(57)【要約】【課題】  幅広い範囲のエンジン運転状態でより高いエネルギー回収効率が得られるエンジン廃熱回収システムを提供する。【解決手段】  エンジン廃熱回収システム（１）は、過熱蒸気発生部（３１）と、衝動タービン（３２）と、過熱蒸気供給路（３６２，３３１）と、噴射状態制御部（３３２）と、を備えている。過熱蒸気発生部（３１）は、エンジン（２）の廃熱によって作動流体（Ｃ）の過熱蒸気を発生させるように構成されている。衝動タービン（３２）のロータ（３２１）は、減速機構（３７）を介してエンジン（２）の出力軸（２１３）と連結されている。本システム（１）においては、衝動タービン（３２）には、複数のノズル（３２２）が備えられている。また、噴射状態制御部（３３２）は、過熱蒸気の圧力に応じて、複数のノズル（３２２）における過熱蒸気の噴射の有無を切り換え得るように構成されている。【選択図】  図２
2009103060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された、エンジン廃熱回収システムにおいて、
前記廃熱によって、作動流体の過熱蒸気を発生させ得るように構成された、過熱蒸気発生部と、
減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されたロータと、前記ロータに向けて前記過熱蒸気を噴射し得るように構成された第一ノズル及び第二ノズルと、を有する、衝動型のタービンと、
前記過熱蒸気発生部と前記第一ノズル及び前記第二ノズルとを接続するように設けられた、過熱蒸気供給路と、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気が前記第一ノズルで噴射されていて前記第二ノズルで噴射されていない第一噴射状態と、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力が前記第一噴射状態よりも高い状態にて前記過熱蒸気が前記第二ノズルで噴射されている第二噴射状態と、を切り換え得るように構成された、噴射状態制御部と、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項２】
請求項１に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、
前記第一ノズルの上流側に設けられていて、前記圧力によって開閉し得るように構成された、第一差圧弁と、
前記第二ノズルの上流側に設けられていて、前記圧力によって開閉し得るように構成された、第二差圧弁と、
を備え、
前記第二差圧弁は、前記第一差圧弁よりも高圧側で開弁するように構成されたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項３】
請求項１に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記圧力に対応する出力を生じるように構成された、蒸気圧センサと、
前記第一ノズルの上流側に設けられていて、電気信号の入力によって開閉し得るように構成された、第一電磁弁と、
前記第二ノズルの上流側に設けられていて、電気信号の入力によって開閉し得るように構成された、第二電磁弁と、
前記蒸気圧センサ、前記第一電磁弁、及び前記第二電磁弁と電気回路的に接続されていて、前記蒸気圧センサの出力に基づいて、前記第一電磁弁及び前記第二電磁弁を開閉するための前記電気信号を出力し得るように構成された、制御ユニットと、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の、エンジン廃熱回収システムにおいて、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気を貯留し得るように構成された、蓄圧器をさらに備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項５】
エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された、エンジン廃熱回収システムにおいて、
前記廃熱によって、作動流体の過熱蒸気を発生させ得るように構成された、過熱蒸気発生部と、
減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されたロータと、前記ロータに向けて前記過熱蒸気を噴射し得るように構成された複数のノズルと、を有する、衝動型のタービンと、
前記過熱蒸気発生部と複数の前記ノズルとを接続するように設けられた、過熱蒸気供給路と、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射の有無を切り換え得るように構成された、噴射状態制御部と、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項６】
請求項５に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、
前記ノズルの各々の上流側に設けられていて、前記圧力によって開閉し得るように構成された、複数の差圧弁を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項７】
請求項５に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記圧力に対応する出力を生じるように構成された、蒸気圧センサと、
前記ノズルの各々の上流側に設けられていて、電気信号の入力によって開閉し得るように構成された、複数の電磁弁と、
前記蒸気圧センサ、及び複数の前記電磁弁と電気回路的に接続されていて、前記蒸気圧センサの出力に基づいて、複数の前記電磁弁の各々を開閉するための前記電気信号を出力し得るように構成された、制御ユニットと、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項８】
請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の、エンジン廃熱回収システムにおいて、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気を貯留し得るように構成された、蓄圧器をさらに備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項９】
エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された、エンジン廃熱回収システムにおいて、
前記廃熱によって、作動流体の過熱蒸気を発生させ得るように構成された、過熱蒸気発生部と、
減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されたロータと、前記ロータに向けて前記過熱蒸気を噴射し得るように構成されたノズルと、を有する、衝動型のタービンと、
前記過熱蒸気発生部と前記ノズルとを接続するように設けられた、過熱蒸気供給路と、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気を貯留し得るように構成された、蓄圧器と、
前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記蓄圧器内における前記過熱蒸気の圧力に応じて、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態を制御し得るように構成された、噴射状態制御部と、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記タービンは、複数の前記ノズルを備え、
前記噴射状態制御部は、前記圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射の有無を切り換え得るように構成されたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、
前記ノズルの上流側に設けられていて、前記圧力によって開閉し得るように構成された、差圧弁を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【請求項１２】
請求項９又は請求項１０に記載の、エンジン廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、
前記蓄圧器に装着されていて、前記圧力に対応する出力を生じるように構成された、蒸気圧センサと、
前記ノズルの上流側に設けられていて、電気信号の入力によって開閉し得るように構成された、電磁弁と、
前記蒸気圧センサ及び前記電磁弁と電気回路的に接続されていて、前記蒸気圧センサの出力に基づいて、前記電磁弁を開閉するための前記電気信号を出力し得るように構成された、制御ユニットと、
を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された、エンジン廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のエンジン廃熱回収システムとして、例えば、特開平６−８８５２３号公報、特開２０００−３４５８３５号公報、特開２０００−３４５９１５号公報、特開２００３−２７８５９８号公報、特開２００６−５２７１８号公報、特開２００６−３１６７０４号公報、等に記載されたものが知られている。
【０００３】
例えば、特開平６−８８５２３号公報に開示されたエンジン廃熱回収システムは、冷却水の気化熱によるエンジン冷却に伴って発生した蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換することで、廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。
【０００４】
具体的には、このエンジン廃熱回収システムは、シリンダブロックと、加熱器と、膨張器と、コンデンサと、を備えている。前記シリンダブロックには、前記冷却水が供給されるウォータージャケットが設けられている。前記加熱器は、排気ガスの熱を熱源として、前記ウォータージャケットから流出した前記蒸気をさらに加熱するように構成されている。前記膨張器は、前記蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換するように構成されている。前記コンデンサは、前記膨張器を経てエネルギーを失い低圧となった前記蒸気を冷却して凝縮させるように構成されている。
【０００５】
かかる構成のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却水が前記ウォータージャケットに供給されると、前記シリンダブロックが冷却されるとともに、前記冷却水が気化して前記蒸気が発生する。この蒸気は、前記加熱器により、排気ガスとの熱交換でさらに加熱された後、前記膨張器に供給される。この膨張器にて、前記蒸気の膨張により機械的エネルギーが回収される。その後、エネルギーを失って低圧となった前記蒸気は、前記コンデンサに流入し、凝縮されて液体となる。このように前記コンデンサにて凝縮されることで液体となった前記冷却水は、再び前記ウォータージャケットに供給される。
【特許文献１】特開平６−８８５２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５８３５号公報
【特許文献３】特開２０００−３４５９１５号公報
【特許文献４】特開２００３−２７８５９８号公報
【特許文献５】特開２００６−５２７１８号公報
【特許文献６】特開２００６−３１６７０４号公報
【発明の開示】
【０００６】
この種のエンジン廃熱回収システムにおいては、上述のように、エネルギーの回収は、作動流体（冷却水等）の蒸気の膨張によって駆動される膨張器によって行われる。この種の膨張器としては、エネルギー回収効率の観点から、タービンが好適に用いられる。
【０００７】
ここで、通常、ロータ周速（Ｕ）と蒸気流速（Ｖ）との比である周速比（λ＝Ｕ／Ｖ）が０．５近辺（約０．４ないし約０．６）で、タービン効率はピークを有し、このピークから周速比が大きくずれた場合にタービン効率が極端に低下する傾向がある。すなわち、この種のタービンは、蒸気流速が小さい領域及び大きい領域にて、タービン効率及びエネルギー回収効率が極端に低下する傾向を有する。また、蒸気流速は、エンジン運転状態（負荷等）と相関関係がある。よって、従来のこの種のシステムにおいては、運転状態によってエネルギー回収効率に比較的大きなバラツキがあった。
【０００８】
本発明は、かかる課題に対処することを目的としている。すなわち、本発明の目的は、幅広い範囲のエンジン運転状態でより高いエネルギー回収効率が得られるエンジン廃熱回収システムを提供することにある。
【０００９】
（１）本発明のエンジン廃熱回収システム（以下、単に「システム」と称する。）の一態様においては、過熱蒸気発生部と、タービンと、過熱蒸気供給路と、噴射状態制御部と、が備えられている。
【００１０】
前記過熱蒸気発生部は、エンジンの廃熱によって、作動流体の過熱蒸気を発生させ得るように構成されている。前記作動流体としては、例えば、広く用いられているエンジン冷却水（水系のエンジン冷却媒体）が好適に用いられ得る。前記タービンは、いわゆる衝動タービンであって、そのロータは減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されている。このタービンは、前記ロータに向けて前記過熱蒸気を噴射し得るように構成されたノズルを備えている。前記過熱蒸気供給路は、前記過熱蒸気発生部と前記ノズルとを接続するように設けられている。前記噴射状態制御部は、前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態を制御し得るように構成されている。
【００１１】
本システムの特徴は、以下の構成を備えたことにある：本システムにおいては、前記タービンには、前記ノズルが複数備えられている。また、前記噴射状態制御部は、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射の有無を切り換え得るように構成されている。例えば、この噴射状態制御部は、第一噴射状態と第二噴射状態とを切り換え得るように構成されている。ここで、前記第一噴射状態は、前記過熱蒸気が第一ノズルで噴射されていて第二ノズルで噴射されていない状態である。また、前記第二噴射状態は、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力が前記第一噴射状態よりも高い状態であって、前記過熱蒸気が前記第二ノズルで噴射されている状態である。
【００１２】
かかる構成を有する本発明のシステムにおいては、前記過熱蒸気発生部にて、前記作動流体の前記過熱蒸気が、前記エンジンの前記廃熱によって発生する。この過熱蒸気は、前記過熱蒸気供給路を介して、複数の前記ノズルに向けて供給される。ここで、前記過熱蒸気の発生量や、前記過熱蒸気供給路における流量及び圧力は、前記エンジンの運転状態に応じて変化する。すなわち、例えば、高負荷運転時においては、前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなり、圧力が高くなる。一方、低負荷運転時においては、前記過熱蒸気の発生量及び流量が少なくなり、圧力が低くなる。
【００１３】
前記タービンの前記ロータは、前記減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されている。よって、このロータは、前記減速機構における減速比とエンジン回転数とを乗じた値の回転数で回転し得る。すなわち、このロータの回転は、特に低回転域にて、前記エンジンの出力によって補助され得る。このロータに対して、前記ノズルによって、前記過熱蒸気が噴射される。ここで、前記噴射状態制御部は、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射の有無を切り換えるように動作する。例えば、低圧時においては、前記過熱蒸気が、前記第一ノズルで噴射され、前記第二ノズルでは噴射されない。一方、高圧時においては、前記過熱蒸気が前記第二ノズルで噴射される（このとき、前記第一ノズルでは、噴射あり・なしのいずれもあり得る。）。
【００１４】
このように、本発明のシステム構成によれば、前記過熱蒸気の発生量及び流量が少なく圧力が低くて、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射速度が低くなるような運転状態においても、前記ロータの回転数が比較的高く維持され得る。また、前記過熱蒸気の発生量、流量、あるいは圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける噴射状態が制御される。これにより、タービン効率がより高くなるような周速比となるように、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態が適宜制御され得る。したがって、本発明によれば、幅広い前記過熱蒸気の流量及び圧力の範囲、すなわち、幅広い範囲のエンジン運転状態で、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００１５】
前記噴射状態制御部は、複数の差圧弁（あるいはメカニカル弁とも言い得る）を備えていてもよい。これらの差圧弁は、前記ノズルの各々の、前記過熱蒸気の流動方向における上流側（以下、単に「上流側」と称する。）に設けられていて、前記圧力によって開閉し得るように構成されている。これらの差圧弁は、異なる圧力で開弁するように構成され得る。すなわち、前記噴射状態制御部は、前記第一ノズルの上流側に設けられた第一差圧弁と、前記第二ノズルの上流側に設けられていて前記第一差圧弁よりも高圧側で開弁するように構成された第二差圧弁と、を備え得る。
【００１６】
かかる構成においては、前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなるに応じて、複数の前記差圧弁が次々に開弁する。すなわち、前記第一差圧弁がまず開弁し、さらに前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなると、前記第二差圧弁が続いて開弁する。したがって、前記過熱蒸気の発生量、流量、及び圧力の変化に伴う複数の前記ノズルにおける噴射状態の制御が、簡略な装置構成によって実現され得る。
【００１７】
前記噴射状態制御部は、蒸気圧センサと、複数の電磁弁と、制御ユニットと、を備えていてもよい。ここで、前記蒸気圧センサは、前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に対応する出力を生じるように構成されている。また、前記電磁弁は、前記ノズルの各々の上流側に設けられていて、電気信号の入力によって開閉し得るように構成されている。すなわち、前記噴射状態制御部は、前記第一ノズルの上流側に設けられた第一電磁弁と、前記第二ノズルの上流側に設けられた第二電磁弁と、を備え得る。また、前記制御ユニットは、前記蒸気圧センサ、及び複数の前記電磁弁と電気回路的に接続されていて、前記蒸気圧センサの出力に基づいて、複数の前記電磁弁の各々を開閉するための前記電気信号を出力し得るように構成されている。
【００１８】
かかる構成においては、前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなるに応じて、前記制御ユニットにより、複数の前記電磁弁の開弁状態が制御される。すなわち、前記過熱蒸気の発生量及び流量が少なく圧力が低い状態では、前記第一電磁弁が開弁される。さらに前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなると、前記第二電磁弁が開弁される。したがって、前記過熱蒸気の発生量、流量、及び圧力の変化に伴う複数の前記ノズルにおける噴射状態の制御が、簡略な装置構成によって実現され得る。
【００１９】
前記システムは、蓄圧器（accumulator）をさらに備え得る。この蓄圧器は、前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気を貯留し得るように構成されている。
【００２０】
かかる構成においては、前記過熱蒸気発生部にて発生した前記作動流体の前記過熱蒸気が、前記蓄圧器に一旦貯留され得る。そして、前記蓄圧器に所定量の前記過熱蒸気が貯留された状態となってから前記ノズルによって前記過熱蒸気が前記ロータに対して噴射され得る。よって、前記過熱蒸気の発生量が少なくなるような運転状態（低負荷運転時等）においても、タービン効率がより高くなるような周速比となるように、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態が適宜制御され得る。また、前記蓄圧器がない場合に比べて、一度に多量の前記過熱蒸気の噴射がまとまって行われる。したがって、かかる構成によれば、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００２１】
（２）本発明のシステムの他の態様においては、過熱蒸気発生部と、タービンと、過熱蒸気供給路と、噴射状態制御部と、蓄圧器と、が備えられている。
【００２２】
前記過熱蒸気発生部は、エンジンの廃熱によって、作動流体の過熱蒸気を発生させ得るように構成されている。前記タービンは、いわゆる衝動タービンであって、そのロータは減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されている。このタービンは、前記ロータに向けて前記過熱蒸気を噴射し得るように構成されたノズルを備えている。前記過熱蒸気供給路は、前記過熱蒸気発生部と前記ノズルとを接続するように設けられている。前記蓄圧器は、前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気を貯留し得るように構成されている。前記噴射状態制御部は、前記過熱蒸気供給路に介装されている。この噴射状態制御部は、前記蓄圧器内における前記過熱蒸気の圧力に応じて、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態を制御し得るように構成されている。
【００２３】
かかる構成を有する本発明のシステムにおいては、前記過熱蒸気発生部にて、前記作動流体の前記過熱蒸気が、前記エンジンの前記廃熱によって発生する。この過熱蒸気は、前記過熱蒸気供給路に介装された前記蓄圧器に一旦貯留される。ここで、前記過熱蒸気の発生量、及び前記蓄圧器内における前記過熱蒸気の圧力は、前記エンジンの運転状態に応じて変化する。すなわち、例えば、高負荷運転時においては、前記過熱蒸気の発生量が多くなり、圧力が高くなる。一方、低負荷運転時においては、前記過熱蒸気の発生量が少なくなり、圧力が低くなる。
【００２４】
前記タービンの前記ロータは、前記減速機構を介して前記エンジンの出力軸と連結されている。よって、このロータは、前記減速機構における減速比とエンジン回転数とを乗じた値の回転数で回転し得る。すなわち、このロータの回転は、特に低回転域にて、前記エンジンの出力によって補助され得る。このロータに対して、前記ノズルによって、前記過熱蒸気が噴射される。
【００２５】
前記噴射状態制御部は、前記蓄圧器内における前記過熱蒸気の圧力に応じて、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態を制御するように動作する。すなわち、前記蓄圧器に所定量の前記過熱蒸気が貯留されて、当該蓄圧器内における前記過熱蒸気の圧力が所定圧力となると、前記噴射状態制御部により、前記過熱蒸気が前記ノズルから前記ロータに対して噴射され得る。よって、前記過熱蒸気の発生量が少なくなるような運転状態（低負荷運転時等）においても、タービン効率がより高くなるような周速比となるように、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態が適宜制御され得る。また、前記蓄圧器がない場合に比べて、一度に多量の前記過熱蒸気の噴射がまとまって行われる。したがって、かかる構成によれば、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００２６】
前記タービンには、前記ノズルが複数備えられ得る。この場合、前記噴射状態制御部は、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射の有無を切り換え得るように構成されている。例えば、この噴射状態制御部は、第一噴射状態と第二噴射状態とを切り換え得るように構成されている。ここで、前記第一噴射状態は、前記過熱蒸気が第一ノズルで噴射されていて第二ノズルで噴射されていない状態である。また、前記第二噴射状態は、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力が前記第一噴射状態よりも高い状態であって、前記過熱蒸気が前記第二ノズルで噴射されている状態である。
【００２７】
かかる構成においては、前記噴射状態制御部は、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射の有無を切り換えるように動作する。例えば、低圧時においては、前記過熱蒸気が、前記第一ノズルで噴射され、前記第二ノズルでは噴射されない。一方、高圧時においては、前記過熱蒸気が前記第二ノズルで噴射される（このとき、前記第一ノズルでは、噴射あり・なしのいずれもあり得る。）。
【００２８】
このように、かかる構成によれば、前記過熱蒸気の発生量、流量、あるいは圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける噴射状態が制御される。これにより、タービン効率がより高くなるような周速比となるように、前記ノズルにおける前記過熱蒸気の噴射状態が適宜制御され得る。したがって、本発明によれば、幅広い前記過熱蒸気の流量及び圧力の範囲、すなわち、幅広い範囲のエンジン運転状態で、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００２９】
前記噴射状態制御部は、差圧弁（あるいはメカニカル弁とも言い得る）を備えていてもよい。この差圧弁は、前記ノズルよりも、前記過熱蒸気の流動方向における上流側（以下、単に「上流側」と称する。）に設けられていて、前記圧力によって開閉し得るように構成されている。
【００３０】
前記ノズルが複数設けられている場合、前記差圧弁は複数設けられる。この場合、複数の前記差圧弁のそれぞれは、異なる圧力で開弁するように構成され得る。すなわち、前記噴射状態制御部は、前記第一ノズルの上流側に設けられた第一差圧弁と、前記第二ノズルの上流側に設けられていて前記第一差圧弁よりも高圧側で開弁するように構成された第二差圧弁と、を備え得る。
【００３１】
かかる構成においては、前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなるに応じて、複数の前記差圧弁が次々に開弁する。すなわち、前記第一差圧弁がまず開弁し、さらに前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなると、前記第二差圧弁が続いて開弁する。したがって、前記過熱蒸気の発生量、流量、及び圧力の変化に伴う複数の前記ノズルにおける噴射状態の制御が、簡略な装置構成によって実現され得る。
【００３２】
前記噴射状態制御部は、蒸気圧センサと、電磁弁と、制御ユニットと、を備えていてもよい。ここで、前記蒸気圧センサは、前記過熱蒸気供給路に介装されていて、前記過熱蒸気供給路における前記過熱蒸気の圧力に対応する出力を生じるように構成されている。また、前記電磁弁は、前記ノズルの上流側に設けられていて、電気信号の入力によって開閉し得るように構成されている。前記噴射状態制御部は、前記第一ノズルの上流側に設けられた第一電磁弁と、前記第二ノズルの上流側に設けられた第二電磁弁と、を備え得る。前記制御ユニットは、前記蒸気圧センサ及び前記電磁弁と電気回路的に接続されていて、前記蒸気圧センサの出力に基づいて前記電磁弁を開閉するための前記電気信号を出力し得るように構成されている。
【００３３】
かかる構成においては、前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなるに応じて、前記制御ユニットにより、前記電磁弁の開弁状態が制御される。例えば、前記過熱蒸気の発生量及び流量が少なく圧力が低い状態では、前記第一電磁弁が開弁される。さらに前記過熱蒸気の発生量及び流量が多くなって圧力が高くなると、前記第二電磁弁が開弁される。したがって、前記過熱蒸気の発生量、流量、及び圧力の変化に伴う前記ノズルにおける噴射状態の制御が、簡略な装置構成によって実現され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態（本願の出願時点において取り敢えず出願人が最良と考えている実施形態）について、図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
＜エンジン廃熱回収システムの全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン廃熱回収システム１（以下、単に「システム１」と称する。）の概略構成図である。図１を参照すると、システム１は、図示しないオートマチックトランスミッション装置を備えた自動車（いわゆるＡＴ車）に搭載されていて、水冷式のエンジン２と、廃熱回収部３と、を備えている。このシステム１は、エンジン２の冷却水Ｃを作動流体とするランキンサイクルシステムであって、後述するように、廃熱回収部３によってエンジン２の廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。
【００３６】
＜＜エンジンの構成＞＞
エンジン２は、シリンダブロック２１と、シリンダヘッド２２と、エンジン側循環経路２３と、を備えている。シリンダブロック２１には、貫通孔であるシリンダ２１１が形成されている。シリンダ２１１は、その上端部が燃焼室ＣＣと連通するように設けられている。このシリンダ２１１内には、ピストン２１２が、シリンダ２１１の軸線方向（図中上下方向）に沿って往復運動可能に収容されている。
【００３７】
シリンダブロック２１における、シリンダ２１１よりも下方の空間内には、クランクシャフト２１３が収容されている。クランクシャフト２１３は、シリンダブロック２１によって、回転可能に支持されている。このクランクシャフト２１３は、コンロッド２１４を介してピストン２１２と連結されている。すなわち、クランクシャフト２１３は、シリンダ２１１内におけるピストン２１２の往復運動によって回転駆動され得るように構成されている。
【００３８】
シリンダブロック２１には、ロワージャケット２１５が形成されている。ロワージャケット２１５は、シリンダ２１１を囲むように設けられている。すなわち、ロワージャケット２１５は、シリンダ２１１に隣接するように設けられている。このロワージャケット２１５は、平面視にて略リング状の空間であって、その内部を冷却水Ｃ及びその蒸気が通過し得るように構成されている。
【００３９】
シリンダブロック２１の上端面には、シリンダヘッド２２が接合されている。シリンダヘッド２２には、排気ポート２２１と、アッパージャケット２２２と、蒸気排出口２２３と、が形成されている。排気ポート２２１は、シリンダ２１１及び燃焼室ＣＣと連通するように設けられている。アッパージャケット２２２は、その内部を、液体状の冷却水Ｃ及びその蒸気が通過し得るように構成された空間であって、排気ポート２２１及び燃焼室ＣＣに隣接するように設けられている。また、アッパージャケット２２２は、その下端部にて、ロワージャケット２１５の上端部と連通するように設けられている。蒸気排出口２２３は、アッパージャケット２２２の最上部と連通するように設けられていて、ロワージャケット２１５及びアッパージャケット２２２内にて発生した冷却水Ｃの蒸気をエンジン２の外に排出し得るように形成されている。
【００４０】
エンジン側循環経路２３は、エンジン２側にて冷却水Ｃを循環させ得るように構成されていて、冷却水ノズル２３１と、冷却水ノズル供給路２３２と、冷却水噴射ポンプ２３３と、を備えている。冷却水ノズル２３１は、シリンダヘッド２２に装着されていて、アッパージャケット２２２の内壁面と対向するように設けられている。この冷却水ノズル２３１は、燃料噴射用ノズルと同様の構造を有していて、冷却水Ｃを微小液滴状にしてアッパージャケット２２２の内壁面に向けて勢いよく噴射し得るように構成されている。冷却水ノズル２３１は、冷却水ノズル供給路２３２を介して、ロワージャケット２１５の底部と接続されている。冷却水ノズル供給路２３２には、冷却水噴射ポンプ２３３が介装されている。この冷却水噴射ポンプ２３３は、ロワージャケット２１５の底部から冷却水ノズル２３１に向けて、液体状の冷却水Ｃを送出し得るように構成されている。
【００４１】
＜＜廃熱回収部の構成＞＞
廃熱回収部３は、エンジン２の蒸気排出口２２３から排出された蒸気を用いてエンジン２の廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されていて、過熱器３１と、衝動タービン３２と、蒸気供給部３３と、復水器３４と、キャッチタンク３５と、外部循環経路３６と、減速機構３７と、制御ユニット３８と、を備えている。エンジン２、過熱器３１、衝動タービン３２、蒸気供給部３３、復水器３４、及びキャッチタンク３５は、外部循環経路３６を介して接続されている。また、エンジン２と衝動タービン３２とは、互いに動力の授受が可能なように、減速機構３７によって連結されている。すなわち、本システム１は、エンジン２の廃熱をクランクシャフト２１３の回転駆動力として回収し得るように構成されている。制御ユニット３８は、本システム１の各部の動作を制御し得るように構成されている。以下、廃熱回収部３の構成の詳細について説明する。
【００４２】
本発明の過熱蒸気発生部としての過熱器３１は、外部循環経路３６に介装されている。また、過熱器３１は、排気ポート２２１に接続された排気ガス通路である排気通路３１１に介装されている。この過熱器３１は、これを通過する排気ガスと蒸気との熱交換によって、過熱蒸気を発生させ得るように構成されている。
【００４３】
衝動タービン３２は、過熱器３１よりも過熱蒸気の流動方向における下流側（以下、単に「下流側」と称する。）にて、外部循環経路３６に介装されている。衝動タービン３２は、過熱蒸気の膨張によってロータ３２１が回転することで、過熱蒸気から機械的エネルギーを回収し得るように構成されている。このロータ３２１は、後述する減速機構３７を介して、クランクシャフト２１３と常時連結されている。
【００４４】
衝動タービン３２は、蒸気ノズル３２２を備えている。蒸気ノズル３２２は、衝動タービン３２のロータ３２１に向けて過熱蒸気を噴射することで、ロータ３２１を回転させ得るように、構成及び配置されている。具体的には、蒸気ノズル３２２は、収縮−拡大ノズルあるいはラバルノズルと称される、軸線方向における中間位置に絞り部（スロート部）が設けられた構造を有していて、ロータ３２１による充分な動力回収が確保され得る程度の蒸気速度（例えば１０００ｍ／ｓ程度）が得られるように構成されている。また、本実施形態においては、複数の蒸気ノズル３２２（本実施形態においては３つ：３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ）が、互いにロータ３２１における異なる位置に向けて過熱蒸気を噴射することで当該ロータ３２１を同一方向に回転させ得るように配置されている。さらに、本実施形態の衝動タービン３２は、ロータ３２１の周速（Ｕ）と蒸気流速（Ｖ）との比である周速比（λ＝Ｕ／Ｖ）が約０．５にて、タービン効率が最高となり、周速比λが０．４ないし０．６の範囲から外れるとタービン効率が急速に低下するように構成されている。
【００４５】
蒸気供給部３３は、過熱器３１と衝動タービン３２との間にて、外部循環経路３６に介装されている。この蒸気供給部３３は、衝動タービン３２に比較的高圧の過熱蒸気を供給し得るように構成されている。具体的には、蒸気供給部３３は、蒸気ノズル供給路３３１（３３１ａ、３３１ｂ、３３１ｃ）と、差圧弁３３２（３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ）と、蓄圧器３３３と、を備えている。
【００４６】
本発明の過熱蒸気供給路を構成する蒸気ノズル供給路３３１は、蒸気ノズル３２２と蓄圧器３３３とを接続するように設けられている。本発明の噴射状態制御部としての差圧弁３３２は、蒸気ノズル供給路３３１に介装されている。すなわち、差圧弁３３２は、蒸気ノズル３２２よりも、過熱蒸気の流動方向における上流側（以下、単に「上流側」と称する。）に設けられている。この差圧弁３３２は、圧力によって作動する、いわゆるチェック弁であって、蒸気ノズル供給路３３１における差圧弁３３２よりも上流側の部分及び蓄圧器３３３内の蒸気圧によって開閉し得るように構成及び配置されている。蓄圧器３３３は、気密的に構成されたタンク状の部材であって、過熱器３１を経た過熱蒸気を貯留し得るように構成されている。
【００４７】
本実施形態においては、蒸気ノズル供給路３３１、及び差圧弁３３２は、蒸気ノズル３２２の数に対応して、それぞれ３つずつ設けられている。具体的には、蒸気ノズル供給路３３１ａは蒸気ノズル３２２ａと接続されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｂは蒸気ノズル３２２ｂと接続されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｃは蒸気ノズル３２２ｃと接続されている。さらに、蒸気ノズル供給路３３１ａには差圧弁３３２ａが介装されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｂには差圧弁３３２ｂが介装されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｃには差圧弁３３２ｃが介装されている。差圧弁３３２ｂは、差圧弁３３２ａよりも高圧側で開弁するように構成されている。同様に、差圧弁３３２ｃは、差圧弁３３２ｂよりも高圧側で開弁するように構成されている。このように、差圧弁３３２ａ、３３２ｂ、及び３３２ｃは、蓄圧器３３３内の蒸気圧に応じて、蒸気ノズル３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃにおける過熱蒸気の噴射の有無を切り換えることで、ロータ３２１に対する過熱蒸気の噴射状態を制御し得るように構成されている。
【００４８】
（本実施形態においては、差圧弁３３２ａが本発明の第一差圧弁に相当するとした場合、差圧弁３３２ｂ及び／又は３３２ｃが本発明の第二差圧弁に相当する。この場合、本発明の第一噴射状態は、差圧弁３３２ａが開弁する一方で他の差圧弁３３２ｂ及び３３２ｃが閉弁し、蒸気ノズル３２２ａのみが過熱蒸気を噴射する状態に相当する。また、本発明の第二噴射状態は、差圧弁３３２ｂ及び／又は３３２ｃが開弁し、蒸気ノズル３２２ｂ及び／又は３２２ｃが過熱蒸気を噴射する状態に相当する。あるいは、差圧弁３３２ｂが本発明の第一差圧弁に相当するとした場合、差圧弁３３２ｃが本発明の第二差圧弁に相当する。この場合、本発明の第一噴射状態は、差圧弁３３２ａ及び３３２ｂが開弁する一方で差圧弁３３２ｃが閉弁し、蒸気ノズル３２２ｃのみが過熱蒸気を噴射していない状態に相当する。また、本発明の第二噴射状態は、差圧弁３３２ｃが開弁し、蒸気ノズル３２２ｃが過熱蒸気を噴射する状態に相当する。）
【００４９】
復水器３４は、衝動タービン３２よりも下流側にて、外部循環経路３６に介装されている。この復水器３４は、自動車のラジエータと同様の構成を有していて、衝動タービン３２を経たあるいはバイパスした冷却水Ｃの蒸気を外気との熱交換で冷却することで、蒸気を液体に凝縮し得るように構成されている。キャッチタンク３５は、復水器３４を経て凝縮された冷却水Ｃを貯留し得るように構成されている。
【００５０】
外部循環経路３６は、エンジン２の外部における冷却水Ｃ及びその蒸気の循環経路であって、エンジン２、過熱器３１、衝動タービン３２、蒸気供給部３３、復水器３４、及びキャッチタンク３５を接続するように設けられている。具体的には、外部循環経路３６は、以下のように構成されている。
【００５１】
アッパージャケット２２２の最上部に設けられた蒸気排出口２２３には、蒸気導出路３６１の上流側の端部が接続されている。蒸気導出路３６１の下流側の端部には、蓄圧器供給路３６２及びバイパス路３６３が、バイパス切換弁３６４を介して接続されている。本発明の過熱蒸気供給路を構成する蓄圧器供給路３６２は、蒸気導出路３６１と蓄圧器３３３とを接続するように設けられている。この蓄圧器供給路３６２には、過熱器３１が介装されている。バイパス路３６３は、過熱器３１、蒸気供給部３３、及び衝動タービン３２をバイパスして、蒸気導出路３６１と復水器３４とを接続するように設けられている。バイパス切換弁３６４は、電磁的に動作する三方弁であって、蓄圧器供給路３６２又はバイパス路３６３を、択一的に、蒸気導出路３６１と接続するように構成されている。
【００５２】
衝動タービン３２と復水器３４とは、復水器供給路３６５ａを介して接続されている。復水器３４の底部とキャッチタンク３５の頂部とは、復水器排出路３６５ｂを介して接続されている。キャッチタンク３５の上部であって復水器排出路３６５ｂが接続されている位置よりもやや下方には、アッパー冷却水導出路３６６ａの上流側の端部が接続されている。アッパー冷却水導出路３６６ａは、冷却水Ｃをキャッチタンク３５の上部からシリンダブロック２１に向けて導出し得るように形成されている。キャッチタンク３５の底部には、ロワー冷却水導出路３６６ｂの上流側の端部が接続されている。ロワー冷却水導出路３６６ｂは、冷却水Ｃをキャッチタンク３５の底部からシリンダブロック２１に向けて導出し得るように形成されている。
【００５３】
アッパー冷却水導出路３６６ａ及びロワー冷却水導出路３６６ｂの下流側の端部は、冷却水供給路３６７の上流側の端部と、冷却水供給切換弁３６８を介して接続されている。冷却水供給路３６７の下流側の端部は、ロワージャケット２１５の底部と接続されている。冷却水供給切換弁３６８は、電磁的に動作する三方弁であって、アッパー冷却水導出路３６６ａ又はロワー冷却水導出路３６６ｂを、択一的に、冷却水供給路３６７と接続するように構成されている。冷却水供給路３６７には、冷却水供給ポンプ３６９が介装されている。冷却水供給ポンプ３６９は、キャッチタンク３５内の冷却水Ｃをロワージャケット２１５の底部に供給し得るように構成されている。
【００５４】
減速機構３７は、エンジン２のクランクシャフト２１３と衝動タービン３２のロータ３２１とを連結するように構成されている。具体的には、減速機構３７は、クランクシャフトプーリー３７１と、タービンプーリー３７２と、中間プーリー３７３と、ベルト３７４及び３７５と、を備えている。クランクシャフトプーリー３７１は、クランクシャフト２１３の端部と結合されている。タービンプーリー３７２は、衝動タービン３２のロータ３２１と結合されている。中間プーリー３７３は、クランクシャフトプーリー３７１とタービンプーリー３７２との間に設けられている。クランクシャフトプーリー３７１と中間プーリー３７３とには、ベルト３７４が掛け渡されている。タービンプーリー３７２と中間プーリー３７３とには、ベルト３７５が掛け渡されている。
【００５５】
本実施形態の減速機構３７は、クランクシャフト２１３と、衝動タービン３２のロータ３２１とを、常時連結するように構成されている。すなわち、この減速機構３７は、クランクシャフト２１３の回転数（＝エンジン回転数Ｎｅ［rpm］）よりも高い回転数（通常は数万rpm）の、衝動タービン３２のロータ３２１の回転を、所定の減速比Ａで減速してクランクシャフト２１３に伝達し得るように構成されている。同様に、この減速機構３７は、クランクシャフト２１３の回転を増速して衝動タービン３２のロータ３２１に伝達し得るように構成されている。
【００５６】
また、本実施形態においては、
周速比λ＝Ｕ／Ｖ
＝（Ｎｔ／６０）・π・Ｄｔ／Ｖ
＝（π・Ａ・Ｎｅ・Ｄｔ）／（６０・ｆ（Ｐ，Ｔ））
［タービン周速（ロータ３２１の周速）Ｕ、タービン回転数（ロータ３２１の回転数［rpm］）Ｎｔ、ロータ３２１の径Ｄｔ、蓄圧器３３３内の蒸気圧Ｐ、蓄圧器３３３内の蒸気の温度Ｔ、蒸気ノズル３２２による蒸気流速Ｖ＝ｆ（Ｐ，Ｔ）：Ｖは蒸気ノズル３２２の形状、蒸気圧Ｐ、及び蒸気温度Ｔによって、実験あるいはシミュレーションにより比較的簡単に求められ得る。］
の値が０．５前後（０．４ないし０．６の範囲内）となるように、蒸気ノズル３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃの形状、差圧弁３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃの開弁・閉弁圧、及び減速機構３７における減速比Ａが設定されている。
【００５７】
すなわち、通常は蒸気ノズル３２２ａにおける蒸気流速が低すぎて衝動タービン３２のロータ３２１が効率よく回転されない（λが０．４よりもはるかに小さくなる）ような、ごく低負荷・低回転数の運転領域においては、一旦すべての差圧弁３３２が閉弁されることで過熱蒸気が蓄圧器３３３内に所定量貯留され、λ＝０．５前後となるような蒸気ノズル３２２ａにおける蒸気流速が所定期間得られる程度に充分な圧力に蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧が達した時点で、差圧弁３３２ａが開弁するように、蒸気供給部３３が構成されている。また、エンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒ（図示しないオートマチックトランスミッションがロックアップ状態に設定されるエンジン回転数Ｎｅ：２０００ｒｐｍ前後）、蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧が差圧弁３３２ａの開弁圧Ｐａで、蒸気ノズル３２２ａのみから過熱蒸気が噴射された状態で、周速比λが、タービン効率が最高となる値（λ＝約０．５）付近となるように、減速機構３７が構成されている。
【００５８】
さらに、差圧弁３３２ａが連続的に開弁され蒸気ノズル３２２ａによる蒸気噴射が連続的に行われるような比較的高負荷・高回転数の運転領域においては、蒸気ノズル３２２ｂ及び３２２ｃにおける蒸気噴射の有無を適宜切り換えることで、常時λ＝０．５前後となるような蒸気噴射状態を実現するように、差圧弁３３２ｂ及び３３２ｃが構成されている。
【００５９】
制御ユニット３８は、システム１における電気的に動作する各部（バイパス切換弁３６４、冷却水供給切換弁３６８、等）やセンサ類と電気回路的に接続されている。この制御ユニット３８は、ＣＰＵ等を備えていて、上述の各部の動作を制御し得るように構成されている。
【００６０】
＜実施形態のエンジン廃熱回収システムの動作＞
図２ないし図５は、図１に示されているシステム１の動作の様子を示す図である。以下、上述の構成を有する本実施形態のシステム１の動作について、各図を参照しつつ説明する。なお、図２ないし図５においては、バイパス切換弁３６４及び冷却水供給切換弁３６８は、閉塞されているポートが黒色で塗りつぶされており、白抜きのポート同士が連通しているものとして示されている。同様に、図２ないし図５においては、冷却水Ｃ及びその蒸気の流動が生じている流路は実線で示されている一方、当該流動が生じていない流路は破線で示されている。
【００６１】
エンジン２の運転によって、クランクシャフト２１３が回転する。このクランクシャフト２１３の回転は、減速機構３７を介して、衝動タービン３２のロータ３２１に伝達される。特に、エンジン２の負荷及び回転数が小さい場合（例えばアイドリング状態や上述のロックアップ状態）、衝動タービン３２のロータ３２１の回転は、クランクシャフト２１３の回転駆動力によって補助される。
【００６２】
＜＜廃熱回収動作＞＞
エンジン２の負荷及び回転数が上限近くではない場合、図２ないし図４に示されているように、冷却水供給切換弁３６８によって、アッパー冷却水導出路３６６ａと冷却水供給ポンプ３６９とが連通される一方、ロワー冷却水導出路３６６ｂと冷却水供給ポンプ３６９との連通が遮断される。また、バイパス切換弁３６４によって、蒸気導出路３６１と過熱器３１等とが連通される一方、蒸気導出路３６１とバイパス路３６３との連通が遮断される。これにより、冷却水Ｃ及びその蒸気が、以下に詳述するような態様にて循環する。
【００６３】
比較的少量の液体状の冷却水Ｃが、冷却水供給ポンプ３６９によって、キャッチタンク３５の上部から、アッパー冷却水導出路３６６ａ及び冷却水供給路３６７を介して、ロワージャケット２１５の底部に供給される。ロワージャケット２１５の底部に貯留された冷却水Ｃは、冷却水噴射ポンプ２３３によって、冷却水ノズル２３１に供給される。この冷却水ノズル２３１にて、微小液滴状の冷却水Ｃが、アッパージャケット２２２の内壁面に向けて、勢いよく噴射される（スプレー冷却）。これにより、アッパージャケット２２２が冷却されるとともに、アッパージャケット２２２内にて冷却水Ｃの一部が蒸発して飽和蒸気が発生する。蒸発しなかった液体状の冷却水Ｃは、下方のロワージャケット２１５に向けて還流する。なお、アッパージャケット２２２からロワージャケット２１５の底部に向かう途中や、ロワージャケット２１５内でも、液体状の冷却水Ｃは、吸熱によって気化し得る。これによって生じた蒸気も、上方のアッパージャケット２２２に達する。
【００６４】
アッパージャケット２２２内の飽和蒸気は、蒸気排出口２２３を介して、蒸気導出路３６１に導出され、過熱器３１に達する。この蒸気は、過熱器３１にて、排気ガスとの熱交換によって加熱されることで過熱蒸気となる。この過熱蒸気は、蓄圧器供給路３６２を経て蓄圧器３３３に達する。後述する通り、蓄圧器３３３内の過熱蒸気は、その圧力に応じて、蒸気ノズル３２２によってロータ３２１に向けて噴射される。これにより、過熱蒸気の有する熱エネルギーがロータ３２１の運動（回転）のエネルギーに変換され、減速機構３７を介してクランクシャフト２１３に伝達される。すなわち、過熱蒸気から機械的エネルギーが回収される。衝動タービン３２を経て低エネルギーとなった蒸気は、復水器供給路３６５ａを介して復水器３４に供給され、復水器３４にて冷却されることで凝縮される。復水器３４にて凝縮されることで液体状となった冷却水Ｃは、復水器排出路３６５ｂを経て、キャッチタンク３５の上部に回収される。
【００６５】
＜＜＜負荷・回転数に応じた蒸気噴射制御＞＞＞
以下に詳述するように、低負荷・低回転数の運転領域においては、蒸気ノズル３２２ａのみからの蒸気噴射が間欠的に行われる。
【００６６】
過熱蒸気の発生量（流量）が少なく蒸気ノズル３２２ａにおける蒸気流速が低すぎて、そのままロータ３２１に対して噴射されたのでは衝動タービン３２のロータ３２１が効率よく回転されない（λが０．４よりもはるかに小さくなる）ような、低負荷・低回転の運転領域においては、一旦すべての差圧弁３３２が閉弁される。これにより、過熱蒸気が蓄圧器３３３内に貯留される。蓄圧器３３３内の蒸気圧が、差圧弁３３２ａの開弁圧Ｐａに達すると、図２に示されているように、差圧弁３３２ａのみが開弁して、蒸気ノズル３２２ａのみから蒸気が噴射される。このとき、上述したように、衝動タービン３２のロータ３２１は、クランクシャフト２１３の回転駆動力が減速機構３７を介して伝達されることで、或る程度の回転数で回転している。したがって、蒸気ノズル３２２ａによる蒸気噴射により、λ＝０．５前後となるような衝動タービン３２の作動が得られる。その後、蓄圧器３３３内の蒸気圧が、差圧弁３３２ａの閉弁圧（Ｐａ−ΔＰ）以下となると、差圧弁３３２ａが閉弁され、蓄圧器３３３内の蒸気圧が再度Ｐａに達するまで過熱蒸気が蓄圧器３３３内に貯留される。
【００６７】
中程度の負荷・回転数の運転領域においては、図３に示されているように、差圧弁３３２ａは常時開弁する一方、差圧弁３３２ｂ（開弁圧Ｐｂ＞Ｐａ）は間欠的に作動し、差圧弁３３２ｃ（開弁圧Ｐｃ＞Ｐｂ）は常時閉弁される。これにより、蒸気ノズル３２２ａからの蒸気噴射が常時行われつつ、蒸気ノズル３２２ｂからの蒸気噴射が間欠的に行われる一方、蒸気ノズル３２２ｃからの蒸気噴射は停止されたままである。
【００６８】
高負荷・高回転数の運転領域においては、図４に示されているように、差圧弁３３２ａ及び３３２ｂは常時開弁する一方、差圧弁３３２ｃは間欠的に作動する。これにより、蒸気ノズル３２２ａ及び３２２ｂからの蒸気噴射が常時行われつつ、蒸気ノズル３２２ｃからの蒸気噴射が間欠的に行われる。さらに負荷及び回転数が上昇すると、すべての差圧弁３３２が開弁し、すべての蒸気ノズル３２２から過熱蒸気が噴射される。
【００６９】
このように、過熱蒸気の発生量（流量）に応じて差圧弁３３２ａ、３３２ｂ、及び３３２ｃが開閉されて蒸気ノズル３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃからの蒸気噴射の有無が適宜制御されることで、タービン効率がピークを示すλ＝０．５前後となるような、蒸気ノズル３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃからの蒸気噴射状態が、幅広い運転領域で実現され得る。
【００７０】
＜＜エンジン水冷動作＞＞
エンジン２の負荷及び回転数が上限近くである状態が所定期間継続した場合、図５に示されているように、冷却水供給切換弁３６８によって、アッパー冷却水導出路３６６ａと冷却水供給ポンプ３６９との連通が遮断される一方、ロワー冷却水導出路３６６ｂと冷却水供給ポンプ３６９とが連通される。また、バイパス切換弁３６４によって、蒸気導出路３６１と過熱器３１等との連通が遮断される一方、蒸気導出路３６１とバイパス路３６３とが連通される。これにより、液体状の冷却水Ｃが、以下に詳述するような態様にて循環する。
【００７１】
大量の液体状の冷却水Ｃが、冷却水供給ポンプ３６９によって、キャッチタンク３５の底部から、ロワー冷却水導出路３６６ｂ及び冷却水供給路３６７を介して、ロワージャケット２１５及びアッパージャケット２２２に注入される。これにより、エンジン２は、液体状の冷却水Ｃによって良好に冷却される。エンジン２の冷却に供された液体状の冷却水Ｃは、蒸気導出路３６１に溢れ出て、バイパス路３６３を介して復水器３４に送られる。復水器３４においては、ラジエータと同様に、液体状の冷却水Ｃが、外気との熱交換によって、良好に冷却される。復水器３４によって冷却された液体状の冷却水Ｃは、復水器排出路３６５ｂを経て、キャッチタンク３５の上部に回収される。
【００７２】
＜実施形態の構成による効果＞
以下、上述のような本実施形態の構成による効果について説明する。
【００７３】
・本実施形態においては、ランキンサイクルにおける膨張器として、ラバルノズルを備えた衝動タービン３２が用いられている。この衝動タービン３２は、反動タービンとは異なり、小型化が容易であって、回転数も過大ではない。よって、比較的小型の衝動タービン３２及び減速機構３７が本システム１に適用可能である。また、この衝動タービン３２は、容積型膨張器と比べて、エネルギー回収効率に優れる。したがって、本実施形態によれば、車載用として適しており且つエネルギー回収効率に優れたシステム１が、比較的安価に得られる。
【００７４】
・ＡＴ車においては、定常走行中は、エンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒとなることが多い。また、エンジン負荷が上昇した場合（例えば加速時等）、エンジン２の熱容量のために、蒸気発生量の立ち上がりがエンジン負荷の立ち上がりよりも遅れる。ここで、通常の運転では、高負荷となる期間（加速期間）は短い。よって、負荷の上昇に伴って蒸気発生量が増大した時点ではすでにエンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒ付近に戻っていることが少なくない。
【００７５】
そこで、本実施形態のシステム１は、エンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒ、蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧が差圧弁３３２ａの開弁圧Ｐａで、蒸気ノズル３２２ａのみから過熱蒸気が噴射された状態で、周速比λが、タービン効率が最高となる値（λ＝約０．５）付近となるように構成されている。すなわち、本実施形態においては、エンジン２の常用域にて、タービン効率が最も高くなる。したがって、本実施形態の構成によれば、より高いエネルギー回収効率が実現され得る。
【００７６】
・本実施形態においては、衝動タービン３２とクランクシャフト２１３とが、減速機構３７を介して常時連結されている。よって、過熱蒸気の発生量が少ない低負荷・低回転数の運転領域において、クランクシャフト２１３の回転駆動力によって補助されることでロータ３２１の回転数が比較的高く維持された状態で、ロータ３２１に対する蒸気噴射が行われる。したがって、ロータ３２１にクランクシャフト２１３の回転駆動力が伝達されていない場合（この場合は、蒸気ノズル３２２ａから過熱蒸気が噴射されても、停止中あるいは低速回転中のロータ３２１の慣性のため、ロータ３２１の回転数が速やかには上昇しないので、噴射された過熱蒸気のエネルギーがロータ３２１の回転運動エネルギーに変換される効率がきわめて低い。）と比べて、蒸気ノズル３２２ａから噴射された過熱蒸気によるエネルギー回収効率が格段に向上する。
【００７７】
・本実施形態においては、過熱蒸気の発生量（流量）、すなわち、蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧に応じて、差圧弁３３２ａ、３３２ｂ、及び３３２ｃが開閉する。例えば、多量の過熱蒸気が発生する高負荷運転領域においては、単一の蒸気ノズル３２２ａによる過熱蒸気噴射ではタービン周速に比して蒸気流速が高くなりすぎてλが０．６を超え、タービン効率が極端に低下する可能性がある。そこで、かかる運転領域においては、複数の蒸気ノズル３２２（３２２ａ、３２２ｂ、等）を用いることで、蒸気流速の上昇に合わせてタービン周速を効率的に上昇させることができる。これにより、タービン効率が最高となるようなエンジン回転数Ｎｅが、上述のようなロックアップ回転数Ｎｅｒよりも高回転数側にシフトされる。一方、過熱蒸気の発生量が少量となる低負荷運転領域においては、多数の蒸気ノズル３２２を用いて過熱蒸気を噴射したのでは蒸気流速が低くなりすぎてタービン効率も低下する。そこで、かかる運転領域においては、蒸気ノズル３２２ａのみから過熱蒸気を噴射させることで、過熱蒸気の発生量が少量であっても蒸気流速を可及的に高めることができる。このとき、タービン効率が最高となるようなエンジン回転数Ｎｅが、常用域であるロックアップ回転数Ｎｅｒ付近に設定される。
【００７８】
このように、本実施形態の構成においては、周速比λがタービン効率のピークである０．５前後となるように、蒸気噴射状態が、過熱蒸気の発生量（流量）に応じて適宜設定される。よって、本実施形態の構成によれば、幅広い範囲の運転状態にて、衝動タービン３２における最適な過熱蒸気の噴射状態が実現され得る。したがって、本実施形態によれば、幅広い範囲の運転状態にて、より高いエネルギー回収効率が実現され得る。
【００７９】
・本実施形態においては、過熱蒸気の流量がきわめて低くなるような運転領域にて、すべての差圧弁３３２が閉弁されて蓄圧器３３３内に過熱蒸気が所定量貯留されてから、或る程度まとまった量の過熱蒸気の噴射が行われる。すなわち、蓄圧器３３３がない場合（過熱蒸気の貯留容量が蒸気導出路３６１等の過熱蒸気供給路のみの容量に制限される場合）に比べて、一度に多量の過熱蒸気の噴射がまとまって行われる。したがって、かかる構成によれば、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００８０】
・本実施形態の構成においては、微小液滴状の冷却水Ｃが、冷却水ノズル２３１によって、アッパージャケット２２２の内壁面に、勢いよく噴射される。すなわち、当該内壁面に対して、液体状の冷却水Ｃが、勢いよく衝突する。これにより、当該内壁面に付着している、冷却水Ｃの蒸気による気泡が、良好に弾き飛ばされる。よって、高負荷運転等により、エンジン２（特にシリンダヘッド２２における排気ポート２２１付近）が高温になって、当該内壁面にて大量の気泡が発生した場合であっても、膜沸騰現象の発生が、緩和又は抑制され得る。したがって、かかる構成によれば、エンジン２（特にシリンダヘッド２２における排気ポート２２１付近）の冷却が、良好に行われる。また、エンジン２にて発生している廃熱による冷却水Ｃの昇温及び気化が、効率的に行われる。よって、廃熱からの機械的エネルギーの回収効率がより良好となる。
【００８１】
・本実施形態の構成においては、エンジン２の負荷及び回転数が上限近くである場合、液体状の冷却水Ｃによってエンジン２が良好に冷却される。また、エンジン２の冷却に伴って温度上昇した液体状の冷却水Ｃが、冷却効率の高いラジエータと同様に作動する復水器３４によって、良好に冷却される。よって、本実施形態の構成によれば、エンジン２のオーバーヒートが効果的に防止され得る。
【００８２】
・本実施形態においては、複数の蒸気ノズル３２２の噴射状態を制御するために、複数の差圧弁３３２が備えられている。したがって、過熱蒸気の発生量、流量、及び圧力の変化に伴う複数の蒸気ノズル３２２における噴射状態の制御が、簡略な装置構成によって実現され得る。
【００８３】
＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。
【００８４】
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材に対しては、上述の実施形態と同様の符号が付されているものとする。また、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が援用され得るものとする。
【００８５】
もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたもの限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
【００８６】
本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、（先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。
【００８７】
（Ａ）本発明の適用対象は、自動車に限定されない。本発明の適用対象である自動車は、ＡＴ車に限定されない。本発明の作動流体は、エンジン２の冷却水Ｃに限定されない。
【００８８】
（Ｂ）蒸気ノズル３２２の数、形状、配置についても、特段の限定はない。例えば、蒸気ノズル３２２の個数は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、複数の蒸気ノズル３２２は、同一の形状に形成されていてもよい。あるいは、複数の蒸気ノズル３２２は、その絞り部の断面積が、蒸気ノズル３２２ａが最も小さくて蒸気ノズル３２２ｃが最も大きくなるように、それぞれ形成されていてもよい。また、複数の蒸気ノズル３２２は、ロータ３２１における略同一の位置に向けて過熱蒸気を噴射し得るように配置されていてもよい。
【００８９】
（Ｃ）蓄圧器３３３は、排気通路３１１に介装されていてもよい。すなわち、排気通路３１１を通過する排気ガスの熱によって、蓄圧器３３３内の過熱蒸気が保温されあるいはさらに加熱されるように、システム１が構成され得る。
【００９０】
（Ｄ）図５に示されているエンジン水冷動作において、冷却水ノズル２３１から冷却水Ｃが噴射されてもよい。その他、外部循環経路３６の構成を含む、過熱蒸気の循環経路の具体的な構成についても、上述の実施形態のものに何ら限定されない。例えば、上述のエンジン水冷動作が行われないようになっていてもよい。
【００９１】
（Ｅ）図６は、図１に示されているシステム１の一つの変形例を示す概略構成図である。図６に示されている変形例の構成においては、図１における差圧弁３３２に代えて、複数の電磁弁３３５（３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ）が設けられている。電磁弁３３５は、いわゆる開閉弁であって、制御ユニット３８と電気回路的に接続されていて、制御ユニット３８からの電気信号の入力によって開閉し得るように構成されている。また、蓄圧器３３３には、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２が装着されている。蒸気圧センサ３８１は、過熱蒸気の圧力に対応する出力を生じるように構成されている。蒸気温度センサ３８２は、過熱蒸気の温度に対応する出力を生じるように構成されている。蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２は、制御ユニット３８と電気回路的に接続されている。この制御ユニット３８は、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２の出力に基づいて、複数の電磁弁３３５（３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ）の各々を開閉するための電気信号を出力し得るように構成されている。
【００９２】
かかる構成を有する本変形例のシステム１においては、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２からの出力に基づいて、複数の電磁弁３３５（３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ）、バイパス切換弁３６４、及び冷却水供給切換弁３６８の状態が制御される。これにより、上述の実施形態と同様の動作が実現される。
【００９３】
なお、電磁弁３３５は、開閉弁ではなく流量制御弁であってもよい。また、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２は、蒸気ノズル供給路３３１あるいは蓄圧器供給路３６２に介装されていてもよい。あるいは、蒸気温度センサ３８２は、省略され得る。
【００９４】
（Ｆ）複数の蒸気ノズル３２２のうちの１つのみが選択的に過熱蒸気を噴射するようになっていてもよい。すなわち、例えば、複数の差圧弁３３２あるいは電磁弁３３５に代えて、三方弁等の、複数のポートが択一的に選択され得るような構成を有する電磁弁が設けられていてもよい。この場合、複数の蒸気ノズル供給路３３１に代えて、当該三方弁等に過熱蒸気を供給するための単一の蒸気供給路が設けられる。
【００９５】
（Ｇ）減速機構３７の構成も、上述の実施形態のものに限定されない。例えば、減速機構３７は、複数のギヤから構成され得る。また、減速機構３７は、トルクコンバーターやクラッチ等を備えることで、クランクシャフト２１３と衝動タービン３２のロータ３２１との連結を一時的に弛緩させたり解除したりし得るように構成されていてもよい。
【００９６】
（Ｈ）その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジン廃熱回収システムの概略構成図である。
【図２】図１に示されているエンジン廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図３】図１に示されているエンジン廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図４】図１に示されているエンジン廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図５】図１に示されているエンジン廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図６】図１に示されているエンジン廃熱回収システムの一つの変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００９８】
１…エンジン廃熱回収システム  ２…エンジン              ２１…シリンダブロック
２１３…クランクシャフト      ２２…シリンダヘッド      ２２１…排気ポート
２２３…蒸気排出口            ２３…エンジン側循環経路  ２３１…冷却水ノズル
３…廃熱回収部                ３１…過熱器              ３１１…排気通路
３２…衝動タービン            ３２１…ロータ            ３２２…蒸気ノズル
３３…蒸気供給部              ３３１…蒸気ノズル供給路  ３３２…差圧弁
３３３…蓄圧器                ３３５…電磁弁            ３４…復水器
３５…キャッチタンク          ３６…外部循環経路        ３６２…蓄圧器供給路
３７…減速機構                ３８…制御ユニット        ３８１…蒸気圧センサ
３８２…蒸気温度センサ        Ｃ…冷却水                ＣＣ…燃焼室
【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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