JP5195653B2 - 廃熱回収装置及びエンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジンにおける廃熱のエネルギーを、蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。

従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジン内の冷媒通路において、エンジンを冷却する際に、エンジンと熱交換をして蒸発した冷媒、すなわち、エンジンにおける廃熱を吸収して蒸気化した冷媒により膨張機を駆動して、気相冷媒の持つエネルギーを電気エネルギー等に変換し、エンジンで発生する廃熱のエネルギーを回収することができる。こうしてエネルギーが回収された気相冷媒は、凝縮器において液化される。凝縮器で液化された冷媒は、エンジン内へ導入され、再度、廃熱を得て蒸発し、廃熱の回収に用いられることとなる。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。

また、冷媒の沸騰によりエンジン本体を冷却する沸騰冷却装置において、蒸気化した冷媒を気液分離器へ導入し、気相冷媒と液相冷媒とに分離する装置が特許文献２に開示されている。

特開２００８−２４８７０３号公報 実開平５−４７３５３号公報

上記のように、エンジン本体の内部で沸騰する冷却水をエンジン本体の外部に備えた気液分離器で液相の冷媒と気相の冷媒とに分離する技術は知られている。ところが、液相と気相との比重差を利用して液相の冷媒と気相の冷媒とを分離する気液分離器を用いる場合、このような気液分離器は、原理上、装置の構造が大きく、搭載スペースを必要とする。また、装置が傾くことにより機能を発揮できなくなる場合が考えられる。

そこで、本発明は、車両への搭載性を向上し、気液分離機能が安定して発揮される廃熱回収装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、前記蒸気化手段から排出された冷媒が導入された状態で回転し前記冷媒を気液分離する回転部を有する気液分離手段と、前記気液分離手段により分離された気相冷媒からエネルギーを回収する膨張機と、を備え、前記気液分離手段は、前記蒸気化手段において蒸気化した冷媒を吸引するとともに、分離後の気相冷媒を前記膨張機へ送出する送出手段を備え、前記蒸気化手段から排出された冷媒の圧力に基づいて、冷媒の吸引量を制御することを特徴とする。

このような構成とすることにより、蒸気化手段において蒸気化した冷媒を吸い込むことができる。これにより、蒸気の滞留が抑制され、エンジンの過熱、蒸気による過剰な圧力上昇を抑制することができる。また、蒸気化手段の下流側で蒸気化した冷媒を吸引するため、キャビテーションの発生を抑制できる。さらには、冷媒の吸引量を制御することにより、蒸気化手段における蒸気の圧力が変化し、蒸気化手段における蒸気の発生量が変化するので、蒸気化手段の冷却状態を変更することができる。また、廃熱回収装置が傾いた場合であっても気液分離できるため、安定して廃熱のエネルギーを回収することができる。

このような廃熱回収装置において、例えば、前記蒸気化手段は、エンジンの内部に形成されたウォータジャケットを通過する冷媒にエンジンの廃熱を吸収させることにより、冷媒を蒸気化することができる。

このような廃熱回収装置において、前記蒸気化手段により蒸気化された冷媒が滞留する箇所に配置されて冷媒の圧力を測定する圧力測定手段を備え、前記気液分離手段は、前記圧力測定手段により取得される冷媒の圧力情報に基づいて、冷媒の吸引量を制御することができる。このような構成とすることにより、蒸気が滞留しやすい部位の圧力を測定し、その情報に基づき、冷媒の吸引量を制御することができる。これにより、蒸気の滞留を抑制し、エンジンの局所的な壁温の上昇や、蒸気による圧力上昇を抑制できる。

また、このような廃熱回収装置において、前記蒸気化手段と前記気液分離手段との間に配置されて冷媒の圧力を測定する圧力測定手段を備え、前記気液分離手段は、前記圧力測定手段により取得される冷媒の圧力情報に基づいて、冷媒の吸引量を制御することができる。

このような廃熱回収装置において、前記気液分離手段は、前記膨張機における動力回収効率が最大となることを考慮して、気相冷媒の送出量を制御することができる。これにより、廃熱のエネルギーを効率よく回収できる。

このような廃熱回収装置において、前記膨張機は、気相冷媒の衝撃により回転する羽根車を備えた衝動タービンであって、前記気液分離手段は、前記羽根車の回転速度と当該羽根車に衝突する気相冷媒の速度とに基づいて、気相冷媒の送出量を制御することができる。

このような衝動タービンの回収効率は、羽根車の回転速度（タービン周速）と羽根車に衝突する気相冷媒の速度（ノズル出口蒸気流速）との比率により決定される。本発明の気液分離手段は、衝動タービンの回収効率が最大となる比率が得られるように、気相冷媒の速度を制御することができる。したがって、廃熱回収装置は、エンジンの廃熱のエネルギーを効率よく回収することができ、エンジンの燃費を向上できる。

また、本発明のエンジンは、内部に形成された冷媒通路の内部を通過する冷媒が沸騰し、熱が持ち去られるエンジン本体と、前記冷媒通路から排出される冷媒を回転する分離器の遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離手段と、を備え、前記気液分離手段は、前記冷媒通路において蒸気化した冷媒を吸引するとともに、分離後の気相冷媒からエネルギーを回収する膨張機へ送出する送出手段を備え、前記冷媒通路から排出された冷媒の圧力に基づいて、冷媒の吸引量を制御することを特徴とする。このような構成とすることにより、搭載性を向上し、省スペース化を図ることができる。さらには、沸騰した蒸気冷媒の残存を抑制し、壁温の過剰上昇による熱変形を防止するとともに、ウォータジャケット内の圧力が過剰上昇による、エンジンの破損を防止する。

本発明は、冷媒を回転する分離器の遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離する構成としたことにより、気液分離器を小型化し、車両への搭載性を向上することができる。また、装置が傾いた場合であっても、気液分離することができる。これにより、安定して廃熱のエネルギーを回収することができる。

廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 ユニットの概略構成を示した説明図であって、（ａ）は第２配管側から見たユニットの状態を示し、（ｂ）はユニットの断面図である。 分離器を示した説明図であって、（ａ）は、第２配管側から見た状態を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示した説明図である。 第２動翼を示した説明図であって、（ａ）は、第２配管側から見た状態を示し、（ｂ）は側面図である。 ウォータジャケット内の圧力の制御について示したフローチャートである。 ノズルの入口における蒸気圧の制御について示したフローチャートである。 沸騰冷却を行う本発明のエンジンを示した説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の廃熱回収装置１を組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。エンジン２の本体３内には冷媒の通過するウォータジャケット４が形成されている。このウォータジャケット４内を通過する冷媒は、エンジン本体３を冷却する際に、エンジン本体３から熱を吸収して蒸気化する。エンジン本体３は本発明の蒸気化手段として機能する。

廃熱回収装置１は、ユニット５、過熱器６、タービン７、コンデンサ８、電動ウォータポンプ９、予熱器１０を備えている。また、ウォータジャケット４の上部と、ユニット５とは、第１配管１１により接続されている。ユニット５と膨張機７とは、第２配管１２により接続されている。膨張機７と電動ウォータポンプ９とは第３配管１３により接続されている。電動ウォータポンプ９とウォータジャケット４の底部は、第４配管１４により接続されている。また、ユニット５と第４配管１４の経路上とが第５配管１５により接続されている。

図２は、ユニット５の概略構成を示した説明図である。図２（ａ）は第２配管１２側から見たユニット５の状態を示し、図２（ｂ）はユニット５の断面図である。また、図３は、ユニット５の分離器５１０を示した説明図であって、図３（ａ）は、第２配管１２側から見た分離器５１０の状態を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面を示した説明図である。また、図４は、ユニット５の第２動翼５１３を示した説明図であって、図４（ａ）は、第２配管１２側から見た第２動翼５２３の状態を示し、図４（ｂ）は図４（ａ）の側面図である。

ユニット５は、ケース５０１、分離器５１０、ポンプ部５２０、回転軸５３０、動力伝達部５４０を備えている。ケース５０１はほぼ円筒状の形状をしており、円筒の底面に相当する箇所に冷媒の入口５０２と気相出口５０３が形成されている。入口５０２には、第１配管１１が接続されており、ウォータジャケット４側から液相と気相が混合した冷媒が流入する。気相出口５０３は入口５０２に対向する面に形成されており、第２配管１２が接続されている。この気相出口５０３からケース５０１内で分離された気相の冷媒が送出される。

分離器５１０は、円筒部５１１と、接続部５１２とを備えている。円筒部５１１には、複数の小径５１１１が形成されている。接続部５１２は回転軸５３０と円筒部５１１との中間に位置し、回転軸５３０と円筒部５１１とを接続している。この接続部５１２には、気相冷媒が通過するように、隙間５１２１が形成されている。

また、分離器５１０の端部には、歯５１３が形成されており、動力伝達部５４０の傘歯車５４１１と噛み合うように構成されている。動力伝達部５４０は、傘歯車５４１１を備えた歯車機構５４１、プーリ５４２、ベルト５４３、クラッチ５４４を介してエンジンのクランクシャフト５０と分離器５１０とを接続する。動力伝達部５４０によりクランクシャフト５０の動力が分離器５１０に伝達されて、分離器５１０は回転する。分離器５１０は、このように回転することにより、入口５０２からケース５０１内へ流入する冷媒中、粘性の高い液相冷媒を外周側へ送り、気相冷媒を中心側に留めることにより、液相冷媒と気相冷媒とを分離する。すなわち、回転する分離器５１０は、遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離する。また、クラッチ５４４は後述するＥＣＵ１６により、接続と切断とを制御される。

ポンプ部５２０は、一般的なターボ分子ポンプと同様の構造である。ポンプ部５２０は、第１動翼５２１、第２動翼５２２、第１静翼５２３、第２静翼５２４を備えている。第１動翼５２１、第２動翼５２２は、回転軸５３０に結合されている。一方、第１静翼５２３、第２静翼５２４は、ケース５０１に結合されている。第１動翼５２１、第２動翼５２２は、回転軸５３０の回転に伴い回転して、分離器５１０により分離された気相の冷媒を吸引し、出口５３０側へ送出する。このように、分離器５１０内の冷媒が吸引されるため、ユニット５内部は負圧となり、第１配管１１内の冷媒がユニット５内へ流入する。ひいては、ウォータジャケット４内で蒸気化した冷媒を吸引することとなる。

一方、第１静翼５２３、第２静翼５２４は、気相冷媒の逆流を防止する。なお、本実施例では、動翼と静翼は２対設けているが、１対であってもよい。また、本実施例において、一般的なターボ分子ポンプほどの低い負圧は必要ないので、動翼、静翼の羽の枚数、回転数等の仕様は、一般的なターボ分子ポンプより低いものでよい。

以上のように、ユニット５は、分離器５１０とポンプ部５２０とを一体としたことで、冷媒の分離機能と冷媒の圧送機能とを備えている。これらの機能を一体にすることにより、装置自体の小型化により車両への搭載性が向上した。なお、このような回転する動翼を用いることにより、油の混入を抑制する。

分離器５１０により外周側へ送られた液相冷媒は、ケース５０１の側面の一部に形成された液相出口５０４に接続された第５配管１５へ送られる。

過熱器６は、エンジン本体３の排気が通過する排気管と第２配管１２とを引き込むように構成されている。過熱器６内では、第２配管１２を通過する冷媒蒸気と排気管を通過する排気との間で熱交換が行われる。これにより、気相冷媒は、高温の排気ガスにより熱を付与されて高温高圧となる。

タービン７は、回転軸７１がクランクシャフトに連結された羽根車７２を備えた単段衝動型のタービンである。第２配管１２のタービン７側の先端には、羽根車７２の羽根７３へ向けて高温高圧の蒸気を噴射するノズル１２１が配設されている。過熱器６を通過した高温高圧の蒸気は、ノズル１２１から噴射されてタービン７の羽根車７２を回転させる。したがって、タービン７において、蒸気のエネルギーが羽根車７２を回転する動力へ変換され、回転軸７１と連結されたエンジン２のクランクシャフトの補助動力へ変換される。

コンデンサ８は、第３配管１３を引き込むように構成されている。コンデンサ８内を通過する蒸気は、大気との間で熱交換が行われ、冷却されて液相冷媒へ凝縮する。コンデンサ８を通過し、液相となった冷媒は、電動ウォータポンプ９によりエンジン２側の予熱器１０へ送られる。

予熱器１０は、第４配管１４上の第５配管１５が接続する部位よりも電動ウォータポンプ９側に配設されている。予熱器１０は、コンデンサ９通過後の冷媒を温める装置である。例えば、本実施例では、オイルクーラを採用している。予熱器１０を通過した冷媒は、予熱器１０において温められているため、ウォータジャケット４内に送られて、蒸気化しやすい。

このような廃熱回収装置１は、エンジン本体３の廃熱を回収して蒸気化し、過熱器６で過熱された蒸気の持つエネルギーは、タービン７において、動力に変換される。タービン７を通過した蒸気は、コンデンサ８において凝縮し、電動ウォータポンプ９により、再度、ウォータジャケット４内へ送られる。したがって、廃熱回収装置１では、冷媒を作動流体とするランキンサイクルシステムが構成されている。

また、廃熱回収装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１６を備えている。ＥＣＵ１６は、ユニット５、電動ポンプ９のそれぞれと電気的に接続されており、それぞれへ運転状態の指示信号を送る。

比較例として示すエンジンであって、エンジン内で冷媒が蒸気化するエンジンでは、エンジン内の冷却通路内で発生した蒸気が、何らかの原因によりエンジン内から排出されずに残存してしまうことにより、蒸気が残存する部位では、冷媒の蒸気化による熱の持ち去りが起こらず、壁温が過剰に上昇し、熱変形のおそれがある。また、蒸気が残存するため、ウォータジャケット内の圧力が過剰に上昇し、エンジンを破損させるおそれがある。

また、エンジン内で冷媒を蒸気化するために、エンジン内へ供給する冷媒を沸点付近まで上昇させる。このため、エンジン本体の上流側に配設されたウォータポンプにより冷媒を圧送する場合、キャビテーションが発生しやすい。このキャビテーションを抑制するためエンジン内へ供給する冷媒の温度を低下させると、ウォータジャケット内での冷媒の沸騰が抑制され、エンジンの冷却が低下し、エンジンから回収できる熱量が減少する。

本実施例の廃熱回収装置１では、ユニット５のポンプ部５２０の動翼が回転することにより、ウォータジャケット４内で蒸気化した冷媒を吸引する。これにより、ウォータジャケット４内に蒸気が残存することが抑制されるため、エンジンの熱変形、ウォータジャケット４内の過剰な圧力上昇が抑制される。

また、本実施例の廃熱回収装置１では、ウォータジャケット４の下流側において、気液分離した後の気相の冷媒をポンプ部５２０により吸引するため、キャビテーションの発生が抑制される。さらに、ウォータジャケット４の下流側から蒸気を吸引するため、ウォータジャケット４の上流側にポンプを設置する必要がない。このため、予熱した冷媒をウォータジャケット４内へ供給することができる。このため、冷媒は蒸気化しやすくなり、ウォータジャケット４内で発生する蒸気の量が増加する。蒸気の発生量が増加するため、タービン７で回収可能なエネルギーが増加し、エンジンの燃費が向上する。

また、ユニット５の搭載位置は自由度が高く、比重差を利用する気液分離器のように、エンジンの配置高さとの関係を考慮する必要がない。さらに、ユニット５の分離器５１０は遠心力を利用するため、廃熱回収装置１が傾いてもその性能は影響を受けない。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置は、第１配管１１上に圧力センサを備えている点で実施例１の廃熱回収装置１と相違する。なお、その他の構成は実施例１と同一であり、その詳細な説明は省略する。

次に、本実施例における制御について説明する。本実施例では、ユニット５のポンプ部５２０の回転を制御し、ウォータジャケット４内の圧力を制御する。この制御は、ＥＣＵ１６により行われる。図５は、ウォータジャケット４内の圧力の制御について示したフローチャートである。以下、図５を参照して説明する。

本制御は、エンジン２の運転開始とともに開始される。ＥＣＵ１６はステップＳ１０１で、圧力センサによりエンジンウォータジャケットの圧力Ｐｃを計測し、取得する。ＥＣＵ１６はステップＳ１０１の処理を終えるとステップＳ１０２へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０２で、圧力Ｐ_ｃが許容上限値Ｐ_{ｌｉｍｉｔ}以下であるか否かを判断する。この許容上限値Ｐ_{ｌｉｍｉｔ}はウォータジャケット４内に蒸気が溜まり、エンジン本体３の冷却を阻害することのない圧力値である。ＥＣＵ１６はステップＳ１０２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、圧力Ｐ_ｃが許容上限値Ｐ_{ｌｉｍｉｔ}以下である場合、ステップＳ１０３へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０３で、エンジンの運転状態を把握する。具体的には、クランク角センサからエンジン回転数Ｎｅを取得し、スロットル開度や燃料噴射量からエンジン負荷を取得する。ＥＣＵ１６はステップＳ１０３の処理を終えるとステップＳ１０４へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０４で、ステップＳ１０３の処理により取得したエンジンの運転状態に基づいて、予め作成されたマップを参照し、目標ウォータジャケット内圧Ｐ_ｄｅｓを算出する。ＥＣＵ１６はステップＳ１０４の処理を終えるとステップＳ１０５へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０５で、ΔＰを算出する。ΔＰは次式（１）により算出される。
ΔＰ ＝ Ｐ_ｄｅｓ − Ｐ_ｃ （１）
ＥＣＵ１６はステップＳ１０５の処理を終えるとステップＳ１０６へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０６で、エンジン回転数ＮｅとステップＳ１０５で算出したΔＰから動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄを算出する。動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄは次式（２）により算出される。
Ｎｕ＿ｄ ＝ Ｋ_１（ΔＰ，Ｎｅ） （２）
ここで、Ｋ_１は動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄを算出する関数を表わす。ＥＣＵ１６はステップＳ１０６の処理を終えるとステップＳ１０７へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０７で、動翼の回転速度の実測値Ｎｕ＿ｃを計測する。ここでは、動翼の回転速度を計測する回転センサを備え、測定値を実測値ＮＵ＿ｃとする外に、クランクシャフトの回転から換算しても良い。ＥＣＵ１６はステップＳ１０７の処理を終えるとステップＳ１０８へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０８で、動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄと、動翼の回転速度の実測値Ｎｕ＿ｃとを比較し、目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃよりも大きいか否かを判断する。ＥＣＵ１６はステップＳ１０８で、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃよりも大きい場合、ステップＳ１０９へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１０９でクラッチ５４４を接続させる。目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃより大きい場合、ウォータジャケット４内の圧力が上昇している。このため、動翼の回転速度を上昇して、ウォータジャケット４内からの蒸気の吸引量を増加させる。これにより、ウォータジャケット４内に蒸気が溜まることを抑制するので、ウォータジャケット４内が過剰な圧力により破損することが抑制される。また、ウォータジャケット４内の圧力が高いために抑制されていた冷媒の沸騰が可能となるので、エンジン本体３が冷却される。また、蒸気の滞留がなくなれば、シリンダ壁と接触して熱を持ち去ることができるため、シリンダ壁の過剰な温度上昇が抑制される。

また、エンジン暖機中であっても、ウォータジャケット４内から冷媒を吸引することによりウォータジャケット４内の圧力を下げ、沸騰温度を低下することにより、蒸気を発生させることができる。これにより、暖機中であっても、蒸気のエネルギーを回収することが可能となり、燃費の向上が図られる。ＥＣＵ１６の制御はステップＳ１０９の処理を終えるとリターンとなる。

一方、ＥＣＵ１６はステップＳ１０８で、ＮＯと判断する場合、すなわち、目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃ以下である場合、ステップＳ１１０へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１１０でクラッチ５４４を切断させる。すなわち、ユニット５における動翼の回転を減速させる。目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃ以下である場合、ウォータジャケット４内が過剰に減圧されているものと考えられる。このため、動翼の回転を減少させて、ウォータジャケット４内の蒸気の吸引を減衰させる。これにより、ウォータジャケット４内の圧力が上昇し、沸騰温度が上昇するので、冷媒の沸騰による温度の低下が抑制されて、エンジンの暖機が促進される。ＥＣＵ１６の制御はステップＳ１１０の処理を終えるとリターンとなる。

ところで、ＥＣＵ１６はステップＳ１０２でＮＯと判断する場合、すなわち、圧力Ｐ_ｃが許容上限値Ｐ_{ｌｉｍｉｔ}よりも大きい場合、ステップＳ１１１へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１１１で、クラッチ５４４を接続させる。ステップＳ１０２でＮＯと判断する場合は、ウォータジャケット４内の圧力が過剰に高い状態である。したがって、ウォータジャケット４から蒸気を吸引し、ウォータジャケット４内の圧力を低下する。ＥＣＵ１６はステップＳ１１１の処理を終えるとステップＳ１１２へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ１１２で、ウォータジャケット４内の圧力が過剰に高い状態を、ユーザへ警告し、高負荷状態で運転が継続されることを抑制する。ＥＣＵ１６の制御はステップＳ１１２の処理を終えるとリターンとなる。

このように、本実施例では、動翼の回転速度を変化させ、ウォータジャケット４内から吸引する冷媒量を変化し、ウォータジャケット４内の圧力を変化させる。これにより、ウォータジャケット４内の冷媒の蒸気化する温度、すなわち、沸点が変更されて、エンジン本体３の冷却状態を変更することができる。

また、本実施例では、クラッチ５４４に代えて無段階の変速機を備えた構成とすることができる。この場合、ステップＳ１０９、Ｓ１１０、Ｓ１１１において、ＥＣＵ１６はＰＤ制御を行い、動翼回転数を制御する。なお、圧力センサの位置は、蒸気が溜まりやすい箇所であればよく、第１配管１１上に限定されるものではない。例えば、圧力センサは、ウォータジャケット４内の上部に配置しても良い。

次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例の廃熱回収装置は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置は、第２配管１２上に圧力センサを備えている点で実施例１の廃熱回収装置１と相違する。なお、ノズル１２１の入口圧力が算出できれば、圧力センサは第２配管１２のいずれに配置してもよい。また、その他の構成は実施例１と同一であり、その詳細な説明は省略する。

次に、本実施例における制御について説明する。本実施例では、ユニット５のポンプ部５２０の回転を制御し、タービン７における動力回収効率が最大となることを考慮して、ノズル１２１の入口における蒸気圧を制御する。この制御は、ＥＣＵ１６により行われる。図６は、ノズル１２１の入口における蒸気圧の制御について示したフローチャートである。以下、図６を参照して説明する。

本制御は、エンジン２の運転開始とともに開始される。ＥＣＵ１６はステップＳ２０１で、タービン入口圧力Ｐ_１、タービン出口圧力Ｐ_２、タービン周速Ｕ、タービン入口温度Ｔ_１、動翼の回転速度Ｎｕ＿ｃを取得する。ここでは、これらのデータをそれぞれ計測するセンサを備えて計測しても良いし、これらの情報と相関関係のある他のデータに基づいて、算出しても良い。ＥＣＵ１６はステップＳ２０１の処理を終えるとステップＳ２０２へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０２で、タービン周速Ｕからノズル出口流速ｃを算出する。ノズル出口流速ｃは次式（３）より算出される。
ｃ ＝ Ｕ／０．５ （３）
式（３）を満足するようなノズル出口流速ｃ、タービン周速Ｕである場合、タービン７の動力回収効率が最大となる。なお、タービンが速度複式２段タービンである場合、タービン周速Ｕを０．２５程度で除するのが適している。ＥＣＵ１６はステップＳ２０２の処理を終えるとステップＳ２０３へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０３で、ノズル出口流速ｃ、タービン入口圧力Ｐ_１、タービン入口温度Ｔ_１からタービン入口目標圧力Ｐ_１ｄｅｓを算出する。タービン入口目標圧力Ｐ_１ｄｅｓは次の（数１）により算出される。

ここで、κは比熱比、Ｒはガス定数を表わしている。ＥＣＵ１６はステップＳ２０３の処理を終えるとステップＳ２０４へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０４で、ΔＰ_１を算出する。ΔＰ_１は次式（４）により算出される。
ΔＰ_１ ＝ Ｐ_１ｄｅｓ − Ｐ_１ （４）
ＥＣＵ１６はステップＳ２０４の処理を終えるとステップＳ２０５へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０５で、エンジン回転数ＮｅとステップＳ２０４で算出したΔＰ_１から動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄを算出する。動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄは次式（５）により算出される。
Ｎｕ＿ｄ ＝ Ｋ_２（ΔＰ，Ｎｅ） （５）
ここで、Ｋ_２は動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄを算出する関数を表わす。ＥＣＵ１６はステップＳ２０５の処理を終えるとステップＳ２０６へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０６で、動翼の目標回転速度Ｎｕ＿ｄと、動翼の回転速度の実測値Ｎｕ＿ｃとを比較し、目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃよりも大きいか否かを判断する。ＥＣＵ１６はステップＳ２０６で、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃよりも大きい場合、ステップＳ２０７へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０７でクラッチ５４４を接続させる。目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃより大きい場合、タービン７の動力回収効率が最大となる時と比較して、ノズル出口流速ｃが遅い。このため、動翼の回転速度を上昇して、ユニット５から送出する蒸気量を増加させる。これにより、第２配管１２内の蒸気の圧力が上昇するため、ノズル出口速度流速ｃが上昇し、タービン７の動力回収効率が最大となる。このように回収効率が上昇するため、エンジンの燃費が向上する。ＥＣＵ１６の制御はステップＳ２０７の処理を終えるとリターンとなる。

一方、ＥＣＵ１６はステップＳ２０６で、ＮＯと判断する場合、すなわち、目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃ以下である場合、ステップＳ２０８へ進む。

ＥＣＵ１６はステップＳ２０８でクラッチ５４４を切断させる。すなわち、ユニット５における動翼の回転を減速させる。目標回転速度Ｎｕ＿ｄが実測値Ｎｕ＿ｃ以下である場合、タービン７の動力回収効率が最大となる時と比較して、ノズル出口流速ｃが速い。このため、動翼の回転速度を低下させて、ユニット５から送出する蒸気量を減少させる。これにより、第２配管１２内の蒸気の圧力が低下するため、ノズル出口速度流速ｃが低下し、タービン７の動力回収効率が最大となる。このように回収効率が上昇するため、エンジンの燃費が向上する。ＥＣＵ１６の制御はステップＳ２０８の処理を終えるとリターンとなる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

例えば、図７は、沸騰冷却を行う本発明のエンジン１００を示した説明図である。エンジン１００は、実施例１の廃熱回収装置１における過熱器６、タービン７を取り除いた構成となっている。すなわち、エンジン１００は、内部に形成されたウォータジャケット４の内部を通過する冷媒が沸騰し、熱が持ち去られるエンジン本体３と、ウォータジャケット４から排出される冷媒を回転する分離器５１０の遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離するユニット５を備えている。

このようなユニット５の搭載性の自由度は、高く、比重差を利用する気液分離器のように、エンジンの配置高さとの関係を考慮する必要がない。さらに、ユニット１の分離器５１０は遠心力を利用するため、エンジン１００が傾いてもその性能は影響を受けない。

１ 廃熱回収装置
２ エンジン
３ エンジン本体
４ ウォータジャケット
５ ユニット
５１０ 分離器
５２０ ポンプ部
７ タービン
７２ 羽根車
１００ エンジン

Claims (8)

1. エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
   前記蒸気化手段から排出された冷媒が導入された状態で回転し前記冷媒を気液分離する回転部を有する気液分離手段と、
   前記気液分離手段により分離された気相冷媒からエネルギーを回収する膨張機と、
   を備え、
   前記気液分離手段は、前記蒸気化手段において蒸気化した冷媒を吸引するとともに、分離後の気相冷媒を前記膨張機へ送出する送出手段を備え、前記蒸気化手段から排出された冷媒の圧力に基づいて、冷媒の吸引量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
2. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記蒸気化手段により蒸気化された冷媒が滞留する箇所に配置されて冷媒の圧力を測定する圧力測定手段を備え、
   前記気液分離手段は、前記圧力測定手段により取得される冷媒の圧力情報に基づいて、
   冷媒の吸引量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
3. 請求項１または２記載の廃熱回収装置において、
   前記蒸気化手段と前記気液分離手段との間に配置されて冷媒の圧力を測定する圧力測定手段を備え、
   前記気液分離手段は、前記圧力測定手段により取得される冷媒の圧力情報に基づいて、
   冷媒の吸引量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の廃熱回収装置において、
   前記気液分離手段は、前記膨張機における動力回収効率が最大となることを考慮して、気相冷媒の送出量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載の廃熱回収装置において、
   前記膨張機は、気相冷媒の衝撃により回転する羽根車を備えた衝動タービンであって、
   前記気液分離手段は、前記羽根車の回転速度と当該羽根車に衝突する気相冷媒の速度とに基づいて、気相冷媒の送出量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
6. エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
   前記蒸気化手段から排出された冷媒が導入された状態で回転し前記冷媒を気液分離する回転部を有する気液分離手段と、
   前記気液分離手段により分離された気相冷媒からエネルギーを回収する膨張機と、
   を備え、
   前記気液分離手段は、前記蒸気化手段において蒸気化した冷媒を吸引するとともに、分離後の気相冷媒を前記膨張機へ送出する送出手段を備え、前記膨張機における動力回収効率が最大となることを考慮して、気相冷媒の送出量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
7. エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する蒸気化手段と、
   前記蒸気化手段から排出された冷媒が導入された状態で回転し前記冷媒を気液分離する回転部を有する気液分離手段と、
   前記気液分離手段により分離された気相冷媒からエネルギーを回収する膨張機と、
   を備え、
   前記膨張機は、気相冷媒の衝撃により回転する羽根車を備えた衝動タービンであって、
   前記気液分離手段は、前記蒸気化手段において蒸気化した冷媒を吸引するとともに、分離後の気相冷媒を前記膨張機へ送出する送出手段を備え、前記羽根車の回転速度と当該羽根車に衝突する気相冷媒の速度とに基づいて、気相冷媒の送出量を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
8. 内部に形成された冷媒通路の内部を通過する冷媒が沸騰し、熱が持ち去られるエンジン本体と、
   前記冷媒通路から排出される冷媒を回転する分離器の遠心力により気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離手段と、
   を備え、
   前記気液分離手段は、前記冷媒通路において沸騰した冷媒を吸引するとともに、分離後の気相冷媒からエネルギーを回収する膨張機へ送出する送出手段を備え、前記冷媒通路から排出された冷媒の圧力に基づいて、冷媒の吸引量を制御することを特徴とするエンジン。

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