JP5347899B2 - Steam engine for vehicles - Google Patents
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Description
本発明は、車両用蒸気エンジンに係り、特に制動力エネルギーを熱エネルギーとして蓄えて再加速時のエネルギーとして再利用する制動力回生技術に関するものである。 The present invention relates to a vehicular steam engine, and more particularly to a braking force regeneration technique that stores braking force energy as thermal energy and reuses it as energy during reacceleration.
蒸気エンジンは、図4に示すように、作動流体(例えば水、飽和水)を圧送するポンプ1と、その作動流体を加熱して液体から高温の気体(蒸気)にする加熱器2と、その気体のエネルギーを回転動力に変換する膨張器3と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器4とを有する通常運転時用の回路5を備えている。
As shown in FIG. 4, the steam engine includes a pump 1 that pumps a working fluid (for example, water or saturated water), a
前記蒸気エンジンにおいては、作動流体をポンプ1で断熱圧縮して加熱器2に送り、この加熱器2により作動流体を等圧加熱して高温の気体(過熱蒸気)にした後、その高温の気体の断熱膨張により膨張器(蒸気原動機)3を回転させて動力を得る。膨張後の作動流体は復水器4で冷却され、等圧変化により復水し、液体に戻る。
In the steam engine, the working fluid is adiabatically compressed by the pump 1 and sent to the
前記蒸気エンジンは、以上のサイクル(ランキンサイクル)を繰り返えすことにより、大きな回転動力を得ることができ、その回転動力で車両の駆動輪32を駆動するように構成することにより車両の駆動装置として用いることができる。
The steam engine can obtain a large rotational power by repeating the above cycle (Rankine cycle), and is configured to drive the
しかしながら、前記蒸気エンジンにおいては、大きな動力が得られるものの、車両側からの動力(運動エネルギー)を回収するシステムがなく、エネルギーの有効利用を図ることができなかった。 However, in the steam engine, although large power can be obtained, there is no system for recovering power (kinetic energy) from the vehicle side, and it has not been possible to effectively use energy.
なお、関連する技術としては、制動時の車両の運動エネルギーを温度差エネルギーに変換して蓄熱し、燃料経済性を向上させる車両用スターリングエンジンが知られている(特許文献1参照)が、大きな制動力(エンジンブレーキ力)及び大きな温度差エネルギーを得ることは難しい。 As a related technique, there is known a vehicle Stirling engine that converts the kinetic energy of the vehicle at the time of braking into temperature difference energy and stores the heat to improve fuel economy (see Patent Document 1). It is difficult to obtain braking force (engine braking force) and large temperature difference energy.
本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、通常運転時に大きな動力が得られると共に、制動時に大きなエンジンブレーキ力及び温度差エネルギーが得られ、再加速時のエネルギーとして再利用することができる車両用蒸気エンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and can obtain a large amount of power during normal operation and a large engine braking force and temperature difference energy during braking, which can be reused as energy during re-acceleration. An object of the present invention is to provide a vehicular steam engine that can be used.
前記目的を達成するために、本発明は、作動流体を圧送するポンプと、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器とを有する運転時用の回路を備えた車両用蒸気エンジンであって、前記運転時用の回路に加熱器の下流側とポンプの上流側とを結ぶように放熱器及び膨張弁を有する回生時用の回路を回路切替弁を介して設け、前記回生時用の回路に作動流体を運転時用の回路の流れ方向とは逆の方向に流すために前記膨張器にその回転方向を切り替えるための正逆転変換機を設けたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a pump that pumps a working fluid, a heater that heats the working fluid from a liquid to a high-temperature gas, and an expansion that converts the energy of the gas into rotational power for a vehicle. And a steam engine for operation having a condenser for cooling the working fluid and returning it to liquid, the steam circuit for operation comprising the downstream side of the heater and the upstream side of the pump. A circuit for regeneration having a radiator and an expansion valve is provided via a circuit switching valve so as to connect to the side, and the working fluid is supplied to the circuit for regeneration in the direction opposite to the flow direction of the circuit for operation A forward / reverse converter for switching the rotation direction of the expander is provided in the expander.
前記回路切替弁は、前記加熱器の下流側に設けられる第1の三方弁と、前記ポンプの上流側に設けられる第2の三方弁とからなることが好ましい。 The circuit switching valve preferably includes a first three-way valve provided on the downstream side of the heater and a second three-way valve provided on the upstream side of the pump.
前記膨張器は、回生時に作動流体を圧送する圧縮機として働き、これにより得られるエネルギーが低温の熱エネルギーとして前記復水器に蓄積されるように構成されていることが好ましい。 It is preferable that the expander functions as a compressor that pumps the working fluid during regeneration, and energy obtained thereby is stored in the condenser as low-temperature heat energy.
本発明によれば、通常運転時に大きな動力が得られると共に、回生時に大きなエンジンブレーキ力及び温度差エネルギーが得られ、再加速時のエネルギーとして再利用することができる。 According to the present invention, large power can be obtained during normal operation, and a large engine braking force and temperature difference energy can be obtained during regeneration, which can be reused as energy during reacceleration.
以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is explained in full detail based on an accompanying drawing.
車両用蒸気エンジンは、図1に示すように、作動流体(例えば水)を圧送するポンプ1と、その作動流体を加熱して高温の気体(蒸気)にする加熱器2と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器3と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器4とを有する通常運転時用の回路5を備えている。
As shown in FIG. 1, a vehicular steam engine includes a pump 1 that pumps a working fluid (for example, water), a
この通常運転時用の回路5には、加熱器2の下流側とポンプ1の上流側とを結ぶように放熱器6及び膨張弁7を有する回生時用の回路8が回路切替弁10,20を介して設けられている。これら回路切替弁10,20は、前記加熱器2の下流側に設けられる第1の三方弁10と、前記ポンプ1の上流側に設けられる第2の三方弁20とからなり、何れも電磁弁からなり、運転状況(通常運転時又は回生時)に応じて制御装置30により切り替えられるようになっている。
The
前記第1の三方弁10は、前記膨張器3の入口に通じる第1ポート11と、前記加熱器2の出口に通じる第2ポート12と、前記放熱器6の入口に通じる第3ポート13とを有すると共に、第1ポート11と第2ポート12又は第1ポート11と第3ポート13を選択的に接続する2つのスプール(第1スプール、第2スプール)14,15を有している。
The first three-
また、第2の三方弁は20、前記復水器4の出口に通じる第1ポート21と、前記ポンプ1の入口に通じる第2ポート22と、前記膨張弁7の出口に通じる第3ポート23とを有すると共に、第1ポート21と第2ポート22又は第1ポート21と第3ポート23を接続する2つのスプール(第3スプール、第4スプール)24,25を有している。
The second three-
通常運転時には、図2に示すように第1の三方弁10は第1スプール14の位置に、第2の三方弁20は第3スプール24の位置にそれぞれ切り替えられており、ポンプ1で圧送される作動流体が加熱器2、膨張器3、復水器4の順で通常運転時用の回路5を時計方向に流れるようになっている。
During normal operation, the first three-
一方、回生時には、図3に示すように第1の三方弁10は第2スプール15の位置に、第2の三方弁20は第4スプール25の位置にそれぞれ切り替え、前記回生時用の回路8に対して作動流体を通常運転時用の回路5の流れ方向(時計方向)とは逆の方向(反時計方向)に流すために、すなわち作動流体が膨張器3の圧縮機としての機能により放熱器6、膨張弁7、復水器4の順で回生時用の回路8を反時計方向に流れるように前記膨張器3にはその回転方向を切り替えるための正逆転変換機31が設けられている。
On the other hand, at the time of regeneration, as shown in FIG. 3, the first three-
この正逆転変換機31は、車両の駆動輪32を駆動する駆動軸(プロペラシャフト)33と膨張器3の回転軸3aとの間に介設されており、膨張器3をタービンとして働かせる通常運転時には正転に、エンジンブレーキにするべく膨張器3を圧縮機として働かせる回生時には逆転に制御装置30により切り替えられるようになっている。なお、前記膨張器3の回転軸3aと駆動軸33との間にはクラッチや変速機が組み込まれていても良く、或いはクラッチや変速機は前記正逆転変換機31に組み込まれていてもよい。
The forward /
前記膨張器3は、通常運転時には図2に示すようにタービンとして働き、回生時には図3に示すように通常運転時用の回路5の流れ方向とは逆の方向の回生時用の回路8に作動流体を圧送する圧縮機として働くと共にこの時に加わる負荷によりエンジンブレーキの働きをすることになる。この場合、回生時用の回路8においては、膨張器3、放熱器6、膨張弁7、復水器4が、冷凍サイクルにおける圧縮機、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器を構成することになり、回生時に制動力エネルギーにより復水器4を冷却し、加熱器2と復水器4の温度差を拡大し、これにより、制動力エネルギーを低温の熱エネルギーとして復水器4に蓄積するようになっている。なお、復水器4に熱エネルギーを蓄積するため、復水器4の熱容量が大きいことが好ましい。
The expander 3 functions as a turbine as shown in FIG. 2 during normal operation, and forms a
次に、以上の構成からなる車両用蒸気エンジンの作用を述べる。先ず、通常運転時には、図2に示すように第1の三方弁10を第1スプール14の位置に、第2の三方弁20を第3のスプール24の位置にそれぞれ切り替える。すると、作動流体がポンプ1により加熱器2に圧送され、この加熱器2で液体の作動流体が高温の気体になる。この高温の気体が膨張器3に圧送され、膨張器3で膨張することにより高温の気体のエネルギーが膨張器3の回転動力に変換され、膨張器3が回転する。膨張後の作動流体の熱は、復水器4で大気温度と熱交換されて大気に放出され、作動流体の温度は常温に降温し、作動流体は凝縮して液体に戻る。前記膨張器3の回転動力が正逆転変換機31を介して車両の駆動軸33に伝達されることにより、車両を走行させることができる。この場合、前記正逆転変換機31は,正転位置に切り替えられており、膨張器3の回転方向と駆動軸33の回転方向は同じである。
Next, the operation of the vehicular steam engine configured as described above will be described. First, during normal operation, the first three-
一方、回生時には、図3に示すよう第1の三方弁10を第2スプール15の位置に、第2の三方弁20を第4スプール25の位置にそれぞれ切り替え、通常運転時用の回路5から回生時用の回路8に切り替える。また、駆動側である駆動軸33の回転方向とエンジン側である膨張器3の回転方向とが反転するように正逆転変換機31を逆転位置に切り替える。これにより膨張器3が圧縮機として機能し、作動流体が可逆断熱圧縮されて高圧の加熱蒸気になる。次いで、作動流体が放熱器6により等圧的に冷却されて凝縮し、飽和液になる。次いで、その作動流体が膨張弁7を通過する時に絞り膨張をして低圧で低温の湿り蒸気になり、復水器4の熱を吸収して作動流体は蒸発し、復水器4の温度が低下する。
On the other hand, during regeneration, the first three-
この車両用蒸気エンジンによれば、作動流体を圧送するポンプ1と、その作動流体を液体から高温の気体に加熱する加熱器2と、その気体のエネルギーを車両用の回転動力に変換する膨張器3と、作動流体を冷却して液体に戻す復水器4とを有する運転時用の回路5を備え、前記運転時用の回路5に加熱器2の下流側とポンプ1の上流側とを結ぶように放熱器6及び膨張弁7を有する回生時用の回路8を回路切替弁10,20を介して設け、前記回生時用の回路8に作動流体を運転時用の回路5の流れ方向とは逆の方向に流すために前記膨張器3にその回転方向を切り替えるための正逆転変換機31を設けているため、通常運転時に大きな動力が得られると共に、回生時に大きなエンジンブレーキ力及び温度差エネルギーが得られ、再加速時のエネルギーとして再利用することができる。
According to this vehicular steam engine, a pump 1 that pumps the working fluid, a
前記回路切替弁10,20が、前記加熱器2の下流側に設けられる第1の三方弁10と、前記ポンプ1の上流側に設けられる第2の三方弁20とからなるため、作動流体の流れ方向が正反対の通常運転時用の回路5と再生時用の回路8を確実且つ容易に切り替えることができる。
Since the
前記膨張器3が、通常運転時にタービンとして働き、回生時に作動流体を圧送する圧縮機として働くため、回生時に大きなエンジンブレーキ力が得られると共にその制動力エネルギーを熱エネルギーとして復水器4に容易に蓄積することができる。
Since the
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。 The embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various design changes can be made without departing from the gist of the present invention. .
1 ポンプ
2 加熱器
3 膨張器
4 復水器
5 通常運転時用の回路
6 放熱器
7 膨張弁
8 回生時用の回路
10 回路切り替え弁(第1の三方弁)
20 回路切り替え弁(第2の三方弁)
31 正逆転変換機
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
20 Circuit switching valve (second three-way valve)
31 Forward / reverse converter
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