(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の排熱回収装置（２）のためのアキシャルピストンエキスパンダであって、
‐回転軸（２５）のまわりを回転するベアリング内に配置され、機械的な駆動力が利用できる出力軸（１４）を備え、
‐前記回転軸（２５）と平行に配向され、円周方向に前記回転軸（２５）のまわりに配置される数多くのシリンダー（２６）を備え、
‐前記回転軸（２５）に平行な前記シリンダー（２６）内に可変のストロークを有してそれぞれ配置される数多くのピストン（２７）を備え、
‐すべてのピストン（２７）および前記出力軸（１４）を有する駆動システム内に接続された連結プレート（２８）を備え、
‐前記シリンダー（２６）と流体接続している高圧吸入口（１７）を備え、
‐前記シリンダー（２６）と流体接続している低圧排出口（１８）を備え、
‐前記シリンダー（２６）と前記高圧吸入口（１７）および前記低圧排出口（１８）との間の前記流体接続の制御のためのバルブ装置（３０）を備え、
‐ストローク調整装置が設けられ、前記ストローク調整装置によって前記ピストン（２７）の前記ストロークが制御室（４３）の圧力の調整を介して調整されることが可能であり、
前記制御室（４３）が、前記制御室の圧力の調整のために、前記高圧吸入口（１７）の高圧バイパス（４１）と接続することが可能であること、および／または前記制御室の圧力の調整のために、前記低圧排出口（１８）の低圧バイパス（４４）と接続することが可能であることを特徴とするアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項２】
少なくとも１つのバイパス（４１、４４）が圧力調整装置（４２、４５）を有することを特徴とする、請求項１に記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項３】
前記圧力調整装置（４２、４５）が、タイミングバルブ、一定絞り弁、またはその他の絞り弁として形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項４】
前記圧力調整装置（４２、４５）が、一方の前記バイパス（４１、４４）内でタイミングバルブ（４２、４５）として、および他方のバイパス（４４、４１）内で絞り弁（４５、４２）として形成されることを特徴とする、請求項３に記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項５】
前記ストローク調整装置が傾度調整装置（１６）を有し、前記回転軸（２５）に関する傾斜（２９）が前記ピストン（２７）の前記ストロークを決定し、それにより前記連結プレート（２８）の前記傾斜（２９）が前記回転軸（２５）に関連して調整されることが可能であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項６】
各シリンダー（２６）のための前記バルブ装置（３０）が、前記各シリンダー（２６）と前記高圧吸入口（１７）との間の前記流体接続の前記制御のための吸入弁（３１）を有し、それが上死点の領域の前記関連するピストン（２７）により開くように作動することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項７】
前記各ピストン（２７）が作動要素（３３）を有し、それが前記上死点の領域の前記各吸入弁（３１）を開くように作動することを特徴とする、請求項６に記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項８】
前記各作動要素（３３）が、前記各吸入弁（３１）を解放位置まで移動させるために前記吸入弁（３１）のバルブ要素（３４）を動かす、前記ピストン（２７）から軸方向に伸びる突き出た要素を有することを特徴とする、請求項７に記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項９】
前記各吸入弁が、調整可能なバルブ要素として開閉フラップ（３４）を有する、フラッターバルブ（３１）として形成されることを特徴とする、請求項６から８のいずれか１つに記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項１０】
前記シリンダー（２６）と前記低圧排出口（１８）との間の前記流体接続の前記制御のための前記バルブ装置（３０）が、前記回転軸（２５）のまわりを回転する円板カム（３７）を有し、それが前記円板カム（３７）を軸方向に貫通する少なくとも１つの制御スロット（３８）を有し、前記制御スロット（３８）が前記各シリンダー（２６）と軸方向に整列しているとき、前記低圧排出口（１８）と前記各シリンダー（２６）との間の前記流体接続が解放され、前記円板カム（３７）の前記残りの範囲の回転が閉じていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１つに記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項１１】
前記制御スロット（３８）が、前記回転軸（２５）に関し前記円弧状に伸び、および／または、
‐前記円板カム（３７）が、前記出力軸（１４）と一緒に回転するように固定され、および／または
‐前記各シリンダー（２６）が排出口（３９）を有し、それは前記円板カム（３７）により直接制御される
ことを特徴とする、請求項１０に記載のアキシャルピストンエキスパンダ。
【請求項１２】
自動車の排熱回収装置であって、
‐前記作業媒体が循環する排熱回収回路（８）を備え、
‐前記流体作動媒体を駆動するための前記排熱回収回路（８）内に配置された移送装置（９）を備え、
‐前記内燃機関（１）の前記排熱（３）を使用する前記作業媒体の蒸発のために、前記移送装置（９）の下流の排熱回収回路（８）内に配置された蒸発器（１０）を備え、
‐前記作業媒体の膨張のための、前記蒸発器（１０）の下流の前記排熱回収回路（８）内に配置された膨張機（１１）を備え、
‐前記作業媒体の凝縮のための、前記膨張機（１１）の下流の前記排熱回路（８）内に配置されたコンデンサー（１２）を備え、
‐機械的な駆動力の移転のための前記膨張機（１１）が、前記内燃機関（１）のドライブトレーン（７）と結合され、または結合されることができ、
‐前記膨張機が、請求項１から１１のいずれか１つに記載のアキシャルピストンエキスパンダ（１１）であり、その出力軸（１４）が機械的な駆動力の移転のため前記ドライブトレーン（７）に結合され、または結合されることができる、
自動車の排熱回収装置。
【請求項１３】
制御装置（１９）が設けられ、通常動作では前記内燃機関（１）の動作状態を監視し、これにより、前記排熱回収装置が前記内燃機関（１）をその駆動力でサポートするような方法で、前記アキシャルピストンエキスパンダ（１１）の前記ストローク調整装置を調整することを特徴とする、請求項１２に記載の排熱回収装置。
【請求項１４】
制御装置（１９）が設けられ、それがアキシャルピストンコンプレッサとして、前記排熱利用装置（２）の冷始動において前記アキシャルピストンエキスパンダ（１１）を操作することを特徴とする、請求項１２または１３に記載の排熱回収装置。
【請求項１５】
前記出力軸（１４）が、前記ドライブトレーン（７）の一部（２０）と結合し、それが少なくとも１つの補助装置ユニット（２１）を駆動し、
‐前記ドライブトレーン（７）の前記一部（２０）が制御可能な結合装置（２４）を使用して前記残りのドライブトレーン（７）から分離することが可能であり、
‐制御装置（１９）が設けられ、前記内燃機関（１）の動作のオーバーランモードで、または、アイドルモードで、前記出力軸（１４）に結合した前記ドライブトレーン（７）の前記一部（２０）の前記残りのドライブトレーン（７）からの分離のために、前記結合装置（２４）を作動する
ことを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アキシャルピストンコンプレッサに関連する装置だけではなく、排熱回収装置などのための排熱回収装置およびアキシャルピストンエキスパンダ（axial piston expander）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の排熱回収装置は、例えば特許文献１によって知られる。それは、作動媒体が循環する排熱回収回路を有する。流体作動媒体を供給するための移送装置は、排熱回収回路内に配置されている。作業媒体の蒸発のための蒸発器は、移送装置の下流の排熱回収回路内に配置されている。さらに、作業媒体の開放のために、膨張機が蒸発器の下流の排熱回収回路内に設置される。膨張機の下流には、作業媒体の凝縮のためのコンデンサーがある。既知の排熱回収装置内で膨張機は、電気エネルギー生成のためのジェネレータを駆動する。蒸発器は、バーナーを使って加熱され、内燃機関に加えて自動車内部に設置される。
【０００３】
このような熱回収装置は、通常、ランキンサイクルの原理に従って動作する。
【０００４】
空調システムは、特許文献２によって知られ、冷却回路内の気体冷却を駆動するためのアキシャルピストンコンプレッサを有する。アキシャルピストンコンプレッサは、可変排気量を有し、よって移送性能、具体的には移送量および／または移送圧力は、アキシャルピストンコンプレッサのドライブシャフトの回転速度から独立して設定することが可能である。
【０００５】
可変ストローク式のアキシャルピストンコンプレッサは、例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７などから知られる。一般的にそのようなアキシャルピストンコンプレッサは、回転軸のまわりを回転するベアリング内に取り付けられたドライブシャフトを有し、内部の機械的な駆動力はアキシャルコンプレッサの駆動を開始することが可能である。さらに数多くのシリンダーは、平行に配向されて設置されドライブシャフトの回転軸のまわりに円周方向に配置される。これらの各シリンダーで、可変ストローク式ピストンが回転軸に平行に配置される。さらに、連結プレートが設置され、それはすべてのピストンやドライブシャフトと駆動されて接続し、その回転軸に関連した傾きはピストンのストロークを決定する。低圧注入口は、シリンダーと流体接続している。高圧排出口は、同様にシリンダーに流体接続している。さらに、バルブ装置がシリンダーと低圧注入口および高圧排出口との間の流体接続を制御するために設置される。ドライブシャフトの速度から独立してアキシャルピストンコンプレッサの出力を調整することを可能にするために、ピストンのストロークを調整できる、ストローク調整装置が設置される。例えば、回転軸に関連した連結プレートの傾きはこの目的のために調整することが可能であり、それによってピストンのストロークの変化が発生する。
【０００６】
具体的には自動車内に設置された、内燃機関の排熱回収装置の支えにより、熱は内燃機関および自動車のエネルギー効率を改善するために使用することができる。このために、排熱回収装置の膨張機を利用した機械的な駆動力の中に熱が転換され、その後熱以外の、例えば電気エネルギーの、エネルギーの形態に転換される。電気エネルギーはこの方法によってさまざまに利用することが可能であり、それによって内燃機関と車両内に設置されているものの全体の効率性が向上する。
【０００７】
自動車の適用のコンテキストでは、排熱回収装置を使用してサポートされた内燃機関の駆動力が頻繁に望まれる。排熱回収装置の援助の限りにおいて、最初の電気エネルギーは獲得され、これは、内燃機関をサポートするために、少なくとも１つの電気モーターを介して機械的な駆動力に転換され、膨張機に支えられて与えられた機械エネルギーは最初に電気エネルギーに転換されるとき損失を被りやすく、再び機械作動に転換されるときさらなる損失を被りやすいため、比較的小さな利点しか得られない。内燃機関のサポートのための、膨張機により供給される機械的な力の直接利用は、自動車の場合内燃機関は可変的な負荷および／または速度の操作条件と頻繁に関連するため、自動車の適用において問題が多い。排熱回収装置によって内燃機関の駆動力をサポートすることは、従って膨張機の速度もまた適宜変化するという事実と関係している。膨張機の速度変化は、排熱装置における変化に繋がり、一般的にランキンサイクル処理の形態を取る。例えば、膨張機のスループットは、蒸発器の熱吸収、高圧および／または低圧の質量、エキスパンダの圧力差、その他多くのものを変えることが可能である。従って、操作条件は、適切な、特定のパラメータの外にある排熱回収装置の範囲において発生し、そのために排熱回収装置は設計される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＥＰ１５３３４９４Ａ２
【特許文献２】ＤＥ１０２００７０５１１２７Ａ１
【特許文献３】ＤＥ１０１２４０３３Ｂ４
【特許文献４】ＤＥ１０１２４０３４Ａ１
【特許文献５】ＤＥ１０１２４０３１Ｂ４
【特許文献６】ＥＰ０９６４９９７Ｂ１
【特許文献７】ＤＥ１０３４３５７０Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、排熱回収装置を通して内燃機関の改善された機械サポートを促進する、アキシャルピストンエキスパンダと排熱回収装置を特定することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によればこの課題は、独立請求項の目的を利用して解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。
【００１１】
本発明は、出力軸を備えた車両の排熱回収装置のためのアキシャルエキスパンダに関し、それは回転軸のまわりを回転するベアリング内に取り付けられ、機械的な駆動力を取り出すことが可能であり、数多くのシリンダーを備え、回転軸に平行に配向され回転軸のまわりに配置され、数多くのピストンを備え、回転軸に平行の方向のシリンダーのストロークにそれぞれ調整され、連結プレートを備え、すべてのピストンおよび駆動システムの出力軸に流体接続し、高圧吸入口を備え、シリンダーと流体接続し、シリンダーと高圧吸入口および低圧排出口との間で流体接続の制御のためのバルブ装置を備える。
【００１２】
本発明によれば、自動車の排熱回収装置のためのアキシャルピストンエキスパンダの、ピストンのストロークは、制御室の圧力の調整を利用して調整することが可能である。
【００１３】
ピストンのためのストローク制御は、例えば、アキシャルピストンエキスパンダの高圧吸入口の排熱回収回路上流の高圧側で達成されることが可能であり、全体の流動の１０％以下であることが好ましい作業媒体の部分的な流動は、アキシャルピストンエキスパンダの制御室内への第１絞り弁を介して導かれ、その後低圧排出口の排熱回収回路下流の低圧側の第２絞り弁を介して戻される。２つの絞り弁のうち１つは、制御可能な要素、例えばタイミングバルブとして設置され、それによって制御室の圧力を調整することができる。そのような制御室の圧力制御を介して、ピストンのストロークは調整される。ストローク制御はしたがって、制御室の圧力制御を介して発生する。制御室の圧力制御は、従って、バイパスの高圧／低圧の制御を通じて発生し、制御室を通って導かれる経路のバイパスは、部分的な流れのものとなる。バイパスが、例えば、タイミングバルブのような、一定絞り弁と調節可能な絞り弁を有する場合それは便利である。これによって、制御室の圧力は、排熱回収回路の高圧と低圧の間の圧力値に設定されることが可能である。
【００１４】
この方法で、膨張機を内燃機関のドライブトレーンに直接機械的に結合することが可能である。ドライブトレーンの異なる回転速度に繋がる、内燃機関の制御条件の変化は、アキシャルピストンエキスパンダの出力軸の速度が内燃機関のためのドライブシャフトを介して強制的に制御されるため、膨張機の課題を示さない。出力軸の速度変化によって、ピストンストロークの時間は変化する。出力軸の速度変化はまた、膨張機での質量流量、したがって蒸発器内の熱吸収を変える。これは、排熱回収装置の効率性の削減につながることが可能である。本発明により、ピストンストローク内の変化により、排熱回収回路は十分に素早く調整可能である。質量流量は、例えば、圧縮比を同様に維持するか、または排熱回収装置を好ましい制御ポイントに制御することで、再調整することが可能である。
【００１５】
これにより、運動エネルギーを介して熱エネルギーから電気エネルギーへのエネルギーの形態の複数の転換によって、必要な場合、運動エネルギーに戻り最適化された境界条件の外部の排熱回収回路の可能な制御により、発生する損失は回避される。
【００１６】
「ピストンストローク」という用語は、反転点の間、例えば上死点の最小排気量に割当てられた点と、下（低）死点の最大排気量に割当てられた点との間の、ピストンのストロークの範囲を指す。これは、排熱回収装置の現在の圧縮比により決定された制限を有するストローク制御を示す。
【００１７】
実施形態により、アキシャルピストンエキスパンダは制御室圧力の調整のための高圧排出口の高圧バイパスに接続している制御室を特徴とする。
【００１８】
これは、制御室圧力が、最大値を取ることができることを意味し、それはピストン室に組み込まれた高い圧力に対応している。
【００１９】
実施形態により、アキシャルピストンエキスパンダの制御室は制御室圧力の調整のために低圧排出口の低圧バイパスと接続することができる。これは、制御室圧力が最小値を取ることができることを意味し、それはピストン室から発生した各でょう下作業媒体の低圧に対応している。さらに、作業媒体からの支流は、低圧バイパスを介して排熱回収装置の回路に戻され、従って作業媒体としての損失はない。
【００２０】
実施形態により、少なくとも１つのバイパスは、圧力調整装置を有する。この圧力調整装置を利用して、制御室に戻される制御室圧力と圧力が調整される。制御室圧力は、ピストン同様制御室に加えられる。これに反し、ピストン室から発生した圧力はまた、ピストンに加えられる。異なる圧力は、ピストンのピストンロッドを押すか引くことによって、アキシャルピストンエキスパンダの傾き制御装置に沿って起こる。
【００２１】
実施形態により、圧力調整装置は、タイミングバルブとして、一定絞り弁または他の絞り弁として、形成される。これらの制御装置は、圧力フィードまたは圧力削減を細かく制御することに特に適しており、制御室での好ましい圧力はすばやく充分に正確に設定される。
【００２２】
実施形態により、圧力制御装置はあるバイパス内にはタイミングバルブとして、他のバイパス内には絞り弁として形成される。これにより、たとえば、低圧バイパス内に配置された絞り弁を介して、好ましい上限圧力しきい値が設定され、その上低圧バイパスでの圧力が解放される。高圧バイパス内に配置されたタイミングバルブは、従って低圧バイパス内の絞り弁が排出されるまで高圧作業媒体のパルスを送る。そして、制御室圧力は、前述のバルブに絞り弁を備えて設定される。
【００２３】
特に有利には、この種類のストローク調整装置は、傾度調整装置になるかまたはそれを有することが可能であり、連結プレートの傾きを回転軸に関連して調節できるよう助ける。回転軸に関連した連結プレートの傾きは、連結プレートとピストンの間の機械的な連結を介してピストンストロークを決定し、ピストンストロークは連結プレートと回転軸の間の傾度変化によって簡単に調節されることが可能である。
【００２４】
別の実施形態では、シリンダーと高圧吸入口および低圧排出口との間の流体接続を制御するために設置されるバルブ装置は、各シリンダーに、各シリンダーと高圧吸入口との間の流体接続を制御するための吸入弁を有することが可能であり、それは上死点（最小排気量）の領域内の関連するピストンによって開くように作動される。つまり、各ピストンは、関連する吸入弁それ自体を、実際つねにその上死点の領域内で、つまり最小排気量で作動させる。これにより、吸入弁はつねに同時に、最適化されたピストン位置に対して開かれており、それは機能の安全性増加につながる。
【００２５】
特に有利な実施形態では、各ピストンは各吸入弁が上死点の領域内で開くよう作動させる作動要素を有する。具体的には各作動要素は、ピストンから突き出た、例えば指または鼻の形状で、軸方向に取り付けられた要素の形態を取ることが可能であり、突き出た要素は、各吸入弁を開けるための開放位置に移動する。これらの特徴を通じて、各吸入弁の機械的な作動が達成され、それは特に高度な信頼性によって特徴づけられる。
【００２６】
具体的には、各吸入弁はフラッターバルブの形態を取ることが可能であり、回転軸のまわりを移動する開閉フラップを有する調整可能なバルブ要素を特徴とする。具体的にはこの回転軸は、ピストンのストローク方向に直角に伸び、機械的な接触により、具体的には作動要素を使用して開くフラップの作動を容易にする。
【００２７】
特に有利な実施形態により、バルブ装置はシリンダーと低圧排出口との間の流体接続を制御するための円板カムを有することが可能であり、回転軸のまわりを回転し、円板カムに軸方向に貫通している少なくとも１つの制御スロットを有する。低圧排出口と各シリンダーとの間の流体接続は、制御スロットが各シリンダーと軸方向に並んだときに開かれる。一方、円板カムの残りの回転領域においては、低圧排出口と各シリンダーとの間の流体接続は閉じられる。同様に、この種類の円板カムを使用したシリンダーの外側の信頼性の高い制御が達成される。具体的には、幾何学を通じて、例えば、制御スロットの半径方向の幅および／または円周方向の長さにより、シリンダーの外側の制御特徴が獲得されることが可能であり、排出時間窓の長さと同様に、例えば、排出口の開放および閉鎖のため時間内のポイントが決定される。
【００２８】
特に有利には、制御スロットは回転軸に関して円弧状に伸びることが可能である。さらに、あるいは代替的に、円板カムはドライブシャフトを回転するために修正することが可能であり、それによって単純で機能的に安全な構築方法が達成される。さらに、あるいは代替的に、各シリンダーは排出口を有することが可能であり、それによって円板カムは直接制御される。これは、費用に値する価値およびコンパクトな構築に繋がる。
【００２９】
本発明は同様に、排熱回収回路を備えた車両の排熱回収装置に関し、そこで作動媒体は循環し、流体作動媒体を駆動するために排熱回収回路内に配置された移送装置を有し、内燃機関からの排熱を使用した作業媒体の蒸発のために移送装置の下流の排熱回収回路内に蒸発器を有し、作業媒体の開放のために蒸発器の下流の排熱回収装置内に配置された膨張機を有し、作業媒体の凝縮のために膨張機の下流の排熱回収装置内に配置されたコンデンサーを有し、膨張機は機械的な駆動力の移転のため内燃機関のドライブトレーンに結合され、または結合されることが可能である。
【００３０】
本発明によれば、膨張機は前述の実施形態の１つと関連した制御室圧力を使用して制御されるストロークを有するアキシャルピストンエキスパンダであり、その出力軸は機械的な駆動力の移転のために内燃機関のトライブトレーンと結合され、または結合されることが可能である。
【００３１】
排熱回収装置は、ここで示された種類のアキシャルピストンエキスパンダと、内燃機関を備えており、その種類の排熱回収装置を備えており、制御装置は通常設置されることが可能であり、通常制御中に内燃機関の制御状態を監視し、そのような方法でアキシャルピストンエキスパンダのストローク調整装置を制御し、排熱回収装置はその駆動力内で内燃機関をサポートする。これによって排熱回収装置は、アキシャルピストンエキスパンダを介してすべての速度範囲の内燃機関のドライブトレーン内の駆動力に寄与することが可能である。
【００３２】
別の実施形態により制御装置は、アキシャルピストンコンプレッサとして、排熱回収装置の冷始動でアキシャルピストンエキスパンダを制御するように設置されることが可能である。この方法により、アキシャルピストンエキスパンダは、ドライブシャフト、低圧注入口、高圧排出口として出力軸を有するアキシャルコンプレッサとして使用され、アキシャルピストンコンプレッサ（質量および／または圧力）がドライブシャフトの速度から独立して制御されることが可能な場合に、排出力を有する排出調整装置として操作されるストローク調整装置として使用される。排熱回収装置の冷始動において、排熱回収装置のすべての部品は、実質的に環境温度にあり、排熱回収装置の部品の通常操作温度より明確に低い。その結果、作業媒体は排熱回収回路内に過熱ガス成分を有する。比較的高いピーク圧力にたいし流体作動媒体を移送するために設計された排熱回収回路の移送装置は、そのような低い圧力と温度の下ではキャビテーションの問題を受ける可能性があり、それは損傷につながる可能性がある。アキシャルピストンコンプレッサとしてアキシャルピストンエキスパンダを使用することで、作業媒体はまた、高いガス成分を容易に移送することが可能であり、それによって、排熱回収装置内の全ての部品のよりすばやい加熱を可能にするために、蒸発器は予熱された作業媒体を排熱回収回路内を簡単に循環させることができる。これは移送装置の負荷を軽減する。同時に、排熱回収装置のコミッショニングのために必要な時間を削減する。
【００３３】
別の有利な実施形態により、出力軸はドライブトレーンの一部に取り付けることが可能であり、それは、例えばジェネレータまたはポンプのような少なくとも１つの補助ユニットを駆動する。ドライブトレーンのこの一部は、制御可能な結合装置を使って、残りのドライブトレーンから切り離すことが可能である。制御装置は、出力軸と結合したドライブレーンの一部をドライブレーンの残りの部分から切り離すように作動された内燃機関のオーバーランモードおよび／まだはアイドルモードで結合されるような方法で形成されることが可能である。排熱回収装置を開ける結合装置は、少なくとも１つの補助ユニットを駆動する内燃機関のオーバーラン制御中に、アキシャルピストンエキスパンダを介して使用されることが可能である。したがって少なくともアキシャルピストンエキスパンダを介して利用可能な機械的な駆動力は、賢明に利用することが可能である。内燃機関を備えた自動車が回復装置とともに提供される限り、内燃機関は各補助装置を駆動するためにいかなる駆動力も適用する必要がないため、オーバーランモード中はより多くのエネルギーが貯蓄可能なエネルギー、好ましくは電力の形態に転換されることが可能である。
【００３４】
弁制御時間は、吸入口側および／または排出口側に意図的に選択されることが可能であり、そのようなアキシャルピストンエキスパンダは油圧ロックの影響を受けない。排熱回収装置の例始動直後に、流体作動媒体は高圧側に現れる。これは比較的非圧縮的であるため、膨張機の作業媒体の圧縮による損害を回避するために十分注意する必要がある。ここで示されるアキシャルピストンエキスパンダは、具体的には各シリンダーにおける圧力の過度の上昇は、フラッターバルブを介して回避可能である。
【００３５】
アキシャルピストンエキスパンダに油を注した場合、必要量の潤滑油が回路内に注入されることは便利である。具体的には、シリコンオイルなど、潤滑特性を有する作業媒体が使用される。
【００３６】
特に有利な実施形態に従って、アキシャルピストンエキスパンダの出力軸は、お互いに背を向けた状態で導出することが可能であり、そのような出力軸は２つのシャフト排出口を有し、１つのシャフトは排出口、具体的には結合装置であり、内燃機関のドライブレーンと結合しており、一方他のシャフト排出口は、ジェネレータと接続する。
【００３７】
アキシャルピストンエキスパンダはまた、斜板エキスパンダあるいは旋回リングエキスパンダ、あるいは旋回ディスクエキスパンダ、ワブル板エキスパンダとしても形成される。
【００３８】
従ってアキシャルピストンエキスパンダは、アキシャルピストンコンプレッサとして冷始動動作中に使用され、冷始動動作のための好ましいポンプ機能を達成するために、各シリンダーの吸入弁および／または排出弁の開放時間および／または閉鎖時間を変更するために必要である。
【００３９】
アキシャルピストンエキスパンダは、圧力比が１：５０から１：３に設計される。アキシャルピストンエキスパンダのシリンダーの数は、３、４、５、６、７、８、１１が好ましい。アキシャルピストンエキスパンダのドライブシャフトと内燃機関のドライブトレーンとの結合は、通常、歯付ベルトまたはチェーンドライブまたは歯車ドライブを介して行われる。
【００４０】
ねじり振動ダンパーやゴム部材は、振動の減衰および振動の分離のために提供される。セラミックワッシャ、具体的にはシリコンワッシャまたはプラスチックワッシャは、コンプレッサーへの膨張機入口における高温ガス管の絶縁用に提供される。さらに、熱的にこれらの部品やユニットを絶縁するために、被覆材料がアキシャルピストンエキスパンダ全体の周囲に提供され、被覆材料はアキシャルピストンエキスパンダのユニットとドライブコネクトジェネレータの周りに提供される。
【００４１】
さらに重要な本発明の特徴および利点は、図面および図面に基づく図形の関連記述による、従属請求項に記載されている。
【００４２】
上記で明示され、以下でこれから説明される特徴は、それぞれの与えられた組み合わせのみならず、他の組み合わせで、または本発明の枠組みから逸脱することのない独立した配置において、使用することができると理解される。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態例は、図で示され、以下の記載でより詳しく説明され、同様の参照番号は、同一か類似か機能的に等しい部品を示すものである。
以下はそれぞれ概略的に示される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】排熱回収装置を有する内燃機関の非常に簡略化した回路図形概略図である。
【図２】制御室で実行されるストローク制御を有するアキシャルピストンエキスパンダの非常に簡略化した回路図形概略図である。
【図３】シリンダーの領域内のアキシャルピストンエキスパンダの非常に簡略化した主要な詳細図である。
【図４】アキシャルピストンエキスパンダの円板カムの非常に簡略化した主要な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１に対応して、内燃機関１は、具体的には排熱回収装置２を備えた自動車に設置されており、図１の矢印３が示すように、排熱を利用を助けることができる。内燃機関１はエンジンユニット４、フレッシュエアシステム５、および排気ガスシステム６を備える。内燃機関１は、ドライブトレーン７を駆動し、クランクシャフト、ギアボックス、フライホイール等の従来の部品を備えることができる。
【００４６】
排熱回収装置２は、排熱利用回路８を備え、その中で作業媒体は循環する。排熱利用回路８の中では、作業媒体の流れる方向に縦に、移送装置９、蒸発器１０、膨張機１１、およびコンデンサー１２が配置されている。移送装置９は、好ましくは容積ポンプの形態を取り、流体作動媒体を駆動する。これらは移送装置９の駆動のために、駆動モーター１３を装備することができる。
【００４７】
蒸発器１０は作業媒体の蒸発のために使用され、蒸発器１０は内燃機関１の排熱３を利用する。例では、蒸発器１０は伝熱の目的で排気システム６に結合している。具体的には、蒸発器１０は熱交換器として形成され、排気ガスシステム６にいくらか統合されることが可能である。適切な熱源の他の例は、自動車の空調システムの冷却材またはその他の残余熱の形態から放出された熱の、エンジンおよびギアボックスオイルからの、冷却水回路からの排熱の利用がある。
【００４８】
膨張機１１は作業媒体の軽減のために使用され、膨張機１１は出力軸１４を駆動する。図１で示される通り、この出力軸１４はドライブトレーン７に結合し、そのような方法で機械的な駆動力は出力軸１４からドライブトレーン７に移転されることが可能である。
【００４９】
コンデンサー１２は、作業媒体を凝縮するために使用される。この目的のために、コンデンサー１３は冷却回路１５に接続され、具体的には、内燃機関１のための冷却回路になることが可能である。
【００５０】
排熱利用装置２においては、膨張機１１はアキシャルピストンエキスパンダとして配置され、以下では同様に参照番号１１で識別される。このアキシャルピストンエキスパンダ１１は、傾度調整装置１６と共に装備され、それによってアキシャルピストンエキスパンダ１１のストロークを調整することが可能である。
【００５１】
傾度調整装置１６は、制御室圧力調整装置とともに、アキシャルピストンエキスパンダ１１のストローク調整装置を形成する。
【００５２】
制御室圧力調整装置は、圧力調整装置４２を備えた少なくとも１つの高圧バイパス４１、圧力調整装置４５を備えた少なくとも１つの低圧バイパス４４、アキシャルピストンエキスパンダ１１の制御室４３、および制御装置１９を有する。この目的のために、バイパス４１は、シリンダー２６の各吸入弁３１より前に、蒸発器１０とアキシャルエキスパンダ１１との間の接続から分岐し、アキシャルピストンエキスパンダ１１の制御室４３を圧力調整装置４２を介してエキスパンダ吸入口１７で排熱回収回路８の高圧に接続する。さらに、シリンダー２６の各排出口１８はバイパス４４に接続され、バイパス４４は制御室４３とエキスパンダ排出口１８の低圧を圧力調整装置４５を介して接続する。制御装置１９を介して、制御室圧力は圧力調整装置４２および／または４５を使用して調整されることが可能であり、これによって排出口１８の最小の低圧と吸入口１７で発生する最大の高圧を受け入れることが可能になる。
【００５３】
制御室４３の圧力は、制御室４３全体に影響し、従ってピストン２７にも影響する。そのため同じ制御室圧力が、同時におよび同じ制御室圧力ですべてのピストンに作用する。ピストン２７に作用する制御室４３の圧力は、制御室４０の側の逆の作動圧力で作用する。この作動圧力は、作動段階に応じて各ピストン２７で異なる。これにより、各ピストン２７に対して異なる差圧を導き、この差異は連結プレート２８、従って傾度調整装置１６、それゆえ各ピストン２７のピストンストロークの傾度と配置を変える。この方法により、連結プレート２８は軸１４内に配置され、その機構を介して定義された制限に変えることができる。さらに、遠心力は連結プレート２８の配置に影響を与える。
【００５４】
一般的に、アキシャルピストンエキスパンダ１１の速度は、内燃機関１の速度によって規定される。好ましくは、アキシャルピストンエキスパンダ１１は、内燃機関１を有するドライブシャフト１４との接続を介して強制的に作動する。この方法により、内燃機関の速度の変化は、アキシャルピストンエキスパンダ１１の速度の変化につながり、膨張比および／またはアキシャルピストンエキスパンダ１１の流れは変わる。排熱回収回路８での結果の変化は、従って排熱回収回路８の効果に影響を与える。ストローク調整は、反作用の効果をもたらす。
【００５５】
排熱回収装置２は、制御装置１９が装備され、内燃機関１の動作状態の条件に従ってストローク調整装置を制御する。一般的に、動作条件は、確立可能な動作パラメータに基づき決定され、これら確立された動作パラメータは、内燃機関１の好ましい速度および負荷である。
【００５６】
このために、制御装置１９は内燃機関１の動作条件を決定し、エキスパンダ特性ダイアグラムを適切な設定ストロークに割当て、これをストローク調整装置を介して調整する。制御装置１９は、このように内燃機関１の動作条件に応じてアキシャルピストンエキスパンダ１１のストローク調整装置の傾度調整装置１６を作動することが可能である。従って、アキシャルピストンエキスパンダ１１は、通常動作では、内燃機関のいずれの速度においても、内燃機関の駆動力を内燃機関１のドライブトレーン７に移転するような方法で制御することが可能である。
【００５７】
一般的に、制御装置１９は内燃機関１、図では省略されているが、具体的には内燃機関１のエンジン制御装置、アキシャルピストンエキスパンダ１１、ストローク調整装置、および結合された傾度調整装置１６、と結合している。
【００５８】
また、制御装置１９は、内燃機関１の動作条件に基づき、蒸発器３の予測される熱負荷および／またはエキスパンダの速度を決定する。
【００５９】
出力軸１４と結合したドライブレーン７の一部２０は、例として少なくとも１つの補助装置ユニット２１、例えばポンプ２２またはジェネレータ２３を駆動し、制御可能な結合装置２４を介して残りのドライブトレーン７と結合する。制御装置１９は、残りのドライブトレーン７からドライブトレーンの一部２０を切り離すために、結合装置２４と結合する。このために、制御装置１９は内燃機関１の現在の動作条件を監視する。制御装置１９が内燃機関１のオーバーランモードまたはアイドリング条件を確立した場合、それは、残りのドライブトレーン７の出力軸１４と結合した、ドライブレーンの一部２０の分離のために、結合装置２４を作動する。続いて、アキシャルピストンエキスパンダ１１は、各補助装置ユニット２１のみを駆動し、一方内燃機関１は駆動力なしで動作されることができる。具体的には、レキュペレーター内で回復したエネルギーは、増加する。
【００６０】
同様に、直接連結は、出力軸１４と制御可能な結合装置２４を介して内燃機関１と直接接続したドライブトレーン７の部分との間で提供されることが可能である。
【００６１】
さらにあるいは代替的に、制御装置１９は、排熱回収装置２の冷始動のとき、蒸発器１０の作業媒体をコンデンサー１２に運ぶために、アキシャルピストンエキスパンダ１１がアキシャルピストンコンプレッサとして動作するような方法で、形成されることも可能である。この方法により、排熱回収回路８の部品は、よりすばやく動作温度にされることができる。さらに、移送装置９への、具体的にはキャビテーションの発生による損害の危険は低減される。アキシャルピストンコンプレッサとしてのアキシャルピストンエキスパンダ１１の動作のために、ジェネレータ２３は電気モニターとして動作されることが可能であり、同時に結合装置２４は開放するように制御されることが可能である。
【００６２】
好ましい実施形態では、排熱回収装置２の動作条件は、制御装置１９内にあり、冷始動動作、通常動作およびオーバーランモードに対応する。制御装置１９は、どの動作条件が現在利用可能であるか認識し、これらの動作条件の要件に従って、アキシャルピストンエキスパンダ１１およびストローク調整装置を制御する。
【００６３】
図２で示されるように、アキシャルピストンエキスパンダ１１は、ドライブシャフト１４を有し、それは回転軸２５のまわりを回転するように取り付けられ、機械的な駆動力に寄与することが可能である。さらに、アキシャルピストンエキスパンダ１１は、数多くのシリンダー２６を有し、それらは回転軸２５と平行に配向、つまり軸方向に整列している。また、シリンダー２６は、回転軸２５に関して円周方向に配列されている。例として、２つのシリンダー２６のみが示されている。アキシャルピストンエキスパンダ１１はまた、２つ以上のシリンダー２６を有することは明白である。さらに、ピストン２７は各シリンダー２６のために設けられ、回転軸２５と平行した各シリンダー２６の、ストロークの観点から調整可能に配置されている。連結プレート２８は、ピストン２７および出力軸１４との接続を駆動するように配置されている。回転軸２５に関係する連結プレート２８の傾斜２９は、ピストン２７のストロークを決定する。図２では、上側のピストン２７は、その下死点、関連するシリンダー２６がその最大排気量４０の点であり、一方下側のピストン２７は、上死点、関連するシリンダー２６がその最小排気量の点にある。ピストンストロークは、上死点と下死点の配置の間のピストン２７の経路により定義される。
【００６４】
アキシャルピストンエキスパンダ１１内では、個々のシリンダー２６はそれぞれ、一方では高圧流体吸入口１７と接続し、他方では低圧流体排出口１８と接続する。バルブ装置３０は、シリンダー２６と高圧吸入口１７と低圧排出口１８との間のこれら流体接続の制御のために提供される。
【００６５】
さらに、アキシャルピストンエキスパンダ１１は、先に示したストローク調整装置とともに装備される。ピストン２７のストロークは、前記ストローク調整装置によって調整することが可能である。このために、本発明により、図１で示すように、ストローク調整装置は、蒸発器１０とエキスパンダ１１との間の接続から分岐した高圧バイパス４１を有し、先に示した実施形態に従って、圧力調整装置４２が配置される。１つの実施形態においては、この圧力調整装置４２は、一定絞り弁の形態を取る。
【００６６】
さらに、本発明により、図１で示すように、ストローク調整装置は、コンデンサー１２とエキスパンダ１１との間の接続から分岐した低圧バイパス４４を有し、図１に示した実施形態に従って、圧力調整装置４５が配置される。１つの実施形態においては、この圧力調整装置４２は、タイミングバルブの形態を取る。
【００６７】
前記ストローク調整装置が、以下の参照番号１６に記載の傾度調整装置を有する実施形態は、特に機能的である。傾度調整装置１６を使用して、回転軸２５に関連する連結プレート２８の傾斜２９は、調整可能である。前記傾斜２９はピストン２７のストロークと相関しているため、連結プレート２８の傾斜の調整は、ピストン２７のストロークの調整に繋がる。
【００６８】
バルブ装置３０は、各シリンダー２６および排出バルブ３２の各シリンダーのための吸入弁３１を有する。各吸入弁３１は各シリンダー２６と高圧吸入口１７との間の流体接続を制御する。これと比べて、各排出バルブ３２は、各シリンダー２６と低圧排出口１８との間の流体接続を制御する。
【００６９】
図３で示されるように、各吸入弁３１は、関連するピストン２７が上死点の領域位置で開くよう作動させるような方法で形成される。例えば、各ピストン２７は作動要素３３の端に装備されることが可能であり、これは関連する吸入弁３１をピストン２７の位置の上死点の領域で開くよう作動させる。例えば、作動要素３３は突き出た要素であり、軸方向に外部に、つまりピストン２７から軸方向に突き出ており、したって回転軸２５に平行である。この場合、各吸入弁３１はバルブ要素３４を有し、閉じた位置と、図３で示すように、開放位置との間に調整されることができる。作業要素３３は、ピストン２７の上死点の領域でバルブ要素３４と接続し、これを解放位置まで移動させる。例えば、吸入弁３１がフラッターバルブとして形成された場合、そのようなバルブ要素３４はフラップであり、同様に以下の番号３４として確認することができ、軸３５のまわりを旋回することができる。旋回軸３５はしたがって平面上に伸び、回転軸２５に直角に伸びる。フラップ３４は、ピストン２７とは反対側のシリンダー２６の吸入口３６の側面に配置されている。この方法により、フラップ３４は高圧の吸入側より閉じた配置で事前に負荷される。
【００７０】
各排出バルブ３２の実装において、バルブ装置３０は、円板カム３７を有することができ、この円板カムは回転軸２５のまわりを回転し、各シリンダー２６と低圧排出口１８との間の流体接続を制御することができる。このために、円板カム３７は、図４に従い、少なくとも１つの制御スロット３８を有し、それは円板カム３７を通して軸方向に、つまり回転軸２５に平行に挿入される。制御スロット３８は、例えば回転軸２５に関して円弧状に伸びる。
【００７１】
図３で示される通り、円板カム３７は意図的にドライブシャフト１４の回転のために据えつけられている。さらに、円板カム３７は、各シリンダー２６に関連して配置されることが可能であり、それによって各シリンダー２６の排出口３９を直接制御することが可能である。各シリンダー２６と低圧排出口１８との間のそのような流体接続を制御する各排出バルブ３２は、従って常に開放され、各シリンダー２６に関係する円板カム３７の関連する回転位置により、制御スロット３８は、各シリンダー２６の関連付けられた排出口３９と軸方向に整列する。一方で、円板カム３７が回転位置にある場合、制御スロット３８は、関連付けられた排出口３９と整列せず、円板カム３７は前記排出口３９を閉じる。
【００７２】
ここで使用されるアキシャルピストンエキスパンダ１１は、高圧吸入口１７が低圧注入口として使用される場合、低圧排出口１８が高圧排出口として使用される場合、そして出力軸１４がアキシャルピストンコンプレッサの駆動のためのドライブシャフトとして使用される場合、アキシャルピストンコンプレッサとして特に簡単に使用することが可能である。傾度調整装置１６は、アキシャルピストンコンプレッサで排出調整装置として使用することが可能であり、その助けをかりて、排出、具体的には容積および／圧力は、ドライブシャフト（出力軸１４）の速度からは独立して制御されることが可能である。
【００７３】
アキシャルピストンコンプレッサのアキシャルピストンエキスパンダ１１としての使用は、具体的には排熱回収装置２においてである。この場合、アキシャルピストンコンプレッサはドライブシャフト１４を有し、それは回転軸２５のまわりを回転するように取り付けられ、その中の機械的な駆動力は数多くのシリンダー２６が駆動されるよう導かれることが可能であり、それは回転軸２５と平行の方向を示しており、回転軸のまわりに円周方向に配置されており、可変のストロークを備えた数多くのピストン２７を備え、回転軸２５と平行なシリンダー２６の１つの中にそれぞれ配置されており、すべてのピストン２７を備えた連結プレート２８は、ドライブシャフト１４を備えた駆動システムに接続しており、回転軸２５に関連して決定された傾斜２９はピストン２７のストロークを決定し、低圧排出口１７を備え、シリンダー２６と流体接続しており、高圧排出口１８を備え、シリンダー２６と低圧吸入口１７と高圧排出口１８との間の流体接続の制御のためのバルブ装置３０を備えたシリンダー２６と流体接続しており、排出制御のための排出調整装置／傾度調整装置１６であり、アキシャルピストンコンプレッサのドライブシャフトはアキシャルピストンエキスパンダ１１の出力軸１４として使用され、機械的な駆動力が利用可能であり、アキシャルピストンコンプレッサの低圧注入口はアキシャルピストンエキスパンダ１１の高圧吸入口１７として使用され、アキシャルピストンコンプレッサの高圧排出口はアキシャルピストンエキスパンダの低圧排出口１８として使用され、アキシャルピストンコンプレッサの排出調整装置はアキシャルピストンエキスパンダ１１のストローク調整装置として使用され、ピストン２７のストロークは、回転速度および圧力から独立しており、高圧と低圧との間の圧力差は制御可能である。
【図１】
0005759556.tif 000002
【図２】
0005759556.tif 000003
【図３】
0005759556.tif 000004
【図４】
0005759556.tif 000005