(57)【要約】【課題】エンジン本体の温度が必要以上に低下することを抑制し、エンジン内において冷媒を効率的に蒸発させる廃熱回収装置を提供することを課題とする。【解決手段】エンジン２の廃熱回収装置１は、冷媒が蒸発するウォータジャケット１２及び１３と、このウォータジャケット１２及び１３内で蒸発した蒸気を介してエンジン２の廃熱を回収する動力回収機２１と、蒸気を液相冷媒に戻す凝縮器２２と、ウォータジャケット１２及び１３に形成された液相冷媒貯留部１４ａ及び１４ｂ内の液相冷媒を検出する冷媒検出センサ２３と、この冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出すると、ウォータジャケット１２及び１３内への冷媒の供給を停止させるＥＣＵ２４と、を備えている。【選択図】図１
2009108793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部で冷媒が蒸発するウォータジャケットと、
当該ウォータジャケット内で蒸発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、
蒸気を液相冷媒に戻す凝縮器と、
前記ウォータジャケット内の液相冷媒を検出する冷媒検出手段と、
当該冷媒検出手段が液相冷媒を検出すると、前記ウォータジャケット内への冷媒の供給を停止させる制御手段と、
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、
前記ウォータジャケットに液相冷媒貯留部を備え、
前記冷媒検出手段は、前記液相冷媒貯留部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、
前記ウォータジャケットに液相冷媒貯留部と、
当該液相冷媒貯留部へ向かう斜面と、を備え、
前記冷媒検出手段は、前記液相冷媒貯留部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４】
請求項１乃至３記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記冷媒検出手段は、冷媒に浮遊するフロートと、
当該フロートの浮上により通電するスイッチと、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５】
請求項１乃至３記載のエンジンの廃熱回収装置において、
前記冷媒検出手段は、冷媒の温度を検出する温度センサ及び／又はエンジン本体の温度を検出する温度センサと、
当該温度センサにより検出された温度に基づいて液相冷媒の有無を算出する演算手段と、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、エンジンを冷却する際に、エンジンと熱交換をして蒸発した冷媒、すなわち、エンジンにおける廃熱を吸収して蒸発した冷媒を、さらに、エンジンから排出される排気により過熱して高温化するものがある。このような廃熱回収装置は、高温化した気相冷媒により動力回収機において膨張機を駆動して、気相冷媒の持つエネルギーを電気エネルギー等に変換して、エンジンで発生する廃熱のエネルギーを回収することができる。こうしてエネルギーが回収された気相冷媒は、凝縮器において液化される。凝縮器で液化された冷媒は、エンジン内へ導入され、再度、廃熱を得て蒸発し、廃熱の回収に寄与することとなる。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。このような廃熱回収装置は、エンジンの廃熱により発生した蒸気が安定して供給されることにより、エネルギーを回収することができる。
【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、エンジンの運転状態の変化などにより、エンジン本体における発熱量が減少することがある。エンジン本体の発熱量が減少すると、エンジン内に供給されている冷媒が蒸発できず、エンジン内に残留することがある。このようにエンジン内に冷媒が残留してしまう場合には、エンジンの温度が低下している状態である。このため、さらにエンジン内に冷媒を供給しても、エンジン本体を過度に冷却してしまうに過ぎない。このようにエンジン本体が過度に冷却されてしまうことにより、蒸気の発生が抑制され、蒸気を介したエネルギーの回収を行うことができなくなる。
【０００５】
そこで、本発明は、エンジン本体を適切な温度に維持し、エンジン内において冷媒を効率的に蒸発させる廃熱回収装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、内部で冷媒が蒸発するウォータジャケットと、当該ウォータジャケット内で蒸発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、蒸気を液相冷媒に戻す凝縮器と、前記ウォータジャケット内の液相冷媒を検出する冷媒検出手段と、当該冷媒検出手段が液相冷媒を検出すると、前記ウォータジャケット内への冷媒の供給を停止させる制御手段と、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、エンジンの温度がさらに低下することを抑制し、エンジン内において冷媒を効率的に蒸発させることができる。
【０００７】
エンジン本体からの発熱量が減少すると、ウォータジャケット内に供給された冷媒の一部が液相冷媒の状態でウォータジャケット内に残留する。すなわち、ウォータジャケット内で液相冷媒を検出する場合、エンジン本体から得られる発熱量が減少していることが判断できる。このような状態で冷媒を供給し続けると、エンジン本体は、供給される冷媒とウォータジャケット内の冷媒とに熱を奪われ、さらに温度が低下する。そこで、本発明の廃熱回収装置は、ウォータジャケット内への冷媒の供給を停止し、エンジン本体から得られる熱量をウォータジャケット内の液相冷媒の蒸発にのみ利用する。このように、ウォータジャケット内の液相冷媒が蒸発することにより、エンジン本体の温度の低下を抑制することができる。これにより、エンジン本体は蒸気の発生できる温度となり、冷媒を効率的に蒸発させ、エンジンの廃熱を回収することができる。
【０００８】
さらに、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記ウォータジャケットに液相冷媒貯留部を備え、前記冷媒検出手段は、前記液相冷媒貯留部に配置された構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、ウォータジャケット内の液相冷媒を収集することができる。これにより、ウォータジャケット内における液相冷媒の有無の判断が容易となり、早期にウォータジャケット内の液相冷媒を検出することができる。これにより、冷媒の供給を早期に停止し、エンジン本体の低温化を抑制することができる。
【０００９】
特に、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記ウォータジャケットに液相冷媒貯留部と、当該液相冷媒貯留部へ向かう斜面と、を備え、前記冷媒検出手段は、前記液相冷媒貯留部に配置された構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることにより、ウォータジャケット内の液相冷媒を容易にかつ早期に収集することができる。これにより、早期に冷媒を検出し、ウォータジャケット内への冷媒の供給を停止することができる。
【００１０】
また、このようなエンジンの廃熱回収装置において、前記冷媒検出手段は、冷媒に浮遊するフロートと、当該フロートの浮上により通電するスイッチと、を備えた構成とすることができる（請求項４）。また、前記冷媒検出手段は、冷媒の温度を検出する温度センサ又はエンジン本体の温度を検出する温度センサと、当該温度センサにより検出された温度に基づいて液相冷媒の有無を算出する演算手段と、を備えた構成とすることができる（請求項５）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のエンジンの廃熱回収装置は、ウォータジャケット内において液相冷媒を検出すると、ウォータジャケットへの冷媒の供給を停止し、エンジン本体の温度を必要以上に低下させることなく、効率的に蒸気を発生させ、廃熱のエネルギーを回収することができる。
【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１】
【００１３】
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を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。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。シリンダヘッド５内には、空気が導入される吸気ポート６と燃焼室７で発生した排気が排出される排気ポート８とが形成されている。また、吸気ポート６にはインテークバルブ９が配置され、排気ポート８にはエキゾーストバルブ１０が配置されている。さらに、排気ポート８の下流側には排気マニホールド１１が接続されている。
【００１４】
シリンダブロック４内にはブロック側ウォータジャケット１２が形成されている。さらに、シリンダヘッド５内の吸気ポート７及び排気ポート８の周囲には、ヘッド側ウォータジャケット１３が形成されている。さらに、ブロック側ウォータジャケット１２の底部には、液相冷媒貯留部１４ａが形成されている。さらにブロック側ウォータジャケット１２内には、液相冷媒貯留部１４ａへ向かう斜面１５ａが形成されている。また、同様に、ヘッド側ウォータジャケット１３の底部には液相冷媒貯留部１４ｂが形成されており、ヘッド側ウォータジャケット１３内には液相冷媒貯留部１４ｂへ向かう斜面１５ｂが形成されている。このような斜面１５ａ及び１５ｂを形成したことにより、ウォータジャケット内で蒸発しなかった液相冷媒や、一旦蒸発して凝縮した液相冷媒が斜面１５ａ、１５ｂにしたがって液相冷媒貯留部１４ａや１４ｂへ流れ込むこととなる。すなわち、斜面１５ａ及び１５ｂは、液相冷媒を液相冷媒貯留部１４ａ及び１４ｂへ収集しやすくする。
【００１５】
さらに、液相冷媒貯留部１４ａ及び液相冷媒貯留部１４ｂには、本発明の冷媒検出手段に相当する冷媒検出センサ２３が配置されている。この冷媒検出センサ２３について詳細に説明する。図２は、シリンダヘッド５内に配置された冷媒検出センサ２３の周囲を拡大して示した説明図である。冷媒検出センサ２３は、フロート２３ａ、スイッチ２３ｂ、フランジ部２３ｃ、プレート２３ｄを備えている。フロート２３ａは冷却水に浮き、冷却水の上昇、下降に伴って、上下に移動する。スイッチ２３ｂはこのフロート２３ａと一体に固定されている。フランジ部２３ｃは、シリンダヘッド５の側壁に固定されている。プレート２３ｄは、フランジ部２３ｃからヘッド側ウォータジャケット１３内部へ向かって突き出したアーム状部材である。このプレート２３ｄの下方に支持部２３ｅが接続されており、支持部２３ｅの先端を支点としてフロート２３ａが上下動するように接続されている。このとき、フロート２３ａは液相冷媒貯留部１４ｂ内に配置される。スイッチ２３ｂにはリード線２３ｆが接続されており、リード線２３ｆはプラス側端子２３ｇに接続している。また、プレート２３ｄはマイナス側端子２３ｈに接続している。これら、プラス側端子２３ｇ、マイナス側端子２３ｈは、回路を形成し、本発明の制御装置に相当するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２４と電気的に接続されている。
【００１６】
このような冷媒検出センサ２３のフロート２３ａは、液相冷媒貯留部１４ｂに冷媒が溜まり、その水位が上昇するに連れて浮上する。このようにフロート２３ａが浮上し、フロート２３ａに取り付けられたスイッチ２３ｂがプレート２３ｄに接触すると、回路が導通状態となり、その情報がＥＣＵ２４に伝達される。これにより、ＥＣＵ２４は、液相冷媒貯留部１４ｂにおいて冷媒が貯留していることを検出する。このように冷媒が貯留していることを検知すると、ＥＣＵ２４は、ブロック側ウォータジャケット１２内、ヘッド側ウォータジャケット１３内への冷媒の供給を停止させ、シリンダブロック４及びシリンダヘッド５の温度の低下を抑制する。
【００１７】
ところで、フロート２３ａが液相冷媒貯留部１４ｂ内の低い位置に配置されると、僅かに冷媒が貯留する度に冷媒が検出される。一方、フロート２３ａが液相冷媒貯留部１４ｂ内の高い位置に配置されると、貯留する冷媒量が多くなければ、冷媒の貯留を検出できない。すなわち、フロート２３ａの位置により、検出できる冷媒の量が決まる。そこで、フロート２３ａの位置は、予め行われた実験データに基づいて決定しておく。具体的措置として、液相冷媒貯留部１４ｂ内に貯留した冷媒量とヘッド側ウォータジャケット１３内から蒸発する蒸気の量との関係を求める。フロート２３ａは、この関係に基づき、冷媒の蒸発が滞る際の液相冷媒貯留部１４ｂに貯留した冷媒の量を検出できるように配置される。また、ブロック側ウォータジャケット１２の液相冷媒貯留部１４ａにも同様の実験データに基づき、冷媒検出センサ２３が配置される。
【００１８】
また、図１に示すように、廃熱回収装置１は冷媒噴射ノズル１６、冷媒供給経路１７、ポンプ１８、ウォータタンク１９、蒸気回収経路２０、動力回収機２１、凝縮器２２を備えている。
【００１９】
冷媒噴射ノズル１６は、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３内へ噴射口を開口している。冷媒供給経路１７は、冷媒噴射ノズル１６とウォータタンク１９とを接続している。ポンプ１８は、冷媒供給経路１７上に配置され、ウォータタンク１９内の冷媒を冷媒噴射ノズル１６へ供給する。こうして供給される冷媒は、冷媒噴射ノズル１６により、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３内へ噴射される。冷媒噴射ノズル１６の冷媒噴射部位は、エンジン２内の高温となる部位であり、噴射された冷媒は蒸発して蒸気となる。
【００２０】
蒸気回収経路２０の一端はブロック側ウォータジャケット１２及びヘッド側ウォータジャケット１３と接続され、他端は凝縮器２２に接続されている。蒸気回収経路２０上には、動力回収機２１が配置されている。動力回収機２１は、膨張機と発電機と（いずれも図示しない）を備え、ブロック側ウォータジャケット１２内及びヘッド側ウォータジャケット１３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。凝縮器２２は、動力回収機２１を通過した蒸気を冷却し、液相の冷媒へ戻す。こうして液相に戻された冷媒は、ウォータタンク１９に送られる。
【００２１】
上述のブロック側ウォータジャケット１２及びヘッド側ウォータジャケット１３、動力回収機２１、凝縮器２２、ポンプ１８は、冷媒を作動流体として、蒸発した冷媒、すなわち、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するランキンサイクルシステムを構成している。
【００２２】
次に、液相冷媒貯留部１４ｂに配置された冷媒検出センサ２３についてＥＣＵ２４が行う制御について説明する。図３は、ＥＣＵ２４の行う制御フローである。このような制御はエンジン２の運転開始に応じて開始される。ＥＣＵ２４はステップＳ１で、ヘッド側ウォータジャケット１３内に冷媒が供給されているか否かを判断する。冷媒が供給されていなければ、以後の処理を行う必要がないため、ＥＣＵ２４は、ステップＳ１でＮＯと判断する場合、すなわち、ヘッド側ウォータジャケット１３内に冷媒が供給されていなければ、ステップＳ１の処理をもう一度行う。一方、ステップＳ１でＹＥＳと判断する場合、すなわち、ヘッド側ウォータジャケット１３内に冷媒が供給されていれば、ステップＳ２へ進む。
【００２３】
ＥＣＵ２４はステップＳ２で、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出したか否かを判断する。ＥＣＵ２４はステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出すると、ステップＳ３に進む。
【００２４】
ＥＣＵ２４はステップＳ３で、ヘッド側ウォータジャケット１３内へ冷媒を噴射している冷媒噴射ノズル１６からの冷媒供給を停止する。ＥＣＵ２４がステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出する場合には、液相冷媒貯留部１４ｂに液相冷媒が貯留している。このように液相冷媒が液相冷媒貯留部１４ｂに貯留している場合には、シリンダヘッド５は温度が低下しており、ヘッド側ウォータジャケット１３内の液相冷媒は蒸発するための熱量が得られない状態である。すなわち、冷媒噴射ノズル１６から噴射された液相冷媒が蒸発するのに必要な熱量を得られなかったことにより、液相冷媒がヘッド側ウォータジャケット１３内に残留した状態である。このようなヘッド側ウォータジャケット１３へ冷媒を供給してしまうと、シリンダヘッド５の温度はさらに低下してしまい、冷媒の蒸発はさらに抑制されてしまう。そこで、廃熱回収装置１は、一旦、冷媒の供給を停止し、シリンダヘッド５の温度の低下を抑制する。ＥＣＵ２４はステップＳ３の処理を終えると、ステップＳ４へ進む。
【００２５】
ＥＣＵ２４はステップＳ４で、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出したか否かを判断する。ステップＳ３において、冷媒の供給が停止したことにより、シリンダヘッド５の温度の低下が抑制される。この際、液相冷媒貯留部１４ｂに貯留する液相冷媒がシリンダヘッド５から熱を吸収して蒸発する。これにより、液相冷媒貯留部１４ｂ内の液相冷媒が減少するとともに、シリンダヘッド５が効率よく蒸気を発生することのできる温度まで暖機される。このステップＳ４で、ＥＣＵ２４がＹＥＳと判断する場合、すなわち、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出する場合、もう一度ステップＳ４の処理を行う。このような場合には、まだ、液相冷媒貯留部１４ｂに液相冷媒が残っており、シリンダヘッド５は、蒸気が発生できる温度に達していないため、暖機を継続する。
【００２６】
一方、ステップＳ４で、ＥＣＵ２４がＮＯと判断する場合、すなわち、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出しない場合、ＥＣＵ２４はステップＳ５へ進む。
【００２７】
ＥＣＵ２４はステップＳ５で、冷媒供給を開始する。ステップＳ５に到達する場合には、液相冷媒貯留部１４ｂ内に貯留する液相冷媒は減少している。これにより、シリンダヘッド５は燃焼熱により暖機され、冷媒を蒸発させ、動力回収機２１において効率よくエネルギーを回収することのできる蒸気を発生させることができる。そこで、冷媒噴射ノズル１６からの冷媒の供給を再開し、蒸気を発生させる。
【００２８】
ところで、ＥＣＵ２４はステップＳ２でＮＯと判断する場合、すなわち、冷媒検出センサ２３が液相冷媒を検出しない場合、もう一度ステップＳ２の処理を行う。この場合、蒸気の発生が滞りなく行われているため、現状を維持する。
【００２９】
このようなＥＣＵ２４は、液相冷媒貯留部１４ａに配置された冷媒検出センサ２３についても同様の制御を行う。この場合、以上の記載におけるＥＣＵ２４の制御フローの説明において、シリンダヘッド５をシリンダブロック４と、ヘッド側ウォータジャケット１３をブロック側ウォータジャケット１２と、液相冷媒貯留部１４ｂを液相冷媒貯留部１４ａと読み替えるものとする。
【００３０】
以上のように、本発明の廃熱回収装置１は、液相冷媒貯留部１４ａ又は液相冷媒貯留部１４ｂに貯留した液相冷媒を検出して、冷媒の供給を調整することにより、エンジン本体の温度を調節し、蒸気を効率よく発生させて、動力回収機２１においてエネルギーの回収を行うことができる。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の実施例２について説明する。図４は本実施例の廃熱回収装置３１を組み込んだエンジン３０の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置３１は、実施例１のエンジン２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３１は、実施例１の廃熱回収装置１に備えられていた冷媒検出センサ２３に代えて温度センサ３２を備えた点で、廃熱回収装置１と相違している。温度センサ３２は、液相冷媒貯留部１４ａ、１４ｂに配置され、液相冷媒貯留部１４ａ、１４ｂに貯留する冷媒の温度を検出する。この温度センサ３２はＥＣＵ３３と電気的に接続されており、温度センサ３２で取得された温度情報は、ＥＣＵ３３に送信される。ＥＣＵ３３は、本発明の演算手段と制御手段とを組み合わせたものに相当し、温度センサにより検出された温度に基づいて液相冷媒の有無を算出するとともに、液相冷媒を検出する場合に冷媒の供給を停止させる。具体的には、ＥＣＵ３３は、予め実験により求められた液相冷媒貯留部１４ａ又は１４ｂ内に貯留した冷媒の温度とウォータジャケット内から蒸発する蒸気の量との関係に基づいて、冷媒の蒸発が滞る際の冷媒の温度に達すると、冷媒噴射ノズル１６による冷媒の供給を停止させる。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。
【００３２】
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。例えば、液相冷媒貯留部１４ａ又は１４ｂは、実施例に示した部位以外に形成することもできる。また、本発明の廃熱回収装置は、一以上の冷媒検出手段を備えていれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１の廃熱回収装置を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】シリンダヘッド内に配置された冷媒検出センサの周囲を拡大して示した説明図である。
【図３】ＥＣＵが行う制御フローである。
【図４】実施例２の廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１、３１  廃熱回収装置
２、３０  エンジン
４  シリンダブロック
５  シリンダヘッド
１２  ブロック側ウォータジャケット
１３  ヘッド側ウォータジャケット
１４ａ、１４ｂ  液相冷媒貯留部
１５ａ、１５ｂ  斜面
２１  動力回収機
２２  凝縮器
２３  冷媒検出センサ
２３ａ  フロート
２３ｂ  スイッチ
２４、３３  ＥＣＵ
３２  温度センサ
【図１】
2009108793.tif 000003
【図２】
2009108793.tif 000004
【図３】
2009108793.tif 000005
【図４】
2009108793.tif 000006