(57)【要約】  エンジン排熱回収システム（１０）は、単一閉鎖ループ内に液体状態および気体状態（３９）で存在する二相流体（２７）と相互作用するエンジン排熱導管（２２）を含む。ボイラ（２４）であり得る第１の熱交換器（２４）が、エンジン排気導管からの熱と接し、かつその熱を受け取る。第１熱交換器（２４）の下流に配置された熱膨張器（５０）に移送するために、排熱エネルギーが流体（２７）を液体状態から気体状態（３９）に変換する。熱膨張器（５０）は、フライホイール（８０）を回転させるために気体状の熱エネルギーを利用する。フライホイール（８０）が、その後の、要求に応じた仕事の選択的生産のために、機械的エネルギーを移行できるように、クラッチシステム（６０、６２）が配置され、適合される。１つの開示される実施形態では、熱膨張器（５０）は、回転動力シャフト（５２）を有する高速タービンであり得、回転動力シャフト（５２）は、フライホイール（８０）と係合しそれを作動するように適合されたトランスミッション（７０）および複数のクラッチ（６０、６２）に結合されている。
2015511673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排熱回収システム（１０）であって、
エンジン排熱導管（２２）と、
流体（２７）を液体状態から気体状態（３９）へ転換するために、エンジン排熱導管（２２）からの熱と接し、かつその熱を受け取るように適合された第１の閉ループ熱交換器（２４）と、
第１熱交換器（２４）の下流に配置された熱膨張器（５０）であって、気体状態にある第１熱交換器（２４）からの流体（２７）を受け入れ、かつ第１熱交換器（２４）からのエネルギーを機械的に取り除くように適合された熱膨張器（５０）と、
熱膨張器（５０）からの流体（２７）を受け入れ、かつその流体を気体状態から液体状態へ転換するように適合された第２の閉ループ熱交換器（３０）と、
第２熱交換器（３０）と第１熱交換器（２４）の間に置かれた、外部から駆動されるポンプ（４０）であって、液体状態の流体（２７）を受け入れ、その流体を連続サイクルで第１熱交換器（２４）へ移行するように適合されたポンプ（４０）と
を含み、
エンジン排熱回収システム（１０）がさらに、複数のクラッチ（６０）、（６２）、トランスミッション（７０）、およびフライホイール（８０）を含み、クラッチは、エンジン（１２）、フライホイール（８０）またはその両方に、動力を平行して選択的に移行するように適合され、
熱膨張器（５０）が、フライホイール（８０）に結合された回転動力シャフト（５２）を含み、その結果、フライホイールは、その後の、要求に応じた選択的な使用のために、機械的動力を生成することができる、
エンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項２】
フライホイール（８０）が、密閉されたハウジング（８２）の中に配置され、かつハウジング（８２）内で真空中を回転する高速回転体を含む、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項３】
フライホイール（８０）が、１分あたり１０，０００〜８０，０００回転の範囲の速度で回転するように適合された、請求項２に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項４】
フライホイール（８０）が代替的に、動力取出装置に、およびエンジンクランクシャフト歯車（１６）に選択的に結合されることができる、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項５】
エンジン排熱エネルギーを、後で利用するためにフライホイール（８０）で保存するように機械的エネルギーに変換すべく、エンジン排熱エネルギーを抽出し捕捉するように適合されたランキン熱エネルギーサイクルを含む、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項６】
フライホイール（８０）の機械的エネルギーが、フレキシブルかつ一過性の移行可能エネルギー源を含む、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項７】
熱膨張器（５０）が、１分あたり１００，０００回転に迫るかそれを超える速度で回転するように適合されたタービンである、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項８】
熱膨張器（５０）がピストン膨張器（５０’）である、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項９】
第２熱交換器（３０）の熱移行の発生源が送風機を含む、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【請求項１０】
第２熱交換器（３０）の熱移行の発生源が、凝縮器冷却液を含む、請求項１に記載のエンジン排熱回収システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、閉ループ式流体伝熱システムを用いて、内燃機関排気ガスに由来する熱エネルギーを捕捉し、使用することに関する。詳細には、本開示は、一過性の機械的エネルギー要求を満たすために、そのような熱回収機構によって動力を供給されることができるフライホイールおよびクラッチサブシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関からのエンジン熱エネルギーの損失は、エンジンおよびエンジン排気システムの設計者にとって長い間関心事になっている。そのようなエネルギー損失の少なくとも一部を低減し、および／または捕捉するための多くの努力がなされてきたが、多くの場合、成功の度合は変化する。
【０００３】
いくつかのエネルギー回収システムはランキンサイクルを利用する。ランキンサイクルは、ボイラおよび凝縮器ユニット間での熱エネルギーの移行に対応するように適応された流体を使用する。他のエネルギー回収システムは、より複雑なシステムにおいて複式の流体を使用する。より複雑なシステムは、典型的には、作業機械に関連付けられる補助ユニットに動力を供給するために、または、例えば制動システムとの組み合わせにおいて、熱由来エネルギーをバッテリパワーに変換するために、一方はエンジン冷却液、他方はエンジン排気によって生成される蒸気エネルギーなど、流体間での熱エネルギーの移行に対応するための平行な閉鎖システムを必要とする。後者のシステムは、二重の原動力を機械に供給するために、エンジンをバッテリと組み合わせて使用するハイブリッド機械を一般的に必要とする。
【０００４】
上記のエネルギー回収システムの大部分は、例えばエネルギーをバッテリに戻すために、熱エネルギーを首尾よく捕捉して電力に変換するが、そのようなシステムはどれも、純粋な機械的エネルギーを一時的に蓄積し使用する能力を利用しない。機械的−機械的移行能力は、重い荷物を持ち上げるために使用される油圧システム、動力引取装置、または現在および／または従来の電力源によって実際には満たされない他の臨時作業負荷要求など、一過性の機械的エネルギー源を必要とするオフロード機械に特に有用であり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの開示される実施形態において、エンジン排熱回収システムは、単一閉鎖ループ内に液体状態および気体状態で存在する二相流体と相互作用し得るエンジン排熱導管を含む。ボイラなどの第１の熱交換器が、エンジン排気導管からの熱と接し、かつその熱を受け取り得る。第１熱交換器の下流に配置された熱膨張器に移送するために、熱エネルギーが流体を液体状態から気体状態に変換し得る。熱膨張器は、フライホイールを回転させるために気体状の熱エネルギーを利用し得る。フライホイールが、蓄積された機械的エネルギーを、仕事の生産に移行させることができるように、クラッチシステムを配置し、適合させることができる。
【０００６】
開示される実施形態の別の態様によれば、熱膨張器は、回転動力シャフトを有する高速タービンであり得、回転動力シャフトは、フライホイールと係合しそれを作動させるように適合されたトランスミッションおよび複数のクラッチに結合されている。
【０００７】
開示される実施形態の別の態様によれば、第２の閉ループ熱交換器は、熱膨張器から気体状の流体を受け入れ、その流体を液体状態に転換するように適合させることができる。
【０００８】
開示される実施形態のさらに別の態様によれば、外部から駆動されるポンプを第２熱交換器と第１熱交換器の間に置くことができ、ポンプは、液体状態の流体を受け取り、その流体を連続サイクルで第１熱交換器に移送するように適合させることができる。
【０００９】
開示される実施形態のさらに別の態様によれば、熱膨張器は、気体状の熱エネルギーを回転運動に変換するように適合されたピストンモータユニットであり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】開示される実施形態の一方に従って構成された、エンジン排熱回収システムの概略図である。
【図２】開示される実施形態の他方に従って構成された、代替的なエンジン排熱回収システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
最初に図１を参照すると、１つの開示される実施形態によるエンジン排熱回収システム１０が示されている。熱回収システム１０はエンジン１２を含み、エンジン１２は、点線で示されたエンジンクランクシャフト１４を有する。クランクシャフト１４により、示されるようなエンジン出力歯車１６は回転する。
【００１２】
ターボチャージャ１８が、エンジン１２の排気ガスヘッダ２０の上に配置される。排気ガス導管２２が、示されるようにターボチャージャ１８の一端から延びる。排気ガス導管２２は、第１の熱交換器、示される実施形態ではボイラ２４に放出し、Ｑ−ｉｎとして示される熱が、導管２２を通って移動するエンジン排気ガス２６から移される。
【００１３】
当業者であれば、熱い排気ガス２６からのエネルギーの移行に対応するために単一の閉ループ流体２７を利用できることを認識するであろう。このため、ボイラコイル２８は、本明細書に記載される閉ループ流体システムに流体２７を通すことを可能にし得る。理想としては、流体２７は二相化され、閉鎖された流体システム内を循環するとき、液体および気体の両方の状態で存在する。記載される実施形態では、流体２７はＨ２Ｏであり、液体のときは水として、気体のときは蒸気として存在する。
【００１４】
ボイラ２４に関して、流体２７は、水３４としてボイラコイル２８に入り、蒸気３９として出、このとき熱Ｑ−ｉｎは、水を沸騰させる、従って蒸気３９に転換させるのに十分な温度上昇を引き起こすようになっている。第２の熱交換器、示される実施形態では凝縮器３０が、凝縮器コイル３２を含む。Ｑ−ｏｕｔとして示されている凝縮器コイル３２から移行される熱が蒸気３８から取り除かれるとき、蒸気は水３６に戻るように転換され、従って、ポンプ４０に移動する液体流体をもたらし、ポンプ４０が今度は連続サイクルでボイラ２４に入る水３４の供給源を提供する。熱Ｑ−ｏｕｔは、取り込まれる熱負荷の量に応じて、どちらが最も適切であろうと、補助送風ユニット（不図示）を介して、またはエンジン冷却液を介して、凝縮器から取り除くことができる。
【００１５】
当業者であれば、蒸気３９が、閉鎖された流体ループ２７内をボイラ２４から熱膨張器５０へ移動することを認識するであろう。図１に示されている実施形態では、熱膨張器は、回転出力シャフト５２を有するタービン５０である。タービン５０と回転出力シャフト５２の間に配置されるのは歯車セット５４であり、歯車セット５４は内側タービンシャフト（不図示）と回転出力シャフト５２の間の速度を低減するようにされている。いくつかの場合、タービン速度は１分あたり１００，０００回転に迫るか、それを超える場合がある。そのような速度は従来のエンジン動作速度を桁違いに上回る。従って、歯車減速器を、連続可変速度トランスミッション、クラッチ、および他の装置であってタービンと調和して動作するようになされた他の装置とともに使用することができる。
【００１６】
従って、歯車５６と５８の追加的な対が、回転出力シャフト５２の非従動端部において速度をさらに低減するために、絶えず相互に噛みあう。歯車５６および５８は、本明細書中クラッチパックと呼ばれる第１および第２のクラッチ６０、６２の組と係合する。クラッチパック６２は、回転出力シャフト５２を、クランクシャフト歯車６８に取り付けられたシャフト６６に直接結合するようにされる。クランクシャフト歯車６８は、既に特定されたエンジン出力歯車１６と動作可能に噛み合わされる。
【００１７】
歯車５６およびクラッチパック６０は、連続可変トランスミッション７０の一端と係合するようにされることは認識されよう。フライホイール８０は、連続可変トランスミッション７０の他端に結合され、追加のクラッチパック６４が、連続可変トランスミッション７０とフライホイール８０の間に置かれる。当業者であれば、タービン膨張器５０が、この構成によって、様々なクラッチパックの作動に応じて、クランクシャフト歯車６８か、ＣＶＴ７０およびフライホイール８０のどちらかと直接係合し得ることをさらに認識するであろう。クラッチパックは、機械的エネルギーをフライホイール８０に蓄えるためにかなりの柔軟性を提供し得る。そのようなエネルギーは、例えばエンジン１２がアイドル状態にあり得るときに、要求に応じて動力取出装置または様々な機械アクセサリを作動させるのに有用であり得る。さらに、クラッチパックは、例えば不注意にエンストした場合、または燃料を節約するために意図的に停止させた場合でさえ、停止したエンジン１２を再始動するために、回転するフライホイールのエネルギーを利用するように適合させることさえできる。
【００１８】
フライホイール８０は、例えば１分あたり１０，０００〜８０，０００回転の範囲におけるフライホイール８０の比較的高速の回転を可能にするために、密閉された真空ハウジング８２内に理想的に収容することができる。真空ポンプ（不図示）によりハウジング内の真空の連続性は保証される。当然のことながら、フライホイールのエネルギー密度が高いほど、フライホイールの回転速度は高くなる。蓄積されたエネルギーを最適化するために、フライホイールは、その最大可能回転速度まで理想的に回転させられる。フライホイールが真空中で回転することにより、高速回転において直面する空気摩擦の低減が促される。実際に、そのような排除により、フライホイールの所与の回転速度に到達するために通常必要とされるエネルギーは低減される。さらに、セラミックまたは他の特別な軸受を使用することにより、摩擦負荷の低減はさらに支援され得る。
【００１９】
次に図２を参照すると、代替の開示される実施形態によるエンジン排熱回収システム１０’が示されている。熱回収システム１０’は、熱膨張器タービン５０がピストン膨張器５０’で置き換えられ、かつ歯車の組５４がないことを除いて、全ての点において図１の熱回収システム１０と同一である。当然のことながら、ピストン膨張器５０’はタービン５０よりかなり遅い速度で動作し、従ってタービン５０によって要求されるような相当の速度低減を必要としない。従って、タービン５０で使用されるような歯車の組５４は、ピストン膨張器５０’の良好な動作に必要でない。
【００２０】
２つの特定実施形態のみを本明細書で示し記載したが、多数の等価物が、本明細書において以下に付随する請求項の趣旨および範囲内にあり得る。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本開示のエンジン排熱回収システムは、フライス盤、道路ならし機、鉱山機械、ブルドーザ、ローダ、ならびに多数の他のオフハイウェイ機械、産業機械、および農業機械を含む、有益な作業を実行するようにされた様々な機械において利用可能性を有し得る。
【００２２】
作業中、エンジン排熱回収システム１０、１０’は、本明細書に示され記載された構成にフライホイール８０、８０’を含めることによって、要求に応じて機械的エネルギーを保存する方法を提供する。例えば、回転するエネルギー密度の高いフライホイールを利用して、バックホウユニット、レンチ、および類似の装置を含む補助機械を作動するために、動力取出ユニットを提供することができる。あるいは、フライホイールを利用して、一過性の負荷を、エンジンのクランクシャフトに、例えばエンジンが過負荷のためにエンストした直後に供給することができる。
【００２３】
当業者であれば、以下のことを認識するであろう。すなわち、本明細書には物理的に示されていないが、フライホイール８０を適切に作動させるために、連続可変トランスミッション７０をクラッチ６０、６２とともに制御すべく、電子制御モジュール（ＥＣＭ）をシステムに有利に含めることができる。従って、ＥＣＭは、エネルギーの適切な捕捉、蓄積、および供給に関連付けられる様々な状況に対処するようにプログラミングすることができる。
【００２４】
例えば、ＥＣＭは、その関連付けられる作業機械がゆっくり進む間はフライホイールにエネルギーを蓄えることを要求し得、または機械が瞬間的に停止した後はエンジンを再始動するためにフライホイールからエネルギーが供給されることを要求し得る。さらに、作業機械が長い坂を下る（その間ランキンサイクルはエンジンに動力を供給するために必要でない）際にフライホイールにエネルギーを蓄えるように、ＥＣＭを都合よくプログラミングすることもできる。しかし、そのように蓄積されたエネルギーはその後、上り坂を移動するためになど、エンジンに動力を供給すべく、適切に使用することができる。
【００２５】
当業者であれば、以下のことを認識するであろう。すなわち、上記例の坂を下る間など、低減されたエンジン要求期間の間、ランキンサイクルはより少ないエネルギーを生成する。従って、作業機械の制動を適用する間、または例えばエンジンクランクシャフトに追加の動力を供給する必要がほとんどまたは全くない他のそのようなエンジン減速事象の間、フライホイールにエネルギーを蓄えるように、ＥＣＭを都合よくプログラミングすることができる。さらに、当業者には当然のことながら、そのような減速事象の間、通常であれば失われるこのエネルギーをフライホイールに蓄えることにより、機械の加速、登坂、停止したエンジンの始動など、その後のより有利なときに、そのエネルギーを再利用することが可能になり得る。
【図１】
2015511673.tif 000003
【図２】
2015511673.tif 000004
【国際調査報告】
2015511673.tif 000005
2015511673.tif 000006