(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（２）の損失熱回収方法であって、
フィードユニット（３）を用いて、下位のプロセス圧力（ｐｕ）と第１の温度（Ｔ１）から上位のプロセス圧力（ｐｏ）と第２の温度（Ｔ２）へと、液体の作動媒体（Ａ）を圧縮するステップと、
熱交換器内で、内燃機関（２）の損失熱を含む熱媒体から作動媒体（Ａ）に熱伝達することにより、作動媒体を気化し、該熱交換器（４）を通過後に前記作動媒体（Ａ）が第３の温度（Ｔ３）を有するステップと、
膨張装置（５）内で、少なくとも前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）と第４の温度（Ｔ４）まで作動媒体（Ａ）を膨張し、該膨張装置から機械的仕事を取り出すステップと、
コンデンサ（６）内で作動媒体（Ａ）を凝縮するステップと、
フィードユニット（３）へ作動媒体（Ａ）を移送するステップと、を有し、
前記上位のプロセス圧力（ｐｏ）が、内燃機関（２）の作動範囲において、作動媒体（Ａ）が膨張装置（５）内で、少なくとも飽和蒸気線（ＳＧ）まで膨張するよう、前記フィードユニット（３）の吐出量調節によって調整されていることを特徴とする方法。
【請求項２】
膨張装置（５）内の前記作動媒体（Ａ）が、内燃機関（２）の作動範囲において、湿り蒸気領域（ＮＧ）にまで膨張することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）が、内燃機関（２）の作動範囲において、予設定可能な圧力範囲内で調整されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
作動媒体（Ａ）の流量が、膨張装置（５）によって調整及び／又は制御されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
作動媒体の流量が、膨張装置（５）の出力の調整及び／又は制御によって調整されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
熱回収装置（１）を備える内燃機関（２）であって、
下位のプロセス圧力（ｐｕ）と第１の温度（Ｔ１）から上位のプロセス圧力（ｐｏ）と第２の温度（Ｔ２）へ、少なくとも液体の作動媒体（Ａ）を圧縮するフィードユニット（３）と、
熱媒体（Ｍ）から作動媒体（Ａ）への熱伝達によって作動媒体（Ａ）を気化する熱交換器（４）であって、該熱交換器（４）を通過後に前記作動媒体（Ａ）を第３の温度（Ｔ３）にする熱交換器と、
前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）と第４の温度（Ｔ４）へ作動媒体（Ａ）を膨張させる膨張装置（５）であって、機械的仕事を取り出すことができる膨張装置と、
作動媒体（Ａ）を凝縮するためのコンデンサ（６）であって、作動媒体（Ａ）が該コンデンサの通過後に少なくとも前記第１の温度（Ｔ１）を有するコンデンサと、を有し、
前記フィードユニット（３）、前記熱交換器（４）、前記膨張装置（５）及び前記コンデンサ（６）が１つの回路として接続され、
前記フィードユニット（３）の吐出量調節によって内燃機関（２）の作動状態に応じて、作動媒体（Ａ）が膨張装置（５）内で、少なくとも飽和蒸気線（ＳＧ）まで膨張するよう、前記上位のプロセス圧力（ｐｏ）を調整する手段が設けられていることを特徴とする内燃機関（２）。
【請求項７】
前記上位のプロセス圧力（ｐｏ）が、前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）の規定値に応じて、及び前記熱交換器（４）下流における作動媒体（Ａ）の第３の温度（Ｔ３）に応じて調整可能であることを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関（２）。 
【請求項８】
前記上位のプロセス圧力（ｐｏ）を調整するための手段が、第１のコントロールユニット（７）と内燃機関（２）の作動状態を検知するセンサを含んでいることを特徴とする、請求項６又は７に記載の内燃機関（２）。
【請求項９】
前記第１のコントロールユニット（７）によって、前記作動媒体の流量を、前記フィードユニット（３）を用い、作動状態を検知する前記センサの数値に応じて調整可能であることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関（２）。
【請求項１０】
前記作動媒体（Ａ）の前記第３の温度（Ｔ３）を検知する温度センサ（７．１）が、前記熱交換器（４）の下流に、実装されていることを特徴とする、請求項８又は９のいずれか一項に記載の内燃機関（２）。 
【請求項１１】
前記作動媒体（Ａ）の前記上位のプロセス圧力（ｐｏ）を検知する圧力センサ（７．２）が、実装されていることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関（２）。
【請求項１２】
前記圧力センサ（７．２）が、前記熱交換器（４）の下流に配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載の内燃機関（２）。 
【請求項１３】
内燃機関（２）の作動状態に応じて前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）を調整する手段が設けられていることを特徴とする、請求項６〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関（２）。
【請求項１４】
前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）を調整する手段が、第２のコントロールユニットを含み、該第２のコントロールユニットを使って、前記膨張装置（５）の負荷が調整されることを特徴とする、請求項１３に記載の内燃機関（２）。
【請求項１５】
前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）を調整する手段を使って、前記下位のプロセス圧力（ｐｕ）が規定値に従って調整可能であることを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の内燃機関（２）。
【請求項１６】
前記膨張装置（５）が、タービン又はピストン膨張装置として実装されていることを特徴とする、請求項６〜１５のいずれか一項に記載の内燃機関（２）。
【請求項１７】
前記膨張装置（５）が、ジェネレータ又は電気モータ又はモータ・ジェネレータユニット（９）に連結されていることを特徴とする、請求項６〜１６のいずれか一項に記載の内燃機関（２）。
【請求項１８】
前記ジェネレータ又は前記電気モータ又は前記モータ・ジェネレータユニット（９）を用いて、前記膨張装置（５）の負荷が調整可能であることを特徴とする、請求項１７に記載の内燃機関（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の損失熱の回収方法に関し、この方法の場合、作動媒体は、まずフィードユニット内で圧縮され、次に熱交換器の中で、内燃機関の損失熱を含んだ熱媒体から作動媒体への熱伝達を通して気化され、続いて、膨張装置の中で膨張され、その際、この膨張装置から機械的仕事を取り出することができ、引き続きコンデンサ内で凝縮される。本発明は、さらに請求項７の前提部分の特徴を備える方法を実施するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の内燃機関の効率は、４０パーセントにまで達している。この場合、損失は、ほとんどが損失熱として、内燃機関のクーラント及び排気ガスに送られる。
【０００３】
従来技術には、内燃機関の排気ガス熱及び／又はクーラント熱から、機械的及び／又は電気的エネルギーを得る様々な方法及び装置がある。
【０００４】
特許文献１から、クラウジウス‐ランキン‐サイクルに基づく熱回収装置が知られており、この装置を使って、内燃機関の排気ガス熱からエネルギーを得ることができる。この熱回収装置は、フィードユニット、熱交換器、膨張装置及びコンデンサを含み、これらは１つの回路として接続され、これらの中を作動媒体が流れている。さらに、熱交換器前の作動媒体温度及び作動媒体の流量に応じて、作動媒体の温度を熱交換器後に調整できる手段が設けられている。さらに、この装置は、熱交換器後の作動媒体温度に応じて、膨張装置への入口前で作動媒体の圧力を調節する手段を含んでいる。
【０００５】
さらに、非特許文献１から、同様にクラウジウス‐ランキン原理によって作動可能な熱回収装置が知られている。この熱回収装置は、フィードユニット、熱交換器、膨張装置及びコンデンサを含み、これらは１つの回路として接続され、作動媒体が流されている。この装置は、さらに、熱交換器後の作動媒体の温度を規定の数値に調整することのできる調整ユニットを含んでいる。この場合、フィードユニットの回転数又は熱交換器を通る作動媒体の流量が、調整値として働く。さらに、もう１つの調整ユニットによって、膨張装置前の作動媒体の圧力を規定の数値に調整することができ、この場合は、膨張装置の回転数が調整値として準備されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１４４３１８３Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T. Endo, S. Kawajiri,Y. Kojima 他（Honda R & D Co., Ltd.）: Study on Maximizing Exergy in AutomotiveEngines; SAE TECHNICAL PAPER SERIES 2007-01-1257; 2007 World Congress, DetroitMichigan, April 16-19, 2007 年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、内燃機関の損失熱を再利用するための方法を示すという課題に基づいており、この方法は、内燃機関の様々な作動条件下で、最適な効率が得られることを特徴としている。さらに、本発明は、この方法を実施するための熱回収装置を備えた内燃機関を提供するという課題にも基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の課題は、請求項１の特徴を有する方法により解決される。第２の課題は、請求項７の特徴を有する内燃機関により解決される。
【００１０】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
【００１１】
内燃機関の損失熱を回収するための本発明による方法では、膨張装置内の作動媒体が少なくともほぼ飽和蒸気限界（飽和蒸気線）まで膨張するように、内燃機関の作動範囲における上位のプロセス圧力が調整される。飽和蒸気限界は、作動媒体が「ぎりぎり」気相にあることによって特徴づけられる。すなわち、僅かなエンタルピ低下（例えば、一定圧力での温度低下の形で）によって、作動媒体の一部が気相から液相に相移行すると考えられる。この方法によって、膨張装置内の作動媒体を、様々な作動条件下において、それぞれ、できる限り高い上位のプロセス圧力からできる限り低い下位のプロセス圧力にまで膨張させることが確実に行われる。さらにこの方法は、様々な作動条件下において、作動媒体に含まれるエネルギーの大部分が機械的仕事に転換され、少数部分のみがコンデンサの中で冷却熱として排出されることを特徴としており、従って、全体的として効率が向上する。この方法のもう１つの利点は、作動安全性の向上にある。というのも、膨張装置内では、様々な作動条件又はあらゆる作動条件において、作動媒体の凝縮は多くてもほんの僅かであるからである。従って、作動媒体の強い凝縮による膨張装置損傷の危険が小さくなる。 
【００１２】
この方法の１つの実施形態では、内燃機関の１つの作動範囲におけるフィードユニット吐出量の調整機能によって、上位のプロセス圧力が調整される。これによって、簡単な方法で、熱交換器を通過する作動媒体の流量及び上位のプロセス圧力と下位のプロセス圧力間の比を制御することが可能となる。
【００１３】
この方法のもう１つの実施形態では、膨張装置内の作動媒体が、内燃機関の１つの作動範囲において、湿り蒸気領域にまで膨張する。このことにより、作動媒体の最大プロセス温度はほぼ同じで（熱交換器の通過後）、フィードユニットによって上位のプロセス圧力をさらに高め、本方法の効率をさらに改善することができる。膨張装置内における作動媒体の膨張は、この場合、作動媒体の過剰な凝縮による膨張装置の損傷を防ぐため、好ましくは飽和蒸気限界を僅かに超えるまでしか行われない。
【００１４】
本発明のもう１つの実施形態では、内燃機関の１つの作動範囲における下位のプロセス圧力が、規定の圧力範囲以内で調整される。この方法により、下位のプロセス圧力と上位のプロセス圧力とを互いに無関係に調整することが可能となる。特に、下位のプロセス圧力を、コンデンサの最適な作動範囲に合わせることができる。下位のプロセス圧力は、例えば、コンデンサがほとんど一定の凝縮圧力で作動するように調整することができ、コンデンサはこの凝縮圧力に合わせて設計されている。下位のプロセス圧力は、特に、上位のプロセス圧力が変化した場合にも、ほぼ一定を保つことができる。
【００１５】
本方法のもう１つの実施形態では、作動媒体の流量が、膨張装置によって調整及び／又は制御される。これによって、フィードユニットの吐出量を調整すること以外にも、作動媒体の流量を制御し、それに伴って上位のプロセス圧力を制御することができるようになる。さらに膨張装置とフィードユニットとを用いることによって、下位のプロセス圧力と上位のプロセス圧力とを互いに無関係に調整することが可能となる。 
【００１６】
本発明のもう１つの実施形態では、膨張装置の出力を調整及び／又は制御することによって、作動媒体の流量を調整する。このことは、例えば、膨張装置の負荷の変動によって行うことができる。 
【００１７】
本発明に基づく熱回収装置を備えた内燃機関の場合は、内燃機関の作動状態に応じて上位のプロセス圧力を調整する手段が設けられている。この場合特に、膨張装置内の作動媒体が、少なくともほぼ飽和蒸気限界にまで膨張可能であるように、上位のプロセス圧力を調整することができる。この方法で、様々な作動条件下において、効率を最適化した状態での作動が可能となる。
【００１８】
本発明の１つの実施形態では、下位のプロセス圧力の規定値に応じて、及び熱交換器の下流での第３の作動媒体温度に応じて、上位のプロセス圧力を調整することができる。この上位のプロセス圧力は、例えば、コントロールユニットの特性マップとして保存するか、又は数学的及び／又は経験的モデルによって、いわゆるプロセス値から算出することができる。好ましいのは、膨張装置内の作動媒体が少なくともほぼ飽和蒸気限界近くにまで膨張可能であるように、上位のプロセス圧力が決定されていることである。 
【００１９】
本発明のもう１つの実施形態では、上位のプロセス圧力を調整するための手段が、第１のコントロールユニット及び内燃機関の作動状態を検知するセンサ、特に内燃機関の負荷状態を検知するセンサを含んでいる。
【００２０】
本発明のもう１つの実施形態では、フィードユニットを用いて、第１のコントロールユニットにより、作動媒体の流量を作動状態を検知するセンサ数値に応じて調整可能である。これにより、簡単な方法で、上位のプロセス圧力を、フィードユニットを用いて内燃機関の作動状態に合わせることが可能となる。
【００２１】
本発明のその他の実施形態では、１つのセンサが、熱交換器の下流で第３の作動媒体温度を検知する温度センサとして実装されている。さらに、もう１つのセンサが、上位のプロセス圧力を検知する圧力センサとして実装され、熱交換器の下流に配置される。これによって、最適な効率を得られる上位のプロセス圧力を決定できる測定値を使用することが可能となる。
【００２２】
本発明のもう１つの実施形態では、内燃機関の作動状態に応じて下位のプロセス圧力を調整する手段が設けられている。これによって、上位のプロセス圧力と下位のプロセス圧力とを、互いに無関係に調整することが可能になるため、内燃機関のその他の作動範囲においても、さらに効率が改善される。
【００２３】
本発明のもう１つの実施形態では、下位のプロセス圧力を調整する手段が、第２のコントロールユニットを含み、このコントロールユニットを使って、膨張装置の負荷が調整される。第１のコントロールユニットと第２のコントロールユニットとは、この場合共通のユニットにまとめることもできる。負荷の変動によって、特に膨張装置を通過する作動媒体の流量が制御可能である。特に、この方法によって、下位のプロセス圧力も調整可能である。
【００２４】
本発明のもう１つの実施形態では、下位のプロセス圧力を調整する手段を使って、規定値に基づき、下位のプロセス圧力が調整可能である。とりわけ、この規定値は、規定された圧力のもとで作動媒体がコンデンサに送られるように選択することができる。
【００２５】
本発明のその他の実施形態では、膨張装置が、タービン及び／又はピストン膨張装置として実装され、ジェネレータ及び／又は電気モータ及び／又はモータ・ジェネレータユニットに連結されている。従って、膨張装置から取出し可能な機械的仕事は、直接、内燃機関の補助に使用可能であるか、又はジェネレータを介して電気エネルギーに変換可能である。 
【００２６】
本発明のもう１つの実施形態では、ジェネレータ及び／又は電気モータ及び／又はモータ・ジェネレータユニットを用いて、膨張装置の負荷が調整可能である。それによって、膨張装置を通過する作動媒体の流量も簡単に制御することができる。
【００２７】
まとめると、本発明に基づく損失熱の回収及び本発明に基づく熱回収装置を備える内燃機関により、クラウジウス‐ランキン‐サイクルの作動が、作動領域の大部分で改善される。全体的な効率の上昇に基づき出力が最適化されること以外にも、さらに、周辺に排出される冷却熱を削減することができる。追加的な材料及び製造経費は僅かであることから、本発明に基づく方法及び本発明に基づく内燃機関を簡単かつ低コストで実現することが可能となる。
【００２８】
本発明の実施例を、図に基づいて以下に詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】それぞれ異なる上位のプロセス圧力をもつ３つのクラウジウス‐ランキン‐サイクルの圧力‐エンタルピ‐線図。
【図２】本発明に基づく熱回収装置を備える内燃機関の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、まず図２を用いて、本発明に基づく熱回収装置を備える内燃機関２を説明する。
【００３１】
熱回収装置１では、ポンプ３の形態によるフィードユニット、熱交換器４、タービン５の形態による膨張装置、コンデンサ６が、１つの回路に接続されている。この回路では、水である作動媒体Ａが、矢印で示した方向に流れる。この熱回収装置は、いわゆるクラウジウス‐ランキン‐サイクルを実施するのに適している。変更された実施例では、作動媒体として、有機媒体、例えばエタノール又はｎ‐ブタンなども使用可能である。
【００３２】
ポンプ３への入口前では、作動媒体Ａは液相にある。この作動媒体Ａは、好ましくは６０℃〜９０℃の、比較的低い第１の温度Ｔ１を有している。ポンプ３への入口前で作動媒体が有している圧力は、下位のプロセス圧力Ｐｕに該当し、通常は１〜２ｂａｒである。ポンプ３では、液体の作動媒体が、ほぼ断熱的及び等エントロピー的に、上位のプロセス圧力ｐｏ（例えば９０ｂａｒ）に圧縮可能である。圧縮後、作動媒体は第２の温度Ｔ２を有し、この温度は少なくともほぼ第１の温度Ｔ１に該当するか、又は第１の温度Ｔ１を（使用する作動媒体及び作動状態に応じて）０．１Ｋ〜１０Ｋ超過している。
【００３３】
引き続き、作動媒体Ａは熱交換器４に送られる。熱交換器４では、内燃機関２の排気ガスから作動媒体Ａに熱伝達が行われる。この場合、熱伝達は、ほとんど定圧で行われる。作動媒体Ａは、熱交換器４を通過する際に、まず液相においてほぼ定圧で沸騰温度Ｔ３まで加熱され、引き続き定圧及び定温で気化される。作動媒体Ａの気体割合は、気化の間、作動媒体Ａが完全に気相になるまで継続的に増加する。次に、気体の作動媒体は、熱交換器においてほぼ定圧で、好ましくは４００℃〜５００℃の第３の温度Ｔ３まで過熱される。
【００３４】
熱交換器４を通過後、気体の作動媒体Ａはタービン５に送られ、ここで作動媒体は、実質断熱的に、少なくともほぼ下位のプロセス圧力ｐｕにまで膨張される。この場合、シャフト部分でタービン５から機械的仕事を取り出すことができる。膨張の間、作動媒体は、第４の温度Ｔ４まで冷却される。タービン５では、作動媒体Ａの凝縮をほんの僅かにすることができる。
【００３５】
タービン５は、モータ・ジェネレータユニット９に連結されており、この中で、タービン５から取り出される機械的仕事が電気エネルギーに転換可能であり、次に、この電気エネルギーを、電気アキュムレータ（図示されていない）の中に保存することができる。 
【００３６】
続いて、作動媒体Ａはコンデンサ６に送られ、その中で、作動媒体から冷却媒体への熱伝達が行われる。これによって、作動媒体は、コンデンサ６を通過する際に、気相から液相に移行する（凝縮）。これに続いて、作動媒体はポンプ３に送られ、回路が終了する。
【００３７】
変更された実施例では、コンデンサ６が内燃機関の冷却回路に連結されているため、作動媒体Ａから内燃機関のクーラントへの熱伝達によって、作動媒体Ａの冷却を行うことができる。 
【００３８】
熱回収装置１は、さらに、第１のコントロールユニット７、熱交換器後の作動媒体Ａの第３の温度Ｔ３を検知する温度センサ７．１、及び上位のプロセス圧力ｐｏを検知するための第１の圧力センサ７．２を含んでいる。第１のコントロールユニット７は、ラインを介してポンプ３に接続されている。ポンプ３の吐出量は、温度センサ７．１及び／又は第１の圧力センサ７．２の測定値に応じて、コントロールユニット７により調整可能である。この方法で、ポンプ３を流れる作動媒体Ａの流量と、上位のプロセス圧力ｐｏと下位のプロセス圧力ｐｕ間の圧力比とが、前述の測定値に応じて制御可能である。変更された実施例（図示されていない）では、内燃機関及び／又は熱回収装置の別の測定値が、ポンプ３の規定吐出量を検出する第１のコントロールユニット７のインプット値として準備されている。考えられる測定値は、例えば、内燃機関の回転数、排出ガス温度Ｔａ及び排気ガス流量Ｄａである。
【００３９】
第２のコントロールユニット８と、タービン５後の下位のプロセス圧力ｐｕを検知する第２の圧力センサ８．１とを使って、ジェネレータの負荷を、下位のプロセス圧力ｐｕに応じて調整することができる。この方法で、タービン５を通過する作動媒体Ａの流量を制御することが可能である。従って、ポンプ３の吐出量を調整する以外に、第２の調整値が与えられ、上位のプロセス圧力ｐｏと下位のプロセス圧力ｐｕ間の圧力比が制御され、両方のプロセス圧力の絶対値も制御される。変更された実施例（図示されていない）では、内燃機関及び／又は熱回収装置の別の測定値が、モータ・ジェネレータユニット９の負荷を検出する第２のコントロールユニット８のインプット値として準備されている。考えられる測定値は、例えば、内燃機関の回転数、排気ガス温度及び排気ガス流量である。
【００４０】
もう１つの変更された実施例では、第１のコントロールユニットと第２のコントロールユニットとが、１つのユニットにまとめられている。この場合、このコントロールユニットでは、特にモータ・ジェネレータユニットの負荷及びポンプ吐出量のための規定値を、第１の温度センサの測定値、第１及び第２の圧力センサの測定値、並びに必要な場合は、その他のセンサの測定値に応じて決定することができる。
【００４１】
本発明に基づく内燃機関によって実施可能な損失熱回収サイクルを、図１を使って以下に説明する。
【００４２】
図１には、作動媒体の圧力‐エンタルピ‐線図が示されている。この図の中には、境界線ＳＬ、ＳＧが示されており、この境界線によって、様々な相にある作動媒体の範囲が区切られている。この境界線は、飽和液線ＳＬと飽和蒸気線ＳＧに分割され、臨界点Ｋｐで双方に移行している。この飽和液線ＳＬと飽和蒸気線ＳＧは、共に、いわゆる湿り蒸気領域ＮＧを区切っており、この湿り蒸気領域では、液相の作動媒体と気相の作動媒体とがどちらも存在している。飽和液線ＳＬ以下にエンタルピが減少した場合（例えば、一定圧力での温度低下によって）、作動媒体は、完全に液相に入っている。従って、縦座標と飽和液線とによって区切られている圧力‐エンタルピ‐線図の範囲は、液体領域ＦＧとも呼ばれる。これに対して、飽和蒸気線ＳＧを超えたエンタルピ上昇は、気相への完全な相変化につながり、圧力‐エンタルピ‐線図の該当する部分は、いわゆる乾燥蒸気領域ＴＧと呼ばれる。
【００４３】
さらに、図１では、損失熱の回収サイクルが、摩擦損失又は熱損失のない最適化された形で示されている。 
【００４４】
ポンプ３への入口前では、作動媒体Ａが第１の状態１０にあり、この状態において、作動媒体Ａは、第１の温度Ｔ１、下位のプロセス圧力Ｐｕ及び第１のエンタルピｈ１を有している。第１の状態１０では、作動媒体は液相にある。圧力‐エンタルピ‐線図（図１）における、この第１の状態に該当する点は、飽和液線ＳＬ上にあるか、又はそのすぐ近くにある。
【００４５】
ポンプ３では、作動媒体Ａが、ほぼ断熱的に圧縮され、第２の状態２０に入る。第２の状態２０は、第２の温度Ｔ２、上位のプロセス圧力ｐｏ及び第１のエンタルピｈ１によって特徴付けられている。圧力‐エンタルピ‐線図における、この第２の状態２０に該当する点は、飽和液線からかなり離れており、従って、作動媒体は引き続き液相にある。
【００４６】
熱交換器４では、熱が、定圧で作動媒体Ａに送られるため、作動媒体Ａのエンタルピｈは増加する。次に、依然として液体の作動媒体は、この時、沸騰温度Ｔ３まで、すなわち飽和液線ＳＬにまで加熱される。飽和液線ＳＬでは、液相から気相への相移行が始まる。熱交換器をさらに通過する過程で、作動媒体の気体割合は、作動媒体が完全に気化されるまで増加する。作動媒体の圧力ｐｏと温度Ｔｓは、この場合、湿り蒸気領域に一定して留まり、熱交換器で排気ガスから湿り蒸気領域にある作動媒体に伝達される熱エネルギーは、主として液体から気体への相変化をもたらす。次に、熱交換器をさらに通過する過程において、気体の作動媒体Ａは、熱交換器の出口で、第３の温度Ｔ３、上位のプロセス圧力ｐｏ及び第３のエンタルピｈ３によって特徴づけられる第３の状態３０になるまで、排気ガスからの熱伝達によって定圧で過熱される。
【００４７】
タービンでは、作動媒体Ａが、下位のプロセス圧力ｐｕで膨張するため、作動媒体のエンタルピは張後に減少する。次に、作動媒体Ａは、第４の温度Ｔ４、下位のプロセス圧力ｐｕ及び第４のエンタルピｈ４によって特徴づけられる第４の状態４０となる。この場合、膨張は、本発明に基づき、飽和蒸気線ＳＧ近くまで行われる。
【００４８】
コンデンサでは、作動媒体から冷却媒体への熱伝達により、作動媒体から熱エネルギーが奪われるため、作動媒体のエンタルピは減少する。作動媒体Ａがタービン内で飽和蒸気線ＳＧまでではなく、乾燥蒸気領域ＴＧにまで膨張した場合、コンデンサ内において、気体のままの作動媒体Ａは、まず熱量ｄＱの除去によって、定圧で第４の温度Ｔ４から第１の温度Ｔ１、すなわち飽和蒸気線ＳＧにまで冷却される。飽和蒸気線ＳＧでは、気相から液相への相変化が始まる。コンデンサをさらに通過する過程で、作動媒体の気体割合は、作動媒体が完全に液化されるまで減少する。作動媒体の圧力ｐｕと温度Ｔ１は、この場合、湿り蒸気領域に一定して留まり、湿り蒸気領域を「通過する」際に、コンデンサ内で作動媒体から冷却媒体に伝達される熱エネルギーは、主として気体から液体への相変化をもたらす。コンデンサでは、作動媒体から非常に多くの熱が奪われるため、熱交換器の出口では、作動媒体が完全に凝縮され、作動媒体は再び第１の状態１０におかれる。
【００４９】
図１から、プロセス経過における上位のプロセス圧力ｐｏ上昇の影響が明らかである。第１の上昇圧力ｐｏ´へのｐｏの上昇によって、タービン内において下位のプロセス圧力ｐｕに留まっている作動媒体は、飽和蒸気線ＳＧにまで膨張する。さらに第２の上昇圧力ｐｏ´´まで上昇することによって、タービン内の作動媒体は、湿り蒸気領域ＮＧにまで膨張し、このことは、作動媒体Ａがタービン内で部分的に凝縮することを意味する。
【００５０】
本発明によって、ポンプ３の吐出量変動とタービン５の負荷変動とによって、上位のプロセス圧力と下位のプロセス圧力とを互いに無関係に調整し、さらに内燃機関の作動状態に適合させることが可能となる。本発明に基づく、熱回収装置を備える内燃機関によって、特に、上位のプロセス圧力ｐｏを、作動状態に応じて変動させ、その際、下位のプロセス圧力は、ほぼ一定に保つことが可能となる。これによって、熱回収装置の適切な作動が、内燃機関の広い作動範囲（部分負荷、全負荷など）において保証される。プロセス圧力は、特に、様々な作動条件下において、タービン内の作動媒体がそれぞれ飽和蒸気線にまで、又は僅かに湿り蒸気領域にまで膨張するように、調整することができる。この場合、全負荷での作動では、使用する作動媒体に応じて、上位のプロセス圧力を、熱力学的に適切であるように、９０ｂａｒ又はそれ以上にすることができる。この方法によって、様々な作動条件下において、それぞれ、作動媒体のより大きいエンタルピ部分を機械的仕事に移行させることができ、コンデンサによって冷却熱として外部へ排出されるエンタルピ部分は低下する。例えば１０ｂａｒから９０ｂａｒへと上位のプロセス圧力ｐｏを上昇させると、コンデンサで排出される冷却熱を約１０％減少させることにつながる。さらに、湿り蒸気限界までの膨張によって、コンデンサの取付けスペースも縮小される。なぜなら、乾燥蒸気領域にある高温の作動媒体を冷却する広い冷却面を省略することができるからである。
【００５１】
さらに、下位のプロセス圧力ｐｏの調整により、様々な作動状態において、それぞれ、コンデンサ通過後の作動媒体を、少なくともほぼ完全に液相でポンプ３に供給できるようにすることができる。このことによって、作動媒体が蒸気のまま供給されることによるポンプの損傷の危険を少なくすることができる。
【００５２】
本発明に基づく方法により、特に、上位と下位のプロセス圧力の比を最適に調整することが可能となる。そのために、内燃機関の少なくとも広い作動領域又は全作動領域において、上位のプロセス圧力と下位のプロセス圧力間の比が、あらゆる作動条件下において、できる限り大きくなるように、上位のプロセス圧力及び／又は下位のプロセス圧力がそれぞれの作動条件に適合させられる。この方法で、その作動範囲におけるプロセス効率をさらに良くすることができる。膨張装置での膨張が、飽和蒸気線にまで、又は場合によっては僅かに湿り蒸気領域にまで行われるという仮定の下で、達成可能な圧力比は、熱媒体の温度と流量（それによって作動媒体への熱の流れ）、及び使用する作動媒体の特徴（特に、超臨界領域における作動媒体の沸点及び特性）に左右される。この圧力比は、構成部品、特に熱交換器及び膨張装置の機械的負荷容量によって制限される。
【００５３】
本発明に基づく方法は、従来の方法に比べ、明らかな効率の向上によって特徴づけられる。本装置及び本方法は、特に、ハイブリッド車での使用に適している。なぜなら、タービンに連結可能なモータ・ジェネレータユニットがすでに装備されているためである。
【図１】
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【図２】
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