JP2014118880A - 内燃機関の排熱回収装置と内燃機関の排熱回収方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃機関の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などの蒸発器で作動媒体を蒸発できない場合でも、膨張器が出力する動力を低下させずに、平準化することができるので、効率よく内燃機関の廃熱を利用することができる内燃機関の廃熱回収装置と内燃機関の排熱回収方法を提供する。
【解決手段】ランキンサイクル１４を備えるエンジン１の廃熱回収装置１３において、タービン１７を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータ２０に蓄え、タービン１７からの作動媒体だけではボイラー１６が予め定めた動力を出力できないときに、スチームアキュームレータ２０から蓄えられた余剰作動媒体をタービン１７へ放出し、タービン１７の出力する動力を平準化する平準化ライン２１と、を備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排熱を回生し、内燃機関の駆動力や発電力として利用する内燃機関の排熱回収装置と内燃機関の排熱回収方法に関する。
従来、内燃機関の排ガスや冷却水により大気中に放散されている廃熱エネルギーを回収し、利用する方法の一つにランキンサイクルがある。このランキンサイクルとは、非可逆熱サイクルの一種で、蒸気タービンの理論サイクルであり、作動媒体を圧送するポンプ（圧送器）と、作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させるボイラー（蒸発器）と、ボイラーから流出する作動媒体により駆動されて動力を出力するタービン（膨張器）と、タービンから流出する作動媒体を液化するコンデンサ（凝縮器）と、を備える。
このランキンサイクルを自動車に搭載し、作動媒体に水、低沸点のエタノール、水とエタノールの混合液、又は代替フロンガス（ＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ２４５ｆａ、ＨＦＯ１２３４ｙｆなど）を用いることで、エンジン（内燃機関）の廃熱エネルギーを回収し、蒸発時の体積変化を動力に換え、エンジンの軸出力の補助や発電に利用するものが提案されている。
ランキンサイクルを自動車に搭載した装置としては、ＥＧＲガスと、作動媒体との間で熱交換する蒸発器と、蒸発器から流出する作動媒体と、ターボチャージャーから流出する排気との間で熱交換する過熱器と、過熱器から流出する作動媒体により膨張器を駆動することで内燃機関の排気熱を回収するものがある（例えば、特許文献１参照）。これにより、ターボチャージャー及びＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、効率良く排気熱損失を回収し、動力として回生することで更なる熱効率の改善を図っている。
しかし、ランキンサイクルからの動力の出力は、エンジンの廃熱を利用することから、エンジンの運転状態に依存するので、エンジンの始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などの廃熱エネルギーが低い状態では、安定して動力を出力することができず、実用燃費への効果は数パーセントに過ぎない。
一方、ランキンサイクルと共に、スチームアキュームレータを備えた装置がある（例えば、特許文献２、及び特許文献３参照）。
特許文献２に記載の装置は、通常運転時にスチームアキュームレータに蒸気を蓄えて、アイドリング運転時に主エンジンを停止し、スチームアキュームレータから蒸気を放出しランキンエンジンを駆動し、主エンジンの再始動をランキンエンジンによって行っている。これにより、アイドリング運転の多い市街地走行において、燃費を改善している。
また、特許文献３に記載の装置は、エンジンの減速燃料カット中、回生動力を用いた回生動力アシストが行われ、補機回生による車両減速度の増大を抑えている。これにより、補機による回生量を増やし、燃費を向上させている。また、回生動力の発生のタイミングをスチームアキュームレータにより遅らせることで、車両減速度が許容減速度に到達するタイミングで回生動力アシストを開始するので、減速当初は適度な減速感を得つつ減速度が過大になるのを抑えることができ、運転者にとって自然な減速を実現している。
それらの装置は、エンジンの廃熱エネルギーをスチームアキュームレータに蓄えることで、動力を出力するタイミングを制御し、必要なときに動力を出力することで、燃費の改
善を図っているが、スチームアキュームレータに蓄えられるだけの廃熱エネルギーしか利用できず、エンジンの廃熱エネルギーを効率良く利用できていない。また、スチームアキュームレータの容量を大きくすると、その分車両への搭載性が悪くなる。
特開２０１２−００７５００号公報 特開昭５８−２０９１１号公報 特開２０１０−１９６４７６号公報
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などの蒸発器で作動媒体を蒸発できない場合でも、膨張器が出力する動力を低下させずに、平準化することができるので、効率よく内燃機関の廃熱を利用することができる内燃機関の排熱回収装置と内燃機関の排熱回収方法を提供することである。
上記の目的を解決するための本発明の内燃機関の排熱回収装置は、作動媒体を圧送する圧送器と、作動媒体を内燃機関の廃熱で蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出する作動媒体により駆動されて動力を出力する膨張器と、該膨張器から流出する作動媒体を液化する凝縮器と、を有するランキンサイクルを備える内燃機関の排熱回収装置において、前記膨張器を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータに蓄え、前記蒸発器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できないときに、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化する平準化ラインと、を備えて構成される。
この構成によれば、蒸発器から流出する作動媒体だけでは膨張器が予め定めた動力を出力できないときに、その動力の出力を平準化する平準化ラインを備えることで、内燃機関の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などの蒸発器で作動媒体を蒸発できない場合でも、スチームアキュームレータから余剰作動媒体を放出し、膨張器を駆動する。これにより、動力が低下することを抑制し、膨張器が出力する動力が平準化されるので、効率よく内燃機関の廃熱を利用することができる。そして、その平準化された動力を内燃機関の駆動に利用することで、燃費を向上することができる。
なお、ここでいう平準化とは、内燃機関の始動直後の場合は膨張器の駆動時間を早めることであり、内燃機関の停止直前や低負荷運転時の場合は膨張器の駆動時間を延長することである。また、膨張器で出力された動力を回生する構成は、一系統の膨張器の発電システムや、高低圧二系統の膨張器の発電システムを用いて、その発電システムで得られた電気エネルギーを、電動モーターを介して内燃機関のクランク軸（出力軸）へ回生する構成や、膨張器の回転を減速機、増速機或いは無段変速機などを介して直接的に内燃機関のクランク軸へ回生する構成などを用いることができる。
また、上記の内燃機関の排熱回収装置において、前記蒸発器から流出する作動媒体を前記膨張器に導く通常動力出力流路と、前記蒸発器から流出する作動媒体を前記スチームアキュームレータに導く貯蓄流路と、前記スチームアキュームレータから流出する作動媒体を前記膨張器に導く平準化流路と、を備えると共に、前記通常動力出力流路が開放され、前記蒸発器から流出する作動媒体で前記膨張器を駆動してから、前記蒸発器から流出する
作動媒体の温度又は圧力が、前記余剰作動媒体を生じる余剰判定値を超えたときに、前記貯蓄流路を開放し、前記スチームアキュームレータに前記余剰作動媒体を蓄える貯蓄手段と、前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記膨張器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できない平準化判定値を下回ったときに、前記平準化流路を開放し、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化する平準化手段と、を有する制御装置を備えて構成すると、作動媒体の温度又は圧力によって、ランキンサイクルのみで動力を出力するか、ランキンサイクルで動力を出力し、その際の余剰分を平準化ラインに蓄えるか、又は平準化ラインを稼働し、動力の出力低下を抑制するかを選択して、動力の出力の平準化を図ることができる。
なお、一系統の膨張器の場合では、平準化流路が膨張器の上流で通常動力出力流路に合流するように構成されるが、高低圧二系統の膨張器の場合では、通常動力出力流路が高圧の膨張器に接続され、平準化流路が低圧の膨張器に接続され、膨張器の下流で、且つ凝縮器の上流で合流するように構成される。
加えて、上記の内燃機関の排熱回収装置において、前記スチームアキュームレータが、８０℃以上、１５０℃以下の温度で融解する蓄熱材が封入され、両端が塞がれた蓄熱管を備えると、通常のアキュームレータの有する蓄圧と作動媒体の顕熱で蓄熱する構成に加えて、潜熱蓄熱の効果が追加されるので、同じ熱容量でサイズを小さくすることができ、且つ重量の増加も少なくすることができる。これにより、車両への搭載性を向上することができる。
また、上記の目的を解決するための本発明の内燃機関の排熱回収方法は、作動媒体を圧送する圧送器と、作動媒体を内燃機関の廃熱で蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出する作動媒体により駆動されて動力を出力する膨張器と、該膨張器から流出する作動媒体を液化する凝縮器と、を有するランキンサイクルを用いた内燃機関の排熱回収方法において、前記膨張器を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータに蓄え、前記蒸発器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できないときに、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化することを特徴とする方法である。
さらに、上記の内燃機関の排熱回収方法において、前記蒸発器から流出する作動媒体を前記膨張器に導く通常動力出力流路が開放され、前記蒸発器から流出する作動媒体で前記膨張器を駆動してから、前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記余剰作動媒体を生じる余剰判定値を超えたときに、前記蒸発器から流出する作動媒体を前記スチームアキュームレータに導く貯蓄流路を開放し、前記スチームアキュームレータに前記余剰作動媒体を蓄え、前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記膨張器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できない平準化判定値を下回ったときに、前記スチームアキュームレータから流出する作動媒体を前記膨張器に導く平準化流路を開放し、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化することが好ましい。
本発明によれば、内燃機関の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などの蒸発器で作動媒体を蒸発できない場合でも、膨張器が出力する動力を低下させずに、平準化することができるので、効率よく内燃機関の廃熱を利用することができる。そして、その動力を内燃機関の駆動の補助などに利用することで、内燃機関の燃費を向上することができる。
本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置を示す構成図であり、通常動力出力流路を開放し、ランキンサイクルにより動力を出力する状態を示す。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収方法の一部であり、スチームアキュームレータに余剰作動媒体を蓄えるフローチャートを示す。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収方法の一部であり、スチームアキュームレータから余剰作動媒体を放出するフローチャートを示す。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置を示す構成図であり、迂回流路を開放し、作動媒体がタービンを迂回する状態を示す。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置を示す構成図であり、平準化流路を開放し、スチームアキュームレータに蓄えた余剰作動媒体により動力を出力する状態を示す。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置を示す構成図であり、貯蓄流路を開放し、スチームアキュームレータに余剰作動媒体を蓄える状態を示す。 本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置を示す構成図であり、平準化流路を開放し、スチームアキュームレータに蓄えた余剰作動媒体により動力を出力する状態を示す。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置を示す構成図であり、平準化流路を開放し、スチームアキュームレータに蓄えた余剰作動媒体により動力を出力する状態を示す。
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の排熱回収装置と内燃機関の排熱回収方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。
以下の実施の形態では、ディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができ、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。この図１〜図４、図７、及び図８に示すエンジン１は、エンジン本体２から排出された排ガスが、排気マニホールド３からターボチャージャー４を経由して外部に放出され、そのターボチャージャー４により吸気された空気が、エアクーラー５により冷却を経由して吸気マニホールド６に送られるよう構成される。また、排ガスの一部がＥＧＲクーラー７を経由してＥＧＲバルブ８から吸気マニホールド６に環流されるように構成される。加えて、エンジン本体２やＥＧＲクーラー７を冷却し、温められた冷却水は、バルブ１０を経由してラジエータ１１に送られて、クーリングファン１２により冷却されるように構成される。
このエンジン１の廃熱を回収し、利用する本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の廃熱回収装置１３は、図１に示すように、ランキンサイクル１４を備え、そのランキンサイクル１４が、作動媒体ポンプ（圧送器）１５、ボイラー（蒸発器）１６、タービン（膨張器）１７、コンデンサ（凝縮器）１８、及びレシーバタンク（貯留槽）１９を備える。そして、タービン１７は図示しない発電機に接続され、動力（電力）を出力している。
本発明は、タービン１７による動力の出力を平準化し、エンジン１の廃熱を効率よく利用するために、上記のランキンサイクル１４に加えて、タービン１７を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータ２０に蓄え、ボイラー１６からの作動媒体だけではタービン１７で予め定めた動力を出力できないときに、スチームアキュームレータ２０から蓄えた余剰作動媒体をタービン１７へ放出し、タービン１７の出力する動力を平準化する平準化ライン２１を備えて構成される。
詳しくは、ボイラー１６から流出する作動媒体をタービン１７に導く通常動力出力流路２２と、ボイラー１６から流出する作動媒体をスチームアキュームレータ２０に導く貯蓄流路２３と、スチームアキュームレータ２０から流出する作動媒体をタービン１７に導く平準化流路２４と、ボイラー１６から流出する作動媒体をタービン１７とスチームアキュームレータ２０の両方から迂回させ、コンデンサ１８に導く迂回流路２５を備える。
また、ボイラー１６から流出する作動媒体の温度Ｔ１及び圧力Ｐ１とスチームアキュームレータ２０内の余剰作動媒体の温度Ｔ２及び圧力Ｐ２を取得し、通常動力出力流路２２、貯蓄流路２３、平準化流路２４、及び迂回流路２５をそれぞれ開放又は遮蔽する通常動力出力手段Ｃ１、貯蓄手段Ｃ２、平準化手段Ｃ３、及び迂回手段Ｃ４を有するＥＣＵ（制御装置）２６を備える。
加えて、通常動力出力流路２２、貯蓄流路２３、平準化流路２４、及び迂回流路２５には、それぞれ第一バルブＶ１、第二バルブＶ２、第三バルブＶ３、及び第四バルブＶ４を備える。さらに、ボイラー１６から流出した作動媒体の温度Ｔ１を検知する温度センサＳ１、スチームアキュームレータ２０内の温度Ｔ２を検知する温度センサＳ２、及びスチームアキュームレータ２０内の圧力Ｐ２を検知する圧力センサＳ３を備える。
ランキンサイクル１４は、周知の技術のランキンサイクルを用いることができるが、有機流体ランキンサイクル（ＯＲＣともいう）やバイナリ流体サイクルとも呼ばれる１５０℃以下の低温熱源で作動するものが、エンジン１の低負荷時でも動力を出力することができるため好ましい。その低温熱源で作動するランキンサイクル１４の作動媒体としては水よりも沸点の低いものが好ましく、アンモニア（沸点−３３．３４℃）、エタノール（沸点７８．３７℃）、及び代替フロンガス（ＨＦＣ１３４ａ：沸点-２６．２℃、ＨＦＣ２４５ｆａ：沸点１５．３℃、ＨＦＯ１２３４ｙｆ：沸点−２９．４℃）などを用いる。
作動媒体ポンプ１５は、周知の技術のポンプを用いることができるが、この実施の形態では、ＥＣＵ２６と接続され、その回転数をＥＣＵ２６に送ることにより、その回転数からＥＣＵ２６が作動媒体の圧力Ｐ１を推定するように構成されている。
ボイラー１６は、排ガスの廃熱により作動媒体を蒸発させる熱交換器の一種であり、このボイラー１６で熱交換された排ガスはＥＧＲクーラー７に送られる。この実施の形態では、排ガスで熱交換するボイラー１６を設けたが、冷却水と熱交換するものを用いてもよい。また、ボイラー１６の下流で、タービン１７の上流に排ガスや冷却水と熱交換し、作動媒体を過熱する過熱器を別途設けてもよい。
タービン１７は、ボイラー１６から流主する作動媒体により駆動されて動力を出力する膨張器の一種である。この実施の形態では、タービン１７を用いたが、タービン１７の代わりに、ピストン、ロータリー、スクロール、又はスクリュータイプの膨張器を設けてもよい。
コンデンサ１８は、タービン１７より吐き出された高温、且つ高圧の作動媒体を水や空気などで、冷却して、凝縮（液化）させる熱交換器の一種であり、水を用いたランキンサイクルでは復水器とも呼ばれるものである。
スチームアキュームレータ２０は、作動媒体の蒸気を液体の状態で保存する装置であり、蓄えた潜熱で蒸気を供給し続けることが可能な装置である。このスチームアキュームレータ２０は、周知の技術のスチームアキュームレータを用いることができるが、本発明ではより車載に適した構造を有するものが好ましい。
例えば、バッフルプレート（飛散防止板）やフロート（浮き板）などの液面変動防止部を設けた構造、又はスチームアキュームレータ２０の底部から液面までを細かい部屋に仕切るセル構造が、走行振動などによる液面変動を抑制することができるので、好ましい。
一方、この実施の形態では、スチームアキュームレータ２０が、８０℃以上、１５０℃以下の温度で融解する蓄熱材２０ａが封入され、両端が塞がれた蓄熱管２０ｂを備えて構成される。
この蓄熱材２０ａは、８０℃以上、１５０℃以下の温度で融解するので、それ以上の温度で溶けた状態となり、熱を蓄えることができる。本発明のランキンサイクル１４は１５０℃以下の低温熱源で作動するため、この蓄熱材２０ａは１５０℃以下で融解するものが好ましく、人工甘味料のエリスリトールが、融解温度が１１９℃で、且つ安全性も高いため、より好ましい。
上記の蓄熱材２０ａを、両端を塞いだ蓄熱管２０ｂに封入し、その蓄熱管２０ｂを複数備えることにより、同じ熱容量でサイズを小さく（例えば、１／２程度）に抑えられるため、スチームアキュームレータ２０を搭載することによる容量と重量の増加を抑制することができ、車載の搭載性が向上する。また、蓄熱材２０ａを蓄熱管２０ｂに封入することで、蓄熱材２０ａの偏りや流動を抑制することもできる。
なお、スチームアキュームレータ２０は、車両の通常走行で最大限蓄熱可能な容量と装置重量増加による燃費への影響を考慮して任意のサイズが求められ、これがこの実施の形態の最大効率となる。
ＥＣＵ２６は、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってエンジン１の制御を担当しているマイクロコントローラである。本発明では、このＥＣＵ２６に、通常動力出力手段Ｃ１、貯蓄手段Ｃ２、平準化手段Ｃ３、及び迂回手段Ｃ４を備えると共に、車両情報Ｃ５を図示しない各種センサから受信している。
通常動力出力手段Ｃ１は、ランキンサイクル１４のみで、つまりボイラー１６からの作動媒体だけでタービン１７を駆動して、動力を出力することができる場合は、通常動力出力流路２２を開放し、それ以外の場合は通常動力出力流路２２を遮蔽する手段である。詳しくは、ボイラー１６を通過した作動媒体でタービン１７を駆動できるときに、第一バルブＶ１を開いて、通常動力出力流路２２を開放し、ボイラー１６から流出した作動媒体でタービン１７を駆動する手段である。
貯蓄手段Ｃ２は、ランキンサイクル１４での余剰分の余剰作動媒体が生じた場合は貯蓄流路２３を開放し、その余剰作動媒体をスチームアキュームレータ２０に蓄え、それ以外は貯蓄流路２３を遮蔽する手段である。詳しくは、通常動力出力手段Ｃ１でタービン１７を駆動中に、ボイラー１６から流出する作動媒体の温度Ｔ１又は圧力Ｐ１が、タービン１７を駆動するのに余剰となる余剰作動媒体を生じる余剰判定値Ａを超えたときに、第二バルブＶ２を開けて、貯蓄流路２３を開放し、スチームアキュームレータ２０に余剰作動媒体を蓄える手段である。
なお、ここでいう余剰判定値Ａは、タービン１７の形成や性能、又は作動媒体の種類によって任意の値に設定することができるが、予め作動媒体の温度Ｔ１及び圧力Ｐ１と、タービン１７の出力可能な動力との関係から求めた値を用いる。
平準化手段Ｃ３は、スチームアキュームレータ２０が余剰作動媒体を十分に蓄えている場合で、ボイラー１６からの作動媒体だけではタービン１７から予め定めた動力を出力で
きないときに、平準化流路２４を開放し、その蓄えられた余剰作動媒体をタービン１７へ放出し、タービン１７の出力する動力を平準化し、それ以外は平準化流路２４を遮蔽する手段である。
詳しくは、エンジン１の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時のボイラー１６で作動媒体が十分に蒸発しないときに、つまりボイラー１６から流出する作動媒体の温度Ｔ１又は圧力Ｐ１が、タービン１７で予め定めた動力を出力する上で不足となる平準化判定値Ｂを下回ったときに、第三バルブＶ３を開けて、平準化流路２４を開放し、蓄えられた余剰作動媒体でタービン１７を駆動する手段である。
なお、ここでいう平準化判定値Ｂも、前述の余剰判定値Ａと同様に任意の値に設定することができるが、予めボイラー１６で作動媒体が蒸発する値で、且つタービン１７を駆動可能の出力可能な値を用いる。また、平準化とは、具体的には、エンジン１の始動直後の場合はタービン１７の駆動時間を早めることであり、エンジン１の停止直前の場合はタービン１７の駆動時間を延長することであり、及びエンジン１の低負荷運転時の場合はタービン１７の動力の出力の低下を抑制することである。
迂回手段Ｃ４は、ボイラー１６で作動媒体を蒸発できない場合に、タービン１７の出入口の圧力差が大きくなった場合に、迂回流路２５を開放し、ボイラー１６を通過した作動媒体をタービン１７とスチームアキュームレータ２０の両方から迂回させる手段である。
詳しくは、廃熱回収装置１３が始動して、タービン１７への作動媒体の供給のため作動媒体ポンプ１５を作動した後、ボイラー１６以降、タービン１７の手前までの間が作動媒体の蒸気で満たされるまでタービン１７を停止させた空運転状態にする手段である。あるいは、タービン１７の圧力の負荷が高くなり過ぎることを抑制するために、タービン１７の出入口の圧力差を無くす手段である。
次に、上記の廃熱回収装置１３を用いた排熱回収方法の一例について、図２及び図３のフローチャートと、図４〜図７を参照しながら説明する。
まず、図２に示すスチームアキュームレータ２０に余剰作動媒体を蓄える方法について説明する。以下は、エンジン１の始動直後の動作であり、ボイラー１６を通過した作動媒体の温度Ｔ１及び圧力Ｐ１は常に上昇するものとする。また、エンジン１の始動時は、第一バルブＶ１、第二バルブＶ２、及び第三バルブＶ３は閉じ、第四バルブＶ４は開いた状態である。
エンジン１の始動直後は、図４に示すように、第四バルブＶ４のみを開き、迂回流路２５を開放した状態にする。これにより、エンジン１の始動直後のボイラー１６で十分に蒸発していない状態の作動媒体、つまり液相の作動媒体、あるいは液相と気相が混合した気液二相流の作動媒体を、タービン１７に進入させないため、タービン１７の損傷や故障を抑制することができる。
この状態でエンジン１が始動すると、図２に示すように、スチームアキュームレータ２０内の温度Ｔ２、又は圧力Ｐ２が、予め定めた放出判定値Ｃより大きいか否かを判断するステップＳ１０を行う。
なお、ここでいう放出判定値Ｃは、余剰作動媒体がスチームアキュームレータ２０に蓄えられている場合の値であり、スチームアキュームレータ２０の容量や蓄熱材２０ａの種類により任意の値に設定することができる。このステップＳ１０では、スチームアキュームレータ２０が、前回の運転時に余剰作動媒体を蓄えて、その蓄えた余剰作動媒体により
タービン１７を駆動できるか否かを判断することができればよく、例えば、前回のエンジン１の停止時のスチームアキュームレータ２０の状態を記憶しておくように構成してもよい。
ステップＳ１０で、スチームアキュームレータ２０に蓄えた余剰作動媒体によりタービン１７を駆動できないと判断された場合は、図４に示すエンジン１の始動直後の状態を維持する。次に、図２に示すように、ボイラー１６を通過した作動媒体の圧力Ｐ１が、タービン１７を駆動できる駆動圧力Ｄに達したことを検知するステップＳ２０を行う。
なお、ここでいう駆動圧力Ｄとは、ボイラー１６を通過した作動媒体がタービン１７を駆動できる場合の値であり、タービン１７の形成や性能、又は作動媒体の種類によって任意の値に設定することができる。このステップＳ２０では、ボイラー１６を通過した作動媒体がタービン１７を駆動できる状態を検知できればよく、例えば、作動媒体の温度Ｔ１と圧力Ｐ２が、作動媒体がボイラー１６を通過時に完全に蒸気の状態になることを検知するステップとしてもよい。
次に、第一バルブＶ１を開け、且つ第四バルブＶ４を閉めるステップＳ３０を行う。このステップＳ３０により、図１に示すように、通常動力出力流路２２を開放し、タービン１７を駆動して、動力を出力する。また、タービン１７を駆動できるまで、第四バルブＶ４を開けて迂回流路２５を開放し、且つ第一バルブＶ１を閉めて通常動力出力流路２２を遮蔽する。これにより、タービン１７に液相の作動媒体を進入させないので、タービン１７の損傷や故障を回避することができる。
ステップＳ１０で、スチームアキュームレータ２０に蓄えた余剰作動媒体によりタービン１７を駆動できると判断された場合は、図２に示すように、次に、第三バルブＶ３を開けるステップＳ４０を行う。このステップＳ４０により、図５に示すように、エンジン１の始動直後で、ボイラー１６を通過後の作動媒体によりタービン１７を駆動できない場合でも、スチームアキュームレータ２０に蓄えられた余剰作動媒体でタービン１７を駆動し、タービン１７の駆動開始時間を早めることで、動力の出力を平準化することができる。
次に、図２に示すように、ボイラー１６を通過した作動媒体の圧力Ｐ１が、タービン１７を駆動できる駆動圧力Ｄに達したことを検知する、又は、スチームアキュームレータ２０内の温度Ｔ２若しくは圧力Ｐ２が、放出判定値Ｃ以下になったことを検知するステップＳ５０を行う。次に、第一バルブＶ１を開け、第三バルブＶ３を閉め、且つ第四バルブＶ４を閉めるステップＳ６０を行う。
次に、ボイラー１６を通過した作動媒体の温度Ｔ１又は圧力Ｐ１が、余剰判定値Ａを超えることを検知するステップＳ７０を行う。次に、第二バルブＶ２を開けるステップＳ８０を行う。このステップＳ８０により、図６に示すように、タービン１７を駆動する上で余剰となる余剰作動媒体を、スチームアキュームレータ２０に蓄える。これにより、タービン１７で動力を出力し、同時に余剰作動媒体をスチームアキュームレータ２０に蓄えるので、エンジン１の廃熱エネルギーを無駄にすることなく利用することができる。
図示しないが、ステップＳ８０の後で、タービン１７の出入口の圧力差が大きくなれば、第四バルブＶ４を開け、ボイラー１６を通過し蒸発した作動媒体の一部を迂回流路２５で迂回させると、タービン１７の負荷を下げ、タービン１７の出入口の圧力差を無くすことができる。
また、迂回流路２５の開放の他に、作動媒体ポンプ１５のポンプ流量を制御してもよい。例えば、作動媒体の温度が１２０℃、圧力が５ＭＰａで気相が維持される場合で、その作動媒体や潤滑油などの使用条件の限界温度が１５０℃、限界圧力が９ＭＰａ（熱分解などが生じる限界）とすると、使用条件の範囲内で、且つ気相を維持するように、作動媒体ポンプ１５のポンプ流量や迂回流路２５の開放又は遮蔽を制御するとよい。
図３に示すスチームアキュームレータ２０に蓄えた余剰作動媒体を放出する方法について説明する。以下は、エンジン１の停止直前の動作であり、ボイラー１６を通過した作動媒体の温度Ｔ１及び圧力Ｐ１は常に下降するものとする。また、第一バルブＶ１及び第二バルブＶ２が開き、第三バルブＶ３及び第四バルブＶ４は閉じた状態である。
まず、ボイラー１６を通過した作動媒体の温度Ｔ１又は圧力Ｐ１が、平準化判定値Ｂを下回ったことを検知するステップＳ１００を行う。次に、第一バルブＶ１を閉め、且つ第三バルブＶ３を開けるステップＳ１１０を行う。
このステップＳ１１０により、図７に示すように、エンジン１の停車直前や低負荷運転時のボイラー１６を通過した作動媒体だけではタービン１７を駆動できないときに、あるいはボイラー１６を通過した作動媒体だけではタービン１７が予め定めた動力を出力できないときに、スチームアキュームレータ２０に蓄えられた余剰作動媒体を放出し、タービン１７を駆動して、タービン１７の駆動時間を延長し、エンジン１の停車直前や低負荷運転時の動力の出力低下を抑制する。これにより、タービン１７の出力する動力を平準化することができる。
なお、この実施の形態では、ステップＳ１１０では第一バルブＶ１を閉めたが、タービン１７に液相の作動媒体が進入しない状態であれば、第一バルブＶ１を開けて、通常動力出力流路２２も開放してもよい。しかし、作動媒体の流量を絞り、圧力を維持することができるので、スチームアキュームレータ２０のみを経由するように構成することが好ましい。
次に、スチームアキュームレータ２０内の温度Ｔ２又は圧力Ｐ２が放出判定値Ｃ以下になる、あるいは車両情報Ｃ５から車両の停止を検知するステップＳ１２０を行う。次に、第二バルブＶ２と第三バルブＶ３を閉め、且つ第四バルブＶ４を開けるステップＳ１３０を行う。
上記の方法によれば、エンジン１の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などのボイラー１６で作動媒体を十分に蒸発できない場合でも、スチームアキュームレータ２０から余剰作動媒体を放出し、タービン１７を駆動する。これにより、動力が低下することを抑制し、タービン１７が出力する動力が平準化されるので、効率よくエンジン１の廃熱を利用することができる。そして、その平準化された動力をエンジン１の駆動に利用することで、燃費を向上することができる。
次に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の排熱回収装置３０について、図８を参照しながら説明する。この排熱回収装置３０は、第１の実施の形態の廃熱回収装置１３のランキンサイクル１４のタービン１７に代えて、高低圧二系統タービン（膨張器）３１を備える。この高低圧二系統タービン３１は、ボイラー１６から流出する高圧の作動媒体により駆動する高圧タービン３２と、スチームアキュームレータ２０に蓄えられた低圧の余剰作動媒体により駆動する低圧タービン３３とを備える。
そして、高圧タービン３２を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータ２０に蓄え、高圧タービン３２で予め定めた動力を出力できないときに、スチームアキュームレータ２０から蓄えた余剰作動媒体を低圧タービン３３へ放出し、高低圧二系統タービン３１の出力する動力を平準化する平準化ライン３４を備えて構成さ
れる。
また、ボイラー１６から流出する高圧の作動媒体を高圧タービン３２に導く通常動力出力流路３５と、ボイラー１６から流出する作動媒体をスチームアキュームレータ２０に導く貯蓄流路３６と、スチームアキュームレータ２０から流出する低圧の余剰作動媒体を低圧タービン３３に導く平準化流路３７と、ボイラー１６から流出する作動媒体を高低圧二系統タービン３１とスチームアキュームレータ２０の両方から迂回させ、コンデンサ１８に導く迂回流路３８を備え、通常動力出力手段Ｃ１、貯蓄手段Ｃ２、平準化手段Ｃ３、及び迂回手段Ｃ４を有するＥＣＵ２６を備える。
この構成によれば、ランキンサイクル１４と、スチームアキュームレータ２０を有する平準化ライン３４によって、高低圧二系統タービン３１の作動時間を延長し、高低圧二系統タービン３１の動力の出力を平準化することができる。これにより、エンジン１の排熱を有効に利用し、出力した動力をエンジン１の駆動に利用することで、燃費を大幅に向上することができる。
本発明の内燃機関の排熱回収装置は、内燃機関の始動直後、停止直前、又は低負荷運転時などの蒸発器で作動媒体を蒸発できない場合でも、膨張器が出力する動力を低下させずに、平準化することができるので、効率よく内燃機関の廃熱を利用することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができ、燃費を向上することができる。
１ エンジン（内燃機関）
４ ターボチャージャー
７ ＥＧＲクーラー
１３、３０ 廃熱回収装置
１４ ランキンサイクル
１５ 作動媒体ポンプ（圧送器）
１６ ボイラー（膨張器）
１７ タービン（蒸発器）
１８ コンデンサ（凝縮器）
２０ スチームアキュームレータ
２０ａ 蓄熱材
２０ｂ 蓄熱管
２１、３４ 平準化ライン
２２、３５ 通常動力出力流路
２３、３６ 貯蓄流路
２４、３７ 平準化流路
２５、３８ 迂回流路
２６ ＥＣＵ
３１ 高低圧二系統タービン（膨張器）
３２ 高圧タービン
３３ 低圧タービン
Ｃ１ 通常動力出力手段
Ｃ２ 貯蓄手段
Ｃ３ 平準化手段
Ｃ４ 迂回手段

Claims (5)

  1. 作動媒体を圧送する圧送器と、作動媒体を内燃機関の廃熱で蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出する作動媒体により駆動されて動力を出力する膨張器と、該膨張器から流出する作動媒体を液化する凝縮器と、を有するランキンサイクルを備える内燃機関の排熱回収装置において、
    前記膨張器を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータに蓄え、前記蒸発器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できないときに、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化する平準化ラインと、を備えることを特徴とする内燃機関の排熱回収装置。
  2. 前記蒸発器から流出する作動媒体を前記膨張器に導く通常動力出力流路と、前記蒸発器から流出する作動媒体を前記スチームアキュームレータに導く貯蓄流路と、前記スチームアキュームレータから流出する作動媒体を前記膨張器に導く平準化流路と、を備えると共に、
    前記通常動力出力流路が開放され、前記蒸発器から流出する作動媒体で前記膨張器を駆動してから、前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記余剰作動媒体を生じる余剰判定値を超えたときに、前記貯蓄流路を開放し、前記スチームアキュームレータに前記余剰作動媒体を蓄える貯蓄手段と、
    前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記膨張器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できない平準化判定値を下回ったときに、前記平準化流路を開放し、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化する平準化手段と、を有する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排熱回収装置。
  3. 前記スチームアキュームレータが、８０℃以上、１５０℃以下の温度で融解する蓄熱材が封入され、両端が塞がれた蓄熱管を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排熱回収装置。
  4. 作動媒体を圧送する圧送器と、作動媒体を内燃機関の廃熱で蒸発させる蒸発器と、該蒸発器から流出する作動媒体により駆動されて動力を出力する膨張器と、該膨張器から流出する作動媒体を液化する凝縮器と、を有するランキンサイクルを用いた内燃機関の排熱回収方法において、
    前記膨張器を駆動する作動媒体の余剰分である余剰作動媒体をスチームアキュームレータに蓄え、前記蒸発器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できないときに、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化することを特徴とする内燃機関の排熱回収方法。
  5. 前記蒸発器から流出する作動媒体を前記膨張器に導く通常動力出力流路が開放され、前記蒸発器から流出する作動媒体で前記膨張器を駆動してから、前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記余剰作動媒体を生じる余剰判定値を超えたときに、前記蒸発器から流出する作動媒体を前記スチームアキュームレータに導く貯蓄流路を開放し、前記スチームアキュームレータに前記余剰作動媒体を蓄え、
    前記蒸発器から流出する作動媒体の温度又は圧力が、前記膨張器から流出する作動媒体だけでは前記膨張器が予め定めた動力を出力できない平準化判定値を下回ったときに、前記スチームアキュームレータから流出する作動媒体を前記膨張器に導く平準化流路を開放し、前記スチームアキュームレータから蓄えられた前記余剰作動媒体を前記膨張器へ放出し、前記膨張器の出力する動力を平準化することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関
    の排熱回収方法。
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