特開 2022-152030 電力回生型ランキンサイクルシステム及び電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022152030

(43)【公開日】2022-10-12

(54)【発明の名称】電力回生型ランキンサイクルシステム及び電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 15/10 20060101AFI20221004BHJP

   F01D 17/06 20060101ALI20221004BHJP

【ＦＩ】

F01D15/10 C

F01D17/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021054644

(22)【出願日】2021-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(72)【発明者】

【氏名】吉永 寛史

【テーマコード（参考）】

3G071

【Ｆターム（参考）】

3G071AA04

3G071AB01

3G071BA02

3G071BA04

3G071CA00

3G071DA00

3G071EA01

3G071FA02

3G071GA00

3G071HA01

3G071JA00

(57)【要約】

【課題】電動発電機のトルク指示で膨張器の回転を制御する場合に発電量を従来よりも増やせる電力回生型ランキンサイクルシステムの提供。
【解決手段】作動流体を送出する回転式のフィードポンプ２１と、フィードポンプ２１が送出した作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器２３と、蒸発した作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器２５と、膨張後の作動流体を凝縮してフィードポンプ２１に送出する凝縮器２７と、膨張器２５に接続されて膨張器２５の回転で回生駆動する電動発電機３１と、電動発電機３１のトルクを指示する制御部２９を備える電力回生型ランキンサイクルシステム３において、制御部２９は、膨張器２５が機械仕事を電動発電機３１に出力して電動発電機３１を回生駆動させられる期間は電動発電機３１が力行しないように電動発電機３１のトルクを制御することを特徴とする電力回生型ランキンサイクルシステム３。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記膨張器の回転軸に接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機と、前記電動発電機のトルクを指示する制御部を備える電力回生型ランキンサイクルシステムにおいて、
前記制御部は、
前記膨張器が機械仕事を前記電動発電機に出力して前記電動発電機を回生駆動させられる期間は前記電動発電機が力行しないように前記電動発電機のトルクを制御することを特徴とする電力回生型ランキンサイクルシステム。

【請求項2】

前記制御部は、
前記加熱流体の熱量から求めた前記電動発電機の回転数の目標値に対応する前記膨張器の回転数の目標値が前記膨張器の回転数の実測値よりも大きい場合に力行を禁止することで、前記膨張器が機械仕事を前記電動発電機に出力している間は前記電動発電機が力行しないように前記電動発電機のトルクを制御する請求項１に記載の電力回生型ランキンサイクルシステム。

【請求項3】

前記制御部は、
前記膨張器の回転数、及び前記膨張器の入口圧力又は入口と出口の圧力差の一方から求めた、トルクの目標値である推定トルクに対応するトルクを指示トルクとして前記電動発電機のトルクを指示することで前記膨張器の回転数をフィードフォワード制御により制御し、
前記加熱流体の熱量から求めた前記電動発電機の回転数の目標値と前記電動発電機の回転数の実測値との差をもとに前記電動発電機の回転数をＰＩ制御でフィードバック制御し、
前記ＰＩ制御で算出したトルク指示値が予め定められた上限値を超える場合は前記上限値をトルク指示値とすることで、前記膨張器が機械仕事を前記電動発電機に出力している間は前記電動発電機が力行しないように前記電動発電機のトルクを制御する請求項１又は２に記載の電力回生型ランキンサイクルシステム。

【請求項4】

作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記膨張器の回転軸に接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機と、前記電動発電機のトルクを指示する制御部を備える電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法であって、
前記膨張器が機械仕事を前記電動発電機に出力して前記電動発電機を回生駆動させられる期間は前記電動発電機が力行しないように前記電動発電機のトルクを制御する力行禁止工程を実施することを特徴とする電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力回生型ランキンサイクルシステム及び電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ランキンサイクルシステムは、作動流体の蒸発・膨張で生成する圧力を利用して機械仕事を得る熱サイクルを利用した原動機である。ランキンサイクルシステムは外燃機関だが、内燃機関で駆動する車両に搭載する場合がある。これは、ランキンサイクルシステムの作動流体を蒸発させる熱源として内燃機関の排ガスの熱を用いる場合があるためである。車両に搭載されたランキンサイクルシステムは内燃機関の運転条件に応じて作動流体の流量を制御することで、作動流体を循環させるポンプの作動エネルギーを抑制し、廃熱回収効率を向上させている。

【0003】

ランキンサイクルシステムには、機械仕事を電動発電機に入力して回生駆動させて電力を得る、電力回生型ランキンサイクルシステムもある（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－８５０７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電力回生型ランキンサイクルシステムは蒸発した作動流体の圧力で回転する膨張器を電動発電機と接続することで機械仕事を電動発電機に入力するが、膨張器の回転数を直接制御することはできないため、電動発電機のトルク指示で膨張器の回転数を制御する。そのため、膨張器の回転数を上昇させたい場合に電動発電機が力行する場合があり、力行によるエネルギー損失で発電量が減る問題があった。

【0006】

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、電動発電機のトルク指示で膨張器の回転を制御する場合に発電量を従来よりも増やせる電力回生型ランキンサイクルシステムの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するための本開示の一態様は、作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記膨張器の回転軸に接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機と、前記電動発電機のトルクを指示する制御部を備える電力回生型ランキンサイクルシステムにおいて、前記制御部は、前記膨張器が機械仕事を前記電動発電機に出力して前記電動発電機を回生駆動させられる期間は前記電動発電機が力行しないように前記電動発電機のトルクを制御することを特徴とする。

【0008】

また、本開示の他の態様は、作動流体を送出する回転式のポンプと、前記ポンプが送出した前記作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる蒸発器と、蒸発した前記作動流体を膨張させて回転することで機械仕事を得る膨張器と、膨張後の前記作動流体を凝縮して前記ポンプに送出する凝縮器と、前記膨張器の回転軸に接続されて前記膨張器の回転で回生駆動する電動発電機と、前記電動発電機のトルクを指示する制御部を備える電力回生型ランキンサイクルシステムの制御方法であって、前記膨張器が機械仕事を前記電動発電機に出力して前記電動発電機を回生駆動させられる期間は前記電動発電機が力行しないように前記電動発電機のトルクを制御する力行禁止工程を実施することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、電動発電機のトルク指示で膨張器の回転を制御する場合に発電量を従来よりも増やせる電力回生型ランキンサイクルシステムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステムを備える内燃機関の概略構成を示す図である。

【図2】図１の膨張器の回転数制御のブロック線図である。

【図3】本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステムの制御の手順を示すフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面に基づき本開示の実施形態を詳細に説明する。まず図１及び図２を参照して本開示の実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３を備える内燃機関１の概略構成を説明する。図１では内燃機関１としてディーゼルエンジンを例示する。図１に示すように内燃機関１は吸気路５、燃焼室７、排気路９、後処理装置１１、切替バルブ１３、及び電力回生型ランキンサイクルシステム３を備える。

【0012】

吸気路５は内燃機関１の燃焼に必要な空気を導入する管路であり、一端が大気開放され、他端が燃焼室７に接続される。燃焼室７は空気を酸化剤として燃料を燃焼させて機械仕事を得る部屋であり、円筒状の気筒７ａと、気筒７ａ内に上下動可能に配置された円柱状のピストン７ｂと、気筒７ａの上端部である図示しないシリンダヘッドに囲まれた空間である。

【0013】

この構造では、吸気路５から燃焼室７に導入された空気を、ピストン７ｂで燃料の発火点以上に圧縮加熱し、図示しない燃料噴射装置から燃焼室７に燃料を噴射して燃料を自己発火させピストン７ｂを押し出すことで機械仕事を得る。ピストン７ｂには図示しないコンロッドやクランクが連結されており、上下動を回転運動に変換する。

【0014】

排気路９は燃焼室７での燃焼で生じた排ガスを排出する管路であり、一端が燃焼室７に接続され、他端が二股に分かれて大気開放される。二股に分かれた管路の一方は排ガスを電力回生型ランキンサイクルシステム３に送出する管路９ａであり、他方は電力回生型ランキンサイクルシステム３を介さずに排ガスを大気放出する管路９ｂである。

【0015】

後処理装置１１は排ガス中のＮＯ_x、微粒子、未燃燃料、一酸化炭素、可溶有機成分等の大気放出が規制される物質を無害化する装置であり、排気路９の中途で管路９ａ、９ｂの上流側に設けられる。具体的な後処理装置１１としては、ＮＯ_xを還元する触媒であるＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）、微粒子を捕集するフィルタであるＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、未燃燃料や一酸化炭素、可溶有機成分等を酸化する触媒であるＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）を含む装置を例示できる。

【0016】

切替バルブ１３は後処理装置１１を通過した排ガスを電力回生型ランキンサイクルシステム３に送出する管路９ａか、電力回生型ランキンサイクルシステム３を介さずに大気放出する管路９ｂかの何れかの管路に切り替える弁体である。切替バルブ１３は排気路９の後処理装置１１の下流であって、排気路９が二股に分かれる分岐点に設けられる。切替バルブ１３は電力回生型ランキンサイクルシステム３を駆動する場合は管路９ａを開放して管路９ｂを閉鎖し、電力回生型ランキンサイクルシステム３を駆動しない場合は管路９ａを閉鎖して管路９ｂを開放する。切替バルブ１３の駆動は電力回生型ランキンサイクルシステム３の制御部２９が制御してもよいし、内燃機関１の制御部が制御してもよい。

【0017】

電力回生型ランキンサイクルシステム３は作動流体の蒸発・膨張で生成する圧力を利用して機械仕事を得る熱サイクルを利用した原動機である。ここでは作動流体を蒸発させる熱源である加熱流体として内燃機関１の排ガスを用いている。

【0018】

図１に示すように電力回生型ランキンサイクルシステム３はフィードポンプ２１、蒸発器２３、膨張器２５、凝縮器２７、電動発電機３１、及び制御部２９を備える。電力回生型ランキンサイクルシステム３はタンク３５、排気流量センサ４５、排気温度センサ４７、膨張器入口圧力センサ４１、及び膨張器回転数検出部４３も備える。

【0019】

フィードポンプ２１は電力回生型ランキンサイクルシステム３の作動流体を送出する回転式のポンプである。フィードポンプ２１は所望の流量の作動流体を送出でき、回転数を自動制御できる構造であれば公知の遠心ポンプやギアポンプを用いればよい。作動流体は沸点が内燃機関１の排ガスの温度以下で、電力回生型ランキンサイクルシステム３を構成する装置を腐食させない材料であれば適宜選択できる。一般にはエタノールが用いられるが、水やフロン系の流体でもよい。

【0020】

蒸発器２３はフィードポンプ２１が送出した作動流体を加熱流体との熱交換で蒸発させる装置であり、フィードポンプ２１の出力部と管路で接続される。本実施形態では加熱流体が内燃機関１の排ガスであるため、蒸発器２３は内燃機関１の排気路９の管路９ａに接して設けられ、排ガスの熱を作動流体に伝達して蒸発させられるボイラである。

【0021】

膨張器２５は蒸発器２３で蒸発した作動流体を膨張させて膨張力で回転することで機械仕事を得る装置であり、蒸発器２３の出力部と管路で接続される。膨張器２５は蒸発した作動流体から機械仕事を得られる構造であれば公知の構造を用いることができるが、作動流体の膨張力で回転するスクリュロータを有するスクリュー膨張器を例示できる。

【0022】

凝縮器２７は膨張後の作動流体を冷却することで凝縮して液体に戻してフィードポンプ２１に送出する装置であり、膨張器２５の出力部及びフィードポンプ２１の入力部と管路で接続される。凝縮器２７は作動流体を所望の温度まで冷却できる構造であれば空冷でも水冷でもよい。空冷の場合は、外気を取り込む冷却ファンが配置され、外気との熱交換で作動流体が冷却される。水冷の場合には、内燃機関１のラジエータやサブラジエータから送出された内燃機関１用の冷却水やインタークーラ用の冷却水が導入され、これらの冷却水と作動流体との熱交換で作動流体を冷却する構造を例示できる。

【0023】

電動発電機３１は、膨張器２５の回転で得られる機械仕事で回転軸３１ａを回転させることで回生電力を生成する装置である。電動発電機３１が生成した電力は図示しない蓄電池に充電される。電動発電機３１は膨張器２５の回転数を制御する装置でもあり、具体的には電動発電機３１のトルクを調整することで膨張器２５の回転数を制御する。トルク値によっては、電動発電機３１は図示しない蓄電池から電力の供給を受けて力行することもでき、この場合、電動発電機３１は電動機として機能する。図１に示す電動発電機３１はその回転軸３１ａが膨張器２５の出力軸２５ａに同軸に連結され、膨張器２５の機械仕事による動力が伝達される。ただし、ギヤ等を介して接続されて動力を伝達する構造でもよい。

【0024】

電動発電機３１は電力回生型ランキンサイクルシステム３の運転時の膨張器２５の回転数とトルクで電力を生成でき、かつ膨張器２５の回転数を制御できる範囲のトルクを出力できるのであれば、公知の電動発電機を用いればよい。

【0025】

制御部２９は電動発電機３１のトルクを制御することで膨張器２５の回転数を制御するコンピュータであり、電動発電機３１と電気的に接続されてトルクを指示する信号を出力可能に構成されている。制御部２９はトルク指示値を求めるために用いる加熱流体の排気温度、加熱流体の排気流量、膨張器２５の回転数、膨張器２５に入力される作動流体の圧力又は膨張器２５の出入口の圧力差を示す信号が入力されるようにも構成されている。

【0026】

制御部２９による膨張器２５の回転数制御の概要は図２に示す通りである。まず制御部２９は膨張器２５が機械仕事を電動発電機３１に出力して電動発電機３１を回生駆動させられる期間は電動発電機３１が力行しないように電動発電機３１のトルクを制御する。つまり、膨張器２５が電動発電機３１を回生駆動して電力を生成できる状態では力行を行わない。一方で電力回生型ランキンサイクルシステム３は始動時に作動流体のみで膨張器２５を回転させられず、電動発電機３１を回生駆動して電力を生成できない時期がある。そのため、この時期を短縮するために、始動時に電動発電機３１を力行させて膨張器２５に始動トルクを与える場合がある。このように作動流体のみで膨張器２５を回転させられない場合は電動発電機３１を力行させても良い。

【0027】

具体的に力行を禁止する方法としては以下の例を挙げられる。まず電動発電機３１を何らかの手段で求めた目標値に基づき制御している場合、電動発電機３１の回転数の目標値に対応する膨張器２５の回転数の目標値が、膨張器２５の回転数の実測値よりも大きい場合に力行を禁止する方法がある。ここでいう電動発電機３１の回転数の目標値に対応する膨張器２５の回転数の目標値とは、電動発電機３１と膨張器２５が同軸接続されている場合は電動発電機３１の回転数の目標値である。電動発電機３１と膨張器２５がギヤを介して接続されている場合は電動発電機３１の回転数の目標値にギヤ比を掛けた値である。図２では電動発電機３１と膨張器２５が同軸接続されている場合の制御を例示している。このように、電動発電機３１の回転数の目標値と膨張器２５の回転数の実測値を基に力行を禁止するか否かを判断することで、電動発電機３１が力行しているか否かを直接検出しなくても力行を行う前に力行を禁止できる。

【0028】

図１では電動発電機３１の回転数の目標値を加熱流体の熱量である排気流量と排気温度の入力値を目標回転数マップに当てはめて電動発電機３１の最適回転数を算出する構成を例示している。

【0029】

目標回転数マップとは、加熱流体の熱量と、安定して効率良く電動発電機３１が電力を得られる電動発電機３１の回転数の関係を示すマップである。「安定して効率良く電動発電機３１が電力を得られる」という意味は、電動発電機３１、膨張器２５の効率を加味して、最も電動発電機３１が出力としての電力を得られるという意味である。目標回転数マップは予め実験で求めたものを用いてもよいし、ＣＡＥ（Computer-Aided Engineering）で求めても良い。なお、図１では電動発電機３１が膨張器２５と同軸接続されているため、安定して効率良く電動発電機３１が電力を得られる電動発電機３１の回転数は、安定して効率良く電動発電機３１が電力を得られる膨張器２５の回転数になる。また電動発電機３１と膨張器２５が図示しないギヤ等を介して接続されている場合でも、電動発電機３１の回転数と膨張器２５の回転数はギヤ比に応じた所定の関係にある。そのため、安定して効率良く電動発電機３１が電力を得られる電動発電機３１の回転数は、安定して効率良く電動発電機３１が電力を得られる膨張器２５の回転数に対応する。

【0030】

なお、目標回転数マップに基づき電動発電機３１の回転数を制御する場合、図２に示すように、制御部２９は電動発電機３１が目標回転数で回転するように電動発電機３１のトルクを制御する。具体的には制御部２９は制御値を電動発電機３１のトルク、目標値を電動発電機３１の目標回転数とし、目標回転数と実回転数数差を０にするような制御を行う。制御としては図２に示すようにＰＩ制御を用いたフィードバック制御を例示できる。このように目標回転数と実回転数からＰＩ制御で指示値を求める構成では、利得を設定するだけで指示値を得られる点で有利である。

【0031】

この制御において、具体的に力行を禁止する制御としては、図２に示すように、ＰＩ制御で算出したトルク指示値にトルク制限を設ければよい。トルク制限とは、トルク指示値が予め定められた上限値を超える場合は上限値をトルク指示値とすることで、膨張器２５が機械仕事を電動発電機３１に出力している間は電動発電機３１が力行しないように電動発電機３１のトルクを制御することを意味する。上限値とは、電動発電機３１が力行しないトルクの上限である。この構成ではトルクに上限を設けるだけで電動発電機３１の力行を禁止できる点で有利である。また、この構成は図２に示すように電動発電機３１のトルク指示をフィードフォワード制御でも行う場合に特に有利である。

【0032】

図２では制御部２９が膨張器２５の回転数、及び膨張器２５の入口圧力又は入口と出口の圧力差の一方から求めた現在発生していると推定される推定トルクに対応するトルクを指示トルクとして電動発電機３１のトルクを指示している。これにより膨張器２５の回転数をフィードフォワード制御により制御している。ここでいう対応したトルクとは、膨張器２５と電動発電機３１が同軸の場合は推定したトルクそのものであり、ギヤ等を介して連結されている場合は推定したトルクにギヤ比を掛けたトルクである。

【0033】

具体的には、制御部２９は図２に示すように膨張器２５の回転数と、膨張器２５に入力される作動流体の圧力又は入口と出口の圧力差の一方と、現在発生していると推定される膨張器２５のトルクの関係を示す推定トルクマップを有している。以下の説明では推定トルクマップへの入力値として、膨張器２５に入力される作動流体の圧力を用いる場合を例に説明する。なお推定トルクマップは実験で求めてもよいし、ＣＡＥ（Computer-Aided Engineering）で求めても良い。

【0034】

この構成では制御部２９は推定トルクに対応するトルクを電動発電機３１の指示トルクとして指示するフィードフォワード制御も行うのが好ましい。このように、膨張器２５の回転数と作動流体の圧力に基づいて算出した推定トルクで電動発電機３１をフィードフォワード制御することで、適切なトルクをより早く指示できる。一方で、フィードフォワード制御は推定値に基づきトルク制御を行うため、推定値と実測値の間にずれが生じる可能性がある。このずれはフィードバック制御で補償する。しかしながら単に目標回転数と実測回転数を基にしたフィードバック制御でフィードフォワード制御を補償した場合、トルク指示値によっては電動発電機３１が力行する可能性がある。

【0035】

そこで、図２ではフィードフォワード制御で指示したトルク指示値で膨張器２５を回転させた場合の実測値と、目標値との差をフィードバック制御で補償する際に指示トルクに上限を設けて力行を禁止している。よって、フィードフォワード制御を行う場合に補償しきれない分のトルクをフィードバック制御で補償する際にも力行を禁止できる。

【0036】

なお、図２に示す制御部２９の処理は、各処理をソフトウェアで実現してもよいし、ハードウェアで実現してもよい。以上が制御部２９の構成である。

【0037】

図１に示すタンク３５は作動流体を貯留する容器であり、凝縮器２７とフィードポンプ２１の間の流路に設けられる。タンク３５は凝縮器２７で液体に戻った作動流体を貯留してフィードポンプ２１の駆動によって作動流体をフィードポンプ２１に送出する。

【0038】

排気流量センサ４５は加熱流体の流量を検出するセンサであり、ここでは内燃機関１の排気路９に設けられて排気流量を検出するセンサである。排気流量センサ４５は制御部２９と電気的に接続されており、検出した吸気流量を示す信号を制御部２９に送信する。これは、図２に示すように制御部２９は排気流量に基づき電動発電機３１の回転数を算出するためである。排気流量センサ４５は公知の流量センサを用いればよい。

【0039】

なお通常の内燃機関１では吸気流量と排気流量が極端に異なることはないので、吸気流量を検出して排気流量の代わりに用いても良い。この場合は吸気路５に設けた吸気流量センサが排気流量センサ４５として機能する。

【0040】

排気温度センサ４７は排気温度を検出するセンサであり、図１では蒸発器２３への排ガスの入口となる排気路９の管路９ａに設けられる。排気温度センサ４７は制御部２９と電気的に接続されており、検出した温度を示す信号を制御部２９に送信する。これは、図２に示すように制御部２９は加熱流体の温度に基づき電動発電機３１の回転数を算出するためである。排気温度センサ４７は排ガス中の物質で腐食せず、所望の精度で排気温度を検出できるのであれば公知の温度センサを用いることができる。

【0041】

膨張器入口圧力センサ４１は蒸発器２３で蒸発して膨張器２５に導入される作動流体の圧力を検出するセンサであり、蒸発器２３と膨張器２５を接続する管路に設けられる。膨張器入口圧力センサ４１は制御部２９と電気的に接続されており、検出した圧力を示す信号を制御部２９に送信する。これは、制御部２９は膨張器２５に導入される作動流体の圧力に基づきトルクの目標値である推定トルクを算出するためである。膨張器入口圧力センサ４１は蒸発した作動流体で腐食せず、所望の精度で圧力を検出できるのであれば公知の圧力センサを用いることができる。なお、推定トルクマップに基づく推定トルクの算出に膨張器２５の出入口の圧力差を用いる場合、膨張器入口圧力センサ４１に加えて膨張器２５の出口の流路にも圧力センサを設けて、２つの圧力センサの検出値の差を出入口の圧力差とすればよい。

【0042】

膨張器回転数検出部４３は膨張器２５の回転数を検出する検出部である。膨張器回転数検出部４３は制御部２９と電気的に接続されており、検出した回転数を示す信号を制御部２９に送信する。これは、制御部２９は膨張器２５の回転数に基づきトルクの目標値である推定トルクを算出するためである。図１では回転計を例示しているが、電動発電機３１の回転数と膨張器２５の回転数は、同軸の場合は同じであり、ギヤを介している場合はギヤ比に対応した回転数になる。そのため、電動発電機３１の回転数から膨張器２５の回転数を検出してもよい。以上が電力回生型ランキンサイクルシステム３を備える内燃機関１の概略構成の説明である。

【0043】

次に本実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３の制御方法の一例について図３を参照して説明する。まず、前提として電力回生型ランキンサイクルシステム３が運転中であり、膨張器２５が電動発電機３１に機械仕事を出力して回生駆動できる状態にあるとする。また膨張器２５と電動発電機３１は同軸接続されているとする。

【0044】

この状態で制御部２９は膨張器入口圧力センサ４１を用いて膨張器２５に導入される作動流体の圧力を検出し、膨張器回転数検出部４３を用いて膨張器２５の回転数を検出する（図３のＳ１）。次に制御部２９はＳ１で求めた作動流体の圧力と膨張器２５の回転数を推定トルクマップに当てはめて推定トルクを算出する（図３のＳ２）。推定トルクが算出されると制御部２９は算出した推定トルクを指示値として電動発電機３１に指示する（図３のＳ３）。ここまでのステップが、膨張器２５のトルクを推定して、推定したトルクに対応したトルクを電動発電機３１に指示するフィードフォワード制御である。

【0045】

次に制御部２９は排気流量センサ４５を用いて加熱流体である排ガスの排気流量を検出し、排気温度センサ４７を用いて加熱流体である排ガスの排気温度を検出する。次に制御部２９は排気流量と排気温度を目標回転数マップに入力して目標回転数を得る（図３のＳ４）。次に制御部２９はＳ４で得られた回転数を電動発電機３１の目標回転数として、電動発電機３１が目標回転数で回転するようにＰＩ制御を用いたフィードバック制御で電動発電機３１のトルクを算出する（図３のＳ５）。

【0046】

次に制御部２９はＳ５で求めたトルクが、電動発電機３１が力行するトルクか否かを判断し、力行するトルクと判断した場合はＳ７に進み、力行しないトルクと判断した場合はＳ８に進む（図３のＳ６）。具体的にはＳ５で求めたトルクが上限値を超えるか否かを判断し、上限値を超える場合に力行するトルクと判断し、上限値以下の場合に力行しないトルクと判断する。

【0047】

Ｓ６でトルクが力行するトルクと判断した場合、制御部２９はトルク指示値を力行しない範囲に修正する（図３のＳ７、力行禁止工程）。具体的にはＳ５で求めたトルクが上限値を超える場合、トルク指示値を上限値に設定してＳ９に進む。Ｓ６でトルクが力行しないトルクと判断した場合、制御部２９はトルク指示値を修正せずにＳ９に進む（図３のＳ８）。最後に、制御部２９は電動発電機３１にトルク指示を行う（図３のＳ９）。以上が本実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３の制御方法の一例の説明である。

【0048】

このように本実施形態に係る電力回生型ランキンサイクルシステム３は、膨張器２５が機械仕事を生成している間は制御部２９が電動発電機３１を力行させない。この構成では、膨張器２５の機械仕事を力行で消費せずに電力に変換できるため、電動発電機３１のトルク指示で膨張器２５の回転を制御する場合に発電量を従来よりも増やせる。特に、内燃機関１が車両を駆動する場合、登坂走行等の排熱量が増加するタイミングでは膨張器２５の入口圧力も増加しているため、膨張器２５のトルクで電動発電機３１の回転数を上昇させることができる。よって膨張器２５が機械仕事を生成している間は制御部２９が電動発電機３１を力行させない本発明の効果が特に高い。

【0049】

以上、実施形態に基づき本開示を説明したが本開示は実施形態に限定されない。当業者であれば本開示の技術思想の範囲内において各種変形例及び改良例に想到するのは当然のことであり、これらも当然に本開示に含まれる。

【0050】

例えば上記した実施形態では電動発電機３１の目標回転数を加熱流体の熱量から求めているが、発電効率を確保できるのであれば、目標回転数の算出方法は適宜選択できる。また上記した実施形態では膨張器２５の回転数と、膨張器２５に入力される作動流体の圧力又は入口と出口の圧力差の一方を基にトルクを推定してフィードフォワード制御を行ってているが、トルクを精度良く推定できるのであれば、推定方法は他の方法でもよい。

【符号の説明】

【0051】

１ ：内燃機関
３ ：電力回生型ランキンサイクルシステム
５ ：吸気路
７ ：燃焼室
７ａ ：気筒
７ｂ ：ピストン
９ ：排気路
９ａ ：管路
９ｂ ：管路
１１ ：後処理装置
１３ ：切替バルブ
２１ ：フィードポンプ
２３ ：蒸発器
２５ ：膨張器
２５ａ ：出力軸
２７ ：凝縮器
２９ ：制御部
３１ ：電動発電機
３１ａ ：回転軸
３５ ：タンク
４１ ：膨張器入口圧力センサ
４３ ：膨張器回転数検出部
４５ ：排気流量センサ
４７ ：排気温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】