JP2010048129A - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機入口の冷媒特性を最適に制御することにより、熱回収効率を大幅に向上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】膨張機入口圧力検出手段(32)にて検出された膨張機入口圧力Pexが膨張機入口圧力設定手段にて設定された設定圧力Pexsになるように膨張機(20)の負荷Lexを制御する膨張機制御手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、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、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、この熱交換器を経由した冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、この膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、この凝縮器を経由した冷媒を熱交換器に圧送するポンプが順次介挿されたランキンサイクルを備えている。

そして、特許文献１には、高温熱源の温度に応じてポンプの回転数を制御することにより、冷媒の蒸気発生を超臨界状態で行うランキンサイクルが開示されている。
また、膨張機に流入する冷媒の過熱度が所定範囲となるように（特許文献２参照）、或いは、凝縮器の凝縮能力が所定能力となるように（特許文献３参照）、ポンプまたは膨張機の回転数の少なくとも一方を制御する技術が開示されている。
特開昭６１−５７４４６号公報 特開２００５−３０７２７号公報 特開２００７−２１８４５６号公報

ところで、一般に、膨張機の入口と出口との冷媒の温度差及び圧力差が大きければ大きいほど、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率を向上することができる。
しかしながら、膨張機の入口と出口との冷媒の温度差を大きくするために、膨張機の入口の冷媒温度を際限なく上昇させると、冷媒や冷媒に添加される潤滑油が熱分解し、ランキンサイクルの作動に支障を来すおそれがある。

また、膨張機の入口と出口との冷媒の圧力差を大きくするために、膨張機の入口の冷媒圧力を際限なく上昇させると配管が破損したり、また、膨張機入口の冷媒の圧力・温度条件によっては、膨張機における膨張途中で冷媒が気液二相流域に入り、液冷媒により膨張機で発生する駆動力が減少し、更には、膨張機内でエロージョンが発生するおそれがある。

しかしながら、上記各従来技術では、これらの問題につき格別な配慮がなされておらず、高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機入口の冷媒特性を最適に制御することについて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、高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機入口の冷媒特性を最適に制御することにより、熱回収効率を大幅に向上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、冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により冷媒を加熱して超臨界状態とする熱交換器、該熱交換器を経由した冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した冷媒を熱交換器に圧送するポンプが順次介挿されるランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用装置であって、冷媒の凝縮圧力を検出する凝縮圧力検出手段と、膨張機の入口における冷媒の圧力を検出する膨張機入口圧力検出手段と、凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応する飽和蒸気冷媒のエントロピを推定するエントロピ推定手段と、膨張機の入口における冷媒の設定温度を設定する膨張機入口温度設定手段と、膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度とエントロピ推定手段にて推定されたエントロピに対応する冷媒圧力を膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定する膨張機入口圧力設定手段と、膨張機入口圧力検出手段にて検出された膨張機入口圧力が膨張機入口圧力設定手段にて設定された設定圧力になるように膨張機の負荷を制御する膨張機制御手段を備え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、エントロピ推定手段は、凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算したものを過熱蒸気のエントロピとして推定する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１または２において、膨張機入口圧力設定手段は、膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度とエントロピ推定手段にて推定されたエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピに対応する冷媒圧力を膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定する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１乃至３の何れかにおいて、膨張機の入口における冷媒の温度を検出する膨張機入口温度検出手段と、膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度になるようにポンプにて圧送する冷媒の流量を制御するポンプ制御手段とを更に備える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４において、ポンプには所定の最低流量が予め設定され、ポンプ制御手段によってポンプにて圧送する冷媒の流量を所定の最低流量まで下げても膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度にならないとき、膨張機入口温度設定手段は、ポンプにて圧送する冷媒の流量が所定の最低流量となるときに膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度を設定温度として設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、膨張機入口温度設定手段は、冷媒の臨界温度以上で、且つ冷媒の分解温度未満の温度を設定温度として設定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、膨張機入口温度設定手段は、冷媒が分解しない最高温度を設定温度として設定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、膨張機の出口における冷媒の温度を検出する膨張機出口温度検出手段を更に備え、膨張機出口温度検出手段にて検出された膨張機出口温度が凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算した過熱蒸気温度となるように設定圧力を補正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、膨張機入口圧力検出手段にて検出された膨張機入口圧力が凝縮圧力に対応する飽和蒸気エントロピと膨張機入口設定温度とに対応する圧力になるように膨張機の負荷を制御する膨張機制御手段を備える。これにより、高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機の入口の冷媒圧力を膨張機入口設定温度における最高の圧力とすることができるとともに、膨張過程で冷媒が気液二相になることを防止することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、エントロピ推定手段は、凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算したものを過熱蒸気のエントロピとして推定する。これにより、膨張機における膨張過程で冷媒が気液二相になることを防止し、液冷媒の発生による膨張機の駆動力減少や膨張機内でのエロージョンの発生を確実に防止することができるため、膨張機、ひいてはランキンサイクルを安定的に作動させることができ、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率を更に向上することができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、膨張機入口圧力設定手段は、膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度とエントロピ推定手段にて推定されたエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピに対応する冷媒圧力を膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定する。これにより、膨張機入口圧力を更に高圧にすることができるため、廃熱利用装置の熱回収効率を更に向上することができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、膨張機の入口における冷媒の温度を検出する膨張機入口温度検出手段と、膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度になるようにポンプにて圧送する冷媒の流量を制御するポンプ制御手段とを更に備える。これにより、膨張機の入口における冷媒温度と、膨張機の入口における冷媒圧力とを同時に確実に制御することができるため、高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機の入口の冷媒特性を更に最適に制御することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、ポンプには圧送可能な所定の最低流量が予め設定され、ポンプ制御手段によってポンプにて圧送する冷媒の流量を所定の最低流量まで下げても膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度にならないとき、膨張機入口温度設定手段は、ポンプにて圧送する冷媒の流量が所定の最低流量となるときに膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度を設定温度として設定する。これにより、ポンプにて圧送する冷媒の流量が最低流量となる場合であっても、膨張機の入口の冷媒温度がその場合において極力大きくなるようにポンプにて圧送する冷媒の流量を制御できるとともに、膨張機の入口の冷媒の圧力がその場合において極力大きくなるように膨張機の負荷を制御することができるため、高圧側が超臨界状態となるランキンサイクルの膨張機の入口の冷媒特性を常に最適に制御することができる。

更に、請求項６記載の発明によれば、膨張機入口温度設定手段は、冷媒の臨界温度以上で、且つ冷媒の分解温度未満の温度を設定温度として設定する。これにより、膨張機の入口の冷媒の熱分解を防止しながら膨張機の入口の冷媒温度を大きくしつつ、膨張機の入口の冷媒の圧力を大きくすることができるため、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率を大幅に向上することができる。

更にまた、請求項７記載の発明によれば、膨張機入口温度設定手段は、冷媒が分解しない最高温度を設定温度として設定する。これにより、膨張機の入口の冷媒の熱分解を防止しながら膨張機の入口の冷媒温度を極力大きくしつつ、膨張機の入口の冷媒の圧力を極力大きくすることができるため、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率をより一層大幅に向上することができる。

また、請求項８記載の発明によれば、膨張機の出口における冷媒の温度を検出する膨張機出口温度検出手段を更に備え、膨張機出口温度検出手段にて検出された膨張機出口温度が凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算した過熱蒸気温度となるように設定圧力を補正する。これにより、冷媒のガス膨張を保持しつつ、冷媒の分解温度未満にて、膨張機の入口の冷媒の圧力を最も大きくすることができるため、ランキンサイクル、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率を更に大幅に向上することができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について先ず第１実施形態から説明する。
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（内燃機関）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（熱交換器）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、エンジン２で加熱された冷却水によりＲＣ回路６を循環する冷媒を加熱する。尚、冷媒にはＲＣ回路６を構成する後述する膨張機２０等の回転機器の摺動部を潤滑する潤滑油が予め添加されている。
ラジエータ１２は、蒸発器１０と直列に配列され、蒸発器１０にて冷媒に吸熱されて冷却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する。

サーモスタット１４は、ラジエータ１２へ通水される冷却水の量を冷却水温度に応じて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ラジエータバイパス路５ｃとがそれぞれ接続され、これにより、ラジエータ１２へ通水される冷却水の量が冷却水温度に応じて増減されて冷却水温度、ひいてはエンジン２の本体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を冷却水回路４に好適に循環させる。
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、排ガス熱交換器１８、膨張機２０、凝縮器２２、レシーバ２４、冷媒ポンプ（ポンプ）２６が介挿されて閉回路を構成している。

排ガス熱交換器１８は、エンジン２の排ガス管１９から排出される排ガスにより蒸発器１０で加熱された冷媒を更に加熱して冷媒を超臨界状態にする。
膨張機２０は、蒸発器１０及び排ガス熱交換器１８で加熱されて超臨界状態となった冷媒を膨張させ、駆動力を発生する回転機器であって、膨張機２０には、発生した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２８が機械的に連結されている。そして、膨張機２０の駆動部に入力される信号に応じて膨張機２０の回転数を含む負荷が制御される。

凝縮器２２は、膨張機２０を経由した冷媒を凝縮液化させる放熱器である。
レシーバ２４は、凝縮器２２にて凝縮された冷媒を気液二層に分離する気液分離器であり、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ２６側に流出される。
冷媒ポンプ２６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、レシーバ２４から流出された液冷媒を蒸発器１０側に圧送し、ＲＣ回路６に好適に循環させる。

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ＥＣＵ（図示しない）により制御される。
具体的には、ＥＣＵには膨張機２０及びポンプ２６の各駆動部が電気的に接続され、更に、凝縮器２２の入口における冷媒の凝縮圧力Ｐconを検出する凝縮圧力センサ（凝縮圧力検出手段）３０、膨張機２０の入口における冷媒の膨張機入口圧力Ｐexを検出する膨張機入口圧力センサ（膨張機入口圧力検出手段）３２、膨張機２０の入口における冷媒の膨張機入口温度Ｔexを検出する膨張機入口温度センサ（膨張機入口温度検出手段）３４が電気的に接続されている。

ＥＣＵは、これらセンサ３０，３２，３４からの入力信号に応じて膨張機２０及びポンプ２６の各駆動部に駆動信号を出力することにより、ＲＣ回路６、ひいては廃熱利用装置を制御している。
詳しくは、ＥＣＵには図２に示されるようなマップ３６が格納されており、このマップ３６は冷媒の飽和蒸気線、等エントロピ線、等温度線から構成され、ＥＣＵは、これらの線上のデータから、ＲＣ回路６のサイクルの熱収支を示すモリエル線図を決定している。

以下、図２のマップ３６に示されるモリエル線図を参照してＲＣ回路６の熱収支について説明する。
先ず、冷媒（ａ）は蒸発器１０に流入し、エンジン２から吸熱した冷却水で加熱されてエンタルピｈが増加したガス状態の冷媒（ｂ）にされる。
冷媒（ｂ）は排ガス熱交換器１８に流入し、排ガス管１９を流れる排ガスで更に加熱されて、エンタルピｈが更に増加した超臨界状態の冷媒（ｃ）にされる。

冷媒（ｃ）は膨張機２０にて膨張され、エンタルピｈが減少するとともに減圧された冷媒（ｄ）にされる。尚、ｃ点とｄ点を結ぶ線は膨張機２０における冷媒の膨張過程示す膨張過程線３８である。
冷媒（ｄ）は凝縮器２２にて凝縮され、等圧にてエンタルピｈが更に減少した冷媒（ｅ）にされる。

冷媒（ｅ）はポンプ２６により加圧されて冷媒（ａ）にされた後、再び蒸発器１０に流入し、こうして冷媒（ａ）〜（ｅ）の順にランキンサイクルが繰り返される。
ここで、ＥＣＵは、マップ３６を参照し、膨張機２０の入口における冷媒（ｃ）の設定温度Ｔexs及び設定圧力Ｐexsを設定し、膨張機入口圧力センサ３２にて検出された冷媒（ｃ）の膨張機入口圧力Ｐexが設定圧力Ｐexsになるように膨張機２０の負荷Ｌexを制御する膨張機制御（膨張機制御手段）を実行している。

加えて、ＥＣＵは、この膨張機制御と同時に、膨張機入口温度センサ３４にて検出された冷媒（ｃ）の膨張機入口温度Ｔexが設定温度Ｔexsになるようにポンプ２６の回転数Ｎpを制御するポンプ制御（ポンプ制御手段）を実行している。尚、マップ３６の代わりにこれに相当するデータの参照が可能なデータベース（図示しない）をＥＣＵ内に格納し、このデータベースに基づいて上記各制御を実行するようにしても良い。

以下、図３に示されるフローチャートを参照して、上述した膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンについて説明する。
先ず、上記各制御がスタートされるとＳ１に移行し、Ｓ１では、マップ３６を参照することにより、凝縮圧力センサ３０にて検出された凝縮器２２の入口における冷媒（ｄ）の凝縮圧力Ｐconに対応する冷媒の飽和蒸気のエントロピＳconを推定し（エントロピ推定手段）、Ｓ２に移行する。

Ｓ２では、冷媒（ｃ）の設定温度Ｔexsを設定し（膨張機入口温度設定手段）、Ｓ３に移行する。ここで、冷媒としてＲ１３４ａ、冷媒に添加される潤滑油としてＰＯＥ（ポリオールエーテル）を用いる場合、冷媒の臨界温度以上で冷媒の分解温度未満の温度、好ましくは、冷媒や冷媒に添加される潤滑油が分解しない最高温度である例えば１５０℃が冷媒（ｃ）の設定温度Ｔexsとして設定される。

Ｓ３では、マップ３６を参照することにより、Ｓ１で設定されたエントロピＳconとＳ２にて設定された冷媒（ｃ）の設定温度Ｔexsに対応する冷媒（ｃ）の設定圧力Ｐexsを設定し（膨張機入口圧力設定手段）、本制御ルーチンをリターンする。図２の場合、エントロピＳconの等エントロピ線上で１５０℃となる設定温度Ｔexsに対応する冷媒（ｃ）の設定圧力Ｐexsを９ＭＰａとして読み取って設定される。

ここで、Ｓ２にて設定された設定温度Ｔexsは、Ｓ４にて実行されるポンプ制御の目標値として使用され、膨張機入口温度Ｔexが設定温度Ｔexsになるようにポンプ２６の回転数Ｎpを制御する。
具体的には、ポンプ２６の回転数Ｎpは、循環路７を循環する冷媒の量、即ち排ガス熱交換器１８に通ガスされる単位時間あたりの冷媒量を決定することから、ポンプ２６の回転数Ｎpを減少させることにより、排ガス熱交換器１８に滞留する単位時間あたりの冷媒量が減少するため、膨張機入口温度Ｔexが上昇する。

一方、ポンプ２６の回転数Ｎpを増大させることにより、排ガス熱交換器１８に滞留する単位時間あたりの冷媒量が増大するため、膨張機入口温度Ｔexが低下する。
これに対し、Ｓ３にて設定された設定圧力Ｐexsは、Ｓ５にて実行される膨張機制御の目標値として使用され、Ｓ５では膨張機入口圧力Ｐexが設定圧力Ｐexsになるように膨張機２０の負荷Ｌexを制御する。

具体的には、膨張機２０の負荷Ｌexを減少させることにより、膨張機２０の回転数Ｎexが増大し、膨張機２０を通ガスされる冷媒量が増大するため、膨張機入口圧力Ｐexが低下する。
一方、膨張機２０の負荷Ｌexを増大させることにより、膨張機２０の回転数Ｎexが減少し、膨張機２０を通ガスされる冷媒量が減少するため、膨張機入口圧力Ｐexが上昇する。

以上のように、本実施形態では、上述した膨張機制御及びポンプ制御を同時に実行することにより、膨張機２０の入口における冷媒温度である膨張機入口温度Ｔexと、膨張機２０の入口における冷媒圧力である膨張機入口圧力Ｐexとを同時に制御することができるため、高圧側が超臨界状態となるＲＣ回路６の膨張機２０の入口の冷媒特性を最適に制御することができる。

具体的には、冷媒や冷媒に添加される潤滑油が分解しない最高温度である例えば１５０℃を設定温度Ｔexsとして設定することにより、膨張機２の入口の冷媒や冷媒に添加された潤滑油の熱分解を防止しながら膨張機入口温度Ｔexを極力大きくしつつ、膨張機２０における冷媒の圧力差ΔＰexを極力大きくすることができるため、ＲＣ回路６、ひいては廃熱利用装置における熱回収効率を大幅に向上することができる。

次に、本発明の第２実施形態について図４のマップ３６を参照して説明する。
当該第２実施形態は、上記第１実施形態における膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンのＳ１におけるエントロピＳconの推定方法を変更するものであり、他は上記第１実施形態と同様の構成をなしている。
本実施形態では、Ｓ１において、凝縮圧力Ｐconにおける飽和蒸気冷媒に所定の補正過熱温度Ｔcorを加算した点でエントロピＳconとして推定する。

以上のように、本実施形態では、上述したようにしてエントロピＳconを推定することにより、膨張機出口が確実に過熱蒸気となるため、膨張機２０における膨張過程で冷媒が気液二相になることが防止され、液冷媒の発生による膨張機２０の駆動力減少や膨張機２０内でのエロージョンの発生を確実に防止することができるため、膨張機２０、ひいてはＲＣ回路６を安定的に作動させることができ、ＲＣ回路６、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率を更に向上することができる。

次に、本発明の第３実施形態について図５のマップ３６、及び図６のフローチャートを参照して説明する。
当該第３実施形態は、上記第１実施形態における膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンのＳ２における設定温度Ｔexsの設定方法を変更するものであり、他は上記第１実施形態と同様の構成をなしている。

本実施形態では、ポンプ２６の回転数Ｎpには所定の最低回転数Ｎpminが予め設定されており、ポンプ制御によってポンプ２６の回転数Ｎpを最低回転数Ｎpminまで下げても膨張機入口温度センサ３４にて検出された膨張機入口温度Ｔexが設定温度Ｔexsにならないとき、ポンプ２６の回転数Ｎpが最低回転数Ｎpminとなるときに膨張機入口温度センサ３４により検出された膨張機入口温度Ｔexpminを設定温度Ｔexsとして設定する。

詳しくは、設定温度Ｔexsの設定に係る制御ルーチンを示した図６のフローチャートを参照すると、Ｓ１１において、Ｔex＝Ｔexsとなるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＴex＝Ｔexsが成立すると判定された場合には本制御ルーチンをリターンして通常のポンプ制御を実行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＴex＝Ｔexsが成立しないと判定された場合にはＳ１２に移行する。

Ｓ１２では、Ｎp≦Ｎpminとなるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＮp≦Ｎpminが成立すると判定された場合にはＳ１３に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＮp≦Ｎpminが成立しないと判定された場合には本制御ルーチンをリターンして通常のポンプ制御を実行する。
Ｓ１３では、Ｎp＝Ｎpminとなるときの膨張機入口温度Ｔexpminを膨張機入口温度センサ３４により検出し、Ｓ１４に移行する。

Ｓ１４では、ポンプ制御にて膨張機入口温度Ｔexpminを設定温度Ｔexsとして設定し、本制御ルーチンをリターンする。尚、図５の場合の冷媒（ｃ_３）における膨張機入口温度Ｔexpminは１２０℃となっている。
その後、Ｓ３では、マップ３６を参照することにより、１２０℃となる設定温度Ｔexsに対応する設定圧力Ｐexsを５ＭＰａとして読み取って設定し、Ｓ５では膨張機入口圧力Ｐexが５ＭＰａになるように膨張機制御を実行する。

以上のように、本実施形態では、上述したようにして設定温度Ｔexsを設定することにより、ポンプ２６が最低回転数Ｎpminで回転される場合であっても、膨張機２０における冷媒の入口圧力Ｐexがその場合において極力大きくなるように膨張機２０の負荷Ｌexを制御することができるため、高圧側が超臨界状態となるＲＣ回路６の膨張機２０の入口の冷媒特性を常に最適に制御することができる。

次に、本発明の第４実施形態について図７のマップ３６を参照して説明する。
当該第４実施形態は、上記第２，第３実施形態における膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンのＳ１におけるエントロピＳconの推定方法を変更するものであり、他は上記第２，第３実施形態と同様の構成をなしている。
本実施形態では、冷媒（c）のエントロピＳexが冷媒（ｄ_４）のエントロピＳconよりも小となるようにエントロピＳconを推定する。即ち、凝縮圧力Ｐconにおける飽和蒸気冷媒に所定の補正過熱温度相当分を加算した点で冷媒（ｄ_４）のエントロピを推定し、そのエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピを冷媒（c）のエントロピとして推定する。

この補正エントロピＳconの値は、ｃ点とｄ_４点を結ぶ膨張過程線３８の傾きをｄ_４点を通る等エントロピ線の傾きよりも所定量だけ小さくするために予め設定され、この膨張過程線３８の傾きは膨張機２０の全断熱膨張効率を考慮した仕様に応じて一義に決定される。
以上のように、本実施形態では、上述したようにしてエントロピＳconを推定することにより、膨張機２０の全断熱膨張効率、換言するとポリトロープ膨張効率を考慮してエントロピＳconを推定することができるため、高圧側が超臨界状態となるＲＣ回路６の膨張機２０の入口の冷媒特性を膨張機の実際の断熱性能に即して確実に制御することができる。

次に、本発明の第５実施形態について図８のマップ３６を参照して説明する。
当該第５実施形態は、図示しない膨張機出口温度センサ（膨張機出口温度検出手段）により実際の膨張機出口温度を測定して、仮決めしているｄ_２点の温度との間に差が生じている場合には膨張機制御を行うものであり、他は上記第４実施形態と同様の構成をなしている。

本実施形態では、先ず、冷媒の凝縮圧力を過熱度（５Ｋ）を設けてｄ_２点を仮設定し、その点のエントロピを求める。
次に、そのエントロピにおける膨張機入口の冷媒温度を設定温度（１５０℃）としてｃ_５点を仮設定し、その点の圧力を膨張機入口設定圧力Ｐexsとする。
次に、膨張機負荷Ｌexを制御して膨張機入口圧力Ｐexが設定圧力Ｐexsとなるように制御する。

ここで、ｃ_５点はあくまでも仮設定であって、その冷媒温度は１５０℃に一致するとは限らないため、ポンプ流量を制御して膨張機入口の冷媒温度Ｔexを１５０℃に合わせる。これにより、ｃ_５点の冷媒の性状が確定する。
一方、ｄ_２点もあくまでも仮設定であって、その過熱度は５Ｋに一致するとは限らないため、膨張機負荷Ｌexを制御して過熱度を５Ｋに合わせる。具体的には、ｄ_２点よりも膨張機出口温度が高いときには設定圧力Ｐexsを大きくし、温度が低いときには設定圧力Ｐexsを小さくする。これにより、ｄ_２点の冷媒の性状が確定する。

以上のように、本実施形態では、膨張機の出口における冷媒の温度を検出する膨張機出口温度センサを更に備え、膨張機出口温度センサにて検出された膨張機出口温度が凝縮圧力センサ３０にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算した過熱蒸気温度となるように設定圧力Ｐexsを補正する。これにより、低圧側（ｄ_２）から高圧側（ｃ_５）を推定して、高圧側（ｃ_５）を設定し、その結果の低圧側（ｄ_２）をみて高圧側（ｃ_５）を微調整することができるため、冷媒の膨張を保持しつつ、冷媒の分解温度未満にて、膨張機２０の入口と出口との冷媒の圧力差を最も大きくすることができ、ＲＣ回路６、ひいては廃熱利用装置の熱回収効率を更に大幅に向上することができる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記各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、上記各実施形態では凝縮圧力を測定しているが、この圧力の代わりに凝縮温度を測定しても良い。
また、上記各実施形態ではランキンサイクルの冷媒としてＲ１３４ａを用いているが、この他の冷媒として、Ｒ１５２ａやＲ１２３４ｙｆ（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）を用いることが可能であり、何れの冷媒も膨張機入口温度を１５０℃に設定可能である。

更に、上記各実施形態では、ポンプ制御にてポンプ２６の回転数Ｎpを制御しているが、例えばポンプ２６をバイパスするバイパス路と、バイパス路に介挿されるバイパス弁とを設け、このバイパス弁を制御するようにしても良い。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置を示した模式図である。 図１の廃熱利用装置のＥＣＵに格納されたマップを示した図である。 図２のマップを参照しながら実行される膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るマップを示した図である。 本発明の第３実施形態に係るマップを示した図である。 図５のマップを参照しながら実行される膨張機制御及びポンプ制御の制御ルーチンの一部を示した図である。 本発明の第４実施形態に係るマップを示した図である。 本発明の第５実施形態に係るマップを示した図である。

符号の説明

２ エンジン（内燃機関）
６ ランキンサイクル
７ 冷媒の循環路
１０ 蒸発器（熱交換器）
２０ 膨張機
２２ 凝縮器
２６ 冷媒ポンプ（ポンプ）
３０ 凝縮圧力センサ（凝縮圧力検出手段）
３２ 膨張機入口圧力センサ（膨張機入口圧力検出手段）
３４ 膨張機入口温度センサ（膨張機入口温度検出手段）

Claims (8)

1. 冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により冷媒を加熱して超臨界状態とする熱交換器、該熱交換器を経由した冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した冷媒を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した冷媒を熱交換器に圧送するポンプが順次介挿されるランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用装置であって、
   冷媒の凝縮圧力を検出する凝縮圧力検出手段と、
   前記膨張機の入口における冷媒の圧力を検出する膨張機入口圧力検出手段と、
   前記凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応する飽和蒸気冷媒のエントロピを推定するエントロピ推定手段と、
   前記膨張機の入口における冷媒の設定温度を設定する膨張機入口温度設定手段と、
   前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度と前記エントロピ推定手段にて推定されたエントロピに対応する冷媒圧力を前記膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定する膨張機入口圧力設定手段と、
   前記膨張機入口圧力検出手段にて検出された膨張機入口圧力が前記膨張機入口圧力設定手段にて設定された設定圧力になるように前記膨張機の負荷を制御する膨張機制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 前記エントロピ推定手段は、前記凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算したものを過熱蒸気のエントロピとして推定する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. 前記膨張機入口圧力設定手段は、前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度と前記エントロピ推定手段にて推定されたエントロピから所定の補正比率を減算したエントロピに対応する冷媒圧力を前記膨張機の入口の冷媒の設定圧力として設定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
4. 前記膨張機の入口における冷媒の温度を検出する膨張機入口温度検出手段と、
   前記膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度になるように前記ポンプにて圧送する冷媒の流量を制御するポンプ制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
5. 前記ポンプには圧送可能な所定の最低流量が予め設定され、
   前記ポンプ制御手段によって前記ポンプにて圧送する冷媒の流量を前記所定の最低流量まで下げても前記膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度が前記膨張機入口温度設定手段にて設定された設定温度にならないとき、前記膨張機入口温度設定手段は、前記ポンプにて圧送する冷媒の流量が前記所定の最低流量となるときに前記膨張機入口温度検出手段にて検出された膨張機入口温度を設定温度として設定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
6. 前記膨張機入口温度設定手段は、冷媒の臨界温度以上で、且つ冷媒の分解温度未満の温度を前記設定温度として設定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. 前記膨張機入口温度設定手段は、冷媒が分解しない最高温度を前記設定温度として設定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. 前記膨張機の出口における冷媒の温度を検出する膨張機出口温度検出手段を更に備え、
   前記膨張機出口温度検出手段にて検出された膨張機出口温度が前記凝縮圧力検出手段にて検出された凝縮圧力に対応し所定の補正温度を加算した過熱蒸気温度となるように前記設定圧力を補正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。

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