JP2010014037A

JP2010014037A - 燃焼機関の廃熱利用システム

Info

Publication number: JP2010014037A
Application number: JP2008175237A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Okui; 広高奥井; Naoyuki Kamiya; 直行神谷
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: JP4900334B2

Abstract

【課題】ランキンサイクルにおいて発生する電力を効率的に回収する。
【解決手段】廃熱利用システム１０は、エンジン１１の廃熱により電気エネルギを発生するランキンサイクル３０を備えている。ＥＣＵ４０は、現時点からランキンサイクル３０の作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における車両の走行状態を予測し、その予測した車両の走行状態に基づいて、ランキンサイクル３０の発電開始条件が所定時刻に成立していることを判定する。そして、所定時刻に発電開始条件が成立していることが判定された場合に、所定時刻よりも前にランキンサイクル３０に対して作動開始を指示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼機関の廃熱利用システムに関するものであり、詳しくは、作動流体を循環させ、その循環の際に燃焼機関の廃熱を利用して発電を行う各構成装置からなるランキンサイクルを備える燃焼機関の廃熱利用システムに関するものである。

従来、例えば内燃機関などの燃焼機関において、その廃熱を利用して発電を行う廃熱利用システムが構築されている。このシステムは、燃焼機関の廃熱により作動流体を加熱気化する加熱器と、作動流体の膨張により機械的エネルギを発生する膨張機と、膨張した作動流体を凝縮液化する凝縮器と、液化した作動流体を再び加熱器に戻して循環させるポンプとにより構成され、これらによりランキンサイクルが形成されている。また、膨張機には発電機が接続されており、膨張機で発生した機械的エネルギが電気エネルギに変換されることで、燃焼機関における廃熱の熱エネルギが電気エネルギに変換されるようになっている。そして、所定の発電開始条件が成立した場合に上記システムを起動することで作動流体がサイクル内を循環し、発電機にて発電が行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１７７２６６号公報

ところで、上記システムの起動時には、ポンプの機械的な作動遅れや、各構成装置における動作確認のための自己診断などに起因して作動遅れが発生し、その起動開始が指示されてから実際にランキンサイクルで発電が開始されるまでに作動遅れが発生する。そのため、所定の発電開始条件が成立していることが判定された場合に上記システムを起動する構成では、発電開始条件の成立後ランキンサイクルの作動遅れ時間が経過するまでの間は電力回収を行うことができず、廃熱のエネルギを電気エネルギとして十分に回収しきれていないことが懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ランキンサイクルにおいて発生する電力を効率的に回収することができる燃焼機関の廃熱利用システムを提供することを主たる目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

請求項１に記載の発明は、車載の燃焼機関の廃熱により作動流体を加熱気化し、その作動流体の膨張により発生する機械的エネルギを電気エネルギとして回収するとともに、膨張後の作動流体を凝縮液化し、更に前記燃焼機関の廃熱により再び加熱気化するランキンサイクルを備え、車両の走行状態に基づいて前記ランキンサイクルの作動を制御する燃焼機関の廃熱利用システムにおいて、現時点から前記ランキンサイクルの作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における前記車両の走行状態を予測する予測手段と、前記予測手段により予測した前記車両の走行状態に基づいて、前記ランキンサイクルの発電開始条件が前記所定時刻に成立していることを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記所定時刻に前記発電開始条件が成立していることが判定された場合に、前記所定時刻よりも前に前記ランキンサイクルに対して作動開始を指示する作動指示手段と、を備えることを特徴とする。

ランキンサイクルにおいては、同サイクルの構成装置における機械的作動遅れなどに起因して、作動開始が指示されてから実際に電力回収が可能になるまでに時間遅れが発生する。本発明では、その作動遅れを見込んでランキンサイクルの作動開始を指示する。つまり、現時点から作動遅れ時間の経過時点又は経過後における車両の走行状態を予測し、その予測した車両の走行状態に基づいてランキンサイクルの発電開始条件が成立していると判断される場合に、その経過時点よりも前にランキンサイクルに対して作動開始を指示する。したがって、少なくともランキンサイクルの作動遅れ分だけ早くランキンサイクルに対して作動開始を指示することができるとともに、実際に発電開始条件が成立した時点でランキンサイクルによる発電が行われるようにすることができる。これにより、電力回収を行う際に作動遅れ時間分の電力を無駄なく回収することができ、ひいては電力回収を効率よく行うことができる。

ここで、車両の走行状態としては、例えば車速や車両走行風の風量、燃焼機関温度、外気温とするのが望ましい。また、所定時刻としては、ランキンサイクルにおける回収電力が負側からゼロ又は正側になる時刻とするのが望ましい。燃焼機関の廃熱としては、例えば燃焼機関の冷却液の熱や燃焼機関の排気熱を含む。

ランキンサイクルでは、膨張後の作動流体を凝縮液化させる必要があり、一般に車両走行風を利用して凝縮液化のための放熱が行われる。そのため、ランキンサイクルの作動開始の判断は、車速を一つの条件として実施される。また、車速は刻々と変化するため、車速に関する条件に基づいてランキンサイクルの作動／作動停止を切り替える頻度が、他の条件（例えば燃焼機関温度や外気温など）に比べて高いことが考えられる。その点に鑑み、請求項２に記載の発明は、前記予測手段は、前記発電開始条件のパラメータである車速について、前記所定時刻における車速を予測し、前記判定手段は、前記予測手段により予測した車速に基づいて、前記ランキンサイクルの発電開始条件が前記所定時刻に成立していることを判定することを特徴とする。この構成によれば、予測車速が発電開始条件を満たす場合にランキンサイクルに対して作動開始を指示するため、同サイクルの作動が開始される都度、より多くの電力を回収することができ、電力回収を効率的に行う上で好適である。

ランキンサイクルに対して作動開始を指示した後、実際に発電が開始される時点（発電開始予定時刻）までの間に車両の走行状態が変化した場合、その発電開始予定時刻において発電開始条件を満たさなくなることが考えられる。その点に鑑み、請求項３に記載の発明は、前記予測手段は、前記作動指示手段により前記ランキンサイクルに対して作動開始が指示された場合に、その指示時刻以降に、同指示時刻から少なくとも前記作動遅れ時間だけ後の回収開始予定時刻における前記車両の走行状態を予測する手段を更に備え、前記ランキンサイクルに対して作動指示した後に前記予測手段により予測した前記回収開始予定時刻における前記車両の走行状態が、前記ランキンサイクルでの電力回収が不能とされる所定の発電停止条件を満たす場合に前記ランキンサイクルに対して作動停止を指示する作動停止手段を備えることを特徴とする。この構成によれば、ランキンサイクルの作動開始後に、そのまま同サイクルの作動を継続しても電力回収の開始予定時刻で電力回収できないことが予測される場合にランキンサイクルに対して作動停止を指示するため、電力回収できない状況下でランキンサイクルが作動するのを回避することができる。これにより、無駄な電力消費を抑制することができる。

ランキンサイクルの作動遅れ時間は、ランキンサイクルの構成装置の暖機状態に応じて異なり、例えば作動流体の膨張により機械的エネルギを発生する装置（膨張機）が完全暖機よりも低温の場合には、作動遅れ時間が長くなることが考えられる。その点に鑑み、請求項４に記載の発明は、前記作動遅れ時間を、前記ランキンサイクルにおいて作動流体の膨張により機械的エネルギを発生する膨張機の暖機状態に応じて可変に設定する手段を備え、前記予測手段は、前記膨張機の暖機状態に応じて設定される前記作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における前記車両の走行状態を予測することを特徴とする。こうすれば、膨張機の暖機状態に応じて作動遅れ時間を可変に設定するため、回収電力がゼロから負側に落ち込み、その後再びゼロになるまでの時間が変動する場合であっても、ランキンサイクルの作動遅れ分だけ早くランキンサイクルに対して作動開始を指示することができるとともに、実際に発電開始条件が成立した時点でランキンサイクルによる発電が行われるようにすることができる。

ここで、膨張機の暖機状態については、例えば膨張機の上流側における作動流体の温度やランキンサイクルの作動停止からの経過時間、外気温度等により判断するのが望ましい。

また、ランキンサイクルの作動遅れ時間について、ランキンサイクルの作動開始時に実際の作動遅れ時間を計測し、その計測値を次回以降の作動開始時に適用することが考えられる。その点に鑑み、請求項５に記載の発明は、前記ランキンサイクルに対して作動開始を指示してから前記ランキンサイクルにて実際に電力回収が可能になるまでに要した所要時間を記憶する時間記憶手段を備え、前記予測手段は、前記時間記憶手段で記憶した所要時間を前記作動遅れ時間とし、前記作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における前記車両の走行状態を予測することを特徴とする。この構成によれば、ランキンサイクルに対して作動開始を指示してから実際に電力回収が可能になるまでに要した時間（計測値）を作動遅れ時間としているため、ランキンサイクルで実際に発電が開始される時刻を正確に把握することができる。したがって、発電開始条件が成立した時点でランキンサイクルによる発電が行われるようにする上で好適である。

以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態では、車載ガソリンエンジンの廃熱利用システムを構築するものとしている。当該廃熱利用システムにおいては、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢としてエンジンの廃熱を利用した発電の制御を実施するとともに、エンジンの燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施する。この廃熱利用システムの全体概略構成図を図１に示す。

図１は、本実施形態におけるエンジンの廃熱利用システムの全体概略構成図である。図１において、廃熱利用システム１０は、エンジン１１を冷却するための冷却サイクル２０と、エンジン１１で発生する廃熱のエネルギを回収するランキンサイクル３０とを有している。

冷却サイクル２０について、エンジン１１のシリンダブロックやシリンダヘッドの内部にはウォータジャケット１２が形成され、ウォータジャケット１２内を流れる冷却水がエンジン１１で発生する熱を吸収することでエンジン１１の冷却を行っている。

冷却サイクル２０にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１とウォータジャケット１２が、往流路と復流路とで構成される冷却水通路２２を介して環状に接続されている。また、ウォータジャケット１２について、エンジン冷却水の入口部には冷却水ポンプ２３が設けられている。この冷却水ポンプ２３の駆動により、エンジン冷却水が冷却水通路２２内を循環する。具体的には、冷却水は、ウォータジャケット１２を通過する間にエンジン１１の熱を奪った後、冷却水通路２２を介してラジエータ２１に導入される。そして、エンジン熱により温められた冷却水がラジエータ２１にて冷却された後、冷却水通路２２を介してエンジン１１に再び戻される。これにより、エンジン１１が適温（例えば８０℃）に保持される。

なお、ラジエータ２１の近傍には、例えば電動式の冷却ファン２４が設けられている。この冷却ファン２４の回転駆動によりラジエータ２１の放熱効果が高められ、ラジエータ２１内の冷却水の冷却が促進される。また、エンジン１１とラジエータ２１とを接続する冷却水通路２２の途中にはサーモスタット２５が設けられおり、冷却水温度に応じて作動することで冷却水の流路を変更する。

次に、ランキンサイクル３０について説明する。ランキンサイクル３０では、例えばＨＦＣなどの作動流体を循環させることで、エンジン冷却水の有する熱エネルギを回収するとともに、その熱エネルギを電気エネルギに変換して車載のバッテリ１３を充電する。なお、バッテリ１３には各種電気負荷１９が接続されており、バッテリ１３から電気負荷１９に給電される。

ランキンサイクル３０には熱交換機３１が設けられており、熱交換機３１とエンジン１１とが冷却水通路２２を介して接続されている。また、熱交換機３１の内部には、エンジン冷却水の通路３２ａと作動流体の通路３２ｂとが形成されており、通路３２ａを通過するエンジン冷却水と通路３２ｂを通過する作動流体との間で熱交換が行われるようになっている。この熱交換により作動流体が加熱気化され、その状態で作動流体が熱交換機３１から排出される。

熱交換機３１には、作動流体の排出口側（下流側）に流体通路３３を介して膨張機３４が接続されている。膨張機３４は、加熱気化した作動流体の膨張による流体圧を運動エネルギに変換する蒸気タービンとして構成されている。また、膨張機３４には発電機３５が接続されており、膨張機３４を動力源として発電機３５が作動することで電気エネルギを発生する。発電機３５で発生する電気エネルギは、インバータ１４を介してバッテリ１３に充電される。

膨張機３４には、その下流側に流体通路３３を介して凝縮器３６が接続されている。凝縮器３６は、車両エンジンルーム内においてラジエータ２１とともに車両走行風の上流側に配設され、車外から流入する外気との熱交換によって作動流体を凝縮液化する。なお、凝縮器３６の近傍には、例えば電動式の冷却ファン３７が設けられており、冷却ファン３７の回転駆動により凝縮器３６の放熱効果が高められ、凝縮器３６内の作動流体の液化が促進される。

凝縮器３６には、その下流側に流体通路３３を介して熱交換機３１が接続されている。つまり、ランキンサイクル３０においては、熱交換機３１→膨張機３４→凝縮器３６→熱交換機３１の順に作動流体が循環するようになっている。また、膨張機３４と熱交換機３１との間には、バッテリ１３に電気的に接続される作動流体ポンプ３８が設けられている。バッテリ１３から作動流体ポンプ３８に通電されると、作動流体ポンプ３８が駆動し、その駆動に伴い作動流体がランキンサイクル３０内を循環する。

具体的には、通電により作動流体ポンプ３８が駆動すると、作動流体が熱交換機３１を通過してエンジン冷却水の熱を奪い、その熱により作動流体が加熱気化される。続いて、加熱気化された作動流体が膨張機３４に送られ、膨張機３４にて作動流体の熱エネルギが運動エネルギに変換される。また、発電機３５により膨張機３４の運動エネルギが電気エネルギに変換され、バッテリ１３に充電される。そして、膨張機３４から排出された作動流体は、凝縮器３６にて凝縮液化され、その後熱交換機３１に再び戻される。ランキンサイクル３０では、このようにしてエンジン冷却水の熱エネルギが電気エネルギに変換される。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、エンジン１１側の冷却水温度を検出する冷却水温センサ１６が取り付けられている。その他、本システムには、エンジンの所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角度センサ１７や、車両速度を検出する車速センサ１８等が設けられている。

ＥＣＵ４０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）４１を主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、都度のエンジン運転状態に応じてエンジン１１やその他の各種制御を実施する。具体的には、ＥＣＵ４０のマイコン４１は、前述した各種センサから各種検出信号等を入力し、これらの各種検出信号等に基づいて燃料噴射量や点火時期等を演算してエンジン１１の駆動を制御する。また、マイコン４１は、ランキンサイクル３０において電力回収を行うための作動制御として、入力した各種検出信号等に基づいて冷却水ポンプ２３や作動流体ポンプ３８、冷却ファン３７の駆動を制御したり、あるいはエンジン冷却を行うための制御として、冷却水ポンプ２３や冷却ファン２４の駆動を制御したりする。

ランキンサイクル３０の作動制御について詳しくは、マイコン４１は、所定の発電開始条件が成立した場合にランキンサイクル３０において電力回収を行うようにしている。所定の発電開始条件として本実施形態では、エンジン冷却水温Ｔｗが発電開始温度Ｔｗｓ以上（例えば８０℃以上）であること、及び車速Ｖが発電基準値Ｖｓ以上（例えば３０ｋｍ／ｈ以上）であることを含む。

図２は、車速Ｖとランキンサイクル３０における回収電力Ｅｒとの関係を示す図である。車速Ｖと回収電力Ｅｒとの関係において、車速が低いと車両走行風が少ないために凝縮器３６での放熱量が減少し、車速が高いほど車両走行風により凝縮器３６での放熱量が増加する。そのため、車速が発電基準値Ｖｓ以下では作動流体の凝縮液化が十分に行われず、その結果、ランキンサイクル３０において発電を十分に行うことができない。したがって、図２に示すように、車速Ｖが発電基準値Ｖｓ以下では回収電力Ｅｒがゼロ以下になるとともに、車速Ｖが速くなるほど回収電力Ｅｒが大きい値になる。なお、車速Ｖが発電基準値Ｖｓ未満で負の値になるのは、作動流体ポンプ３８の駆動に伴う電力消費によるものである。

ところで、車両の走行時には、車速の増減の変化に伴いランキンサイクルの作動／作動停止が繰り返し行われる。かかる場合、ランキンサイクル３０の作動停止中に発電開始条件が成立し、ランキンサイクル３０の作動を開始する際には、まず、作動流体を循環させるために作動流体ポンプ３８を駆動する必要がある。このとき、マイコン４１がバッテリ１３から作動流体ポンプ３８への通電開始を指示してから実際に作動流体ポンプ３８が駆動するまでには機械的な作動遅れが生じる。また、ランキンサイクル３０の各構成装置が正常に作動するか否かの動作確認のための自己診断を実施する場合、その自己診断に要する時間分だけランキンサイクル３０において作動遅れが生じる。

図３は、ランキンサイクル３０の作動を開始した場合の回収電力Ｅｒの推移を示すタイムチャートである。図３において発電開始条件が成立すると、作動流体ポンプ３８への通電指示がなされ、作動流体ポンプ３８での電力消費に起因して回収電力Ｅｒがゼロから負側に落ち込む。そして、作動流体ポンプ３８への通電指示がなされた時点からランキンサイクル３０での作動遅れ時間ΔＴ（例えば５〜１０ｓｅｃ）が経過すると、ランキンサイクル３０において発電が十分に行われるようになり、回収電力Ｅｒが正側に移行する。作動遅れ時間ΔＴについて換言すれば、ランキンサイクル３０の作動開始が指示されてから回収電力Ｅｒがゼロになるまでに要する時間となる。

図３に示すように、ランキンサイクル３０においては、その作動開始時において作動遅れ時間ΔＴがあるため、発電開始条件が成立した時点でランキンサイクル３０の作動を開始すると、その作動遅れ時間ΔＴの間では発電実施条件が成立しているにもかかわらず電力回収を行うことができない。したがって、この場合には、廃熱のエネルギを電気エネルギに変換する上で、作動遅れ時間ΔＴ分の無駄が生じている。

そこで、本実施形態では、ランキンサイクル３０の作動遅れ時間ΔＴ分の時間が現時点から経過した時刻における車速を予測し、その予測車速Ｖｐに基づいてランキンサイクル３０の作動を指示する。これにより、発電開始条件が成立する時刻でランキンサイクル３０での発電が開始されるようにする。また、予測車速Ｖｐに基づいてランキンサイクル３０の作動開始を指示した後に、発電の開始が予定される時刻（発電開始予定時刻）において発電開始条件が成立しなくなったことが予測される場合には、ランキンサイクル３０の作動を停止させる。この処理としてＥＣＵ４０のマイコン４１は、以下に示す処理を実行する。

まず、予測車速Ｖｐの演算処理について説明する。図４は、予測車速Ｖｐを演算するための処理手順の一例を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ４０のマイコン４１により所定周期で（例えば数ｍｓｅｃ毎に）繰り返し実行される。

図４のステップＳ１１ではまず、車速センサ１８で検出した現在の車速Ｖｎを読み込む。続くステップＳ１２では、現在車速Ｖｎの前回値と今回値との差から加速度ａを算出する。なお、加速度ａについては、加速度センサを備える構成であれば、その検出値から算出してもよい。その後、ステップＳ１３で、現在車速Ｖｎと加速度ａとを用いて、現時点から作動遅れ時間ΔＴだけ後の車速を例えば一次近似式により算出し、予測車速Ｖｐとして記憶する。ここで、本実施形態において作動遅れ時間ΔＴは固定値であり、ランキンサイクル３０の作動開始を指示してから回収電力が正側になるまでの時間を予め計測した値としている。

次に、本実施形態におけるランキンサイクル３０の作動制御について説明する。図５は、ランキンサイクル３０の作動に関する処理（作動制御処理）の処理手順の一例を示すフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ４０のマイコン４１により所定周期で（例えば数ｍｓｅｃ毎に）繰り返し実行される。

図５において、まずステップＳ２０では、ランキンサイクル３０が作動停止中か否かを判定する。作動停止中の場合にはステップＳ２１へ進み、図４の予測車速演算処理で算出される予測車速Ｖｐを読み込む。続くステップＳ２２では、予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓ以上か否かを判定し、予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓ未満であれば、ランキンサイクル３０の作動を停止したままにする。一方、予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓ以上の場合にはステップＳ２３へ進み、ランキンサイクル３０の作動開始処理として、バッテリ１３から作動流体ポンプ３８への通電を開始して作動流体ポンプ３８を駆動するとともに、各機器の作動確認のための自己診断を実施する。作動流体ポンプ３８の駆動制御として、本実施形態では、車速Ｖと冷却水温度Ｔｗとから例えば図示しないマップを用いて作動流体ポンプ３８の回転速度を設定し、その設定した回転速度で作動流体ポンプ３８を回転駆動する。

また、ランキンサイクル３０の作動開始後であれば、ステップＳ２０で否定判定がなされ、ステップＳ２４へ進み、ランキンサイクル３０において発電停止中か否かを判定する。発電停止中、つまりランキンサイクル３０の作動開始が指示されたものの、その作動開始の指示時刻から作動遅れ時間ΔＴが未だ経過していなければ、ステップＳ２４で肯定判定がなされ、ステップＳ２５へ進む。

ステップＳ２５では、ランキンサイクル３０の作動開始を指示した時刻（すなわち、ステップＳ２２がＹＥＳとなったタイミング）から作動遅れ時間ΔＴだけ後の時刻（発電予定開始時刻ｔｓ）における予測車速Ｖｐを、現在車速Ｖｎ、加速度ａ及び現時点から発電予定時刻ｔｓまでの時間から例えば一次近似式により再度予測する。その後、ステップＳ２６で、ランキンサイクル３０の作動を継続するか否かを判定する。具体的には、発電開始予定時刻ｔｓにおける予測車速Ｖｐが発電停止値Ｖｅ以上か否かを判定する。発電予定時刻ｔｓの予測車速Ｖｐが発電停止値Ｖｅ以上の場合には、ステップＳ２３へ進み、作動開始処理をそのまま継続する。一方、発電開始予定時刻ｔｓにおける予測車速Ｖｐが発電停止値Ｖｅ未満の場合には、ステップＳ２７へ進み、作動流体ポンプ３８の通電を停止してランキンサイクル３０の作動を停止する。

ここで、発電開始予定時刻ｔｓの予測車速Ｖｐに応じてランキンサイクル３０の作動／作動停止を変更する処理について図６のタイムチャートを用いて説明する。図６のうち（ａ）はランキンサイクル３０の作動指示／停止指示の推移を示し、（ｂ）は現在車速Ｖｎの推移を示す。また、図６（ｂ）中、Ｌ１は、時刻ｔ１で予測したｔ１以降の車速変化を示し、Ｌ２は、時刻ｔ２で予測したｔ２以降の車速変化を示す。そして、車速変化における時刻ｔｓの車速Ｖｐ１が、ランキンサイクル３０の作動開始指示時刻ｔ１で予測した時刻ｔｓの予測車速であり、時刻ｔｓの車速Ｖｐ２が、作動開始指示時刻ｔ１と発電開始予定時刻ｔｓとの中間の時刻ｔ２で予測した時刻ｔｓの予測車速である。

図６において、時刻ｔ１で演算した予測車速Ｖｐ１が発電基準値Ｖｓ以上になると、作動流体ポンプ３８の通電開始（ランキンサイクル３０の作動開始）が指示され、ランキンサイクル３０の作動が開始される。一方、時刻ｔ２で演算した予測車速Ｖｐ２が発電停止値Ｖｅ（Ｖｅ＜Ｖｓ）を下回る場合、作動流体ポンプ３８の通電停止（ランキンサイクル３０の作動停止）が指示され、ランキンサイクル３０の作動が停止される。すなわち、予測車速に基づくランキンサイクル３０の作動／作動停止の切り替えでは、車速Ｖにヒステリシスを持たせている。

図５の説明に戻り、ランキンサイクル３０の作動開始を指示した時刻から作動遅れ時間ΔＴが経過し、ランキンサイクル３０で発電が開始されると、ステップＳ２４で否定判定がなされ、ステップＳ２８へ進む。ステップＳ２８では、現在車速Ｖｎと冷却水温度Ｔｗとからランキンサイクル３０の発電開始条件が成立しているか否か、つまり発電を継続するか否かを判定する。そして、発電開始条件が成立している場合にはステップＳ２９へ進み、ランキンサイクル３０における発電制御を継続する。発電制御として本実施形態では、車速Ｖと冷却水温度Ｔｗとから例えば図示しないマップを用いて作動流体ポンプ３８の回転速度を設定し、その設定した回転速度で作動流体ポンプ３８を回転駆動する。一方、発電実施条件が成立していない場合には、ステップＳ２７へ進み、作動流体ポンプ３８の通電を停止して、ランキンサイクル３０の作動を停止する。

図７は、車速Ｖと回収電力Ｅｒとの推移を示すタイムチャートであり、（ａ）は現在車速Ｖｎの推移を示し、（ｂ）は回収電力Ｅｒの推移を示す。なお、図７（ａ）中、Ｌ１は、時刻ｔ１で予測したｔ１以降の車速変化を示し、車速変化における時刻ｔ２（＝ｔｓ）の車速Ｖｐ１が、ランキンサイクル３０の作動開始指示時刻ｔ１で予測した時刻ｔ２の予測車速である。また、図７（ｂ）中、一点鎖線は現在車速Ｖｎが発電基準値Ｖｓに達した時点でランキンサイクル３０の作動開始を指示する場合を示し、実線は予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓに達した時点でランキンサイクル３０の作動開始を指示する場合を示す。

図７において、現在車速Ｖｎが発電基準値Ｖｓに達した時点（時刻ｔ２）でランキンサイクル３０の作動開始を指示した場合（一点鎖線の場合）、作動開始の指示からΔＴの期間では、車速Ｖが発電基準値Ｖｓを超える状況下であるにもかかわらずランキンサイクル３０で発電が行われない。これに対し、予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓに達した時点（時刻ｔ１）でランキンサイクル３０の作動開始を指示する場合（実線の場合）であれば、現在車速Ｖｎが発電基準値Ｖｓに達する時刻よりも早い段階でランキンサイクル３０の作動開始が指示されるため、現在車速Ｖｎが発電基準値Ｖｓになる時点（時刻ｔｓ）では、ランキンサイクル３０による発電が可能な状態になっている。

以上説明した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ランキンサイクル３０の作動遅れ時間ΔＴ分の時間が現時点から経過した時刻における車速を予測し、その予測車速Ｖｐがランキンサイクル３０の発電開始条件を満たす場合にランキンサイクル３０に対して作動開始を指示する構成としたため、ランキンサイクル３０の作動遅れ分だけ早い時期にランキンサイクル３０の作動開始を指示することができる。これにより、実際に発電開始条件が成立した時点でランキンサイクル３０の発電が行われるようにすることができる。したがって、電力回収を行う際に作動遅れ時間分の電力を無駄なく回収することができ、ひいては電力回収を効率よく行うことができる。

また、予測車速Ｖｐに基づいてランキンサイクル３０の作動開始を指示するため、同サイクル３０の作動が開始される都度、より多くの電力を回収することができ、電力回収を効率的に行うといった効果を好適に実現できる。

ランキンサイクル３０に対して作動開始を指示した後、発電開始予定時刻ｔｓにおいて発電開始条件が成立しないことが予測される場合に、ランキンサイクル３０に対して作動停止を指示する構成としたため、電力回収できない状況下でランキンサイクル３０が作動するのを回避することができ、無駄な電力消費を抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、作動遅れ時間ΔＴ後における車両の走行状態として車速Ｖを予測し、その予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓ以上の場合にランキンサイクル３０の作動開始を指示する構成としたが、車両の走行状態として更に、作動遅れ時間ΔＴ後の冷却水温度Ｔｗを予測し、その予測値が基準値を超える場合にランキンサイクル３０の作動開始を指示する構成としてもよい。こうすれば、作動遅れ時間ΔＴ後においてランキンサイクル３０が発電可能な状況にあることをより正確に予測することができ好適である。あるいは、発電開始条件として車速Ｖ及び冷却水温度Ｔｗの他に、外気温度や車両走行風の風量等を条件とする場合、それらについて作動遅れ時間ΔＴ後の状態を予測してランキンサイクル３０に対して作動開始を指示する構成としてもよい。

・上記実施形態では、作動遅れ時間ΔＴを固定値とする構成としたが、作動遅れ時間ΔＴを可変にする構成としてもよい。こうすれば、回収電力Ｅｒがゼロから負側に落ち込み、その後再びゼロになるまでの時間が変動する場合であっても、ランキンサイクル３０の作動遅れ時間ΔＴだけ早く作動開始を指示できるとともに、実際に発電開始条件が成立した時点でランキンサイクル３０による発電が行われるようにすることができる。具体的には、例えば膨張機３４の暖機状態に応じて作動遅れ時間ΔＴを可変に設定する。つまり、膨張機３４が完全暖機での温度よりも低温であると、膨張機３４が適正に作動せず、発電可能になるまでに時間を要することが考えられる。そこで、膨張機３４が低温ほど作動遅れ時間ΔＴを長くする。膨張機３４の暖機状態については、例えば膨張機３４の上流側の所定位置における作動流体の温度や、ランキンサイクル３０の作動停止からの経過時間、外気温度、膨張機３４の温度（ただし、膨張機３４に温度センサが設けられている場合）等に基づいて判断するのが望ましい。

・上記のように作動遅れ時間ΔＴを可変にする構成において、ランキンサイクル３０の作動が、エンジン始動後において初回の作動であるか２回目以降の作動であるかに応じて作動遅れ時間ΔＴを可変に設定してもよい。例えば、エンジン始動後において２回目以降の作動であれば、初回の作動時よりも作動遅れ時間ΔＴを短くする。

・また、作動遅れ時間ΔＴを可変にする構成において、エンジン１１の始動後に、ランキンサイクル３０に対して作動開始を指示してから発電が開始されるまでに実際に要した時間を計測してメモリ（例えばＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭ）に記憶しておき、その記憶した時間を作動遅れ時間ΔＴとして次回又は次回以降のランキンサイクル３０の作動時に用いる構成としてもよい。この構成によれば、作動遅れ時間ΔＴの実測値を基に定めた所定時刻の予測車速Ｖｐに基づいてランキンサイクル３０に対して作動開始を指示するため、作動開始を指示してから実際に電力回収が可能になるまでの時間としてより正確な値を用いてランキンサイクル３０の作動開始を指示することができ、実際に発電開始条件が成立した時点でランキンサイクル３０による発電が行われるようにする上で好適である。

上記構成においては、エンジン１１の始動後において初回のランキンサイクル３０の作動時にのみ作動遅れ時間ΔＴを計測し、そのΔＴを以後のランキンサイクル３０の作動時に用いてもよい。あるいは、ランキンサイクル３０の作動毎に作動遅れ時間ΔＴを計測し、そのΔＴを次回のランキンサイクル３０の作動時に用いてもよい。ここで、作動遅れ時間ΔＴについては、例えば回収電力Ｅｒが負側からゼロになるまでに要した時間を計測してもよいし、あるいは回収電力Ｅｒの微分値から算出してもよい。

・上記実施形態では、所定時刻における車速（予測車速Ｖｐ）を一次近似式により算出する構成としたが、より正確な値を算出するために、例えば下記式（１）に示すような高次近似式により予測車速Ｖｐを算出する構成としてもよい。

Ｖｐ＝Ｖｎ＋（ｄＶ／ｄｔ）ｔ＋（１／２！）（ｄ^２Ｖ／ｄｔ^２）ｔ^２＋…
…＋（１／ｎ！）（ｄ^ｎＶ／ｄｔ^ｎ）ｔ^ｎ・・・式（１）

・また、上記実施形態において、予測車速Ｖｐを、現在車速Ｖｎとアクセル開度とに基づいて算出してもよい。

・上記実施形態では、現時点から作動遅れ時間ΔＴが経過した時点を所定時刻として車速を予測し、その予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓである場合にランキンサイクル３０の作動開始を指示する構成としたが、現時点から作動遅れ時間ΔＴよりも長い時間が経過した時点を所定時刻として車速を予測し、その予測車速Ｖｐが発電基準値Ｖｓである場合にランキンサイクル３０の作動開始を指示する構成としてもよい。この構成においても、所定時刻においてランキンサイクル３０の発電が実施されるようにすることができる。ただし、この構成では、発電可能な状況下でないにもかかわらず作動流体ポンプ３８が駆動されて電力消費される時間が発生することを考慮すると、上記実施形態のように現時点から作動遅れ時間ΔＴが経過した時点の車速を予測し、その予測車速Ｖｐに基づいてランキンサイクル３０の作動開始を判断するのが望ましい。

・上記実施形態では、ランキンサイクル３０の作動開始後、予測車速Ｖｐに基づいてその作動状態を変更する場合に、車速Ｖにヒステリシスを持たせてその作動状態を変更する構成としたが、ランキンサイクル３０の作動を開始するのと同じ条件でランキンサイクル３０を作動停止させる構成としてもよい。

・上記実施形態では、燃焼機関（エンジン１１）の廃熱としてエンジン冷却水の熱エネルギを利用する構成としたが、例えば燃焼機関の排気熱を廃熱として利用する構成としてもよい。

・上記実施形態では、燃焼機関としてガソリンエンジンを用いる構成としたが、ガソリンエンジン以外の内燃機関（例えばディーゼルエンジン）や、あるいは外燃機関を用いる構成としてもよい。

エンジンの廃熱利用システムの全体概略構成図。車速と回収電力との関係を示す図。ランキンサイクルを作動開始した場合の回収電力の推移を示すタイムチャート。予測車速演算処理の処理手順を示すフローチャート。ランキンサイクルの作動制御処理の処理手順を示すフローチャート。車速とランキンサイクルの作動状態の推移を示すタイムチャート。車速と回収電力との推移を示すタイムチャート。

符号の説明

１０…廃熱利用システム、１１…エンジン、１３…バッテリ、１６…冷却水温センサ、１８…車速センサ、２０…冷却サイクル、３０…ランキンサイクル、３１…熱交換機、３３…流体通路、３４…膨張機、３５…発電機、３６…凝縮器、３８…作動流体ポンプ、４０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）、４１…マイコン。

Claims

車載の燃焼機関の廃熱により作動流体を加熱気化し、その作動流体の膨張により発生する機械的エネルギを電気エネルギとして回収するとともに、膨張後の作動流体を凝縮液化し、更に前記燃焼機関の廃熱により再び加熱気化するランキンサイクルを備え、車両の走行状態に基づいて前記ランキンサイクルの作動を制御する燃焼機関の廃熱利用システムにおいて、
現時点から前記ランキンサイクルの作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における前記車両の走行状態を予測する予測手段と、
前記予測手段により予測した前記車両の走行状態に基づいて、前記ランキンサイクルの発電開始条件が前記所定時刻に成立していることを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記所定時刻に前記発電開始条件が成立していることが判定された場合に、前記所定時刻よりも前に前記ランキンサイクルに対して作動開始を指示する作動指示手段と、
を備えることを特徴とする燃焼機関の廃熱利用システム。
前記予測手段は、前記発電開始条件のパラメータである車速について、前記所定時刻における車速を予測し、
前記判定手段は、前記予測手段により予測した車速に基づいて、前記ランキンサイクルの発電開始条件が前記所定時刻に成立していることを判定することを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関の廃熱利用システム。
前記予測手段は、前記作動指示手段により前記ランキンサイクルに対して作動開始が指示された場合に、その指示時刻以降に、同指示時刻から少なくとも前記作動遅れ時間だけ後の回収開始予定時刻における前記車両の走行状態を予測する手段を更に備え、
前記ランキンサイクルに対して作動指示した後に前記予測手段により予測した前記回収開始予定時刻における前記車両の走行状態が、前記ランキンサイクルでの電力回収が不能とされる所定の発電停止条件を満たす場合に前記ランキンサイクルに対して作動停止を指示する作動停止手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼機関の廃熱利用システム。
前記作動遅れ時間を、前記ランキンサイクルにおいて作動流体の膨張により機械的エネルギを発生する膨張機の暖機状態に応じて可変に設定する手段を備え、
前記予測手段は、前記膨張機の暖機状態に応じて設定される前記作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における前記車両の走行状態を予測することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃焼機関の廃熱利用システム。
前記ランキンサイクルに対して作動開始を指示してから前記ランキンサイクルにて実際に電力回収が可能になるまでに要した所要時間を記憶する時間記憶手段を備え、
前記予測手段は、前記時間記憶手段で記憶した所要時間を前記作動遅れ時間とし、前記作動遅れ時間に相当する時間の経過時点又は経過後の所定時刻における前記車両の走行状態を予測することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃焼機関の廃熱利用システム。