(57)【要約】【課題】  排気ガスのエネルギを効率良く回収し、有効に利用することのできる燃焼機関の排気エネルギ回収装置を提供する。【解決手段】  燃焼機関の排気通路１１に、スクロール式の容積型膨張機２０を配設するとともに、その膨張機２０の出力軸に発電機２１を駆動連結する。容積型膨張機２０は、導入された排気ガスの圧力による膨張室の容積変化に応じて動力を発生し、その動力で発電機２１を駆動して発電を行わせる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張室に導入された排気ガスの圧力による該膨張室の容積変化に応じて動力を発生する容積型膨張機を燃焼機関の排気通路に設けるとともに、
その容積型膨張機の発生する動力により発電を行う発電機を備えることを特徴とする燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項２】
前記容積型膨張機は、スクロール式の容積型膨張機である請求項１に記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項３】
前記容積型膨張機は、前記排気通路の触媒下流に配設される請求項１又は２に記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項４】
前記容積型膨張機は、排気音を低減する消音器としての機能も兼ねることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項５】
前記排気通路の内圧が所定圧以上となったときに前記容積型膨張機を介さずに排気ガスを流すリリーフ手段を更に備える請求項１〜４のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項６】
前記容積型膨張機を２つ備えるとともに、前記発電機の回転子が前記２つの容積型膨張機の間に位置するように、それら発電機の回転子及び２つの容積型膨張機を直列的に連結したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項７】
前記発電機を所定の時期に電動機として駆動して、前記容積型膨張機を強制駆動する請求項１〜６のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【請求項８】
上記燃焼機関は、エンジンであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスの持つエネルギ（排気エネルギ）を回収して再利用する燃焼機関の排気エネルギ回収装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のような燃焼機関の排気エネルギ回収装置として、特許文献１に記載の装置が提案されている。この回収装置は、エンジン（燃焼機関）の排気通路にベーン式の容積型膨張機を設けるとともに、その膨張機の出力軸をエンジンのクランクシャフトに機械的に駆動連結する構成となっている。そして、排気エネルギによって膨張機出力軸を回転し、その回転をクランクシャフトに伝達することで、排気エネルギを回収してエンジン出力のアシストとして利用するようにしている。
【特許文献１】特開平３−５４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の排気エネルギ回収装置では、容積型膨張機の出力軸とクランクシャフトとが機械的に連結されており、容積膨張機に導入される排気ガスの流量に拘わらず、エンジン回転速度に応じて容積型膨張機の回転速度が決定されてしまう。そのため、エンジンの運転条件によっては、十分な排気エネルギの回収利用が行えないばかりか、却ってエンジン負荷の増大や背圧の上昇を招くおそれがある。
【０００４】
更に、排気エネルギの回収を機械的手段によって行っているため、回収した排気エネルギをエンジン出力のアシスト以外には用いることができず、回収した排気エネルギの再利用の自由度は極めて限られたものとなる。
【０００５】
本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスのエネルギを効率良く回収し、有効に利用することのできる燃焼機関の排気エネルギ回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果を記載する。
請求項１に記載の発明は、燃焼機関の排気エネルギ回収装置であって、膨張室に導入された排気ガスの圧力による該膨張室の容積変化に応じて動力を発生する容積型膨張機を燃焼機関の排気通路に設けるとともに、その容積型膨張機の発生する動力により発電を行う発電機を備えるものである。
【０００７】
上記構成では、燃焼機関の排気通路を流れる排気ガスによって容積型膨張機に動力を発生させ、その動力により発電機を駆動して発電を行うことで、排気エネルギを電気エネルギに変換して回収している。作動流体（ここでは排気ガス）による膨張室の容積変化に応じて動力を発生する容積型膨張機は、排気タービンに比して、排気エネルギを効率的に回収することができる。また、排気エネルギを電気エネルギに変換しているため、回収したエネルギを有効に利用することができる。したがって、排気ガスのエネルギを効率良く回収し、有効に利用することができる。
【０００８】
なお容積型膨張機としては、下記のスクロール式の容積型膨張機以外にも、往復ピストン式やベーン式等のその他の方式の容積型膨張機についても採用することができる。
また請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置において、前記容積型膨張機を、スクロール式の容積型膨張機としたものである。
【０００９】
スクロール式の容積膨張機を採用することで、より効率良く排気エネルギを回収することができるようになる。
また請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置において、前記容積型膨張機を前記排気通路の触媒下流に配設するようにしたものである。
【００１０】
上記構成では、排気ガスは、触媒コンバータを通った後に容積型膨張機に導入されるようになる。そのため、容積型膨張機の内部での膨張による排気ガスの温度低下に関わりなく、触媒コンバータに流入する排気ガスの温度を高く保つことができ、触媒の活性温度の保持が容易となる。
【００１１】
また請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置において、前記容積型膨張機を、排気音を低減する消音器としての機能も兼ねるようにしたものである。
【００１２】
排気通路に容積型膨張機を設ければ、排気系が膨張室で区画されることで、排気ガス中を伝播する音波を減衰できるため、容積型膨張機を、排気音を低減する消音器としても機能させることができる。このため、マフラーを簡易構成とすることや、マフラーを廃止することも可能となり、排気系の構成の簡易化や、排気系での圧力損失の低減を図ることもできるようになる。
【００１３】
また請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置において、前記排気通路の内圧が所定圧以上となったときに前記容積膨張機を介さずに排気ガスを流すリリーフ手段を更に備えるものである。
【００１４】
上記構成では、排気圧が所定圧となったときに、リリーフ手段により、容積型膨張機を迂回して排気ガスが流されるようになる。したがって、バックファイア発生等による排気圧の異常上昇から、容積型膨張機を保護することができる。
【００１５】
また請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の燃焼機関の排気エネルギ回収装置において、前記容積型膨張機を２つ備えるとともに、前記発電機の回転子の回転軸に対して、それら２つの容積型膨張機の間に前記発電機の回転子が介設されるように、それら２つの容積型膨張機を連結したものである。
【００１６】
上記構成では、発電機回転子の回転軸が、２つの容積型膨張機によって両持支持されるようになる。これにより、回転子の回転軸に作用するスラスト方向の力を互い打ち消されるようになり、容積型膨張機や発電機の各部の負荷を軽減できる。また、両持支持することで、回転子の支持をより安定とすることができるようにもなる。
【００１７】
また請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の燃焼機関の排気ガス回収装置において、前記発電機を所定の時期に電動機として駆動して、前記容積型膨張機を強制駆動するようにしたものである。
【００１８】
上記構成では、発電機が所定の時期に電動機として駆動され、それにより容積型膨張機が強制駆動される。こうした強制駆動により、容積型膨張機内に通常とは異なる排気ガスの流れを形成することができ、それにより容積型膨張機内の各部に詰まった排気ガス中の煤成分を除去することができる。
【００１９】
また請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の燃焼機関の排気ガス回収装置において、燃焼機関はエンジンであることを特徴とする。
上記構成によれば、燃焼機関にエンジンを用いた場合において効率よく排気エネルギを回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態について、図１〜３を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態の燃焼機関の排気エネルギ回収装置の全体構造を示している。
同図１に示すように、車載されたエンジン（燃焼機関）１０の排気通路１１には、触媒コンバータ１２及びマフラー（消音器）１３が設けられている。本実施形態の排気エネルギ回収装置は、この排気通路１１を流れる排気ガスにより出力を発生するスクロール式の容積型膨張機（以下「スクロール膨張機」という）２０と、その発生した出力により発電を行う発電機２１とを備えて構成されている。
【００２２】
排気通路１１には、触媒コンバータ１２の下流に、リリーフ弁１４が配設されている。そして排気通路１１のリリーフ弁１４の上流には、スクロール膨張機２０に排気ガスを導入するための吸入ポート１５が、リリーフ弁１４の下流には、スクロール膨張機２０から排気ガスを排出するための排出ポート１６がそれぞれ接続されている。
【００２３】
リリーフ弁１４は、常閉式の圧力作動弁であり、その閉弁時には、排気通路１１の吸入ポート１５〜排出ポート１６の区間での排気ガスの流通を遮断している。このとき、触媒コンバータ１２を通った排気ガスは、吸入ポート１５を通じてスクロール膨張機２０に送られる。そして、スクロール膨張機２０を通った排気ガスは、排出ポート１６から排気通路１１に戻され、マフラー１３を通って大気に放出される。
【００２４】
またリリーフ弁１４は、同弁１４の上流側の排気圧が所定圧以上に上昇したときに開弁し、排気通路１１の吸入ポート１５〜排出ポート１６の区間での排気ガスの流通を許容する。これにより、スクロール膨張機２０を迂回した排気ガスの流れが許容され、スクロール膨張機２０への過大な排気ガスの流入が防止されている。
【００２５】
続いて、スクロール膨張機２０の構成を図２、図３を併せ参照して説明する。
図２に示すように、スクロール膨張機２０は、２つのスクロール、すなわち固定スクロール２２と旋回スクロール２３とを有している。
【００２６】
固定スクロール２２は、スクロール膨張機２０のケース２４に接合されている。またケース２４の固定スクロール２２の中央部近傍には、吸入ポート１５が開口されており、その外周部には、排出ポート１６が開口されている。
【００２７】
一方、旋回スクロール２３は、略円盤形状の基板２３ａに接合され、固定スクロール２２に対向するように配設されている。
ケース２４には、ラジアルベアリング３４を介して、出力軸２５が回転可能に軸支されており、その出力軸２５には、クランク機構２６を介して上記旋回スクロール２３の基板２３ａが連結されている。クランク機構２６は、出力軸２５の回転中心から偏心した位置に配設された偏心軸２６ａと、その偏心軸２６ａと旋回スクロール２３とを相対回動可能に連結するニードルベアリング２６ｂとを有している。これにより、旋回スクロール２３及びその基板２３ａは、出力軸２５の回転中心回りを、円軌道を描いて公転可能に支持される。こうした旋回スクロール２３及びその基板２３ａの公転は、クランク機構２６を介して、出力軸２５の回転に変換される。
【００２８】
更に、旋回スクロール２３の基板２３ａとケース２４との間には、自転防止機構２７が介設されている。自転防止機構２７は、旋回スクロール２３及びその基板２３ａの公転にあたって、それらが自転することを防止している。
【００２９】
一方、出力軸２５には、図２に示すようにプーリ２８が接続され、更にプーリ２８はベルト２９に介して発電機２１のプーリ３０に駆動連結されている。
また図３に示すように、両スクロール２２、２３の間には、それらのスクロール翼によって区画されて、複数の膨張室Ｐが形成される。これら膨張室Ｐは、旋回スクロール２３が所定方向（図３では反時計回り方向）に公転することで、旋回しながら両スクロール２２、２３の外周側に移動する。また膨張室Ｐは、旋回スクロール２３の公転に応じて、両スクロール２２、２３の外周側に移動するにつれ、その容積が拡大されるようになっている。
【００３０】
吸入ポート１５よりスクロール膨張機２０内に排気ガスが導入されると、排気ガスは、両スクロール２２、２３間を旋回しながら、それらの中央部から外周側に向けて移動する。両スクロール２２、２３の外周部まで移動した排気ガスは、排出ポート１６より排出される。こうした膨張機２０内での排気ガスの移動に応じて旋回スクロール２３が公転され、その公転に伴って出力軸２５が回転される。出力軸２５の回転は、プーリ２８、３０及びベルト２９を通じて発電機２１に伝えられる。これにより、発電機２１が駆動されて、発電が行われる。発電された電気は、図示しないバッテリに蓄電されたり、車両の電気機器に供されたりする。
【００３１】
なお、こうしたスクロール膨張機２０では、その稼働中、排気ガスの熱により、その構成部材が高温となる。ラジアルベアリング３４やニードルベアリング２６ｂが高温となると、それらの潤滑が悪化するおそれがある。また発電機２１においても、その内部のコイルが発熱し、高温となることがある。そこで本実施形態では、次のような冷却構造を採用している。
【００３２】
図２に示すように、出力軸２５及び偏心軸２６ａの内部にヒートパイプ３１を配設して、上記ベアリング３４、２６ｂ等の熱をプーリ２８側に移動させている。ヒートパイプ３１は、出力軸２５の回転中の遠心力の増大を抑制するため、可能な限り出力軸２５の回転中心軸に近づけることが望ましい。
【００３３】
更に本実施形態では、プーリ２８、プーリ３０には、それぞれフィン３２、３３が設けられている。フィン３２は、プーリ２８の回転に伴って、プーリ２８の周辺に冷却風を発生させる。またフィン３３は、プーリ３０の回転に伴って、発電機２１の内部に冷却風を送っている。
【００３４】
ちなみに、スクロール膨張機２０の両スクロール２２、２３は、渦巻き形状のスクロール翼を備える複雑な形状となっており、その製造が困難である。そこで、スクロール翼とその基板とをそれぞれ別体として形成し、それらを接合するようにすれば、各スクロール２２、２３をより容易に製造することができる。例えば、基板上に、スクロール翼との接合部に沿った溝を形成し、別途形成したスクロール翼をその溝内に装着して、真空ロウ付け等によりそれらを互いに接合し、必要に応じて研削等により仕上げ加工を行うことで、そうしたスクロールの製造を行うことができる。
【００３５】
以上説明した本実施形態では、次のような効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、エンジン１０の排気通路１１に、排気ガスの圧力による膨張室Ｐの容積変化に応じて動力を発生するスクロール膨張機２０を設けるとともに、スクロール膨張機２０の発生する動力により発電を行う発電機２１を備えている。これにより、排気エネルギを効率的に回収し、利用することができる。
【００３６】
（２）本実施形態では、スクロール膨張機２０は、排気通路１１の触媒コンバータ１２の下流に設けられている。これにより、スクロール膨張機２０の内部での膨張による排気ガスの温度低下に拘わらず、触媒コンバータ１２に流入する排気ガスの温度を高く保つことができ、触媒の活性温度の保持が容易となる。
【００３７】
（３）本実施形態では、排気圧が異常高圧となったときに、スクロール膨張機２０を迂回して排気ガスを流すリリーフ弁１４を備えている。これにより、バックファイア発生時等の排気圧の異常上昇時に、スクロール膨張機２０を保護することができる。
【００３８】
（４）スクロール膨張機２０内には、複数の膨張室Ｐが設けられており、排気ガス中を伝播する音波を減衰させることができる。このため、スクロール膨張機２０によって排気音を低減することができる。こうしたスクロール膨張機２０を消音器としても機能させることで、マフラー１３への消音要求が軽減されて、マフラー１３を簡易構成とすることや、マフラー１３を廃止することもできる。またその結果、排気系での圧力損失を低減できるようにもなる。
【００３９】
（５）本実施形態では、スクロール膨張機２０の出力軸２５及び偏心軸２６ａの内部にヒートパイプ３１を配設し、ベアリング３４、２６ｂ等の熱をプーリ２８側に移動させている。これにより、高温の排気ガスが導入されるスクロール膨張機２０内部の冷却性を高めることができる。
【００４０】
（６）本実施形態では、出力軸２５のプーリ２８にフィン３２を設け、プーリ２８の回転に応じて、冷却風を起こすようにしている。これにより、スクロール膨張機２０内部の冷却性を更に高めることができる。
【００４１】
（７）本実施形態では、発電機２１のプーリ３０にもフィン３３を設け、プーリ３０の回転に応じて、発電機２１の内部に冷却風を送るようにしている。これにより、発電機２１内部のコイル等を効果的に冷却することができる。
【００４２】
以上説明した本実施形態は、次のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態のヒートパイプ３１、フィン３２、３３により構成された冷却構造は、必須ではなく、その一部のみを採用したり、全て省略したりしても良い。
【００４３】
・上記実施形態では、リリーフ弁１４を設けて、排気圧が異常高圧となったときに、スクロール膨張機２０を迂回して排気ガスを流すようにしているが、そうした構成を省略しても良い。またリリーフ弁１４と同様の機能を有する別の構成を採用しても良い。
【００４４】
・上記実施形態では、排気通路１１の途中をリリーフ弁１４で遮断し、その上流及び下流に吸入ポート１５、排出ポート１６を接続して、スクロール膨張機２０への排気ガスの取り込みを行うようにしている。例えば吸入・排出ポート１５、１６に排気通路１１を直接連結するなど、スクロール膨張機２０の排気通路１１への接続の仕方は、任意に変更しても良い。
【００４５】
・スクロール膨張機２０と発電機２１との動力伝達を、ベルト＆プーリ以外の別の動力伝達機構によって行うようにしても良い。例えば、出力軸２５に発電機２１に直結したり、ギア対によってそれらを連結するようにしても良い。
【００４６】
・スクロール膨張機２０は、触媒コンバータ１２の下流に限らず、排気通路１１の任意の部位に配設することができる。
・スクロール式の容積型膨張機に代えて、ベーン式、往復ピストン式等の他の方式の容積型膨張機を採用しても良い。
【００４７】
（第２実施形態）
続いて、本発明を具体化した第２実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態の構成と同様の構成については、同一の番号を付してその説明を省略する。
【００４８】
図４に示すように、本実施形態では、排気通路１１は、触媒コンバータ１２の下流で２つの通路１１ａ、１１ｂに分岐されている。分岐された通路の一方（１１ａ）には、スクロール膨張機２０が配設され、もう一方（１１ｂ）にはマフラー１３が配設されている。
【００４９】
排気通路１１の分岐部分には、流量調整弁５０が配設されている。流量調整弁５０は、制御回路５１により制御されて、分岐された両通路１１ａ、１１ｂへの排気ガスの流量割合の調整を行っている。制御回路５１には、スロットル開度やエンジン回転速度などのエンジン１０の運転状況の情報やバッテリ充電容量の情報等の各種情報が入力されている。そして制御回路５１は、それらの情報に基づいて流量調整弁１７の制御を行っている。こうした構成により、スクロール膨張機２０に導入される排気ガスの流量制御が可能となる。
【００５０】
こうした流量調整弁１７の制御により、例えば以下のような流量調整を行うことができる。
スクロール膨張機２０への排気ガス流量が増大すれば、同膨張機２０の回転速度は高まるものの、同膨張機２０での圧力損失も増大し、背圧上昇を招くこととなる。そこで、エンジン１０からの排気ガスの排出量が多いときには、マフラー１３の配設された通路１１ｂにも排気ガスを流して、スクロール膨張機２０に導入される排気ガスの流量を適宜な流量に制限するように流量調整弁５０の制御を行う。これにより、スクロール膨張機２０での圧力損失による背圧上昇を抑えることができる。また、スクロール膨張機２０の過回転を防止できるようにもなる。
【００５１】
またエンジン１０からの排気ガス排出量が十分にあるときには、スクロール膨張機２０の駆動効率が最大となる流量の排気ガスを、同膨張機２０に供給するように、流量調整弁５０の制御を行うこともできる。
【００５２】
更に、バッテリ充電容量や車両の電気負荷等の情報に鑑みて、発電要求が少ないと判断されるときには、スクロール膨張機２０に導入される排気ガスの流量を低減する、或いはゼロとするように流量調整弁５０を制御すれば、車両の電気需要に応じて発電機２１の発電量を調整することができる。
【００５３】
こうした本実施形態では、上記（１）〜（７）に記載の効果に加え、更に以下の効果を奏することができる。
（８）本実施形態では、スクロール膨張機２０に導入される排気ガスの流量を調節する流量調整弁５０を更に備えている。これにより、エンジン１０からの排気ガスの排出量や発電要求等に応じて、スクロール膨張機２０の駆動を適宜に調整できるようになり、排気エネルギをより効率的に回収できるようになる。
【００５４】
こうした第２実施形態についても、第１実施形態に記載した変更と同様、或いはそれに準じた変更を行って実施することができる。
（第３実施形態）
続いて、本発明を具体化した第３実施形態について、上記各実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５５】
図５に示すように本実施形態では、同図５では図示しない触媒コンバータの出口に取り付けられる分岐管６１により、排気通路を２つの通路６２ａ、６２ｂに分岐させている。分岐管６１の分岐部分には、両通路６２ａ、６２ｂへの排気ガスの流量割合を変更する流量調整弁６３が設けられている。そして本実施形態では、分岐された排気通路６２ａ、６２ｂのそれぞれにスクロール膨張機２０ａ、２０ｂが配設されている。これら両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂは、図２のスクロール膨張機２０とほぼ同様の構成となっている。
【００５６】
なお、同図５には図示していない、排気通路６２ａ、６２ｂの更に下流側には、必要に応じてマフラーを配設しても良いし、スクロール膨張機２０ａ、２０ｂで十分な消音効果が得られるならば、マフラーを省略してそのまま大気開放しても良い。またスクロール膨張機２０ａ、２０ｂの下流側で、分岐された２つの排気通路６２ａ、６２ｂを再び合流させるようにしても良い。
【００５７】
さて、本実施形態では、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの間に発電機６４を介設して、それらを一体に組み付けるようにしている。そして両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの出力軸２５ａ、２５ｂを、ワンウェイクラッチ６５ａ、６５ｂを介して、発電機６４の回転子６６の回転軸６７の両端にそれぞれ連結している。これにより、発電機６４の回転子６６は、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂによって両持支持されるようになる。
【００５８】
ワンウェイクラッチ６５ａ、６５ｂは、発電機６４の回転子６６が各膨張機２０ａ、２０ｂの出力軸２５ａ、２５ｂよりも高速に回転することを許容して、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの回転速度に差を吸収している。
【００５９】
また本実施形態では、エンジン１０からの排気ガスの排出量の少ないときには、流量調整弁６３の制御により、分岐された通路６２ａ、６２ｂのうちのいずれか一方のみに排気ガスを流すようにしている。これにより、排気ガスの排出量の少ないときにも、いずれか一方のスクロール膨張機２０ａ、２０ｂの駆動を維持できる。
【００６０】
以上説明した本実施形態によれば、上記（１）〜（４）に記載の効果に加え、更に次の効果を奏することができる。
（９）本実施形態では、２つのスクロール膨張機２０ａ、２０ｂの間に発電機６４の回転子６６が介設されるように、回転子６６の回転軸６７の両端に、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの出力軸２５ａ、２５ｂを連結している。これにより、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂによって、発電機６４の回転子６６を両持支持することができる。こうした支持構造とすることで、回転子６６の回転軸６７に作用するスラスト方向の力を互い打ち消させて、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂや発電機６４の各部の負荷を軽減できる。また、両持支持することで、回転子６６をより安定して支持できるようにもなる。
【００６１】
（１０）本実施形態では、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂ及び発電機６４が一体に組み付けられている。これにより、回収装置全体を高剛性とすることができる。
（１１）本実施形態では、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの各出力軸２５ａ、２５ｂと回転子６６の回転軸６７とを、ワンウェイクラッチ６５ａ、６５ｂを介して連結しているため、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの回転速度の差を吸収できる。これにより、スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの一方の出力が、他方に比して低くなったときにも、高出力側の膨張機がもう一方の膨張機を連れ回すことなく発電機６４を駆動でき、より効率的に発電を行うことができるようになる。
【００６２】
（１２）本実施形態では、エンジン１０からの排気ガス排出量の少ないときには、流量調整弁６３の制御により、分岐された通路６２ａ、６２ｂのうちのいずれか一方のみに排気ガスを流すようにしている。これにより、排気ガスの排出量の少ないときにも、いずれか一方のスクロール膨張機２０ａ、２０ｂの駆動を維持できる。
【００６３】
本実施形態は、次のように変更して実施することもできる。
・ワンウェイクラッチ６５ａ、６５ｂを省略して、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの出力軸２５ａ、２５ｂ及び発電機６４の回転軸６７を、一体回転可能に連結するようにしても良い。
【００６４】
・また出力軸２５ａ、２５ｂ及び回転軸６７を一体回転可能に連結した場合に、次のような構成とすることで、両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂによる排気音の消音効果を更に高めることができる。すなわち、回転軸６７に対する両スクロール膨張機２０ａ、２０ｂの旋回スクロールの取付位相を異ならせるとともに、排気ポートの位相も異ならせて、両膨張機２０ａ、２０ｂの排気ガスの排出タイミングを異ならせる。例えば、両スクロール膨張機の旋回スクロールの取付位相、及び排気ポートの位相を１８０°ずらすようにすれば、両膨張機２０ａ、２０ｂからは等間隔で交互に排気ガスが排出されるようになる。このように、両膨張機２０ａ、２０ｂの排気ガスの排出タイミングを異ならせることで、排気音の消音効果を向上することができる。
【００６５】
更に本実施形態は、次のように変更して実施することもできる。
上記実施形態では、触媒コンバータの下流で排気通路を２つの通路６２ａ、６２ｂに分岐しているが、排気通路での分岐位置を任意に変更しても良い。分岐位置によっては、燃焼機関の排気効率向上等の更なる効果を得ることができる。
【００６６】
例えば、図６の例では、触媒コンバータ７０に２つの排気出口７１ａ、７１ｂを設け、２つのスクロール膨張機２０ａ、２０ｂがそれぞれ配設された２つの通路７２ａ、７２ｂを、その排気出口７１ａ、７１ｂから分岐させている。このようにした場合、触媒コンバータ７０の排気出口部分の流路面積が拡大され、触媒コンバータ７０部分での排気ガスの流れを改善できる。
【００６７】
また多気筒エンジンでは、他気筒の排気干渉により燃焼機関の排気効率が悪化することがある。そうしたエンジンに、上記実施形態のような２つのスクロール膨張機を備える排気エネルギ回収装置を設置し、排気通路を分岐させるのであれば、排気干渉の影響の大きい気筒の排気通路を、始めから合流させないようにすれば良い。
【００６８】
図７には、第１〜第４の４つの気筒＃１〜＃４を有する４気筒エンジン８０に、排気エネルギ回収装置を適用した一例を示す。この例では、第１気筒＃１及び第４気筒＃４からの排気ガスは、排気マニホールド８１ａ、触媒コンバータ８２ａを経てスクロール膨張機２０ａへと送られる。また、その第２気筒＃２及び第３気筒＃３からの排気ガスは、排気マニホールド８１ｂ、触媒コンバータ８２ｂを経てスクロール膨張機２０ｂへと送られ。
【００６９】
このように、２つのスクロール膨張機２０ａ、２０ｂにそれぞれ排気ガスを送る気筒を分離し、各膨張機２０ａ、２０ｂには、排気干渉の影響の少ない気筒の排気ガスをそれぞれ送るようにすることで、排気干渉を回避して各気筒＃１〜＃４の排気効率を向上することができる。
【００７０】
さて、以上説明したようなスクロール膨張機によって排気エネルギを回収する装置では、そのスクロール膨張機に、排気ガスの漏れや排気ガス中の煤成分の詰まり等の不具合が生じるおそれがある。
【００７１】
以下の第４〜第８実施形態は、そうした不具合を解消するためのスクロール膨張機の追加構成を説明している。第４〜第８実施形態のスクロール膨張機の追加構成は、第１〜第３実施形態の排気エネルギ回収装置のスクロール膨張機のいずれにも適用することができる。また第４〜第８実施形態の追加構成を任意に組み合わせて適用しても良い。
【００７２】
（第４実施形態）
上記各実施形態のスクロール膨張機の内部は、旋回スクロールによって、両スクロールの間に形成される膨張室と、クランク機構や出力軸等の配設されるクランク室とに区画されているが、旋回スクロールとケースとの摺接部のクリアランスを通じて膨張室からクランク室に排気ガスが漏れ出すおそれがある。上記各実施形態のスクロール膨張機に対して、以下の構成を追加することで、そうした排気ガスの漏れを低減することができる。
【００７３】
図８は、そうしたシール構造の改良を加えたスクロール膨張機９０の部分断面構造を示す。このスクロール膨張機９０についても、固定スクロール９１及び旋回スクロール９２の２つのスクロールを備え、導入された排気ガスによって旋回スクロール９２を公転する構成は、上記各実施形態のスクロール膨張機と同様である。
【００７４】
このスクロール膨張機９０では、同図８に示すように、旋回スクロール９２の基板９２ａの外周とケース９０ａの内周との間にダイアフラム９６を介設して、膨張室Ｐからクランク室９３への排気ガスの漏洩を防止するようにしている。
【００７５】
ダイアフラム９６は、図９に示すように、旋回スクロール９２の基板９２ａの外周に外嵌される内部スリーブ９４、及びケース９０ａの内周に嵌め合わされる外部スリーブ９５に接合されている。またダイアフラム９６は、外部スリーブ９５に対する内部スリーブ９４の周方向の相対変位を許容するように弾性変形可能となっている。
【００７６】
ここでは、ダイアフラム９６は、図９（ｂ）に示されるように湾曲した断面形状をなす金属円環を複数接合して形成されている。こうした構造により、旋回スクロール９２の公転中心軸に対してその周方向には柔軟に変形可能でありながらも、その軸方向への剛性は比較的高くすることができ、膨張室Ｐとクランク室９３との圧力差に応じてダイアフラム９６に作用する力に対する強度を確保している。
【００７７】
更にこのスクロール膨張機９０では、膨張室Ｐとクランク室９３との圧力差を低減する均圧化機構が設けられている。この機構は、シリンダ９７内に配設されたフリーピストン９８を有して構成されている。
【００７８】
シリンダ９７は、膨張室Ｐに連通するとともに、ケース９０ａやダイアフラム９６等によって囲繞された空間Ｓに連通している。フリーピストン９８は、シリンダ９７内に摺動可能に配設されており、シリンダ９７の内部を、膨張室Ｐに連通された空間と上記空間Ｓに連通された空間とに区画している。またフリーピストン９８は、シリンダ９７内の膨張室Ｐに連通された空間を縮小する方向へと、ばね９９により付勢されている。
【００７９】
膨張室Ｐ内の圧力が高くなれば、フリーピストン９８がシリンダ９７内の上記空間Ｓに連通された空間を縮小する方向に移動して、シリンダ９７内から上記空間Ｓに空気が送られる。また膨張室Ｐの圧力が低くなれば、フリーピストン９８が上記空間Ｓを拡大する方向に移動して、上記空間Ｓからシリンダ９７内に空気が戻される。これにより、膨張室Ｐの圧力の昇降に応じて上記空間Ｓの圧力も昇降されるようになり、それらの圧力差が低減され、膨張室Ｐからクランク室９３への排気ガスの漏れが低減される。また、圧力差を低減することで、そうした圧力差に応じてダイアフラム９６に作用する力も低減されるため、膨張室Ｐの急激な圧力変動からダイアフラム９６が保護されるようにもなる。
【００８０】
なお、上記のダイアフラム９６を用いたシール構造、及びフリーピストン９８を用いた均圧化機構のいずれか一方のみを、スクロール膨張機９０に設けるようにしても良い。その場合にも、膨張室Ｐからクランク室９３への排気ガスの漏れを低減することができる。
【００８１】
（第５実施形態）
更に、次のような構成を追加することによっても、膨張室Ｐからクランク室９３への排気ガスの漏れを低減することができる。
【００８２】
本実施形態では、図１０に示すように、旋回スクロールの基板１００の裏面（スクロール翼の設置された面の反対側の面）に溝１０１を形成するようにしている。こうした溝１０１により、旋回スクロールは、その公転に応じて外周に向けて空気を送り出す遠心ファンとしても機能するようになる。こうして送り出された空気により、旋回スクロール基板１００の外周とケースとの間の部分におけるクランク室側の圧力が高められるため、膨張室からクランク室への排気ガスの漏れを低減することができる。
【００８３】
勿論、旋回スクロール基板１００の裏面に、溝１０１の替わりに翼を設けて、旋回スクロールを遠心ファンとして機能させることもできる。
（第６実施形態）
上述のように、スクロール膨張機では、固定スクロール及び旋回スクロールのそれぞれの翼面と基板とによって囲繞された複数の膨張室に導入された排気ガスにより、旋回スクロールを公転させて動力を発生している。ところが、スクロール翼先端面と基板との摺接面間のクリアランスを通じて、各膨張室内の排気ガスが他の膨張室へと漏洩するおそれがある。
【００８４】
そこで本実施形態では、上記各実施形態のスクロール膨張機に対して、以下の構成を追加することで、そうした膨張室間の排気ガスの漏洩を低減している。
図１１に示すように、スクロール翼１１０の先端面に、その翼方向に延びるラビリンス溝１１１を形成しておけば、スクロール翼１１０の先端のクリアランスに侵入した排気ガスが、そのラビリンス溝１１１内に入った時点で減圧されるため、膨張室Ｐ１、Ｐ２間の排気ガスの流通は低減することができる。しかしながら、この場合、ラビリンス溝１１１内に入った排気ガスは、そのラビリンス溝１１１を通って、翼に沿って流れ出てしまうため、結局は膨張室からの排気ガスの漏洩を十分に低減することはできない。
【００８５】
そこでここでは、図１２に示すように、スクロール翼１１２の先端面に形成された翼方向に伸びる溝１１３を形成すると共に、その溝１１３内に、図１３（ａ）に示すような区画部材１１４を装着するようにしている。区画部材１１４は、上記溝１１３とほぼ同様の断面形状に形成されており、その翼方向において所定間隔毎に断面矩形の溝１１５が形成されている。こうした区画部材１１４を装着することで、スクロール翼１１０の先端面のラビリンス溝を、翼方向において所定間隔毎に分割することができる。そしてこれにより、ラビリンス溝を通った排気ガスの流出も抑えることができるようになり、スクロール膨張機の膨張室のシール性を十分に確保することができる。
【００８６】
なお、上記区画部材１１４の溝を、図１３（ｂ）に示すような形状に形成することで、ラビリンス溝を通った翼方向への排気ガスの流れを更に低減することができる。
図１３（ｂ）に示す区画部材１１６では、翼方向において所定間隔毎に設けられた溝１１７は、その翼方向に沿った断面が図１４に示すような楔状となった断面三角形状に形成されている。こうした溝１１７内では、溝１１７内を排気ガスが図１４に矢印で示す方向に流れるにつれ、圧力が上昇するため、そうした方向へのラビリンス溝を通じた排気ガスの流出を、より効果的に低減できる。ちなみに、図１３（ｃ）に示すような形状の溝１１９の形成された区画部材１１８によっても、図１３（ｂ）の区画部材１１６と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
なお、上記のような翼方向に分割されたラビリンス溝を、スクロール翼先端面に直接形成するようにしても良い。ちなみに、上述のようなスクロール翼と基板とを別体形成する構成とすれば、こうしたスクロール翼先端面への加工も、比較的容易に行うことができる。
【００８８】
（第７実施形態）
また更に、次のような構成を追加することによっても、膨張室からの排気ガスの漏れを低減することができる。
【００８９】
スクロール膨張機の作動中、排気ガスの熱による熱膨張のため、各スクロールの翼高さが変化する。旋回スクロールは、外部からの冷却を期待することができず、固定スクロールよりも高温となり易い。このため、両スクロールを同じ材料で形成すれば、温度差による熱膨張量の差によって、両スクロールの翼高さに差が生じ、翼先端面と基板とのクリアランスが拡大して、膨張室から排気ガスの漏れが増大するおそれがある。
【００９０】
こうしたクリアランスの拡大は、旋回スクロールを固定スクロールよりも熱膨張率の小さい材料で形成する（例えば、旋回スクロールを鋳鉄やステンレスで形成した場合、固定スクロールをアルミニウム合金で形成する等）ことで好適に抑えることができる。
【００９１】
（第８実施形態）
上記のような排気エネルギ回収装置に採用されるスクロール膨張機では、排気ガス中に含まれる煤成分が各部（例えばスクロール翼先端部等）に付着して、スクロール膨張機の作動を阻害するおそれがある。そこで、本実施形態では、スクロール膨張機の内部への外気の取り込みを可能とし、取り込んだ外気の流勢により付着した煤を除去させるようにしている。
【００９２】
図１５は、外気を取り込み可能としたスクロール膨張機の一例を示している。
このスクロール膨張機１２０についても、固定スクロール１２１及び旋回スクロール１２２を備え、吸入ポート１２３より導入され、排出ポート１２４より排出される排気ガスの流れによって旋回スクロール１２２を公転させて、出力軸１２５を回転させる基本構造は、上記各実施形態と同様である。
【００９３】
このスクロール膨張機１２０では、そのケース１２０ａに、外気導入路１２６が接続されている。外気導入路１２６は、逆止弁１２７を介して外気開放されるとともに、両スクロール１２１、１２２の間に形成される膨張室の最外周部に開口されている。逆止弁１２７は、常閉式の圧力作動弁で、膨張室内の圧力が外気の圧力（大気圧）よりも低いときに開弁し、膨張室内への外気の流入を許容する。
【００９４】
排気通路内の圧力（排気圧）は、その脈動により、一時的に外気よりも低くなることがある。こうして排気圧が大気圧よりも低くなったときに、逆止弁１２７が開弁して、膨張室内に外気が導入される。そしてその導入された外気によって、スクロール膨張機１２０内に付着した煤が除去される。
【００９５】
このように、スクロール膨張機１２０内に外気を取り込み可能とすることで、内部に付着した煤の除去が可能となる。勿論、スクロール膨張機１２０内に、ブロワなどを用いて強制的に外気を導入するようにしても良い。
【００９６】
更に以下の変更によっても、スクロール膨張機の内部に付着した煤の除去を行うことができる。
スクロール膨張機に連結された発電機を一時的に電動機として機能させて、スクロール膨張機を強制回転させることによっても、付着した煤の除去が可能である。例えば、電動機として駆動した発電機によって、スクロール膨張機を通常とは逆回転させて、スクロール膨張機内に通常とは逆方向の排気ガスの流れを形成することで、付着した煤を好適に除去することができる。
【００９７】
また、例えば各スクロールの翼先端近傍などのような煤の付着しやすい部位に、煤の燃焼を促進する触媒を担持させることも、付着した煤の除去には有効である。触媒が担持されていれば、排気ガス中の余剰酸素によって、付着した煤を燃焼させて除去することができる。
【００９８】
以上が、排気ガスの漏れや排気ガス中の煤成分の詰まり等の不具合を解消するため追加構成の説明である。
（第９実施形態）
続いて、本発明を具体化した第９実施形態について、図１６及び図１７を併せ参照して、上記各実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態は、スクロール膨張機について、旋回スクロールの支持構造、及び旋回スクロールと発電機との連結構造を変更したものである。
【００９９】
図１６は、そうしたスクロール膨張機２００の側部断面構造を、図１７は、図１６の矢印Ａで示される側から見たスクロール膨張機２００の平面構造を示している。
さて、このスクロール膨張機２００の旋回スクロール２０１は、その外周に設けられた複数（ここでは）のクランク機構２０２を介してケース２０３に支持されている。各クランク機構２０２は、ベアリング２０４を介してケース２０３に回転可能に軸支された支持軸２０５，２０５ａと、その支持軸２０５，２０５ａに対して同支持軸２０５，２０５ａの回転中心から偏心するように連結され、旋回スクロール２０１の外周部にベアリング２０６を介して回転可能に軸支された偏心軸２０７とを有している。こうしたクランク機構２０２により、旋回スクロール２０１は、その自転を防止されながら、公転可能に支持されている。
【０１００】
また、各支持軸２０５，２０５ａにはカウンタウエイト２０８が設けられており、旋回スクロール２０１の公転に応じた重心の移動が抑えられている。
そして、このスクロール膨張機２００では、上記支持軸の１つ２０５ａが出力軸となっており、発電機の回転軸に駆動連結されている。
【０１０１】
こうしたスクロール膨張機２００では、旋回スクロール２０１を複数のクランク機構２０２で分担支持しているため、クランク機構２０２の各々にかかる負担は小さくて済む。そのため、クランク機構２０２の各軸２０５，２０５ａ，２０７やベアリング２０４，２０６等を小型化でき、スクロール膨張機２００全体の小型化や薄型化が可能となる。またそうした小型化によって熱容量も小さくなるため、ベアリング２０４，２０６の冷却も容易となる。更に、その結果、回転部の質量も小さくなり、スクロール膨張機２００を更に高速回転させることができるようにもなる。
【０１０２】
以上のスクロール膨張機２００は、第１〜第３実施形態の燃焼機関の排気エネルギ回収装置のスクロール膨張機と置き換えて用いることができる。また本実施形態のスクロール膨張機にも、第４〜第８実施形態の構成を追加して用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第１実施形態についてその全体構造を示す模式図。
【図２】同実施形態のスクロール膨張機の側部断面図。
【図３】スクロール膨張機のスクロール部の断面図。
【図４】第２実施形態の全体構造を示す模式図。
【図５】第３実施形態のスクロール膨張機及びその近傍の断面図。
【図６】同実施形態の変更例についてその全体構造を示す模式図。
【図７】同実施形態のもう１つの変更例についてその全体構造を示す模式図。
【図８】第４実施形態のスクロール膨張機の部分断面図。
【図９】同実施形態のスクロール膨張機のシール部材の平面構造及び断面構造を併せ示す図。
【図１０】第５実施形態の旋回スクロールの裏面の平面構造を示す平面図。
【図１１】ラビリンス溝の形成されたスクロール翼先端部の部分断面図。
【図１２】第６実施形態のシール構造の追加されたスクロール翼の部分斜視図。
【図１３】同スクロール翼に配設される区画部材の部分斜視図。
【図１４】スクロール翼先端部の部分断面図。
【図１５】第７実施形態のスクロール膨張機の部分断面図。
【図１６】第９実施形態のスクロール膨張機及びその近傍の断面図。
【図１７】同実施形態のスクロール膨張機の平面図。
【符号の説明】
【０１０４】
１０，８０…エンジン（燃焼機関）、１１…排気通路、１２，７０…触媒コンバータ、１３…マフラー（消音器）、１４…リリーフ弁、１５，１２３…吸入ポート、１６，１２４…排出ポート、２０，２０ａ，２０ｂ，９０，１２０，２００…スクロール式容積型膨張機（スクロール膨張機）、２１，６４…発電機、２２，９１，１２１…固定スクロール、２３，９２，１００，１２２，２０１…旋回スクロール、２５，２５ａ，２５ｂ，１２５，２０５ａ…出力軸、２６，２０２…クランク機構、２８，３０…プーリ、２９…ベルト、６６…回転子、６７…回転子回転軸、７１ａ，７１ｂ…排気出口、９４，９５…スリーブ、９６…ダイアフラム、９７…シリンダ、９８…フリーピストン、９９…ばね、１２６…外気導入通路、１２７…逆止弁。
【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】
2006009806.tif 000009
【図８】
2006009806.tif 000010
【図９】
2006009806.tif 000011
【図１０】
2006009806.tif 000012
【図１１】
2006009806.tif 000013
【図１２】
2006009806.tif 000014
【図１３】
2006009806.tif 000015
【図１４】
2006009806.tif 000016
【図１５】
2006009806.tif 000017
【図１６】
2006009806.tif 000018
【図１７】
2006009806.tif 000019