JP3901609B2 - ランキンサイクル装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機とを備えたランキンサイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−３４５８３５号公報には、エンジンの冷却系の冷媒蒸気をエンジンの廃熱により加熱してタービンを駆動する廃熱回収装置において、冷却経路の圧力あるいは温度をエンジンの運転状態に応じて最適制御することにより熱効率を向上させるものが記載されている。具体的には、エンジン回転数およびエンジン負荷が増加するほど冷却経路の圧力の目標値を低く設定し、実際の圧力が目標圧力に一致するように冷媒循環用ポンプの吐出量等を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
容積型の膨張機を備えたランキンサイクル装置において、図４に示すように、膨張機の入口における蒸気圧力が目標蒸気圧力（最適蒸気圧力）に一致していれば、膨張機の出口における蒸気圧力が膨張機の膨張比に見合った圧力になるが、入口の蒸気圧力が高すぎると膨張機の出口から排出される蒸気に余剰のエネルギーが残ってしまい、エネルギーが無駄に捨てられてしまう問題がある。逆に、入口の蒸気圧力が低すぎると膨張機の出口から排出される蒸気が負圧になってしまい、膨張機が負の仕事をして効率が低下してしまう問題がある。
【０００４】
このように、膨張機に供給される蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させることは重要であるが、蒸発器への給水量を変化させて蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させようとすると、それに伴って蒸気温度が変化してしまう問題がある。即ち、図３に示すように、ランキンサイクル装置の蒸発器の効率および膨張機の効率は蒸気温度によって変化し、両者の効率を合わせた総合効率を最大にするには、蒸気温度を最適蒸気温度に制御する必要があり、蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させるべく給水量を変化させたことで蒸気温度が最適蒸気温度から外れてしまうと、蒸発器および膨張機の総合効率が低下してしまう問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ランキンサイクル装置において、蒸発器への液相作動媒体の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に精度良く制御することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、エンジンの排気ガスで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機とを備えたランキンサイクル装置において、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に一致させるべく、蒸発器の出口での気相作動媒体の流量および目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に、前記気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、フィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御する制御手段を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、蒸発器の出口での気相作動媒体の流量および膨張機の入口での気相作動媒体の目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、フィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御するので、膨張機の回転数が変化したときの気相作動媒体の圧力の変化特性が気相作動媒体の流量の大小に応じて異なるのを補償し、蒸発器への液相作動媒体の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く、かつ精度良く一致させることができる。
【０００８】
尚、実施例のコントローラ２０は本発明の制御手段に対応する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図１２は本発明の第１実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図２は蒸気エネルギーおよび目標蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップ、図３は最適蒸気温度と蒸発器および膨張機の最高総合効率との関係を示すグラフ、図４は膨張機の入口圧力と出口圧力との関係を示すグラフ、図５は膨張機の回転数をステップ状に変化させたときの蒸気圧力の変化を示すグラフ、図６はフィードバックゲインを固定した場合の蒸気圧力の収束状態を示す図、図７はフィードバックゲインを可変にした場合の蒸気圧力の収束状態を示す図、図８は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図９はメインルーチンのステップＳ３のサブルーチンのフローチャート、図１０はメインルーチンのステップＳ４のサブルーチンのフローチャート、図１１は蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 から膨張機の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するマップ、図１２は蒸気流量Ｑからフィードバックゲインｋｐを検索するテーブルである。
【００１１】
図１に示すように、車両のエンジン１１の排気ガスの熱エネルギーを回収するためのランキンサイクル装置は、エンジン１１の排気ガスで液相作動媒体（水）を加熱して高温高圧の気相作動媒体（蒸気）を発生させる蒸発器１２と、蒸発器１２で発生した高温高圧の蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機１３と、膨張機１３から排出された蒸気を冷却して水に凝縮させる凝縮器１４と、凝縮器１４から排出された水を貯留するタンク１５と、タンク１５内の水を吸引する給水ポンプ１６と、給水ポンプ１６で吸引した水を蒸発器１２に噴射するインジェクタ１７とを閉回路上に配置してなる。
【００１２】
膨張機１３に接続されたモータ・ジェネレータ１８はエンジン１１と駆動輪との間に配置されており、モータ・ジェネレータ１８をモータとして機能させてエンジン１１の出力をアシストするとともに、車両の減速時にモータ・ジェネレータ１８をジェネレータとして機能させて車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。尚、モータ・ジェネレータ１８は膨張機１３に単体で接続されて電気エネルギーの発生機能のみを有するものでも良い。そして本発明では、モータ・ジェネレータ１８の負荷（発電量）を調整することで、モータ・ジェネレータ１８から膨張機１３に加わる負荷を調整して該膨張機１３の回転数を制御する。コントローラ２０には、蒸発器１２の出口での蒸気流量を検出する蒸気流量センサ２１からの信号と、膨張機１３の入口での蒸気圧力を検出する蒸気圧力センサ２２からの信号とが入力される。
【００１３】
コントローラ２０は、膨張機１３の入口での蒸気圧力の目標値である目標蒸気圧力を設定する目標蒸気圧力設定手段２３を備える。図２に示すように、目標蒸気圧力設定手段２３は目標蒸気温度および蒸気エネルギー（蒸気流量）に基づいて目標蒸気圧力を検索する。蒸発器１２の出口での蒸気温度は、蒸発器１２および膨張機１３の総合効率が最大になる温度（つまり最適蒸気温度）に一致するように、インジェクタ１７あるいは給水ポンプ１６から蒸発器１２への給水量を調整することにより制御されている。即ち、図３に示すように、蒸発器１２の効率および膨張機１３の効率は蒸気温度によって変化し、蒸気温度が増加すると蒸発器１２の効率が減少して膨張機１３の効率が増加し、逆に蒸気温度が減少すると蒸発器１２の効率が増加して膨張機１３の効率が減少することから、両者の効率を合わせた総合効率を最大になる最適蒸気温度が存在し、蒸発器１２の出口での蒸気温度は前記最適蒸気温度に制御されている。
【００１４】
膨張機１３の入口での蒸気圧力を目標蒸気圧力に制御するのは、次のような理由からである。即ち、図４に示すように、膨張機１３の入口における蒸気圧力が目標蒸気圧力に一致していれば、膨張機１３の出口における蒸気圧力が膨張機１３の膨張比に見合った圧力になるが、入口蒸気圧力が高すぎると膨張機１３の出口から排出される蒸気に余剰のエネルギーが残ってしまい、エネルギーが無駄に捨てられてしまう問題がある。逆に、入口蒸気圧力が低すぎると膨張機１３の出口から排出される蒸気が負圧になってしまい、膨張機１３が負の仕事をして効率が低下してしまう問題がある。
【００１５】
蒸発器１２の出口での蒸気温度を最適蒸気温度に保ったまま、つまり蒸発器１２への給水量を変化させずに、膨張機１３の入口での蒸気圧力を目標蒸気圧力に制御するには、モータ・ジェネレータ１８から膨張機１３に加わる負荷を調整して該膨張機１３の回転数を制御すれば良い。図５に示すように、膨張機１３の回転数を減少させると蒸気圧力は増加し、逆に膨張機１３の回転数を増加させると蒸気圧力は減少する。但し、蒸気圧力の変化の応答性は蒸気流量によって変化し、蒸気流量が小さいときには応答性が低くなり、蒸気圧力が定常状態に達するのに１００秒以上が必要であるのに対し、蒸気流量が大きいときには応答性が高くなり、蒸気圧力が定常状態に達するのに１０秒以下で済む。
【００１６】
尚、インジェクタ１７の前後差圧を検出し、目標給水量に一致するようにＴｉ値を制御するか、あるいは給水ポンプ１６の吐出圧を検出し、該給水ポンプ１６の回転数を制御すれば、膨張機１３の回転数が変化しても蒸発器１２への給水量が一定に保持され、蒸発器１１の出口での蒸気温度を最適蒸気温度に保持することができる。
【００１７】
蒸気圧力を目標蒸気圧力にフィードバック制御する際に、図６（Ａ）に示すようにフィードバックゲインｋｐ（比例項）を一定値とすると、図６（Ｂ）に示すように、蒸気流量が大きいときに適切な応答性が得られるように前記フィードバックゲインｋｐを設定すると、蒸気流量が小さいときに充分な応答性が得られなくなってしまう。それに対して、図７（Ａ）に示すように蒸気流量をパラメータとするゲインテーブルから検索したフィードバックゲインｋｐを用いることにより、図７（Ｂ）に示すように、蒸気流量が大きいときにも小さいときにも適切な応答性が得られるようになる。
【００１８】
つまり、本発明の要点は、膨張機１３の入口での蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させるべく膨張機１３の回転数をフィードバック制御する際に、フィードバックゲインを蒸気流量に応じて変更することにある。以下、その具体的な内容を、図１のブロック図および図８〜図１０のフローチャートに基づいて説明する。
【００１９】
先ず、図８のフローチャートのステップＳ１で蒸気流量センサ２１により蒸発器１２の出口での蒸気流量Ｑを検出し、ステップＳ２で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出した後に、ステップＳ３で膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを算出する。即ち、図９のフローチャートのステップＳ１１で図１１のマップから蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 をパラメータとして膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索する。図１１から明らかなように、フィードフォワード値ＮFFは、蒸気流量Ｑが小さく目標蒸気圧力Ｐ0 が大きいほど小さく、蒸気流量Ｑが大きく目標蒸気圧力Ｐ0 が小さいほど大きくなるように設定されている。
【００２０】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ４で膨張機１３の回転数のフィードバック値ＮFBを算出する。即ち、図１０のフローチャートのステップＳ２１で蒸気圧力センサ２２により検出した膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐと、目標蒸気圧力設定手段２３で設定した目標蒸気圧力Ｐ0 との偏差ΔＰ＝｜Ｐ−Ｐ0 ｜を算出し、続くステップＳ２２で蒸気流量センサ２１により検出した蒸気流量Ｑを図１２のテーブルに適用してゲインｋｐを検索する。図１２のテーブルから明らかなように、ゲインｋｐは蒸気流量Ｑの増加に伴って減少する。そしてステップＳ２３でゲインｋｐに偏差ΔＰを乗算して膨張機１３の回転数のフィードバック値ＮFBを算出する。
【００２１】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ５で蒸気圧力Ｐが目標蒸気圧力Ｐ0 以上であれば、ステップＳ６で膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFにフィードバック値ＮFBを加算して膨張機１３の回転数指令値Ｎを算出し、またステップＳ５で蒸気圧力Ｐが目標蒸気圧力Ｐ0 未満であれば、ステップＳ７で膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFからフィードバック値ＮFBを減算して膨張機１３の回転数指令値Ｎを算出する。しかして、回転数指令値Ｎに基づいてモータ・ジェネレータ１８の回転数、つまり膨張機１３の回転数を制御することで、膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを目標蒸気圧力Ｐ0 に応答性良く、かつ精度良く収束させることができ、これにより、膨張機１３の出口から排出される蒸気に余剰のエネルギーが残ったり、膨張機１３の出口から排出される蒸気が負圧になって膨張機１３が負の仕事をして効率が低下したりする問題を解消することができる。
【００２２】
図１３〜図１６は本発明の第２実施例を示すもので、図１３はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図１４は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図１５はメインルーチンのステップＳ３４のサブルーチンのフローチャート、図１６は蒸気圧力Ｐおよび蒸気温度Ｔから蒸気の比容積Ｖを検索するマップである。
【００２３】
図１３に示すように、第２実施例は第１実施例（図１参照）の蒸気流量センサ２１を備えておらず、その代わりに蒸発器１２の入口側に給水量センサ２４を備えるとともに、膨張機１３の入口側に蒸気温度センサ２５を備える。第１実施例が蒸気流量Ｑを蒸気流量センサ２１によって直接検出するのに対し、第２実施例では蒸気流量Ｑを蒸気圧力センサ２２で検出した蒸気圧力Ｐと、給水量センサ２４で検出した給水質量流量Ｇｗと、蒸気温度センサ２５で検出した蒸気温度Ｔとを用いて算出しており、その他の構成および作用は第１実施例と同様である。
【００２４】
第２実施例の作用をフローチャートを参照して説明すると、先ず、図１４のフローチャートのステップＳ３１で蒸気温度センサ２５により膨張機１３の入口での蒸気温度Ｔを検出し、ステップＳ３２で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出し、更にステップＳ３３で給水量センサ２４で蒸発器１２への給水質量流量Ｇｗを検出する。
【００２５】
続くステップＳ３４で蒸気流量センサ２１を用いずに膨張機１３への蒸気流量Ｑを算出する。即ち、図１５のフローチャートのステップＳ４１で図１６のマップから蒸気温度Ｔおよび蒸気圧力Ｐをパラメータとして蒸気の比容積Ｖを検索する。図１６から明らかなように、蒸気の比容積Ｖは、蒸気圧力Ｐが小さく、かつ蒸気温度Ｔが高いほど大きくなるように設定されている。続くステップＳ４２で蒸気流量Ｑを、比容積Ｖに給水量センサ２４で検出した給水質量流量Ｇｗを乗算することにより算出する。
【００２６】
以上のようにして蒸気流量Ｑが算出されると、図１４のフローチャートのステップＳ３５〜Ｓ３９に移行する。これらのステップは図８のフローチャート（第１実施例）のステップＳ３〜Ｓ７と全く同一であるため、その重複する説明を省略する。しかして、この第２実施例によれば、蒸気流量センサ２１を廃止することができる。
【００２７】
図１７〜図２０は本発明の第３実施例を示すもので、図１７はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図１８は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図１９はメインルーチンのステップＳ５３のサブルーチンのフローチャート、図２０はメインルーチンのステップＳ５４のサブルーチンのフローチャートである。
【００２８】
図１７に示すように、第３実施例は第２実施例（図１３参照）の給水量センサ２４を備えておらず、その代わりにコントローラ２０に温度制御部２６が設けられる。第２実施例が給水質量流量Ｇｗを給水量センサ２４で検出するのに対し、第３実施例では温度制御部２６が出力する指令給水質量流量Ｇ0 から前記給水質量流量Ｇｗに対応する蒸気質量流量Ｇｓを算出しており、その他の構成および作用は第２実施例と同様である。
【００２９】
第３実施例の作用をフローチャートを参照して説明すると、先ず、図１８のフローチャートのステップＳ５１で蒸気温度センサ２５により膨張機１３の入口での蒸気温度Ｔを検出し、ステップＳ５２で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出し、更にステップＳ５３で蒸気質量流量Ｇｓを算出する。
【００３０】
即ち、図１９のフローチャートのステップＳ６１でインジェクタ１７あるいは給水ポンプ１６の給水量を制御することで蒸気温度Ｔを制御する温度制御部２６が出力する指令給水質量流量Ｇ0 を読み込み、ステップＳ６２で指令給水質量流量Ｇ0 に遅れフィルタ処理を施すことで蒸気質量流量Ｇｓを算出する。この遅れフィルタ処理は、温度制御部２６が指令給水質量流量Ｇ0 を出力してから、蒸発器１２が実際に蒸気を発生するまでの時間遅れを補償するためのものである。
【００３１】
続いて図１８のフローチャートのステップＳ５４で蒸気流量Ｑを算出する。このステップＳ５４のサブルーチンが図２０に示されているが、図２０のフローチャートは第２実施例の図１５のフローチャートと実質的に同じであり、第２実施例の給水質量流量Ｇｗが、それと実質的に同じものである蒸気質量流量Ｇｓに変わっただけである。
【００３２】
以上のようにして蒸気流量Ｑが算出されると、図１８のフローチャートのステップＳ５５〜Ｓ５９に移行する。これらのステップは図８のフローチャート（第１実施例）のステップＳ３〜Ｓ７と全く同一であるため、その重複する説明を省略する。しかして、この第３実施例によれば、給水量センサ２４を廃止することができる。
【００３３】
図２１〜図２５は本発明の第４実施例を示すもので、図２１はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図２２は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図２３はメインルーチンのステップＳ７２のサブルーチンのフローチャート、図２４はメインルーチンのステップＳ７３のサブルーチンのフローチャート、図２５はメインルーチンのステップＳ７４のサブルーチンのフローチャートである。
【００３４】
図２１に示すように、第４実施例は第３実施例（図１３参照）の蒸気温度センサ２５を備えておらず、その代わりにコントローラ２０の温度制御部２６が指令給水質量流量Ｇ0 に加えて指令蒸気温度Ｔ0 を出力する。比容積マップには、指令蒸気温度Ｔ0 を遅れフィルタ２で遅れ処理した蒸気温度Ｔと、目標蒸気圧力Ｐ0 とが入力され、そこで検索された蒸気の比容積Ｖが蒸気質量流量Ｇｓに乗算されて蒸気流量Ｑが算出される。また第１〜第３実施例の蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 をパラメータとして膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するマップに代えて、蒸気流量Ｑだけをパラメータとして膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するテーブルを備えており、その他の構成および作用は第３実施例と同様である。
【００３５】
尚、蒸気の比容積Ｖは、図１６の横軸を「蒸気圧力Ｐ」から「目標蒸気圧力Ｐ0 」に読み換えて示す。
【００３６】
第４実施例の作用をフローチャートを参照して説明すると、先ず、図２２のフローチャートのステップＳ７１で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出し、更にステップＳ７２で蒸気質量流量Ｇｓを算出する。ステップＳ７２のサブルーチンである図２３のフローチャートは、第３実施例の図１９のフローチャートと実質的に同一であるが、時定数τを後述する第２時定数τ２と区別するための第１時定数τ１としている点でのみ異なっている。
【００３７】
続いて図２２のフローチャートのステップＳ７３で蒸気流量Ｑを算出する。このステップＳ７３のサブルーチンが図２４に示されており、図２４のフローチャートのステップＳ９１で温度制御部２６が出力する指令蒸気温度Ｔ0 を遅れフィルタ２で遅れ処理して蒸気温度Ｔを算出し、ステップＳ９２で前記蒸気温度Ｔと、目標蒸気圧力設定手段２３が出力する目標蒸気圧力Ｐ0 とを比容積マップに適用して蒸気の比容積Ｖを検索する。そしてステップＳ９３で遅れフィルタ１が出力する蒸気質量流量Ｇｓに蒸気の比容積Ｖを乗算して蒸気流量Ｑを算出する。
【００３８】
続いて、図２２のフローチャートのステップＳ７４、つまり図２５のフローチャートのステップＳ１０１で蒸気流量Ｑを膨張機回転数テーブルに適用して膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索する。この膨張機回転数テーブルは第１〜第３実施例と異なって目標蒸気圧力Ｐ0 をパラメータとしていないが、蒸気流量Ｑを算出する過程で比容積マップに目標蒸気圧力Ｐ0 を適用しているので、結果的に目標蒸気圧力Ｐ0 が考慮されていることになる。このようにして蒸気流量Ｑから検索された算出された膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFは、蒸気温度や蒸気圧力に関わらずに蒸気流量Ｑに比例するものであるが、実際には蒸気のリーク等の影響で蒸気流量Ｑに正確に比例しない場合があり、その誤差は膨張機１３の回転数のフィードバック制御により補償される。
【００３９】
図２２のフローチャートの最後のステップＳ７５〜Ｓ７８は、図８のフローチャート（第１実施例）のステップＳ４〜Ｓ７と全く同一であるため、その重複する説明を省略する。しかして、この第４実施例によれば、蒸気温度センサ２５を廃止することができる。
【００４０】
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。
【００４１】
例えば、作動媒体は水（蒸気）に限定されず、他の適宜の作動媒体を採用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、蒸発器の出口での気相作動媒体の流量および膨張機の入口での気相作動媒体の目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、フィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御するので、膨張機の回転数が変化したときの気相作動媒体の圧力の変化特性が気相作動媒体の流量の大小に応じて異なるのを補償し、蒸発器への液相作動媒体の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く、かつ精度良く一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図２】蒸気エネルギーおよび目標蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップ
【図３】最適蒸気温度と蒸発器および膨張機の最高総合効率との関係を示すグラフ
【図４】膨張機の入口圧力と出口圧力との関係を示すグラフ
【図５】膨張機の回転数をステップ状に変化させたときの蒸気圧力の変化を示すグラフ
【図６】フィードバックゲインを固定した場合の蒸気圧力の収束状態を示す図
【図７】フィードバックゲインを可変にした場合の蒸気圧力の収束状態を示す図
【図８】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図９】メインルーチンのステップＳ３のサブルーチンのフローチャート
【図１０】メインルーチンのステップＳ４のサブルーチンのフローチャート
【図１１】蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 から膨張機の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するマップ
【図１２】蒸気流量Ｑからフィードバックゲインｋｐを検索するテーブル
【図１３】第２実施例に係るランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図１４】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図１５】メインルーチンのステップＳ３４のサブルーチンのフローチャート
【図１６】蒸気圧力Ｐおよび蒸気温度Ｔから蒸気の比容積Ｖを検索するマップ
【図１７】第３実施例に係るランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図１８】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図１９】メインルーチンのステップＳ５３のサブルーチンのフローチャート
【図２０】メインルーチンのステップＳ５４のサブルーチンのフローチャート
【図２１】第４実施例に係るランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図２２】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図２３】メインルーチンのステップＳ７２のサブルーチンのフローチャート
【図２４】メインルーチンのステップＳ７３のサブルーチンのフローチャート
【図２５】メインルーチンのステップＳ７４のサブルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１１ エンジン
１２ 蒸発器
１３ 膨張機
２０ コントローラ（制御手段）
ＮFF フィードフォワード値
ＮFB フィードバック値
ｋｐ フィードバックゲイン
【発明の属する技術分野】
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気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機とを備えたランキンサイクル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−３４５８３５号公報には、エンジンの冷却系の冷媒蒸気をエンジンの廃熱により加熱してタービンを駆動する廃熱回収装置において、冷却経路の圧力あるいは温度をエンジンの運転状態に応じて最適制御することにより熱効率を向上させるものが記載されている。具体的には、エンジン回転数およびエンジン負荷が増加するほど冷却経路の圧力の目標値を低く設定し、実際の圧力が目標圧力に一致するように冷媒循環用ポンプの吐出量等を制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
容積型の膨張機を備えたランキンサイクル装置において、図４に示すように、膨張機の入口における蒸気圧力が目標蒸気圧力（最適蒸気圧力）に一致していれば、膨張機の出口における蒸気圧力が膨張機の膨張比に見合った圧力になるが、入口の蒸気圧力が高すぎると膨張機の出口から排出される蒸気に余剰のエネルギーが残ってしまい、エネルギーが無駄に捨てられてしまう問題がある。逆に、入口の蒸気圧力が低すぎると膨張機の出口から排出される蒸気が負圧になってしまい、膨張機が負の仕事をして効率が低下してしまう問題がある。
【０００４】
このように、膨張機に供給される蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させることは重要であるが、蒸発器への給水量を変化させて蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させようとすると、それに伴って蒸気温度が変化してしまう問題がある。即ち、図３に示すように、ランキンサイクル装置の蒸発器の効率および膨張機の効率は蒸気温度によって変化し、両者の効率を合わせた総合効率を最大にするには、蒸気温度を最適蒸気温度に制御する必要があり、蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させるべく給水量を変化させたことで蒸気温度が最適蒸気温度から外れてしまうと、蒸発器および膨張機の総合効率が低下してしまう問題がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ランキンサイクル装置において、蒸発器への液相作動媒体の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に精度良く制御することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、エンジンの排気ガスで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器と、蒸発器で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機とを備えたランキンサイクル装置において、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に一致させるべく、蒸発器の出口での気相作動媒体の流量および目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に、前記気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、フィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御する制御手段を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、蒸発器の出口での気相作動媒体の流量および膨張機の入口での気相作動媒体の目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、フィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御するので、膨張機の回転数が変化したときの気相作動媒体の圧力の変化特性が気相作動媒体の流量の大小に応じて異なるのを補償し、蒸発器への液相作動媒体の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く、かつ精度良く一致させることができる。
【０００８】
尚、実施例のコントローラ２０は本発明の制御手段に対応する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図１２は本発明の第１実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図２は蒸気エネルギーおよび目標蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップ、図３は最適蒸気温度と蒸発器および膨張機の最高総合効率との関係を示すグラフ、図４は膨張機の入口圧力と出口圧力との関係を示すグラフ、図５は膨張機の回転数をステップ状に変化させたときの蒸気圧力の変化を示すグラフ、図６はフィードバックゲインを固定した場合の蒸気圧力の収束状態を示す図、図７はフィードバックゲインを可変にした場合の蒸気圧力の収束状態を示す図、図８は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図９はメインルーチンのステップＳ３のサブルーチンのフローチャート、図１０はメインルーチンのステップＳ４のサブルーチンのフローチャート、図１１は蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 から膨張機の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するマップ、図１２は蒸気流量Ｑからフィードバックゲインｋｐを検索するテーブルである。
【００１１】
図１に示すように、車両のエンジン１１の排気ガスの熱エネルギーを回収するためのランキンサイクル装置は、エンジン１１の排気ガスで液相作動媒体（水）を加熱して高温高圧の気相作動媒体（蒸気）を発生させる蒸発器１２と、蒸発器１２で発生した高温高圧の蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機１３と、膨張機１３から排出された蒸気を冷却して水に凝縮させる凝縮器１４と、凝縮器１４から排出された水を貯留するタンク１５と、タンク１５内の水を吸引する給水ポンプ１６と、給水ポンプ１６で吸引した水を蒸発器１２に噴射するインジェクタ１７とを閉回路上に配置してなる。
【００１２】
膨張機１３に接続されたモータ・ジェネレータ１８はエンジン１１と駆動輪との間に配置されており、モータ・ジェネレータ１８をモータとして機能させてエンジン１１の出力をアシストするとともに、車両の減速時にモータ・ジェネレータ１８をジェネレータとして機能させて車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。尚、モータ・ジェネレータ１８は膨張機１３に単体で接続されて電気エネルギーの発生機能のみを有するものでも良い。そして本発明では、モータ・ジェネレータ１８の負荷（発電量）を調整することで、モータ・ジェネレータ１８から膨張機１３に加わる負荷を調整して該膨張機１３の回転数を制御する。コントローラ２０には、蒸発器１２の出口での蒸気流量を検出する蒸気流量センサ２１からの信号と、膨張機１３の入口での蒸気圧力を検出する蒸気圧力センサ２２からの信号とが入力される。
【００１３】
コントローラ２０は、膨張機１３の入口での蒸気圧力の目標値である目標蒸気圧力を設定する目標蒸気圧力設定手段２３を備える。図２に示すように、目標蒸気圧力設定手段２３は目標蒸気温度および蒸気エネルギー（蒸気流量）に基づいて目標蒸気圧力を検索する。蒸発器１２の出口での蒸気温度は、蒸発器１２および膨張機１３の総合効率が最大になる温度（つまり最適蒸気温度）に一致するように、インジェクタ１７あるいは給水ポンプ１６から蒸発器１２への給水量を調整することにより制御されている。即ち、図３に示すように、蒸発器１２の効率および膨張機１３の効率は蒸気温度によって変化し、蒸気温度が増加すると蒸発器１２の効率が減少して膨張機１３の効率が増加し、逆に蒸気温度が減少すると蒸発器１２の効率が増加して膨張機１３の効率が減少することから、両者の効率を合わせた総合効率を最大になる最適蒸気温度が存在し、蒸発器１２の出口での蒸気温度は前記最適蒸気温度に制御されている。
【００１４】
膨張機１３の入口での蒸気圧力を目標蒸気圧力に制御するのは、次のような理由からである。即ち、図４に示すように、膨張機１３の入口における蒸気圧力が目標蒸気圧力に一致していれば、膨張機１３の出口における蒸気圧力が膨張機１３の膨張比に見合った圧力になるが、入口蒸気圧力が高すぎると膨張機１３の出口から排出される蒸気に余剰のエネルギーが残ってしまい、エネルギーが無駄に捨てられてしまう問題がある。逆に、入口蒸気圧力が低すぎると膨張機１３の出口から排出される蒸気が負圧になってしまい、膨張機１３が負の仕事をして効率が低下してしまう問題がある。
【００１５】
蒸発器１２の出口での蒸気温度を最適蒸気温度に保ったまま、つまり蒸発器１２への給水量を変化させずに、膨張機１３の入口での蒸気圧力を目標蒸気圧力に制御するには、モータ・ジェネレータ１８から膨張機１３に加わる負荷を調整して該膨張機１３の回転数を制御すれば良い。図５に示すように、膨張機１３の回転数を減少させると蒸気圧力は増加し、逆に膨張機１３の回転数を増加させると蒸気圧力は減少する。但し、蒸気圧力の変化の応答性は蒸気流量によって変化し、蒸気流量が小さいときには応答性が低くなり、蒸気圧力が定常状態に達するのに１００秒以上が必要であるのに対し、蒸気流量が大きいときには応答性が高くなり、蒸気圧力が定常状態に達するのに１０秒以下で済む。
【００１６】
尚、インジェクタ１７の前後差圧を検出し、目標給水量に一致するようにＴｉ値を制御するか、あるいは給水ポンプ１６の吐出圧を検出し、該給水ポンプ１６の回転数を制御すれば、膨張機１３の回転数が変化しても蒸発器１２への給水量が一定に保持され、蒸発器１１の出口での蒸気温度を最適蒸気温度に保持することができる。
【００１７】
蒸気圧力を目標蒸気圧力にフィードバック制御する際に、図６（Ａ）に示すようにフィードバックゲインｋｐ（比例項）を一定値とすると、図６（Ｂ）に示すように、蒸気流量が大きいときに適切な応答性が得られるように前記フィードバックゲインｋｐを設定すると、蒸気流量が小さいときに充分な応答性が得られなくなってしまう。それに対して、図７（Ａ）に示すように蒸気流量をパラメータとするゲインテーブルから検索したフィードバックゲインｋｐを用いることにより、図７（Ｂ）に示すように、蒸気流量が大きいときにも小さいときにも適切な応答性が得られるようになる。
【００１８】
つまり、本発明の要点は、膨張機１３の入口での蒸気圧力を目標蒸気圧力に一致させるべく膨張機１３の回転数をフィードバック制御する際に、フィードバックゲインを蒸気流量に応じて変更することにある。以下、その具体的な内容を、図１のブロック図および図８〜図１０のフローチャートに基づいて説明する。
【００１９】
先ず、図８のフローチャートのステップＳ１で蒸気流量センサ２１により蒸発器１２の出口での蒸気流量Ｑを検出し、ステップＳ２で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出した後に、ステップＳ３で膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを算出する。即ち、図９のフローチャートのステップＳ１１で図１１のマップから蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 をパラメータとして膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索する。図１１から明らかなように、フィードフォワード値ＮFFは、蒸気流量Ｑが小さく目標蒸気圧力Ｐ0 が大きいほど小さく、蒸気流量Ｑが大きく目標蒸気圧力Ｐ0 が小さいほど大きくなるように設定されている。
【００２０】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ４で膨張機１３の回転数のフィードバック値ＮFBを算出する。即ち、図１０のフローチャートのステップＳ２１で蒸気圧力センサ２２により検出した膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐと、目標蒸気圧力設定手段２３で設定した目標蒸気圧力Ｐ0 との偏差ΔＰ＝｜Ｐ−Ｐ0 ｜を算出し、続くステップＳ２２で蒸気流量センサ２１により検出した蒸気流量Ｑを図１２のテーブルに適用してゲインｋｐを検索する。図１２のテーブルから明らかなように、ゲインｋｐは蒸気流量Ｑの増加に伴って減少する。そしてステップＳ２３でゲインｋｐに偏差ΔＰを乗算して膨張機１３の回転数のフィードバック値ＮFBを算出する。
【００２１】
図８のフローチャートに戻り、ステップＳ５で蒸気圧力Ｐが目標蒸気圧力Ｐ0 以上であれば、ステップＳ６で膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFにフィードバック値ＮFBを加算して膨張機１３の回転数指令値Ｎを算出し、またステップＳ５で蒸気圧力Ｐが目標蒸気圧力Ｐ0 未満であれば、ステップＳ７で膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFからフィードバック値ＮFBを減算して膨張機１３の回転数指令値Ｎを算出する。しかして、回転数指令値Ｎに基づいてモータ・ジェネレータ１８の回転数、つまり膨張機１３の回転数を制御することで、膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを目標蒸気圧力Ｐ0 に応答性良く、かつ精度良く収束させることができ、これにより、膨張機１３の出口から排出される蒸気に余剰のエネルギーが残ったり、膨張機１３の出口から排出される蒸気が負圧になって膨張機１３が負の仕事をして効率が低下したりする問題を解消することができる。
【００２２】
図１３〜図１６は本発明の第２実施例を示すもので、図１３はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図１４は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図１５はメインルーチンのステップＳ３４のサブルーチンのフローチャート、図１６は蒸気圧力Ｐおよび蒸気温度Ｔから蒸気の比容積Ｖを検索するマップである。
【００２３】
図１３に示すように、第２実施例は第１実施例（図１参照）の蒸気流量センサ２１を備えておらず、その代わりに蒸発器１２の入口側に給水量センサ２４を備えるとともに、膨張機１３の入口側に蒸気温度センサ２５を備える。第１実施例が蒸気流量Ｑを蒸気流量センサ２１によって直接検出するのに対し、第２実施例では蒸気流量Ｑを蒸気圧力センサ２２で検出した蒸気圧力Ｐと、給水量センサ２４で検出した給水質量流量Ｇｗと、蒸気温度センサ２５で検出した蒸気温度Ｔとを用いて算出しており、その他の構成および作用は第１実施例と同様である。
【００２４】
第２実施例の作用をフローチャートを参照して説明すると、先ず、図１４のフローチャートのステップＳ３１で蒸気温度センサ２５により膨張機１３の入口での蒸気温度Ｔを検出し、ステップＳ３２で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出し、更にステップＳ３３で給水量センサ２４で蒸発器１２への給水質量流量Ｇｗを検出する。
【００２５】
続くステップＳ３４で蒸気流量センサ２１を用いずに膨張機１３への蒸気流量Ｑを算出する。即ち、図１５のフローチャートのステップＳ４１で図１６のマップから蒸気温度Ｔおよび蒸気圧力Ｐをパラメータとして蒸気の比容積Ｖを検索する。図１６から明らかなように、蒸気の比容積Ｖは、蒸気圧力Ｐが小さく、かつ蒸気温度Ｔが高いほど大きくなるように設定されている。続くステップＳ４２で蒸気流量Ｑを、比容積Ｖに給水量センサ２４で検出した給水質量流量Ｇｗを乗算することにより算出する。
【００２６】
以上のようにして蒸気流量Ｑが算出されると、図１４のフローチャートのステップＳ３５〜Ｓ３９に移行する。これらのステップは図８のフローチャート（第１実施例）のステップＳ３〜Ｓ７と全く同一であるため、その重複する説明を省略する。しかして、この第２実施例によれば、蒸気流量センサ２１を廃止することができる。
【００２７】
図１７〜図２０は本発明の第３実施例を示すもので、図１７はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図１８は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図１９はメインルーチンのステップＳ５３のサブルーチンのフローチャート、図２０はメインルーチンのステップＳ５４のサブルーチンのフローチャートである。
【００２８】
図１７に示すように、第３実施例は第２実施例（図１３参照）の給水量センサ２４を備えておらず、その代わりにコントローラ２０に温度制御部２６が設けられる。第２実施例が給水質量流量Ｇｗを給水量センサ２４で検出するのに対し、第３実施例では温度制御部２６が出力する指令給水質量流量Ｇ0 から前記給水質量流量Ｇｗに対応する蒸気質量流量Ｇｓを算出しており、その他の構成および作用は第２実施例と同様である。
【００２９】
第３実施例の作用をフローチャートを参照して説明すると、先ず、図１８のフローチャートのステップＳ５１で蒸気温度センサ２５により膨張機１３の入口での蒸気温度Ｔを検出し、ステップＳ５２で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出し、更にステップＳ５３で蒸気質量流量Ｇｓを算出する。
【００３０】
即ち、図１９のフローチャートのステップＳ６１でインジェクタ１７あるいは給水ポンプ１６の給水量を制御することで蒸気温度Ｔを制御する温度制御部２６が出力する指令給水質量流量Ｇ0 を読み込み、ステップＳ６２で指令給水質量流量Ｇ0 に遅れフィルタ処理を施すことで蒸気質量流量Ｇｓを算出する。この遅れフィルタ処理は、温度制御部２６が指令給水質量流量Ｇ0 を出力してから、蒸発器１２が実際に蒸気を発生するまでの時間遅れを補償するためのものである。
【００３１】
続いて図１８のフローチャートのステップＳ５４で蒸気流量Ｑを算出する。このステップＳ５４のサブルーチンが図２０に示されているが、図２０のフローチャートは第２実施例の図１５のフローチャートと実質的に同じであり、第２実施例の給水質量流量Ｇｗが、それと実質的に同じものである蒸気質量流量Ｇｓに変わっただけである。
【００３２】
以上のようにして蒸気流量Ｑが算出されると、図１８のフローチャートのステップＳ５５〜Ｓ５９に移行する。これらのステップは図８のフローチャート（第１実施例）のステップＳ３〜Ｓ７と全く同一であるため、その重複する説明を省略する。しかして、この第３実施例によれば、給水量センサ２４を廃止することができる。
【００３３】
図２１〜図２５は本発明の第４実施例を示すもので、図２１はランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図、図２２は蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート、図２３はメインルーチンのステップＳ７２のサブルーチンのフローチャート、図２４はメインルーチンのステップＳ７３のサブルーチンのフローチャート、図２５はメインルーチンのステップＳ７４のサブルーチンのフローチャートである。
【００３４】
図２１に示すように、第４実施例は第３実施例（図１３参照）の蒸気温度センサ２５を備えておらず、その代わりにコントローラ２０の温度制御部２６が指令給水質量流量Ｇ0 に加えて指令蒸気温度Ｔ0 を出力する。比容積マップには、指令蒸気温度Ｔ0 を遅れフィルタ２で遅れ処理した蒸気温度Ｔと、目標蒸気圧力Ｐ0 とが入力され、そこで検索された蒸気の比容積Ｖが蒸気質量流量Ｇｓに乗算されて蒸気流量Ｑが算出される。また第１〜第３実施例の蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 をパラメータとして膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するマップに代えて、蒸気流量Ｑだけをパラメータとして膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するテーブルを備えており、その他の構成および作用は第３実施例と同様である。
【００３５】
尚、蒸気の比容積Ｖは、図１６の横軸を「蒸気圧力Ｐ」から「目標蒸気圧力Ｐ0 」に読み換えて示す。
【００３６】
第４実施例の作用をフローチャートを参照して説明すると、先ず、図２２のフローチャートのステップＳ７１で蒸気圧力センサ２２により膨張機１３の入口での蒸気圧力Ｐを検出し、更にステップＳ７２で蒸気質量流量Ｇｓを算出する。ステップＳ７２のサブルーチンである図２３のフローチャートは、第３実施例の図１９のフローチャートと実質的に同一であるが、時定数τを後述する第２時定数τ２と区別するための第１時定数τ１としている点でのみ異なっている。
【００３７】
続いて図２２のフローチャートのステップＳ７３で蒸気流量Ｑを算出する。このステップＳ７３のサブルーチンが図２４に示されており、図２４のフローチャートのステップＳ９１で温度制御部２６が出力する指令蒸気温度Ｔ0 を遅れフィルタ２で遅れ処理して蒸気温度Ｔを算出し、ステップＳ９２で前記蒸気温度Ｔと、目標蒸気圧力設定手段２３が出力する目標蒸気圧力Ｐ0 とを比容積マップに適用して蒸気の比容積Ｖを検索する。そしてステップＳ９３で遅れフィルタ１が出力する蒸気質量流量Ｇｓに蒸気の比容積Ｖを乗算して蒸気流量Ｑを算出する。
【００３８】
続いて、図２２のフローチャートのステップＳ７４、つまり図２５のフローチャートのステップＳ１０１で蒸気流量Ｑを膨張機回転数テーブルに適用して膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索する。この膨張機回転数テーブルは第１〜第３実施例と異なって目標蒸気圧力Ｐ0 をパラメータとしていないが、蒸気流量Ｑを算出する過程で比容積マップに目標蒸気圧力Ｐ0 を適用しているので、結果的に目標蒸気圧力Ｐ0 が考慮されていることになる。このようにして蒸気流量Ｑから検索された算出された膨張機１３の回転数のフィードフォワード値ＮFFは、蒸気温度や蒸気圧力に関わらずに蒸気流量Ｑに比例するものであるが、実際には蒸気のリーク等の影響で蒸気流量Ｑに正確に比例しない場合があり、その誤差は膨張機１３の回転数のフィードバック制御により補償される。
【００３９】
図２２のフローチャートの最後のステップＳ７５〜Ｓ７８は、図８のフローチャート（第１実施例）のステップＳ４〜Ｓ７と全く同一であるため、その重複する説明を省略する。しかして、この第４実施例によれば、蒸気温度センサ２５を廃止することができる。
【００４０】
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。
【００４１】
例えば、作動媒体は水（蒸気）に限定されず、他の適宜の作動媒体を採用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、蒸発器の出口での気相作動媒体の流量および膨張機の入口での気相作動媒体の目標圧力に基づいてフィードフォワード値を算出するとともに、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲインを乗算してフィードバック値を算出し、フィードフォワード値およびフィードバック値の加・減算値に基づいて膨張機の回転数を制御するので、膨張機の回転数が変化したときの気相作動媒体の圧力の変化特性が気相作動媒体の流量の大小に応じて異なるのを補償し、蒸発器への液相作動媒体の供給量を変化させることなく、膨張機の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に応答性良く、かつ精度良く一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図２】蒸気エネルギーおよび目標蒸気温度から目標蒸気圧力を検索するマップ
【図３】最適蒸気温度と蒸発器および膨張機の最高総合効率との関係を示すグラフ
【図４】膨張機の入口圧力と出口圧力との関係を示すグラフ
【図５】膨張機の回転数をステップ状に変化させたときの蒸気圧力の変化を示すグラフ
【図６】フィードバックゲインを固定した場合の蒸気圧力の収束状態を示す図
【図７】フィードバックゲインを可変にした場合の蒸気圧力の収束状態を示す図
【図８】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図９】メインルーチンのステップＳ３のサブルーチンのフローチャート
【図１０】メインルーチンのステップＳ４のサブルーチンのフローチャート
【図１１】蒸気流量Ｑおよび目標蒸気圧力Ｐ0 から膨張機の回転数のフィードフォワード値ＮFFを検索するマップ
【図１２】蒸気流量Ｑからフィードバックゲインｋｐを検索するテーブル
【図１３】第２実施例に係るランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図１４】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図１５】メインルーチンのステップＳ３４のサブルーチンのフローチャート
【図１６】蒸気圧力Ｐおよび蒸気温度Ｔから蒸気の比容積Ｖを検索するマップ
【図１７】第３実施例に係るランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図１８】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図１９】メインルーチンのステップＳ５３のサブルーチンのフローチャート
【図２０】メインルーチンのステップＳ５４のサブルーチンのフローチャート
【図２１】第４実施例に係るランキンサイクル装置およびその制御系のブロック図
【図２２】蒸気圧力制御のメインルーチンのフローチャート
【図２３】メインルーチンのステップＳ７２のサブルーチンのフローチャート
【図２４】メインルーチンのステップＳ７３のサブルーチンのフローチャート
【図２５】メインルーチンのステップＳ７４のサブルーチンのフローチャート
【符号の説明】
１１ エンジン
１２ 蒸発器
１３ 膨張機
２０ コントローラ（制御手段）
ＮFF フィードフォワード値
ＮFB フィードバック値
ｋｐ フィードバックゲイン
Claims (1)
- エンジン（１１）の排気ガスで液相作動媒体を加熱して気相作動媒体を発生させる蒸発器（１２）と、蒸発器（１２）で発生した気相作動媒体の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する容積型の膨張機（１３）とを備えたランキンサイクル装置において、
膨張機（１３）の入口での気相作動媒体の圧力を目標圧力に一致させるべく、蒸発器（１２）の出口での気相作動媒体の流量および目標圧力に基づいてフィードフォワード値（ＮFF）を算出するとともに、膨張機（１３）の入口での気相作動媒体の圧力および目標圧力の偏差に、前記気相作動媒体の流量に基づいて算出したフィードバックゲイン（ｋｐ）を乗算してフィードバック値（ＮFB）を算出し、フィードフォワード値（ＮFF）およびフィードバック値（ＮFB）の加・減算値に基づいて膨張機（１３）の回転数を制御する制御手段（２０）を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置。
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