JP4736857B2 - 熱エネルギ回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器で吸熱した熱エネルギを機械エネルギに変換する熱エネルギ回収装置に関する。

従来、熱エネルギを機械エネルギに変換する熱サイクル機関が存在する。例えば、この種の熱サイクル機関としては、下記の特許文献１，２に開示されたブレイトンサイクル機関が知られている。そのブレイトンサイクル機関とは、吸入した作動ガスを断熱圧縮する圧縮機と、この圧縮機で断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器と、この熱交換器で等圧受熱された作動ガスを断熱膨張させる膨張機とを備え、その膨張力を利用してクランクシャフトから出力を取り出すものである。

このように、熱サイクル機関とは、高温流体の熱エネルギを利用して出力を得るものであり、その高温流体の熱エネルギを回収する熱エネルギ回収装置として構築される。例えば、この熱エネルギ回収装置の一例としては、内燃機関から排出された排気ガスを高温流体として利用した内燃機関の排気熱回収装置がある。

尚、下記の特許文献３，４には、所定の燃料の改質反応によって改質燃料の生成を行う燃料改質装置に係る技術が開示されている。

特開平６−２５７４６２号公報 特開２００５−３２５７１１号公報 特開２００４−１６８６２０号公報 特開平１０−８９０５７号公報

ところで、上述した熱エネルギ回収装置を内燃機関の排気熱回収装置として構築する場合には、その内燃機関の排気経路上に熱交換器を配設するのが一般的である。しかしながら、その熱交換器を排気経路上の何れの位置に配置するかによっては、内燃機関のエミッション性能の悪化や熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量の低下が懸念される。即ち、内燃機関の排気経路上には排気ガス浄化用の排気触媒を配設しているが、その排気触媒に対して熱交換器を排気ガスの流れ方向から見て上流側に配置するか下流側に配置するかによっては、内燃機関のエミッション性能と熱エネルギ回収装置における排気熱の回収量という以下の如き二律背反する課題が生じてしまう。

例えば、熱交換器を排気経路上における排気触媒の下流に配置した場合には、高温の排気ガスが熱交換器よりも先に排気触媒を通過するので、内燃機関の始動時に排気触媒を活性温度まで早い段階で昇温させ、機関始動時の排気ガス中のＨＣ成分の浄化性能を向上させることができる。その反面、かかる場合には、排気ガスの排気熱が排気触媒で大量に奪われてしまうので、熱交換器で作動ガスに吸熱させ得る排気熱が低くなり、その回収量が少なくなってしまう。

一方、熱交換器を排気経路上における排気触媒の上流に配置した場合には、高温の排気ガスを排気触媒よりも先に熱交換器へと流入させることができるので、その排気熱の回収量の増加が可能になる。その反面、かかる場合には、排気ガスの排気熱が熱交換器で大量に奪われてしまうので、機関始動時に排気触媒が活性温度へと到達するまでの時間が長くなり、それまでは排気ガス中のＨＣ成分を浄化できずに大気へと放出してしまう。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、機関始動時におけるエミッション性能の向上と排気熱の回収量の増加を両立させることが可能な熱エネルギ回収装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、吸入した作動ガスを圧縮する圧縮機と、燃焼機関の排気経路上に配置して当該燃焼機関の排気熱を圧縮機で圧縮された作動ガスに吸熱させる熱交換器と、その吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた膨張機とを有する熱エネルギ回収装置において、その熱交換器を排気経路上の排気触媒よりも排気ガスの流れに対する上流側に配置し、燃料を改質して生成した水素を燃焼機関の吸気経路に供給する燃料改質装置を設け、燃焼機関の始動時に、圧縮機から排出された作動ガスを排気触媒が活性温度に達するまで燃料改質装置へと供給し、その作動ガスと前記燃料とを改質反応させることを特徴とする。

この請求項１記載の熱エネルギ回収装置は、熱交換器が排気触媒よりも上流側に配置されているので、燃焼機関から排出された排気ガスを高温に保ったまま熱交換器に流入させることができる。従って、この熱エネルギ回収装置は、その排気ガスの排気熱の回収量が増加し、出力を向上させることができる。また、この請求項１記載の熱エネルギ回収装置においては、改質された水素で燃焼機関を燃焼させることによって排気ガス中のＨＣ成分を大幅に低減させることができるので、そのような熱交換器と排気触媒の位置関係により排気触媒が活性温度に達していなくても、その際に水素で燃焼させることでエミッション性能の悪化を抑制することができる。また、この請求項１記載の熱エネルギ回収装置によれば、燃焼機関の始動時には、排気触媒が活性温度に達するまで圧縮機を燃料改質装置におけるポンプ等の酸素供給手段として利用することができる。また、この請求項１記載の熱エネルギ回収装置によれば、その始動時には、排気ガス中のＨＣ成分が皆無に等しくなり、排気触媒が活性温度に達していなくてもエミッション性能の悪化を防ぐことができる。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の熱エネルギ回収装置において、圧縮機から排出された作動ガスを熱交換器に導く作動ガス排出通路と燃料改質装置の燃料改質触媒とを連通させる作動ガス供給通路と、燃焼機関の始動時に作動ガス排出通路における熱交換器側を遮断すると共に燃料改質触媒側を開放する作動ガス流路切替手段と、を備える作動ガス供給手段を設けている。

ここで、燃料改質触媒においては、燃料（炭化水素系燃料）と酸素とが改質反応を起こすことにより水素を生成する。従って、この請求項２に記載の熱エネルギ回収装置によれば、例えば、作動ガスとして空気や酸素を使用することによって、排気触媒が活性温度に達していない機関始動時に、圧縮機を燃料改質装置におけるポンプ等の酸素供給手段として利用することができる。

また、上記目的を達成する為、請求項３記載の発明では、上記請求項２記載の熱エネルギ回収装置において、排気触媒が活性温度に達したときに、作動ガス排出通路における熱交換器側を開放すると共に燃料改質触媒側を遮断するよう作動ガス流路切替手段を構成している。

この請求項３記載の熱エネルギ回収装置によれば、排気触媒が活性温度に達したときには、圧縮機から排出された作動ガスが熱交換器へと供給されるので、熱エネルギ回収装置をブレイトンサイクル機関として駆動させることができる。

また、上記目的を達成する為、請求項４記載の発明では、上記請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置において、燃焼機関の始動時に圧縮機を駆動させる駆動手段を設けている。例えば、その駆動手段としては、請求項５記載の発明の如くモータジェネレータを利用することができ、また、請求項６記載の発明の如く燃焼機関のクランクシャフトの回転に連動して圧縮機を駆動させるべく構成されたものを利用することができる。

ここで、機関始動時に圧縮機を酸素供給手段として使用する為にはその圧縮機を駆動させなければならないが、その圧縮機のみでは駆動させることができない。これが為、この請求項４，５又は６に記載の熱エネルギ回収装置においては、上記の駆動手段を設けることによって、機関始動時に圧縮機を酸素供給手段として作動させることができる。

例えば、請求項５記載の発明の如くモータジェネレータを用いた場合には、機関始動時にモータとして使用し、排気触媒が活性温度に達した後でジェネレータとして使用することができる。従って、駆動手段としてモータジェネレータを用いれば、排気触媒が活性温度に達した後においては、熱エネルギ回収装置が回収した排気熱を利用して蓄電させることができる。

本発明に係る熱エネルギ回収装置は、上述したが如く、熱交換器を排気触媒よりも上流に配置することで排気熱の回収量を増加させることができると共に、改質燃料（水素）を燃焼機関の吸気経路へと供給して燃焼させることで排気ガス中のＨＣ成分を大幅に削減することができる。即ち、本発明に係る熱エネルギ回収装置によれば、機関始動時のエミッション性能の向上と排気熱の回収量の増加を両立させることができる。また、この本発明に係る熱エネルギ回収装置は、燃焼機関の始動時に、排気触媒が活性温度に達するまで圧縮機を燃料改質装置におけるポンプ等の酸素供給手段として利用することができる。また、この本発明に係る熱エネルギ回収装置は、その始動時に、排気ガス中のＨＣ成分を皆無に等しくでき、排気触媒が活性温度に達していなくてもエミッション性能の悪化を防ぐことができる。

以下に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１を図１から図２−２に基づいて説明する。図１の符号１は、本実施例１の熱エネルギ回収装置を示す。

本実施例１の熱エネルギ回収装置１は、高温流体の熱を利用して作動ガスを断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて動力を得るブレイトンサイクル機関であって、図１に示す如く、吸入した作動ガスを断熱圧縮する圧縮機１０と、この圧縮機１０にて断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器２０と、この熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスを断熱膨張させる膨張機３０と、この膨張機３０の断熱膨張に伴って回転するクランクシャフト４０とを備えている。

この熱エネルギ回収装置１においては、図２−１のＰ−Ｖ線図や図２−２のＴ−ｓ線図に示す如く、圧力Ｐ１の作動ガスが圧縮機１０に吸入され、この圧縮機１０にて圧力Ｐ１，体積Ｖ１（＝Ｖ_ｃｏｍｐ），温度Ｔ１，エントロピｓ１の作動ガスを断熱圧縮する。しかる後、この断熱圧縮された圧力Ｐ２，体積Ｖ２，温度Ｔ２，エントロピｓ１の作動ガスが熱交換器２０へと送出され、この熱交換器２０にて高温流体と等圧受熱される。そして、その等圧受熱された圧力Ｐ２，体積Ｖ３，温度Ｔ３，エントロピｓ２の作動ガスが膨張機３０へと流入して断熱膨張を行い、その断熱膨張後の圧力Ｐ１，体積Ｖ４，温度Ｔ４，エントロピｓ２の作動ガスが膨張機３０から排出（等圧放熱）される。

先ず、本実施例１の熱エネルギ回収装置１における圧縮機１０について説明する。

この圧縮機１０は、容積Ｖ_ｃｏｍｐが一定のシリンダ１１と、このシリンダ１１内を往復運動するピストン１２とを備えている。このピストン１２は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト４０に連結される。尚、そのクランクシャフト４０には、フライホイール５０が配設されている。

また、この圧縮機１０には、作動ガス（例えば、ここでは空気）をシリンダ１１内に導く作動ガス吸入通路１４と、そのシリンダ１１内でピストン１２により断熱圧縮された作動ガスを熱交換器２０の後述する作動ガス通路２２へと導く作動ガス排出通路１５とが設けられており、その夫々に吸気側開閉弁１６と排気側開閉弁１７が配備されている。

ここで、その吸気側開閉弁１６としては、作動ガス吸入通路１４とシリンダ１１内の圧力差により作動ガスをシリンダ１１内に流入させる一方、その作動ガスの作動ガス吸入通路１４への逆流を防ぐ逆止弁を用いる。また、排気側開閉弁１７としては、作動ガス排出通路１５とシリンダ１１内の圧力差により断熱圧縮後の作動ガスを熱交換器２０の作動ガス通路２２に流入させる一方、シリンダ１１内への逆流を防ぐ逆止弁を用いる。

続いて、本実施例１の熱エネルギ回収装置１における熱交換器２０について説明する。

この熱交換器２０は、高温流体が流れる高温流体通路２１と、圧縮機１０で断熱圧縮された作動ガスが流れる作動ガス通路２２とを備えている。その高温流体通路２１と作動ガス通路２２については、作動ガスへの吸熱効率（熱交換器効率）を高める為に高温流体の流れ方向と作動ガスの流れ方向とが逆になるよう配置することが好ましい。

ここで、本実施例１にあっては燃焼機関（ここでは、炭化水素系燃料を燃焼させることによって動力を発生させる内燃機関について例示する。）１００から排出された排気ガスを高温流体として利用させるので、その排気ガスが高温流体通路２１へと流入するよう燃焼機関１００の排気経路１１０上に熱交換器２０を配置して高温流体通路２１と排気経路１１０とを連通させる。

続いて、本実施例１における熱エネルギ回収装置１の膨張機３０について説明する。

この膨張機３０は、容積Ｖ_ｅｘｐ（ここではＶ_ｅｘｐ≧Ｖ_ｃｏｍｐ）が一定のシリンダ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。このピストン３２は、コネクティングロッド３３を介して圧縮機１０と同一のクランクシャフト４０に連結される。

また、この膨張機３０には、熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスをシリンダ３１内に導く作動ガス吸入通路３４と、断熱膨張後の作動ガスをシリンダ３１の外に導く作動ガス排出通路３５とが設けられており、その夫々に吸気側開閉弁３６と排気側開閉弁３７が配備されている。

ここで、その吸気側開閉弁３６及び排気側開閉弁３７としては、例えばチェーンやスプロケット等を介することによりクランクシャフト４０の回転に同期して開閉動作を行う回転同期弁を用いることができる。

このように、本実施例１にあっては、熱エネルギ回収装置１を燃焼機関１００の排気熱回収装置として利用する。従って、その燃焼機関１００から排出された排気ガスの排気熱を有効活用する為には、その排気熱が諸要件（排気ガスの排気経路１１０における流動、排気ガスが排気触媒１１１を通過するなど）により奪われる前に排気ガスを熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入させることが好ましい。

そこで、本実施例１にあっては、排気ガスをより高温の状態で高温流体通路２１に流入させるべく、熱交換器２０を可能な限り燃焼機関１００の燃焼室１００ａに近づけて配置することが好ましい。ここで、図１においては、図示の便宜上、熱交換器２０と燃焼室１００ａとが離れているが、本実施例１の熱交換器２０は、排気経路１１０の上流側（例えば、排気マニホルドの集合部分等）に配置する。これにより、本実施例１にあっては、燃焼機関１００から排出された排気ガスが排出後の高温状態を保ったままで高温流体通路２１へと流入するので、断熱圧縮後の作動ガスへの入熱量が増加する。従って、本実施例１の熱エネルギ回収装置１においては、排気ガスの流動に伴う温度低下を低減することができるので、効率の良い排気熱の回収が可能になる。

また、本実施例１の熱交換器２０は、図１に示す如く、排気経路１１０上で且つ排気ガスの流れに対して当該排気経路１１０上の排気触媒１１１よりも上流側に配置する。これにより、本実施例１にあっては、燃焼機関１００から排出された排気ガスの排気熱が排気触媒１１１で吸熱されないので、断熱圧縮後の作動ガスへの排気熱からの入熱量を増加させることができる。従って、本実施例１の熱エネルギ回収装置１においては、排気ガスが熱交換器２０の高温流体通路２１を通過する前に排気熱が大量に奪われることがなくなり、排気熱の回収量を増加させることができる。尚、かかる場合に排気熱を回収しきれないときには、排気触媒の下流に配置されていた従来の熱エネルギ回収装置における熱交換器よりも容量の大きい熱交換器２０を使用する。

一方、そのように排気触媒１１１を熱交換器２０よりも下流側に配置することによって、その排気触媒１１１には、熱交換器２０で吸熱されて温度低下した排気ガスが流入する。これが為、燃焼機関１００の始動直後等のように排出直後の排気ガスの温度がそもそも低温の場合には、熱交換器２０を通過した後の排気ガスの温度は更に低下しているので、排気触媒１１１を触媒活性温度にまで上昇させるのに時間を要してしまい、排気ガスの浄化が促進されずにエミッション性能が悪化してしまう。本実施例１にあっては、炭化水素系燃料が燃焼室１００ａで燃焼されるので、排気ガス中のＨＣ（炭化水素）成分が排気触媒（三元触媒）１１１で浄化されずに大気へと放出されてしまう。

そこで、本実施例１にあっては、その炭化水素系燃料を水素と一酸化炭素に改質する燃料改質装置６０を配備し、その水素と一酸化炭素を機関始動時に燃焼機関１００の吸気経路１２０へと供給する。即ち、本実施例１の燃焼機関１００においては、改質燃料たる水素を機関始動時の燃料として使用する。従って、この燃焼機関１００の機関始動時には、炭化水素系燃料が供給されず、燃焼性に優れる水素によって燃焼が実行されるので、燃焼時にＨＣ成分が生成されない。これが為、この燃焼機関１００においては、排気ガス中のＨＣ成分を皆無に等しい程度にまで大幅に削減することができるので、たとえ排気触媒１１１が活性温度に達していなくても残存ＨＣ成分によるエミッション性能の悪化を抑制することができる。

ここで、本実施例１の燃料改質装置６０について説明する。例えば、この燃料改質装置６０としては、当該技術分野において周知のものを利用することができる。この燃料改質装置６０は、炭化水素系燃料を水素と一酸化炭素に改質する燃料改質触媒６１と、この燃料改質触媒６１に炭化水素系燃料を供給する燃料噴射手段６２と、その燃料改質触媒６１に酸素供給通路６３を介して空気（又は酸素）を供給するポンプ６４と、このポンプ６４から送出された酸素供給通路６３上の空気量（又は酸素量）を測定するエアフロメータ６５と、その酸素供給通路６３の流路を開閉させる開閉弁６６とを備えており、図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）７０によって駆動制御される。

この燃料改質装置６０においては、電子制御装置７０が開閉弁６６を開弁させると共に、燃料改質触媒６１での改質反応に必要とされる炭化水素系燃料の噴射量と酸素の供給量となるように燃料噴射手段６２及びポンプ６４を駆動制御する。ポンプ６４については、エアフロメータ６５の検出信号を監視しつつ駆動制御される。

そして、この燃料改質装置６０においては、その駆動制御に伴って燃料改質触媒６１に炭化水素系燃料が噴射され且つ空気が供給され、炭化水素系燃料と酸素が例えば加熱器等で加熱された燃料改質触媒６１にて改質反応を起こす。これにより、その燃料改質触媒６１において水素と一酸化炭素が生成され、その水素と一酸化炭素が燃料改質触媒６１から燃焼機関１００の吸気経路１２０へと供給される。

ここで、炭化水素系燃料を主な燃料として使用し、水素を排気触媒１１１が活性温度に達していないときに燃料として使用する上記の如き燃焼機関１００の場合、電子制御装置７０は排気触媒１１１が活性温度か否かに応じて燃料改質装置６０を駆動させる。そこで、本実施例１にあっては、その排気触媒１１１の活性状態を判定する活性状態判定手段が設けられている。本実施例１の活性状態判定手段は、排気触媒１１１の触媒担体温度を検出する温度センサ１１２と電子制御装置７０とにより構成される。電子制御装置７０は、その温度センサ１１２の検出信号に基づいて排気触媒１１１が活性温度か否かを判断し、活性温度に達していなければ燃料改質装置６０を駆動させて水素を供給する一方、活性温度に達していれば燃料改質装置６０を停止させる。また、燃焼機関１００が水素を主燃料とする場合、電子制御装置７０は燃料改質装置６０を機関停止まで駆動させて水素を供給してもよい。

以上示した如く、本実施例１の熱エネルギ回収装置１は、排気ガスの排気熱を大量に奪う排気触媒１１１が熱交換器２０よりも下流に配置されているので、排気ガスを高温に保ったまま熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入させることができる。これが為、この熱エネルギ回収装置１は、排気ガスの排気熱の回収量を増加させることができ、これに伴って出力を向上させることができる。ここで、その熱交換器２０を排気経路１１０の上流側に寄せて配置することにより排気ガスの温度低下を抑えることができるので、効率の良い排気熱の回収が可能になる。

また、機関始動時には燃料改質装置６０からの改質燃料（水素）で燃焼機関１００を燃焼させて、排気ガス中のＨＣ成分を皆無に等しい程度にまで大幅に削減させるので、本実施例１の熱エネルギ回収装置１は、上記の熱交換器２０と排気触媒１１１との位置関係によって排気触媒１１１が活性温度に達していなくてもエミッション性能を向上させることができる。

即ち、本実施例１の熱エネルギ回収装置１によれば、機関始動時のエミッション性能の向上と排気熱の回収量の増加を両立させることができる。

次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２を図３及び図４に基づいて説明する。

本実施例２の熱エネルギ回収装置１は、図３に示す圧縮機１０，熱交換器２０，膨張機３０や燃料改質装置１６０等を具備することで前述した実施例１と同様に燃焼機関１００の排気熱回収装置として構成したものであり、その実施例１における燃料改質装置６０のポンプ６４の機能を圧縮機１０に持たせ、その圧縮機１０から排出された作動ガス（空気）を炭化水素系燃料との改質反応に利用させるべく構成したものである。以下においては、実施例１との相違点のみについて説明する。

本実施例２の燃料改質装置１６０は、実施例１と同様に、燃料改質触媒６１及び燃料噴射手段６２を備えており、その燃料噴射手段６２から燃料改質触媒６１に炭化水素系燃料を噴射する。

ここで、その炭化水素系燃料が改質される為には燃料改質触媒６１に空気（酸素）を供給する必要があるので、この燃料改質装置１６０においても酸素供給通路６３が設けられている。本実施例２にあっては、上述したが如く圧縮機１０を実施例１のポンプ６４として利用する。これが為、本実施例２の酸素供給通路６３は、図３に示す如く圧縮機１０と熱交換器２０とを繋ぐ作動ガス排出通路１５に連通させ、この作動ガス排出通路１５から作動ガスを流入させて燃料改質触媒６１に供給する。従って、以下においては、その「酸素供給通路６３」を「作動ガス供給通路６３」という。尚、その作動ガス供給通路６３には実施例１と同様のエアフロメータ６５が配備されており、電子制御装置７０は、そのエアフロメータ６５の検出信号に基づいて燃料改質触媒６１への空気量を検知する。

また、本実施例２にあっては、その作動ガス排出通路１５と作動ガス供給通路６３との間に図３に示す作動ガス流路切替手段６７を設けている。この作動ガス流路切替手段６７は、圧縮機１０から排出された作動ガスを熱交換器２０に送る第１状態と圧縮機１０から排出された作動ガスを燃料改質触媒６１に送る第２状態とを切り替えるべく構成されたものである。この作動ガス流路切替手段６７は、実施例１の開閉弁６６の機能も兼ねている。従って、本実施例２にあっては、実施例１の開閉弁６６を配備していない。

この作動ガス流路切替手段６７は、電子制御装置７０によって駆動制御される。ここで、本実施例２にあっても熱交換器２０は排気触媒１１１の上流に配置されているので、その排気触媒１１１が活性温度に達していない場合（即ち、機関始動後）には、実施例１と同様に改質燃料（水素）で燃焼機関１００を燃焼させてエミッション性能の悪化を防ぐ必要がある。一方、本実施例２にあっては、排気触媒１１１が活性温度に達した後に燃焼機関１００を炭化水素系燃料で燃焼させる。そこで、本実施例２の電子制御装置７０は、機関始動後には第２状態となるよう作動ガス流路切替手段６７を作動させて改質燃料の生成を実行させ、排気触媒１１１が活性温度に達した後に第１状態となるよう作動ガス流路切替手段６７を作動させて改質燃料の生成を停止させるべく構成する。

例えば、この作動ガス流路切替手段６７としては、圧縮機１０のシリンダ１１内と熱交換器２０の作動ガス通路２２とを連通させ且つ当該シリンダ１１内及び作動ガス通路２２と燃料改質触媒６１とを遮断させる第１状態（即ち、熱交換器２０側を開放して、燃料改質触媒６１側を遮断した状態）と、圧縮機１０のシリンダ１１内と燃料改質触媒６１とを連通させ且つ当該シリンダ１１内及び燃料改質触媒６１と熱交換器２０の作動ガス通路２２とを遮断させる第２状態（即ち、熱交換器２０側を遮断して、燃料改質触媒６１側を開放した状態）とを切り替え可能な三方弁等の作動ガス流路切替弁が考えられる。以下においては、そのような作動ガス流路切替弁を本実施例２の作動ガス流路切替手段６７として例示するので、符号６７については作動ガス流路切替弁を表すものとして説明する。

ところで、燃焼機関１００の始動時には熱エネルギ回収装置１が駆動していないので、上記の如く作動ガス流路切替弁６７を切り替えても燃料改質触媒６１に圧縮機１０から作動ガス（空気）を供給することができない。そこで、本実施例２にあっては、熱エネルギ回収装置１を駆動可能な図１に示す駆動手段８０が設けられている。

この駆動手段８０としては、例えば、熱エネルギ回収装置１のクランクシャフト４０を強制的に回転させるモータやモータジェネレータが考えられる。ここで、モータジェネレータを駆動手段８０として利用する場合には、機関始動時にモータとして使用し、排気触媒１１１が活性温度に達した後でジェネレータとして使用することができる。これが為、駆動手段８０としてモータジェネレータを用いれば、排気触媒１１１が活性温度に達した後においては、熱エネルギ回収装置１が回収した排気熱を利用して蓄電させることができる。

また、駆動手段８０としては、他の動力源の動力を熱エネルギ回収装置１のクランクシャフト４０に伝達する歯車機構や変速機等の動力伝達手段を利用することもできる。例えば、この種の駆動手段８０としては、燃焼機関１００のクランクシャフトの出力を熱エネルギ回収装置１のクランクシャフト４０に伝達可能な無段変速機等が考えられる。

以下、この熱エネルギ回収装置１の動作について図４のフローチャートを用いて説明する。

先ず、電子制御装置７０は、例えば図示しないクランク角センサの検出信号等から燃焼機関１００の始動要求の有無を判断し（ステップＳＴ１）、始動要求無しとの判断であればステップＳＴ１を繰り返す。

一方、この電子制御装置７０は、燃焼機関１００の始動要求有りと判断した場合、上述した第２状態となるように作動ガス流路切替弁６７を切り替える（ステップＳＴ２）。これにより、圧縮機１０のシリンダ１１内と燃料改質触媒６１とが作動ガス排出通路１５及び作動ガス供給通路６３を介して連通する一方、そのシリンダ１１内及び燃料改質触媒６１と作動ガス通路２２とが遮断される。

しかる後、この電子制御装置７０は、駆動手段８０と燃料噴射手段６２を各々に駆動制御する（ステップＳＴ３）。これにより、熱エネルギ回収装置１のクランクシャフト４０が回転して圧縮機１０を駆動させるので、この圧縮機１０は、吸入した作動ガス（空気）を断熱圧縮して作動ガス排出通路１５へと排出する。この作動ガスは、作動ガス流路切替弁６７と作動ガス供給通路６３を経て燃料改質触媒６１に供給される。また、燃料噴射手段６２からは燃料改質触媒６１に対して炭化水素系燃料が噴射される。従って、燃料改質触媒６１においては、実施例１と同様に改質反応が起こり、生成された水素と一酸化炭素が燃焼機関１００の吸気経路１２０に供給される。これが為、その際には、排気ガス中のＨＣ成分が皆無に等しいので、排気触媒１１１が活性温度に達していなくてもエミッション性能の悪化を防ぐことができる。

続いて、この電子制御装置７０は、温度センサ１１２の検出信号に基づいて排気触媒１１１が活性温度に達しているか否か判定する（ステップＳＴ４）。

そして、この電子制御装置７０は、そのステップＳＴ４にて否定判定が為された場合に上記ステップＳＴ３へと戻り、改質燃料の生成と当該改質燃料による燃焼機関１００の燃焼を繰り返す。

一方、この電子制御装置７０は、上記ステップＳＴ４にて肯定判定が為された場合に上述した第１状態となるよう作動ガス流路切替弁６７を切り替える（ステップＳＴ５）。これにより、圧縮機１０のシリンダ１１内と熱交換器２０の作動ガス通路２２とが作動ガス排出通路１５を介して連通する一方、そのシリンダ１１内及び作動ガス通路２２と燃料改質触媒６１とが遮断される。従って、圧縮機１０から排出された作動ガスが熱交換器２０の作動ガス通路２２に供給されるので、その作動ガスには高温流体通路２１の排気ガスの排気熱が入熱される。

尚、このステップＳＴ５においては、駆動手段８０によるクランクシャフト４０の回転駆動と燃料噴射手段６２からの炭化水素系燃料の噴射を停止させる。また、電子制御装置７０は、燃焼機関１００の図示しない燃料噴射装置を駆動して、炭化水素系燃料を吸気経路１２０又は燃焼室１００ａに噴射させる。

このように、本実施例２の熱エネルギ回収装置１は、排気ガスの排気熱を大量に奪う排気触媒１１１が実施例１と同様に熱交換器２０よりも下流に配置されているので、排気ガスを大幅に温度低下させることなく熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入させることができる。これが為、この熱エネルギ回収装置１は、排気ガスの排気熱の回収量を増加させることができ、これに伴って出力を向上させることができる。ここで、実施例１でも示した通り、その熱交換器２０を排気経路１１０の上流側に寄せて配置してもよく、これにより排気ガスの温度低下を抑えて効率の良い排気熱の回収を行うことができる。尚、本実施例２の熱エネルギ回収装置１は、排気触媒１１１が活性温度に達するまでは排気熱の回収が行われない。

また、排気触媒１１１が活性温度に達するまでの機関始動時には、燃料改質装置１６０からの改質燃料（水素）を用いた燃焼を燃焼機関１００に行わせ、排気ガス中のＨＣ成分を皆無に等しい程度にまで大幅に削減させる。これが為、本実施例２の熱エネルギ回収装置１は、排気触媒１１１が活性温度に達していないときのエミッション性能を向上させることができる。

更に、本実施例２にあっては、実施例１のポンプ６４の機能を圧縮機１０に担わせているので、装置構成の簡素化を図ることができる。

以上示した如く、本実施例２の熱エネルギ回収装置１によれば、ＨＣ成分の大気放出という機関始動時のエミッション性能の悪化を防ぎつつその後の排気熱の回収量を増加させることができる。

尚、燃焼機関１００の暖機運転が終了して排気触媒１１１が活性温度に達しても、その後の運転状態によっては排気触媒１１１が活性温度よりも低くなる場合がある。これが為、かかる場合には、温度センサ１１２の検出信号に基づき排気触媒１１１の触媒担体温度を監視して、排気触媒１１１が活性温度に達していれば第１状態となるよう作動ガス流路切替弁６７を作動させ、排気触媒１１１が活性温度に達していなければ第２状態となるよう作動ガス流路切替弁６７を作動させるべく電子制御装置７０を構成してもよい。

以上のように、本発明に係る熱エネルギ回収装置は、燃焼機関の排気熱を回収する際に機関始動時のエミッション性能の向上と排気熱の回収量の増加を両立させる技術に有用である。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１の構成を示す図である。 ブレイトンサイクル機関について説明するＰ−Ｖ線図である。 ブレイトンサイクル機関について説明するＴ−ｓ線図である。 本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２の構成を示す図である。 実施例２の熱エネルギ回収装置の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 熱エネルギ回収装置
１０ 圧縮機
１４ 作動ガス吸入通路
１５ 作動ガス排出通路
２０ 熱交換器
２１ 高温流体通路
２２ 作動ガス通路
３０ 膨張機
３４ 作動ガス吸入通路
３５ 作動ガス排出通路
４０ クランクシャフト
６０，１６０ 燃料改質装置
６１ 燃料改質触媒
６２ 燃料噴射手段
６３ 酸素供給通路，作動ガス供給通路
６４ ポンプ
６５ エアフロメータ
６６ 開閉弁
６７ 作動ガス流路切替手段（作動ガス流路切替弁）
７０ 電子制御装置
８０ 駆動手段
１００ 燃焼機関
１１０ 排気経路
１１１ 排気触媒
１１２ 温度センサ
１２０ 吸気経路

Claims (6)

1. 吸入した作動ガスを圧縮する圧縮機と、燃焼機関の排気経路上に配置して当該燃焼機関の排気熱を前記圧縮機で圧縮された作動ガスに吸熱させる熱交換器と、該吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた膨張機とを有する熱エネルギ回収装置において、
   前記熱交換器を前記排気経路上の排気触媒よりも排気ガスの流れに対する上流側に配置し、燃料を改質して生成した水素を前記燃焼機関の吸気経路に供給する燃料改質装置を設け、
   前記燃焼機関の始動時に、前記圧縮機から排出された作動ガスを前記排気触媒が活性温度に達するまで前記燃料改質装置へと供給し、該作動ガスと前記燃料とを改質反応させることを特徴とする熱エネルギ回収装置。
2. 前記圧縮機から排出された作動ガスを前記熱交換器に導く作動ガス排出通路と前記燃料改質装置の燃料改質触媒とを連通させる作動ガス供給通路と、前記燃焼機関の始動時に前記作動ガス排出通路における熱交換器側を遮断すると共に燃料改質触媒側を開放する作動ガス流路切替手段と、を備える作動ガス供給手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱エネルギ回収装置。
3. 前記作動ガス流路切替手段は、前記排気触媒が活性温度に達したときに、前記作動ガス排出通路における熱交換器側を開放すると共に燃料改質触媒側を遮断するよう構成したことを特徴とする請求項２記載の熱エネルギ回収装置。
4. 前記燃焼機関の始動時に前記圧縮機を駆動させる駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置。
5. 前記駆動手段としてモータジェネレータを利用することを特徴とした請求項４記載の熱エネルギ回収装置。
6. 前記駆動手段は、前記燃焼機関のクランクシャフトの回転に連動して前記圧縮機を駆動させるべく構成したことを特徴とする請求項４記載の熱エネルギ回収装置。

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