JP2006207396A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態に移行したときに、ランキンサイクル装置の蒸気の温度および圧力の低下を最小限に抑える。
【解決手段】 エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態に移行すると同時に、温度制御手段が蒸発器への給水を停止するので、蒸気温度の目標温度からの落ち込みを最小限に抑えることができ、かつ圧力制御手段が蒸気圧力が目標圧力よりも高くならない範囲で膨張機の回転数を可及的に速やかに減少させるので、蒸気圧力の目標圧力からの落ち込みを最小限に抑えることができる。またエンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態から復帰すると同時に、温度制御手段が蒸発器への給水を増加させるとともに、圧力制御手段が膨張機の回転数を増加させるので、蒸気温度および蒸気圧力を速やかに目標温度および目標圧力に一致させることができる。
【選択図】 図２

Description

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。

ランキンサイクル装置の膨張機の運転効率が最大になる蒸気の目標温度および目標圧力を設定し、蒸発器への給水量を操作することで蒸気温度を目標温度に制御するとともに、膨張機の回転数を操作することで蒸気圧力を目標圧力に制御するものが、下記特許文献１により公知である。
ＷＯ０３／０３１７７５

自動車のエンジンにランキンサイクル装置を設けた場合にも、その蒸発器から膨張機に供給される蒸気の温度および圧力を目標温度および目標圧力に制御する必要がある。しかしながら、自動車の減速時にエンジンはフュエルカットされて出力がゼロになるため、エンジンは短い時間間隔で運転および停止を繰り返すことになる。また自動車が交差点で停止したときにエンジン停止させ、発進時にエンジンを始動するような場合にも、エンジン出力は一旦ゼロまで低下した後に復帰する。

このような場合に従来の制御によれば、図１０に示すように、エンジンが停止すると蒸発器に排気ガスが供給されなくなるため、蒸発器で発生する蒸気の温度が目標温度から次第に低下し（ａ部分参照）、目標温度との間に発生した偏差に応じて蒸発器に対する給水量が減少するようにフィードバック制御される。このとき、膨張機の入口での蒸気温度は即座に低下しないために給水量も即座に低下せず、その結果として蒸気温度が飽和温度まで低下してしまう場合があった（ａ部分参照）。

また膨張機の入口における蒸気圧力の制御は、その蒸気圧力と目標圧力との偏差に応じて膨張機の回転数をフィードバック制御することで行われるが、蒸気温度の低下に伴って蒸気圧力が低下してから初めて膨張機の回転数を低下させるフィードバック制御が行われるため、膨張機の回転数を低下させるタイミングが遅れて蒸気圧力が目標圧力から大幅に低下してしまう場合があった（ｂ部分参照）。

同様にして、エンジンを始動して出力を元の状態に復帰させたときも、フィードバック制御の応答遅れによって蒸気温度が目標温度に復帰するのに時間が掛かり（ｃ部分参照）、かつ蒸気圧力が目標圧力に復帰するのに時間が掛かるという問題があった（ｄ部分参照）。

このように、エンジンの停止および始動が繰り返されると、膨張機の入口での蒸気温度および蒸気圧力が目標温度および目標圧力から大きく外れてしまい、膨張機の運転効率が低下してしまう問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態に移行したときに、ランキンサイクル装置の気相作動媒体の温度および圧力の低下を最小限に抑えることを目的とする。

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、蒸発器から膨張機に供給される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操作する温度制御手段と、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一致させるべく、膨張機の負荷を変化させて回転数を操作する圧力制御手段とを備え、エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態に移行すると同時に、前記温度制御手段は蒸発器への液相作動媒体の供給を停止するとともに、前記圧力制御手段は気相作動媒体の圧力が目標圧力よりも高くならない範囲で膨張機の回転数を可及的に速やかに減少させ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。

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、エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態から復帰すると同時に、前記温度制御手段は蒸発器への液相作動媒体の供給を増加させるとともに、前記圧力制御手段は膨張機の回転数を増加させ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。

請求項１の構成によれば、エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態に移行すると同時に、温度制御手段が蒸発器への液相作動媒体の供給を停止するので、気相作動媒体の温度の目標温度からの落ち込みを最小限に抑えることができ、かつ圧力制御手段が気相作動媒体の圧力が目標圧力よりも高くならない範囲で膨張機の回転数を可及的に速やかに減少させるので、気相作動媒体の圧力の目標圧力からの落ち込みを最小限に抑えることができ、これにより膨張機の効率を高い値に保つことができる。

請求項２の構成によれば、エンジンの運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態から復帰すると同時に、温度制御手段が蒸発器への液相作動媒体の供給を増加させるとともに、圧力制御手段が膨張機の回転数を増加させるので、気相作動媒体の温度および圧力を速やかに目標温度および目標圧力に一致させて膨張機の効率低下を最小限に抑えることができる。

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。

図１〜図９は本発明の一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はランキンサイクル装置の配置図、図３は温度制御手段の制御ブロック図、図４は図３の（Ａ）部詳細図、図５は圧力制御手段の制御ブロック図、図６は図５の（Ｂ）部詳細図、図７は蒸気の温度および圧力の変化特性を説明するタイムチャート、図８は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、図９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である。

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。

図２に示すように、蒸発器１１と給水ポンプ１４との間に水の供給を遮断するための開閉弁１５が配置されるとともに、蒸発器１１と膨張機１２との間に蒸気の供給を遮断する開閉弁１６が配置される。また膨張機１２にはモータ・ジェネレータ１７が接続されており、このモータ・ジェネレータ１７の負荷を調整することで膨張機１２の回転数が制御される。ランキンコントローラＣｒは、燃料噴射量Ｔｉやエンジン回転数Ｎｅ等の信号に基づいて、給水ポンプ１４を駆動するモータ１８の回転数、モータ・ジェネレータ１７の負荷および二つの開閉弁１５，１６の開閉を制御する。

図３および図４にはランキンコントローラＣｒに含まれる温度制御手段２１の構成が示される。温度制御手段２１は、フィードフォワード給水量演算手段２２と、フィードバック給水量演算手段２３と、給水量制御切換手段２４と、回転数演算手段２５とを備える。フィードフォワード給水量演算手段２２は、エンジン回転数Ｎｅおよび燃料噴射量Ｔｉと、エンジンＥの排気ガス温度とから蒸発器１１に対するフィードフォワード給水量を演算する。フィードバック給水量演算手段２３は、膨張機１２の入口での蒸気の目標温度と、蒸発器１１の出口での蒸気温度との偏差に所定のゲインを乗算してフィードバック給水量を演算する。

蒸気の目標温度は、次のようにして求められる。即ち、図８に示すように、ランキンサイクル装置の蒸発器１１の効率および膨張機１２の効率は蒸気温度によって変化し、蒸気温度が増加すると蒸発器の効率が減少して膨張機の効率が増加し、逆に蒸気温度が減少すると蒸発器の効率が増加して膨張機の効率が減少することから、両者の効率を合わせた総合効率が最大になる最適蒸気温度（目標温度）が存在する。

給水量制御切換手段２４は、蒸発器１１に対する給水量を、フィードフォワード給水量からフィードバック給水量を減算した値を目標給水量として制御する状態と、給水を停止する状態（目標給水量を０にする状態）とを切り換える。即ち、エンジンＥの運転開始に伴って蒸発器１１に初期給水を開始した後に蒸気温度が上昇すると、その蒸気温度が目標温度に一致するように通常の制御が行われる。この状態から燃料噴射量Ｔｉ＝０になってエンジンＥが停止すると、給水ポンプ１４の下流の開閉弁１５を閉弁して蒸発器１１に対する給水を停止する。給水の停止状態から燃料噴射量Ｔｉ＞０になってエンジンＥが再始動すると、フィードフォワード給水量からフィードバック給水量を減算した目標給水量を用いた制御に復帰する。

回転数演算手段２５は、給水量制御切換手段２４が出力する目標給水量と、蒸発器１１の出口での蒸気圧力とから給水ポンプ１４の目標回転数を演算し、この目標回転数に一致するように給水ポンプ１４を駆動するモータ１８の回転数を制御する。

図５および図６にはランキンコントローラＣｒに含まれる圧力制御手段２６の構成が示される。圧力制御手段２６は、フィードフォワード回転数演算手段２７と、フィードバック回転数演算手段２８と、回転数制御切換手段２９と、ＰＩフィードバック項演算手段３０とを備える。フィードフォワード回転数演算手段２７は、膨張機１２に供給する蒸気の目標圧力と、指令給水量と、膨張機１２の入口蒸気温度とに基づいてフィードフォワード回転数を演算する。フィードバック回転数演算手段２８は、膨張機１２の入口での蒸気の目標圧力と、膨張機１２の入口蒸気圧力との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。

前記目標圧力は、蒸発器１１から膨張機１２に供給される蒸気のエネルギー（流量）および温度を図９のマップに適用することで設定される。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。

回転数制御切換手段２９は、膨張機１２の回転数を、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値を目標回転数として制御する状態と、膨張機１２を停止させる状態（回転数を０にする状態）とを切り換える。即ち、エンジンＥの運転開始に伴って膨張機１２が回転開始した後に蒸気圧力が上昇すると、その蒸気圧力が目標圧力に一致するように通常の制御が行われる。この状態から燃料噴射量Ｔｉ＝０になってエンジンＥが停止し、かつ蒸気圧力が低下すると、モータ・ジェネレータ１７の負荷を増加させて膨張機１２の回転を停止させるか、開閉弁１６を閉弁して膨張機１２の回転を停止させる。膨張機１２の停止状態から燃料噴射量Ｔｉ＞０になってエンジンＥが再始動すると、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目標回転数を用いた制御に復帰する。

ＰＩフィードバック項演算手段３０は、回転数制御切換手段２９が出力する目標回転数と、モータ・ジェネレータ１７の回転数（つまり膨張機１２の回転数）との偏差から、モータ・ジェネレータ１７の目標トルクを演算し、その目標トルクを負荷としてモータ・ジェネレータ１７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。

図７に示すように、以上説明した本実施例の制御によれば、エンジンＥが停止すると蒸発器１１への給水が瞬時に停止されるので（ｆ部分参照）、蒸発器１１で発生する蒸気の温度は目標温度からから僅かに低下するだけであり（ｅ部分参照）、膨張機１２の運転効率の低下が最小限に抑えられる。またエンジンＥが停止すると膨張機１２の回転が急激に低下するので（ｈ部分参照）、蒸気圧力は目標圧力から僅かに低下するだけであり（ｇ部分参照）、膨張機１２の運転効率の低下が最小限に抑えられる。このとき、膨張機１２を瞬時に停止させてしまうと蒸気圧力が逆に目標圧力を上回る可能性があるため、蒸気圧力が低下し始めてから、蒸気圧力が目標圧力を超えて増加しない範囲で可及的に速やかに膨張機１２の回転数を低下させる。

またエンジン出力を元の状態に復帰させたときには、その復帰の瞬間から給水量および膨張機１２の回転数を増加させるので、蒸気温度および蒸気圧力を目標温度および目標圧力に速やかに収束させることができる。

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。

例えば、実施例ではエンジンＥを停止させた後に復帰させたときの制御について説明しているが、エンジンをアイドリング状態に後にした後に復帰させたときの制御についても適用することができる。

ランキンサイクル装置の全体構成を示す図 ランキンサイクル装置の配置図 温度制御手段の制御ブロック図 図３の（Ａ）部詳細図 圧力制御手段の制御ブロック図 図５の（Ｂ）部詳細図 蒸気の温度および圧力の変化特性を説明するタイムチャート 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 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 従来例の蒸気の温度および圧力の変化特性を説明するタイムチャート

符号の説明

１１ 蒸発器
１２ 膨張機
２１ 温度制御手段
２６ 圧力制御手段
Ｅ エンジン

Claims (2)

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、
   蒸発器（１１）から膨張機（１２）に供給される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（１１）への液相作動媒体の供給量を操作する温度制御手段（２１）と、蒸発器（１１）から膨張機（１２）に供給される気相作動媒体の圧力を目標圧力に一致させるべく、膨張機（１２）の負荷を変化させて回転数を操作する圧力制御手段（２６）とを備え、
   エンジン（Ｅ）の運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態に移行すると同時に、前記温度制御手段（２１）は蒸発器（１１）への液相作動媒体の供給を停止するとともに、前記圧力制御手段（２６）は気相作動媒体の圧力が目標圧力よりも高くならない範囲で膨張機（１２）の回転数を可及的に速やかに減少させることを特徴とするランキンサイクル装置。
2. エンジン（Ｅ）の運転状態が燃料供給停止状態あるいは低負荷状態から復帰すると同時に、前記温度制御手段（２１）は蒸発器（１１）への液相作動媒体の供給を増加させるとともに、前記圧力制御手段（２６）は膨張機（１２）の回転数を増加させ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。
   

Images