排熱回収装置
【課題】簡易な構成で作動流体の放出音を低減すること。
【解決手段】この排熱回収装置１０は、内燃機関１の排気Ｅｘの熱を回収して駆動される。排熱回収装置１０は、作動流体である空気を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された空気を内燃機関１の排熱で加熱する熱交換器１２と、熱交換器１２から送られる空気を断熱膨張させることによって仕事をさせる膨張機３０とを含む。そして、膨張機で断熱膨張し、仕事をした後の空気は、内燃機関１の排気通路４に備えられる消音器３へ放出される。
【解決手段】この排熱回収装置１０は、内燃機関１の排気Ｅｘの熱を回収して駆動される。排熱回収装置１０は、作動流体である空気を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された空気を内燃機関１の排熱で加熱する熱交換器１２と、熱交換器１２から送られる空気を断熱膨張させることによって仕事をさせる膨張機３０とを含む。そして、膨張機で断熱膨張し、仕事をした後の空気は、内燃機関１の排気通路４に備えられる消音器３へ放出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関の排熱を回収して、機械エネルギに変換する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関や外燃機関等の熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して、すなわち燃料が燃焼して発生した熱エネルギを動力に変換するものである。一般に熱機関は、燃料が燃焼したときに発生する熱エネルギをすべて動力に変換することはできず、動力に変換されなかった熱エネルギの一部は、排熱として熱機関の外部へ放出される。この排熱が有する熱エネルギを回収して有効に利用する排熱回収装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、吸気した作動ガスを圧縮して供給する第１のシリンダと、前記第１のシリンダから供給された高圧の作動ガスを加熱する加熱室と、前記加熱室により加熱された高温高圧の作動ガスを膨張させて力を得るとともに、膨張終了後に排気する第２のシリンダとを備えるエンジンが開示されている。このエンジンは、加熱室に熱機関の排熱を与えることにより、排熱回収装置として機能させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−５５７４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示されたエンジンにおいて、第２のシリンダで膨張させた後の作動ガスをそのまま大気に放出すると、放出音が発生する。特許文献１には、第２のシリンダで膨張させた後の作動ガスの処理については何ら言及されておらず、この点について改善の余地がある。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱機関の排熱を回収して動力に変換する排熱回収装置において、膨張仕事を終了した後における作動流体を処理するにあたり、簡易な構成で作動流体の放出音を低減できる排熱回収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】
上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された作動流体を、熱機関の排熱で加熱する熱交換器と、前記熱交換器から送られる作動流体を膨張させることによって仕事をさせ、膨張後の作動流体は、前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出する膨張機と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
この排熱回収装置は、排熱回収装置の膨張機で膨張仕事をした作動流体を、熱交換器と、排熱回収対象の熱機関が備える消音器との間へ放出する。これによって、膨張機からの作動流体の放出音を低減できる。
【０００９】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、前記膨張機から放出された作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間、又は前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出することを特徴とする。
【００１０】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、前記圧縮機から放出された作動流体を、前記熱交換器、又は前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に放出することを特徴とする。
【００１１】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関の空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合には、前記作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする。
【００１２】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関が始動してから所定の期間が経過するまで、前記作動流体を前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする。
【００１３】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記圧縮機から放出される作動流体、又は前記膨張機から放出される作動流体のいずれか一方を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする。
【００１４】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記排熱回収装置が外部動力を必要とせずに駆動できるときには、前記膨張機から放出される作動流体を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする。
【００１５】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、空気を前記作動流体とするときには、前記排熱回収装置が搭載される車両の室内へ、前記圧縮機又は膨張気から前記作動流体を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱を回収して動力に変換する排熱回収装置において、膨張仕事を終了した後における作動流体を処理するにあたり、簡易な構成で作動流体の放出音を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１８】
実施例１に係る排熱回収装置は、圧縮機と、この圧縮機で圧縮された作動流体に、熱機関からの排熱を与える熱交換器と、前記熱交換器で排熱を受け取った作動流体が膨張する膨張機とを備えている。そして、前記膨張機で膨張仕事をした作動流体を、前記熱交換器と前記熱機関の消音器との間へ放出する点に特徴がある。なお、以下においては、排熱回収対象である熱機関の一例として、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関を取り上げる。なお、本発明の排熱回収対象である熱機関は、これにかぎられるものではないが、本発明は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換する熱機関から排熱を回収する場合に、特に好適である。また、本発明に係る排熱回収装置の作動流体は気体であり、その一例として空気を取り上げる。
【００１９】
図１は、実施例１に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。この排熱回収装置１０は、排熱回収対象である熱機関からの排熱を利用して、作動流体を断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて駆動力を得る、ブレイトンサイクル機関である。これを実現するため、図１に示すように、この排熱回収装置１０は、作動流体を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された作動流体に、排熱回収対象の熱機関である内燃機関１からの排熱を与える熱交換器１２と、熱交換器１２で排熱を受け取った作動流体が膨張する膨張機３０とを備えている。なお、この実施例において、内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。
【００２０】
まず、圧縮機２０について説明する。圧縮機２０は、容積Ｖｃのシリンダ２１と、このシリンダ２１内を往復運動するピストン２２とを備えている。ピストン２２は、コネクティングロッド２３を介してクランク軸１１と連結されている。クランク軸１１の回転運動は、ピストン２２の往復運動へ変換され、シリンダ２１内に導入された作動流体を圧縮する。
【００２１】
この圧縮機２０は、シリンダ２１内へ作動流体を導入するための圧縮機側吸気弁２４ｉと、シリンダ２１内で断熱圧縮された作動流体を熱交換器１２へ送る圧縮機側排気弁２４ｅとを備える。なお、圧縮機側吸気弁２４ｉには、作動流体をシリンダ２１内に導く圧縮機側吸気通路４０が接続されている。また、圧縮機側排気弁２４ｅには、シリンダ２１内で断熱圧縮された作動流体を熱交換器１２へ送る圧縮機側排気通路４１が接続されている。
【００２２】
この実施例において、圧縮機側吸気弁２４ｉには、逆止弁が用いられており、ピストン２２が下死点に向かって移動すると、圧縮機側吸気弁２４ｉが開いてシリンダ２１内へ作動流体が導入される。そして、ピストン２２が上死点へ向かって移動すると、圧縮機側吸気弁２４ｉが閉じて、作動流体が圧縮機側吸気弁２４ｉを通って逆流することを防止する。
【００２３】
この実施例において、圧縮機側排気弁２４ｅには、チェック弁が用いられており、ピストン２２が下死点に向かって移動するときには、圧縮機側排気弁２４ｅが閉じて、熱交換器１２から作動流体がシリンダ２１内へ逆流することを防止する。ピストン２２が上死点へ向かって移動するときには、圧縮機側吸気弁２４ｉからシリンダ２１内へ導入された作動流体が圧縮される。そして、シリンダ２１内の作動流体が、圧縮機側排気弁２４ｅの開弁圧力を超えると、圧縮機側排気弁２４ｅが開いて、シリンダ２１内でピストン２２により断熱圧縮された作動流体が、熱交換器１２へ送られる。
【００２４】
次に、熱交換器１２について説明する。熱交換器１２は、圧縮機で断熱圧縮された作動流体が流れる第１流路１２1と、内燃機関１の排気Ｅｘが流れる第２流路１２2とを備える。この実施例において、排熱回収装置１０は、内燃機関１の排気Ｅｘから、内燃機関１の排熱を回収する。このため、熱交換器１２の第２流路１２2は、内燃機関１の排気通路４と接続されている。ここで、第１流路１２1と第２流路１２2とは、作動流体の吸熱効率（熱交換器効率）を向上させるために、排気Ｅｘの流れ方向と、作動流体の流れ方向とが対向するように配置することが好ましい。
【００２５】
次に、膨張機３０について説明する。膨張機３０は、容積Ｖｅのシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復運動するピストン３２とを備えている。膨張機３０は、圧縮機２０で断熱圧縮され、熱交換器１２で等圧受熱した作動流体を断熱膨張させて、作動流体に仕事をさせる。膨張機３０が備えるシリンダ３１の容積Ｖｅは、圧縮機２０が備えるシリンダ２１の容積Ｖｃよりも大きい（Ｖｅ＞Ｖｃ）。ピストン３２は、コネクティングロッド３３を介してクランク軸１１と連結されている。作動流体が仕事をすることによりピストン３２が運動する。この運動はクランク軸１１の回転運動へ変換され、排熱回収装置１０の出力として取り出される。
【００２６】
膨張機３０は、シリンダ３１内へ作動流体を導入するための膨張機側吸気弁３４ｉと、シリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気弁３４ｅとを備える。なお、膨張機側吸気弁３４ｉには、作動流体をシリンダ３１内に導く膨張機側吸気通路４２が接続されている。また、膨張機側排気弁３４ｅには、シリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３が接続されている。
【００２７】
膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅは、膨張機３０が備えるピストン３２の往復運動と所定のタイミングで同期して開閉する。例えば、膨張機３０が備えるピストン３２が上死点近傍にきたときに膨張機側吸気弁３４ｉを開いて、熱交換器１２から等圧受熱した作動流体をシリンダ３１内へ導入して断熱膨張させる。このとき膨張機側排気弁３４ｅは閉じておく。そして、膨張機３０が備えるピストン３２が下死点近傍にきたときに膨張機側吸気弁３４ｉを閉じ、膨張機側排気弁３４ｅを開く。これによって、断熱膨張した気体をシリンダ３１の外部へ放出して、等圧放熱させる。
【００２８】
例えば、膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅは、クランク軸１１の回転と連動させて開閉することができる。また、例えば、膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅを電磁弁として、クランク軸１１からピストン３２の位置を検出し、この検出信号に基づいて膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅを開閉してもよい。
【００２９】
膨張機３０のシリンダ３１内で作動流体がした仕事は、排熱回収装置１０の出力としてクランク軸１１から取り出される。この実施例において、クランク軸１１には電動機及び発電機として機能する電動機／発電機（以下Ｍ／Ｇ）５が接続されている。排熱回収装置１０がＭ／Ｇ５を駆動すれば、Ｍ／Ｇ５が発電機として機能する。一方、Ｍ／Ｇ５を電動機として機能させて排熱回収装置１０を駆動すれば、排熱回収装置１０をポンプとして機能させることができる。
【００３０】
排熱回収装置１０がＭ／Ｇ５を駆動すれば、Ｍ／Ｇ５は電力を発生する。Ｍ／Ｇ５が発電した電力は、インバータ６を介してバッテリー７へ蓄えられる。このように、この実施例において、排熱回収装置１０の出力は、電力として回収される。なお、クラッチ等を介してクランク軸１１と内燃機関１の出力軸とを連結して、排熱回収装置１０の出力を直接内燃機関１へ戻してもよい。
【００３１】
次に、排熱回収装置１０の膨張機３０で仕事をした後の作動流体の処理について説明する。内燃機関１が備える排気通路４には、内燃機関１側から順に触媒（三元触媒）２、排熱回収装置１０が備える熱交換器１２、及び消音器３が備えられる。内燃機関１から排出される排気Ｅｘは、触媒２で浄化された後、熱交換器１２の第２流路１２2を通って、第１流路１２1内を流れる作動流体と熱交換する。その後、消音器３へ導かれて消音された後、大気中へ放出される。
【００３２】
この実施例に係る排熱回収装置１０の膨張機３０から作動流体が放出されるとき、作動流体にはまだ圧力が残っているため、騒音が発生する。このため、この実施例においては、内燃機関１の消音器３に、膨張機３０から放出される作動流体を導く。これによって、排熱回収装置用の消音器を別個に用意する必要はないので、装置構成を簡素化できる。膨張機３０から放出される作動流体を消音器３へ導くにあたっては、熱交換器１２と消音器３との間に作動流体を放出する。ここで、「熱交換器１２と消音器３との間に放出」には、膨張機３０から放出される作動流体を消音器３へ直接放出することも含む。
【００３３】
この実施例において、作動流体は空気であるため、触媒２の入口側、すなわち内燃機関１と触媒２との間に膨張機３０から放出される作動流体を導入すると、触媒２へ導入される内燃機関１の排気Ｅｘがリーン（酸素過多）となり、触媒２での排気Ｅｘの浄化が不十分になるおそれがある。また、触媒２が高温になっている場合に膨張機３０から放出される作動流体が触媒２へ導入されると、触媒２が劣化するおそれもある。
【００３４】
一方、熱交換器１２の入口側、すなわち、触媒２と熱交換器１２との間に膨張機３０から放出される作動流体を導入すると、熱交換器１２へ導入される内燃機関１の排気温度が低下する。このため、排熱回収装置１０の圧縮機２０から送られる作動流体を十分に加熱することができず、排熱回収装置１０の熱効率を低下させてしまう。このため、膨張機３０から放出される作動流体を消音器３へ導くにあたっては、熱交換器１２と消音器３との間に作動流体を放出する。これによって、排気Ｅｘの浄化不足や触媒２の劣化を抑制できる。また、排熱回収装置１０の熱効率低下も抑制できる。
【００３５】
以上、実施例１では、排熱回収装置の膨張機で膨張仕事をした作動流体を、熱交換器と、熱機関である内燃機関が備える消音器との間へ放出する。これによって、膨張機からの作動流体の放出音を低減できるとともに、内燃機関の排気の浄化不足や内燃機関の排気を浄化する触媒の劣化を抑制できる。また、排熱回収装置の熱効率低下も抑制できる。さらに、排熱回収対象の熱機関が備える消音器を利用するので、専用の昇温器を別個に備える必要がなく、装置構成を簡単にできる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例においても必要に応じて適用できる。また、実施例１で開示した構成と同様の構成を備えるものは、実施例１と同様の作用、効果を奏する。
【実施例２】
【００３６】
実施例２に係る排熱回収装置は、実施例１に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、膨張機が備える排気通路に排気切替手段を設け、膨張機から放出される作動流体を、熱交換器と熱機関の消音器との間、又は熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に放出する。そして、熱機関の冷間始動時には、熱機関と触媒との間に膨張機からの作動流体を放出し、触媒に供給して、触媒による熱機関の排気の浄化を促進させる点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。
【００３７】
図２は、実施例２に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。図３−１、図３−２は、実施例２に係る排熱回収装置が備える排気切替手段の一例を示す説明図である。実施例２に係る排熱回収装置１０ａは、膨張機３０が備えるシリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３に、膨張機側排気切替手段である膨張機側切替弁１３が取り付けられている。
【００３８】
膨張機３０から放出された作動流体は、膨張機側排気通路４３を通って膨張機側切替弁１３へ送られる。膨張機側切替弁１３の出口には、第２膨張機側排気通路４３ａと、第１作動流体排気通路４４とが接続される。そして、第２膨張機側排気通路４３ａは消音器３に、第１作動流体排気通路４４は内燃機関１と触媒２との間に接続される。
【００３９】
ここで、第１作動流体排気通路４４には、図２に示すように、リード弁１９が設けられている。このリード弁１９は、膨張機３０から放出される作動流体の圧力（作動流体膨張機圧力）Ｐｂｅが、内燃機関１の排気圧力（排圧）Ｐｅよりも大きくなった場合（Ｐｂｅ＞Ｐｅ）に開弁するように設定される。これによって、排圧Ｐｅが作動流体膨張機圧力Ｐｂｅよりも大きくなった場合に、排気Ｅｘが排熱回収装置１０の膨張機３０へ逆流することを防止できる。なお、リード弁１９は、排圧Ｐｅと作動流体膨張機圧力Ｐｂｅとの関係によっては、必ずしも設ける必要はない。
【００４０】
膨張機側切替弁１３は、前記作動流体の放出先を、熱交換器１２と熱機関である内燃機関１の消音器３との間、又は内燃機関１と触媒２との間へ切り替える。そして、内燃機関１の冷間始動時には、内燃機関１と触媒２との間に膨張機３０からの作動流体を放出し、触媒２へ供給して、触媒２による内燃機関１の排気の浄化を促進させる。特に、冷間始動時や、加速時等のように、空燃比が理論空燃比よりもリッチ（燃料過多）になる場合に、排熱回収装置１０ａの作動流体を触媒２へ供給すれば、内燃機関１の排気の浄化を促進でき、好ましい。また、膨張機３０で作動流体が膨張する際には熱エネルギを失うが、作動流体の持つ熱エネルギが完全に運動エネルギに変換されるわけではない。このため、ある程度温度の高い作動流体が触媒２へ供給されるので、特に内燃機関１の冷間始動時においては、触媒の暖機が迅速に完了する。なお、膨張機側切替弁１３の開度を調整することによって、熱交換器１２と内燃機関１の消音器３との間、又は内燃機関１と触媒２との間の両方へ作動流体を放出させることもできる。
【００４１】
膨張機側切替弁１３は、ＥＣＵ５０によって制御される。膨張機側切替弁は、例えば、図３−１に示す膨張機側切替弁１３ａのように、バタフライ弁１３ｖｂによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。また、図３−２に示す膨張機側切替弁１３ｂのように、ロータリー弁１３ｖｒによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。
【００４２】
図４は、実施例２に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。この排熱回収装置１０ｂは、圧縮機２０に接続される圧縮機側排気通路４１に圧縮機側排気切替手段である圧縮機側切替弁１４が備えられている。そして、圧縮機２０から送り出される作動流体の放出先を、熱交換器１２、又は内燃機関１と触媒２との間へ切り替える。ここで、圧縮機側切替弁１４は、ＥＣＵ５０によって制御される。なお、圧縮機側切替弁１４には、図３−１に示したようなバタフライ弁や、図３−２に示したようなロータリー弁を使用することができる。
【００４３】
圧縮機２０から放出された作動流体は、圧縮機側排気通路４１を通って圧縮機側切替弁１４へ送られる。圧縮機側切替弁１４の出口は、一方が熱交換器１２へ接続され、もう一方は、第２作動流体排気通路４５が接続される。そして、第２作動流体排気通路４５は、内燃機関１と触媒２との間に接続される。ここで、第２作動流体排気通路４５には、上述したように、リード弁を設けてもよい。このリード弁１９は、圧縮機２０から放出される作動流体の圧力（作動流体圧縮機圧力）Ｐｂｃが、内燃機関１の排気圧力（排圧）Ｐｅよりも大きくなった場合（Ｐｂｃ＞Ｐｅ）に開弁するように設定される。このようにすれば、排圧Ｐｅが作動流体圧縮機圧力Ｐｂｃよりも大きくなった場合に、排気Ｅｘが排熱回収装置１０の圧縮機２０へ逆流することを防止できる。
【００４４】
圧縮機側切替弁１４は、前記作動流体の放出先を、熱交換器１２、又は内燃機関１と触媒２との間へ切り替える。そして、内燃機関１の冷間始動時には、内燃機関１と触媒２との間に圧縮機２０からの作動流体を放出し、触媒２へ供給して、触媒２による内燃機関１の排気Ｅｘの浄化を促進させる。なお、圧縮機側切替弁１４の開度を調整することによって、熱交換器１２、又は内燃機関１と触媒２との間の両方へ作動流体を放出させることもできる。
【００４５】
膨張機３０で断熱膨張した後の作動流体ではなく、圧縮機２０で圧縮された作動流体を触媒２へ供給することにより、内燃機関１の排気圧力に勝る圧力を得やすくなる。これによって、より確実に触媒２へ作動流体を供給できるので、触媒の浄化促進や暖機に対する応答性が向上する。また、圧縮機２０から作動流体を触媒２へ供給することにより高温の作動流体を触媒２へ供給できる。これによって、内燃機関１の冷間始動時においては、触媒２の暖機がさらに迅速に完了する。また、熱交換器１２と膨張機３０との間に圧縮機側切替弁１４を設け、圧縮機２０で圧縮され、熱交換器１２で受熱した作動流体を触媒２へ供給してもよい。このようにすれば、さらに高い温度の作動流体を触媒２へ供給できるので、内燃機関１の冷間始動時における触媒２の暖機がさらに迅速に完了する。
【００４６】
圧縮機側切替弁１４は、例えば、図３−１に示すように、バタフライ弁１３ｖｂによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。また、図３−２に示すように、ロータリー弁１３ｖｒによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。
【００４７】
次に、実施例２に係る熱機関の冷間始動時における排熱回収装置の制御について説明する。図５は、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置を示す説明図である。実施例２に係る熱機関の冷間始動時における排熱回収装置の制御は、この排熱回収装置の制御装置７０によって実現できる。図５に示すように、排熱回収装置の制御装置７０は、ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。
【００４８】
なお、ＥＣＵ５０とは別個に、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置７０を用意し、これをＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、実施例２に係る排熱回収装置の制御を実現するにあたっては、ＥＣＵ５０が備える内燃機関１の制御機能を、前記排熱回収装置の制御装置７０が利用できるように構成してもよい。
【００４９】
排熱回収装置の制御装置７０は、制御条件判定部７１と、供給空気量制御部７２とを含んで構成される。これらが、実施例２に係る排熱回収装置の制御を実行する部分となる。実施例２において、排熱回収装置の制御装置７０は、ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関１の運転を制御する制御部５３が含まれる。
【００５０】
ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４1〜５４3、入力ポート５５及び出力ポート５６に接続される。これにより、排熱回収装置の制御装置７０を構成する制御条件判定部７１と供給空気量制御部７２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を発したりできるように構成される。また、排熱回収装置の制御装置７０は、ＥＣＵ５０が有する内燃機関１の水温、負荷、アクセル開度あるいは機関回転数その他の制御データを取得したり、排熱回収装置の制御装置７０の制御をＥＣＵ５０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００５１】
入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、冷却水温センサ６０、エアフローメータ６１、クランク角センサ６２、アクセル開度センサ６３その他の、排熱回収装置１０の制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、運転制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。
【００５２】
出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、膨張機側切替弁１３、圧縮機側切替弁１４、作動流体供給源切替弁１６等の、排熱回収装置１０の制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８1、５８2等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、前記センサ類からの出力信号に基づいて、排熱回収装置１０の運転を制御する。
【００５３】
記憶部５０ｍには、実施例２に係る排熱回収装置の制御に用いるコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは排熱回収装置の制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
【００５４】
上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせることによって、実施例２に係る排熱回収装置の制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この排熱回収装置の制御装置７０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、制御条件判定部７１、供給空気量制御部７２の機能を実現するものであってもよい。次に、実施例２に係る排熱回収装置の制御について説明する。この説明においては、適宜図２、図４、図５を参照されたい。
【００５５】
図６は、実施例２に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例２に係る排熱回収装置の制御を実行するにあたり、排熱回収装置の制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、内燃機関１のイグニッションＩＧがＯＮになっているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ＩＧがＯＦＦである場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、供給空気量制御部７２は、膨張機側切替弁１３又は１４（図２又は図４）を全閉として、内燃機関１と触媒２との間、すなわち触媒２への作動流体導入を中止する（ステップＳ１１１）。なお、全閉とは、触媒２への作動流体の供給を完全に停止することをいう。
【００５６】
ＩＧがＯＮである場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、制御条件判定部７１は、内燃機関１は始動したものと判定する。制御条件判定部７１は、内燃機関１の冷却水温センサ６０から、内燃機関１の冷却水温Ｔｗを取得する（ステップＳ１０２）。そして、制御条件判定部７１は、取得した冷却水温Ｔｗに基づき、そのときの冷却水温Ｔｗにおいて、内燃機関１が要求するＡ／Ｆ（要求Ａ／Ｆ）を算出する（ステップＳ１０３）。例えば、内燃機関１の冷間始動時においては燃焼が悪化するため、冷間始動してから冷却水温がある温度に上昇するまでの所定期間は、燃料を増量して燃焼の悪化を抑制する。このとき、Ａ／Ｆは、ストイキ（理論空燃比）よりもリッチ（燃料過多）となる。処理部５０ｐの制御部５３は、制御条件判定部７１が算出した要求Ａ／Ｆに基づき、内燃機関１へ燃料を噴射する（ステップＳ１０４）。
【００５７】
次に、制御条件判定部７１は、内燃機関１の空燃比Ａ／Ｆが、ストイキよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。Ａ／Ｆ≧ストイキである場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、空燃比Ａ／Ｆはリーン（酸素過多）の状態である。この場合に作動流体（空気）を触媒２へ供給すると、触媒２による排気Ｅｘの浄化性能の低下や、触媒の劣化を招いてしまう。このため、供給空気量制御部７２は、膨張機側切替弁１３又は１４（図２又は図４）を全閉として、内燃機関１と触媒２との間、すなわち触媒２への作動流体導入を中止する（ステップＳ１１１）。
【００５８】
Ａ／Ｆ＜ストイキである場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、空燃比Ａ／Ｆはリッチの状態である。この場合には、作動流体（空気）を触媒２へ供給して、触媒２による内燃機関１の排気Ｅｘの浄化を促進させる。このため、制御条件判定部７１は、触媒２へ供給する作動流体（触媒導入空気）の量を算出する（ステップＳ１０６）。そして、供給空気量制御部７２は、制御条件判定部７１が算出した触媒前導入空気の量に基づき、膨張機側切替弁１３又は１４の開度を決定する（ステップＳ１０７）。
【００５９】
次に、制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ａ又は１０ｂが（図２、図４）、外部駆動を必要とするか否かを判定する（ステップＳ１０８）。内燃機関１が冷間始動した直後等は、内燃機関１の排気Ｅｘの温度が十分でなく、排熱回収装置１０ａ、１０ｂによって、内燃機関１の排熱を回収できない場合があるからである。排熱回収装置１０ａ、又は１０ｂが外部駆動を必要としない場合（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、供給空気量制御部７２は、ステップＳ１０７で決定した切替弁の開度に膨張機側切替弁１３、又は１４を開き、触媒２へ作動流体を供給する（ステップＳ１１０）。
【００６０】
排熱回収装置１０ａ又は１０ｂが外部駆動を必要とする場合（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、制御部５３は、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ａ又は１０ｂを駆動する。すなわち、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ａ又は１０ｂを外部駆動する（ステップＳ１０９）。これによって、排熱回収装置１０ａの膨張機３０、又は排熱回収装置１０ｂの圧縮機２０から、作動流体を放出させる。次に、供給空気量制御部７２は、ステップＳ１０７で決定した切替弁の開度に膨張機側切替弁１３、又は圧縮機側切替弁１４を開き、触媒２へ作動流体を供給する（ステップＳ１１０）。
【００６１】
なお、内燃機関１が始動してから、触媒２へ作動流体を供給する所定の期間は、例えば、次のように定めることができる。内燃機関１における燃焼を改善するため、理論空燃比よりもリッチ（燃料過多）になるように、内燃機関１へ供給する燃料を増量する場合がある。前記所定の期間は、例えば、内燃機関１の始動から、この燃料の増量が必要なくなるまでの期間とすることができる。例えば、内燃機関１を冷間始動する場合、始動から、いわゆる冷間増量が必要なくなるまでの期間である。
【００６２】
以上、実施例２では、排熱回収装置の作動流体の放出先を、排熱回収装置の熱交換器と、熱機関の消音器との間、又は熱機関とこの熱機関が備える触媒との間へ切り替える。これによって、熱機関の冷間始動時には、熱機関と触媒との間に廃熱回収装置からの作動流体を放出し、触媒へ供給して、触媒による熱機関の排気の浄化を促進させることができる。なお、実施例２で開示した構成は、以下の実施例においても必要に応じて適用できる。また、実施例２で開示した構成と同様の構成を備えるものは、実施例２と同様の作用、効果を奏する。
【実施例３】
【００６３】
実施例３に係る排熱回収装置は、実施例１に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、熱機関が高出力を要求するときには、熱機関の吸気通路へ圧縮機、又は膨張機のいずれか一方から作動流体を供給して、過給によって熱機関からより多くの出力を取り出す点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。
【００６４】
図７は、実施例３に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。実施例３に係る排熱回収装置１０ｃは、圧縮機２０が備えるシリンダ２１内で断熱圧縮した作動流体を放出する圧縮機側排気通路４１に、排気切替手段である圧縮機側切替弁１４が取り付けられている。圧縮機２０から放出された作動流体は、圧縮機側排気通路４１を通って圧縮機側切替弁１４へ送られる。圧縮機側切替弁１４の出口には、熱交換器１２と、第３作動流体排気通路４６とが接続される。
【００６５】
ここで、第３作動流体排気通路４６には、図７に示すように、リード弁１５が設けられている。このリード弁１５は、圧縮機２０から放出される作動流体の圧力（作動流体圧縮機圧力）Ｐｂｃが、内燃機関１の吸気圧力Ｐｉよりも大きくなった場合（Ｐｂｃ＞Ｐｉ）に開弁するように設定される。このようにすれば、吸気圧力Ｐｉが作動流体圧縮機圧力Ｐｂｃよりも大きくなった場合に、内燃機関１の吸気が排熱回収装置１０の圧縮機２０へ逆流することを防止できる。なお、第３作動流体排気通路４６には、必要に応じて冷却器を設けて、内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給される作動流体を冷却してもよい。
【００６６】
圧縮機側切替弁１４は、前記作動流体の放出先を、熱交換器１２又は熱機関である内燃機関１の吸気通路１ｉに切り替える。そして、内燃機関１が高出力を要求しているときには、内燃機関１の吸気通路１ｉへ圧縮機２０からの作動流体を供給して、過給する。これによって、内燃機関１から高出力を得ることができる。また、圧縮機２０から供給される作動流体は、圧縮により昇温しているので、火炎伝播速度を向上させることができ、燃焼性を改善できる。特に、寒冷地における運転時のように、吸気温度が低い場合には有効である。また、寒冷地でなくとも、いわゆるリーンバーン運転をする際には空気が過多となって燃焼が悪化するが、圧縮機２０から作動流体を供給すれば、吸気温度上昇によって燃焼を改善できるため、安定した運転のために有効である。ここで、吸気温度を上昇させる目的であれば、圧縮機２０で圧縮し、熱交換器１２で受熱した作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給してもよい。
【００６７】
なお、圧縮機側切替弁１４の開度を調整することによって、内燃機関１へ過給する作動流体の量を調整することができる。ここで、圧縮機側切替弁１４は、ＥＣＵ５０によって制御される。圧縮機側切替弁１４は、例えば、図３−１に示したバタフライ弁式のものや、図３−２に示したロータリー弁式のものを使用することができる。次に、実施例３に係る排熱回収装置の制御について説明する。実施例３に係る排熱回収装置の制御は、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置（図５）によって実現できる。この説明においては、適宜図５、図７を参照されたい。
【００６８】
図８は、実施例３に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例３に係る排熱回収装置の制御を実行するにあたり、排熱回収装置の制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、内燃機関１が過給を要求しているか否かを判定する。具体的には、制御条件判定部７１がアクセル開度センサ６３から要求されているアクセル開度ｅａｃｃｐを検出する。そして、制御条件判定部７１は、アクセル開度ｅａｃｃｐが、過給要求判定アクセル開度ｅａｃｃｐ＿ｂよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０１）。
【００６９】
ｅａｃｃ≦ｅａｃｃｐ＿ｂである場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、供給空気量制御部７２は、圧縮機側切替弁１４（図７）を全閉として（ステップＳ２０７）、内燃機関１への過給を中止する。処理部５０ｐの制御部５３は、内燃機関１に対する燃料噴射量及び点火時期を、過給しないときのものに設定し（ステップＳ２０８）、これに基づいて内燃機関１へ燃料を噴射し、点火する（ステップＳ２０９）。なお、全閉とは、吸気通路１ｉへの作動流体の供給を完全に停止する状態をいう。
【００７０】
ｅａｃｃ＞ｅａｃｃｐ＿ｂである場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、制御条件判定部７１は、アクセル開度センサ６３から要求されているアクセル開度ｅａｃｃｐを検出し、これに基づいて、過給時における要求空気量を算出する（ステップＳ２０２）。そして、供給空気量制御部７２は、制御条件判定部７１が算出した触媒前導入空気の量に基づき、圧縮機側切替弁１４の開度を決定し（ステップＳ２０３）、決定した切替弁の開度に圧縮機側切替弁１４を開き、内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を供給する（ステップＳ２０４）。そして、処理部５０ｐの制御部５３は、内燃機関１に対する燃料噴射量及び点火時期を、過給するときのものに設定し（ステップＳ２０５）、これに基づいて内燃機関１へ燃料を噴射し、点火する（ステップＳ２０６）。
【００７１】
なお、圧縮機２０から内燃機関１へ作動流体を供給するときには、供給量にもよるが、排熱回収装置１０ｃは、外部動力によらなければ駆動できない。したがって、この実施例においては、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｃを駆動して、圧縮機２０から内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を供給することになる。ただし、内燃機関１へ供給する作動流体の量によっては、これを失ったとしても外部動力によらず排熱回収装置１０ｃを駆動できる場合がある。このような場合には、圧縮機２０で圧縮した作動流体の一部を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給すればよい。
【００７２】
（変形例）
実施例３の変形例に係る排熱回収装置は、実施例３に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、さらに、膨張機が備える膨張機側排気通路にも排気切替手段と、圧縮機から放出される作動流体、又は膨張機から放出される作動流体を切り替えて熱機関の吸気通路に放出する排気切替手段とを備える。そして、熱機関が高出力を要求するときには、熱機関の吸気通路へ圧縮機又は膨張機から作動流体を供給して、過給によって熱機関からより多くの出力を取り出す点が異なる。他の構成は実施例３と同様なのでその説明を省略する。
【００７３】
図９は、実施例３の変形例に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。実施例３の変形例に係る排熱回収装置１０ｃ'は、圧縮機２０が備えるシリンダ２１内で断熱圧縮した作動流体を放出する圧縮機側排気通路４１に、排気切替手段である圧縮機側切替弁１４が取り付けられている。圧縮機２０から放出された作動流体は、圧縮機側排気通路４１を通って圧縮機側切替弁１４へ送られる。圧縮機側切替弁１４は、圧縮機２０から放出された作動流体を、熱交換器１２又は作動流体供給源切替弁１６へ放出する。
【００７４】
膨張機３０が備えるシリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３には、排気切替手段である膨張機側切替弁１３が取り付けられている。膨張機３０から放出された作動流体は、膨張機側排気通路４３を通って膨張機側切替弁１３へ送られる。膨張機側切替弁１３は、膨張機３０から放出された作動流体を、内燃機関１の消音器３又は作動流体供給源切替弁１６へ放出する。
【００７５】
作動流体供給源切替弁１６には、膨張機側排気分岐通路４３ｍ、圧縮機側排気分岐通路４１ｍ、及び第３作動流体排気通路４６が接続されており、圧縮機２０又は膨張機３０から送られる作動流体のうちいずれか一方を選択して、内燃機関１へ送ることができる。また、圧縮機側切替弁１４の開度を調整することによって、内燃機関１へ送る作動流体の量を調整することができる。作動流体供給源切替弁１６は、内燃機関１が高出力を要求しているときには、内燃機関１の吸気通路１ｉへ圧縮機２０又は膨張機３０からの作動流体を放出、供給して、過給する。ここで、作動流体供給源切替弁１６は、ＥＣＵ５０によって制御される。作動流体供給源切替弁１６は、例えば、図３−１に示したバタフライ弁式のものや、図３−２に示したロータリー弁式のものを使用することができる。ここで、第３作動流体排気通路４６には、図９に示すように、リード弁１５を設けられている。この点は実施例３に係る排熱回収装置１０ｃと同様である。次に、実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御について説明する。実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御は、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置（図５）によって実現できる。この説明においては、適宜図５、図９を参照されたい。
【００７６】
図１０は、実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御において、ステップＳ３０１、ステップＳ３０２は、実施例３に係る排熱回収装置の制御におけるステップＳ２０１、ステップＳ２０２と同様である。また、実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御におけるステップＳ３０６〜ステップＳ３１１は、実施例３に係る排熱回収装置の制御におけるステップＳ２０３〜ステップＳ２０９と同様であるので、同様である手順については説明を省略する。
【００７７】
制御条件判定部７１が、過給時における要求空気量を算出したら（ステップＳ３０２）、制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ｃ'が、外部駆動を要するか否かを判定する（ステップＳ３０３）。内燃機関１から排出される排気Ｅｘの温度が十分に高ければ、これによって排熱回収装置１０ｃ'を駆動できるので、膨張機３０で断熱膨張した作動流体（空気）を内燃機関１の吸気通路１ｉへ放出し、内燃機関１へ供給する。
【００７８】
一方、内燃機関１が冷間始動した直後等は、内燃機関１の排気Ｅｘの温度が十分でなく、排熱回収装置１０ｃ'によって、内燃機関１の排熱を回収できない場合がある。この場合には、外部動力によって排熱回収装置１０ｃ'を駆動し、圧縮機２０又は膨張機３０からの作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ放出し、内燃機関１へ供給する。
【００７９】
排熱回収装置１０ｃ'が外部駆動を必要とする場合（ステップＳ３０３；Ｙｅｓ）、制御部５３は、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｃ'を駆動する。すなわち、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｃ'を外部駆動して、圧縮機２０又は膨張機３０から内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を放出し、内燃機関１へ供給する（ステップＳ３０４）。圧縮機２０又は膨張機３０のいずれかから作動流体を供給するかは、圧縮機で断熱圧縮した作動流体の圧力や量、又は膨張機３０で断熱膨張した作動流体の圧力や量と、内燃機関１の要求する吸気量や過給圧力等とを比較して判定する。
【００８０】
排熱回収装置１０ｃ'が外部駆動を必要としない場合（ステップＳ３０３；Ｎｏ）、制御条件判定部７１は、膨張機３０から作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給可能か否かを判定する（ステップＳ３０５）。これは、膨張機３０で断熱膨張した作動流体の圧力や量と、内燃機関１の要求する吸気量や過給圧力等とを比較して判定する。膨張機３０から作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給できない場合（ステップＳ３０５；Ｎｏ）、外部動力によって排熱回収装置１０ｃ'を駆動して、圧縮機２０又は膨張機３０から内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を放出し、内燃機関１へ供給する（ステップＳ３０４）。
【００８１】
上記ステップＳ３０３〜Ｓ３０５によって外部駆動の有無、作動流体の供給源を決定したら、供給空気量制御部７２は、制御条件判定部７１が算出した触媒前導入空気の量に基づき、膨張機側切替弁１３、１４、１５の開度を決定し（ステップＳ３０６）、決定した切替弁の開度に切替弁を開き、内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を供給する（ステップＳ３０７）。そして、処理部５０ｐの制御部５３は、内燃機関１に対する燃料噴射量及び点火時期を、過給するときのものに設定し（ステップＳ３０８）、これに基づいて内燃機関１へ燃料を噴射し、点火する（ステップＳ３０９）。
【００８２】
以上、実施例３及びその変形例では、圧縮機、又は膨張機のいずれか一方から作動流体を熱機関の吸気通路へ放出し、供給できるようにしてある。これによって、熱機関が高出力を要求するときには、圧縮機等から熱機関へ作動流体（空気）を過給できるので、熱機関からより多くの出力を取り出すことができる。なお、実施例３やその変形例で開示した構成は、以下の実施例においても必要に応じて適用できる。また、実施例３やその変形例とで開示した構成と同様の構成を備えるものは、実施例３やその変形例と同様の作用、効果を奏する。
【実施例４】
【００８３】
実施例４に係る排熱回収装置は、実施例２に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、膨張機が備える排気通路に排気切替手段を設け、膨張機から放出される作動流体を、この排熱回収装置が搭載される車両の室内へ供給する点が異なる。他の構成は実施例２と同様なのでその説明を省略する。
【００８４】
図１１は、実施例４に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。実施例４に係る排熱回収装置１０ｄは、膨張機３０が備えるシリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３に、排気切替手段である膨張機側切替弁１３が取り付けられている。膨張機３０から放出された作動流体は、膨張機側排気通路４３を通って膨張機側切替弁１３へ送られる。膨張機側切替弁１３の出口には、第２膨張機側排気通路４３ａと、第４作動流体排気通路４７とが接続される。そして、第２膨張機側排気通路４３ａは消音器３に、第４作動流体排気通路４７は排熱回収装置１０ｄ及び内燃機関１が搭載される車両の室内（車室内）へ接続される。
【００８５】
膨張機側切替弁１３は、前記作動流体の放出先を、内燃機関１の消音器３との間、又は車室内へ切り替える。そして、排熱回収装置１０ｄの膨張機３０から放出される作動流体を、内燃機関１の冷却水温がある程度の温度に上昇するまで、暖房用として車室内へ供給する。なお、膨張機側切替弁１３の開度を調整することによって、車室内へ供給する作動流体の量を変化させることができる。なお、膨張機側切替弁１３は、ＥＣＵ５０によって制御される。
【００８６】
図１２は、実施例４に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。この排熱回収装置１０ｅは、上記排熱回収装置１０ｄと略同様の構成であるが、膨張機３０から放出される作動流体を、一旦ヒータ用熱交換器１７に導き、ここで、車室内の空気と熱交換させる。このように、ヒータ用熱交換器１７を介して、間接的に車室内の空気を温める点が、上記排熱回収装置１０ｄと異なる。
【００８７】
膨張機側切替弁１３に接続される第５作動流体排気通路４８は、ヒータ用熱交換器１７を経由して、第２膨張機側排気通路４３ａに接続される。これによって、膨張機側切替弁１３から送り出される膨張機３０からの作動流体をヒータ用熱交換器１７に導き、同じくヒータ用熱交換器１７に接続される暖房用通路４９内を流れる車室内の空気と熱交換させる。熱交換が終了した作動流体は、第２膨張機側排気通路４３ａを通って消音器３へ放出される。次に、実施例４係る排熱回収装置の制御について説明する。実施例４に係る排熱回収装置の制御は、実施例２で説明した排熱回収装置の制御装置７０によって実現できる。次の説明においては、適宜図５、図１１、図１２を参照されたい。
【００８８】
図１３は、実施例４に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例４に係る排熱回収装置の制御を実行するにあたり、排熱回収装置の制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ｄ又は１０ｅが搭載されている車両のヒータ要求フラグｅｘ＿ｈがＯＮであるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。ヒータ要求フラグｅｘ＿ｈがＯＦＦである場合（ステップＳ４０１；Ｎｏ）、処理部５０ｐの制御部５３は、ヒータの動作を停止する（ステップＳ４１０）。
【００８９】
ヒータ要求フラグｅｘ＿ｈがＯＮである場合（ステップＳ４０１；Ｙｅｓ）、制御条件判定部７１は、内燃機関１の水温Ｔｅが、ヒータ動作可能水温Ｔｓｗよりも低いか否かを判定する（ステップＳ４０２）。Ｔｅ＜Ｔｓｗである場合、内燃機関１の冷却水を利用してヒータを動作させることはできないので、かかる場合には、排熱回収装置１０ｄ又は１０ｅを用いてヒータを動作させるためである。
【００９０】
Ｔｅ≧Ｔｓｗである場合（ステップＳ４０２；Ｎｏ）、内燃機関１の冷却水を利用してヒータを動作させることができる。この場合、供給空気量制御部７２は、膨張機側切替弁１３（図１１、図１２）を全閉とする（ステップＳ４０８）。処理部５０ｐの制御部５３は、通常のヒータ制御、すなわち、内燃機関１の冷却水を利用した場合のヒータ制御を実行する（ステップＳ４０９）。なお、全閉とは、車室内あるいはヒータ用熱交換器１７への作動流体の供給を完全に停止する状態をいう。
【００９１】
Ｔｅ＜Ｔｓｗである場合（ステップＳ４０２；Ｙｅｓ）、供給空気量制御部７２は、車室内の温度や外気温度等から、ヒータに要求される温度（ヒータ要求温度）及びエネルギを算出する（ステップＳ４０３）。次に、制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ｄ、あるいは１０ｅの膨張機３０から排出される作動流体の温度Ｔｅｘ＿ｒと、ヒータ要求温度とを比較する（ステップＳ４０４）。Ｔｅｘ＿ｒ≦ヒータ要求温度である場合（ステップＳ４０４；Ｎｏ）、膨張機３０から排出される作動流体によっては、ヒータが要求する温度を発生させることができないので、ヒータの動作を停止する（ステップＳ４１０）。
【００９２】
Ｔｅｘ＿ｒ＞ヒータ要求温度である場合（ステップＳ４０４；Ｙｅｓ）、膨張機３０から排出される作動流体によって、ヒータが要求する温度を発生させることができる。この場合、供給空気量制御部７２は、前記ヒータ要求温度や膨張機３０から放出される作動流体の温度等から、膨張機３０の排気エネルギ（流量）を算出する（ステップＳ４０５）。次に、供給空気量制御部７２は、ステップＳ４０５で求めたエネルギ（流量）を満足させるように、膨張機側切替弁１３の開度を設定し（ステップＳ４０６）、設定した切替弁開度に前記膨張機側切替弁１３の開度を調整する（ステップＳ４０７）。
【００９３】
なお、膨張機３０から車室内へ作動流体を供給するときには、内燃機関１の始動時（特に冷間始動時）なので、十分な温度の排気を熱交換器１２へ供給できない場合が多く、排熱回収装置１０ｄ、１０ｅは、外部動力によらなければ駆動できない。したがって、この実施例においては、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｄ、１０ｅを駆動して、膨張機３０から車室内やヒータ用熱交換器１７へ作動流体を供給することになる。ただし、車室内やヒータ用熱交換器１７へ供給する作動流体の量によっては、これを失ったとしても外部動力によらず排熱回収装置１０ｃを駆動できる場合がある。このような場合には、膨張機３０から放出される作動流体を車室内やヒータ用熱交換器１７へ供給すればよい。
【００９４】
以上、実施例４では、熱機関である内燃機関の冷却水温が十分に上昇していない場合でも、速やかに車室内の暖房を用いることができる。また、排熱回収装置の作動流体に空気を用いる場合、直接車室内へ作動流体を供給できる。そして、作動流体に空気を使用すれば、ヒータ用熱交換器を介して間接的に車室内を暖める場合においては、漏洩対策も容易である。これによって、簡素な構成で、車室内を暖房することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱を動力として回収することに有用であり、特に、圧縮機と、熱交換器と、膨張機とを備えるブレイトンサイクル機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】実施例１に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図２】実施例２に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図３−１】実施例２に係る排熱回収装置が備える排気切替手段の一例を示す説明図である。
【図３−２】実施例２に係る排熱回収装置が備える排気切替手段の一例を示す説明図である。
【図４】実施例２に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。
【図５】実施例２に係る排熱回収装置の制御装置を示す説明図である。
【図６】実施例２に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【図７】実施例３に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図８】実施例３に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【図９】実施例３の変形例に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図１０】実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【図１１】実施例４に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図１２】実施例４に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。
【図１３】実施例４に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９７】
１ 内燃機関
１ｉ 吸気通路
２ 触媒
３ 消音器
４ 排気通路
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｃ'、１０ｄ、１０ｅ 排熱回収装置
１２ 熱交換器
１３ 膨張機側切替弁
１４ 圧縮機側切替弁
１５ リード弁
１６ 作動流体供給源切替弁
１７ ヒータ用熱交換器
２０ 圧縮機
２１ シリンダ
２２ ピストン
３０ 膨張機
３１ シリンダ
３２ ピストン
７０ 排熱回収装置の制御装置
７１ 制御条件判定部
７２ 供給空気量制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関の排熱を回収して、機械エネルギに変換する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関や外燃機関等の熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して、すなわち燃料が燃焼して発生した熱エネルギを動力に変換するものである。一般に熱機関は、燃料が燃焼したときに発生する熱エネルギをすべて動力に変換することはできず、動力に変換されなかった熱エネルギの一部は、排熱として熱機関の外部へ放出される。この排熱が有する熱エネルギを回収して有効に利用する排熱回収装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、吸気した作動ガスを圧縮して供給する第１のシリンダと、前記第１のシリンダから供給された高圧の作動ガスを加熱する加熱室と、前記加熱室により加熱された高温高圧の作動ガスを膨張させて力を得るとともに、膨張終了後に排気する第２のシリンダとを備えるエンジンが開示されている。このエンジンは、加熱室に熱機関の排熱を与えることにより、排熱回収装置として機能させることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−５５７４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示されたエンジンにおいて、第２のシリンダで膨張させた後の作動ガスをそのまま大気に放出すると、放出音が発生する。特許文献１には、第２のシリンダで膨張させた後の作動ガスの処理については何ら言及されておらず、この点について改善の余地がある。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、熱機関の排熱を回収して動力に変換する排熱回収装置において、膨張仕事を終了した後における作動流体を処理するにあたり、簡易な構成で作動流体の放出音を低減できる排熱回収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】
上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された作動流体を、熱機関の排熱で加熱する熱交換器と、前記熱交換器から送られる作動流体を膨張させることによって仕事をさせ、膨張後の作動流体は、前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出する膨張機と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
この排熱回収装置は、排熱回収装置の膨張機で膨張仕事をした作動流体を、熱交換器と、排熱回収対象の熱機関が備える消音器との間へ放出する。これによって、膨張機からの作動流体の放出音を低減できる。
【０００９】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、前記膨張機から放出された作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間、又は前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出することを特徴とする。
【００１０】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、前記圧縮機から放出された作動流体を、前記熱交換器、又は前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に放出することを特徴とする。
【００１１】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関の空燃比が理論空燃比よりもリッチである場合には、前記作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする。
【００１２】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関が始動してから所定の期間が経過するまで、前記作動流体を前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする。
【００１３】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記圧縮機から放出される作動流体、又は前記膨張機から放出される作動流体のいずれか一方を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする。
【００１４】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記排熱回収装置が外部動力を必要とせずに駆動できるときには、前記膨張機から放出される作動流体を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする。
【００１５】
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、空気を前記作動流体とするときには、前記排熱回収装置が搭載される車両の室内へ、前記圧縮機又は膨張気から前記作動流体を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱を回収して動力に変換する排熱回収装置において、膨張仕事を終了した後における作動流体を処理するにあたり、簡易な構成で作動流体の放出音を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１８】
実施例１に係る排熱回収装置は、圧縮機と、この圧縮機で圧縮された作動流体に、熱機関からの排熱を与える熱交換器と、前記熱交換器で排熱を受け取った作動流体が膨張する膨張機とを備えている。そして、前記膨張機で膨張仕事をした作動流体を、前記熱交換器と前記熱機関の消音器との間へ放出する点に特徴がある。なお、以下においては、排熱回収対象である熱機関の一例として、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関を取り上げる。なお、本発明の排熱回収対象である熱機関は、これにかぎられるものではないが、本発明は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換する熱機関から排熱を回収する場合に、特に好適である。また、本発明に係る排熱回収装置の作動流体は気体であり、その一例として空気を取り上げる。
【００１９】
図１は、実施例１に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。この排熱回収装置１０は、排熱回収対象である熱機関からの排熱を利用して、作動流体を断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて駆動力を得る、ブレイトンサイクル機関である。これを実現するため、図１に示すように、この排熱回収装置１０は、作動流体を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された作動流体に、排熱回収対象の熱機関である内燃機関１からの排熱を与える熱交換器１２と、熱交換器１２で排熱を受け取った作動流体が膨張する膨張機３０とを備えている。なお、この実施例において、内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。
【００２０】
まず、圧縮機２０について説明する。圧縮機２０は、容積Ｖｃのシリンダ２１と、このシリンダ２１内を往復運動するピストン２２とを備えている。ピストン２２は、コネクティングロッド２３を介してクランク軸１１と連結されている。クランク軸１１の回転運動は、ピストン２２の往復運動へ変換され、シリンダ２１内に導入された作動流体を圧縮する。
【００２１】
この圧縮機２０は、シリンダ２１内へ作動流体を導入するための圧縮機側吸気弁２４ｉと、シリンダ２１内で断熱圧縮された作動流体を熱交換器１２へ送る圧縮機側排気弁２４ｅとを備える。なお、圧縮機側吸気弁２４ｉには、作動流体をシリンダ２１内に導く圧縮機側吸気通路４０が接続されている。また、圧縮機側排気弁２４ｅには、シリンダ２１内で断熱圧縮された作動流体を熱交換器１２へ送る圧縮機側排気通路４１が接続されている。
【００２２】
この実施例において、圧縮機側吸気弁２４ｉには、逆止弁が用いられており、ピストン２２が下死点に向かって移動すると、圧縮機側吸気弁２４ｉが開いてシリンダ２１内へ作動流体が導入される。そして、ピストン２２が上死点へ向かって移動すると、圧縮機側吸気弁２４ｉが閉じて、作動流体が圧縮機側吸気弁２４ｉを通って逆流することを防止する。
【００２３】
この実施例において、圧縮機側排気弁２４ｅには、チェック弁が用いられており、ピストン２２が下死点に向かって移動するときには、圧縮機側排気弁２４ｅが閉じて、熱交換器１２から作動流体がシリンダ２１内へ逆流することを防止する。ピストン２２が上死点へ向かって移動するときには、圧縮機側吸気弁２４ｉからシリンダ２１内へ導入された作動流体が圧縮される。そして、シリンダ２１内の作動流体が、圧縮機側排気弁２４ｅの開弁圧力を超えると、圧縮機側排気弁２４ｅが開いて、シリンダ２１内でピストン２２により断熱圧縮された作動流体が、熱交換器１２へ送られる。
【００２４】
次に、熱交換器１２について説明する。熱交換器１２は、圧縮機で断熱圧縮された作動流体が流れる第１流路１２1と、内燃機関１の排気Ｅｘが流れる第２流路１２2とを備える。この実施例において、排熱回収装置１０は、内燃機関１の排気Ｅｘから、内燃機関１の排熱を回収する。このため、熱交換器１２の第２流路１２2は、内燃機関１の排気通路４と接続されている。ここで、第１流路１２1と第２流路１２2とは、作動流体の吸熱効率（熱交換器効率）を向上させるために、排気Ｅｘの流れ方向と、作動流体の流れ方向とが対向するように配置することが好ましい。
【００２５】
次に、膨張機３０について説明する。膨張機３０は、容積Ｖｅのシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復運動するピストン３２とを備えている。膨張機３０は、圧縮機２０で断熱圧縮され、熱交換器１２で等圧受熱した作動流体を断熱膨張させて、作動流体に仕事をさせる。膨張機３０が備えるシリンダ３１の容積Ｖｅは、圧縮機２０が備えるシリンダ２１の容積Ｖｃよりも大きい（Ｖｅ＞Ｖｃ）。ピストン３２は、コネクティングロッド３３を介してクランク軸１１と連結されている。作動流体が仕事をすることによりピストン３２が運動する。この運動はクランク軸１１の回転運動へ変換され、排熱回収装置１０の出力として取り出される。
【００２６】
膨張機３０は、シリンダ３１内へ作動流体を導入するための膨張機側吸気弁３４ｉと、シリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気弁３４ｅとを備える。なお、膨張機側吸気弁３４ｉには、作動流体をシリンダ３１内に導く膨張機側吸気通路４２が接続されている。また、膨張機側排気弁３４ｅには、シリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３が接続されている。
【００２７】
膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅは、膨張機３０が備えるピストン３２の往復運動と所定のタイミングで同期して開閉する。例えば、膨張機３０が備えるピストン３２が上死点近傍にきたときに膨張機側吸気弁３４ｉを開いて、熱交換器１２から等圧受熱した作動流体をシリンダ３１内へ導入して断熱膨張させる。このとき膨張機側排気弁３４ｅは閉じておく。そして、膨張機３０が備えるピストン３２が下死点近傍にきたときに膨張機側吸気弁３４ｉを閉じ、膨張機側排気弁３４ｅを開く。これによって、断熱膨張した気体をシリンダ３１の外部へ放出して、等圧放熱させる。
【００２８】
例えば、膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅは、クランク軸１１の回転と連動させて開閉することができる。また、例えば、膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅを電磁弁として、クランク軸１１からピストン３２の位置を検出し、この検出信号に基づいて膨張機側吸気弁３４ｉ及び膨張機側排気弁３４ｅを開閉してもよい。
【００２９】
膨張機３０のシリンダ３１内で作動流体がした仕事は、排熱回収装置１０の出力としてクランク軸１１から取り出される。この実施例において、クランク軸１１には電動機及び発電機として機能する電動機／発電機（以下Ｍ／Ｇ）５が接続されている。排熱回収装置１０がＭ／Ｇ５を駆動すれば、Ｍ／Ｇ５が発電機として機能する。一方、Ｍ／Ｇ５を電動機として機能させて排熱回収装置１０を駆動すれば、排熱回収装置１０をポンプとして機能させることができる。
【００３０】
排熱回収装置１０がＭ／Ｇ５を駆動すれば、Ｍ／Ｇ５は電力を発生する。Ｍ／Ｇ５が発電した電力は、インバータ６を介してバッテリー７へ蓄えられる。このように、この実施例において、排熱回収装置１０の出力は、電力として回収される。なお、クラッチ等を介してクランク軸１１と内燃機関１の出力軸とを連結して、排熱回収装置１０の出力を直接内燃機関１へ戻してもよい。
【００３１】
次に、排熱回収装置１０の膨張機３０で仕事をした後の作動流体の処理について説明する。内燃機関１が備える排気通路４には、内燃機関１側から順に触媒（三元触媒）２、排熱回収装置１０が備える熱交換器１２、及び消音器３が備えられる。内燃機関１から排出される排気Ｅｘは、触媒２で浄化された後、熱交換器１２の第２流路１２2を通って、第１流路１２1内を流れる作動流体と熱交換する。その後、消音器３へ導かれて消音された後、大気中へ放出される。
【００３２】
この実施例に係る排熱回収装置１０の膨張機３０から作動流体が放出されるとき、作動流体にはまだ圧力が残っているため、騒音が発生する。このため、この実施例においては、内燃機関１の消音器３に、膨張機３０から放出される作動流体を導く。これによって、排熱回収装置用の消音器を別個に用意する必要はないので、装置構成を簡素化できる。膨張機３０から放出される作動流体を消音器３へ導くにあたっては、熱交換器１２と消音器３との間に作動流体を放出する。ここで、「熱交換器１２と消音器３との間に放出」には、膨張機３０から放出される作動流体を消音器３へ直接放出することも含む。
【００３３】
この実施例において、作動流体は空気であるため、触媒２の入口側、すなわち内燃機関１と触媒２との間に膨張機３０から放出される作動流体を導入すると、触媒２へ導入される内燃機関１の排気Ｅｘがリーン（酸素過多）となり、触媒２での排気Ｅｘの浄化が不十分になるおそれがある。また、触媒２が高温になっている場合に膨張機３０から放出される作動流体が触媒２へ導入されると、触媒２が劣化するおそれもある。
【００３４】
一方、熱交換器１２の入口側、すなわち、触媒２と熱交換器１２との間に膨張機３０から放出される作動流体を導入すると、熱交換器１２へ導入される内燃機関１の排気温度が低下する。このため、排熱回収装置１０の圧縮機２０から送られる作動流体を十分に加熱することができず、排熱回収装置１０の熱効率を低下させてしまう。このため、膨張機３０から放出される作動流体を消音器３へ導くにあたっては、熱交換器１２と消音器３との間に作動流体を放出する。これによって、排気Ｅｘの浄化不足や触媒２の劣化を抑制できる。また、排熱回収装置１０の熱効率低下も抑制できる。
【００３５】
以上、実施例１では、排熱回収装置の膨張機で膨張仕事をした作動流体を、熱交換器と、熱機関である内燃機関が備える消音器との間へ放出する。これによって、膨張機からの作動流体の放出音を低減できるとともに、内燃機関の排気の浄化不足や内燃機関の排気を浄化する触媒の劣化を抑制できる。また、排熱回収装置の熱効率低下も抑制できる。さらに、排熱回収対象の熱機関が備える消音器を利用するので、専用の昇温器を別個に備える必要がなく、装置構成を簡単にできる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例においても必要に応じて適用できる。また、実施例１で開示した構成と同様の構成を備えるものは、実施例１と同様の作用、効果を奏する。
【実施例２】
【００３６】
実施例２に係る排熱回収装置は、実施例１に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、膨張機が備える排気通路に排気切替手段を設け、膨張機から放出される作動流体を、熱交換器と熱機関の消音器との間、又は熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に放出する。そして、熱機関の冷間始動時には、熱機関と触媒との間に膨張機からの作動流体を放出し、触媒に供給して、触媒による熱機関の排気の浄化を促進させる点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。
【００３７】
図２は、実施例２に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。図３−１、図３−２は、実施例２に係る排熱回収装置が備える排気切替手段の一例を示す説明図である。実施例２に係る排熱回収装置１０ａは、膨張機３０が備えるシリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３に、膨張機側排気切替手段である膨張機側切替弁１３が取り付けられている。
【００３８】
膨張機３０から放出された作動流体は、膨張機側排気通路４３を通って膨張機側切替弁１３へ送られる。膨張機側切替弁１３の出口には、第２膨張機側排気通路４３ａと、第１作動流体排気通路４４とが接続される。そして、第２膨張機側排気通路４３ａは消音器３に、第１作動流体排気通路４４は内燃機関１と触媒２との間に接続される。
【００３９】
ここで、第１作動流体排気通路４４には、図２に示すように、リード弁１９が設けられている。このリード弁１９は、膨張機３０から放出される作動流体の圧力（作動流体膨張機圧力）Ｐｂｅが、内燃機関１の排気圧力（排圧）Ｐｅよりも大きくなった場合（Ｐｂｅ＞Ｐｅ）に開弁するように設定される。これによって、排圧Ｐｅが作動流体膨張機圧力Ｐｂｅよりも大きくなった場合に、排気Ｅｘが排熱回収装置１０の膨張機３０へ逆流することを防止できる。なお、リード弁１９は、排圧Ｐｅと作動流体膨張機圧力Ｐｂｅとの関係によっては、必ずしも設ける必要はない。
【００４０】
膨張機側切替弁１３は、前記作動流体の放出先を、熱交換器１２と熱機関である内燃機関１の消音器３との間、又は内燃機関１と触媒２との間へ切り替える。そして、内燃機関１の冷間始動時には、内燃機関１と触媒２との間に膨張機３０からの作動流体を放出し、触媒２へ供給して、触媒２による内燃機関１の排気の浄化を促進させる。特に、冷間始動時や、加速時等のように、空燃比が理論空燃比よりもリッチ（燃料過多）になる場合に、排熱回収装置１０ａの作動流体を触媒２へ供給すれば、内燃機関１の排気の浄化を促進でき、好ましい。また、膨張機３０で作動流体が膨張する際には熱エネルギを失うが、作動流体の持つ熱エネルギが完全に運動エネルギに変換されるわけではない。このため、ある程度温度の高い作動流体が触媒２へ供給されるので、特に内燃機関１の冷間始動時においては、触媒の暖機が迅速に完了する。なお、膨張機側切替弁１３の開度を調整することによって、熱交換器１２と内燃機関１の消音器３との間、又は内燃機関１と触媒２との間の両方へ作動流体を放出させることもできる。
【００４１】
膨張機側切替弁１３は、ＥＣＵ５０によって制御される。膨張機側切替弁は、例えば、図３−１に示す膨張機側切替弁１３ａのように、バタフライ弁１３ｖｂによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。また、図３−２に示す膨張機側切替弁１３ｂのように、ロータリー弁１３ｖｒによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。
【００４２】
図４は、実施例２に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。この排熱回収装置１０ｂは、圧縮機２０に接続される圧縮機側排気通路４１に圧縮機側排気切替手段である圧縮機側切替弁１４が備えられている。そして、圧縮機２０から送り出される作動流体の放出先を、熱交換器１２、又は内燃機関１と触媒２との間へ切り替える。ここで、圧縮機側切替弁１４は、ＥＣＵ５０によって制御される。なお、圧縮機側切替弁１４には、図３−１に示したようなバタフライ弁や、図３−２に示したようなロータリー弁を使用することができる。
【００４３】
圧縮機２０から放出された作動流体は、圧縮機側排気通路４１を通って圧縮機側切替弁１４へ送られる。圧縮機側切替弁１４の出口は、一方が熱交換器１２へ接続され、もう一方は、第２作動流体排気通路４５が接続される。そして、第２作動流体排気通路４５は、内燃機関１と触媒２との間に接続される。ここで、第２作動流体排気通路４５には、上述したように、リード弁を設けてもよい。このリード弁１９は、圧縮機２０から放出される作動流体の圧力（作動流体圧縮機圧力）Ｐｂｃが、内燃機関１の排気圧力（排圧）Ｐｅよりも大きくなった場合（Ｐｂｃ＞Ｐｅ）に開弁するように設定される。このようにすれば、排圧Ｐｅが作動流体圧縮機圧力Ｐｂｃよりも大きくなった場合に、排気Ｅｘが排熱回収装置１０の圧縮機２０へ逆流することを防止できる。
【００４４】
圧縮機側切替弁１４は、前記作動流体の放出先を、熱交換器１２、又は内燃機関１と触媒２との間へ切り替える。そして、内燃機関１の冷間始動時には、内燃機関１と触媒２との間に圧縮機２０からの作動流体を放出し、触媒２へ供給して、触媒２による内燃機関１の排気Ｅｘの浄化を促進させる。なお、圧縮機側切替弁１４の開度を調整することによって、熱交換器１２、又は内燃機関１と触媒２との間の両方へ作動流体を放出させることもできる。
【００４５】
膨張機３０で断熱膨張した後の作動流体ではなく、圧縮機２０で圧縮された作動流体を触媒２へ供給することにより、内燃機関１の排気圧力に勝る圧力を得やすくなる。これによって、より確実に触媒２へ作動流体を供給できるので、触媒の浄化促進や暖機に対する応答性が向上する。また、圧縮機２０から作動流体を触媒２へ供給することにより高温の作動流体を触媒２へ供給できる。これによって、内燃機関１の冷間始動時においては、触媒２の暖機がさらに迅速に完了する。また、熱交換器１２と膨張機３０との間に圧縮機側切替弁１４を設け、圧縮機２０で圧縮され、熱交換器１２で受熱した作動流体を触媒２へ供給してもよい。このようにすれば、さらに高い温度の作動流体を触媒２へ供給できるので、内燃機関１の冷間始動時における触媒２の暖機がさらに迅速に完了する。
【００４６】
圧縮機側切替弁１４は、例えば、図３−１に示すように、バタフライ弁１３ｖｂによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。また、図３−２に示すように、ロータリー弁１３ｖｒによって作動流体の放出先を第２膨張機側排気通路４３ａ、又は第１作動流体排気通路４４に切り替えるものであってもよい。
【００４７】
次に、実施例２に係る熱機関の冷間始動時における排熱回収装置の制御について説明する。図５は、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置を示す説明図である。実施例２に係る熱機関の冷間始動時における排熱回収装置の制御は、この排熱回収装置の制御装置７０によって実現できる。図５に示すように、排熱回収装置の制御装置７０は、ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。
【００４８】
なお、ＥＣＵ５０とは別個に、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置７０を用意し、これをＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、実施例２に係る排熱回収装置の制御を実現するにあたっては、ＥＣＵ５０が備える内燃機関１の制御機能を、前記排熱回収装置の制御装置７０が利用できるように構成してもよい。
【００４９】
排熱回収装置の制御装置７０は、制御条件判定部７１と、供給空気量制御部７２とを含んで構成される。これらが、実施例２に係る排熱回収装置の制御を実行する部分となる。実施例２において、排熱回収装置の制御装置７０は、ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐの一部として構成される。この他に、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関１の運転を制御する制御部５３が含まれる。
【００５０】
ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４1〜５４3、入力ポート５５及び出力ポート５６に接続される。これにより、排熱回収装置の制御装置７０を構成する制御条件判定部７１と供給空気量制御部７２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を発したりできるように構成される。また、排熱回収装置の制御装置７０は、ＥＣＵ５０が有する内燃機関１の水温、負荷、アクセル開度あるいは機関回転数その他の制御データを取得したり、排熱回収装置の制御装置７０の制御をＥＣＵ５０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００５１】
入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、冷却水温センサ６０、エアフローメータ６１、クランク角センサ６２、アクセル開度センサ６３その他の、排熱回収装置１０の制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、運転制御や内燃機関１の運転制御に必要な情報を取得することができる。
【００５２】
出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、膨張機側切替弁１３、圧縮機側切替弁１４、作動流体供給源切替弁１６等の、排熱回収装置１０の制御に必要な制御対象が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８1、５８2等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、前記センサ類からの出力信号に基づいて、排熱回収装置１０の運転を制御する。
【００５３】
記憶部５０ｍには、実施例２に係る排熱回収装置の制御に用いるコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは排熱回収装置の制御に用いる燃料噴射量のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
【００５４】
上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせることによって、実施例２に係る排熱回収装置の制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この排熱回収装置の制御装置７０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、制御条件判定部７１、供給空気量制御部７２の機能を実現するものであってもよい。次に、実施例２に係る排熱回収装置の制御について説明する。この説明においては、適宜図２、図４、図５を参照されたい。
【００５５】
図６は、実施例２に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例２に係る排熱回収装置の制御を実行するにあたり、排熱回収装置の制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、内燃機関１のイグニッションＩＧがＯＮになっているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。ＩＧがＯＦＦである場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、供給空気量制御部７２は、膨張機側切替弁１３又は１４（図２又は図４）を全閉として、内燃機関１と触媒２との間、すなわち触媒２への作動流体導入を中止する（ステップＳ１１１）。なお、全閉とは、触媒２への作動流体の供給を完全に停止することをいう。
【００５６】
ＩＧがＯＮである場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、制御条件判定部７１は、内燃機関１は始動したものと判定する。制御条件判定部７１は、内燃機関１の冷却水温センサ６０から、内燃機関１の冷却水温Ｔｗを取得する（ステップＳ１０２）。そして、制御条件判定部７１は、取得した冷却水温Ｔｗに基づき、そのときの冷却水温Ｔｗにおいて、内燃機関１が要求するＡ／Ｆ（要求Ａ／Ｆ）を算出する（ステップＳ１０３）。例えば、内燃機関１の冷間始動時においては燃焼が悪化するため、冷間始動してから冷却水温がある温度に上昇するまでの所定期間は、燃料を増量して燃焼の悪化を抑制する。このとき、Ａ／Ｆは、ストイキ（理論空燃比）よりもリッチ（燃料過多）となる。処理部５０ｐの制御部５３は、制御条件判定部７１が算出した要求Ａ／Ｆに基づき、内燃機関１へ燃料を噴射する（ステップＳ１０４）。
【００５７】
次に、制御条件判定部７１は、内燃機関１の空燃比Ａ／Ｆが、ストイキよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。Ａ／Ｆ≧ストイキである場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、空燃比Ａ／Ｆはリーン（酸素過多）の状態である。この場合に作動流体（空気）を触媒２へ供給すると、触媒２による排気Ｅｘの浄化性能の低下や、触媒の劣化を招いてしまう。このため、供給空気量制御部７２は、膨張機側切替弁１３又は１４（図２又は図４）を全閉として、内燃機関１と触媒２との間、すなわち触媒２への作動流体導入を中止する（ステップＳ１１１）。
【００５８】
Ａ／Ｆ＜ストイキである場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、空燃比Ａ／Ｆはリッチの状態である。この場合には、作動流体（空気）を触媒２へ供給して、触媒２による内燃機関１の排気Ｅｘの浄化を促進させる。このため、制御条件判定部７１は、触媒２へ供給する作動流体（触媒導入空気）の量を算出する（ステップＳ１０６）。そして、供給空気量制御部７２は、制御条件判定部７１が算出した触媒前導入空気の量に基づき、膨張機側切替弁１３又は１４の開度を決定する（ステップＳ１０７）。
【００５９】
次に、制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ａ又は１０ｂが（図２、図４）、外部駆動を必要とするか否かを判定する（ステップＳ１０８）。内燃機関１が冷間始動した直後等は、内燃機関１の排気Ｅｘの温度が十分でなく、排熱回収装置１０ａ、１０ｂによって、内燃機関１の排熱を回収できない場合があるからである。排熱回収装置１０ａ、又は１０ｂが外部駆動を必要としない場合（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、供給空気量制御部７２は、ステップＳ１０７で決定した切替弁の開度に膨張機側切替弁１３、又は１４を開き、触媒２へ作動流体を供給する（ステップＳ１１０）。
【００６０】
排熱回収装置１０ａ又は１０ｂが外部駆動を必要とする場合（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、制御部５３は、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ａ又は１０ｂを駆動する。すなわち、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ａ又は１０ｂを外部駆動する（ステップＳ１０９）。これによって、排熱回収装置１０ａの膨張機３０、又は排熱回収装置１０ｂの圧縮機２０から、作動流体を放出させる。次に、供給空気量制御部７２は、ステップＳ１０７で決定した切替弁の開度に膨張機側切替弁１３、又は圧縮機側切替弁１４を開き、触媒２へ作動流体を供給する（ステップＳ１１０）。
【００６１】
なお、内燃機関１が始動してから、触媒２へ作動流体を供給する所定の期間は、例えば、次のように定めることができる。内燃機関１における燃焼を改善するため、理論空燃比よりもリッチ（燃料過多）になるように、内燃機関１へ供給する燃料を増量する場合がある。前記所定の期間は、例えば、内燃機関１の始動から、この燃料の増量が必要なくなるまでの期間とすることができる。例えば、内燃機関１を冷間始動する場合、始動から、いわゆる冷間増量が必要なくなるまでの期間である。
【００６２】
以上、実施例２では、排熱回収装置の作動流体の放出先を、排熱回収装置の熱交換器と、熱機関の消音器との間、又は熱機関とこの熱機関が備える触媒との間へ切り替える。これによって、熱機関の冷間始動時には、熱機関と触媒との間に廃熱回収装置からの作動流体を放出し、触媒へ供給して、触媒による熱機関の排気の浄化を促進させることができる。なお、実施例２で開示した構成は、以下の実施例においても必要に応じて適用できる。また、実施例２で開示した構成と同様の構成を備えるものは、実施例２と同様の作用、効果を奏する。
【実施例３】
【００６３】
実施例３に係る排熱回収装置は、実施例１に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、熱機関が高出力を要求するときには、熱機関の吸気通路へ圧縮機、又は膨張機のいずれか一方から作動流体を供給して、過給によって熱機関からより多くの出力を取り出す点が異なる。他の構成は実施例１と同様なのでその説明を省略する。
【００６４】
図７は、実施例３に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。実施例３に係る排熱回収装置１０ｃは、圧縮機２０が備えるシリンダ２１内で断熱圧縮した作動流体を放出する圧縮機側排気通路４１に、排気切替手段である圧縮機側切替弁１４が取り付けられている。圧縮機２０から放出された作動流体は、圧縮機側排気通路４１を通って圧縮機側切替弁１４へ送られる。圧縮機側切替弁１４の出口には、熱交換器１２と、第３作動流体排気通路４６とが接続される。
【００６５】
ここで、第３作動流体排気通路４６には、図７に示すように、リード弁１５が設けられている。このリード弁１５は、圧縮機２０から放出される作動流体の圧力（作動流体圧縮機圧力）Ｐｂｃが、内燃機関１の吸気圧力Ｐｉよりも大きくなった場合（Ｐｂｃ＞Ｐｉ）に開弁するように設定される。このようにすれば、吸気圧力Ｐｉが作動流体圧縮機圧力Ｐｂｃよりも大きくなった場合に、内燃機関１の吸気が排熱回収装置１０の圧縮機２０へ逆流することを防止できる。なお、第３作動流体排気通路４６には、必要に応じて冷却器を設けて、内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給される作動流体を冷却してもよい。
【００６６】
圧縮機側切替弁１４は、前記作動流体の放出先を、熱交換器１２又は熱機関である内燃機関１の吸気通路１ｉに切り替える。そして、内燃機関１が高出力を要求しているときには、内燃機関１の吸気通路１ｉへ圧縮機２０からの作動流体を供給して、過給する。これによって、内燃機関１から高出力を得ることができる。また、圧縮機２０から供給される作動流体は、圧縮により昇温しているので、火炎伝播速度を向上させることができ、燃焼性を改善できる。特に、寒冷地における運転時のように、吸気温度が低い場合には有効である。また、寒冷地でなくとも、いわゆるリーンバーン運転をする際には空気が過多となって燃焼が悪化するが、圧縮機２０から作動流体を供給すれば、吸気温度上昇によって燃焼を改善できるため、安定した運転のために有効である。ここで、吸気温度を上昇させる目的であれば、圧縮機２０で圧縮し、熱交換器１２で受熱した作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給してもよい。
【００６７】
なお、圧縮機側切替弁１４の開度を調整することによって、内燃機関１へ過給する作動流体の量を調整することができる。ここで、圧縮機側切替弁１４は、ＥＣＵ５０によって制御される。圧縮機側切替弁１４は、例えば、図３−１に示したバタフライ弁式のものや、図３−２に示したロータリー弁式のものを使用することができる。次に、実施例３に係る排熱回収装置の制御について説明する。実施例３に係る排熱回収装置の制御は、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置（図５）によって実現できる。この説明においては、適宜図５、図７を参照されたい。
【００６８】
図８は、実施例３に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例３に係る排熱回収装置の制御を実行するにあたり、排熱回収装置の制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、内燃機関１が過給を要求しているか否かを判定する。具体的には、制御条件判定部７１がアクセル開度センサ６３から要求されているアクセル開度ｅａｃｃｐを検出する。そして、制御条件判定部７１は、アクセル開度ｅａｃｃｐが、過給要求判定アクセル開度ｅａｃｃｐ＿ｂよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０１）。
【００６９】
ｅａｃｃ≦ｅａｃｃｐ＿ｂである場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、供給空気量制御部７２は、圧縮機側切替弁１４（図７）を全閉として（ステップＳ２０７）、内燃機関１への過給を中止する。処理部５０ｐの制御部５３は、内燃機関１に対する燃料噴射量及び点火時期を、過給しないときのものに設定し（ステップＳ２０８）、これに基づいて内燃機関１へ燃料を噴射し、点火する（ステップＳ２０９）。なお、全閉とは、吸気通路１ｉへの作動流体の供給を完全に停止する状態をいう。
【００７０】
ｅａｃｃ＞ｅａｃｃｐ＿ｂである場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、制御条件判定部７１は、アクセル開度センサ６３から要求されているアクセル開度ｅａｃｃｐを検出し、これに基づいて、過給時における要求空気量を算出する（ステップＳ２０２）。そして、供給空気量制御部７２は、制御条件判定部７１が算出した触媒前導入空気の量に基づき、圧縮機側切替弁１４の開度を決定し（ステップＳ２０３）、決定した切替弁の開度に圧縮機側切替弁１４を開き、内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を供給する（ステップＳ２０４）。そして、処理部５０ｐの制御部５３は、内燃機関１に対する燃料噴射量及び点火時期を、過給するときのものに設定し（ステップＳ２０５）、これに基づいて内燃機関１へ燃料を噴射し、点火する（ステップＳ２０６）。
【００７１】
なお、圧縮機２０から内燃機関１へ作動流体を供給するときには、供給量にもよるが、排熱回収装置１０ｃは、外部動力によらなければ駆動できない。したがって、この実施例においては、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｃを駆動して、圧縮機２０から内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を供給することになる。ただし、内燃機関１へ供給する作動流体の量によっては、これを失ったとしても外部動力によらず排熱回収装置１０ｃを駆動できる場合がある。このような場合には、圧縮機２０で圧縮した作動流体の一部を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給すればよい。
【００７２】
（変形例）
実施例３の変形例に係る排熱回収装置は、実施例３に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、さらに、膨張機が備える膨張機側排気通路にも排気切替手段と、圧縮機から放出される作動流体、又は膨張機から放出される作動流体を切り替えて熱機関の吸気通路に放出する排気切替手段とを備える。そして、熱機関が高出力を要求するときには、熱機関の吸気通路へ圧縮機又は膨張機から作動流体を供給して、過給によって熱機関からより多くの出力を取り出す点が異なる。他の構成は実施例３と同様なのでその説明を省略する。
【００７３】
図９は、実施例３の変形例に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。実施例３の変形例に係る排熱回収装置１０ｃ'は、圧縮機２０が備えるシリンダ２１内で断熱圧縮した作動流体を放出する圧縮機側排気通路４１に、排気切替手段である圧縮機側切替弁１４が取り付けられている。圧縮機２０から放出された作動流体は、圧縮機側排気通路４１を通って圧縮機側切替弁１４へ送られる。圧縮機側切替弁１４は、圧縮機２０から放出された作動流体を、熱交換器１２又は作動流体供給源切替弁１６へ放出する。
【００７４】
膨張機３０が備えるシリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３には、排気切替手段である膨張機側切替弁１３が取り付けられている。膨張機３０から放出された作動流体は、膨張機側排気通路４３を通って膨張機側切替弁１３へ送られる。膨張機側切替弁１３は、膨張機３０から放出された作動流体を、内燃機関１の消音器３又は作動流体供給源切替弁１６へ放出する。
【００７５】
作動流体供給源切替弁１６には、膨張機側排気分岐通路４３ｍ、圧縮機側排気分岐通路４１ｍ、及び第３作動流体排気通路４６が接続されており、圧縮機２０又は膨張機３０から送られる作動流体のうちいずれか一方を選択して、内燃機関１へ送ることができる。また、圧縮機側切替弁１４の開度を調整することによって、内燃機関１へ送る作動流体の量を調整することができる。作動流体供給源切替弁１６は、内燃機関１が高出力を要求しているときには、内燃機関１の吸気通路１ｉへ圧縮機２０又は膨張機３０からの作動流体を放出、供給して、過給する。ここで、作動流体供給源切替弁１６は、ＥＣＵ５０によって制御される。作動流体供給源切替弁１６は、例えば、図３−１に示したバタフライ弁式のものや、図３−２に示したロータリー弁式のものを使用することができる。ここで、第３作動流体排気通路４６には、図９に示すように、リード弁１５を設けられている。この点は実施例３に係る排熱回収装置１０ｃと同様である。次に、実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御について説明する。実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御は、実施例２に係る排熱回収装置の制御装置（図５）によって実現できる。この説明においては、適宜図５、図９を参照されたい。
【００７６】
図１０は、実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御において、ステップＳ３０１、ステップＳ３０２は、実施例３に係る排熱回収装置の制御におけるステップＳ２０１、ステップＳ２０２と同様である。また、実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御におけるステップＳ３０６〜ステップＳ３１１は、実施例３に係る排熱回収装置の制御におけるステップＳ２０３〜ステップＳ２０９と同様であるので、同様である手順については説明を省略する。
【００７７】
制御条件判定部７１が、過給時における要求空気量を算出したら（ステップＳ３０２）、制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ｃ'が、外部駆動を要するか否かを判定する（ステップＳ３０３）。内燃機関１から排出される排気Ｅｘの温度が十分に高ければ、これによって排熱回収装置１０ｃ'を駆動できるので、膨張機３０で断熱膨張した作動流体（空気）を内燃機関１の吸気通路１ｉへ放出し、内燃機関１へ供給する。
【００７８】
一方、内燃機関１が冷間始動した直後等は、内燃機関１の排気Ｅｘの温度が十分でなく、排熱回収装置１０ｃ'によって、内燃機関１の排熱を回収できない場合がある。この場合には、外部動力によって排熱回収装置１０ｃ'を駆動し、圧縮機２０又は膨張機３０からの作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ放出し、内燃機関１へ供給する。
【００７９】
排熱回収装置１０ｃ'が外部駆動を必要とする場合（ステップＳ３０３；Ｙｅｓ）、制御部５３は、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｃ'を駆動する。すなわち、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｃ'を外部駆動して、圧縮機２０又は膨張機３０から内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を放出し、内燃機関１へ供給する（ステップＳ３０４）。圧縮機２０又は膨張機３０のいずれかから作動流体を供給するかは、圧縮機で断熱圧縮した作動流体の圧力や量、又は膨張機３０で断熱膨張した作動流体の圧力や量と、内燃機関１の要求する吸気量や過給圧力等とを比較して判定する。
【００８０】
排熱回収装置１０ｃ'が外部駆動を必要としない場合（ステップＳ３０３；Ｎｏ）、制御条件判定部７１は、膨張機３０から作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給可能か否かを判定する（ステップＳ３０５）。これは、膨張機３０で断熱膨張した作動流体の圧力や量と、内燃機関１の要求する吸気量や過給圧力等とを比較して判定する。膨張機３０から作動流体を内燃機関１の吸気通路１ｉへ供給できない場合（ステップＳ３０５；Ｎｏ）、外部動力によって排熱回収装置１０ｃ'を駆動して、圧縮機２０又は膨張機３０から内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を放出し、内燃機関１へ供給する（ステップＳ３０４）。
【００８１】
上記ステップＳ３０３〜Ｓ３０５によって外部駆動の有無、作動流体の供給源を決定したら、供給空気量制御部７２は、制御条件判定部７１が算出した触媒前導入空気の量に基づき、膨張機側切替弁１３、１４、１５の開度を決定し（ステップＳ３０６）、決定した切替弁の開度に切替弁を開き、内燃機関１の吸気通路１ｉへ作動流体を供給する（ステップＳ３０７）。そして、処理部５０ｐの制御部５３は、内燃機関１に対する燃料噴射量及び点火時期を、過給するときのものに設定し（ステップＳ３０８）、これに基づいて内燃機関１へ燃料を噴射し、点火する（ステップＳ３０９）。
【００８２】
以上、実施例３及びその変形例では、圧縮機、又は膨張機のいずれか一方から作動流体を熱機関の吸気通路へ放出し、供給できるようにしてある。これによって、熱機関が高出力を要求するときには、圧縮機等から熱機関へ作動流体（空気）を過給できるので、熱機関からより多くの出力を取り出すことができる。なお、実施例３やその変形例で開示した構成は、以下の実施例においても必要に応じて適用できる。また、実施例３やその変形例とで開示した構成と同様の構成を備えるものは、実施例３やその変形例と同様の作用、効果を奏する。
【実施例４】
【００８３】
実施例４に係る排熱回収装置は、実施例２に係る排熱回収装置と略同様の構成であるが、膨張機が備える排気通路に排気切替手段を設け、膨張機から放出される作動流体を、この排熱回収装置が搭載される車両の室内へ供給する点が異なる。他の構成は実施例２と同様なのでその説明を省略する。
【００８４】
図１１は、実施例４に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。実施例４に係る排熱回収装置１０ｄは、膨張機３０が備えるシリンダ３１内で断熱膨張した作動流体を放出する膨張機側排気通路４３に、排気切替手段である膨張機側切替弁１３が取り付けられている。膨張機３０から放出された作動流体は、膨張機側排気通路４３を通って膨張機側切替弁１３へ送られる。膨張機側切替弁１３の出口には、第２膨張機側排気通路４３ａと、第４作動流体排気通路４７とが接続される。そして、第２膨張機側排気通路４３ａは消音器３に、第４作動流体排気通路４７は排熱回収装置１０ｄ及び内燃機関１が搭載される車両の室内（車室内）へ接続される。
【００８５】
膨張機側切替弁１３は、前記作動流体の放出先を、内燃機関１の消音器３との間、又は車室内へ切り替える。そして、排熱回収装置１０ｄの膨張機３０から放出される作動流体を、内燃機関１の冷却水温がある程度の温度に上昇するまで、暖房用として車室内へ供給する。なお、膨張機側切替弁１３の開度を調整することによって、車室内へ供給する作動流体の量を変化させることができる。なお、膨張機側切替弁１３は、ＥＣＵ５０によって制御される。
【００８６】
図１２は、実施例４に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。この排熱回収装置１０ｅは、上記排熱回収装置１０ｄと略同様の構成であるが、膨張機３０から放出される作動流体を、一旦ヒータ用熱交換器１７に導き、ここで、車室内の空気と熱交換させる。このように、ヒータ用熱交換器１７を介して、間接的に車室内の空気を温める点が、上記排熱回収装置１０ｄと異なる。
【００８７】
膨張機側切替弁１３に接続される第５作動流体排気通路４８は、ヒータ用熱交換器１７を経由して、第２膨張機側排気通路４３ａに接続される。これによって、膨張機側切替弁１３から送り出される膨張機３０からの作動流体をヒータ用熱交換器１７に導き、同じくヒータ用熱交換器１７に接続される暖房用通路４９内を流れる車室内の空気と熱交換させる。熱交換が終了した作動流体は、第２膨張機側排気通路４３ａを通って消音器３へ放出される。次に、実施例４係る排熱回収装置の制御について説明する。実施例４に係る排熱回収装置の制御は、実施例２で説明した排熱回収装置の制御装置７０によって実現できる。次の説明においては、適宜図５、図１１、図１２を参照されたい。
【００８８】
図１３は、実施例４に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。実施例４に係る排熱回収装置の制御を実行するにあたり、排熱回収装置の制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ｄ又は１０ｅが搭載されている車両のヒータ要求フラグｅｘ＿ｈがＯＮであるか否かを判定する（ステップＳ４０１）。ヒータ要求フラグｅｘ＿ｈがＯＦＦである場合（ステップＳ４０１；Ｎｏ）、処理部５０ｐの制御部５３は、ヒータの動作を停止する（ステップＳ４１０）。
【００８９】
ヒータ要求フラグｅｘ＿ｈがＯＮである場合（ステップＳ４０１；Ｙｅｓ）、制御条件判定部７１は、内燃機関１の水温Ｔｅが、ヒータ動作可能水温Ｔｓｗよりも低いか否かを判定する（ステップＳ４０２）。Ｔｅ＜Ｔｓｗである場合、内燃機関１の冷却水を利用してヒータを動作させることはできないので、かかる場合には、排熱回収装置１０ｄ又は１０ｅを用いてヒータを動作させるためである。
【００９０】
Ｔｅ≧Ｔｓｗである場合（ステップＳ４０２；Ｎｏ）、内燃機関１の冷却水を利用してヒータを動作させることができる。この場合、供給空気量制御部７２は、膨張機側切替弁１３（図１１、図１２）を全閉とする（ステップＳ４０８）。処理部５０ｐの制御部５３は、通常のヒータ制御、すなわち、内燃機関１の冷却水を利用した場合のヒータ制御を実行する（ステップＳ４０９）。なお、全閉とは、車室内あるいはヒータ用熱交換器１７への作動流体の供給を完全に停止する状態をいう。
【００９１】
Ｔｅ＜Ｔｓｗである場合（ステップＳ４０２；Ｙｅｓ）、供給空気量制御部７２は、車室内の温度や外気温度等から、ヒータに要求される温度（ヒータ要求温度）及びエネルギを算出する（ステップＳ４０３）。次に、制御条件判定部７１は、排熱回収装置１０ｄ、あるいは１０ｅの膨張機３０から排出される作動流体の温度Ｔｅｘ＿ｒと、ヒータ要求温度とを比較する（ステップＳ４０４）。Ｔｅｘ＿ｒ≦ヒータ要求温度である場合（ステップＳ４０４；Ｎｏ）、膨張機３０から排出される作動流体によっては、ヒータが要求する温度を発生させることができないので、ヒータの動作を停止する（ステップＳ４１０）。
【００９２】
Ｔｅｘ＿ｒ＞ヒータ要求温度である場合（ステップＳ４０４；Ｙｅｓ）、膨張機３０から排出される作動流体によって、ヒータが要求する温度を発生させることができる。この場合、供給空気量制御部７２は、前記ヒータ要求温度や膨張機３０から放出される作動流体の温度等から、膨張機３０の排気エネルギ（流量）を算出する（ステップＳ４０５）。次に、供給空気量制御部７２は、ステップＳ４０５で求めたエネルギ（流量）を満足させるように、膨張機側切替弁１３の開度を設定し（ステップＳ４０６）、設定した切替弁開度に前記膨張機側切替弁１３の開度を調整する（ステップＳ４０７）。
【００９３】
なお、膨張機３０から車室内へ作動流体を供給するときには、内燃機関１の始動時（特に冷間始動時）なので、十分な温度の排気を熱交換器１２へ供給できない場合が多く、排熱回収装置１０ｄ、１０ｅは、外部動力によらなければ駆動できない。したがって、この実施例においては、Ｍ／Ｇ５によって排熱回収装置１０ｄ、１０ｅを駆動して、膨張機３０から車室内やヒータ用熱交換器１７へ作動流体を供給することになる。ただし、車室内やヒータ用熱交換器１７へ供給する作動流体の量によっては、これを失ったとしても外部動力によらず排熱回収装置１０ｃを駆動できる場合がある。このような場合には、膨張機３０から放出される作動流体を車室内やヒータ用熱交換器１７へ供給すればよい。
【００９４】
以上、実施例４では、熱機関である内燃機関の冷却水温が十分に上昇していない場合でも、速やかに車室内の暖房を用いることができる。また、排熱回収装置の作動流体に空気を用いる場合、直接車室内へ作動流体を供給できる。そして、作動流体に空気を使用すれば、ヒータ用熱交換器を介して間接的に車室内を暖める場合においては、漏洩対策も容易である。これによって、簡素な構成で、車室内を暖房することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱を動力として回収することに有用であり、特に、圧縮機と、熱交換器と、膨張機とを備えるブレイトンサイクル機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】実施例１に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図２】実施例２に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図３−１】実施例２に係る排熱回収装置が備える排気切替手段の一例を示す説明図である。
【図３−２】実施例２に係る排熱回収装置が備える排気切替手段の一例を示す説明図である。
【図４】実施例２に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。
【図５】実施例２に係る排熱回収装置の制御装置を示す説明図である。
【図６】実施例２に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【図７】実施例３に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図８】実施例３に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【図９】実施例３の変形例に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図１０】実施例３の変形例に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【図１１】実施例４に係る排熱回収装置を示す全体構成図である。
【図１２】実施例４に係る排熱回収装置の他の例を示す全体構成図である。
【図１３】実施例４に係る排熱回収装置の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９７】
１ 内燃機関
１ｉ 吸気通路
２ 触媒
３ 消音器
４ 排気通路
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｃ'、１０ｄ、１０ｅ 排熱回収装置
１２ 熱交換器
１３ 膨張機側切替弁
１４ 圧縮機側切替弁
１５ リード弁
１６ 作動流体供給源切替弁
１７ ヒータ用熱交換器
２０ 圧縮機
２１ シリンダ
２２ ピストン
３０ 膨張機
３１ シリンダ
３２ ピストン
７０ 排熱回収装置の制御装置
７１ 制御条件判定部
７２ 供給空気量制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された作動流体を、熱機関の排熱で加熱する熱交換器と、
前記熱交換器から送られる作動流体を膨張させることによって仕事をさせ、膨張後の作動流体は、前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出する膨張機と、
を含むことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、
前記膨張機から放出された作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間、又は前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、
前記圧縮機から放出された作動流体を、前記熱交換器、又は前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に放出することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項４】
前記熱機関の空燃比が理論空燃比よりも燃料過多である場合には、
前記作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の排熱回収装置。
【請求項５】
前記熱機関が始動してから所定の期間が経過するまで、前記作動流体を前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
【請求項６】
前記圧縮機から放出される作動流体、又は前記膨張機から放出される作動流体のいずれか一方を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項７】
前記排熱回収装置が外部動力を必要とせずに駆動できるときには、前記膨張機から放出される作動流体を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする請求項６に記載の排熱回収装置。
【請求項８】
空気を前記作動流体とするときには、
前記排熱回収装置が搭載される車両の室内へ、前記圧縮機又は膨張気から前記作動流体を供給することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項１】
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された作動流体を、熱機関の排熱で加熱する熱交換器と、
前記熱交換器から送られる作動流体を膨張させることによって仕事をさせ、膨張後の作動流体は、前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出する膨張機と、
を含むことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、
前記膨張機から放出された作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間、又は前記熱交換器と前記熱機関が備える消音器との間に放出することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
空気を前記作動流体とし、また、前記熱機関は、燃料が空気中の酸素と反応して発生した熱エネルギを動力に変換するものであるときには、
前記圧縮機から放出された作動流体を、前記熱交換器、又は前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に放出することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項４】
前記熱機関の空燃比が理論空燃比よりも燃料過多である場合には、
前記作動流体を、前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の排熱回収装置。
【請求項５】
前記熱機関が始動してから所定の期間が経過するまで、前記作動流体を前記熱機関と前記熱機関の排気を浄化する触媒との間に供給することを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
【請求項６】
前記圧縮機から放出される作動流体、又は前記膨張機から放出される作動流体のいずれか一方を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項７】
前記排熱回収装置が外部動力を必要とせずに駆動できるときには、前記膨張機から放出される作動流体を、前記熱機関の吸気通路内へ放出することを特徴とする請求項６に記載の排熱回収装置。
【請求項８】
空気を前記作動流体とするときには、
前記排熱回収装置が搭載される車両の室内へ、前記圧縮機又は膨張気から前記作動流体を供給することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１８８９５７（Ｐ２００６−１８８９５７Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３８１６８７（Ｐ２００４−３８１６８７）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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