发动机废热利用装置制造方法
【专利摘要】发动机废热利用装置包含：朗肯循环，其具有将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒产生动力的膨胀机、使从膨胀机流出的冷媒冷凝的冷凝器、和由膨胀机驱动并将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵；动力传递机构(曲轴带轮(2a)、泵带轮(33)、传动带(34))，其在即使驱动冷媒泵而膨胀机的动力也存在剩余的情况下，将剩余动力传递至发动机中；离合器，其对动力传递机构的动力传递进行接合/断开；以及壳体(96)，其将膨胀机的轴和冷媒泵的轴同轴地配置，将离合器、冷媒泵以及膨胀机按照该顺序一体地进行收容，并且，将膨胀机设置在发动机的高温部(4)附近，以使其与离合器相比成为高温。
【专利说明】发动机废热利用装置【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有朗肯循环的发动机废热利用装置。
【背景技术】
[0002]在日本特许厅2005年发行的JP2005 — 030386A的朗肯循环中，冷媒泵及膨胀机收容在一个密闭壳体中。
【发明内容】
[0003]然而，在JP2005 - 030386A中，针对将密闭壳体设置在发动机的哪个位置上完全
没有记载。
[0004]本发明是着眼于上述的现有问题而提出的。本发明的目的在于，提供一种最适于壳体内的各部件的热要求的发动机废热利用装置。
[0005]本发明的一个方式的发动机废热利用装置包含:朗肯循环，其具有将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器输出的冷媒而产生动力的膨胀机、使膨胀机输出的冷媒冷凝的冷凝器、由膨胀机驱动并将从冷凝器输出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵；动力传递机构，其在即使驱动冷媒泵而膨胀机的动力也存在剩余的情况下，将剩余动力传递至发动机中；以及离合器，其将动力传递机构的动力传递接合/断开。并且，具有壳体，其将膨胀机的轴和冷媒泵的轴同轴地配置，将离合器、冷媒泵以及膨胀机按照该顺序一体地进行收容，并且将膨胀机设置在发动机的高温部附近，以使其与离合器相比成为高温。
[0006]本发明的实施方式、本发明的优点与添加的附图一起在下面进行详细地说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是表示本发明的第I实施方式的朗肯循环的系统整体的概略结构图。
[0008]图2A是将泵以及膨胀机一体化的膨胀机泵的概略剖面图。
[0009]图2B是冷媒泵的概略剖面图。
[0010]图2C是膨胀机的概略剖面图。
[0011]图3是表示冷媒类阀的功能的概略图。
[0012]图4是混合动力车辆的概略结构图。
[0013]图5是发动机的概略斜视图。
[0014]图6是从下方观察发动机的概略图。
[0015]图7A是朗肯循环运行区域的特性图。
[0016]图7B是朗肯循环运行区域的特性图。
[0017]图8是表示在通过膨胀机扭矩对发动机输出轴的旋转进行辅助的中途，混合动力车辆I进行加速时的状态的时序图。
[0018]图9是表示朗肯循环从运行停止再次起动的状态的时序图。
[0019]图10是第I实施方式的一个发动机的概略俯视图。[0020]图11是第I实施方式的其它发动机的概略俯视图。
[0021]图12是第2实施方式的发动机的概略主视图。
[0022]图13是第3实施方式的发动机的概略俯视图。
[0023]图14是将与第3实施方式的膨胀机泵以及膨胀机连接的两个冷媒通路提取示出的概略图。
【具体实施方式】
[0024](第I实施方式)
[0025]图1示出表示作为本发明的前提的朗肯循环的系统整体的概略结构图。
[0026]图1的朗肯循环31以及制冷循环51共用冷媒以及冷凝器38。下面将组合了朗肯循环31以及制冷循环51的循环表示为组合循环30。组合循环30是指在朗肯循环31及制冷循环51的冷媒进行循环的通路以及在其中途设置的泵、膨胀机、冷凝器等结构要素的基础上，还包含冷却水和排气通路等的系统整体。
[0027]图4是搭载有组合循环30的混合动力车辆I的概略结构图。
[0028]在混合动力车辆I中，发动机2、电动发动机81、自动变速器82串联连结。自动变速器82的输出经由传动轴83、差动齿轮84传递至驱动轮85。在发动机2和电动发动机81之间设有第I驱动轴离合器86。另外，在自动变速器82中设置第2驱动轴离合器87。该第2驱动轴离合器87是自动变速器82的摩擦接合要素之一。
[0029]第I驱动轴离合器86及第2驱动轴离合器87，通过与混合动力车辆的运行条件相对应的发动机控制器71的指令，控制接合/断开(连接状态)。混合动力车辆I如图7B所示在发动机2处于效率差的EV区域时，使发动机2停止，将第I驱动轴离合器86切断，将第2驱动轴离合器87连接，仅利用电动发动机81的驱动力行驶。
[0030]如果发动机转速提高，转换至朗肯循环运行区域，则发动机2运行，朗肯循环31(后述)运行。
[0031]如图1所示，发动机2的排气通路3包含排气歧管4、排气管5、旁通排气管6。排气管5与排气歧管4的集合部连接。旁通排气管6从排气管5的中途开始分支并再次合流。在绕过旁通排气管6的区间的排气管5中具有废热回收器22。废热回收器22进行排气和冷却水的热交换。将废热回收器22及旁通排气管6 —体化的单元称为废热回收单元
23。如图6所示，废热回收单元23配置在地板催化剂88和辅助消音器89之间。
[0032]下面，基于图1，对发动机冷却水通路进行说明。发动机冷却水通路包含:通过散热器11的冷却水通路13 ;以及绕过散热器11的旁通冷却水通路14。旁通冷却水通路14包含第I旁通冷却水通路24和第2旁通冷却水通路25。第I旁通冷却水通路24从冷却水通路13开始分支，与后述的热交换器36直接连接。第2旁通冷却水通路25从冷却水通路13开始分支，经过废热回收器22后，与热交换器36连接。
[0033]下面，基于图1，对发动机冷却水的流路进行说明。流出发动机2的冷却水的温度为80?90°C左右。冷却水分别流经冷却水通路13和旁通冷却水通路14。然后,两条流路在恒温器阀15处再次合流。恒温器阀15确定流经冷却水通路13以及旁通冷却水通路14的冷却水流量的分配。合流后的冷却水经由冷却水泵16返回发动机2。冷却水泵16由发动机2进行驱动。冷却水泵16的转速与发动机转速同步。在冷却水温度较高的情况下，恒温器阀15使冷却水通路13侧的阀开度增大，使通过散热器11的冷却水量相对增大。另外，在冷却水温度低的情况下，恒温器阀15将冷却水通路13侧的阀开度变小，使通过散热器11的冷却水量相对减少。在发动机2暖机前等冷却水温度特别低的情况下，恒温器阀15将冷却水通路13侧全部关闭。其结果，冷却水完全绕过散热器11，冷却水全部流经旁通冷却水通路14。
[0034]另外，恒温器阀15构成为，不将旁通冷却水通路14侧全部关闭。因此，即使流经散热器11的冷却水流量增多，流经旁通冷却水通路14的冷却水的流路也不会完全停止。
[0035]下面，对热交换器36进行说明。热交换器36进行朗肯循环31的冷媒和冷却水之间的热交换。热交换器36通过将加热器和过热器组合而成。即，在热交换器36中，将冷却水通路36a及冷却水通路36b大致一列且与朗肯循环31的冷媒通路36c相邻地设置。由于为上述的结构，因此能够进行冷媒和冷却水的热交换。另外，冷却水通路36a、冷却水通路36b以及冷媒通路36c构成为，使朗肯循环31的冷媒和冷却水彼此的流向成为反向。
[0036]详细地说，对于朗肯循环31的冷媒来说位于上游(图1的左)侧的冷却水通路36a安装在第I旁通冷却水通路24中。从发动机2流出的冷却水导入至由冷却水通路36a以及与冷却水通路36a相邻的冷媒通路部分构成的热交换器左侧部分。该部分是对流经冷媒通路36c的冷媒进行加热的加热器。
[0037]经过第2旁通冷却水通路25并经由废热回收器22的冷却水，导入对于朗肯循环31的冷媒来说位于下游(图1的右)侧的冷却水通路36b。从发动机2输出且由排气加热后的冷却水，导入至由冷却水通路36b及与该冷却水通路36b邻接的冷媒通路部分构成的热交换器右侧部分(对于朗肯循环31的冷媒来说为下游侧)。该部分是使流经冷媒通路36c的冷媒过热的过热器。
[0038]废热回收器22的冷却水通路22a与排气管5相邻地设置。从发动机2排出而导入至废热回收器22的冷却水通路22a的冷却水，利用高温的排气，例如被加热至110?115°C左右。另外，冷却水通路22a构成为，使排气和冷却水彼此逆向地流动。
[0039]在第2旁通冷却水通路25中安装有控制阀26。另外，在发动机2的出口处设置冷却水温度传感器74。如果冷却水温度传感器74的检测温度比规定值大，则使控制阀26的开度减小，以使发动机水温不超过例如用于不使发动机的效率恶化或发生爆震的容许温度(例如100°C )。如果发动机水温接近容许温度，则使通过废热回收器22的冷却水量减少，因此，能够可靠地防止发动机水温超过容许温度。
[0040]另一方面，通过第2旁通冷却水通路25的流量的减少，从而在废热回收器22中上升的冷却水温度会过高而冷却水进行蒸发(沸腾)，因此热交换器36中的效率下降。另外，可能导致冷却水通路内的冷却水的流路恶化而温度过度升高。为了避免该情况，在旁通排气管6的分支部设有对排气回收器22的排气通过量和旁通排气管6的排气通过量进行控制的恒温器阀7。恒温器阀7的阀开度基于从废热回收器22输出的冷却水温度进行调节，以使得从废热回收器22输出的冷却水温度不会超过规定的温度(例如沸腾温度120°C)。
[0041]将热交换器36、恒温器阀7和废热回收器22作为废热回收单元23而一体化，配置在车宽方向大致中央的地板下的排气管中途。恒温器阀7只要利用使用了双金属片等的比较简易的感温阀即可。另外，恒温器阀7也可以利用通过被输入温度传感器的输出的控制器而进行控制的控制阀。由于利用恒温器阀7进行的从排气向冷却水的热交换量的调节，会伴随着比较大的延迟，因此难以通过单独地对恒温器阀7进行调节而使发动机水温不超过容许温度。但是，由于第2旁通冷却水通路25的控制阀26是基于发动机水温(出口温度)进行控制的，因此，能够使热回收量迅速下降而可靠地防止发动机水温超过容许温度。另外，如果发动机水温处于至容许温度为止存在富余的状态，则进行热交换，直至从废热回收器22输出的冷却水温度成为超过发动机水温的容许温度程度的高温(例如110?115°C )为止，能够增加废热回收量。从冷却水通路36b输出的冷却水经由第2旁通冷却水通路25与第I旁通冷却水通路24合流。
[0042]如果冷却水的温度充分下降，则使冷却水通路13侧的阀开度变小，使通过散热器11的冷却水量相对减少。冷却水温度的充分下降，考虑例如是朗肯循环31的冷媒的温度较低，已与该冷媒进行了热交换的情况。如果冷却水的温度升高，则将冷却水通路13侧的阀开度增大，使通过散热器11的冷却水量相对增加。冷却水的温度变高，认为是朗肯循环31没有运行的情况。基于上述的恒温器阀15的动作，将发动机2的冷却水温度保持为适宜的温度，将热量适度地供给(回收)至朗肯循环31。
[0043]下面，对组合循环30进行说明。组合循环30如上所述，将朗肯循环31及制冷循环51组合而成。下面，首先对于基本的朗肯循环31进行说明，然后对制冷循环51进行说明。
[0044]朗肯循环31是经由发动机2的冷却水将发动机2的废热回收至冷媒，将回收的废热作为动力而进行再生的系统。朗肯循环31具有冷媒泵32、作为过热器的热交换器36、膨胀器37以及冷凝器38。它们通过冷媒(R134a等)所循环的冷媒通路41?44进行连接。
[0045]冷媒泵32的轴同轴地与膨胀机37的输出轴连结配置(参照图2A)。冷媒泵32轴以及膨胀机37的输出轴与发动机2的输出轴平行地配置。在设置于冷媒泵32的轴的前端的泵带轮33、和曲轴带轮2a之间搭架传动带34 (参照图1)。由于为上述的结构，因此，膨胀机37所产生的输出(动力)对冷媒泵32进行驱动，并且对发动机2的输出轴(曲轴)进行驱动。另外，本实施方式的冷媒泵32如图2B所示为齿轮式的泵。膨胀机37如图2C所示，为涡旋式的膨胀机。
[0046]另外，在泵带轮33和冷媒泵32之间设置电磁式的离合器(下面将该离合器称为“膨胀机离合器”)35。由于为上述的结构，因此，冷媒泵32及膨胀机37能够与发动机2接合/断开(参照图2A)。如果在膨胀机37所产生的输出超过冷媒泵32的驱动力及旋转体所具有的摩擦力而存在剩余输出的情况下(预测膨胀机扭矩为正的情况下)，将膨胀机离合器35连接，则能够通过膨胀机37的剩余动力辅助发动机输出轴的旋转。如上所述利用由废热回收而获得的能量，辅助发动机输出轴的旋转，从而能够改善燃料消耗。另外，用于驱动使冷媒循环的冷媒泵32的能量，也能够由所回收的废热提供。
[0047]来自冷媒泵32的冷媒经由冷媒通路41供给至热交换器36。热交换器36在发动机2的冷却水和冷媒之间进行热交换，是将冷媒汽化并过热的热交换器。
[0048]来自热交换器36的冷媒经由冷媒通路42供给至膨胀机37。膨胀机37是通过使汽化并过热后的冷媒膨胀而将热变换为旋转能量的蒸汽涡轮机。利用膨胀机37回收到的动力对冷媒泵32进行驱动，经由带传动机构传递至发动机2，辅助发动机2的旋转。
[0049]来自膨胀机37的冷媒经由冷媒通路43供给至冷凝器38。冷凝器38是在外部气体和冷媒之间进行热交换，将冷媒冷却并液化的热交换器。冷凝器38与散热器11并列地配置，由散热器风扇12进行冷却。
[0050]被冷凝器38液化的冷媒经由冷媒通路44返回至冷媒泵32。返回至冷媒泵32的冷媒，由冷媒泵32再次输送至热交换器36，在朗肯循环31的各结构要素中进行循环。
[0051]下面，对制冷循环51进行说明。由于制冷循环51共用在朗肯循环31中循环的冷媒，因此，与朗肯循环31组合而将制冷循环51的结构本身简化。制冷循环51具有压缩机52、冷凝器38、蒸发器55。
[0052]压缩机52是将制冷循环51的冷媒以高温高压进行压缩的流体机械。压缩机52由发动机2进行驱动。如图4所示，在压缩机52的驱动轴上固定压缩机带轮53。在该压缩机带轮53和曲轴带轮2a上搭架传动带34。发动机2的驱动力经由该传动带34传递至压缩机带轮53，使压缩机52驱动。另外，在压缩机带轮53和压缩机52之间设置电磁式的离合器(下面将该离合器称为“压缩机离合器”)54。由于为上述的结构，因此压缩机52和压缩机带轮53能够接合/断开。
[0053]返回至图1，来自压缩机52的冷媒经由冷媒通路56在冷媒通路43处合流后，供给至冷凝器38。冷凝器38是通过与外部气体之间的热交换而将冷媒冷凝并液化的热交换器。来自冷凝器38的液态冷媒经由从冷媒通路44分支的冷媒通路57供给至蒸发器55。蒸发器55与加热器芯相同地设置在空调单元的壳体内。蒸发器55是使来自冷凝器38的液态冷媒蒸发，通过此时的蒸发潜热，将来自吹风机的空调空气冷却的热交换器。
[0054]由蒸发器55蒸发的冷媒经由冷媒通路58返回至压缩机52。另外，由蒸发器55冷却的空调空气和由加热器芯加热的空调空气，与空气混合风门的开度相对应而变更混合比例，调节至乘客所设定的温度。
[0055]组合循环30如上所述，由朗肯循环31和制冷循环51构成。在组合循环30中，为了对在循环内流动的冷媒进行控制而在中途适当地设置各种阀。例如，为了控制在朗肯循环31中循环的冷媒，而在将制冷循环分支点45和冷媒泵32连接的冷媒通路44中设置泵上游阀61，并且，在将热交换器36和膨胀机37连接的冷媒通路42中设置膨胀机上游阀62。另外，在将冷媒泵32和热交换器36连接的冷媒通路41中设置逆止阀63，其用于防止冷媒从热交换器36向冷媒泵32逆流。在将膨胀机37和制冷循环合流点46连接的冷媒通路43中设置逆止阀64，其用于防止冷媒从制冷循环合流点46向膨胀机37逆流。另外，设置膨胀机旁通通路65，其从膨胀机上游阀62上游绕过膨胀机37，并在逆止阀64上游处合流，在该膨胀机旁通通路65中设置旁通阀66。并且，在绕过旁通阀66的通路67中设置压力调整阀68。对于制冷循环51侧，在将制冷循环分支点45和蒸发器55连接的冷媒通路57中也设置空调膨胀阀69。
[0056]泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69均为电磁式的开闭阀。将由压力传感器72检测出的膨胀机上游压力的信号、由压力传感器73检测出的冷凝器38的出口的冷媒压力Pd的信号、膨胀机37的转速信号等输入至发动机控制器71。在发动机控制器71中，与规定的运行条件相对应，基于上述各输入信号，进行制冷循环51的压缩机52和散热器风扇12的控制，并且对泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69的开闭进行控制。
[0057]例如，基于由压力传感器72检测出的膨胀机上游侧压力以及膨胀机转速，对膨胀机扭矩(再生动力)进行预测，在该预测膨胀机扭矩为正时(能够辅助发动机输出轴的旋转时)将膨胀机离合器35接合，在预测膨胀机扭矩为零或者负时将膨胀机离合器35断开。基于传感器检测压力和膨胀机转速的预测与基于排气温度的预测相比精度高。由此，能够与膨胀机扭矩的产生状态相对应，适当地将膨胀机离合器35接合.断开(详细地说，参照JP2010-190185A)。
[0058]上述四个开闭阀(泵上游阀61、膨胀机上游阀62、旁通阀66、空调膨胀阀69)以及上述两个逆止阀(逆止阀63、逆止阀64)为冷媒类阀。在图3中另外示出上述冷媒类阀的功倉泛。
[0059]泵上游阀61在与制冷循环51相比冷媒容易向朗肯循环31集中的规定的条件下关闭，防止冷媒(包含润滑成分)向朗肯循环31集中。泵上游阀61如后所述与膨胀机37下游的逆止阀64协同动作，将朗肯循环31闭塞。膨胀机上游阀62在来自热交换器36的冷媒压力相对低的情况下，将冷媒通路42切断，将来自热交换器36的冷媒保持为高压。由此，即使在无法充分获得膨胀机扭矩的情况下，也促进冷媒的加热，例如能够缩短直至朗肯循环31再次起动为止的时间，即直至实际能够再生为止的时间。旁通阀66的作用是，在朗肯循环31的起动时等、存在于朗肯循环31侧的冷媒量不充分时等，使其开阀，从而通过绕过膨胀机37而使冷媒泵32能够动作，缩短朗肯循环31的起动时间。如果通过绕过膨胀机37而使冷媒泵32动作，使冷凝器38的出口或者冷媒泵32的入口的冷媒温度，成为从考虑该部位的压力的沸点下降至大于或等于规定温度差(低温处理温度SC)的状态，则成为能够在朗肯循环31中供给充分的液体冷媒的状态。
[0060]热交换器36上游的逆止阀63与旁通阀66、压力调整阀68、膨胀机上游阀62协同动作，将向膨胀机37供给的冷媒保持为高压。在朗肯循环31的再生效率低的条件下，朗肯循环31停止运行，将热交换器36的前后区间闭塞，因此使停止中的冷媒压力不断上升，能够利用高压冷媒而使朗肯循环31迅速地再次起动。压力调整阀68在向膨胀机37供给的冷媒的压力过高的情况下打开，起到将过高的冷媒排出的安全阀的作用。
[0061]膨胀机37下游的逆止阀64与上述的泵上游阀61协同动作，防止冷媒向朗肯循环31集中。在混合动力车辆I刚开始运行后，如果发动机2未进行暖机，则朗肯循环31与制冷循环51相比为低温，有时冷媒会向朗肯循环31侧集中。向朗肯循环31侧集中的概率不高。然而，例如，在夏天车辆刚刚开始运行之后，在期望车内尽快降温的情况下，首先要求制冷能力。在上述情况下，即使是冷媒的略微不均匀也希望消除，确保制冷循环51的冷媒。由此，为了防止冷媒向朗肯循环31集中而设置逆止阀64。
[0062]压缩机52不是在驱动停止时使冷媒能够自由通过的结构。压缩机52与空调膨胀阀69协同动作，能够防止冷媒向制冷循环51中集中。对于该情况进行说明。在制冷循环51停止时，冷媒从稳定运行中的温度比较高的朗肯循环31侧向制冷循环51侧移动，有时在朗肯循环31中循环的冷媒不足。在制冷循环51中，空调刚刚停止后，蒸发器55的温度变低，冷媒容易停留在容积比较大而温度低的蒸发器55中。在该情况下，由于压缩机52的驱动停止，而将冷媒从冷凝器38向蒸发器55的移动切断，并且通过将空调膨胀阀69关闭，从而能够防止冷媒向制冷循环51集中。
[0063]下面，图5是表示发动机2整体组件的发动机2的概略斜视图。图5中的特征在于，将热交换器36配置在排气歧管4的铅垂上方。通过在排气歧管4的铅垂上方的空间配置热交换器36，从而提高将朗肯循环31向发动机2搭载的搭载性。另外，在发动机2上设有张紧带轮8。
[0064]下面，参照图7A及图7B，对朗肯循环31的基本运行方法进行说明。
[0065]首先，图7A及图7B是朗肯循环31的运行区域图。图7A的横轴为外气温度，纵轴为发动机水温(冷却水温度)。图7B的横轴为发动机转速，纵轴为发动机扭矩(发动机负载)。
[0066]朗肯循环31在满足图7A及图7B这两者条件的情况下运行。在图7A中，在优先对发动机2进行暖机的低水温侧的区域、和压缩机52的负载增大的高外气温侧的区域中，使朗肯循环31停止。在排气温度低且回收效率差的暖机时，通过不使朗肯循环31运行从而迅速地使冷却水温度上升。在要求较高的制冷能力的高外气温度时，朗肯循环31停止，向制冷循环51提供充分的冷媒和冷凝器38的冷却能力。在图7B中，由于为混合动力车辆，因此，在EV行驶区域和膨胀机37的摩擦力增大的高转速侧的区域中，使朗肯循环31停止。膨胀机37难以在全部的转速下成为摩擦力较小且高效率的结构，因此，在图7B的情况下，使膨胀机37构成为(膨胀机37各部分的规格等设定为)，在运行频率高的发动机转速区域中摩擦力小且效率高。
[0067]图8是示意地示出在利用膨胀机扭矩对发动机输出轴的旋转进行辅助的中途，混合动力车辆I进行加速时的状态的时序图。另外，在图8的右侧，在膨胀机扭矩对应图上示出此时膨胀机37的运行状态推移的情况。在由膨胀机扭矩对应图的等高线划分的范围中，膨胀机转速低而膨胀机上游压力高的部分(左上)，具有膨胀机扭矩成为最大的倾向。具有膨胀机转速越高而膨胀机上游压力越低(越趋于右下方)，膨胀机扭矩变得越小的倾向。特别地，斜线部分的范围，是在驱动冷媒泵的前提下，膨胀机扭矩为负，相对于发动机成为负载的区域。
[0068]直至驾驶员踏入加速器踏板的tl为止保持匀速行驶，膨胀机37产生正扭矩，利用膨胀机扭矩进行发动机输出轴的旋转辅助。
[0069]tl以及tl之后，膨胀机37的转速即冷媒泵32的转速与发动机转速成正比地上升，另一方面，排气温度或者冷却水温度的上升相对于发动机转速的上升而滞后。因此，相对于随着冷媒泵32的转速上升而增大的冷媒量，可回收的热量的比例下降。
[0070]由此，随着膨胀机转速上升，膨胀机上游的冷媒压力下降，膨胀机扭矩下降。
[0071]如果由于该膨胀机扭矩的下降而无法充分地获得膨胀机扭矩(例如在零附近的t2的定时)，则膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态，避免再生效率的恶化。即，避免伴随着膨胀机扭矩的过度下降，膨胀机37相反地被发动机2牵引的现象。
[0072]在膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态后，在t3的定时膨胀机离合器35从连接(接合)切换至切断(断开)。通过使该膨胀机离合器35的切断时机与将膨胀机上游阀62从打开状态切换至关闭状态的时机相比稍微延迟，从而能够使膨胀机上游的冷媒压力充分地下降。由此，在膨胀机离合器35切断时，能够防止膨胀机37过度旋转。另外，利用冷媒泵32将大量的冷媒供给至热交换器36内，在朗肯循环31停止中也能够有效地对冷媒加热，从而朗肯循环31能够顺利地再次运行。
[0073]t3以及t3之后，由于发动机2的散热量上升而使膨胀机上游压力再次上升。在t4的定时，膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态，再次开始向膨胀机37供给冷媒。另外，在t4再次使膨胀机离合器35连接。通过该膨胀机离合器35的再次连接，从而再次开始利用膨胀机扭矩对发动机输出轴进行旋转辅助。[0074]图9是示意地示出在膨胀机上游阀62关闭且膨胀机离合器35切断的状态下，从朗肯循环的运行停止开始，在与图8 (t4的控制)不同的状态下，进行朗肯循环31的再次起动的状态的时序图。
[0075]如果在til的定时驾驶员踏入加速器踏板，则加速器开度增大。在tll，朗肯循环31的运行停止。因此，膨胀机扭矩保持零。
[0076]伴随着从tll开始的发动机转速的上升而发动机2的散热量增大，通过该散热量的增大，流入热交换器36的冷却水温度提高，热交换器36内的冷媒的温度上升。由于膨胀机上游阀62关闭，因此，通过该热交换器36使冷媒温度上升，从而膨胀机上游阀62上游的冷媒压力即膨胀机上游压力不断上升(tll?tl2)。
[0077]通过该运行状态的变化，从朗肯循环非运行区域切换至朗肯循环运行区域。在膨胀机上游阀62关闭，转移至朗肯循环运行区域时，如果膨胀机离合器35立刻从切断状态切换至连接状态，膨胀机37与发动机输出轴连结，则由于膨胀机37成为发动机2的负载而会产生扭矩冲击。
[0078]另一方面，在图9中，在切换至朗肯循环运行区域时，不立刻将膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态。即，转换至朗肯循环运行区域后，也继续膨胀机上游阀62的关闭状态。
[0079]不久，膨胀机上游压力和膨胀机下游压力之间的差压变大，在大于或等于规定压力的tl2的定时判断为膨胀机37能够运行(驱动)，膨胀机上游阀62从关闭状态切换至打开状态。通过将该膨胀机上游阀62切换至打开状态，向膨胀机37供给规定压力的冷媒，膨胀机转速迅速从零开始上升。
[0080]在由于该膨胀机转速的上升而膨胀机转速到达发动机转速的tl3的定时，膨胀机离合器35从切断状态切换至连接状态。如果在膨胀机37转速充分增加之前将膨胀机离合器35连接，则膨胀机37会成为发动机负载，也可能产生扭矩冲击。与此相对，通过在与发动机输出轴的转速差消失的tl3使膨胀机离合器35延迟连接，从而能够防止膨胀机37成为发动机负载，以及与膨胀机离合器35接合相伴的扭矩冲击。
[0081]图10、图11是第I实施方式的发动机2的概略俯视图(从铅垂上方观察的图)。直列4气缸的发动机2是设置在与车辆行驶方向正交的方向上的所谓的横置发动机。在该发动机2中，如图10所示，排气歧管4配置在车辆前侧，进气歧管91配置在车辆后侧。或者，如图11所示，排气歧管4朝向车辆后侧配置，进气歧管91朝向车辆前侧配置。另外，图10的发动机2与图5所不的发动机2相同。
[0082]在上述的发动机配置中，如图1、图2A、图5、图10所示，膨胀机离合器35、冷媒泵32以及膨胀机37按照该顺序一体地收容在壳体96内，形成膨胀机泵95。膨胀机泵95的整体大致为柱状。膨胀机泵的轴与发动机2的输出轴2b平行地配置。
[0083]在这里，所谓“膨胀机泵的轴”，是指膨胀机离合器35的轴、冷媒泵32轴以及膨胀机37的输出轴。壳体96如图2A所示，包含膨胀机37的膨胀机壳体37a、冷媒泵32的泵壳体32a。在这里，泵壳体32a兼作为膨胀机离合器35的离合器壳体。
[0084]在第I实施方式中，并且在图10所示的情况下，从发动机前表面2c观察，壳体96的膨胀机侧端部96a (参照图2A)靠近排气歧管4的左侧面4a (参照图5)而配置。在如图11所示的情况下，从发动机后表面2d观察，壳体96的膨胀机侧端部96a靠近排气歧管4的右侧面而配置。如上所述设置膨胀机泵95的壳体96的理由是，对于膨胀机泵95的两个部件(膨胀机离合器35、膨胀机37)的热要求不同。
[0085]下面，针对对于膨胀机泵95的两个部件(膨胀机离合器35、膨胀机37)的热要求不同这方面，说明本发明人考虑的问题。
[0086]如果将三个部件(膨胀机离合器35、冷媒泵32、膨胀机37) —体地收容在壳体96中，则结构简单，抑制成本。然而，对于两个部件(膨胀机离合器35、膨胀机37)的热要求不同。
[0087]热交换器36的出口的气体冷媒经由冷媒通路42供给至膨胀机37。流经冷媒通路42的气体冷媒优选不使温度下降而向膨胀机37的入口供给。其原因在于，由于膨胀机转速依赖于膨胀机37的入口的气体冷媒的温度及压力，因此，如果在达到至膨胀机37的入口之前冷媒冷却，则膨胀机转速下降。
[0088]在这里，膨胀机37也如图2A、2C所示，是固定涡旋部37c和可动涡旋部37d这两个涡旋部件啮合的所谓涡旋式的膨胀机。从热交换器36输出的高压气体冷媒进入设置在壳体96的膨胀机侧端部96a (参照图2A)的中央处的吸入口 37b。吸入口 37b设置在膨胀机37的轴附近，是与膨胀机37的轴平行的圆柱状的空间。进入该吸入口 37b的高压气体冷媒在两个涡旋部能够啮合的动作室中膨胀。通过该膨胀能量，使可动涡旋部37d旋转驱动。并且，气体冷媒向外周侧移动，通过喷出通路37e，从设置在膨胀机壳体37a的周缘的喷出口 37f向外部输出。
[0089]膨胀机离合器35利用两个部件之间的摩擦力，将动力传递接合/断开，因此，在动力传递的连接时在两个部件之间会产生摩擦热。在该情况下，两个部件的温度越高而摩擦力越下降。即，为了膨胀机离合器35能够可靠地将动力传递接合/断开，优选将膨胀机离合器35尽可能设置在不暴露于高热的位置。
[0090]如上所述，由于在膨胀机37和膨胀机离合器35中对热要求明显不同，因此，为了与膨胀机泵95内的两个部件(膨胀机离合器35、膨胀机37)的热要求相对应而在发动机2的最适的部位处设置膨胀机泵95这一点很重要。
[0091]在该情况下，在当前装置中，将冷媒泵和膨胀机收容在一个密闭壳体内。然而，对于将密闭壳体设置在发动机的哪个位置处，完全没有记载。
[0092]由此，在本实施方式中，如图10、图11所示，膨胀机泵95的壳体96设置在发动机2的高温部处。其结果，使膨胀机37与膨胀机离合器35相比相对地成为高温。详细地说，以膨胀机37的吸入口 37b接近发动机的高温部的方式设置壳体96。由此，在进入膨胀机的吸入口 37d之前，流经冷媒通路42的气体冷媒所具有的热量难以从冷媒通路42释放。在这里，所谓“发动机的高温部”，第一是指使各气缸的排气集中排出的排气歧管4，第二是指与排气歧管集合部连接的歧管催化剂92。
[0093]针对上述情况，参照图5进行说明。在图5中，右斜下方为车辆前侧。在车辆前侧即发动机前表面2c处设置排气歧管4。相对于位于发动机前表面2c的铅垂上方的排气歧管4的集合部，歧管催化剂92沿铅垂方向(在图5中为上下方向)连接。并且，排气歧管4中的在前方可见侧为排气歧管4的左侧面4a。里侧(不可见侧)为排气歧管4的右侧面。以靠近其中的左侧面4a的方式设置壳体96的膨胀机侧端部96a。
[0094]在这里，对本实施方式的作用效果进行说明。[0095]根据本实施方式，将膨胀机的轴和冷媒泵的轴同轴地配置，对膨胀机离合器35、冷媒泵32以及膨胀机37按照该顺序一体地进行收容的壳体96，靠近排气歧管4 (发动机的高温部)配置，以使得膨胀机37与膨胀机离合器35相比成为高温。由于形成为上述结构，因此，在进入膨胀机37的吸入口 37b (膨胀机入口 )之前，抑制冷媒的热量散失，防止膨胀机37的热回收效率下降。另外，在膨胀机离合器35中产生的摩擦热量容易散失，提高膨胀机离合器35的可靠性。
[0096]S卩，根据本实施方式，以膨胀机37的吸入口 37b接近排气歧管4 (发动机的高温部)的方式设置壳体96。由于为上述的结构，因此，热量难以从吸入口 37b散失，提高膨胀机37的热回收效率。
[0097]另外，由于比较低温的流体所流经的泵夹在膨胀机和离合器之间，因此，能够有效地抑制热量从膨胀机向离合器传递。
[0098]发动机2将四个(多个)气缸以直线状配置。并且，发动机2具有将四个气缸的排气集中排出的排气歧管4。并且，膨胀机泵95的轴(同轴配置的轴)和发动机2的输出轴2b平行地配置，以壳体96的膨胀机侧端部96a接近排气歧管4的方式设置壳体69。由于为上述的结构，因此，容易地构成将在膨胀机37中再生的动力传递至发动机2的动力传递机构(曲轴带轮2a、泵带轮33、带部件34)。另外，膨胀机37能够通过来自高温的排气歧管4的辐射热以及环境温度而有效地吸收热量。
[0099](第2实施方式)
[0100]图12是从车辆前侧观察的第2实施方式的发动机2的概略主视图。第2实施方式的直列4气缸发动机2是与图10所示的发动机2相同的发动机。即，也如图5所示，在发动机前表面2c的铅垂上方可见排气歧管4，在相对于该排气歧管4的集合部的铅直方向(在图12中为上下方向)上连接有歧管催化剂92。
[0101]在上述发动机配置中，在第2实施方式中，膨胀机泵95的轴与发动机2的输出轴平行地配置。另外，膨胀机泵的壳体96的膨胀机侧端部96a靠近歧管催化剂92的左侧面92a而设置。
[0102]根据第2实施方式，容易地形成将在膨胀机37中再生的动力传递至发动机2的动力传递机构(曲轴带轮2a、泵带轮33、带部件34)的结构。另外,膨胀机37能够通过来自高温的歧管催化剂92的辐射热以及环境温度而高效地吸收热量。
[0103](第3实施方式)
[0104]图13是第3实施方式的发动机2的概略俯视图(从铅垂上方观察的图)，是替代第I实施方式的图10的图。针对与图10相同的部分标注相同的标号。
[0105]在第3实施方式中，膨胀机泵95的轴与发动机2的输出轴2b平行地配置。并且，膨胀机泵95的壳体96处于进气歧管91的铅垂下方，沿着发动机后表面2d设置。
[0106]根据第3实施方式，发动机以排气歧管位于车辆前侧，进气歧管位于车辆后侧的方式横置于车辆上，壳体96设置在发动机的后表面2d,根据上述的结构,在车辆I行驶时，行驶风通过壳体96的膨胀机离合器35侧(在图13中为左侧)，使膨胀机离合器35冷却。另夕卜，在膨胀机37侧(在图13中为右侧)，行驶风被发动机2阻隔。由此，膨胀机37侧难以由行驶风进行冷却。由此，壳体96中的膨胀机37侧与膨胀机离合器35侧相比能够相对地成为高温。[0107](第4实施方式)
[0108]图14是将与第3实施方式的膨胀机泵95及膨胀机37连接的冷媒通路42以及冷媒通路43提取示出的概略图。图14的“高温部”是指排气歧管4和歧管催化剂92。另外，在图14中，透视地示出壳体96，以使其与冷媒通路43的关系明确化。
[0109]在第4实施方式中，将与膨胀机37的吸入口 37b (参照图2A)连接的冷媒通路42中的靠近吸入口 37b的第I部位42a设置为,位于与圆柱状的吸入口 37b的轴相同的位置。SP，将第I部位42a设置为，与吸入口 37b的轴排列在一条直线上。将与第I部位42a连接的第2部位42b设置为，与第I部位42a正交。
[0110]根据第4实施方式，容易地使膨胀机37中的冷媒为最高温的吸入口 37b所设置的壳体96的膨胀机侧端部96a，接近排气歧管4和歧管催化剂92 (发动机的高温部)。
[0111]另外，吸入口 37b能够直线地从第I部位42a获取气体冷媒，因此压力损失小，膨胀机效率提高。
[0112]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式仅表示本发明的适用例的一部分，本发明的技术范围不由上述实施方式的具体结构进行限定。
[0113]例如，在实施方式中，针对混合动力车辆的情况进行了说明，但不限于此。也能够适用于仅搭载发动机2的车辆中。发动机2可以是汽油发动机、柴油发动机中的任一种。
[0114]本申请基于2011年9月30日向日本特许厅提出的特愿2011 — 216738并主张优先权，上述申请的全部内容通过参照而引入本说明书中。
【权利要求】
1.一种发动机废热利用装置，其包含: 朗肯循环，其具有将发动机的废热回收至冷媒中的热交换器、利用从热交换器流出的冷媒产生动力的膨胀机、使从膨胀机流出的冷媒冷凝的冷凝器、和由膨胀机驱动并将从冷凝器流出的冷媒供给至热交换器的冷媒泵； 动力传递机构，其在即使驱动冷媒泵而膨胀机的动力也存在剩余的情况下，将剩余动力传递至发动机； 离合器，其对动力传递机构的动力传递进行接合/断开；以及壳体，其将膨胀机的轴和冷媒泵的轴同轴地配置，将离合器、冷媒泵以及膨胀机按照该顺序一体地进行收容，并且，将膨胀机设置在发动机的高温部附近，以使其与离合器相比成为高温。
2.根据权利要求1所述的发动机废热利用装置，其中， 壳体设置为，使膨胀机的吸入口靠近发动机的高温部。
3.根据权利要求1所述的发动机废热利用装置，其中， 发动机是将多个气缸以直线状配置而成的，具有使多个气缸的排气集中排出的排气歧管， 膨胀机的轴以及冷媒泵的轴与发动机的输出轴平行， 壳体设置为，使膨胀机侧端部靠近排气歧管。
4.根据权利要求1所述的发动机废热利用装置，其中， 发动机是将多个气缸以直线状配置而成的，具有:排气歧管，其将多个气缸的排气集中排出；以及催化剂，其与排气歧管的集合部连接， 膨胀机的轴以及冷媒泵的轴与发动机的输出轴平行， 壳体设置为，使膨胀机侧端部靠近催化剂。
5.根据权利要求1所述的发动机废热利用装置，其中， 膨胀机为涡旋式，其使固定涡旋部和可动涡旋部这两个涡旋部件啮合，使冷媒从中央侧的吸入口向周缘侧的喷出口流动， 将从热交换器流出的冷媒供给至膨胀机的吸入口的冷媒通路具有:第I部位，其与膨胀机的吸入口的轴以排列在一条直线上的方式连接；以及第2部位，其与第I部位正交连接。
6.根据权利要求1所述的发动机废热利用装置，其中， 发动机横置于车辆中，以使排气歧管位于车辆前侧，使进气歧管位于车辆后侧， 壳体设置在发动机的后表面。
【文档编号】F01N5/02GK104011334SQ201280047337
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年8月6日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】永井宏幸, 石川贵幸, 沟口真一朗, 岩桥利矢子, 中村慎二 申请人:日产自动车株式会社, 三电株式会社