JP7221876B2 - 内燃エンジン、特に自動車用の内燃エンジンと組み合わされた、閉ループ用、特にランキンサイクルタイプの閉ループ用のターボポンプ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジン、特に自動車用または重量物運搬車用の内燃エンジンと組み合わされた、閉ループ用、特にランキンサイクルタイプの閉ループ用の動的ターボポンプ組立体に関する。

動的ターボポンプは、ポンプとタービンとから構成される組立体であると理解される。

ポンプの特有の特徴によれば、ポンプのロータは、液体状の流体を回転及び加速させる効果があるインペラを形成する複数のラジアルフィンを支持する。ポンプインペラの回転作用によって、流体は軸方向に吸引され、半径方向に加速されて、ターボポンプが一般的に備えるボリュートを通って排出される。同じシャフトでポンプに連結されたタービンは、蒸気状態の流体の圧力を運動エネルギーに変換するための、ディフューザと呼ばれる固定ベーン組立体を有するステータ部から構成される。この運動エネルギーは続いて、タービンのロータ部の可動ベーン組立体を介して機械エネルギーに変換される。タービンのベーンは、タービンの流出口のボリュートを通して排出される流体の膨張を可能にするラジアルフィンで構成される。

タービンの主な構成において、ベーンは、半径方向に延びていることが好ましいが、軸方向に延びる外形を有していてもよい。

広く知られているように、ランキンサイクルは、外部熱源からの熱が作動流体を含む閉ループに伝達される熱力学的サイクルである。サイクル中、作動流体には相変化（液体／蒸気）が起きる。

このタイプのサイクルは、一般に、液体状で使用される作動流体が等エントロピーで圧縮される段階と、続いてこの圧縮された液状流体が熱源と接触し、加熱されて気化される段階とに分割される。

この蒸気は、他の段階で、膨張装置で膨張させられ、最後の段階で、この膨張させられた蒸気が冷却源と接触して冷却されて凝縮される。

これらの様々な段階を実行するために、ループは、液体状の流体を循環させて圧縮するための少なくとも１つのポンプと、圧縮された流体の少なくとも一部を気化させるための高温流体が流動する交換器エバポレータと、この蒸気のエネルギーを電気的または機械的エネルギーなどの他のエネルギーに変換する、タービン等の蒸気を膨張させる膨張装置と、交換器凝縮器とを有する。交換器凝縮器によって、蒸気に含まれる熱が、通常は外気または冷却水回路である、交換器凝縮器を流れる冷却源に放熱され、蒸気を液体状の流体に変換する。

このタイプの回路では、使用する流体は一般的に水であるが、他のタイプの流体、例えば有機流体または有機流体混合物を使用してもよい。このサイクルは有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と呼ばれる。

例として、作動流体としては、ブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボン、アンモニア、二酸化炭素などがあり得る。

周知のように、圧縮流体を気化させるための高温流体には、例えば、液体冷媒（燃焼エンジン、工業プロセス、炉などからの）、燃焼（工業プロセス、ボイラからのガス、燃焼エンジンまたはタービンからの排気ガスなど）による高温ガス、太陽熱集熱装置からの熱流束などの様々な熱源を用いてもよい。

一般に、そして国際公開第２０１３／０４６８８５号にさらに詳しく記載されているように、ポンプとタービンとは１つの構成要素に一体化され、小型のターボポンプを形成する。

ポンプとタービンとに共通するこのターボポンプのシャフトは、通常、クランクシャフトに設けられたプーリとターボポンプシャフトに配置された他のプーリとを囲むベルトによって、内燃エンジンのクランクシャフトと連結されている。

ターボポンプを制御できるようにするため、ターボポンプシャフトとそのプーリとの間には、このプーリをこのシャフトから切り離すための電磁クラッチが設けられている。

この装置は、満足できるものではあるが、幾つかの重要でないとは言えない欠点を含んでいる。

実際、ポンプとタービンとは、それらが結合されるエンジンシャフト速度の倍数に相当する、同じ回転速度で動作する必要があり、この回転速度は、クランクシャフトの駆動プーリの直径と、選択されたターボポンプの直径との比に依存する。

この比は、エンジンのこれらのプーリのサイズによって制限され、このターボポンプの設計で使用できる圧縮及び膨張装置のタイプを条件付け、特に速い動作速度を必要とするドライブシャフトに機械的に結合される動的タービンを用いることを困難にする。

本発明は、ターボポンプを有するランキンサイクル閉ループを、その全ての動作範囲にわたって使用可能にする制御装置によって前述の欠点を克服することを目的とする。

そのため、本発明は、ドライブシャフトを備える内燃エンジン、特に自動車用の内燃エンジンと組み合わされた、閉ループ用、特にランキンサイクルタイプの閉ループ用の動的ターボポンプ組立体であって、前記エンジンの面の１つが、このエンジンの補機と、少なくとも前記補機をドライブシャフトに連結する回転運動伝達ベルト用の少なくとも１つの巻掛けローラとを支持する動的ターボポンプ組立体に関し、前記組立体は、前記ターボポンプのシャフトと前記巻掛けローラとの間に回転運動伝達経路を有することを特徴とする。

前記運動伝達経路は、前記巻掛けローラに結合されたプーリと、前記ターボポンプのシャフトに支持されたプーリと、２つのプーリを連結する、それ自体で閉じたバンドとを有していてもよい。

前記巻掛けローラに連結されたプーリの直径は、前記ターボポンプのシャフトに支持されたプーリの直径と異なっていてもよい。

前記それ自体で閉じたバンドは、ベルトを有していてもよい。

前記それ自体で閉じたバンドは、チェーンを有していてもよい。

前記回転運動伝達経路は、歯車列を有していてもよい。

前記ターボポンプのシャフトは、プーリを含む制御カップリングを支持していてもよい。

前記制御カップリングは、電磁クラッチを有していてもよい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられる以下の説明を読むことで明らかになるであろう。

図１は、ターボポンプを備えた内燃エンジンの補機面を示している。 図２は、図１の２－２線に沿った部分断面図である。

図１は、ドライブシャフト１１を備える、自家用自動車または重量物運搬車タイプの、特に自動車用の内燃エンジン１０を示している。このエンジンは、補機面と呼ばれる面１２を有し、この面は、通常、このエンジン及び／またはこの車両の動作に必要な補機の一部を支持している。

このシステムは、異なる２つの独立した回転運動伝達経路、すなわち補機を駆動するための運動伝達ベルト３２と、運動伝達ベルト３２とは異なる、専用のかつ特定の、ターボポンプ駆動用の第２の回転運動伝達経路４４とを有する。

一例として、この補機面は、エンジン及び／または車両に動力を伝達するための、オルタネータプーリ１６を備えたオルタネータ１４と、このエンジンの冷却システムのためのプーリ２０を備えたウォータポンプ１８と、このエンジンの特定の部品を潤滑するためのプーリ２４を備えたオイルポンプ２２とを支持している。

この補機面は、このエンジンのドライブシャフト１１（またはクランクシャフト）に回転可能に結合されたクランクシャフトプーリ２６もまた有する。この面は、この面に取り付けられたスイベルピンに回転自在に搭載された少なくとも１つの巻掛けローラ、ここでは３つの巻掛けローラ３０、３０’及び３０”もまた支持している。これらの巻掛けローラは、特に回転運動伝達ベルト３２を案内するために使用される。

このベルトは、クランクシャフトの回転運動がこれらの補機に伝達されるように様々なプーリと連結される。

この面は、チェーンまたは結合ベルト４４などの、それ自体で閉じたバンドを介してランキンサイクル型閉ループ４２（図２参照）のターボポンプ４０のシャフト３８で支持されたプーリ３６を回転させるための周知の手段（中心線で示されたネジなど）によって巻掛けローラ３０に回転可能に連結された結合プーリ３４もまた有する。

ターボポンプは、ここでは動的ターボポンプであり、単一のハウジング４６と、制御カップリング５２と、を有している。単一のハウジング４６は、シャフト３８上に設けられポンプと呼ばれる流体循環及び圧縮手段４８を含む部分と、同じくシャフト３８上に設けられたタービンと呼ばれる圧縮流体膨張手段５０を含む他の部分とを収容している。制御カップリング５２はここでは電磁式クラッチであり、シャフト３８で支持され、プーリ３６とこのシャフトとの結合を制御する。

ポンプは、放射状に突出するフィン５６を支持するポンプロータ５４を有し、タービンもまた、放射状に突出するフィン６０が設けられたロータ５８を有する。

図１でより明確に分かるように、ターボポンプは、プーリ３４及び３６、並びにベルト４４を有する回転運動伝達経路Ｔによって巻掛けローラ３０と連結されている。

もちろん、この運動伝達経路は、巻掛けローラに固定されたピニオンと、ターボポンプシャフトに固定された他のピニオンと、必要に応じて少なくとも１つの中間ピニオンとを含む、歯車列を有していてもよい。

このターボポンプは、ブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボンなどの有機作動流体または有機流体混合物を用いる、ＯＲＣ（Organic Rankine Cycle）タイプであることが有利である、ランキンサイクル閉ループ４２の一部である。

閉ループは、アンモニア、水、二酸化炭素などの流体で動作できることも理解されたい。

ポンプ４８を含むターボポンプ部には、液体状の作動流体の流入口６２と、液体状ではあるが高圧下で圧縮されたこの作動流体の流出口６４とが設けられている。

ポンプの流出口６４は、エバポレータと呼ばれる熱交換器６６と接続されており、圧縮された作動流体がこの熱交換器を通過し、圧縮蒸気の形態でこのエバポレータから出力される。

エバポレータは、その熱を作動流体へ与えることができるように、液体または気体状の熱源６８が横断している。この熱源は、例えば内燃エンジン１０の排気ガスまたは他の熱源に由来するものであってもよい。

エバポレータの流出口は、高圧圧縮蒸気の形態の作動流体を受け入れ、低圧膨張蒸気として流出口７２を介して出力されるように、タービン６０を含むターボポンプ部の流入口７０と接続されている。

タービンの流出口７２は冷却熱交換機７４または凝縮器と接続されており、冷却熱交換機７４または凝縮器は、それが受け入れる低圧膨張蒸気を低圧液体状流体へ変換する。この凝縮器は、膨張した蒸気が凝縮して液体へ変化するように、通常は周囲の空気または冷却水の流れである冷却源が流通している。

もちろん、ループの様々な要素は、それらを連続的に接続することを可能にする流体循環ラインによって互いに接続されている。

上述したように、巻掛けローラ３０と結合プーリとからこのようにして構成される組立体は、エンジン補機のベルトとターボポンプ専用のベルトの両方を支える二重プーリを構成する。

結合プーリ３４とターボポンププーリ３６との間の所望のギヤ比を得るために、これらのプーリの直径は、これらのギヤ比を得るようにパラメータ化する必要がある。

例として、そして図１で示すように、結合プーリ３４の直径は、ターボポンププーリ３６の直径の概ね２倍であり、結合プーリに対するターボポンププーリの回転速度は２倍となる。

このような構成は、多くの利点を有する。
‐主補機面を変更することなく、主補機面に要素を追加するのみで、エンジンへ閉ループのターボポンプを機械的に結合することが可能であり、これは特に改造時のエンジンに対する作業を単純化する。
‐閉ループのポンプを動作させるように、エンジンからターボポンプに対する動力伝達を提供する。
‐タービンがポンプで消費されるよりも多くの動力を発生するとき、ターボポンプからエンジンに対する動力伝達を提供する。
‐エンジンで与えられる動作速度でターボポンプのシンプルな制御を可能にする。
‐一連の２つの直列の減速段によって、ターボポンプとエンジンとの間の高い減速比（６－１０）を達成し、動的ターボポンプの十分に高い動作速度を保証して満足のいくタービン効率を提供することを可能にする。動的タイプのタービンは、その損失が特にベーンとホイールケースとの間の内部リークに関連するという特徴がある。高速運転は、これらの内部リークを制限することを可能にするため、タービン性能にとって好ましい。

そのため、動作段階のうちの１つでは、閉ループは起動しておらず、内燃エンジンが動作している。この段階では、クラッチ５２がプーリ３６からシャフト３８を切り離す解除位置にあるため、ターボポンプは駆動されない。結合プーリ３４は巻掛けローラ３０によって回転され、この回転はターボポンプのプーリ３６に再伝達される。クラッチの解除位置を考慮すると、プーリ３６のこの回転はポンプにもタービンにも伝達されない。

閉ループの始動段階では、内燃エンジンが動作しており、ターボポンプのポンプ４８はプライミングを必要とする。そのため、シャフト３８はクラッチ５２によってターボポンプのプーリ３６と連結される。巻掛けローラ３０の回転運動は結合プーリ３４へ伝達され、結合ベルト４４を介してターボポンププーリに順次伝達される。プーリ３４のこの運動は、プーリ３６に連結されたシャフト３８によってポンプに再伝達される。

ループの動作段階の１つでは、タービンがポンプで消費するよりも多くの動力を生み出しているとき、該タービンが内燃エンジンに伝達するエネルギーを生み出す。

この段階では、内燃エンジンが未だ動作しており、シャフト３８はクラッチ５２によってターボポンプのプーリ３６と連結されている。タービン６０で生み出された動力は、ターボポンプのプーリ３６に伝達され、ベルト４４を介して結合プーリ３４に伝達され、このプーリは該動力を巻掛けローラ３０へ伝達する。巻掛けローラの回転は、ベルト３２によって補機に、より詳細にはクランクシャフトのプーリ２６に伝達され、このクランクシャフト、つまり内燃エンジンに出力増大をもたらす。

伝達される動力が不十分になると、すなわちタービンがポンプで消費するよりも少ない動力を生み出すと、ターボポンプはすぐにクラッチの解除によって非動作状態にされる。

本発明は、上述した例に限定されるものではなく、任意の変形を包含する。

その結果、制御カップリングを巻掛けローラ３０と結合プーリ３４との間に配置することができる。

Claims (8)

1. ドライブシャフト（２６）を備える内燃エンジン、特に自動車または重量物運搬車用の内燃エンジン（１２）と組み合わされた、閉ループ用、特にランキンサイクルタイプの閉ループ用の動的ターボポンプ組立体であって、前記エンジンの面の１つ（１０）が、このエンジンの補機（１４，１８，２２）と、少なくとも前記補機をドライブシャフト（２６）に連結する回転運動伝達ベルト（３２）用の少なくとも１つの巻掛けローラ（３０，３０’，３０”）とを支持する組立体において、
   ターボポンプのシャフト（３８）、前記ターボポンプのシャフト（３８）に設けられたポンプ（４８）及び前記ターボポンプのシャフト（３８）に設けられたタービン（５０）を備えた動的ターボポンプを有し、前記ポンプ（４８）及びタービン（５０）が単一のハウジング（４６）に収容され、
   前記ターボポンプのシャフト（３８）と前記巻掛けローラとの間に回転運動伝達経路（Ｔ）を有することを特徴とする組立体。
2. 前記回転運動伝達経路（Ｔ）が、巻掛けローラ（３０）に結合されたプーリ（３４）と、前記ターボポンプのシャフト（３８）に支持されたプーリ（３６）と、２つのプーリを連結する、それ自体で閉じたバンド（４４）とを有することを特徴とする、請求項１に記載の組立体。
3. 前記巻掛けローラ（３０）に連結されたプーリ（３４）の直径が、前記ターボポンプのシャフトに支持されたプーリの直径と異なることを特徴とする、請求項２に記載の組立体。
4. 前記それ自体で閉じたバンドが、ベルト（４４）を有することを特徴とする、請求項２または３に記載の組立体。
5. 前記それ自体で閉じたバンドが、チェーンを有することを特徴とする、請求項２または３に記載の組立体。
6. 前記回転運動伝達経路が、歯車列を有することを特徴とする、請求項１に記載の組立体。
7. 前記ターボポンプのシャフト（３８）が、プーリ（３６）を含む制御カップリング（５２）を支持していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の組立体。
8. 前記制御カップリングが、電磁クラッチ（５２）を有することを特徴とする、請求項７に記載の組立体。

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