JP2001027118A

JP2001027118A - 内燃機関の廃熱回収装置

Info

Publication number: JP2001027118A
Application number: JP11201358A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Tazaki; 豊田崎; Satoshi Sato; 聡佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-01-30

Abstract

(57)【要約】【課題】機関冷却系の冷媒蒸気を排気により加熱して
タービンを駆動する廃熱回収装置を備えた内燃機関にお
いて、燃焼室周辺部から冷媒への放熱量（熱伝達量）を
機関運転条件に応じて制御するシステムを持たせること
により、タービン入口温度の適正化を図る。【解決手段】指令値に応じて機関の燃焼室周辺部から
冷媒への放熱量をプロペラ装置４１が調整し、タービン
１７の入口温度が適正値となるように機関運転条件に応
じてプロペラ装置４１への指令値を制御装置２２が制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は内燃機関の廃熱回
収装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関（以下単に「機関」ともいう）
の水冷冷却系統を密閉構造とし、冷却に伴って発生した
気化冷媒をさらに排気により加熱して高温化し、この高
温蒸気によりタービン発電を行うようにした廃熱回収装
置が知られている（この種の装置としてたとえば特開平
５−２９６０５５号公報を参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、機関の冷却
系統を循環する蒸気量は機関の燃焼室周辺部から冷媒へ
の放熱量により決まり、その飽和蒸気に過熱器からの放
熱が加わり、タービン入口の過熱蒸気の温度（以下この
温度を「タービン入口温度」という）が決まる。このた
め、蒸気量に対して過熱器からの放熱量が大きいと、図
５のｉ−Ｓ線図に示したように運転点がたとえばλ２か
らλ４へと上昇し、タービン入口温度が高くなる。この
タービン入口温度の高温化でタービン部品の要求耐熱温
度が高くなってコストアップの問題が生じ、またコンデ
ンサでの放熱量も増大する。

【０００４】上記のタービン入口温度に影響を与えるの
は機関の負荷と回転数で定まる運転条件である。これを
図６、図７を用いて説明すると、過熱器から冷媒への放
熱割合は、機関の負荷（軸トルク）と回転数に依存し、
高回転高負荷になるほど過熱器から冷媒への放熱割合が
増大するので、負荷や回転数に関係なくタービン部品の
要求耐熱温度を高くしないためには、低回転低負荷で燃
焼室周辺部から冷媒への放熱量と過熱器から冷媒への放
熱割合とを適正に設定した場合に、高回転高負荷になる
と燃焼室周辺部から冷媒への放熱量を低回転低負荷のと
きより多くする必要がある。

【０００５】さらに、低回転低負荷で燃焼室周辺部から
冷媒への放熱量と過熱器から冷媒への放熱割合とを適正
に設定していても、機関各々で燃焼室周辺部から冷媒へ
の放熱量にバラツキが発生することが考えられる（本
体、主運動系の肉厚や燃料噴射弁の個体差による燃焼の
バラツキ等による）。

【０００６】しかしながら、上記従来装置では、燃焼室
周辺部から冷媒への放熱量を制御するシステムを持って
いないため、廃棄エネルギ（排気系、冷却系）をフルに
活用することができず、タービン回収仕事が十分でな
く、システムとして十分な熱効率が得られない。

【０００７】また、低回転低負荷で燃焼室周辺部からの
冷媒への放熱量と過熱器から冷媒への放熱割合とが適正
であったとしても、高回転高負荷になると、燃焼室周辺
部から冷媒への放熱量が不足してタービン入口温度の高
温化とコンデンサでの放熱量増大をもたらし、タービン
部品の要求耐熱温度を高くしてしまう。同様にして、上
記の機関バラツキにより燃焼室周辺部から冷媒への放熱
量が不足する機関では、タービン入口温度の高温化とコ
ンデンサでの放熱量増大が生じ、タービン部品の要求耐
熱温度が高くなる。

【０００８】この場合、冷媒の強制対流やアジテーショ
ン（攪乱）が熱伝達に影響することが知られている（昭
和４３年７月、日本機械学会発行の『沸騰熱伝達』p.10
の第1・9図、p.14の第1・20図参照）。

【０００９】そこで本発明は、燃焼室周辺部から冷媒へ
の放熱量（熱伝達量）を機関運転条件に応じて制御する
システムを持たせることにより、廃棄エネルギをフルに
活用して十分なタービン回収仕事を得ることやタービン
入口温度の適正化を図り、さらに機関各々に生じる燃焼
室周辺部から冷媒への放熱量のバラツキを解消すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、ポンプに
より冷媒を循環させる密閉された冷却経路の途中に、機
関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和蒸気を機関排気で加熱
する加熱器と、この加熱器で加熱された冷媒の有する熱
エネルギを機械的エネルギに変換するタービンと、ター
ビンからの冷媒を冷却して液化するコンデンサとを備え
る内燃機関の廃熱回収装置において、指令値に応じて機
関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量を調整し得る手段
と、機関の運転条件を検出する手段と、前記タービン入
口温度が適正値となるようにこの検出された機関運転条
件に応じて前記調整手段への指令値を制御する手段と備
える。

【００１１】第２の発明では、第１の発明において前記
タービン入口温度Ｔｔを検出する手段を備え、この検出
されたタービン入口温度Ｔｔが予め定めた目標値Ｔｔｏ
と一致するように前記指令値をフィードバック制御す
る。

【００１２】第３の発明は、ポンプにより冷媒を循環さ
せる密閉された冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱さ
れた冷媒の飽和蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、こ
の加熱器で加熱された冷媒の有する熱エネルギを機械的
エネルギに変換するタービンと、タービンからの冷媒を
冷却して液化するコンデンサとを備える内燃機関の廃熱
回収装置において、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部
から冷媒への放熱量を調整し得る手段と、前記タービン
によるエネルギ回収量（たとえばタービン発電量）が最
大になるように前記調整手段への指令値を制御する手段
と備える。

【００１３】第４の発明は、ポンプにより冷媒を循環さ
せる密閉された冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱さ
れた冷媒の飽和蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、こ
の加熱器で加熱された冷媒の有する熱エネルギを機械的
エネルギに変換するタービンと、タービンからの冷媒を
冷却して液化するコンデンサとを備える内燃機関の廃熱
回収装置において、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部
から冷媒への放熱量を調整し得る手段と、前記タービン
によるエネルギ回収量（たとえばタービン発電量）と機
関の出力（たとえば筒内圧または軸出力）の総和が最大
になるように前記調整手段への指令値を制御する手段と
備える。

【００１４】第５の発明は、ポンプにより冷媒を循環さ
せる密閉された冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱さ
れた冷媒の飽和蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、こ
の加熱器で加熱された冷媒の有する熱エネルギを機械的
エネルギに変換するタービンと、タービンからの冷媒を
冷却して液化するコンデンサとを備える内燃機関の廃熱
回収装置において、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部
から冷媒への放熱量を調整し得る手段と、前記タービン
によるエネルギ回収量（たとえばタービン発電量）と機
関の出力（たとえば筒内圧または軸出力）の総和より前
記調整手段の駆動損失を差し引いた値が最大になるよう
に前記調整手段への指令値を制御する手段と備える。

【００１５】第６の発明は、ポンプにより冷媒を循環さ
せる密閉された冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱さ
れた冷媒の飽和蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、こ
の加熱器で加熱された冷媒の有する熱エネルギを機械的
エネルギに変換するタービンと、タービンからの冷媒を
冷却して液化するコンデンサとを備える内燃機関の廃熱
回収装置において、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部
から冷媒への放熱量を調整し得る手段と、冷媒の機関出
口の温度、圧力および流量を検出する手段と、これら検
出した３つのデータに基づいて機関出口の冷媒熱量を演
算する手段と、この熱量が予め定めた目標値と一致する
ように前記調整手段への指令値を制御する手段と備え
る。

【００１６】第７の発明では、第１、第３、第４、第
５、第６のいずれか一つの発明において前記燃焼室周辺
部から冷媒への放熱量を調整し得る手段が、燃焼室周辺
部を流れる冷媒に起こさせる強制対流またはアジテーシ
ョンの程度を調整し得る手段である。

【００１７】第８の発明では、第１から第７までのいず
れか一つの発明において前記燃焼室周辺部の冷却経路を
シリンダヘッドに限定する。

【００１８】

【発明の効果】機関の低負荷低回転のときタービン入口
温度が適正値となっている場合に、高負荷高回転になる
と、第１、第６の発明によれば、燃焼室周辺部から冷媒
への放熱量を調整し得る手段が働いて燃焼室周辺部から
冷媒への放熱量を増し、これによって高負荷高回転にな
っても低負荷低回転のときと同様にタービン入口温度が
適正値に維持される。このため、タービン部品の要求耐
熱温度が低くなり、コスト低減を図ることができる。

【００１９】第２の発明によれば、燃焼室周辺部から冷
媒への放熱量を調整し得る手段の特性に制作バラツキや
経時劣化が生じるときにも、この影響を受けないです
む。

【００２０】第３、第４、第５、第７の発明によれば、
機関の廃棄エネルギ（排気系、冷却系）をフルに活用す
ることが可能となり、システムとして高い熱効率が得ら
れる。

【００２１】第６の発明によれば、機関各々に生じる燃
焼室周辺部から冷媒への放熱量のバラツキを解消するこ
とができる。

【００２２】シリンダブロックに位置するシリンダライ
ナ壁温は耐久信頼性が確保される範囲でより高温が好ま
しい。これに対応して、燃焼室周辺部の冷却経路をシリ
ンダヘッドに限定する第８の発明によれば、燃焼室周辺
部の冷却経路をシリンダブロックにまで設ける場合より
機関そのものの出力を向上させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１、図２、図３において、１は
機関本体、３は排気通路である。６Ａと６Ｂは各々シリ
ンダブロックとシリンダヘッドであり、シリンダヘッド
６Ｂにだけ燃焼室周辺部の冷却のためのウォータジャケ
ット８を備える。このウォータジャケット８では、図２
にも示したように冷媒が反時計方向に循環するようにウ
ォータジャケット８への流入路９とウォータジャケット
８の排出路１２とを近接して設けている。なお、このウ
ォータジャケット８に加えて、シリンダブロック周辺部
の冷却のためのウォータジャケットをシリンダブロック
６Ａに備えさせるものでもかまわない。この燃焼室周辺
部に限定して設けたウォータジャケット８は、後述する
各種通路と共に閉ループ状の冷却経路を構成し、その内
部には冷媒としてこの場合冷却水を封入してある。前記
冷却経路は外部から密閉し、その内部には液相または気
相の冷却水のみを満たし、空気は排除してある。

【００２４】ここで、ウォータジャケット８をシリンダ
ヘッド６Ｂに限って設けている理由は、シリンダヘッド
の燃焼室壁温をより低温に設定することにより、機関か
ら高出力が得られるため、より高負荷高回転側でシリン
ダヘッドの燃焼室周辺部から冷媒への熱伝達率を上げる
ことが機関そのものの出力向上につながるからである
（これに対してシリンダブロックに位置するシリンダラ
イナ壁温は耐久信頼性が確保される範囲でより高温が好
ましい）。

【００２５】ウォータジャケット８への流入路９はポン
プ１３の出口側と接続する一方、ウォータジャケット８
の排出路１２は通路１１を経て過熱器１６に接続してい
る。ウォータジャケット８にて機関燃焼熱を受けて飽和
蒸気となった冷却水は前記通路１１を経て過熱器１６へ
と送り込まれる。過熱器１６は排気通路３の途中に設け
られており、前記通路１１からの飽和蒸気を排気の熱に
よりさらに加熱する。

【００２６】過熱器１６の出口は途中にタービン１７を
備えた蒸気通路１８を経てコンデンサ（復水器）２０に
接続している。タービン１７は過熱器１６からの高温高
圧の蒸気により回転力を発生し、タービン１７を通過し
て低温化した蒸気はコンデンサ２０にて空気冷却されて
凝縮する。

【００２７】コンデンサ２０にて液相となった冷却水は
通路１９を経てポンプ１３に吸引され、再びウォータジ
ャケット８への流入路９を経て機関のウォータジャケッ
ト８へと供給される。

【００２８】上記のポンプ１３は、制御装置２２からの
指令に基づいてその吐出量が連続可変的に制御される電
動ポンプで、マイクロコンピュータなどから構成される
制御装置２２により、ポンプ１３の吐出量が、機関運転
条件に応じて所期の冷却性能が発揮されるように制御さ
れる。

【００２９】たとえば、機関の回転数と負荷から所定の
マップを検索することにより冷却経路内の目標内圧Ｐ０
が演算され、検出した実内圧がこの目標内圧Ｐ０と一致
するようにポンプ吐出量がフィードバック制御される。
目標内圧のマップ値は回転数または負荷が増大するほど
目標内圧を低くする特性であり、これにより負荷または
回転数の増大に対して冷媒の沸点を低下させ、燃焼室壁
の温度が運転状態の変動に拘わらず、許容限界付近に維
持される。このため、機関回転数、負荷、冷却経路の内
圧などを検出する各種センサ（図示しない）からの信号
が制御装置２２に入力されている（詳しくは特願平１１
−１５９１１２号を参照）。

【００３０】さらに、この実施形態ではコールドスター
ト時の暖機促進を図るために冷却経路内の冷媒を外部に
設けたリザーバタンク２５に移動させる構成を備えてい
る。図１または図３において、２６はウォータジャケッ
ト８とリザーバタンク２５との間で冷媒を移動させるた
めの電動ポンプ、２７は冷媒移動完了後に冷却経路を締
め切るための電磁弁（弁装置）であり、それぞれ制御装
置２２からの指令に基づいてその作動が制御される。ま
た、２８は冷媒をウォータジャケット７に戻すときの液
量を判定するための液面センサ、２９は燃焼室壁の温度
を検出する燃焼室温度センサである。

【００３１】なお、上記冷媒移動制御（機関停止時に冷
媒を冷却経路内からリザーバタンク２５へと移動させる
制御と機関始動後に冷媒をリザーバタンク２５から冷却
経路内へと戻す制御）については、本発明と直接関係し
ないので、その説明を省略する（詳しくは特願平１１−
１５９１１２号を参照）。

【００３２】なお、機関停止時にリザーバタンク２５へ
と液相冷媒を移動させた後、温度低下に伴い気相冷媒が
凝縮して冷却経路内が真空化し、外部から空気を吸い込
むおそれがある。空気が侵入すると次回始動後の冷媒の
移動や冷却性能に悪影響が及ぶ。そこで、図１に示した
ように真空ポンプ３０を設け、機関始動後に冷却経路内
の空気を排除しつつ冷媒をウォータジャケット８へと戻
すようにするとよい。あるいは、機関停止後のリザーバ
タンク２５への冷媒移動時に冷却経路内に空気を導入し
て大気圧とし、次回始動後の冷媒戻し時に真空ポンプ３
０により空気を排除するようにしてもよい。

【００３３】次に、図４において３１はタービン１７に
連結された回転電機である。この回転電機３１は基本的
にはタービン１７の回転力により発電機として作動し、
その出力はインバータ３２を介して充電電力としてバッ
テリ３３に付与される。

【００３４】また、回転電機３１とエンジン１との間に
は電磁式のクラッチ３４を有する減速装置（回転伝達機
構）３５を設けてあり、クラッチ３４をＯＮとすること
によりエンジン１とタービン１７または回転電機３１と
の間で回転力の伝達を可能にしている。すなわち、クラ
ッチ３４をＯＦＦとした状態では従来と同様にタービン
１７の回転力を発電のための動力源としてのみ利用可能
であるのに対して、クラッチ３４をＯＮとした状態では
タービン１７の回転力を減速装置３５を介してエンジン
に伝達することにより動力補助を行い、あるいはエンジ
ン１の出力により回転電機３１を駆動してエンジン１を
動力源とする発電を行わせることができる。なお、３６
はインバータ３２からのバッテリ電力により作動する車
両電気系を示しており、ハイブリッドカーの場合はその
動力源となる電動モータなどもこれにあたる。

【００３５】上述したクラッチ３４のＯＮ・ＯＦＦや回
転電機３１とバッテリ３３とのあいだの電力の授受も、
実際のバッテリ電圧に基づいて制御装置２２により制御
される（詳しくは特願平１１−１５９１１３号を参
照）。

【００３６】さて、機関の冷却系統を循環する蒸気量は
機関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量により決まり、
その飽和蒸気に過熱器１６からの放熱が加わり、タービ
ン１７入口温度が決まる。このため、蒸気量に対して過
熱器１６からの放熱量が大きいと、タービン１７入口温
度が高くなる。このタービン１７入口温度の高温化でタ
ービン１７部品の要求耐熱温度が高くなってコストアッ
プの問題が生じ、またコンデンサ２０での放熱量も増大
する。

【００３７】上記のタービン入口温度に影響するのは機
関の運転条件である。図６、図７のように、過熱器１６
から冷媒への放熱割合は、機関の負荷（軸トルク）と回
転数に依存し、高回転高負荷になるほど過熱器１６から
の冷媒への放熱割合が増大するので、負荷や回転数に関
係なくタービン部品の要求耐熱温度を高くしないために
は、低回転低負荷で燃焼室周辺部から冷媒への放熱量と
過熱器１６から冷媒への放熱割合とを適正に設定した場
合に、高回転高負荷になると燃焼室周辺部から冷媒への
放熱量を低回転低負荷のときより多くする必要がある。

【００３８】このため本実施形態では、指令値に応じて
機関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量を調整し得る手
段として、図１に示したようにモータ駆動のプロペラ装
置４１を設け、このプロペラ装置４１を駆動することに
より、ウォータジャケット８内を循環する冷媒を強制的
に対流させる。そして、制御装置２２により、機関の負
荷と回転数により定まる運転条件に応じてプロペラ装置
４１への指令値（プロペラ装置４１に与える回転数指令
値）を制御することにより、燃焼室周辺部から冷媒への
放熱量（熱伝達量）を制御する。

【００３９】ここで、この制御方法をさらに説明する
と、いま簡単のためプール沸騰（重力の作用だけによっ
ている場合の沸騰のこと）とした場合、機関の負荷と回
転数をパラメータとする各運転条件に対し、燃焼室周
辺部の冷却系、排気系、正味軸出力、その他の各
熱勘定割合が一律に決まる。たとえば、運転条件一定で
の熱勘定割合は、図８に示すように、プロペラ装置４１
を駆動して規定回転数で回転させた場合（図では「プロ
ペラ駆動ＯＮ」で示す）に、燃焼室周辺部冷却系の熱勘
定割合が最大（つまり燃焼室周辺部から冷媒への放熱量
が最大）になり、これに対してプロペラ装置４１を駆動
しておらず、プロペラ回転数がゼロである場合（図では
「プロペラ駆動ＯＦＦ」で示す）に、燃焼室周辺部冷却
系の熱勘定割合が最小（つまり燃焼室周辺部から冷媒へ
の放熱量が最小）となる。したがって、規定回転数を最
大としてプロペラ回転数を変化させれば、燃焼室周辺部
冷却系の熱勘定割合（燃焼室周辺部から冷媒への放熱
量）を可変制御できる。そこで、たとえばある運転条件
でタービン入口温度が適正値に対して高くなる場合に
は、タービン入口温度が適正値になるようなプロペラ回
転数をその運転条件に対して設定してやればよい。この
ようにして運転条件毎にタービン入口温度が適正値にな
るようなプロペラ回転数をマップ値として予め設定して
おけば、そのときの運転条件からそのマップ値を検索
し、そのマップ値を回転数指令値としてプロペラ装置４
１を駆動することで、運転条件によらずタービン入口温
度を適正値に制御できる。

【００４０】制御装置２２で実行されるこの制御の内容
を、図９のフローチャートにしたがってさらに説明す
る。

【００４１】図９はプロペラ装置４１に与える回転数指
令値Ｎを演算するためのもので、このフローは一定時間
毎（たとえば１０ｍｓｅｃ毎）に実行する。

【００４２】ステップ１では冷却水温Ｔ、機関トルク
（機関負荷）、機関回転数を読み込み、これらのうち冷
却水温Ｔと予め定めた基準値Ｔ１をステップ２において
比較する。ここで基準値Ｔ１は冷却水の沸点温度から余
裕代α（たとえば５℃程度）を差し引いた値である。冷
却水温Ｔが基準値Ｔ１よりも低いときは機関が暖機完了
前にあると判定し、タービン入口温度制御を禁止するた
めステップ６、７に進み、プロペラ装置駆動フラグ＝０
とするとともに、回転数指令値Ｎ＝０とする。

【００４３】Ｔ≧Ｔ１となればステップ３、４、５に移
行する。すなわち、タービン入口温度制御を開始するた
めプロペラ装置駆動フラグを立てる（フラグ＝１）とと
もに、機関のトルクと回転数から図１０のマップを検索
することによりプロペラ回転数の基本目標回転数Ｎ０を
演算し、この基本目標回転数Ｎ０を回転数指令値Ｎとし
て設定する。

【００４４】ここで、基本目標回転数Ｎ０は、各運転条
件毎にタービン入口温度が適正値になるように予め定め
た値であり、各運転条件毎に異なる値が入っている。

【００４５】このようにして設定された回転数指令値Ｎ
と上記のプロペラ装置駆動フラグの値とは制御装置２２
内のメモリ（ＲＡＭ）に格納され、図示しないプロペラ
装置の駆動フローにおいて、プロペラ装置駆動フラグ＝
１のとき、プロペラ回転数が回転数指令値Ｎとなるよう
にプロペラ装置４１が駆動される。

【００４６】このように本実施形態によれば、機関の燃
焼室周辺部を流れる冷媒に強制対流を起こさせる手段で
あるプロペラ装置４１を用いて、タービン入口温度が適
正値となるように機関の燃焼室周辺部から冷媒への熱伝
達量を機関の運転条件に応じて制御するようにしたの
で、運転条件によらずタービン入口温度を適正値にでき
る。たとえば、低負荷低回転のときタービン入口温度が
適正値となっている場合に、高負荷高回転になると、プ
ロペラ装置４１が働いて燃焼室周辺部から冷媒への放熱
量が増し、これによって高負荷高回転になっても低負荷
低回転のときと同様にタービン入口温度が適正値に維持
される。これによって、運転条件によらずタービン部品
の要求耐熱温度が低くなり、コスト低減を図ることがで
きる。

【００４７】また、シリンダブロックに位置するシリン
ダライナ壁温は耐久信頼性が確保される範囲でより高温
が好ましい。これに対応して、ウォータジャケット８を
燃焼室周辺部であるシリンダヘッド６Ｂに限定している
ので、シリンダブロック６Ａにまでウォータジャケット
を設ける場合より機関そのものの出力を向上させること
ができる。

【００４８】図１１のフローチャートは第２実施形態
で、第１実施形態の図９に置き換わるものである。な
お、図９と同一部分には同一のステップ番号を付けてい
る。

【００４９】この実施形態は、タービン入口温度が予め
定めた目標値となるようにプロペラ回転数をフィードバ
ック制御するようにしたものである。第１実施形態と相
違する部分を主に説明すると、ステップ１１ではプロペ
ラ回転数のフィードバック条件であるかどうかみる。た
とえば機関のトルクと回転数がそれほど変化しない定常
時であれば、フィードバック条件の成立時と判断し、ス
テップ１２、１３に進み、センサ（図示しない）により
検出される実際のタービン入口温度Ｔｔを読み込み、こ
の実際のタービン入口温度Ｔｔとタービン入口温度の目
標値Ｔｔｏ（たとえば一定値）の差ΔＴ（＝Ｔｔ−Ｔｔ
ｏ）を計算し、この温度差ΔＴの絶対値と許容値βを、
同じく温度差ΔＴとゼロをそれぞれステップ１４、１５
において比較する。

【００５０】温度差ΔＴの絶対値がβを超えておりかつ
ΔＴ＞０である（つまり実際のタービン入口温度が目標
値よりも許容値βを超えて高い）ときは、実際のタービ
ン入口温度を目標へと低下させるためステップ１６でプ
ロペラ回転数のフィードバック量ＦＢ（正負の値をも
つ）を一定値ΔＮ１（ΔＮ１＞０）だけ増加させ、この
逆に温度差ΔＴの絶対値がβを超えておりかつΔＴ＜０
である（実際のタービン入口温度が目標よりも許容値を
超えて低い）ときは、実際のタービン温度を目標へと上
昇させるためステップ１７でプロペラ回転数のフィード
バック量ＦＢ（正負の値をもつ）を一定値ΔＮ１だけ減
少させる。一方、ΔＴの絶対値がβ以内に収まるとき
は、ステップ１４よりステップ１８に進んでフィーバッ
ク量ＦＢの前回値を維持する。

【００５１】ステップ１９ではこのようにして演算され
るフィードバック量ＦＢを基本目標回転数Ｎ０に加算し
た値を指令回転数Ｎとして設定する。

【００５２】一方、フィードバック条件が不成立のとき
はステップ１１よりステップ２０に進み、フィードバッ
ク量ＦＢ＝０としたあと、ステップ７の処理を実行す
る。

【００５３】このように第２実施形態では、タービン入
口温度Ｔｔが予め定めた目標値Ｔｔｏと一致するように
プロペラ回転数をフィードバック制御するので、プロペ
ラ装置４１の駆動特性に制作バラツキや経時劣化が生じ
るときにも、この影響を受けることがない。

【００５４】図１２のフローチャートは第３実施形態
で、第２実施形態の図１１と置き換わるものである。な
お、図１１と同一部分には同一のステップ番号を付けて
いる。

【００５５】この実施形態はタービン発電量Ｗ（タービ
ン回収仕事）が最大となるようにプロペラ回転数を制御
するものである。第２実施形態の図１１と相違する部分
を主に説明すると、ステップ２１でタービン発電量制御
の許可条件であるかどうかみる。たとえば機関のトルク
と回転数がそれほど変化しない定常時であれば、許可条
件の成立時であると判断し、ステップ２２、２３に進
み、タービン発電量Ｗを読み込んだあと発電量制御フラ
グをみる。許可条件が成立して初めてのときはフラグ＝
０であるため、ステップ２４、２５に進み、フラグ＝１
とするとともに、基本目標回転数Ｎ０に一定値ΔＮ２
（ΔＮ２＞０）だけ加算した値を回転数指令値Ｎとして
設定し、今回の処理を終了する。なお、このΔＮ２の加
算は、まずプロペラ回転数を増加させる側に制御を開始
しようとするだけのものであり、プロペラ回転数を減少
させる側に制御を開始させてもかまわない。

【００５６】定常状態が続けば次回はステップ２３より
ステップ２６に進み、前回からのタービン発電量の変化
量ΔＷ（＝今回の発電量−前回の発電量）を計算し、こ
の変化量ΔＷの絶対値と所定値γ１を、また変化量ΔＷ
とゼロをそれぞれステップ２７、２８において比較す
る。

【００５７】変化量ΔＷの絶対値が所定値γ１を超えて
おりかつΔＷ＞０であれば、タービン発電量が増加傾向
にあるので、ステップ２９で回転数指令値Ｎをさらに一
定値ΔＮ２増加させる。次回も、変化量ΔＷの絶対値が
所定値γ１を超えておりかつΔＷ＞０であれば、タービ
ン発電量が増加傾向にあるので、ステップ２９を繰り返
す。このΔＮ２の増加を繰り返せばやがて変化量ΔＷの
絶対値が所定値γ１以下に収まる。つまり、タービン発
電量の増加傾向が止めばそのタイミングで発電量が最大
となっている。したがって、このときは、ステップ２７
よりステップ３１に進んで、回転数指令値Ｎの前回値を
維持する。

【００５８】同様にして、変化量ΔＷの絶対値が所定値
γ１を超えておりかつΔＷ＜０であるときはタービン発
電量が減少傾向にある。このときは、タービン発電量制
御を始めるに際してステップ２５で回転数を一定値ΔＮ
２増加したのは制御方向として逆であったと判断し、ス
テップ３０に進んで回転数指令値を一定値ΔＮ２だけ減
少させる。次回も、変化量ΔＷの絶対値が所定値βを超
えておりかつΔＷ＜０であれば、タービン発電量が減少
傾向にあるので、ステップ３０を繰り返す。このΔＮ２
の減少を繰り返せばやがて変化量ΔＷの絶対値が所定値
γ１以下に収まる。つまり、タービン発電量の減少傾向
が止んだタイミングでもタービン発電量が最大となって
いる。したがって、このときも、ステップ２７よりステ
ップ３１に進んで、回転数指令値Ｎの前回値を維持す
る。

【００５９】一方、許可条件が不成立のときは、ステッ
プ２１よりステップ３２に進み発電量制御フラグ＝０と
したあと、ステップ７の処理を実行する。

【００６０】このように、第３実施形態では、タービン
発電量が最大となるようにプロペラ回転数を制御するこ
とで、機関の廃棄エネルギ（排気系、冷却系）をフルに
活用することが可能となり、システムとして高い熱効率
が得られる。

【００６１】第３実施形態では、タービン発電量Ｗが最
大となるようにプロペラ回転数を制御する場合で説明し
たが、タービン発電量Ｗと機関の出力（たとえば筒内圧
Ｐｉやエンジン軸出力）の合計であるシステム出力Ｓ
（＝Ｗ＋Ｐｉ）が最大となるようにプロペラ回転数を制
御することもできる。この場合のフローチャートを図１
３に示す。同図において図１２と同一部分には同一のス
テップ番号をつけている。また、システム出力はこれに
限られない。たとえば、タービン発電量Ｗと機関の出力
との合計からプロペラ装置４１の駆動モータ損失を差し
引いた値をシステム出力としてもかまわない。これら２
つの場合にも第３実施形態と同様の作用効果が得られ
る。

【００６２】ところで、機関各々で燃焼室周辺部から冷
媒への放熱量にバラツキが発生することが考えられる
（本体、主運動系の肉厚や燃料噴射弁の個体差による燃
焼のバラツキ等による）。

【００６３】ここで、機関出口の冷媒圧力と冷媒温度か
ら、図５に示すｉ−Ｓ線図を用いて冷媒の機関出口での
単位重量当たりのエンタルピを演算することができ、こ
の値に冷媒の機関出口の重量流量を掛けることで機関出
口の冷媒熱量を演算することができる。この機関出口の
実際の冷媒熱量が機関各々で異なることになる。

【００６４】そこで、機関各々に生じる燃焼室周辺部か
ら冷媒への放熱量バラツキへの対策としては、冷媒の機
関出口の温度、圧力および重量流量を直接検出するセン
サをそれぞれ備えさせるとともに、図５に示すｉ−Ｓ線
図を内容とするマップを制御装置２２に持たせておき、
センサにより検出した冷媒の機関出口の圧力と温度から
図５に示すｉ−Ｓ線図を内容とするマップを検索するこ
とにより、冷媒の機関出口での単位重量当たりエンタル
ピを演算し、この値に、センサにより検出した冷媒の機
関出口の重量流量を掛けることで機関出口の冷媒熱量を
演算し、この実際の冷媒熱量が予め定めた目標値と一致
するようにプロペラ回転数を制御すればよい。

【００６５】なお、機関出口の冷媒熱量の目標値は、機
関のトルクと回転数をパラメータとして図１０と同様に
与えておく。また、重量流量を直接検出するのに代え
て、体積流量を計測し、これに密度を掛けることにより
重量流量を推定するようにしてもかまわない。

【００６６】実施形態では燃焼室周辺部から冷媒への放
熱量を調整し得る手段が、燃焼室周辺部を流れる冷媒に
起こさせる強制対流の程度を調整し得る手段（つまりプ
ロペラ装置４１）である場合で説明したが、燃焼室周辺
部を流れる冷媒に起こさせるアジテーションの程度を調
整し得る手段を用いることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の冷却系統の概略構成図。

【図２】ウォータジャケットの概略平面図。

【図３】機関停止後の状態を示す機関の概略断面図。

【図４】第１実施形態の制御系統の概略構成図。

【図５】蒸気のｉ−Ｓ線図。

【図６】運転領域図。

【図７】機関負荷に対する冷却水と排気の各放熱割合の
特性図。

【図８】機関運転条件一定のもとでの熱勘定割合の特性
図。

【図９】第１実施形態の回転数指令値の演算を説明する
ためのフローチャート。

【図１０】基本目標回転数のマップ図。

【図１１】第２実施形態の回転数指令値の演算を説明す
るためのフローチャート。

【図１２】第３実施形態の回転数指令値の演算を説明す
るためのフローチャート。

【図１３】第４実施形態の回転数指令値の演算を説明す
るためのフローチャート。

【符号の説明】

１機関本体３排気通路８ウォータジャケット１６過熱器１７タービン２０コンデンサ２２制御装置３１回転電機（発電機）４１プロペラ装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ポンプにより冷媒を循環させる密閉された
冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和
蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、この加熱器で加熱
された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネルギに変換
するタービンと、タービンからの冷媒を冷却して液化す
るコンデンサとを備える内燃機関の廃熱回収装置におい
て、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量
を調整し得る手段と、機関の運転条件を検出する手段
と、前記タービン入口温度が適正値となるようにこの検
出された機関運転条件に応じて前記調整手段への指令値
を制御する手段と備えることを特徴とする内燃機関の廃
熱回収装置。
【請求項２】前記タービン入口温度を検出する手段を備
え、この検出されたタービン入口温度が予め定めた目標
値と一致するように前記指令値をフィードバック制御す
ることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱回
収装置。
【請求項３】ポンプにより冷媒を循環させる密閉された
冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和
蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、この加熱器で加熱
された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネルギに変換
するタービンと、タービンからの冷媒を冷却して液化す
るコンデンサとを備える内燃機関の廃熱回収装置におい
て、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量
を調整し得る手段と、前記タービンによるエネルギ回収
量が最大になるように前記調整手段への指令値を制御す
る手段と備えることを特徴とする内燃機関の廃熱回収装
置。
【請求項４】ポンプにより冷媒を循環させる密閉された
冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和
蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、この加熱器で加熱
された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネルギに変換
するタービンと、タービンからの冷媒を冷却して液化す
るコンデンサとを備える内燃機関の廃熱回収装置におい
て、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部から冷媒への放
熱量を調整し得る手段と、前記タービンによるエネルギ
回収量と機関の出力の総和が最大になるように前記調整
手段への指令値を制御する手段と備えることを特徴とす
る内燃機関の廃熱回収装置。
【請求項５】ポンプにより冷媒を循環させる密閉された
冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和
蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、この加熱器で加熱
された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネルギに変換
するタービンと、タービンからの冷媒を冷却して液化す
るコンデンサとを備える内燃機関の廃熱回収装置におい
て、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量
を調整し得る手段と、前記タービンによるエネルギ回収
量と機関の出力の総和より前記調整手段の駆動損失を差
し引いた値が最大になるように前記調整手段への指令値
を制御する手段と備えることを特徴とする内燃機関の廃
熱回収装置。
【請求項６】ポンプにより冷媒を循環させる密閉された
冷却経路の途中に、機関燃焼熱で加熱された冷媒の飽和
蒸気を機関排気で加熱する加熱器と、この加熱器で加熱
された冷媒の有する熱エネルギを機械的エネルギに変換
するタービンと、タービンからの冷媒を冷却して液化す
るコンデンサとを備える内燃機関の廃熱回収装置におい
て、指令値に応じて機関の燃焼室周辺部から冷媒への放熱量
を調整し得る手段と、冷媒の機関出口の温度、圧力およ
び流量を検出する手段と、これら検出した３つのデータ
に基づいて機関出口の冷媒熱量を演算する手段と、この
熱量が予め定めた目標値と一致するように前記調整手段
への指令値を制御する手段と備えることを特徴とする内
燃機関の廃熱回収装置。
【請求項７】前記燃焼室周辺部から冷媒への放熱量を調
整し得る手段は、燃焼室周辺部を流れる冷媒に起こさせ
る強制対流またはアジテーションの程度を調整し得る手
段であることを特徴とする請求項１、３、４、５、６の
いずれか一つに記載の内燃機関の廃熱回収装置。
【請求項８】前記燃焼室周辺部の冷却経路をシリンダヘ
ッドに限定することを特徴とする請求項１から７までの
いずれか一つに記載の内燃機関の廃熱回収装置。