JP2019044726A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、廃熱回収装置に関し、廃熱回収時の熱交換効率の向上を図りつつ、内燃機関の高速高負荷時における排気浄化触媒の過昇温抑制のための排気温度の低下促進を廃熱回収を継続しながら行えるようにする。【解決手段】排気通路１に排気浄化触媒２を備える内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置１０は、蒸発器１４、過熱器１６、タービン１８（膨張機）、凝縮器２０をこの順で接続する循環回路１２と、凝縮器２０と蒸発器１４との間の部位において循環回路１２に配置され、循環回路１２内で作動流体を循環させるポンプ２２と、排気浄化触媒２の上流の排気温度Ｔｅが閾値（冷却開始温度Ｔ１）よりも高い場合に、過熱器１６に液相の作動流体を供給する液相流体供給手段と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に係り、特に、車載用内燃機関の廃熱回収に適した廃熱回収装置に関する。

特許文献１には、蒸発器、膨張機、凝縮器およびポンプを備え、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置が開示されている。この廃熱回収装置は、エンジンの運転状態が変化して排気ガスのエネルギが増加したときに、蒸発器において発生する蒸気の温度が目標温度をオーバーシュートしないようにするために蒸発器への給水量を増加するように構成されている。

特開２００６−２５００７４号公報 特開２０１７−０６１８８８号公報 特開２０１３−１１３１９２号公報 特開２０１１−５３０６６６号公報

内燃機関に適用される廃熱回収装置では、廃熱回収時の熱交換効率の向上を図りつつ、内燃機関の高速高負荷時における排気浄化触媒の過昇温抑制のための排気温度の低下促進を廃熱回収を継続しながら行えることが望ましいといえる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、廃熱回収時の熱交換効率の向上を図りつつ、内燃機関の高速高負荷時における排気浄化触媒の過昇温抑制のための排気温度の低下促進を廃熱回収を継続しながら行えるようにした廃熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明に係る廃熱回収装置は、排気通路に排気浄化触媒を備える内燃機関の廃熱を回収する。
前記廃熱回収装置は、
前記排気浄化触媒よりも下流において前記排気通路を流れる排気ガスとの熱交換によって作動流体を蒸発させて液相から気相に変化させる蒸発器と、
前記排気浄化触媒よりも上流において前記排気通路を流れる排気ガスとの熱交換によって前記蒸発器から送出される気相の前記作動流体を過熱させる過熱器と、
前記蒸発器を通過した気相の前記作動流体を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機と、
前記膨張機を通過した前記作動流体を凝縮させて気相から液相に戻す凝縮器と、
前記蒸発器、前記過熱器、前記膨張機および前記凝縮器をこの順で接続し、前記作動流体が循環する循環回路と、
前記凝縮器と前記蒸発器との間の部位において前記循環回路に配置され、前記循環回路内で前記作動流体を循環させるポンプと、
前記排気浄化触媒の上流の排気温度が閾値よりも高い場合に、前記過熱器に液相の前記作動流体を供給する液相流体供給手段と、
を備える。

本発明によれば、まず、排気浄化触媒の上流に過熱器を設けることで廃熱回収時の熱交換効率を高めることができる。そして、排気浄化触媒の上流の排気温度が高くなる高速高負荷時には、当該過熱器に液相の作動流体を供給することで、当該排気温度の低下を促進できる。また、過熱器に供給された液相の作動流体は、過熱器内で過熱蒸気となる。このため、廃熱回収装置によれば、この過熱蒸気を利用して廃熱回収を行うことができる。以上のように、本発明によれば、廃熱回収時の熱交換効率の向上を図りつつ、高速高負荷時における排気浄化触媒の過昇温抑制のための排気温度の低下促進を廃熱回収を継続しながら行えるようになる。

本発明の実施の形態１に係るシステムの構成を模式的に示す図である。 廃熱回収装置の基本運転モードを説明するための図である。 本発明の実施の形態１における廃熱回収装置の排気温度低減モードを説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるＥＣＵの処理のルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施形態２に係るシステムの構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２の廃熱回収装置の排気温度低減モードを説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるＥＣＵの処理のルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
１．実施の形態１のシステム構成
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステムの構成を模式的に示す図である。本実施形態の廃熱回収装置１０は、車両に搭載されて車両の動力装置である内燃機関の廃熱を回収する。

１−１．廃熱回収装置の構成
図１に示す廃熱回収装置１０は、ランキンサイクルシステムとして構成されている。本実施形態では、このランキンサイクルシステムの作動流体は、常温では液体であり、内燃機関の熱により沸騰或いは蒸発して気相に変化するものであればよい。本実施形態では、この作動流体の一例として、水が用いられている。

廃熱回収装置１０が適用される内燃機関は、排気ガスが流れる排気通路１を備えている。排気通路１には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒（以下、単に「触媒」と略する）２が配置されている。

廃熱回収装置１０は、作動流体が循環する循環回路１２を備えている。循環回路１２は、蒸発器１４、過熱器１６、タービン１８、凝縮器（コンデンサ）２０およびポンプ２２をこの順で接続している。循環回路１２は、蒸発器１４と過熱器１６とを接続する流路２４と、過熱器１６とタービン１８とを接続する流路２６と、タービン１８と凝縮器２０とを接続する流路２８と、凝縮器２０とポンプ２２とを接続する流路３０と、ポンプ２２と蒸発器１４とを接続する流路３２とにより構成される。

蒸発器１４は、触媒２よりも下流側において排気通路１に配置されており、触媒２よりも下流の排気ガスとの熱交換によって、ポンプ２２により供給される水（液相）を沸騰或いは蒸発させて水蒸気（気相）に変化させる。過熱器１６は、触媒２よりも上流側において排気通路１に配置されている。より詳細には、図１に示す例では、過熱器１６は、排気通路１の排気マニホールド部１ａに配置されている。蒸発器１４から送出される水蒸気は、過熱器１６において、触媒２よりも上流の排気ガス（より高温の排気ガス）との熱交換によって過熱蒸気（過熱水蒸気）になる。

タービン１８は、過熱器１６から送られた水蒸気を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機として機能する。凝縮器２０は、タービン１８を通過して膨張した水蒸気を冷却して凝縮させる。これにより、当該水蒸気は水（液相）に戻される。ポンプ２２は、一例として、ベーンポンプ等の容積型のポンプである。

（排気バイパス流路）
廃熱回収装置１０は、排気バイパス流路３４と制御弁３６とを備えている。排気バイパス流路３４は、蒸発器１４の上流側かつ触媒２の下流側において排気通路１から分岐し、蒸発器１４の下流側において排気通路１に再び接続されている。制御弁３６は、一例として三方弁であり、排気バイパス流路３４を流れる排気ガスの流量（ゼロを含む）を制御する。

（タービンバイパス流路）
廃熱回収装置１０は、タービンバイパス流路３８と制御弁４０とを備えている。タービンバイパス流路３８は、タービン１８の上流側かつ過熱器１６の下流側において流路２６（循環回路１２）から分岐し、凝縮器２０に接続されている。制御弁４０は、一例として三方弁であり、タービンバイパス流路３８を流れる水蒸気の流量（ゼロを含む）を制御する。

（蒸発器バイパス流路）
廃熱回収装置１０は、凝縮器２０から出た水を蒸発器１４を介さずに過熱器１６に供給するために、蒸発器バイパス流路４２と制御弁４４とを備えている。蒸発器バイパス流路４２は、ポンプ２２と蒸発器１４との間の部位（すなわち、流路３２）において循環回路１２から分岐し、過熱器１６における鉛直方向下側の部位１６ａに接続されている。制御弁４４は、一例として三方弁であり、蒸発器バイパス流路４２を流れる水の流量（ゼロを含む）を制御する。

（排水流路）
廃熱回収装置１０は、排水流路４６と開閉弁４８とを備えている。排水流路４６は、流路３２と蒸発器バイパス流路４２とを接続する。開閉弁４８は、排水流路４６を開閉する。

（戻し流路）
廃熱回収装置１０は、蒸発器１４に供給された水をポンプ２２に戻すための戻し流路５０と制御弁５２とを備えている。戻し流路５０は、凝縮器２０とポンプ２２とを接続する流路３０と、蒸発器１４とを接続する。制御弁５２は、一例として三方弁であり、水が凝縮器２０のみからポンプ２２に向かう流路形態と、水が凝縮器２０および蒸発器１４の双方からポンプ２２に向かう流路形態とを切り替える。

１−２．制御装置
図１に示すシステムは、内燃機関を総合的に制御する制御装置として、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリとプロセッサとを備えている。入出力インターフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、各種アクチュエータに対して操作信号を出力する。

上記の各種センサには、排気温度センサ６２、蒸気温度センサ６４、エアフローセンサ６６、クランク角センサ６８および車速センサ７０が含まれる。排気温度センサ６２は、触媒２に流入する排気ガスの温度に応じた信号を出力する。蒸気温度センサ６４は、過熱器１６を出てタービン１８に向かう蒸気の温度（タービン入口温度）に応じた信号を出力する。エアフローセンサ６６は、廃熱回収装置１０が適用される内燃機関の吸入空気流量に応じた信号を出力する。クランク角センサ６８はクランク角に応じた信号を出力する。ＥＣＵ６０は、クランク角センサ６８の出力を利用してエンジン回転速度を算出する。車速センサ７０は、上記内燃機関を搭載する車両の速度に応じた信号を出力する。

上記の各種アクチュエータには、上述のポンプ２２、制御弁３６、４０、４４、５２および開閉弁４８とともに、上記内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁７２が含まれる。また、ＥＣＵ６０は、高速道路の電子料金収受システム（ＥＴＣ）７４と通信可能に構成されている。

２．実施の形態１の廃熱回収装置の動作
本実施形態の廃熱回収装置１０の運転モードは、排気温度Ｔｅに応じて変更される。ここでいう排気温度Ｔｅは、触媒２に流入する排気ガスの温度である。

２−１．廃熱回収装置の基本運転モード
図２は、廃熱回収装置１０の基本運転モードを説明するための図である。この基本運転モードは、廃熱回収のために行われる廃熱回収装置１０の典型的な動作であり、排気温度Ｔｅが所定の冷却開始温度Ｔ１（例えば、７００℃）以下であるとき（すなわち、内燃機関の軽〜中負荷時）に行われる。

基本運転モードでは、ポンプ２２から出た水の全量が流路３２を通って蒸発器１４に導入されるように制御弁４４が制御されるとともに、触媒２を出た排気ガスがそのまま蒸発器１４を通過するように（すなわち、排気バイパス流路３４に流入しないように）制御弁３６が制御される。その結果、蒸発器１４では、排気ガス（気相）から水（液相）への熱交換が行われる。

また、基本運転モードでは、蒸発器１４にて発生した蒸気は、図２に示すように過熱器１６に供給される。過熱器１６では、排気ガス（気相）から水蒸気（気相）への熱交換が実行される。その結果として過熱器１６にて得られた過熱蒸気は、タービン１８に供給される。より詳細には、この基本運転モードでは、蒸気発生量は少なく、タービン１８の効率点に対する流量が適正であるため、タービンバイパス流路３８の流量が少なくなるように制御弁４０が制御される。タービン１８およびバイパス流路３８からの蒸気は凝縮器２０に流入して凝縮する。制御弁５２は、水が凝縮器２０のみからポンプ２２に向かう流路形態が得られるように制御される。凝縮器２０からポンプ２２に戻った水は循環回路１２内を再循環する。

２−２．排気温度低減モード
図３は、本発明の実施の形態１における廃熱回収装置１０の排気温度低減モードを説明するための図である。この排気温度低減モードでは、排気温度Ｔｅが上記冷却開始温度Ｔ１よりも高いとき（すなわち、内燃機関の高速高負荷時）に、排気温度Ｔｅの低減のために、過熱器１６を利用して排気マニホールド部１ａの冷却が行われる。換言すると、触媒２の過昇温が抑制されるように、ランキンサイクルを利用して触媒２に流入する排気ガスの温度（排気温度Ｔｅ）が制御される。

具体的には、排気温度低減モードでは、排気ガスが蒸発器１４をバイパスするように制御弁３６を制御することによって蒸発器１４の機能を停止させたうえで、図３に示すように、ポンプ２２から出た水の全量が排気バイパス流路３４を通って直接（蒸発器１４を介さずに）過熱器１６に導入されるように制御弁４４が制御される。その結果、過熱器１６では、排気ガス（気相）から水（液相）への熱交換が行われる。

また、排気温度低減モードにおいて、高温の排気マニホールド部１ａに配置された過熱器１６では、基本運転モード時よりも高温の排気ガスによって、過熱器１６に導入された水（液相）から蒸気が発生するだけでなく、発生した蒸気が過熱されて過熱蒸気となる。過熱器１６にて発生した過熱蒸気は、基本運転モード時より多く、タービン１８に対しては過剰な蒸気量になるため、基本的には、図３に示すように、タービンバイパス流路３８の流量が基本運転モード時と比べて多くなるように制御弁４０によって制御される。ただし、より詳細には、排気温度低減モードにおいても、タービン１８での廃熱回収を可能な限り行えるようにするために、制御弁４０は次のように制御される。

すなわち、過熱器１６への水の注入初期では、またはエンジン負荷の変動が生じた場合には、過熱器１６から出た蒸気が過熱蒸気ではなく湿り蒸気となることがある。また、この場合には、過熱器１６の内部で水が突然沸騰して液相と気相の混合流体となって、過熱器１６から出ることがある。このような湿り蒸気または液相と気相の混合流体がタービン１８に流入すると、タービン１８内で水が溜まってタービン１８の回転のフリクションになったり、タービン１８内で水撃作用が生じたりすることが懸念される。これらの懸念を避けるために、上記の注入初期等では、タービンバイパス流路３８の流量が多くなるように制御弁４０が制御される。

その一方で、高速高負荷時に内燃機関の発熱量が安定して多い状況では、排気温度低減モードの実行中であってもタービン１８による廃熱回収をできるだけ行うために、過熱器１６の出口の流体の温度（上記タービン入口温度）に基づいて、過熱器１６から出た蒸気が過熱蒸気になっているか否かが判定される。そして、この判定が成立する場合には、廃熱回収のために、蒸気がタービン１８に導入される。

２−３．実施の形態１におけるＥＣＵの処理
図４は、本発明の実施の形態１におけるＥＣＵ６０の処理のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンの処理は、内燃機関の運転中に繰り返し実行される。

図４に示すルーチンでは、ＥＣＵ６０は、まず、排気温度冷却条件が成立するか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここでいう排気温度冷却条件は、排気温度Ｔｅが高いことが継続される条件であり、例えば、以下の要件がすべて満たされる場合に成立する。当該要件は、車速が所定速度以上であること、ＥＴＣ信号を受信していること（つまり、車両が高速道路に進入したこと）、および、高負荷持続時間が所定時間であることである。なお、高負荷持続時間は、エアフローセンサ６６とクランク角センサ６８とを用いて算出されるエンジン負荷（エンジン回転速度と吸入空気量）、またはスロットルバルブ開度もしくはアクセル開度などに基づいて把握することができる。

ステップＳ１００の排気温度冷却条件が不成立となる間は、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１００の処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ１００の判定が成立する場合には、ＥＣＵ６０は、次いで、排気温度Ｔｅが上記冷却開始温度Ｔ１よりも高いか否かを判定する。冷却開始温度Ｔ１は、触媒２の過昇温の抑制のために排気温度Ｔｅの低減のための処理を開始すべきか否かを判断するための閾値である（本発明に係る「閾値」にも相当する）。

ステップＳ１０２の判定が不成立となる間は、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１００に戻る。なお、ステップＳ１００またはＳ１０２の判定が不成立となるために処理がステップＳ１０４以降に進まない期間中には、所定の実行条件の成立を条件として、基本運転モードが実行される。

一方、ステップＳ１０２において排気温度Ｔｅが冷却開始温度Ｔ１よりも高いと判定した場合には、ＥＣＵ６０は、排気温度低減モードに関するステップＳ１０４〜Ｓ１１２およびＳ１２６の処理を実行する。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ６０は、蒸発器１４の機能を停止させるために、排気ガスが蒸発器１４をバイパスするように制御弁３６を制御する。次いで、ＥＣＵ６０は、注水経路の切り替えを実行する（ステップＳ１０６）。具体的には、基本運転モードにおける注水経路（流路３２→蒸発器１４→流路２４→過熱器１６）から、排気温度低減モードにおける注水経路（流路３２→蒸発器バイパス流路４２→過熱器１６（戻し流路５０を利用して蒸発器１４内の水をポンプ２２に戻す経路も含む））に切り替えるために、制御弁４４、５２が、既述したように制御される。

次に、ＥＣＵ６０は、排気バイパス流路３４を用いて水（液相）を速やかに過熱器１６に供給するために、ポンプ２２を連続的に（すなわち、高い出力で）作動させる（ステップＳ１０８）。次いで、ＥＣＵ６０は、排気温度Ｔｅが所定の冷却必要温度Ｔ２（例えば、７５０℃）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

ステップＳ１１０の判定が成立する場合には、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２では、排気温度低減とともに廃熱回収を実現するための処理が実行される。具体的には、既述したように、蒸発器バイパス流路４２から過熱器１６への水の導入は鉛直方向下側の部位１６ａによって行われる。ステップＳ１１２では、ＥＣＵ６０は、排気温度Ｔｅの低減のために、ポンプ２２による過熱器１６への注水量によって調整される過熱器１６内の水位により沸騰水量を制御する。本実施形態では、容積型のポンプ２２が利用されているため、注水量はポンプ２２の回転数から把握することができる。なお、容積型以外のポンプが利用される場合には、注水量の取得のために、ポンプの出口部もしくは入口部に水量計が備えられてもよい。

また、本ステップＳ１１２では、ランキンサイクルを利用した上述の排気温度Ｔｅの低減を行いつつ廃熱回収を実行するために、既述したように、過熱器１６から出た蒸気が過熱蒸気になっているか否かをタービン入口温度に基づいて判定しつつ、タービン１８に導入される蒸気の流量が制御弁４０によって制御される。

次に、ＥＣＵ６０は、上述の排気温度Ｔｅの低減によって排気温度Ｔｅが冷却開始温度Ｔ１を下回ったか否かを判定する（ステップＳ１１４）。その結果、本判定が不成立となる間は、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１１２に戻る。一方、本判定が成立した場合には、ＥＣＵ６０は、排気温度低減モードを終了し、ステップＳ１１６に進む。

ステップＳ１１６〜Ｓ１２４の処理は、蒸発器１４で発生する蒸気を利用する廃熱回収（すなわち、基本運転モード）に戻すために必要な処理に相当する。まず、ステップＳ１１６では、ＥＣＵ６０は、蒸発器１４の機能を働かせるために、排気ガスが蒸発器１４に供給されるように制御弁３６を制御する。

ステップＳ１１８では、ＥＣＵ６０は、過熱器１６から水を排出するために、開閉弁４８を開く。これにより、過熱器１６内の水は、蒸発器バイパス流路４２、排水流路４６および流路３２を順に通って蒸発器１４に導入される。

ステップＳ１２０では、ＥＣＵ６０は、蒸気温度センサ６４により検出されるタービン入口温度が過熱蒸気温度Ｔ３よりも高いか否かを判定する。過熱蒸気温度Ｔ３は、過熱器１６から出た蒸気が過熱蒸気になっているか否かを判断するための閾値である。ステップＳ１２０の判定が不成立となる間、つまり、過熱器１６から出た蒸気が未だ過熱蒸気になっていないと判断できる場合には、ＥＣＵ６０はステップＳ１１８に戻る。

一方、ステップＳ１２０の判定が成立する場合、つまり、過熱器１６から出た蒸気が過熱蒸気になっていると判断できる場合には、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１２２において、過熱器１６からの排水を停止するために開閉弁４８を閉じる。

次に、ステップＳ１２４では、ＥＣＵ６０は、注水経路の切り替えを実行する。具体的には、ポンプ２２から出た水（液相）が流路３２をそのまま通って蒸発器１４に導入されるように制御弁４４が制御される。また、戻し流路５０からの給水を遮断して凝縮器２０のみからポンプ２２に向かう流路形態となるように制御弁５２が制御される。ステップＳ１２４の処理が実行された場合には、図６に示すルーチンの処理が終了される。

また、図４に示すルーチンでは、ステップＳ１１０において排気温度Ｔｅが冷却必要温度Ｔ２以上であると判定した場合には、ＥＣＵ６０はステップＳ１２６に進む。ステップＳ１２６では、ＥＣＵ６０は、ポンプ２２の注水量が過熱器１６の容量（過熱器１６内の水路の容積）よりも多いか否かを判定する。

ステップＳ１２６においてポンプ２２の注水量が過熱器１６の容量以下であると判定した場合には、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０６に戻る。一方、ステップＳ１２６の判定が成立する場合には、過熱器１６内が水（液相）で満たされていてもステップＳ１１０において排気温度Ｔｅが冷却必要温度Ｔ２を下回るまで冷却が進んでいないと判断できる。このような状況は、例えば、外気温度が高いために凝縮器２０にて十分に放熱が進まないときに生じ得る。

上記のようにステップＳ１２６の判定が成立する場合には、ポンプ２２の作動を停止（ステップＳ１２８）したうえで、燃料増量を実行する（ステップＳ１３０）。つまり、この場合には、過熱器１６内を水で満たした状態で、他の排気温度低減手段である燃料増量が併用される。

次に、ＥＣＵ６０は、排気温度Ｔｅが冷却必要温度Ｔ２を下回ったか否かを判定する（ステップＳ１３２）。その結果、本判定が不成立となる間は、当該判定が不成立となる度に増量代を所定量だけ増やしつつ、燃料増量が継続される。過熱器１６内に注入されている水による排気冷却と燃料増量の併用によって排気温度Ｔｅが冷却必要温度Ｔ２を下回った場合には、図６に示すルーチンの処理が終了される。

３．実施の形態１における廃熱回収装置の効果
廃熱回収装置１０のように、触媒２の下流の蒸発器１４に加えて触媒２の上流に過熱器１６が備えられていると、より高温の排気ガスを利用して過熱器１６において得られる過熱蒸気を利用して、タービン１８による廃熱回収時の熱交換効率を向上させられる。そのうえで、以上説明した本実施形態の廃熱回収装置１０において排気温度Ｔｅが高い場合（排気温度Ｔｅ＞冷却開始温度Ｔ１）に行われる排気温度低減モードによれば、ポンプ２２から出た水（液相）は、蒸発器バイパス流路４２を用いて過熱器１６に直接的に供給される。過熱器１６に供給された水は、排気ガスとの熱交換によって沸騰して蒸気となり、さらに過熱蒸気となる。また、この沸騰時の潜熱を利用して排気ガスを効果的に冷却することができる。そして、このように生じる過熱蒸気は、タービン１８による廃熱回収に利用される。

以上のように、廃熱回収装置１０によれば、廃熱回収時の熱交換効率の向上を図りつつ、内燃機関の高速高負荷時における触媒２の過昇温抑制のための排気温度Ｔｅの低下促進を廃熱回収を継続しながら行えるようになる。換言すると、ランキンサイクルによる廃熱回収のために過熱器１６にて過熱蒸気を生じさせる動作を利用して、効果的な排気温度低減を図ることができる。そして、廃熱回収装置１０によれば、排気温度低減モードの実現のために、排気温度Ｔｅが相対的に低くなる軽負荷時に触媒２の温度維持（活性維持）が阻害されることもない。

さらに付け加えると、一般に、排気ガスから水蒸気（気相）への熱の移動よりも、排気ガスから水（気相）への熱の移動の方が、熱交換効率が高い。このため、廃熱回収装置１０のように蒸発器バイパス流路４２を用いて過熱器１６に水（液相）が直接導入された場合には、過熱器１６に水蒸気が導入される場合と比べて、排気マニホールド部１ａの冷却効果（排気温度Ｔｅの低減効果）を効果的かつ応答性良く高めることができる。また、このような排気温度Ｔｅの低減がタービン１８による廃熱回収とともに実行されることで、凝縮器２０の放熱負荷を低減できる。このため、排気温度低減モードを備えることに起因する凝縮器２０の大型化を抑制することもできる。

また、廃熱回収装置１０によれば、排気温度低減モードにおいて過熱器１６に水が直接導入される場合には、蒸発器１４の機能が停止され、かつ、蒸発器１４内の水が戻し流路５０を用いてポンプ２２に戻される。これにより、過熱器１６への水（液相）の直接的な導入中に、蒸発器１４内の水を過熱器１６に移動することができ、循環回路１２の充填水量を減らすことができる。

さらに、廃熱回収装置１０によれば、蒸発器バイパス流路４２は、過熱器１６における鉛直方向下側の部位１６ａに接続されている。このため、排気温度低減モードの終了時に開閉弁４８を開いて過熱器１６から水を排出させる際に、水が過熱器１６から完全に抜けるようにすることができる。

なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ６０が、排気温度低減モードの実行中（すなわち、排気温度Ｔｅが冷却開始温度Ｔ１よりも高い場合）に、排気バイパス流路３４を介して水が過熱器１６に供給されるように制御弁４４を制御することにより、本発明における「液相流体供給手段」が実現されている。

実施の形態２．
１．実施の形態２のシステム構成
図５は、本発明の実施形態２に係るシステムの構成を模式的に示す図である。なお、図５において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

本実施形態の廃熱回収装置８０は、排気バイパス流路３４、蒸発器バイパス流路４２、排水流路４６、戻し流路５０および制御弁３６、４４、４８、５２に代え、排水流路８２および開閉弁８４を備えているという点において、実施の形態１の廃熱回収装置１０と相違している。

排水流路８２の経路自体は、実施の形態１の蒸発器バイパス流路４２と同じである。すなわち、排水流路８２は、ポンプ２２と蒸発器１４との間の部位（すなわち、流路３２）において循環回路１２から分岐し、過熱器１６における鉛直方向下側の部位１６ａに接続されている。しかしながら、排水流路８２の用途は、蒸発器バイパス流路４２とは異なり、過熱器１６から水（液相）を蒸発器１４に排出するために用いられる。開閉弁８４は、そのような排水を行う際にＥＣＵ６０によって開かれる。

２．実施の形態２の廃熱回収装置の動作
２−１．排気温度低減モード
図６は、実施の形態２の廃熱回収装置８０の排気温度低減モードを説明するための図である。本実施形態の排気温度低減モードは、過熱器１６への水（液相）の供給手法において、実施の形態１の排気温度低減モードと相違している。具体的には、本実施形態では、図６に示すように、ポンプ２２による水の循環流量の増大によって水（液相）を蒸発器１４から溢れさせることにより、過熱器１６に水蒸気（気相）とともに水（液相）が供給される。換言すると、本実施形態では、蒸発器１４を作動状態としたまま、上述のように蒸発器１４に強制的に水（液相）を送り込むことにより、蒸発器１４での沸騰の利用によって過熱器１６に水を気相および液相の二相流として供給することができる。その結果、過熱器１６では、排気ガス（気相）から水（液相）への熱交換が、排気ガス（気相）から水蒸気（気相）への熱交換とともに行われる。

２−２．実施の形態２におけるＥＣＵの処理
図７は、本発明の実施の形態２におけるＥＣＵ６０の処理のルーチンを示すフローチャートである。図７に示すルーチン中のステップＳ１００、Ｓ１０２、Ｓ１１０、Ｓ１１４、Ｓ１２０、Ｓ１２６〜Ｓ１３２の処理については、実施の形態１において既述した通りである。

図７に示すルーチンでは、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０２において排気温度Ｔｅが冷却開始温度Ｔ１よりも高いと判定した場合には、ステップＳ２００に進む。ステップＳ２００では、水（液相）を蒸発器１４から溢れさせるために、ポンプ２２が連続的に（すなわち、高い出力で）駆動される。

また、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１１０の判定が成立する場合（排気温度Ｔｅ＜冷却必要温度Ｔ２）には、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、排気温度低減とともに廃熱回収を実現するための処理が実行される。具体的には、過熱器１６から過熱蒸気として出た水の流量と同等の流量の水を過熱器１６に補充できるように、ポンプ２２の回転数が制御される。排気温度低減とともに廃熱回収を実現するためのステップＳ２０２の他の処理は、実施の形態１のステップＳ１１２の処理と同様である。

また、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１１４の判定が成立した場合（排気温度Ｔｅ＜冷却開始温度Ｔ１）には、ＥＣＵ６０は、排気温度低減モードを終了し、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、ＥＣＵ６０は、過熱器１６から水を排出するために、開閉弁８４を開く。これにより、過熱器１６内の水は、排水流路８２および流路３２を順に通って蒸発器１４に導入される。

ステップＳ２０４の処理による排水は、ステップＳ１２０の判定が不成立となる間（タービン入口温度≦過熱蒸気温度）に継続的に実行される。一方、ステップＳ１２０の判定が成立するために、過熱器１６から出た蒸気が過熱蒸気になっていると判断できる場合には、ＥＣＵ６０は、過熱器１６からの排水を停止する（ステップＳ２０６）。

３．実施の形態２における廃熱回収装置の効果
以上説明した実施の形態の廃熱回収装置８０によっても、ポンプ２２による水の循環流量の増大によって水（液相）を蒸発器１４から溢れさせることにより、過熱器１６に水蒸気（気相）とともに水（液相）を供給することができる。このため、過熱器１６内での沸騰時の潜熱を利用して排気ガスを効果的に冷却することができる。そして、本実施形態においても、このように生じる過熱蒸気は、タービン１８による廃熱回収に利用される。したがって、廃熱回収装置８０によっても、廃熱回収時の熱交換効率の向上を図りつつ、内燃機関の高速高負荷時における触媒２の過昇温抑制のための排気温度Ｔｅの低下促進を廃熱回収を継続しながら行えるようになる。また、廃熱回収装置８０は、実施の形態１の廃熱回収装置１０の他の効果を同様に奏する。

また、廃熱回収装置８０によれば、水（液相）は蒸発器１４から溢れさせられながら過熱器１６に供給される。このため、実施の形態１の廃熱回収装置１０と比べて、循環回路１２に必要とされる充填水量が増えることになる。しかしながら、廃熱回収装置１０と比べて、過熱器１６への水（液相）の供給のために必要とされる制御弁の数を減らすことができる。

なお、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ６０が、排気温度低減モードの実行中（すなわち、排気温度Ｔｅが冷却開始温度Ｔ１よりも高い場合）に、ポンプ２２による水の循環流量の増大によって過熱器１６に水蒸気（気相）とともに水（液相）を供給することにより、本発明における「液相流体供給手段」が実現されている。

１ 排気通路
１ａ 排気マニホールド部
２ 排気浄化触媒
１０、８０ 廃熱回収装置
１２ 循環回路
１４ 蒸発器
１６ 過熱器
１８ タービン（膨張機）
２０ 凝縮器
２２ ポンプ
２４、２６、２８、３０、３２ 流路
３４ 排気バイパス流路
３６、４０、４４、５２ 制御弁
３８ タービンバイパス流路
４２ 蒸発器バイパス流路
４６、８２ 排水流路
４８、８４ 開閉弁
５０ 戻し流路
６０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６２ 排気温度センサ
６４ 蒸気温度センサ
８２ 排水流路

Claims (1)

1. 排気通路に排気浄化触媒を備える内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置であって、
   前記排気浄化触媒よりも下流において前記排気通路を流れる排気ガスとの熱交換によって作動流体を蒸発させて液相から気相に変化させる蒸発器と、
   前記排気浄化触媒よりも上流において前記排気通路を流れる排気ガスとの熱交換によって前記蒸発器から送出される気相の前記作動流体を過熱させる過熱器と、
   前記蒸発器を通過した気相の前記作動流体を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機と、
   前記膨張機を通過した前記作動流体を凝縮させて気相から液相に戻す凝縮器と、
   前記蒸発器、前記過熱器、前記膨張機および前記凝縮器をこの順で接続し、前記作動流体が循環する循環回路と、
   前記凝縮器と前記蒸発器との間の部位において前記循環回路に配置され、前記循環回路内で前記作動流体を循環させるポンプと、
   前記排気浄化触媒の上流の排気温度が閾値よりも高い場合に、前記過熱器に液相の前記作動流体を供給する液相流体供給手段と、
   を備えることを特徴とする廃熱回収装置。

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