーブタンク開閉弁２５ａと電気的に接続されている。
【００３１】
ＥＣＵ３０は、エンジン水温計２１及びコンデンサ１２内に設けられた凝縮水温計１２ｃからエンジン水温及びコンデンサ内凝縮水温度を取得する。また、ＥＣＵ３０は、外気温計２２から外気温を取得し、ランキンサイクルシステム内の冷媒が凍結する可能性があるか否か判定する。例えば、ＥＣＵ３０は、外気温が氷点下である場合に、ランキンサイクルシステム内の冷媒が凍結する可能性があると判定する。また、ＥＣＵ３０は、コンデンサ１２が備える圧力計１２ｂから、コンデンサ１２内の圧力（ランキンサイクルシステム１００内の圧力とみなせる）を取得する。
【００３２】
また、ＥＣＵ３０は、例えば、エンジン回転数を取得し、エンジン１の運転状態を判定する。ＥＣＵ３０は、エンジン水温、外気温、ランキンサイクルシステム１００内の圧力、及びエンジン１の運転状態に基づいて、大気開放弁１２ａの開閉を制御する。また、ＥＣＵ３０は、リザーブタンク開閉弁２５ａの開閉を制御する。ＥＣＵ３０が実行する処理の詳細については後述する。
【００３３】
次に、図２を用いて、従来のランキンサイクルシステムにおいてエンジンが停止した場合の蒸気の流れについて説明する。なお、図２において、図１と同様の構成については、同一の符号を付している。
【００３４】
図２に示すランキンサイクルシステム１００´は、大気開放弁１２ａが存在しない点において、図１に示すランキンサイクルシステム１００と異なる。図２において、エンジン１が停止した場合を考える。エンジン１が停止しても、エンジン１からの熱はエンジン１内の冷却水に伝播するため、エンジン１内の冷却水の温度が、エンジン１以外のランキンサイクルシステムの温度よりも高くなり、熱容量に差が生じる。この熱容量の差によって、エンジン内水温に対応する飽和蒸気圧は、エンジン１以外のランキンサイクルシステムにおける飽和蒸気圧よりも高くなるため、エンジン１内の冷却水が沸騰し、蒸気が発生する。エンジン１以外のランキンサイクルシステム内の温度は、エンジン１よりも低温であるため、発生した蒸気はエンジン１以外のランキンサイクルシステムの各部へと移動し、凝縮してエンジン１以外のランキンサイクルシステムの各部に付着する。このとき、例えば、外気温が氷点下である場合、凝縮した冷却水が凍結し、蒸気流通経路等を閉塞してしまう。
【００３５】
次に、本実施例に係るランキンサイクルシステム１００において、エンジンが停止した場合の蒸気の流れについて説明する。図３は、図１で説明したランキンサイクルシステム１００において、エンジンが停止した場合について説明するための図である。
【００３６】
図３において、ＥＣＵ３０は、エンジン停止後も外気温、エンジン水温、及びランキンサイクルシステム内の圧力を、外気温計２２、エンジン水温計２１、及び圧力計１２ｂからそれぞれ取得する。ＥＣＵ３０は、外気温、エンジン水温、及びランキンサイクルシステム内の圧力に基づいて、大気開放弁１２ａを開弁するか否か決定する。具体的には、ＥＣＵ３０は、外気温が例えば氷点下、かつ、ランキンサイクルシステム内の圧力が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも低い場合に、大気開放弁１２ａを開弁する。これにより、図３において、一点鎖線の矢印で示すように蒸気通路２０から、大気がランキンサイクルシステム内に導入される。
【００３７】
ＥＣＵ３０は、ランキンサイクルシステム内の圧力を、エンジン水温に対する飽和蒸気圧よりも高く維持できる必要最小限の大気をランキンサイクルシステム１００内に導入し、エンジン１内の冷却水の沸騰を防止する。
【００３８】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、エンジン停止後の放置冷却過程にけるランキンサイクルシステム各部の温度、及び、飽和蒸気圧の推移を表すグラフである。図４（Ａ）において、実線は、エンジン停止からの経過時間とエンジン水温との関係を示し、破線は、エンジン停止からの経過時間とエンジン以外のランキンサイクルシステムの構成要素の平均的温度との関係を示す。また、図４（Ｂ）において、実線はエンジン停止からの経過時間とエンジン水温に対応する飽和蒸気圧との関係を示し、破線はエンジン停止からの経過時間とエンジン以外のシステム構成要素の平均的温度に対応する飽和蒸気圧との関係を示す。また、一点鎖線はエンジン停止からの経過時間とランキンサイクルシステム内に大気を導入した場合のランキンサイクルシステム内の圧力との関係を示す。
【００３９】
図４（Ａ）のグラフにおいて矢印で示すように、エンジンの停止後、エンジン水温が、エンジン以外のシステム構成要素の平均的温度よりも高くなる。この結果、図４（Ｂ）のグラフにおいて矢印Ａで示すように、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧は、エンジン以外のシステム構成部品の平均的温度に対応する飽和蒸気圧よりも高くなり、エンジン内の冷却水が沸騰し蒸気が生成される。生成された蒸気は、エンジン１よりも低温であるエンジン１以外のシステム構成要素に移動し、凝縮する（ヒートパイプ現象）。
【００４０】
しかし、ランキンサイクルシステム内に大気を導入した場合、一点鎖線で示すようにランキンサイクルシステム内の圧力が上昇し、本実施例では約０．２ｋｇ／ｃｍ２程度、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも高くなる。これにより、エンジン内の冷却水が沸騰し蒸気となることが抑制される。
【００４１】
図５を用いて、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることによって、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制できる原理について説明する。図５において、横軸はエンジン水温を表し、縦軸は沸騰圧力（飽和蒸気圧）を表す。図５において、実線は、各エンジン水温において冷却水が沸騰する場合の圧力（沸騰圧力）を示している。例えば、エンジン水温が６０℃の場合、ランキンサイクルシステム内の圧力が０．２ｋｇ／ｃｍ２以下であれば、エンジン内の冷却水は沸騰する。したがって、各エンジン水温において、ランキンサイクルシステム内の圧力を破線で示すように、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも一定量高く維持することによって、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制し、冷却水が蒸気化するのを抑制できる。エンジン内の冷却水の沸騰を抑制することで、エンジン１内の冷却水から発生する蒸気量が減少するため、ランキンサイクルシステムの各部に付着する凝縮水の量を減少させることができ、凝縮水の凍結による配管の凍結閉塞が抑制される。
【００４２】
次に、本実施形態に係るＥＣＵ３０が実行する処理の一例について説明する。図６は、ＥＣＵ３０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、ＥＣＵ３０は、エンジンが停止しているか否かを判定する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ３０は、例えば、エンジンの回転数に基づいてエンジンが停止しているか否かを判定する。
【００４４】
エンジンが停止している場合（ステップＳ１０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、外気温が氷点下か否か、すなわち、冷却水が凍結する可能性があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ＥＣＵ３０は、外気温が氷点下である場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、タービン下流圧力値が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧（エンジン水温対応飽和蒸気圧）よりも低いか否か判定する（ステップＳ１６）。タービン下流圧力値は、コンデンサ内に設けられた圧力計１２ｂにより取得する。エンジン水温対応飽和蒸気圧は、エンジン水温計２１より取得した水温から算出する。タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも低い場合（ステップＳ１６／ＹＥＳ）、エンジン内の冷却水が沸騰するおそれがあるため、ＥＣＵ３０は大気開放弁１２ａを開弁し、ランキンサイクルシステム１００内に大気を導入する（ステップＳ１８）。
【００４５】
次に、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも所定の値（例えば、０．２ｋｇ／ｃｍ２）以上高いか否か判定する（ステップＳ２０）。タービン下流圧力値とエンジン水温に対応する飽和蒸気圧との差が所定の値よりも小さい場合（ステップＳ２０／ＮＯ）、ＥＣＵ３０は大気開放弁１２ａの開放を継続する（ステップＳ１８）。タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも所定の値以上高い場合（ステップＳ２０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、大気開放弁１２ａを閉弁し（ステップＳ２２）、本処理を終了する。すなわち、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも所定の値以上高くなるまで、大気開放弁１２ａを開放することによって、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させ、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制する。
【００４６】
次に、エンジン１の再始動時における制御について説明する。図７は、本実施例に係るランキンサイクルシステム１００のエンジン再始動時における蒸気の流れを説明するための図である。ＥＣＵ３０は、エンジンの再始動時、大気開放弁１２ａの開閉及びリザーブタンク開閉弁２５ａの開閉を制御して、ランキンサイクルシステム内の圧力を調整する。
【００４７】
外気温が氷点下の場合、エンジンの再始動時において、エンジン内の冷却水も凍結している可能性が高い。しかしながら、エンジン１の発熱により、エンジン内の冷却水の融解は早くに始まる。その後、冷却水の温度は蒸気が発生する温度に到達し、蒸気が点線で示す凍結閉塞の無い経路を通る。蒸気は、ランキンサイクルシステム１００内に導入された大気と一緒に、ＥＣＵ３０が開弁した大気開放弁１２ａから、リザーブタンク２３に引き込まれた蒸気通路２０、及びリザーブタンク２３に設けられた蒸気通路２４を通過してシステム外に押し出される。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させることができる。また、キャッチタンク１４内の凍結した冷却水を、及び、冷媒回収路１６内の凍結した冷却水を、蒸気通路２０を通過する蒸気の熱により融解させることができる。この結果、外気温が氷点下であってもランキンサイクルシステム１００の再始動を行うことができる。
【００４８】
なお、上述の実施例において、冷却水が通過する配管と蒸気が通過する配管とを接触させることにより、蒸気からの伝熱により、実線で示した配管内に存在する凍結冷媒を融解するようにしてもよい。ＥＣＵ３０は、ランキンサイクルシステム１００内に導入した大気を全て排出すると、大気開放弁１２ａを閉じる。
【００４９】
次に、エンジン再始動時においてＥＣＵ３０が実行する処理の一例について説明する。図８は、エンジン再始動時においてＥＣＵ３０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【００５０】
ＥＣＵ３０は、エンジン１が始動したか否か判定する（ステップＳ４０）。ＥＣＵ３０は、例えば、エンジン回転数に基づいて、エンジン１が始動したか否かを判定できる。ＥＣＵ３０は、エンジン１が始動した場合（ステップＳ４０／ＹＥＳ）、タービン下流圧力値が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧以下か否か判定する（ステップＳ４２）。
【００５１】
タービン下流圧力値が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧以下でない場合（ステップＳ４２／ＮＯ）、ＥＣＵ３０は、冷却ファン１３の停止を維持する（ステップＳ４６）。次に、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値が大気圧以上か否か判定する（ステップＳ４８）。
【００５２】
タービン下流圧力値が大気圧よりも低い場合（ステップＳ４８／ＮＯ）、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値が大気圧以上となるまで、ステップＳ４６及びステップＳ４８の処理を繰り返す。タービン下流圧力値が大気圧以上である場合（ステップＳ４８／ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、外気温度が氷点下か否か、すなわち、冷媒が凍結している可能性があるか否かを判定する（ステップＳ５０）。
【００５３】
ＥＣＵ３０は、外気温度が氷点下である場合（ステップＳ５０／ＹＥＳ）、大気開放弁１２ａを開弁し、予め定められた時間、ランキンサイクルシステム内に存在する大気を蒸気とともに蒸気通路２０及びリザーブタンク２３内に設けられた蒸気通路２４より放出する（ステップＳ５２）。
【００５４】
外気温度が氷点下でない場合（ステップＳ５０／ＹＥＳ）、又は、ステップＳ５２の処理後、ＥＣＵ３０は、大気開放弁１２ａを閉弁し、リザーブタンク開閉弁２５ａを開弁し、予め定められた時間、コンデンサ１２内に存在する大気を蒸気とともに冷却水通路２５からリザーブタンク２３へと排出する（ステップＳ５６）。図８のステップＳ５６の処理を行った場合の蒸気の流れを、図９を用いて説明する。
【００５５】
図９において、ＥＣＵ３０が大気開放弁１２ａを閉弁し、リザーブタンク開閉弁２５ａを開弁することにより、一点鎖線の矢印で示すように、コンデンサ１２内に存在する大気は蒸気とともに冷却水通路２５を通ってリザーブタンク２３に排出される。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させることができる。なお、外気温が氷点下の場合、リザーブタンク２３内の冷却水は凍結している可能性があるが、ステップＳ５２の処理において蒸気通路２４を通過した蒸気により凍結した冷却水は融解される。したがって、蒸気により融解された部分からコンデンサ１２内に存在する大気をリザーブタンク２３内に排出できる。
【００５６】
ステップＳ５６の処理後、ＥＣＵ３０はステップＳ４２から処理を継続する。タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧以下である場合（ステップＳ４２／ＹＥＳ）、ランキンサイクルシステム内への大気の導入がなかった、または、ランキンサイクルシステム内の大気放出が完了したと判定できるため、ＥＣＵ３０は、コンデンサ１２の冷却ファン１３を稼動させ（ステップＳ４４）、処理を終了する。
【００５７】
以上説明したように、上述の実施例に係るＥＣＵ３０は、冷却水が凍結する可能性がある場合に（例えば、外気温計２２により検出された外気温が冷却水を凍結させる温度以下（氷点下）である場合）、大気開放弁１２ａを開放し、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる。この場合、上昇したランキンサイクルシステム内の圧力はエンジン水温に対する飽和蒸気圧よりも高い圧力であることが望ましい。タービン下流圧力値を、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも高くすることによって、エンジン１内の冷却水の沸騰が抑制される。この結果、エンジンの停止後に、エンジン１以外のランキンサイクルシステムの各部に移動する蒸気の量を減少させることができるため、凝縮水の量も減少し、凝縮した冷媒の凍結等に起因した配管の閉塞を抑制できる。また、凝縮した冷媒の凍結による体積膨張よって、配管が破損するのを抑制することができる。さらに、ランキンサイクルシステム内に大気を導入することによって、ランキンサイクルシステム内の圧力の低下によってランキンサイクルシステムの各部が押し潰されることを抑制できる。
【００５８】
また、ＥＣＵ３０は、エンジンの始動時に、冷却水が凍結している可能性がある場合（例えば、外気温計２２により検出された外気温が氷点下である場合）、大気開放弁１２ａを開放して、ランキンサイクルシステム内に導入された大気を蒸気とともに、キャッチタンク１４内を通過しリザーブタンク２３内に引き込まれた蒸気通路２０から排出し、ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させる。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力を、ランキンサイクルシステムの稼動に好適な圧力とすることができる。また、蒸気がキャッチタンク１４内に配設された蒸気通路２０を通過するため、蒸気通路２０と接触するキャッチタンク１４内の凍結した冷却水を蒸気が持つ熱により融解することができる。また、蒸気通路２０は、冷媒回収路１６と熱交換を行えるように配設されているため、冷媒回収路１６内で凍結した冷却水を蒸気が持つ熱により融解することができる。この結果、外気温が氷点下であっても、ランキンサイクルシステム１００の始動を行うことができる。
【００５９】
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。
【００６０】
例えば、上述の実施例では、ＥＣＵ３０はエンジン１の回転数を用いてエンジン１が停止したか否かを判定していた。しかしながら、ＥＣＵ３０は、エンジン１が停止したか否かを、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに基づいて判定してもよい。
【００６１】
また、上述の実施例では、コンデンサ１２内に圧力計１２ｂを設けていたが、圧力計の取り付け位置は、膨張器１０の出口から、コンデンサ１２までの通路であればどこでもよい。また、上述の実施例では、コンデンサ１２内に凝縮水温計１２ｃを設けていたが、凝縮水温計は、エンジン１以外のシステム経路で、エンジンの停止放置時に最も早く水温又は壁温が低下する部位に設置するのが望ましい。
【符号の説明】
【００６２】
１…エンジン
２…排気管
３…蒸気通路
３ａ…蒸気排出管
４…気液分離器
５…冷媒循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
８…過熱器
１０…膨張器
１１…排出通路
１２…コンデンサ
１２ａ…大気開放弁
１２ｂ…圧力計
１３…冷却ファン
１４…キャッチタンク
１６…冷媒回収路
１７…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８…一方弁
２１…エンジン水温計
２２…外気温計
３０…ＥＣＵ
１００…ランキンサイクルシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって蒸気タービンのような膨張器を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。
【０００３】
通常、ランキンサイクルシステム内の圧力は、大気圧以下に維持される。ランキンサイクル内の圧力の制御に関する技術として、例えば、特許文献１〜５がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１９７６７２号公報
【特許文献２】特開２０１０−０６５５８７号公報
【特許文献３】特開２０００−３４５８３５号公報
【特許文献４】特開２００６−２０７３９６号公報
【特許文献５】特開２００７−００９８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ランキンサイクル稼動時は、タービンノズルが絞りとなり、コンデンサ圧力Ｐ２は、エンジン側圧力Ｐ１よりも低く設定されている。これにより、コンデンサ側圧力Ｐ２は、大気圧以下に設定されている。一方でエンジン側圧力Ｐ１は、大気圧よりも高く設定されている。しかし、ランキンサイクルが停止したとき、ランキンサイクルシステム内の圧力は、作動媒体の温度低下による液化のため大気圧以下になってしまう。エンジンが停止した後であっても、エンジンからの熱はエンジン内の冷媒に伝播するため、エンジン内の冷媒温度の低下速度は、エンジン外のランキンサイクルシステムの経路内温度の低下速度に比べて遅くなる。したがって、エンジンの停止後、エンジン内の冷媒温度は、エンジン外のランキンサイクルシステムの経路内温度よりも高くなるため、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧が、エンジン外のランキンサイクルシステムの経路内温度に対応する飽和蒸気圧よりも高くなる。この結果、エンジン内の冷却水が沸騰し蒸気が生成される。エンジン内で発生した蒸気は、エンジン内よりも低い温度となっている、エンジン以外のランキンサイクルシステムの各部に移動する。エンジン以外のランキンサイクルシステムの各部に移動した蒸気は熱を奪われるため、ランキンサイクルシステムの各部において凝縮水が生成され、ランキンサイクルシステムの各部に付着する。ここで、外気温が氷点下である場合には、ランキンサイクルシステムの各部に付着した凝縮水が凍結し、凍結した凝縮水によってランキンサイクルシステム内の経路が閉塞されてしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本明細書開示の制御装置は、冷媒の凍結に起因する配管の閉塞を抑制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、冷媒に内燃機関からの廃熱を付与して発生させた蒸気により膨張器を駆動するランキンサイクルシステム内の圧力を制御する圧力制御手段と、前記冷媒が凍結する可能性があるか否かを判定する凍結可能性判定手段と、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる制御手段と、を備える。
【０００８】
上記の構成によれば、ランキンサイクルシステム内の圧力の上昇により、内燃機関内の冷媒の沸騰が抑制されるため、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【０００９】
また、上記制御装置は、前記内燃機関の運転状態を判定する判定手段を備え、前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関の運転が停止したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる構成としてもよい。
【００１０】
上記構成によれば、内燃機関の停止後に内燃機関内の冷媒が沸騰するのを抑制できるため、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【００１１】
また、上記制御装置において、前記制御手段は、前記ランキンサイクルシステム内の圧力が、前記冷媒の温度に対応する飽和蒸気圧よりも高い圧力となるように、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる構成としてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、ランキンサイクルシステム内の圧力を冷媒の温度に対応する飽和蒸気圧よりも高い圧力とすることで、内燃機関内の冷媒が沸騰するのを抑制できる。これにより、発生する蒸気量が減少し、ランキンサイクルシステム内の各部で凝縮する冷媒の量を減少させることができる。この結果、ランキンサイクルシステム内の各部に付着した凝縮した冷媒が凍結することに起因する配管の閉塞を抑制できる。
【００１３】
また、上記制御装置において、前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関が始動したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記内燃機関と過熱器とにおいて廃熱を付与して発生させた蒸気を、液相状態の冷媒を貯留する貯留手段内に設けられた蒸気通路から外部に放出し、前記ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させる構成としてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、ランキンサイクルシステム内の圧力を、ランキンサイクルシステムの稼動に好適な圧力とすることができる。また、蒸気が貯留手段内に配設された蒸気通路を通過するため、蒸気通路と接触する貯留手段内の凍結した冷媒を蒸気が持つ熱により融解することができる。この結果、外気温が氷点下であっても、ランキンサイクルシステムの始動を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本明細書開示の制御装置によれば、冷媒の凍結による配管の閉塞が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施例に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、従来のランキンサイクルシステムにおいてエンジンが停止した場合の蒸気の流れについて説明するための図である。
【図３】図３は、実施例に係るランキンサイクルシステムにおいてエンジンが停止した場合について説明するための図である。
【図４】図４は、エンジン停止後の放置冷却過程にけるランキンサイクルシステム各部の温度、及び、飽和蒸気圧の推移を表すグラフである。
【図５】図５は、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることによって、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制できる原理について説明するための図である。
【図６】図６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７】図７は、本実施例に係るランキンサイクルシステムのエンジン再始動時における蒸気の流れを説明するための図である。
【図８】図８は、エンジン再始動時において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９】図９は、図８のステップＳ５６の処理を行った場合の蒸気の流れを説明するための別の図である。
【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。
【００１８】
本願発明に係る制御装置を含むランキンサイクルシステム１００の概略構成について図１を参照しつつ説明する。図１は、実施例に係るランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。以後、ランキンサイクルシステム１００における冷媒は水であるとして説明を行うが、冷媒は水に限られず、不凍液でもよい。図１において、点線の矢印は、気相の冷媒（蒸気）の流通方向を示し、実線の矢印は液相の冷媒（水）の流通方向を示す。また、図１において、ハッチング部分は液相状態の冷媒を表す。
【００１９】
ランキンサイクルシステム１００は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン１を備えている。エンジン１は、内燃機関の一例である。
【００２０】
エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内にはウォータジャケット２が形成されており、このウォータジャケット２内の冷却水が沸騰することによってエンジン１の冷却が行われる。このときエンジン１は、蒸気を発生させる。
【００２１】
エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、ウォータジャケット２から蒸気化した冷媒（すなわち蒸気）が流通する蒸気通路３の一端が接続されている。
【００２２】
蒸気通路３の他端には、気液分離器４が配設されている。エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した混合冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（水）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端は、エンジン１内に液化冷媒を圧送する第１ウォーターポンプ６に接続される。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。
【００２３】
気液分離器４の上端部は、蒸気流通経路３ａの一端と接続されている。蒸気流通経路３ａの他端は、過熱器８に接続される。蒸気流通経路３ａは、気液分離機４で分離された蒸気を過熱器８へと流通させる。
【００２４】
過熱器８には、排気管が引き込まれている。排気管の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気管は、過熱器８を貫通しており、その内部を排気ガスが通過する。排気ガスは、気液分離器４で分離された蒸気と熱交換をする。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱器８で更に熱を付与された蒸気は、蒸気流通経路３ｂへと流入する。
【００２５】
過熱器８の下流側には、膨張器１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う。膨張器１０は、例えば、蒸気タービンである。膨張器１０が備えるタービン翼は、蒸気流通経路３ｂを通じて供給された蒸気により回転駆動される。タービン翼の回転力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。これにより、廃熱の回収が行われる。
【００２６】
膨張器１０の下流側には、エネルギを回収された後の冷却媒体を排出する排出通路１１が設けられている。排出通路１１の一端は、膨張器１０に接続されており、排出通路１１の他端は、他端はコンデンサ（凝縮器）１２に接続されている。排出通路１１は、膨張器１０が排出した蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、蒸気を冷却することによって凝縮して液化冷媒を生成する。またコンデンサ１２は、冷却ファン１３による送風により冷却される。この結果コンデンサ１２は、蒸気を凝縮させることができる。コンデンサ１２の下流側にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留するキャッチタンク（貯留手段）１４が設置されている。
【００２７】
キャッチタンク１４の下流側には、キャッチタンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン１側へ再循環させる冷媒回収路１６が設けられている。冷媒回収路１６は、冷媒循環路５に接続されている。冷媒回収路１６には第２ウォータポンプ１７が配設されている。この第２ウォータポンプ１７は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１７が稼動状態となると、キャッチタンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。また、第２ウォータポンプ１７の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１８が配設されている。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒が循環する経路を備えている。
【００２８】
また、実施例に係るランキンサイクルシステム１００において、コンデンサ１２は、大気開放弁１２ａ圧力計１２ｂ、及び凝縮水温計１２ｃを備える。コンデンサ１２が備える大気開放弁１２ａは、圧力制御手段の一例である。大気開放弁１２ａは、キャッチタンク１４内を通過しリザーブタンク２３へと引き込まれる
蒸気通路２０及びリザーブタンク２３内に設置された蒸気通路２４に接続されている。蒸気通路２０の一端は大気開放弁１２ａと接続し、他端はリザーブタンク２３内に引き込まれ大気に開放されている。また、蒸気通路２０は、冷媒回路１６、第２ウォータポンプ１７、及び一方弁１８と熱交換を行うことができるように配設されている。大気開放弁１２ａは、ＥＣＵ３０によってその開閉を制御され、ランキンサイクルシステム１００内の圧力を変更する。圧力計１２ｂは、膨張器１０の下流の圧力値（タービン下流圧力値）を計測し、後述するＥＣＵ３０に計測した圧力を出力する。凝縮水温計１２ｃは、コンデンサ１２で凝縮した凝縮水の水温を計測し、ＥＣＵ３０に計測した水温を出力する。
【００２９】
また、実施例に係るランキンサイクルシステム１００は、冷却水を貯留しておくリザーブタンク２３を備える。リザーブタンク２３には、その一端がコンデンサ１２に接続される冷却水通路２５が接続されている。冷却水通路２５には、リザーブタンク開閉弁２５ａが備えられおり、リザーブタンク開閉弁２５ａは、ＥＣＵ３０の制御によってその開閉を制御される。また、リザーブタンク２３内には、蒸気通路２４が配置されている。なお、リザーブタンク２３は、大気に開放されている。
【００３０】
また、ランキンサイクルシステム１００は、凍結可能性判定手段、制御手段及び判定手段として機能するＥＣＵ（Electronic control unit）３０を備える。ＥＣＵ３０は、ウォータジャケット２内の冷却水の温度（以後、エンジン水温という）を計測するエンジン水温計２１、外気温を計測する外気温計２２、コンデンサ１２が備える大気開放弁１２ａ、圧力計１２ｂ及び凝縮水温計（水温センサ）１２ｃ、並びにリザーブタンク開閉弁２５ａと電気的に接続されている。
【００３１】
ＥＣＵ３０は、エンジン水温計２１及びコンデンサ１２内に設けられた凝縮水温計１２ｃからエンジン水温及びコンデンサ内凝縮水温度を取得する。また、ＥＣＵ３０は、外気温計２２から外気温を取得し、ランキンサイクルシステム内の冷媒が凍結する可能性があるか否か判定する。例えば、ＥＣＵ３０は、外気温が氷点下である場合に、ランキンサイクルシステム内の冷媒が凍結する可能性があると判定する。また、ＥＣＵ３０は、コンデンサ１２が備える圧力計１２ｂから、コンデンサ１２内の圧力（ランキンサイクルシステム１００内の圧力とみなせる）を取得する。
【００３２】
また、ＥＣＵ３０は、例えば、エンジン回転数を取得し、エンジン１の運転状態を判定する。ＥＣＵ３０は、エンジン水温、外気温、ランキンサイクルシステム１００内の圧力、及びエンジン１の運転状態に基づいて、大気開放弁１２ａの開閉を制御する。また、ＥＣＵ３０は、リザーブタンク開閉弁２５ａの開閉を制御する。ＥＣＵ３０が実行する処理の詳細については後述する。
【００３３】
次に、図２を用いて、従来のランキンサイクルシステムにおいてエンジンが停止した場合の蒸気の流れについて説明する。なお、図２において、図１と同様の構成については、同一の符号を付している。
【００３４】
図２に示すランキンサイクルシステム１００´は、大気開放弁１２ａが存在しない点において、図１に示すランキンサイクルシステム１００と異なる。図２において、エンジン１が停止した場合を考える。エンジン１が停止しても、エンジン１からの熱はエンジン１内の冷却水に伝播するため、エンジン１内の冷却水の温度が、エンジン１以外のランキンサイクルシステムの温度よりも高くなり、熱容量に差が生じる。この熱容量の差によって、エンジン内水温に対応する飽和蒸気圧は、エンジン１以外のランキンサイクルシステムにおける飽和蒸気圧よりも高くなるため、エンジン１内の冷却水が沸騰し、蒸気が発生する。エンジン１以外のランキンサイクルシステム内の温度は、エンジン１よりも低温であるため、発生した蒸気はエンジン１以外のランキンサイクルシステムの各部へと移動し、凝縮してエンジン１以外のランキンサイクルシステムの各部に付着する。このとき、例えば、外気温が氷点下である場合、凝縮した冷却水が凍結し、蒸気流通経路等を閉塞してしまう。
【００３５】
次に、本実施例に係るランキンサイクルシステム１００において、エンジンが停止した場合の蒸気の流れについて説明する。図３は、図１で説明したランキンサイクルシステム１００において、エンジンが停止した場合について説明するための図である。
【００３６】
図３において、ＥＣＵ３０は、エンジン停止後も外気温、エンジン水温、及びランキンサイクルシステム内の圧力を、外気温計２２、エンジン水温計２１、及び圧力計１２ｂからそれぞれ取得する。ＥＣＵ３０は、外気温、エンジン水温、及びランキンサイクルシステム内の圧力に基づいて、大気開放弁１２ａを開弁するか否か決定する。具体的には、ＥＣＵ３０は、外気温が例えば氷点下、かつ、ランキンサイクルシステム内の圧力が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも低い場合に、大気開放弁１２ａを開弁する。これにより、図３において、一点鎖線の矢印で示すように蒸気通路２０から、大気がランキンサイクルシステム内に導入される。
【００３７】
ＥＣＵ３０は、ランキンサイクルシステム内の圧力を、エンジン水温に対する飽和蒸気圧よりも高く維持できる必要最小限の大気をランキンサイクルシステム１００内に導入し、エンジン１内の冷却水の沸騰を防止する。
【００３８】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、エンジン停止後の放置冷却過程にけるランキンサイクルシステム各部の温度、及び、飽和蒸気圧の推移を表すグラフである。図４（Ａ）において、実線は、エンジン停止からの経過時間とエンジン水温との関係を示し、破線は、エンジン停止からの経過時間とエンジン以外のランキンサイクルシステムの構成要素の平均的温度との関係を示す。また、図４（Ｂ）において、実線はエンジン停止からの経過時間とエンジン水温に対応する飽和蒸気圧との関係を示し、破線はエンジン停止からの経過時間とエンジン以外のシステム構成要素の平均的温度に対応する飽和蒸気圧との関係を示す。また、一点鎖線はエンジン停止からの経過時間とランキンサイクルシステム内に大気を導入した場合のランキンサイクルシステム内の圧力との関係を示す。
【００３９】
図４（Ａ）のグラフにおいて矢印で示すように、エンジンの停止後、エンジン水温が、エンジン以外のシステム構成要素の平均的温度よりも高くなる。この結果、図４（Ｂ）のグラフにおいて矢印Ａで示すように、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧は、エンジン以外のシステム構成部品の平均的温度に対応する飽和蒸気圧よりも高くなり、エンジン内の冷却水が沸騰し蒸気が生成される。生成された蒸気は、エンジン１よりも低温であるエンジン１以外のシステム構成要素に移動し、凝縮する（ヒートパイプ現象）。
【００４０】
しかし、ランキンサイクルシステム内に大気を導入した場合、一点鎖線で示すようにランキンサイクルシステム内の圧力が上昇し、本実施例では約０．２ｋｇ／ｃｍ２程度、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも高くなる。これにより、エンジン内の冷却水が沸騰し蒸気となることが抑制される。
【００４１】
図５を用いて、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることによって、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制できる原理について説明する。図５において、横軸はエンジン水温を表し、縦軸は沸騰圧力（飽和蒸気圧）を表す。図５において、実線は、各エンジン水温において冷却水が沸騰する場合の圧力（沸騰圧力）を示している。例えば、エンジン水温が６０℃の場合、ランキンサイクルシステム内の圧力が０．２ｋｇ／ｃｍ２以下であれば、エンジン内の冷却水は沸騰する。したがって、各エンジン水温において、ランキンサイクルシステム内の圧力を破線で示すように、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも一定量高く維持することによって、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制し、冷却水が蒸気化するのを抑制できる。エンジン内の冷却水の沸騰を抑制することで、エンジン１内の冷却水から発生する蒸気量が減少するため、ランキンサイクルシステムの各部に付着する凝縮水の量を減少させることができ、凝縮水の凍結による配管の凍結閉塞が抑制される。
【００４２】
次に、本実施形態に係るＥＣＵ３０が実行する処理の一例について説明する。図６は、ＥＣＵ３０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、ＥＣＵ３０は、エンジンが停止しているか否かを判定する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ３０は、例えば、エンジンの回転数に基づいてエンジンが停止しているか否かを判定する。
【００４４】
エンジンが停止している場合（ステップＳ１０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、外気温が氷点下か否か、すなわち、冷却水が凍結する可能性があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ＥＣＵ３０は、外気温が氷点下である場合（ステップＳ１２／ＹＥＳ）、タービン下流圧力値が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧（エンジン水温対応飽和蒸気圧）よりも低いか否か判定する（ステップＳ１６）。タービン下流圧力値は、コンデンサ内に設けられた圧力計１２ｂにより取得する。エンジン水温対応飽和蒸気圧は、エンジン水温計２１より取得した水温から算出する。タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも低い場合（ステップＳ１６／ＹＥＳ）、エンジン内の冷却水が沸騰するおそれがあるため、ＥＣＵ３０は大気開放弁１２ａを開弁し、ランキンサイクルシステム１００内に大気を導入する（ステップＳ１８）。
【００４５】
次に、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも所定の値（例えば、０．２ｋｇ／ｃｍ２）以上高いか否か判定する（ステップＳ２０）。タービン下流圧力値とエンジン水温に対応する飽和蒸気圧との差が所定の値よりも小さい場合（ステップＳ２０／ＮＯ）、ＥＣＵ３０は大気開放弁１２ａの開放を継続する（ステップＳ１８）。タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも所定の値以上高い場合（ステップＳ２０／ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、大気開放弁１２ａを閉弁し（ステップＳ２２）、本処理を終了する。すなわち、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも所定の値以上高くなるまで、大気開放弁１２ａを開放することによって、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させ、エンジン内の冷却水の沸騰を抑制する。
【００４６】
次に、エンジン１の再始動時における制御について説明する。図７は、本実施例に係るランキンサイクルシステム１００のエンジン再始動時における蒸気の流れを説明するための図である。ＥＣＵ３０は、エンジンの再始動時、大気開放弁１２ａの開閉及びリザーブタンク開閉弁２５ａの開閉を制御して、ランキンサイクルシステム内の圧力を調整する。
【００４７】
外気温が氷点下の場合、エンジンの再始動時において、エンジン内の冷却水も凍結している可能性が高い。しかしながら、エンジン１の発熱により、エンジン内の冷却水の融解は早くに始まる。その後、冷却水の温度は蒸気が発生する温度に到達し、蒸気が点線で示す凍結閉塞の無い経路を通る。蒸気は、ランキンサイクルシステム１００内に導入された大気と一緒に、ＥＣＵ３０が開弁した大気開放弁１２ａから、リザーブタンク２３に引き込まれた蒸気通路２０、及びリザーブタンク２３に設けられた蒸気通路２４を通過してシステム外に押し出される。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させることができる。また、キャッチタンク１４内の凍結した冷却水を、及び、冷媒回収路１６内の凍結した冷却水を、蒸気通路２０を通過する蒸気の熱により融解させることができる。この結果、外気温が氷点下であってもランキンサイクルシステム１００の再始動を行うことができる。
【００４８】
なお、上述の実施例において、冷却水が通過する配管と蒸気が通過する配管とを接触させることにより、蒸気からの伝熱により、実線で示した配管内に存在する凍結冷媒を融解するようにしてもよい。ＥＣＵ３０は、ランキンサイクルシステム１００内に導入した大気を全て排出すると、大気開放弁１２ａを閉じる。
【００４９】
次に、エンジン再始動時においてＥＣＵ３０が実行する処理の一例について説明する。図８は、エンジン再始動時においてＥＣＵ３０が実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【００５０】
ＥＣＵ３０は、エンジン１が始動したか否か判定する（ステップＳ４０）。ＥＣＵ３０は、例えば、エンジン回転数に基づいて、エンジン１が始動したか否かを判定できる。ＥＣＵ３０は、エンジン１が始動した場合（ステップＳ４０／ＹＥＳ）、タービン下流圧力値が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧以下か否か判定する（ステップＳ４２）。
【００５１】
タービン下流圧力値が、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧以下でない場合（ステップＳ４２／ＮＯ）、ＥＣＵ３０は、冷却ファン１３の停止を維持する（ステップＳ４６）。次に、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値が大気圧以上か否か判定する（ステップＳ４８）。
【００５２】
タービン下流圧力値が大気圧よりも低い場合（ステップＳ４８／ＮＯ）、ＥＣＵ３０は、タービン下流圧力値が大気圧以上となるまで、ステップＳ４６及びステップＳ４８の処理を繰り返す。タービン下流圧力値が大気圧以上である場合（ステップＳ４８／ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、外気温度が氷点下か否か、すなわち、冷媒が凍結している可能性があるか否かを判定する（ステップＳ５０）。
【００５３】
ＥＣＵ３０は、外気温度が氷点下である場合（ステップＳ５０／ＹＥＳ）、大気開放弁１２ａを開弁し、予め定められた時間、ランキンサイクルシステム内に存在する大気を蒸気とともに蒸気通路２０及びリザーブタンク２３内に設けられた蒸気通路２４より放出する（ステップＳ５２）。
【００５４】
外気温度が氷点下でない場合（ステップＳ５０／ＹＥＳ）、又は、ステップＳ５２の処理後、ＥＣＵ３０は、大気開放弁１２ａを閉弁し、リザーブタンク開閉弁２５ａを開弁し、予め定められた時間、コンデンサ１２内に存在する大気を蒸気とともに冷却水通路２５からリザーブタンク２３へと排出する（ステップＳ５６）。図８のステップＳ５６の処理を行った場合の蒸気の流れを、図９を用いて説明する。
【００５５】
図９において、ＥＣＵ３０が大気開放弁１２ａを閉弁し、リザーブタンク開閉弁２５ａを開弁することにより、一点鎖線の矢印で示すように、コンデンサ１２内に存在する大気は蒸気とともに冷却水通路２５を通ってリザーブタンク２３に排出される。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させることができる。なお、外気温が氷点下の場合、リザーブタンク２３内の冷却水は凍結している可能性があるが、ステップＳ５２の処理において蒸気通路２４を通過した蒸気により凍結した冷却水は融解される。したがって、蒸気により融解された部分からコンデンサ１２内に存在する大気をリザーブタンク２３内に排出できる。
【００５６】
ステップＳ５６の処理後、ＥＣＵ３０はステップＳ４２から処理を継続する。タービン下流圧力値がエンジン水温に対応する飽和蒸気圧以下である場合（ステップＳ４２／ＹＥＳ）、ランキンサイクルシステム内への大気の導入がなかった、または、ランキンサイクルシステム内の大気放出が完了したと判定できるため、ＥＣＵ３０は、コンデンサ１２の冷却ファン１３を稼動させ（ステップＳ４４）、処理を終了する。
【００５７】
以上説明したように、上述の実施例に係るＥＣＵ３０は、冷却水が凍結する可能性がある場合に（例えば、外気温計２２により検出された外気温が冷却水を凍結させる温度以下（氷点下）である場合）、大気開放弁１２ａを開放し、ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる。この場合、上昇したランキンサイクルシステム内の圧力はエンジン水温に対する飽和蒸気圧よりも高い圧力であることが望ましい。タービン下流圧力値を、エンジン水温に対応する飽和蒸気圧よりも高くすることによって、エンジン１内の冷却水の沸騰が抑制される。この結果、エンジンの停止後に、エンジン１以外のランキンサイクルシステムの各部に移動する蒸気の量を減少させることができるため、凝縮水の量も減少し、凝縮した冷媒の凍結等に起因した配管の閉塞を抑制できる。また、凝縮した冷媒の凍結による体積膨張よって、配管が破損するのを抑制することができる。さらに、ランキンサイクルシステム内に大気を導入することによって、ランキンサイクルシステム内の圧力の低下によってランキンサイクルシステムの各部が押し潰されることを抑制できる。
【００５８】
また、ＥＣＵ３０は、エンジンの始動時に、冷却水が凍結している可能性がある場合（例えば、外気温計２２により検出された外気温が氷点下である場合）、大気開放弁１２ａを開放して、ランキンサイクルシステム内に導入された大気を蒸気とともに、キャッチタンク１４内を通過しリザーブタンク２３内に引き込まれた蒸気通路２０から排出し、ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させる。これにより、ランキンサイクルシステム内の圧力を、ランキンサイクルシステムの稼動に好適な圧力とすることができる。また、蒸気がキャッチタンク１４内に配設された蒸気通路２０を通過するため、蒸気通路２０と接触するキャッチタンク１４内の凍結した冷却水を蒸気が持つ熱により融解することができる。また、蒸気通路２０は、冷媒回収路１６と熱交換を行えるように配設されているため、冷媒回収路１６内で凍結した冷却水を蒸気が持つ熱により融解することができる。この結果、外気温が氷点下であっても、ランキンサイクルシステム１００の始動を行うことができる。
【００５９】
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。
【００６０】
例えば、上述の実施例では、ＥＣＵ３０はエンジン１の回転数を用いてエンジン１が停止したか否かを判定していた。しかしながら、ＥＣＵ３０は、エンジン１が停止したか否かを、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに基づいて判定してもよい。
【００６１】
また、上述の実施例では、コンデンサ１２内に圧力計１２ｂを設けていたが、圧力計の取り付け位置は、膨張器１０の出口から、コンデンサ１２までの通路であればどこでもよい。また、上述の実施例では、コンデンサ１２内に凝縮水温計１２ｃを設けていたが、凝縮水温計は、エンジン１以外のシステム経路で、エンジンの停止放置時に最も早く水温又は壁温が低下する部位に設置するのが望ましい。
【符号の説明】
【００６２】
１…エンジン
２…排気管
３…蒸気通路
３ａ…蒸気排出管
４…気液分離器
５…冷媒循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
８…過熱器
１０…膨張器
１１…排出通路
１２…コンデンサ
１２ａ…大気開放弁
１２ｂ…圧力計
１３…冷却ファン
１４…キャッチタンク
１６…冷媒回収路
１７…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８…一方弁
２１…エンジン水温計
２２…外気温計
３０…ＥＣＵ
１００…ランキンサイクルシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒に内燃機関からの廃熱を付与して発生させた蒸気により膨張器を駆動するランキンサイクルシステム内の圧力を制御する圧力制御手段と、
前記冷媒が凍結する可能性があるか否かを判定する凍結可能性判定手段と、
前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる制御手段と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関の運転状態を判定する判定手段を備え、
前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関の運転が停止したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ランキンサイクルシステム内の圧力が、前記冷媒の温度に対応する飽和蒸気圧よりも高い圧力となるように、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関が始動したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記内燃機関と過熱器とにおいて廃熱を付与して発生させた蒸気を、液相状態の冷媒を貯留する貯留手段内に設けられた蒸気通路から外部に放出し、前記ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【請求項１】
冷媒に内燃機関からの廃熱を付与して発生させた蒸気により膨張器を駆動するランキンサイクルシステム内の圧力を制御する圧力制御手段と、
前記冷媒が凍結する可能性があるか否かを判定する凍結可能性判定手段と、
前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させる制御手段と、
を備えることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関の運転状態を判定する判定手段を備え、
前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関の運転が停止したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ランキンサイクルシステム内の圧力が、前記冷媒の温度に対応する飽和蒸気圧よりも高い圧力となるように、前記圧力制御手段により前記ランキンサイクルシステム内の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記判定手段により前記内燃機関が始動したと判定され、かつ、前記冷媒が凍結する可能性がある場合に、前記内燃機関と過熱器とにおいて廃熱を付与して発生させた蒸気を、液相状態の冷媒を貯留する貯留手段内に設けられた蒸気通路から外部に放出し、前記ランキンサイクルシステム内の圧力を低下させることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１５９０６７（Ｐ２０１２−１５９０６７Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１１７１（Ｐ２０１１−２１１７１）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【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８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【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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