(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を循環する冷媒へ廃熱を付与して、前記冷媒を蒸気化する沸騰器と、
前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から送出される気相流体を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相流体を膨張させて熱エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機を通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、を備える車両用ランキンサイクルシステムにおいて、
前記気液分離器は冷媒管を介して前記内燃機関に接続され、
前記内燃機関は車両のエンジンマウントに固定され、
前記気液分離器はブラケットを介して前記内燃機関に固定され、
前記ブラケットは、
前記内燃機関のシリンダヘッドの上面に固定された第１ブラケットと
前記内燃機関のシリンダブロックの側面に固定された第２ブラケットと、を含んで構成され、
前記気液分離器の上部が前記第１ブラケットに固定され、前記気液分離器の下部が前記第２ブラケットに固定されていることを特徴とする車両用ランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記気液分離器は冷媒管を介して前記過熱器に接続され、
前記過熱器は前記内燃機関に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用ランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記過熱器は冷媒管を介して前記膨張機に接続され、
前記膨張機は前記内燃機関に固定されていることを特徴とする請求項２に記載の車両用ランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記過熱器は前記内燃機関に固定された排気マニホールドと一体に構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の車両用ランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用ランキンサイクルシステムに係り、特にランキンサイクルシステムの車両への搭載構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、車両に搭載されたランキンサイクルシステムに関する技術が開示されている。このランキンサイクルシステムでは、エンジンの廃熱により液相流体を沸騰させて気相流体に変化させ、気相流体を膨張させることによって仕事を取り出し、膨張後の気相流体を凝縮させて液相流体に戻すことが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−９４２７１号公報
【特許文献２】特開２００２−３１６５３０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８９８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ランキンサイクルシステムは、種々の構成要素が配管等で接続された構造を有している。特に、ランキンサイクルシステムの構成要素の一つである気液分離器には、内燃機関を含む複数の構成要素との間で冷媒を移動させるための配管がそれぞれ設けられている。このため、例えば気液分離器を車両側に固定すると、内燃機関と気液分離器とを繋ぐ配管を介して、内燃機関の振動が車両に伝達されてしまう。上記技術では、ランキンサイクルシステムを車両等の移動体に搭載する構造についての考察がなされておらず、車両の振動を抑制する点において未だ改善の余地が残されている。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の振動が気液分離器から車両に直接伝達されることを抑制することのできる車両用ランキンサイクルシステム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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
内燃機関を循環する冷媒へ廃熱を付与して、前記冷媒を蒸気化する沸騰器と、
前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から送出される気相流体を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相流体を膨張させて熱エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機を通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、を備える車両用ランキンサイクルシステムにおいて、
前記気液分離器は冷媒管を介して前記内燃機関に接続され、
前記内燃機関は車両のエンジンマウントに固定され、
前記気液分離器はブラケットを介して前記内燃機関に固定され、
前記ブラケットは、
前記内燃機関のシリンダヘッドの上面に固定された第１ブラケットと
前記内燃機関のシリンダブロックの側面に固定された第２ブラケットと、を含んで構成され、
前記気液分離器の上部が前記第１ブラケットに固定され、前記気液分離器の下部が前記第２ブラケットに固定されていることを特徴としている。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記気液分離器は冷媒管を介して前記過熱器に接続され、
前記過熱器は前記内燃機関に固定されていることを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、
前記過熱器は冷媒管を介して前記膨張機に接続され、
前記膨張機は前記内燃機関に固定されていることを特徴としている。
【０００９】
第４の発明は、第２又は第３の発明において、
前記過熱器は前記内燃機関に固定された排気マニホールドと一体に構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、内燃機関はエンジンマウントに固定され、気液分離器がブラケットを介して内燃機関に固定されている。内燃機関の振動は冷媒管を介して気液分離器へと伝わる。このため、本発明によれば、気液分離器が内燃機関に固定されているので、内燃機関の振動が気液分離器から車両に直接伝わることを防ぐことができる。
また、第１の発明によれば、気液分離器は、第１ブラケット及び第２ブラケットによって上部及び下部が固定されるので、気液分離器の揺れを有効に抑えることができる。
【００１１】
第２の発明によれば、気液分離器と冷媒管で接続されている過熱器が内燃機関に固定される。このため、第２の発明によれば、冷媒管を介して過熱器に伝わる振動が車両に直接伝わることを防ぐことができる。
【００１２】
第３の発明によれば、過熱器と冷媒管で接続されている膨張機が内燃機関に固定される。このため、第３の発明によれば、冷媒管を介して膨張機に伝わる振動が車両に直接伝わることを防ぐことができる。
【００１３】
第４の発明によれば、過熱器は、内燃機関に固定された排気マニホールドと一体に構成されている。このため、第４の発明によれば、内燃機関の振動が過熱器から車両に直接伝わることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。
【図２】気液分離器の固定構造を説明するための模式図である。
【図３】気液分離器がエンジンに固定されたランキンサイクルシステムの車両搭載構造を説明するための図である。
【図４】気液分離器が車両に固定されたランキンサイクルシステムの車両搭載構造を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１６】
実施の形態１．
１．ランキンサイクルシステムの構成
図１は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の構成を示す図である。実施の形態１のランキンサイクルシステム１００は、内燃機関（エンジン）１０を含み車両に搭載された車両用ランキンサイクルシステムとして構成されている。エンジン１０の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン１０のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、エンジン１０を循環する冷媒が流れる冷媒流路１２が形成されている。冷媒流路１２は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン１０は、冷媒流路１２を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。
【００１７】
エンジン１０は、冷媒流路１２内を流通する冷媒をエンジン１０の廃熱により沸騰させてその一部を蒸気化することにより冷却される。つまり、冷媒流路１２は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン１０の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒流路１２は、エンジン１０の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。また、冷媒流路１２に流通させる冷媒は、常温では液相流体であり、エンジン１０の熱により沸騰して気相流体に変化するものであればよく、水には限定されない。
【００１８】
エンジン１０の冷媒流路１２は、冷媒管１４を介して気液分離器１６に接続されている。エンジン１０の熱により冷媒が沸騰されると、冷媒流路１２からは気相流体とともに液相流体が吐出される。気液分離器１６は、気液分離器１６内に流入した気液二相の冷媒を液相流体と気相流体とに分離する。気液分離器１６は、冷媒管１８を介して第１ウォータポンプ２０に接続されている。気液分離器１６で分離された液相流体は、冷媒管１８を経由して第１ウォータポンプ２０に流入し、第１ウォータポンプ２０により冷媒流路１２に送られる。
【００１９】
また、ランキンサイクルシステム１００は、排気熱回収器１３を備えている。冷媒流路１２は、冷媒管１１を介して排気熱回収器１３にも接続されている。排気熱回収器１３には、冷媒流路１２から液相流体が導入される。導入された液相流体は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。蒸気となった気相流体は、冷媒管１５を介して気液分離器１６へと導入される。
【００２０】
気液分離器１６は、冷媒管２８を介して過熱器３０に接続されている。過熱器３０は、エンジン１０の排気通路２２において排気熱回収器１３の上流に設けられている。より詳しくは、過熱器３０は、排気マニホールド２６の周囲を覆うように設けられ、排気マニホールド２６と一体化されている。過熱器３０の内壁面と排気マニホールド２６の外壁面とで囲まれた空間が、気液分離器１６から送られた気相流体が流れる流路となる。気液分離器１６では気相流体と液相流体が共存しているため、気相流体は飽和蒸気となっている。過熱器３０に入った気相流体は、排気マニホールド２６の壁面から伝えられる排気熱を吸収することによって過熱蒸気となる。
【００２１】
過熱器３０は、冷媒管３２を介して膨張機であるタービン３４に接続されている。タービン３４では、過熱器３０から送られた気相流体（過熱蒸気）を膨張させて熱エネルギーを回収することが行われる。冷媒管３２とタービン３４との接続部には、図示しない超音速ノズルが設けられている。気相流体は超音速ノズルからタービン３４に噴きつけられ、タービン３４を回転させる。タービン３４の回転は、図示しない減速機を介してエンジン１０の出力軸に伝えられる。つまり、タービン３４で回収された熱エネルギーは、エンジン１０のアシストに用いられる。ただし、タービン３４により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。
【００２２】
タービン３４で膨張した気相流体は、冷媒管３６を介してコンデンサ（凝縮器）４０に送られる。なお、冷媒管３６の途中において気相流体の凝縮により生じた液相流体は、冷媒管３６の途中に設けられた凝縮水タンク３８に一時的に貯留される。凝縮水タンク３８は、冷媒管３９を介して後述するキャッチタンク４４に接続されている。コンデンサ４０に送られた気相流体は、コンデンサ４０により冷却されて凝縮し、液相流体に戻される。気相流体の凝縮により生じた液相流体は、コンデンサ４０から冷媒管４２を介してキャッチタンク４４に送られ、キャッチタンク４４に一時的に貯留される。キャッチタンク４４は、冷媒管４６を介して第１ウォータポンプ２０に接続されている。冷媒管４６には、第２ウォータポンプ４８が設けられている。第２ウォータポンプ４８は、キャッチタンク４４に貯留された液相流体を第１ウォータポンプ２０に送るためのポンプである。第２ウォータポンプ４８と気液分離器１６との間には、気液分離器１６側からキャッチタンク４４側への液相流体の逆流を防止する図示しない逆止弁が設けられている。なお、冷媒管４６は、キャッチタンク４４と冷媒管１８の途中との間を接続する構成でもよい。このような構成によれば、第２ウォータポンプ４８が駆動されることにより、キャッチタンク４４に貯留された液相流体が気液分離器１６及びエンジン１０に送られる。キャッチタンク４４の下端は、冷媒管５０を経由して冷媒タンク５２の下端に接続されている。また、冷媒タンク５２の上端には、端部がコンデンサ４０の上端に接続された冷媒管５４が接続されている。
【００２３】
さらに、ランキンサイクルシステム１００は制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、ランキンサイクルシステム１００もしくはこれを搭載するエンジン１０に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、ランキンサイクルシステム１００が備える各種アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。メモリには、各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。
【００２４】
２．ランキンサイクルシステムの車両搭載構造
ランキンサイクルシステム１００はエンジン１０を収納するための車両のエンジンコンパートメント内に搭載されている。エンジンコンパートメント内のエンジンマウントにはエンジン１０が固定されている。エンジンマウントは、エンジン１０の振動を吸収するためのものであり、これにより、エンジン１０から車両側に伝達される振動を抑えることができる。
【００２５】
ここで、エンジンコンパートメント内は搭載空間が限られているため、ランキンサイクルシステム１００の各構成要素を配置する際には種々の制約が生じ得る。一方、ランキンサイクルシステム１００の構成要素の一つである気液分離器１６は、安定した蒸気の供給を行うために比較的大きな容積が必要とされる。このため、気液分離器１６の配置を搭載スペースの観点のみから決めると、エンジン１０から離れた場所となり、その結果気液分離器１６を車体の側に固定する態様も想定される。
【００２６】
しかしながら、上述したように、気液分離器１６は冷媒管１４を介してエンジン１０の冷媒流路１２に接続されている。このため、気液分離器１６が車両骨格を構成する部材に直接固定されている場合には、エンジン１０の振動が冷媒管１４を介して車両に伝達されてしまう。特に、冷媒管１４のように液相流体だけでなく気相流体（蒸気）も流通する配管は、耐熱性及び耐圧性を確保すべく金属製且つ大径のものが使用されることが一般的である。このような配管が用いられると、エンジン１０から気液分離器１６へと伝わる振動はより大きくなり、その結果、車両に伝わる振動も大きなものとなる。
【００２７】
そこで、本出願の発明者は、エンジン１０からエンジンマウントを介さずに車両に伝えられる振動を抑制すべく、気液分離器１６の車両搭載構造について鋭意研究を重ねた。その結果、本出願の発明者は、以下に説明する気液分離器１６の車両搭載構造を見出した。
【００２８】
２−１．気液分離器の固定構造
図２は、気液分離器の固定構造を説明するための模式図である。なお、図中（Ａ）は該ランキンサイクルシステムの車両上面視の図を、図中（Ｂ）は車両に搭載されたランキンサイクルシステムの車両正面視の図を、それぞれ示している。また、図２ではランキンサイクルシステム１００の主要な構成要素以外の構成を省略して示している。図２に示すように、ランキンサイクルシステム１００は車両のエンジンコンパートメント１内に搭載されている。エンジン１０は、エンジンコンパートメント１内に設けられたエンジンマウント（図示せず）に搭載されている。
【００２９】
図２（Ａ）中のＳ１は、シリンダ１０４の中心軸Ｌ１を含み、シリンダブロック１０２の長手方向に沿って直列に設けられた複数のシリンダ１０４の列方向に平行な面を示している。また、図２（Ｂ）中のＳ２は、シリンダヘッド１０１のシリンダブロック１０２との合わせ面を示している。なお、以下の説明において、「排気側」は面Ｓ１に対して排気通路２２が設けられたエンジン１０の排気側を指し、「吸気側」は面Ｓ１に対してエンジン１０の吸気側を指す。
【００３０】
図２に示す固定構造では、変速機１０３はシリンダブロック１０２の側面に固定されている。気液分離器１６は、変速機１０３の上方の排気側（すなわちエンジン１０の排気通路２２の側）の空間に配置され、ブラケット２ａ，２ｂを介してエンジン１０に固定されている。より詳しくは、ブラケット２ａの一端は気液分離器１６の上部に固定され、他端はエンジン１０のシリンダヘッド１０１の上面に固定されている。また、ブラケット２ｂの一端は気液分離器１６の下部に固定され、他端はエンジン１０のシリンダブロック１０２の側面に固定されている。なお、ブラケット２ａ，２ｂは、金属製の板材を加工して形成されたものであり、気液分離器１６を固定するために必要な強度を確保し得る形状となっている。また、ブラケット２ａ，２ｂとエンジン１０との間の固定、及び、ブラケット２ａ，２ｂと気液分離器１６との間の固定には、それぞれ複数のボルトが用いられる。
【００３１】
上述した気液分離器１６の固定構造によれば、気液分離器１６がエンジン１０に固定されることとなる。これにより、冷媒管１４を介して気液分離器１６に伝えられた振動が車両に直接伝わることを防ぐことができるので、車両の振動が抑制される。また、気液分離器１６は、ブラケット２ａ，２ｂによって上部及び下部が固定されるので、気液分離器１６の揺れを有効に抑えることができる。
【００３２】
なお、ブラケット２ａ，２ｂは、エンジン１０に固定されていればその固定方法、ブラケットの個数または形状に限定はない。また、ブラケット２ａ，２ｂの材質は金属には限られないが、重量のある気液分離器１６を固定する観点からは強度が高い材質が好ましい。
【００３３】
２−２．過熱器の固定構造
上述したとおり、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、気液分離器１６がエンジン１０に固定されるため、車両へ伝わる振動を抑制することができる。ここで、図２に示すように、気液分離器１６には冷媒管１４以外の冷媒管も接続されている。例えば、冷媒管２８は気液分離器１６と過熱器３０との間を接続している。このため、気液分離器１６に伝達された振動は、冷媒管２８を介して過熱器３０にも伝わることとなる。このため、過熱器３０の固定構造によっては車両の振動を更に抑えることも可能となる。
【００３４】
この点、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、過熱器３０が排気マニホールド２６と一体化されている。排気マニホールド２６はエンジン１０に固定されているため、冷媒管２８を介して過熱器３０に伝達された気液分離器１６の振動が車両に直接伝達されることはない。このため、上記過熱器３０の固定構造によれば、車両の振動を更に抑えることが可能となる。
【００３５】
なお、過熱器３０は、エンジン１０に固定されていれば、その形状或いは構造に限定はない。すなわち、過熱器３０は、排気マニホールド２６と一体化されている構造に限らず、例えば触媒など排気熱を吸収可能な他の部位と一体に形成されていてもよいし、また、排気熱を吸収可能な位置においてエンジン１０に固定されていてもよい。
【００３６】
２−３．タービンの固定構造
上述したとおり、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、気液分離器１６及び過熱器３０がエンジン１０に固定されるため、車両へ伝わる振動を抑制することができる。ここで、図２に示すように、過熱器３０は冷媒管３２を介してタービン３４に接続されている。このため、気液分離器１６から過熱器３０に伝達された振動は、冷媒管３２を介してタービン３４にも伝わることとなる。このため、タービン３４の固定構造によっては車両の振動を更に抑えることも可能となる。
【００３７】
この点、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、タービン３４がエンジン１０に固定されている。このような構造によれば、過熱器３０から冷媒管３２を介してタービン３４に伝達された振動が車両に直接伝達されることはない。このため、上記タービン３４の固定構造によれば、車両の振動を更に抑えることが可能となる。なお、タービン３４は、エンジン１０に固定されていれば、その固定構造に限定はない。
【００３８】
３．ランキンサイクルシステム１００の車両搭載構造の例
次に、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の車両搭載構造について、比較例を交えて説明する。図３は、気液分離器がエンジンに固定されたランキンサイクルシステムの車両搭載構造を説明するための図である。また、図４は、気液分離器が車両に固定されたランキンサイクルシステムの車両搭載構造を説明するための図である。図３は、本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の車両搭載構造に相当し、図４は、本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の比較例に相当している。なお、図３及び図４では、車両の側面視におけるランキンサイクルシステムの各構成要素の配置を模式的に示している。また、図３及び図４では、ランキンサイクルシステムの主要な構成要素以外の構成を省略して示している。
【００３９】
３−１．比較例の考察
図４に示す比較例では、過熱器３０及びタービン３４はエンジン１０に固定されているが、気液分離器１６は車両に固定されている。このような構造によれば、冷媒管１４，２８，１８を介して気液分離器１６へと伝達されたエンジン１０の振動は、エンジンマウントを介さずに車両へと伝達されてしまう。その結果、車両の振動は大きなものとなってしまう。
【００４０】
３−２．実施の形態１の車両搭載構造の考察
これに対して、図３に示す車両搭載構造では、気液分離器１６がエンジン１０に固定されている。このような構成によれば、気液分離器１６から車体へと直接振動が伝達される経路は存在しない。このため、実施例のランキンサイクルシステムによれば、比較例のランキンサイクルシステムよりもエンジン１０と車両との間の振動伝達経路を減らすことができるので、車両の振動を効果的に抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
２ａ，２ｂ  ブラケット
１０  エンジン
１２  冷媒流路
１３  排気熱回収器
１１，１４，１５，１８，２８，３２，３６，３９，４２，４６，５０，５４  冷媒管
１６  気液分離器
２２  排気通路
２６  排気マニホールド
３０  過熱器
３４  タービン（膨張機）
４０  コンデンサ（凝縮器）
１００  ランキンサイクルシステム
１０１  シリンダヘッド
１０２  シリンダブロック
１０３  変速機
１０４  シリンダ
【図１】
0006432498.tif 000002
【図２】
0006432498.tif 000003
【図３】
0006432498.tif 000004
【図４】
0006432498.tif 000005