专利名称：内燃机的兰金循环装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对内燃机发出的热加以利用的兰金循环装置，特别涉及利用其工作介质对内燃机的发热部进行冷却的兰金循环装置。
背景技术：
在日本实开昭59-174308号公报中，记载了一种兰金循环装置，该兰金循环装置包括利用内燃机的排出气体对液相工作介质加热并生成气相工作介质的蒸发器、利用蒸发器产生的气相工作介质驱动的膨胀机、使通过膨胀机的气相工作介质冷却并恢复为液相工作介质的冷凝器、对从冷凝器而来的液相工作介质加压并供应给蒸发器的供应泵。
然而，上述现有技术的兰金循环装置，作为液相工作介质的水不仅通过设置在内燃机排气管中的蒸发器的内部，而且通过形成于气缸盖和气缸组中的冷却通路的内部并且进行加热，借此进一步有效地利用了内燃机发出的热，利用液相工作介质冷却气缸盖和气缸组，以便防止过去的辐射。
但是，通常，作为兰金循环装置的液相工作介质的水的流量、和内燃机冷却水的流量的比大约为1∶100，内燃机的冷却水流量远远大于兰金循环的装置的水的流量。并且，供应给兰金循环装置的蒸发器的水的压力大约为供应给内燃机的水冷套的冷却水的压力的100倍，在两者之间存在很大的差异。
因而，由于两个循环路径中的流量和压力存在很大的差异，所以串联连接兰金循环装置的水循环路径和内燃机的冷却水循环路径以防止辐射实际上是很困难的，存在内燃机过热，兰金循环装置不能充分发挥其性能的可能。
发明内容
本发明鉴于前述事实，其目的是既保持兰金循环装置的性能，同时又可以利用其液相工作介质充分对内燃机的发热部进行冷却，以便防止辐射。
为了实现上述目的，根据本发明的第一个特征，提出一种内燃机的兰金循环装置，该内燃机兰金循环装置包括利用内燃机发出的热对液相工作介质加热并生成气相工作介质的蒸发器、将蒸发器排出的气相工作介质的热能转换成机械能的膨胀机、对膨胀机排出的气相工作介质进行冷却并恢复成液相工作介质的冷凝器、存留冷凝器排出的液相工作介质的箱体、将箱内的液相工作介质供应给蒸发器的泵，其特征在于，前述泵由低压泵和高压泵构成，前述低压泵通过使箱体内的液相工作介质通过内燃机的冷却机构对该液相工作介质进行加热并供应给分配阀，由分配阀分配的液相工作介质的一部分被前述高压泵加压并供应给蒸发器，分配阀分配的液相工作介质的另一部分在辅机中放热之后排出到箱体内。
采用上述结构，在利用低压泵将箱体内的液相工作介质供应给内燃机的冷却机构并对该内燃机的发热部进行冷却之后，从冷却机构出来的液相工作介质的一部分，在由分配阀供应给高压泵并加压的状态下，被供应给兰金循环装置的蒸发器，同时，从冷却机构出来的液相工作介质的另一部分由分配阀供应给辅机，由于流出兰金循环装置的膨胀机并经由冷凝器而液化的液相工作介质和由辅机放热的液相工作介质返回到箱体中，因而，可以将兰金循环装置的液相工作介质循环系统和内燃机冷却机构的液相工作介质循环系统集成在一起，并且，可以供应分别适合于兰金循环装置和冷却机构的流量和压力的液相工作介质，既保持兰金循环装置的性能又充分地对内燃机的发热部冷却，可以防止辐射。
并且，采用本发明的第二个特征，在上述第一个特征的基础上，提出了一种内燃机的兰金循环装置，其特征在于，利用设置在内燃机的排气管内的热交换器对从低压泵出来的液相工作介质进行预热，并且供应给冷却机构。
采用上述结构，由于利用设置在排气管中的热交换器对从低压泵供应给冷却机构的液相工作介质进行预热，因而不仅可以进一步有效地利用排出气体发出的热量，而且可以防止在内燃机低温时由于通过冷却机构的液相工作介质造成发生过冷却，并且促进内燃机的暖机。
并且，根据本发明的第三个特征，在上述第一和第二特征的基础上，提出了一种内燃机的兰金循环装置，其特征在于，由分配阀分配的被加热的液相工作介质的一部分作为膨胀机的润滑介质使用。
采用上述结构，由于将由分配阀分配的被加热的液相工作介质的一部分作为膨胀机的润滑介质使用，所以可以防止由于低温润滑介质造成的膨胀机温度下降并抑制膨胀做功的降低，可以提高内燃机的废热回收效率。
并且，根据本发明的第四个特征，在上述第三个特征的基础上，提供一种内燃机的兰金循环装置，其特征在于，作为润滑介质供应的液相工作介质的一部分，在膨胀机的膨胀行程中被作为气相工作介质供应。
采用上述结构，由于作为润滑介质供应的液相工作介质的一部分，在膨胀机的膨胀行程中作为气相工作介质供应，因而，可以有效地利用作为润滑剂的液相工作介质所具有的热能，并增加膨胀机的输出。
并且，根据本发明的第五个特征，在上述第二个特征的基础上，提出了一种兰金循环装置，其特征在于，由分配阀分配的被加热的液相工作介质的一部分经过减压阀转换成气相工作介质，将该气相工作介质供应给膨胀机的膨胀行程。
采用上述结构，由于从分配阀分配的被加热的液相工作介质借助减压阀转换成气相工作介质，并供应给膨胀机的膨胀行程，所以可以有效地利用液相工作介质从内燃机的发热部获取的热能，并增加膨胀机的输出。
并且，采用本发明的第六个特征，在上述第1～第5任何一个特征的基础上，提供一种内燃机的兰金循环装置，其特征在于，使用水作为液相工作介质。
采用上述结构，由于将可以在碳化等成分变化中使用的、温度区域宽的水作为液相工作介质使用，所以可以没有障碍地将供应给膨胀机的高温状态的气相工作介质和从内燃机的冷却机构排出的低温状态的液相工作介质融合在一起，而且，在将水作为润滑液体使用的情况下，可以没有障碍地将工作介质和润滑介质混合。
另外，实施例中的水与本发明的液相工作介质对应，实施例的蒸汽与本发明的气相工作介质对应，实施例的水冷套105对应于本发明的冷却机构。
图1～图14表示本发明的一个实施例，图1是内燃机的兰金循环装置的示意图，图2是与图4的2-2线剖视图相当的膨胀机的纵向剖视图，图3是图2的旋转轴线周边的放大剖视图，图4是图2的4-4线剖视图，图5是图2的5-5线的剖视图，图6是图4的一部分的放大图，图7是图3的7-7线的放大剖视图，图8是表示转子室和转子的剖面形状的模式图，图9是转子的分解透视图，图10是转子段的分解透视图，图11是叶片的分解透视图，图12是旋转阀的分解透视图，图13是表示每一润滑水的温度下，在膨胀机的膨胀行程中膨胀机输出的增加量相对于供应润滑水的位相的关系的曲线图，图14是表示在每一润滑水的供应量下，在膨胀机的膨胀行程中膨胀机的输出的增加量相对于供应润滑水的位相的关系的曲线图。
具体实施例方式
如图1所示，回收内燃机1的排出气体的热能并输出机械能的兰金循环装置2，包括通过将内燃机1的排出气体作为热源对水进行加热而产生高温高压蒸汽的蒸发器3，利用该高温高压蒸汽的膨胀输出轴转矩的膨胀机4，对从该膨胀机4排出的降温降压蒸汽进行冷却并进行液化的冷凝器5，存留从冷凝器5排出的水的箱体6，将箱体6内的水再次供应给蒸发器3的低压泵7和高压泵8。
箱体6内的水被配置在通路P1上的低压泵7加压至2～3MPa，通过设置在内燃机1的排气管101中的热交换器102并被预热。通过热交换器102并被预热的水，经由通路P2供应给形成于内燃机1的气缸组103和气缸盖104内的水冷套105。在从其中通过的期间，对内燃机1的发热部进行冷却，其自身吸收前述发热部的热量进一步升温。流出水冷套105的水经由通路P3供应给分配阀106，借此分配给连接在通路P4上的第1系统、连接在通路P5上的第2系统、连接在通路P6上的第3系统、和连接在通路P7上的第4系统。
由分配阀106分配到由通路P4构成的第1系统中的水，由高压泵8加压到10MPa以上的高温并供应给蒸发器3，借此与高温的排出气体之间进行热交换以形成高温高压蒸汽，并供应给膨胀机4的高压部(后面所述的膨胀机4的气缸33…)。另一方面，由分配阀106分配到与通路P5连通的第2系统中的水，经过夹装于其中的减压阀107，与前述高温高压相比形成低温低压的蒸汽，供应给膨胀机4的低压部(后面所述的膨胀机4的翼室50…)。这样，由于利用减压阀107将从分配阀106而来的被加热的水转换成蒸汽并供应给膨胀机4的低压部，所以水可以有效地利用由内燃机1的水冷套105吸收的热能并且使膨胀机4的输出增加。并且，分配到连接在通路P6上的第3系统中的水供应给膨胀机4的被润滑部。这时，由于利用由水冷套105加热的高温的水对膨胀机4的被润滑部进行润滑，所以可以防止膨胀机4过冷却，减少所谓的冷却损失。含有从膨胀机4排出的水的降温降压蒸汽，被供应给夹装在通路P8中的冷凝器5，与从由电动马达108驱动的冷却风扇109吹出的冷却风之间进行热交换，将冷凝水排出到箱体6中。进而，分配到连接在多个通路P7上的第4系统中的水，被供应给车室采暖用的加热器和热电元件等辅机110并进行放热，温度降低的水经由夹装在通路P9中的单向阀111并排出到箱体6中。
低压泵7、高压泵8、分配阀106和电动马达108，根据内燃机1的运转状态、膨胀机4的运转状态、辅机110的运转状态、箱体6内的水的温度等，利用电子控制单元112进行控制。
下面，根据图2～图6说明膨胀机4的整体结构。
膨胀机4的壳体11由金属制成的第一、第二半壳体12、13构成。第一、第二半壳体12、13包括由协同并构成转子室14的主体部12a、13a，和与这些主体部12a、13a的外周连成一体的圆形凸缘12b、13b，两个圆形凸缘12b、13b经由金属垫片15连接起来。第一半壳体12的外表面被形成深盆形的中继室外壁16所覆盖，成一体地连接在其外周上上的圆形凸缘16a与第一半壳体12的圆形凸缘12b的左侧面重合。第二半壳体13的外表面被容纳将膨胀机4的输出传递到外部的磁性联轴节(图中未示出)的排气室外壁17所覆盖，成一体地连接在其外周上的圆形凸缘17a与第二半壳体13的圆形凸缘13b的右侧面重合。而且，前述四个圆形凸缘12a、13a、16a、17a被沿圆周方向配置的多根螺栓18…连接在一起。在中继室外壁16和第一半壳体12之间划分为中继室19，在排气室外壁17和第二半壳体13之间划分为排气室20。在排气室外壁17上将于膨胀机4中做完功后的降温降压蒸汽导入到冷凝器5的排出口17b。
两个半壳体12、13的主体部12a、13a具有向外侧突出的中空轴承筒12c、13c，具有中空部21a的旋转轴21经由一对轴承构件22、23可旋转地支撑在这些中空轴承筒12c、13c中。借此，旋转轴21的轴线L通过在形成大致椭圆形的转子室14中的长轴和短轴的交点。并且，旋转轴21右端的小直径部21b，贯穿第二半壳体13的中空轴承筒13c并延伸至排气室20的内部，在该处与磁性联轴节的转子凸台24花键结合。在旋转轴21右端小直径部21b的外周和第二半壳体13的中空轴承筒13c的内周之间利用密封构件25进行密封，该密封构件25由螺纹配合到中空轴承筒13c内周上的螺母26固定。
如从图4和图8可以看清的那样，形成圆形的转子27可自由旋转地容纳在形成类似椭圆形的转子室14的内部。转子27配合在旋转轴21的外周上并利用销28成一体地结合，转子27的轴线和转子室14的轴线相对于旋转轴21的轴线L是一致的。从轴线L方向看到的转子室14的形状为四个顶点倒国的类似于菱形的类似椭圆形，具有长轴DL和短轴DS。从轴线L方向看到的转子27的形状为圆形，具有比转子室14的短轴DS略小的直径DR。
从与轴线L垂直的方向看到的转子室14和转子27的剖面形状形成任何运动场的跑道状。即，转子室14的剖面形状由相距距离d且平行延伸的一对平面14a、14a和平滑连接所述平面14a、14a外周的中心角为180°的圆弧面14b构成，同样，转子27的剖面形状由相距距离d且平行延伸的一对平面27a、27a和平滑连接所述平面27a、27a外周的中心角为180°的圆弧面27b构成。因而，转子室14的平面14a、14a和转子27的平面27a、27a相互接触，在转子室14内周面和转子27外周面之间形成一对呈月牙形(三日月形)的空间(参照图4)。
下面，参照图3、图6、图9和图10详细说明转子27的结构。
转子27由固定在旋转轴2 1外周上的转子芯31、以覆盖转子芯31周围的方式固定且构成转子27的外壳的12个转子段32…构成。转子芯31配有圆板状的主体部31a、从主体部31a的中心部向轴向两侧突出的齿轮状凸台部31b、31b。在主体部31a上以30°的间隔呈放射状安装12根陶瓷(或碳)制的气缸33，并且由盖34…和键35…防止脱落。在各气缸33的内端突出设置有小直径部33a，小直径部33a的基端通过O环36与转子芯31的主体部31a之间进行密封。小直径部33a的前端配合到中空旋转轴21的外周面上，气缸内径33b经由贯穿小直径部33a和旋转轴21的12个第3蒸汽通路S3…连通到该旋转轴21的中空部21a上。陶瓷制的活塞37可自由滑动地配合于各气缸33的内部。活塞37在向半径方向最内侧移动时完全没入到气缸内径33b的内部，在向半径方向最外侧移动时全部长度的大约一半突出到气缸内径33b的外部。
各个转子段32结合并构成五个构件。五个构件为具有中空部38a、38a的一对组件38、38，由U字形的板体构成的一对侧板39、39，和由矩形半体的底板40，通过焊接将它们形成一体。
在各组件38的外周面、即与转子室14的一对平面14a、14a对象的面上，以轴线L为中心形成呈圆弧状延伸的两个凹槽38b、38c，在这些凹槽38b、38c的中央开设润滑水喷出口38d、38e。并且，在与组件38侧板39的结合面上，凹入设置第20水通路W20和第21水通路W21。
具有12个孔的孔形成构件41配合于底板40的中央，以围绕孔形成构件41的方式安装在底板40上的0环42，对与转子芯31的主体部31a的外周面之间进行密封。在结合于组块38上的底板40的表面上，凹入设置从孔形成构件41沿放射方向延伸的各两个第14～第19水通路W14～W19，这些第14～第19水通路W14～W19向着与侧板39的结合面延伸。
在各个侧板39的组件38、38和向底板40的结合面，凹入设置有第22～第27水通路W22～W27。底板40外侧的第14水通路W14、第15水通路W15、第18水通路W18和第19水通路W19，连通到侧板39的第22水通路W22、第23水通路W23、第26水通路W26和第27水通路W27；底板40内侧的第16水通路W16和第17水通路W17，经由组件38的第20水通路W20和第21水通路W21连通到侧板39的第24水通路W24和第25水通路W25。侧板39的第22水通路W22、第25水通路W25、第26水通路W26和第27水通路W27的外端在侧板39的外表面上开设4个润滑水喷出口39a…。并且，侧板39的第23水通路W23和第24水通路W24的外端，经由形成于组件38、38内部的第28水通路W28和第29水通路W29分别连接到凹槽38b、38c内的润滑水喷出口38d、38e上。应当壁面与移动至半径方向外侧的活塞37的干扰，在侧板39的外表面上形成具有部分圆弧状的剖面的切口39b。另外，不仅在侧板39上而且在组件38上形成第20水通路W20和第21水通路W21的理由是，由于前述切口39b使侧板39减薄，因而不能确保用于形成第20水通路W20和第21水通路W21的壁厚。
如图2、图5、图9和图11所示，在转子27相邻的转子段32…之间形成沿放射方向延伸的12个翼槽43…，板状的翼44…分别可自由滑动地配合到这些翼槽43…中。各翼44形成大致U字形，具有沿转子室14的平行面14a、14a延伸的平行面44a、44a，沿转子室14的圆弧面14b延伸的圆弧面44b，位于两个平行面44a、44a之间的切口44c，滚柱轴承结构的辊45、45可自由旋转地支撑在从两个平行面44a、44a突出的一对支轴44d、44d上。
在翼44的圆弧面44b上保持有形成U字形的合成树脂制密封构件46，该密封构件46的前端从翼44的圆弧面44b略微突出并与转子室14的圆弧面14b滑动接触。合成树脂制的滑动构件47、47固定在翼44的平行部44a、44a上，这些滑动构件47、47与转子室14的平行面14a、14a滑动接触。并且，合成树脂的滑动构件48、48固定在翼44的切口44c的两侧上，这些滑动构件48、48与转子芯31的主体部31a滑动接触。在翼44的两侧面上分别形成两个凹槽44e、44e，这些凹槽44e、44e与在转子段32的各侧板39、39的外表面上开口的4个润滑水喷出口39a…的半径方向内侧的两个相对向。沿半径方向内向突出设置于翼44的切口44c的中央的凸起44f与活塞37的半径方向外端接触。在翼44的内部形成沿半径方向延伸的水排出通路44g，其半径方向内端在前述凸起44f的前端开口，其半径方向外端在翼44的一侧的侧面上开口。当翼44突出到半径方向的最外侧时，水排出通路44g在翼44一侧的侧面开口的位置面对比转子27的圆弧面27b更靠半径方向外侧的部位。
在由第一、第二半壳体12、13划分的转子室14的平面14a、14a上，凹入设置类似于四个顶点倒圆的菱形的类似椭圆形环形槽49、49，各翼44的一对辊45、45自由旋转地配合到两个环形槽49、49中。这些环形槽49、49和转子室14的圆弧面14b之间的距离在全周上总是恒定的。因而，当转子27旋转时，将辊45、45引导到环形槽49、49中的翼44沿半径方向在翼槽43内往复运动，安装在翼44圆弧面44b中的密封构件46在受到一定量的压缩的状态下沿转子室14的圆弧面14b滑动。借此，防止转子室14和翼44…直接固体接触，防止发生滑动阻力增加和磨损，同时，可以可靠地对在相邻的翼44…之间划分的翼室50…进行密封。
在转子室14的平面14a、14a上，以围绕前述环形槽49、49的外侧的方式形成一对圆形密封槽51、51。配有两个O环52、53的一对密封环54分别可自由滑动地配合在各圆形密封槽51中，其密封面与形成于各转子段32上的凹槽38b、38c对向。一对密封环54、54分别借助定位销55、55防止相对于第一、第二半壳体12、13旋转。
转子27的组装按如下方式进行。在图9中，12个转子段32…配合到预先组装了气缸33…、盖34…和键35…的转子芯31的外周上，翼44…配合到形成于相邻的转子段32…之间的12个翼槽43中。这时，在翼44…和转子段32…的侧板39…之间应该形成规定的间距，在翼44…的两面中夹有规定厚度的垫片。在这种状态下，采用夹具朝着转子芯31沿半径方向向内的方向连接转子段32…和翼44…，在相对于转子芯31对转子段32…精确定位之后，用临时固定螺栓58…(参照图2)将各转子段32…临时固定到转子芯31上。接着从夹具上拆下转子27，在各转子段32上同时加工贯穿转子芯31的销孔56、56，将定位销57、57压入到这些销孔56、56中，并将转子段32…结合到转子芯31上。
如从图3、图7和图12可以看清的那样，支撑旋转轴21外周面的一对轴承构件22、23以朝向转子27侧直径扩大的方式配置形成锥形的内周面，其轴向外端部凸凹配合到第一、第二半壳体12、13上的中空轴承筒12c、13c并防止旋转。另外，为了可以进行转子27相对于旋转轴21的组装，由左侧中空轴承筒12c支撑的旋转轴21的左端外周部由独立的构件21c构成。
在中继室外壁16的中心形成开口16b，配置在轴线L上的阀箱61的凸台部61a被多个螺栓62…固定在前述开口16b的内面上，并且用螺母63固定在第一半壳体12上。圆筒状的第一固定轴64可相对自由旋转地配合到旋转轴21的中空部21a上，第二固定轴65同轴地配合到第一固定轴64右端内周上。从第一固定轴64突出的第二固定轴65的右端外周部和旋转轴21的中空部21a之间被O环66密封。延伸于第一固定轴64的内部的阀箱61具有凸缘61b，O环67、第一固定轴64的厚壁部64a、O环68、垫圈69、螺母70和前述第二固定轴65依次配合到凸缘61b的右侧上。相对于阀箱61螺母70和第二固定轴65被螺栓结合起来，从而，第一固定轴64的厚壁部64a，在阀箱61的凸缘61b和垫圈69之间经由O环66、67被定位。
经由O环71支撑在第一半壳体12的中空轴承筒12c内周上的第一固定轴64左端，利用环形的欧氏联轴节72连接到阀箱61的凸台部61a上，通过利用欧氏(オルダム)联轴节72允许第一固定轴64的半径方向的振动，可以允许经由旋转轴21支撑在第一固定轴64的外周上的转子27的振动。并且，通过利用螺栓74、74将松配合到第一固定轴64左端上的防旋转构件73的臂部73a、73a固定到第一半壳体12上，防止第一固定轴64相对于壳体11旋转。
将蒸汽供应管75配合到配置于轴线L上的阀箱61内部，并且利用螺母76固定到阀箱61上，该蒸汽供应管75的右端连接到压入到阀箱61内部的喷嘴构件77。跨越阀箱61和喷嘴构件77前端部形成一对具有180°的相位差的凹部81、81(参照图7)，将环形的接头构件78、78配合并保持于其上。在喷嘴构件77的中心沿轴向形成连接到蒸汽供应管75上的第一蒸汽通路S1，并且，一对第二蒸汽通路S2、S2以180°的相位差沿半径方向贯穿于第一固定轴64的厚壁部64a。而且，第一蒸汽通路S1的末端部和第二蒸汽通路S2、S2的半径方向内端部始终经由前述接头构件78、78连通。如前面所述，12个第三蒸汽通路S3…贯穿以30°的间隔保持在固定于旋转轴21上的转子27上的12个气缸33…的小直径部33a和旋转轴21，这些第三蒸汽通路S3…的半径方向内端部可连通地与前述第二蒸汽通路S2、S2的半径方向外端部相对向。
在第一固定轴64的厚壁部64a的外周面上形成具有180°相位差的一对切口64b、64b，这些切口64b、64b可以与前述第三蒸汽通路S3…连通。切口64b、64b和中继室19，经由倾斜形成于第一固定轴64上一对第四蒸汽通路S4、S4，沿轴向形成于第一固定轴64上的第五蒸汽通路S5，形成于阀箱61的凸台部61a上的第6蒸汽通路S6，在阀箱61的凸台部61a外周上开口的通孔61c…相互连接起来。
如图5所示，在第一半壳体12上，在以转子室14的短轴方向为基准的转子27的旋转方向超前侧15°的位置上，沿放射方向对齐地形成多个吸气孔79…。利用该吸气孔79…，转子室14的内部空间连通到中继室19上。并且，在第二半壳体13上，在以转子室14的短轴方向为基准的转子27的旋转方向滞后侧15°～75°的位置上，沿放射方向多列对齐地形成多个排气孔80…。利用排气孔80…将转子室14的内部空间与排气室20连通起来。
第二蒸汽通路S2、S2和第三蒸汽通路S3…、以及第一固定轴64的切口64b、64b和第三蒸汽通路S3…，构成利用第一固定轴64和旋转轴21的相对旋转周期性地连通的旋转阀V。
如从图2和图3可以看清的那样，在配合到第一、第二半壳体12、13的圆形密封槽51、51中的密封环54、54的背面上，形成压力室86、86，形成于第一、第二半壳体12、13中的第1水通路W1，经由管道构成的第2水通路W2和第3水通路W3连通到两个压力室86、86上。在第二半壳体13的中空轴承筒13c的半径方向外侧，形成被配有两个O环87、88的盖89关闭的过滤室13d，环形过滤器90容纳在其内部。第二半壳体13的第1水通路W1经由由管道构成的第4水通路W4连通到过滤器90的外周面上，过滤器90的内周面经由形成于第二半壳体13中的第5水通路W5连通到形成于第二半壳体13和旋转轴21之间的环形的第6水通路W6。而且，第6水通路W6，经由沿轴向延伸于旋转轴21内部的12个第7水通路W7…、形成于旋转轴21的外周的环形槽21d和沿半径方向延伸于转子芯31的内部的12个第8水通路W8，分别连通到12个孔形成构件41…上。
并且，形成于旋转轴21外周的环形槽21d经由沿轴向延伸的12个第9水通路W9…(参照图7)连通到形成于旋转轴21外周上的环形槽21e上，环形槽21e经由沿轴向延伸于旋转轴21内部的12个第10水通路W10…连通到形成于旋转轴21e左端和第1壳体12之间的环形的第11水通路W11上。环形的第6水通路W6和第11水通路W11，通过螺纹配合到轴承构件22、23上的孔形成螺栓91…外周的孔，进一步经由形成于轴承构件22、23内的第12水通路W12…，连通到轴承构件22、23内周和旋转轴21外周之间的滑动面上。而且，轴承构件22、23内周和旋转轴21的外周之间的滑动面经由排水用第13水通路W13…连通到翼槽43…上。
环状的第6水通路W6经由沿轴向贯穿设置在旋转轴21上的两个第30水通路W30、30连通到旋转轴21的中空部21a内周面和第一固定轴64的右端外周面的滑动部上。形成于第一固定轴64的厚壁部64a右侧的密封槽64c经由倾斜地贯穿设置在第一固定轴64内部的第31水通路W31、31连通到第5蒸汽通路S5上。环形的第11水通路W11连通到旋转轴21的中空部21a内周面和第一固定轴64左端外周面的滑动部上，形成于第一固定轴64的厚壁部64a左侧上的密封槽64d经由沿半径方向贯穿第一固定轴64的第32水通路W32、32和前述第31水通路W31、31连通到第5蒸汽通路S5上。
而且，如对图1和图2进行比较可以看出的那样，从蒸发器3而来的高温高压蒸汽经由通路P4供应给膨胀机4的蒸汽供应管75，从分配阀106下流的减压阀107而来的蒸汽经通路P5供应给膨胀机4的中继室19，从分配阀106而来的高温水经通路P6供应给膨胀机4的第1水通路W1，并且，从膨胀机4的排出口17b而来的降温降压蒸汽排出到通路P8。
下面，对具有上述结构的本实施例的作用进行说明。
首先，对膨胀机4的工作进行说明。在图3中，从连接在蒸发器3下游侧上的通路P4而来的高温高压蒸汽被供应给蒸汽供应管75、沿轴向形成于喷嘴构件77上的第一蒸汽通路S1、喷嘴构件77、沿半径方向贯穿接头构件78、78和第一固定轴64的厚壁部64a的一对第二蒸汽通路S2、S2。在图6和图7中，若与转子27成一体旋转的旋转轴21到达规定的相位，则位于从转子室14的短轴位置起沿箭头R所示的转子27旋转方向的前进侧的一对第三蒸汽通路S3、S3与一对第二蒸汽通路S2、S2连通，第二蒸汽通路S2、S2的高温高压蒸汽经由前述第三蒸汽通路S3、S3供应到一对气缸33、33的内部，将活塞37、37推压向半径方向外侧。当被这些活塞37、37推压的翼44、44移动至半径方向外侧时，通过设置在翼44、44上的一对辊45、45和环形槽49、49的配合，活塞37、37的前进运动转换成转子27的旋转运动。
伴随着辊27沿箭头R方向的旋转，在第二蒸汽通路S2、S2和前述第三蒸汽通路S3、S3的连通被挡住之后，通过气缸33、33内的高温高压蒸汽继续进一步膨胀，使活塞37、37进一步前进，借此，使转子27的旋转连续进行。当翼44、44到达转子室14的长轴位置时，与对应的气缸33、33相连的第三蒸汽通路S3、S3连通到第一固定轴64的切口64b、64b连通，由在环形槽49、49内引导辊45、45的翼44、44推压的活塞37、37向半径方向内侧移动，借此，气缸33、33内的蒸汽通过第3蒸汽通路S3、S3、切口64b、64b、第4蒸汽通路S4、S4、第5蒸汽通路S5、第6蒸汽通路S6和通孔61c…，形成第1降温降压蒸汽并供应给中继室19。第1降温降压蒸汽，是从蒸汽供应管75供应的高温高压蒸汽完成了驱动活塞37、37的工作并且温度和压力下降的蒸汽。与高温高压蒸汽相比，第1降温降压蒸汽所具有的热能和压力能量下降，但是依然具有足以驱动翼44…的热能和压力能量。
并且，从分配阀106下游的减压阀107经过通路5将蒸汽供应给中继室19，该蒸汽与前述第1降温降压蒸汽合流并混合成一体。
在中继室19内混合的第1降温降压蒸汽和从分配阀106而来的蒸汽，从第一半壳体12的吸气孔79…供应给转子室14内的翼室50、即由转子室14、转子27和相邻的一对翼44、44划分出的空间，借此通过进一步地膨胀使转子27旋转。而且，完成做功且温度和压力下降的第2降温降压蒸汽从第二半壳体13的排气孔80…排出到排气室20，从此处经由排出口17b供应给冷凝器5。
这样，通过高温高压蒸汽的膨胀一次次地使12个活塞37工作，并经由辊45、45和环形槽49、49使转子27旋转，并且，利用由高温高压蒸汽降温降压形成的第1降温降压蒸汽和分配阀106而来的蒸汽的膨胀，经由翼44…使转子27旋转，借此获得旋转轴21的输出。
下面，对由前述膨胀机4的各滑动部的水实现的润滑进行说明。另外，润滑用水的供应从分配阀106经由通路P6供应给壳体11的第1水通路W1。
供应给第1水通路W1的水经由由管道构成的第2水通路W2和第3水通路W3供应给第一半壳体12和第2半壳体13的圆形密封槽51、51底部的压力室86、86，密封环54、54向转子27的侧面加载。并且，从第1水通路W1供应给由管道构成的第4水通路W4的水，在被过滤器90过滤掉异物之后，供应给形成于第2半壳体13中的第5水通路W5、形成于第2半壳体13和旋转轴21之间的第6水通路W6、形成于旋转轴21内的第7水通路W7…、形成于旋转轴21的环形槽21d和转子芯31中的第8水通路W8…，借此，利用伴随着转子27的旋转的离心力进一步被加压并且供应给转子段32…的孔形成构件41…。
在各转子段32中，通过孔形成构件41流出到底板40的第14水通路W14中的水，通过侧板39的第22水通路W22从润滑水喷出口39a…喷出；通过孔形成构件41流出到底板40的第17水通路W17的水，通过组件38的第21水通路W21和侧板39的第25水通路W25从润滑水喷出口39a…喷出；通过孔形成构件41流出底板40的第18水通路W18的水，通过侧板39的第26水通路W26从润滑水喷出口39a…喷出；通过孔形成构件41流出到底板40的第19水通路W19的水，通过侧板39的第27水通路W27从润滑水喷出口39a…喷出。在侧板39表面上开口的前述四个润滑水喷出口39a…中，下侧的两个连通到翼44的凹槽44e、44e内。
通过孔形成构件41流出到底板40的第15水通路W15的水，通过侧板39的第23水通路W23和组件38的第29水通路W29从凹槽38c内的润滑水喷出口38e喷出；通过孔形成构件41流出到底板40的第16水通路W16的水，通过组件38的第20水通路W20、侧板39的第24水通路W24和组件38的第28水通路W28从凹槽38b内的润滑水喷出口38d喷出。
从而，从各转子段32的侧板39的润滑水喷出口39a…喷出到翼槽43内的水，在与自由滑动地配合到翼槽43中的翼44之间构成静压轴承并以浮动状态支撑该翼44，防止转子段32的侧板39和翼44固体接触，并且防止发生烧接和磨损。这样，通过经由呈放射状设置在转子27内部的第8水通路W8提供对翼44的滑动面进行润滑的水，不仅可以利用离心力对水加压，而且使转子27周边温度稳定并减少由于热膨胀造成影响，可以保持设定的间隙并且将蒸汽的泄漏抑制在最小的限度。
施加在各翼44上的圆周方向的载荷(与板状的翼44垂直方向的载荷)，为由施加在转子室14内的翼44前后面上的蒸汽压的压差造成的载荷、和设置在翼44上的辊45、45从环形槽49、49受到的反力的前述圆周方向的成分的合力，而这些载荷根据转子27的相位周期性地变化。从而，受到这一偏载荷的翼44周期性地显示出在翼槽43内倾斜的动作。
这样，当翼44由于前述偏载荷而倾斜时，由于在两侧的转子段32的侧板39、39上开口的各四个润滑水喷出口39a…和翼44之间的间隙变化，间隙变宽的部分的水膜最终流失，并且由于难以将水供应到间隙变窄的部分，所以存在滑动部施加压力、翼44与侧板39、39的滑动面直接接触并产生摩擦的可能性。但是，采用本实施例，由于利用设置在转子段32上的孔形成构件41经由孔将水供应给润滑水排出孔39a…，从而解除了上述不适当。
即，在润滑水排出孔39a…和翼44的间隙变宽的情况下，由于水的供应压力恒定，所以相对于在恒定状态下在孔前后产生的恒定压差，通过前述间隙的流出量的增大使水的流量增大，借此，由于所述孔的作用使孔前后的压差增大并减少前述间隙的压力，结果，变宽的间隙变窄产生复原力。并且，在润滑水排出孔39a…和翼44的间隙变窄的情况下，由于前述间隙的流出量减少并且孔的前后压差减少，结果，前述间隙的压力增大，并且变窄的间隙变宽并产生复原力。
这样，即使由于加在翼44上的载荷使润滑水排出孔39a…和翼44的间隙变化，但是由于对应于其间隙大小的变化所述孔自动地调节供应给该间隙的水的压力，所以可以稳定地将翼44和两侧转子段32的侧板39、39之间的间隙保持在所需的大小。借此，在翼44和侧板39、39之间总是保持有水膜，以浮动状态支撑翼44，可以可靠地避免翼44与侧板39、39的滑动面固体接触并产生摩擦。
并且，由于将水保持于在翼44的两个面的每一个上形成有两个的凹槽44e、44e中，所以凹槽44e、44e保持压力并抑制由水的泄漏造成的压力下降。结果，借助水使被一对侧板39、39的滑动面夹住的翼44形成浮动状态，将滑动阻力减小到接近于完全没有的状态。并且，当翼44做往复运动时，翼44半径方向的相对位置相对于转子27产生变化，而由于前述凹槽44e、44e不设置在侧板39、39侧而设置在翼44侧，并且设置在对翼44施加载荷的辊45、45的最近旁，所以往复运动的翼44总是保持浮动状态并可以有效地降低滑动阻力。
另外，对翼44对于侧板39、39的滑动面进行润滑的水借助离心力移动向半径方向外侧，对设置在翼44的圆弧面44b上的密封构件46和转子室14的圆弧面14b进行润滑。而且，完成润滑的水从转子室14经由排气孔80…排出到排气室20。
在对侧板39、39和翼44的滑动面进行润滑之后流入到转子室14的水之中，流入转子室14的膨胀行程的翼室50…中的水，在此与高温蒸汽混合并形成蒸汽，借此增加膨胀机4的输出。
图13所示的曲线图的横轴是将水供应给翼室50的时间(相位)，纵轴是膨胀机4输出的增加量。并且，经由滑动面供应给翼室50的水的压力为2MPa，经由滑动面供应给翼室50的水的量对于从蒸发器3经由通路P4供应给膨胀机4的翼室50的水的量的比例为60％。在图13中，表示经由滑动面供应给翼室50的水的温度在50℃、100℃、200℃下的情况，水的温度越高则膨胀机4的输出增加量越大，并且输出的增加量形成峰值的相位提前。
图14所示的曲线图的横轴和纵轴与前述图13所示的曲线图相同，表示经由滑动面供应给翼室50的水的量相对于从蒸发器3经由通路P4供应给膨胀机4的翼室50的水的量的比率为0％、20％、40％、60％的情况。在此，经由滑动面供应给翼室50的水的压力恒定为2MPa、温度恒定为200℃。当经由滑动面供应给翼室50的水的量的比例增加时，膨胀机4的输出增加量增加，但是输出的增加量形成峰值的相位是恒定不变的。
如前面所述，向第一半壳体12和第二半壳体13的圆形密封槽51、51的底部压力室86、86中供应水，并且使密封环54、54向转子27的侧面加载，并且，从形成于各转子段32的凹槽38b、38c内部的润滑水喷出口38d、38e将水喷出，并且在与转子室14的平坦面14a、14a的滑动面构成静压轴承，借此，可以在圆形密封槽51、51的内部利用成浮动状态的密封环54、54对转子27的平坦面27a、27a进行密封，从而，可以防止转子室14内的蒸汽通过与转子27的间隙发生泄漏。这时，密封环54、54和转子27被从润滑水喷出口38d、38e供应的水膜隔绝，不会产生固体接触，并且，即使转子27倾斜，通过圆形密封槽51、51内的密封环54、54伴随与此发生倾斜，可以将摩擦力抑制到最小的限度，并同时确保稳定的密封性能。
另外，对密封环54、54和转子27的滑动部进行润滑的水，通过离心力被供应给转子室14，由此经由排气孔80…排出排气室20。
另一方面，从第6水通路W6供应的水，经由形成于轴承构件23的孔形成螺栓91…的外周上的孔和第12水通路W12，在轴承构件23内周和旋转轴21外周的滑动面上形成水膜，利用该水膜以浮动状态支撑旋转轴21的右半部的外周，借此，防止旋转轴21和轴承构件23的固体接触，并且以不会发生烧接和磨损的方式进行润滑。从第6水通路W6供应给形成于旋转轴21中的第7水通路W7…、第9水通路W9…、第10水通路W10…和第11水通路W11的水，经由形成于轴承构件22的孔形成螺栓91…外周上的孔和第12水通路W12，在轴承构件22内周和旋转轴21外周的滑动面上形成水膜，利用该水膜以浮动状态支撑旋转轴21的左半部的外周，借此防止旋转轴21和轴承构件22的固体接触，并以不会发生烧结和磨损的方式进行润滑。对两个轴承构件22、23的滑动面进行润滑的水经由形成于其内部的第13水通路W13…排出到翼槽43…。
另外，存留在翼槽43…中的水流入连接到翼44…的底部和翼44…一侧的面上的水排出通路44g…，但是，该水排出通路44g…，由于翼44…在从转子27最为突出的规定角度范围内于转子室14上开口，所以利用翼槽43…和转子室14的压力差，使翼槽43…内的水经由水排出通路44g…排出到转子室14。
并且，从第6水通路W6经由形成在旋转轴21中的第30水通路为W30…供应的水，对第一固定轴64外周和旋转轴21内周的滑动面的右半部进行润滑，从第一固定轴64的密封槽64c经由第31水通路W31、W31排出到第5蒸汽通路S5。进而，从前述第11水通路W11而来的水对第1固定轴64外周和旋转轴21内周的滑动面左半部进行润滑，从第一固定轴64的密封槽64d经由第31水通路W31排出到第5蒸汽通路S5。
如上所述，膨胀机4的转子27由转子芯31和多个转子段32…分割而构成，因而，可以容易地提高转子27的翼槽43…的尺寸精度。即，高精度地加工分体的转子27中的翼槽43…的槽宽并提高滑动面的表面粗糙度是极其困难的，但是，通过将预制的多个转子段32…组装到转子芯31上，可以解决上述问题。并且，即使由于多个转子段32…的组装积累的误差，通过调节最后一个转子段32的尺寸，可以吸收前述误差的积累，获得整体精度高的转子27。
并且，由于供应高温高压蒸汽的内侧转子芯31、和温度相对较低的外侧转子段32…是由单独的构件构成的，所以可以抑制从高温转子芯31向转子段32…的热传导，不仅可以防止向转子27外部的放热以提高热效率，并且可以缓解转子27的热变形并提高精度。而且，由于可以选择满足转子芯31和转子段32…各自的功能的材料和加工方法，增加了设计自由度和加工方法的自由度，减轻了转子段32…和翼44…的滑动面的磨损，可以提高耐用性、密封性。进而，即使在辊27的一部分中产生故障的情况下，只需更换其一部分便可以进行补修，因而，与更换或废弃辊27的整体的情况相比，可以节约成本。
下面，主要参照图1和图2对包含兰金循环装置2的内燃机1的冷却系统的作用进行说明。
利用低压泵7从箱体6抽取的水经由通路P1供应给设置在排气管101上的热交换器102，在此，在预热之后经由通路P2供应给内燃机1的水冷套105。流入水冷套105内的水对作为内燃机1的发热部的气缸组103和气缸盖104进行冷却，在温度上升的状态下，供应给分配阀106。这样，由于由排气管101的热交换器102预热的水被供应给水冷套105，所以在内燃机1低温时可以促进其暖机，并且通过防止内燃机1的过冷却并提高排出气体的温度，可以提高蒸发器3的性能。
由分配阀106分配的高温水的一部分被夹装在通路P4中的高压泵8加压并供应给蒸发器3，由蒸发器3产生的高温高压蒸汽被供应给膨胀机4的蒸汽供应管75，并经过气缸33…和翼室50…驱动旋转轴21，之后，从排出口17b排出。
由分配阀106分配的高温水的另一部分被夹装在通路P5中的减压阀107减压并形成蒸汽，供应给膨胀机4的中继室19。供应到中继室19中的蒸汽，与从蒸汽供应管75供应并通过气缸33…的第一降温降压蒸汽合流，在驱动旋转轴21之后，从排出口17b排出。这样，由于从分配阀106而来的高温水的一部分被减压阀107蒸汽化并供应给膨胀机4，因而，水可以有效地利用在内燃机1的水冷套105中吸收的热能并且可以增加膨胀机4的输出。并且，由分配阀106分配的高温水的另一部分经由通路P6供应给膨胀机4的第1水通路W1，对各被润滑部进行润滑。这样，由于用高温的水对膨胀机4的被润滑部进行润滑，所以可以防止膨胀机4过冷却并减少所谓冷却损失。并且，在润滑之后进入膨胀行程的翼室50…的水，通过与翼室50…的蒸汽混合而被加热并形成蒸汽，利用其膨胀作用使膨胀机4的输出增加。而且，从膨胀机4的排出口17b排出到通路P8中的第二降温降压蒸汽被供应给冷凝器5，在此利用冷却风扇19进行冷却并形成水，返回到水箱6中。并且，由分配阀106分配的高温水的另一部分，在与夹装在通路P7中的辅机110之间进行热交换并被冷却之后，经由单向阀111返回到箱体6中。
如上所述，在将利用低压泵7从箱体6抽取的水供应给水冷套105并对内燃机1的发热部进行冷却之后，将所述水供应给辅机110并进行冷却并从此返回箱体6的水循环路径、和将流出水冷套105的水的一部分作为工作介质进行分配并使所述水经由高压泵8、蒸发器3、膨胀机4和冷凝器5返回到箱体6的兰金循环装置2的水循环路径被复合在一起，并且，通过水冷套105和辅机110的内燃机1的冷却系的水循环路径为低压大流量，兰金循环装置2的水循环路径为高压小流量，因而，可以分别向内燃机1的冷却系和兰金循环装置2供应适当流量和压力的水，既保持了兰金循环装置2的性能，又可以对内燃机1的发热部进行充分的冷却并阻止热辐射。而且，由于从低压泵7供应给水冷套105的水被设置在排气管101中的热交换器102预热，所以可以进一步有效地利用内燃机1的废热。
并且，由于从低压泵7供应给低温水的的热交换器102设置在与蒸发器3的位置相比的排放气体的温度下降的排气管101的下游，所以不会残余排放气体所具有的剩余废热，可以有效地回收。进而，由于将被热交换器102预热的水供应给水冷套105，所以可以防止内燃机1的过冷却，同时，可以提高燃烧热、即使排放气体进一步高温化并提高排放气体的热能，提高废热回收效率。
上面，对本发明的实施例进行了详细说明，但是，本发明在不脱离其主旨的范围内可以进行各种设计变化。
例如，在实施例中作为工作介质以水(蒸汽)举例表示，但是，在本发明中，还可以采用氨等其它任何工作介质。但是，由于水不会发生碳化等成分变化的使用温度范围宽，所以适于作为工作介质兼润滑介质，作为供应给膨胀机4的工作介质的高温蒸汽、和作为从内燃机1的水冷套10排出的相对低温的润滑介质的水可以没有障碍地混合。
工业上的可利用性根据本发明的内燃机的兰金循环装置适于用在汽车中，但是，对于除汽车用途以外的任意内燃机也可以适用。
权利要求
1.一种内燃机的兰金循环装置，该内燃机兰金循环装置包括利用内燃机(1)发出的废热对液相工作介质加热并生成气相工作介质的蒸发器(3)、将蒸发器(3)排出的气相工作介质的热能转换成机械能的膨胀机(4)、对膨胀机(4)排出的气相工作介质进行冷却并恢复成液相工作介质的冷凝器(5)、存留冷凝器(5)排出的液相工作介质的箱体(6)、将箱体(6)内的液相工作介质供应给蒸发器(3)的泵(7、8)，其特征在于，前述泵(7、8)由低压泵(7)和高压泵(8)构成，前述低压泵(7)通过使箱体(6)内的液相工作介质通过内燃机(1)的冷却机构(105)对该液相工作介质进行加热并供应给分配阀(106)，由分配阀(106)分配的液相工作介质的一部分被前述高压泵(8)加压并供应给蒸发器(3)，分配阀(106)分配的液相工作介质的另一部分在辅机(110)中放热之后排出到箱体(6)内。
2.如权利要求1所述的内燃机兰金循环装置，其特征在于，利用设置在内燃机(1)的排气管(101)内的热交换器(102)对从低压泵(7)出来的液相工作介质进行预热，并且供应给冷却机构(105)。
3.如权利要求1或2所述的内燃机兰金循环装置，其特征在于，由分配阀(106)分配的被加热的液相工作介质的一部分作为膨胀机(4)的润滑介质使用。
4.如权利要求3所述的内燃机兰金循环装置，其特征在于，作为润滑介质供应的液相工作介质的一部分，供应给膨胀机(4)的膨胀行程。
5.如权利要求2所述的内燃机兰金循环装置，其特征在于，由分配阀(106)分配的被加热的液相工作介质的一部分经过减压阀(107)转换成气相工作介质，将该气相工作介质供应给膨胀机(4)的膨胀行程。
6.如权利要求1～5任何一项所述的内燃机兰金循环装置，其特征在于，使用水作为液相工作介质。
全文摘要
一种内燃机的兰金循环装置，包括产生蒸汽的蒸发器(3)、用于将蒸汽的热能转换成机械能的膨胀机(4)、对膨胀机(4)排出的蒸汽进行冷却并复原成水的冷凝器(5)、储存从冷凝器(5)而来的水的箱体(6)，和对箱体(6)中的水加压并供应给蒸发器(3)的供应泵(7、8)，其中，利用低压泵(7)将箱体(6)内的水经由内燃机(1)的水冷套(105)供应给分配阀(106)，由分配阀(106)分配的水的一部分被高压泵(8)进一步加压并供应给蒸发器(3)，由分配阀(106)分配的水的另一部分在车室采暖用的加热器等辅机(110)中放热之后排出到箱体(6)。借此，可以既保持兰金循环装置的性能，又可以以利用作为液相工作介质的水对内燃机(1)的发热部进行充分冷却的方式来防止辐射。
文档编号F01N5/02GK1469969SQ01817179
公开日2004年1月21日 申请日期2001年10月5日 优先权日2000年10月10日
发明者新仓裕之, 芳, 谷口弘芳, 宇田诚, 片平洁 申请人:本田技研工业株式会社