JPWO2003029619A1 - 蒸発器の温度制御装置 - Google Patents

Abstract

蒸発器の温度制御手段（Ｕ）は、エンジンの排気ガスで水を加熱して発生する蒸気の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、水の温度および蒸気の温度に基づいて蒸発器への水の供給量を制御する。排気ガス流量（Ｇｍｉｘ）をエンジンの燃料噴射量、空燃比および回転数に基づいて算出することにより、その算出の精度および応答性が向上する。従って、前記排気ガス流量（Ｇｍｉｘ）に基づいて蒸発器に対する水の供給量を制御することで、蒸気温度を目標温度に一致させる制御精度が向上する。

Description

発明の分野
本発明は、エンジンの排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置に関する。
背景技術
ディーゼルエンジンの排気ガスを蒸発器に導いて水を加熱することで蒸気を発生させ、この蒸気の圧力エネルギーおよび温度エネルギーで膨張機を作動させて機械エネルギーを発生させるものが、日本特開昭６０−６４１０１号公報により公知である。このものは、蒸発器で発生する蒸気温度を目標蒸気温度に一致させる制御を行うためのパラメータの一つとして排気ガスの流量を用いており、この排気ガスの流量をエンジンの燃料ラックの位置に基づいて推定している。
また本出願人は日本特願２０００−３１１６８０号により、エンジンの吸気負圧や回転数に基づいて排気ガスのエネルギーを算出し、この排気ガスのエネルギーに基づいて蒸発器への給水量を制御するためのフィードフォワード量を算出するものを提案している。
しかしながら、上記日本特開昭６０−６４１０１号公報に記載されたものは、燃料の圧送遅れやガバナ機構の機械的な遅れによりエンジン回転数の変化時に燃料供給量が素早く応答せず、エンジンの出力変化時に排気ガスの流量を高精度に推定することは困難であった。
また上記日本特願２０００−３１１６８０号で提案されたものは、給水量を制御するためのフィードフォワード値を算出する際にエンジンの吸気負圧を用いているため、エンジンの仕様（排気量、排気ポート形状、燃焼室形状）に応じて給水量算出用のパラメータを変更する必要があった。
発明の開示
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、エンジンの排気ガスとの間で熱交換する蒸発器への給水量を制御するためのパラメータである排気ガスの流量を精度良くかつ応答性良く算出することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第１の特徴によれば、エンジンの排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置であって、エンジンの燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段と、エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段と、エンジンの回転数を検出する回転数検出手段とを備え、前記燃料噴射量、空燃比および回転数に基づいて前記排気ガスの流量を算出することを特徴とする蒸発器の温度制御装置が提案される。
上記構成によれば、エンジンの運転状態を示すパラメータである燃料噴射量、空燃比および回転数に基づいて排気ガスの流量を算出するので、排気ガスの流量を精度良くかつ応答性良く算出することができ、この排気ガスの流量に基づいて蒸発器に対する液相作動媒体の供給量を制御することで、気相作動媒体の温度を目標温度に一致させる制御精度を向上させることができる。
また本発明の第２の特徴によれば、エンジンの排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置であって、エンジンの燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段と、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを備え、前記燃料噴射量および吸入空気量に基づいて前記排気ガスの流量を算出することを特徴とする蒸発器の温度制御装置が提案される。
上記構成によれば、エンジンの運転状態を示すパラメータである燃料噴射量および吸入空気量に基づいて排気ガスの流量を算出するので、排気ガスの流量を精度良くかつ応答性良く算出することができ、この排気ガスの流量に基づいて蒸発器に対する液相作動媒体の供給量を制御することで、気相作動媒体の温度を目標温度に一致させる制御精度を向上させることができる。
また本発明の第３の特徴によれば、エンジンの排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置であって、エンジンの吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、エンジンの空燃比を検出する空燃比検出手段とを備え、前記吸入空気量および空燃比に基づいて前記排気ガスの流量を算出することを特徴とする蒸発器の温度制御装置が提案される。
上記構成によれば、エンジンの運転状態を示すパラメータである吸入空気量および空燃比に基づいて排気ガスの流量を算出するので、排気ガスの流量を精度良くかつ応答性良く算出することができ、この排気ガスの流量に基づいて蒸発器に対する液相作動媒体の供給量を制御することで、気相作動媒体の温度を目標温度に一致させる制御精度を向上させることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の第１実施例を図１〜図６に基づいて説明する。
図１および図２に示すように、ガソリンエンジンＥは、シリンダ１１と、シリンダ１１に摺動自在に嵌合するピストン１２と、ピストン１２に小端部を接続されたコネクティングロッド１３と、コネクティングロッド１３の大端部に接続されたクランクシャフト１４と、シリンダ１１およびピストン１２間に区画された燃焼室１５と、燃焼室１５に連なる吸気ポート１６と、燃焼室１５に連なる排気ポート１７と、吸気ポート１６に設けられたスロットルバルブ１８と、吸気ポート１６に設けられた燃料噴射弁１９と、排気ポート１６に設けられた蒸発器２０とを備える。
エンジンＥの排気ガスの圧力エネルギーおよび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、液相作動媒体としての水をエンジンＥの排気ガスで加熱して気相作動媒体としての蒸気を発生させる前記蒸発器２０と、蒸発器２０で発生した高温高圧蒸気の供給を受けて機械エネルギーを出力する膨張機２１と、膨張機２１から排出された降温降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器２２と、凝縮器２２から排出された水を蒸発器２０に供給する給水ポンプ２３と、給水ポンプ２３への給水量を制御する給水量調整アクチュエータ２４とを備える。
蒸発器２０への給水量を変化させて蒸発器２０が発生する蒸気の温度を目標蒸気温度に一致させる給水量調整アクチュエータ２４の作動を制御すべく、蒸発器２０の入口側の排気ガス温度を検出する入口側排気ガス温度検出手段Ｓ１と、蒸発器２０の出口側の排気ガス温度を検出する出口側排気ガス温度検出手段Ｓ２と、蒸発器２０の入口側の水温度を検出する水温度検出手段Ｓ３と、蒸発器２０の出口側の蒸気温度を検出する蒸気温度検出手段Ｓ４と、エンジンＥの燃料噴射弁１９の燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段Ｓ５と、エンジンＥの空燃比を検出する空燃比検出手段Ｓ６と、エンジンＥの回転数を検出する回転数検出手段Ｓ７とが設けられる。燃料噴射量検出手段Ｓ５、空燃比検出手段Ｓ６および回転数検出手段Ｓ７はエンジン運転状態検出手段を構成する。尚、エンジンＥの回転数とは単位時間あたりの回転数である。
そして前記入口側排気ガス温度検出手段Ｓ１、出口側排気ガス温度検出手段Ｓ２、水温度検出手段Ｓ３、蒸気温度検出手段Ｓ４、燃料噴射量検出手段Ｓ５、空燃比検出手段Ｓ６および回転数検出手段Ｓ７は、給水量調整アクチュエータ２４を制御する蒸気温度制御手段Ｕに接続される。
次に、図３および図４に基づいて給水量調整アクチュエータ２４の制御手法について説明する。
先ずステップＳＴ１で、エンジン排気ガス流量算出手段Ｍ１がエンジンＥの排気ガス流量Ｇｍｉｘを算出する。エンジンＥの排気ガス流量Ｇｍｉｘは、燃料噴射量検出手段Ｓ５で検出したエンジンＥの１回転あたりの燃料噴射量と、空燃比検出手段Ｓ６で検出したエンジンＥの空燃比と、回転数検出手段Ｓ７で検出したエンジンＥの回転数とを用いて、

により算出される。
続くステップＳＴ２で、排気ガスのエンタルピー差分ｄＨｇａｓを排気ガスのエンタルピー差分算出手段Ｍ２により算出するとともに、蒸気のエンタルピー差分ｄＨｅｖｐを蒸気のエンタルピー差分算出手段Ｍ３により算出する。
排気ガスのエンタルピー差分ｄＨｇａｓは、入口側排気ガス温度検出手段Ｓ１で検出した入口側排気ガス温度をエンタルピーに換算した値Ｈｇａｓｉｎと、出口側排気ガス温度検出手段Ｓ２で検出した出口側排気ガス温度をエンタルピーに換算した値Ｈｇａｓｏｕｔとの差分であり、
ｄＨｇａｓ＝Ｈｇａｓｉｎ−Ｈｇａｓｏｕｔ
で与えられる。
蒸気のエンタルピー差分ｄＨｅｖｐは、目標蒸気温度をエンタルピーに変換した値Ｈｅｖｐｏｕｔと、水温度検出手段Ｓ３で検出した水温度をエンタルピーに換算した値Ｈｅｖｐｉｎとの差分であり、
ｄＨｅｖｐ＝Ｈｅｖｐｏｕｔ−Ｈｅｖｐｉｎ
で与えられる。
続くステップＳＴ３で、給水量調整アクチュエータ２４の給水量ベース値Ｑｅｖｐを算出する。給水量ベース値Ｑｅｖｐの算出は２段階で行われ、最初の段階で排気ガスエネルギー算出手段Ｍ４が、排気ガス流量Ｇｍｉｘと排気ガスのエンタルピー差分ｄＨｇａｓとを用いて、排気ガスエネルギーＥｇａｓを、
Ｅｇａｓ＝Ｇｍｉｘ×ｄＨｇａｓ
により算出する。次の段階で給水量ベース値算出手段Ｍ５が、排気ガスエネルギーＥｇａｓと蒸気のエンタルピー差分ｄＨｅｖｐとを用いて、給水量ベース値Ｑｅｖｐを、
Ｑｅｖｐ＝Ｅｇａｓ／ｄＨｅｖｐ
により算出する。
続くステップＳＴ４で、蒸発器熱交換効率マップ検索手段Ｍ６により、図５に示すマップに排気ガス流量Ｇｍｉｘおよび入口側排気ガス温度を適用して蒸発器熱交換効率を検索する。
続くステップＳＴ５で、乗算手段３１により給水量ベース値Ｑｅｖｐに蒸発器熱交換効率を乗算して給水量フィードフォワード値を算出する。
続くステップＳＴ６で、減算手段３２により蒸気温度検出手段Ｓ４で検出した蒸気温度と目標蒸気温度との偏差を算出し、この偏差をＰＩＤ演算手段３３で演算したＰＩＤ制御量を加算手段３４で前記給水量フィードフォワード値に加算すて給水量フィードバック値を算出する。
続くステップＳＴ７で、給水量ＤＡ変換マップ検索手段Ｍ７により、図６に示すマップに給水量フィードバック値を適用して電圧にＤＡ変換し、この電圧を給水量調整アクチュエータ２４に印加して蒸発器２０に対する給水量を制御することにより、蒸発器２０の蒸気温度を目標蒸気温度に一致させる。
以上のように、蒸発器２０が発生する蒸気温度を目標蒸気温度に制御するためのパラメータである排気ガス流量ＧｍｉｘをエンジンＥの燃料噴射量、空燃比および回転数に基づいて算出するので、エンジンＥの出力が過渡状態にあるとき（例えば、理論空燃比での燃焼から希薄燃焼に切り換わるとき）にも、排気ガス流量Ｇｍｉｘを高精度に算出することができる。しかも排気ガス流量ＧｍｉｘをエンジンＥの仕様に関わらずに算出できるため、同一の計算用設定データを用いて膨張器２０への給水量の算出が可能になる。
次に、図７に基づいて本発明の第２実施例を説明する。
第２実施例は排気ガス流量Ｇｍｉｘを算出する手法が第１実施例と異なっており、その他の構成および作用は第１実施例と同じである。
排気ガス流量Ｇｍｉｘを算出すべく、第２実施例はエンジン運転状態検出手段として、単位時間あたりの燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段Ｓ５と、吸入空気の質量流量を検出する吸入空気量検出手段Ｓ８（エアフロメータ）とを備えている。そして排気ガス流量Ｇｍｉｘを、
排気ガス流量Ｇｍｉｘ＝単位時間あたりの燃料噴射量×吸入空気の質量流量
により算出する。
次に、図８に基づいて本発明の第３実施例を説明する。
第３実施例は排気ガス流量Ｇｍｉｘを算出する手法が第１実施例と異なっており、その他の構成および作用は第１実施例と同じである。
排気ガス流量Ｇｍｉｘを算出すべく、第３実施例はエンジン運転状態検出手段として、エンジンＥの空燃比を検出する空燃比検出手段Ｓ６と、吸入空気の質量流量を検出する吸入空気量検出手段Ｓ８（エアフロメータ）とを備えている。そして排気ガス流量Ｇｍｉｘを、
排気ガス流量Ｇｍｉｘ＝吸入空気の質量流量×｛１／（空燃比＋１）｝
により算出する。
而して、これら第２実施例および第３実施例によっても、前記第１実施例と同様の作用効果を達成することができる。
以上、本発明の実施例を詳述したが、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、実施例では液相作動媒体および気相作動媒体として水および蒸気を用いているが、本発明は他の任意の作動媒体に対して適用することができる。
また第１実施例〜第３実施例はガソリンエンジンだけでなく、コモンレール型ディーゼルエンジンに対しても適用することができ、更に第３実施例は分配型ディーゼルエンジンあるいは列型ディーゼルエンジンに対しても適用することができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明はエンジンの排気ガスの熱エネルギーを機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置用の蒸発器に対して好適に適用可能であるが、その他の任意の用途の蒸発器に対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１〜図６は本発明の第１実施例を示すもので、図１は蒸発器の蒸気温度制御装置の全体構成を示す図、図２は蒸発器の蒸気温度制御装置のブロック図、図３は制御系のブロック図、図４は作用を説明するフローチャート、図５は排気ガス温度および排気ガス流量から熱交換効率を検索するマップ、図６は給水量フィードバック値から給水量調整アクチュエータの印加電圧を検索するマップである。図７は本発明の第２実施例を示す、前記図１に対応する図である。図８は本発明の第３実施例を示す、前記図１に対応する図である。

Claims (3)

1. エンジン（Ｅ）の排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置であって、
   エンジン（Ｅ）の燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段（Ｓ５）と、エンジン（Ｅ）の空燃比を検出する空燃比検出手段（Ｓ６）と、エンジン（Ｅ）の回転数を検出する回転数検出手段（Ｓ７）とを備え、前記燃料噴射量、空燃比および回転数に基づいて前記排気ガスの流量を算出することを特徴とする蒸発器の温度制御装置。
2. エンジン（Ｅ）の排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置であって、
   エンジン（Ｅ）の燃料噴射量を検出する燃料噴射量検出手段（Ｓ５）と、エンジン（Ｅ）の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段（Ｓ８）とを備え、前記燃料噴射量および吸入空気量に基づいて前記排気ガスの流量を算出することを特徴とする蒸発器の温度制御装置。
3. エンジン（Ｅ）の排気ガスで液相作動媒体を加熱して発生する気相作動媒体の温度を目標温度に一致させるべく、排気ガスの流量、排気ガスの温度、液相作動媒体の温度および気相作動媒体の温度に基づいて、液相作動媒体の供給量を制御する蒸発器の温度制御装置であって、
   エンジン（Ｅ）の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段（Ｓ８）と、エンジン（Ｅ）の空燃比を検出する空燃比検出手段（Ｓ６）とを備え、前記吸入空気量および空燃比に基づいて前記排気ガスの流量を算出することを特徴とする蒸発器の温度制御装置。

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