JP2009264353A - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正味発電量を増大し、ひいては廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を効果的に増大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(2)の廃熱利用装置は、内燃機関の作動状態を含むランキンサイクル(6)の外乱要素値に応じてファン(25)及びポンプ(28)の回転数を制御する制御手段を備え、制御手段は、発電機(30)にて発電された発電量からファン及びポンプの消費電力を減じた正味発電量を増大させるようにファン及びポンプの回転数を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に組み込まれて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、例えば車両に搭載され、作動流体としての冷媒の循環路に、車両のエンジンを冷却する冷却水を介してエンジンの廃熱により冷媒を加熱する蒸発器、この蒸発器から流出された冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、この膨張機から流出された冷媒をファンによる外気送風により凝縮させるコンデンサ、このコンデンサから流出された冷媒を蒸発器に送出して循環路に冷媒を循環させるポンプが介挿されたランキンサイクルを備える。

そして、熱機関の廃熱量とコンデンサにおける冷媒の放熱量とによって定まる膨張機の駆動力が増大するように冷媒の流量を制御したり（特許文献１）、或いは、蒸発器での冷媒の吸熱量に応じて蒸発器への冷媒の流入量や膨張機の回転数を制御するものや（特許文献２，３）、或いは、エンジンのスロットル開度を制御して膨張機に流入される冷媒の性状を制御する（特許文献４）ことにより、膨張機、発電機を介して回収されるエネルギーの回収効率を高める技術が開示されている。
特開２００６−１７７２６６号公報 特開２００６−２５００７３号公報 特開２００６−２５００７５号公報 特開２００６−２００４９２号公報

ところで、コンデンサにおける冷媒の放熱量、即ちランキンサイクルの放熱量はコンデンサのファンの回転数に依存し、ランキンサイクルにおける冷媒の循環流量はポンプの回転数に依存している。
しかしながら、上記各従来技術は、膨張機を効率良く回転させて発電機にて発電された発電量を増大させることのみに拘泥しており、正味発電量が発電機にて発電された発電量からファン及びポンプの消費電力量を減じたものであって、この正味発電量を増大させる点については格別な配慮がなされておらず、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量の増大には依然として課題が残されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、正味発電量を増大し、ひいては廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を効果的に増大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、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機から流出された作動流体をファンによる外気送風により凝縮させるコンデンサ、該コンデンサから流出された作動流体を蒸発器に送出して循環路に作動流体を循環させるポンプが介挿されたランキンサイクルと、膨張機に連結され、該膨張機にて発生した駆動力を電力に変換して発電する発電機と、内燃機関の作動状態を含むランキンサイクルの外乱要素値に応じてファン及びポンプの回転数を制御する制御手段とを備え、制御手段は、発電機にて発電された発電量からファン及びポンプの消費電力を減じた正味発電量を増大させるようにファン及びポンプの回転数を制御することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、制御手段は、外乱要素値の変化に対してポンプ回転数を遅れて制御する遅延制御を行うことを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項２において、制御手段は、ポンプ回転数の加減速度を所定の加減速度制限値に制限することにより遅延制御を行うことを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、請求項２において、制御手段は、時系列的に検出される所定数の外乱要素値から算出される外乱要素値の移動平均値に基づいてポンプの回転数を制御することにより遅延制御を行うことを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、請求項３または４において、制御手段は、外乱要素値やその変化量に応じて、所定の加減速度制限値、または、移動平均値を算出するための外乱要素値の所定数を決定することを特徴としている。

更に、請求項６記載の発明では、請求項１乃至５の何れかにおいて、制御手段は、正味発電量が所定時間に亘って所定値以下となるとき、ファン及びポンプの駆動を停止することを特徴としている。
更にまた、請求項７記載の発明では、請求項６において、内燃機関の廃熱によって加熱された冷却水を蒸発器に流入させるとともに、該蒸発器から流出された冷却水をファンによる外気送風により冷却させるラジエータを有する冷却水回路と、内燃機関を経由した冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、制御手段は、冷却水温度検出手段にて検出された冷却水温度が所定温度以上となるとき、駆動を停止されたファンを再駆動し、冷却水温度を所定温度未満に保持するべくファンの回転数を制御することを特徴としている。

また、請求項８記載の発明では、請求項７において、制御手段は、ファンが再駆動された後には、駆動を停止されたポンプを再駆動し、発電量からポンプ消費電力を減じた第２正味発電量を増大させるようにポンプの回転数を制御することを特徴としている。
更に、請求項９記載の発明では、請求項８において、制御手段は、第２正味発電量が第２所定時間に亘って所定値以下となるとき、ポンプの駆動を停止することを特徴としている。

更にまた、請求項１０記載の発明では、請求項９において、制御手段は、正味発電量が第３所定時間に亘って所定値より大となるとき、正味発電量を増大させるようにファン及びポンプの回転数を制御することを特徴としている。

従って、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、内燃機関の作動状態を含むランキンサイクルの外乱要素値に応じてコンデンサのファン、及び循環路に作動流体を循環させるポンプの回転数を制御する制御手段を備え、制御手段は、発電機にて発電された発電量からファン及びポンプの消費電力量を減じた正味発電量を増大させるようにファン及びポンプの回転数を制御する。これにより、単に発電機の発電量を増大させるのではなく正味発電量を極力増大することができ、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を増大することができ、ひいては、廃熱利用装置外で有効利用できるエネルギー量を増大することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、制御手段は、外乱要素値の変化に対してポンプ回転数を遅れて制御する遅延制御を行う。
ここで、制御手段は、内燃機関の廃熱量に合わせて蒸発器の吸熱量を増減させるためにポンプ回転数を増減して循環路における作動流体の循環量を増減させるが、内燃機関の廃熱量の増減にポンプ回転数を同期させるべくポンプ回転を増大させても、ランキンサイクルは冷媒を急激に蒸発させることはできないため、その分のポンプの駆動に要したポンプ消費電力が無駄になる。

一方、内燃機関の廃熱量の増減にポンプ回転数を完全に同期させるべくポンプ回転を減少させると、作動流体の余熱で作動流体の蒸発が未だ充分に可能であるにも拘わらず、蒸発器へ流入する作動流体が不足し、本来得られたはずの発電量を得ることができない。
かかる場合において、上記遅延制御を行うことにより、正味発電量を効果的に増大することができ、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量をより一層増大することができる。

具体的には、請求項３，４記載の発明によれば、制御手段は、ポンプの回転数の加減速度を所定の加減速度制限値に制限したり（請求項３）、或いは、所定数の外乱要素値から算出される移動平均値に基づいてポンプの回転数を制御する（請求項４）ことにより遅延制御を行う。
更にまた、請求項５記載の発明によれば、制御手段は、外乱要素値やその変化量に応じて、所定の加減速度制限値、または、移動平均値を算出するための外乱要素値の所定数を決定することにより、ランキンサイクルの外乱要素値の大きさ、変動幅、変動方向に応じて精度良く遅延制御を行うことができるため、正味発電量を更に効果的に増大することができる。

また、請求項６記載の発明によれば、制御手段は、正味発電量が所定時間に亘って所定値以下となるとき、ファン及びポンプの駆動を停止する。これにより、例えば内燃機関のアイドリング時などに内燃機関の廃熱量、即ちランキンサイクルの吸熱量が減少するとき、ファン及びポンプの駆動を停止して正味発電量が継続的に所定値以下になるのを防止することができる。ここで、正味発電量が所定値以下となるのが所定時間に亘ることを条件とすることから、外乱要素値の変動により正味発電量が一時的に所定値以下となる場合を除外することができるため、正味発電量を効果的に増大することができる。

更に、請求項７記載の発明によれば、制御手段は、冷却水温度検出手段にて検出された冷却水温度が所定温度以上となるとき、駆動を停止されたファンを再駆動し、冷却水温度を所定温度未満に保持するべくファンの回転数を制御する。これにより、内燃機関の作動中にランキンサイクルの機能を停止しても、ラジエータへの外気送風により冷却水回路の冷却水を冷却することができるため、内燃機関の過熱を防止することができる。

更にまた、請求項８記載の発明によれば、制御手段は、ファンが再駆動された後には、駆動を停止されたポンプを再駆動し、発電量からポンプ消費電力を減じた第２正味発電量を増大させるようにポンプの回転数を制御する。これにより、内燃機関の過熱を防止するためにファンを駆動し、ポンプを再駆動してランキンサイクルを再作動した場合であって、単に発電機の発電量を増大させるのではなく、ランキンサイクルの作動に関係ないファン消費電力を除いた第２正味発電量を極力増大することができ、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を増大することができる。

また、請求項９記載の発明によれば、制御手段は、第２正味発電量が第２所定時間に亘って所定値以下となるとき、ポンプの駆動を停止する。これにより、例えば内燃機関のアイドリング時などに内燃機関の廃熱量、即ちランキンサイクルの吸熱量が減少するとき、ポンプの駆動を停止して第２正味発電量が継続的に所定値以下になるのを防止することができる。ここで、第２正味発電量が所定値以下となるのが所定時間に亘ることを条件とすることから、外乱要素値の変動により第２正味発電量が一時的に所定値以下となる場合を除外することができるため、第２正味発電量を効果的に増大することができる。

更に、請求項１０記載の発明によれば、制御手段は、正味発電量が第３所定時間に亘って所定値より大となるとき、正味発電量を増大させるようにファン及びポンプの回転数を制御する。これにより、ラジエータへの外気送風により内燃機関の過熱を防止しつつ第２正味発電量を増大させるためのポンプ回転数のみの制御から、正味発電量を増大させるためのファン及びポンプの回転数の制御に迅速に復帰させることができるため、正味発電量を効果的に増大することができ、ひいては廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を大幅に増大することができる。

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は内燃機関の廃熱利用装置の一例を模式的に示しており、この廃熱利用装置は例えば車両に搭載され、車両のエンジン２を冷却する冷却水回路４と、エンジン２の廃熱を回収するランキンサイクル６（以下、ＲＣ回路という）とを備えている。
冷却水回路４は、エンジン２から延設される冷却水の循環路５に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器１０、ラジエータ１２、サーモスタット１４、水ポンプ１６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４を循環する冷却水とＲＣ回路６を循環する冷媒とを熱交換させることにより、エンジン２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２の廃熱をＲＣ回路６側に吸熱させて回収している。一方、蒸発器１０を通過して冷媒に吸熱された冷却水は、エンジン２を冷却することにより再び加熱された温水となる。また、蒸発器１０出口には蒸発器１０を経由した冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ
（冷却水温度検出手段）１１が設置されている。

ラジエータ１２は、蒸発器１０と直列に配列され、蒸発器１０を通過して冷媒に吸熱された冷却水を外気の送風による熱交換により更に冷却し、ひいてはエンジン２を所望の温度に冷却している。
サーモスタット１４は、冷却水温度に応じてラジエータ１２へ通水される冷却水量を制御する機械式の三方弁であって、２つの入口ポートと１つの出口ポートとを有している。２つの入口ポートには、ラジエータ１２から延設される流路５ａと、蒸発器１０とラジエータ１２との間の流路５ｂからラジエータ１２を迂回して接続されるバイパス路５ｃとがそれぞれ接続され、これにより、冷却水温度に応じてラジエータ１２へ通水される冷却水量が増減されて冷却水温度が適正に保持される。

水ポンプ１６は、エンジン２に装着され、エンジン２の回転数に応じて駆動されて冷却水回路４に冷却水を好適に循環させる。
一方、ＲＣ回路６は、冷媒の循環路７に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器１０、膨張機２０、再生器２２、コンデンサ２４、気液分離器２６、冷媒ポンプ２８が順に介挿されて閉回路を構成している。

膨張機２０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膨張させ、回転駆動力を発生する流体機器であって、膨張機２０には、発生した回転駆動力を電力変換して廃熱利用装置の外部で利用可能とする発電機３０が機械的に連結されている。
再生器２２は、膨張機２０出口の冷媒で蒸発器１０入口の冷媒を加熱するＲＣ回路６の内部熱交換器であって、膨張機２０出口側の熱量を膨張機２０入口側に積極的に供給することにより、ＲＣ回路６における回収エネルギーを増大させている。

コンデンサ２４は、再生器２２を経由した冷媒をファン２５による外気の送風により凝縮液化させる放熱器であり、ファン２５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ファンである。また、ファン２５は車両の前面側から順にコンデンサ２４、ラジエータ１２を介して配置されており、ラジエータ１２への外気の送風にも兼用されている。
気液分離器２６は、コンデンサ２４にて凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ２８側に流出される。

冷媒ポンプ２８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、気液分離器２６から流出された液冷媒は冷媒ポンプ２８によって蒸発器１０側に圧送され、ＲＣ回路６を好適に循環させる。
このように構成される冷却水回路４及びＲＣ回路６は、車両を総合的に制御する電子制御装置である図示しないＥＣＵ（制御手段）により制御される。具体的には、ＥＣＵには、ファン２５及び冷媒ポンプ２８の各駆動部とともに、冷却水温度センサ１１、図示しない外気温度センサ、車速センサなどが電気的に接続されており、ＥＣＵは、これらセンサからの入力信号に応じてファン２５及び冷媒ポンプ２８の各駆動部に出力信号を出力し、冷却水回路４及びＲＣ回路６、即ち廃熱利用装置を制御している。

図２は、車両が所定の車速にて走行中にファン２５によりコンデンサ２４に送風される外気の風量Ｆに応じた、ファン２５のファン消費電力Ｅ_ｆ、冷媒ポンプ２８のポンプ消費電力Ｅ_ｐ、膨張機２０を介して発電機３０にて発電される発電量Ｅ_ｇ、発電量Ｅ_ｇからファン消費電力Ｅ_ｆ、及びポンプ消費電力Ｅ_ｐを減じた正味発電量Ｅ_ｎ（＝Ｅ_ｇ−Ｅ_ｆ−Ｅ_ｐ）、蒸発器１０にて冷却水回路４からＲＣ回路６に向けて吸熱されたエバ吸熱量Ｑ_ｉｎを示している。

電力量Ｅ_ｆ、Ｅ_ｐ、Ｅ_ｇ、Ｅ_ｎ、及びエバ吸熱量Ｑ_ｉｎは、コンデンサ２４における放熱量Ｑ_ｏｕｔが風量Ｆ、即ちファン２５の回転数に依存することから、ファン２５の回転数が決まると略一義的に決まり、また、車両の車速や型式、排気量などで決まる固有のデータである。
ＥＣＵでは、ファン２５及びポンプ２８を正味発電量Ｅ_ｎが増大するように、例えば最大値Ｅ_ｎｍａｘ（図２では約５１０Ｗ）となる風量Ｆ（例えば、図２では約２８．６ｍ^３／ｍｉｎ）を得る回転数で駆動するためのファン２５及びポンプ２８の印加電圧・印加電流や駆動デューティなどの制御値が算出され、これらの制御値は、エンジン２の作動状態を含むＲＣ回路６の外乱要素値Ｆ_ｄの変化に基づき、ＥＣＵの図示しない外部メモリに格納されたマップにマッピングされている。そして、このマップを参照することにより、車速センサにて検出される車速やエバ吸熱量Ｑ_ｉｎなどから算出されるエンジン２の廃熱量Ｑ_ｗといった外乱要素値Ｆ_ｄの変化に応じて最適な制御値が都度選定され、ファン２５及びポンプ２８の回転数は正味発電量Ｅ_ｎを最大値Ｅ_ｎｍａｘとするべく制御される。

図３は、外乱要素値Ｆ_ｄの一つである車速の変化に対するポンプ２８の回転数の変化を時系列的に示している。車両を例えば約２５ｋｍ／ｈから約５０ｋｍ／ｈに加速した後、更に約２５ｋｍ／ｈに減速した場合、上記マップのみを参照すると、車両の加減速過程におけるポンプ回転数は、図３中破線で示すような所定の傾斜、即ち所定の加減速度で車両の加減速度に対して比例的に変化する。なお、このようなポンプ回転数の加減速度は、循環路７を流動可能な冷媒量、即ち、循環路７の流路断面積や、循環路７に封入される冷媒量、蒸発器１０の伝熱面積などに依存している。

ここで、本実施形態ではポンプ回転数の遅延制御を行っており、例えば、ポンプ回転数の加減速度を５００ｒｐｍ／ｓの加減速度制限値に制限することにより、ポンプ回転数を上記マップを単に参照する場合の傾斜よりも緩やかな傾斜（図３中、実線で示す）、即ち上記マップを単に参照する場合の破線で示す加減速度よりも低減された加減速度で遅れて変化させる。

また、図４の一点鎖線で示すように、車速を例えば６区間に亘ってサンプリングして車速の移動平均値を求め、この移動平均値を車速センサにて検出された車速として上記マップに基づいてポンプ２８の回転数を制御することにより、ポンプ回転数を上記マップを単に参照する場合の加減速度（図４中、破線で示す）よりも低減された加減速度（図４中、実線で示す）で遅れて変化させることができ、結果としてポンプ回転数の加減速度を制限する場合と同等の遅延制御を行うこともできる。

そして、このような加減速度制限値、または、移動平均値を算出するためのサンプリング数は車速を含む外乱要素値Ｆ_ｄやその変化量に応じて決定される。
以下、図５に示されるフローチャートを参照して、上述したようなポンプ回転数の遅延制御を行いながら正味発電量Ｅ_ｎを最大値Ｅ_ｎｍａｘとするべくファン２５及びポンプ２８の回転数を制御するファン・ポンプ回転数制御の制御ルーチンについて更に詳しく説明する。

先ず、本回転数制御がスタートされるとＳ１に移行し、Ｓ１では、上記マップを参照したり、特にポンプ回転数の加減速過程においては上記遅延制御を行いつつ、ファン２５及びポンプ２８は車速センサにより検出された車両の車速に応じた回転数にて駆動され、Ｅ_ｎを最大値Ｅ_ｎｍａｘに追従させる制御を行った後（Ｅ_ｎ→Ｅ_ｎｍａｘ）、Ｓ２に移行する。

Ｓ２では、正味発電量Ｅ_ｎが所定値、例えばゼロ以下（Ｅ_ｎ≦０）となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＥ_ｎ≦０が成立すると判定された場合にはＳ３に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＥ_ｎ≦０が成立しないと判定された場合には再びＳ１に戻ってＥ_ｎ→Ｅ_ｎｍａｘとするべく通常のファン・ポンプ回転数制御を行う。
Ｓ３では、Ｅ_ｎ≦０が所定のｔ時間（所定時間）の間継続されるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＥ_ｎ≦０がｔ時間継続されると判定された場合にはＳ４に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＥ_ｎ≦０がｔ時間継続されないと判定された場合には再びＳ１に戻ってＥ_ｎ→Ｅ_ｎｍａｘとするべく通常のファン・ポンプ回転数制御を行う。

Ｓ４では、ファン２５及びポンプ２８の駆動を停止、即ちＲＣ回路６の機能を停止した後にＳ５に移行する。
Ｓ５では、冷却水温度センサ１１にて検出された冷却水温度Ｔ_ｒが所定の上限温度（所定温度）Ｔ_ｈ以上（Ｔ_ｒ≧Ｔ_ｈ）となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＴ_ｒ≧Ｔ_ｈが成立すると判定された場合にはＳ６に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＴ_ｒ≧Ｔ_ｈが成立しないと判定された場合には再びＳ４に戻ってファン２５及びポンプ２８の駆動の停止を保持する。

Ｓ６では、ファン２５の駆動を開始した後にＳ７に移行する。駆動されたファン２５は本制御ルーチンとは異なる後述するファン回転数制御の制御ルーチンの実行により単独で回転数制御される。
Ｓ７では、ポンプ２８の駆動を開始、即ちＲＣ回路６の機能を復帰した後にＳ８に移行する。駆動されたポンプ２８は本制御ルーチンとは異なる後述するポンプ回転数制御の制御ルーチンの実行により単独で回転数制御される。

Ｓ８では、正味発電量Ｅ_ｎがゼロより大（Ｅ_ｎ＞０）となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＥ_ｎ＞０が成立すると判定された場合にはＳ９に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＥ_ｎ＞０が成立しないと判定された場合には再びＳ６に戻ってファン２５、ポンプ２８のそれぞれの単独の回転数制御を継続する。
Ｓ９では、Ｅ_ｎ＞０が所定のｔ₁時間（第３所定時間）の間継続されるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＥｎ＞０がｔ₁時間継続されると判定された場合には再びＳ１に戻ってＥ_ｎ→Ｅ_ｎｍａｘとするべく通常のファン・ポンプ回転数制御に復帰し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＥ_ｎ＞０がｔ₁時間継続されないと判定された場合には再びＳ６に戻ってファン２５、ポンプ２８のそれぞれの単独の回転数制御を継続する。

以下、図６に示されるフローチャートを参照して、上記Ｓ６にてファン２５単独で実行されるファン回転数制御の制御ルーチンについて説明する。
先ず、本回転数制御がスタートされるとＳ１１に移行し、Ｓ１１では、冷却水温度センサ１１にて検出された冷却水温度Ｔ_ｒが所定の上限温度Ｔ_ｈ未満（Ｔ_ｒ＜Ｔ_ｈ）となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＴ_ｒ＜Ｔ_ｈが成立すると判定された場合にはＳ１２に移行してファン２５の回転数を減少させ、判定結果が偽（Ｎｏ）でＴ_ｒ＜Ｔ_ｈが成立しないと判定された場合にはＳ１３に移行してファン２５の回転数を増大させた後、Ｓ１２、Ｓ１３ともにＳ１１に再び戻ってＴ_ｒ＜Ｔ_ｈが成立するか否かの判定を行う。

以下、図７に示されるフローチャートを参照して、上記Ｓ７にてポンプ２８単独で実行されるポンプ回転数制御の制御ルーチンについて説明する。
先ず、本回転数制御がスタートされるとＳ２１に移行し、Ｓ２１では、発電量Ｅ_ｇからポンプ消費電力Ｅ_ｐを減じた、ファン消費電力量Ｅ_ｆを除いた正味発電量（第２正味発電量）Ｅ_(n-p)（＝Ｅ_ｇ−Ｅ_ｐ）が最大値Ｅ_{(n-p)ｍａｘ}となるようにポンプ２８の回転数を制御し（Ｅ_(n-p)→Ｅ_{(n-p)ｍａｘ}）、Ｓ２２に移行する。

Ｓ２２では、正味発電量Ｅ_(n-p)が所定値、例えばゼロ以下（Ｅ_(n-p)≦０）となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＥ_(n-p)≦０が成立すると判定された場合にはＳ２３に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＥ_(n-p)≦０が成立しないと判定された場合には再びＳ２１に戻ってＥ_(n-p)→Ｅ_{(n-p)ｍａｘ}とするべくポンプ回転数制御を行う。
Ｓ２３では、Ｅ_(n-p)≦０が所定のｔ₂時間（第２所定時間）の間継続されるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＥ_(n-p)≦０がｔ₂時間継続されると判定された場合には再びＳ２４に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＥ_(n-p)≦０がｔ₂時間継続されないと判定された場合には再びＳ２１に戻ってＥ_(n-p)→Ｅ_{(n-p)ｍａｘ}とするべくポンプ回転数制御を行う。

Ｓ２４では、ポンプ２８の駆動を停止、即ちＲＣ回路６の機能を停止した後に上記ファン・ポンプ回転数制御のＳ８に移行する。
このように、ファン・ポンプ回転数制御が実行されると、Ｅ_ｎ≦０がｔ時間継続するときにはファン２５及びポンプ２８を停止し、その後Ｔ_ｒ≧Ｔ_ｈが成立するとファン２５の駆動を開始してファン２５単独のファン回転数制御を実行し、更にポンプ２８の駆動を開始した後にはポンプ２８単独のポンプ回転数制御を実行する。これらファン回転数制御及びポンプ回転数制御はファン・ポンプ回転数制御と並行して実行され、ファン・ポンプ回転数制御のＳ９を経由してＳ１に戻ったときにはファン回転数制御及びポンプ回転数制御はリセットされ、Ｅ_ｎ→Ｅ_ｎｍａｘとするべく通常のファン・ポンプ回転数制御が実行される。

以上のように、本実施形態では、発電機３０にて発電された発電量Ｅ_ｇからファン消費電力Ｅ_ｆ、及びポンプ消費電力Ｅ_ｐを減じた正味発電量Ｅ_ｎが算出され、正味発電量Ｅ_ｎを最大値Ｅ_ｎｍａｘとするべくファン２５及びポンプ２８の回転数を制御する。これにより、正味発電量Ｅ_ｎを極力増大することができ、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を増大することができる。

しかも、本実施形態では、ポンプ２８の回転数の加減速度を所定の加減速度制限値に制限したり、或いは、外乱要素値Ｆ_ｄを所定数サンプリングして算出される車両の移動平均速度に基づいてポンプ２８の回転数を制御することにより、外乱要素値Ｆ_ｄの変化に対してポンプ回転数を遅れて制御する遅延制御が行われている。
ここで、ＥＣＵは、エンジン２の廃熱量Ｑ_ｗに合わせてエバ吸熱量Ｑ_ｉｎを増減させるためにポンプ回転数を増減して循環路７における冷媒の循環量を増減させるが、冷媒の循環量を増減に対してエバ吸熱量Ｑ_ｉｎ、即ちＲＣ回路６の冷却水回路４からの吸熱量の増減にはタイムラグがある。

例えば、廃熱量Ｑ_ｗの増減にポンプ回転数を完全に同期させるべく、車両の車速を増大した場合（アクセルを踏み込んだ場合）、それに合わせてポンプ回転を増大しても、ＲＣ回路６は冷媒を急激には蒸発させることはできないため、その分のポンプ２８の駆動に要したポンプ消費電力が無駄になる。
一方、廃熱量Ｑ_ｗの増減にポンプ回転数を完全に同期させるべく、車両の車速を減少した場合（アクセルを開放した場合）、それに合わせてポンプ回転数を減少すると、冷媒の余熱で冷媒の蒸発が未だ充分に可能であるにも拘わらず、蒸発器１０へ流入する冷媒が不足し、膨張機２０、発電機３０を介して本来得られたはずの発電量Ｅ_ｇを得ることができない。

かかる場合において、上記遅延制御を行うことによって正味発電量Ｅ_ｎを効果的に増大することができ、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量をより一層増大することができる。
更に、外乱要素値Ｆ_ｄやその変化量に応じて、所定の加減速度制限値、または、移動平均値を算出するための外乱要素値Ｆ_ｄのサンプリング数を決定することにより、外乱要素値Ｆ_ｄの大きさ、変動幅、変動方向に応じて精度良く遅延制御を行うことができるため、正味発電量Ｅ_ｎを更に効果的に増大することができる。

更にまた、算出された正味発電量Ｅ_ｎが所定のｔ時間に亘ってゼロ以下となるとき、ファン２５及びポンプ２８の駆動を停止する。これにより、例えばエンジン２のアイドリング時などに廃熱量Ｑ_ｗ、即ち蒸発器１０、換言するとＲＣ回路６におけるエバ吸熱量Ｑ_ｉｎが減少するとき、ファン２５及びポンプ２８の駆動を停止して正味発電量Ｅ_ｎが継続的にゼロ以下になるのを防止する。ここで、正味発電量Ｅ_ｎがゼロ以下となるのが所定のｔ時間に亘ることを条件とすることから、外乱要素値Ｆ_ｄの変動により正味発電量Ｅ_ｎが一時的にゼロ以下となる場合を除外することができるため、正味発電量Ｅ_ｎを効果的に増大することができる。

また、冷却水温度センサ１１にて検出された冷却水温度Ｔ_ｒが所定の上限温度Ｔ_ｈ以上となるとき、駆動を停止されたファン２５を再駆動し、冷却水温度Ｔ_ｒを所定の上限温度Ｔ_ｈ未満に保持するべくファン２５の回転数を制御する。これにより、エンジン２の作動中にＲＣ回路６の機能を停止しても、ラジエータ１２への外気送風により冷却水回路４の冷却水を冷却することができるため、エンジン２の過熱を防止することができる。

更に、ファン２５が再駆動された後には、駆動を停止されたポンプ２８を再駆動し、発電量Ｅ_ｇからポンプ消費電力Ｅ_ｐを減じた正味発電量Ｅ_(n-p)を算出し、正味発電量Ｅ_(n-p)を最大値Ｅ_{(n-p)ｍａｘ}とするべくポンプ回転数を制御する。これにより、エンジン２の過熱を防止するためにファン２５を駆動し、ポンプ２８を再駆動してＲＣ回路６を再作動した場合であって、ＲＣ回路６の作動に関係ないファン消費電力Ｅ_ｆを除いた正味発電量Ｅ_(n-p)を極力増大することができ、廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を増大することができる。

更にまた、算出された正味発電量Ｅ_(n-p)が所定のｔ_２時間に亘ってゼロ以下となるとき、ポンプ２８の駆動を停止する。これにより、例えばエンジン２のアイドリング時などにエンジン２の廃熱量Ｑ_ｗ、即ち蒸発器１０、換言するとＲＣ回路６におけるエバ吸熱量Ｑ_ｉｎが減少するとき、ポンプ２８の駆動を停止して正味発電量Ｅ_(n-p)が継続的にゼロ以下になるのを防止することができる。ここで、正味発電量Ｅ_(n-p)がゼロ以下となるのが所定のｔ_２時間に亘ることを条件とすることから、外乱要素値Ｆ_ｄの変動により正味発電量Ｅ_(n-p)が一時的にゼロ以下となる場合を除外することができるため、正味発電量Ｅ_(n-p)を効果的に増大することができる。

また、算出された正味発電量Ｅ_ｎが所定のｔ_１時間に亘ってゼロより大となるとき、正味発電量Ｅ_ｎを最大値Ｅ_ｎｍａｘとするべくファン２５及びポンプ２８の回転数を制御する。これにより、ラジエータ１２への外気送風によりエンジン２の過熱を防止しつつ正味発電量Ｅ_(n-p)を最大値Ｅ_{(n-p)ｍａｘ}とするためのポンプ回転数のみの制御から、正味発電量Ｅ_ｎを最大値Ｅ_ｎｍａｘとするためのファン２５及びポンプ２８の回転数の制御に迅速に復帰させることができるため、正味発電量Ｅ_ｎを効果的に増大することができ、ひいては廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を大幅に増大することができる。

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、ポンプ回転数の遅延制御にポンプ回転数の加減速度制限値を設けたり、ポンプ回転数を車両の移動平均速度で制御したりしているが、これに限らずポンプ回転数を車両のエンジン２の作動状態を含む外乱要素値Ｆ_ｄに基づいて遅延できれば良い。

また、外乱要素値Ｆ_ｄは、車速以外に外気温度やエンジン２の廃熱量Ｑ_ｗ、エンジン２に燃料を供給するためのスロットル開度など様々なパラメータを含むことは勿論である。
更に、上記実施形態では、ＥＣＵにおいて、発電量Ｅ_ｇからファン消費電力Ｅ_ｆ、及びポンプ消費電力Ｅ_ｐを減じることにより正味発電量Ｅ_ｎを算出し、また、発電量Ｅ_ｇからポンプ消費電力Ｅ_ｐを減じた、ファン消費電力量Ｅ_ｆを除く正味発電量Ｅ_(n-p)を算出しているが、正味発電量Ｅ_ｎ，Ｅ_(n-p)を実測しても良く、この場合にはＥＣＵにおける上記各制御の制御性が向上して好ましい。

更にまた、上記実施形態では、ＥＣＵにおける各制御により、正味発電量Ｅ_ｎ，Ｅ_(n-p)を値がゼロとなることを基準にファン２５及びポンプ２８の起動または停止しているが、これに限らず、例えばファン２５及びポンプ２８の起動または停止に係るエネルギー損失を考慮して、この基準値を正の微少量ｅとして設定しても良く、この場合には廃熱利用装置の有効エネルギー回収量を更に増大することができて好ましい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置を概略的に示した模式図である。 コンデンサへの外気送風の風量Ｆに応じた、ファン消費電力Ｅ_ｆ、ポンプ消費電力Ｅ_ｐ、発電量Ｅ_ｇ、正味発電量Ｅ_ｎ、エバ吸熱量Ｑ_ｉｎを示した図である。 ポンプ回転数の加減速度を加減速度制限値に制限したときの車速の変化に対するポンプ回転数の変化を時系列的に示した図である。 ポンプ回転数を車速の移動平均値に基づいて制御したときの車速の変化に対するポンプ回転数の変化を時系列的に示した図である。 図１の廃熱利用装置のＥＣＵが行うファン・ポンプ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。 図５のファン・ポンプ回転数制御にてファン及びポンプを停止し、ファンを再駆動した場合にファン単独で実行するファン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。 図５のファン・ポンプ回転数制御にてファン及びポンプを停止し、ファンの後にポンプを再駆動した場合にポンプ単独で実行するポンプ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。

符号の説明

２ エンジン（内燃機関）
４ 冷却水回路
６ ランキンサイクル
７ 循環路
１０ 蒸発器
１１ 冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）
１２ ラジエータ
２０ 膨張機
２４ コンデンサ
２５ ファン
２８ 冷媒ポンプ（ポンプ）
３０ 発電機

Claims (10)

1. 作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器、該蒸発器から流出された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機から流出された作動流体をファンによる外気送風により凝縮させるコンデンサ、該コンデンサから流出された作動流体を前記蒸発器に送出して前記循環路に作動流体を循環させるポンプが介挿されたランキンサイクルと、
   前記膨張機に連結され、該膨張機にて発生した駆動力を電力に変換して発電する発電機と、
   前記内燃機関の作動状態を含む前記ランキンサイクルの外乱要素値に応じて前記ファン及び前記ポンプの回転数を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記発電機にて発電された発電量から前記ファン及び前記ポンプの消費電力を減じた正味発電量を増大させるように前記ファン及び前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 前記制御手段は、前記外乱要素値の変化に対して前記ポンプの回転数を遅れて制御する遅延制御を行う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. 前記制御手段は、前記ポンプの回転数の加減速度を所定の加減速度制限値に制限することにより遅延制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
4. 前記制御手段は、時系列的に検出される所定数の前記外乱要素値から算出される前記外乱要素値の移動平均値に基づいて前記ポンプの回転数を制御することにより遅延制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
5. 前記制御手段は、前記外乱要素値やその変化量に応じて、前記所定の加減速度制限値、または、前記移動平均値を算出するための前記外乱要素値の所定数を決定することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
6. 前記制御手段は、前記正味発電量が所定時間に亘って所定値以下となるとき、前記ファン及び前記ポンプの駆動を停止することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
7. 前記内燃機関の廃熱によって加熱された冷却水を前記蒸発器に流入させるとともに、該蒸発器から流出された冷却水を前記ファンによる外気送風により冷却させるラジエータを有する冷却水回路と、該内燃機関を経由した冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段にて検出された冷却水温度が所定温度以上となるとき、駆動を停止された前記ファンを再駆動し、冷却水温度を前記所定温度未満に保持するべく前記ファンの回転数を制御することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
8. 前記制御手段は、前記ファンが再駆動された後には、駆動を停止された前記ポンプを再駆動し、前記発電量から前記ポンプ消費電力を減じた第２正味発電量を増大させるように前記ポンプの回転数を制御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. 前記制御手段は、前記第２正味発電量が第２所定時間に亘って所定値以下となるとき、前記ポンプの駆動を停止することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
10. 前記制御手段は、前記正味発電量が第３所定時間に亘って所定値より大となるとき、前記正味発電量を増大させるように前記ファン及び前記ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の廃熱利用装置。

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