JP2017145799A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】熱源状態の変化に追従した良好な制御性を得る。【解決手段】ランキンサイクルシステム１は、ランキンサイクル３と制御ユニット１００を備える。ランキンサイクルは、車両に搭載された内燃機関２の排気ガスの熱を利用して動力を発生する。ランキンサイクルは、作動流体が流通される循環通路４に配置されたポンプ５、蒸発器６、膨張機７および凝縮器８を有する。制御ユニットは、内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関の廃熱量を算出する第１ステップと、蒸発器における作動流体の蒸発熱量を算出する第２ステップと、廃熱量および蒸発熱量に基づきポンプ吐出流量の目標値を算出する第３ステップと、実際のポンプ吐出流量が目標値に近づくようポンプをフィードバック制御する第４ステップとを実行するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明はランキンサイクルシステムに係り、特に、車両に搭載された内燃機関の排気ガスの熱を利用して動力を発生するランキンサイクルを備えたランキンサイクルシステムに関する。

内燃機関の廃熱を利用して動力を発生するランキンサイクルが公知である。ランキンサイクルは一般に、作動流体が流通される循環通路と、循環通路に配置されたポンプ、蒸発器、膨張機および凝縮器とを有する。

特開２００５−３０７２７号公報

ところで、ランキンサイクルの制御に関して、蒸発器で蒸発された後の作動流体の過熱度を算出し、この過熱度が目標値に近づくようポンプの回転数を制御することが考えられる。

しかし、こうした制御はランキンサイクルの作動状態のみに基づいて行われる制御であり、端的に言うと、ランキンサイクルの中だけで完結する制御である。このため、内燃機関の運転状態の変化により、熱源としての排気ガスの状態が変化すると、この変化に追従できず、応答遅れ等の制御性悪化が生じる可能性がある。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、熱源状態の変化に追従した良好な制御性を得ることができるランキンサイクルシステムを提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
車両に搭載された内燃機関の排気ガスの熱を利用して動力を発生するランキンサイクルであって、作動流体が流通される循環通路と、前記循環通路に配置されたポンプ、蒸発器、膨張機および凝縮器とを有するランキンサイクルと、
前記ポンプを制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記内燃機関の廃熱量を算出する第１ステップと、
前記蒸発器における作動流体の蒸発熱量を算出する第２ステップと、
前記廃熱量および前記蒸発熱量に基づきポンプ吐出流量の目標値を算出する第３ステップと、
実際のポンプ吐出流量が前記目標値に近づくよう前記ポンプをフィードバック制御する第４ステップと、
を実行するように構成されている
ことを特徴とするランキンサイクルシステムが提供される。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記第２ステップにおいて、前記蒸発器の入口側および出口側における作動流体の比エンタルピをそれぞれ算出し、これら入口側および出口側比エンタルピの差を前記蒸発熱量として算出する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記第１ステップにおいて、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの流量と、排気ガスの比熱と、前記蒸発器の入口側および出口側の間における排気ガスの温度差とを算出し、これら流量、比熱および温度差に基づき排気ガス熱量を前記廃熱量として算出する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記第１ステップにおいて、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの流量と、排気ガスの比熱と、前記蒸発器の入口側および出口側の間における排気ガスの温度差とを算出し、これら流量、比熱および温度差に基づき排気ガス熱量を前記廃熱量として算出し、
前記制御ユニットは、前記第３ステップにおいて、前記排気ガス熱量を、前記入口側および出口側比エンタルピの差で除算することにより、前記ポンプ吐出流量の目標値を算出する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記第２ステップにおいて、作動流体の温度、圧力および比エンタルピの関係を規定した所定のマップを用いて、前記入口側および出口側比エンタルピを算出する。

好ましくは、前記制御ユニットは、前記第２ステップにおいて、前記出口側比エンタルピから前記入口側比エンタルピを減算することにより前記入口側および出口側比エンタルピの差を算出する。

本発明によれば、熱源状態の変化に追従した良好な制御性を得ることができる。

ランキンサイクルシステムの概略構成図である。 ランキンサイクルのＰ−Ｖ線図である。 ランキンサイクルのＴ−ｓ線図である。 メインルーチンのフローチャートである。 停止制御のサブルーチンのフローチャートである。 始動制御のサブルーチンのフローチャートである。 運転制御のサブルーチンのフローチャートである。 排気ガス熱量を算出するサブルーチンのフローチャートである。 排気流量マップを示す図である。 排気比熱マップを示す図である。 流体比エンタルピ差を算出するサブルーチンのフローチャートである。 比エンタルピマップを示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。ランキンサイクルシステム１は、図示しない車両に搭載されたランキンサイクルもしくはランキンサイクル装置３を備える。ランキンサイクル３は、車両に動力源として搭載された内燃機関（エンジン）２の廃熱、すなわち排気ガスの熱を利用して動力を発生する装置である。ランキンサイクル３の熱源はエンジン２の排気ガスである。本実施形態において、車両はトラック、バス等の大型車両であり、エンジンはディーゼルエンジンである。但し車両およびエンジンの用途、種類等は任意である。

ランキンサイクル３は、作動流体もしくは冷媒が流通される循環通路４と、循環通路４に配置されたポンプ５、蒸発器６、膨張機７、凝縮器８およびリザーバタンク９とを有する。

循環通路４は、ポンプ５を起点および終点として作動流体を循環させる通路である。ポンプ５は電動ポンプからなり、作動流体を吸引吐出する。

蒸発器（ボイラ）６は、エンジン２の排気ガスとの間で熱交換を行って作動流体を加熱し、蒸発させる熱交換器である。本実施形態ではエンジン２の排気ガスの全量を蒸発器６に導入しているが、排気ガスの一部を導入するようにしてもよい。また本実施形態では、熱交換効率を上げるため排気ガスおよび作動流体の流れ方向を逆とした対向流方式を採用している。但し、両流れ方向を同一とする平行流方式を採用してもよい。

膨張機（エキスパンダ）７は、作動流体の蒸気により回転駆動され、例えば蒸気タービンにより形成される。膨張機７の出力は外部装置の駆動に利用され、例えば車両の動力として直接利用されてもよいし、発電機の動力として利用されてもよい。後者の場合、発電機の電気出力を電装品の作動、バッテリの充電等に利用することができ、ハイブリッド車の場合には走行駆動用モータへの電力に利用することができる。

凝縮器（コンデンサ）８は、外気またはエンジン冷却水との間で熱交換を行って、膨張機７から排出された作動流体の蒸気を冷却し、液化する熱交換器である。リザーバタンク９は、凝縮器８から排出された作動流体を気液分離しつつ貯留するタンクで、液体の作動流体のみがポンプ５に吸引されるようになっている。

ランキンサイクル３は、膨張機７をバイパスするバイパス通路１０と、バイパス通路１０の上流端分岐部に設けられた三方電磁弁からなるバイパス弁１１とを有する。バイパス弁１１は開と閉に切替可能であり、開のときバイパス通路１０側を開いて膨張機７側を閉じ、作動流体をバイパス通路１０に流すと共に、膨張機７に流さない。閉のときには、膨張機７側を開いてバイパス通路１０側を閉じ、作動流体を膨張機７に流すと共に、バイパス通路１０に流さない。

ランキンサイクル３は、膨張機７の入口側に設けられた入口弁１２をも有する。入口弁１２は単に開閉する二方電磁弁からなる。

ランキンサイクル３は、膨張機７をバイパスする別のバイパス通路であるリリーフ通路１３と、リリーフ通路１３に設けられたリリーフ弁１４とをさらに有する。リリーフ弁１４は機械式安全弁であり、膨張機７の入口圧力が過剰上昇した場合のみ開弁して膨張機７を保護する。従ってリリーフ弁１４は通常は閉である。

ランキンサイクルシステム１は、制御ユニットもしくはコントローラとしての電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称す）１００をも備える。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含み、後述の演算処理および制御を実行するように構成され、またはプログラムされている。ＥＣＵ１００はポンプ５、バイパス弁１１および入口弁１２を制御するように構成されている。特にＥＣＵ１００は、ポンプ５の回転速度もしくは回転数（ｒｐｍ）を制御し、ポンプ５の吐出流量を制御するように構成されている。

センサ類として、ランキンサイクルシステム１には以下のものが装備されている。まずエンジン側では、エンジン回転速度もしくはエンジン回転数（ｒｐｍ）を検出するためのエンジン回転センサ２１、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２２、蒸発器６の入口側の排気ガスの温度および圧力を検出するための入口排気温度センサ２３および入口排気圧力センサ２４、蒸発器６の出口側の排気ガスの温度を検出するための出口排気温度センサ２５が設けられる。

またランキンサイクル側では、蒸発器６の入口側の作動流体の温度および圧力を検出するための入口流体温度センサ３１および入口流体圧力センサ３２、蒸発器６の出口側の作動流体の温度および圧力を検出するための出口流体温度センサ３３および出口流体圧力センサ３４、ポンプ５の入口側の圧力を検出するためのポンプ入口流体圧力センサ３５が設けられる。またポンプ５に、ポンプ５の回転速度もしくは回転数（ｒｐｍ）を検出するためのポンプ回転センサ３６が設けられる。

これらセンサ類はＥＣＵ１００に電気的に接続され、各検出値に対応した信号をＥＣＵ１００に出力する。なお出口流体温度センサ３３および出口流体圧力センサ３４は、バイパス弁１１の下流側かつ入口弁１２の上流側の循環通路４に配設されている。

ＥＣＵ１００は主に、エンジン回転センサ２１により検出されたエンジン回転数と、アクセル開度センサ２２により検出されたアクセル開度とに基づき、エンジンの運転状態を検出する。従ってＥＣＵ１００、エンジン回転センサ２１およびアクセル開度センサ２２は、エンジンの運転状態を検出する検出器を構成する。

図２および図３に、ランキンサイクル３の理想状態におけるＰ−Ｖ（圧力−体積）線図およびＴ−ｓ（温度−比エントロピ）線図を示す。図中の各状態Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶは図１の各位置における各状態Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶに対応する。図２において、臨界点ｂより低体積側の線ａが飽和液線、臨界点ｂより高体積側の線ｃが飽和蒸気線である。なお示された線図は公知のランキンサイクルのものと同様である。

状態Ｉから状態ＩＩに変化する過程で、ポンプ５の仕事Ｗｉｎにより、液体の作動流体が断熱的に加圧される。状態ＩＩから状態ＩＩＩに変化する過程で、加圧後の液体作動流体は、蒸発器６において排気ガスからの熱Ｑｉｎを受け等圧的に加熱され、蒸気化する。状態ＩＩＩから状態ＩＶに変化する過程で、蒸気化した作動流体は、膨張機７を回転駆動して仕事Ｗｏｕｔを発生させ、この際に断熱的に膨張し、圧力および温度を低下させる。状態ＩＶから状態Ｉに変化する過程で、仕事を終えた作動流体は、凝縮器８において熱Ｑｏｕｔを奪われ、等圧的に冷却され、液化する。液化した作動流体は、リザーバタンク９内に気液分離されつつ貯留される。

次に、ランキンサイクル３の制御方法について説明する。まず本実施形態を説明する前に、本発明の着想前に想定された比較例について述べる。

図３に示すように、状態ＩＩから状態ＩＩＩへの加熱行程で、初期温度Ｔ２の液体の作動流体は、飽和温度Ｔ２’まで一旦温度上昇し、ここで蒸気化を進行させる。そして全量蒸気化した後には、飽和温度Ｔ２’より高い過熱温度Ｔ３まで温度上昇する。

比較例においては、過熱温度Ｔ３と飽和温度Ｔ２’の差（Ｔ３−Ｔ２’）である過熱度が所定の目標値（例えば２０℃）に近づくよう、ポンプ回転数がフィードバック制御される。例えば過熱度が目標値より大きい場合、ポンプ回転数が上昇される。これにより蒸発器６を流れる作動流体の流量が増大し、過熱温度Ｔ３が低減し、過熱度を目標値に近づけることができる。逆に過熱度が目標値より小さい場合、ポンプ回転数が低下される。これにより蒸発器６を流れる作動流体の流量が減少し、過熱温度Ｔ３が上昇し、過熱度を目標値に近づけることができる。

なお、過熱温度Ｔ３は出口流体温度センサ３３により検出される。飽和温度Ｔ２’については、状態ＩＩにおける作動流体圧力Ｐ２と飽和温度Ｔ２’との関係を規定した所定のマップから、実際の作動流体圧力Ｐ２に対応する飽和温度Ｔ２’が取得される。実際の作動流体圧力Ｐ２は入口流体圧力センサ３２により検出される。

しかし、この比較例の制御はランキンサイクルの作動状態のみに基づいて行われる制御であり、端的に言うと、ランキンサイクルの中だけで完結する制御である。外部の熱源であるエンジン排気ガスの状態、ひいてはエンジンの運転状態を考慮していない。このため、エンジンの運転状態の変化により排気ガスの状態が変化すると、この変化に追従できず、応答遅れ等の制御性悪化が生じる可能性がある。変化が短時間に行われる過渡的変化であれば尚更である。

そこで本実施形態では、排気ガスの状態変化に追従した良好な制御性を得るべく、次のような制御を実行することとしている。概要を述べると、エンジンの運転状態に基づいてエンジンの廃熱量を算出ないし推定し、このエンジン廃熱量に基づいてポンプ吐出流量の目標値を算出ないし設定する。これにより排気ガスの状態を言わば先取り的に入手し、応答遅れが少ない最適なポンプ制御を実現することができる。

図４は、ＥＣＵ１００が実行するメインルーチンのフローチャートである。図示のルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

メインルーチンは、エンジンのイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされたのと同時に開始される。まずステップＳ１０１で、入口排気温度センサ２３により検出された蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎが所定の閾値Ｔｅｘｉｎｔｈ（例えば１８０℃）以上か否かが判断される。Ｔｅｘｉｎ＜Ｔｅｘｉｎｔｈの場合、ステップＳ１０２で後述のサブルーチンにより停止制御が実行される。他方、Ｔｅｘｉｎ≧Ｔｅｘｉｎｔｈの場合、ステップＳ１０３で後述のサブルーチンにより始動制御が実行され、次いでステップＳ１０４で後述のサブルーチンにより運転制御が実行される。

なお、蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎは、入口排気温度センサ２３で検出する代わりに、エンジン運転状態（例えばエンジン回転数およびアクセル開度）に基づいてＥＣＵ１００により推定してもよい。これら検出と推定を総称して取得という。

閾値Ｔｅｘｉｎｔｈは、ランキンサイクル３を適切に運転させるのに十分な廃熱量を得られる蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎの最小値として予め設定され、ＥＣＵ１００に記憶されている。Ｔｅｘｉｎ＜Ｔｅｘｉｎｔｈの場合、十分な廃熱量を得られないとしてランキンサイクル３を停止制御により停止させる。他方、Ｔｅｘｉｎ≧Ｔｅｘｉｎｔｈの場合、十分な廃熱量を得られるとしてランキンサイクル３を始動制御により始動させ、その後運転制御により運転させる。

図５は、ＥＣＵ１００が実行する停止制御のサブルーチンのフローチャートである。ステップＳ２０１でポンプ５が停止（オフ）され、ステップＳ２０２でバイパス弁１１が開弁され、つまりバイパス通路１０側に切り替えられる。そしてステップＳ２０３で入口弁２０３が閉弁される。これにより膨張機７への作動流体の供給が停止され、膨張機７も停止される。

なお、イグニッションスイッチがオフされたときにも停止制御のサブルーチンが強制的に実行される。

図６は、ＥＣＵ１００が実行する始動制御のサブルーチンのフローチャートである。ステップＳ３０１で、後述の始動制御完了フラグＦｓｔがオンか否かが判断される。始動制御完了フラグＦｓｔは、初期状態はオフであり、後述のステップＳ３０９でオンされた時以降オンとなる。また始動制御完了フラグＦｓｔは、イグニッションスイッチがオフされたときにもオフとなる。

始動制御完了フラグＦｓｔがオンの場合、始動制御が完了したとしてルーチンが直ちに終了される。他方、始動制御完了フラグＦｓｔがオフの場合、始動制御が完了してないとしてステップＳ３０２に進む。

ステップＳ３０２ではポンプ５が作動（オン）される。そしてステップＳ３０３で、ポンプ入口流体圧力センサ３５により検出されたポンプ入口流体圧力Ｐｐｕｉｎが所定の閾値Ｐｐｕｉｎｔｈ（例えば０．８ｂａｒ）以上か否かが判断される。

Ｐｐｕｉｎ＜Ｐｐｕｉｎｔｈの場合、ステップＳ３０４でバイパス弁１１が開弁され、ステップＳ３０５で入口弁２０３が閉弁される。

他方、Ｐｐｕｉｎ≧Ｐｐｕｉｎｔｈの場合、ステップＳ３０６でバイパス弁１１が閉弁され、つまり膨張機７側に切り替えられる。そしてステップＳ３０７で、出口流体圧力センサ３４により検出された蒸発器出口流体圧力Ｐｗｆｏｕｔが所定の閾値Ｐｗｆｏｕｔｔｈ（例えば４ｂａｒ）以上か否かが判断される。Ｐｗｆｏｕｔ＜Ｐｗｆｏｕｔｔｈの場合、ステップＳ３０５に進む。他方、Ｐｗｆｏｕｔ≧Ｐｗｆｏｕｔｔｈの場合、ステップＳ３０８に進んで入口弁２０３が開弁され、ステップＳ３０９で始動制御完了フラグＦｓｔがオンされ、ルーチンが終了される。

この始動制御の開始直後は未だ始動制御完了フラグＦｓｔがオフ（Ｓ３０１：ノー）、ポンプ入口流体圧力Ｐｐｕｉｎが閾値Ｐｐｕｉｎｔｈ未満（Ｓ３０３：ノー）なので、バイパス弁開、入口弁閉の状態でポンプ５のみが運転される。このとき作動流体はバイパス通路１０に流され、膨張機７をバイパスされる。

そしてポンプ入口流体圧力Ｐｐｕｉｎが閾値Ｐｐｕｉｎｔｈ以上に達した（Ｓ３０３：イエス）後には、まず最初にバイパス弁１１が閉とされ、膨張機７に向かって作動流体が流される。初期のうちはまだ膨張機７の入口流体圧力、すなわち蒸発器出口流体圧力Ｐｗｆｏｕｔが閾値Ｐｗｆｏｕｔｔｈ未満なので（Ｓ３０７：ノー）、入口弁２０３が閉とされる。その後、蒸発器出口流体圧力Ｐｗｆｏｕｔが閾値Ｐｗｆｏｕｔｔｈ以上に達すると（Ｓ３０７：イエス）、入口弁２０３が開弁され、膨張機７への作動流体の実質的な供給が開始され、膨張機７の運転が開始される。こうなると始動制御は実質的に完了するので、始動制御完了フラグＦｓｔがオンされる。

始動制御完了後は、ステップＳ３０１がイエスとなるので、本サブルーチンが実質的にスキップされる。

この説明から分かるように、閾値Ｐｐｕｉｎｔｈは、ポンプ５が適切に作動流体を供給するのに十分なポンプ入口流体圧力Ｐｐｕｉｎの最小値として予め設定され、ＥＣＵ１００に記憶されている。また閾値Ｐｗｆｏｕｔｔｈは、膨張機７が適切に運転するのに十分な膨張機入口流体圧力すなわち蒸発器出口流体圧力Ｐｗｆｏｕｔの最小値として予め設定され、ＥＣＵ１００に記憶されている。

図７は、ＥＣＵ１００が実行する運転制御のサブルーチンのフローチャートである。この運転制御において、ＥＣＵ１００は概ね次のステップを実行する。

（１）エンジン２の運転状態に基づいてエンジン２の廃熱量を算出する第１ステップ（ステップＳ４０１がこれに相当）。

（２）蒸発器６における作動流体の蒸発熱量を算出する第２ステップ（ステップＳ４０２がこれに相当）。

（３）廃熱量および蒸発熱量に基づきポンプ吐出流量の目標値を算出する第３ステップ（ステップＳ４０３がこれに相当）。

（４）実際のポンプ吐出流量が前記目標値に近づくようポンプ５をフィードバック制御する第４ステップ（ステップＳ４０４，Ｓ４０５がこれに相当）。

より詳細には、ステップＳ４００で始動制御完了フラグＦｓｔがオンか否かが判断される。始動制御完了フラグＦｓｔがオフの場合、ルーチンが直ちに終了され、本サブルーチンが実質的にスキップされる。他方、始動制御完了フラグＦｓｔがオンの場合にはステップＳ４０１に進む。

ステップＳ４０１において、排気ガス熱量Ｑｅｘが前記廃熱量として算出される。そしてステップＳ４０２において、作動流体の比エンタルピ差（流体比エンタルピ差という）Δｈｗｆが前記蒸発熱量として算出される。ここで蒸発熱量とは、蒸発器６において作動流体の蒸発に使用された熱量をいう。ステップＳ４０３において、ポンプ５の吐出流量の目標値（ポンプ流量目標値という）Ｇｗｆｔが算出される。ステップＳ４０４において、ポンプ５の吐出流量の実際値（ポンプ流量実際値という）Ｇｗｆが算出される。ステップＳ４０５において、ポンプ流量目標値Ｇｗｆｔおよびポンプ流量実際値Ｇｗｆに基づき、ポンプ５がフィードバック制御される。以下、Ｓ４０１〜Ｓ４０５の各ステップについて詳細に説明する。

図８は、ステップＳ４０１においてＥＣＵ１００が実行するサブルーチンのフローチャートである。まずステップＳ５０１において、ＥＣＵ１００は、エンジンの運転状態に基づいて排気ガスの流量（排気流量という）Ｇｅｘを算出する。この際、図９に示すような排気流量マップＭ１が用いられる。

排気流量マップＭ１は、実機試験等を通じて予め作成されＥＣＵ１００に記憶されている。排気流量マップＭ１においては、エンジン運転状態を表すパラメータであるエンジン回転数ＮＥおよびエンジントルクＴＲＱと、排気流量Ｇｅｘとの関係が規定されている。ＥＣＵ１００は、エンジン回転センサ２１により検出された実際のエンジン回転数ＮＥと、以下の方法で算出された実際のエンジントルクＴＲＱとに対応した排気流量Ｇｅｘを、排気流量マップＭ１から取得する。エンジン回転数ＮＥが高いほど、またエンジントルクＴＲＱが大きいほど、大きい排気流量Ｇｅｘが算出される。

実際のエンジントルクＴＲＱの算出について、ＥＣＵ１００は、実際のエンジン回転数と、アクセル開度センサ２２により検出された実際のアクセル開度とに基づき、図示しない噴射量マップを参照して、筒内に噴射すべき燃料噴射量の目標値である目標燃料噴射量を算出する。そして実際のエンジン回転数と、算出された目標燃料噴射量とに基づき、図示しないトルクマップを参照して実際のエンジントルクＴＲＱを算出する。

次に、ステップＳ５０２において、ＥＣＵ１００は、排気ガスの比熱（排気比熱という）Ｃｅｘを算出する。この際、図１０に示すような排気比熱マップＭ２が用いられる。

排気比熱マップＭ２も、実機試験等を通じて予め作成されＥＣＵ１００に記憶されている。排気比熱マップＭ２においては、蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎおよび蒸発器入口排気圧力Ｐｅｘｉｎと、排気比熱Ｃｅｘとの関係が規定されている。ＥＣＵ１００は、入口排気温度センサ２３により検出された実際の蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎと、入口排気圧力センサ２４により検出された実際の蒸発器入口排気圧力Ｐｅｘｉｎとに対応した排気比熱Ｃｅｘを、排気比熱マップＭ２から取得する。蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎが高いほど、また蒸発器入口排気圧力Ｐｅｘｉｎが高いほど、大きい排気比熱Ｃｅｘが算出される。

次に、ステップＳ５０３において、ＥＣＵ１００は、蒸発器６の入口側および出口側の間における排気ガスの温度差ΔＴｅｘを式：ΔＴｅｘ＝Ｔｅｘｉｎ−Ｔｅｘｏｕｔから算出する。ここでＴｅｘｏｕｔは、出口排気温度センサ２５により検出された実際の蒸発器出口排気温度である。

次いでステップＳ５０４において、ＥＣＵ１００は、排気ガス熱量Ｑｅｘを式：Ｑｅｘ＝Ｃｅｘ・ΔＴｅｘ・Ｇｅｘから算出する。こうして、現状のエンジン運転状態に対応し且つ作動流体に供給し得る排気ガスの熱量を、好適に且つ精度良く算出することができる。

図１１は、ステップＳ４０２においてＥＣＵ１００が実行するサブルーチンのフローチャートである。まずステップＳ６０１において、ＥＣＵ１００は、蒸発器６の入口側における作動流体の比エンタルピ（流体入口比エンタルピという）ｈｗｆｉｎを算出する。この際、図１２に示すような比エンタルピマップＭ３が用いられる。

比エンタルピマップＭ３も、実機試験等を通じて予め作成されＥＣＵ１００に記憶されている。比エンタルピマップＭ３においては、蒸発器６の入口側または出口側における作動流体の温度Ｔｗｆおよび圧力Ｐｗｆと、比エンタルピｈｗｆとの関係が規定されている。ＥＣＵ１００は、入口流体温度センサ３１により検出された実際の蒸発器入口流体温度Ｔｗｆｉｎと、入口流体圧力センサ３２により検出された実際の蒸発器入口流体圧力Ｐｗｆｉｎとに対応した流体入口比エンタルピｈｗｆｉｎを、比エンタルピマップＭ３から取得する。ここで作動流体の温度Ｔｗｆが高いほど、また作動流体の圧力Ｐｗｆが高いほど、大きい比エンタルピｈｗｆが算出される。

次いでステップＳ６０２において、ＥＣＵ１００は、蒸発器６の出口側における作動流体の比エンタルピ（流体出口比エンタルピという）ｈｗｆｏｕｔを算出する。この際にも図１２に示す比エンタルピマップＭ３が用いられる。

ＥＣＵ１００は、出口流体温度センサ３３により検出された実際の蒸発器出口流体温度Ｔｗｆｏｕｔと、出口流体圧力センサ３４により検出された実際の蒸発器出口流体圧力Ｐｗｆｏｕｔとに対応した流体出口比エンタルピｈｗｆｏｕｔを、比エンタルピマップＭ３から取得する。

次いでステップＳ６０３において、ＥＣＵ１００は、流体入口比エンタルピｈｗｆｉｎと流体出口比エンタルピｈｗｆｏｕｔとの差である流体比エンタルピ差Δｈｗｆを式：Δｈｗｆ＝ｈｗｆｏｕｔ−ｈｗｆｉｎから算出する。つまりＥＣＵ１００は、流体出口比エンタルピｈｗｆｏｕｔから流体入口比エンタルピｈｗｆｉｎを減算することにより流体比エンタルピ差Δｈｗｆを算出する。

こうして、蒸発器６における作動流体の現状の蒸発熱量を比エンタルピ差Δｈｗｆとして好適に且つ精度良く算出することができる。特に、蒸発器６における作動流体の状態変化は、液体から気体への相変化を伴う。このため、作動流体の状態量として比エンタルピを用いることで、相変化をも考慮した作動流体の状態量を正確に表すことができる。よって、蒸発器６の入口側および出口側の間における流体比エンタルピ差Δｈｗｆを求めることで、作動流体の蒸発に現に使用されている熱量を好適かつ高精度に求めることができる。

なお、蒸発器６が比較的高性能である場合、蒸発器入口流体温度Ｔｗｆｉｎと蒸発器出口排気温度Ｔｅｘｏｕｔはほぼ等しくなり、蒸発器出口流体温度Ｔｗｆｏｕｔと蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎはほぼ等しくなる。このため、少なくとも比エンタルピ差Δｈｗｆの算出に関しては、蒸発器入口流体温度Ｔｗｆｉｎを蒸発器出口排気温度Ｔｅｘｏｕｔで代用することと、蒸発器出口流体温度Ｔｗｆｏｕｔを蒸発器入口排気温度Ｔｅｘｉｎで代用することとの少なくとも一方が可能であるし、逆もまた可能である。こうした代用を行うことによりセンサを省略でき、シンプル化および低コスト化が図れる。

次に、図７のステップＳ４０３について説明する。ステップＳ４０３において、ＥＣＵ１００は、ポンプ流量目標値Ｇｗｆｔを式：Ｇｗｆｔ＝Ｑｅｘ／Δｈｗｆから算出する。すなわちＥＣＵ１００は、図８のステップＳ５０４で算出された排気ガス熱量Ｑｅｘを、図１１のステップＳ６０３で算出された比エンタルピ差Δｈｗｆで除算することにより、ポンプ流量目標値Ｇｗｆｔを算出する。

排気ガス熱量ＱｅｘはＷ＝Ｊ／ｓの単位を有し、比エンタルピ差ΔｈｗｆはＪ／ｋｇの単位を有する。前者を後者で除算するとｋｇ／ｓの単位を有する値が求められる。これは、現状の蒸発熱量（比エンタルピ差Δｈｗｆ）の条件下で、エンジン廃熱量（排気ガス熱量Ｑｅｘ）を最大限利用し得るポンプ５の吐出流量にほかならない。従ってこの値をポンプ流量目標値Ｇｗｆｔとすることにより、エンジン廃熱量を最大限利用し、蒸発器６を極めて高効率で働かせることができる。

次に、図７のステップＳ４０４，Ｓ４０５について説明する。ステップＳ４０４において、ＥＣＵ１００は、ポンプ流量実際値Ｇｗｆを算出する。この際、ＥＣＵ１００は、図示しない所定のマップから、ポンプ回転センサ３６により検出された実際のポンプ回転数Ｎｐｕに対応するポンプ吐出流量を、ポンプ流量実際値Ｇｗｆとして算出する。

次いでステップＳ４０５において、ＥＣＵ１００は、ポンプ流量目標値Ｇｗｆｔとポンプ流量実際値Ｇｗｆの差に基づき、好ましくはＰＩＤ制御により、ポンプ回転数をフィードバック制御する。すなわちＥＣＵ１００は、ポンプ流量実際値Ｇｗｆがポンプ流量目標値Ｇｗｆｔより低い場合、その差に所定のゲインを乗じた値だけ、ポンプ回転数を上昇させ、ポンプ流量実際値Ｇｗｆをポンプ流量目標値Ｇｗｆｔに向けて増大させるようにする。逆にＥＣＵ１００は、ポンプ流量実際値Ｇｗｆがポンプ流量目標値Ｇｗｆｔより高い場合、その差に所定のゲインを乗じた値だけ、ポンプ回転数を低下させ、ポンプ流量実際値Ｇｗｆをポンプ流量目標値Ｇｗｆｔに向けて減少させるようにする。

これにより、ポンプ５の吐出流量をエンジン廃熱量に応じた最適値に制御でき、ランキンサイクル３の作動効率を向上することができる。

以上述べたように本実施形態によれば、エンジンの廃熱量をも考慮してポンプ吐出流量の目標値を設定する。このため、エンジンの運転状態が変化し、熱源としての排気ガスの状態が変化しても、この変化に即応して実際のポンプ吐出流量を最適な値に制御できる。このため、応答遅れを大幅に抑制し、熱源状態の変化に追従した良好な制御性を得ることができる。

また本実施形態には次の利点もある。すなわち、比エンタルピ差Δｈｗｆを蒸発熱量として算出するので、作動流体の相変化をも考慮して正確な蒸発熱量を算出できる。

排気流量Ｇｅｘ、排気比熱Ｃｅｘおよび排気温度差ΔＴｅｘに基づき排気ガス熱量Ｑｅｘを廃熱量として算出するので、現状のエンジン運転状態に対応し且つ作動流体に供給し得る排気ガスの熱量を、好適に且つ精度良く算出することができる。

排気ガス熱量Ｑｅｘを比エンタルピ差Δｈｗｆで除算することによりポンプ流量目標値Ｇｗｆｔを算出するので、廃熱量を最大限利用し得るポンプ流量目標値Ｇｗｆｔを算出でき、蒸発器６を極めて高効率で働かせることができる。

作動流体の温度Ｔｗｆ、圧力Ｐｗｆおよび比エンタルピｈｗｆの関係を規定したマップＭ３を用いて流体入口比エンタルピｈｗｆｉｎと流体出口比エンタルピｈｗｆｏｕｔを算出するので、容易且つ高精度に両方の比エンタルピを算出することができる。

流体出口比エンタルピｈｗｆｏｕｔから流体入口比エンタルピｈｗｆｉｎを減算することにより比エンタルピ差Δｈｗｆを算出するので、蒸発熱量を好適に且つ精度良く算出することができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は次のような他の実施形態も可能である。なお前述の基本実施形態と同様の部分については説明を割愛し、相違点を中心に説明する。

（１）前述の基本実施形態では、蒸発器６の入口側における作動流体の温度（蒸発器入口流体温度Ｔｗｆｉｎ）を入口流体温度センサ３１により直接検出した。一方、図３に示すように、状態Ｉから状態ＩＩに変化するとき、作動流体の温度変化は実際上は極少ない（図３では誇張して描かれている）。このため、蒸発器入口流体温度として、ポンプ５の入口側における作動流体の温度を代用してもよい。このとき、凝縮器８の出口側における作動流体の温度が一定であり、あるいは一定値に制御されている場合がある。この場合、かかる温度を蒸発器入口流体温度として使用してもよい。こうすると、入口流体温度センサ３１を省略でき、シンプル化および低コスト化が図れる。

（２）リザーバタンク９を省略し、凝縮器８からポンプ５に作動流体を直接送る構成としてもよい。

（３）バイパス弁１１は、バイパス通路１０を単に開閉する二方電磁弁から形成してもよい。

（４）エンジン２はターボ過給機を備えたエンジンであってもよい。この場合、ターボ過給機のタービンの下流側において、排気ガスを蒸発器６に供給するよう構成することができる。

前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ ランキンサイクルシステム
２ 内燃機関
３ ランキンサイクル
４ 循環通路
５ ポンプ
６ 蒸発器
７ 膨張機
８ 凝縮器
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (6)

1. 車両に搭載された内燃機関の排気ガスの熱を利用して動力を発生するランキンサイクルであって、作動流体が流通される循環通路と、前記循環通路に配置されたポンプ、蒸発器、膨張機および凝縮器とを有するランキンサイクルと、
   前記ポンプを制御する制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記内燃機関の廃熱量を算出する第１ステップと、
   前記蒸発器における作動流体の蒸発熱量を算出する第２ステップと、
   前記廃熱量および前記蒸発熱量に基づきポンプ吐出流量の目標値を算出する第３ステップと、
   実際のポンプ吐出流量が前記目標値に近づくよう前記ポンプをフィードバック制御する第４ステップと、
   を実行するように構成されている
   ことを特徴とするランキンサイクルシステム。
2. 前記制御ユニットは、前記第２ステップにおいて、前記蒸発器の入口側および出口側における作動流体の比エンタルピをそれぞれ算出し、これら入口側および出口側比エンタルピの差を前記蒸発熱量として算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記制御ユニットは、前記第１ステップにおいて、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの流量と、排気ガスの比熱と、前記蒸発器の入口側および出口側の間における排気ガスの温度差とを算出し、これら流量、比熱および温度差に基づき排気ガス熱量を前記廃熱量として算出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記制御ユニットは、前記第１ステップにおいて、前記内燃機関の運転状態に基づいて排気ガスの流量と、排気ガスの比熱と、前記蒸発器の入口側および出口側の間における排気ガスの温度差とを算出し、これら流量、比熱および温度差に基づき排気ガス熱量を前記廃熱量として算出し、
   前記制御ユニットは、前記第３ステップにおいて、前記排気ガス熱量を、前記入口側および出口側比エンタルピの差で除算することにより、前記ポンプ吐出流量の目標値を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記制御ユニットは、前記第２ステップにおいて、作動流体の温度、圧力および比エンタルピの関係を規定した所定のマップを用いて、前記入口側および出口側比エンタルピを算出する
   ことを特徴とする請求項２または４に記載のランキンサイクルシステム。
6. 前記制御ユニットは、前記第２ステップにおいて、前記出口側比エンタルピから前記入口側比エンタルピを減算することにより前記入口側および出口側比エンタルピの差を算出する
   ことを特徴とする請求項２，４，５のいずれか一項に記載のランキンサイクルシステム。

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