内燃機関の廃熱利用装置
【課題】ＥＧＲガスを含む内燃機関の複数の熱源をＥＧＲガス中の水分を凝縮させることなく効率よくランキンサイクルシステムに利用可能な内燃機関の廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】ランキン回路(40)は複数の熱交換器としてＥＧＲ回路のＥＧＲクーラ(36)と排気通路の排ガス熱交換器(41)を有し、これらＥＧＲクーラと排ガス熱交換器とをランキン回路の作動流体の流れ方向で視てＥＧＲクーラが排ガス熱交換器よりも上流に位置するように配置し、制御手段(60)により、ＥＧＲガス温度検出手段(39)により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲（例えば１５０℃〜２００℃）となるよう、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御する。
【解決手段】ランキン回路(40)は複数の熱交換器としてＥＧＲ回路のＥＧＲクーラ(36)と排気通路の排ガス熱交換器(41)を有し、これらＥＧＲクーラと排ガス熱交換器とをランキン回路の作動流体の流れ方向で視てＥＧＲクーラが排ガス熱交換器よりも上流に位置するように配置し、制御手段(60)により、ＥＧＲガス温度検出手段(39)により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲（例えば１５０℃〜２００℃）となるよう、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両の内燃機関の廃熱を回収して利用するのに好適な廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の廃熱利用装置は、作動流体としての冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機にて発生した回転駆動力が伝達される被動力伝達装置、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルを備えている。
【０００３】
内燃機関の廃熱の一つとして、ＮＯx低減のために排ガスの一部を吸気に還流されるＥＧＲガス（排気再循環ガス）の熱、即ちＥＧＲ通路にＥＧＲガスの温度を低下させるべく設けられたＥＧＲクーラからの放熱があり、かかるＥＧＲガスの熱を利用したランキンサイクルシステムが公知である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３９５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示の技術では、ＥＧＲガスを熱源に利用してランキンサイクルシステムを構成するようにしているが、例えば内燃機関の運転状況によってはＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを調節することでＥＧＲガス流量を増減させる必要があり、ＥＧＲバルブによりＥＧＲガスが遮断されたような場合には、遮断されている間、ＥＧＲガスの熱をランキンサイクルシステムに全く利用できないという問題がある。
また、上記特許文献１に開示される技術では、ＥＧＲガスの熱をランキンサイクルシステムに利用するため、逆にＥＧＲガスの温度は低下することになるが、一般にＥＧＲガスは温度が１００℃を下回るとＥＧＲガス中の水分が凝縮し、酸が発生してＥＧＲ通路等を腐食させるという問題があり、ＥＧＲガス中の水分を如何に凝縮させないようするかが課題となっている。
【０００６】
また、特許文献１に開示の技術では、基本的にＥＧＲガスを熱源として利用するようにしているが、例えばＥＧＲガス以外に内燃機関の複数の熱源を利用してランキンサイクルシステムを構成する場合、如何に内燃機関の複数の熱源を利用してランキンサイクルシステムを構成するかも課題となる。
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、ＥＧＲガスを含む内燃機関の複数の熱源をＥＧＲガス中の水分を凝縮させることなく効率よくランキンサイクルシステムに利用可能な内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するべく、請求項１の内燃機関の廃熱利用装置は、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する複数の熱交換器、該複数の熱交換器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に送出するポンプが順次介装されたランキン回路と、内燃機関の排ガスを大気に放出させる排気通路に介装された排ガス熱交換器と、内燃機関の排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気に還流させるＥＧＲ通路、該ＥＧＲ通路に介装されて少なくとも内燃機関の運転状態に応じた開閉によりＥＧＲガスの流通と遮断を行うＥＧＲバルブ及び該ＥＧＲ通路に介装されてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを有するＥＧＲ回路と、前記ＥＧＲ通路のＥＧＲガスの流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラの下流に設けられ、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度検出手段と、少なくとも、前記ＥＧＲバルブが開でＥＧＲガスが流通しているとき、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスの熱交換量を制御する制御手段とを備え、前記ランキン回路における前記複数の熱交換器は、前記ＥＧＲクーラと前記排ガス熱交換器であって、前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラが前記排ガス熱交換器よりも上流に位置し、前記ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱により作動流体を加熱し、前記排ガス熱交換器で排ガスの熱により作動流体を加熱するよう構成され、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１において、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記膨張機の負荷を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の圧力を可変させることを特徴とする。
請求項３の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１または２において、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記ポンプの吐出量を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする。
【０００９】
請求項４の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記ＥＧＲクーラをバイパスするＥＧＲクーラバイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該ＥＧＲクーラバイパス通路とで調節する調節弁とを備え、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記調節弁を調節することにより前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする。
請求項５の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、内燃機関の冷却水をラジエータに循環させる冷却水通路と、該冷却水通路に介装されて冷却水の熱と作動流体の熱を熱交換する冷却水熱交換器を有する冷却水回路をさらに備え、前記ランキン回路における前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記冷却水熱交換器が前記ＥＧＲクーラ及び前記排ガス熱交換器より上流に位置することを特徴とする。
【００１０】
請求項６の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項５において、前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記冷却水熱交換器をバイパスする冷却水熱交換器バイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該冷却水熱交換器バイパス通路とで調節する第２の調節弁と、内燃機関に返戻される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度が規定温度以下にならないよう、前記第２の調節弁を調節することにより前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする。
請求項７の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項６において、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記第２の調節弁を調節し前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を変えることで前記冷却水熱交換器での吸熱量を可変させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキン回路は複数の熱交換器を有し、複数の熱交換器は、ＥＧＲ回路のＥＧＲクーラと排気通路の排ガス熱交換器であって、これらＥＧＲクーラと排ガス熱交換器とをランキン回路の作動流体の流れ方向で視てＥＧＲクーラが排ガス熱交換器よりも上流に位置するように配置しておき、制御手段により、ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御するようにしている。
従って、ランキン回路の作動流体は、ＥＧＲガスが還流しているときには、先ずＥＧＲクーラにおいてＥＧＲガスの熱を吸熱することでＥＧＲガスを所定温度範囲まで低下させ、その後排ガス熱交換器において排ガスの熱をさらに吸熱することとなる。
これにより、ＥＧＲガスを例えばＥＧＲガス中の水分が凝縮せず酸を発生しない１００℃以上に保持してＥＧＲ通路やＥＧＲバルブの腐食を防止しながら、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱をランキン回路の作動流体に充分に吸熱させることによりＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に低下させ、さらに排ガス熱交換器で排ガスの熱をランキン回路の作動流体に吸熱させることができ、内燃機関の廃熱を効率よく利用することができる。
【００１２】
また、ランキン回路の作動流体は、ＥＧＲガスが還流していないときであっても、排ガス熱交換器において排ガスの熱を吸熱して昇温し昇圧するので、やはり内燃機関の廃熱を効率よく利用することができる。
請求項２の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキン回路の膨張機の負荷を変えてＥＧＲクーラを通る作動流体の圧力を可変させること、即ち蒸発温度を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。
請求項３の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキン回路のポンプの吐出量を変えてＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。
請求項４の内燃機関の廃熱利用装置によれば、作動流体の流れを循環路とＥＧＲクーラバイパス通路とで調節する調節弁を調節してＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。
【００１３】
請求項５の内燃機関の廃熱利用装置によれば、冷却水熱交換器とＥＧＲクーラと排ガス熱交換器とをランキン回路の作動流体の流れ方向で視て冷却水熱交換器がＥＧＲクーラ及び排ガス熱交換器よりも上流に位置するように配置しておき、制御手段により、ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御するようにしている。
従って、ランキン回路の作動流体は、ＥＧＲガスが還流しているときには、先ず冷却水熱交換器において冷却水の熱を吸熱し、次にＥＧＲクーラにおいてＥＧＲガスの熱を吸熱することでＥＧＲガスを所定温度範囲まで低下させ、その後排ガス熱交換器において排ガスの熱を吸熱することとなる。
これにより、先ず冷却水熱交換器でＥＧＲガスや排ガスより温度の低い冷却水の熱を先ずランキン回路の作動流体に吸熱した後、ＥＧＲガスを例えばＥＧＲガス中の水分が凝縮せず酸を発生しない１００℃以上の所定温度範囲に保持してＥＧＲ通路やＥＧＲバルブの腐食を防止しながら、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱をランキン回路の作動流体に充分に吸熱させ、排ガス熱交換器でさらに排ガスの熱をランキン回路の作動流体に吸熱させることができ、内燃機関の廃熱をさらに効率よく利用することができる。
【００１４】
請求項６の内燃機関の廃熱利用装置によれば、作動流体の流れを循環路と冷却水熱交換器バイパス通路とで調節する第２の調節弁を調節し冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を可変させることで冷却水熱交換器での熱交換量を調整でき、冷却水の温度が規定温度以下にならないようにできる。これにより、内燃機関の効率の低下を防止することができる。
請求項７の内燃機関の廃熱利用装置によれば、第２の調節弁を調節し冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を変えて冷却水熱交換器での吸熱量を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。例えば、ＥＧＲガスの温度が所定温度範囲よりも高いような場合に、第２の調節弁を調節し冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を少なくして冷却水熱交換器での吸熱量を低く抑えることで、ＥＧＲクーラにおけるＥＧＲガスの熱の作動流体への吸熱を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図２】第１実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図４】第２実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図６】第３実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図８】第４実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図９】トラック等の重量車両におけるエンジン出力とガス温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
［第１実施例］
図１は、本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
廃熱利用装置は、例えば車両に搭載され、エンジン２及びランキン回路４０から構成されている。
エンジン２は、エンジン本体（内燃機関）３が例えばディーゼルエンジンであって、エンジン本体３の吸気ポートに吸気マニフォールドを介して吸気通路４が連通され、排気ポートに排気マニフォールドを介して排気通路６が連通して構成されている。また、吸気通路４及び排気通路６には、吸気通路４と排気通路６とを跨いで過給機８が設けられており、当該過給機８により、排ガス流を利用して吸気を過給することができる。吸気通路４にはインタークーラ１０が介装されており、当該インタークーラ１０により、吸気を冷却して吸気効率の向上を図ることができる。
【００１７】
エンジン２には、エンジン本体３の内部のウォータジャケットを冷却水が循環する冷却水回路２０が設けられており、冷却水回路２０は、ウォータジャケットと連通する冷却水循環通路２２に、冷却水の流れ方向で視て順にラジエータ２４、サーモスタット２６、エンジン本体３により駆動される水ポンプ２７、エンジン本体３が介装されて構成されている。サーモスタット２６には、ラジエータ２４をバイパスするラジエータバイパス流路２８が合流しており、これにより、サーモスタット２６は、冷却水の温度に応じて自動的に、冷却水をラジエータ２４をバイパスさせて流し、或いはラジエータ２４に流すようにできる。なお、ラジエータ２４には冷却ファン２５が設けられている。これにより、冷却水がラジエータ２４にて外気と熱交換され、エンジン本体３が冷却される。
また、エンジン２には、主にＮＯx低減のために排ガスの一部をＥＧＲガス（排気再循環ガス）として吸気に還流させるＥＧＲ回路（排気再循環回路）３０が設けられており、ＥＧＲ回路３０は、ＥＧＲ通路３２にＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ３４とＥＧＲガスの温度を低下させるＥＧＲクーラ３６とが介装されて構成されている。
【００１８】
ランキン回路４０は、作動流体（例えば、エタノール）の循環路４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ＥＧＲクーラ（熱交換器）３６、排気通路６との間で熱交換を行う排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）４１、これらＥＧＲクーラ３６や排ガス熱交換器４１にて加熱され過熱状態となる作動流体の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機４４、ランキンコンデンサ（凝縮器）４５、作動流体を循環させるポンプ４６が介装されて構成されている。なお、ランキンコンデンサ４５には冷却ファン４７が設けられている。
ランキン回路４０の循環路４２には、ＥＧＲクーラ３６をバイパスするようにしてＥＧＲクーラバイパス通路５０が設けられており、ＥＧＲクーラバイパス通路５０の循環路４２からの分岐部には三方弁（調節弁）５２が介装されている。
このような構成により、ランキン回路４０では、ＥＧＲクーラ３６を介してＥＧＲ回路３０を還流するＥＧＲガスから作動流体に吸熱を行うとともに排ガス熱交換器４１でエンジン２の排気通路６を流れる排ガスから作動流体に吸熱を行うことでエンジン２の廃熱を回収可能である。
なお、ＥＧＲクーラ３６を排ガス熱交換器４１よりも上流側に配置するのは、先に排ガス熱交換器４１に作動流体を流したとすると、排ガス熱交換器４１で作動流体が充分吸熱されてしまい、ＥＧＲクーラ３６で吸熱できる熱量が不足し、ＥＧＲガスが所定の温度まで下がらない可能性があるためである。
【００１９】
膨張機４４には、同期回転可能に発電機５６が連結されるとともに上記ポンプ４６が連結されている。これにより、膨張機４４によって発生した回転駆動力が発電機５６及びポンプ４６に伝達され、発電機５６により発電が行われ、ポンプ４６によって作動流体の循環が行われる。なお、発電機５６は発電負荷を可変可能に構成され、ポンプ４６は容量を可変可能に構成されている。ここに、発電機５６により発電された電力は、バッテリに蓄えられ、例えば車両の空調装置の動力源として、或いは車両が冷凍車のような場合には冷凍冷蔵用コンプレッサの動力源として使用される。
冷却水回路２０の冷却水循環通路２２の水ポンプ２７近傍位置には冷却水の温度Ｔwを検出する冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）２９が設けられ、ＥＧＲ回路３０のＥＧＲ通路３２のＥＧＲクーラ３６下流位置にはＥＧＲガスの温度Ｔegrを検出するＥＧＲガス温度センサ（ＥＧＲガス温度検出手段）３９が設けられ、エンジン２の排気通路６の排気マニフォールド近傍位置には排ガスの温度Ｔexを検出する排気温度センサ１９が設けられている。
【００２０】
そして、廃熱利用装置には、エンジン２及びランキン回路４０を総合的に制御する電子制御ユニット(ＥＣＵ)（制御手段）６０が設けられ、その入力側には排気温度センサ１９、冷却水温度センサ２９、ＥＧＲガス温度センサ３９等の各種センサ類が電気的に接続され、その出力側には、冷却ファン２５、ＥＧＲバルブ３４、ポンプ４６、冷却ファン４７、三方弁５２、発電機５６等の各種デバイス類が電気的に接続されている。
これにより、ＥＣＵ６０は、排気温度センサ１９、冷却水温度センサ２９、ＥＧＲガス温度センサ３９からの入力に基づき、冷却ファン２５、ＥＧＲバルブ３４、ポンプ４６、冷却ファン４７、三方弁５２、発電機５６を適宜制御可能である。
【００２１】
以下、このように構成された第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置の作動について説明する。
エンジン２は、エンジン本体３が始動されると、冷却水回路２０の水ポンプ２７が駆動を開始し、冷却水循環通路２２を冷却水が循環し始める。この際、エンジン本体３が冷態始動状態にあって冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1（サーモスタット設定値）よりも低い場合には、サーモスタット２６により冷却水はラジエータ２４をバイパスするように流れ、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1になると、冷却水はラジエータ２４を流れて冷却される。これにより、エンジン本体３が冷態始動状態にあるときには、エンジン本体３の暖機が促進され、エンジン本体３の暖機後には冷却ファン２５が適宜作動制御され、ラジエータ２４にて冷却される冷却水の温度Ｔwは所定温度Ｔ2（例えば、８０℃）に保持される。
【００２２】
エンジン２がＥＧＲガスを吸気に還流可能な運転状態にあるときには、ＥＧＲガスがＥＧＲバルブ３４の開度に応じてＥＧＲ通路３２を還流する。
このとき、ランキン回路４０において三方弁５２が作動流体をＥＧＲクーラ３６側に流すように操作されていると、ＥＧＲガスと循環路４２を流れる作動流体とがＥＧＲクーラ３６において熱交換され、ＥＧＲガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力が上昇する。
ランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体は、ＥＧＲクーラ３６にて吸熱した後、排ガス熱交換器４１においてさらに排ガスと熱交換され、排ガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力がさらに上昇する。
このように昇温し昇圧した作動流体は、膨張機４４に流入し、膨張機４４にて回転駆動力を発生する。これにより発電機５６が発電駆動される。また、ポンプ４６が駆動されることで作動流体が循環路４２を循環する。
【００２３】
膨張機４４からは作動流体が減圧されて排出され、この減圧された作動流体はランキンコンデンサ４５によって外気に放熱される。
ところで、このようにＥＧＲ回路３０のＥＧＲガスの熱と排気通路６の排ガスの熱とがランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体に吸熱され、昇温及び昇圧した作動流体によって発電機５６が駆動されて発電が行われるが、ＥＧＲクーラ３６において作動流体に吸熱する吸熱量（熱交換量）は、ＥＣＵ６０によって適宜調整される。詳しくは、ＥＧＲガス温度センサ３９により検出されるＥＧＲガスの温度Ｔegrに基づき、吸気に還流されるＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、作動流体への吸熱量が制御される。
ここに、所定温度Ｔ3は、ＥＧＲクーラ３６の蒸発温度を１００℃以上として、例えば１５０℃〜２００℃（所定温度範囲）とされる。このように所定温度Ｔ3を１００℃以上の例えば１５０℃〜２００℃とするのは、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが１００℃未満になると、ＥＧＲガス中の水分が凝縮し酸を発生してＥＧＲ通路３２やＥＧＲバルブ３４等の腐食を招くおそれがある一方、できるだけ低い温度にすることが望ましいためである。
【００２４】
具体的には、作動流体への吸熱量は、ＥＧＲクーラ３６を流れる作動流体の蒸発温度、即ち蒸発圧力を調節することで制御できることから、ＥＣＵ６０により、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、膨張機４４ひいては発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節する。
また、作動流体への吸熱量は、ＥＧＲクーラ３６を流れる作動流体の流量を調節することでも制御できることから、ＥＣＵ６０により、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、ポンプ４６の容量（吐出量）を可変操作して作動流体の流量を調節する。
或いは、ＥＧＲクーラ３６を流れる作動流体の流量の調節は、三方弁５２の開度を調節することでも制御できることから、ＥＣＵ６０により、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節する。
また、これらを組み合わせ、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、発電機５６の負荷を可変操作するとともに、ポンプ４６の容量を可変操作し、さらに三方弁５２の開度を可変操作するようにしてもよい。
【００２５】
このように、本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路４０は、作動流体の流れ方向で視て順に、上流側にＥＧＲクーラ３６が配設され、下流側に排ガス熱交換器４１が配設されているので、ランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体は、図２に第１実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１において排ガスの熱をも吸熱するようにできる。これにより、作動流体の温度及び圧力を上昇させて膨張機４４を作動させ、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
特に、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いはこれらを組み合わせて実施するので、ＥＧＲガスの還流が行われる場合には、ＥＧＲガスの温度Ｔegrを確実に所定温度Ｔ3（例えば、１５０℃〜２００℃）に維持するようにでき、ＥＧＲガス中の水分が凝縮して酸を発生しないようにでき、ＥＧＲ通路３２やＥＧＲバルブ３４等の腐食を好適に防止することができる。
【００２６】
一方、エンジン２がＥＧＲガスを吸気へ還流できない運転状態にあるときには、ＥＧＲバルブ３４は遮断されてＥＧＲガスは吸気へ還流されないことから、ＥＧＲガスの熱をランキン回路４０で利用することはできない。この場合には、ランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体は、排ガス熱交換器４１において排ガスのみと熱交換され、排ガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力が上昇する。
これにより、ＥＧＲガスの還流が遮断された状況であっても、排ガス熱交換器４１を介して排ガスの熱を吸熱するようにでき、ＥＧＲ回路３０の状態に拘わらず、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
【００２７】
［第２実施例］
図３は、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
第２実施例では、冷却水回路２０の冷却水循環通路２２を流れる冷却水の熱をもランキン回路４０で利用する点が上記第１実施例と異なっており、以下第１実施例と異なる部分について説明する。
図３に示すように、エンジン２には、冷却水回路２０’が設けられており、冷却水回路２０’の冷却水循環通路２２’のうち冷却水の流れ方向で視てラジエータ２４の上流には、ランキン回路４０’との間で熱交換を行うプリヒータ（冷却水熱交換器、熱交換器）２３が介装されている。
プリヒータ２３は、ランキン回路４０’においては、循環路４２’のうちＥＧＲクーラ３６よりも上流側に位置してポンプ４６と三方弁５２との間に介装されている。即ち、第２実施例では、ランキン回路４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１が配設されて構成されている。
なお、プリヒータ２３をＥＧＲクーラ３６よりも上流側に配置するのは、作動流体の蒸発温度は１００℃以上、例えば１５０℃であり、冷却水の温度は例えば８０℃とそれよりも低いため、上流側にないとプリヒータ２３から吸熱できないためである。
【００２８】
また、ランキン回路４０’の循環路４２’には、プリヒータ２３をバイパスするようにしてプリヒータバイパス通路（冷却水熱交換器バイパス通路）５３が設けられており、プリヒータバイパス通路５３の循環路４２’からの分岐部には三方弁（第２の調節弁）５４が介装されている。そして、三方弁５４はＥＣＵ６０の出力側に電気的に接続されている。
また、ランキン回路４０’の循環路４２’のプリヒータ２３下流位置には作動流体の温度Ｔrを検出する作動流体温度センサ５９が設けられている。
以下、このように構成された第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置の作動について説明する。
エンジン２において、エンジン本体３が冷態始動状態にあって冷却水回路２０’の冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1よりも低い場合には、サーモスタット２６により冷却水はラジエータ２４をバイパスするように流れる。この際、ランキン回路４０’では、三方弁５４が作動流体をプリヒータバイパス通路５３に流すように操作され、作動流体のプリヒータ２３への流通が回避される。これにより、エンジン本体３の冷却水の熱が不必要にランキン回路４０’の作動流体に吸熱されることが防止され、エンジン本体３の暖機が促進される。
【００２９】
エンジン本体３が暖機し、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1になると、冷却水回路２０’の冷却水はラジエータ２４を流れて冷却され、ランキン回路４０’においては三方弁５４が作動流体をプリヒータ２３に流すように操作される。これにより、エンジン本体３の冷却水の熱がプリヒータ２３を介してランキン回路４０の作動流体に吸熱され始め、冷却水の温度が低下する一方、作動流体の温度が上昇する。
そして、エンジン２がＥＧＲガスを吸気に還流可能な運転状態にあるときには、ＥＧＲガスがＥＧＲバルブ３４の開度に応じてＥＧＲ通路３２を還流し、ランキン回路４０’において三方弁５２が作動流体をＥＧＲクーラ３６側に流すよう操作されていると、ＥＧＲガスと循環路４２’を流れる作動流体とがＥＧＲクーラ３６において熱交換され、ＥＧＲガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力が上昇する。
【００３０】
ランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体は、ＥＧＲクーラ３６にて吸熱した後、排ガス熱交換器４１においてさらに排ガスと熱交換され、排ガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力がより一層上昇する。
このように昇温し昇圧した作動流体は、膨張機４４に流入し、膨張機４４にて回転駆動力を発生する。これにより発電機５６が発電駆動される。また、ポンプ４６が駆動されることで作動流体が循環路４２’を循環する。
ところで、第２実施例では、このように冷却水回路２０’の冷却水の熱とＥＧＲ回路３０のＥＧＲガスの熱と排気通路６の排ガスの熱とがランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体に吸熱され、昇温及び昇圧した作動流体によって発電機５６が駆動されて発電が行われるが、プリヒータ２３及びＥＧＲクーラ３６において作動流体に吸熱する吸熱量（熱交換量）は、ＥＣＵ６０によって適宜調整される。
【００３１】
プリヒータ２３においては、冷却水温度センサ２９により検出される冷却水の温度Ｔwに基づき、エンジン本体３に返戻される冷却水の温度Ｔwが上記所定温度Ｔ2（規定温度、例えば、８０℃）以下にならないよう、作動流体への吸熱量が制御される。具体的には、作動流体への吸熱量は、プリヒータ２３を流れる作動流体の流量を調節することで制御できることから、ＥＣＵ６０により、三方弁５４の開度を可変操作し、プリヒータ２３を流れる作動流体の流量を冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ2以下にならないように調節する。これにより、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ2より高い温度に保持され、エンジン本体３の過度の冷却による効率の低下が防止される。
また、同時に、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ2よりも高くなるような場合には、冷却ファン２５が適宜作動制御され、ラジエータ２４にて冷却される冷却水の温度Ｔwは所定温度Ｔ2に保持される。
【００３２】
ＥＧＲクーラ３６については、ＥＧＲガス温度センサ３９により検出されるＥＧＲガスの温度Ｔegrに基づき、吸気に還流されるＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、作動流体への吸熱量が制御される。ここに、所定温度Ｔ3は、第１実施例の場合と同様、１００℃以上の例えば１５０℃〜２００℃とされる。
具体的には、第１実施例の場合と同様、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節する。或いは、ＥＧＲクーラ３６でのＥＧＲガスの熱の作動流体への吸熱が促進されるよう、三方弁５４の開度を可変操作し、プリヒータ２３を流れる作動流体の流量を調節してプリヒータ２３での吸熱量を調節する。また、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、これらを選択的に組み合わせて実施するようにしてもよい。
【００３３】
このように、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１が配設されているので、ランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体は、図４に第２実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずプリヒータ２３において冷却水の熱を吸熱し、次にＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１において排ガスの熱をも吸熱するようにできる。これにより、作動流体の温度及び圧力を充分に上昇させて膨張機４４を作動させ、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
特に、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、プリヒータ２３において、エンジン本体３に返戻される冷却水の温度Ｔwが上記所定温度Ｔ2（例えば、８０℃）以下にならないように作動流体の流量を調節するので、プリヒータ２３にて冷却水の熱を作動流体に良好に吸熱しながら、エンジン２の性能の低下を抑制できるとともに、下流に位置するＥＧＲクーラ３６でＥＧＲガスの熱を充分に吸熱するようにできる。
【００３４】
また、第１実施例と同様、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５４の開度を可変操作してプリヒータ２３を流れる作動流体の流量を調節し、或いはこれらを組み合わせて実施するので、ＥＧＲガスの還流が行われる場合には、ＥＧＲガスの温度Ｔegrを確実に所定温度Ｔ3（例えば、１５０℃〜２００℃）に維持するようにでき、ＥＧＲガス中の水分が凝縮して酸を発生しないようにでき、ＥＧＲ通路３２やＥＧＲバルブ３４等の腐食を好適に防止することができる。
一方、エンジン２がＥＧＲガスを吸気へ還流できない運転状態にあるときには、ＥＧＲバルブ３４は遮断されてＥＧＲガスは吸気へ還流されないことから、ＥＧＲガスの熱をランキン回路４０’で利用することはできない。この場合には、ランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体は、プリヒータ２３において冷却水と熱交換されるとともに排ガス熱交換器４１において排ガスと熱交換され、或いは冷却水の温度Ｔwや作動流体の温度Ｔrによっては排ガス熱交換器４１において排ガスのみと熱交換されて温度及び圧力が上昇する。
【００３５】
これにより、ＥＧＲガスの還流が遮断された状況であっても、プリヒータ２３や排ガス熱交換器４１を介してエンジン本体３の冷却水や排ガスの熱をランキン回路４０’の作動流体に良好に吸熱するようにでき、ＥＧＲ回路３０の状態に拘わらず、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
［第３実施例］
図５は、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
第３実施例では、ランキン回路１４０において２段膨張を行う点が上記第１実施例と異なっており、以下第１実施例と異なる部分について説明する。
【００３６】
図５に示すように、ランキン回路１４０は、作動流体（例えば、水）の循環路１４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ＥＧＲクーラ３６、排気通路６との間で熱交換を行う排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）４１、膨張機４４、第２の排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）１４１、第２の膨張機１４４、ランキンコンデンサ４５、作動流体を循環させるポンプ４６が介装されて構成されている。なお、ランキンコンデンサ４５には冷却ファン４７が設けられている。そして、膨張機４４には、同期回転可能に発電機５６が連結され、第２の膨張機１４４には、同期回転可能に第２の発電機１５６が連結されており、それぞれＥＣＵ６０の出力側に電気的に接続されている。
このように、ランキン回路１４０では、ＥＧＲクーラ３６及び排ガス熱交換器４１において作動流体を昇温し昇圧させ、昇温し昇圧した作動流体により膨張機４４にて回転駆動力を発生した後、さらに第２の排ガス熱交換器１４１で作動流体を再び昇温させ、再び昇温した作動流体によりさらに第２の膨張機１４４にて回転駆動力を発生させるようにしている。
【００３７】
この際、第１実施例の場合と同様、ＥＧＲクーラ３６において作動流体に吸熱する吸熱量は、ＥＣＵ６０によって適宜調整される。詳しくは、ＥＧＲガス温度センサ３９により検出されるＥＧＲガスの温度Ｔegrに基づき、吸気に還流されるＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、作動流体への吸熱量が制御される。ここに、所定温度Ｔ3は、第１実施例の場合と同様、１００℃以上の例えば１５０℃〜２００℃とされる。
具体的には、第１実施例の場合と同様、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節する。また、これらを組み合わせ、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、発電機５６の負荷を可変操作するとともに、ポンプ４６の容量を可変操作し、さらに三方弁５２の開度を可変操作するようにしてもよい。
ここに、発電機５６の負荷を可変操作するのは、蒸発圧力はランキンコンデンサ４５に接続されている膨張機４４の負荷を変えてコントロールするためである。即ち、第２の発電機１５６ではなく発電機５６の負荷を可変操作するのは、例えば発電機５６の負荷が軽いと膨張機４４が高速で回り、作動流体が次々とランキンコンデンサ４５側に送られ、ＥＧＲクーラ３６での蒸発が追いつかずに蒸発圧力が下がるのであるが、一方、第２の発電機１５６の負荷を可変操作し２段目の膨張機１４４の負荷を軽くして膨張機１４４が高速で回っても、１段目の膨張機４４が速く回らなければ蒸発圧力は変化しないためである。
【００３８】
このように、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置においても、ランキン回路１４０は、作動流体の流れ方向で視て順に、上流側にＥＧＲクーラ３６が配設され、下流側に排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１が配設されているので、ランキン回路１４０の循環路１４２を流れる作動流体は、図６に第３実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１において排ガスの熱をも吸熱するようにでき、作動流体の温度及び圧力を上昇させてエンジン２の廃熱を効果的に発電機５６及び第２の発電機１５６による発電に利用することができる。
特に、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路４０において、膨張機４４と第２の膨張機１４４とを備えるとともに、排ガス熱交換器４１と第２の排ガス熱交換器１４１とを備え、排ガス熱交換器４１において排ガスから吸熱した作動流体で膨張機４４を作動させて発電機５６により発電を行った後、さらに第２の排ガス熱交換器１４１において排ガスから吸熱した作動流体で第２の膨張機１４４を作動させて第２の発電機１５６により発電を行うようにしているので、２段膨張を実施することにより、エンジン２の廃熱をより一層効果的に利用することができる。
ところで、上記第１及び第２実施例の場合のように作動流体がエタノールにあっては、膨張機４４の入口２００℃で等エントロピ膨張させて、ランキンコンデンサ４５の入口でガスの状態を保つことができる。しかしながら、本実施例のように作動流体が水にあっては、膨張機４４の入口２００℃で等エントロピ膨張させて、ランキンコンデンサ４５の入口で気液二相となってしまう。少しの液相は問題ないが、大幅に液相になるとエロージョン等で膨張機４４が壊れるという問題がある。そこで、本実施例においては、途中で一旦温度を上昇させてから再膨張させるようにしている。
【００３９】
［第４実施例］
図７は、本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
第４実施例では、上記第２実施例と同様に冷却水回路２０の冷却水循環通路２２を流れる冷却水の熱をもランキン回路１４０で利用する点が上記第３実施例と異なっている。
図７に示すように、エンジン２には、冷却水回路２０’が設けられており、冷却水回路２０’の冷却水循環通路２２’のうち冷却水の流れ方向で視てラジエータ２４の上流には、ランキン回路１４０’との間で熱交換を行うプリヒータ２３が介装されている。
プリヒータ２３は、第２実施例と同様、ランキン回路１４０’においては、循環路１４２’のうちＥＧＲクーラ３６よりも上流側に位置してポンプ４６と三方弁５２との間に介装されている。即ち、第４実施例では、ランキン回路１４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１が配設されて構成されている。そして、ランキン回路１４０’の循環路１４２’には、第２実施例と同様、プリヒータ２３をバイパスするようにしてプリヒータバイパス通路５３が設けられており、プリヒータバイパス通路５３の循環路１４２’からの分岐部には三方弁５４が介装され、循環路１４２’のプリヒータ２３下流位置には作動流体の温度Ｔrを検出する作動流体温度センサ５９が設けられている。
【００４０】
このように、本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路１４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１が配設されているので、ランキン回路１４０’の循環路１４２’を流れる作動流体は、図８に第４実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずプリヒータ２３において冷却水の熱を吸熱し、次にＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１において排ガスの熱をも吸熱するようにでき、上記第２実施例と同様の効果及び２段膨張による第３実施例と同様の効果を奏しながら、作動流体の温度及び圧力を充分に上昇させてエンジン２の廃熱をさらに一層効果的に利用することができる。
【００４１】
以上、第１乃至第４実施例に基づき説明したように、本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置によれば、ＥＧＲガスを含むエンジン２の複数の熱源を、ＥＧＲガス中の水分を凝縮させることなく、効率よくランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’に利用することができる。
なお、冷却水やＥＧＲガスや排ガスからランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の作動流体に吸熱できる熱量は、車両の積載量や道路勾配の変化に応じて変動するエンジン本体３の負荷により増減するが、エンジン本体３の負荷の増減は排ガスの温度Ｔexに比例することから、ＥＣＵ６０により、排気温度センサ１９により検出される排ガスの温度Ｔexに応じてランキンコンデンサ４５の冷却ファン４７の作動を制御するのがよい。
具体的には、排気温度センサ１９により検出される排ガスの温度Ｔexの上昇に応じて冷却ファン４７の回転速度を増大させる。このようにすることで、車両の積載量が多い場合や勾配が大きい場合であっても、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’をさらに効率よく機能させることができる。
冷却水やＥＧＲガスや排ガスからランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の作動流体が吸熱できる熱量が十分であり膨張機４４入力前の蒸発圧力（高圧側圧力）を上昇させることができても、ランキンコンデンサ４５における放熱量が十分でなければ凝縮圧（低圧側圧力）が上昇し、膨張機４４前後の圧力比が十分とれず、膨張機４４で回収できる出力が向上できない。つまり、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の高圧側での入力が増加した分、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の低圧側での放熱量も増加させなければならない。
そのため、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度を検出してランキンコンデンサ４５の圧力が所定圧力値になるよう冷却ファン４７の回転速度を制御してランキンコンデンサ４５での放熱量を増加させることは既に行われている。
しかしながら、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度を検出してランキンコンデンサ４５の圧力が所定圧力値になるよう冷却ファン４７の回転速度を制御する場合、車両が上り坂道走行状態に入ったことによりエンジン本体３の負荷が大きくなってエンジン本体３からの廃熱回収ができる状態にも拘わらず、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度の変動が少し遅れて検出されるため、エンジン本体３の負荷増大による廃熱が十分に回収されない状態が暫く続く。また、車両が上り坂道走行状態から平地走行状態に移った場合、エンジン本体３の負荷が減少しエンジン本体３からの廃熱回収量が少なくなった状態であるにも拘わらず、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度の変動が少し遅れて検出されるため、冷却ファン４７を作動させて無駄な電力を消費する状態が発生することがある。
一方、トラック等の重量車両の場合、車両の積載量や上り坂勾配等の影響でエンジン本体３の負荷が変動するが、図９に示すように、エンジン本体３の負荷（エンジン出力）の増減は排ガス温度（ガス温度）に比例すること、及び、排ガス温度はランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’におけるランキンコンデンサ４５の圧力や温度に比してエンジン負荷に対する応答性が速いことが本発明の発明者の研究結果により明らかとなった。このことから、ＥＣＵ６０が、排気温度センサ１９により検出される排ガスの温度Ｔexに応じてランキンコンデンサ４５の冷却ファン４７の作動を制御することにより、エンジン本体３の負荷変動に即座に対応して廃熱回収が図られ、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’を効率よく作動させることができる。また、排ガスの温度は、ＥＧＲガス温度を測定することにより、さらに応答性よく廃熱回収が図られ、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’を効率よく作動させることができる。
【００４２】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’において、膨張機４４、１４４にて回転駆動力を発生させ、発電機５６、１５６で発電を行うようにしてエンジン２の廃熱を電気エネルギに変換して利用するようにしているが、これに限られず、例えば膨張機４４、１４４の回転駆動力でエンジン本体３の駆動をアシストするようにしてもよい。
また、上記実施形態では、エンジン本体３が例えばディーゼルエンジンである場合を例に説明したが、エンジン本体３は内燃機関であれば例えばガソリンエンジンであってもよい。
また、上記実施形態では、排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１は、排気通路６に直列に配置したが、排気通路を２重にして並列にしてもよい。
また、上記実施形態では、プリヒータ２３、ＥＧＲクーラ３６での吸熱量は、作動流体をバイパスさせて調整したが、冷却水やＥＧＲガスをバイパスさせて調整してもよい。
また、吸熱源として、さらにインタークーラ１０の廃熱や図示しないオイルクーラ等を追加するようにしてもよい。
また、膨張機４４及び第２の膨張機１４４を同軸に配し、発電機５６及び第２の発電機１５６を１つに統合するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
２ エンジン
３ エンジン本体（内燃機関）
６ 排気通路
２０、２０’ 冷却水回路
２３ プリヒータ（冷却水熱交換器、熱交換器）
２９ 冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）
３０ ＥＧＲ回路
３６ ＥＧＲクーラ（熱交換器）
３９ ＥＧＲガス温度センサ（ＥＧＲガス温度検出手段）
４０、４０’、１４０、１４０’ ランキン回路
４１ 排ガス熱交換器（熱交換器、、過熱器）
４４ 膨張機
４５ ランキンコンデンサ（凝縮器）
４６ ポンプ
５０ ＥＧＲクーラバイパス通路
５２ 三方弁（調節弁）
５３ プリヒータバイパス通路（冷却水熱交換器バイパス通路）
５４ 三方弁（第２の調節弁）
５６ 発電機
６０ 電子制御ユニット(ＥＣＵ)
１４１ 第２の排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）
１４４ 第２の膨張機
１５６ 第２の発電機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、詳しくは、車両の内燃機関の廃熱を回収して利用するのに好適な廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の廃熱利用装置は、作動流体としての冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機にて発生した回転駆動力が伝達される被動力伝達装置、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルを備えている。
【０００３】
内燃機関の廃熱の一つとして、ＮＯx低減のために排ガスの一部を吸気に還流されるＥＧＲガス（排気再循環ガス）の熱、即ちＥＧＲ通路にＥＧＲガスの温度を低下させるべく設けられたＥＧＲクーラからの放熱があり、かかるＥＧＲガスの熱を利用したランキンサイクルシステムが公知である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３９５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示の技術では、ＥＧＲガスを熱源に利用してランキンサイクルシステムを構成するようにしているが、例えば内燃機関の運転状況によってはＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブを調節することでＥＧＲガス流量を増減させる必要があり、ＥＧＲバルブによりＥＧＲガスが遮断されたような場合には、遮断されている間、ＥＧＲガスの熱をランキンサイクルシステムに全く利用できないという問題がある。
また、上記特許文献１に開示される技術では、ＥＧＲガスの熱をランキンサイクルシステムに利用するため、逆にＥＧＲガスの温度は低下することになるが、一般にＥＧＲガスは温度が１００℃を下回るとＥＧＲガス中の水分が凝縮し、酸が発生してＥＧＲ通路等を腐食させるという問題があり、ＥＧＲガス中の水分を如何に凝縮させないようするかが課題となっている。
【０００６】
また、特許文献１に開示の技術では、基本的にＥＧＲガスを熱源として利用するようにしているが、例えばＥＧＲガス以外に内燃機関の複数の熱源を利用してランキンサイクルシステムを構成する場合、如何に内燃機関の複数の熱源を利用してランキンサイクルシステムを構成するかも課題となる。
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、ＥＧＲガスを含む内燃機関の複数の熱源をＥＧＲガス中の水分を凝縮させることなく効率よくランキンサイクルシステムに利用可能な内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するべく、請求項１の内燃機関の廃熱利用装置は、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する複数の熱交換器、該複数の熱交換器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に送出するポンプが順次介装されたランキン回路と、内燃機関の排ガスを大気に放出させる排気通路に介装された排ガス熱交換器と、内燃機関の排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気に還流させるＥＧＲ通路、該ＥＧＲ通路に介装されて少なくとも内燃機関の運転状態に応じた開閉によりＥＧＲガスの流通と遮断を行うＥＧＲバルブ及び該ＥＧＲ通路に介装されてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを有するＥＧＲ回路と、前記ＥＧＲ通路のＥＧＲガスの流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラの下流に設けられ、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度検出手段と、少なくとも、前記ＥＧＲバルブが開でＥＧＲガスが流通しているとき、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスの熱交換量を制御する制御手段とを備え、前記ランキン回路における前記複数の熱交換器は、前記ＥＧＲクーラと前記排ガス熱交換器であって、前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラが前記排ガス熱交換器よりも上流に位置し、前記ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱により作動流体を加熱し、前記排ガス熱交換器で排ガスの熱により作動流体を加熱するよう構成され、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１において、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記膨張機の負荷を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の圧力を可変させることを特徴とする。
請求項３の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１または２において、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記ポンプの吐出量を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする。
【０００９】
請求項４の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記ＥＧＲクーラをバイパスするＥＧＲクーラバイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該ＥＧＲクーラバイパス通路とで調節する調節弁とを備え、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記調節弁を調節することにより前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする。
請求項５の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、内燃機関の冷却水をラジエータに循環させる冷却水通路と、該冷却水通路に介装されて冷却水の熱と作動流体の熱を熱交換する冷却水熱交換器を有する冷却水回路をさらに備え、前記ランキン回路における前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記冷却水熱交換器が前記ＥＧＲクーラ及び前記排ガス熱交換器より上流に位置することを特徴とする。
【００１０】
請求項６の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項５において、前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記冷却水熱交換器をバイパスする冷却水熱交換器バイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該冷却水熱交換器バイパス通路とで調節する第２の調節弁と、内燃機関に返戻される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度が規定温度以下にならないよう、前記第２の調節弁を調節することにより前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする。
請求項７の内燃機関の廃熱利用装置では、請求項６において、前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記第２の調節弁を調節し前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を変えることで前記冷却水熱交換器での吸熱量を可変させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキン回路は複数の熱交換器を有し、複数の熱交換器は、ＥＧＲ回路のＥＧＲクーラと排気通路の排ガス熱交換器であって、これらＥＧＲクーラと排ガス熱交換器とをランキン回路の作動流体の流れ方向で視てＥＧＲクーラが排ガス熱交換器よりも上流に位置するように配置しておき、制御手段により、ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御するようにしている。
従って、ランキン回路の作動流体は、ＥＧＲガスが還流しているときには、先ずＥＧＲクーラにおいてＥＧＲガスの熱を吸熱することでＥＧＲガスを所定温度範囲まで低下させ、その後排ガス熱交換器において排ガスの熱をさらに吸熱することとなる。
これにより、ＥＧＲガスを例えばＥＧＲガス中の水分が凝縮せず酸を発生しない１００℃以上に保持してＥＧＲ通路やＥＧＲバルブの腐食を防止しながら、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱をランキン回路の作動流体に充分に吸熱させることによりＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に低下させ、さらに排ガス熱交換器で排ガスの熱をランキン回路の作動流体に吸熱させることができ、内燃機関の廃熱を効率よく利用することができる。
【００１２】
また、ランキン回路の作動流体は、ＥＧＲガスが還流していないときであっても、排ガス熱交換器において排ガスの熱を吸熱して昇温し昇圧するので、やはり内燃機関の廃熱を効率よく利用することができる。
請求項２の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキン回路の膨張機の負荷を変えてＥＧＲクーラを通る作動流体の圧力を可変させること、即ち蒸発温度を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。
請求項３の内燃機関の廃熱利用装置によれば、ランキン回路のポンプの吐出量を変えてＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。
請求項４の内燃機関の廃熱利用装置によれば、作動流体の流れを循環路とＥＧＲクーラバイパス通路とで調節する調節弁を調節してＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。
【００１３】
請求項５の内燃機関の廃熱利用装置によれば、冷却水熱交換器とＥＧＲクーラと排ガス熱交換器とをランキン回路の作動流体の流れ方向で視て冷却水熱交換器がＥＧＲクーラ及び排ガス熱交換器よりも上流に位置するように配置しておき、制御手段により、ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御するようにしている。
従って、ランキン回路の作動流体は、ＥＧＲガスが還流しているときには、先ず冷却水熱交換器において冷却水の熱を吸熱し、次にＥＧＲクーラにおいてＥＧＲガスの熱を吸熱することでＥＧＲガスを所定温度範囲まで低下させ、その後排ガス熱交換器において排ガスの熱を吸熱することとなる。
これにより、先ず冷却水熱交換器でＥＧＲガスや排ガスより温度の低い冷却水の熱を先ずランキン回路の作動流体に吸熱した後、ＥＧＲガスを例えばＥＧＲガス中の水分が凝縮せず酸を発生しない１００℃以上の所定温度範囲に保持してＥＧＲ通路やＥＧＲバルブの腐食を防止しながら、ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱をランキン回路の作動流体に充分に吸熱させ、排ガス熱交換器でさらに排ガスの熱をランキン回路の作動流体に吸熱させることができ、内燃機関の廃熱をさらに効率よく利用することができる。
【００１４】
請求項６の内燃機関の廃熱利用装置によれば、作動流体の流れを循環路と冷却水熱交換器バイパス通路とで調節する第２の調節弁を調節し冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を可変させることで冷却水熱交換器での熱交換量を調整でき、冷却水の温度が規定温度以下にならないようにできる。これにより、内燃機関の効率の低下を防止することができる。
請求項７の内燃機関の廃熱利用装置によれば、第２の調節弁を調節し冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を変えて冷却水熱交換器での吸熱量を可変させることでＥＧＲクーラでの熱交換量を調整でき、ＥＧＲガスの温度を所定温度範囲に保持するようにできる。例えば、ＥＧＲガスの温度が所定温度範囲よりも高いような場合に、第２の調節弁を調節し冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を少なくして冷却水熱交換器での吸熱量を低く抑えることで、ＥＧＲクーラにおけるＥＧＲガスの熱の作動流体への吸熱を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図２】第１実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図４】第２実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図５】本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図６】第３実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。
【図８】第４実施例に係るモリエル線図を模式的に示す図である。
【図９】トラック等の重量車両におけるエンジン出力とガス温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
［第１実施例］
図１は、本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
廃熱利用装置は、例えば車両に搭載され、エンジン２及びランキン回路４０から構成されている。
エンジン２は、エンジン本体（内燃機関）３が例えばディーゼルエンジンであって、エンジン本体３の吸気ポートに吸気マニフォールドを介して吸気通路４が連通され、排気ポートに排気マニフォールドを介して排気通路６が連通して構成されている。また、吸気通路４及び排気通路６には、吸気通路４と排気通路６とを跨いで過給機８が設けられており、当該過給機８により、排ガス流を利用して吸気を過給することができる。吸気通路４にはインタークーラ１０が介装されており、当該インタークーラ１０により、吸気を冷却して吸気効率の向上を図ることができる。
【００１７】
エンジン２には、エンジン本体３の内部のウォータジャケットを冷却水が循環する冷却水回路２０が設けられており、冷却水回路２０は、ウォータジャケットと連通する冷却水循環通路２２に、冷却水の流れ方向で視て順にラジエータ２４、サーモスタット２６、エンジン本体３により駆動される水ポンプ２７、エンジン本体３が介装されて構成されている。サーモスタット２６には、ラジエータ２４をバイパスするラジエータバイパス流路２８が合流しており、これにより、サーモスタット２６は、冷却水の温度に応じて自動的に、冷却水をラジエータ２４をバイパスさせて流し、或いはラジエータ２４に流すようにできる。なお、ラジエータ２４には冷却ファン２５が設けられている。これにより、冷却水がラジエータ２４にて外気と熱交換され、エンジン本体３が冷却される。
また、エンジン２には、主にＮＯx低減のために排ガスの一部をＥＧＲガス（排気再循環ガス）として吸気に還流させるＥＧＲ回路（排気再循環回路）３０が設けられており、ＥＧＲ回路３０は、ＥＧＲ通路３２にＥＧＲガスの流量を調節するＥＧＲバルブ３４とＥＧＲガスの温度を低下させるＥＧＲクーラ３６とが介装されて構成されている。
【００１８】
ランキン回路４０は、作動流体（例えば、エタノール）の循環路４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ＥＧＲクーラ（熱交換器）３６、排気通路６との間で熱交換を行う排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）４１、これらＥＧＲクーラ３６や排ガス熱交換器４１にて加熱され過熱状態となる作動流体の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機４４、ランキンコンデンサ（凝縮器）４５、作動流体を循環させるポンプ４６が介装されて構成されている。なお、ランキンコンデンサ４５には冷却ファン４７が設けられている。
ランキン回路４０の循環路４２には、ＥＧＲクーラ３６をバイパスするようにしてＥＧＲクーラバイパス通路５０が設けられており、ＥＧＲクーラバイパス通路５０の循環路４２からの分岐部には三方弁（調節弁）５２が介装されている。
このような構成により、ランキン回路４０では、ＥＧＲクーラ３６を介してＥＧＲ回路３０を還流するＥＧＲガスから作動流体に吸熱を行うとともに排ガス熱交換器４１でエンジン２の排気通路６を流れる排ガスから作動流体に吸熱を行うことでエンジン２の廃熱を回収可能である。
なお、ＥＧＲクーラ３６を排ガス熱交換器４１よりも上流側に配置するのは、先に排ガス熱交換器４１に作動流体を流したとすると、排ガス熱交換器４１で作動流体が充分吸熱されてしまい、ＥＧＲクーラ３６で吸熱できる熱量が不足し、ＥＧＲガスが所定の温度まで下がらない可能性があるためである。
【００１９】
膨張機４４には、同期回転可能に発電機５６が連結されるとともに上記ポンプ４６が連結されている。これにより、膨張機４４によって発生した回転駆動力が発電機５６及びポンプ４６に伝達され、発電機５６により発電が行われ、ポンプ４６によって作動流体の循環が行われる。なお、発電機５６は発電負荷を可変可能に構成され、ポンプ４６は容量を可変可能に構成されている。ここに、発電機５６により発電された電力は、バッテリに蓄えられ、例えば車両の空調装置の動力源として、或いは車両が冷凍車のような場合には冷凍冷蔵用コンプレッサの動力源として使用される。
冷却水回路２０の冷却水循環通路２２の水ポンプ２７近傍位置には冷却水の温度Ｔwを検出する冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）２９が設けられ、ＥＧＲ回路３０のＥＧＲ通路３２のＥＧＲクーラ３６下流位置にはＥＧＲガスの温度Ｔegrを検出するＥＧＲガス温度センサ（ＥＧＲガス温度検出手段）３９が設けられ、エンジン２の排気通路６の排気マニフォールド近傍位置には排ガスの温度Ｔexを検出する排気温度センサ１９が設けられている。
【００２０】
そして、廃熱利用装置には、エンジン２及びランキン回路４０を総合的に制御する電子制御ユニット(ＥＣＵ)（制御手段）６０が設けられ、その入力側には排気温度センサ１９、冷却水温度センサ２９、ＥＧＲガス温度センサ３９等の各種センサ類が電気的に接続され、その出力側には、冷却ファン２５、ＥＧＲバルブ３４、ポンプ４６、冷却ファン４７、三方弁５２、発電機５６等の各種デバイス類が電気的に接続されている。
これにより、ＥＣＵ６０は、排気温度センサ１９、冷却水温度センサ２９、ＥＧＲガス温度センサ３９からの入力に基づき、冷却ファン２５、ＥＧＲバルブ３４、ポンプ４６、冷却ファン４７、三方弁５２、発電機５６を適宜制御可能である。
【００２１】
以下、このように構成された第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置の作動について説明する。
エンジン２は、エンジン本体３が始動されると、冷却水回路２０の水ポンプ２７が駆動を開始し、冷却水循環通路２２を冷却水が循環し始める。この際、エンジン本体３が冷態始動状態にあって冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1（サーモスタット設定値）よりも低い場合には、サーモスタット２６により冷却水はラジエータ２４をバイパスするように流れ、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1になると、冷却水はラジエータ２４を流れて冷却される。これにより、エンジン本体３が冷態始動状態にあるときには、エンジン本体３の暖機が促進され、エンジン本体３の暖機後には冷却ファン２５が適宜作動制御され、ラジエータ２４にて冷却される冷却水の温度Ｔwは所定温度Ｔ2（例えば、８０℃）に保持される。
【００２２】
エンジン２がＥＧＲガスを吸気に還流可能な運転状態にあるときには、ＥＧＲガスがＥＧＲバルブ３４の開度に応じてＥＧＲ通路３２を還流する。
このとき、ランキン回路４０において三方弁５２が作動流体をＥＧＲクーラ３６側に流すように操作されていると、ＥＧＲガスと循環路４２を流れる作動流体とがＥＧＲクーラ３６において熱交換され、ＥＧＲガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力が上昇する。
ランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体は、ＥＧＲクーラ３６にて吸熱した後、排ガス熱交換器４１においてさらに排ガスと熱交換され、排ガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力がさらに上昇する。
このように昇温し昇圧した作動流体は、膨張機４４に流入し、膨張機４４にて回転駆動力を発生する。これにより発電機５６が発電駆動される。また、ポンプ４６が駆動されることで作動流体が循環路４２を循環する。
【００２３】
膨張機４４からは作動流体が減圧されて排出され、この減圧された作動流体はランキンコンデンサ４５によって外気に放熱される。
ところで、このようにＥＧＲ回路３０のＥＧＲガスの熱と排気通路６の排ガスの熱とがランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体に吸熱され、昇温及び昇圧した作動流体によって発電機５６が駆動されて発電が行われるが、ＥＧＲクーラ３６において作動流体に吸熱する吸熱量（熱交換量）は、ＥＣＵ６０によって適宜調整される。詳しくは、ＥＧＲガス温度センサ３９により検出されるＥＧＲガスの温度Ｔegrに基づき、吸気に還流されるＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、作動流体への吸熱量が制御される。
ここに、所定温度Ｔ3は、ＥＧＲクーラ３６の蒸発温度を１００℃以上として、例えば１５０℃〜２００℃（所定温度範囲）とされる。このように所定温度Ｔ3を１００℃以上の例えば１５０℃〜２００℃とするのは、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが１００℃未満になると、ＥＧＲガス中の水分が凝縮し酸を発生してＥＧＲ通路３２やＥＧＲバルブ３４等の腐食を招くおそれがある一方、できるだけ低い温度にすることが望ましいためである。
【００２４】
具体的には、作動流体への吸熱量は、ＥＧＲクーラ３６を流れる作動流体の蒸発温度、即ち蒸発圧力を調節することで制御できることから、ＥＣＵ６０により、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、膨張機４４ひいては発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節する。
また、作動流体への吸熱量は、ＥＧＲクーラ３６を流れる作動流体の流量を調節することでも制御できることから、ＥＣＵ６０により、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、ポンプ４６の容量（吐出量）を可変操作して作動流体の流量を調節する。
或いは、ＥＧＲクーラ３６を流れる作動流体の流量の調節は、三方弁５２の開度を調節することでも制御できることから、ＥＣＵ６０により、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節する。
また、これらを組み合わせ、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、発電機５６の負荷を可変操作するとともに、ポンプ４６の容量を可変操作し、さらに三方弁５２の開度を可変操作するようにしてもよい。
【００２５】
このように、本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路４０は、作動流体の流れ方向で視て順に、上流側にＥＧＲクーラ３６が配設され、下流側に排ガス熱交換器４１が配設されているので、ランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体は、図２に第１実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１において排ガスの熱をも吸熱するようにできる。これにより、作動流体の温度及び圧力を上昇させて膨張機４４を作動させ、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
特に、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いはこれらを組み合わせて実施するので、ＥＧＲガスの還流が行われる場合には、ＥＧＲガスの温度Ｔegrを確実に所定温度Ｔ3（例えば、１５０℃〜２００℃）に維持するようにでき、ＥＧＲガス中の水分が凝縮して酸を発生しないようにでき、ＥＧＲ通路３２やＥＧＲバルブ３４等の腐食を好適に防止することができる。
【００２６】
一方、エンジン２がＥＧＲガスを吸気へ還流できない運転状態にあるときには、ＥＧＲバルブ３４は遮断されてＥＧＲガスは吸気へ還流されないことから、ＥＧＲガスの熱をランキン回路４０で利用することはできない。この場合には、ランキン回路４０の循環路４２を流れる作動流体は、排ガス熱交換器４１において排ガスのみと熱交換され、排ガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力が上昇する。
これにより、ＥＧＲガスの還流が遮断された状況であっても、排ガス熱交換器４１を介して排ガスの熱を吸熱するようにでき、ＥＧＲ回路３０の状態に拘わらず、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
【００２７】
［第２実施例］
図３は、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
第２実施例では、冷却水回路２０の冷却水循環通路２２を流れる冷却水の熱をもランキン回路４０で利用する点が上記第１実施例と異なっており、以下第１実施例と異なる部分について説明する。
図３に示すように、エンジン２には、冷却水回路２０’が設けられており、冷却水回路２０’の冷却水循環通路２２’のうち冷却水の流れ方向で視てラジエータ２４の上流には、ランキン回路４０’との間で熱交換を行うプリヒータ（冷却水熱交換器、熱交換器）２３が介装されている。
プリヒータ２３は、ランキン回路４０’においては、循環路４２’のうちＥＧＲクーラ３６よりも上流側に位置してポンプ４６と三方弁５２との間に介装されている。即ち、第２実施例では、ランキン回路４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１が配設されて構成されている。
なお、プリヒータ２３をＥＧＲクーラ３６よりも上流側に配置するのは、作動流体の蒸発温度は１００℃以上、例えば１５０℃であり、冷却水の温度は例えば８０℃とそれよりも低いため、上流側にないとプリヒータ２３から吸熱できないためである。
【００２８】
また、ランキン回路４０’の循環路４２’には、プリヒータ２３をバイパスするようにしてプリヒータバイパス通路（冷却水熱交換器バイパス通路）５３が設けられており、プリヒータバイパス通路５３の循環路４２’からの分岐部には三方弁（第２の調節弁）５４が介装されている。そして、三方弁５４はＥＣＵ６０の出力側に電気的に接続されている。
また、ランキン回路４０’の循環路４２’のプリヒータ２３下流位置には作動流体の温度Ｔrを検出する作動流体温度センサ５９が設けられている。
以下、このように構成された第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置の作動について説明する。
エンジン２において、エンジン本体３が冷態始動状態にあって冷却水回路２０’の冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1よりも低い場合には、サーモスタット２６により冷却水はラジエータ２４をバイパスするように流れる。この際、ランキン回路４０’では、三方弁５４が作動流体をプリヒータバイパス通路５３に流すように操作され、作動流体のプリヒータ２３への流通が回避される。これにより、エンジン本体３の冷却水の熱が不必要にランキン回路４０’の作動流体に吸熱されることが防止され、エンジン本体３の暖機が促進される。
【００２９】
エンジン本体３が暖機し、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ1になると、冷却水回路２０’の冷却水はラジエータ２４を流れて冷却され、ランキン回路４０’においては三方弁５４が作動流体をプリヒータ２３に流すように操作される。これにより、エンジン本体３の冷却水の熱がプリヒータ２３を介してランキン回路４０の作動流体に吸熱され始め、冷却水の温度が低下する一方、作動流体の温度が上昇する。
そして、エンジン２がＥＧＲガスを吸気に還流可能な運転状態にあるときには、ＥＧＲガスがＥＧＲバルブ３４の開度に応じてＥＧＲ通路３２を還流し、ランキン回路４０’において三方弁５２が作動流体をＥＧＲクーラ３６側に流すよう操作されていると、ＥＧＲガスと循環路４２’を流れる作動流体とがＥＧＲクーラ３６において熱交換され、ＥＧＲガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力が上昇する。
【００３０】
ランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体は、ＥＧＲクーラ３６にて吸熱した後、排ガス熱交換器４１においてさらに排ガスと熱交換され、排ガスの温度が低下する一方、作動流体の温度及び圧力がより一層上昇する。
このように昇温し昇圧した作動流体は、膨張機４４に流入し、膨張機４４にて回転駆動力を発生する。これにより発電機５６が発電駆動される。また、ポンプ４６が駆動されることで作動流体が循環路４２’を循環する。
ところで、第２実施例では、このように冷却水回路２０’の冷却水の熱とＥＧＲ回路３０のＥＧＲガスの熱と排気通路６の排ガスの熱とがランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体に吸熱され、昇温及び昇圧した作動流体によって発電機５６が駆動されて発電が行われるが、プリヒータ２３及びＥＧＲクーラ３６において作動流体に吸熱する吸熱量（熱交換量）は、ＥＣＵ６０によって適宜調整される。
【００３１】
プリヒータ２３においては、冷却水温度センサ２９により検出される冷却水の温度Ｔwに基づき、エンジン本体３に返戻される冷却水の温度Ｔwが上記所定温度Ｔ2（規定温度、例えば、８０℃）以下にならないよう、作動流体への吸熱量が制御される。具体的には、作動流体への吸熱量は、プリヒータ２３を流れる作動流体の流量を調節することで制御できることから、ＥＣＵ６０により、三方弁５４の開度を可変操作し、プリヒータ２３を流れる作動流体の流量を冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ2以下にならないように調節する。これにより、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ2より高い温度に保持され、エンジン本体３の過度の冷却による効率の低下が防止される。
また、同時に、冷却水の温度Ｔwが所定温度Ｔ2よりも高くなるような場合には、冷却ファン２５が適宜作動制御され、ラジエータ２４にて冷却される冷却水の温度Ｔwは所定温度Ｔ2に保持される。
【００３２】
ＥＧＲクーラ３６については、ＥＧＲガス温度センサ３９により検出されるＥＧＲガスの温度Ｔegrに基づき、吸気に還流されるＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、作動流体への吸熱量が制御される。ここに、所定温度Ｔ3は、第１実施例の場合と同様、１００℃以上の例えば１５０℃〜２００℃とされる。
具体的には、第１実施例の場合と同様、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節する。或いは、ＥＧＲクーラ３６でのＥＧＲガスの熱の作動流体への吸熱が促進されるよう、三方弁５４の開度を可変操作し、プリヒータ２３を流れる作動流体の流量を調節してプリヒータ２３での吸熱量を調節する。また、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、これらを選択的に組み合わせて実施するようにしてもよい。
【００３３】
このように、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１が配設されているので、ランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体は、図４に第２実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずプリヒータ２３において冷却水の熱を吸熱し、次にＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１において排ガスの熱をも吸熱するようにできる。これにより、作動流体の温度及び圧力を充分に上昇させて膨張機４４を作動させ、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
特に、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、プリヒータ２３において、エンジン本体３に返戻される冷却水の温度Ｔwが上記所定温度Ｔ2（例えば、８０℃）以下にならないように作動流体の流量を調節するので、プリヒータ２３にて冷却水の熱を作動流体に良好に吸熱しながら、エンジン２の性能の低下を抑制できるとともに、下流に位置するＥＧＲクーラ３６でＥＧＲガスの熱を充分に吸熱するようにできる。
【００３４】
また、第１実施例と同様、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５４の開度を可変操作してプリヒータ２３を流れる作動流体の流量を調節し、或いはこれらを組み合わせて実施するので、ＥＧＲガスの還流が行われる場合には、ＥＧＲガスの温度Ｔegrを確実に所定温度Ｔ3（例えば、１５０℃〜２００℃）に維持するようにでき、ＥＧＲガス中の水分が凝縮して酸を発生しないようにでき、ＥＧＲ通路３２やＥＧＲバルブ３４等の腐食を好適に防止することができる。
一方、エンジン２がＥＧＲガスを吸気へ還流できない運転状態にあるときには、ＥＧＲバルブ３４は遮断されてＥＧＲガスは吸気へ還流されないことから、ＥＧＲガスの熱をランキン回路４０’で利用することはできない。この場合には、ランキン回路４０’の循環路４２’を流れる作動流体は、プリヒータ２３において冷却水と熱交換されるとともに排ガス熱交換器４１において排ガスと熱交換され、或いは冷却水の温度Ｔwや作動流体の温度Ｔrによっては排ガス熱交換器４１において排ガスのみと熱交換されて温度及び圧力が上昇する。
【００３５】
これにより、ＥＧＲガスの還流が遮断された状況であっても、プリヒータ２３や排ガス熱交換器４１を介してエンジン本体３の冷却水や排ガスの熱をランキン回路４０’の作動流体に良好に吸熱するようにでき、ＥＧＲ回路３０の状態に拘わらず、エンジン２の廃熱を効果的に発電機５６による発電に利用することができる。
［第３実施例］
図５は、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
第３実施例では、ランキン回路１４０において２段膨張を行う点が上記第１実施例と異なっており、以下第１実施例と異なる部分について説明する。
【００３６】
図５に示すように、ランキン回路１４０は、作動流体（例えば、水）の循環路１４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ＥＧＲクーラ３６、排気通路６との間で熱交換を行う排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）４１、膨張機４４、第２の排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）１４１、第２の膨張機１４４、ランキンコンデンサ４５、作動流体を循環させるポンプ４６が介装されて構成されている。なお、ランキンコンデンサ４５には冷却ファン４７が設けられている。そして、膨張機４４には、同期回転可能に発電機５６が連結され、第２の膨張機１４４には、同期回転可能に第２の発電機１５６が連結されており、それぞれＥＣＵ６０の出力側に電気的に接続されている。
このように、ランキン回路１４０では、ＥＧＲクーラ３６及び排ガス熱交換器４１において作動流体を昇温し昇圧させ、昇温し昇圧した作動流体により膨張機４４にて回転駆動力を発生した後、さらに第２の排ガス熱交換器１４１で作動流体を再び昇温させ、再び昇温した作動流体によりさらに第２の膨張機１４４にて回転駆動力を発生させるようにしている。
【００３７】
この際、第１実施例の場合と同様、ＥＧＲクーラ３６において作動流体に吸熱する吸熱量は、ＥＣＵ６０によって適宜調整される。詳しくは、ＥＧＲガス温度センサ３９により検出されるＥＧＲガスの温度Ｔegrに基づき、吸気に還流されるＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、作動流体への吸熱量が制御される。ここに、所定温度Ｔ3は、第１実施例の場合と同様、１００℃以上の例えば１５０℃〜２００℃とされる。
具体的には、第１実施例の場合と同様、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3を維持するよう、発電機５６の負荷を可変操作して作動流体の圧力を調節し、或いはポンプ４６の容量を可変操作して作動流体の流量を調節し、或いは三方弁５２の開度を可変操作して作動流体の流量を調節する。また、これらを組み合わせ、ＥＧＲガスの温度Ｔegrが所定温度Ｔ3に維持されるよう、発電機５６の負荷を可変操作するとともに、ポンプ４６の容量を可変操作し、さらに三方弁５２の開度を可変操作するようにしてもよい。
ここに、発電機５６の負荷を可変操作するのは、蒸発圧力はランキンコンデンサ４５に接続されている膨張機４４の負荷を変えてコントロールするためである。即ち、第２の発電機１５６ではなく発電機５６の負荷を可変操作するのは、例えば発電機５６の負荷が軽いと膨張機４４が高速で回り、作動流体が次々とランキンコンデンサ４５側に送られ、ＥＧＲクーラ３６での蒸発が追いつかずに蒸発圧力が下がるのであるが、一方、第２の発電機１５６の負荷を可変操作し２段目の膨張機１４４の負荷を軽くして膨張機１４４が高速で回っても、１段目の膨張機４４が速く回らなければ蒸発圧力は変化しないためである。
【００３８】
このように、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置においても、ランキン回路１４０は、作動流体の流れ方向で視て順に、上流側にＥＧＲクーラ３６が配設され、下流側に排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１が配設されているので、ランキン回路１４０の循環路１４２を流れる作動流体は、図６に第３実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１において排ガスの熱をも吸熱するようにでき、作動流体の温度及び圧力を上昇させてエンジン２の廃熱を効果的に発電機５６及び第２の発電機１５６による発電に利用することができる。
特に、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路４０において、膨張機４４と第２の膨張機１４４とを備えるとともに、排ガス熱交換器４１と第２の排ガス熱交換器１４１とを備え、排ガス熱交換器４１において排ガスから吸熱した作動流体で膨張機４４を作動させて発電機５６により発電を行った後、さらに第２の排ガス熱交換器１４１において排ガスから吸熱した作動流体で第２の膨張機１４４を作動させて第２の発電機１５６により発電を行うようにしているので、２段膨張を実施することにより、エンジン２の廃熱をより一層効果的に利用することができる。
ところで、上記第１及び第２実施例の場合のように作動流体がエタノールにあっては、膨張機４４の入口２００℃で等エントロピ膨張させて、ランキンコンデンサ４５の入口でガスの状態を保つことができる。しかしながら、本実施例のように作動流体が水にあっては、膨張機４４の入口２００℃で等エントロピ膨張させて、ランキンコンデンサ４５の入口で気液二相となってしまう。少しの液相は問題ないが、大幅に液相になるとエロージョン等で膨張機４４が壊れるという問題がある。そこで、本実施例においては、途中で一旦温度を上昇させてから再膨張させるようにしている。
【００３９】
［第４実施例］
図７は、本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置を模式的に示した図である。
第４実施例では、上記第２実施例と同様に冷却水回路２０の冷却水循環通路２２を流れる冷却水の熱をもランキン回路１４０で利用する点が上記第３実施例と異なっている。
図７に示すように、エンジン２には、冷却水回路２０’が設けられており、冷却水回路２０’の冷却水循環通路２２’のうち冷却水の流れ方向で視てラジエータ２４の上流には、ランキン回路１４０’との間で熱交換を行うプリヒータ２３が介装されている。
プリヒータ２３は、第２実施例と同様、ランキン回路１４０’においては、循環路１４２’のうちＥＧＲクーラ３６よりも上流側に位置してポンプ４６と三方弁５２との間に介装されている。即ち、第４実施例では、ランキン回路１４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１が配設されて構成されている。そして、ランキン回路１４０’の循環路１４２’には、第２実施例と同様、プリヒータ２３をバイパスするようにしてプリヒータバイパス通路５３が設けられており、プリヒータバイパス通路５３の循環路１４２’からの分岐部には三方弁５４が介装され、循環路１４２’のプリヒータ２３下流位置には作動流体の温度Ｔrを検出する作動流体温度センサ５９が設けられている。
【００４０】
このように、本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用装置では、ランキン回路１４０’は、作動流体の流れ方向で視て順に、最も上流側にプリヒータ２３が配設され、次にＥＧＲクーラ３６が配設され、最も下流側に排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１が配設されているので、ランキン回路１４０’の循環路１４２’を流れる作動流体は、図８に第４実施例に係るモリエル線図を模式的に示すように、先ずプリヒータ２３において冷却水の熱を吸熱し、次にＥＧＲクーラ３６においてＥＧＲガスの熱を吸熱してＥＧＲガスの温度を充分に低下させるようにでき、その後さらに排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１において排ガスの熱をも吸熱するようにでき、上記第２実施例と同様の効果及び２段膨張による第３実施例と同様の効果を奏しながら、作動流体の温度及び圧力を充分に上昇させてエンジン２の廃熱をさらに一層効果的に利用することができる。
【００４１】
以上、第１乃至第４実施例に基づき説明したように、本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置によれば、ＥＧＲガスを含むエンジン２の複数の熱源を、ＥＧＲガス中の水分を凝縮させることなく、効率よくランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’に利用することができる。
なお、冷却水やＥＧＲガスや排ガスからランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の作動流体に吸熱できる熱量は、車両の積載量や道路勾配の変化に応じて変動するエンジン本体３の負荷により増減するが、エンジン本体３の負荷の増減は排ガスの温度Ｔexに比例することから、ＥＣＵ６０により、排気温度センサ１９により検出される排ガスの温度Ｔexに応じてランキンコンデンサ４５の冷却ファン４７の作動を制御するのがよい。
具体的には、排気温度センサ１９により検出される排ガスの温度Ｔexの上昇に応じて冷却ファン４７の回転速度を増大させる。このようにすることで、車両の積載量が多い場合や勾配が大きい場合であっても、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’をさらに効率よく機能させることができる。
冷却水やＥＧＲガスや排ガスからランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の作動流体が吸熱できる熱量が十分であり膨張機４４入力前の蒸発圧力（高圧側圧力）を上昇させることができても、ランキンコンデンサ４５における放熱量が十分でなければ凝縮圧（低圧側圧力）が上昇し、膨張機４４前後の圧力比が十分とれず、膨張機４４で回収できる出力が向上できない。つまり、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の高圧側での入力が増加した分、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’の低圧側での放熱量も増加させなければならない。
そのため、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度を検出してランキンコンデンサ４５の圧力が所定圧力値になるよう冷却ファン４７の回転速度を制御してランキンコンデンサ４５での放熱量を増加させることは既に行われている。
しかしながら、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度を検出してランキンコンデンサ４５の圧力が所定圧力値になるよう冷却ファン４７の回転速度を制御する場合、車両が上り坂道走行状態に入ったことによりエンジン本体３の負荷が大きくなってエンジン本体３からの廃熱回収ができる状態にも拘わらず、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度の変動が少し遅れて検出されるため、エンジン本体３の負荷増大による廃熱が十分に回収されない状態が暫く続く。また、車両が上り坂道走行状態から平地走行状態に移った場合、エンジン本体３の負荷が減少しエンジン本体３からの廃熱回収量が少なくなった状態であるにも拘わらず、ランキンコンデンサ４５の圧力や温度の変動が少し遅れて検出されるため、冷却ファン４７を作動させて無駄な電力を消費する状態が発生することがある。
一方、トラック等の重量車両の場合、車両の積載量や上り坂勾配等の影響でエンジン本体３の負荷が変動するが、図９に示すように、エンジン本体３の負荷（エンジン出力）の増減は排ガス温度（ガス温度）に比例すること、及び、排ガス温度はランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’におけるランキンコンデンサ４５の圧力や温度に比してエンジン負荷に対する応答性が速いことが本発明の発明者の研究結果により明らかとなった。このことから、ＥＣＵ６０が、排気温度センサ１９により検出される排ガスの温度Ｔexに応じてランキンコンデンサ４５の冷却ファン４７の作動を制御することにより、エンジン本体３の負荷変動に即座に対応して廃熱回収が図られ、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’を効率よく作動させることができる。また、排ガスの温度は、ＥＧＲガス温度を測定することにより、さらに応答性よく廃熱回収が図られ、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’を効率よく作動させることができる。
【００４２】
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、ランキン回路４０、４０’、１４０、１４０’において、膨張機４４、１４４にて回転駆動力を発生させ、発電機５６、１５６で発電を行うようにしてエンジン２の廃熱を電気エネルギに変換して利用するようにしているが、これに限られず、例えば膨張機４４、１４４の回転駆動力でエンジン本体３の駆動をアシストするようにしてもよい。
また、上記実施形態では、エンジン本体３が例えばディーゼルエンジンである場合を例に説明したが、エンジン本体３は内燃機関であれば例えばガソリンエンジンであってもよい。
また、上記実施形態では、排ガス熱交換器４１及び第２の排ガス熱交換器１４１は、排気通路６に直列に配置したが、排気通路を２重にして並列にしてもよい。
また、上記実施形態では、プリヒータ２３、ＥＧＲクーラ３６での吸熱量は、作動流体をバイパスさせて調整したが、冷却水やＥＧＲガスをバイパスさせて調整してもよい。
また、吸熱源として、さらにインタークーラ１０の廃熱や図示しないオイルクーラ等を追加するようにしてもよい。
また、膨張機４４及び第２の膨張機１４４を同軸に配し、発電機５６及び第２の発電機１５６を１つに統合するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
２ エンジン
３ エンジン本体（内燃機関）
６ 排気通路
２０、２０’ 冷却水回路
２３ プリヒータ（冷却水熱交換器、熱交換器）
２９ 冷却水温度センサ（冷却水温度検出手段）
３０ ＥＧＲ回路
３６ ＥＧＲクーラ（熱交換器）
３９ ＥＧＲガス温度センサ（ＥＧＲガス温度検出手段）
４０、４０’、１４０、１４０’ ランキン回路
４１ 排ガス熱交換器（熱交換器、、過熱器）
４４ 膨張機
４５ ランキンコンデンサ（凝縮器）
４６ ポンプ
５０ ＥＧＲクーラバイパス通路
５２ 三方弁（調節弁）
５３ プリヒータバイパス通路（冷却水熱交換器バイパス通路）
５４ 三方弁（第２の調節弁）
５６ 発電機
６０ 電子制御ユニット(ＥＣＵ)
１４１ 第２の排ガス熱交換器（熱交換器、過熱器）
１４４ 第２の膨張機
１５６ 第２の発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する複数の熱交換器、該複数の熱交換器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に送出するポンプが順次介装されたランキン回路と、
内燃機関の排ガスを大気に放出させる排気通路に介装された排ガス熱交換器と、
内燃機関の排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気に還流させるＥＧＲ通路、該ＥＧＲ通路に介装されて少なくとも内燃機関の運転状態に応じた開閉によりＥＧＲガスの流通と遮断を行うＥＧＲバルブ及び該ＥＧＲ通路に介装されてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを有するＥＧＲ回路と、
前記ＥＧＲ通路のＥＧＲガスの流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラの下流に設けられ、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度検出手段と、
少なくとも、前記ＥＧＲバルブが開でＥＧＲガスが流通しているとき、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスの熱交換量を制御する制御手段とを備え、
前記ランキン回路における前記複数の熱交換器は、前記ＥＧＲクーラと前記排ガス熱交換器であって、前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラが前記排ガス熱交換器よりも上流に位置し、前記ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱により作動流体を加熱し、前記排ガス熱交換器で排ガスの熱により作動流体を加熱するよう構成され、
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御することを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記膨張機の負荷を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の圧力を可変させることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記ポンプの吐出量を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記ＥＧＲクーラをバイパスするＥＧＲクーラバイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該ＥＧＲクーラバイパス通路とで調節する調節弁とを備え、
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記調節弁を調節することにより前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項５】
内燃機関の冷却水をラジエータに循環させる冷却水通路と、該冷却水通路に介装されて冷却水の熱と作動流体の熱を熱交換する冷却水熱交換器を有する冷却水回路をさらに備え、
前記ランキン回路における前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記冷却水熱交換器が前記ＥＧＲクーラ及び前記排ガス熱交換器より上流に位置することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記冷却水熱交換器をバイパスする冷却水熱交換器バイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該冷却水熱交換器バイパス通路とで調節する第２の調節弁と、内燃機関に返戻される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度が規定温度以下にならないよう、前記第２の調節弁を調節することにより前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする、請求項５記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記第２の調節弁を調節し前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を変えることで前記冷却水熱交換器での吸熱量を可変させることを特徴とする、請求項６記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項１】
作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱する複数の熱交換器、該複数の熱交換器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に送出するポンプが順次介装されたランキン回路と、
内燃機関の排ガスを大気に放出させる排気通路に介装された排ガス熱交換器と、
内燃機関の排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気に還流させるＥＧＲ通路、該ＥＧＲ通路に介装されて少なくとも内燃機関の運転状態に応じた開閉によりＥＧＲガスの流通と遮断を行うＥＧＲバルブ及び該ＥＧＲ通路に介装されてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを有するＥＧＲ回路と、
前記ＥＧＲ通路のＥＧＲガスの流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラの下流に設けられ、ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温度検出手段と、
少なくとも、前記ＥＧＲバルブが開でＥＧＲガスが流通しているとき、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスの熱交換量を制御する制御手段とを備え、
前記ランキン回路における前記複数の熱交換器は、前記ＥＧＲクーラと前記排ガス熱交換器であって、前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記ＥＧＲクーラが前記排ガス熱交換器よりも上流に位置し、前記ＥＧＲクーラでＥＧＲガスの熱により作動流体を加熱し、前記排ガス熱交換器で排ガスの熱により作動流体を加熱するよう構成され、
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ＥＧＲクーラでのＥＧＲガスと作動流体との熱交換量を制御することを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記膨張機の負荷を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の圧力を可変させることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記ランキン回路の前記ポンプの吐出量を変えることで前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする、請求項１または２記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記ＥＧＲクーラをバイパスするＥＧＲクーラバイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該ＥＧＲクーラバイパス通路とで調節する調節弁とを備え、
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記調節弁を調節することにより前記ＥＧＲクーラを通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項５】
内燃機関の冷却水をラジエータに循環させる冷却水通路と、該冷却水通路に介装されて冷却水の熱と作動流体の熱を熱交換する冷却水熱交換器を有する冷却水回路をさらに備え、
前記ランキン回路における前記循環路の作動流体の流れ方向で視て前記冷却水熱交換器が前記ＥＧＲクーラ及び前記排ガス熱交換器より上流に位置することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記ランキン回路は、前記循環路から分岐合流して前記冷却水熱交換器をバイパスする冷却水熱交換器バイパス通路と、作動流体の流れを前記循環路と該冷却水熱交換器バイパス通路とで調節する第２の調節弁と、内燃機関に返戻される冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記冷却水温度検出手段により検出される冷却水の温度が規定温度以下にならないよう、前記第２の調節弁を調節することにより前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を可変させることを特徴とする、請求項５記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記ＥＧＲガス温度検出手段により検出されるＥＧＲガスの温度が所定温度範囲となるよう、前記第２の調節弁を調節し前記冷却水熱交換器を通る作動流体の流量を変えることで前記冷却水熱交換器での吸熱量を可変させることを特徴とする、請求項６記載の内燃機関の廃熱利用装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−７７６３０（Ｐ２０１２−７７６３０Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０９８７（Ｐ２０１０−２２０９８７）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００１８４５）サンデン株式会社 (1,791)
【Ｆターム（参考）】
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