(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車のための排熱利用装置（１）であって、
−  作用媒体が循環する排熱利用循環路（３）と、
−  前記排熱利用循環路（３）に配置された、前記作用媒体の搬送のための搬送装置（５）と、
−  前記排熱利用循環路（３）において前記搬送装置（５）の下流に配置された、前記作用媒体の蒸発のための蒸発器（６）と、
−  前記排熱利用循環路（３）において前記蒸発器（６）の下流に配置された、前記作用媒体の膨張のための膨張機（７）と、
−  前記排熱利用循環路（３）において前記膨張機（７）の下流に配置された、前記作用媒体の凝縮のための凝縮機（８）と、
−  前記自動車の内燃機関（２）の主出力軸（１７）とは別軸のパワーテークオフシャフト（４）と直接または間接的に駆動接続された発電機（１３）とを備え、
−  前記膨張機（７）が、エネルギー回収のために前記内燃機関（２）の前記パワーテークオフシャフト（４）と直接駆動接続される排熱利用装置（１）において、
前記内燃機関（２）の前記パワーテークオフシャフト（４）は、前記膨張機（７）のローターであること、および
前記排熱利用装置（１）は前記発電機（１３）によって駆動可能な電動モーター（１８）を含み、前記電動モーター（１８）の固定子と相対している前記電動モーター（１８）の回転可能なローターは、前記内燃機関（２）の主出力軸（１７）と回転不能に接続され、それにより前記電動モーター（１８）が前記内燃機関（２）の主出力軸（１７）と駆動接続されることを特徴とする排熱利用装置（１）。
【請求項２】
前記発電機（１３）は、前記パワーテークオフシャフト（４）に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の排熱利用装置（１）。
【請求項３】
前記発電機（１３）は、前記パワーテークオフシャフト（４）と作動接続される独立した発電機軸（１６）に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の排熱利用装置。
【請求項４】
前記パワーテークオフシャフト（４）は、ホイール駆動（１４）によって、前記発電機軸（１６）と駆動接続されることを特徴とする、請求項３に記載の排熱利用装置（１）。
【請求項５】
−  前記パワーテークオフシャフト（４）は、前記発電機（１３）が前記膨張機（７）の前記内燃機関（２）と反対を向いた側に配置されるように、前記膨張機（７）を通して同軸で案内され、または、
−  前記パワーテークオフシャフト（４）は、前記発電機（１３）が前記膨張機（７）の前記内燃機関（２）の方を向いた側の前記パワーテークオフシャフト（４）に配置されるように、前記発電機（１３）を通して同軸で案内されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排熱利用装置（１）。
【請求項６】
前記発電機（１３）は発電機モーターとして構成され、前記発電機モーターは、前記自動車の惰行モード状態においては発電機として電力の生産のために作用し、前記自動車の駆動モード状態においては電動モーターとして前記自動車の前記パワーテークオフシャフト（４）の駆動のために作用することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排熱利用装置（１）。
【請求項７】
−  主出力軸（１７）およびパワーテークオフシャフト（４）を備えた内燃機関（２）と、
−  請求項１〜６のいずれか一項に記載の排熱利用装置（１）と、を有する自動車。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関（２）と排熱利用装置（１）を備えた自動車の作動のための方法であって、
−  前記方法に従い、前記自動車の惰行モード状態の間、前記膨張機（７）の作動エネルギーと前記パワーテークオフシャフト（４）の作動エネルギーが、前記発電機（１３）によって電力に転換され、
−  前記方法に従い、前記自動車の駆動モード状態の間、前記膨張機（７）の作動エネルギーが前記パワーテークオフシャフト（４）を通して前記自動車の駆動系（２０）へ導入され、
−  前記方法に従い、前記駆動モード状態において出力向上のために前記発電機（１３）が電動モーターとして作動され、前記電動モーターの作動エネルギーが前記パワーテークオフシャフト（４）を通して前記自動車の駆動系（２０）へ導入される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関を備えた自動車のための排熱利用装置に関する。本発明はさらに、このような排熱利用装置を備えた自動車、およびこのような排熱利用装置を備えた自動車のための作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
好ましくはランキンサイクルまたはクラウジウス−ランキンサイクルに基づいて作動する、従来の排熱利用設備は、通常作用媒体が循環する排熱利用循環路を含んでいる。排熱利用循環路には作用媒体の流れの方向において連続して、作用媒体の搬送のための搬送装置、作用媒体の蒸発のための蒸発器、作用媒体の膨張のための膨張機、および作用媒体の凝縮のための凝縮機が配置される。
【０００３】
特許文献１には、選択的または同時に内燃機関および電動モーターによって駆動することができる自動車について記載されている。
【０００４】
特許文献２には、内燃機関と電動モーターを含むハイブリッド車が開示されている。電動モーターは排熱利用設備によって作動することができる。電動モーターはこの際ギアの駆動のためにも、また電池の充電のためにも利用することができる。電池に貯蔵された電力は再び必要に応じて電動モーターの駆動のために利用することができる。
【０００５】
特許文献３には、多気筒の内燃機関の熱交換器が開示されている。熱交換器は、自動車の中に取り付けられた排熱利用装置として構成することもできる。排熱利用装置はここでも蒸発器を含み、これは上昇した温度と高まった圧力によって蒸気を発生させ、この際熱源として内燃機関の排ガス等の排熱が利用される。膨張機を利用して高圧蒸気の膨張により回転軸が駆動され、凝縮器によって蒸気が再び凝縮される。膨張装置により、機械的な連結を通して内燃機関の出力軸も発電機も駆動され、これは例えば電気エネルギー貯蔵装置、特に再充電可能な電池を充電することができる。
【０００６】
特許文献４には、ハイブリッド車の排ガスの排熱利用のためのランキンサイクル・システムについて記載されている。このシステムは、自動車のための駆動源としての内燃機関および発電機モーターを含む。システムの出力トルクはギアに伝導され、自動車の駆動機構に追加の駆動力をもたらすため、または充電可能な電池を充電するために利用される。自動車を加速する間には排ガスの熱エネルギーはシステムによって利用され、自動車を減速する間には、発電機モーターのための再生可能な電気出力を用意するために自動車の運動エネルギーが転換され、これによって内燃機関の燃費を削減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＤＥ  ２４  ００  ７６０
【特許文献２】ＵＳ  ４，４０５，０２９
【特許文献３】ＥＰ  １  ２４９  ５８５  Ａ１
【特許文献４】ＥＰ  １  ３２６  ０１７  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、排熱利用装置、およびこのような排熱利用装置を利用した自動車のための、改善された実施形態を提示することである。本発明の課題はさらに、このような自動車のための改善された作動方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題は独立クレームに基づく装置または方法によって解決される。好ましい実施形態は下位クレームの対象である。
【００１０】
本発明に基づく排熱利用装置は、作用媒体がその中を循環する排熱利用循環路を含む。排熱利用装置は排熱利用循環路に配置された作用媒体の搬送のための搬送装置と、搬送装置の排熱利用循環路下流に配置された作用媒体の蒸発のための蒸発器とを含む。さらに排熱利用装置は、蒸発器の排熱利用循環路下流に配置された作用媒体の膨張のための膨張機と、排熱利用循環路において膨張機の下流に配置された作用媒体の凝縮のための凝縮器とを含む。
【００１１】
膨張機はここでエネルギー回収のために、直接内燃機関のパワーテークオフシャフトと駆動接続される。このようにして、自動車の内燃機関の出力の駆動力が支持され得る。さらに、パワーテークオフシャフトと直接的または間接的に駆動接続された発電機を用意することによって、上述の直接的なエネルギー回収に加えて、さらに電力の生産も可能となる。このように生産された電力は特に電動モーターの駆動のために利用することができ、これによって再び内燃機関の主出力軸が支持されながら駆動され得る。その代わりに、または追加的に、生産された電力が、例えば充電可能な電池のような、これに適したエネルギー貯蔵装置に一時的に貯蔵されることも考えられる。このような電池に一時的に貯蔵された電力によって内燃機関の主出力軸に配置された電動モーターを駆動することができるか、または発電機がいわゆる発電機モーターとして構成されている場合は、発電機は作動のために電動モーターとしてエネルギー貯蔵装置に貯蔵された電力により駆動されることができ、こうして同様にパワーテークオフシャフトによって内燃機関の駆動力を支持することができる。上述したような本発明に基づき構成された排熱利用装置によって、内燃機関の効率を著しく向上させることができる。
【００１２】
ある実施形態では膨張機はローターと、回転不能にローターと接続された、作用媒体の膨張の際に解放されるエネルギーによって駆動可能なタービンホイールとを備え、この際内燃機関のパワーテークオフシャフトは膨張機のローターである。このため「直接的な駆動接続」のもとでは本発明に基づいて、膨張機は直接内燃機関のパワーテークオフシャフトに配置され、このためパワーテークオフシャフトは同時に膨張機のローターとしても機能するものと理解される。このようにして、同程度に省スペースであり技術的に簡易な、またこのため安価な、本発明に基づく排熱利用装置の構成が可能となる。
【００１３】
発展形の実施形態では、発電機はパワーテークオフシャフトに配置されてもよい。こうして膨張機と発電機は両方とも内燃機関のパワーテークオフシャフトに配置され、これによって、本発明に基づく排熱利用装置のためのスペースの需要をさらに削減することができる。
【００１４】
その代わりに、発電機を、パワーテークオフシャフトと作動接続される独立した発電機軸に配置することも考えられる。このようにして発電機は、例えば技術的な理由から必要な場合は、膨張機から空間的に離して配置することができる。
【００１５】
パワーテークオフシャフトがホイール駆動によって、特にベルト駆動またはチェーン駆動または歯車駆動によって発電機軸と駆動接続されると好ましい。このようにしてパワーテークオフシャフトのトルクを技術的に簡易なやり方で、さらに省スペースな形で、パワーテークオフシャフトから空間的に距離を置いて配置された発電機の発電機軸に伝達することができる。ホイール駆動はギアユニットも含んでもよく、これによってある一定の発電機の発電機軸と出力軸との間の伝達率を実現することができる。この実施形態でも、同程度に順応性があり、またコンパクトな排熱利用装置の構造が可能となる。
【００１６】
特にコンパクトであり、このため省スペースな実施形態では、パワーテークオフシャフトは、発電機またはホイール駆動が膨張機の内燃機関と反対を向いた側に配置されるように、前記膨張機を通して同軸で案内されてもよい。その代わりに、パワーテークオフシャフトは、発電機またはホイール駆動を通して同軸で案内されてもよく、これによって発電機またはホイール駆動は、膨張機の内燃機関の方を向いた側のパワーテークオフシャフトに配置される。
【００１７】
発電機によって生産された電力を出力向上のために自動車の駆動機構に再び導入することができるように、排熱利用装置はさらに発電機によって駆動可能な電動モーターを含んでもよい。ここで電動モーターは内燃機関の主出力軸と駆動接続されてもよい。
【００１８】
その代わりに、または追加として、発展形の実施形態では、発電機自体がいわゆる発電機モーターとして構成されてもよく、これによって、これは自動車の惰行モード状態においては発電機として電力の生産のために作用し、また自動車の駆動モード状態においては電動モーターとして自動車のパワーテークオフシャフトの駆動のために作用することができる。このため駆動モード状態ではいわゆる「ブースター」のやり方において、自動車の駆動機構に対して追加的な駆動力を、主出力軸（独立した電動モーターによって）またはパワーテークオフシャフト（発電機モーターとして構成された発電機によって）を通して利用可能とすることができる。この際、電動モーターまたは発電機モーターの作動のために必要なエネルギーは、例えば充電可能な電池のような、これに適した電気エネルギー貯蔵装置から取り出すことができる。この電気エネルギー貯蔵装置の充電は、例えば自動車が惰行モード状態にある場合は、発電機によって行うことができる。このような作動状態においては、自動車の加速、ましてや減速はなされず、このため発電機により生産された電力は自動車の駆動機構によって必要とされず、代わりに電気エネルギー貯蔵装置に後の利用のために一時的に貯蔵することができる。
【００１９】
さらに発展形の実施形態では、発電機は電気エネルギー貯蔵装置、特に電池の選択的な充電、または主出力軸の駆動への切替えが可能であるように形成されてもよい。このようにして、発電機によって生産された電力をエネルギー効率よく再利用することができる。
【００２０】
本発明はさらに、主出力軸とパワーテークオフシャフトを備えた、また上述した特徴の一つまたは複数の特徴を備えた排熱利用装置を有する自動車の内燃機関に関する。本発明は、このように構成された自動車の作動方法にも関する。
【００２１】
本発明のさらなる重要な特徴および利点は、下位クレーム、図面、および図に基づき、これに属する図の説明によりもたらされる。
【００２２】
前述の特徴および後述する特徴は、それぞれ記載された組み合わせにおいてのみならず、その他の組み合わせまたは独立した形でも、本発明の枠組みから逸脱することなく利用可能であるものと理解される。
【００２３】
本発明の好ましい実施例は図に示すとともに後術の記載において詳細に説明され、この際、同じ参照符号が同じ、または類似の、または機能的に同じ構成部分に付される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に基づく排熱利用装置の実施例の概略図である。
【図２】図１の実施例の第一の発展形態の簡略な概略図である。
【図３】図１の実施例の第二の発展形態の簡略な概略図である。
【図４】図１の実施例の第三の発展形態の簡略な概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１では本発明に基づく排熱利用装置を１で示す。排熱利用装置１は自動車の一部であってもよく、この部分は図１において全体として２５で示され、またパワーテークオフシャフト４を含む内燃機関２を含む。排熱利用装置１は自動車内の内燃機関２とともに配置されてもよい（図１には示していない）。排熱利用装置１は排熱利用循環路３を含み、この中を作用流体または作用媒体が循環する。排熱利用循環路３は特にランキンサイクルまたはクラウジウス−ランキンサイクルとして構成されることができる。
【００２６】
排熱利用装置１はさらに搬送装置５、蒸発器６、膨張機７および凝縮機８を含み、これらは排熱利用循環路３において作用流体または作用媒体の搬送方向５の下流に連続して配置される。搬送装置５は高圧に対する作用流体または作用媒体の搬送のために機能する。搬送装置５が容積ポンプとして構成され、ここで駆動モーター９と連結され得ると適切である。蒸発器６は排熱利用循環路３において搬送装置５の下流に配置され、作用流体または作用媒体の蒸発のために機能し、ここでは蒸発器６が内燃機関２の排熱に役立つ。実施例に基づき、蒸発器６はさらに熱を伝達する形で内燃機関２の排ガス設備１０と連結され、ここではこれに相応する熱流が矢印によって参照符号１１で示されている。内燃機関２はさらに給気設備１２を備えてもよい。
【００２７】
膨張機７は排熱利用循環路３において蒸発器６の下流に配置され、作用流体または作用媒体の低圧点への膨張のために機能する。この際膨張機７は、例えばタービンとしてローターとともに、およびローターと回転不可能に接続されたタービンホイールとともに構成されてもよい。例えばピストン式膨張機を挙げることもできる。タービンホイールにはこの場合ピストン式膨張機のクランク軸が相応する。
【００２８】
凝縮機８は排熱利用循環路３において膨張機７の下流に配置され、作用流体または作用媒体の凝縮のために機能する。ここで、参照符号１５により矢印で示すように、作用流体または作用媒体から熱が奪われる。膨張機７はエネルギー回収の目的で、直接内燃機関のパワーテークオフシャフト４と駆動接続される。これは特に、パワーテークオフシャフト４が同時に膨張機７のローターとしても機能することを意味する。膨張機７によってこのために作用流体または作用媒体からエネルギーが奪われ、これは機械的作業の形でなされ、これによって内燃機関２のパワーテークオフシャフト４が駆動される。
【００２９】
さらに排熱利用装置１は発電機１３も備え、これも同様にパワーテークオフシャフト４と直接的または間接的に駆動接続される。図１には間接的な駆動接続を示しており、これは例えばホイール駆動１４の形で実現可能であり、これによって内燃機関１のパワーテークオフシャフト４が、発電機１３の発電機軸１６と送電のために作動接続状態にあることができる。ホイール駆動１４はここでベルト駆動、チェーン駆動または／および歯車駆動として構成されてもよい。しかしながら基本的には、間接的な駆動力伝達の意味において、パワーテークオフシャフト４から、これと距離を置いた、すなわち独立した発電機軸１６への駆動力の伝達に適する全ての構成要素が意図され得る。ここでは特に従来のギアユニットも考慮される。
【００３０】
図２に簡略な概略図として示す直接的な駆動接続に基づき、発電機１３は直接内燃機関２のパワーテークオフシャフト４に配置されており、すなわち、パワーテークオフシャフト４は同時に発電機１３のローターとして機能する。図２に示す発展形態ではパワーテークオフシャフト４はここで同軸に発電機１３によって実行され、こうして発電機１３が、パワーテークオフシャフト４上で膨張機７の内燃機関２の方を向いた側に配置される。
【００３１】
図１の実施例に基づき、排熱利用装置１はさらに電動モーター１８を含んでもよく、これは内燃機関２の主出力軸１７と駆動接続状態にある。さらに、電動モーター１８の固定子と相対している電動モーター１８の回転可能なローターは、内燃機関２の主出力軸１７と回転不能に接続されてもよい。電動モーター１８はこの際、発電機１３によって発電された電力によって駆動されてもよく、こうして内燃機関２の主出力軸１７のために追加的な駆動力をもたらす。発電機１３から電動モーター１８への電力の伝達は、例えば従来の電線の形などにより、これに適した電力伝達手段１９によってなされてもよい。電動モーター１８により発電された追加の駆動力は、主出力軸１７を通して直接自動車の駆動機構２０に伝達されてもよい（図２を参照）。
【００３２】
さらに発電機１３は図１に示すように、電気エネルギー貯蔵装置２１、特に充電可能な電池の充電のために利用してもよい。この種の電気エネルギー貯蔵装置２１の充電は発電機１３により発電された電力によって、まさに、内燃機関２により駆動される自動車によってトルクが要求されない場合、例えば自動車が加速されないか、それどころか減速する必要がある場合になされると好ましい。このような自動車の作動状態は通常、惰行モード状態と呼ばれる。この場合は、電動モーター１８は、主出力軸１７、従って駆動機構２０に補助的なトルクを与えることは必要ないか、または要求されない。こうして、発電機１３により発電された電力が、後の利用のために電気エネルギー貯蔵装置２１に一時的に貯蔵されることになる。
【００３３】
電気エネルギー貯蔵装置２１に貯蔵された電力は必要があれば様々なやり方で再利用されてもよく、例えば様々な自動車の構成要素、特に様々な電気負荷に電力を供給するために、あるいは、主出力軸１７に追加のトルクを与えるべき場合に電動モーター１８を駆動するためにも再利用され得る。この場合、電気エネルギー貯蔵装置２１に貯蔵された電力は、例えば従来の送電線のようなこれに適した電気的伝達手段２２によって、電気エネルギー貯蔵装置２１から電動モーター１８に伝達することができる。
【００３４】
有利な発展形態では、内燃機関２の出力向上のために、発電機１３がいわゆる発電機モーターとして形成され、これによって必要に応じてそれ自身が電動モーターとして作動してもよく、こうして電動モーターとして作動される発電機１３の駆動力が、パワーテークオフシャフト４によって自動車の駆動系２０に伝達される。発電機モーターはこの際電気エネルギー貯蔵装置２１に貯蔵された電力によって駆動されてもよい。このような出力向上のための発電機モーターの利用は、内燃機関２の「ブースター」の作動状態とも称される。
【００３５】
別の発展形態では発電機１３は、電気エネルギー貯蔵装置２１の選択的な充電、または内燃機関２の主出力軸１７の駆動（電動モーター１８によって）への切替えが可能であるように構成されてもよい。電気エネルギー貯蔵装置２１の充電はこの際、前述のように、まさに自動車が惰行モード状態にある場合になされるものとする。
【００３６】
発電機１３または／および電動モーター１８の制御のために（作動状況の切替えを含む）、排熱利用装置１においてこれに適した制御装置（図示せず）がもたらされる。
【００３７】
図３および４に示す、発電機１３とパワーテークオフシャフト４との間の直接的な駆動接続の特に省スペースな発展形態では、パワーテークオフシャフト４は同軸で膨張機７によって実行されてもよく、これにより、発電機１３（図３）またはホイール駆動１４（図４）は、膨張機７の内燃機関２と反対を向いた側に配置される。
【００３８】
図１から４に基づく実施例に記載の内燃機関２は、本発明に基づき自動車２５のための作動方法の枠組みにおいて利用してもよく、これは本発明に基づく図１のような排熱利用装置１の他に、さらにパワーテークオフシャフト４を備えた内燃機関２を有する。本発明に基づく作動方法に応じて、自動車２５はここで様々な作動状況で作動することができる。
【００３９】
このようにして本発明に基づき、自動車２５が惰行モード状態にある間、膨張機７の作動エネルギーとパワーテークオフシャフト４の作動エネルギーが発電機１３により電力に転換される。
【００４０】
これに対して自動車２５が駆動モード状態にある間、膨張機７の作動エネルギーはパワーテークオフシャフト４によって自動車２５の駆動系２０へ伝達される。いわゆる「ブースター作動状態」である駆動モード状態の特別な発展形態では、駆動モード状態において出力向上のために発電機１３は電動モーターとして作動され、電動モーター１３の作動エネルギーがパワーテークオフシャフト４によって自動車２の駆動系２０へ伝達される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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