(57)【要約】【課題】効率よくエンジンの過給を行うことができると共に、エンジンの廃熱を効率よく回収することのできる廃熱回収システムを提供することを課題とする。【解決手段】廃熱回収システム（１）は、エンジン（２）の過給を行うコンプレッサ（９）、エンジン（２）の廃熱によって発生する蒸気によって作動し、コンプレッサ（９）を駆動するタービン（５）、コンプレッサ（９）を駆動するモータ（１１）を備える。また、モータ（１１）とタービン（５）との連結状態を切り替える第１クラッチ（１３）、コンプレッサ（９）とタービン（５）との連結状態を切り替える第２クラッチ（１５）、コンプレッサ（９）とモータ（１１）との連結状態を切り替える第３クラッチ（１７）、これらのクラッチの切替指令を行うＥＣＵ（１８）を備え、エンジン（２）の状態に応じて、各クラッチの断続状態を切り替える。【選択図】図１
2008223509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの過給を行うコンプレッサと、
前記エンジンの廃熱によって発生する蒸気によって作動し、前記コンプレッサを駆動するタービンと、
蓄電装置と接続され、前記コンプレッサを駆動するモータと、
を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項２】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記モータと前記タービンとの連結状態を切り替える第１クラッチを備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項３】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記コンプレッサと前記タービンとの連結状態を切り替える第２クラッチを備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項４】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記コンプレッサと前記モータとの連結状態を切り替える第３クラッチを備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項５】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記モータと前記タービンとの連結状態を切り替える第１クラッチと、
前記コンプレッサと前記タービンとの連結状態を切り替える第２クラッチと、
前記コンプレッサと前記モータとの連結状態を切り替える第３クラッチと、
前記第１クラッチ乃至前記第３クラッチの切替指令を行う制御手段と、
を備えたことを備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項６】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記タービンによって駆動される動力回収装置を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項７】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記コンプレッサの作動に必要となるタービンの駆動力が得られないときに、前記モータによりコンプレッサを作動させることを特徴とした廃熱回収システム。
【請求項８】
請求項１記載の廃熱回収システムにおいて、
前記タービンの駆動力がコンプレッサの作動に必要となる駆動力に対して余剰となるときに前記モータを介して前記タービンから動力回収することを特徴とした廃熱回収システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項記載の廃熱回収システムを備えたことを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにおける廃熱により発生した蒸気によってエンジンを過給するコンプレッサを備えた廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、実際の排気量よりも多量の空気を吸入させることができ、エンジンの出力向上に資するものとしてターボチャージャが実用化されている。ターボチャージャは、エンジンの排気ガスによってタービンを回転させてコンプレッサを駆動し、これによりシリンダ内へ導入する吸入空気量を増量する。すなわち、その作動に排気ガスを利用している。一方、エンジンが備える触媒は所定温度以上とならないと有効に機能しないことから、触媒を有効に機能させるためには排気ガス自体も高温であることが望ましい。ところが、排気ガスはタービンを作動させることにより熱を消費してしまうことから触媒活性に不利となる。特に、エンジン暖機時には触媒活性に時間を要すると考えられる。このような問題を解決するために補助熱源等により触媒を昇温させることも考えられるが補助熱源の利用は燃費を悪化させることにもなりかねない。
【０００３】
また、エンジンのウォータジャケット内で冷却水等の冷媒を蒸気化し、この蒸気をさらに排気ガスの熱で過熱後、タービン等の膨張器を介して廃熱を動力として回収するいわゆるランキンサイクルの提案がされている。このようなランキンサイクルを利用したシステムは、例えば特許文献１に開示されている。このようなシステムを、ターボチャージャを備えたエンジンに組み込むことも可能であるが、以下のような問題が生じると考えられる。すなわち、ターボチャージャの駆動に排気ガスの熱が利用されるため、特にエンジンの低負荷時や、エンジン暖機時は回収可能な排気ガスの熱量自体が少ないこともあり、ランキンサイクルの熱効率が低下すると考えられる。また、蒸気に排気ガスの熱を付与するための過熱器を新たに装備することとなればエンジンの背圧が上昇し、エンジンのポンプ損失が増大してエンジンの熱効率を低下させることにもなりかねない。エンジンの背圧の上昇を抑えるため、圧損を小さくすることを目的として過熱器を大型化することも考えられるが、これでは、搭載性が悪化する。また、過熱器の大型化は、熱容量が大きくなりエンジン暖機時等に回収可能な熱量が減少する事態を招くことともなる。
【０００４】
ところで、排気熱により発生させた蒸気によってタービンとこれと一体となったコンプレッサを駆動して、排気ガスの熱エネルギを回収するセラミックエンジンの提案がある（特許文献２）。このようなエンジンであれば、前記のような種々の問題を解決することが可能であると考えられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【特許文献２】特開平１０−２９９５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２で開示されたようなエンジンは、エンジンの運転状態によりタービンの効率が変化し、コンプレッサの駆動力、ひいては過給圧も変化してしまうことから、目的とする過給圧が得られないことも考えられる。また、廃熱回収の効率を向上させるためにもさらなる改良の余地があると考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、効率よくエンジンの過給を行うことができると共に、エンジンの廃熱を効率よく回収することのできる廃熱回収システムを提供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ための、本発明の廃熱回収システムは、エンジンの過給を行うコンプレッサと、前記エンジンの廃熱によって発生する蒸気によって作動し、前記コンプレッサを駆動するタービンと、蓄電装置と接続され、前記コンプレッサを駆動するモータと、を備えたことを特徴とする。このような構成とすることにより、コンプレッサをタービン又はモータによって駆動することができる。このような廃熱回収システムは、前記モータと前記タービンとの連結状態を切り替える第１クラッチ、前記コンプレッサと前記タービンとの連結状態を切り替える第２クラッチ、前記コンプレッサと前記モータとの連結状態を切り替える第３クラッチを備えることにより、エンジンの過給、廃熱の回収を効率よく行うことができる。これらの第１クラッチ乃至前記第３クラッチの切り替えはそれぞれのクラッチに対し切替指令を行う制御手段によって行うことができる。
【０００９】
以上のような廃熱回収システムは、コンプレッサの作動に必要となるタービンの駆動力が得られないときにモータによりコンプレッサの作動を補助する。一方、コンプレッサの作動が不要なときを含めタービンの駆動力がコンプレッサの作動に必要となる駆動力に対して余剰となるときにはモータを発電機として機能させて動力を回収することができる。また、このように動力を回収する際は、例えば、ポンプ等を駆動する他の動力回収手段を介した動力回収を行うようにすることもできる。すなわち、モータを介した動力回収以外に動力回収を行うようにすることができる。
【００１０】
このような廃熱回収システムをエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の廃熱回収システムによれば、冷媒の蒸気によって作動するタービン及びモータによってコンプレッサを駆動するようにしたので、エンジンの効率的な過給及び効率的な廃熱回収を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施例の廃熱回収システム１をエンジン本体２ａに組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。
【００１４】
エンジン本体２ａ内にはウォータジャケットが形成されており、ウォータジャケット内を循環する冷却水はエンジン２の燃焼熱によって蒸気化する。廃熱回収装置１は、冷却水の蒸気が流通する蒸気経路３を備えている。この蒸気経路３には上流側、すなわち、エンジン本体２に近い側から順に過熱器４、タービン５が配設されており、その端部は凝縮器６に接続されている。過熱器４にはエンジン本体２の排気ポートと接続された排気経路７が引き込まれている。過熱器４は、排気経路７中の排気ガスから熱を回収し、蒸気通路３内を通じる蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。排気経路７には、エンジン本体２ａと過熱器４との間に触媒８が配設されている。タービン５は蒸気経路３を通じて流入する高温、高圧の蒸気によって作動する。凝縮器６は、蒸気を液体の冷却水に戻す。液体に戻された冷却水はポンプ２４によって冷却水経路２３を通じて再びエンジン本体２ａ内に形成されたウォータジャケットへ供給される。なお、液体の冷却水はエンジン２が搭載された車両が備える空調装置２５内を循環し、空調に利用される。
【００１５】
廃熱回収システム１は、エンジン２の過給を行う過給器、すなわちコンプレッサ９を備えている。コンプレッサ９は、空気を圧縮し、吸気経路１９を通じて圧縮空気をエンジン本体２ａの吸気ポートへ供給する。また、蓄電装置１０と接続され、コンプレッサ９を駆動するモータ１１を備えている。モータ１１とタービン５とは第１駆動軸１２によって接続されている。この第１駆動軸１２はモータ１１とタービン５との連結状態を切り替える第１クラッチ１３を備えている。また、第１駆動軸１２のモータ１１側には、図示しない補器類を駆動する動力回収装置２６が装着されている。この動力回収装置２６は第１クラッチ１３が接続されることによりタービン５によって駆動され、補器類を作動させる。コンプレッサ９とタービンとは第２駆動軸１４によって接続されている。この第２駆動軸１４はコンプレッサ９とタービン５との連結状態を切り替える第２クラッチ１５を備えている。コンプレッサ９とモータ１１とは第３駆動軸１６によって接続されている。この第３駆動軸はコンプレッサ９とモータ１１との連結状態を切り替える第３クラッチ１７を備えている。第１クラッチ１３、第２クラッチ１５、第３クラッチ１７は、それぞれ本発明における制御手段に相当するＥＣＵ（Electronic  control  unit）１８に電気的に接続されている。このＥＣＵ１８は第１クラッチ１３、第２クラッチ１５、第３クラッチ１７の切替指令を行う制御手段に相当する。このようなＥＣＵ１８には、吸気経路１９に装着されたアクセル開度センサ２０、過給圧センサ２１が電気的に接続されている。ＥＣＵ１８には、さらに、タービン５に装着され、タービン５の回転数を検出するタービン回転数センサ２２が電気的に接続されている。また、モータ１１、エンジン２に装着された各種センサと電気的に接続されている。
【００１６】
以上のように構成される廃熱回収システム１では、タービン５は排気経路７状には存在しておらず、エンジン２から排出される排気ガスは即座に触媒８内に流入するため、触媒８の活性化に有利である。また、タービン５が排気経路７状に存在しないことにより、エンジン２の背圧増加、ポンプ損失の増大を抑制することができる。
【００１７】
以上のように構成される廃熱回収システム１の動作及び制御につき、図面を参照しつつ説明する。図２は、ＥＣＵ１８が行う制御の一例を示すフロー図である。また、図３は、コンプレッサ９がエンジン２の運転状態に応じて求められる目標過給圧を決定するための目標過給圧決定マップの一例を示した図である。また、図４乃至図７は、それぞれ第１クラッチ１３、第２クラッチ１５、第３クラッチ１７の異なる断続状態を示した説明図である。
【００１８】
まず、ＥＣＵ１８は、ステップＳ１において、図３に示す目標過給圧決定マップに基づいてエンジン２の運転状態に応じた目標過給圧を決定する。目標過給圧はアクセル開度が大きくなるほど高くなる。具体的には、ＥＣＵ１８は、エンジン２に装着された各種センサからエンジンの運転状態を把握し、この運転状態に適したアクセル開度−目標過給圧線を選択し、選択したアクセル開度−目標過給圧線から目標過給圧を決定するアクセル開度はアクセル開度センサ２０から取得する。また、ステップ１では、このようにして決定された目標過給圧に応じてタービン５の目標回転数Ｘを算出しておく。ＥＣＵ１８は、このように目標過給圧を決定し、目標タービン回転数Ｘを算出した後、ステップＳ２へ進む。
【００１９】
ステップＳ２では、ＥＣＵ１８は、ステップＳ１で取得した目標過給圧が実測過給圧よりも高いか否かを判断する。実測過給圧は、過給圧センサ２１から取得する。このステップＳ２においてＹｅｓと判断された場合、すなわち、エンジンの運転状態から求められる適切な過給圧が得られていない場合はステップＳ３へ進む。一方、ステップＳ２においてＮｏと判断された場合、すなわち、目標過給圧を確保できている場合は、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８へ進む場合は、コンプレッサ９を作動させることは不要である。そこで、蒸気によって駆動されるタービン５を介して廃熱を回収するようにする。従って、ステップＳ８では、図４に示すように第１クラッチ１３を接続状態とし、第２クラッチ１５及び第３クラッチ１７をいずれも切断状態とする。これにより、蒸気により駆動されるタービン５によってモータ１１が回転し、発電機として機能して蓄電装置１０に電力を蓄える。また、第１駆動軸１２が接続状態となることから第１駆動軸１２を介して装着されている動力回収装置２６も駆動される。このようにして蒸気を介した廃熱回収が効率よく行われる。
【００２０】
一方、ステップＳ３に進んだ場合は、まずステップＳ１で取得した目標タービン回転数Ｘが実測タービン回転数Ｎよりも高いか否かを判断する。実測タービン回転数Ｎは、タービン回転数センサ２２から取得する。このステップＳ３でＹｅｓと判断される場合、すなわち、蒸気によるタービン５の回転数ではコンプレッサ９が目標過給圧を実現するだけの駆動力を確保することができないときは、ステップＳ４へ進み、図５に示すように第３クラッチ１７を接続状態とし、第１クラッチ１３及び第２クラッチ１５をいずれも切断状態とする。これにより、コンプレッサ９をモータ１１の駆動力によって作動させるようにする。ステップＳ４の処理を行うような状況は、例えば、エンジン２の暖機時等が想定される。すなわち、エンジン２の暖機中は、十分な量、温度、圧力の蒸気が発生していない状態が想定される。このような状態では、タービン５によってコンプレッサ９を十分に稼働させることができず、目標過給圧を確保することが困難である。そこで、モータ１１の駆動力を利用してコンプレッサ９を作動させるようにすれば、迅速に目的とする過給圧を実現することができる。なお、第１クラッチ１３を接続してタービン５とモータ１１とによってコンプレッサ９を作動させるようにしてもよい。但し、この場合、タービン５による回転とモータ１１による回転を同期させる同期手段を介在させることが望ましい。
【００２１】
ステップＳ３においてＮｏと判断されたときはステップＳ５に進む。ステップＳ５ではＥＣＵ１８は、目標タービン回転数Ｘが実測タービン回転数Ｎと同じか否かを判断する。このステップＳ５においてＹｅｓと判断されるとき、すなわち、現状のタービンの回転数で目標過給圧を確保することができるときは、ステップＳ６へ進み、図６に示すように第２クラッチ１５を接続状態とし、第１クラッチ１３及び第３クラッチ１７をいずれも切断状態とする。これによりコンプレッサ９の作動はタービン５の蒸気による駆動力によって維持される。ステップＳ６の処理を行うような状況は、例えば、暖機が完了し、エンジン２が定常運転に近い状態にあるときが想定される。すなわち、エンジン２内で蒸気が発生し、タービン５の駆動力によってコンプレッサ９を作動させることができる状態が想定される。このような状態では、コンプレッサ９を作動させるためのモータ１１の駆動は不要である。従って、蓄電装置１０内に蓄えた電力を消費することもない。
【００２２】
一方、ステップＳ５でＮｏと判断された場合、すなわち、実測タービン回転数Ｎが目標タービン回転数Ｘを上回っているときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、図７に示すように第３クラッチ１７を切断状態とし、第１クラッチ１３及び第２クラッチ１５をいずれも接続状態とする。これによりタービン５の駆動力によりコンプレッサ９が作動し、目標過給圧が確保されると共に、余剰の動力がモータ１１を介して蓄電装置１０に回収される。ステップＳ７の処理を行うような状況は、例えば、エンジン２の高負荷時等が想定される。すなわち、エンジン２内で多量の高温、高圧力の蒸気が発生し、タービン５の駆動力がコンプレッサ９を作動させてもなお余剰動力として回収できる状態が想定される。このような状態において、蒸気により駆動されるタービン５によってコンプレッサ９を作動させ、さらに、モータ１１を回転させて動力を回収することにより、廃熱の利用、回収効率を向上させることができる。また、第１駆動軸１２が接続状態となることから第１駆動軸１２を介して装着されている動力回収装置２６も駆動される。このようにして蒸気を介した廃熱回収が効率よく行われる。
【００２３】
以上、説明したように、本発明によれば、触媒の暖機やエンジンの背圧増加抑制に有利である蒸気駆動のコンプレッサ（過給器）を備えた廃熱回収システムにおいて、タービン、コンプレッサ、モータ（発電機）の断続をエンジンの状態に応じて適宜変更するようにしたので効率よくエンジンの過給を行うことができると共に、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる。
【００２４】
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、更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。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】廃熱回収システムをエンジン本体に組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図２】廃熱回収システムの制御の一例を示すフロー図である。
【図３】目標過給圧決定マップの一例を示す説明図である。
【図４】第１クラッチを接続状態とし、第２クラッチ及び第３クラッチをいずれも切断状態とした廃熱回収システムを示した説明図である。
【図５】第３クラッチを接続状態とし、第１クラッチ及び第２クラッチをいずれも切断状態とした廃熱回収システムを示した説明図である。
【図６】第２クラッチを接続状態とし、第１クラッチ及び第３クラッチをいずれも切断状態とした廃熱回収システムを示した説明図である。
【図７】第３クラッチを切断状態とし、第１クラッチ及び第２クラッチをいずれも接続状態とした廃熱回収システムを示した説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  廃熱回収システム
２  エンジン
２ａ  エンジン本体
３  蒸気経路
４  過熱器
５  タービン
６  凝縮器
７  排気経路
８  触媒
９  コンプレッサ
１０  蓄電装置
１１  モータ
１２  第１駆動軸
１３  第１クラッチ
１４  第２駆動軸
１５  第２クラッチ
１６  第３駆動軸
１７  第３駆動軸
１８  ＥＣＵ
１９  吸気経路
２０  アクセル開度センサ
２１  過給圧センサ
２２  タービン回転数センサ
【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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