JP2005042618A - ランキンサイクル - Google Patents

Abstract

【課題】 ランキンサイクルの廃熱を有効利用する。
【解決手段】 エンジン１から排出される燃焼ガスから熱を回収して、膨張機１７に回収した熱から動力を取り出すとともに、膨張機１７にて減圧膨脹を終えた作動流体に残存する熱、つまり従来は大気中に捨てられていた熱を、エンジンの冷却水回路、つまりエンジン冷却水が循環する冷却水回路中に放熱する。これにより、エンジン冷却水を加熱することができ、暖機運転時間の短縮、エンジン温度を上昇させてエンジン１内の摩擦損失を低減する、及びヒータ９及びデフロスタヒータ１０での加熱能力不足を補完する等、燃焼ガスを有する熱エネルギを効果的に利用することができる。したがって、エンジン１、つまり車両の消費燃料量の低減、暖房性能の向上、燃焼式ヒータ１３の稼働率抑制による消費燃料量の低減、暖機運転時間の短縮、及び即効暖房能力の向上等を図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は過熱蒸気から動力を取り出すランキンサイクルに関するもので、エンジン（内燃機関）で発生する廃熱から動力を取り出すシステムに適用して有効である。

ランキンサイクルとは、液相流体を加熱して過熱蒸気を発生させる蒸気発生器、過熱蒸気を等エントロピ的に膨脹させて動力を取り出す膨張機、膨張機にて膨脹を終えた蒸気を液化する凝縮器、及び液相流体を蒸気発生器に送り出す液体ポンプ等から構成されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許第１５４０２５６号公報 特開２００２−１８８４０２号公報

しかし、特許文献１、２に記載のランキンサイクルでは、膨張機から排出される膨脹を終えた作動流体の排熱は活用されることなく凝縮器から大気へ放熱されるのみであるので、特許文献１、２に記載のランキンサイクルでは、廃熱エネルギを十分に有効利用していないという問題がある。

また、内燃機関の排気熱量は走行状態によって大幅に変動する。このため、内燃機関の出力増大して発生する廃熱量が増大したときには、ランキンサイクルにて回収する廃熱量が内燃機関の出力増大に呼応するように増大するので、特許文献１、２に記載のランキンサイクルでは、大型の凝縮用放熱器が必要となり、ランキンサイクルの車両への搭載性が悪い。

また、仮に、車両への搭載性を優先して凝縮用放熱器を小型にすると、内燃機関の出力増大したときには、凝縮用放熱器での冷却能力が不足するため、作動流体の温度が過度に上昇してしまうという問題が新たに発生する。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規なランキンサイクルを提供し、第２には、上記２つの問題のうち少なくとも一方の問題を解決することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１）から排出される燃焼ガスと流体とを熱交換して過熱蒸気を生成する蒸気発生器（１６）と、蒸気発生器（１６）で生成された過熱蒸気を膨脹させて膨張機（１７）と、内燃機関（１）の運転状態を検出する内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）と、膨張機（１７）の運転状態を検出する膨張機運転状態検出手段（２０）と、内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）の検出値及び膨張機運転状態検出手段（２０）の検出値のうち少なくとも一方の検出値に基づいて蒸気発生器（１６）での熱交換量を制御する熱交換量制御手段（７）とを備えることを特徴とする。

これにより、内燃機関（１）の出力が増大したときに放熱能力が不足してしまうことを未然に防止でき得るので、内燃機関（１）がオーバヒートしてしまう、及び過熱蒸気の温度が過度に上昇してランキンサイクルの効率が低下してしまう等の不具合が発生してしまうことを未然に防止できる。

また、放熱能力が不足してしまうことを未然に防止できるので、ランキンサイクル用の凝縮用放熱器を大型にする必要が低いので、ランキンサイクルの車両への搭載性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、膨張機（１７）の流体出口側に設けられ、内燃機関（１）の冷却液回路内を循環する冷却液と流体とを熱交換させる熱交換器（１８）を有することを特徴とする。

これにより、従来は大気中に捨てられていた熱を内燃機関（１）の冷却液回路中に放熱することができるので、内燃機関（１）を加熱することができ、内燃機関（１）の暖機運転時間の短縮、内燃機関（１）の温度を上昇させて内燃機関（１）内の摩擦損失を低減する等、燃焼ガスを有する熱エネルギを効果的に利用することができる。

したがって、例えば内燃機関（１）の消費燃料量の低減、暖機運転時間の短縮、および補助暖房性能の向上等を図ることができる。

請求項３に記載の発明では、内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）は、内燃機関（１）の温度に基づいて内燃機関（１）の運転状態を検出しており、さらに、熱交換量制御手段（７）は、内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）が検出した内燃機関（１）の温度が所定温度以上のときには、内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）が検出した内燃機関（１）の温度が所定温度未満のときに比べて蒸気発生器（１６）での熱交換量を低減することを特徴とする。

これにより、内燃機関（１）の出力が増大したときに放熱能力が不足してしまうことを確実に防止でき得る。

請求項４に記載の発明では、膨張機運転状態検出手段（２０）は、膨張機（１７）に流入する流体の温度に基づいて膨張機（１７）の運転状態を検出しており、さらに、熱交換量制御手段（７）は、膨張機運転状態検出手段（２０）が検出した膨張機（１７）に流入する流体の温度が所定温度以上のときには、膨張機運転状態検出手段（２０）が検出した膨張機（１７）に流入する流体の温度が所定温度未満のときに比べて蒸気発生器（１６）での熱交換量を低減することを特徴とする。

これにより、内燃機関（１）の出力が増大したときに、過熱による機器類の破壊や効率の低下を招くこと無くエネルギ回生が可能となる。

請求項５に記載の発明では、膨張機運転状態検出手段（２０）は、膨張機（１７）から出力されるエネルギ量に基づいて膨張機（１７）の運転状態を検出しており、さらに、熱交換量制御手段（７）は、膨張機運転状態検出手段（２０）が検出したエネルギ量が所定量以上のときには、膨張機運転状態検出手段（２０）が検出したエネルギ量が所定量未満のときに比べて蒸気発生器（１６）での熱交換量を低減することを特徴とする。

これにより、内燃機関（１）の出力が増大したときに、不要なエネルギ回生（エネルギ回収）をしてしまうことを防止でき得る。

請求項６に記載の発明では、内燃機関（１）から排出される燃焼ガスを熱源として過熱蒸気を生成する蒸気発生器（１６）と、蒸気発生器（１６）で生成された過熱蒸気を膨脹させて膨張機（１７）と、膨張機（１７）にて膨脹を終えた流体と内燃機関（１）の冷却液回路内を循環する冷却液とを熱交換させる熱交換器（１８）とを有することを特徴とする。

これにより、従来は大気中に捨てられていた熱を内燃機関（１）の冷却液回路中に放熱することができるので、内燃機関（１）を加熱することができ、内燃機関（１）の暖機運転時間の短縮、内燃機関（１）の温度を上昇させて内燃機関（１）内の摩擦損失を低減する等、燃焼ガスを有する熱エネルギを効果的に利用することができる。
したがって、例えば内燃機関（１）の消費燃料量の低減、及び暖機運転時間の短縮、補助暖房性能の向上等を図ることができる。

請求項７に記載の発明では、内燃機関（１）から排出される燃焼ガスと流体とを熱交換して過熱蒸気を生成する蒸気発生器（１６）と、蒸気発生器（１６）から流出する流体を膨脹させて膨張機（１７）と、膨張機（１７）の流体出口側に設けられ、内燃機関（１）の冷却液回路内を循環する冷却液と流体とを熱交換させる熱交換器（１８）と、蒸気発生器（１６）から流出する流体を膨張機（１７）を迂回させて熱交換器（１８）に導くバイパス回路（１９ａ）と、バイパス回路（１９ａ）の連通状態を制御するバルブ（１９）と、バルブ（１９）の作動を制御する制御装置（７）とを有することを特徴とする。

これにより、蒸気発生器（１６）にて燃焼ガスから回収した熱を直接的に冷却液に与えることができる。

したがって、本発明実では、バルブ（１９）及びバイパス回路（１９ａ）を設けるといった簡便な手段にて、燃焼ガスから回収した熱を直接的に冷却液に与えて冷間始動時（コールドスタート時）における内燃機関（１）の暖機運転時間を短縮することができ得る。

請求項８に記載の発明では、内燃機関（１）の冷却液を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータ（９、１０）を有し、熱交換器（１８）は、冷却液回路のうちヒータ（９、１０）より冷却液流れ上流側に配置されていることを特徴とする。

これにより、ヒータ（９、１０）に燃焼ガスから回収した熱を確実に与えることができるので、暖房能力を向上させることができる。

請求項９に記載の発明では、蓄えられた熱を冷却液回路を流れる冷却液に与えることができる蓄熱装置（１４）と、燃料を燃焼させて熱を発生させて、その熱を冷却液回路を流れる冷却液に与えることができる燃焼式ヒータ（１３）とを有し、蓄熱装置（１４）と燃焼式ヒータ（１３）とは、冷却液の流れに対して並列に配置されていることを特徴とする。

これにより、例えば蓄熱装置（１４）に蓄えられた熱にて暖房する場合に、蓄熱装置（１４）に蓄えられた熱が燃焼式ヒータ（１３）に吸熱されてしまうことを防止でき、暖房能力を向上させることができる。

請求項１０に記載の発明では、冷却液と大気とを熱交換するラジエータ（５）を有し、冷却液の流れに対して、ラジエータ（５）と熱交換器（１８）とが並列に配置されていることを特徴とする。

これにより、内燃機関（１）から流出した冷却液が、２つの熱交換器、つまりラジエータ（５）及び熱交換器（１８）を流れて内燃機関（１）に戻ってくるといったことがないので、内燃機関（１）に戻ってくる冷却液の温度が大きく低下してしまうことを防止できる。

したがって、内燃機関（１）の暖機運転時間の短縮等を図ることができるので、冷間始動時における内燃機関（１）の燃費を向上させることができるとともに、大気中に放出される有害物質（エミッション）の総排出量を低減することができる。

請求項１１に記載の発明では、内燃機関（１）から排出された燃焼ガスを大気中に放出するための排気管（２）から分岐させて蒸気発生器（１６）に供給する燃焼ガス供給手段（２ａ、２５）を有することを特徴とする。

これにより、排気管（２）に対して直列に蒸気発生器（１６）を配置した場合に比べて燃焼ガスが流通する際の圧力損失を低減することができる。

請求項１２に記載の発明では、蒸気発生器（１６）から流出する燃焼ガスを内燃機関（１）の吸気側に戻すＥＧＲ回路（２７）を有することを特徴とする。

これにより、搭載部品点数の増大を抑制しながら、ランキンサイクルを車両に搭載することができる。

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態は大型バス等の廃熱量が大きい車両に本発明に係るランキンサイクルを適用したものであって、図１は本実施形態に係るランキンサイクルの構成を示す模式図である。

エンジン１は走行用駆動力を発生させる内燃機関であり、本実施形態では、ディーゼル式の内燃機関を採用している。排気管２はエンジン１から排出される燃焼ガス（排気）を大気中に放出するための管であり、この排気管２には、燃焼ガスを浄化する浄化装置３及び排気管２から大気中に放出される燃焼ガスの騒音を低減するマフラー４が設けられている。

なお、浄化装置３は、マフラー４より燃焼ガス流れ上流側に配置されているとともに、燃焼ガスのＰＭ（炭素微粒子等）を除去するフィルタ、及び燃焼ガスの酸化還元反応を促進する三元触媒等からなるものであり、マフラー４は、燃焼ガスの通路断面積を拡大収縮させる拡張型、特定の周波数で共鳴させる共鳴型、及び吸音材を用いた吸音型のいずれかの方式のものである。

ラジエータ５は、エンジン１内を循環したエンジン冷却水と大気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する放熱器であり、送風機５ａはラジエータ５に冷却風を送風する電動式の送風手段である。

サーモスタット６は、エンジン１から流出したエンジン冷却水をラジエータ５を迂回させてエンジン１に戻すバイパス回路６ａに流すエンジン冷却水量とラジエータ５に流す冷却水量とを調節することにより、エンジン１の温度を適正温度（例えば、８０℃〜１１０℃）程度に維持するエンジン温度制御手段である。

なお、本実施形態では、サーモスタット６として、電子制御装置７にて制御される電気式の流量調節弁を採用している。そして、電子制御装置７は、水温センサ６ｂにて検出されたエンジン１から流出したエンジン冷却水の温度を読み込んで、その検出温度が所定温度範囲（例えば、８０℃〜１１０℃）となるようにサーモスタット６を制御する。

ポンプ８はエンジン冷却水を循環させるもので、本実施形態では、エンジン１から駆動力を得て稼働するものを採用している。

ヒータ９はエンジン冷却水を熱源として室内に吹き出す空調用の空気を加熱する暖房用加熱手段であり、デフロスタヒータ１０は、エンジン冷却水を熱源として窓ガラスに向けて吹き出される空気を加熱する曇り除去用加熱手段である。

エンジン冷却水流路切換バルブ１１は、ヒータ９及びデフロスタヒータ１０にエンジン１から流出したエンジン冷却水を循環させる場合と、ヒータ９、デフロスタヒータ１０及び燃焼式ヒータ１３又は蓄熱装置１４間でエンジン冷却水を循環させる場合とを切り換えるバルブであり、このエンジン冷却水流路切換バルブ１１の作動は、電子制御装置７により制御されている。

なお、本実施形態ではエンジン冷却水流路切換バルブ１１をヒータ９及びデフロスタヒータ１０等の暖房用加熱器のエンジン冷却水流れ上流側に設けているが、暖房用加熱器のエンジン冷却水流れ下流側に設けててもよいことは言うまでもない。

ポンプ１２はヒータ９及びデフロスタヒータ１０にエンジン冷却水を循環させるもので、本実施形態では、ポンプ１２として、その作動が電子制御装置７により制御される電気式のポンプを採用している。

燃焼式ヒータ１３は、燃料（本実施形態では、エンジン１の燃料と同じ軽油）を燃焼せることにより熱を発生させるもので、本実施形態では、この燃焼式ヒータ１３で発生した熱によりヒータ９及びデフロスタヒータ１０に供給されるエンジン冷却水を加熱して、ヒータ９及びデフロスタヒータ１０の加熱能力を補っている。なお、燃焼式ヒータ１３の発熱量及び作動も電子制御装置７により制御されている。

蓄熱装置１４は、例えば蓄熱材や高温のエンジン冷却水を保温貯蔵する蓄熱タンク等にて構成されて熱を蓄えるものであり、この蓄熱装置１４は、エンジン冷却水流れにおいて、燃焼式ヒータ１３と並列に配置されて、エンジン１から供給される高温のエンジン冷却水の熱を蓄える。

蓄熱装置流路切換バルブ１５は、燃焼式ヒータ１３内を流通させてエンジン冷却水をヒータ９及びデフロスタヒータ１０に供給する場合と、蓄熱装置１４内を流通させてエンジン冷却水をヒータ９及びデフロスタヒータ１０に供給する場合とを切り換える。

なお、本実施形態では、蓄熱装置流路切換バルブ１５を燃焼式ヒータ１３及び蓄熱装置１４の上流側に位置する冷却水分岐部に配置したが、燃焼式ヒータ１３及び蓄熱装置１４の下流側に位置する冷却水合流部に配置してもよいことは言うまでもない。

また、水温センサ９ａは、ヒータ９およびデフロスタヒータ１０に流入するエンジン冷却水の温度を検出するもので、この水温センサ９ａの検出温度は、電子制御装置７に入力されている。

蒸気発生器１６は、エンジン１から排出される燃焼ガスを熱源として過熱蒸気を生成する加熱器であり、膨張機１７は、蒸気発生器１６で生成された過熱蒸気を略等エントロピ的に減圧膨脹させて過熱蒸気の有する熱エネルギを回転エネルギ等の機械的エネルギに変換するものである。

熱交換器１８は、蒸気発生器１６及び膨張機１７等を循環する作動流体とエンジン冷却水とを熱交換するもので、この熱交換器１８は、エンジン冷却水が循環する冷却水回路のうちヒータ９やデフロスタヒータ１０等の暖房用加熱器より上流側で、膨張機１７の出口側の作動流体とエンジン冷却水とを熱交換させる。

作動流体流路切換バルブ１９は、蒸気発生器１６から流出する作動流体を膨張機１７を迂回させて熱交換器１８に導くバイパス回路１９ａに流す場合と、蒸気発生器１６から流出する作動流体を膨張機１７に供給する場合とを切り換えるバルブであり、この作動流体流路切換バルブ１９の作動も電子制御装置７により制御されている。

なお、本実施形態では、作動流体流路切換バルブ１９を膨張機１７の流体入口側に配置したが、膨張機１７の流体出口側に配置してもよいことは言うまでもない。

蒸気温度センサ２０は、蒸気発生器１６から流出する過熱蒸気の温度、つまり膨張機１７に流入する過熱蒸気の温度を検出する膨張機運転状態検出手段であり、この蒸気温度センサ２０の検出値は電子制御装置７に入力されており、電子制御装置７は蒸気温度センサ２０の検出に温度に基づいて作動流体流路切換バルブ１９の作動を制御する。

ポンプ２６は熱交換器１８から流出する作動流体を蒸気発生器１６に圧送するもので、本実施形態では、電動式のポンプを採用するとともに、その作動（吐出量および吐出量）は電子制御装置７にて制御されている。

発電機２１は膨張機１７から出力される回転エネルギを受けて電力を発生させるもので、電力制御装置２２は、発電機２１で発電された電力をバッテリ２３及び電動モータ等の電気負荷（電装部品２４）に分配供給するための制御装置であり、この電力制御装置２２も電子制御装置７にて制御されている。

また、燃焼ガス流路切換バルブ２５は、排気管２から分岐して蒸気発生器１６に至る燃焼ガス供給用排気管２ａに供給する燃焼ガス量を調節するバルブであり、この燃焼ガス流路切換バルブ２５の作動も電子制御装置７により制御されている。

なお、本実施形態では、燃焼ガス流路切換バルブ２５は、燃焼ガス供給用排気管２ａと排気管２との接合部のうちエンジン１側、つまり燃焼ガス供給用排気管２ａと排気管２との分岐部に設けられているが、燃焼ガス供給用排気管２ａと排気管２との接合部のうち浄化装置３側、つまり燃焼ガス供給用排気管２ａと排気管２との合流部に設けてもよいことは言うまでもない。

次に、本実施形態に係るランキンサイクルの作動を述べる。

１．基本作動（廃熱回収作動）
エンジン１が稼動しているときに、燃焼ガス流路切換バルブ２５を作動させて燃焼ガス供給用排気管２ａに燃焼ガスを供給するとともに、ポンプ２６を稼動させて、作動流体を蒸気発生器１６→膨張機１７→熱交換器→ポンプ２６→蒸気発生器１６の順で循環させる。

これにより、膨張機１７には、蒸気発生器１６にて加熱された過熱蒸気が流入し、膨張機１７に流入した加熱蒸気は、膨張機１７内で等エントロピ的に膨張しながらそのエンタルピを低下させていく。このため、膨張機１７は、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギを発電機２１に与え、発電機２１により発電された電力は、バッテリ２３や電装部品２４に与えられる。

また、膨張機１７から流出した流体は、熱交換器１８にてエンジン冷却水と熱交換して冷却されて凝縮し、ポンプ２６にて再び蒸気発生器１６側に圧送される。

２．燃焼ガス流路切換バルブ２５の作動
燃焼ガス流路切換バルブ２５は、エンジン１の温度、つまり水温センサ６ｂの検出温度（以下、冷却水温度と表記する。）が所定の設定温度より低くなり、かつ、膨張機１７に流入する過熱蒸気の温度、つまり蒸気温度センサ２０の検出温度（以下、作動流体温度と表記する。）が所定の設定温度より低くなるように電子制御装置７により制御される。

具体的には、冷却水温度が所定の設定温度以上のときには、冷却水温度が所定の設定温度未満のときに比べて、蒸気発生器１６に供給するガス量を低減して蒸気発生器１６での熱交換量を低減する。

一方、冷却水温度が所定の設定温度未満のときには、冷却水温度が所定の設定温度以上のときに比べて、蒸気発生器１６に供給するガス量を増大して蒸気発生器１６での熱交換量を低減増大させる。

また、作動流体温度が所定の設定温度以上のときには、作動流体温度が所定の設定温度未満のときに比べて、蒸気発生器１６に供給するガス量を低減して蒸気発生器１６での熱交換量を低減する。

一方、作動流体温度が所定の設定温度未満のときには、作動流体温度が所定の設定温度以上のときに比べて、蒸気発生器１６に供給するガス量を増大して蒸気発生器１６での熱交換量を低減増大させる。

なお、図２は上記燃焼ガス流路切換バルブ２５の制御を示すフローチャートの一例であり、以下、図２に示すフローチャートを説明する。なお、図２に示すフローチャートは、基本作動（廃熱回収作動）の始動と同時に起動する。

先ず、冷却水温度が所定の設定温度以上であるか否かを判定し（Ｓ１）、冷却水温度が所定の設定温度以上のときには、冷却水温度が所定の設定温度未満のときに比べて、蒸気発生器１６に供給するガス量を低減して蒸気発生器１６での熱交換量を低減する（Ｓ２）。

一方、冷却水温度が所定の設定温度未満のときには、作動流体温度が所定の設定温度以上であるか否かを判定し（Ｓ３）、作動流体温度が所定の設定温度以上のときには、作動流体温度が所定の設定温度未満のときに比べて、蒸気発生器１６に供給するガス量を低減して蒸気発生器１６での熱交換量を低減する（Ｓ２）。

また、作動流体温度が所定の設定温度未満のときには、蒸気発生器１６に供給するガス量を増大して蒸気発生器１６での熱交換量を低減増大させる（Ｓ４）。

３．作動流体流路切換バルブ１９の作動
作動流体流路切換バルブ１９は、エンジン１の廃熱（燃焼ガス）から動力を回収する廃熱回収作動を優先する場合と、燃焼ガスから回収した熱をエンジン冷却水に与える廃熱回収作動を優先する場合とを切り換えるために制御される。

具体的には、冷却水温度が所定温度以下の場合には、エンジン１の温度が低いときには、蒸気発生器１６から流出した過熱蒸気を膨張機１７にて膨張させることなく熱交換器１８に導き、燃焼ガスから回収した廃熱をエンジン冷却水に与え、一方、一方、冷却水温度が所定温度より高いときには、蒸気発生器１６から流出した過熱蒸気を膨張機１７にて膨張させて、燃焼ガスから回収した廃熱から動力を回収する。

なお、エンジン１の温度が低いときには、暖機運転が終了しておらずエンジン１が安定稼動（安定燃焼）していない、エンジンオイルの粘度が高くエンジン１内の摩擦損失が増大する、又はヒータ９及びデフロスタヒータ１０での加熱能力が不足する等の問題が発生する。

因みに、図３は上記した作動流体流路切換バルブ１９の制御フローの一例を示すフローチャートであり、以下、図３に示すフローチャートを説明する。なお、図３に示すフローチャートは、基本作動（廃熱回収作動）の始動と同時に起動する。

先ず、冷却水温度が所定の所定温度以上であるか否かを判定し（Ｓ１１）、冷却水温度が所定の所定温度未満のときには、燃焼ガスから回収した熱をエンジン冷却水に与える廃熱回収作動を優先すべく、バイパス回路１９ａ側を開き、膨張機１７側を閉じるように作動流体流路切換バルブ１９を作動させ（Ｓ１２）、一方、冷却水温度が所定の所定温度以上のときには、エンジン１の燃焼ガスから動力を回収する廃熱回収作動を優先すべく、バイパス回路１９ａ側を閉じ、膨張機１７側を開くように作動流体流路切換バルブ１９を作動させる（Ｓ１３）。

４．エンジン冷却水流路切換バルブ１１及び蓄熱装置流路切換バルブ１５作動
エンジン１が稼動してときには、ポンプ１２への通電を停止した状態で、エンジン１から流出したエンジン冷却水を蓄熱装置１４を経由してヒータ９及びデフロスタヒータ１０に循環させるようにエンジン冷却水流路切換バルブ１１及び蓄熱装置流路切換バルブ１５を作動させる。

一方、エンジン１が停止しているときには、ポンプ１２を稼動させた状態で、ヒータ９、デフロスタヒータ１０及び燃焼式ヒータ１３又は蓄熱装置１４間でエンジン冷却水を循環させるようにエンジン冷却水流路切換バルブ１１を作動させる。

このとき、ヒータ９に流入するエンジン冷却水の温度、つまり水温センサ９ａの検出温度が所定温度以上の場合には、燃焼式ヒータ１３を停止させた状態で、蓄熱装置１４→ヒータ９及びデフロスタヒータ１０→ポンプ１２→蓄熱装置１４の順でエンジン冷却水を循環させ、ヒータ９に流入するエンジン冷却水の温度未満となった時には、燃焼式ヒータ１３を稼動させた状態で、燃焼式ヒータ１３→ヒータ９及びデフロスタヒータ１０→ポンプ１２→燃焼式ヒータ１３の順でエンジン冷却水を循環させる。

なお、エンジン１が稼動しているときは、前述ごとく、エンジン１から流出したエンジン冷却水を蓄熱装置１４を経由してヒータ９及びデフロスタヒータ１０に循環させることを基本作動とするが、ユーザが希望する場合には、ユーザの手動操作スイッチ（図示せず。）を投入することにより、ヒータ９及びデフロスタヒータ１０等の暖房用冷却水回路とエンジン１側の冷却水回路とを切り離してもよい。

次に、本実施形態の作用効果を述べる。
本実施形態では、エンジン１から排出される燃焼ガスから熱を回収して、膨張機１７に回収した熱から動力を取り出すとともに、膨張機１７にて減圧膨脹を終えた作動流体に残存する熱、つまり従来は大気中に捨てられていた熱を、エンジンの冷却水回路、つまりエンジン冷却水が循環する冷却水回路中に放熱するので、エンジン冷却水を加熱することができ、暖機運転時間の短縮、エンジン温度を上昇させてエンジン１内の摩擦損失を低減する、及びヒータ９及びデフロスタヒータ１０での加熱能力不足を補完する等、燃焼ガスを有する熱エネルギを効果的に利用することができる。

したがって、エンジン１、つまり車両の消費燃料量の低減、暖房性能の向上、燃焼式ヒータ１３の稼働率抑制による消費燃料量の低減、暖機運転時間の短縮、及び即効暖房能力の向上等を図ることができる。

また、エンジン１から流出したときのエンジン冷却水の温度が低いときであっても、蓄熱装置１４に確実、かつ、安定的に熱を与えることができるので、アイドルストップ運転時間が長時間化しても、燃焼式ヒータ１３を稼動させることなく、確実に蓄熱装置１４に暖房を行うことができる。

また、通常、ランキンサイクルでは、ポンプ２６に吸引される作動流体を確実に液相流体とするために、膨張機１７から流出した流体を専用の凝縮器にて冷却しているが、本実施形態では、膨張機１７にて減圧膨脹を終えた作動流体とエンジン冷却水とを熱交換して膨張機１７にて減圧膨脹を終えた作動流体を冷却しているので、既存部品であるラジエータ５の余剰放熱能力を利用してポンプ２６に吸引される作動流体を冷却することができる。

したがって、ラジエータ５に加えてランキンサイクル専用の凝縮器を設ける必要がないので、ランキンサイクルの製造原価を低減することができるとともに、ランキンサイクルの車両への搭載性を向上させることができる。

また、蒸気発生器１６、膨張機１７、熱交換器１８及びポンプ２６等のランキンサイクル内を循環する作動流体の流体回路とエンジン冷却水が循環する冷却水回路とが独立しているので、ランキンサイクル用の作動流体として、エンジン冷却水よりも低沸点の流体を使用することができ得る。

したがって、エンジン１の廃熱温度、つまり燃焼ガス温度が低い場合、又は燃焼ガスの排出量が少ないエンジン１を搭載する車両にも本実施形態に係るランキンサイクルを適用することができる。

また、エンジン冷却水流路切換バルブ１１を作動させて、ヒータ９、デフロスタヒータ１０及び燃焼式ヒータ１３又は蓄熱装置１４間でエンジン冷却水を循環させれば、ヒータ９及びデフロスタヒータ１０等の暖房用冷却水回路とエンジン１側の冷却水回路とを切り離すことができるので、ランキンサイクルの排熱、つまり膨張機１７から流出した作動流体に残存する熱により即効暖房を行うことができ得る。

また、エンジン１から流出するエンジン冷却水の温度が所定の設定温度以上となったとき、又は蒸気発生器１６から流出する作動流体の温度が所定の設定温度以上となったときには、燃焼ガス流路切換バルブ２５にて蒸気発生器１６に供給される燃焼ガス量を調節して作動流体と燃焼ガスとの熱交換量をそれ以前に比べて低下させるので、ランキンサイクルを介してエンジン冷却水の冷却水回路中に放出される燃焼ガスの熱を低下させることができる。

したがって、エンジン１から流出するエンジン冷却水の温度が所定の設定温度以上となったとき、又は蒸気発生器１６から流出する作動流体の温度が所定の設定温度以上となったとき等のエンジン１の出力が増大したときに、ラジエータ５の放熱能力が不足してしまうことを未然に防止できるので、エンジン冷却水の温度が過度に上昇してしまう、つまりエンジン１がオーバヒートしてしまう、及び過熱蒸気の温度が過度に上昇してポンプ２６に蒸気流体が流入してランキンサイクルの効率が低下してしまう等の不具合が発生してしまうことを未然に防止できる。

さらに、ラジエータ５の放熱能力が不足してしまうことを未然に防止できるので、ランキンサイクル用の凝縮用放熱器（本実施形態では、熱交換器１８）を大型にする必要がないので、ランキンサイクルの車両への搭載性を向上させることができる。

また、蒸気発生器１６から流出した過熱蒸気を膨張機１７に供給することなく、バイパス回路１９ａを経由して直接的に熱交換器１８に供給することができるので、本実施形態では、蒸気発生器１６にて燃焼ガスから回収した熱を直接的にエンジン冷却水が循環する冷却水回路に与えることができる。

したがって、本実施形態では、作動流体流路切換バルブ１９及びバイパス回路１９ａを設けるといった簡便な手段にて、燃焼ガスから回収した熱を直接的にエンジン冷却水が循環する冷却水回路に与えて冷間始動時（コールドスタート時）における暖機運転時間の短縮や即効暖房等を行うこができる。

また、排気管２と蒸気発生器１６とを燃焼ガス流れに対して並列に配置した状態で、排気管２から分岐させて蒸気発生器１６に燃焼ガスを供給するので、排気管２に対して直列に蒸気発生器１６を配置した場合に燃焼ガスが流通する際の圧力損失を低減することができる。

また、蓄熱装置１４と燃焼式ヒータ１３とは、エンジン冷却水の流れに対して並列に配置されているので、蓄熱装置１４に蓄えられた熱にて暖房する場合に、蓄熱装置１４に蓄えられた熱が燃焼式ヒータ１３に吸熱されてしまうことを防止でき、アイドルストップ運転時の暖房能力を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態は、図４に示すように、エンジン冷却水の流れに対して、ラジエータ５と熱交換器１８とが並列に配置され、熱交換器１８は他の回路から独立している。

これにより、ランキンサイクルの廃熱や燃焼ガスから回収した熱を直接エンジン１に供給できるため、エンジン冷却水の温度を効率的に上昇させることができる。

したがって、エンジン１の暖機運転時間の短縮等を図ることができるので、冷間始動時におけるエンジン１の燃費を向上させることができるとともに、大気中に放出される有害物質（エミッション）の総排出量を低減することができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、蒸気発生器１６から流出する燃焼ガスをＥＧＲ回路に供給するものである。

ここで、ＥＧＲ回路２７とは、エンジン１の燃焼ガスの一部を吸入空気中に混入させる（以下、この行為を排気再循環と呼ぶ。）ことにより最高燃焼温度を低下させ、燃焼ガス中に含まれる有害物質である窒素酸化物の低減を図る排気ガス再循環装置において、排気再循環させるための燃焼ガス通路である。

このため、窒素酸化物低減効果を高めるには、温度の低い燃焼ガスを吸気側に供給することが望ましく、通常は、エンジン冷却水や空気にてエンジン１から排出された燃焼ガスを冷却した後、エンジン１の吸気側に戻している。

したがって、本実施形態のごとく、蒸気発生器１６にて燃焼ガスから廃熱を回収しながら燃焼ガスを冷却すれば、車両搭載部品点数の増大を抑制しながら、ランキンサイクルを車両に搭載することができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、内燃機関運転状態検出手段として水温センサ６ｂを採用し、膨張機１７の運転状態を検出する膨張機運転状態検出手段として蒸気温度センサ２０を採用したが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、発電機２１による発電量が車両全体の必要電力量を上回る場合に、それ以前に比べて蒸気発生器１６での熱回収量を低減してもよい。

これにより、エンジン冷却水の温度を適正範囲に制御してエンジン１を良好に運転させながら、不要な電力量の発電を防止することができる。

また、上述の実施形態では、車両に本発明に係るランキンサイクルを適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものではればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。 本発明の第１実施形態に係るランキンサイクルの制御フローの一例を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係るランキンサイクルの制御フローの一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。 本発明の第３実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。

符号の説明

１…エンジン、２…排気管、３…浄化装置、４…マフラー、５…ラジエータ、
６…サーモスタット、６ａ…水温センサ、７…電子制御装置、８…ポンプ、
９…ヒータ、１０…デフロスタヒータ、１１…エンジン冷却水流路切換バルブ、
１２…ポンプ、１３…燃焼式ヒータ、１４…蓄熱装置、
１５…蓄熱装置流路切換バルブ、１６…蒸気発生器、１７…膨張機、
１８…熱交換器、１９…作動流体流路切換バルブ、２０…蒸気温度センサ、
２１…発電機、２２…電力制御装置、２３…バッテリ、２４…電装部品、
２５…燃焼ガス流路切換バルブ、２６…ポンプ。

Claims (12)

1. 内燃機関（１）から排出される燃焼ガスと流体とを熱交換して過熱蒸気を生成する蒸気発生器（１６）と、
   前記蒸気発生器（１６）で生成された過熱蒸気を膨脹させて膨張機（１７）と、
   前記内燃機関（１）の運転状態を検出する内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）と、
   前記膨張機（１７）の運転状態を検出する膨張機運転状態検出手段（２０）と、
   前記内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）の検出値及び前記膨張機運転状態検出手段（２０）の検出値のうち少なくとも一方の検出値に基づいて前記蒸気発生器（１６）での熱交換量を制御する熱交換量制御手段（７）とを備えることを特徴とするランキンサイクル。
2. 前記膨張機（１７）の流体出口側に設けられ、前記内燃機関（１）の冷却液回路内を循環する冷却液と流体とを熱交換させる熱交換器（１８）を有することを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル。
3. 前記内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）は、前記内燃機関（１）の温度に基づいて前記内燃機関（１）の運転状態を検出しており、
   さらに、前記熱交換量制御手段（７）は、前記内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）が検出した前記内燃機関（１）の温度が所定温度以上のときには、前記内燃機関運転状態検出手段（６ｂ）が検出した前記内燃機関（１）の温度が前記所定温度未満のときに比べて前記蒸気発生器（１６）での熱交換量を低減することを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクル。
4. 前記膨張機運転状態検出手段（２０）は、前記膨張機（１７）に流入する流体の温度に基づいて前記膨張機（１７）の運転状態を検出しており、
   さらに、前記熱交換量制御手段（７）は、前記膨張機運転状態検出手段（２０）が検出した前記膨張機（１７）に流入する流体の温度が所定温度以上のときには、前記膨張機運転状態検出手段（２０）が検出した前記膨張機（１７）に流入する流体の温度が前記所定温度未満のときに比べて前記蒸気発生器（１６）での熱交換量を低減することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
5. 前記膨張機運転状態検出手段（２０）は、前記膨張機（１７）から出力されるエネルギ量に基づいて前記膨張機（１７）の運転状態を検出しており、
   さらに、前記熱交換量制御手段（７）は、前記膨張機運転状態検出手段（２０）が検出した前記エネルギ量が所定量以上のときには、前記膨張機運転状態検出手段（２０）が検出した前記エネルギ量が前記所定量未満のときに比べて前記蒸気発生器（１６）での熱交換量を低減することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
6. 内燃機関（１）から排出される燃焼ガスを熱源として過熱蒸気を生成する蒸気発生器（１６）と、
   前記蒸気発生器（１６）で生成された過熱蒸気を膨脹させて膨張機（１７）と、
   前記膨張機（１７）にて膨脹を終えた流体と前記内燃機関（１）の冷却液回路内を循環する冷却液とを熱交換させる熱交換器（１８）とを有することを特徴とするランキンサイクル。
7. 内燃機関（１）から排出される燃焼ガスと流体とを熱交換して過熱蒸気を生成する蒸気発生器（１６）と、
   前記蒸気発生器（１６）から流出する流体を膨脹させて膨張機（１７）と、
   前記膨張機（１７）の流体出口側に設けられ、前記内燃機関（１）の冷却液回路内を循環する冷却液と流体とを熱交換させる熱交換器（１８）と、
   前記蒸気発生器（１６）から流出する流体を前記膨張機（１７）を迂回させて前記熱交換器（１８）に導くバイパス回路（１９ａ）と、
   前記バイパス回路（１９ａ）の連通状態を制御するバルブ（１９）と、
   前記バルブ（１９）の作動を制御する制御装置（７）とを有することを特徴とするランキンサイクル。
8. 前記内燃機関（１）の冷却液を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するヒータ（９、１０）を有し、
   前記熱交換器（１８）は、前記冷却液回路のうち前記ヒータ（９、１０）より冷却液流れ上流側に配置されていることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
9. 蓄えられた熱を前記冷却液回路を流れる冷却液に与えることができる蓄熱装置（１４）と、
   燃料を燃焼させて熱を発生させて、その熱を前記冷却液回路を流れる冷却液に与えることができる燃焼式ヒータ（１３）とを有し、
   前記蓄熱装置（１４）と前記燃焼式ヒータ（１３）とは、冷却液の流れに対して並列に配置されていることを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
10. 前記冷却液と大気とを熱交換するラジエータ（５）を有し、
    前記冷却液の流れに対して、前記ラジエータ（５）と前記熱交換器（１８）とが並列に配置されていることを特徴とする請求項２ないし９のいずれか１つに記載のランキンサイクル。
11. 前記内燃機関（１）から排出された燃焼ガスを大気中に放出するための排気管（２）から分岐させて前記蒸気発生器（１６）に供給する燃焼ガス供給手段（２ａ、２５）を有することを特徴とする請求項１ないし１０に記載のランキンサイクル。
12. 前記蒸気発生器（１６）から流出する燃焼ガスを前記内燃機関（１）の吸気側に戻すＥＧＲ回路（２７）を有することを特徴とする請求項１ないし１１に記載のランキンサイクル。

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