JP5826268B2 - 車両用の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて書き部分、プリアンブル部分）に記載の、機械エネルギと熱エネルギを放出する内燃機関と、熱エネルギを変換するための装置とを有する車両用の駆動システムに関する。

公知である車両の内燃機関の効率は、例えば完全可変バルブタイミング機構、リーンバーン燃焼やその類などの多種多様な努力が支払われ、たゆまぬ改良が行われているにもかかわらず、最大でも４０％前後であるために、逆推論すれば燃料中に結合されているエネルギの大半が周囲に放出される廃熱として失われていることになる。その大半は、排ガスを媒介して放散されている。

この事情を考慮に入れて、排ガス中に存在する残留エネルギを、例えば電気エネルギに変換して車両の車載電源網を支援したり、機械エネルギに変換して車両を駆動するためにドライブトレインに入力したりするために利用できるようにする、車両における様々な補助的応用策が既に提案されている。

こうした補助的応用策の内、冒頭に記した種類の装置の代表格として熱電発電機を挙げられるが、これを利用すると、排ガス中に存在する熱エネルギから、例えばゼーベック効果に基づいて電気エネルギを獲得することができるために、発電モードで燃料を余分に消費してまで電気エネルギを発生する必要が最早なくなる。

それとは別の補助的応用策が、本発明の出願人に由来する特許文献１に説明されるが、そこには内燃機関の廃熱を利用して、それぞれにエキスパンジョン装置が後置されている低温回路と高温回路とを介して機械的な仕事が生み出されるようにした熱機関が開示されている。

上述の補助的応用策のいずれによっても既に駆動システムの総合効率を向上させることができるが、それにもかかわらず駆動システムには、これまでにまだ開拓されていないさらなる改良のポテンシャルが秘められている。

ＥＰ １５７３１９４ Ｂ１

以上のような背景から本発明は、公知である駆動システムを、その総合効率の改善に主眼を置いて改良発展させることを課題として成されたものである。

本発明は、この課題を解決するために、請求項１に記載の各特徴を有している。その有利な構成形態は、それ以外の請求項に説明されている。
本発明においては、機械エネルギと熱エネルギを放出する内燃機関と、熱エネルギを変換するための装置とを有しており、この装置が、熱エネルギを電気エネルギに直接変換すると共に、エキスパンジョン装置に衝突させるために備えられた作動媒体に熱エネルギを伝達するように構成されている、車両用の駆動システムが企図されている。

これは換言すれば、内燃機関から排気流を媒介して放散される熱エネルギを利用するために備えられるこの装置が、熱エネルギを電気エネルギに直接変換するようにも、また熱エネルギを作動媒体に伝達するようにも構成されており、この作動媒体がエキスパンジョン装置に衝突できるようにすることによって、この装置を使用して熱エネルギを電気エネルギにもまた機械エネルギにも変換可能であることを意味している。

それにより有利なことにも内燃機関の排気流中に存在する熱を、例えば車両の車載電源網を支援する電流を発生するためにも、また例えば車両を駆動するためにドライブトレインに入力結合することができる機械エネルギや、機械的に作動される車載構成部品を駆動するために利用することができる機械エネルギを提供するためにも、利用できることになる。

それにより駆動システムの総合効率が向上する上に、作動媒体を気化させるために必要なエバポレータが同時に、熱エネルギを電気エネルギに変換できるようにするために利用される構成部品用のラジエータとしても使用されることになるために、機能統合によるメリットも達成されることになる。

熱エネルギを電気エネルギに変換するための構成部品は、熱エネルギにより加熱される複数の面と、作動媒体により冷却される複数の面とが備えられ、作動媒体が、これに熱が加えられる結果、蒸気状の状態をとるようになっている熱電発電機であるとよい。

これにより、そうでない場合には独立した離散型ユニットとして不可欠な、例えばエバポレータやラジエータといった構成部品を一緒に、一つの構成部品だけにより具現することを可能にする、既に上記で説明した機能統合が達成されることになる。

本発明にしたがって構成されるこの装置を通過した後、蒸気状の作動媒体は続いてエキスパンジョン装置に衝突するようになっているが、このエキスパンジョン装置は、機械的に駆動される車載構成部品に付勢するために利用されるピストン機関であるとよい。

本発明の展開構成例においては、この装置が、蒸気状の作動媒体をエキスパンジョン装置の通過後に凝縮させるコンデンサを有している。液状の作動媒体はその後、この作動媒体を循環させるポンプ装置により再びこの装置に送られるが、そこで作動媒体は再び、排ガス中に存在する残留エネルギを利用して、蒸気状の状態に遷移されるようになっている。

別の実施形態において、この装置は、内燃機関の排ガスにより加熱される複数の第１の面および作動媒体により冷却される複数の第２の面を、両者間に配置される熱電対ともども有するほかにも、―液状状態にある作動媒体用の―入口と、―蒸気状状態にある作動媒体用の―出口とをそれぞれ少なくとも一つずつ有しており、さらに内燃機関の排ガス用の入口と出口とをそれぞれ少なくとも一つずつ有している熱交換器であるとよいが、排ガスはこの入口から入り、そこで熱電対の高温側が備えられている第１の面と衝突して、低温となって出口から再び放出されるようになっている。

作動媒体は、第２の面を冷却するために利用され、そこで実質的に等温状態で高温の排ガスから熱エネルギを吸収して、蒸気状の相として装置から外に出た後、上記で既に指摘したエキスパンジョン装置に供給される。そうすることによって、電気エネルギと機械エネルギとを組み合わせて発生するために排ガス中に存在する熱を利用できるようになるが、それにより本発明にしたがった駆動システムの総合効率は、公知である駆動システムと比較して格段と向上されることになる。

本発明によりほかにも、電気エネルギおよび機械エネルギへの変換を熱電発電機と蒸気のランキンサイクルプロセスとを利用して行うために、内燃機関の排ガス中に含まれる熱エネルギを利用する方法ももたらされるが、そこではこの蒸気サイクルプロセス内を運ばれる作動媒体を気化させるために必要な熱の吸収が実質的に等温状態で行われて、排ガスにより温められた熱電発電機の低温側から熱が奪われるようになっている。

内燃機関の排ガスから作動媒体に伝達される熱は、作動媒体が実質的に等温状態で熱を吸収する際に大きな温度勾配を辿ることになる。作動媒体への伝熱時のこの温度勾配により、エネルギには損失が生じる。

熱電材料を伝熱体の高温側と低温側に取り付けることにより、実質的に等温状態で行われる熱吸収により生じる排ガスと作動媒体間の―すなわち伝熱体の高温側と低温側との間の―この温度勾配を、熱電対の駆動に利用することで、このエネルギ損失を部分的に阻止することができる。
以下では図を参照しながら本発明を詳しく説明する。

本発明にしたがった駆動システムに備えられる、熱エネルギを機械エネルギに変換すると共に作動媒体に熱を加えるための装置の一実施形態の透視図である。 本発明にしたがった駆動システムの回路図である。 本発明にしたがった駆動システムの作動方式を説明するための、伝熱量をｘ軸にとったグラフである。

図１には、図２に回路図で示される本発明にしたがった駆動システム２の重要構成部品である装置１が示されている。
図１に示される装置は熱交換器３であり、図２に示される内燃機関５からの高温の排ガスのための入口４を有している。熱交換器３は、この入口４とは反対側の端面に、熱交換器３の内部で冷却された排ガスのための、ここで選択されている透視図においては細部を見ることができない出口６を有している。

内燃機関５に由来する排気質量流量７は、入口４を通り熱交換器３の内部に入る。この高温の排気質量流量７により、熱交換器３の内部に配置されている、複数の熱電対から成る熱電発電機１０の高温側に相当する第１の面８が加熱される。詳細には図示されない熱電対は、高温側のそれぞれの第１の面８と低温側のそれぞれの第２の面９との間に配置されている。

そこではそれぞれの第２の面９の冷却が、図２に示される例えばピストン機関の形態をとるエキスパンジョン装置１１の作動媒体を介して行われるようになっている。
この作動媒体は、液状の質量流量１３として、透視図であるために細部を見ることはできない入口１２から熱交換器３の内部に入り、そこでそれぞれの第２の面９を冷却して、高温の排気質量流量７から実質的に等温状態で進行する伝熱プロセスで熱を吸収して、出口１４から蒸気状の質量流量として再び熱交換器３の外に出るようになっている。

図２には内燃機関５が示されており、高温の排気質量流量７はそこから出て熱交換器３の内部に入る。作動媒体は蒸気状となり熱交換器３から出て、図式的に示される流体管路１６を通りエキスパンジョン装置１１に供給され、そこで圧力を失いながら膨張されて、矢印１７により象徴的に図示される機械エネルギに変換される。この機械エネルギは、例えば詳細には図示されない車両の機械式に作動される構成部品を駆動するために使用されるか、または車両のドライブトレインに入力結合されるようにするとよい。

作動媒体は、エキスパンジョン装置１１から出た後は、流体管路１８を通りコンデンサ１９に供給され、そこで―矢印２６により示されるように―熱を放出しながら液相に変換される。この液状作動媒体は、ポンプ装置２１により流体管路２０を通して吸い上げられて、さらにもう一つの流体管路２２を通り再び熱交換器３に供給されるが、それにより作動媒体は、矢印２３により示されるように、この回路内を循環するように導かれることになる。

図３には、本発明を説明するためのグラフが示されている。
高温の排気質量流量７は、符号２４により示す例えば摂氏５２０°の高温で熱交換器３の内部に入り、そこで熱電発電機１０―これは、例えば作動媒体への伝熱のために必要な熱交換器３のそれぞれの面を熱電材料で被覆することにより得られるとよい―の高温側を加熱して、熱交換器３の出口６に向かう途中で熱を放出する。最後に排ガスは符号２５により示す摂氏約２００°の温度で熱交換器３から外に出る。

この熱の作動媒体への伝達は実質的に等温状態で行われるが、この伝熱は作動媒体により冷却される熱交換器３の低温側の面９のところで行われて、作動媒体はそこで超過圧力下で気化される。

図２に示されるエキスパンジョン装置１１は、この蒸気状の作動媒体により駆動されて、その際に冷却されるようになっている。本発明にしたがった駆動システムにより、排ガス中に存在する残留エネルギを、熱電プロセスの枠内で電気エネルギを調達するためにも、また蒸気のランキンサイクルプロセスの枠内で機械エネルギを調達するためにも、組み合わせて利用することが可能となる。

したがって本発明にしたがった駆動システムにより、排ガス中に存在する残留エネルギを、電気エネルギと機械エネルギを調達するために、同じ一つの結合型プロセスの中で利用することとが可能となる。作動媒体が気化する際に主として等温状態で行われる熱吸収が同時に、熱電発電機の低温側の非常に効率的な冷却手段として利用されるために、排ガス中の利用に供されている廃熱のほぼ全量を、有効エネルギに変換するために利用できるようになり、排ガスと共に環境に放散されるエネルギの量を大幅に低減することができる。

因みに上記では詳細に説明していない本発明の特徴については、特許請求の範囲および図面を参照されるよう、ここに明記しておく。

１ 装置
２ 駆動システム
３ 熱交換器
４ 入口
５ 内燃機関
６ 出口
７ 排気質量流量
８ 第１の面
９ 第２の面
１０ 熱電発電機
１１ エキスパンジョン装置
１２ 入口
１３ 液状作動媒体質量流量
１４ 出口
１５ 蒸気状作動媒体質量流量
１６ 流体管路
１７ 機械エネルギ
１８ 流体管路
１９ コンデンサ
２０ 流体管路
２１ ポンプ
２２ 流体管路
２３ 矢印
２４ 排ガス入口の温度
２５ 排ガス出口の温度
２６ 矢印

Claims (6)

1. 機械エネルギと熱エネルギを放出する内燃機関（５）と、熱エネルギを電気エネルギに直接変換するための熱電発電機（１０）を備えた装置（１，３）とを有している、車両用の駆動システム（２）において、
   前記装置（３）が、前記熱電発電機（１０）内で、エキスパンジョン装置（１１）に衝突させるために備えられている作動媒体に熱エネルギを伝達するように構成されていること、及び
   前記熱電発電機（１０）が、熱エネルギにより加熱可能な複数の面（８）と前記作動媒体により冷却可能な複数の面（９）とを有し、前記作動媒体に熱が加えられる結果、前記作動媒体が蒸気状の状態をとるようになっていること
   を特徴とする、駆動システム（２）。
2. 蒸気状の作動媒体が衝突することにより機械エネルギを発生するエキスパンジョン装置（１１）を特徴とする、請求項１に記載の駆動システム。
3. 蒸気状の作動媒体がエキスパンジョン装置（１１）を通過した後に、これを凝縮するコンデンサ装置（１９）を特徴とする、請求項１又は２に記載の駆動システム。
4. 前記作動媒体を回路内で循環するように導くポンプ装置（２１）を特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動システム。
5. 前記装置（３）が、内燃機関（５）の排ガスにより加熱される複数の第１の面（８）と、前記作動媒体により冷却される複数の第２の面（９）と、両者間に配置される複数の熱電対を有すると共に、作動媒体用の入口（１２）および出口（１４）を少なくとも一つずつ有しており、さらに排ガス用の入口（４）および出口（６）を少なくとも一つずつ有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動システム。
6. 電気エネルギおよび機械エネルギへの変換を熱電発電機（１０）と蒸気のランキンサイクルプロセスとを利用して行うために、内燃機関（５）の排ガス中に含まれる熱エネルギを利用する方法であって、前記蒸気サイクルプロセスを循環するように導かれる作動媒体を気化させるために必要な熱吸収を、熱電発電機（１０）内で、実質的に等温状態で行って、排ガスにより温められた熱電発電機（１０）の低温側から熱を奪い去る、方法。

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