(57)【特許請求の範囲】
【請求項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発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、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と、
ステータの内側に内ロータを有するとともに外側に外ロータを有するモータジェネレータとを備え、
少なくとも前記モータジェネレータと前記膨張機とは、前記モータジェネレータの前記内ロータ及び前記外ロータのいずれか一方のロータが前記膨張機の回転軸に連結され、いずれか他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項２】
前記他方のロータは、補機を直列または並列に介装して内燃機関の回転軸に連結されてい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システム。
【請求項３】
さらに、冷媒の循環路に少なくとも内燃機関の回転駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機が介装された冷凍サイクルを備え、
前記補機は、前記圧縮機であ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システム。
【請求項４】
前記圧縮機は、可変容量式圧縮機であり、
該可変容量式圧縮機の圧縮容量を前記冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御する圧縮容量制御手段をさらに備えることを特徴とする、請求項３記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項５】
内燃機関と前記圧縮機との間には、内燃機関の運転状態に応じて該圧縮機を介し内燃機関に伝達される前記モータジェネレータの回転駆動力の断接を行う断接クラッチを有することを特徴とする、請求項３または４記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項６】
前記膨張機及び前記ポンプは同軸にして一体に構成され、
前記モータジェネレータと前記一体をなす膨張機及びポンプとは、前記一方のロータが前記一体をなす膨張機及びポンプの回転軸に連結され、前記他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項７】
さらに、前記膨張機の回転または内燃機関の回転により前記モータジェネレータが発電する発電電力を蓄電するバッテリを含む電力回収手段と、該バッテリの蓄電量に基づき電力回収度合いを制御するシステム制御手段とを備えたことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項８】
前記電力回収手段は、前記ランキンサイクルの発生するランキン出力を検出するランキン出力検知手段と、前記バッテリの蓄電量を検出するバッテリ蓄電量検出手段と、前記モータジェネレータの前記一方のロータ及び前記他方のロータをそれぞれモータとジェネレータとに切り換えるモータジェネレータ出力可変手段とを備え、
前記システム制御手段は、
前記電力回収手段が要求するバッテリ要求電力を算出するバッテリ要求電力算出手段と、該バッテリ要求電力算出手段により算出されたバッテリ要求電力に応じて前記モータジェネレータ出力可変手段を制御するモータジェネレータ制御手段とを含み、
前記バッテリ要求電力算出手段により算出されたバッテリ要求電力が前記ランキン出力検知手段により検出されたランキン出力に相当する電力より大きいとき、前記モータジェネレータ制御手段により、前記他方のロータをジェネレータに切り換えるべく、バッテリ要求電力がランキン出力に相当する電力未満のとき、前記他方のロータをモータに切り換えるべく、前記モータジェネレータ出力可変手段を制御することを特徴とする、請求項７記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項９】
前記モータジェネレータ制御手段は、前記他方のロータをジェネレータに切り換えるときにはジェネレータ出力目標値に基づいて前記モータジェネレータを制御し、前記他方のロータをモータに切り換えるときにはモータ出力目標値に基づいて前記モータジェネレータ出力可変手段を制御するものであって、
前記ジェネレータ出力目標値及び前記モータ出力目標値は、それぞれ前記バッテリ要求電力と前記ランキン出力に相当する電力との差の絶対値に基づいて設定されることを特徴とする、請求項８記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項１０】
さらに、前記ランキンサイクルの電動補機を備えるとともに、前記システム制御手段は、該ランキンサイクルの電動補機の入力電力を制御するランキンサイクル電動補機入力制御手段を含み、
前記システム制御手段は、前記ランキン出力検知手段により検出されたランキン出力に相当する電力が少なくとも前記ランキンサイクルの電動補機の入力電力未満のとき、前記ランキンサイクル電動補機入力制御手段により前記ランキンサイクルの電動補機の駆動を停止し、ランキン出力に相当する電力が少なくとも前記ランキンサイクルの電動補機の入力電力より大きいとき、前記ランキンサイクル電動補機入力制御手段により前記ランキンサイクルの電動補機を駆動させることを特徴とする、請求項８または９記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項１１】
前記膨張機及び前記ポンプは同軸にして一体に構成され、
前記モータジェネレータと前記一体をなす膨張機及びポンプとは、前記一方のロータが前記一体をなす膨張機及びポンプの回転軸に連結され、前記他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする、請求項７乃至１０のいずれか記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項１２】
前記モータジェネレータ制御手段は、前記一方のロータをモータまたはジェネレータに切り換えるべく前記モータジェネレータ出力可変手段を制御するものであって、
前記システム制御手段は、前記ランキン出力検知手段によりランキン出力が一定以上のときには、前記モータジェネレータ制御手段により、前記一方のロータをジェネレータに切り換えるべく、ランキン出力が一定未満のときには、前記モータジェネレータ制御手段により前記一方のロータをモータに切り換えるべく、前記モータジェネレータ出力可変手段を制御することを特徴とする、請求項１１記載の内燃機関の廃熱利用システム。
【請求項１３】
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発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、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た内燃機関の廃熱利用システムに用いられるモータジェネレータ装置であって、
ステータの内側に内ロータを有するとともに外側に外ロータを有するモータジェネレータ機構部と、前記膨張機と、内燃機関の回転軸と連結する入出力軸とを備え、
前記モータジェネレータ機構部の前記内ロータ及び前記外ロータのいずれか一方のロータが前記膨張機の回転軸に連結し、いずれか他方のロータが前記入出力軸に連結していることを特徴とするモータジェネレータ装置。
【請求項１４】
前記ランキンサイクルの前記ポンプが前記モータジェネレータ機構部と前記膨張機との間に配設されており、
前記ポンプの駆動軸の一端が前記膨張機に連結し、他端が前記一方のロータに連結していることを特徴とする、請求項１３記載のモータジェネレータ装置。
【請求項１５】
前記ポンプと前記膨張機との間には、前記ポンプからの回転駆動力は前記膨張機に伝達せず、前記膨張機からの回転駆動力を前記ポンプに伝達するワンウェイクラッチが介装されていることを特徴とする、請求項１４記載のモータジェネレータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の廃熱利用システム及び該システムに使用するモータジェネレータ装置に係り、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システム及び該システムに使用するモータジェネレータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の廃熱利用システムは、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高圧の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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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モータとして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凝縮温度が上昇して膨張比が小さく、車両の必要とする電力を膨張機のみの回転力による発電機としてのモータジェネレータの発電だけでは十分に発電できないという問題がある。
【０００６】
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。
【０００７】
一方、車両の高速走行時等のように凝縮器への通風量が多く、凝縮温度が低下して膨張比が大きくなるような場合には、モータジェネレータによる発電電力が余ってしまい、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等を介して直接内燃機関に伝達するとともに膨張機や内燃機関の回転駆動力を膨張機と同軸または別体に設けたオルタネータにも伝達する構成の廃熱利用システムが考えられる。
【０００８】
このような構成にすれば、膨張機の回転駆動力を内燃機関に伝達可能であるとともに、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発電を行うことが可能である。
ところが、膨張機の回転駆動力を無端状のベルト等を介して直接内燃機関に伝達するようにすると、内燃機関と膨張機とが同一回転となるため、膨張機の回転駆動に対し内燃機関の回転速度が大きい場合には内燃機関が強制的に膨張機からの作動流体の吐出量を増大させてしまい、膨張機の上流側において作動流体を高圧に維持できず、膨張機の出力が低下するという問題が生じる。即ち、膨張機の回転駆動に対し内燃機関の回転速度が大きい場合には、膨張機の回転駆動力を内燃機関やオルタネータに良好に伝達できず、効率が悪いという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、作動流体を循環させて膨張機にて回転駆動力を発生可能なランキンサイクルを備え、膨張機の回転エネルギで内燃機関の駆動力を無駄なく効率よくアシスト可能であるとともに膨張機と内燃機関の回転駆動力により効率よく発電を行うことの可能な内燃機関の廃熱利用システム及び該システムに使用するモータジェネレータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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システムは、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発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、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と、ステータの内側に内ロータを有するとともに外側に外ロータを有するモータジェネレータとを備え、少なくとも前記モータジェネレータと前記膨張機とは、前記モータジェネレータの前記内ロータ及び前記外ロータのいずれか一方のロータが前記膨張機の回転軸に連結され、いずれか他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項１において、前記他方のロータは、補機を直列または並列に介装して内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする。
請求項３の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項２において、さらに、冷媒の循環路に少なくとも内燃機関の回転駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機が介装された冷凍サイクルを備え、前記補機は、前記圧縮機であることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項３において、前記圧縮機は、可変容量式圧縮機であり、該可変容量式圧縮機の圧縮容量を前記冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御する圧縮容量制御手段をさらに備えることを特徴とする。
請求項５の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項３または４において、内燃機関と前記圧縮機との間には、内燃機関の運転状態に応じて該圧縮機を介し内燃機関に伝達される前記モータジェネレータの回転駆動力の断接を行う断接クラッチを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項６の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記膨張機及び前記ポンプは同軸にして一体に構成され、前記モータジェネレータと前記一体をなす膨張機及びポンプとは、前記一方のロータが前記一体をなす膨張機及びポンプの回転軸に連結され、前記他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項１乃至５のいずれかにおいて、さらに、前記膨張機の回転または内燃機関の回転により前記モータジェネレータが発電する発電電力を蓄電するバッテリを含む電力回収手段と、該バッテリの蓄電量に基づき電力回収度合いを制御するシステム制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項８の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項７において、前記電力回収手段は、前記ランキンサイクルの発生するランキン出力を検出するランキン出力検知手段と、前記バッテリの蓄電量を検出するバッテリ蓄電量検出手段と、前記モータジェネレータの前記一方のロータ及び前記他方のロータをそれぞれモータとジェネレータとに切り換えるモータジェネレータ出力可変手段とを備え、前記システム制御手段は、前記電力回収手段が要求するバッテリ要求電力を算出するバッテリ要求電力算出手段と、該バッテリ要求電力算出手段により算出されたバッテリ要求電力に応じて前記モータジェネレータ出力可変手段を制御するモータジェネレータ制御手段とを含み、前記バッテリ要求電力算出手段により算出されたバッテリ要求電力が前記ランキン出力検知手段により検出されたランキン出力に相当する電力より大きいとき、前記モータジェネレータ制御手段により、前記他方のロータをジェネレータに切り換えるべく、バッテリ要求電力がランキン出力に相当する電力未満のとき、前記他方のロータをモータに切り換えるべく、前記モータジェネレータ出力可変手段を制御することを特徴とする。
【００１５】
請求項９の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項８において、前記モータジェネレータ制御手段は、前記他方のロータをジェネレータに切り換えるときにはジェネレータ出力目標値に基づいて前記モータジェネレータを制御し、前記他方のロータをモータに切り換えるときにはモータ出力目標値に基づいて前記モータジェネレータ出力可変手段を制御するものであって、前記ジェネレータ出力目標値及び前記モータ出力目標値は、それぞれ前記バッテリ要求電力と前記ランキン出力に相当する電力との差の絶対値に基づいて設定されることを特徴とする。
【００１６】
請求項１０の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項８または９において、さらに、前記ランキンサイクルの電動補機を備えるとともに、前記システム制御手段は、該ランキンサイクルの電動補機の入力電力を制御するランキンサイクル電動補機入力制御手段を含み、前記システム制御手段は、前記ランキン出力検知手段により検出されたランキン出力に相当する電力が少なくとも前記ランキンサイクルの電動補機の入力電力未満のとき、前記ランキンサイクル電動補機入力制御手段により前記ランキンサイクルの電動補機の駆動を停止し、ランキン出力に相当する電力が少なくとも前記ランキンサイクルの電動補機の入力電力より大きいとき、前記ランキンサイクル電動補機入力制御手段により前記ランキンサイクルの電動補機を駆動させることを特徴とする。
【００１７】
請求項１１の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項７乃至１０のいずれかにおいて、前記膨張機及び前記ポンプは同軸にして一体に構成され、前記モータジェネレータと前記一体をなす膨張機及びポンプとは、前記一方のロータが前記一体をなす膨張機及びポンプの回転軸に連結され、前記他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項１２の内燃機関の廃熱利用システムでは、請求項１１において、前記モータジェネレータ制御手段は、前記一方のロータをモータまたはジェネレータに切り換えるべく前記モータジェネレータ出力可変手段を制御するものであって、前記システム制御手段は、前記ランキン出力検知手段によりランキン出力が一定以上のときには、前記モータジェネレータ制御手段により、前記一方のロータをジェネレータに切り換えるべく、ランキン出力が一定未満のときには、前記モータジェネレータ制御手段により前記一方のロータをモータに切り換えるべく、前記モータジェネレータ出力可変手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項１３のモータジェネレータ装置は、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発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、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た内燃機関の廃熱利用システムに用いられるモータジェネレータ装置であって、ステータの内側に内ロータを有するとともに外側に外ロータを有するモータジェネレータ機構部と、前記膨張機と、内燃機関の回転軸と連結する入出力軸とを備え、前記モータジェネレータ機構部の前記内ロータ及び前記外ロータのいずれか一方のロータが前記膨張機の回転軸に連結し、いずれか他方のロータが前記入出力軸に連結していることを特徴とする。
【００２０】
請求項１４のモータジェネレータ装置では、請求項１３において、前記ランキンサイクルの前記ポンプが前記モータジェネレータ機構部と前記膨張機との間に配設されており、前記ポンプの駆動軸の一端が前記膨張機に連結し、他端が前記一方のロータに連結していることを特徴とする。
請求項１５のモータジェネレータ装置では、請求項１４において、前記ポンプと前記膨張機との間には、前記ポンプからの回転駆動力は前記膨張機に伝達せず、前記膨張機からの回転駆動力を前記ポンプに伝達するワンウェイクラッチが介装されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、ランキンサイクルを有したシステムにおいて、ステータの内側に内ロータを有するとともに外側に外ロータを有するモータジェネレータを備え、モータジェネレータとランキンサイクルの膨張機とは、モータジェネレータの内ロータ及び外ロータのいずれか一方のロータが膨張機の回転軸に連結され、いずれか他方のロータが内燃機関の回転軸に連結されるように構成されている。
【００２２】
従って、廃熱利用システムをコンパクトに構成して省スペース化を図ることができるとともに、内燃機関の回転軸と膨張機とがモータジェネレータの各ロータと連結しているため、内燃機関の駆動力または膨張機の回転力を電力に変換でき、夏季等の外気温が高い状況下でも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る。また、内燃機関の回転軸と膨張機とがモータジェネレータを介して連結されているため、内燃機関の駆動力による回転速度が膨張機の回転速度より大きい場合でも、膨張機は影響を受けず、膨張機の上流側において作動流体を高圧に維持でき、膨張機の回転エネルギによりモータジェネレータを介して内燃機関の駆動力をアシストできる。
【００２３】
請求項２記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、モータジェネレータに補機が連結された場合であっても、省スペース化を図りながら、モータジェネレータで十分に発電でき、膨張機の回転エネルギによりモータジェネレータを介して内燃機関の駆動力をアシストできる。
請求項３記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、ランキンサイクルと冷凍サイクルとを有したシステムにおいて、モータジェネレータに冷凍サイクルの圧縮機が連結された場合であっても、省スペース化を図りながら、モータジェネレータで十分に発電でき、膨張機の回転エネルギによりモータジェネレータを介して内燃機関の駆動力をアシストできる。
【００２４】
請求項４記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、圧縮機は、可変容量式圧縮機であり、圧縮容量制御手段により該可変容量式圧縮機の圧縮容量を冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御するので、冷凍サイクルの作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮容量を低減或いはゼロとすることで圧縮機が不必要な負荷とならないようにでき、膨張機の回転エネルギによりモータジェネレータを介して内燃機関の駆動力をアシストできる。
【００２５】
請求項５記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、例えば内燃機関のアイドリングストップ時において、断接クラッチを切断することにより、バッテリの蓄電電力によるモータジェネレータの駆動によって圧縮機を作動させ、冷凍サイクルひいてはエアコンを作動させることができる。
請求項６記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、膨張機の回転エネルギでポンプを駆動させることができるとともに、モータジェネレータのモータ機能により、ランキンサイクルの起動時に、ポンプを駆動させることが可能となり、作動流体を膨張機に良好に供給することができる。
【００２６】
請求項７記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、膨張機の回転または内燃機関の回転によりモータジェネレータで発電した発電電力が電力回収手段により回収されてバッテリに蓄電され、システム制御手段によりバッテリの蓄電量ひいてはバッテリ要求電力に応じて電力回収度合いが制御されるので、モータジェネレータで発電した発電電力を効率よく回収し利用することができる。
【００２７】
また、請求項８記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、電力回収手段は、ランキンサイクルの発生するランキン出力を検出するランキン出力検知手段と、バッテリの蓄電量を検出するバッテリ蓄電量検出手段と、モータジェネレータの一方のロータ及び他方のロータをそれぞれモータとジェネレータとに切り換えるモータジェネレータ出力可変手段とを備え、システム制御手段は、電力回収手段が要求するバッテリ要求電力を算出するバッテリ要求電力算出手段と、該バッテリ要求電力算出手段により算出されたバッテリ要求電力に応じてモータジェネレータ出力可変手段を制御するモータジェネレータ制御手段とを含み、バッテリ要求電力算出手段により算出されたバッテリ要求電力がランキン出力検知手段により検出されたランキン出力に相当する電力より大きいとき、モータジェネレータ制御手段により、他方のロータをジェネレータに切り換えるべく、バッテリ要求電力がランキン出力に相当する電力未満のとき、他方のロータをモータに切り換えるべく、モータジェネレータ出力可変手段を制御するので、バッテリ要求電力と例えばランキン出力に相当するモータジェネレータで発電した発電電力とに基づいてモータジェネレータを効率よくジェネレータとモータとに切り換えるようにできる。
【００２８】
また、請求項９記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、ジェネレータ出力目標値及びモータ出力目標値をそれぞれバッテリ要求電力とランキン出力に相当する電力との差の絶対値に基づいて設定し、他方のロータをジェネレータに切り換えたときにはジェネレータ出力目標値に基づいてモータジェネレータを制御し、他方のロータをモータに切り換えたときにはモータ出力目標値に基づいてモータジェネレータを制御するので、他方のロータを適正にジェネレータ或いはモータとして作動させることができる。
【００２９】
また、請求項１０記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、ランキン出力に相当する電力が少なくとも凝縮器を空冷するランキンサイクルの電動補機の入力電力未満のとき、ランキンサイクルの電動補機の駆動を停止し、ランキン出力に相当する電力が少なくともランキンサイクルの電動補機の入力電力より大きいとき、ランキンサイクルの電動補機を駆動させるので、ランキンサイクルにおけるエネルギロスを防止することができる。
【００３０】
請求項１１記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、システム制御手段によりモータジェネレータで発電した発電電力を効率よく回収し利用しつつ、膨張機の回転エネルギでポンプを駆動させることができるとともに、モータジェネレータのモータ機能により、ランキンサイクルの起動時に、ポンプを駆動させることが可能となり、作動流体を膨張機に良好に供給することができる。
【００３１】
請求項１２記載の内燃機関の廃熱利用システムによれば、ランキン出力が一定以上のときには一方のロータをジェネレータに切り換え、ランキン出力が一定未満のときには一方のロータをモータに切り換えるので、ポンプを必要最小限の入力で自立駆動させることができ、作動流体を膨張機に良好に供給してランキンサイクルを起動することができる。
請求項１３のモータジェネレータ装置によれば、ランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用システムに用いられるモータジェネレータ装置であって、ステータの内側に内ロータを有するとともに外側に外ロータを有するモータジェネレータ機構部と、膨張機と、内燃機関の回転軸と連結する入出力軸とを備え、モータジェネレータ機構部の内ロータ及び外ロータのいずれか一方のロータが膨張機の回転軸に連結し、いずれか他方のロータが入出力軸に連結している。
【００３２】
従って、モータジェネレータ装置をコンパクトに構成して省スペース化を図ることができるとともに、入出力軸と膨張機とがモータジェネレータ機構部の各ロータと連結しているため、内燃機関の駆動力または膨張機の回転力を電力に変換でき、夏季等の外気温が高い状況下でも車両の必要とする電力をモータジェネレータ機構部で十分に発電できる。また、入出力軸と膨張機とがモータジェネレータ機構部を介して連結されているため、内燃機関の駆動力による回転速度が膨張機の回転速度より大きい場合でも、膨張機は影響を受けず、膨張機の上流側において作動流体を高圧に維持でき、膨張機の回転エネルギによりモータジェネレータ機構部を介して内燃機関の駆動力をアシストできる。
【００３３】
請求項１４記載のモータジェネレータ装置によれば、膨張機の回転エネルギでポンプを駆動させることができるとともに、モータジェネレータ機構部のモータ機能により、ランキンサイクルの起動時に、ポンプを駆動させることが可能となり、作動流体を膨張機に良好に供給することができる。
請求項１５記載のモータジェネレータ装置によれば、モータジェネレータ機構部のモータ機能によってポンプが駆動するとき、膨張機が不必要にモータジェネレータ機構部の負荷とならないようにできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る廃熱利用システムのシステム制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを示す模式図である。
【図４】ポンプ及び膨張機を一体化した流体機械の縦断面図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る廃熱利用システムのシステム制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを示す模式図である。
【図７】圧縮機の縦断面図である。
【図８】本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
先ず、第１実施例を説明する。
図１は、本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを模式的に示した図である。
廃熱利用システム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１０、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。
【００３６】
電力回収回路（電力回収手段）１０は、モータジェネレータ１２のジェネレータ機能による電力をバッテリ（蓄電池）１１に回収するとともに、モータジェネレータ１２の有する膨張機側ロータ及び出力側ロータのうち膨張機側ロータの発電電力とバッテリの蓄電量（ＳＯＣ）を検知する電気回路である（ランキン出力検知手段、バッテリ蓄電量（ＳＯＣ）検知手段）。電力回収回路１０は、さらに、モータジェネレータ１２の上記各ロータをモータとジェネレータとに切り換えることも可能で、各モータ出力と各ジェネレータ負荷とを変えることができる（モータジェネレータ出力可変手段）。なお、電力回収回路１０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。
【００３７】
電力回収回路１０は電子コントロールユニット（システム制御手段）（ＥＣＵ）１５０に接続されており、ＥＣＵ１５０は、例えば蓄電量（ＳＯＣ）の増減の変化に基づきバッテリ要求電力量を算出し（バッテリ要求電力算出手段）、電力回収回路１０を通じてモータジェネレータ１２の各ロータをモータとジェネレータとに切り換えつつバッテリ１１への電力回収度合い等を適宜制御する（モータジェネレータ制御手段）。また、ＥＣＵ１５０は、後述するランキン回路４０の電動補機である電動ポンプ４９や電動ファン４３ａをも適宜制御する（ランキンサイクル電動補機入力制御手段）。これにより、電力回収回路１０は、モータジェネレータ１２で発電した発電電力を効率よく回収し利用することができる。
【００３８】
モータジェネレータ（モータジェネレータ機構部）１２は、図１に示すように、ステータ１４の内側に内ロータ（一方のロータ）１６を有するとともに外側に外ロータ（他方のロータ）１８を有し、回転軸１５と回転軸１７とが互いに逆方向に延び、内ロータ１６に回転軸１５が連結され、外ロータ１８に回転軸１７が連結されて構成されている。
このように構成されたモータジェネレータ１２は、ステータ１４に流す複合電流と回転軸１５による内ロータ１６の回転と回転軸１７による外ロータ１８の回転に応じて上記ジェネレータ機能のみならずモータ機能をそれぞれ内ロータ１６及び外ロータ１８に自在に発揮することが可能である。なお、モータジェネレータ１２の構造の詳細については特開平１１−２７５８２６号公報等で公知であるため、ここでは説明を省略する。
【００３９】
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、冷却水熱交換器（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、作動流体の循環路４２に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記冷却水熱交換器３４、排ガス熱交換器４１、冷却水熱交換器３４や排ガス熱交換器４１にて加熱され過熱状態となる作動流体の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機４８、ランキンコンデンサ（凝縮器）４３、電動ポンプ（ランキンサイクルの電動補機）４９などが介装されて閉回路を構成し、冷却水熱交換器３４で冷却水回路３０を循環する冷却水との間で熱交換を行うとともに排ガス熱交換器４１でエンジン２の排気管３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の廃熱を回収している。なお、電動ポンプ４９はＥＣＵ１５０に接続されている。
【００４０】
膨張機４８は、スクロール型膨張機であり、ハウジング内にスクロールユニットを収容して構成されている。
そして、これらモータジェネレータ１２及びランキン回路４０の膨張機４８は、図１に示すように、モータジェネレータ１２の回転軸１５が膨張機４８の回転軸４５に同軸回転可能に連結されている。一方、回転軸２５のプーリ２６とエンジン２のクランクシャフト７のプーリ８とには無端状のベルト９が掛け回されており、モータジェネレータ１２の回転軸１７は回転軸（入出力軸）２５及びプーリ２６を介してエンジン２のクランクシャフト７に同期回転可能に連結されている。
【００４１】
ここに、モータジェネレータ１２、膨張機４８及び回転軸２５からモータジェネレータ装置が構成される。
また、図１に示すように、エンジン２のクランクシャフト７とプーリ８との間には断接クラッチ６が介装されており、断接クラッチ６はＥＣＵ１５０に接続されている。
また、ランキンコンデンサ４３には、ランキンコンデンサ４３を空冷する電動ファン（ランキンサイクルの電動補機）４３ａが設けられており、電動ファン４３ａもＥＣＵ１５０に接続されている。
【００４２】
以下、このように構成された本発明の第１実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムの作用について説明する。
上述したように、本発明に係る内燃機関の廃熱利用システムでは、モータジェネレータ１２はステータ１４に流す複合電流と回転軸１５による内ロータ１６の回転と回転軸１７による外ロータ１８の回転に応じてジェネレータ機能とモータ機能を自在に発揮することが可能である。ここで、外ロータ１８がジェネレータ機能及びモータ機能のいずれを発揮するかは、主として膨張機４８にて発生する回転駆動力によるモータジェネレータ１２、即ち内ロータ１６の回転による発電電力量（ランキン出力）とＥＣＵ１５にて算出されるバッテリ要求電力とに依存している。
【００４３】
図２を参照すると、ＥＣＵ１５０の実行する本発明の第１実施例に係る廃熱利用システムのシステム制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき、第１実施例に係る廃熱利用システムのシステム制御、ひいてはモータジェネレータ１２のジェネレータ機能及びモータ機能の切換制御について詳しく説明する。
ステップＳ１０では、ランキン出力がランキン回路４０の電動補機である電動ファン４３ａ及び電動ポンプ４９の入力よりも大きいか否かを判別する。実際には、モータジェネレータ１２から電力回収回路１０を介して検出されるランキン出力に相当する発電電力、例えば膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量が、車速や外気温等の情報に基づいて決定される電動ファン４３ａの入力電力及び電動ポンプ４９の入力電力よりも大きいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１２に進み、電動ファン４３ａ及び電動ポンプ４９を駆動してステップＳ１８に進む。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１４に進み、電動ファン４３ａ及び電動ポンプ４９を停止してステップＳ１８に進む。
【００４４】
即ち、ランキン出力が電動ファン４３ａの入力及び電動ポンプ４９の入力未満である場合には、ランキン回路４０においてランキン出力よりも電動ファン４３ａの入力及び電動ポンプ４９の入力の方が大きく、エネルギロスが発生していることから、電動ファン４３ａ及び電動ポンプ４９を停止する。これによりランキン回路４０におけるエネルギロスを防止することができる。
【００４５】
ステップＳ１８では、膨張機側ロータである内ロータ１６をジェネレータとして作動させるべくステータ１４に流す複合電流の特性を変更して電力回収回路１０に膨張機側ロータジェネレータ指令を行う。即ち、電力回収回路１０は内ロータ１６がモータ回路である場合はジェネレータ回路に電気回路を切り換える。この際、膨張機４８の回転駆動力が最適になるようモータジェネレータ１２の負荷を制御する。具体的には、流れる電流の量を調整する。
【００４６】
ステップＳ２０では、ＥＣＵ１５にて算出されるバッテリ要求電力が上記ランキン出力に相当する電力、例えば膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量より大きいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ２２に進み、出力側ロータである外ロータ１８をジェネレータとして作動させるべく出力側ロータジェネレータ指令を行う。
【００４７】
例えば、エンジン２の冷態始動時等にあっては、エンジン２が未だ暖機しておらず、膨張機４８にて回転駆動力を発生させることができず、膨張機４８の回転駆動力では内ロータ１６が回転することなく発電を行うことができない。或いは、膨張機４８の回転駆動力で内ロータ１６により発電を行うことが可能であっても、ＥＣＵ１５にて算出されるバッテリ要求電力が膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量よりも大きい場合には、内ロータ１６の発電電力量だけではバッテリ要求電力を満たすことができない。
【００４８】
故に、このような状況において、バッテリ要求電力があり、バッテリ要求電力が膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量より大きいときには、回転軸２５を介しエンジン２の駆動力でモータジェネレータ１２の外ロータ１８を回転させて発電を行う。或いは、不足分をエンジン２の駆動力で外ロータ１８を回転させて発電を行うことで補うようにする。
【００４９】
具体的には、ステップＳ２４において、バッテリ要求電力とランキン出力に相当する電力との差の絶対値としてジェネレータ出力目標値を設定し、外ロータ１８によるジェネレータとしての出力がジェネレータ出力目標値となるようステータ１４に流す複合電流の特性を変更して外ロータ１８をジェネレータとして作動させる。これにより、外ロータ１８を適正にジェネレータとして作動させることができる。
【００５０】
一方、ステップＳ２０の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ２６に進み、出力側ロータである外ロータ１８をモータとして作動させるべく出力側ロータモータ指令を行う。
ＥＣＵ１５にて算出されるバッテリ要求電力が膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量よりも小さい場合には、内ロータ１６の発電電力量だけでバッテリ要求電力を満たすことが可能である。そして、この際、バッテリ要求電力に対し内ロータ１６の発電電力量に余剰電力が発生することになるが、この余剰電力を用いて外ロータ１８を回転させることができる。
【００５１】
従って、バッテリ要求電力がランキン出力に相当する電力未満であるとき、例えば膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量がバッテリ要求電力以上であるときには、膨張機４８の回転エネルギによってエンジン２の回転駆動力をアシストする。
具体的には、ステップＳ２８において、バッテリ要求電力とランキン出力に相当する電力との差の絶対値としてモータ出力目標値を設定し、外ロータ１８によるモータとしての出力がモータ出力目標値となるようステータ１４に流す複合電流の特性を変更して外ロータ１８をモータとして作動させる。これにより、外ロータ１８を適正にモータとして作動させることができる。
【００５２】
このように、本発明に係る内燃機関の廃熱利用システムでは、ランキン回路４０の膨張機４８と内ロータ１６と外ロータ１８とを有するモータジェネレータ１２とを、モータジェネレータ１２がエンジン２のプーリ８と膨張機４８との間に直列に位置するように連結し、エンジン２のプーリ８とプーリ２６とに無端状のベルト９を掛け回すようにし、ランキン回路４０のランキン出力に応じてモータジェネレータ１２をジェネレータ或いはモータとして機能させるようにしている。
【００５３】
従って、別途オルタネータを設けることなく、これらモータジェネレータ１２、膨張機４８及び回転軸２５（モータジェネレータ装置）をコンパクトに構成し、膨張機４８の回転駆動力の不足分をエンジン２の回転駆動力で補いつつモータジェネレータ１２をオルタネータとして使用したり、或いは内ロータ１６の回転による発電電力量に応じて容易にして無駄なく効率よく膨張機４８の回転エネルギでエンジン２の回転駆動力をアシストしたりすることができる。例えば、夏季等の外気温が高い状況下でも車両の必要とする電力をモータジェネレータ１２で十分に発電でき、また、エンジン２の駆動力による回転速度が膨張機４８の回転速度より大きい場合でも、膨張機４８に影響を及ぼすことなく膨張機４８の上流側において作動流体を高圧に維持でき、膨張機４８の回転エネルギによりモータジェネレータ１２を介してエンジン２の駆動力をアシストすることができる。
【００５４】
これにより、本発明に係る内燃機関の廃熱利用システムによれば、省スペース化を図りながら、モータジェネレータ１２による発電と膨張機４８の回転エネルギによるエンジン２の駆動力のアシストとを効率よく両立することができる。
次に、第２実施例を説明する。
図３は、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを模式的に示した図である。
【００５５】
第２実施例では、ランキン回路４０に作動流体を循環させるポンプと膨張機とを同軸回転可能にした点が第１実施例と異なっており、以下、上記第１実施例と異なる部分について説明する。
図３に示すように、ランキン回路４０のポンプ４６は、冷却水熱交換器３４とランキンコンデンサ４３との間に介装されており、ポンプ４６と膨張機４８とは同軸回転可能に流体機械４４として一体に構成されている。
【００５６】
図４を参照すると、流体機械４４の縦断面図が示されており、以下流体機械４４の構成についてより詳しく説明する。
ポンプ４６は、作動流体を循環路４２に循環させるべく回転軸４５により回転駆動される例えば可変容量式ポンプであり、回転軸４５により回転可能に配設されている。
膨張機４８は、上記第１実施例と同様のスクロール型膨張機であり、ハウジング４７内にスクロールユニットを収容して構成されている。
【００５７】
スクロールユニットは、固定スクロール９０と、固定スクロール９０に対して公転旋回運動する可動スクロール９２とから構成されている。
可動スクロール９２の固定スクロール９０と反対側の背面にはボス部９４が形成され、ボス部９４内にはラジアルベアリング９５を介して偏心ブッシュ９６が挿入されている。
偏心ブッシュ９６には、クランクピン９８が挿入され、クランクピン９８は回転軸４５のスクロールユニット側の端部に軸心から偏心した位置で連結されており、これにより可動スクロール９２は自転することなく公転旋回運動する。
【００５８】
また、回転軸４５のスクロールユニット側の端部とクランクピン９８とは、膨張機４８の可動スクロール９２の回転は回転軸４５に伝達される一方で逆は伝達されないワンウェイクラッチ１００を介して連結されている。故に、回転軸４５の回転速度が可動スクロール９２の旋回速度よりも速い場合には回転軸４５の回転は可動スクロール９２、即ち膨張機４８には伝達されず、可動スクロール９２の旋回速度が回転軸４５の回転速度よりも速い場合にのみ可動スクロール９２、即ち膨張機４８側から回転軸４５に回転が伝達される。
【００５９】
これより、ランキン回路４０では、作動流体がポンプ４６から冷却水熱交換器３４、排ガス熱交換器４１、膨張機４８、ランキンコンデンサ４３を経てポンプ４６に戻るようにして循環路４２を循環し、作動流体の膨張によって膨張機４８において回転駆動力が発生する。
このように、第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムでは、ランキン回路４０に作動流体を循環させるポンプ４６と膨張機４８とを流体機械４４として一体に設けている。
【００６０】
ここに、第２実施例では、モータジェネレータ１２、ポンプ４６、膨張機４８及び回転軸２５からモータジェネレータ装置が構成される。
図５を参照すると、ＥＣＵ１５０の実行する本発明の第２実施例に係る廃熱利用システムのシステム制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下同フローチャートに基づき第２実施例に係る廃熱利用システムのシステム制御、ひいてはモータジェネレータ１２のジェネレータ機能及びモータ機能の切換制御について詳しく説明する。
【００６１】
第２実施例ではポンプ４６は膨張機４８と一体に構成されていることから、ランキン回路４０の電動補機は電動ファン４３ａのみである。故に、ステップＳ１０’では、ランキン出力が電動ファン４３ａの入力よりも大きいか否かを判別する。実際には、モータジェネレータ１２から電力回収回路１０を介して検出されるランキン出力に相当する電力、例えばポンプ４６を駆動させた上での膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量が、車速や外気温等の情報に基づいて決定される電動ファン４３ａの入力電力よりも大きいか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１２’に進み、電動ファン４３ａを駆動してステップＳ１６に進む。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１４’に進み、電動ファン４３ａを停止してステップＳ１８に進む。
【００６２】
即ち、ランキン出力が電動ファン４３ａの入力未満である場合には、ランキン回路４０においてランキン出力よりも電動ファン４３ａの入力の方が大きく、エネルギロスが発生していることから、電動ファン４３ａを停止する。これによりランキン回路４０におけるエネルギロスを防止することができる。
次のステップＳ１６では、ランキン回路４０が自立作動できるか否か、つまりポンプ側ロータが外部入力なしで作動できるか否かを判別する。即ち、膨張機４８にて回転駆動力が発生しており、ポンプ側ロータである内ロータ１６が回転して発電を行っているか否かを判別する。具体的には、内ロータ１６がジェネレータとして機能しているときには内ロータ１６の発電による出力電流が一定以上あるか否かに基づいて、または内ロータ１６がモータとして機能しているときには内ロータ１６を膨張機４８がアシストして内ロータ１６を作動させるモータ電流が所定値以下（内ロータ１６の発電による出力電流が一定以上と同義）になったか否かに基づいてランキン回路４０が自立作動できるか否かを判別する。
【００６３】
ステップＳ１６の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１８に進み、ポンプ側ロータである内ロータ１６をジェネレータとして作動させるべくステータ１４に流す複合電流の特性を変更して電力回収回路１０にポンプ側ロータジェネレータ指令を行う。即ち、電力回収回路１０は内ロータ１６がモータ回路である場合はジェネレータ回路に電気回路を切り換える。この際、膨張機４８の回転駆動力が最適になるようモータジェネレータ１２の負荷を制御する。具体的には、流れる電流の量を調節する。
【００６４】
一方、ステップＳ１６の判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ１９に進み、ポンプ側ロータである内ロータ１６をモータとして作動させるべくステータ１４に流す複合電流の特性を変更してポンプ側ロータモータ指令を行う。即ち、第２実施例ではポンプ４６は膨張機４８と一体に構成されていることから、ランキン回路４０が自立作動していない場合には、モータジェネレータ１２の内ロータ１６をモータとして機能させてポンプ４６をモータジェネレータ１２で作動させるようにする。
【００６５】
これにより、ランキン回路４０の起動時に、モータジェネレータ１２でポンプ４６を作動させ、作動流体を循環路４２内で循環させるようにできる。
ステップＳ２０では、上記第１実施例と同様、ＥＣＵ１５にて算出されるバッテリ要求電力が上記ランキン出力に相当する電力、例えば膨張機４８による内ロータ１６の発電電力量より大きいか否かを判別する。ステップＳ２０の判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ２２に進み、出力側ロータである外ロータ１８をジェネレータとして作動させるべくステータ１４に流す複合電流の特性を変更して出力側ロータジェネレータ指令を行う一方、判別結果が偽（Ｎｏ）の場合には、ステップＳ２６に進み、出力側ロータである外ロータ１８をモータとして作動させるべくステータ１４に流す複合電流の特性を変更して出力側ロータモータ指令を行う。
【００６６】
このように、本発明の第２実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムによれば、ランキン回路４０にポンプ４６を設けた場合であっても、上記第１実施例と同様、省スペース化を図りながら、モータジェネレータ１２による発電と膨張機４８の回転エネルギによるエンジン２の駆動力のアシストとを効率よく両立することができる。
また、モータジェネレータ１２は外ロータ１８による発電電力の一部によってステータ１４を介し内ロータ１６にモータ機能を発揮させることが可能であることから、特に第２実施例では、内ロータ１６に生じた回転駆動力で流体機械４４のポンプ４６を強制作動させることが可能である。これにより作動流体を循環路４２内で循環させ、作動流体を膨張機４８に良好に供給してランキン回路４０を起動することができる。例えば、ランキン回路４０の起動時に、内ロータ１６をモータとして作動させてポンプ４６を駆動させることが可能となり、作動流体を膨張機４８に良好に供給してランキン回路４０を起動することができる。
【００６７】
なお、ポンプ４６を強制作動させる際、回転軸４５と膨張機４８のクランクピン９８とに間にはワンウェイクラッチ１００が介装されているので、膨張機４８については不必要にモータジェネレータ１２の負荷になることはない。
次に、第３実施例を説明する。
図６は、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを模式的に示した図である。
【００６８】
第３実施例では、さらにエアコン回路（冷凍サイクル）２０を備え、エアコン回路２０の圧縮機（コンプレッサ）２４をモータジェネレータ１２に連結した点が第２実施例と異なっており、以下、上記第２実施例と異なる部分について説明する。
同図に示すように、これらエアコン回路２０の圧縮機２４、モータジェネレータ１２、及びランキン回路４０のポンプ４６と膨張機４８とを一体化した流体機械４４は、モータジェネレータ１２の回転軸１５が流体機械４４の回転軸４５に同軸回転可能に連結される一方、モータジェネレータ１２の回転軸１７が圧縮機２４の回転軸２５に同軸回転可能に連結されて構成されている。そして、回転軸２５のプーリ２６とエンジン２のクランクシャフト７のプーリ８とに無端状のベルト９が掛け回されている。
【００６９】
エアコン回路２０は、冷媒の循環路２２に、冷媒の流れ方向で視て順に、圧縮機（コンプレッサ）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２４は、主として無端状のベルト９及びプーリ２６を介して回転軸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。
【００７０】
図７を参照すると、圧縮機２４の縦断面図が示されており、以下圧縮機２４の構成についてより詳しく説明する。
同図に示すように、圧縮機２４には回転軸２５が貫通しており、回転軸２５の一端にプーリ２６が取り付けられている。
圧縮機２４は、可変容量型斜板圧縮機であり、ハウジング５０の一端にシリンダブロック５２、バルブプレート５４及びシリンダヘッド５６がこの順序で気密に配設されて構成されている。そして、ハウジング５０とシリンダブロック５２との間にはクランク室５８が形成されている。
【００７１】
シリンダヘッド５６には、吸入ポート及び吐出ポートが形成され、シリンダヘッド５６の内部には、吸入ポート又は吐出ポートに連通する吸入室６０及び吐出室６２が形成されている。
吸入室６０は、吸入リード弁（図示せず）を介してシリンダブロック５２の各シリンダボア６４に連通しており、吐出室６２は、吐出リード弁６３を介して各シリンダボア６４に連通している。なお、吐出室６２は、図示しないものの、連通路を通じてクランク室５８と連通し、この連通路には電磁弁が配置されている。この電磁弁は、ＥＣＵ１５０に電気的に接続され、ＥＣＵ１５０の制御により開閉作動し、吐出室６２とクランク室５８とを断続的に連通可能である。
【００７２】
シリンダブロック５２の各シリンダボア６４内には、クランク室５８側からピストン６６が往復動自在に挿入され、ピストン６６のテール部は、クランク室５８内に突出している。
一方、回転軸２５は、クランク室５８、シリンダブロック５２、バルブプレート５４及びシリンダヘッド５６を貫通し、２つのラジアルベアリング２７、２８を介してハウジング５０及びシリンダブロック５２に回転自在に支持されている。なお、回転軸２５には、ラジアルベアリング２７よりもプーリ２６側に位置してリップシール２９が取り付けられている。
【００７３】
回転軸２５と上記ピストン６６のテール部との間には、回転軸２５の回転運動をピストン６６の往復運動に変換するための変換機構が設けられている。
変換機構として、先ず回転軸２５には円盤状のロータ７０が固定され、ロータ７０とハウジング５０との間にはスラストベアリング７２が配置されている。
そして、回転軸２５のロータ７０とシリンダブロック５２との間の部分には、円筒状の斜板ボス７４が外嵌され、斜板ボス７４はヒンジ７６を介してロータ７０に連結されている。詳しくは、斜板ボス７４の内周面は球状の凹面をなしており、斜板ボス７４は、回転軸２５に摺動自在に外嵌されたスリーブ７８の球状の外周面に摺接している。即ち、斜板ボス７４は、回転軸２５に対して傾動可能であるとともに、回転軸２５と一体に回転可能である。また、スリーブ７８とロータ７０との間には回転軸２５に外嵌されて圧縮コイルばね７９が配設されている。
【００７４】
斜板ボス７４には円環状の斜板８０が嵌合され一体に回転可能に固定され、斜板８０の外周部はピストン６６のテール部に形成された凹所内に位置付けられている。各テール部の凹所にはピストン６６の軸線方向に離間した一対の球面座が形成され、球面座に配置された一対の半球状のシュー８２が、斜板８０を厚さ方向両側から挟むように斜板８０の外周部に摺接している。
【００７５】
これにより、圧縮機２４では、回転軸２５が回転すると、回転運動が変換機構、即ちロータ７０、ヒンジ７６、斜板ボス７４、斜板８０及びシュー８２を介してピストン６６の往復運動に変換される。そして、各ピストン６６の往復運動により、吸入室６０内の冷媒が吸入リード弁を介してシリンダボア６４に吸入されてシリンダボア６４内で圧縮され、圧縮された冷媒が吐出リード弁６３、吐出室６２を経て循環路２２に吐出される。
【００７６】
このとき、圧縮機２４から吐出される冷媒の吐出量は、ＥＣＵ１５０による上記電磁弁の開閉によりクランク室５８内の圧力（背圧）が昇降することに伴って変化する。詳しくは、ピストン６６に作用する圧縮反力、背圧及び斜板８０に作用する圧縮コイルばね７９の付勢力のバランスの変化に応じて斜板８０が傾動し、各ピストン６６のストローク長が増減することで冷媒の吐出容量（圧縮容量）が増減変化する（圧縮容量制御手段）。
【００７７】
従って、例えばエアコン回路２０を作動させる必要がない場合やエアコン回路２０の出力を抑えたいような場合であってエアコン回路２０の作動要求が小さい或いは無いような場合には、上記電磁弁の開度により背圧を上昇させることで斜板８０の傾斜度合いを小さくし、冷媒の吐出容量を低減することで、圧縮機２４の作動を制限可能である。
このように、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムでは、エアコン回路２０の圧縮機２４、内ロータ１６と外ロータ１８とを有するモータジェネレータ１２及びランキン回路４０のポンプ４６と膨張機４８とを一体化した流体機械４４を、モータジェネレータ１２の回転軸１５が流体機械４４の回転軸４５に同軸回転可能に連結される一方、モータジェネレータ１２の回転軸１７が圧縮機２４の回転軸２５に同軸回転可能に連結されるように構成している。
【００７８】
なお、廃熱利用システムのシステム制御ルーチンについては、第３実施例においても上記図５のフローチャートがそのまま適用される。
従って、本発明の第３実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムによれば、エアコン回路２０の圧縮機２４を設ける場合であっても、上記同様、別途オルタネータを設けることなく、省スペース化を図りながら、これら圧縮機２４、モータジェネレータ１２及び流体機械４４をコンパクトに構成し、膨張機４８の回転駆動力の不足分をエンジン２の回転駆動力で補いつつモータジェネレータ１２をオルタネータとして使用したり、或いは内ロータ１６の回転による発電電力量に応じて容易にして無駄なく効率よく膨張機４８の回転エネルギで圧縮機２４やエンジン２の回転駆動力をアシストしたりすることができ、モータジェネレータ１２による発電と膨張機４８の回転エネルギによるエンジン２の駆動力のアシストとを効率よく両立することができる。
【００７９】
また、圧縮機２４を可変容量型斜板圧縮機としたことで、エアコン回路２０の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機２４が不必要に負荷とならないようにでき、膨張機４８の回転エネルギでエンジン２の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
この際、圧縮機２４は可変容量型斜板圧縮機であり、圧縮機２４の吐出容量をエアコン回路２０の作動状況に応じて可変制御するので、エアコン回路２０の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機２４の吐出容量を低減或いはゼロとして圧縮機２４の作動を制限して負荷とならないようにでき、膨張機４８の回転エネルギでエンジン２の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
【００８０】
なお、ここではポンプ４６と膨張機４８とを一体化した流体機械４４を備えた第２実施例の構成にエアコン回路２０の圧縮機２４を付加しているが、ポンプ４６を有さない膨張機４８のみからなる第１実施例の構成に圧縮機２４を付加するようにしてもよい。
また、例えばエンジン２のアイドリングストップ時においては、断接クラッチ６を切断するようにし、圧縮機２４を介してエンジン２に伝達されるモータジェネレータ１２の回転駆動力を遮断するようにする。
【００８１】
このようにアイドリングストップ時において断接クラッチ６を切断することにより、アイドリングストップ時であってエンジン２が一時停止している場合であっても、バッテリ１１の蓄電電力によってモータジェネレータ１２を駆動させ、圧縮機２４を作動させることができ、エアコン回路２０を良好に作動させることができる。
なお、本実施例では、圧縮機２４がモータジェネレータ１２に直列に連結されているが、例えば、図１、図３の構成であって圧縮機２４がプーリ２６と並列に連結またはベルト９に接して駆動されていてもよく、これにより、例えばアイドルストップ時において、断接クラッチ６を切断することにより、バッテリ１１の蓄電電力によってモータジェネレータ１２を駆動させ、圧縮機２４を作動させることができ、エアコン回路２０を良好に作動させることができる。
【００８２】
次に、第４実施例を説明する。
図８は、本発明の第４実施例に係る内燃機関の廃熱利用システムを模式的に示した図である。
第４実施例では、エアコン回路２０の圧縮機２４に代えてエンジン２により駆動される補機２４’をモータジェネレータ１２に連結した点が第３実施例と異なっている。但し、廃熱利用システムのシステム制御ルーチンについては、第３実施例と同様に上記図５のフローチャートがそのまま適用される。
【００８３】
ここに、エンジン２により駆動される補機２４’としては、例えばパワーステアリングに使用されるオイルポンプ等が該当するが、これに限られるものではない。
このように、エアコン回路２０の圧縮機２４に代えてエンジン２により駆動される補機２４’をモータジェネレータ１２に連結した場合であっても、上記同様、省スペース化を図りながら、モータジェネレータ１２による発電と膨張機４８の回転エネルギによるエンジン２の駆動力のアシストとを効率よく両立することができる。
【００８４】
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、モータジェネレータ１２の内ロータ１６を回転軸１５を介して膨張機４８或いは流体機械４４に連結し、外ロータ１８を回転軸１７を介してプーリ２６や圧縮機２４或いは補機２４’に連結するようにしているが、逆に、内ロータ１６をプーリ２６や圧縮機２４或いは補機２４’に連結し、外ロータ１８を膨張機４８或いは流体機械４４に連結するようにしてもよい。
【００８５】
また、上記実施形態では、圧縮機２４を可変容量型斜板圧縮機としたが、圧縮機２４は可変容量式圧縮機であれば斜板圧縮機に限られるものではない。
また、上記実施形態では、エンジン２のプーリ８と回転軸２５のプーリ２６とに無端状のベルト９を掛け回して互いに連結するようにしているが、さらにエンジン２の他の補機として例えば冷却ファン、スーパーチャージャ、ウォータポンプ等を配設している場合には、これら他の補機のプーリをベルト９に掛け回すことを制限するものではない。さらには、ベルト９に代えて、エンジン２のプーリ８、回転軸２５のプーリ２６及び他の補機をギヤ等により連結してもよい。
【００８６】
また、上記実施形態では、ランキン回路４０は、冷却水熱交換器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とともに排ガス熱交換器４１を介しエンジン２の排気管３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の廃熱を回収しているが、いずれか一方によりエンジン２の廃熱を回収するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１  廃熱利用システム
２  エンジン
８、２６  プーリ
９  ベルト
１０  電力回収回路
１２  モータジェネレータ
１４  ステータ
１５、１７  回転軸
１６  内ロータ（一方のロータ）
１８  外ロータ（他方のロータ）
２０  エアコン回路（冷凍サイクル）
２４  圧縮機
２４’補機
２５  回転軸
３０  冷却水回路
４０  ランキン回路（ランキンサイクル）
４３  ランキンコンデンサ（凝縮器）
４３ａ  電動ファン
４４  流体機械
４６  ポンプ
４５  回転軸
４８  膨張機
４９  電動ポンプ
１５０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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