JP5247551B2 - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Description

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。

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。

そして、例えば、ポンプと膨張機と被動力伝達装置としてのモータジェネレータとを同軸上に配し、ランキンサイクルの起動時にはモータジェネレータをモータとして機能させてポンプを回転させる一方、冷媒の循環によって膨張機が自発回転し始めたらモータジェネレータを発電機として機能させる流体機械が開示されている（特許文献１）。

特開２００５−３０３８６号公報

上記特許文献１に開示の技術では、モータジェネレータはポンプを駆動させるとともに膨張機の駆動時には発電機として機能するよう構成されているが、夏季等の外気温が高い状況下では、車両の必要とする電力をモータジェネレータで十分に発電できないという問題がある。
この場合、車両の必要とする電力を確保するためには、従来同様に別途内燃機関により駆動されるオルタネータを車両に設けることが考えられる。

しかしながら、一の車両にモータジェネレータと従来同様のオルタネータの二つの発電機を設けることは、余分に設置スペースを占有することになり、また重量やコストの増大に繋がり、好ましいことではない。
そこで、例えば、被動力伝達装置を内燃機関とし、膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介して直接内燃機関に伝達するとともに既存のオルタネータにも伝達する構成の廃熱利用装置が考えられている。

このような構成にすれば、既存のオルタネータを一つ設けただけで膨張機の回転駆動力及び内燃機関の回転駆動力によって効率よく十分に発電を行うことが可能である。
一方、車両には一般に車室内の空調を行う空調装置が設けられており、空調装置の一部であるコンプレッサ等は補機の一つとして通常は上記無端状のベルトを共用して内燃機関により駆動される。即ち、内燃機関及び膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介してオルタネータに伝達する構成のランキンサイクルに空調装置を加えたような車両では、無端状のベルトは内燃機関、膨張機、オルタネータ及びコンプレッサ等の各回転軸に掛け回されている。

ところが、このように無端状のベルトを介して内燃機関及び膨張機の回転駆動力がオルタネータ及びコンプレッサ等の被駆動補機に伝達可能であると、無端状のベルトは一方向に駆動されるため、これらオルタネータ及びコンプレッサ等の配置順、被駆動補機の各負荷の度合いに応じてベルトの張力に部位毎に差が生じ、配置順によってはベルトの張力が局部的に過大となり、ベルトの劣化を早め兼ねず、好ましいことではない。

本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、膨張機にて発生した回転駆動力を無端状のベルトを介して内燃機関に伝達可能なランキンサイクルを備え、無端状のベルトが被駆動補機に掛け回されている場合において該無端状のベルトの張力が過大となることを緩和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。

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内燃機関に伝達する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器が順次介装されたランキンサイクルと、内燃機関に回転駆動される複数の被駆動補機と、内燃機関、前記膨張機または前記膨張機と一体的に連結された膨張機補機及び前記被駆動補機の各回転軸に掛け回された無端状のベルトとを備え、前記被駆動補機のうち最も負担の大きな補機が、前記無端状のベルトの回転方向で視て内燃機関よりも上流側且つ前記膨張機または前記膨張機補機よりも下流側に配置され、少なくとも一つの被駆動補機が、前記膨張機よりも上流側に配置されていることを特徴とする。

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、冷媒の循環路に、内燃機関の回転駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機を経由した冷媒の放熱を行うコンデンサ、該コンデンサを経由した冷媒を膨張させる膨張弁、冷媒への吸熱を行うエバポレータが順次介装された冷凍サイクルをさらに備え、前記被駆動補機には少なくとも前記圧縮機が含まれ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２において、前記被駆動補機には少なくとも前記圧縮機とオルタネータが含まれ、前記圧縮機が内燃機関よりも上流側且つ前記膨張機よりも下流側に配置され、前記オルタネータは内燃機関よりも下流側且つ前記膨張機よりも上流側に配置されてな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によれば、ランキンサイクルの膨張機は回転駆動力を内燃機関に伝達することで内燃機関のアシストを行うが、内燃機関が複数の被駆動補機を回転駆動させる場合であって、これら内燃機関、膨張機または該膨張機と一体的に連結された膨張機補機及び被駆動補機の各回転軸が無端状のベルトで連結されている場合には、被駆動補機のうち最も負担の大きな補機が無端状のベルトの回転方向で視て内燃機関よりも上流側且つ膨張機または膨張機補機よりも下流側に配置され、少なくとも一つの被駆動補機が膨張機よりも上流側に配置される。

従って、最も負担の大きな補機よりも上流側に膨張機が位置することから、当該膨張機の回転駆動力で無端状のベルトを最も負担の大きな補機側ひいては内燃機関側に押すことができ、かかる最も負担の大きな補機よりも下流側における無端状のベルトの張力を緩和することができる。
これにより、無端状のベルトの早期劣化を抑制しつつ、膨張機の回転駆動力で内燃機関の回転駆動力を良好にアシストすることができる。

また、請求項２記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、冷凍サイクルを有する場合、被駆動補機には少なくとも圧縮機が含まれ、当該圧縮機は負担が大きいことから、例えば当該圧縮機が無端状のベルトの回転方向で視て内燃機関よりも上流側且つ膨張機よりも下流側に配置される。

これにより、圧縮機よりも下流側における無端状のベルトの張力を緩和することができる。
また、請求項３記載の内燃機関の廃熱利用装置によれば、被駆動補機には少なくとも圧縮機とオルタネータが含まれ、圧縮機は通常オルタネータよりも負担が大きいことから、当該圧縮機が無端状のベルトの回転方向で視て内燃機関よりも上流側且つ膨張機よりも下流側に配置される。

これにより、圧縮機よりも下流側における無端状のベルトの張力を緩和することができる。

本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 廃熱利用装置を図１の矢視Ａ方向から視た図である。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態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。また、図２は、当該廃熱利用装置を図１の矢視Ａ方向から視た図である。
廃熱利用装置１は、例えば車両に搭載され、エンジン（内燃機関）２、電力回収回路４、エアコン回路（冷凍サイクル）２０、冷却水回路３０、ランキン回路（ランキンサイクル）４０から構成されている。

電力回収回路４は、エンジン２の回転駆動力をオルタネータ１４により電力に変換して回収する電気回路である。エンジン２の回転駆動力は、エンジン２のクランクシャフト（回転軸）７に接合されたプーリ８から無端状のベルト１２、電力回収回路４側のプーリ１０及び駆動軸（回転軸）１１を順次介してオルタネータ（被駆動補機）１４に伝達され、オルタネータ１４にて回転駆動力が電力に変換されて電力回収回路４にて回収される。電力回収回路４にて回収された電力は、例えば車両の各種電気機器の駆動電力として利用される。

エアコン回路２０は、作動流体としての冷媒の循環路２２に、冷媒の流れ方向で視て順に、圧縮機２４、何れも図示しないエアコンコンデンサ、気液分離器、膨張弁、エバポレータなどが介装されて閉回路を構成しており、当該エバポレータに車室内の空気を通風して冷媒との間で熱交換させることにより、例えば車両の車室内の空調を行っている。
ここに、圧縮機（被駆動補機）２４は、ベルト１２及びプーリ２６を介して駆動軸（回転軸）２５に伝達されたエンジン２の回転駆動力により駆動され、上記エバポレータにて蒸発した冷媒を圧縮して過熱蒸気の状態にする。そして、圧縮機２４から吐出される冷媒は、上記エアコンコンデンサにて凝縮液化され、当該液化した液冷媒は上記気液分離器を経て上記膨張弁にて膨張された後に上記エバポレータに向けて送出される。

冷却水回路３０は、エンジン２の冷却水通路に連通された冷却水の循環路３２に、冷却水の流れ方向で視て順に、ランキン蒸発器３４、何れも図示しないラジエータ、サーモスタット、水ポンプなどが介装されて閉回路を構成し、エンジン２を冷却している。
ランキン回路４０は、作動流体としての冷媒の循環路４２に、冷媒の流れ方向で視て順に、上記ランキン蒸発器３４、流体機械３、ランキンコンデンサ（凝縮器）４４などが介装されて閉回路を構成し、ランキン蒸発器３４にて冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収している。

ここに、流体機械３は、冷媒を循環させるポンプ（膨張機補機）４６と、ポンプ４６から圧送された後にランキン蒸発器３４にて加熱され過熱状態となる冷媒の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機４８とが同一の駆動軸（回転軸）５０によって駆動されるポンプ一体型膨張機であり、駆動軸５０に接続されたプーリ５２及びベルト１２を介して上記エンジン２の回転駆動をアシストするよう構成されている。

そして、膨張機４８を経由して流体機械３から送出された冷媒は、ランキンコンデンサ４４にて凝縮液化され、当該液化された液冷媒は再び流体機械３のポンプ４６を経由して流体機械３からランキン蒸発器３４に向けて圧送される。
このように、廃熱利用装置１は、エンジン２のクランクシャフト（回転軸）７に接合されたプーリ８に、無端状のベルト１２を介してオルタネータ１４のプーリ１０、圧縮機２４のプーリ２６、流体機械３ひいては膨張機４８のプーリ５２が連結されて構成されている。

詳しくは、図２に示すように、廃熱利用装置１は、ベルト１２の回転方向（矢印で示す）で視て、オルタネータ１４のプーリ１０がエンジン２のプーリ８の直下流側に、圧縮機２４のプーリ２６がエンジン２のプーリ８の直上流側に、さらに膨張機４８のプーリ５２が圧縮機２４のプーリ２６の直上流側に位置するように、無端状のベルト１２がこれらプーリ８、１０、２６、５２に掛け回されて構成されている。

即ち、本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置では、圧縮機２４のプーリ２６がベルト１２の回転方向で視てエンジン２のプーリ８の上流側且つ膨張機４８のプーリ５２の下流側に位置し、膨張機４８のプーリ５２が圧縮機２４のプーリ２６の上流側且つオルタネータ１４のプーリ１０の下流側に位置し、オルタネータ１４のプーリ１０がエンジン２のプーリ８の下流側且つ膨張機４８のプーリ５２の上流側に位置するようにして被駆動補機である圧縮機２４及びオルタネータ１４が配設されている。

このように、圧縮機２４のプーリ２６がエンジン２のプーリ８の上流側且つ膨張機４８のプーリ５２の下流側に位置していると、圧縮機２４はエアコンの作動状態に応じてオルタネータ１４に比べて負荷が高く最も負担の大きな補機となることから、プーリ８とプーリ２６間のベルト１２の張力が非常に大きくなり易いのであるが、膨張機４８のプーリ５２が圧縮機２４のプーリ２６の上流側且つオルタネータ１４のプーリ１０の下流側に位置していることで、上述の如く膨張機４８の回転駆動力がベルト１２を介してエンジン２の回転駆動をアシストし、この際ベルト１２をエンジン２のプーリ８側に押すこととなり、膨張機４８の下流側に位置するプーリ８とプーリ２６間のベルト１２の張力が過大となることを緩和可能である。

これにより、本発明に係る内燃機関の廃熱利用装置によれば、無端状のベルト１２の早期劣化を抑制しつつ、膨張機４８の回転駆動力によってエンジン２の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
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、最も負荷の大きな補機である圧縮機２４のプーリ２６がエンジン２のプーリ８の上流側且つ膨張機４８のプーリ５２の下流側に位置するように圧縮機２４を配設したが、このような最も負荷の大きな補機に限られず、エンジン２のプーリ８の上流側且つ膨張機４８のプーリ５２の下流側に、最も負担の大きな補機として最も稼働率の大きな補機や最も無端状のベルト１２の前後の張力差の大きな補機を配設するようにしてもよく、このようにしても上記同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、圧縮機２４及びオルタネータ１４の２つの被駆動補機を配設するようにしているが、被駆動補機は３以上の複数であってもよい。例えば、圧縮機２４やオルタネータ１４の他に、或いはこれらに代えて、冷却ファン、スーパーチャージャ、ウォータポンプ等を配設するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、膨張機４８をポンプ４６と一体をなすポンプ一体型膨張機の流体機械３として構成したが、膨張機４８はポンプ（膨張機補機）４６を別体とした単体であってもよいことは勿論である。この場合、無端状のベルト１２は直接に膨張機４８のプーリに掛け回される。

また、上記実施形態では、膨張機４８をポンプ４６と同一の駆動軸（回転軸）５０により駆動されるポンプ一体型膨張機の流体機械３として構成したが、膨張機４８を必ずしもポンプ４６と同一の駆動軸とせず、単にポンプ（膨張機補機）４６とギヤ等で一体的に連結してポンプ一体型膨張機の流体機械３として構成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ランキン回路４０は、ランキン蒸発器３４を介し冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収しているが、例えばエンジン２の排気通路を流れる排ガスとの間で熱交換を行うことでエンジン２の廃熱を回収するようにしてもよい。

１ 廃熱利用装置
２ エンジン
３ 流体機械
４ 電力回収回路
８、１０、２６、５２ プーリ
１２ ベルト
１４ オルタネータ（被駆動補機）
２０ エアコン回路（冷凍サイクル）
２４ 圧縮機（被駆動補機）
３０ 冷却水回路
４０ ランキン回路（ランキンサイクル）
４８ 膨張機

Claims (3)

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内燃機関に伝達する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器が順次介装されたランキンサイクルと、
   内燃機関に回転駆動される複数の被駆動補機と、
   内燃機関、前記膨張機または前記膨張機と一体的に連結された膨張機補機及び前記被駆動補機の各回転軸に掛け回された無端状のベルトとを備え、
   前記被駆動補機のうち最も負担の大きな補機が、前記無端状のベルトの回転方向で視て内燃機関よりも上流側且つ前記膨張機または前記膨張機補機よりも下流側に配置され、少なくとも一つの被駆動補機が、前記膨張機よりも上流側に配置されていることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 冷媒の循環路に、内燃機関の回転駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機を経由した冷媒の放熱を行うコンデンサ、該コンデンサを経由した冷媒を膨張させる膨張弁、冷媒への吸熱を行うエバポレータが順次介装された冷凍サイクルをさらに備え、
   前記被駆動補機には少なくとも前記圧縮機が含まれ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。
3. 前記被駆動補機には少なくとも前記圧縮機とオルタネータが含まれ、前記圧縮機が内燃機関よりも上流側且つ前記膨張機よりも下流側に配置され、前記オルタネータは内燃機関よりも下流側且つ前記膨張機よりも上流側に配置されてなることを特徴とする、請求項２記載の内燃機関の廃熱利用装置。

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