JP4683002B2 - エンジン廃熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された、エンジン廃熱回収システムに関する。

この種のエンジン廃熱回収システムとして、例えば、特開平６−８８５２３号公報、特開２０００−７３７５３号公報、特開２０００−３４５８３５号公報、等に記載されたものが知られている。

これらの公報に開示されたエンジン廃熱回収システムは、エンジンを冷却水の気化熱によって冷却するとともに、当該エンジンの冷却に伴って発生した蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換することで、燃焼熱や摩擦熱等の廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。具体的には、このエンジン廃熱回収システムは、シリンダブロックと、加熱器と、エキスパンダと、コンデンサと、を備えている。

前記シリンダブロックには、冷却水が供給されるウォータージャケットが設けられている。前記加熱器は、排気ガスの熱を熱源として、前記ウォータージャケットから流出した蒸気をさらに加熱するように構成されている。前記エキスパンダは、蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換するように構成されている。前記コンデンサは、エネルギーを失って低圧となった蒸気を冷却することで、当該蒸気を液体に凝縮するように構成されている。

かかる構成のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却水が前記ウォータージャケットに供給される。これにより、前記シリンダブロックが冷却されるとともに、当該ウォータージャケット内にて前記冷却水が蒸発して蒸気が発生する。

この蒸気は、前記加熱器により、排気ガスとの熱交換でさらに加熱された後、前記エキスパンダに供給される。そして、前記エキスパンダにて、蒸気が膨張する。これにより、機械的エネルギーが回収される。

その後、エネルギーを失った低圧蒸気は、前記コンデンサに流入し、凝縮されて液体となる。このようにコンデンサにて凝縮されることで液体となった前記冷却水は、再び前記ウォータージャケットに供給される。
特開平６−８８５２３号公報 特開２０００−７３７５３号公報 特開２０００−３４５８３５号公報

この種のエンジン廃熱回収システムにおいて、前記冷却媒体は、（１）オーバーヒート防止のためのエンジンの冷却、及び（２）廃熱の吸収及び膨張による機械的エネルギーの回収（冷却損失の低減及び燃費向上）、という、２つの機能を有する。この点、従来のこの種のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却媒体の供給状態に改良の余地があった。

例えば、上述のような従来のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記エンジンの冷却は、前記冷却水の気化熱によって行われていた。しかしながら、前記エンジンが高負荷運転される場合等、当該エンジンをより強力に冷却する必要性が生じる場合があり得る。

また、上述のような従来のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記コンデンサによって、前記冷却水の凝縮のための熱量の他に、前記エキスパンダにて回収しきれなかった熱量をも、外気に放熱しなければならない。しかしながら、当該コンデンサは、蒸気と外気との熱交換により外気に熱を放出するものであり、液体状の前記冷却水と外気との熱交換により外気に熱を放出するラジエータよりも、放熱能力が小さい。よって、前記エンジンをより強力に冷却する必要性が生じる場合に、当該コンデンサによる放熱能力が不足する事態が生じ得る。

本発明は、前記エンジンの運転状態に応じて前記冷却媒体の循環状態がより適切に制御され得る、エンジン廃熱回収システムを提供するものである。

本発明のエンジン廃熱回収システムは、エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。このエンジン廃熱回収システムは、エンジンブロックと、冷却媒体噴射部と、蒸気導出路と、蒸気加熱器と、膨張器と、冷却器と、バイパス流路と、を備えている。

前記エンジンブロックには、シリンダと、燃焼室と、排気通路と、冷却媒体ジャケットと、が形成されている。前記排気通路は、前記燃焼室と連通するように設けられている。前記冷却媒体ジャケットは、前記シリンダ、前記燃焼室、及び前記排気通路に隣接するように設けられている。

前記冷却媒体噴射部は、液体状の冷却媒体を前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射し得るように構成されている。

前記蒸気導出路は、前記冷却媒体ジャケットと接続されている。この蒸気導出路は、前記冷却媒体噴射部によって噴射された後に気化した前記冷却媒体の蒸気を、前記冷却媒体ジャケットの外に導出するように構成されている。

前記蒸気加熱器は、前記蒸気導出路に介装されている。この蒸気加熱器は、前記排気通路内を通過する前記排気ガスと前記蒸気との熱交換によって、当該蒸気を加熱するように構成されている。

前記膨張器は、前記蒸気導出路に介装されている。この膨張器は、前記蒸気加熱器を経た前記蒸気から機械的エネルギーを回収するように構成されている。この膨張器としては、例えば、タービン又はピストンを備えた構成が用いられ得る。

前記冷却器は、前記膨張器よりも前記冷却媒体の流動方向における下流側の前記蒸気導出路に介装されている。この冷却器は、前記冷却媒体と外気との熱交換によって前記冷却媒体を冷却し得るように構成されている。また、この冷却器は、外気との熱交換による前記蒸気の冷却によって、前記膨張器を経た前記蒸気を凝縮し得るように構成されている。

前記バイパス流路は、前記蒸気導出路の、前記蒸気加熱器よりも前記蒸気の流動方向における上流側と、前記膨張器と前記冷却器との間と、を接続するように設けられている。

前記循環態様切換部は、第一の循環態様と第二の循環態様とを、前記エンジンの運転状態に応じて切り換え得るように構成されている。ここで、前記第一の循環態様とは、前記蒸気が、前記冷却媒体ジャケットから前記蒸気加熱器、前記膨張器、及び前記冷却器に流される態様である。また、前記第二の循環態様とは、液体状の前記冷却媒体が、前記冷却媒体ジャケットから前記バイパス流路を介して前記冷却器に流される態様である。

かかる構成を有する本発明のエンジン廃熱回収システムにおいては、前記冷却媒体噴射部によって、液体状の前記冷却媒体が、前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射される。これにより、前記エンジンブロックが冷却される。そして、前記循環態様切換部により、前記第一の循環態様と前記第二の循環態様とが、前記エンジンの運転状態に応じて切り換えられる。

例えば、低ないし中負荷運転時にて、前記第一の循環態様で前記冷却媒体が循環される。

前記第一の循環態様においては、前記エンジンブロックの冷却に伴い、前記冷却媒体の蒸気が発生する。この蒸気は、前記蒸気導出路に導出され、前記蒸気加熱器に達する。この蒸気加熱器において、前記蒸気は、前記排気通路内を通過する前記排気ガスと前記蒸気との熱交換によって加熱（過熱）される。

加熱された前記蒸気は、前記膨張器にて膨張する。これにより、前記蒸気から機械的エネルギーが回収される。この膨張器を経た前記蒸気は、前記冷却器に達する。この冷却器にて、前記蒸気が冷却される。これにより、前記冷却媒体が液体となる。

かかる第一の循環態様においては、前記膨張器にてエネルギーが回収される。また、前記冷却器によって外気へ放出される廃熱量が軽減される。よって、廃熱からのエネルギー回収率が向上し、以て燃費が向上する。

一方、例えば高負荷運転時において、前記第二の循環態様で液体状の前記冷却媒体が循環される。

前記第二の循環態様においては、前記蒸気加熱器及び前記膨張器がバイパスされ、液体状の前記冷却媒体が、前記冷却媒体ジャケットから前記バイパス流路を介して前記冷却器に流される。そして、前記冷却器にて、外気との熱交換により、液体状の前記冷却媒体が冷却される。

かかる第二の循環態様においては、前記エンジンブロックの冷却、及び前記冷却器による液体状の前記冷却媒体の外気との熱交換による冷却が、良好に行われる。

このように、本発明のエンジン廃熱回収システムによれば、前記エンジンの運転状態に応じて、前記冷却媒体の循環状態が、より適切に制御され得る。

・前記循環態様切換部は、循環態様切換弁を備えていてもよい。この循環態様切換弁は、前記蒸気導出路と前記バイパス流路との接続部分に設けられている。

具体的には、前記循環態様切換弁は、前記蒸気導出路と前記バイパス流路とを連通させることで、前記冷却媒体の循環態様を前記第二の循環態様とするように構成されている。また、前記蒸気導出路と前記バイパス流路との連通を遮断することで、前記冷却媒体の循環態様を前記第一の循環態様とするように構成されている。

かかる構成においては、例えば低ないし中負荷運転時にて、前記循環態様切換弁により、前記蒸気導出路と前記バイパス流路との連通が遮断される。すると、前記第一の循環態様で前記冷却媒体が循環される。一方、例えば高負荷運転時にて、前記蒸気導出路と前記バイパス流路とが連通される。すると、前記第二の循環態様で液体状の前記冷却媒体が循環される。

・前記循環態様切換部は、冷却媒体貯留部と、供給ポンプと、を備えていてもよい。前記冷却媒体貯留部は、前記冷却器にて凝縮された液体状の前記冷却媒体を貯留し得るように構成されている。前記供給ポンプは、前記冷却媒体貯留部から前記冷却媒体ジャケットに液体状の前記冷却媒体を送出し得るように構成されている。

ここで、前記冷却媒体貯留部は、前記冷却媒体ジャケット、前記バイパス流路、及び当該バイパス流路よりも前記冷却媒体の流動方向における上流側の前記蒸気導出路を満たし得る量の、液体状の前記冷却媒体を貯留し得るように構成されていてもよい。

かかる構成においては、前記供給ポンプにより、前記冷却媒体貯留部から、前記冷却媒体ジャケットに、液体状の前記冷却媒体が送出される。このようにして前記冷却媒体ジャケットに送出された液体状の前記冷却媒体は、前記エンジンブロックの冷却に供され得る。

具体的には、例えば、高負荷運転時にて、前記冷却媒体貯留部から、前記冷却媒体ジャケット、前記バイパス流路、及び当該バイパス流路よりも前記冷却媒体の流動方向における上流側の前記蒸気導出路を満たし得る量の、液体状の前記冷却媒体が、前記供給ポンプによって送出される。

すると、前記冷却媒体ジャケット、前記バイパス流路、及び当該バイパス流路よりも前記冷却媒体の流動方向における上流側の前記蒸気導出路が、液体状の前記冷却媒体によって満たされる。これにより、前記エンジンブロックの冷却が良好に行われる。

・前記冷却媒体噴射部は、噴射ノズルと、噴射ポンプと、を備えていてもよい。前記噴射ノズルは、前記冷却媒体ジャケットの内壁面と対向するように設けられている。前記噴射ポンプは、前記冷却媒体ジャケットの底部から前記噴射ノズルに向けて前記冷却媒体を送出し得るように構成されている。

かかる構成においては、前記冷却媒体ジャケットの底部に貯留された液体状の前記冷却媒体（前記冷却媒体噴射部によって噴射された液体状の前記冷却媒体のうちの蒸発しなかったもの、あるいは前記供給ポンプによって供給されたもの）が、前記噴射ポンプによって、前記噴射ノズルに向けて送出される。

そして、前記噴射ノズルによって、前記冷却媒体ジャケットの内壁面に、液体状の前記冷却媒体が噴射される。

かかる構成によれば、前記冷却媒体ジャケットの底部に一旦貯留されることで或る程度昇温した液体状の前記冷却媒体が、前記冷却媒体ジャケットの内壁面に噴射される。よって、当該内壁面に対する熱衝撃が緩和され得る。

・前記冷却媒体噴射部は、前記冷却媒体を（細かい）液滴状にして、前記エンジンブロックに向けて噴射するように構成され得る。

かかる構成によれば、前記冷却媒体が噴射された前記冷却媒体ジャケットの内壁面における、膜沸騰現象の発生が、緩和又は抑制され得る。よって、前記エンジンブロックの冷却効率、及び廃熱からのエネルギー回収効率が、いずれも、より高くされ得る。

以下、本発明の実施形態（本願の出願時点において取り敢えず出願人が最良と考えている実施形態）について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン廃熱回収システム１００の概略構成図である。

＜エンジンブロックの構成＞
図１を参照すると、エンジン廃熱回収システム１００は、エンジンの本体を構成するエンジンブロック１１０を備えている。

エンジンブロック１１０の上部を構成するシリンダブロック１２０には、略円筒形状の貫通孔であるシリンダ１２１が形成されている。シリンダ１２１は、その上端部が燃焼室ＣＣと連通するように設けられている。このシリンダ１２１内には、ピストン１２２が、シリンダ１２１の高さ方向（図中上下方向）に沿って往復運動可能に収容されている。

シリンダブロック１２０には、本発明の冷却媒体ジャケットを構成するロワージャケット１２３が形成されている。ロワージャケット１２３は、シリンダ１２１を囲むように設けられている。すなわち、ロワージャケット１２３は、シリンダ１２１に隣接するように設けられている。このロワージャケット１２３は、平面視にて略リング状の空間であって、その内部を冷却水及びその蒸気が通過し得るように構成されている。

ロワージャケット１２３の最低部には、冷却水排出路１２４が接続されている。冷却水排出路１２４は、ロワージャケット１２３の底部に貯留された液体状の冷却水を、外部に排出し得るように構成されている。すなわち、冷却水排出路１２４は、ロワージャケット１２３内の冷却水のうちの、底部の液体状のものだけを、外部に排出し得るように構成されている。

ロワージャケット１２３の下部には、冷却水注入路１２５が接続されている。冷却水注入路１２５は、ロワージャケット１２３の下部に液体状の冷却水を注入し得るように構成されている。この冷却水注入路１２５は、ロワージャケット１２３内に所定量の冷却水が貯留され得るように、冷却水排出路１２４よりも上方に設けられている。

シリンダブロック１２０の上端面には、エンジンブロック１１０の下部を構成するシリンダヘッド１３０が接合されている。

シリンダヘッド１３０には、吸気ポート１３１と、排気ポート１３２と、が形成されている。吸気ポート１３１と排気ポート１３２は、シリンダ１２１の上端部及び燃焼室ＣＣと連通するように設けられている。また、排気ポート１３２は、排気通路１３３と接続されている。すなわち、排気通路１３３は、燃焼室ＣＣと連通するように設けられている。

シリンダヘッド１３０の内部には、本発明の冷却媒体ジャケットを構成するアッパージャケット１３４が形成されている。このアッパージャケット１３４は、その内部を、液体状の冷却水及びその蒸気が通過し得るように構成された空間であって、吸気ポート１３１、排気ポート１３２、及び燃焼室ＣＣに隣接するように設けられている。また、アッパージャケット１３４は、その下端部にて、ロワージャケット１２３の上端部と連通するように設けられている。

シリンダヘッド１３０の最上部には、蒸気排出口１３５が形成されている。蒸気排出口１３５は、アッパージャケット１３４の最上部と連通するように設けられている。この蒸気排出口１３５は、ロワージャケット１２３及びアッパージャケット１３４内にて発生した冷却水の蒸気を、エンジンブロック１１０の外に排出し得るように構成されている。

＜廃熱回収部の構成＞
エンジン廃熱回収システム１００は、廃熱回収部１４０を備えている。廃熱回収部１４０は、エンジンブロック１１０から排出された蒸気からエネルギーを回収し得るように、以下の構成を備えている。

蒸気導出路１４１は、アッパージャケット１３４の最上部に設けられた蒸気排出口１３５と接続されている。この蒸気導出路１４１は、蒸気排出口１３５からアッパージャケット１３４の外部に排出された冷却水及びその蒸気の通路である。

すなわち、蒸気導出路１４１は、ロワージャケット１２３及びアッパージャケット１３４にて発生した冷却水の蒸気をエンジンブロック１１０（ロワージャケット１２３及びアッパージャケット１３４）の外に導出するように構成されている。また、この蒸気導出路１４１は、ロワージャケット１２３及びアッパージャケット１３４から溢れ出た液体状の冷却水をエンジンブロック１１０（ロワージャケット１２３及びアッパージャケット１３４）の外に導出するように構成されている。

蒸気導出路１４１には、本発明の蒸気加熱器としての過熱器１４２が介装されている。また、過熱器１４２は、排気通路１３３と接続されている。この過熱器１４２は、排気ガスと蒸気との熱交換によって、蒸気を加熱し得るように構成されている。すなわち、過熱器１４２は、当該排気ガスの熱を熱源として、蒸気排出口１３５から排出された蒸気を加熱することで、過熱蒸気を生成し得るように構成されている。

蒸気導出路１４１には、本発明の膨張器としてのタービン１４３が介装されている。タービン１４３は、過熱器１４２よりも蒸気の流動方向（図中破線矢印参照：以下同様）における下流側に設けられている。このタービン１４３は、過熱器１４２を経て生成された過熱蒸気から、機械的エネルギーを回収し得るように構成されている。すなわち、タービン１４３は、回転羽根を備えていて、過熱器１４２から導入された過熱蒸気の膨張によって当該回転羽根が回転するように構成されている。

蒸気導出路１４１には、冷却器１４４が介装されている。冷却器１４４は、タービン１４３よりも、蒸気の流動方向における下流側に設けられている。この冷却器１４４は、ラジエータと同様の構成を有している。

すなわち、冷却器１４４は、タービン１４３を経た蒸気を、外気との熱交換によって冷却することで、凝縮し得るように構成されている。また、冷却器１４４は、液体状の冷却水を外気との熱交換によって冷却し得るように構成されている。

冷却器１４４は、キャッチタンク１４５の頂部と、冷却水回収路１４５ａを介して接続されている。本発明の冷却媒体貯留部としてのキャッチタンク１４５は、冷却器１４４によって凝縮された冷却水、及び冷却器１４４によって冷却された冷却水を貯留し得るように構成されている。冷却水回収路１４５ａは、冷却器１４４を経た冷却水を、キャッチタンク１４５の頂部からキャッチタンク１４５内に導入し得るように構成されている。

キャッチタンク１４５の底部には、ロワー冷却水供給路１４５ｂの一端部（始端部）が接続されている。ロワー冷却水供給路１４５ｂの他端部（末端部）は、冷却水注入路１２５と接続されている。ロワー冷却水供給路１４５ｂは、キャッチタンク１４５の底部と、ロワージャケット１２３とを、冷却水注入路１２５を介して接続するように設けられている。このロワー冷却水供給路１４５ｂは、キャッチタンク１４５の最低部から冷却水を外部に排出し得るように構成されている。

キャッチタンク１４５の上部であって冷却水回収路１４５ａが接続されている位置よりもやや下方、すなわち、キャッチタンク１４５の中腹部よりもやや上方には、アッパー冷却水供給路１４５ｃの一端部が接続されている。アッパー冷却水供給路１４５ｃの他端部は、ロワー冷却水供給路１４５ｂの他端部に接続されている。このアッパー冷却水供給路１４５ｃは、キャッチタンク１４５の上部から冷却水を外部に排出し得るように構成されている。

ロワー冷却水供給路１４５ｂとアッパー冷却水供給路１４５ｃとの接続部には、三方弁からなる供給切換バルブ１４６が設けられている。この供給切換バルブ１４６は、ロワージャケット１２３に対する液体状の冷却水の供給位置を、キャッチタンク１４５の底部と上部との間で切り換え得るように構成されている。

冷却水注入路１２５には、供給ポンプ１４７が介装されている。この供給ポンプ１４７は、キャッチタンク１４５からロワージャケット１２３の底部に液体状の冷却水を送出（供給）し得るように構成されている。

蒸気導出路１４１から分岐するように、バイパス流路１４８が設けられている。バイパス流路１４８の一端部は、過熱器１４２よりも蒸気の流動方向における上流側にて、蒸気導出路１４１と接続されている。バイパス流路１４８の他端部は、タービン１４３と冷却器１４４との間にて、蒸気導出路１４１と接続されている。すなわち、バイパス流路１４８は、過熱器１４２よりも蒸気の流動方向における上流側と、タービン１４３と冷却器１４４との間と、を接続するように設けられている。

本発明の循環態様切換弁としての循環切換バルブ１４９は、三方弁からなり、バイパス流路１４８の前記一端部と蒸気導出路１４１との接続部に設けられている。この循環切換バルブ１４９は、エンジンブロック１１０及び廃熱回収部１４０における、冷却水及びその蒸気の循環態様を、エンジンの運転状態に応じて、第一の循環態様と第二の循環態様とに切り換え得るように構成されている。

ここで、前記第一の循環態様とは、以下のような冷却水及びその蒸気の循環態様である：アッパー冷却水供給路１４５ｃから、比較的少量の液体状の冷却水が、冷却水注入路１２５を介してロワージャケット１２３に注入される。このロワージャケット１２３の底部に貯留された冷却水が、後述する冷却水噴射部１５０によって、アッパージャケット１３４の内壁面に向けて噴射されることで、アッパージャケット１３４内にて冷却水の蒸気が発生する。この冷却水の蒸気が、アッパージャケット１３４から、過熱器１４２、タービン１４３、及び冷却器１４４に流される。

また、前記第二の循環態様とは、以下のような冷却水の循環態様である：ロワー冷却水供給路１４５ｂから、大量の液体状の冷却水が、冷却水注入路１２５を介してロワージャケット１２３に注入されることで、アッパージャケット１３４及びロワージャケット１２３から液体状の冷却水が、蒸気排出口１３５を介して蒸気導出路１４１に溢れ出る。蒸気導出路１４１に溢れ出た液体状の冷却水は、バイパス流路１４８を介して冷却器１４４に流される。

すなわち、本実施形態においては、供給切換バルブ１４６及び循環切換バルブ１４９によって、本発明の循環状態切換部が構成されている。

なお、本実施形態においては、キャッチタンク１４５は、ロワージャケット１２３、アッパージャケット１３４、バイパス流路１４８、及び、循環切換バルブ１４９よりも上流側の蒸気導出路１４１を満たし得る程度の量の冷却水を貯留し得るように構成されている。

＜冷却水噴射部の構成＞
上述の冷却水噴射部１５０は、噴射ノズル１５１と、ノズル供給路１５２と、噴射ポンプ１５３と、を備えている。

噴射ノズル１５１は、アッパージャケット１３４の内壁面と対向するように設けられている。この噴射ノズル１５１は、燃料噴射用ノズルと同様の構造を有していて、冷却水を微小液滴状にしてアッパージャケット１３４の内壁面に向けて勢いよく噴射し得るように構成されている。

噴射ノズル１５１は、ノズル供給路１５２を介して、冷却水排出路１２４と接続されている。ノズル供給路１５２には、噴射ポンプ１５３が介装されている。この噴射ポンプ１５３は、ロワージャケット１２３の底部から噴射ノズル１５１に向けて、液体状の冷却水を送出し得るように構成されている。

＜実施形態のエンジン廃熱回収システムの動作＞
図２及び図３は、図１に示されているエンジン廃熱回収システム１００の動作の様子を示す図である。以下、上述の構成を有する本実施形態のエンジン廃熱回収システム１００の動作について、図２及び図３を参照しつつ説明する。

なお、図２及び図３においては、供給切換バルブ１４６及び循環切換バルブ１４９の３つのポートについて、閉塞されているものは黒色で塗りつぶされているものとする。すなわち、白抜きのポート同士が連通しているものとする。

＜＜廃熱回収動作＞＞
エンジンが低ないし中負荷運転されている場合、図２に示されているように、供給切換バルブ１４６によって、アッパー冷却水供給路１４５ｃと供給ポンプ１４７とが連通される一方、ロワー冷却水供給路１４５ｂと供給ポンプ１４７との連通が遮断される。

また、循環切換バルブ１４９によって、蒸気導出路１４１の最上流部（過熱器１４２よりも蒸気の流動方向における上流側）とこれより下流側の過熱器１４２等とが連通される一方、当該最上流部とバイパス流路１４８との連通が遮断される。

これにより、冷却水及びその蒸気が、以下に詳述するように、前記第一の循環態様にて循環する。

比較的少量の液体状の冷却水が、キャッチタンク１４５の上部から、アッパー冷却水供給路１４５ｃ、供給切換バルブ１４６、供給ポンプ１４７、及び冷却水注入路１２５を介して、ロワージャケット１２３の底部に供給される。

ロワージャケット１２３の底部に貯留された冷却水が、噴射ポンプ１５３によって噴射ノズル１５１に供給される。この噴射ノズル１５１にて、微小液滴状の冷却水が、アッパージャケット１３４の内壁面に向けて、勢いよく噴射される（スプレー冷却）。これにより、アッパージャケット１３４が冷却されるとともに、アッパージャケット１３４内にて冷却水の一部が蒸発して飽和蒸気が発生する。蒸発しなかった液体状の冷却水は、下方のロワージャケット１２３に向けて還流する。

なお、アッパージャケット１３４からロワージャケット１２３の底部に向かう途中でも、液体状の冷却水は、シリンダブロック１２０からの吸熱により、蒸気に相変態し得る。この蒸気は、上方のアッパージャケット１３４に達する。

アッパージャケット１３４内の飽和蒸気は、蒸気排出口１３５を介して、蒸気導出路１４１に導出される。この蒸気は、過熱器１４２にて、排気ガスとの熱交換によって加熱され、過熱蒸気となる。過熱器１４２にて発生した過熱蒸気は、タービン１４３にて、膨張により、前記回転羽根を回転させる。これにより、過熱蒸気の有する熱エネルギーが、タービン１４３の前記回転羽根の運動（回転）のエネルギーに変換される。すなわち、過熱蒸気から機械的エネルギーが回収される。

タービン１４３を経て低エネルギーとなった蒸気は、冷却器１４４にて冷却されることで、凝縮される。冷却器１４４にて液体状となった冷却水は、冷却水回収路１４５ａを経て、キャッチタンク１４５の上部に回収される。

＜＜エンジンブロック水冷動作＞＞
エンジンが高負荷運転されている場合、図３に示されているように、供給切換バルブ１４６によって、アッパー冷却水供給路１４５ｃと供給ポンプ１４７との連通が遮断される一方、ロワー冷却水供給路１４５ｂと供給ポンプ１４７とが連通される。

また、循環切換バルブ１４９によって、蒸気導出路１４１の最上流部（過熱器１４２よりも蒸気の流動方向における上流側）とこれより下流側の過熱器１４２等との連通が遮断される一方、当該最上流部とバイパス流路１４８とが連通される。

これにより、液体状の冷却水が、以下に詳述するように、前記第二の循環態様にて循環する。

大量の液体状の冷却水が、キャッチタンク１４５の底部から、ロワー冷却水供給路１４５ｂ、供給切換バルブ１４６、供給ポンプ１４７、及び冷却水注入路１２５を介して、ロワージャケット１２３及びアッパージャケット１３４に注入される。これにより、液体状の冷却水が、蒸気排出口１３５を介して、蒸気導出路１４１の最上流部に溢れ出る。このとき、エンジンブロック１１０は、液体状の冷却水によって良好に冷却される。

蒸気導出路１４１の最上流部に溢れ出た液体状の冷却水は、バイパス流路１４８を介して、冷却器１４４に送られる。冷却器１４４においては、ラジエータと同様に、液体状の冷却水が、外気との熱交換によって、良好に冷却される。冷却器１４４によって冷却された液体状の冷却水は、冷却水回収路１４５ａを経て、キャッチタンク１４５の上部に回収される。

＜実施形態の構成による効果＞
以下、上述のような本実施形態の構成による効果について説明する。

・本実施形態の構成においては、エンジンが高負荷運転されている場合、図３に示されているように、液体状の冷却水によってエンジンブロック１１０が良好に冷却される。また、エンジンブロック１１０の冷却に伴って温度上昇した液体状の冷却水が、冷却効率の高いラジエータと同様に作動する冷却器１４４によって、良好に冷却される。

よって、本実施形態の構成によれば、高負荷運転時におけるエンジンブロック１１０及び冷却器１４４からの放熱が、効果的に行われ得る。

・本実施形態の構成においては、微小液滴状の冷却水が、冷却水噴射部１５０によって、アッパージャケット１３４の内壁面に、勢いよく噴射される。すなわち、当該内壁面に対して、液体状の冷却水が、勢いよく衝突する。

これにより、当該内壁面に付着している、冷却水の蒸気による気泡が、良好に弾き飛ばされる。よって、高負荷運転等により、エンジンブロック１１０（特にシリンダヘッド１３０における排気ポート１３２付近）が高温になって、当該内壁面にて大量の気泡が発生した場合であっても、膜沸騰現象の発生が、緩和又は抑制され得る。

したがって、かかる構成によれば、エンジンブロック１１０（特にシリンダヘッド１３０における排気ポート１３２付近）の冷却が、良好に行われる。

また、エンジンブロック１１０にて発生している廃熱による冷却水の昇温及び気化が、効率的に行われる。よって、廃熱からの機械的エネルギーの回収効率が良好となる。

＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。

以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材に対しては、上述の実施形態と同様の符号が付されているものとする。また、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が援用され得るものとする。

もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたもの限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明（特に、本発明の課題を解決するための手段を構成する各構成要素における、作用的・機能的に表現されているもの）は、上述の実施形態や、下記変形例の記載に基づいて限定解釈されてはならない。このような限定解釈は、（先願主義の下で出願を急ぐ）出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。

（Ａ）タービン１４３に備えられた前記回転羽根の回転エネルギーは、電気に変換されてもよいし、他の回転駆動系の動力源として用いられてもよい。

また、タービン１４３に代えて、ピストンを備えた機構が用いられてもよい。

（Ｂ）図２に示されている廃熱回収動作と、図３に示されているエンジンブロック水冷動作との切り換えは、負荷の高低に限定されない。例えば、エンジン回転数に応じて切り換えられてもよい。

（Ｃ）図３に示されているエンジンブロック水冷動作にて、噴射ノズル１５１から冷却水が噴射されてもよい。

（Ｄ）供給ポンプ１４７や噴射ポンプ１５３の構成や駆動方式に限定はない。

例えば、供給ポンプ１４７や噴射ポンプ１５３は、エンジンの出力軸にて発生した駆動力を、クラッチを含む動力伝達機構を介して受け取るように構成されていてもよい。

あるいは、供給ポンプ１４７や噴射ポンプ１５３は、タービン１４３の前記回転羽根にて発生した駆動力を、動力伝達機構を介して受け取るように構成されていてもよい。

あるいは、供給ポンプ１４７や噴射ポンプ１５３は、タービン１４３を介して回収された電気エネルギーによって回転駆動されるように構成されていてもよい。

（Ｅ）図４は、図１に示されているエンジン廃熱回収システム１００の一変形例を示す概略構成図である。

図４に示されているように、燃料噴射用ノズルと同様の構造を有する噴射ノズル１５１に代えて、シリンダヘッド１３０の壁材の内部に形成された冷却水路からなる噴射ノズル１５１’が用いられてもよい。

（Ｆ）図５は、図１に示されているエンジン廃熱回収システム１００の他の変形例を示す概略構成図である。

図５に示されているように、噴射ノズル１５１の他に、上述の噴射ノズル１５１’が用いられてもよい。

この場合、噴射ノズル１５１及び噴射ノズル１５１’のいずれか一方（例えば噴射ノズル１５１）が、ロワージャケット１２３からノズル供給路１５２及び噴射ポンプ１５３を介して冷却水の供給を受けるように構成されていて、他方（例えば噴射ノズル１５１’）がキャッチタンク１４５から直接的に冷却水の供給を受けるように構成されていてもよい。

また、この場合、ロワー冷却水供給路１４５ｂの末端部が、噴射ノズル１５１及び噴射ノズル１５１’の前記他方（例えば噴射ノズル１５１’）と、冷却水流路を介して接続されていて、当該冷却水流路には供給ポンプ１４７’が介装されている。

（Ｇ）その他、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能な、いかなる構造をも含む。

本発明の一実施形態に係るエンジン廃熱回収システムの概略構成図である。 図１に示されているエンジン廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。 図１に示されているエンジン廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。 図１に示されているエンジン廃熱回収システムの一変形例を示す概略構成図である。 図１に示されているエンジン廃熱回収システムの他の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１００…エンジン廃熱回収システム １１０…エンジンブロック
１２０…シリンダブロック １２３…ロワージャケット
１３０…シリンダヘッド １３２…排気ポート
１３３…排気通路 １３４…アッパージャケット
１４０…廃熱回収部 １４１…蒸気導出路
１４２…過熱器 １４３…タービン
１４４…冷却器 １４５…キャッチタンク
１４６…供給切換バルブ １４７…供給ポンプ
１４８…バイパス流路 １４９…循環切換バルブ
１５０…冷却水噴射部 １５１…噴射ノズル
１５３…噴射ポンプ ＣＣ…燃焼室

Claims (5)

1. エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されたエンジン廃熱回収システムにおいて、
   シリンダと、燃焼室と、前記燃焼室と連通する排気通路と、前記シリンダ、前記燃焼室、及び前記排気通路に隣接するように設けられた冷却媒体ジャケットと、が形成された、エンジンブロックと、
   液体状の冷却媒体を前記冷却媒体ジャケットの内壁面に向けて噴射し得るように構成された、冷却媒体噴射部と、
   前記冷却媒体ジャケットと接続されていて、前記冷却媒体噴射部によって噴射された後に気化した前記冷却媒体の蒸気を、前記冷却媒体ジャケットの外に導出し得るように構成された、蒸気導出路と、
   前記蒸気導出路に介装されていて、前記排気通路内を通過する前記排気ガスと前記蒸気との熱交換によって当該蒸気を加熱し得るように構成された、蒸気加熱器と、
   前記蒸気導出路に介装されていて、前記蒸気加熱器を経た前記蒸気から機械的エネルギーを回収し得るように構成された、膨張器と、
   前記膨張器よりも前記冷却媒体の流動方向における下流側の前記蒸気導出路に介装されていて、前記冷却媒体と外気との熱交換によって前記冷却媒体を冷却するとともに、当該冷却によって前記膨張器を経た前記蒸気を凝縮し得るように構成された、冷却器と、
   前記蒸気導出路の、前記蒸気加熱器よりも前記蒸気の流動方向における上流側と、前記膨張器と前記冷却器との間と、を接続するように設けられた、バイパス流路と、
   前記冷却媒体ジャケットから前記蒸気加熱器、前記膨張器、及び前記冷却器に前記蒸気を流す第一の循環態様と、前記冷却媒体ジャケットから前記バイパス流路を介して前記冷却器に液体状の前記冷却媒体を流す第二の循環態様と、を前記エンジンの運転状態に応じて切り換え得るように構成された、循環態様切換部と、
   を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
2. 請求項１に記載のエンジン廃熱回収システムであって、
   前記循環態様切換部は、
   前記蒸気導出路と前記バイパス流路との接続部分に設けられた循環態様切換弁を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載のエンジン廃熱回収システムであって、
   前記循環態様切換部は、
   前記冷却器にて凝縮された液体状の前記冷却媒体を貯留し得るように構成された、冷却媒体貯留部と、
   前記冷却媒体貯留部から前記冷却媒体ジャケットに液体状の前記冷却媒体を送出し得るように構成された、供給ポンプと、
   を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
4. 請求項３に記載のエンジン廃熱回収システムであって、
   前記冷却媒体貯留部は、
   前記冷却媒体ジャケット、前記バイパス流路、及び当該バイパス流路よりも前記冷却媒体の流動方向における上流側の前記蒸気導出路を満たし得る量の、液体状の前記冷却媒体を貯留し得るように構成されたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のエンジン廃熱回収システムであって、
   前記冷却媒体噴射部は、
   前記冷却媒体ジャケットの内壁面と対向するように設けられた噴射ノズルと、
   前記冷却媒体ジャケットの底部から前記噴射ノズルに向けて前記冷却媒体を送出し得るように構成された、噴射ポンプと、
   を備えたことを特徴とする、エンジン廃熱回収システム。

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