(57)【要約】【課題】ランキンサイクルを備えたエンジンの壁温上昇を抑制することができる廃熱回収装置を提供することを課題とする。【解決手段】廃熱回収装置（１）は、過熱器（７）をバイパスする第１バイパス通路（２５）、この第１バイパス通路（２５）と蒸気経路（６）との分岐点に設置された第１三方弁（２６）を備えている。また、加熱器（２３）をバイパスする第２バイパス通路（２７）、この第２バイパス通路（２７）と冷却水通路（１０）との分岐点に設置された第２三方弁（２８）を備えている。第１三方弁２６、第２三方弁２８はエンジンの状態に応じて蒸気、冷却水の流路を切り替える。エンジンの冷却を重視するときは過熱器（７）、加熱器（２３）をバイパスする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンにおける廃熱により蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する膨張器と、
当該膨張器に流入する前記蒸気化した冷媒に熱を付与する過熱器と、
前記膨張器を通過した後の冷媒を凝縮する凝縮器と、
当該凝縮器によって凝縮された冷媒を前記エンジンに供給し、当該エンジンを冷却する冷媒供給手段と、
前記過熱器をバイパスする第１バイパス通路と、
エンジンの状態に応じて当該第１バイパス通路への冷媒の流通を切り替える第１切替手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
エンジンにおける廃熱により蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する膨張器と、
前記膨張器を通過した後の冷媒を凝縮する凝縮器と、
当該凝縮器によって凝縮された冷媒を前記エンジンに供給し、当該エンジンを冷却する冷媒供給手段と、
当該冷媒供給手段によって供給される冷媒に熱を付与する加熱器と、
当該加熱器をバイパスする第２バイパス通路と、
エンジンの状態に応じて当該第２バイパス通路への冷媒の流通を切り替える第２切替手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の廃熱回収装置にいて、
前記冷媒供給手段は、排気弁の周囲及び／又は燃焼室の周囲へ冷媒を噴射する噴射弁を含むことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記第１切替手段は、前記エンジンが高負荷運転状態であると判断されるときに前記過熱器をバイパスさせることを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項５】
請求項２記載の廃熱回収装置において、
前記第２切替手段は、前記エンジンが高負荷運転状態であると判断されるときに前記加熱器をバイパスさせることを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項６】
請求項２記載の廃熱回収装置において、
前記加熱器は、前記凝縮器に導入される以前の蒸気との熱交換によって前記冷媒供給手段によって供給される冷媒に熱を付与することを特徴とした廃熱回収装置。
【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技術が知られている。このような廃熱回収は、例えば、エンジンのウォータジャケット内で冷却水などの冷却媒体を気化させ、更に排気熱で過熱した蒸気によって駆動される膨張器を介して行われる。膨張器を駆動した後の蒸気は凝縮器（コンデンサ）によって液状に戻される。このような廃熱回収を備えた内燃機関が、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】
前記のような廃熱回収装置は、エンジン内部で冷媒を蒸発させることによる冷却作用も奏する。ところが、蒸気を発生させることに伴い、エンジン内部を含め、冷媒蒸気が流通する系は、高圧状態となる。高圧状態となったエンジン内部は高温となる。より詳細に説明すると、ランキンサイクルを構成する系では、発生蒸気の圧力を大気圧以上とすることにより、冷却水を循環させる形式の冷却方式の場合と比較すると、冷媒の温度は高温となる。このため、燃焼熱の影響を受けて高温となる燃焼室壁温がさらに高温となってしまう。燃焼室壁温はエンジン負荷が高まると上昇するためエンジン高負荷状態では、熱に対する信頼性の上限を越えてしまうおそれがある。特に、排気弁の周辺、排気弁間ではこのようなおそれが強い。
【０００５】
そこで、本発明は、ランキンサイクルを備えたエンジンの壁温上昇を抑制することができ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】
【０００６】
かかる課題を達成するための、本発明の廃熱回収装置は、エンジンにおける廃熱により蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する膨張器と、当該膨張器に流入する前記蒸気化した冷媒に熱を付与する過熱器と、前記膨張器を通過した後の冷媒を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器によって凝縮された冷媒を前記エンジンに供給し、当該エンジンを冷却する冷媒供給手段と、前記過熱器をバイパスする第１バイパス通路と、エンジンの状態に応じて当該第１バイパス通路への冷媒の流通を切り替える第１切替手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、効率的な廃熱回収と、エンジンの適切な冷却を行うことができる。すなわち、エンジンが熱的にそれ程厳しくない状態であれば、過熱器において例えば排気ガスとの熱交換によって蒸気化した冷媒を膨張器に供給することよって、廃熱の回収効率を向上させることができる。この一方で、このように過熱器を通過させた後の冷媒は、高温となり、凝縮器を通過した後の冷媒の温度も高めとなる。このような冷媒をエンジンに供給すれば、エンジンの冷却効果も低下することとなる。そこで、エンジンの運転状態等によりシリンダブロックやシリンダヘッドが熱的に厳しい状態にあるときは過熱器をバイパスし、できるだけ温度の低い冷媒をエンジンに供給することによりエンジンの適正温度を維持する。このような廃熱回収装置における前記第１切替手段は、前記エンジンが高負荷運転状態であると判断されるときに前記過熱器をバイパスさせる構成とすることができる（請求項４）。
【０００７】
本発明の他の廃熱回収装置は、エンジンにおける廃熱により蒸気化した冷媒からエネルギーを回収する膨張器と、前記膨張器を通過した後の冷媒を凝縮する凝縮器と、当該凝縮器によって凝縮された冷媒を前記エンジンに供給し、当該エンジンを冷却する冷媒供給手段と、当該冷媒供給手段によって供給される冷媒に熱を付与する加熱器と、当該加熱器をバイパスする第２バイパス通路と、エンジンの状態に応じて当該第２バイパス通路への冷媒の流通を切り替える第２切替手段と、を備えたことを特徴とする（請求項２）。ランキンサイクルは蒸気を介してエンジンの廃熱を回収する。このため、膨張器に供給される蒸気はできるだけ高温であることが望ましい。エンジンを熱源とし、エンジン内部で蒸気を発生させる場合、エンジンに供給される液体状態の冷媒の温度が高温であれば、効率よく蒸気を発生させることができる。そこで、廃熱回収装置は、冷媒供給手段によって供給される冷媒に熱を付与する加熱器を備えた構成とすることができる。この過熱器は、例えば、前記凝縮器に導入される以前の蒸気との熱交換によって前記冷媒供給手段によって供給される冷媒に熱を付与する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、ランキンサイクルを利用したエンジンの廃熱回収の効率を向上させることができる。この一方で、このように加熱器を通過させた後の冷媒は、高温となる。このような冷媒をエンジンに供給すれば、エンジンの冷却効果も低下することとなる。そこで、エンジンの運転状態等によりシリンダブロックやシリンダヘッドが熱的に厳しい状態にあるときは加熱器をバイパスし、できるだけ温度の低い冷媒をエンジンに供給することによりエンジンの適正温度を維持する。このような廃熱回収装置における前記第２切替手段は、前記エンジンが高負荷運転状態であると判断されるときに前記加熱器をバイパスさせる構成とすることができる（請求項５）。
【０００８】
エンジンはその燃焼熱により、排気弁の周囲、燃焼室の周囲が高温となり易い。そこで、前記冷媒供給手段は、排気弁の周囲及び／又は燃焼室の周囲へ冷媒を噴射する噴射弁を含む構成とすることができる（請求項３）。冷媒を噴射し、その冷媒が気化するときの気化熱を利用することによって所望の箇所の冷却を行うことができる。冷媒の噴射弁は、冷却の必要に応じて適宜設置することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ランキンサイクルを用いた廃熱回収の効率を向上させる過熱器や加熱器を備えるとともに、エンジンの冷却を優先させるときにこれらの過熱器、加熱器をバイパスするバイパス通路を備える構成としたので、効率的な廃熱の回収を行いつつ、エンジンの冷却効果を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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】
【００１１】
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、図２、図３は、いずれも本実施例の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図であり、図１は、エンジンが低負荷状態とあるとき、図２は、中負荷状態にあるとき、図３は、エンジンが高負荷状態にあるときを示している。
【００１２】
廃熱回収装置１は、燃焼機関であるエンジン本体２に組み込まれている。廃熱回収装置１は、シリンダブロック２ａからシリンダヘッド２ｂ内にかけて形成されたウォ−タジャケット３、シリンダヘッド２ｂ内の広範囲に向けて冷媒である冷却水を噴射するように設置された第１冷却水噴射ノズル４ａを備えている。さらに、図４に示すようにシンリンダヘッド内で特に高温となる排気弁２２の間から燃焼室の中心部へかけて冷媒を噴射する第２冷却水噴射ノズル４ｂを備えている。ウォータジャケット３内には冷媒である冷却水が供給されている。
【００１３】
廃熱回収装置１は、さらに、蒸気化した冷媒、すなわち蒸気が流通する蒸気経路６を備えている。この蒸気経路６には上流側から順に過熱器７、タービン８、加熱器２３が配設されており、その端部は凝縮器９の上部９ａに接続されている。過熱器７にはエンジン本体２の排気ポート１３と接続された排気経路１４が引き込まれている。過熱器７は、排気経路１４中の排気ガスから熱を回収し、蒸気通路６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。タービン８は、蒸気経路６を通じて流入する高温、高圧の蒸気によって駆動される。タービン３は発電機１５と共通の駆動軸８ａを備えている。このため、タービン３が駆動されると、発電機１５は蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する。タービン８を通過した蒸気は凝縮器１３で凝縮されて冷却水に戻される。タービン８及び発電機１５は、本発明におけるエネルギー回収装置を構成している。
【００１４】
廃熱回収装置１は、さらに、凝縮器９の下部９ｂから第２冷却水噴射ノズル４ｂへ冷却水を供給する冷却水通路１０を備えている。この冷却水通路１０には上流側から順に逆止弁２４、キャッチタンク１１、モータ１２ａによって駆動される第２ウォータポンプ１２が配設されている。また、この冷却水通路１０は加熱器２３を通過している。凝縮器９内で凝縮され液体に戻され、冷却水通路１０内を流通する冷却水は、一旦キャッチタンク１１内に貯留され、その後、第２ウォータポンプ１２によって第２冷却水噴射ノズル４ｂへ供給される。その際、加熱器２３を通過することによりタービン８を通過した後の蒸気と熱交換をすることにより昇温できる。第２冷却水噴射ノズル４ｂから噴射された冷却水は、蒸気化し、または、ウォータジャケット３内へ貯留される。ウォータジャケット３内に貯留された冷却水は、第１ウォータポンプ５によってウォ−タジャケット３下部から汲み上げられ、第１冷却水ノズル４ａから噴射され、冷却水は高温のエンジン本体２を冷却する際に蒸気化し、ウォータジャケット３の上部に充満する。第２ウォータポンプ１２、第２冷却水噴射ノズル４ｂは、本発明における冷媒供給手段に含まれる。逆止弁２４は、キャッチタンク１１から凝縮器９側への冷却水の逆流を防止するものである。
【００１５】
このような廃熱回収装置１は、さらに、凝縮器９と接続されたリザーブタンク１６を備えている。凝縮器９とリザーブタンク１６とは、双方の下端部を接続する第１通路１７と第２通路１８とによって接続されている。第１通路１７上には、リザーブタンク１６から凝縮器９への冷却媒体、すなわち、液体の冷却水の流入を制限する第１チェック弁２０が設置されている。この第１チェック弁２０の開弁圧はＰ１に設定されている。従って、凝縮器９内の蒸気圧がＰ１を越えると第１チェック弁２０が開弁し、凝縮器９内の液体の冷却水がリザーブタンク１６内へ流入する。第２通路１８上には凝縮器９からリザーブタンク１６への冷却媒体、すなわち、液体の冷却水の流入を制限する第２チェック弁２１が設置されている。この第２チェック弁２１の開弁圧はＰ２に設定されている。従って、凝縮器９内の圧力がＰ２を下回ると第２チェック弁２１が開弁し、リザーブタンク１６内の液体の冷却水が凝縮器９内へ流入する。ここで、第１チェック弁２０の開弁圧Ｐ１は、正常に作動している廃熱回収装置１内の蒸気圧を考慮し、この正常状態における蒸気圧よりも高い値に設定されている。これは必要以上に、系内、すなわち、凝縮器９からリザーブタンク１６へ冷却水が流出しないようにするための措置である。一方、第２チェック弁２１の開弁圧Ｐ２は大気圧よりも低い負圧に設定されている。
【００１６】
凝縮器９とリザーブタンク１６とは、一端側を凝縮器９の上部９ａに接続した第３通路１９によっても接続されている。第３通路１９上には第３チェック弁２２が設置されている。この第３チェック弁２２は、何らかの異常により系内に空気が溜まり、これに起因して圧力が上昇したときの空気抜きとして作用するものであり、開弁圧はＰ３に設定されている。この開弁圧Ｐ３は第１チェック弁２０の開弁圧Ｐ１よりも高い値に設定されている。
【００１７】
このように凝縮器９と接続されたリザーブタンク１６の容量は、エンジンの稼働時に系内の一部を占める蒸気の容積を考慮し、この蒸気の容積よりも十分大きい容量が確保されている。また、リザーブタンク１６は口部１６ａを備えており、内部の圧力は大気と同等となっている。
【００１８】
廃熱回収装置１は、さらに過熱器７をバイパスする第１バイパス通路２５、この第１バイパス通路２５と蒸気経路６との分岐点に設置された本発明における第１切替手段に相当する第１三方弁２６を備えている。また、加熱器２３をバイパスする第２バイパス通路２７、この第２バイパス通路２７と冷却水通路１０との分岐点に設置された本発明における第２切替手段に相当する第２三方弁２８を備えている。第１三方弁２６、第２三方弁２８はそれぞれＥＣＵ（Electronic  control  unit）２９と電気的に接続されており、エンジンの状態に応じた開閉制御がされている。すなわち、ＥＣＵ２９が取得するエンジン状態を把握するための種々のデータに基づいて過熱器７、加熱器２３を通過させたり、バイパスしたりする。
【００１９】
以下、ＥＣＵ２９による第１三方弁２６、第２三方弁２８の開閉制御について、図５、図６に示したフロー図を参照しつつ説明する。なお、制御の方針は、効率的な廃熱の回収とエンジン本体２の適切な冷却であり、エンジン本体２が熱的に厳しい状態となっているか否かを監視しつつ、できるだけ熱の回収効率を上げることにある。すなわち、ランキンサイクルを利用した廃熱回収を行う場合、熱源であり、かつ、冷却対象となるエンジン本体２には冷媒が循環することとなるが、エンジン本体２が熱的に厳しい状態のときにはできるだけ冷媒の温度上昇を抑制し、エンジン本体２に供給する。
【００２０】
エンジン始動操作（イグニションＯＮ）が行われると、ＥＣＵ２９は、エンジン回転数ＮＥ＞０であるか否かを判断する。すなわち、エンジンが始動したか否かの判断を行う。このステップＳ１において、Ｎｏと判断されたときはステップＳ５へ進み、エンジンは停止中であるとしてその後の処理は行わない。一方、ステップＳ１でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ２へ進み、ステップＳ２ではエンジン壁温Ｔｗが１００℃よりも高くなっているか否かの判断を行う。これは、エンジンが暖機完了状態にあるか否かを判断する処理である。このステップＳ２において、Ｎｏと判断されるときはステップＳ６へ進みエンジンは暖機中であると認識する。エンジンが暖機中であるときは未だ蒸気が発生していない。その後のステップ７では、第１三方弁２６を過熱器７側に開き、第２三方弁２８を加熱器２３側に開く。また、この時点では第２ウォータポンプ１２に対して停止しれが出される。第１三方弁２６を過熱器７側に開き、第２三方弁２８を加熱器２３側に開くことにより、エンジンの暖機が完了し蒸気が発生し始めたとき効率的な廃熱回収に備えることができる。一方、第２ウォータポンプ１２を停止しておくのは、未だ冷却水の蒸発が起こっていないことから冷却水の供給は不要であることから、無駄な電力の消費を回避するためである。電力消費を抑制することによって燃費向上を図ることができる。
【００２１】
一方、ステップＳ２において、Ｙｅｓと判断されたときは、ステップＳ３においてエンジンの暖機が完了した認識する。エンジンの暖機完了後は蒸気が発生し始める。蒸気が発生し始めたと認識したらステップＳ４において発生した蒸気の量（Ｇｖ）を計算するための処理を開始する。
ここで、蒸気量Ｇｖは、
Ｇｖ＝ΣＱｗ（Ｎｅ，Ｈ）／ｑｗ×ｄｔ
Ｎｅ：エンジン回転数    Ｈ：エンジン負荷    ｑｗ：蒸発潜熱
の計算式により算出される。
このため、ステップＳ４では、Ｇｖ＝０としておき、蒸気量Ｇｖの計算に必要となるエンジン回転数Ｎｅ、エンジン負荷Ｈのデータ収集を開始する。
【００２２】
ＥＣＵ２９は、ステップＳ４の処理の後、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８では、エンジンの負荷が軽負荷領域となっているか否かの判断を行う。ＥＣＵ２８は図７に示すようなエンジン回転数−エンジン負荷（Ｑｗ）マップを有しており、各種センサから得られたデータを参照してエンジンの負荷状態を判断する。この判断においてエンジンが軽負荷状態であると判断した場合、すなわち、ステップＳ８においてＹｅｓと判断されたときはステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、図１に示すように第１三方弁２６を過熱器７側に開き、第２三方弁２８を加熱器２８側に開く。これにより、蒸気に熱を付与して効率的な廃熱回収を行うことができる。また、加熱器２３において冷却水に熱を付与することにより蒸気の増量を図り、この点でも効率的な廃熱回収を行うことができる。
【００２３】
一方、ステップＳ８においてＮｏと判断された場合は、ステップＳ１５へ進む。ステップＳ１５では、エンジンの負荷が中負荷領域となっているか否かの判断を行う。この判断において、エンジンが中負荷状態にあると判断した場合、すなわち、ステップＳ１５でＹｅｓと判断された場合は、ステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６では、図２に示すように第１三方弁２６を過熱器７側に開き、第２三方弁２８を第２バイパス通路２７側に開く。これにより、効率的な廃熱回収とエンジンの冷却を両立することができる。すなわち、過熱器７を通過した蒸気によりタービン８を駆動して廃熱回収を行い、加熱器２３の通過を回避した冷却水をエンジンに供給することによりエンジンの冷却を図ることができる。
【００２４】
一方、ステップＳ１５においてＮｏと判断されたときはステップＳ１７へ進み、エンジンは高負荷状態であると認識し、ステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８では、図３に示すように第１三方弁２６を第１バイパス通路２５側に開き、第２三方弁２８を第２バイパス通路２７側に開く。これにより、エンジンの冷却を重視した冷却水供給を行うことができる。すなわち、過熱器７、加熱器２３をいずれもバイパスすることにより、蒸気、冷却水に過剰な熱を与えることを回避してエンジンに供給される冷却水の温度が上昇することを回避することができる。
【００２５】
ステップＳ９、ステップＳ１６、ステップＳ１８を経た後は、いずれもステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０以下のステップでは、蒸発した分の冷却水を供給するための処理を行う。すなわち、ステップＳ１０では、ステップＳ４において蒸発量の計算を開始した蒸気量Ｇｖが１回の第２ウォータポンプ１２の駆動指令によって供給される冷却水量Ｇｖ０に達したか否かを判断する。蒸気量Ｇｖが１回あたり供給される冷却水量Ｇｖ０を越えたとき、すなわちステップＳ１０においてＹｅｓと判断されたときは、ステップＳ１１において第２ウォータポンプ１２による給水指令を行う。給水指令が出された後は、ステップＳ１３を繰り返すことによって給水量がＧｖ０に達した否かを判断し、Ｇｖ０に達したらステップＳ１４へ進んで第２ウォータポンプ１２による給水を停止する。これにより、蒸発した冷却水量に見合った分だけの冷却水を供給することができ、第２ウォータポンプ１２の無駄な駆動を回避することができる。なお、蒸気の発生は、第２ウォータポンプ１２が駆動されていると否とにかかわらず継続しているので、蒸気量Ｇｖは第２ウォータポンプ１２が停止している時間帯、駆動されている時間帯のものが積算されて算出される。
【００２６】
以上のような制御が行われることにより、効率的な廃熱の回収と、エンジンの冷却を行うことができる。また、第２ウォータポンプの駆動は、蒸発した冷却水を補うような形で行うようにしたので無駄な電力消費を抑制することができる。
【００２７】
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】
【００２８】
【図１】実施例の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図であり、エンジンが低負荷状態とあるときを示した図である。
【図２】実施例の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図であり、エンジンが中負荷状態とあるときを示した図である。
【図３】実施例の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図であり、エンジンが高負荷状態とあるときを示した図である。
【図４】第二冷却水噴射ノズルの配置を示す説明図である。
【図５】ＥＣＵが行う制御の一例を示すフロー図の一部である。
【図６】ＥＣＵが行う制御の一例を示すフロー図の一部である。
【図７】Ｑｗマップの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  廃熱回収装置
２  エンジン本体
２ａ  シリンダブロック
２ｂ  シリンダヘッド
３  ウォータジャケット
４ａ  第１冷却水噴射ノズル
４ｂ  第２冷却水噴射ノズル
５  第１ウォータポンプ
６  蒸気経路
７  過熱器
８  タービン
９  凝縮器
１０  冷却水通路
１１  キャッチタンク
１２  第２ウォータポンプ
１２ａ  モータ
１３  排気ポート
１４  排気経路
１５  発電機
１６  リザーブタンク
２０  第１チェック弁
２１  第２チェック弁
２２  第３チェック弁
２４  逆止弁
２５  第１バイパス通路
２６  第１三方弁
２７  第２バイパス通路
２８  第２三方弁
２９  ＥＣＵ
【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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