(57)【要約】【課題】本発明は、エンジンの廃熱を吸収して蒸発する冷媒を効率よく回収する廃熱回収装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明のエンジン（２）の廃熱回収装置（１）は、シリンダブロック（４）に設けたブロック側ウォータジャケット（６）と、シリンダヘッド（５）に設けたヘッド側ウォータジャケット（７）とを独立させ、ブロック側ウォータジャケット（６）とヘッド側ウォータジャケット（７）とのそれぞれにおいて蒸発する冷媒を介してエンジン（２）の廃熱を回収する動力回収機（１９）を備えることにより、エンジン（２）の廃熱の回収効率を向上することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱によって蒸気を発生させる二以上の蒸発室と、
当該蒸発室で発生した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、
を備え、
前記動力回収機には、前記蒸発室のそれぞれにおいて発生した蒸気を流入させることを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記蒸発室は、温度が異なることとなる二箇所以上に設けたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記蒸発室は、シリンダヘッド及びシリンダブロックに設けられたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に配置した冷媒流通抑制手段を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【請求項５】
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記動力回収機は、前記蒸発室のそれぞれにおいて発生した蒸気が集合する集合部と、
当該集合部に集合した蒸気によって作動する膨張機と、
を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【請求項６】
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記動力回収機は、前記蒸発室のそれぞれにおいて発生した蒸気が集合する集合部と、
前記集合部で集合した蒸気によって作動する膨張機と、を備え、
前記集合部は、エンジンの排気ガスから熱が授受されるように配置されたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【請求項７】
請求項１記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記動力回収機から前記蒸発室へ向かう冷媒の流通を遮断する逆止弁を備えたことを特徴とするエンジンの廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにおける廃熱を蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆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、エンジンにおける廃熱によって蒸発した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エンジンが稼働し、暖機が進行すると、エンジン各部の温度が上昇する。エンジン各部は、その部位毎にエンジンの燃焼や排気等から受ける影響が異なるため、エンジン内の温度分布は一様にならない。すなわち、エンジンのある部位と他の部位とに温度差が生じ得る。例えば、エンジンのシリンダヘッドを形成する材質とシリンダブロックを形成する材質とが異なる場合、暖機時の温度は、熱伝導率の高い材質のほうが速く上昇するため、暖機中は熱伝導率の高い材質によって形成された部位が高温となることがある。また、燃焼室近傍に形成され、さらに、排気ガスが通過することとなるシリンダヘッドの方が、シリンダブロックと比較して高温となる。さらに、シリンダヘッドにのみ着目した場合、その吸気側と比較して、排気ガスが通過する排気側の方が高温となる。また、シリンダブロックに着目した場合も、熱のこもりやすい内部の方が、放熱のしやすい外部と比較して高温となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１のようなエンジンに形成された冷却経路内は、冷媒が蒸発する温度に達した部位と冷媒が蒸発する温度より低い部位が混在するため、蒸気の回収が効率よく行われていない。
【０００６】
そこで、本発明は、エンジンの廃熱を吸収して蒸発する冷媒を効率よく回収する廃熱回収装置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】
【０００７】
かかる課題を解決する本発明のエンジンの廃熱回収装置は、エンジンの廃熱によって蒸気を発生させる二以上の蒸発室と、当該蒸発室で発生した蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する動力回収機と、を備え、前記動力回収機には、前記蒸発室のそれぞれにおいて発生した蒸気を流入させることを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、蒸発室の形成されたエンジン各部毎に廃熱の回収を行うことができ、廃熱回収の効率を高めることができる。エンジン内部の蒸発室における蒸気の発生は、蒸気の発生箇所の温度に依存する。エンジン各部は、それぞれ、暖機に要する時間が異なるため、蒸気の発生する時期が異なる。このようなエンジンの昇温特性に応じて、蒸気の発生箇所毎に蒸発室を設け、このように設けた蒸発室毎に発生する蒸気によって廃熱を回収することができるので、廃熱の回収効率を向上することができる。
【０００８】
このようなエンジンの廃熱回収装置は、前記蒸発室を、温度が異なることとなる二箇所以上に設けることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、温度の高い箇所から先行して発生する蒸気を回収することができる。さらに、温度の低い箇所においても、暖機が進行し、冷媒の蒸発できる温度に達すると、蒸気が発生するので、廃熱の回収を行うことができる。このように、蒸気が発生した順に廃熱の回収を行うことができる。
【０００９】
このようなエンジンの廃熱回収装置において、特に、シリンダヘッドは、シリンダブロックと比較して昇温が速く、早期に高温となるため、前記蒸発室は、シリンダヘッド及びシリンダブロックに設けることができる（請求項３）。このような構成とすることにより、シリンダブロック内の冷媒と比較して早期に蒸発可能な温度に到達するシリンダヘッド内の冷媒は、シリンダブロック内の冷媒に先行して、廃熱の回収に供することができる。
【００１０】
ところで、従来、一般的なエンジンは、シリンダヘッド及びシリンダブロックに形成されたウォータジャケットへ流通させた冷媒によって冷却されている。このようなウォータジャケットは、シリンダヘッド側のウォータジャケットとシリンダブロック側のウォータジャケットとが連通し、冷媒が行き来する。本発明のエンジンの廃熱回収装置において、このようなウォータジャケットを備えたエンジンのシリンダヘッドとシリンダブロックとの間に配置した冷媒流通抑制手段を備えた構成とすることができる（請求項４）。このような構成とすることにより、従来のエンジンに形成されたウォータジャケットを用いて、シリンダヘッド側の蒸発室とシリンダブロック側の蒸発室を形成することができるので、安価で簡易に本発明の廃熱回収装置を構成することができる。このような冷媒流通抑制手段は、例えば、冷媒の流通孔を閉塞したヘッドガスケットとすることができる。
【００１１】
このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記動力回収機は、前記蒸発室のそれぞれにおいて発生した蒸気が集合する集合部と、当該集合部に集合した蒸気によって作動する膨張機と、を備えた構成とすることができる（請求項５）。このような構成とすることにより、複数の蒸発室において蒸発した冷媒を一つにまとめ、膨張機へ流入させることができる。さらに、前記集合部は、エンジンの排気ガスから熱が授受されるように配置された構成とすることができる（請求項６）。このような構成とすることにより、エンジンの廃熱を有する排気ガスから蒸気を高温化することができ、廃熱の回収効率を向上することができる。
【００１２】
このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記蒸気通路に配置され、前記動力回収機から前記蒸発室へ向かう冷媒の流通を遮断する逆止弁を備えた構成とすることができる（請求項７）。このような構成とすることにより、蒸気の逆流を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のエンジンの廃熱回収装置は、エンジンの昇温特性に応じて、冷媒が蒸発する蒸発室を設けることにより、冷媒が蒸発する温度に達したエンジン各部それぞれから廃熱を回収することができ、廃熱回収の効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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１】
【００１５】
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は本実施例の廃熱回収装置１の組み込まれたエンジン２の概略構成を示した説明図である。エンジン２は、ピストン３、シリンダブロック４、シリンダヘッド５を備えている。シリンダブロック４には冷媒の通じるブロック側ウォータジャケット６が形成されている。シリンダヘッド５には、冷媒の通じるヘッド側ウォータジャケット７が、シリンダヘッド５に組み付けられる吸気弁８及び排気弁９の周囲に形成されている。このブロック側ウォータジャケット６とヘッド側ウォータジャケット７は独立して形成され、互いに冷媒が行き来することはない。このように形成されたブロック側ウォータジャケット６とヘッド側ウォータジャケット７は本発明の蒸発室に相当する。また、このように形成されたブロック側ウォータジャケット６とヘッド側ウォータジャケット７のそれぞれにおいて発生した蒸気は、後述する動力回収機１９へ流入する。
【００１６】
さらに、廃熱回収装置１は第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆ、冷媒経路１１、ポンプ１２、第一温度センサ１３ａ乃至第四温度センサ１３ｆ、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１５を備えている。また、廃熱回収装置１は、回収経路１６、第一蒸気経路１７ａ、第二蒸気経路１７ｂを備えている。この回収経路１６には、ブロック側ウォータジャケット６またはヘッド側ウォータジャケット７に近い側から、動力回収機１９、凝縮器２０及び冷媒タンク２１の順に配置されている。動力回収機１９は、過熱器２３と膨張機２４と発電機２５とを備え、ブロック側ウォータジャケット６内及びヘッド側ウォータジャケット７内で発生した蒸気を介してエンジン２の廃熱を回収する。
【００１７】
第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆは、ブロック側ウォータジャケット６及びヘッド側ウォータジャケット７内のそれぞれ異なる冷却部位へ冷媒を噴射する。第一噴射ノズル１０ａ及び第二噴射ノズル１０ｂは、噴射口をブロック側ウォータジャケット６内に露出させてシリンダブロック４に装着されている。この第一噴射ノズル１０ａの噴射口及び第二噴射ノズル１０ｂの噴射口は、ブロック側ウォータジャケット６内のシリンダボア壁６ａ側の側面へ向けて冷媒を噴射するように配置されている。
【００１８】
第三噴射ノズル１０ｃ、第四噴射ノズル１０ｄ、第五噴射ノズル１０ｅ、第六噴射ノズル１０ｆは、噴射口をヘッド側ウォータジャケット７内に露出させてシリンダヘッド５に装着されている。第三噴射ノズル１０ｃの噴射口及び第四噴射ノズル１０ｄの噴射口は、吸気弁８側へ向けて冷媒を噴射するように配置され、第五噴射ノズル１０ｅの噴射口及び第六噴射ノズル１０ｆは、排気弁９側へ向けて冷媒を噴射するように配置されている。
【００１９】
冷媒経路１１は一端がポンプ１２と接続している。冷媒経路１１は経路の途中で分岐しており、分岐した先の各端部は第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆにそれぞれ接続されている。この冷媒経路１１内を通じてポンプ１２から各噴射ノズルへ冷媒が供給される。
【００２０】
ポンプ１２は、各噴射ノズルにおける噴射圧力を制御するポンプである。ポンプ１２は、ＥＣＵ１５と電気的に接続されており、ＥＣＵ１５から送信される信号に基づいて、冷媒タンク２１から冷媒を汲みあげ、冷媒を加圧して各噴射ノズルへ圧送する。
【００２１】
第一温度センサ１３ａ乃至第六温度センサ１３ｆは、各噴射ノズルの冷媒の噴射箇所に装着されている。すなわち、第一温度センサ１３ａは、第一噴射ノズル１０ａが冷媒を噴射する冷却部位に相当するシリンダブロック４の壁面に装着され、第二温度センサ１３ｂは、第二噴射ノズル１０ｂが冷媒を噴射する冷却部位に相当するシリンダブロック４の壁面に装着されている。さらに、第三温度センサ１３ｃは、第三噴射ノズル１０ｃが冷媒を噴射する冷却部位に相当する吸気弁８の近傍に装着され、第四温度センサ１３ｄは、第四噴射ノズル１０ｄが冷媒を噴射する冷却部位に相当する吸気弁８の近傍に装着されている。また、第五温度センサ１３ｅは、第五噴射ノズル１０ｅが冷媒を噴射する冷却部位に相当する排気弁９の近傍に装着され、第六温度センサ１３ｆは、第六噴射ノズル１０ｆが冷媒を噴射する冷却部位に相当する排気弁９の近傍に装着されている。これらの温度センサは、ＥＣＵ１５と電気的に接続されており、ＥＣＵ１５は各部の温度情報を取得する。
【００２２】
さらに、ＥＣＵ１５は、第一噴射ノズル１０ａ乃至第六噴射ノズル１０ｆと電気的に接続されており、各噴射ノズルを制御して噴射を実行させる。ＥＣＵ１５は、第一温度センサ１３ａから取得する温度情報に基づいて、第一噴射ノズル１０ａから冷媒を噴射させる。同様に、ＥＣＵ１５は、他の噴射ノズルについても、対応する温度センサから取得される温度情報に基づいて、冷媒の噴射を実行させる。
【００２３】
このように噴射された冷媒は、ブロック側ウォータジャケット６及びヘッド側ウォータジャケット７内でシリンダブロック４やシリンダヘッド５から廃熱を吸収して、蒸発する。こうして蒸発した冷媒は、第一蒸気経路１７ａや第二蒸気経路１７ｂへ流入する。
【００２４】
第一蒸気経路１７ａは一端がブロック側ウォータジャケット６に接続され、他端が動力回収機１９の過熱器２３に接続されている。第二蒸気経路１７ｂは一端がヘッド側ウォータジャケット７に接続され、他端が過熱器２３に接続されている。さらに、第一蒸気経路１７ａ及び第二蒸気経路１７ｂは、動力回収機１９からブロック側ウォータジャケット６及びヘッド側ウォータジャケット７へ向かう冷媒の流通を遮断する逆止弁２２を備えている。
【００２５】
動力回収機１９に備えられた過熱器２３は、本発明の集合部に相当する。すなわち、第一蒸気経路１７ａと第二蒸気経路１７ｂとを通じて、ブロック側ウォータジャケット６及びヘッド側ウォータジャケット７内で発生した蒸気が流入する。さらに、過熱器２３は、エンジンの燃焼によって発生する排気ガスを外部へ排出する排気管２６と接触するように配置されており、排気管２６を通じる排気ガスから蒸気へ熱を伝達し、蒸気を高温にする。
【００２６】
膨張機２４は、過熱器２３で集合し、高温となった蒸気によって駆動される。さらに、膨張機２４と発電機２５は共通の回転軸２７で接続されており、膨張機２４が駆動されることにより、回転軸２７が回転して、発電機２５を駆動する。このように駆動された発電機２５において、蒸気が有するエネルギーが電気エネルギーに変換され、回収される。なお、発電機２５に代えて、動力変換機などを用いて、膨張機２４の駆動力をクランク軸へ伝えることもできる。
【００２７】
凝縮器２０は、動力回収機１９を通過した冷媒を冷却して凝縮し、液状へ戻す。凝縮器２０で液状とされた冷媒は、回収経路１６を通じて冷媒タンク２１に送られる。冷媒タンク２１へ流入した冷媒は、再び、ポンプ１２に吸引されて、ブロック側ウォータジャケット６内又はヘッド側ウォータジャケット７内へ噴射され、系内を循環する。
【００２８】
このように構成された本発明の廃熱回収装置１が組みつけられているエンジン２が始動すると、暖機が開始され、各部の温度が上昇する。ＥＣＵ１５は、このような温度情報を、各箇所に配置された温度センサを介して取得し、冷媒が蒸発する温度に達した箇所に対応する噴射ノズルへ噴射指示を送り冷媒を噴射させる。すなわち、シリンダブロック４と比較して暖機の早いシリンダヘッド５に形成されたヘッド側ウォータジャケット７内は、早期に冷媒が蒸発する温度に達するので、シリンダ側ウォータジャケット６に先行して冷媒が噴射される。このように、廃熱回収装置１は、冷媒が蒸発する温度に達した箇所のみに冷媒を噴射することができる。こうして噴射された冷媒は、冷媒の噴射部位を冷却するとともに、熱を吸収して蒸発する。このように発生した蒸気は、第一蒸気経路１７ａを通じて動力回収機１９へ流入し、廃熱の回収に供することとなる。
【００２９】
一方、廃熱回収装置１は、冷媒が蒸発する温度より低い温度の箇所、例えば、ブロック側ウォータジャケット６内へ冷媒を噴射しないで、暖機を促進させる。このような箇所においても、暖機が進行し、冷媒が蒸発する温度に達すると、冷媒の噴射が行われ、廃熱の回収が行われる。
【００３０】
このように、本実施例の廃熱回収装置１は、冷媒の蒸発する温度に達した箇所ごとに廃熱の回収ができる。廃熱回収装置１は、冷媒の蒸発する温度に達した箇所から順に冷媒を噴射して蒸気を発生させ、廃熱の回収を行う。このように、蒸発する箇所毎に廃熱を回収するため、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の実施例２について説明する。図２は、本実施例の廃熱回収装置３１を組み込んだエンジン３２の概略構成を示した説明図である。実施例２のエンジン３２は、実施例１のエンジン２とほぼ同様の構成をしている。但し、エンジン２はシリンダブロック４にブロック側ウォータジャケット６を形成し、シリンダヘッド５にヘッド側ウォータジャケット７を形成するように、それぞれ別個にウォータジャケットを形成していたのに対し、エンジン３２は、従来から用いられているシリンダブロック３４とシリンダヘッド３５との間に、冷媒の流通する孔を閉塞したヘッドガスケット３７を配置することで、シリンダブロック３４側とシリンダヘッド３５側のウォータジャケット３６を分断している点で相違している。
【００３２】
廃熱回収装置３１は、ヘッドガスケット３７が組み込まれたことにより、シリンダブロック３４側とシリンダヘッド３５側とに冷媒が蒸発する蒸発室を形成することができる。このような構成は、従来から用いられているシリンダブロック及びシリンダヘッドを利用することができるので、安価で簡易に本発明の廃熱回収装置を構成することができる。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。
【００３３】
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。
【００３４】
本発明の蒸発室は、暖機が進行すると温度が異なることとなる二箇所以上に設けることができる。例えば、蒸発室は、気筒ごとに備えることもできる。また、シリンダヘッドに複数の蒸発室を設けることもでき、シリンダブロックに複数の蒸発室を設けることもできる。さらに、温度センサは、エンジンの内部で高温になる、すなわち、冷媒が、蒸発する温度に達する箇所に配置することができる。このような温度センサの配置箇所へ噴射口を向けて、噴射ノズルを配置することができる。
【００３５】
また、本発明の廃熱回収装置は、動力回収機においてエンジンの排気ガスによる過熱をしない構成とすることもできる。図３は、本発明の他の廃熱回収装置４１を組み込んだエンジン４０の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置４１は、実施例の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。但し、廃熱回収装置１の動力回収機１９は過熱器２３を備え、過熱器２３へ集合させた蒸気をエンジンの排気ガスによって高温化したのに対して、廃熱回収装置４１の動力回収機４２は、過熱器２３に代えて、チャンバ４３を配置した点で相違している。廃熱回収装置４１では、シリンダブロック４及びシリンダヘッド５において発生した蒸気をチャンバ４２で集合させた後、膨張機２４へ流入させ、廃熱を回収する。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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例１の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】実施例２の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【図３】本発明の他の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１、３１、４１  廃熱回収装置
２、３２、４０  エンジン
４、３４  シリンダブロック
５、３５  シリンダヘッド
６、７、３６  ウォータジャケット
１０ａ  第一噴射ノズル
１０ｂ  第二噴射ノズル
１０ｃ  第三噴射ノズル
１０ｄ  第四噴射ノズル
１０ｅ  第五噴射ノズル
１０ｆ  第六噴射ノズル
１１  冷媒経路
１３ａ  第一温度センサ
１３ｂ  第二温度センサ
１３ｃ  第三温度センサ
１３ｄ  第四温度センサ
１３ｅ  第五温度センサ
１３ｆ  第六温度センサ
１５  ＥＣＵ
１６  回収経路
１７ａ  第一蒸気経路
１７ｂ  第二蒸気経路
１９、４２  動力回収機
２２  逆止弁
２３  過熱器
２４  膨張機
２５  発電機
２６  排気管
３７  ヘッドガスケット
４３  チャンバ
【図１】
2009002183.tif 000003
【図２】
2009002183.tif 000004
【図３】
2009002183.tif 000005