JP2009097434A - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱回収における効率を簡易にして確実に向上することができる内燃機関の廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】内燃機関から廃熱を回収するランキンサイクル(8)と、膨張機(14)により回転駆動され、回転駆動力を電力に変換する発電機(30)と、発電機を介して膨張機の回転数を制御するコンバータ(32)と、膨張機を経由する冷媒の圧力及び温度を検出する冷媒状態検出手段(22,24,26,28)と、冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて、膨張機の前後の冷媒の圧力比、及び膨張機を経由する冷媒の比熱比を算出すると共に、所定の容積比を比熱比で乗して圧力比の設定圧力比を算出し、圧力比及び設定圧力比に基づいて、コンバータに膨張機の回転数を指示する制御装置(34)とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両に好適な内燃機関の廃熱利用装置に関する。

この種の内燃機関の廃熱利用装置は、冷媒の循環路に、例えば車両のエンジンを冷却した後の冷却水から回収された廃熱にて冷媒を加熱する蒸発器、この蒸発器を経由した冷媒を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、この膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、この凝縮器を経由した冷媒を蒸発器に圧送するポンプが順次介挿されるランキンサイクルと、前記膨張機により回転駆動され、その回転駆動力を電力に変換する発電機とを備えている。

そして、膨張機の回転数を制御することにより、膨張機の入口側における高圧冷媒の圧力を低下させずにランキンサイクルを循環する冷媒量を調節し、膨張機の回収電力を向上する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、膨張機から吐出される冷媒の吐出圧力Ｐeに対する膨張機に吸入される冷媒の吸入圧力Ｐsの圧力比（Ｐs／Ｐe）（いわゆる膨張比）と、膨張機の固有値となる冷媒の吸入容積Ｖsに対する冷媒の吐出容積Ｖeの容積比（Ｖe／Ｖs）と、膨張機を経由する冷媒の比熱比Ｋとを算出し、圧力比（Ｐs／Ｐe）が容積比（Ｖe／Ｖs）に比熱比Ｋを乗した値（以下、これを設定圧力比という）と等しくなって、圧力比（Ｐs／Ｐe）＝設定圧力比（Ｖe／Ｖs）^Kの関係式が成立するとき、膨張機を最大効率で駆動できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開昭６１−１５００１４号公報 日本機械学会論文集（Ｂ編）５４巻５０６号（スクロール膨張機の基本性能に関する研究）

このように、上記各従来技術によれば、圧力比（Ｐs／Ｐe）＝設定圧力比（Ｖe／Ｖs）^Kの関係式が成立するように膨張機の回転数を制御してランキンサイクルを循環する冷媒量を調節することにより、廃熱利用装置の廃熱回収における最大効率を得られることが容易に類推できる。
しかしながら、上記各従来技術には、膨張機の回転数制御を行うための具体的な構成や制御については明確にされておらず、また、上記最大効率は、あくまでも理論上の効率であって、実際には膨張機での冷媒の膨張はポリトロープ膨張となるため、上記関係式が成立しても最大効率を得ることはできない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、廃熱回収における効率を簡易にして確実に向上することができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置は、冷媒の循環路に、内燃機関から回収された廃熱にて冷媒を加熱することにより内燃機関から所定の吸熱量を確保する蒸発器、蒸発器を経由した冷媒を所定の容積比で膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮器を経由した冷媒を蒸発器に圧送するポンプが順次介挿されるランキンサイクルと、膨張機により回転駆動され、回転駆動力を電力に変換する発電機と、発電機を介して膨張機の回転数を制御するコンバータと、膨張機を経由する冷媒の圧力及び温度を検出する冷媒状態検出手段と、冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて、膨張機の前後の冷媒の圧力比、及び膨張機を経由する冷媒の比熱比を算出すると共に、所定の容積比を比熱比で乗して圧力比の設定圧力比を算出し、圧力比及び設定圧力比に基づいてコンバータに膨張機の回転数を指示する制御装置とを備えることを特徴としている。

請求項２記載の発明では、請求項１において、制御装置は、圧力比が設定圧力比より小さいとき、膨張機の回転数を減少させる一方、圧力比が設定圧力比より大きいとき、膨張機の回転数を増加させることを特徴としている。
請求項３記載の発明では、請求項１または２において、制御装置は、冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて比熱比が参照されるデータベースを有することを特徴としている。

請求項４記載の発明では、請求項２または３において、制御装置は、膨張機の回転数の増減によっても圧力比が変化しないときには、膨張機の回転数を変更前の回転数に戻すことを特徴としている。
請求項５記載の発明では、請求項２乃至４の何れかにおいて、制御装置は、膨張機の効率が所定値以上になる最低回転数から、膨張機の回転に係る安全係数に基づく最高回転数にかけての範囲内で膨張機の回転数を増減させることを特徴としている。

請求項６記載の発明では、請求項５において、制御装置は、所定の吸熱量を確保するべく膨張機の回転数を設定することを特徴としている。
請求項７記載の発明では、請求項２乃至６の何れかにおいて、制御装置は、設定圧力比に対する圧力比の比率を算出し、この比率を所定の範囲内にするべく設定圧力比を予め設定することを特徴としている。

請求項８記載の発明では、請求項７において、制御装置は、上記比率を１．０以上且つ１．２５以下の範囲内にするべく設定圧力比を予め設定することを特徴としている。
請求項９記載の発明では、請求項７または８において、制御装置は、発電機の発電効率が最大となる上記比率の設定比率を予め推定し、この比率を設定比率を中心とした前後０．０５以内の範囲内にするべく設定圧力比を予め設定することを特徴としている。

請求項１記載の本発明の内燃機関の廃熱利用装置によれば、制御装置は、冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて、膨張機の前後の冷媒の圧力比、及び膨張機を経由する冷媒の比熱比を算出すると共に、膨張機の所定の容積比を比熱比で乗して圧力比の設定圧力比を算出し、圧力比及び設定圧力比に基づいてコンバータに膨張機の回転数を指示する。

具体的には、請求項２記載の発明によれば、制御装置は、圧力比が設定圧力比より小さいとき、膨張機の回転数を減少させる一方、圧力比が設定圧力比より大きいとき、膨張機の回転数を増加させる。これにより、ランキンサイクルの熱負荷に応じて膨張機の回転数が大幅に変化したとしても、膨張機の入口側における高圧冷媒の圧力だけに基づいて膨張機の回転数を制御する場合に比して、膨張機の前後の圧力比、すなわち膨張比を設定圧力比に近づけて略一定に保持することができるため、廃熱利用装置の廃熱回収における効率、ひいては発電効率を確実に向上させることができる。

請求項３記載の発明によれば、制御装置は、冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて比熱比が参照されるデータベースを有することにより、膨張機を経由する冷媒の比熱比を簡易にして算出することができ、廃熱回収における効率、ひいては発電効率を簡易にして確実に向上させることができる。
請求項４記載の発明によれば、制御装置は、膨張機の回転数の増減によっても圧力比が変化しないときには、膨張機の回転数を変更前の回転数に戻す。これにより、圧力比の変化がないにも拘わらず、膨張機の回転数を変化させる無駄を排除することができるため、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の作動の安定化や膨張機の回転数制御の効率化を図ることができ、廃熱利用装置の廃熱回収における効率、ひいては発電効率を更に向上させることができる。

請求項５記載の発明によれば、制御装置は、膨張機の効率が所定値以上になる最低回転数から、膨張機の回転数に係る安全係数に基づく最高回転数にかけての範囲内で膨張機の回転数を増減させる。これにより、膨張機を適正に回転駆動させてランキンサイクルを適正に作動させることができるため、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の作動の安定化や膨張機の回転数制御の効率化を図ることができ、廃熱利用装置の廃熱回収における効率、ひいては発電効率を更に向上させることができる。

請求項６記載の発明によれば、制御装置は、所定の吸熱量を確保するべく膨張機の回転数を設定することにより、ランキンサイクルの熱負荷に応じて膨張機の回転数が大幅に変化したとしても、膨張機の前後の圧力比、すなわち膨張比を設定圧力比に近づけて略一定に保持しつつ、蒸発器、ひいてはランキンサイクルにおける吸熱量を確保することができるため、廃熱利用装置の廃熱回収における効率、ひいては発電効率を更に確実に向上させることができる。

請求項７記載の発明によれば、制御装置は、設定圧力比に対する圧力比の比率を算出し、この比率を所定の範囲内にするべく設定圧力比を予め設定する。ここで、膨張機での冷媒の膨張は、実際には冷媒の若干の漏れ等に伴う熱出入りによってポリトロープ膨張となるため、このいわば膨張機の漏れ性能を考慮して上記所定の範囲にするべく設定圧力比を予め設定することにより、廃熱利用装置の廃熱回収における最大効率、ひいては最大発電効率を達成することができる。

具体的には、請求項８記載の発明によれば、制御装置は、上記比率を１．０以上且つ１．２５以下の範囲内にするべく設定圧力比を予め設定する。ここで、現状の膨張機における冷媒漏れ性能を考慮すると、上記比率を上記範囲に規制することによって発電機の最大発電効率を達成できることが発明者の実験により判明しており、これに基づいて膨張機の回転数を制御することによって廃熱利用装置の廃熱回収における最大効率、ひいては最大発電効率を確実に達成することができる。

また、請求項９記載の発明によれば、発電機の発電効率が最大となる比率の設定比率を予め推定し、上記比率を該設定比率を中心とした前後０．０５以内の範囲内にするべく設定圧力比を予め設定することにより、膨張機の性能向上によってその冷媒漏れ性能が向上したとしても、発電機の発電効率が最大となる上記設定比率を予め推定し、この設定比率を中心として膨張機の回転数を制御することができるため、廃熱利用装置の廃熱回収における最大効率、ひいては最大発電効率をより一層確実に達成することができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態の廃熱利用装置２の構成を概略的に示した模式図である。廃熱利用装置２は、例えば車両のエンジン（内燃機関）４を冷却する冷却水回路６と、エンジン４の廃熱を回収するランキンサイクル回路（ランキンサイクル）８（以下、ＲＣ回路という）とから構成されている。

冷却水回路６は、エンジン４から延設される冷却水の循環路７に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器１０、水ポンプ１２が介挿されて閉回路を構成している。
蒸発器１０は、冷却水回路６の冷却水とＲＣ回路８の冷媒とを熱交換させる熱交換器であって、エンジン４で加熱された冷却水、すなわち温水を熱媒体としてエンジン４の廃熱をＲＣ回路８側に吸熱させて回収している。一方、蒸発器１０を通過し、冷媒に吸熱されて温度低下した冷却水は、エンジン４を冷却することにより再び加熱された温水となる。

水ポンプ１２は、エンジン４の回転数に応じて駆動され、冷却水回路６に冷却水を好適に循環させる。
これに対し、ＲＣ回路８は、冷媒の循環路９に、蒸発器１０、膨張機１４、凝縮器１６、冷媒ポンプ（ポンプ）１８が順に介挿される閉回路を構成している。
膨張機１４は、蒸発器１０で加熱されて過熱蒸気の状態となった冷媒を吸入して膨張させ、回転駆動力を発生させる容積式の流体機器である。また、膨張機１４には発電装置２０が機械的に連結され、発電装置２０は膨張機１４の回転駆動力を電力変換して交流電力を発電している。

凝縮器１６は、膨張機１４から吐出される冷媒を外気と熱交換させて凝縮液化する空冷式の熱交換器であり、凝縮器１６で凝縮された液冷媒は冷媒ポンプ１８によって蒸発器１０に圧送される。
冷媒ポンプ１８は、その駆動部に入力される信号に応じて駆動される電動ポンプであり、ＲＣ回路８に冷媒を好適に循環させる。

ここで、循環路９には、膨張機１４の入口１４ａ近傍に蒸発器１０側から順に膨張機１４に吸入される冷媒の吸入圧力Ｐs、吸入温度Ｔsをそれぞれ検出する圧力センサ（冷媒状態検出手段）２２、温度センサ（冷媒状態検出手段）２４が設置され、また、膨張機１４の出口１４ｂ近傍にも、膨張機１４側から順に膨張機１４から吐出される冷媒の吐出圧力Ｐe、吐出温度Ｔeをそれぞれ検出する圧力センサ（冷媒状態検出手段）２６、温度センサ（冷媒状態検出手段）２８が設置され、これらセンサ２２〜２８は発電装置２０に電気的に接続されている。

詳しくは、図２に示される発電装置２０の構成を示した模式図を参照すると、発電装置２０は、発電機３０、ＰＷＭコンバータ（コンバータ）３２、制御装置３４から構成され、更に制御装置３４は、周波数指示装置３６、データベース３８から構成され、センサ２２〜２８は周波数指示装置３６に電気的に接続されている。
発電機３０は、膨張機１４に連結軸１５を介して駆動されて交流電力を発生する。なお、発電機３０を膨張機１４と同軸の一体化構造としても良い。

ＰＷＭコンバータ３２は、発電機３０に電気的に接続され、発電機３０から出力される交流電力をパルス幅変調方式により直流電力に変換して負荷３３に出力する変換装置である。負荷３３は、得られた直流電力を廃熱利用装置２の外部で利用可能にする電力系統のことである。
ここで、本実施形態のＰＷＭコンバータ３２は、発電機３０、ひいては発電機３０と一体に回転駆動される膨張機１４の回転周波数を制御する図示しない制御回路をも備えており、この制御回路には周波数指示装置３６から回転周波数となるゲート信号３７が入力される。

周波数指示装置３６には、内蔵された図示しないメモリにセンサ２２〜２８から検出された冷媒データが周期的に入力され、これら冷媒データに基づいて、データベース３８を参照しつつ、後述する各種演算や制御ルーチンを実行し、これより決定されたゲート信号３７をＰＷＭコンバータ３２に出力している。
詳しくは、周波数指示装置３６では、膨張機１４の固有値である膨張機１４における冷媒の吸入容積Ｖsに対する吐出容積Ｖeの比である容積比（Ｖe／Ｖs）（以下、Ｒvという）、及び、吐出圧力Ｐeに対する吸入圧力Ｐsの比である圧力比（Ｐs／Ｐe）（いわゆる膨張比、以下、Ｒpという）、及び、圧力比Ｒpの理論値であって、容積比Ｒvをデータベース３８にて参照される冷媒の比熱比Ｋで乗した理論設定圧力比（Ｖe／Ｖs）^K（以下、Ｒpiという）が演算され、これら演算結果は周波数指示装置３６のメモリに周期的に格納される。

なお、圧力比Ｒp＝理論設定圧力比Ｒpiとなるときには、膨張機１４の理論最大効率が得られ、ひいては発電機３０の理論最大発電効率Ｅimが得られることが知られている。
一方、データベース３８は、周波数指示装置３６と双方向にデータのやり取りが可能なデータテーブルとして構成され、センサ２２，２４にてそれぞれ検出された吸入圧力Ｐs、吸入温度Ｔsに基づいて、膨張機１４への吸入冷媒の比熱比Ｋ１が参照可能であると共に、センサ２６，２８にてそれぞれ検出された吐出圧力Ｐe、吐出温度Ｔeに基づいて、膨張機１４からの吐出冷媒の比熱比Ｋ２が参照可能になっている。

そして、周波数指示装置３６においてデータベース３８から呼び出された比熱比Ｋ１，Ｋ２は、周波数指示装置３６にて平均演算されて膨張機１４の入口１４ａから出口１４ｂにかけて流れる冷媒の比熱比Ｋ（＝（Ｋ１＋Ｋ２）／２）が算出される。なお、データベース３８の参照にあたっては補間処理を行うことが好ましい。
こうして、周波数指示装置３６では、圧力比Ｒpの設定値である設定圧力比Ｒpsに応じて決定されたゲート信号３７をＰＷＭコンバータ３２に出力しており、ＰＷＭコンバータ３２は、ゲート信号３７に応じて、発電機３０、ひいては膨張機１４の回転数制御を行っている。具体的には、圧力比Ｒpが設定圧力比Ｒpsより小さいときには、膨張機１４の回転数Ｎを減少させる一方、圧力比Ｒpが設定圧力比Ｒpsより大きいときには、膨張機１４の回転数Ｎを増加させ、圧力比Ｒpを設定圧力比Ｒpsに略一定に保持している。

ここで、回転数Ｎの増減により圧力比Ｒpが変動するプロセスについて説明すると、例えば、回転数Ｎを減少させることによって駆動トルクが増大し、換言すると、膨張機１４を通過する冷媒の通水抵抗が増大する。これにより、膨張機１４の入口側に蒸発器１０を通過した蒸発冷媒が停滞し、ひいては冷媒の蒸発圧力が上昇することなるため、結果的に圧力比Ｒpが大きくなる。

以下、図３に示されるフローチャートを参照して、周波数指示装置３６にてゲート信号３７を変化させることにより実行される膨張機１４の回転数制御の制御ルーチンについて詳しく説明する。
先ず、当該回転数制御が開始されるとＳ１に移行する（以下、Ｓはステップを表す）。
Ｓ１では、周波数指示装置３６のメモリから容積比Ｒvを呼び出し、Ｓ２に移行する。

Ｓ２では、メモリから吸入圧力Ｐs及び吸入温度Ｔsを呼び出し、Ｓ３に移行する。
Ｓ３では、データベース３８を参照することにより、呼び出された吸入圧力Ｐs及び吸入温度Ｔsに基づいて、対応する比熱比Ｋ１を呼び出し、Ｓ４に移行する。
Ｓ４では、吐出圧力Ｐe及び吐出温度Ｔeを呼び出し、Ｓ５に移行する。
Ｓ５では、データベース３８を参照することにより、呼び出された吐出圧力Ｐe及び吐出温度Ｔeに基づいて、対応する比熱比Ｋ２を呼び出し、Ｓ６に移行する。

Ｓ６では、比熱比Ｋ１，Ｋ２を平均して比熱比Ｋを算出し、ひいては理論設定圧力比Ｒpiを算出してＳ７に移行する。
Ｓ７では、圧力比Ｒpを算出してＳ８に移行する。
Ｓ８では、蒸発器１０における冷却水回路６からの吸熱量Ｑが所定値以上か否かを判定する。判定結果が真（Ｙｅｓ）で吸熱量Ｑが所定値以上と判定された場合にはＳ９に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）で吸熱量Ｑが所定値未満と判定された場合にはＳ１０に移行する。なお、蒸発器１０における冷媒の蒸発温度をＴi、冷却水の入水温度をＴh、蒸発器１０の固有値である熱伝達率をa、伝熱面積をＡとすると、一般に、吸熱量Ｑは、Ｑ＝a×Ａ×（Ｔh−Ｔi）の式により算出される。
Ｓ９に移行した場合には、圧力比Ｒpが変化しているか否かを判定する。判定結果が真（Ｙｅｓ）で圧力比Ｒpが変化していると判定された場合にはＳ１１に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）で圧力比Ｒpが変化していないと判定された場合であって、本制御ルーチンの前回周期で膨張機１４の回転数Ｎを増加させた場合にはＳ１２に移行し、一方、本制御ルーチンの前回周期で膨張機１４の回転数Ｎを減少させた場合にはＳ１０に移行する。なお、本制御ルーチンの初回周期にＳ９を実行する場合には、無条件でＳ１１に移行する。

Ｓ１１に移行した場合には、設定圧力比Ｒps＞圧力比Ｒpが成立するか否かを判定する。判定結果が真（Ｙｅｓ）で設定圧力比Ｒpi＞圧力比Ｒpが成立すると判定された場合にはＳ１２に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＲpi＞圧力比Ｒpが成立しないと判定された場合には、Ｓ１０に移行する。
上記Ｓ９，１１にてＳ１２に移行した場合には、膨張機１４の回転数Ｎが最低回転数Ｎminより小さいか否かを判定する。判定結果が真（Ｙｅｓ）でＮ＜Ｎminが成立すると判定された場合には、Ｓ２に移行して本制御ルーチンの次回周期に入り、判定結果が偽（Ｎｏ）でＮ＜Ｎminが成立しない、すなわちＮ≧Ｎminが成立すると判定された場合には、Ｓ１３に移行する。なお、最低回転数Ｎminは、回転数Ｎが小さくなることにより膨張機１４の効率が極端に低下しない程度に、効率を所定値以上、具体的には、発明者の実験結果により７５％以上となるような回転数値（例えば、１０００ｒｐｍ程度）として予め設定されている。

一方、上記Ｓ８，９，１１にてＳ１０に移行した場合には、膨張機１４の回転数Ｎが最高回転数Ｎmaxより大きいか否かを判定する。判定結果が真（Ｙｅｓ）でＮ＞Ｎmaxが成立すると判定された場合には、Ｓ２に移行して本制御ルーチンの次回周期に入り、判定結果が偽（Ｎｏ）でＮ＞Ｎmaxが成立しない、すなわちＮ≦Ｎmaxが成立すると判定された場合には、Ｓ１４に移行する。なお、最高回転数Ｎmaxは、膨張機１４の駆動に係る安全係数に基づいた回転数値として予め設定されている。

Ｓ１３に移行した場合には、膨張機１４の回転数Ｎを減少させた後、Ｓ２に移行して本制御ルーチンの次回周期に入る。
一方、Ｓ１４に移行した場合には、膨張機１４の回転数Ｎを増大させた後、Ｓ２に移行して本制御ルーチンの次回周期に入る。
このように、当該回転数制御では、圧力比Ｒpを設定圧力比Ｒpsに略一定に保持させるべく膨張機１４の回転数Ｎを適宜変化させている。

ここで、当該回転数制御を行うに際し、発電機３０の発電効率Ｅを理論最大発電効率Ｅimに近づけるためには、上述したように、理論的には、圧力比Ｒp＝理論設定圧力比Ｒpiとなるように、すなわち、設定圧力比Ｒpsを理論設定圧力比Ｒpiに予め設定し、設定圧力比Ｒpsに対する圧力比Ｒpの比率Ｒが１．０になるように、膨張機１４の回転数Ｎを変化させれば良いことになる。

しかし、実際には、膨張機１４での冷媒の膨張は、冷媒の若干の漏れ等に伴う熱の出入りによってポリトロープ膨張となるため、この点について考慮しなければ、発電機３０の発電効率Ｅの実際の最大値である最大発電効率Ｅmを得ることはできない。
詳しくは、図４に示される比率Ｒと発電効率Ｅとの関係曲線図を参照すると、本実施形態のＲＣ回路８における実験結果では、実線で示されるように、比率Ｒの設定値が約１．１８（以下、設定比率Ｒsという）になり得る範囲に設定圧力比Ｒpsを予め設定し、この設定圧力比Ｒpsの近傍で圧力比Ｒpが略一定に保持されるように膨張機１４の回転数制御を行うことにより最大発電効率Ｅmを得ることができる。

また、一般に、設定比率Ｒsを境界としてＲが増加する方向は不足膨張といい、一方、Ｒが減少する方向を過膨張といい、過膨張のときより不足膨張のときのほうが図４の曲線の傾きが小さくなって発電効率Ｅが最大発電効率Ｅmにより近づくことが知られている。
そこで、本発明では、最大発電効率Ｅmを得られる設定比率Ｒsが実際には１．０とはならず、しかも、比率Ｒが不足膨張側に大きいほうが最大発電効率Ｅmを得るには有利であることに着眼し、更に、ＲＣ回路８が正常に稼働したときには必ずＲ≧１.０の関係式が成立する点も踏まえて、設定圧力比Ｒpsが１．０≦Ｒ≦１．２５（図４中に示される実線矢印範囲）の関係式を満たすべく予め設定されている。

一方、当該回転数制御のＳ８において、吸熱量Ｑが所定値以上か否かが判定されるが、吸熱量Ｑが確保できなくなる状況としては、凝縮器１６は空冷式であることから、外気温度が高い場合には凝縮器１６における冷媒の凝縮温度が高くなるため、膨張機１４の上記回転数制御を行うことにより、蒸発器１０における冷媒の蒸発温度Ｔiも高くなり、ひいては蒸発器１０における冷媒の蒸発温度Ｔiと冷却水の入水温度Ｔhとの温度差ΔＴが必然的に小さくなることに起因する。

以下、図５に示されるモリエル線図を参照してＲＣ回路８の熱収支を説明する。
先ず、本実施形態の膨張機１４の回転数制御を行う前においては、冷媒（Ａ）は蒸発器１０に流入し、冷却水回路６を流れるエンジン４で加熱された後の温水で加熱されて、エンタルピｉが増加したガス状態の冷媒（Ｂ）にされる。冷媒（Ｂ）は膨張機１４で膨張されて、減圧された冷媒（Ｃ）にされる。そして、冷媒（Ｃ）は凝縮器１６で凝縮され、エンタルピｉが減少した冷媒（Ｄ）にされ、冷媒（Ｄ）は冷媒ポンプ１８により加圧されて冷媒（Ａ）となった後、再び蒸発器１０に流入する。

ここで、冷媒（Ａ）の蒸発温度Ｔiは約８０℃であり、冷却水ａの入水温度Ｔhが約９０℃であることから温度差ΔＴを約１０℃確保でき、ひいては所定の吸熱量Ｑも確保することができる。
一方、本実施形態の膨張機１４の回転数制御を行うと、上述したように、蒸発温度Ｔiが例えば約８５℃に高くなり、図５中に示すＡ’→Ｂ’→Ｃ’→Ｄ’の順にサイクルが繰り返される。この場合には、温度差ΔＴが約５℃に半減するため、所定の吸熱量Ｑを確保できない。

そこで、当該回転数制御を行う際に、蒸発温度Ｔiが過大になるのを防止して、ＲＣ回路８で要求される吸熱量Ｑ、換言すると、冷却水によるエンジン４の冷却に必要な放熱量Ｑ’を確保できるようにする必要がある。
具体的には、温度差ΔＴが所定の温度以下となる場合や、エンジン４における冷却水の入出水温度が所定の温度以上となる場合、或いは、蒸発器１０における冷却水の入出水温度が所定の温度以上となる場合、または、蒸発器１０における冷却水の入出水温度差に蒸発器１０を通過する冷却水量を掛けた値が所定値以下となる場合等に回転数Ｎを大きくすることにより、図５中に示すＡ”→Ｂ→Ｃ”→Ｄ’の順にサイクルが繰り返され、当該回転数制御を行いつつ温度差ΔＴを約１０℃確保でき、所定の吸熱量Ｑを確保することができる。これにより、ＲＣ回路８を季節に応じて作動させ、膨張機１４の回転数Ｎが広い回転数領域で変化したとしても、廃熱利用装置２の廃熱回収における効率、ひいては発電効率Ｅをより一層確実に向上させ、最大発電効率Ｅmにより近づけることができる。
以上のように、本実施形態では、周波数指示装置３６にて上記回転数制御に係る制御ルーチンを実行し、ゲート信号３７を適宜変化させながら膨張機１４の回転数を制御することにより、ＲＣ回路８を季節に応じて作動させ、膨張機１４の回転数Ｎが広い回転数領域で変化したとしても、膨張機１４の膨張比たる圧力比Ｒpを最大発電効率Ｅmを得られる位置に略一定に保持させることができるため、熱利用装置２の廃熱回収における効率、ひいては発電効率Ｅを確実に向上させ、最大発電効率Ｅmに近づけることができる。

しかも、制御装置３４が比熱比Ｋ１，Ｋ２を参照可能なデータベース３８を有することにより、膨張機１４を経由する冷媒の比熱比Ｋを簡易にして算出することができ、廃熱回収における効率、ひいては発電効率Ｅを簡易にして確実に向上させることができる。
また、上記回転数制御の制御ルーチンのＳ９→Ｓ１２→Ｓ１３、または、Ｓ９→Ｓ１０→Ｓ１４のステップにおいて、膨張機１４の回転数Ｎの増減によっても圧力比Ｒpが変化しないときには、膨張機１４の回転数Ｎを前回周期の回転数Ｎに戻す処理を実行することにより、圧力比Ｒpの変化がないにも拘わらず膨張機１４の回転数Ｎを変化させる無駄が排除され、ＲＣ回路８、及び廃熱利用装置２の作動の安定化、ひいては膨張機１４の回転数制御の効率化を図ることができ、廃熱利用装置２の廃熱回収における効率、ひいては発電効率Ｅを更に向上させることができる。

特に本発明では、周波数指示装置３６にて設定圧力比Ｒpsに対する圧力比Ｒpの比率Ｒを算出し、設定圧力比Ｒpsが１．０≦Ｒ≦１．２５の関係式を満たすべく予め設定されている。これにより、廃熱利用装置２の廃熱回収における最大効率、ひいては最大発電効率Ｅmをより一層確実に得ることができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、上記実施形態では、設定圧力比Ｒpsが１．０≦Ｒ≦１．２５の関係式を満たすべく予め設定されるが、この範囲に限らず、膨張機１４の性能向上によってその冷媒漏れ性能が向上した場合を想定して設定比率Ｒsを推定し、この設定比率Ｒsを中心にして、例えばＲs−０．０５≦Ｒ≦Ｒs＋０．０５の範囲に比率Ｒが位置づけられるように設定圧力比Ｒpsを予め設定しても良い。この場合には、膨張機１４の性能向上によってその冷媒漏れ性能が向上したとしても、設定比率Ｒsを中心とした膨張機１４の回転数制御を常時精度良く行うことができるため、廃熱利用装置２の廃熱回収における最大効率、ひいては最大発電効率Ｅmを更に確実に達成することができる。

また、上記実施形態では、データベース３８及びセンサ２２〜２８によって比熱比Ｋ１，Ｋ２が参照され、ひいては比熱比Ｋが算出されるが、これに限らず、比熱比Ｋ１のみを簡易的に比熱比Ｋとして使用しても良く、この場合にはセンサ２６，２８が不要となってＲＣ回路８のコストを低減することができる。
更に、上記実施形態では、ＰＷＭコンバータ３２が膨張機１４の回転数Ｎを増減させているが、負荷３３の負荷を変えることにより回転数Ｎを増減させるようにしても良い。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置を示した模式図である。 図１の制御装置の構成を示した模式図である。 図２の制御装置で実行される膨張機の回転数制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。 設定圧力比Ｒpsに対する圧力比Ｒpの比率Ｒと発電機の発電効率Ｅとの関係を示す曲線図である。 図１のランキンサイクル回路の熱収支を示したモリエル線図である。

符号の説明

２ 廃熱利用装置
４ エンジン（内燃機関）
８ ランキンサイクル回路（ランキンサイクル）
９ 循環路
１０ 蒸発器
１４ 膨張機
１６ 凝縮器
１８ 冷媒ポンプ（ポンプ）
２２，２６ 圧力センサ（冷媒状態検出手段）
２４，２８ 温度センサ（冷媒状態検出手段）
３０ 発電機
３２ ＰＷＭコンバータ（コンバータ）
３４ 制御装置
３８ データベース

Claims (9)

1. 冷媒の循環路に、内燃機関から回収された廃熱にて前記冷媒を加熱することにより該内燃機関から所定の吸熱量を確保する蒸発器、該蒸発器を経由した冷媒を所定の容積比で膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した冷媒を前記蒸発器に圧送するポンプが順次介挿されるランキンサイクルと、
   前記膨張機により回転駆動され、前記回転駆動力を電力に変換する発電機と、
   前記発電機を介して前記膨張機の回転数を制御するコンバータと、
   前記膨張機を経由する冷媒の圧力及び温度を検出する冷媒状態検出手段と、
   前記冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて、前記膨張機の前後の冷媒の圧力比、及び前記膨張機を経由する冷媒の比熱比を算出すると共に、前記所定の容積比を該比熱比で乗して前記圧力比の設定圧力比を算出し、該圧力比及び該設定圧力比に基づいて前記コンバータに前記膨張機の回転数を指示する制御装置と
   を備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 前記制御装置は、前記圧力比が前記設定圧力比より小さいとき、前記膨張機の回転数を減少させる一方、前記圧力比が前記設定圧力比より大きいとき、前記膨張機の回転数を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
3. 前記制御装置は、前記冷媒状態検出手段にて検出された冷媒の圧力及び温度に基づいて前記比熱比が参照されるデータベースを有することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
4. 前記制御装置は、前記膨張機の回転数の増減によっても前記圧力比が変化しないときには、前記膨張機の回転数を変更前の回転数に戻すことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
5. 前記制御装置は、前記膨張機の効率が所定値以上になる最低回転数から、前記膨張機の回転に係る安全係数に基づく最高回転数にかけての範囲内で前記膨張機の回転数を増減させることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
6. 前記制御装置は、前記所定の吸熱量を確保するべく前記膨張機の回転数を設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
7. 前記制御装置は、前記設定圧力比に対する前記圧力比の比率を算出し、該比率を所定の範囲内にするべく該設定圧力比を予め設定することを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
8. 前記制御装置は、前記比率を１．０以上且つ１．２５以下の範囲内にするべく前記設定圧力比を予め設定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
9. 前記制御装置は、前記発電機の発電効率が最大となる前記比率の設定比率を予め推定し、前記比率を前記設定比率を中心とした前後０．０５以内の範囲内にするべく前記設定圧力比を予め設定することを特徴とする請求項７または８に記載の内燃機関の廃熱利用装置。

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