WO2010047410A1 - 内燃機関の廃熱回収システム - Google Patents

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WO2010047410A1
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internal combustion
combustion engine
pressure
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heat transfer
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PCT/JP2009/068309
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粕谷　潤一郎
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サンデン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a waste heat recovery system for an internal combustion engine, and more particularly to a waste heat recovery system for an internal combustion engine suitable for a vehicle.
  • the waste heat recovery system of an internal combustion engine has a Rankine cycle circuit.
  • the Rankine cycle circuit has a circulation path for circulating the heat transfer medium, and a pump, a heat exchanger, an expander, and a condenser are sequentially inserted in the circulation path.
  • the heat transfer medium is heated using the heat released from the internal combustion engine, and the heated heat transfer medium is expanded by the expander.
  • power is output via the rotating shaft of the expander, and this power is used as regenerative energy.
  • the engine is assisted by regenerative energy.
  • the rotating shaft of the expander and the rotating shaft of the engine are connected via a transmission and a clutch, and the rotation of the rotating shaft of the expander is transmitted to the rotating shaft of the engine at a predetermined speed ratio.
  • the rotating shaft of the expander and the rotating shaft of the generator are connected, and regenerative energy is converted into electric power by the generator.
  • a working medium closing means and a valve mechanism are provided on the upstream side of the expander, respectively.
  • a bypass passage closing means is provided together with a working medium closing means.
  • the working medium closing means is first opened, and the bypass closing means is opened when the differential pressure between the inlet and outlet of the expander exceeds a set value.
  • the bypass closing means is first opened, and then the working medium closing means is closed when the differential pressure between the inlet and the outlet of the expander becomes a set value or less.
  • JP-A-57-99222 for example, claim 4, FIG. 1
  • JP 59-138707 for example, page 3, upper left column to lower left column, FIGS. 4 to 6)
  • JP 2006-170185 A for example, FIG. 1, paragraph numbers 0093 to 0096
  • the rotating shaft of the expander (expander shaft) and the rotating shaft of the engine (engine shaft) are connected via a transmission.
  • the gear ratio is constant, the rotation of the engine shaft is performed.
  • the rotational speed of the expander shaft also increases.
  • Patent Document 3 In the waste heat recovery system for an internal combustion engine disclosed in Patent Document 3, the valve mechanism is merely closed to stop the expander when it is determined that there is an abnormality.
  • the present invention has been made in view of the problems that none of Patent Documents 1 to 3 disclose, and provides a waste heat recovery system for an internal combustion engine in which the amount of regenerative energy transmitted to the internal combustion engine is increased with a simple structure. The purpose is to do.
  • the heat transfer medium is heated using heat generated in a pump and an internal combustion engine sequentially inserted in a circulation path of the heat transfer medium.
  • a Rankine cycle circuit having a heat exchanger, an expander, and a condenser for imparting a degree of superheat to the heat transfer medium, and power transmission means for transmitting the power of the rotating shaft of the expander to the rotating shaft of the internal combustion engine And a flow rate limiting valve that is inserted in an upstream portion of the expander in the circulation path that extends between the heat exchanger and the inlet of the expander, and that can limit the flow rate of the heat transfer medium in the upstream portion of the expander
  • a waste heat recovery system for an internal combustion engine comprising: a high-pressure sensor that detects a pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger; and a control device that controls operations of the pump and the flow control valve.
  • Determination means for determining whether or not it is necessary to increase the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger based on the detected pressure, and the determination means determines the pressure in the heat exchanger.
  • the flow restriction valve is started to limit the flow rate of the heat transfer medium while the pump is operated.
  • the flow restriction valve is allowed to continue the restriction of the flow rate of the heat transfer medium until it is determined that it is not necessary to increase the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger, and then the restriction is terminated.
  • a waste heat recovery system for an internal combustion engine is provided (claim 1).
  • the determination means determines that the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger needs to be increased when the pressure detected by the high pressure sensor is less than a lower limit pressure, and the high pressure sensor When the detected pressure exceeds the upper limit pressure, it is determined that it is not necessary to increase the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger (claim 2).
  • the waste heat recovery system further includes a low-pressure sensor that detects a pressure of the heat transfer medium at an outlet of the expander, and the determination unit is configured by the high-pressure sensor with respect to the pressure detected by the low-pressure sensor.
  • the waste heat recovery system further includes a rotation speed detection unit that detects a rotation speed of the rotation shaft of the expander, and the determination unit has a rotation speed detected by the rotation speed detection unit equal to or higher than a set rotation speed. Only when it is, it is determined whether or not it is necessary to increase the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger (claim 4).
  • the waste heat recovery system further includes a tank that freely stores the heat transfer medium in and out of a portion of the circulation path that extends between the heat exchanger and the flow restriction valve.
  • the waste heat recovery system includes, as the heat exchanger, an evaporator that heats the heat transfer medium using cooling water of the internal combustion engine, and the evaporator as viewed in the flow direction of the heat transfer medium.
  • a superheater that is located downstream and heats the heat transfer medium using the exhaust gas of the internal combustion engine, and the tank and the superheater are integrally formed.
  • the waste heat recovery system further includes a second control device that controls an output of the internal combustion engine, and the second control device is configured such that the control device restricts the flow rate of the heat transfer medium by the flow rate restriction valve.
  • the output is decreased (claim 7).
  • the flow rate restriction valve is a flow rate adjustment valve capable of continuously changing a flow rate, and the control device continuously supplies the flow rate when the flow rate restriction valve ends the restriction of the flow rate of the heat transfer medium.
  • the flow regulating valve is actuated so as to increase continuously (Claim 8).
  • the waste heat recovery system includes a plurality of on-off valves arranged in parallel with each other in the circulation path as the flow restriction valve, and the control device restricts the flow rate of the heat transfer medium by the flow restriction valve.
  • the on-off valves are sequentially operated so that the flow rate increases stepwise (Claim 9).
  • the control device does not cause the flow rate restriction valve to restrict the flow rate of the heat transfer medium for a predetermined period after the pump is started (Claim 10).
  • the waste heat recovery system further includes bypass means for bypassing the flow restriction valve.
  • the power transmission means includes a one-way clutch that transmits power only in a direction from a rotation shaft of the expander to a rotation shaft of the internal combustion engine.
  • the power transmission means includes an electromagnetic clutch that connects the rotating shaft of the expander and the rotating shaft of the internal combustion engine in an intermittent manner, and the control device supplies a flow rate of the heat transfer medium to the flow rate limiting valve.
  • the connection between the rotating shaft of the expander and the rotating shaft of the internal combustion engine by the electromagnetic clutch is released (claim 13).
  • the control device continues the restriction while the internal combustion engine is exerting a braking force after the restriction of the flow rate of the heat transfer medium by the flow restriction valve is started (Claim 14). .
  • the discharge amount of the pump is variable, and the control device sets the discharge amount of the pump to zero or decreases when the flow restriction valve restricts the flow rate of the heat transfer medium ( Claim 15).
  • the power transmission means includes a flywheel.
  • the power transmission means includes a hydraulic device that converts the power of the rotating shaft of the expander into hydraulic pressure and rotates the rotating shaft of the internal combustion engine using the hydraulic pressure.
  • the hydraulic device uses a hydraulic pump that increases hydraulic pressure by the power of a rotating shaft of the expander, a hydraulic accumulator that stores hydraulic pressure, and a hydraulic pressure stored in the hydraulic accumulator to rotate the internal combustion engine.
  • the stored hydraulic pressure is increased (claim 18).
  • the apparatus is controlled by the control device and includes a fan for cooling the condenser, and the control device stops the fan when the flow restriction valve restricts the flow rate of the heat transfer medium ( Claim 19).
  • the control device controls the flow rate limiting valve. To increase the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger. Thereby, even when the rotational speed of the internal combustion engine is high, a decrease in the pressure of the heat transfer medium at the inlet of the expander is prevented, and a decrease in the output of the expander, that is, a decrease in the amount of regenerative energy is prevented. According to the waste heat recovery system for an internal combustion engine according to claim 2, the determination is performed accurately because the determination means adopts the set pressure as the determination reference.
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine determines whether or not it is necessary to increase the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger based on the set pressure ratio.
  • the amount of regenerative energy due to the increase in rotational speed is determined by the determination means only when the rotational speed of the rotating shaft of the expander is equal to or higher than the set rotational speed. Is accurately prevented.
  • the frequency of flow restriction by the flow restriction valve is reduced by the tank. The restriction on the flow rate causes a temporary decrease in the output of the expander, which is a disturbance for the rotational speed control of the internal combustion engine.
  • the rotational speed control of the internal combustion engine becomes stable.
  • the driver can drive without a sense of incongruity.
  • the reduction in the frequency of the flow rate restriction leads to a longer life of the flow rate control valve.
  • the enthalpy of the heat transfer medium is increased by being heated in the tank. Thereby, when the restriction
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine when the restriction of the flow rate of the heat transfer medium by the flow restriction valve ends, the engine output decreases, so that the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized.
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine of claim 8 when the restriction of the flow rate of the heat transfer medium by the flow restriction valve is finished, the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized by continuously increasing the flow rate. . Moreover, since the rotational speed of the rotating shaft of the expander is prevented from rapidly increasing, the load on the expander is reduced.
  • the internal combustion engine waste heat recovery system of claim 9 when the restriction of the flow rate of the heat transfer medium by the flow restriction valve ends, the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized by increasing the flow rate stepwise. . Moreover, since the rotational speed of the rotating shaft of the expander is prevented from rapidly increasing, the load on the expander is reduced. According to the internal combustion engine waste heat recovery system of claim 10, even when the heat transfer medium is dispersed in the circulation path when the pump is started, the heat transfer medium is caused to flow into the pump via the expander. The heat transfer medium circulates in the circulation path at an early stage. That is, the time required from the start of the pump to the recovery of waste heat is shortened.
  • the flow restriction of the heat transfer medium is relaxed by the bypass means.
  • the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized, and the time required from the start of the pump to the recovery of waste heat is shortened.
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine of the twelfth aspect when the flow rate is restricted by the flow restriction valve, the expander is prevented from becoming a load on the internal combustion engine.
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine of the thirteenth aspect when the flow rate is restricted by the flow restriction valve, the expander is prevented from becoming a load on the internal combustion engine.
  • the expander assists the internal combustion engine by executing the flow rate restriction of the heat transfer medium by the flow rate control valve while the internal combustion engine exhibits the braking force.
  • a reduction in the braking force of the internal combustion engine is prevented.
  • the expander becomes a load, the braking force of the internal combustion engine is increased.
  • the pressure of the heat transfer medium in the heat exchanger is further increased, and the output of the expander after the restriction is released is increased.
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine of claim 15 when the flow restriction valve restricts the flow rate of the heat transfer medium, the heat transfer medium in the heat exchanger is reduced by reducing the discharge amount of the pump.
  • the power consumption of the pump is reduced while sufficiently heating.
  • the power transmitted to the rotation shaft of the internal combustion engine is averaged by the flywheel, and the rotation speed of the internal combustion engine is stabilized.
  • the power transmitted to the rotation shaft of the internal combustion engine is averaged by the hydraulic device, and the rotation speed of the internal combustion engine is stabilized.
  • the waste heat recovery system for an internal combustion engine of claim 18 when the internal combustion engine is exerting a braking force, the amount of regenerative energy is further increased by storing the hydraulic pressure by the hydraulic motor.
  • the amount of regenerative energy further increases by stopping the fan.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a waste heat recovery system for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pressure ratio and the amount of regenerative energy in the system of FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the expander rotation speed and the pressure ratio in the system of FIG. 1 together with a comparative example.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the expander rotation speed and the amount of regenerative energy together with a comparative example in the system of FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing the time change of the expander output, the pressure ratio, and the EVA input in the system of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an outline of a third heat exchanger according to a modification.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a waste heat recovery system for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pressure ratio and the amount of regenerative energy in the
  • FIG. 7 is a diagram showing an outline of a flow restriction valve according to a modification.
  • FIG. 8 is a diagram showing an outline of a flow restriction valve according to a modification.
  • FIG. 9 is a diagram showing an outline of bypass means according to a modification.
  • FIG. 10 is a diagram showing an outline of power transmission means according to a modification.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an outline of a heat medium pump according to a modification.
  • FIG. 12 is a diagram showing an outline of power transmission means according to a modification.
  • FIG. 13 is a diagram showing an outline of power transmission means according to a modification.
  • FIG. 14 is a diagram showing an outline of power transmission means according to a modification.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a waste heat recovery system for an internal combustion engine 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the waste heat recovery system of the internal combustion engine 100 converts heat generated in the internal combustion engine 100 into energy (regenerative energy). Specifically, heat generated in the internal combustion engine 100 is supplied to the Rankine cycle circuit 300 via the cooling device 200 of the internal combustion engine 100, and is converted into rotational force by the Rankine cycle circuit 300. The rotational force is transmitted to the internal combustion engine 100 and assists the internal combustion engine 100.
  • the internal combustion engine 100 is, for example, a diesel engine of a vehicle, and light oil as fuel is supplied into a cylinder of the internal combustion engine 100 via an injector 102.
  • the injector 102 is controlled by the E / G control device 104.
  • a depression amount of an accelerator pedal (not shown) is input to the E / G control device 104, and the E / G control device 104 adjusts the fuel supply amount based on the depression amount.
  • the larger the depression amount, the larger the fuel supply amount, and the rotation speed of the rotation shaft 106 (internal combustion engine rotation speed) of the internal combustion engine 100 becomes faster.
  • the rotation shaft 106 of the internal combustion engine 100 is connected to wheels via a clutch, a transmission, and the like. Further, exhaust gas generated in the internal combustion engine 100 is released outside the vehicle through an exhaust pipe 108 connected to the internal combustion engine 100.
  • the cooling device 200 is provided in the vehicle to prevent the internal combustion engine 100 from being heated.
  • the cooling device 200 has a water circulation path 202 through which cooling water circulates.
  • a water pump 204 In the water circulation path 202, a water pump 204, an internal water path 206 of the internal combustion engine 100, and a radiator 208 are inserted in this order in the flow direction of the cooling water.
  • the cooling device 200 includes a bypass passage 210 that bypasses the radiator 208, and a downstream end of the bypass passage 210 is connected to the water circulation passage 202 via a three-way valve 212.
  • the three-way valve 212 has a function as a thermostat, and operates so that the cooling water flows through the bypass passage 210 when the temperature of the cooling water is below a certain level.
  • the Rankine cycle circuit 300 includes a heat medium circulation path 302 through which a heat transfer medium (heat medium) as a working fluid circulates.
  • a heat transfer medium for example, a fluorocarbon refrigerant (R-134a, R-152a, R1234yf, R-245fa), hydrocarbon, alcohol or the like can be used.
  • the heat medium circulation path 302 includes a heat medium pump 304, a low temperature part 306L of the first heat exchanger 306, a low temperature part 308L of the second heat exchanger 308, a low temperature part 310L of the third heat exchanger 310, and an expander 312.
  • the high temperature part 306H, the condenser 314, and the gas-liquid separator 316 of the first heat exchanger 306 are inserted in this order in the flow direction of the heat medium.
  • the 1st heat exchanger 306 is also called a regenerator, and heat exchange is performed between the high temperature part 306H and the low temperature part 306L. That is, in the first heat exchanger 306, the heat medium discharged from the heat medium pump 304 is heated by the heat medium expanded by the expander 312.
  • the second heat exchanger 308 is also referred to as an evaporator, and heat exchange is performed between the high temperature part 308H and the low temperature part 308L.
  • the second heat exchanger 308 uses the heat generated in the internal combustion engine 100 to heat and evaporate the heat medium.
  • the high temperature part 308 ⁇ / b> H of the second heat exchanger 308 is inserted in the water circulation path 202.
  • the third heat exchanger 310 is also called a superheater, and heat exchange is performed between the high temperature part 310H and the low temperature part 310L.
  • the third heat exchanger 310 heats the heat medium using the heat generated in the internal combustion engine 100, and gives a degree of superheat to the heat medium. Therefore, the high temperature part 310 ⁇ / b> H of the third heat exchanger 310 is inserted in the water circulation path 202.
  • a heater 214 is inserted in the water circulation path 202.
  • the heater 214 is attached to the exhaust pipe 108 and heats the cooling water using the heat of the exhaust gas.
  • the heater 214, the high temperature part 310 ⁇ / b> H of the third heat exchanger 310, and the high temperature part 308 ⁇ / b> H of the second heat exchanger 308 are provided in the portion of the water circulation path 202 that extends between the internal water path 206 and the radiator 208. They are inserted in this order in the flow direction.
  • the expander 312 converts the heat obtained by the heat medium in the second heat exchanger 308 and the third heat exchanger 310 into power by expanding the heat medium.
  • the power is output by the rotating shaft 318 of the expander 312 and transmitted to the rotating shaft 106 of the internal combustion engine 100 by the power transmission means.
  • the suction volume of the expander 312 is Vs
  • the discharge volume is Ve
  • the inlet pressure is Ps
  • the outlet pressure is Pe
  • the specific heat ratio of the heat medium is ⁇
  • Poisson's law (Ps / Pe) (Ve / Vs) ⁇ holds.
  • pulleys 400 and 402 and a belt 404 can be used as the power transmission means.
  • the pulleys 400 and 402 are attached to the rotary shafts 318 and 106, respectively, and the belt 404 is wound around the pulleys 400 and 402.
  • the waste heat recovery system of the internal combustion engine 100 includes a control device (R / C control device) 500 that controls the Rankine cycle circuit 300.
  • the R / C control device 500 can be configured by, for example, an ECU (electronic control device).
  • the R / C control device 500 controls the start and stop of the fan 319 for the heat medium pump 304 and the condenser 314, respectively, thereby controlling the start and stop of the Rankine cycle circuit 300.
  • the R / C control device 500 operates the pressure of the heat medium at the outlet of the low temperature part 310L of the third heat exchanger 310 during the operation of the heat medium pump 304, that is, the second heat exchanger 308 and the third heat. It has a judgment means which judges whether it is necessary to raise the pressure (evaporation pressure) of the heat medium in the exchanger 310.
  • the waste heat recovery system of the internal combustion engine 100 includes a sensor that provides information for making a determination to the determination unit, and a flow rate control valve that operates based on the determination result of the determination unit. More specifically, as the sensor, for example, two pressure gauges 502 and 504 can be used.
  • the pressure gauge 502 is attached to a portion of the heat medium circulation path 302 (hereinafter also referred to as an expander upstream portion) that extends between the outlet of the low temperature part 310L of the third heat exchanger 310 and the inlet of the expander 312 and expands. The pressure of the heat medium is detected in the upstream part of the machine.
  • Detecting the pressure is equivalent to detecting the pressure of the heat medium in the second heat exchanger 308 and the third heat exchanger 310 in the Rankine cycle circuit 300, that is, the high pressure PH. It is substantially equivalent to detecting the inlet pressure Ps of the expander 312 when 506 is open.
  • the pressure gauge 504 is attached to a portion of the heat medium circulation path 302 that extends between the outlet of the expander 312 and the condenser 314, and detects the pressure of the heat medium at the portion.
  • Detecting the pressure is equivalent to detecting the low pressure PL of the Rankine cycle circuit 300 and is equivalent to detecting the pressure Pe of the heat medium at the outlet of the expander 312.
  • the high pressure PH and the low pressure PL detected by the pressure gauges 502 and 504 are input to the R / C control device 500.
  • the determination means of the R / C control device 500 calculates a ratio PH / PL (hereinafter referred to as a pressure ratio Rc) of the high pressure PH with respect to the low pressure PL, and each of the calculated pressure ratios Rc is a preset lower limit pressure ratio. Compared with Rmin and upper limit pressure ratio Rmax.
  • the determination means determines that the high pressure PH needs to be increased when the pressure ratio Rc is less than the lower limit pressure ratio Rmin (Yes determination), and when the pressure ratio Rc exceeds the upper limit pressure ratio Rmax, It is determined (No determination) that there is no need to increase the high pressure PH.
  • a 2-port 2-position switching electromagnetic opening / closing valve 506 can be used as the flow restriction valve.
  • the electromagnetic opening / closing valve 506 is inserted in the evaporator upstream portion of the heat medium circulation path 302 and can open and close the portion.
  • the electromagnetic on-off valve 506 is located downstream of the pressure gauge 502 in the flow direction of the heat medium.
  • the opening / closing operation of the electromagnetic opening / closing valve 506 is controlled by the R / C control device 500.
  • the R / C control device 500 closes the electromagnetic opening / closing valve 506 when the determination means determines Yes.
  • the R / C control device 500 after closing the electromagnetic opening / closing valve 506, continues to close the electromagnetic opening / closing valve 506 until the determination means determines No, and then opens the electromagnetic opening / closing valve 506, even if it is short. .
  • the determination unit determines No
  • the R / C control device 500 opens the electromagnetic opening / closing valve 506.
  • the heat medium pump 304 remains operated until it is opened.
  • the waste heat recovery system of the internal combustion engine 100 includes a rotation speed meter 508 that detects the rotation speed (expansion machine rotation speed) of the rotation shaft 318 of the expander 312.
  • the expander rotational speed detected by the rotational speed meter 508 is input to the R / C control device 500. It is preferable that the R / C control device 500 does not perform the determination by the determination unit when the expander rotation speed is less than the preset minimum rotation speed Vmin. That is, it is preferable that the R / C control device 500 does not limit the flow rate of the heat medium by the electromagnetic on-off valve 506 when the expander rotation speed is less than the minimum rotation speed Vmin.
  • movement) of the waste-heat recovery system of the internal combustion engine 100 mentioned above is demonstrated.
  • the E / G control device 104 activates the internal combustion engine 100 and activates the water pump 204.
  • the R / C control device 500 starts the heat medium pump 304 at the same time as or after the water pump 204 starts. Then, the heat medium pump 304 sucks the low-temperature low-pressure liquid-phase heat medium and discharges the low-temperature high-pressure liquid-phase heat medium. The discharged heat medium is preliminarily heated by the first heat exchanger 306. Then, the heat medium is heated by the second heat exchanger 308 to evaporate, and is then heated by the third heat exchanger 310 to become a high temperature / high pressure gas phase heat medium having a superheat degree.
  • the high-temperature high-pressure gas-phase refrigerant is expanded by the expander 312 and becomes a high-temperature low-pressure gas-phase heat medium.
  • the high-temperature and low-pressure gas phase heat medium is cooled by the first heat exchanger 306 and then cooled and condensed by the condenser 314 to become a low-temperature and low-pressure liquid phase heat medium.
  • the low-temperature low-pressure liquid-phase heat medium is sucked into the heat medium pump 304 via the gas-liquid separator 316.
  • the heat medium works to the outside when passing through the expander 312, and the work is output as a rotational force through the rotation shaft 318.
  • the rotational force of the expander 312 is transmitted to the rotation shaft 106 of the internal combustion engine 100 through power transmission means.
  • heat generated in the internal combustion engine 100 is converted into regenerative energy by the Rankine cycle circuit 300, and the operation of the internal combustion engine 100 is performed by the regenerative energy.
  • the determination unit determines whether or not it is necessary to increase the high pressure PH in view of prevention of a decrease in the amount of regenerative energy at a predetermined interval. Repeat with.
  • the R / C control device 500 closes the electromagnetic opening / closing valve 506 when the determination result is Yes, and then opens the electromagnetic opening / closing valve 506 when the determination result is No. According to such an operation of the waste heat recovery system, even when the rotational speed of the internal combustion engine is high, the high pressure PH is prevented from decreasing and the inlet pressure Ps of the expander 312 is prevented from decreasing. As a result, a decrease in output of the expander 312, that is, a decrease in the amount of regenerative energy is prevented. Further, according to the above-described waste heat recovery system, whether or not the high pressure PH needs to be increased is accurately determined by the determination unit using the pressure ratio Rc as a determination criterion.
  • the determination is performed so that a larger amount of regenerative energy can be obtained.
  • the amount of regenerative energy depends on the pressure ratio Rc as schematically shown in FIG. 2, and reaches the maximum value Em when the pressure ratio Rc is the optimum value Rs. Therefore, if the pressure ratio Rc is the optimum value Rs or a value close thereto, the regenerative energy amount can be set to the maximum value Em or a value close thereto. Therefore, in the present embodiment, a lower limit pressure ratio Rmin smaller than the optimum value Rs and an upper limit pressure ratio Rmax larger than the optimum value Rs are set.
  • the optimum value Rs can be obtained by experiment.
  • the optimal value Rs is approximately 1.15 to 1.20 times the ideal pressure ratio Ri, and more specifically about 1.18 times, where (Ve / Vs) ⁇ is the ideal pressure ratio Ri. is there.
  • the lower limit pressure ratio Rmin is preferably set to a value of about 90% of the optimum value Rs. For this reason, the lower limit pressure ratio Rmin is preferably set in the range of 1.03 to 1.08 times the ideal pressure ratio Ri, and more preferably set to 1.06 times.
  • the upper limit pressure ratio Rmax may be the same value as the lower limit pressure ratio Rmin, but is preferably set to a value of about 110% of the optimum value Rs so that the electromagnetic on-off valve 506 does not frequently open and close.
  • the graph of FIG. 3 shows the relationship between the expander rotational speed and the pressure ratio Rc
  • the graph of FIG. 4 shows the relationship between the expander rotational speed and the amount of regenerative energy.
  • the plot of the example shows the result when the flow rate restriction is performed based on the determination result as described above
  • the plot of the comparative example shows the case where the flow rate restriction is not performed at all. Results are shown.
  • the amount of regenerative energy in FIG. 4 is a value obtained by subtracting the power consumption of the heat medium pump 304 and the fan 319 of the condenser 314 from the energy output from the expander 312.
  • the pressure ratio Rc is prevented from decreasing in the region where the rotational speed of the expander exceeds 1500 rpm, as compared with the comparative example.
  • the regenerative energy amount in the example is larger than that in the comparative example in the rotational speed region above about 2250 rpm.
  • the determination unit performs the determination when the expander rotation speed is equal to or higher than the minimum rotation speed Vmin.
  • the minimum rotation speed Vmin is set to, for example, 2250 rpm. It can be seen that it should be set. Thereby, the fall of the amount of regenerative energy by the raise of an expander rotational speed is prevented exactly.
  • FIG. 5 is a graph showing changes over time in the output of the expander 312, the pressure ratio Rc, and the EVA input when the rotation speed of the expander is 3000 rpm. In FIG. 5, the time range is from 0 to 15 seconds, but the same result is repeated with 15 seconds as one cycle.
  • FIG. 5 is a graph showing changes over time in the output of the expander 312, the pressure ratio Rc, and the EVA input when the rotation speed of the expander is 3000 rpm. In FIG. 5, the time range is from 0 to 15 seconds, but the same result is repeated with 15 seconds as one cycle.
  • the pressure ratio Rc gradually decreases immediately after the electromagnetic on-off valve 506 is opened, and increases when the electromagnetic on-off valve 506 is closed.
  • the output of the expander 312 increases rapidly immediately after the electromagnetic on-off valve 506 is opened, and then gradually decreases.
  • the output of the expander 312 rapidly decreases and becomes zero when the electromagnetic on-off valve 506 is closed.
  • the EVA input is the heat absorption amount of the heat medium in the second heat exchanger 308.
  • the EVA input starts to increase after a while after the electromagnetic on-off valve 506 is opened, and the increase rate decreases after 6 seconds.
  • the EVA input starts to decrease after a while after the electromagnetic on-off valve 506 is closed, and continues to decrease until the electromagnetic on-off valve 506 is opened.
  • the EVA input increases as the temperature difference between the cooling water and the heat medium in the second heat exchanger 308 increases.
  • FIG. 5 it can be seen that the lower the pressure ratio Rc is, the more the EVA input is, and the lowering of the pressure ratio Rc is accompanied by the lowering of the pressure and temperature of the heat medium in the second heat exchanger 308.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
  • the heat medium discharged from the heat medium pump 304 is heated by the first heat exchanger 306, but the first heat exchanger 306 may be omitted.
  • the second heat exchanger 308 can provide a degree of superheat to the heat medium
  • the third heat exchanger 310 may be omitted. That is, if the heat medium is heated using the heat discharged from the internal combustion engine 100 and the degree of superheat can be imparted to the heat medium, there may be one heat exchanger or a plurality of heat exchangers. Good.
  • the determination unit only needs to make a determination based on at least the high pressure PH. .
  • the determination unit may determine based on only the high pressure PH. In this case, it is determined that the high pressure PH needs to be increased when the high pressure PH is less than a preset lower limit pressure, and the high pressure is exceeded when the high pressure PH exceeds a preset upper limit pressure. What is necessary is just to determine that it is not necessary to raise PH. Also in this case, the determination is made accurately.
  • map data representing the relationship among the pressure ratio Rc, the expander rotational speed, and the output of the expander 312 may be created in advance, and the determination unit may perform determination based on the map data. .
  • the frequency of flow restriction by the flow restriction valve is reduced by the tank.
  • the restriction on the flow rate causes a temporary decrease in the output of the expander, which is a disturbance for the rotational speed control of the internal combustion engine.
  • the frequency of such flow restriction By reducing the frequency of such flow restriction, the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized. In the case of a vehicle, when the rotational speed is stabilized, the driver can drive without a sense of incongruity.
  • the reduction in the frequency of the flow rate restriction leads to a longer life of the flow rate control valve.
  • the tank 320 is formed integrally with the third heat exchanger 310 and constitutes a low temperature part 310L of the third heat exchanger 310.
  • the high temperature part 310H is wound around the outside of the tank 320, it may be provided inside the tank 320. In this case, the enthalpy of the heat medium is increased by being heated in the tank 320. Thereby, when the restriction
  • the E / G control device 104 decreases the amount of fuel supplied to the internal combustion engine 100 when the restriction of the flow rate of the heat transfer medium by the flow restriction valve ends.
  • the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized by decreasing the output of the internal combustion engine itself as the flow rate restriction ends and the output of the expander 312 increases.
  • the flow rate of the heat transfer medium is continuously increased when the restriction of the flow rate of the heat transfer medium by the flow rate limiting valve ends. Thereby, the internal combustion engine rotational speed is stabilized. Further, since the expander rotation speed is prevented from rapidly increasing, the load applied to the expander 100 is reduced.
  • the opening degree of the electromagnetic on-off valve 506 may be continuously changed by duty ratio control.
  • a flow rate regulating valve 510 that can continuously change the flow rate may be used as a flow rate limiting valve as shown in FIG.
  • a plurality of electromagnetic on-off valves 506, 512, and 514 may be provided in parallel, and the electromagnetic on-off valves 506, 512, and 514 may be sequentially opened.
  • the flow rate restriction valve is not limited to the flow rate of the heat medium for a predetermined period after the heat medium pump 304 is activated. Thereby, at the time of cold start of the heat medium pump 304, even if the heat medium is dispersed in the heat medium circulation path 302, the heat medium is caused to flow into the heat medium pump 304 via the expander 312. The heat medium circulates in the heat medium circulation path 302 at an early stage.
  • bypass means for bypassing the flow restriction valve.
  • the bypass means can be configured by a bypass 516 that bypasses the flow control valve and a throttle 518 that reduces the flow rate of the bypass 516 compared to the circulation path 302.
  • the flow rate restriction of the heat medium is relaxed by the bypass means.
  • the restriction by the flow control valve ends, and the internal combustion engine rotational speed is stabilized when the flow rate of the heat medium is increased.
  • the power transmission means further includes a one-way clutch 406 as shown in FIG.
  • the one-way clutch 406 transmits the rotational force only in the direction from the rotation shaft 318 of the expander 312 to the rotation shaft 106 of the internal combustion engine 100.
  • the expander 312 is prevented from becoming a load on the internal combustion engine 100 when the flow rate is restricted by the flow restriction valve.
  • the power transmission means preferably includes an electromagnetic clutch 408.
  • the electromagnetic clutch 408 can connect the rotating shaft 318 of the expander 312 and the rotating shaft 106 of the internal combustion engine 100 so as to be intermittent.
  • the R / C control device 500 releases the connection between the rotation shaft 318 of the expander 312 and the rotation shaft 106 of the internal combustion engine 100 by the electromagnetic clutch 408 while the flow rate restriction valve restricts the flow rate of the heat medium. To do. This also prevents the expander 312 from becoming a load on the internal combustion engine 100.
  • the R / C control device 500 continues the restriction of the flow rate while the internal combustion engine 100 exerts the braking force after the restriction of the flow rate of the heat medium by the flow restriction valve is started. Is preferred.
  • the expander does not assist the internal combustion engine and the reduction of the braking force of the internal combustion engine is prevented. Is done. Further, by continuing the restriction of the flow rate, the high pressure PH is further increased, and the output of the expander 312 is increased after the restriction is released.
  • the R / C control device 500 restricts the flow rate of the heat medium when the flow restriction valve restricts the flow rate of the heat medium, the heat medium cannot flow beyond the capacity of the heat exchanger. It is preferable to reduce the discharge amount of the pump 304 for use. In this case, the power consumption of the heat medium pump 304 is reduced.
  • the R / C control device 500 may adjust the number of rotations of the heat medium pump 304, or may use a variable capacity pump 322 as the heat medium pump as shown in FIG. Good.
  • the power transmission means preferably includes a flywheel 410 as shown in FIG. In this case, the power transmitted to the rotating shaft 106 of the internal combustion engine 100 is averaged by the flywheel 410, and the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized.
  • the power transmission means preferably includes the hydraulic device 600. As shown in FIG.
  • the hydraulic device 600 has an oil circulation path 602 for circulating oil, and the oil circulation path 602 includes a hydraulic pump 604, a high-pressure accumulator 606, a hydraulic motor 608, and a low-pressure accumulator 610. They are inserted in this order in the circulation direction.
  • the hydraulic pump 604 is driven by the rotating shaft 318 of the expander 312, and the hydraulic motor 608 supplies power to the rotating shaft 106 of the internal combustion engine 100 using hydraulic pressure.
  • the power transmitted to the rotating shaft 106 of the internal combustion engine 100 is averaged by the hydraulic device 600, and the rotational speed of the internal combustion engine is stabilized.
  • a hydraulic pump may be applied to the internal combustion engine 100 together with the hydraulic motor 608. As shown in FIG.
  • a hydraulic motor / pump 612 in which the hydraulic motor 608 and the hydraulic pump are integrally formed is applied. You may do it.
  • the hydraulic motor / pump 612 is a fluid machine that can be switched between functioning as a motor and functioning as a pump by external control. In this case, when the internal combustion engine 100 is exerting a braking force, the hydraulic motor / pump 612 is caused to function as a pump. When functioning as a pump, the oil flows in the reverse direction, and the hydraulic motor / pump 612 increases the hydraulic pressure stored in the high-pressure accumulator 606 while applying a load necessary for exerting the braking force to the internal combustion engine 100. .
  • the R / C control device 500 preferably stops the fan 319 when the flow restriction valve restricts the flow rate of the heat transfer medium. While the flow rate of the heat transfer medium is restricted, the regenerative energy amount is further increased by stopping the fan 319.
  • the present invention can provide a waste heat recovery system for an internal combustion engine in which the amount of regenerative energy transmitted to the internal combustion engine is increased with a simple structure, the present invention is used as a waste heat recovery system for an internal combustion engine suitable for a vehicle. can do.

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Abstract

　内燃機関に伝達される回生エネルギー量が簡易な構造で増大された内燃機関の廃熱回収システムを提供することを目的とする。 　内燃機関の廃熱回収システムの制御装置は、少なくとも高圧センサによって検知された圧力に基づいて熱交換器での伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があるか否かを判定する判定手段を有する。そして制御装置は、判定手段によって、熱交換器での圧力を上昇させる必要があると判定されたときに、ポンプを作動させたまま、流量制限弁（５０６）に伝熱媒体の流量の制限を開始させ、短くても判定手段によって熱交換機での圧力を上昇させる必要がないと判定されるまで流量制限弁に制限を続行させた後、制限を終了させる。

Description

内燃機関の廃熱回収システム
　本発明は、内燃機関の廃熱回収システムに係り、詳しくは、車両に好適な内燃機関の廃熱回収システムに関する。
　内燃機関の廃熱回収システムはランキンサイクル回路を有する。ランキンサイクル回路は、伝熱媒体を循環させる循環路を有し、循環路に、ポンプ、熱交換器、膨張機及び凝縮器が順次介挿されている。熱交換器では、内燃機関から放出された熱を利用して伝熱媒体が加熱され、加熱された伝熱媒体が、膨張機で膨張する。この際、膨張機の回転軸を介して、動力が出力され、この動力は、回生エネルギーとして利用される。
　例えば、特許文献１が開示する熱機関では、回生エネルギーによってエンジンが補助される。具体的には、膨張機の回転軸とエンジンの回転軸とが変速機及びクラッチを介して連結され、膨張機の回転軸の回転が、エンジンの回転軸に所定の変速比で伝達される。特許文献２及び特許文献３がそれぞれ開示するランキン機関及び内燃機関の廃熱回収システムでは、膨張機の回転軸と発電機の回転軸とが連結され、回生エネルギーが発電機によって電力に変換される。
　なお、特許文献２及び特許文献３では、膨張機の上流側に作動媒体閉塞手段及び弁機構がそれぞれ設けられている。具体的には、特許文献２のランキン機関では、作動媒体閉塞手段とともに、バイパス路閉塞手段が併設されている。ランキン機関の起動時には、まず作動媒体閉塞手段が開かれ、膨張機の入口と出口との差圧が設定値以上となったときバイパス閉塞手段が開かれる。ランキン機関の停止時には、まずバイパス閉塞手段が開かれてから、膨張機の入口と出口との差圧が設定値以下となった時点で作動媒体閉塞手段が閉じられる。これにより、安全性の高い起動、停止動作が可能になると考えられている。
　特許文献３の内燃機関の廃熱回収システムでは、発電機の制御信号が制御目標域を外れたときに異常ありと判定される。この場合、液ポンプが停止され、所定のスイッチング素子のみがオンにされ、そして、弁機構が閉じられて膨張機への作動流体の流入が完全に停止される。これにより、発電機の回転制御が不能となった場合でも、膨張機及び発電機を停止させることができると考えられている。
特開昭５７−９９２２２号公報（例えば、請求項４、図１） 特開昭５９−１３８７０７号公報（例えば、３頁左上欄~左下欄、図４~６） 特開２００６−１７０１８５号公報（例えば、図１、段落番号００９３~００９６）
　特許文献１の熱機関では、膨張機の回転軸（膨張機軸）とエンジンの回転軸（エンジン軸）とが変速機を介して連結されていたが、変速比が一定の場合、エンジン軸の回転速度が速くなると、膨張機軸の回転速度も速くなる。ここで、熱交換器則ち蒸発器において伝熱媒体が吸熱可能な熱量には限界があり、膨張機軸の回転速度が速くなっても、伝熱媒体の蒸発量は十分には増えない。このため、膨張機軸の回転速度の増大は、蒸発器での伝熱媒体の圧力低下を引き起こす。この結果として、膨張機入口での伝熱媒体の圧力が低下し、膨張機軸からの出力、則ち、回生エネルギー量が減少してしまう。
　また、膨張機の回転速度の変化を抑制すべく、変速機として、多段変速機若しくは連続可変の変速機を用いた場合、システムの構成が複雑になってしまう。なお、特許文献２及び３のランキン機関及び内燃機関の廃熱回収システムでは、エンジンとランキンサイクル回路の膨張機とが連結されておらず、上述した課題を見出すことはできない。
　また、特許文献２のランキン機関では、作動媒体閉塞手段は、バイパス閉塞手段とともに、起動時及び停止時に作動させられるに過ぎない。特許文献３の内燃機関の廃熱回収システムでは、弁機構は、異常有りと判定された場合に、膨張機を停止させるために閉作動させられるにすぎない。
　本発明は、特許文献１~３のいずれもが開示しない課題に鑑みてなされたもので、内燃機関に伝達される回生エネルギー量が簡易な構造で増大された内燃機関の廃熱回収システムを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するべく、本発明の一態様によれば、伝熱媒体の循環路に順次介挿された、ポンプ、内燃機関で発生した熱を利用して前記伝熱媒体を加熱することにより前記伝熱媒体に過熱度を付与する熱交換器、膨張機、及び、凝縮器を有するランキンサイクル回路と、前記膨張機の回転軸の動力を前記内燃機関の回転軸に伝達する動力伝達手段と、前記熱交換器と前記膨張機の入口との間を延びる前記循環路の膨張機上流部分に介挿され、前記膨張機上流部分での前記伝熱媒体の流量を制限可能な流量制限弁と、前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を検知する高圧センサと、前記ポンプ及び前記流量制御弁の動作を制御する制御装置とを備える内燃機関の廃熱回収システムにおいて、前記制御装置は、少なくとも前記高圧センサによって検知された圧力に基づいて前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があるか否かを判定する判定手段を有し、前記判定手段によって、前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定されたときに、前記ポンプを作動させたまま、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量の制限を開始させ、短くても前記判定手段によって前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要がないと判定されるまで前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量の制限を続行させた後、前記制限を終了させることを特徴とする内燃機関の廃熱回収システムが提供される（請求項１）。
　好ましくは、前記判定手段は、前記高圧センサによって検知された圧力が下限圧力未満であるときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定し、前記高圧センサによって検知された圧力が上限圧力を超えているときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要がないと判定する（請求項２）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記膨張機の出口での前記伝熱媒体の圧力を検知する低圧センサを更に備え、前記判定手段は、前記低圧センサによって検知された圧力に対する、前記高圧センサによって検知された圧力の比を圧力比としたとき、前記圧力比が下限圧力比未満であるときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定し、前記圧力比が上限圧力比を超えているときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要がないと判定する（請求項３）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記膨張機の回転軸の回転速度を検知する回転速度検知手段を更に備え、前記判定手段は、前記回転速度検知手段によって検知された回転速度が設定回転速度以上であるときにのみ、前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があるか否かの判定を行う（請求項４）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記熱交換器と前記流量制限弁との間を延びる前記循環路の部分に、前記伝熱媒体を出入り自由に蓄えるタンクを更に備える（請求項５）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記熱交換器として、前記内燃機関の冷却水を利用して前記伝熱媒体を加熱する蒸発器と、前記伝熱媒体の流動方向でみて前記蒸発器よりも下流に位置し、前記内燃機関の排気ガスを利用して前記伝熱媒体を加熱する過熱器とを備え、前記タンクと前記過熱器とは一体に形成されている（請求項６）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記内燃機関の出力を制御する第２制御装置を更に備え、前記第２制御装置は、前記制御装置が前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限を終了させるときに、前記出力を減少させる（請求項７）。
　好ましくは、前記流量制限弁は、流量を連続的に可変な流量調整弁であり、前記制御装置は、前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限を終了させるときに、前記流量が連続的に増加するよう前記流量調整弁を作動させる（請求項８）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記流量制限弁として、前記循環路に互いに並列に配置された複数の開閉弁を備え、前記制御装置は、前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限を終了させるときに、前記流量が段階的に増加するよう前記開閉弁を順次作動させる（請求項９）。
　好ましくは、前記制御装置は、前記ポンプを起動させてから所定期間、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量の制限を行わせない（請求項１０）。
　好ましくは、廃熱回収システムは、前記流量制限弁をバイパスするバイパス手段を更に備える（請求項１１）。
　好ましくは、前記動力伝達手段は、前記膨張機の回転軸から前記内燃機関の回転軸への方向でのみ動力を伝達するワンウェークラッチを含む（請求項１２）。
　好ましくは、前記動力伝達手段は、前記膨張機の回転軸と前記内燃機関の回転軸とを断続可能に連結する電磁クラッチを含み、前記制御装置は、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量を制限させている間、前記電磁クラッチによる前記膨張機の回転軸と前記内燃機関の回転軸との連結を解除する（請求項１３）。
　好ましくは、前記制御装置は、前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限が開始された後に前記内燃機関が制動力を発揮している間は、前記制限を続行させる（請求項１４）。
　好ましくは、前記ポンプの吐出量は可変であり、前記制御装置は、前記流量制限弁が伝熱媒体の流量を制限しているときに、前記ポンプの吐出量をゼロとするか又は減少させる（請求項１５）。
　好ましくは、前記動力伝達手段は、フライホイールを含む（請求項１６）。好ましくは、前記動力伝達手段は、前記膨張機の回転軸の動力を油圧に変換し、当該油圧を利用して前記内燃機関の回転軸を回転させる油圧装置を含む（請求項１７）。
　好ましくは、前記油圧装置は、前記膨張機の回転軸の動力で油圧を増大させる油圧ポンプと、油圧を蓄える油圧アキュムレータと、前記油圧アキュムレータに蓄えられた油圧を利用して、前記内燃機関の回転軸を回転させる油圧モータとを備え、前記内燃機関が制動力を発揮しているときに、当該制動力の発揮に必要な負荷を前記内燃機関に付与しながら、前記油圧モータにより前記油圧アキュムレータに蓄えられた油圧を増大させる（請求項１８）。
　好ましくは、前記制御装置によって制御され、前記凝縮器を冷却するためのファンを備え、前記制御装置は、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量を制限させるときに、前記ファンを停止させる（請求項１９）。
　本発明の請求項１の内燃機関の廃熱回収システムによれば、判定手段が熱交換器での伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定したときに、制御装置が、流量制限弁を介して熱交換器での伝熱媒体の圧力を上昇させる。これにより、内燃機関の回転速度が速いときでも、膨張機の入口での伝熱媒体の圧力の低下が防止され、膨張機の出力低下、則ち、回生エネルギー量の低下が防止される。
　請求項２の内燃機関の廃熱回収システムによれば、判定手段が判定基準として設定圧力を採用したことにより、判定が的確に行われる。
　請求項３の内燃機関の廃熱回収システムによれば、判定手段が設定圧力比を基準とすることにより、熱交換器での伝熱媒体の圧力を上昇させる必要の有無が的確に判定される。
　請求項４の内燃機関の廃熱回収システムによれば、膨張機の回転軸の回転速度が設定回転速度以上であるときのみ、判定手段が判定を行うことにより、回転速度の上昇による回生エネルギー量の低下が的確に防止される。
　請求項５の内燃機関の廃熱回収システムによれば、タンクによって、流量制限弁による流量制限の頻度が低減される。流量制限は、膨張機の出力の一時的な減少を招き、内燃機関の回転速度制御にとっては外乱となる。かかる流量制限の頻度が低減されることにより、内燃機関の回転速度制御が安定になる。車両の場合、回転速度制御が安定になると、運転手が違和感なく運転することができる。また、流量制限の頻度が低減されることは、流量制御弁の長寿命化にも繋がる。
　請求項６の内燃機関の廃熱回収システムによれば、タンク内で加熱されることで、伝熱媒体のエンタルピが増大する。これにより、流量制限弁による制限が解除されたときに、膨張機の出力が更に増大する。
　請求項７の内燃機関の廃熱回収システムによれば、流量制限弁による伝熱媒体の流量の制限が終了するときに、エンジン出力が減少するため、内燃機関の回転速度が安定する。
　請求項８の内燃機関の廃熱回収システムによれば、流量制限弁による伝熱媒体の流量の制限が終了するときに、流量を連続的に増加させることにより、内燃機関の回転速度が安定する。また、膨張機の回転軸の回転速度が急激に上昇することが防止されるため、膨張機にかかる負荷が低減される。
　請求項９の内燃機関の廃熱回収システムによれば、流量制限弁による伝熱媒体の流量の制限が終了するときに、流量を段階的に増加させることにより、内燃機関の回転速度が安定する。また、膨張機の回転軸の回転速度が急激に上昇することが防止されるため、膨張機にかかる負荷が低減される。
　請求項１０の内燃機関の廃熱回収システムによれば、ポンプの起動時、伝熱媒体が循環路内に分散していても、膨張機を経由して伝熱媒体がポンプに流入させられ、伝熱媒体が循環路内を早期に循環する。つまり、ポンプの起動から廃熱回収までに要する時間が短縮される。
　請求項１１の内燃機関の廃熱回収システムによれば、バイパス手段によって、伝熱媒体の流量制限が緩和される。この結果として、内燃機関の回転速度が安定し、且つ、ポンプの起動から廃熱回収までに要する時間が短縮される。
　請求項１２の内燃機関の廃熱回収システムによれば、流量制限弁によって流量が制限されているときに、膨張機が内燃機関の負荷となることが防止される。
　請求項１３の内燃機関の廃熱回収システムによれば、流量制限弁によって流量が制限されているときに、膨張機が内燃機関の負荷となることが防止される。
　請求項１４の内燃機関の廃熱回収システムによれば、内燃機関が制動力を発揮している間、流量制御弁による伝熱媒体の流量制限を実行することで、膨張機が内燃機関を補助せず、内燃機関の制動力の低下が防止される。逆に、膨張機が負荷となれば、内燃機関の制動力が増大される。また、流量の制限を続行することで、熱交換器での伝熱媒体の圧力が更に高められ、制限の解除後における膨張機の出力が増大する。
　請求項１５の内燃機関の廃熱回収システムによれば、流量制限弁が伝熱媒体の流量を制限しているときに、前記ポンプの吐出量を減少させることにより、熱交換器において伝熱媒体を十分に加熱しながら、ポンプの消費動力が削減される。
　請求項１６の内燃機関の廃熱回収システムによれば、フライホイールによって、内燃機関の回転軸に伝達される動力が平均化され、内燃機関の回転速度が安定する。
　請求項１７の内燃機関の廃熱回収システムによれば、油圧装置によって、内燃機関の回転軸に伝達される動力が平均化され、内燃機関の回転速度が安定する。
　請求項１８の内燃機関の廃熱回収システムによれば、内燃機関が制動力を発揮しているときに、油圧モータにより油圧を蓄えることで、回生エネルギー量が更に増大する。
　請求項１９の内燃機関の廃熱回収システムによれば、ファンを停止させることで、回生エネルギー量が更に増大する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱回収システムを概略的に示す図である。
　図２は、図１のシステムにおける、圧力比と回生エネルギー量との関係を示すグラフである。
　図３は、図１のシステムにおける、膨張機回転速度と圧力比との関係を比較例とともに示すグラフである。
　図４は、図１のシステムにおける、膨張機回転速度と回生エネルギー量との関係を比較例とともに示すグラフである。
　図５は、図１のシステムにおける、膨張機出力、圧力比及びエバ入力の時間変化を示すグラフである。
　図６は、変形例に係る第３熱交換器の概略を示す図である。
　図７は、変形例に係る流量制限弁の概略を示す図である。
　図８は、変形例に係る流量制限弁の概略を示す図である。
　図９は、変形例に係るバイパス手段の概略を示す図である。
　図１０は、変形例に係る動力伝達手段の概略を示す図である。
　図１１は、変形例に係る熱媒用ポンプの概略を示す図である。
　図１２は、変形例に係る動力伝達手段の概略を示す図である。
　図１３は、変形例に係る動力伝達手段の概略を示す図である。
　図１４は、変形例に係る動力伝達手段の概略を示す図である。
　１００　　内燃機関
　３０４　　熱媒用ポンプ（ポンプ）
　３０８　　第２熱交換器（熱交換器）
　３１０　　第３熱交換器（熱交換器）
　３１２　　膨張機
　５００　　Ｒ／Ｃ制御装置（制御装置）
　５０２　　圧力計（高圧センサ）
　５０６　　電磁開閉弁（流量制限弁）
　以下に、本発明を実施するための形態について図面に基づいて具体的に説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関１００の廃熱回収システムの概略構成を示している。
　内燃機関１００の廃熱回収システムは、内燃機関１００で発生した熱をエネルギー（回生エネルギー）に変換するものである。具体的には、内燃機関１００で発生した熱は、内燃機関１００の冷却装置２００を介してランキンサイクル回路３００に供給され、ランキンサイクル回路３００にて回転力に変換される。回転力は、内燃機関１００に伝達され、内燃機関１００を補助する。
　内燃機関１００は、例えば車両のディーゼルエンジンであり、内燃機関１００のシリンダ内には、インジェクタ１０２を介して、燃料としての軽油が供給される。　インジェクタ１０２は、Ｅ／Ｇ制御装置１０４によって制御される。Ｅ／Ｇ制御装置１０４には、図示しないアクセルペダルの踏み込み量が入力され、踏み込み量に基づいて、Ｅ／Ｇ制御装置１０４は燃料の供給量を調整する。当然のことながら、踏み込み量が大きいほど、燃料供給量が多くなり、内燃機関１００の回転軸１０６の回転速度（内燃機関回転速度）は速くなる。
　内燃機関１００の回転軸１０６は、図示しないけれども、クラッチ及び変速機等を介して車輪に連結されている。また、内燃機関１００で発生した排気ガスは、内燃機関１００に連結された排気管１０８を通じて車外に放出される。冷却装置２００は、内燃機関１００の加熱を防止するため車両に設けられている。具体的には、冷却装置２００は、冷却水が循環する水循環路２０２を有する。水循環路２０２には、水用ポンプ２０４、内燃機関１００の内部水路２０６、及び、ラジエタ２０８が、冷却水の流動方向にてこの順序で介挿されている。また、冷却装置２００は、ラジエタ２０８をバイパスするバイパス路２１０を有し、バイパス路２１０の下流端は、三方弁２１２を介して、水循環路２０２に連結されている。三方弁２１２は、サーモスタットとしての機能を有し、冷却水の温度が一定以下では、冷却水がバイパス路２１０を流れるように動作する。
　ランキンサイクル回路３００は、作動流体としての伝熱媒体（熱媒）が循環する熱媒循環路３０２を有する。熱媒としては、例えばフロン系冷媒（Ｒ−１３４ａ，Ｒ−１５２ａ，Ｒ１２３４ｙｆ，Ｒ−２４５ｆａ）、ハイドロカーボン、又は、アルコール等を用いることができる。熱媒循環路３０２には、熱媒用ポンプ３０４、第１熱交換器３０６の低温部３０６Ｌ、第２熱交換器３０８の低温部３０８Ｌ、第３熱交換器３１０の低温部３１０Ｌ、膨張機３１２、第１熱交換器３０６の高温部３０６Ｈ、凝縮器３１４、及び、気液分離器３１６が、熱媒の流動方向にてこの順序で介挿されている。
　第１熱交換器３０６は、再生器とも称され、その高温部３０６Ｈと低温部３０６Ｌとの間で熱交換が行われる。即ち、第１熱交換器３０６では、膨張機３１２で膨張した熱媒によって、熱媒用ポンプ３０４から吐出された熱媒が加熱される。第２熱交換器３０８は、蒸発器とも称され、その高温部３０８Ｈと低温部３０８Ｌとの間で熱交換が行われる。第２熱交換器３０８は、内燃機関１００で発生した熱を利用して、熱媒を加熱・蒸発させる。そのために、第２熱交換器３０８の高温部３０８Ｈは、水循環路２０２に介挿されている。
　第３熱交換器３１０は、過熱器とも称され、その高温部３１０Ｈと低温部３１０Ｌとの間で熱交換が行われる。第３熱交換器３１０は、内燃機関１００で発生した熱を利用して熱媒を加熱し、熱媒に過熱度を付与する。そのために、第３熱交換器３１０の高温部３１０Ｈは、水循環路２０２に介挿されている。ここで、内燃機関１００で発生した熱をより効率的に利用するために、水循環路２０２には加熱器２１４が介挿されている。加熱器２１４は、排気管１０８に取り付けられ、排気ガスの熱を利用して冷却水を加熱する。加熱器２１４、第３熱交換器３１０の高温部３１０Ｈ、及び、第２熱交換器３０８の高温部３０８Ｈは、内部水路２０６とラジエタ２０８との間を延びる水循環路２０２の部分に、冷却水の流動方向にてこの順序で介挿されている。
　膨張機３１２は、熱媒を膨張させることにより、第２熱交換器３０８及び第３熱交換器３１０で熱媒が得た熱を動力に変換する。動力は、膨張機３１２の回転軸３１８によって出力され、動力伝達手段によって、内燃機関１００の回転軸１０６に伝達される。なお、膨張機３１２の吸入容積をＶｓ、吐出容積をＶｅ、入口圧力をＰｓ、出口圧力をＰｅ、そして、熱媒の比熱比をγとすると、理想的な断熱膨張であれば、ポアソンの法則に基づいて、（Ｐｓ／Ｐｅ）＝（Ｖｅ／Ｖｓ）γが成立する。
　動力伝達手段としては、例えばプーリ４００，４０２及びベルト４０４を用いることができる。プーリ４００，４０２は、回転軸３１８，１０６にそれぞれ取り付けられ、ベルト４０４がプーリ４００，４０２に架け回される。また、内燃機関１００の廃熱回収システムは、ランキンサイクル回路３００を制御する
　制御装置（Ｒ／Ｃ制御装置）５００を有する。Ｒ／Ｃ制御装置５００は、例えばＥＣＵ（電子制御装置）により構成することができる。Ｒ／Ｃ制御装置５００は、熱媒用ポンプ３０４及び凝縮器３１４のためのファン３１９の起動及び停止をそれぞれ制御し、これによりランキンサイクル回路３００の起動及び停止を制御する。また、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、熱媒用ポンプ３０４の作動中、第３熱交換器３１０の低温部３１０Ｌの出口での熱媒の圧力、すなわち、第２熱交換器３０８及び第３熱交換器３１０における熱媒の圧力（蒸発圧力）を上昇させる必要があるか否か判定する判定手段を有する。そして、内燃機関１００の廃熱回収システムは、判定手段に対して、判定を行うための情報を提供するセンサと、判定手段の判定結果に基づいて動作する流量制御弁とを有する。
　より詳しくは、センサとしては、例えば、２つの圧力計５０２，５０４を用いることができる。圧力計５０２は、第３熱交換器３１０の低温部３１０Ｌの出口と膨張機３１２の入口との間を延びる熱媒循環路３０２の部分（以下、膨張機上流部分ともいう）に取り付けられ、膨張機上流部分で熱媒の圧力を検知する。当該圧力を検知することは、ランキンサイクル回路３００における第２熱交換器３０８及び第３熱交換器３１０での熱媒の圧力、則ち高圧圧力ＰＨを検知することに等しく、また、電磁開閉弁５０６が開いているときには膨張機３１２の入口の圧力Ｐｓを検知することに実質的に等しい。
　圧力計５０４は、膨張機３１２の出口と凝縮器３１４との間を延びる熱媒循環路３０２の部分に取り付けられ、当該部分で熱媒の圧力を検知する。当該圧力を検知することは、ランキンサイクル回路３００の低圧圧力ＰＬを検知することに等しく、膨張機３１２の出口での熱媒の圧力Ｐｅを検知することに等しい。　圧力計５０２，５０４でそれぞれ検知された高圧圧力ＰＨ及び低圧圧力ＰＬは、Ｒ／Ｃ制御装置５００に入力される。Ｒ／Ｃ制御装置５００の判定手段は、低圧圧力ＰＬに対する高圧圧力ＰＨの比ＰＨ／ＰＬ（以下、圧力比Ｒｃという）を演算し、演算された圧力比Ｒｃをそれぞれ予め設定された下限圧力比Ｒｍｉｎ及び上限圧力比Ｒｍａｘと比較する。そして、判定手段は、圧力比Ｒｃが下限圧力比Ｒｍｉｎ未満であるとき、高圧圧力ＰＨを上昇させる必要が有ると判定（Ｙｅｓ判定）し、圧力比Ｒｃが上限圧力比Ｒｍａｘを超えているとき、高圧圧力ＰＨを上昇させる必要が無いと判定（Ｎｏ判定）する。
　流量制限弁としては、例えば２ポート２位置切換の電磁開閉弁５０６を用いることができる。電磁開閉弁５０６は、熱媒循環路３０２の蒸発器上流部分に介挿され、当該部分を開閉可能である。なお、電磁開閉弁５０６は、熱媒の流動方向にて、圧力計５０２よりも下流に位置している。電磁開閉弁５０６の開閉動作は、Ｒ／Ｃ制御装置５００によって制御される。Ｒ／Ｃ制御装置５００は、判定手段がＹｅｓと判定したときに、電磁開閉弁５０６を閉作動させる。Ｒ／Ｃ制御装置５００は、電磁開閉弁５０６を閉作動させた後、短くても判定手段がＮｏと判定するまで電磁開閉弁５０６を閉作動させ続け、それから、電磁開閉弁５０６を開作動させる。本実施形態では、例えば、判定手段がＮｏと判定したとき、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、電磁開閉弁５０６を開作動させる。
　なお、Ｒ／Ｃ制御装置５００が電磁開閉弁５０６を閉作動させた後、開作動させるまで、熱媒用ポンプ３０４は作動させられたままである。好ましくは、内燃機関１００の廃熱回収システムは、膨張機３１２の回転軸３１８の回転速度（膨張機回転速度）を検知する回転速度計５０８を有する。回転速度計５０８によって検知された膨張機回転速度は、Ｒ／Ｃ制御装置５００に入力される。Ｒ／Ｃ制御装置５００は、膨張機回転速度が、予め設定された最小回転速度Ｖｍｉｎ未満のときには、判定手段による判定を行わないのが好ましい。つまり、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、膨張機回転速度が、最小回転速度Ｖｍｉｎ未満のときには、電磁開閉弁５０６による熱媒の流量制限を行わないのが好ましい。
　以下、上述した内燃機関１００の廃熱回収システムの使用方法（動作）について説明する。Ｅ／Ｇ制御装置１０４は、乗員によって内燃機関１００の起動が指示されると、内燃機関１００を起動させるとともに、水用ポンプ２０４を起動する。すると循環水は、内燃機関１００の内部流路２０６を通過するときに加熱され、更に、加熱器２１４を通過するときに加熱される。
　Ｒ／Ｃ制御装置５００は、水用ポンプ２０４の起動と同時か又はその後に、熱媒用ポンプ３０４を起動する。すると、熱媒用ポンプ３０４は、低温低圧液相の熱媒を吸入し、低温高圧液相の熱媒を吐出する。吐出された熱媒は、第１熱交換器３０６で予備的に加熱される。それから、熱媒は、第
　２熱交換器３０８で加熱されて蒸発し、そして、第３熱交換器３１０で加熱されて過熱度を有する高温高圧気相の熱媒になる。高温高圧気相の冷媒は、膨張機３１２で膨張させられ、高温低圧気相の熱媒になる。
　高温低圧気相の熱媒は、第１熱交換器３０６で冷却されてから、凝縮器３１４で冷却されて凝縮し、低温低圧液相の熱媒になる。低温低圧液相の熱媒は、気液分離器３１６を経て熱媒用ポンプ３０４に吸入される。熱媒は、膨張機３１２を通過するときに外部に対して仕事をし、仕事は、回転軸３１８を介して回転力として出力される。膨張機３１２の回転力は、動力伝達手段を介して内燃機関１００の回転軸１０６に伝達される。
　かくして、内燃機関１００の廃熱回収システムによれば、その通常運転中、内燃機関１００で発生した熱が、ランキンサイクル回路３００によって回生エネルギーに変換され、そして、回生エネルギーにより内燃機関１００の作動が補助される。そして、内燃機関１００の廃熱回収システムによれば、通常運転中に、判定手段が、回生エネルギー量の低下防止を鑑みて、高圧圧力ＰＨを上昇させる必要があるか否かの判定を所定間隔で繰り返し行う。Ｒ／Ｃ制御装置５００は、判定結果がＹｅｓ判定のときに、電磁開閉弁５０６を閉作動させ、この後、判定結果がＮｏ判定になると、電磁開閉弁５０６を開作動させる。
　このような廃熱回収システムの動作によれば、内燃機関回転速度が速いときでも、高圧圧力ＰＨの低下が防止され、膨張機３１２の入口圧力Ｐｓの低下が防止される。この結果として、膨張機３１２の出力低下、則ち、回生エネルギー量の低下が防止される。　また、上述した廃熱回収システムによれば、判定手段が圧力比Ｒｃを判定基準とすることにより、高圧圧力ＰＨを上昇させる必要の有無が的確に判定される。的確に判定されるとは、より多くの回生エネルギー量を得られるように判定が行われるということである。
　具体的には、回生エネルギー量は、図２に概略的に示したように圧力比Ｒｃに依存し、圧力比Ｒｃが最適値Ｒｓであるときに、最大値Ｅｍになる。従って、圧力比Ｒｃが最適値Ｒｓ又はその近傍値であれば、回生エネルギー量を最大値Ｅｍ若しくはその近傍値にすることができる。　そこで、本実施形態では、最適値Ｒｓよりも小さい下限圧力比Ｒｍｉｎと、最適値Ｒｓよりも大きい上限圧力比Ｒｍａｘとを設定している。圧力比Ｒｃが下限圧力比Ｒｍｉｎと上限圧力比Ｒｍａｘとの間の範囲内に入るよう、判定結果に基づいて流量が制限されることで、回生エネルギー量が最大値Ｅｍ若しくはその近傍値になる。
　なお、最適値Ｒｓは、実験によって求めることができる。最適値Ｒｓは、（Ｖｅ／Ｖｓ）γを理想圧力比Ｒｉとすると、おおよそながら理想圧力比Ｒｉの１．１５倍~１．２０倍であり、より具体的には、約１．１８倍である。　下限圧力比Ｒｍｉｎは、最適値Ｒｓの９０％程度の値に設定されるのが好ましい。このため、下限圧力比Ｒｍｉｎは、理想圧力比Ｒｉの１．０３倍~１．０８倍の範囲に設定されるのが好ましく、１．０６倍に設定されるのがより好ましい。
　上限圧力比Ｒｍａｘは、下限圧力比Ｒｍｉｎと同じ値であってもよいが、頻繁に電磁開閉弁５０６が開閉作動しないように、最適値Ｒｓの１１０％程度の値に設定されるのが好ましい。ここで、図３のグラフは、膨張機回転速度と圧力比Ｒｃとの関係を示し、図４のグラフは、膨張機回転速度と回生エネルギー量との関係を示している。図３及び図４の両方において、実施例のプロットは、上述したように判定結果に基づいて流量制限を行った場合の結果を示し、比較例のプロットは、流量制限を全く行わなかった場合の結果を示している。
　ただし、図３の実施例の圧力比Ｒｃは、電磁開閉弁５０６が開いている期間の圧力比の平均値である。また、図４の回生エネルギー量は、膨張機３１２が出力したエネルギ−から、熱媒用ポンプ３０４及び凝縮器３１４のファン３１９の消費電力を差し引いた値である。　図３から明らかなように、実施例では、比較例に比べて、膨張機回転速度が１５００ｒｐｍを超えた領域で、圧力比Ｒｃの低下が防止されていることがわかる。
　そして、図４では、約２２５０ｒｐｍを境にして、これより上の回転速度領域で実施例の方が比較例よりも回生エネルギー量が多くなっている。上述した実施形態では、好ましい態様として、膨張機回転速度が最小回転速度Ｖｍｉｎ以上であるときに判定手段が判定を行うとしたが、図４から、実施例では、最小回転速度Ｖｍｉｎを例えば２２５０ｒｐｍに設定すればよいことがわかる。これにより、膨張機回転速度の上昇による回生エネルギー量の低下が的確に防止される。
　更に図５は、実施例における、膨張機回転速度が３０００ｒｐｍであるときの膨張機３１２の出力、圧力比Ｒｃ及びエバ入力の時間変化を示すグラフである。図５では、時間の範囲が０秒~１５秒までであるが、１５秒を１周期としてほぼ同じ結果が繰り返される。図５から、電磁開閉弁５０６は１１秒間開いた後、４秒間閉じられることがわかる。圧力比Ｒｃは、電磁開閉弁５０６が開いた直後から徐々に減少し、電磁開閉弁５０６が閉じられると上昇する。膨張機３１２の出力は、電磁開閉弁５０６が開いた直後に急激に増大し、それから徐々に減少する。そして、膨張機３１２の出力は、電磁開閉弁５０６が閉じられると急激に減少し、ゼロになる。図５に示された１５秒間の膨張機出力を平均すると、比較例の場合よりも高くなる。
　一方、エバ入力は、第２熱交換器３０８における熱媒の吸熱量である。エバ入力は、電磁開閉弁５０６が開いて少し経ってから増大し始め、６秒過ぎに増加率が低くなる。そしてエバ入力は、電磁開閉弁５０６が閉じて少し経ってから減少し初め、電磁開閉弁５０６が開いて少し経つまで減少し続ける。エバ入力は、第２熱交換器３０８における冷却水と熱媒との間の温度差が大きいほど多くなる。図５では、圧力比Ｒｃが低いほどエバ入力は多くなっており、圧力比Ｒｃの低下は、第２熱交換器３０８における熱媒の圧力及び温度の低下を伴っていることがわかる。
　本発明は上記した一実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。上述した一実施形態では、第１熱交換器３０６によって、熱媒用ポンプ３０４から吐出された熱媒を加熱したけれども、第１熱交換器３０６を省略してもよい。また、第２熱交換器３０８で熱媒に過熱度を付与することができれば、第３熱交換器３１０を省略してもよい。すなわち、内燃機関１００から排出された熱を利用して熱媒を加熱し、熱媒に過熱度を付与することができれば、熱交換器は１つであってもよいし、複数であってもよい。
　上述した一実施形態では、圧力比Ｒｃに基づいて、高圧圧力ＰＨを上昇させる必要があるか否かを判定したけれども、判定手段は、少なくとも高圧圧力ＰＨに基づいて、判定を行っていればよい。
　例えば、判定手段は、高圧圧力ＰＨのみに基づいて判定を行ってもよい。この場合、高圧圧力ＰＨが、予め設定された下限圧力未満であるときに高圧圧力ＰＨを上昇させる必要があると判定し、高圧圧力ＰＨが予め設定された上限圧力を超えているときに高圧圧力ＰＨを上昇させる必要がないと判定すればよい。この場合も、判定が的確に行われる。
　また例えば、圧力比Ｒｃと、膨張機回転速度と、膨張機３１２の出力との関係を表すマップデータを予め作成しておき、判定手段が、マップデータに基づいて判定を行うようにしてもよい。　上述した一実施形態では、熱媒循環路３０２の膨張機上流部分に、熱媒を出入り自由に蓄えるタンクを設けるのが好ましい。タンクによって、流量制限弁による流量制限の頻度が低減される。流量制限は、膨張機の出力の一時的な減少を招き、内燃機関の回転速度制御にとっては外乱となる。かかる流量制限の頻度が低減されることにより、内燃機関回転速度が安定する。車両の場合、回転速度が安定すると、運転手が違和感なく運転することができる。また、流量制限の頻度が低減されることは、流量制御弁の長寿命化にも繋がる。
　タンクとしては、図６に示したようなタンク３２０を用いるのが好ましい。このタンク３２０は、第３熱交換器３１０と一体に形成され、第３熱交換器３１０の低温部３１０Ｌを構成している。なお、高温部３１０Ｈは、タンク３２０の外側に巻回されているが、タンク３２０の内側に設けられていてもよい。この場合、タンク３２０内で加熱されることで、熱媒のエンタルピが増大する。これにより、流量制限弁による制限が解除されたときに、膨張機３１２の出力が更に増大する。
　上述した一実施形態では、流量制限弁による伝熱媒体の流量の制限が終了するときに、Ｅ／Ｇ制御装置１０４が、内燃機関１００への燃料供給量を減少させるのが好ましい。この場合、流量制限が終了して膨張機３１２の出力が増大するのにあわせて、内燃機関自身の出力を低下させることで、内燃機関回転速度が安定する。上述した一実施形態では、流量制限弁による伝熱媒体の流量の制限が終了するときに、伝熱媒体の流量を連続的に増加させるのが好ましい。これにより、内燃機関回転速度が安定する。また、膨張機回転速度が急激に上昇することが防止されるため、膨張機１００にかかる負荷が低減される。
　そのためには、例えば、電磁開閉弁５０６の開度を、デューティ比制御により連続的に変化させてもよい。あるいは、電磁開閉弁５０６に代えて、流量制限弁として、図７に示したように、流量を連続的に可変な流量調整弁５１０を用いても良い。流量を連続的に増加させることができない場合、流量制限弁による伝熱媒体の流量の制限が終了するときに、流量を段階的に増加させるのが好ましい。これにより、内燃機関回転速度が安定する。また、膨張機回転速度が急激に上昇することが防止されるため、膨張機３１２にかかる負荷が低減される。
　そのためには、例えば、電磁開閉弁５０６の開度を、デューティ比制御により段階的に変化させてもよい。あるいは、図８に示したように、複数の電磁開閉弁５０６，５１２，５１４を並列に設け、電磁開閉弁５０６，５１２，５１４を順々に開作動させてもよい。上述した一実施形態では、熱媒用ポンプ３０４を起動させてから所定期間、流量制限弁に熱媒の流量の制限を行わせないのが好ましい。これにより、熱媒用ポンプ３０４の冷間起動時、熱媒が熱媒循環路３０２内に分散していても、膨張機３１２を経由して熱媒が熱媒用ポンプ３０４に流入させられ、熱媒が熱媒循環路３０２内を早期に循環する。つまり、熱媒用ポンプ３０４の起動から廃熱回収までに要する時間が短縮される。
　上述した一実施形態では、流量制限弁をバイパスするバイパス手段を更に設けるのが好ましい。バイパス手段は、例えば図９に示したように、流量制御弁を迂回するバイパス路５１６及びバイパス路５１６の流量を循環路３０２に比べて減少させる絞り５１８によって構成することができる。この場合、流量制御弁によって、熱媒循環路３０２での熱媒の流量が制限されていたとしても、バイパス手段によって、熱媒の流量制限が緩和される。この結果として、流量制御弁による制限が終了し、熱媒の流量を増加させるときに、内燃機関回転速度が安定する。また、流量制御弁による制限がされていても、バイパス手段によって、膨張機３１２経由で熱媒用ポンプ３０４に熱媒が常時供給され、熱媒用ポンプ３０４の起動から廃熱回収までに要する時間が短縮される。
　上述した一実施形態では、図１０に示したように、動力伝達手段がワンウェークラッチ４０６を更に含むのが好ましい。ワンウェークラッチ４０６は、膨張機３１２の回転軸３１８から内燃機関１００の回転軸１０６への方向でのみ回転力を伝達する。この場合、流量制限弁によって流量が制限されているときに、膨張機３１２が内燃機関１００の負荷となることが防止される。
　あるいは、動力伝達手段は、電磁クラッチ４０８を含むのが好ましい。電磁クラッチ４０８は、膨張機３１２の回転軸３１８と内燃機関１００の回転軸１０６とを断続可能に連結可能である。この場合、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、流量制限弁に熱媒の流量を制限させている間、電磁クラッチ４０８による膨張機３１２の回転軸３１８と内燃機関１００の回転軸１０６との連結を解除する。これによっても、膨張機３１２が内燃機関１００の負荷となることが防止される。
　上述した一実施形態では、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、流量制限弁による熱媒の流量の制限が開始された後に内燃機関１００が制動力を発揮している間は、流量の制限を続行させるのが好ましい。この場合、内燃機関１００が制動力を発揮している間、流量制御弁による熱媒の流量制限を実行することで、膨張機が内燃機関を補助せず、内燃機関の制動力の低下が防止される。また、流量の制限を続行することで、高圧圧力ＰＨが更に高くなり、制限の解除後における膨張機３１２の出力が増大する。
　上述した一実施形態では、Ｒ／Ｃ制御装置５００が、流量制限弁が熱媒の流量を制限しているときに、熱交換器の容量以上には熱媒を流すことはできないので、熱媒用ポンプ３０４の吐出量を減少させるのが好ましい。この場合、熱媒用ポンプ３０４の消費動力が削減される。そのために、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、熱媒用ポンプ３０４の回転数を調整してもよく、あるいは、図１１に示したように、熱媒用ポンプとして、容量可変ポンプ３２２を用いてもよい。
　上述した一実施形態では、動力伝達手段は、図１２に示したように、フライホイール４１０を含むのが好ましい。この場合、フライホイール４１０によって、内燃機関１００の回転軸１０６に伝達される動力が平均化され、内燃機関回転速度が安定する。　上述した一実施形態では、動力伝達手段は、油圧装置６００を含むのが好ましい。油圧装置６００は、図１３に示したように、油を循環させる油循環路６０２を有し、油循環路６０２に、油圧ポンプ６０４、高圧アキュムレータ６０６、油圧モータ６０８及び低圧アキュムレータ６１０が、油の循環方向にてこの順序で介挿されている。油圧ポンプ６０４は、膨張機３１２の回転軸３１８によって駆動され、油圧モータ６０８が、油圧を利用して内燃機関１００の回転軸１０６に動力を供給する。
　この場合、油圧装置６００によって、内燃機関１００の回転軸１０６に伝達される動力が平均化され、内燃機関回転速度が安定する。　油圧装置６００では、油圧モータ６０８とともに油圧ポンプを内燃機関１００に適用してもよく、図１４に示したように、油圧モータ６０８と油圧ポンプとが一体に形成された油圧モータ・ポンプ６１２を適用しても良い。油圧モータ・ポンプ６１２は、外部からの制御により、モータとして機能するかポンプとして機能するかを切換可能な流体機械である。
　この場合、内燃機関１００が制動力を発揮しているときに、油圧モータ・ポンプ６１２をポンプとして機能させる。ポンプとして機能しているとき、油は逆方向に流れ、油圧モータ・ポンプ６１２は、当該制動力の発揮に必要な負荷を内燃機関１００に付与しながら高圧アキュムレータ６０６に蓄えられた油圧を増大させる。内燃機関１００が制動力を発揮しているときに、高圧アキュムレータ６０６に油圧を蓄えることで、回生エネルギー量が更に増大する。
　上述した一実施形態では、Ｒ／Ｃ制御装置５００は、流量制限弁に伝熱媒体の流量を制限させるときに、ファン３１９を停止させるのが好ましい。伝熱媒体の流量が制限されている間、ファン３１９を停止させることで、回生エネルギー量が更に増大する。　最後に、本発明は、車両に好適であるのは明かであるが、車両以外にも適用可能であるのは勿論である。
　本発明は、内燃機関に伝達される回生エネルギー量が簡易な構造で増大された内燃機関の廃熱回収システムを提供することができるので、車両に好適な内燃機関の廃熱回収システムにとして利用することができる。

Claims (19)

  1. 伝熱媒体の循環路に順次介挿された、ポンプ、内燃機関で発生した熱を利用して前記伝熱媒体を加熱することにより前記伝熱媒体に過熱度を付与する熱交換器、膨張機、及び、凝縮器を有するランキンサイクル回路と、
    前記膨張機の回転軸の動力を前記内燃機関の回転軸に伝達する動力伝達手段と、
    前記熱交換器と前記膨張機の入口との間を延びる前記循環路の膨張機上流部分に介挿され、前記膨張機上流部分での前記伝熱媒体の流量を制限可能な流量制限弁と、
    　前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を検知する高圧センサと、
    前記ポンプ及び前記流量制御弁の動作を制御する制御装置とを備える内燃機関の廃熱回収システムにおいて、
    前記制御装置は、少なくとも前記高圧センサによって検知された圧力に基づいて前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があるか否かを判定する判定手段を有し、前記判定手段によって、前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定されたときに、前記ポンプを作動させたまま、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量の制限を開始させ、
    短くても前記判定手段によって前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要がないと判定されるまで前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量の制限を続行させた後、前記制限を終了させることを特徴とする内燃機関の廃熱回収システム。
  2. 前記判定手段は、前記高圧センサによって検知された圧力が下限圧力未満であるときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定し、前記高圧センサによって検知された圧力が上限圧力を超えているときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要がないと判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  3. 前記膨張機の出口での前記伝熱媒体の圧力を検知する低圧センサを更に備え、
    前記判定手段は、前記低圧センサによって検知された圧力に対する、前記高圧センサによって検知された圧力の比を圧力比としたとき、
    前記圧力比が下限圧力比未満であるときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があると判定し、
    前記圧力比が上限圧力比を超えているときに前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要がないと判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  4. 前記膨張機の回転軸の回転速度を検知する回転速度検知手段を更に備え、前記判定手段は、前記回転速度検知手段によって検知された回転速度が設定回転速度以上であるときにのみ、前記熱交換器での前記伝熱媒体の圧力を上昇させる必要があるか否かの判定を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  5. 前記熱交換器と前記流量制限弁との間を延びる前記循環路の部分に、前記伝熱媒体を出入り自由に蓄えるタンクを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  6. 前記熱交換器として、前記内燃機関の冷却水を利用して前記伝熱媒体を加熱する蒸発器と、前記伝熱媒体の流動方向でみて前記蒸発器よりも下流に位置し、前記内燃機関の排気ガスを利用して前記伝熱媒体を加熱する過熱器とを備え、
    前記タンクと前記過熱器とは一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  7. 前記内燃機関の出力を制御する第２制御装置を更に備え、前記第２制御装置は、前記制御装置が前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限を終了させるときに、前記出力を減少させることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  8. 前記流量制限弁は、流量を連続的に可変な流量調整弁であり、前記制御装置は、前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限を終了させるときに、前記流量が連続的に増加するよう前記流量調整弁を作動させることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  9. 前記流量制限弁として、前記循環路に互いに並列に配置された複数の開閉弁を備え、　前記制御装置は、前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限を終了させるときに、前記流量が段階的に増加するよう前記開閉弁を順次作動させることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  10. 前記制御装置は、前記ポンプを起動させてから所定期間、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量の制限を行わせないことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  11. 前記流量制限弁をバイパスするバイパス手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  12. 前記動力伝達手段は、前記膨張機の回転軸から前記内燃機関の回転軸への方向でのみ動力を伝達するワンウェークラッチを含むことを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  13. 前記動力伝達手段は、前記膨張機の回転軸と前記内燃機関の回転軸とを断続可能に連結する電磁クラッチを含み、前記制御装置は、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量を制限させている間、前記電磁クラッチによる前記膨張機の回転軸と前記内燃機関の回転軸との連結を解除することを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  14. 前記制御装置は、前記流量制限弁による前記伝熱媒体の流量の制限が開始された後に前記内燃機関が制動力を発揮している間は、前記制限を続行させることを特徴とする請求項１乃至１３の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  15. 前記ポンプの吐出量は可変であり、前記制御装置は、前記流量制限弁が伝熱媒体の流量を制限しているときに、前記ポンプの吐出量をゼロにするか又は減少させることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  16. 前記動力伝達手段は、フライホイールを含むことを特徴とする請求項１乃至１５の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  17. 前記動力伝達手段は、前記膨張機の回転軸の動力を油圧に変換し、当該油圧を利用して前記内燃機関の回転軸を回転させる油圧装置を含むことを特徴とする請求項１乃至１５の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  18. 前記油圧装置は、前記膨張機の回転軸の動力で油圧を増大させる油圧ポンプと、油圧を蓄える油圧アキュムレータと、前記油圧アキュムレータに蓄えられた油圧を利用して、前記内燃機関の回転軸を回転させる油圧モータとを備え、
    前記内燃機関が制動力を発揮しているときに、当該制動力の発揮に必要な負荷を前記内燃機関に付与しながら前記油圧モータにより前記油圧アキュムレータに蓄えられた油圧を増大させることを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関の廃熱回収システム。
  19. 前記制御装置によって制御され、前記凝縮器を冷却するためのファンを備え、前記制御装置は、前記流量制限弁に前記伝熱媒体の流量を制限させるときに、前記ファンを停止させることを特徴とする請求項１乃至１８の何れかに記載の内燃機関の廃熱回収システム。
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