KR20130004339A - 내연 기관의 폐열 이용 시스템 및 상기 시스템에 사용하는 모터 제너레이터 장치 - Google Patents

내연 기관의 폐열 이용 시스템 및 상기 시스템에 사용하는 모터 제너레이터 장치 Download PDF

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히로후미 와다
준이치로 카스야
신지 나카무라
코우 츠카모토
히로유키 나가이
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산덴 가부시키가이샤
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Abstract

모터 제너레이터(12)의 내부 로터(16) 및 외부 로터(18) 중 어느 일방을 랭킨 회로(40)의 팽창기(48)에 연결하며, 어느 타방을 내연 기관(2)의 회전축(7)에 연결하도록 하였다.

Description

내연 기관의 폐열 이용 시스템 및 상기 시스템에 사용하는 모터 제너레이터 장치{SYSTEM FOR UTILIZING WASTE HEAT OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND MOTOR GENERATOR DEVICE USING THE SYSTEM}
본 발명은, 내연 기관의 폐열 이용 시스템 및 상기 시스템에 사용하는 모터 제너레이터 장치에 관한 것이며, 상세하게는, 차량의 내연 기관의 폐열을 회수하여 이용하는데 적합한 폐열 이용 시스템 및 상기 시스템에 사용하는 모터 제너레이터 장치에 관한 것이다.
이러한 종류의 폐열 이용 시스템은, 작동 유체로서의 냉매의 순환로에, 내연 기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하여 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 경유한 고압의 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기, 상기 팽창기에 의해 발생한 회전 구동력이 전달되는 피동력 전달 장치, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 증발기로 송출하는 펌프가 순서대로 개장된 랭킨 사이클을 구비하고 있다.
그리고, 예를 들면, 펌프와 팽창기와 피동력 전달 장치로서의 모터 제너레이터를 동축상에 배치하여, 랭킨 사이클의 기동 시에는 모터 제너레이터를 모터로서 기능시켜 펌프를 회전시키는 한편, 냉매의 순환에 의해 팽창기가 자발 회전하기 시작하면 모터 제너레이터를 발전기로서 기능시키는 유체 기계가 개시되어 있다(특허문헌 1).
일본국 공개특허공보 제2005-30386호
상기 특허문헌 1에 개시된 기술에서는, 모터 제너레이터는 모터로서 펌프를 구동시키는 동시에 팽창기의 구동 시에는 발전기로서 기능하도록 구성되어 있지만, 하계 등의 외기(外氣) 온도가 높은 상황하에서는 응축 온도가 상승하여 팽창비가 작고, 팽창기만의 회전력에 의한 발전기로서의 모터 제너레이터의 발전만으로는 차량이 필요로 하는 전력을 충분히 발전할 수 없다는 문제가 있다.
이 경우, 차량이 필요로 하는 전력을 확보하기 위해서는, 종래와 같이 별도의 내연 기관에 의해 구동되는 교류 발전기(alternator)를 차량에 설치하는 것을 고려할 수 있다.
그렇지만, 한 대의 차량에 모터 제너레이터와 종래와 같은 교류 발전기의 두 개의 발전기를 설치하는 것은, 여분으로 설치 공간을 점유하게 되며, 또한 중량이나 비용 증대로 연결되어, 바람직한 것은 아니다.
한편, 차량의 고속 주행 시 등과 같이 응축기에 대한 통풍량이 많아, 응축 온도가 저하하여 팽창비가 커지는 경우에는, 모터 제너레이터에 의한 발전 전력이 남아 버려, 바람직한 것은 아니다.
따라서, 예를 들면, 피동력 전달 장치를 내연 기관으로 하여, 팽창기의 회전 구동력을 무단(無端) 형상의 벨트 등을 통해 직접 내연 기관에 전달하는 동시에 팽창기나 내연 기관의 회전 구동력을 팽창기와 동축 또는 별체로 설치한 교류 발전기에도 전달하는 구성의 폐열 이용 시스템을 고려할 수 있다.
이러한 구성으로 하면, 팽창기의 회전 구동력을 내연 기관에 전달 가능한 동시에, 교류 발전기를 하나 설치한 것만으로 팽창기의 회전 구동력 및 내연 기관의 회전 구동력에 의해 발전을 행하는 것이 가능하다.
그런데, 팽창기의 회전 구동력을 무단 형상의 벨트 등을 통해 직접 내연 기관에 전달하도록 하면, 내연 기관과 팽창기가 동일 회전이 되기 때문에, 팽창기의 회전 구동에 대해 내연 기관의 회전 속도가 큰 경우에는 내연 기관이 강제적으로 팽창기로부터의 작동 유체의 토출량을 증대시켜 버려, 팽창기의 상류측에서 작동 유체를 고압으로 유지하지 못하고, 팽창기의 출력이 저하된다는 문제가 발생한다. 즉, 팽창기의 회전 구동에 대해 내연 기관의 회전 속도가 큰 경우에는, 팽창기의 회전 구동력을 내연 기관이나 교류 발전기에 양호하게 전달하지 못하여, 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
본 발명은, 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 작동 유체를 순환시켜 팽창기에 의해 회전 구동력을 발생 가능한 랭킨 사이클을 구비하여, 팽창기의 회전 에너지로 내연 기관의 구동력을 낭비 없이 효율적으로 어시스트 가능한 동시에 팽창기와 내연 기관의 회전 구동력에 의해 효율적으로 발전을 행하는 것이 가능한 내연 기관의 폐열 이용 시스템 및 상기 시스템에 사용하는 모터 제너레이터 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하도록, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템은, 작동 유체의 순환로에, 내연 기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하여 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 증발기로 송출하는 펌프가 순서대로 개장(介裝)된 랭킨 사이클(Rankine cycle)과, 스테이터의 내측에 내부 로터를 갖는 동시에 외측에 외부 로터를 갖는 모터 제너레이터를 구비하며, 적어도 상기 모터 제너레이터와 상기 팽창기는, 상기 모터 제너레이터의 상기 내부 로터 및 상기 외부 로터 중 어느 일방(一方)의 로터가 상기 팽창기의 회전축에 연결되며, 어느 타방(他方)의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다(청구항 1).
바람직하게는, 상기 타방의 로터는, 보기(補機, auxiliary machine)를 직렬 또는 병렬로 개장하여 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것이 좋다(청구항 2).
또한, 냉매의 순환로에 적어도 내연 기관의 회전 구동력에 의해 냉매를 압축하는 압축기가 개장된 냉동 사이클을 구비하며, 상기 보기는, 상기 압축기인 것이 좋다(청구항 3).
바람직하게는, 상기 압축기는, 가변 용량식 압축기이며, 상기 가변 용량식 압축기의 압축 용량을 상기 냉동 사이클의 작동 상황에 따라 가변 제어하는 압축 용량 제어 수단을 더 구비하는 것이 좋다(청구항 4).
바람직하게는, 내연 기관과 상기 압축기 사이에는, 내연 기관의 운전 상태에 따라 상기 압축기를 통해 내연 기관에 전달되는 상기 모터 제너레이터의 회전 구동력의 단접(斷接)을 행하는 단접 클러치를 갖는 것이 좋다(청구항 5).
이 경우에 있어서, 상기 팽창기 및 상기 펌프는 동축(同軸)으로 하여 일체로 구성되고, 상기 모터 제너레이터와 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프는, 상기 일방의 로터가 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프의 회전축에 연결되며, 상기 타방의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것이 좋다(청구항 6).
바람직하게는, 상기 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 있어서, 상기 팽창기의 회전 또는 내연 기관의 회전에 의해 상기 모터 제너레이터가 발전하는 발전 전력을 축전하는 배터리를 포함하는 전력 회수 수단과, 상기 배터리의 축전량에 근거하여 전력 회수 정도를 제어하는 시스템 제어 수단을 더 구비하는 것이 좋다(청구항 7).
바람직하게는, 상기 전력 회수 수단은, 상기 랭킨 사이클이 발생하는 랭킨 출력을 검출하는 랭킨 출력 검지 수단과, 상기 배터리의 축전량을 검출하는 배터리 축전량 검출 수단과, 상기 모터 제너레이터의 상기 일방의 로터 및 상기 타방의 로터를 각각 모터와 제너레이터로 전환하는 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 구비하고, 상기 시스템 제어 수단은, 상기 전력 회수 수단이 요구하는 배터리 요구 전력을 산출하는 배터리 요구 전력 산출 수단과, 상기 배터리 요구 전력 산출 수단에 의해 산출된 배터리 요구 전력에 따라 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 모터 제너레이터 제어 수단을 포함하며, 상기 배터리 요구 전력 산출 수단에 의해 산출된 배터리 요구 전력이 상기 랭킨 출력 검지 수단에 의해 검출된 랭킨 출력에 상당하는 전력보다 클 때, 상기 모터 제너레이터 제어 수단에 의해, 상기 타방의 로터를 제너레이터로 전환하도록, 한편 배터리 요구 전력이 랭킨 출력에 상당하는 전력 미만일 때, 상기 타방의 로터를 모터로 전환하도록, 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것이 좋다(청구항 8).
바람직하게는, 상기 모터 제너레이터 제어 수단은, 상기 타방의 로터를 제너레이터로 전환할 때에는 제너레이터 출력 목표값에 근거하여 상기 모터 제너레이터를 제어하고, 상기 타방의 로터를 모터로 전환할 때에는 모터 출력 목표값에 근거하여 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것이며, 상기 제너레이터 출력 목표값 및 상기 모터 출력 목표값은, 각각 상기 배터리 요구 전력과 상기 랭킨 출력에 상당하는 전력과의 차(差)의 절대값에 근거하여 설정되는 것이 좋다(청구항 9).
또한, 상기 랭킨 사이클의 전동 보기를 구비하는 동시에, 상기 시스템 제어 수단은, 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력을 제어하는 랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단을 포함하고, 상기 시스템 제어 수단은, 상기 랭킨 출력 검지 수단에 의해 검출된 랭킨 출력에 상당하는 전력이 적어도 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력 미만일 때, 상기 랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단에 의해 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 구동을 정지하며, 랭킨 출력에 상당하는 전력이 적어도 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력보다 클 때, 상기 랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단에 의해 상기 랭킨 사이클의 전동 보기를 구동시키는 것이 좋다(청구항 10).
이 경우에 있어서, 상기 팽창기 및 상기 펌프는 동축으로 하여 일체로 구성되고, 상기 모터 제너레이터와 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프는, 상기 일방의 로터가 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프의 회전축에 연결되며, 상기 타방의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것이 좋다(청구항 11).
그리고, 상기 모터 제너레이터 제어 수단은, 상기 일방의 로터를 모터 또는 제너레이터로 전환하도록 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것이며, 상기 시스템 제어 수단은, 상기 랭킨 출력 검지 수단에 의해 랭킨 출력이 일정 이상일 때에는, 상기 모터 제너레이터 제어 수단에 의해, 상기 일방의 로터를 제너레이터로 전환하도록, 한편 랭킨 출력이 일정 미만일 때에는, 상기 모터 제너레이터 제어 수단에 의해 상기 일방의 로터를 모터로 전환하도록, 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것이 좋다(청구항 12).
또한, 본 발명의 모터 제너레이터 장치는, 작동 유체의 순환로에, 내연 기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하여 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 증발기로 송출하는 펌프가 순서대로 개장된 랭킨 사이클을 구비한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 이용되는 모터 제너레이터 장치이며, 스테이터의 내측에 내부 로터를 갖는 동시에 외측에 외부 로터를 갖는 모터 제너레이터 기구부와, 상기 팽창기와, 내연 기관의 회전축과 연결하는 입출력축을 구비하고, 상기 모터 제너레이터 기구부의 상기 내부 로터 및 상기 외부 로터 중 어느 일방의 로터가 상기 팽창기의 회전축에 연결되며, 어느 타방의 로터가 상기 입출력축에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다(청구항 13).
바람직하게는, 모터 제너레이터 장치에 있어서, 상기 랭킨 사이클의 상기 펌프가 상기 모터 제너레이터 기구부와 상기 팽창기 사이에 설치되어 있고, 상기 펌프 구동축의 일단(一端)이 상기 팽창기에 연결되며, 타단(他端)이 상기 일방의 로터에 연결되어 있는 것이 좋다(청구항 14).
이 경우에 있어서, 상기 펌프와 상기 팽창기 사이에는, 상기 펌프로부터의 회전 구동력은 상기 팽창기에 전달하지 않고, 상기 팽창기로부터의 회전 구동력을 상기 펌프에 전달하는 원 웨이 클러치(one-way clutch)가 개장되어 있는 것이 좋다(청구항 15).
본 발명의 폐열 이용 시스템에 의하면, 랭킨 사이클을 갖는 시스템에 있어서, 스테이터의 내측에 내부 로터를 갖는 동시에 외측에 외부 로터를 갖는 모터 제너레이터를 구비하고, 모터 제너레이터와 랭킨 사이클의 팽창기는, 모터 제너레이터 내부 로터 및 외부 로터 중 어느 일방의 로터가 팽창기의 회전축에 연결되며, 어느 타방의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되도록 구성되어 있다(청구항 1).
따라서, 폐열 이용 시스템을 컴팩트하게 구성하여 공간 절약화를 도모할 수 있는 동시에, 내연 기관의 회전축과 팽창기가 모터 제너레이터의 각 로터와 연결되어 있기 때문에, 내연 기관의 구동력 또는 팽창기의 회전력을 전력으로 변환할 수 있어, 하계 등의 외기 온도가 높은 상황하에서도 차량이 필요로 하는 전력을 모터 제너레이터로 충분히 발전할 수 있다. 또한, 내연 기관의 회전축과 팽창기가 모터 제너레이터를 통해 연결되어 있기 때문에, 내연 기관의 구동력에 의한 회전 속도가 팽창기의 회전 속도보다 큰 경우에도, 팽창기는 영향을 받지 않고, 팽창기의 상류측에서 작동 유체를 고압으로 유지할 수 있어, 팽창기의 회전 에너지에 의해 모터 제너레이터를 통해 내연 기관의 구동력을 어시스트할 수 있다.
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 모터 제너레이터에 보기가 연결된 경우에도, 공간 절약화를 도모하면서, 모터 제너레이터로 충분히 발전할 수 있어, 팽창기의 회전 에너지에 의해 모터 제너레이터를 통해 내연 기관의 구동력을 어시스트할 수 있다(청구항 2).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 랭킨 사이클과 냉동 사이클을 갖는 시스템에 있어서, 모터 제너레이터에 냉동 사이클의 압축기가 연결된 경우에도, 공간 절약화를 도모하면서, 모터 제너레이터로 충분히 발전할 수 있어, 팽창기의 회전 에너지에 의해 모터 제너레이터를 통해 내연 기관의 구동력을 어시스트할 수 있다(청구항 3).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 압축기는, 가변 용량식 압축기이며, 압축 용량 제어 수단에 의해 상기 가변 용량식 압축기의 압축 용량을 냉동 사이클의 작동 상황에 따라 가변 제어하므로, 냉동 사이클의 작동 요구가 작거나 혹은 없는 경우에는, 압축 용량을 저감 혹은 제로로 함으로써 압축기가 불필요한 부하가 되지 않도록 할 수 있어, 팽창기의 회전 에너지에 의해 모터 제너레이터를 통해 내연 기관의 구동력을 어시스트할 수 있다(청구항 4).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 예를 들면 내연 기관의 아이들링 스톱(idlling-stop) 시에 있어서, 단접 클러치를 절단함으로써, 배터리의 축전 전력에 의한 모터 제너레이터의 구동에 의해 압축기를 작동시켜, 냉동 사이클 나아가서는 에어컨을 작동시킬 수 있다(청구항 5).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 팽창기의 회전 에너지로 펌프를 구동시킬 수 있는 동시에, 모터 제너레이터의 모터 기능에 의해, 랭킨 사이클의 기동 시에, 펌프를 구동시키는 것이 가능해져, 작동 유체를 팽창기에 양호하게 공급할 수 있다(청구항 6).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 팽창기의 회전 또는 내연 기관의 회전에 의해 모터 제너레이터로 발전한 발전 전력이 전력 회수 수단에 의해 회수되어 배터리에 축전되며, 시스템 제어 수단에 의해 배터리의 축전량 나아가서는 배터리 요구 전력에 따라 전력 회수 정도가 제어되므로, 모터 제너레이터로 발전한 발전 전력을 효율적으로 회수하여 이용할 수 있다(청구항 7).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 전력 회수 수단은, 랭킨 사이클이 발생하는 랭킨 출력을 검출하는 랭킨 출력 검지 수단과, 배터리의 축전량을 검출하는 배터리 축전량 검출 수단과, 모터 제너레이터의 일방의 로터 및 타방의 로터를 각각 모터와 제너레이터로 전환하는 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 구비하며, 시스템 제어 수단은, 전력 회수 수단이 요구하는 배터리 요구 전력을 산출하는 배터리 요구 전력 산출 수단과, 상기 배터리 요구 전력 산출 수단에 의해 산출된 배터리 요구 전력에 따라 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 모터 제너레이터 제어 수단을 포함하고, 배터리 요구 전력 산출 수단에 의해 산출된 배터리 요구 전력이 랭킨 출력 검지 수단에 의해 검출된 랭킨 출력에 상당하는 전력보다 클 때, 모터 제너레이터 제어 수단에 의해, 타방의 로터를 제너레이터로 전환하도록, 배터리 요구 전력이 랭킨 출력에 상당하는 전력 미만일 때, 타방의 로터를 모터로 전환하도록, 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하므로, 배터리 요구 전력과, 예를 들면 랭킨 출력에 상당하는 모터 제너레이터로 발전한 발전 전력에 근거하여 모터 제너레이터를 효율적으로 제너레이터와 모터로 전환하도록 할 수 있다(청구항 8).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 제너레이터 출력 목표값 및 모터 출력 목표값을 각각 배터리 요구 전력과 랭킨 출력에 상당하는 전력과의 차의 절대값에 근거하여 설정하고, 타방의 로터를 제너레이터로 전환할 때에는 제너레이터 출력 목표값에 근거하여 모터 제너레이터를 제어하고, 타방의 로터를 모터로 전환할 때에는 모터 출력 목표값에 근거하여 모터 제너레이터를 제어하므로, 타방의 로터를 적정하게 제너레이터 혹은 모터로서 작동시킬 수 있다(청구항 9).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 랭킨 출력에 상당하는 전력이 적어도 응축기를 공랭하는 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력 미만일 때, 랭킨 사이클의 전동 보기의 구동을 정지하며, 랭킨 출력에 상당하는 전력이 적어도 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력보다 클 때, 랭킨 사이클의 전동 보기를 구동시키므로, 랭킨 사이클에서의 에너지 손실을 방지할 수 있다(청구항 10).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 시스템 제어 수단에 의해 모터 제너레이터로 발전한 발전 전력을 효율적으로 회수하여 이용하면서, 팽창기의 회전 에너지로 펌프를 구동시킬 수 있는 동시에, 모터 제너레이터의 모터 기능에 의해, 랭킨 사이클의 기동 시에, 펌프를 구동시키는 것이 가능해져, 작동 유체를 팽창기에 양호하게 공급할 수 있다(청구항 11).
또한, 본 발명의 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 랭킨 출력이 일정 이상일 때에는 일방의 로터를 제너레이터로 전환하며, 랭킨 출력이 일정 미만일 때에는 일방의 로터를 모터로 전환하므로, 펌프를 필요 최소한의 입력으로 자립 구동시킬 수 있어, 작동 유체를 팽창기에 양호하게 공급하며 랭킨 사이클을 기동할 수 있다(청구항 12).
본 발명의 모터 제너레이터 장치에 의하면, 랭킨 사이클을 구비한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 이용되는 모터 제너레이터 장치로서, 스테이터의 내측에 내부 로터를 갖는 동시에 외측에 외부 로터를 갖는 모터 제너레이터 기구부와, 팽창기와, 내연 기관의 회전축과 연결하는 입출력축을 구비하고, 모터 제너레이터 기구부의 내부 로터 및 외부 로터 중 어느 일방의 로터가 팽창기의 회전축에 연결되며, 어느 타방의 로터가 입출력축에 연결되어 있다(청구항 13).
따라서, 모터 제너레이터 장치를 컴팩트하게 구성하여 공간 절약화를 도모할 수 있는 동시에, 입출력축과 팽창기가 모터 제너레이터 기구부의 각 로터와 연결되어 있기 때문에, 내연 기관의 구동력 또는 팽창기의 회전력을 전력으로 변환할 수 있어, 하계 등의 외기 온도가 높은 상황하에서도 차량이 필요로 하는 전력을 모터 제너레이터 기구부에 의해 충분히 발전할 수 있다. 또한, 입출력축과 팽창기가 모터 제너레이터 기구부를 통해 연결되어 있기 때문에, 내연 기관의 구동력에 의한 회전 속도가 팽창기의 회전 속도보다 큰 경우에도, 팽창기는 영향을 받지 않고, 팽창기의 상류측에서 작동 유체를 고압으로 유지할 수 있어, 팽창기의 회전 에너지에 의해 모터 제너레이터 기구부를 통해 내연 기관의 구동력을 어시스트할 수 있다.
또한, 본 발명의 모터 제너레이터 장치에 의하면, 팽창기의 회전 에너지로 펌프를 구동시킬 수 있는 동시에, 모터 제너레이터 기구부의 모터 기능에 의해, 랭킨 사이클의 기동 시에, 펌프를 구동시키는 것이 가능해져, 작동 유체를 팽창기에 양호하게 공급할 수 있다(청구항 14).
또한, 본 발명의 모터 제너레이터 장치에 의하면, 모터 제너레이터 기구부의 모터 기능에 의해 펌프가 구동될 때, 팽창기가 불필요하게 모터 제너레이터 기구부의 부하가 되지 않도록 할 수 있다(청구항 15).
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 폐열 이용 시스템의 시스템 제어 루틴을 도시하는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 도시하는 모식도이다.
도 4는 펌프 및 팽창기를 일체화한 유체 기계의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 폐열 이용 시스템의 시스템 제어 루틴을 도시하는 플로우차트이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 도시하는 모식도이다.
도 7은 압축기의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 도시하는 모식도이다.
이하, 도면에 의해 본 발명의 일 실시형태에 대해 설명한다.
먼저, 제 1 실시예를 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
폐열 이용 시스템(1)은, 예를 들면 차량에 탑재되어, 엔진(2; 내연 기관), 전력 회수 회로(10), 냉각수 회로(30), 랭킨 회로(40; 랭킨 사이클)로 구성되어 있다.
전력 회수 회로(10; 전력 회수 수단)는, 모터 제너레이터(12)의 제너레이터 기능에 의한 전력을 배터리(11; 축전지)로 회수하는 동시에, 모터 제너레이터(12)가 갖는 팽창기측 로터 및 출력측 로터 중 팽창기측 로터의 발전 전력과 배터리의 축전량(SOC)을 검지하는 전기 회로이다(랭킨 출력 검지 수단, 배터리 축전량(SOC) 검지 수단). 전력 회수 회로(10)는, 또한 모터 제너레이터(12)의 상기 각 로터를 모터와 제너레이터로 전환하는 것도 가능하며, 각 모터 출력과 각 제너레이터 부하를 변경할 수 있다(모터 제너레이터 출력 가변 수단). 참고로, 전력 회수 회로(10)에 의해 회수된 전력은, 예를 들면 차량의 각종 전기 기기의 구동 전력으로서 이용된다.
전력 회수 회로(10)는 전자 컨트롤 유닛(150; 시스템 제어 수단)(ECU)에 접속되어 있으며, ECU(150)는, 예를 들면 축전량(SOC)의 증감의 변화에 근거하여 배터리 요구 전력량을 산출하고(배터리 요구 전력 산출 수단), 전력 회수 회로(10)를 통해 모터 제너레이터(12)의 각 로터를 모터와 제너레이터로 전환하면서 배터리(11)에 대한 전력 회수 정도 등을 적당히 제어한다(모터 제너레이터 제어 수단). 또한, ECU(150)는, 후술하는 랭킨 회로(40)의 전동 보기인 전동 펌프(49)나 전동 팬(43a)도 적당히 제어한다(랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단). 이에 따라, 전력 회수 회로(10)는, 모터 제너레이터(12)에 의해 발전한 발전 전력을 효율적으로 회수하여 이용할 수 있다.
모터 제너레이터(12; 모터 제너레이터 기구부)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 스테이터(14)의 내측에 내부 로터(16; 일방의 로터)를 갖는 동시에 외측에 외부 로터(18; 타방의 로터)를 가지며, 회전축(15)과 회전축(17)이 서로 역방향으로 연장되고, 내부 로터(16)에 회전축(15)이 연결되며, 외부 로터(18)에 회전축(17)이 연결되어 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 모터 제너레이터(12)는, 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류와 회전축(15)에 의한 내부 로터(16)의 회전과 회전축(17)에 의한 외부 로터(18)의 회전에 따라 상기 제너레이터 기능뿐만 아니라 모터 기능을 각각 내부 로터(16) 및 외부 로터(18)로 자유롭게 발휘하는 것이 가능하다. 참고로, 모터 제너레이터(12)의 구조의 상세에 대해서는 일본국 공개특허공보 평11-275826호 등에서 공지되어 있기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.
냉각수 회로(30)는, 엔진(2)의 냉각수 통로에 연통된 냉각수의 순환로(32)에, 냉각수의 흐름 방향에서 본 순서로, 냉각수 열교환기(34; 증발기), 모두 도시하지 않은 라디에이터(radiator), 자동 온도 조절 장치(thermostat), 워터 펌프(water pump) 등이 개장되어 폐쇄 회로를 구성하며, 엔진(2)을 냉각하고 있다.
랭킨 회로(40)는, 작동 유체의 순환로(42)에, 작동 유체의 흐름 방향에서 본 순서로, 상기 냉각수 열교환기(34), 배기 가스 열교환기(41), 냉각수 열교환기(34)나 배기 가스 열교환기(41)에 의해 가열되어 과열 상태가 되는 작동 유체의 팽창에 의해 회전 구동력을 발생하는 팽창기(48), 랭킨 콘덴서(43; 응축기), 전동 펌프(49; 랭킨 사이클의 전동 보기) 등이 개장되어 폐쇄 회로를 구성하며, 냉각수 열교환기(34)에서 냉각수 회로(30)를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열교환을 행하는 동시에 배기 가스 열교환기(41)에서 엔진(2)의 배기관(3)을 흐르는 배기 가스와의 사이에서 열교환을 행함으로써 엔진(2)의 폐열을 회수하고 있다. 참고로, 전동 펌프(49)는 ECU(150)에 접속되어 있다.
팽창기(48)는, 스크롤형 팽창기이며, 하우징 내에 스크롤 유닛을 수용하여 구성되어 있다.
그리고, 이들 모터 제너레이터(12) 및 랭킨 회로(40)의 팽창기(48)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 모터 제너레이터(12)의 회전축(15)이 팽창기(48)의 회전축(45)에 동축 회전 가능하게 연결되어 있다. 한편, 회전축(25)의 풀리(26)와 엔진(2)의 크랭크 샤프트(7)의 풀리(8)에는 무단 형상의 벨트(9)가 걸어 감겨 있어, 모터 제너레이터(12)의 회전축(17)은 회전축(25; 입출력축) 및 풀리(26)를 통해 엔진(2)의 크랭크 샤프트(7)에 동기 회전 가능하게 연결되어 있다.
여기에, 모터 제너레이터(12), 팽창기(48) 및 회전축(25)에 의해 모터 제너레이터 장치가 구성된다.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진(2)의 크랭크 샤프트(7)와 풀리(8) 사이에는 단접 클러치(6)가 개장되어 있으며, 단접 클러치(6)는 ECU(150)에 접속되어 있다.
또한, 랭킨 콘덴서(43)에는, 랭킨 콘덴서(43)를 공랭하는 전동 팬(43a; 랭킨 사이클의 전동 보기)이 설치되어 있으며, 전동 팬(43a)도 ECU(150)에 접속되어 있다.
이하, 이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템의 작용에 대해 설명한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에서는, 모터 제너레이터(12)는 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류와 회전축(15)에 의한 내부 로터(16)의 회전과 회전축(17)에 의한 외부 로터(18)의 회전에 따라 제너레이터 기능과 모터 기능을 자유롭게 발휘하는 것이 가능하다. 여기서, 외부 로터(18)가 제너레이터 기능 및 모터 기능 중 어느 것을 발휘할지는, 주로 팽창기(48)에 의해 발생하는 회전 구동력에 의한 모터 제너레이터(12), 즉 내부 로터(16)의 회전에 의한 발전 전력량(랭킨 출력)과 ECU(150)에 의해 산출되는 배터리 요구 전력에 의존하고 있다.
도 2를 참조하면, ECU(150)가 실행하는 본 발명의 제 1 실시예에 관한 폐열 이용 시스템의 시스템 제어 루틴이 플로우차트로 도시되어 있으며, 이하 상기 플로우차트에 근거하여, 제 1 실시예에 관한 폐열 이용 시스템의 시스템 제어, 나아가서는 모터 제너레이터(12)의 제너레이터 기능 및 모터 기능의 전환 제어에 대해 상세하게 설명한다.
스텝 S10에서는, 랭킨 출력이 랭킨 회로(40)의 전동 보기인 전동 팬(43a) 및 전동 펌프(49)의 입력보다 큰지의 여부를 판별한다. 실제로는, 모터 제너레이터(12)로부터 전력 회수 회로(10)를 통해 검출되는 랭킨 출력에 상당하는 발전 전력, 예를 들면 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량이, 차속(車速)이나 외기 온도 등의 정보에 근거하여 결정되는 전동 팬(43a)의 입력 전력 및 전동 펌프(49)의 입력 전력보다 큰지의 여부를 판별한다. 판별 결과가 참(Yes)인 경우에는, 스텝 S12로 진행되며, 전동 팬(43a) 및 전동 펌프(49)를 구동하여 스텝 S18로 진행된다. 한편, 판별 결과가 거짓(No)인 경우에는, 스텝 S14로 진행되며, 전동 팬(43a) 및 전동 펌프(49)를 정지하여 스텝 S18로 진행된다.
즉, 랭킨 출력이 전동 팬(43a)의 입력 및 전동 펌프(49)의 입력 미만인 경우에는, 랭킨 회로(40)에서 랭킨 출력보다 전동 팬(43a)의 입력 및 전동 펌프(49)의 입력이 크며, 에너지 손실이 발생하고 있기 때문에, 전동 팬(43a) 및 전동 펌프(49)를 정지한다. 이에 따라 랭킨 회로(40)에서의 에너지 손실을 방지할 수 있다.
스텝 S18에서는, 팽창기측 로터인 내부 로터(16)를 제너레이터로서 작동시키도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 전력 회수 회로(10)에 팽창기측 로터 제너레이터 지령을 행한다. 즉, 전력 회수 회로(10)는 내부 로터(16)가 모터 회로인 경우는 제너레이터 회로로 전기 회로를 전환한다. 이때, 팽창기(48)의 회전 구동력이 최적이 되도록 모터 제너레이터(12)의 부하를 제어한다. 구체적으로는, 흐르는 전류의 양을 조정한다.
스텝 S20에서는, ECU(150)에 의해 산출되는 배터리 요구 전력이 상기 랭킨 출력에 상당하는 전력, 예를 들면 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량보다 큰지의 여부를 판별한다. 판별 결과가 참(Yes)인 경우에는, 스텝 S22로 진행되어, 출력측 로터인 외부 로터(18)를 제너레이터로서 작동시키도록 출력측 로터 제너레이터 지령을 행한다.
예를 들면, 엔진(2)의 냉각 상태 시동 시 등에 있어서는, 엔진(2)이 아직 난기(暖機)되지 않아, 팽창기(48)에 의해 회전 구동력을 발생시킬 수 없으며, 팽창기(48)의 회전 구동력으로는 내부 로터(16)가 회전하지 않아 발전을 행할 수 없다. 혹은, 팽창기(48)의 회전 구동력으로 내부 로터(16)에 의해 발전을 행하는 것이 가능해도, ECU(150)에 의해 산출되는 배터리 요구 전력이 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량보다 큰 경우에는, 내부 로터(16)의 발전 전력량만으로는 배터리 요구 전력을 만족할 수 없다.
고로, 이러한 상황에 있어서, 배터리 요구 전력이 있으며, 배터리 요구 전력이 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량보다 클 때에는, 회전축(25)을 통해 엔진(2)의 구동력으로 모터 제너레이터(12)의 외부 로터(18)를 회전시켜 발전을 행한다. 혹은, 부족분을 엔진(2)의 구동력으로 외부 로터(18)를 회전시켜 발전을 행함으로써 보충하도록 한다.
구체적으로는, 스텝 S24에 있어서, 배터리 요구 전력과 랭킨 출력에 상당하는 전력 차의 절대값으로서 제너레이터 출력 목표값을 설정하며, 외부 로터(18)에 의한 제너레이터로서의 출력이 제너레이터 출력 목표값이 되도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 외부 로터(18)를 제너레이터로서 작동시킨다. 이에 따라, 외부 로터(18)를 적정하게 제너레이터로서 작동시킬 수 있다.
한편, 스텝 S20의 판별 결과가 거짓(No)인 경우에는, 스텝 S26으로 진행되어, 출력측 로터인 외부 로터(18)를 모터로서 작동시키도록 출력측 로터 모터 지령을 행한다.
ECU(150)에 의해 산출되는 배터리 요구 전력이 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량보다 작은 경우에는, 내부 로터(16)의 발전 전력량만으로 배터리 요구 전력을 만족하는 것이 가능하다. 그리고, 이때, 배터리 요구 전력에 대해 내부 로터(16)의 발전 전력량에 잉여 전력이 발생하게 되는데, 이 잉여 전력을 이용하여 외부 로터(18)를 회전시킬 수 있다.
따라서, 배터리 요구 전력이 랭킨 출력에 상당하는 전력 미만일 때, 예를 들면 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량이 배터리 요구 전력 이상일 때에는, 팽창기(48)의 회전 에너지에 의해 엔진(2)의 회전 구동력을 어시스트한다.
구체적으로는, 스텝 S28에 있어서, 배터리 요구 전력과 랭킨 출력에 상당하는 전력 차의 절대값으로서 모터 출력 목표값을 설정하며, 외부 로터(18)에 의한 모터로서의 출력이 모터 출력 목표값이 되도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 외부 로터(18)를 모터로서 작동시킨다. 이에 따라, 외부 로터(18)를 적정하게 모터로서 작동시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에서는, 랭킨 회로(40)의 팽창기(48)와 내부 로터(16)와 외부 로터(18)를 갖는 모터 제너레이터(12)를, 모터 제너레이터(12)가 엔진(2)의 풀리(8)와 팽창기(48) 사이에 직렬로 위치하도록 연결하며, 엔진(2)의 풀리(8)와 풀리(26)에 무단 형상의 벨트(9)를 걸어 감아, 랭킨 회로(40)의 랭킨 출력에 따라 모터 제너레이터(12)를 제너레이터 혹은 모터로서 기능시키도록 하고 있다.
따라서, 별도 교류 발전기를 설치하는 일 없이, 이들 모터 제너레이터(12), 팽창기(48) 및 회전축(25; 모터 제너레이터 장치)을 컴팩트하게 구성하여, 팽창기(48)의 회전 구동력의 부족분을 엔진(2)의 회전 구동력으로 보충하면서 모터 제너레이터(12)를 교류 발전기로서 사용하거나, 혹은 내부 로터(16)의 회전에 의한 발전 전력량에 따라 용이하게 하여 낭비 없이 효율적으로 팽창기(48)의 회전 에너지로 엔진(2)의 회전 구동력을 어시스트하거나 할 수 있다. 예를 들면, 하계 등의 외기 온도가 높은 상황하에서도 차량이 필요로 하는 전력을 모터 제너레이터(12)로 충분히 발전할 수 있으며, 또한, 엔진(2)의 구동력에 의한 회전 속도가 팽창기(48)의 회전 속도보다 큰 경우에도, 팽창기(48)에 영향을 미치는 일 없이 팽창기(48)의 상류측에서 작동 유체를 고압으로 유지할 수 있어, 팽창기(48)의 회전 에너지에 의해 모터 제너레이터(12)를 통해 엔진(2)의 구동력을 어시스트할 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 공간 절약화를 도모하면서, 모터 제너레이터(12)에 의한 발전과 팽창기(48)의 회전 에너지에 의한 엔진(2)의 구동력의 어시스트를 효율적으로 양립할 수 있다.
다음으로, 제 2 실시예를 설명한다.
도 3은, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
제 2 실시예에서는, 랭킨 회로(40)에 작동 유체를 순환시키는 펌프와 팽창기를 동축 회전 가능하게 한 점이 제 1 실시예와 상이하며, 이하, 상기 제 1 실시예와 상이한 부분에 대해 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 랭킨 회로(40)의 펌프(46)는, 냉각수 열교환기(34)와 랭킨 콘덴서(43) 사이에 개장되어 있으며, 펌프(46)와 팽창기(48)는 동축 회전 가능하게 유체 기계(44)로서 일체로 구성되어 있다.
도 4를 참조하면, 유체 기계(44)의 종단면도가 도시되어 있으며, 이하 유체 기계(44)의 구성에 대해 보다 상세하게 설명한다.
펌프(46)는, 작동 유체를 순환로(42)에 순환시키도록 회전축(45)에 의해 회전 구동되는, 예를 들면 가변 용량식 펌프이며, 회전축(45)에 의해 회전 가능하게 설치되어 있다.
팽창기(48)는, 상기 제 1 실시예와 같은 스크롤형 팽창기이며, 하우징(47) 내에 스크롤 유닛을 수용하여 구성되어 있다.
스크롤 유닛은, 고정 스크롤(90)과, 고정 스크롤(90)에 대해 공전 선회 운동하는 가동 스크롤(92)로 구성되어 있다.
가동 스크롤(92)의 고정 스크롤(90)과 반대측의 배면(背面)에는 보스부(94)가 형성되며, 보스부(94) 내에는 래디얼 베어링(95; radial bearing)을 통해 편심 부시(96)가 삽입되어 있다.
편심 부시(96)에는, 크랭크 핀(98)이 삽입되고, 크랭크 핀(98)은 회전축(45)의 스크롤 유닛측의 단부에 축심으로부터 편심한 위치에서 연결되어 있으며, 이에 따라 가동 스크롤(92)은 자전하는 일 없이 공전 선회 운동한다.
또한, 회전축(45)의 스크롤 유닛측의 단부와 크랭크 핀(98)은, 팽창기(48)의 가동 스크롤(92)의 회전은 회전축(45)에 전달되는 한편 역(逆)으로는 전달되지 않는 원 웨이 클러치(100)를 통해 연결되어 있다. 고로, 회전축(45)의 회전 속도가 가동 스크롤(92)의 선회 속도보다 빠른 경우에는 회전축(45)의 회전은 가동 스크롤(92), 즉 팽창기(48)에는 전달되지 않고, 가동 스크롤(92)의 선회 속도가 회전축(45)의 회전 속도보다 빠른 경우에만 가동 스크롤(92), 즉 팽창기(48)측으로부터 회전축(45)으로 회전이 전달된다.
이에 따라, 랭킨 회로(40)에서는, 작동 유체가 펌프(46)로부터 냉각수 열교환기(34), 배기 가스 열교환기(41), 팽창기(48), 랭킨 콘덴서(43)를 거쳐 펌프(46)로 돌아오도록 하여 순환로(42)를 순환하며, 작동 유체의 팽창에 의해 팽창기(48)에서 회전 구동력이 발생한다.
이와 같이, 제 2 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에서는, 랭킨 회로(40)에 작동 유체를 순환시키는 펌프(46)와 팽창기(48)를 유체 기계(44)로서 일체로 설치하고 있다.
여기서, 제 2 실시예에서는, 모터 제너레이터(12), 펌프(46), 팽창기(48) 및 회전축(25)에 의해 모터 제너레이터 장치가 구성된다.
도 5를 참조하면, ECU(150)가 실행하는 본 발명의 제 2 실시예에 관한 폐열 이용 시스템의 시스템 제어 루틴이 플로우차트로 도시되어 있으며, 이하 상기 플로우차트에 근거하여 제 2 실시예에 관한 폐열 이용 시스템의 시스템 제어, 나아가서는 모터 제너레이터(12)의 제너레이터 기능 및 모터 기능의 전환 제어에 대해 상세하게 설명한다.
제 2 실시예에서는 펌프(46)는 팽창기(48)와 일체로 구성되어 있기 때문에, 랭킨 회로(40)의 전동 보기는 전동 팬(43a)뿐이다. 고로, 스텝 S10'에서는, 랭킨 출력이 전동 팬(43a)의 입력보다 큰지의 여부를 판별한다. 실제로는, 모터 제너레이터(12)로부터 전력 회수 회로(10)를 통해 검출되는 랭킨 출력에 상당하는 전력, 예를 들면 펌프(46)를 구동시킨 다음의 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량이, 차속이나 외기 온도 등의 정보에 근거하여 결정되는 전동 팬(43a)의 입력 전력보다 큰지의 여부를 판별한다. 판별 결과가 참(Yes)인 경우에는, 스텝 S12'로 진행되며, 전동 팬(43a)을 구동하여 스텝 S16으로 진행된다. 한편, 판별 결과가 거짓(No)인 경우에는, 스텝 S14'로 진행되며, 전동 팬(43a)을 정지하여 스텝 S18로 진행된다.
즉, 랭킨 출력이 전동 팬(43a)의 입력 미만인 경우에는, 랭킨 회로(40)에 있어서 랭킨 출력보다 전동 팬(43a)의 입력이 크며, 에너지 손실이 발생하고 있기 때문에, 전동 팬(43a)을 정지한다. 이에 따라 랭킨 회로(40)에서의 에너지 손실을 방지할 수 있다.
다음의 스텝 S16에서는, 랭킨 회로(40)가 자립 작동할 수 있는지의 여부, 즉 펌프측 로터가 외부 입력 없이 작동할 수 있는지의 여부를 판별한다. 즉, 팽창기(48)에 의해 회전 구동력이 발생하고 있으며, 펌프측 로터인 내부 로터(16)가 회전하여 발전을 행하고 있는지의 여부를 판별한다. 구체적으로는, 내부 로터(16)가 제너레이터로서 기능하고 있을 때에는 내부 로터(16)의 발전에 의한 출력 전류가 일정 이상인지의 여부에 근거하며, 또는 내부 로터(16)가 모터로서 기능하고 있을 때에는 내부 로터(16)를 팽창기(48)가 어시스트하여 내부 로터(16)를 작동시키는 모터 전류가 소정값 이하(내부 로터(16)의 발전에 의한 출력 전류가 일정 이상으로 동의)가 되는지의 여부에 근거하여 랭킨 회로(40)가 자립 작동할 수 있는지의 여부를 판별한다.
스텝 S16의 판별 결과가 참(Yes)인 경우에는, 스텝 S18로 진행되며, 펌프측 로터인 내부 로터(16)를 제너레이터로서 작동시키도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 전력 회수 회로(10)에 펌프측 로터 제너레이터 지령을 행한다. 즉, 전력 회수 회로(10)는 내부 로터(16)가 모터 회로인 경우는 제너레이터 회로로 전기 회로를 전환한다. 이때, 팽창기(48)의 회전 구동력이 최적이 되도록 모터 제너레이터(12)의 부하를 제어한다. 구체적으로는, 흐르는 전류의 양을 조절한다.
한편, 스텝 S16의 판별 결과가 거짓(No)인 경우에는, 스텝 S19로 진행되며, 펌프측 로터인 내부 로터(16)를 모터로서 작동시키도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 펌프측 로터 모터 지령을 행한다. 즉, 제 2 실시예에서는 펌프(46)는 팽창기(48)와 일체로 구성되어 있기 때문에, 랭킨 회로(40)가 자립 작동하지 않는 경우에는, 모터 제너레이터(12)의 내부 로터(16)를 모터로서 기능시켜 펌프(46)를 모터 제너레이터(12)로 작동시키도록 한다.
이에 따라, 랭킨 회로(40)의 기동 시에, 모터 제너레이터(12)로 펌프(46)를 작동시켜, 작동 유체를 순환로(42) 내에서 순환시키도록 할 수 있다.
스텝 S20에서는, 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, ECU(150)에 의해 산출되는 배터리 요구 전력이 상기 랭킨 출력에 상당하는 전력, 예를 들면 팽창기(48)에 의한 내부 로터(16)의 발전 전력량보다 큰지의 여부를 판별한다. 스텝 S20의 판별 결과가 참(Yes)인 경우에는, 스텝 S22로 진행되며, 출력측 로터인 외부 로터(18)를 제너레이터로서 작동시키도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 출력측 로터 제너레이터 지령을 행하는 한편, 판별 결과가 거짓(No)인 경우에는, 스텝 S26으로 진행되며, 출력측 로터인 외부 로터(18)를 모터로서 작동시키도록 스테이터(14)로 흐르는 복합 전류의 특성을 변경하여 출력측 로터 모터 지령을 행한다.
이와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 랭킨 회로(40)에 펌프(46)를 설치한 경우에도, 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 공간 절약화를 도모하면서, 모터 제너레이터(12)에 의한 발전과 팽창기(48)의 회전 에너지에 의한 엔진(2)의 구동력의 어시스트를 효율적으로 양립할 수 있다.
또한, 모터 제너레이터(12)는 외부 로터(18)에 의한 발전 전력의 일부에 의해 스테이터(14)를 통해 내부 로터(16)에 모터 기능을 발휘시키는 것이 가능하기 때문에, 특히 제 2 실시예에서는, 내부 로터(16)에 발생한 회전 구동력으로 유체 기계(44)의 펌프(46)를 강제 작동시키는 것이 가능하다. 이에 따라 작동 유체를 순환로(42) 내에서 순환시켜, 작동 유체를 팽창기(48)로 양호하게 공급하여 랭킨 회로(40)를 기동할 수 있다. 예를 들면, 랭킨 회로(40)의 기동 시에, 내부 로터(16)를 모터로서 작동시켜 펌프(46)를 구동시키는 것이 가능해지며, 작동 유체를 팽창기(48)로 양호하게 공급하여 랭킨 회로(40)를 기동할 수 있다.
참고로, 펌프(46)를 강제 작동시킬 때, 회전축(45)과 팽창기(48)의 크랭크 핀(98) 사이에는 원 웨이 클러치(100)가 개장되어 있으므로, 팽창기(48)에 대해서는 불필요하게 모터 제너레이터(12)가 부하가 되는 일은 없다.
다음으로, 제 3 실시예를 설명한다.
도 6은, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
제 3 실시예에서는, 에어컨 회로(20; 냉동 사이클)를 더 구비하고, 에어컨 회로(20)의 압축기(24; 컴프레서(compressor))를 모터 제너레이터(12)에 연결한 점이 제 2 실시예와 상이하며, 이하, 상기 제 2 실시예와 상이한 부분에 대해 설명한다.
상기 도면에 도시한 바와 같이, 이들 에어컨 회로(20)의 압축기(24), 모터 제너레이터(12), 및 랭킨 회로(40)의 펌프(46)와 팽창기(48)를 일체화한 유체 기계(44)는, 모터 제너레이터(12)의 회전축(15)이 유체 기계(44)의 회전축(45)에 동축 회전 가능하게 연결되는 한편, 모터 제너레이터(12)의 회전축(17)이 압축기(24)의 회전축(25)에 동축 회전 가능하게 연결되어 구성되어 있다. 그리고, 회전축(25)의 풀리(26)와 엔진(2)의 크랭크 샤프트(7)의 풀리(8)에 무단 형상의 벨트(9)가 걸어 감겨 있다.
에어컨 회로(20)는, 냉매의 순환로(22)에, 냉매의 흐름 방향에서 본 순서로, 압축기(24; 컴프레서), 모두 도시하지 않은 에어컨 콘덴서, 기액(氣液) 분리기, 팽창 밸브, 증발기 등이 개장되어 폐쇄 회로를 구성하고 있으며, 상기 증발기에 차 실내의 공기를 통풍하여 냉매와의 사이에서 열교환시킴으로써, 예를 들면 차량의 차 실내의 공조를 행하고 있다.
여기서, 압축기(24)는, 주로 무단 형상의 벨트(9) 및 풀리(26)를 통해 회전축(25)에 전달된 엔진(2)의 회전 구동력에 의해 구동되며, 상기 증발기에 의해 증발한 냉매를 압축하여 과열 증기 상태로 한다. 그리고, 압축기(24)로부터 토출되는 냉매는, 상기 에어컨 콘덴서에 의해 응축 액화되며, 상기 액화된 액냉매는 상기기액 분리기를 거쳐 상기 팽창 밸브에 의해 팽창된 후에 상기 증발기를 향해 송출된다.
도 7을 참조하면, 압축기(24)의 종단면도가 도시되어 있으며, 이하 압축기(24)의 구성에 대해 보다 상세하게 설명한다.
상기 도면에 도시한 바와 같이, 압축기(24)에는 회전축(25)이 관통하고 있으며, 회전축(25)의 일단에 풀리(26)가 부착되어 있다.
압축기(24)는, 가변 용량형 사판(斜板) 압축기이며, 하우징(50)의 일단에 실린더 블록(52), 밸브 플레이트(54) 및 실린더 헤드(56)가 이 순서로 기밀(氣密)하게 설치되어 구성되어 있다. 그리고, 하우징(50)과 실린더 블록(52) 사이에는 크랭크실(58)이 형성되어 있다.
실린더 헤드(56)에는, 흡입 포트 및 토출 포트가 형성되며, 실린더 헤드(56)의 내부에는, 흡입 포트 또는 토출 포트에 연통되는 흡입실(60) 및 토출실(62)이 형성되어 있다.
흡입실(60)은, 흡입 리드 밸브(미도시)를 통해 실린더 블록(52)의 각 실린더 보어(64)에 연통되어 있으며, 토출실(62)은, 토출 리드 밸브(63)를 통해 각 실린더 보어(64)에 연통되어 있다. 참고로, 토출실(62)은, 도시하지는 않았지만, 연통로를 통해 크랭크실(58)과 연통되며, 이 연통로에는 전자 밸브가 배치되어 있다. 이 전자 밸브는, ECU(150)에 전기적으로 접속되며, ECU(150)의 제어에 의해 개폐 작동하여, 토출실(62)과 크랭크실(58)을 단속적으로 연통 가능하다.
실린더 블록(52)의 각 실린더 보어(64) 내에는, 크랭크실(58)측으로부터 피스톤(66)이 왕복운동 가능하게 삽입되며, 피스톤(66)의 테일부(tail)는, 크랭크실(58) 내로 돌출되어 있다.
한편, 회전축(25)은, 크랭크실(58), 실린더 블록(52), 밸브 플레이트(54) 및 실린더 헤드(56)를 관통하고, 2개의 래디얼 베어링(27, 28)을 통해 하우징(50) 및 실린더 블록(52)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 참고로, 회전축(25)에는, 래디얼 베어링(27)보다 풀리(26)측에 위치하여 립 시일(29)이 부착되어 있다.
회전축(25)과 상기 피스톤(66)의 테일부 사이에는, 회전축(25)의 회전 운동을 피스톤(66)의 왕복 운동으로 변환하기 위한 변환 기구가 설치되어 있다.
변환 기구로서, 먼저 회전축(25)에는 원반(圓盤) 형상의 로터(70)가 고정되며, 로터(70)와 하우징(50) 사이에는 스러스트 베어링(72; thrust bearing)이 배치되어 있다.
그리고, 회전축(25)의 로터(70)와 실린더 블록(52) 사이의 부분에는, 원통 형상의 사판 보스(74)가 외측에 끼워지며, 사판 보스(74)는 힌지(76)를 통해 로터(70)에 연결되어 있다. 상세하게는, 사판 보스(74)의 내주면은 구 형상의 오목면을 이루고 있으며, 사판 보스(74)는, 회전축(25)에 슬라이딩 가능하게 외측에 끼워진 슬리브(78)의 구 형상의 외주면에 슬라이딩 접촉하고 있다. 즉, 사판 보스(74)는, 회전축(25)에 대해 경사 이동 가능한 동시에, 회전축(25)과 일체로 회전 가능하다. 또한, 슬리브(78)와 로터(70) 사이에는 회전축(25)에 외측에 끼워지는 압축 코일 스프링(79)이 설치되어 있다.
사판 보스(74)에는 링 형상의 사판(80)이 끼움결합되어 일체로 회전 가능하게 고정되며, 사판(80)의 외주부는 피스톤(66)의 테일부에 형성된 오목한 부분 내에 위치결정되어 있다. 각 테일부의 오목한 부분에는 피스톤(66)의 축선 방향으로 이격(離間)된 한 쌍의 구면(球面) 시트가 형성되며, 구면 시트에 배치된 한 쌍의 반구 형상의 슈(82)가, 사판(80)을 두께 방향 양측으로부터 끼우도록 사판(80)의 외주부에 슬라이딩 접촉하고 있다.
이에 따라, 압축기(24)에서는, 회전축(25)이 회전하면, 회전 운동이 변환 기구, 즉 로터(70), 힌지(76), 사판 보스(74), 사판(80) 및 슈(82)를 통해 피스톤(66)의 왕복 운동으로 변환된다. 그리고, 각 피스톤(66)의 왕복 운동에 의해, 흡입실(60) 내의 냉매가 흡입 리드 밸브를 통해 실린더 보어(64)로 흡입되어 실린더 보어(64) 내에서 압축되며, 압축된 냉매가 토출 리드 밸브(63), 토출실(62)을 거쳐 순환로(22)로 토출된다.
이때, 압축기(24)로부터 토출되는 냉매의 토출량은, ECU(150)에 의한 상기 전자 밸브의 개폐에 의해 크랭크실(58) 내의 압력(배압)이 승강함에 따라 변화한다. 상세하게는, 피스톤(66)에 작용하는 압축 반력, 배압(back pressure) 및 사판(80)에 작용하는 압축 코일 스프링(79)의 가압력(urging force)의 밸런스의 변화에 따라 사판(80)이 경사 이동하며, 각 피스톤(66)의 스트로크(stroke) 길이가 증감함으로써 냉매의 토출 용량(압축 용량)이 증감 변화한다(압축 용량 제어 수단).
따라서, 예를 들면 에어컨 회로(20)를 작동시킬 필요가 없는 경우나 에어컨 회로(20)의 출력을 억제하고자 하는 경우이며 에어컨 회로(20)의 작동 요구가 작거나 혹은 없는 경우에는, 상기 전자 밸브의 개방도에 의해 배압을 상승시킴으로써 사판(80)의 경사 정도를 작게 하고, 냉매의 토출 용량을 저감함으로써, 압축기(24)의 작동을 제한 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에서는, 에어컨 회로(20)의 압축기(24), 내부 로터(16)와 외부 로터(18)를 갖는 모터 제너레이터(12) 및 랭킨 회로(40)의 펌프(46)와 팽창기(48)를 일체화한 유체 기계(44)를, 모터 제너레이터(12)의 회전축(15)이 유체 기계(44)의 회전축(45)에 동축 회전 가능하게 연결되는 한편, 모터 제너레이터(12)의 회전축(17)이 압축기(24)의 회전축(25)에 동축 회전 가능하게 연결되도록 구성하고 있다.
참고로, 폐열 이용 시스템의 시스템 제어 루틴에 대해서는, 제 3 실시예에 있어서도 상기 도 5의 플로우차트가 그대로 적용된다.
따라서, 본 발명의 제 3 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 의하면, 에어컨 회로(20)의 압축기(24)를 설치하는 경우에도, 상기와 같이, 별도의 교류 발전기를 설치하는 일 없이, 공간 절약화를 도모하면서, 이들 압축기(24), 모터 제너레이터(12) 및 유체 기계(44)를 컴팩트하게 구성하여, 팽창기(48)의 회전 구동력의 부족분을 엔진(2)의 회전 구동력으로 보충하면서 모터 제너레이터(12)를 교류 발전기로서 사용하거나, 혹은 내부 로터(16)의 회전에 의한 발전 전력량에 따라 용이하게 하여 낭비 없이 효율적으로 팽창기(48)의 회전 에너지로 압축기(24)나 엔진(2)의 회전 구동력을 어시스트하거나 할 수 있어, 모터 제너레이터(12)에 의한 발전과 팽창기(48)의 회전 에너지에 의한 엔진(2)의 구동력의 어시스트를 효율적으로 양립할 수 있다.
또한, 압축기(24)를 가변 용량형 사판 압축기로 함으로써, 에어컨 회로(20)의 작동 요구가 작거나 혹은 없는 경우에는, 압축기(24)가 불필요하게 부하가 되지 않도록 할 수 있어, 팽창기(48)의 회전 에너지로 엔진(2)의 회전 구동력을 양호하게 어시스트할 수 있다.
이때, 압축기(24)는 가변 용량형 사판 압축기이며, 압축기(24)의 토출 용량을 에어컨 회로(20)의 작동 상황에 따라 가변 제어하므로, 에어컨 회로(20)의 작동 요구가 작거나 혹은 없는 경우에는, 압축기(24)의 토출 용량을 저감 혹은 제로로 하여 압축기(24)의 작동을 제한하며 부하가 되지 않도록 할 수 있어, 팽창기(48)의 회전 에너지로 엔진(2)의 회전 구동력을 양호하게 어시스트할 수 있다.
참고로, 여기에서는 펌프(46)와 팽창기(48)를 일체화한 유체 기계(44)를 구비한 제 2 실시예의 구성에 에어컨 회로(20)의 압축기(24)를 부가하고 있지만, 펌프(46)를 갖지 않는 팽창기(48)만으로 이루어진 제 1 실시예의 구성에 압축기(24)를 부가하도록 해도 된다.
또한, 예를 들면 엔진(2)의 아이들링 스톱 시에 있어서는, 단접 클러치(6)를 절단하도록 하여, 압축기(24)를 통해 엔진(2)에 전달되는 모터 제너레이터(12)의 회전 구동력을 차단하도록 한다.
이와 같이 아이들링 스톱 시에 있어서 단접 클러치(6)를 절단함으로써, 아이들링 스톱 시이며 엔진(2)이 일시 정지하고 있는 경우에도, 배터리(11)의 축전 전력에 의해 모터 제너레이터(12)를 구동시켜, 압축기(24)를 작동시킬 수 있어, 에어컨 회로(20)를 양호하게 작동시킬 수 있다.
참고로, 본 실시예에서는, 압축기(24)가 모터 제너레이터(12)에 직렬로 연결되어 있지만, 예를 들면, 도 1, 도 3의 구성에서 압축기(24)가 풀리(26)와 병렬로 연결 또는 벨트(9)에 접하여 구동되고 있어도 되며, 이에 따라, 예를 들면 아이들링 스톱 시에 있어서, 단접 클러치(6)를 절단함으로써, 배터리(11)의 축전 전력에 의해 모터 제너레이터(12)를 구동시켜, 압축기(24)를 작동시킬 수 있어, 에어컨 회로(20)를 양호하게 작동시킬 수 있다.
다음으로, 제 4 실시예를 설명한다.
도 8은, 본 발명의 제 4 실시예에 관한 내연 기관의 폐열 이용 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
제 4 실시예에서는, 에어컨 회로(20)의 압축기(24)에 대신하여 엔진(2)에 의해 구동되는 보기(24')를 모터 제너레이터(12)에 연결한 점이 제 3 실시예와 상이하다. 단, 폐열 이용 시스템의 시스템 제어 루틴에 대해서는, 제 3 실시예와 마찬가지로 상기 도 5의 플로우차트가 그대로 적용된다.
여기에, 엔진(2)에 의해 구동되는 보기(24')로서는, 예를 들면 파워 스티어링(power steering)에 사용되는 오일 펌프 등이 해당하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 에어컨 회로(20)의 압축기(24)에 대신하여 엔진(2)에 의해 구동되는 보기(24')를 모터 제너레이터(12)에 연결한 경우에도, 상기와 같이, 공간 절약화를 도모하면서, 모터 제너레이터(12)에 의한 발전과 팽창기(48)의 회전 에너지에 의한 엔진(2)의 구동력의 어시스트를 효율적으로 양립할 수 있다.
이상으로 본 발명의 일 실시형태에 대한 설명을 마치지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경을 할 수 있는 것이다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는, 모터 제너레이터(12)의 내부 로터(16)를 회전축(15)을 통해 팽창기(48) 혹은 유체 기계(44)에 연결하고, 외부 로터(18)를 회전축(17)을 통해 풀리(26)나 압축기(24) 혹은 보기(24')에 연결하도록 하고 있지만, 반대로, 내부 로터(16)를 풀리(26)나 압축기(24) 혹은 보기(24')에 연결하고, 외부 로터(18)를 팽창기(48) 혹은 유체 기계(44)에 연결하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 압축기(24)를 가변 용량형 사판 압축기로 했지만, 압축기(24)는 가변 용량식 압축기이면 사판 압축기로 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시형태에서는, 엔진(2)의 풀리(8)와 회전축(25)의 풀리(26)에 무단 형상의 벨트(9)를 걸어 감아 서로 연결하도록 하고 있지만, 엔진(2)의 다른 보기로서 예를 들면 냉각 팬, 슈퍼차져(supercharger), 워터 펌프 등을 설치하고 있는 경우에는, 이들 다른 보기의 풀리를 벨트(9)에 걸어 감는 것을 제한하는 것은 아니다. 또한, 벨트(9)에 대신하여, 엔진(2)의 풀리(8), 회전축(25)의 풀리(26) 및 다른 보기를 기어 등에 의해 연결해도 된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 랭킨 회로(40)는, 냉각수 열교환기(34)를 통해 냉각수 회로(30)를 순환하는 냉각수와의 사이에서 열교환을 행하는 동시에 배기 가스 열교환기(41)를 통해 엔진(2)의 배기관(3)을 흐르는 배기 가스와의 사이에서 열교환을 행함으로써 엔진(2)의 폐열을 회수하고 있지만, 어느 일방에 의해 엔진(2)의 폐열을 회수하도록 해도 된다.
1 : 폐열 이용 시스템
2 : 엔진
8, 26 : 풀리
9 : 벨트
10 : 전력 회수 회로
12 : 모터 제너레이터
14 : 스테이터
15, 17 : 회전축
16 : 내부 로터(일방의 로터)
18 : 외부 로터(타방의 로터)
20 : 에어컨 회로(냉동 사이클)
24 : 압축기
24' : 보기
25 : 회전축
30 : 냉각수 회로
40 : 랭킨 회로(랭킨 사이클)
43 : 랭킨 콘덴서(응축기)
43a : 전동 팬
44 : 유체 기계
46 : 펌프
45 : 회전축
48 : 팽창기
49 : 전동 펌프
150 : ECU

Claims (15)

  1. 내연 기관의 폐열 이용 시스템으로서,
    작동 유체의 순환로에, 내연 기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하여 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 증발기로 송출하는 펌프가 순서대로 개장(介裝)된 랭킨 사이클(Rankine cycle)과,
    스테이터의 내측에 내부 로터를 갖는 동시에 외측에 외부 로터를 갖는 모터 제너레이터를 구비하며,
    적어도 상기 모터 제너레이터와 상기 팽창기는, 상기 모터 제너레이터의 상기 내부 로터 및 상기 외부 로터 중 어느 일방(一方)의 로터가 상기 팽창기의 회전축에 연결되며, 어느 타방(他方)의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타방의 로터는, 보기(補機, auxiliary machine)를 직렬 또는 병렬로 개장하여 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    냉매의 순환로에 적어도 내연 기관의 회전 구동력에 의해 냉매를 압축하는 압축기가 개장된 냉동 사이클을 더 구비하며,
    상기 보기는, 상기 압축기인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축기는, 가변 용량식 압축기이며,
    상기 가변 용량식 압축기의 압축 용량을 상기 냉동 사이클의 작동 상황에 따라 가변 제어하는 압축 용량 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    내연 기관과 상기 압축기 사이에는, 내연 기관의 운전 상태에 따라 상기 압축기를 통해 내연 기관에 전달되는 상기 모터 제너레이터의 회전 구동력의 단접(斷接)을 행하는 단접 클러치를 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기 및 상기 펌프는 동축(同軸)으로 하여 일체로 구성되고,
    상기 모터 제너레이터와 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프는, 상기 일방의 로터가 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프의 회전축에 연결되며, 상기 타방의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기의 회전 또는 내연 기관의 회전에 의해 상기 모터 제너레이터가 발전하는 발전 전력을 축전하는 배터리를 포함하는 전력 회수 수단과, 상기 배터리의 축전량에 근거하여 전력 회수 정도를 제어하는 시스템 제어 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전력 회수 수단은, 상기 랭킨 사이클이 발생하는 랭킨 출력을 검출하는 랭킨 출력 검지 수단과, 상기 배터리의 축전량을 검출하는 배터리 축전량 검출 수단과, 상기 모터 제너레이터의 상기 일방의 로터 및 상기 타방의 로터를 각각 모터와 제너레이터로 전환하는 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 구비하고,
    상기 시스템 제어 수단은,
    상기 전력 회수 수단이 요구하는 배터리 요구 전력을 산출하는 배터리 요구 전력 산출 수단과, 상기 배터리 요구 전력 산출 수단에 의해 산출된 배터리 요구 전력에 따라 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 모터 제너레이터 제어 수단을 포함하며,
    상기 배터리 요구 전력 산출 수단에 의해 산출된 배터리 요구 전력이 상기 랭킨 출력 검지 수단에 의해 검출된 랭킨 출력에 상당하는 전력보다 클 때, 상기 모터 제너레이터 제어 수단에 의해, 상기 타방의 로터를 제너레이터로 전환하도록, 한편 배터리 요구 전력이 랭킨 출력에 상당하는 전력 미만일 때, 상기 타방의 로터를 모터로 전환하도록, 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 모터 제너레이터 제어 수단은, 상기 타방의 로터를 제너레이터로 전환할 때에는 제너레이터 출력 목표값에 근거하여 상기 모터 제너레이터를 제어하고, 상기 타방의 로터를 모터로 전환할 때에는 모터 출력 목표값에 근거하여 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것이며,
    상기 제너레이터 출력 목표값 및 상기 모터 출력 목표값은, 각각 상기 배터리 요구 전력과 상기 랭킨 출력에 상당하는 전력과의 차(差)의 절대값에 근거하여 설정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클의 전동 보기를 구비하는 동시에, 상기 시스템 제어 수단은, 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력을 제어하는 랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단을 더 포함하고,
    상기 시스템 제어 수단은, 상기 랭킨 출력 검지 수단에 의해 검출된 랭킨 출력에 상당하는 전력이 적어도 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력 미만일 때, 상기 랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단에 의해 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 구동을 정지하며, 랭킨 출력에 상당하는 전력이 적어도 상기 랭킨 사이클의 전동 보기의 입력 전력보다 클 때, 상기 랭킨 사이클 전동 보기 입력 제어 수단에 의해 상기 랭킨 사이클의 전동 보기를 구동시키는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팽창기 및 상기 펌프는 동축으로 하여 일체로 구성되고,
    상기 모터 제너레이터와 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프는, 상기 일방의 로터가 상기 일체를 이루는 팽창기 및 펌프의 회전축에 연결되며, 상기 타방의 로터가 내연 기관의 회전축에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 모터 제너레이터 제어 수단은, 상기 일방의 로터를 모터 또는 제너레이터로 전환하도록 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것이며,
    상기 시스템 제어 수단은, 상기 랭킨 출력 검지 수단에 의해 랭킨 출력이 일정 이상일 때에는, 상기 모터 제너레이터 제어 수단에 의해, 상기 일방의 로터를 제너레이터로 전환하도록, 랭킨 출력이 일정 미만일 때에는, 상기 모터 제너레이터 제어 수단에 의해 상기 일방의 로터를 모터로 전환하도록, 상기 모터 제너레이터 출력 가변 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 폐열 이용 시스템.
  13. 모터 제너레이터 장치로서,
    작동 유체의 순환로에, 내연 기관의 폐열에 의해 작동 유체를 가열하여 증발시키는 증발기, 상기 증발기를 경유한 작동 유체를 팽창시켜 회전 구동력을 발생시키는 팽창기, 상기 팽창기를 경유한 작동 유체를 응축시키는 응축기, 상기 응축기를 경유한 작동 유체를 상기 증발기로 송출하는 펌프가 순서대로 개장된 랭킨 사이클을 구비한 내연 기관의 폐열 이용 시스템에 이용되는 모터 제너레이터 장치이며,
    스테이터의 내측에 내부 로터를 갖는 동시에 외측에 외부 로터를 갖는 모터 제너레이터 기구부와, 상기 팽창기와, 내연 기관의 회전축과 연결하는 입출력축을 구비하고,
    상기 모터 제너레이터 기구부의 상기 내부 로터 및 상기 외부 로터 중 어느 일방의 로터가 상기 팽창기의 회전축에 연결되며, 어느 타방의 로터가 상기 입출력 축에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제너레이터 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 랭킨 사이클의 상기 펌프가 상기 모터 제너레이터 기구부와 상기 팽창기와 사이에 설치되어 있고,
    상기 펌프 구동축의 일단(一端)이 상기 팽창기에 연결되며, 타단(他端)이 상기 일방의 로터에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제너레이터 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 펌프와 상기 팽창기 사이에는, 상기 펌프로부터의 회전 구동력은 상기 팽창기에 전달하지 않고, 상기 팽창기로부터의 회전 구동력을 상기 펌프에 전달하는 원 웨이 클러치(one-way clutch)가 개장되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제너레이터 장치.
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