JP5375514B2 - 車両用蒸気エンジン - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２００８−７５４６３号公報

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。

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。そこで、本出願人は、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、その温度差エネルギーを復水器に蓄熱して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先に提案した（未公開）が、復水器は冷却水を循環させるため、温度差エネルギーを有効に溜めることが難しい。

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、その温度差エネルギーを復水器に有効に溜めることができ、再加速時のエネルギーとして十分に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。

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通常運転時用の回路を備えた車両用蒸気エンジンであって、前記通常運転時用の回路に加熱器の出口側とポンプの入口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通常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、前記復水器はラジエータとの間で冷却水通路を介して冷却水を循環させる循環ポンプ及び開閉弁を有し、回生時に前記循環ポンプを停止すると共に前記開閉弁を閉にする制御装置を備えていることを特徴とする。

前記ラジエータの出口の冷却水温度を検出する第１の温度センサと、前記復水器に接する冷却水温度を検出する第２の温度センサとを更に有し、前記制御装置は、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が高い時には前記循環ポンプを駆動し、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が低い時には前記循環ポンプを停止することが好ましい。

前記ラジエータの出口の冷却水温度を検出する第１の温度センサと、前記復水器に接する冷却水温度を検出する第２の温度センサとを更に有し、前記冷却水通路に前記循環ポンプの出口側と前記ラジエータの入口側とを接続するバイパス通路を通路切替弁を介して設け、前記制御装置は、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が高い時には前記通路切替弁を冷却水通路側に切り替え、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が低い時には前記通路切替弁を前記バイパス通路側に切り替えることが好ましい。

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、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、その温度差エネルギーを復水器に有効に溜めることができ、再加速時のエネルギーとして十分に再利用することができる。

本発明に係る車両用蒸気エンジンの第１の実施形態を示す図である。 本発明に係る車両用蒸気エンジンの第２の実施形態を示す図である。 本発明に係る車両用蒸気エンジンの第３の実施形態を示す図である。 従来の車両用蒸気エンジンの構成を示す図である。

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。

先ず、第１の実施形態の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。

この通常運転時用の回路５には、加熱器２の下流側（出口側）とポンプ１の上流側（入口側）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。

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。

また、第２の三方弁は２０は、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。

通常運転時には、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。

一方、回生時には、図１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。

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よく、或いはクラッチや変速機は前記正逆変速機３１に組み込まれていてもよい。

前記膨張器３は、通常運転時にはタービンとして働き、回生時には図１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冷却側の低温の熱エネルギー（温度差エネルギー）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。

前記復水器４はラジエータ３５との間で冷却水通路３６を介して冷却水を循環させる循環ポンプ３７及び冷却水通路３６を開閉する開閉弁３８を有しており、通常運転時には、開閉弁３８を開き、循環ポンプ３７を駆動し、回生時には、前記開閉弁３８を閉じ、前記循環ポンプ３７を停止させる。このように循環ポンプ３７及び開閉弁３８の制御は、車両用蒸気エンジンの運転状態に応じて制御装置３０により自動制御されることが好ましい。

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、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。また、この場合、復水器４の開閉弁３８を開き、循環ポンプ３７を駆動することにより、冷却水が作動流体から熱を奪い、その熱をラジエータ３５で大気に放熱しており、作動流体を効果的に冷却することができる。

一方、回生時には、図１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。

この場合、復水器４の開閉弁３８を閉じ、循環ポンプ３７を停止させることにより、冷却水を冷却部領域内に閉じ込める。復水器４の内部の作動流体（気体）の温度は、ラジエータ３５の水温よりも下がるので、冷却部領域内の冷却水の温度を低下させることができ、温度差エネルギーを復水器４に有効に蓄えることができる。ここで、温度差エネルギーを蓄えるとは、加熱器２と復水器４の温度差を大きくすることである。

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とを有する通常運転時用の回路５を備え、前記通常運転時用の回路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に作動流体を通常運転時用の回路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。

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。

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。

特に、前記復水器４はラジエータ３５との間で冷却水通路３６を介して冷却水を循環させる循環ポンプ３７及び開閉弁３８を有し、回生時に前記循環ポンプ３７を停止すると共に前記開閉弁３８を閉にする制御装置３０を備えているため、回生時に温度差エネルギーを復水器４に有効に溜めることができ、再加速時のエネルギーとして十分に再利用することができる。

次に、第２の実施形態の車両用蒸気エンジンについて図２に基いて説明する。本実施形態では、前記ラジエータ３５の出口の冷却水温度を検出する第１の温度センサ４１と、前記復水器４に接する冷却水温度を検出する第２の温度センサ４２とを更に有し、前記制御装置３０は、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が高い時には前記循環ポンプ３７を駆動し、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が低い時には前記循環ポンプ３７を停止するようになっている。なお、循環ポンプ３７を停止する場合、熱の移動を完全に遮断するため、開閉弁３８を閉にすることが好ましい。

図２の実施形態によれば、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が高い時には前記循環ポンプ３７を駆動するため、作動流体を積極的に冷却することができ、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が低い時には前記循環ポンプ３７を停止するため、冷却水の流動（すなわち熱の移動）を抑え、回生時に温度差エネルギーを復水器４に有効に溜めることができ、再加速時のエネルギーとして十分に再利用することができる。

次に、第３の実施形態の車両用蒸気エンジンについて図３に基いて説明する。本実施形態では、前記ラジエータ３５の出口の冷却水温度を検出する第１の温度センサ４１と、前記復水器４に接する冷却水温度を検出する第２の温度センサ４２とを更に有し、前記冷却水通路３６には前記循環ポンプ３７の出口側と前記ラジエータ３５の入口側とを接続するバイパス通路４３が通路切替弁５０を介して設けられている。なお、本実施形態では、通路切替弁５０があるため、開閉弁３８は設けなくてもよい。

前記通路切替弁５０は、電磁式の三方弁からなり、前記ラジエータ３５の入口に通じる第１ポート５１と、前記復水器４の冷却水出口に通じる第２ポート５２と、前記循環ポンプ３７の出口に通じる第３ポート５３とを有すると共に、第１ポート５１と第２ポート５２又は第１ポート５１と第３ポート５３を接続する２つのスプール（第１スプール、第２スプール）５４，５５を有している。

前記制御装置３０は、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が高い時には前記通路切替弁５０を冷却水通路３６側と連通する第１スプール５４に切り替え、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が低い時には前記通路切替弁５０を前記バイパス通路４３側と連通する第２のスプール５５に切り替えるようになっている。図３の実施形態によれば、第１の温度センサ４１の検出温度よりも第２の温度センサ４２の検出温度が低い時には前記通路切替弁５０を前記バイパス通路４３側に切り替えるため、復水器４側の冷却水がラジエータ３５側に流動すること（すなわち熱の移動）を抑え、回生時に温度差エネルギーを復水器４に有効に溜めることができ、再加速時のエネルギーとして十分に再利用することができる。

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。

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
３５ ラジエータ
３６ 冷却水通路
３７ 循環ポンプ
３８ 開閉弁
４１ 第１温度センサ
４２ 第２温度センサ
４３ バイパス通路
５０ 通路切替弁

Claims (3)

1. 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通常運転時用の回路を備えた車両用蒸気エンジンであって、前記通常運転時用の回路に加熱器の出口側とポンプの入口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通常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、前記復水器はラジエータとの間で冷却水通路を介して冷却水を循環させる循環ポンプ及び開閉弁を有し、回生時に前記循環ポンプを停止すると共に前記開閉弁を閉にする制御装置を備えていることを特徴とする車両用蒸気エンジン。
2. 前記ラジエータの出口の冷却水温度を検出する第１の温度センサと、前記復水器に接する冷却水温度を検出する第２の温度センサとを更に有し、前記制御装置は、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が高い時には前記循環ポンプを駆動し、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が低い時には前記循環ポンプを停止することを特徴とする請求項１記載の車両用蒸気エンジン。
3. 前記ラジエータの出口の冷却水温度を検出する第１の温度センサと、前記復水器に接する冷却水温度を検出する第２の温度センサとを更に有し、前記冷却水通路に前記循環ポンプの出口側と前記ラジエータの入口側とを接続するバイパス通路を通路切替弁を介して設け、前記制御装置は、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が高い時には前記通路切替弁を冷却水通路側に切り替え、第１の温度センサの検出温度よりも第２の温度センサの検出温度が低い時には前記通路切替弁を前記バイパス通路側に切り替えることを特徴とする請求項１記載の車両用蒸気エンジン。

Images