JP6156410B2 - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムに係り、特に内燃機関の廃熱を利用するランキンサイクルシステムに関する。

従来、例えば特開２０１０−２４２５１８号公報には、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する技術が開示されている。この廃熱回収装置は、エンジン本体の廃熱を回収する冷媒を作動流体とするランキンサイクルシステムとして作動するものであり、内部を通過する冷媒が廃熱を回収して蒸気状態となるウォータジャケットと、蒸気状態の冷媒から動力を回収するタービンと、タービンにおいて得られる動力をクランクシャフトへ変速可能に伝達する変速機と、により構成されている。そして、タービンにより回収された動力は、エンジンの補助動力として利用される。

特開２０１０−２４２５１８号公報 特開２０１３−２３４６６２号公報

上述した従来の技術では、タービン回転速度が、ランキンサイクルシステムが安全に運転し得る領域ではないと判断された場合に、変速機に設けられたクラッチを切断しクランクシャフトと回転軸とを切り離すことが行われる。しかしながら、タービンはクラッチを切断した後も惰性で回転する。このため、タービン回転速度が上昇している過程でクラッチを切断した場合においては、切断後も惰性によってタービン回転速度が上昇し過回転となるおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、タービンの回転を内燃機関の出力軸に伝達させるランキンサイクルシステムにおいて、タービンの過回転を抑制することのできるランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ランキンサイクルシステムであって、
内燃機関の廃熱により液相冷媒を沸騰させて気相冷媒に変化させる沸騰器と、
前記沸騰器から排出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相冷媒の供給を受けて回転するタービンと、
前記タービンを通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、
前記タービンと前記凝縮器との間に設けられた制御弁と、
前記タービンの回転を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達経路と、
前記動力伝達経路を連結又は遮断させるクラッチ装置と、
前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断される場合に、前記制御弁を閉じ方向に動作させるように構成された制御装置と、
前記沸騰器と前記過熱器の間から分岐して前記制御弁と前記凝縮器の間に合流するバイパス経路と、
前記バイパス経路に設けられたバイパス弁と、を備え、
前記制御装置は、前記制御弁を閉じ方向に動作させる場合に、前記バイパス弁を開くように構成されていることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記クラッチ装置は、前記内燃機関の機関回転速度が機関回転速度閾値を超えた場合に前記動力伝達経路が遮断されるように構成されていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記タービンの回転速度を取得するタービン回転速度取得装置を備え、
前記制御装置は、前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断された場合に、前記タービンの回転速度がタービン回転速度閾値に近づくように前記制御弁の開度を調整するように構成されていることを特徴としている。

第４の発明は、上記の目的を達成するため、ランキンサイクルシステムであって、
内燃機関の廃熱により液相冷媒を沸騰させて気相冷媒に変化させる沸騰器と、
前記沸騰器から排出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相冷媒の供給を受けて回転するタービンと、
前記タービンを通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、
前記タービンと前記凝縮器との間に設けられた制御弁と、
前記タービンの回転を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達経路と、
前記動力伝達経路を連結又は遮断させるクラッチ装置と、
前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断される場合に、前記制御弁を閉じ方向に動作させるように構成された制御装置と、
前記タービンの入口側の気相冷媒の蒸気圧である入口圧力を取得する入口圧力取得装置と、
前記タービンの出口側の気相冷媒の蒸気圧である出口圧力を取得する出口圧力取得装置と、を備え、
前記制御装置は、前記入口圧力と前記出口圧力とから前記タービンの出力を算出し、前記出口圧力から前記タービンの翼による流体摩擦抵抗を算出し、前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断された場合に前記タービンの出力に対する前記流体摩擦抵抗の割合が所定の目標割合に近づくように前記制御弁を操作するように構成されていることを特徴としている。
第５の発明は、第４の発明において、
前記クラッチ装置は、前記内燃機関の機関回転速度が機関回転速度閾値を超えた場合に前記動力伝達経路が遮断されるように構成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、ランキンサイクルシステムのタービンと凝縮器との間に制御弁が設けられている。そして、制御弁は、クラッチ装置の作用によって動力伝達回路が遮断される場合に閉じ方向に動作される。制御弁が閉じ方向に動作されるとタービン内の蒸気密度が高くなり、これによりタービンの回転抵抗が大きくなる。このため、本発明によれば、クラッチ装置の作用によって動力伝達回路が遮断される場合にタービンの過回転を有効の抑制することが可能となる。
また、第１の発明によれば、バイパス弁制御装置は、制御弁を閉じ方向に動作させる場合にバイパス弁が開くように構成されている。このため、本発明によれば、タービンへ導入される蒸気をバイパス弁を介して逃すことができるので、タービン入口側の蒸気圧の過度の上昇を有効に抑制することが可能となる。

第２又は第５の発明によれば、クラッチ装置は、内燃機関の機関回転速度が機関回転速度閾値を超えた場合に動力伝達経路が遮断されるように構成されている。このため、本発明によれば、タービン回転速度が機関回転速度閾値に対応するタービン回転速度よりも高くなることを防ぐことができる。

第３の発明によれば、バイパス弁制御装置は、制御弁を閉じ方向に動作させる場合にバイパス弁が開くように構成されている。このため、本発明によれば、タービンへ導入される蒸気をバイパス弁を介して逃すことができるので、タービン入口側の蒸気圧の過度の上昇を有効に抑制することが可能となる。

第３の発明によれば、動力伝達回路が遮断される場合に、タービンの回転速度がタービン回転速度閾値に近づくように当該制御弁の開度が調整される。このため、本発明によれば、タービンの過回転を抑制するとともに、動力伝達経路を連結する場合に備えてタービン回転速度を高めておくことが可能となる。

第４の発明によれば、ランキンサイクルシステムのタービンと凝縮器との間に制御弁が設けられている。そして、制御弁は、クラッチ装置の作用によって動力伝達回路が遮断される場合に閉じ方向に動作される。制御弁が閉じ方向に動作されるとタービン内の蒸気密度が高くなり、これによりタービンの回転抵抗が大きくなる。このため、本発明によれば、クラッチ装置の作用によって動力伝達回路が遮断される場合にタービンの過回転を有効の抑制することが可能となる。
また、第４の発明によれば、タービン入口側の気相冷媒の蒸気圧である入口側蒸気圧と、タービン出口側の気相冷媒の蒸気圧である出口側蒸気圧とが取得される。そして、取得された入口側蒸気圧と出口側蒸気圧に基づいてタービン出力が算出され、また出口側蒸気圧に基づいてタービンの翼による流体摩擦抵抗が算出される。そして、算出されたタービン出力に対する流体摩擦抵抗の割合が所定の目標割合に近づくように制御弁の開度が制御される。タービン出力と流体摩擦抵抗とが釣り合った状態ではタービン回転速度が一定に維持される。このため、本発明によれば、タービンの過回転を抑制するとともに、動力伝達経路のスムーズな再連結に備えてタービン回転速度を高めておくことが可能となる。

本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムが組み込まれた内燃機関を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１で実行される制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステムが組み込まれた内燃機関を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２で実行される制御の前半部を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２で実行される制御の後半部を示すフローチャートである。 タービンの出力特性を示すＰ−Ｖ線図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムが組み込まれた内燃機関を模式的に示す図である。ランキンサイクルシステム１００は、内燃機関（以下、「エンジン」とも称する）１０の内部に形成された冷媒通路１２を備えている。冷媒通路１２は、エンジン１０のシリンダブロックやシリンダヘッドに形成されたウォータジャケットを含んでいる。冷媒通路１２には、水温センサ１２１が装着されている。エンジン１０は、この冷媒通路１２内を流通する冷媒をエンジン１０の熱により沸騰させてその一部を蒸発させることにより冷却される。つまり、冷媒通路１２はエンジン１０の廃熱により冷媒を沸騰させて液相冷媒から気相冷媒へと変化させる沸騰器として機能する。なお、冷媒通路１２は、エンジン１０の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。また、冷媒通路１２に流通させる冷媒は、エンジン１０からの受熱によって沸騰するものであれば、その種類は特に限定されない。

冷媒通路１２には第１気相冷媒経路１４が接続されている。第１気相冷媒経路１４は、冷媒通路１２においてエンジン１０の廃熱を受熱した冷媒をエンジン１０の外部へと導出するための経路であり、高温及び高圧に耐えうる管またはホースによって構成されている。第１気相冷媒経路１４には、エンジン１０に近い側から順に、気液分離器１６、過熱器１８、タービン２０、及びタービン出口弁２２が配置されている。そして、第１気相冷媒経路１４の端部には、凝縮器としてのコンデンサ２４が接続されている。

気液分離器１６は、エンジン１０内の冷媒通路１２から導出された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するためのものである。気液分離器１６で分離された気相冷媒は第１気相冷媒経路１４の更に下流側に設けられた過熱器１８へと送られる。一方、気液分離器１６で分離された液相冷媒は、気液分離器１６内に貯留される。気液分離器１６の下端には、第１液相冷媒経路２６が接続されている。第１液相冷媒経路２６は、エンジン１０の内部の冷媒通路１２に接続されている。第１液相冷媒経路２６には、第１ウォータポンプ２８が設けられている。第１ウォータポンプ２８は、エンジン１０が備えるクランク軸を駆動源とする機械式のポンプとして構成されている。なお、第１ウォータポンプ２８は、電動式の遠心型ポンプを採用することもできる。第１ウォータポンプ２８が稼動すると、気液分離器１６内に貯留されていた液相冷媒の一部が第１液相冷媒経路２６を介して冷媒通路１２へと送られる。なお、気液分離器１６には液面センサ１６１が設けられている。液面センサ１６１は、気液分離器１６内に貯留された液相冷媒の過不足を監視するためのものである。

また、ランキンサイクルシステム１００は、排気熱蒸気発生器３０を備えている。排気熱蒸気発生器３０は、エンジン１０の排気経路８の途中に配置されている。排気熱蒸気発生器３０には、気液分離器１６の下端に接続された第２液相冷媒経路３２を介して液相冷媒が導入される。導入された液相冷媒は、排気経路８中の排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。つまり、排気熱蒸気発生器３０は、エンジン１０の廃熱により冷媒を沸騰させて液相冷媒から気相冷媒へと変化させる沸騰器として機能する。蒸気となった気相冷媒は、第２気相冷媒経路３４を介して導出されて、再び気液分離器１６へと戻される。

過熱器１８は、排気熱蒸気発生器３０の上流側の排気経路８（図１中の（ａ）の部位）に配置されている。第１気相冷媒経路１４から過熱器１８内へ導入された気相冷媒は、排気経路８中の排気ガスとの熱交換によって更に過熱されて過熱蒸気となる。過熱蒸気は、第１気相冷媒経路１４の更に下流のタービン２０に導入される。タービン２０は、第１気相冷媒経路１４から導入される過熱蒸気を減圧するタービンノズル２０１と、複数のタービン翼２０２が固定されたタービン回転軸２０３とを含んで構成されている。タービン２０に導入された過熱蒸気はタービンノズル２０１において減圧されてタービン翼２０２に噴きつけられる。過熱蒸気がタービン翼２０２に噴きつけられることにより、タービン回転軸２０３が回転する。

タービン２０のタービン回転軸２０３は、減速機等の動力伝達経路３６を介してエンジン１０の出力軸としてのクランク軸３８に接続されている。また、動力伝達経路３６の途中には、当該動力伝達経路３６を連結又は遮断させるためのクラッチ装置４０が設けられている。クラッチ装置４０は、電気的な信号によって動力伝達経路３６を連結又は遮断させることが可能な電磁クラッチとして構成されている。また、ランキンサイクルシステムには、タービン回転軸２０３の回転速度Ntを検出するためのタービン回転センサ７２、及びクランク軸３８の回転速度Neを検出するためのクランク角センサ７４が設けられている。

タービン出口弁２２は、タービン２０とコンデンサ２４との間において第１気相冷媒経路１４の開度を調整する制御弁として機能するものである。タービン出口弁２２を閉じ側に制御すると、これに伴いタービン２０内の蒸気密度を上昇させることができる。

コンデンサ２４は、タービン２０を通過した気相冷媒を凝縮して液相冷媒に戻す凝縮器として機能する。コンデンサ２４の下端には第３液相冷媒経路４２の一端が接続されている。第３液相冷媒経路４２には、コンデンサ２４に近い側から順にキャッチタンク４４、第２ウォータポンプ４６、及び第１開閉弁４８が配置されている。そして、第３液相冷媒経路４２の端部は、気液分離器１６の下端に接続されている。

第１気相冷媒経路１４を経由してタービン２０からコンデンサ２４に導入された気相冷媒は、コンデンサ２４において凝縮されて液相冷媒に戻り、キャッチタンク４４に一時的に貯留される。第２ウォータポンプ４６は、キャッチタンク４４に貯留された液相冷媒を第３液相冷媒経路４２を介して気液分離器１６へ送るための電動式のポンプである。第２ウォータポンプ４６の駆動は、液面センサ１６１の出力信号に基づいて、気液分離器１６内に貯留された液相冷媒に過不足が生じないように制御される。また、第１開閉弁４８は、第２ウォータポンプ４６の駆動のＯＮ・ＯＦＦに対応して開閉される弁である。第２ウォータポンプ４６が停止している期間に第１開閉弁４８が閉弁されることにより、液相冷媒のキャッチタンク４４の側への逆流が防止される。

キャッチタンク４４の下端は、第４液相冷媒経路５０を経由してリザーブタンク５２の下端に接続されている。第４液相冷媒経路５０の途中には第２開閉弁５４が設けられている。なお、リザーブタンク５２の上端には端部が大気開放された上部管５６が接続されている。

また、ランキンサイクルシステム１００は、気液分離器１６の上端と第１気相冷媒経路１４におけるタービン出口弁２２とコンデンサ２４との間を接続するバイパス経路５８を備えている。バイパス経路５８には、気液分離器１６に近い側から順に、バイパス弁６０とバイパスノズル６２とが設けられている。バイパス弁６０が開弁されると気液分離器１６内の気相冷媒がバイパスノズル６２に導入される。導入された気相冷媒は、バイパスノズル６２を通過する際に減圧された上でコンデンサ２４に導入される。これにより、第１気相冷媒経路１４におけるタービン２０の入口側の蒸気圧が減圧される。なお、バイパス経路５８は、第１気相冷媒経路１４から過熱器１８、タービン２０、及びタービン出口弁２２をバイパスする経路であればよく、必ずしも気液分離器１６の上端に接続される必要はない。つまり、バイパス経路５８は、第１気相冷媒経路１４における冷媒通路１２と過熱器１８との間から分岐してタービン出口弁２２とコンデンサ２４の間に合流する経路として構成されていればよい。

さらに、ランキンサイクルシステム１００は制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、ランキンサイクルシステム１００もしくはこれを搭載するエンジン１０に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、ランキンサイクルシステム１００が備える各種アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ７０が信号を取り込むセンサには、上述したタービン回転センサ７２、水温センサ１２１、及び液面センサ１６１に加え、クランク角センサ７４等のエンジン運転状態を取得するための各種センサが含まれる。ＥＣＵ７０が操作信号を出すアクチュエータには、上述したタービン出口弁２２、バイパス弁６０、第１開閉弁４８、第２開閉弁５４、クラッチ装置４０、第１ウォータポンプ２８、及び第２ウォータポンプ４６に加え、エンジン１０の運転を制御するための各種アクチュエータが含まれる。メモリには、各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。

［実施の形態１の動作］
次に、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００を備えるエンジン１０の基本的な動作について説明する。なお、図１において、液相冷媒の流れは太実線で表され、気相冷媒（蒸気）は太破線で表されている。

実施の形態１のランキンサイクルシステム１００は、エンジン１０の廃熱によるエネルギをタービン２０の回転エネルギとして回収し、エンジン１０の出力軸の回転を補助するものである。先ず、ランキンサイクルシステム１００において実現されるランキンサイクルについて説明する。冷媒通路１２及び排気熱蒸気発生器３０は、エンジン１０の廃熱を受け取って液相冷媒を沸騰させる沸騰器として機能する。液相冷媒が沸騰すると、液相冷媒の一部が気相冷媒（蒸気）に変化する。冷媒通路１２において発生した気相冷媒は、第１気相冷媒経路１４を経由して気液分離器１６へと導入される。また、排気熱蒸気発生器３０において発生した気相冷媒は、第２気相冷媒経路３４を経由して気液分離器１６へと導入される。気液分離器１６内の気相冷媒は、第１気相冷媒経路１４を経由して過熱器１８へ導入される。気相冷媒は、過熱器１８を通過する過程でエンジン１０の排気熱を更に受け取ることにより、より高温高圧の過熱蒸気へと変化する。過熱器１８を通過した過熱蒸気は、第１気相冷媒経路１４を経由してタービン２０へ導入される。

タービン２０では、導入された過熱蒸気がタービンノズル２０１によって減圧されて膨張した後タービン翼２０２へと噴きつけられる。これにより、過熱蒸気の熱エネルギがタービン２０の回転運動として取り出される。タービン２０を通過した低圧の気相冷媒は第１気相冷媒経路１４を経由してコンデンサ２４へと導入される。導入された気相冷媒はコンデンサ２４内で冷却されて液相冷媒へと変化し、第３液相冷媒経路４２を経由してキャッチタンク４４へと一次的に貯留される。そして、液面センサ１６１によって気液分離器１６内の液相冷媒の不足が検出された場合に、第２ウォータポンプ４６が駆動されて、キャッチタンク４４内の液相冷媒が第３液相冷媒経路４２を介して気液分離器１６内へと導入される。

このように、ランキンサイクルシステム１００によってランキンサイクルが実現されると、エンジン１０の廃熱がタービン２０の回転エネルギに変換される。タービン回転軸２０３は動力伝達経路３６及びクラッチ装置４０を介してクランク軸３８に連結されている。このため、タービン２０の回転エネルギは、クラッチ装置４０を連結することによりクランク軸３８の回転に直接的に利用される。これにより、システム全体のエネルギ効率を高めることができるので、燃費の向上が期待できる。

次に、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の特徴的動作について説明する。タービン効率の高いタービン回転速度は数万ｒｐｍ／ｍｉｎ．であるため、動力伝達経路３６が備える減速機は、エンジン回転速度の実用域においてタービン２０の効率が高くなるように、その減速比Rが設定されている。このため、エンジン１０の回転速度が実用上用いられることが稀な高回転域の速度となると、タービン２０の回転速度が過剰となりタービンの耐久性や騒音振動等が問題となる。そこで、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、エンジン１０の回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemaxよりも高くなった場合に、クラッチ装置４０を切り離して動力伝達経路３６を遮断することが行われる。

しかしながら、クラッチ装置４０の切り離し操作によって動力伝達経路３６が遮断されたとしても、タービン２０の過回転が確実に防止されるとは限らない。すなわち、エンジン回転速度Neが急激に上昇して実用上限エンジン回転速度Nemaxに到達したような場合においては、動力伝達経路３６が遮断された後もタービン２０の回転加速度によってタービン回転速度が上昇することがある。このような場合には、タービン２０が過回転となるおそれがある。

そこで、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、タービン２０の出口側にタービン出口弁２２を配置し、クラッチ装置４０が切断されて動力伝達経路３６が遮断される場合にタービン出口弁２２を閉じることとしている。タービン出口弁２２が閉弁されると、タービン２０内の蒸気密度が上昇するためタービン翼２０２への流体摩擦抵抗が急増する。このため、クラッチ装置４０の切断とともにタービン出口弁２２を閉じることとすれば、タービン回転速度を確実に低下させて過回転を抑制することができる。

なお、クラッチ装置４０を切断してタービン出口弁２２を閉弁している間に過熱器１８から過熱蒸気が供給され続けると、タービン２０の入口側の蒸気圧が上昇してしまう。そこで、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、クラッチ装置４０を切断した場合に、タービン出口弁２２を閉弁するとともにバイパス弁６０を開くことが行われる。バイパス弁６０が開弁されると、気液分離器１６内の気相冷媒がバイパス経路５８を通過してバイパスノズル６２へと導入される。気相冷媒は、バイパスノズル６２を通過する際に減圧されてタービン出口弁２２とコンデンサ２４との間の第１気相冷媒経路１４に導入される。つまり、バイパス弁６０が開弁されると、気液分離器１６内の気相冷媒が過熱器１８、タービン２０、及びタービン出口弁２２をバイパスしてコンデンサ２４に導入される。これにより、タービン２０の入口側の蒸気圧を有効に逃すことができる。

また、上述したように、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、エンジン回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemaxを超えた場合にクラッチ装置４０の切断及びタービン出口弁２２の閉弁が行われる。タービン出口弁２２が閉じている期間は、タービン２０の内部の蒸気密度が上昇し、これに伴いタービン回転速度Ntが低下する。タービン回転速度Ntが極低速まで低下してしまうと、その後エンジン回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemaxまで低下してクラッチ装置４０を再び連結する場合にクラッチ装置４０をスムーズに連結することができず、エンジン回転を有効に補助することができないおそれがある。

そこで、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、クラッチ装置４０を切断した場合に、タービン出口弁２２の開度に基づいてタービン回転速度Ntを制御することとしている。より詳しくは、クラッチ装置４０を切断する場合には、タービン２０の過回転を抑制する必要があるため、タービン出口弁２２が一旦全閉される。そして、その後タービン回転速度Ntをタービン回転センサ７２の信号から検出し、検出されたタービン回転速度Ntが所定の実用上限タービン回転速度Ntmaxに近づくように、タービン出口弁２２の開度がフィードバック制御される。なお、実用上限タービン回転速度Ntmaxは、エンジン回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemaxである状態でクラッチ装置４０が連結された場合のタービン回転速度である。このような制御によれば、クラッチ装置４０が切り離されている期間のタービン回転速度Ntが実用上限タービン回転速度Ntmaxに制御されるため、エンジン回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemaxまで低下した場合にクラッチ装置４０をスムーズに連結することが可能となる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、実施の形態１のランキンサイクルシステムにおいて実行される制御の具体的処理について説明する。図２は、実施の形態１でＥＣＵ７０により実行される制御を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートは、エンジン１０が始動された場合にＥＣＵ７０がタービン出口弁２２、クラッチ装置４０及びバイパス弁６０を制御する一連の処理を単一のフローチャートにまとめて表したものであり、ＥＣＵ７０において実行される制御ルーチンそのものを表したものではない。

図２に示すフローチャートでは、先ずエンジン１０が始動されると、バイパス弁６０とタービン出口弁２２が閉弁されるとともに、クラッチ装置４０が切り離される（ステップＳ１）。次に、水温センサ１２１によって検出されたエンジン冷却水（冷媒）の水温Teが所定の暖機温度Teth以下か否かが判定される（ステップＳ２）。暖機温度Tethは、エンジン１０の暖機が完了するエンジン水温として予め設定された値が読み込まれる。その結果、Te≧Tethの成立が認められない場合には、未だエンジン暖機が完了していないと判断されて、ステップＳ１へ移行する。

一方、上記ステップＳ２においてTe≧Tethの成立が認められた場合には、エンジン暖機が完了したため冷媒通路１２が沸騰器として機能すると判断されて、次のステップに移行し、クランク角センサ７４により検出されたエンジン回転速度Neが所定の実用上限エンジン回転速度Nemax以下か否かが判定される（ステップＳ３）。実用上限エンジン回転速度Nemaxは、クラッチ装置４０が連結された状態でタービン回転速度が上限となるエンジン回転速度として、予め設定された値が読み込まれる。その結果、Ne≦Nemaxの成立が認められた場合には、クラッチ装置４０を結合したとしてもタービン２０が過回転となるおそれがないと判断されて、次のステップに移行し、クラッチ装置４０の結合、タービン出口弁２２の開弁、及びバイパス弁６０の閉弁が行われる（ステップＳ４）。

次に、エンジン回転速度Neが所定の実用上限エンジン回転速度Nemax以上か否かが判定される（ステップＳ５）。その結果、Ne≧Nemaxの成立が認められない場合には、未だタービン２０が過回転となるおそれがないと判断されて、クラッチ装置４０の結合が継続された上で再度本ステップＳ５の処理が実行される。一方、本ステップＳ５においてNe≧Nemaxの成立が認められた場合、又は上記ステップＳ３においてNe≦Nemaxの成立が認められない場合には、クラッチ装置４０が切り離された状態においてタービン２０が過回転となるおそれがあると判断されて、次のステップに移行し、タービン出口弁２２が閉弁されるとともにバイパス弁６０が開弁される（ステップＳ６）。次に、クラッチ装置４０が切り離される（ステップＳ７）。

次に、タービン２０のタービン回転速度Ntが実用上限タービン回転速度Ntmaxよりも小さいか否かが判定される（ステップＳ８）。実用上限タービン回転速度Ntmaxは、実用上限エンジン回転速度Nemaxに対応するタービン回転速度であって、動力伝達経路３６の減速比をRとした場合にNtmax=Nemax×Rとなる回転速度である。その結果、Nt＜Ntmaxの成立が認められた場合には、タービン回転速度Ntが実用上限タービン回転速度Ntmaxに近づくようにタービン出口弁２２を１ステップ開弁するように制御される（ステップＳ９）。一方、上記ステップＳ８において、Nt＜Ntmaxの成立が認められない場合には、タービン回転速度Ntが実用上限タービン回転速度Ntmaxに近づくようにタービン出口弁２２を１ステップ閉弁するように制御される（ステップＳ１０）。

上記ステップＳ９又はステップＳ１０の処理が行われると、次にエンジン回転速度Neが所定の実用上限エンジン回転速度Nemax以上か否かが再度判定される（ステップＳ１１）。その結果、Ne≧Nemaxの成立が認められた場合には、クラッチ装置４０が再結合されるとタービン２０が過回転となるおそれがあると判断されて、上記ステップＳ８の処理に戻ることによりクラッチ装置４０の切り離しが継続される。一方、本ステップＳ１１においてNe≧Nemaxの成立が認められない場合には、クラッチ装置４０が再結合されたとしてもタービン２０が過回転となるおそれがないと判断されて、上記ステップＳ４に移行し、再びクラッチ装置４０が結合される。

以上説明したとおり、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００によれば、クラッチ装置４０を切断する場合にタービン出口弁２２が閉弁されるので、タービンの過回転を有効の抑制することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、電気的な信号によって動力伝達経路３６を連結又は遮断させることが可能な電磁クラッチをクラッチ装置４０として用いることとした。クラッチ装置４０は、一方の方向のみに回転力を伝達するワンウェイクラッチ又は他の公知なクラッチとして構成されていてもよい。このことは、後述する実施の形態２のシステムにも適用される。

なお、クラッチ装置４０としてワンウェイクラッチを採用した場合には、エンジン回転速度Ne≦タービン回転速度Nt／減速比Rとなった場合に自動的に結合され、エンジン回転速度Ne＜タービン回転速度Nt／減速比Rとなった場合に自動的に切離される。このため、上記ステップＳ７におけるクラッチ装置４０の切り離し処理は、ステップＳ６においてタービン出口弁２２が閉弁されてタービン回転速度が低下することにより自動的に行われることとなる。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、エンジン１０の廃熱を回収する冷媒を作動流体とするランキンサイクルシステム１００について説明したが、ランキンサイクルシステム１００には、必ずしもエンジン１０の冷媒通路１２内を流れる冷媒を作動流体とする必要はない。すなわち、ランキンサイクルシステム１００の冷媒はエンジン１０の冷媒とは別系統とし、熱交換器によってエンジン１０の冷媒との間で熱交換を行う構成でもよい。なお、このことは、後述する実施の形態２のシステムにも適用される。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、エンジン回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemaxを超えたか否かによってクラッチ装置４０の切り離し・結合を行うこととしたが、タービン回転センサ７２によって検出されたタービン回転速度Ntが実用上限タービン回転速度を超えたか否かによってクラッチ装置４０の切り離し・結合を行うこととしてもよい。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、ランキンサイクルシステム１００の沸騰器として冷媒通路１２と排気熱蒸気発生器３０との両方を用いることとしているが、何れか一方のみでもよい。また、沸騰器は、エンジン１０の廃熱を利用してランキンサイクルの冷媒を沸騰させるものであれば、熱交換器等の他の公知の構成を利用してもよい。なお、このことは、後述する実施の形態２のシステムにも適用される。

また、上述した実施の形態１のシステムでは、クラッチ装置４０を切断する場合にタービン出口弁２２を全閉させることとした。しかしながら、タービン出口弁２２の開度は、少なくとも閉じ側に制御されればタービン回転速度を低下させることができるので、全閉でなくてもよい。なお、このことは、後述する実施の形態２のシステムにも適用される。

なお、上述した実施の形態１のシステムでは、実用上限エンジン回転速度Nemaxが第２
の発明における「機関回転速度閾値」に相当し、実用上限タービン回転速度Ntmaxが第３の発明における「タービン回転速度閾値」に相当し、タービン回転センサ７２が第３の発明における「タービン回転速度取得装置」に相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して説明する。

［実施の形態２の特徴］
図３は、本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステムが組み込まれた内燃機関を模式的に示す図である。図３に示すランキンサイクルシステム２００は、第１気相冷媒経路１４におけるタービン２０とタービン出口弁２２との間の位置に出口圧力センサ７６が設けられている点、およびタービン回転センサ７２を備えていない点を除き、上述した図１に示すランキンサイクルシステム１００と同様の構成を有している。

上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、タービン出口弁２２を閉じてクラッチ装置４０を切り離した後に、タービン回転センサ７２により検出されたタービン回転速度Ntが実用上限タービン回転速度Ntmaxに近づくようにタービン出口弁２２の開度を制御することとした。これに対して、本実施の形態２のランキンサイクルシステム２００は、クラッチ装置４０を切り離した後のタービン出口弁２２の開度を、タービン回転センサ７２より得られる回転速度情報を用いることなく制御する点に特徴を有している。以下、フローチャートに沿って実施の形態２のランキンサイクルシステム２００において実行される制御の具体的処理について詳細に説明する。

［実施の形態２の具体的処理］
図４及び図５は、実施の形態２でＥＣＵ７０により実行される制御を説明するためのフローチャートであり、図４は前半部を、図５は後半部を示している。なお、このフローチャートは、エンジン１０が始動された場合にＥＣＵ７０がタービン出口弁２２、クラッチ装置４０及びバイパス弁６０を制御する一連の処理を単一のフローチャートにまとめて表したものであり、ＥＣＵ７０において実行される制御ルーチンそのものを表したものではない。

図４に示すフローチャートのステップＳ１からステップＳ７の処理では、図２に示すフローチャートのステップＳ１からステップＳ７と同様の処理が実行される。これにより、エンジン回転速度Neが実用上限エンジン回転速度Nemax以上となった場合にタービン出口弁２２の閉弁、バイパス弁６０の開弁、そしてクラッチ装置４０の切り離しが行われる。

ステップＳ７の処理が実行されると、次に図５に示すフローチャートのステップＳ２１に移行する。このステップでは、タービン２０の正味出力Htが算出される（ステップＳ２１）。図６は、タービンの出力特性を示すＰ−Ｖ線図である。なお、この図に示すPtiはタービンノズル２０１の入口側の蒸気の圧力（以下、「入口圧力」と称する）である。入口圧力Ptiは、当該入口圧力Ptiと比例関係にあるエンジン冷却水の水温Teから推定することができる。つまり、ＥＣＵ７０は、水温センサ１２１の検出信号を用いて入口圧力Ptiを取得する入口圧力取得装置としての機能を有している。また、この図に示すPt0は、タービンノズル２０１の出口側の蒸気の圧力（以下、「出口圧力」と称する）であり、出口圧力センサ７６により検出することができる。つまり、ＥＣＵ７０は、出口圧力センサ７６の検出信号を用いて出口圧力Pt0を取得する出口圧力取得装置としての機能を有している。タービン２０の出力Htは、図５に示すようにタービンノズル２０１の前後の蒸気圧で決まる。本ステップでは、入口圧力Pti及び出口圧力Pt0が推定又は検出されて、図５に示す出力特性に基づいてタービン２０の正味出力Htが算出される。

次に、タービン翼２０２への流体摩擦抵抗Lfが算出される（ステップＳ２２）。タービン翼２０２への流体摩擦抵抗の代表例としては、例えば通風損失、ロータ摩擦損失等が挙げられる。通風損失及びロータ摩擦損失は、タービン２０の直径Dt、タービン回転速度Nt、タービン翼２０２の高さYt、及び蒸気密度γを用いて、それぞれ以下の関係式で表される。
通風損失∝Dt⁴*Nt³*Yt^1.5*γ
ロータ摩擦損失∝Dt⁵*Nt³*γ ・・・（１）

したがって、タービン翼２０２への流体摩擦抵抗Lfは、次式（２）に示す関係式によって算出することができる。なお、式中のA，Bは比例定数である。
流体摩擦抵抗Lf＝A（Dt⁴*Nt³*Yt^1.5*γ）+B（Dt⁵*Nt³*γ） ・・・（２）

タービン２０の直径Dt及びタービン翼２０２の高さYtはタービン２０の固有値であり、比例定数A,Bは実機試験等により特定することができる。また、タービン回転速度Ntは、クラッチ装置４０が切断されているときに目標とするタービン回転速度として、例えば実用上限タービン回転速度Ntmaxが使用される。また、蒸気密度γは、タービンノズル２０１の出口圧力Pt0を用いて算出される。

次に、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Htが所定の目標割合よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ２３）。なお、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Htは、タービン回転速度が低下する条件か或いは上昇する条件かを判断するために用いる割合であり、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Ht＝１の場合には、タービン回転速度が実用上限タービン回転速度Ntmaxに保たれる。但し、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Ht＜１となるとタービン回転速度が上昇して過回転となるおそれがあるため、本ステップでは目標割合を１よりも若干大きい１．０２としている。このように、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Ht＝１．０２となるようにタービン出口弁２２の開度を制御することとすれば、タービン回転速度が実用上限タービン回転速度Ntmaxよりも若干低い回転速度に維持される。

本ステップＳ２３における判定の結果、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Ht＞１．０２の成立が認められた場合には、タービン回転速度が実用上限タービン回転速度Ntmaxよりも低下していると判断されて、次のステップに移行し、タービン出口弁２２の開度が１ステップ開弁される（ステップＳ２４）。

一方、上記ステップＳ２３における判定の結果、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Ht＞１．０２の成立が認められない場合には、タービン回転速度が実用上限タービン回転速度Ntmaxを超える可能性があると判断されて、次のステップに移行し、タービン出口弁２２の開度が１ステップ閉弁される（ステップＳ２５）。

上記ステップＳ２４又はステップＳ２５の処理が行われると、次にエンジン回転速度Neが所定の実用上限エンジン回転速度Nemax以上か否かが再度判定される（ステップＳ２６）。その結果、Ne≧Nemaxの成立が認められた場合には、クラッチ装置４０が再結合されるとタービン２０が過回転となるおそれがあると判断されて、上記ステップＳ２３の処理に戻ることによりクラッチ装置４０の切り離しが継続される。一方、本ステップＳ２６においてNe≧Nemaxの成立が認められない場合には、クラッチ装置４０が再結合されたとしてもタービン２０が過回転となるおそれがないと判断されて、ステップＳ４に移行し、再びクラッチ装置４０が結合される。

以上説明したとおり、実施の形態２のランキンサイクルシステム２００によれば、クラッチ装置４０を切断する場合に流体摩擦抵抗Lf／正味出力Htが目標割合（＝１．０２）に近づくようにタービン出口弁２２の開度が制御される。これにより、タービン回転速度を目標とする回転速度に近づけることができるので、クラッチ装置４０の再度の結合をスムーズに行うことができる。

ところで、上述した実施の形態２のシステムでは、エンジン冷却水の水温Teから入口圧力Ptiを推定することとしたが、タービンノズル２０１の入口側に圧力センサを設けて直接検出することとしてもよい。

また、上述した実施の形態２のシステムでは、流体摩擦抵抗Lf／正味出力Htの目標割合を１．０２としたが、係る値はこれに限られない。すなわち、タービン回転速度の過回転を防止しつつ実用上限タービン回転速度Ntmaxに近づけることができるのであれば、他の目標割合値を用いてもよい。

８ 排気経路
１０ エンジン
１２ 冷媒通路
１２１ 水温センサ
１４ 第１気相冷媒経路
１６ 気液分離器
１６１ 液面センサ
１８ 過熱器
２０ タービン
２０１ タービンノズル
２０２ タービン翼
２０３ タービン回転軸
２２ タービン出口弁
２４ コンデンサ（凝縮器）
２６ 第１液相冷媒経路
２８ ウォータポンプ
３０ 排気熱蒸気発生器
３２ 第２液相冷媒経路
３４ 第２気相冷媒経路
３６ 動力伝達経路
３８ クランク軸
４０ クラッチ装置
４２ 第３液相冷媒経路
４４ キャッチタンク
４６ ウォータポンプ
４８ 第１開閉弁
５０ 第４液相冷媒経路
５２ リザーブタンク
５４ 第２開閉弁
５６ 上部管
５８ バイパス経路
６０ バイパス弁
６２ バイパスノズル
７０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
７２ タービン回転センサ
７４ クランク角センサ
７６ 出口圧力センサ
１００，２００ ランキンサイクルシステム

Claims (5)

1. 内燃機関の廃熱により液相冷媒を沸騰させて気相冷媒に変化させる沸騰器と、
   前記沸騰器から排出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
   前記過熱器を通過した気相冷媒の供給を受けて回転するタービンと、
   前記タービンを通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、
   前記タービンと前記凝縮器との間に設けられた制御弁と、
   前記タービンの回転を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達経路と、
   前記動力伝達経路を連結又は遮断させるクラッチ装置と、
   前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断される場合に、前記制御弁を閉じ方向に動作させるように構成された制御装置と、
   前記沸騰器と前記過熱器の間から分岐して前記制御弁と前記凝縮器の間に合流するバイパス経路と、
   前記バイパス経路に設けられたバイパス弁と、を備え、
   前記制御装置は、前記制御弁を閉じ方向に動作させる場合に、前記バイパス弁を開く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. 前記クラッチ装置は、前記内燃機関の機関回転速度が機関回転速度閾値を超えた場合に前記動力伝達経路が遮断されるように構成されてい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. 前記タービンの回転速度を取得するタービン回転速度取得装置を備え、
   前記制御装置は、前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断された場合に、前記タービンの回転速度がタービン回転速度閾値に近づくように前記制御弁の開度を調整するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のランキンサイクルシステム。
4. 内燃機関の廃熱により液相冷媒を沸騰させて気相冷媒に変化させる沸騰器と、
   前記沸騰器から排出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
   前記過熱器を通過した気相冷媒の供給を受けて回転するタービンと、
   前記タービンを通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、
   前記タービンと前記凝縮器との間に設けられた制御弁と、
   前記タービンの回転を前記内燃機関の出力軸に伝達する動力伝達経路と、
   前記動力伝達経路を連結又は遮断させるクラッチ装置と、
   前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断される場合に、前記制御弁を閉じ方向に動作させるように構成された制御装置と、
   前記タービンの入口側の気相冷媒の蒸気圧である入口圧力を取得する入口圧力取得装置と、
   前記タービンの出口側の気相冷媒の蒸気圧である出口圧力を取得する出口圧力取得装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記入口圧力と前記出口圧力とから前記タービンの出力を算出し、前記出口圧力から前記タービンの翼による流体摩擦抵抗を算出し、前記クラッチ装置の作用によって前記動力伝達経路が遮断された場合に前記タービンの出力に対する前記流体摩擦抵抗の割合が所定の目標割合に近づくように前記制御弁を操作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。
5. 前記クラッチ装置は、前記内燃機関の機関回転速度が機関回転速度閾値を超えた場合に前記動力伝達経路が遮断されるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のランキンサイクルシステム。

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