(57)【要約】【課題】エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置において、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、廃熱のエネルギーを効率良く回収することを課題とする。【解決手段】廃熱回収装置１は、ウォータジャケット４内を流れる冷媒がエンジンの廃熱により蒸気化し、この蒸気化した冷媒のエネルギーを動力に変換して回収するタービン６と、ノズル形状変更ユニット１７により形状が変更されて、タービン６へ流入する蒸気化した冷媒の流速を変更するノズル１２と、ＥＣＵ１８とを備え、ＥＣＵ１８は、エンジン回転数に基づいて算出されるタービン６における回収効率が最大となるように、ノズル１２の形状を変更させることを特徴とする。【選択図】図１
2011007075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
前記蒸気化手段により蒸気化した前記冷媒からエネルギーを回収する膨張機と、
当該膨張機へ前記蒸気化した冷媒を噴射する噴射手段と、
前記蒸気化手段により蒸気化する冷媒量に基づいて、前記噴射手段の形状を変更し、噴射する冷媒の速度を変更させる変更手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記噴射手段は、絞り部を備えたノズルであって、
前記変更手段は、前記絞り部の流路面積を変更することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の廃熱回収装置において、
前記噴射手段は、絞り部の下流側に設けられた拡張部を備えたノズルであって、
前記変更手段は、前記拡張部の冷媒の流れる方向の長さを変更することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項記載の廃熱回収装置において、
前記噴射手段は、形状が互いに相違することにより、噴射する冷媒の速度が異なる複数のノズルを備え、
前記変更手段は、前記複数のノズルの中から冷媒を噴射するノズルを切り替えることを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関（エンジン）の稼動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収処理装置には、例えばエンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンの廃熱によって蒸気化した冷媒によって膨張機（タービン）を駆動させ、蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーや補助動力等に変換して回収するものがある。
【０００３】
このような廃熱回収装置において回収されるエネルギーはエンジンの補助動力として利用することができる。例えば、タービンの軸とエンジン駆動軸とを接続し、高温の冷媒蒸気により駆動されるタービンの回転をエンジンへ伝達することができる。
【０００４】
特許文献１には、タービンのノズルから噴射される蒸気により回転するタービンの羽根の枚数及び羽根角度を最適化した技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−７４４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このようなエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置において、蒸気の発生はエンジンの運転状態に影響を受け、エンジン出力の変化とともに、発生する蒸気量が刻々と変化する。タービンへ蒸気を噴射するノズルを、ある蒸気圧、温度、流量の蒸気条件に適合させて設計し、エンジンの廃熱により発生する蒸気がこれらの条件に適する場合、エネルギーを効率よく回収することができる。ところが、発生する蒸気の条件がノズルに最適な条件から外れた場合、エネルギーの損失が増大し、タービンで回収できるエネルギーが減少してしまうことが考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、廃熱のエネルギーを効率良く回収することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、前記蒸気化手段により蒸気化した前記冷媒からエネルギーを回収する膨張機と、当該膨張機へ前記蒸気化した冷媒を噴射する噴射手段と、前記蒸気化手段により蒸気化する冷媒量に基づいて、前記噴射手段の形状を変更し、噴射する冷媒の速度を変更させる変更手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このような構成とすることにより、エンジンの運転状態により変化する蒸気発生量に応じて、膨張機への蒸気の流入速度を調節することができる。これにより、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、蒸気をエネルギーの回収に適した速度で膨張機へ流入させ、効率よくエネルギーを回収することができる。また、流速可変とともに蒸気の温度を低下することができるので、高温の蒸気が膨張機へ送られることが抑制されて膨張機を保護することができる。また、エンジンの廃熱を回収して蒸気化する冷媒の量は、エンジンの稼働状態に依存する。このため、前記変更手段は、蒸気化する冷媒量に代えてエンジン稼動状態に基づいて、前記噴射手段の形状を変更することとしてもよい。これにより、エンジンの稼働状態に応じて、膨張機への蒸気の流入速度を調節することができ、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、効率よくエネルギーを回収することができる。なお、エンジンの稼働状態は、例えば、エンジン回転数、及びトルクから判断することができる。
【００１０】
このような廃熱回収装置において、前記噴射手段は、流路面積の狭い絞り部を備えたノズルであって、前記変更手段は、前記絞り部の流路面積を変更する構成とすることができる。
【００１１】
このような絞り部の流路面積が拡張することにより、ノズルから噴射される蒸気の流速の上昇を抑制することができる。一方、絞り部の流路面積が縮小することにより、ノズルから噴射される蒸気の流速をさらに上昇することができる。このようにノズルから膨張機へ噴射される蒸気の流速を変更することにより、膨張機の運転を制御し、エネルギーを効率よく回収することができる。
【００１２】
このような廃熱回収装置において、前記噴射手段は、流路面積の狭い絞り部の下流側に設けられた拡張部を備えたノズルであって、前記変更手段は、前記拡張部の冷媒の流れ方向の長さを変更する構成とすることができる。
【００１３】
蒸気は、このような拡張部を通過する際に断熱膨張して加速される。拡張部の長さが短い場合は、拡張部を通過する蒸気の断熱膨張する期間が短いため、蒸気の加速期間が短く、噴射される蒸気の流速の上昇を抑制することができる。また、蒸気が断熱膨張する期間が短いため、蒸気の温度が低下する期間が短く、噴射される蒸気の温度が高い。一方、拡張部の長さが長くなると拡張部を通過する蒸気の断熱膨張する期間が長くなり、蒸気の加速期間が長く、噴射される蒸気の流速をさらに上昇することができる。また、蒸気が断熱膨張する期間が長く、蒸気の温度が低下する期間が長くなることにより、噴射される蒸気の温度をさらに低下させることができる。
【００１４】
このような廃熱回収装置において、前記噴射手段は、形状が互いに相違することにより、噴射する冷媒の速度が異なる複数のノズルを備え、前記変更手段は、前記複数のノズルの中から冷媒を噴射するノズルを切り替える構成とすることができる。
【００１５】
このような構成とすることにより、膨張機へ流入する蒸気の流速を変更することができる。これにより、エンジンの運転状態、蒸気発生量などに応じて、膨張機の動作を制御し、膨張機において効率よくエネルギーを回収することができる。
【００１６】
また、上記の廃熱回収装置において、前記変更手段は、前記膨張機における回収効率が最大となることを考慮し、前記噴射手段の形状を変更することとしてもよい。
【００１７】
膨張機において回収されるエネルギーをエンジンの回転の補助動力へ変換する場合、膨張機とクランクシャフトとを連結し、エンジンの回転と膨張機の動作とを連動させることができる。本発明のような構成において、膨張機への蒸気の流入速度を調節し、運転中におけるエンジンの回転の補助に適するように膨張機の動作を制御することにより、膨張機における回収効率を最大とすることができる。これにより、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、膨張機において回収するエネルギーを効率よく動力に変換し、エンジンへ伝達することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する膨張機へ流入する蒸気の単位時間の流量を制御することにより、膨張機の動作を制御し、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、廃熱のエネルギーを効率良く回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】ノズルの形状を示した説明図であって、（ａ）は第１配管側から見たノズルの状態を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示した説明図である。
【図３】ノズル形状変更ユニットの外観を示した説明図である。
【図４】（ａ）は絞り羽根を示し、（ｂ）はガイド板を示し、（ｃ）は動力伝達板を示した説明図である。
【図５】絞り羽根、ガイド板、動力伝達板を組み付ける様子を示した説明図である。
【図６】組み付けた際の絞り羽根がノズルの絞り部に配置された弾性体を絞る動作を説明する図であって、（ａ）は絞り部の流路面積が最大の場合を示し、（ｂ）は絞り部の流路面積が最小の場合を示した説明図である。
【図７】ノズルの絞り部の流路面積を変更する制御を示したフローチャートである。
【図８】エンジン回転数とトルクとに基づいて発生蒸気量を算出するマップの一例である。
【図９】実施例２のノズル及びノズル形状変更ユニットの概略構成を示した説明図であって、（ａ）は、絞り部の流路面積が最大の場合を示し、（ｂ）は絞り部の流路面積が最小の場合を示した説明図である。
【図１０】実施例３のノズル及びノズル形状変更ユニットの概略構成を示した説明図であって、（ａ）は、拡張部が最長となった場合を示し、（ｂ）は拡張部が最短となった場合を示した説明図である。
【図１１】ノズルの拡張部長さを変更する制御を示したフローチャートである。
【図１２】ノズルの各部と蒸気の流速と圧力を示した説明図であって、（ａ）は、ノズルの各部の位置を示し、（ｂ）は、ノズルの各部における蒸気の流速と圧力とを示した説明図である
【図１３】実施例４における第１ノズル、第２ノズル、第３ノズル、タービン羽根車を示した説明図である。
【図１４】第１ノズル、第２ノズル、第３ノズルの特性を示した説明図である。
【図１５】ノズルの切り替えマップを示した説明図である。
【図１６】要求蒸気流速と本実施例のノズルを切り替えた際の蒸気流速とを比較した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１はエンジン２に組み込まれている。エンジン２は４気筒のガソリンエンジンである。エンジン２は、ウォータジャケット４が形成されたエンジン本体３を備えている。ウォータジャケット４内には、エンジン本体３を冷却する冷媒が流入し、この冷媒はウォータジャケット４内でエンジンの廃熱を回収して蒸気化する。すなわち、エンジン本体３、ウォータジャケット４は、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する本発明の蒸気化手段である。
【００２２】
さらに、廃熱回収装置１は、過熱器５、タービン６、復水器７、ウォータタンク８、ウォータポンプ９を備えている。ウォータジャケット４の蒸気出口４ａとタービン６の蒸気入口６１とは第１配管１０により接続されている。ウォータジャケット４内で蒸気化した冷媒は、第１配管１０へ流入する。第１配管１０は、エンジン２の排気ガスが通過する排気管１１とともに、過熱器５の内部に引き込まれている。過熱器５内において、第１配管１０を通過する蒸気は、排気管１１を通過する排気ガスから熱を付与されて高温蒸気となる。この高温蒸気は、第１配管１０のタービン６側の端部に配設されたノズル１２からタービン６内へ噴射される。このノズル１２は、本発明の噴射手段に相当する。
【００２３】
タービン６は本発明の膨張機に相当する衝動タービンである。タービン６は、タービンケース６２、高温蒸気が衝突することにより回転する羽根車６３を備えている。ノズル１２から噴射された高温蒸気が羽根車６３を回転させることにより、蒸気化した冷媒の持つエネルギーが機械エネルギーへ変換される。この蒸気タービン６の回転は、エンジン２のクランクシャフトへ伝達され、補助動力として利用される。
【００２４】
タービン６の蒸気出口６４と復水器７の入口７１とが第２配管１３により接続されている。タービン６において、羽根車６３を回転させた蒸気は、蒸気出口６４から第２配管１３を通り、復水器７へ流入する。復水器７に流入した蒸気は、冷却ファン７２により送られる外気と熱交換して冷却され、凝縮し液体となる。
【００２５】
復水器７の出口７３とウォータタンク８とは第３配管１４により接続されている。ウォータタンク８とウォータポンプ９とは第４配管１５により接続されている。また、ウォータポンプ９とウォータジャケット４の冷媒入口４ｂは第５配管１６により接続されている。ウォータタンク８は復水器７で凝縮された液体の冷媒を溜め、ウォータポンプ９は、冷媒をウォータジャケット４内へ供給する。
【００２６】
以上のように、エンジン本体３、過熱器５により高温蒸気となった冷媒は、タービン６で仕事を行い、復水器７において凝縮する。凝縮した冷媒はウォータポンプ９により、ウォータジャケット４内へ送られて、再び系内を循環する。このように廃熱回収装置１は、冷媒を作動流体とするランキンサイクルシステムとして機能する。このランキンサイクルを形成する配管、機器類は冷媒が漏洩しないようにシールされており、閉じた系が形成されている。
【００２７】
また、廃熱回収装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１８を備えている。廃熱回収装置１は、エンジン２のクランクシャフトの回転数を計測する回転センサ１９と、アクセルペダルの開度を計測するポジションセンサ２０とを備えている。回転センサ１９、ポジションセンサ２０のそれぞれは、ＥＣＵ１８と電気的に接続されている。このため、ＥＣＵ１８は、回転センサ１９の計測するクランクシャフトの回転からエンジン回転数を取得する。また、ＥＣＵ１８は、ポジションセンサ２０の計測するアクセル開度からエンジン筒内への吸入空気量を算出する。さらに、ＥＣＵ１８は、ウォータポンプ９、冷却ファン７２と電気的に接続されており、これらへ動作信号を送る。
【００２８】
また、廃熱回収装置１は、ノズル１２の形状を変更するノズル形状変更ユニット１７を備えている。ノズル形状変更ユニット１７は、ＥＣＵ１８とともに本発明の変更手段を構成する。ノズル形状変更ユニット１７は、ノズル１２の形状を変更し、ノズル１２がタービン６へ噴射する冷媒の速度を変更する。
【００２９】
次に、ノズル１２、及びノズル形状変更ユニット１７の構成を詳細に説明する。図２はノズル１２の形状を示した説明図である。図２（ａ）は第１配管１０側から見たノズル１２の状態を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面を示した説明図である。図３はノズル形状変更ユニット１７の外観を示した説明図である。図４（ａ）は絞り羽根１７３を示し、図４（ｂ）はガイド板１７４を示し、図４（ｃ）は動力伝達板１７５を示した説明図である。図５は、絞り羽根１７３、ガイド板１７４、動力伝達板１７５を組み付ける様子を示した説明図である。図６は組み付けた際の絞り羽根１７３がノズル１２の絞り部１２ａに配置された弾性体１２１を絞る動作を説明する図であって、図６（ａ）は絞り部１２ａの流路面積が最大の場合を示し、図６（ｂ）は絞り部１２ａの流路面積が最小の場合を示した説明図である。
【００３０】
図２に示すように、ノズル１２は、流路面積の狭い絞り部１２ａと、絞り部１２ａよりも上流側の縮小部１２ｂと、絞り部１２ａの下流側で蒸気冷媒が断熱膨張する拡張部１２ｃとを有している。ノズル１２の絞り部１２ａには弾性体１２１が配設されている。このノズル１２の外周にノズル形状変更ユニット１７が配設されている。ノズル形状変更ユニット１７は、２枚のケースプレート１７１、１７２の間に、絞り羽根１７３と、ガイド板１７４と、動力伝達板１７５とを順に配置して構成されている。図４に示すように、絞り羽根１７３は４枚が一対となって用いられる。ガイド板１７４にはピン挿入部１７４１とスリット１７４２とがそれぞれ４つ形成されている。動力伝達板１７５には溝１７５１が４つ形成されている。動力伝達板１７５の外周はギア溝が形成されており、モータ１７６により回動される。モータ１７６はＥＣＵ１８と電気的に接続されており、ＥＣＵ１８の指令に基づいて動作する。
【００３１】
次に、これら絞り羽根１７３と、ガイド板１７４と、動力伝達板１７５との組み付けの様子を説明する。図５に示すように、絞り羽根１７３は、絞り羽根１７３の一端を通るガイド板固定ピン１７３１をガイド板１７４のピン挿入部１７４１へ挿入することにより、ピン挿入部１７４１を中心に回動可能に組み付けられる。また、絞り羽根１７３の他端に接続した動力伝達板接続ピン１７３２が、ガイド板１７４のスリット１７４２を通過し、動力伝達板１７５の溝１７５１に挿入されるように組み付けられる。
【００３２】
このように組みつけられた絞り羽根１７３は、以下のように動作する。すなわち、図６（ａ）に示すように、モータ１７６により動力伝達板１７５が紙面上左回りに回転すると、これと接続された絞り羽根１７３が、弾性体１２１が広がる方向に移動するため、絞り部１２ａが広がり、流路面積が拡大する。一方、図６（ｂ）に示すように、モータ１７６により動力伝達板１７５が紙面上右回りに回転すると、これと接続された絞り羽根１７３が、弾性体１２１が窄まる方向に移動するため、絞り部１２ａが狭くなり流路面積が縮小する。なお、図６では、説明の都合上、動力伝達板１７５の動きが分かるように、ガイド板１７４の裏側にある動力伝達板１７５を別途示している。
【００３３】
以上のように、ノズル形状変更ユニット１７によりノズル１２の絞り部１２ａは流路面積が変更される。
【００３４】
次に、このノズル形状変更ユニット１７にノズル１２の絞り部１２ａの流路面積変更の制御について説明する。本制御は、ＥＣＵ１８により行われる。本制御では、ＥＣＵ１８は絞り部１２ａの絞り度を判定し、動力伝達板１７５の回転角度を算出する。ＥＣＵ１８は算出した回転角度となるようモータ１７６を作動することにより、絞り部１２ａにおける流路面積を変更する。図７は、本制御を示したフローチャートである。以下、制御を図７のフローチャートを参照して説明する。
【００３５】
本制御は、ランキンサイクルシステムの運転の開始に伴い、開始する。ＥＣＵ１８はステップＳ１１でエンジンの運転状態を判断するための各種データを取得する。ここでの各種データは、例えば、図１の廃熱回収装置１におけるノズル入口Ａにおける蒸気の圧力Ｐ１、温度Ｔ１、及び、ノズル出口Ｂにおける蒸気の圧力Ｐ２、温度Ｔ２、ウォータジャケット４において発生し第１配管１０を通過する蒸気の流量（発生蒸気量）ｍ、回転センサ１９の計測値から取得するエンジン回転数ＮＥ、ポジションセンサ２０の計測値から算出する吸入空気量ＫＬ等が挙げられる。なお、圧力Ｐ１、温度Ｔ１は、ノズル１２の入口付近にセンサを設けて測定しても良いし、これらの値と相関関係のある情報に基づいて、算出することとしても良い。また、圧力Ｐ２、温度Ｔ２についても同様に、ノズル１２の出口付近にセンサを設けて測定しても良いし、これらの値と相関関係のある情報に基づいて、算出することとしても良い。ＥＣＵ１８はステップＳ１１の処理を終えるとステップＳ１２へ進む。
【００３６】
ＥＣＵ１８はステップＳ１２で、取得したノズル入口の圧力Ｐ１が予め設定した許容上限値Ｐ１ｍａｘ以下であるか否かを判断する。この許容上限値Ｐ１ｍａｘは、ランキンサイクルシステムが安全に運転できるノズル入口の蒸気圧力の許容上限値である。ＥＣＵ１８はステップＳ１２でＹｅｓと判断する場合、すなわち、ノズル入口の圧力Ｐ１がＰ１ｍａｘ以下である場合、ステップＳ１３へ進む。
【００３７】
ＥＣＵ１８はステップＳ１３で、ノズル絞り度を算出する。ここでは、ステップＳ１１で取得した各種データに基づいて、タービン効率ηが最大となるようなノズル出口の流速Ｃを算出する。タービン効率ηはノズル出口流速Ｃに対するタービン周速Ｕの比率である周速比Ｕ／Ｃが０．５となる場合、最大となる。
【００３８】
ここで、タービン周速Ｕは、次式（数１）のように表わされる。
【数１】
2011007075.tif 000003
ＮＥ：エンジン回転数
Ｋｇ：変速比
ｒ：タービン半径
変速比Ｋｇ、タービン半径ｒは設計時点で予め定められた値であるので、周速比が０．５となるノズル出口流速Ｃを算出することができる。
【００３９】
次に、ノズル出口流速Ｃは、次式（数２）のように表わされる。
【数２】
2011007075.tif 000004
κ：比熱比
Ｐ１  ：ノズル入口蒸気圧力
Ｐ２  ：ノズル出口蒸気圧力
Ｔ１  ：ノズル入口蒸気温度
Ｒ：ガス定数
ここで、冷媒に水を用いた場合、比熱比κは１．３程度、ガス定数Ｒは４６１．９Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）である。Ｐ１、Ｔ１はステップＳ１１において取得するので、ノズル出口流速Ｃが上記のタービン周速から算出した値となるように、Ｐ２／Ｐ１の値を算出する。
【００４０】
ＥＣＵ１８は、このようなＰ２／Ｐ１となるような絞り度を決定する。なお、ＥＣＵ１８は、予め実験等により求められたＰ２／Ｐ１と絞り度との関係を示すマップを備え、このマップから絞り度を決定することができる。ＥＣＵ１８はステップＳ１３の処理を終えると、ステップＳ１４へ進む。
【００４１】
ＥＣＵ１８はステップＳ１４で、温度Ｔ２に基づいて絞り度を補正する。なお、ノズル出口の温度Ｔ２の測定をしない場合は、ステップＳ１４の処理を省略しても良い。ＥＣＵ１８はステップＳ１４の処理を終えるとステップＳ１５へ進む。
【００４２】
ＥＣＵ１８はステップＳ１５で、決定した絞り度となるように、モータ１７６へ指令信号を送り、動作させる。これにより、絞り部１２ａが変更されて、ノズル出口において蒸気が噴射される。このときのノズル出口の蒸気流速は、エンジン回転数から算出したタービン周速との関係で、タービン効率を最大とする速度となっている。ＥＣＵ１８はステップＳ１５の処理を終えるとリターンとなる。
【００４３】
ところで、ＥＣＵ１８はステップＳ１２でＮｏと判断する場合、すなわち、ノズル入口の圧力Ｐ１がＰ１ｍａｘより大きい場合、ステップＳ１６へ進む。
【００４４】
ＥＣＵ１８はステップＳ１６で、ノズル絞り部を拡張するように、モータ１７６へ指令信号を送る。これにより、ノズル入口の圧力Ｐ１の過剰な上昇を抑止し、タービン６、第１配管１０などのランキンサイクルシステムの破損を防止する。
【００４５】
例えば、発生蒸気量ｍが減少すると、ノズル１２の入口圧力Ｐ１が低下する。これにより、ノズル１２の入口と出口の圧力比Ｐ１／Ｐ２が減少する。圧力比Ｐ１／Ｐ２が減少すると、数２の式より、ノズル出口流速Ｃが低下する。このように発生蒸気量ｍが減少しノズル出口流速Ｃが低下するような場合、本実施例では、絞り部１２ａにおける流路面積を縮小することにより、Ｐ１の低下を抑制する。これにより、ノズル１２の入口と出口の圧力比Ｐ１／Ｐ２の減少が抑制されて、ノズル出口流速Ｃの低下が抑制される。
【００４６】
以上のように、本実施例の廃熱回収装置１は、ノズル出口の蒸気の速度を調整し、ノズル効率の低下を抑制する。これにより、ランキンサイクルシステムによるエネルギー回収量を維持し、エンジン２の運転領域の広範囲に亘って、廃熱のエネルギーを効率良く回収し、高い燃費を維持する。また、タービンの回収効率が高くなる場合、ノズル出口の温度Ｔ２が低下することから、タービンの効率が上昇することにより、ノズル１２から噴射する蒸気温度の上昇を抑制し、タービン６に対する熱害を防止する。
【００４７】
なお、本実施例では、タービン６の回収効率が最大となるようにノズル１２の形状の制御を行っているが、ＥＣＵ１８は、ウォータジャケット４内で発生する蒸気量に基づいて、ノズル１２の形状の制御を行うこととしても良い。また、例えば、ＥＣＵ１８が、図８に示すようなエンジン回転数とトルクとに基づいて、発生する蒸気量を算出し、ノズル１２の形状の制御を行うこととしても良い。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置は、ノズル２２及びノズル形状変更ユニット２３が実施例１のノズル１２及びノズル形状変更ユニット１７と相違する点で、実施例１の廃熱回収装置１と相違する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
図９は、本実施例のノズル２２及びノズル形状変更ユニット２３の概略構成を示した説明図である。図９（ａ）は、絞り部２２ａの流路面積が最大の場合を示し、図９（ｂ）は絞り部２２ａの流路面積が最小の場合を示した説明図である。ノズル２２は、流路面積の狭い絞り部２２ａと、絞り部２２ａよりも上流側の縮小部２２ｂと、絞り部２２ａの下流側で蒸気冷媒が断熱膨張する拡張部２２ｃとを有しており、絞り部２２ａには弾性体２２１が配設されている。ノズル形状変更ユニット２３は、ケース２３１、油圧調整部２３２、連通管２３３、流入管２３４、排出管２３５を備えている。ケース２３１と油圧調整部２３２とは、連通管２３３により接続されている。油圧調整部２３２は、流入管２３４からオイルを流入し、排出管２３５からオイルを排出させ、連通管２３３を通じてケース２３１内の油圧を調整する。ノズル２２の絞り部２２ａの流路面積を縮小する場合、オイルが流入管２３４を通じて油圧調整部２３２に流入する。油圧調整部２３２は連通管２３３を通じてケース２３１内にオイルを流入させ、油圧を上昇させる。油圧の上昇により、絞り部２２ａに設けられた弾性体２２１が絞り部２２ａの流路面積を縮小するように変形する。
【００５０】
本実施例における制御の処理はＥＣＵ１８により行われ、その制御は実施例１の図７のフローチャートで示すものと同様である。したがって、ここではその詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００５１】
次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置は、ノズル３２及びノズル形状変更ユニット３３が実施例１のノズル１２及びノズル形状変更ユニット１７と相違する点で、実施例１の廃熱回収装置１と相違する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
図１０は、本実施例のノズル３２及びノズル形状変更ユニット３３の概略構成を示した説明図である。図１０（ａ）は、拡張部３２ｃが最長となった場合を示し、図１０（ｂ）は拡張部３２ｃが最短となった場合を示した説明図である。
【００５３】
ノズル３２は、流路面積の狭い絞り部３２ａと、絞り部３２ａよりも上流側の縮小部３２ｂと、絞り部３２ａの下流側で蒸気冷媒が断熱膨張する拡張部３２ｃとを有している。ノズル形状変更ユニット３３は、ノズル３２を覆うように配設されたケース３３１、並進ユニット３３２を備えている。ケース３３１にはガイド３３１１が形成されており、ノズル３２がガイド３３１１にしたがって摺動する。また、ケース３３１には拡張部３３１２が形成されており、ノズル３２が蒸気の流れの上流側に移動した場合（図１０（ａ）に示す場合）、ノズル３２の拡張部３２ｃとケース３３１の拡張部３３１２とが連続し、ノズル３２の拡張部が延長される。並進ユニット３３２は、油圧室３３２１、油圧室３３２１内で摺動するピストン部３３２２、ピストン部３３２２とノズル３２とを結合する結合部３３２３、油圧室内のオイルの流入と排出を行う配管３３２４、３３２５を備えている。油圧室３３２１内のオイルの入出を制御することにより、ピストン部３３２２が摺動し、ノズル３２の位置が変更される。より具体的には、配管３３２４からオイルを流入し、配管３３２５からオイルを排出すると、ノズル３２は蒸気の流れの上流側へ移動し、ノズル３２の拡張部において蒸気の流れ方向の長さが長くなる。一方、配管３３２５からオイルを流入し、配管３３２４からオイルを排出すると、ノズル３２は蒸気の流れの下流側へ移動し、ノズル３２の拡張部において蒸気の流れ方向の長さが短くなる。このような油圧室３３２１内のオイルの流入と排出とはＥＣＵ１８により制御されるオイルポンプにより行われる。なお、この並進ユニットは、磁力や電気モータを利用してノズル３２を移動させる構成であっても良い。
【００５４】
次に、このノズル形状変更ユニット３３によるノズル３２の拡張部長さの変更制御について説明する。本制御は、ＥＣＵ１８により行われる。本制御では、ＥＣＵ１８がエンジン運転条件から拡張部長さを算出し、油圧室３３２１内へのオイルの入出を制御する。図１１は、本制御を示したフローチャートである。以下、本制御を図１１のフローチャートを参照して説明する。
【００５５】
本制御は、ランキンサイクルシステムの運転開始に伴い、開始する。ＥＣＵ１８はステップＳ２１でエンジンの運転状態を判断するための各種データを取得する。ここでの各種データは、例えば、図１の廃熱回収装置１におけるノズル入口Ａにおける蒸気の圧力Ｐ１、温度Ｔ１、及び、ノズル出口Ｂにおける蒸気の圧力Ｐ２、温度Ｔ２、ウォータジャケット４において発生し第１配管１０を通過する蒸気の流量ｍ、回転センサ１９の計測値から取得するエンジン回転数ＮＥ、ポジションセンサ２０の計測値から算出する吸入空気量ＫＬ等が挙げられる。なお、圧力Ｐ１、温度Ｔ１は、ノズル１２の入口付近にセンサを設けて測定しても良いし、これらの値と相関関係のある情報に基づいて、算出することとしても良い。また、圧力Ｐ２、温度Ｔ２についても同様に、ノズル１２の出口付近にセンサを設けて測定しても良いし、これらの値と相関関係のある情報に基づいて、算出することとしても良い。ＥＣＵ１８はステップＳ２１の処理を終えるとステップＳ２２へ進む。
【００５６】
ＥＣＵ１８はステップＳ２２で、ノズル３２の拡張部長さを算出する。ここでは、ステップＳ２１で取得した各種データに基づいて、タービン効率ηが最大となるようなノズル出口の流速Ｃを算出する。タービン効率ηはノズル出口流速Ｃに対するタービン周速Ｕの比率である周速比Ｕ／Ｃが０．５となる場合、最大となる。実施例１の図７で示したフローチャートのステップＳ１３において説明した通り、式（数２）よりＣを算出することができる。
【００５７】
ところで、絞り部を可能な限り小さくしても蒸気は音速までしか加速できないことが知られている。図１２は、ノズルの各部と蒸気の流速と圧力を示した説明図である。図１２（ａ）は、ノズルの各部の位置を示し、図１２（ｂ）は、ノズルの各部における蒸気の流速と圧力とを示した説明図である。図１２（ａ）のｘ０はノズル入口位置、ｘ１は絞り部位置、ｘ２はノズル出口位置を示している。図１２（ｂ）の横軸はノズル各部位置を示し、ｘ０、ｘ１、ｘ２は図１２（ａ）のｘ０、ｘ１、ｘ２の各位置である。図１２（ｂ）の縦軸は、蒸気の圧力、または蒸気の流速を示している。また、図１２（ｂ）中の実線は蒸気の流速を示し、破線は蒸気の圧力を示している。図１２（ｂ）に示すように、蒸気の流速は、ｘ１の絞り部の位置において音速程度であるが、その下流側の拡張部を通過する間に蒸気は断熱膨張し、加速するため、ｘ２のノズル出口位置において、蒸気は音速以上の速度となる。したがって、本実施例におけるノズル３２の拡張部長さの変更制御は、理想的な蒸気の加速を実現するため、拡張部長さとノズル入口と出口の圧力比（Ｐ１／Ｐ２）のバランスを取る。ＥＣＵ１８はステップＳ２２の処理を終えるとステップＳ２３へ進む。
【００５８】
ＥＣＵ１８はステップＳ２３で、拡張部長さを変更するか否かを判断する。ステップＳ２２で算出した拡張部長さが現在の拡張部長さと異なる場合は、拡張部長さを変更すると判断する。ＥＣＵ１８はステップＳ２３でＹｅｓと判断する場合、すなわち、拡張部長さを変更すると判断する場合、ステップＳ２４へ進む。
【００５９】
ＥＣＵ１８はステップＳ２４で、拡張部長さを変更する。拡張部長さはステップＳ２２で算出したものである。算出した拡張部長さとなるように、オイルポンプによるオイルの圧送量を決定し、オイルポンプへ動作指示を送る。ＥＣＵ１８はステップＳ２３の処理を終えるとステップＳ２５へ進む。
【００６０】
ＥＣＵ１８はステップＳ２５で、ノズル出口の温度Ｔ２が上昇したか否かを判断する。タービン効率ηが高くなる場合、ノズル出口の温度Ｔ２が低下することから、ノズル出口の温度Ｔ２が上昇する場合、タービン効率ηを上昇できていないものと考えられる。ＥＣＵ１８はステップＳ２５で、Ｙｅｓと判断する場合、すなわち、ノズル出口の温度Ｔ２が上昇した場合、ステップＳ２１へ進む。
【００６１】
ＥＣＵ１８はステップＳ２３でＮｏと判断する場合、すなわち、拡張部長さを変更しないと判断する場合、ステップＳ２６へ進む。また、ＥＣＵ１８はステップＳ２５でＮｏと判断する場合、すなわち、ノズル出口の温度Ｔ２が上昇していない場合、ステップＳ２６へ進む。
【００６２】
ＥＣＵ１８はステップＳ２６で、現在の拡張部の長さを維持する。ＥＣＵ１８はステップＳ２６の処理を終えるとリターンとなる。
【００６３】
この制御により、例えば、蒸気発生量ｍが増加し、ノズル３２の入口と出口の圧力比Ｐ１／Ｐ２が増加した際に、拡張部長さを長くする。これにより、ランキンシステムを運転中、圧力比が高くなっても拡張部長さを長くすることにより、適切にノズル出口流速を加速できる。
【００６４】
以上のように、本実施例の廃熱回収装置は、ノズル出口の蒸気の速度を調整し、ノズル効率の低下を抑制する。これにより、ランキンサイクルシステムによるエネルギー回収量を維持し、エンジンの運転領域の広範囲に亘って、廃熱のエネルギーを効率良く回収し、高い燃費を維持する。また、ノズル３２から噴射する蒸気温度の上昇を抑制し、衝動タービンに対する熱害を防止する。
【実施例４】
【００６５】
次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置は、タービンへ冷媒を噴射するノズルを複数備えている点で実施例１の廃熱回収装置１と相違する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６６】
図１３は、本実施例の第１ノズル４１、第２ノズル４２、第３ノズル４３、タービン羽根車４４を示した説明図である。第１ノズル４１、第２ノズル４２、第３ノズル４３は、形状が互いに相違しており、噴射する冷媒蒸気の流速が異なっている。図１４は各ノズルの特性を示した説明図である。図１４の縦軸はノズルから噴射される蒸気の流速を示し、横軸はウォータジャケット４で発生する蒸気量を示している。図１４の実線は第１ノズル４１、点線は第２ノズル４２、破線は第３ノズル４３を示している。
【００６７】
図１４に示すとおり、第１ノズル４１は、蒸気量が多い状態でノズルが適合するように構成されている。第２ノズル４２は、蒸気量が中間の状態でノズルが適合するように構成されている。第３ノズル４３は、蒸気量が少ない状態でノズルが適合するように構成されている。すなわち、第１ノズル４１から噴射される冷媒の流速は、３つのノズルの中で最も速い。第３ノズル４３から噴射される冷媒の流速は、３つのノズルの中で最も遅い。第２ノズル４２から噴射される冷媒の流速は第１ノズル４１から噴射される冷媒の流速と第２ノズル４２から噴射される冷媒の流速との中間程度の速度である。ノズルの切り替えは、ＥＣＵ１８により電磁弁４５、４６、４７が制御されて行われる。例えば、第１ノズル４１から蒸気を噴射する場合、ＥＣＵ１８は、電磁弁４５を開弁し、電磁弁４６、４７を閉弁する。ＥＣＵ１８は、ウォータジャケット４内で発生する蒸気量に基づいて、噴射するノズルを切り替える。ＥＣＵ１８は予め作成されたマップに基づいてノズルを切り替える。
【００６８】
図１５は、ノズルの切り替えマップを示した説明図である。図１５の縦軸はトルク、横軸はエンジン回転数を示している。図１５中の斜線を掛けた領域は、使用頻度の高いエンジン回転数とトルクのカーブを示している。ウォータジャケット４内で発生する蒸気の量はエンジンの運転条件に依存する。エンジンの回転数が上昇するほど、ウォータジャケット４内で発生する蒸気量は増加し、また、トルクが上昇するほど、ウォータジャケット４内で発生する蒸気量は増加する。したがって、本実施例では、エンジンの回転数とトルクとに基づいて、蒸気を噴射するノズルを切り替える。これにより、タービン羽根車４４へ噴射される蒸気の流速が変化する。なお、エンジンの回転数のみでノズルの切り替えを行うようにすることもできる。トルクは、吸入空気量から換算することができる。
【００６９】
ところで、タービンの回転軸とエンジンのクランクシャフトとは、減速機を介して連結されているため、タービン回転はエンジン回転に依存する。また、タービン効率ηはタービン周速Ｕと蒸気流速、すなわちノズル出口流速Ｃの比に依存し、一般にＵ／Ｃが０．５で最高効率となる。
【００７０】
図１６は、要求蒸気流速と本実施例のノズルを切り替えた際の蒸気流速とを比較した説明図である。要求蒸気流速は、タービン効率ηが最高効率となる場合である。すなわち、タービン周速Ｕに対するノズル出口流速Ｃの関係Ｕ／Ｃが０．５となるときの蒸気流速を要求蒸気流速とする。図１６に示すように、ノズルを切り替えることにより、タービンへ噴射する蒸気の流速が要求蒸気流速を追従することができる。これにより、運転条件に適し、タービン効率の高くなるように、蒸気をタービンへ噴射することができる。これにより、エネルギーを効率よく回収することができる。
【００７１】
なお、本実施例においても、ＥＣＵ１８は、ウォータジャケット４内で発生する蒸気量に基づいて、噴射するノズルを選択する制御を行うこととしても良い。また、例えば、ＥＣＵ１８が、図８に示すようなエンジン回転数とトルクとに基づいて、発生する蒸気量を算出し、噴射するノズルの選択制御を行うこととしても良い。
【００７２】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【００７３】
例えば、本発明の実施例１乃至３では、ガソリンエンジンを対象にして説明をしているが、ディーゼルエンジンでも同様の制御が可能である。なお、ディーゼルエンジンでは、ガソリンエンジンにおいて吸入空気量を用いて計算していた点を、燃料噴射量を用いて計算する。また、タービン６で回収されるエネルギーは発電機を介して電気エネルギーに変換することもできる。
【００７４】
さらに、以上説明した実施例は可能な限り組み合わせることができる。例えば、実施例１または実施例２と、実施例３とを組み合わせることや、これらの組み合わせ、または実施例１、２、３のいずれかと実施例４とを組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  廃熱回収装置
２  エンジン
３  エンジン本体
４  ウォータジャケット
５  過熱器
６  タービン
７  復水器
８  ウォータタンク
９  ウォータポンプ
１０  第１配管
１２、２２、３２  ノズル
１２ａ、２２ａ、３２ａ  絞り部
１２ｂ、２２ｂ、３２ｂ  縮小部
１２ｃ、２２ｃ、３２ｃ  拡張部
１７、２３、３３  ノズル形状変更ユニット
１８  ＥＣＵ
４１  第１ノズル
４２  第２ノズル
４３  第３ノズル
４４  タービン羽根車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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