廃熱利用装置
本発明は、内燃機関（１）の廃熱利用装置に関する。内燃機関（１）の排気管（２０）内には、作動媒体のサイクル（２４）の熱交換器（２６）が設けられる。熱交換器（４０）の上流にポンプ（３０）が配置され、サイクル（２４）は膨張機（２６）を含む。作動媒体のサイクル（２４）内には、サイクル（２４）の作動媒体及び内燃機関（１０）の冷却媒体が貫流するカップリング熱交換器（４０）が存在する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０２００６０５７２４７号明細書は、蒸気サイクルを介して内燃機関の排気から熱エネルギーが取り出され、タービンにより機械的及び電気的エネルギーへと部分的に変換される過給装置に関する。利用されない廃熱は、別体の凝縮器によって周囲へと渡される。過給装置は、特に内燃機関に対する過給のために役立つ。排気管内には、作動媒体のサイクルの少なくとも１つの排気熱交換器が存在する。この少なくとも１つの排気熱交換器の上流には、作動媒体のサイクル内に圧送アセンブリが配置される。作動媒体のサイクルは、少なくとも１つのタービン部を含み、当該タービン部を介して、内燃機関の吸入管内に配置された少なくとも１つのコンプレッサ部が駆動される。
【０００３】
「車両エンジンとスポーツ（Ａｕｔｏ Ｍｏｔｏｒ ｕｎｄ Ｓｐｏｒｔ）」、第１０巻、２６ページ（２００５）には、論文「性能向上のために廃熱を利用するＢＭＷ４気筒エンジン − タービン付きエンジン（ＢＭＷ−Ｖｉｅｒｚｙｌｉｎｄｅｒ ｎｕｔｚｔ Ａｂｗａｅｒｍｅ ｆｕｅｒ Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｓｔｅｉｇｅｒｕｎｇ−Ｍｏｔｏｒ ｍｉｔ Ｔｕｒｂｉｎｅ）」が公開されている。本論文によれば、内燃機関は、燃料に含まれるエネルギーの約３分の２を廃熱に変換し、この廃熱は、内燃機関の冷却システムによって取り込まれるか、又は、内燃機関の排気管を通して排出される。従来では利用されない廃熱が、１５％まで効率を高めるために内燃機関で利用可能である。そのために、１．８Ｌの４気筒エンジンは、１．８Ｌの４気筒エンジンのクランクシャフトに対して作用する、２段に構成された蒸気タービンと接続される。過熱蒸気は、内燃機関の排気管内の排気管の近傍に収納された熱交換器によって生成される。水循環によって、内燃機関の冷却サイクルから、冷却液が分岐しうる。クランクシャフトの駆動によって、出力及びトルクが高められ、又は、固有の電力消費量が大幅に下げられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に基づいて、廃熱、特に内燃機関の廃熱を利用する装置において、内燃機関の冷却器の冷却器出口で、カップリング熱交換器への供給管を捕らえる（ａｂｇｒｅｉｆｅｎ）ことが提案される。カップリング熱交換器の戻り管は、内燃機関の暖機期間において、当該暖期間を短縮するために、第１のサイクルへと導入される。これに対して、作動温度まで温まっている状態においては、カップリング熱交換器の戻り管は、主冷却器の手前で、内燃機関の加熱サイクルへと供給される。
【発明の効果】
【０００５】
本解決策により、内燃機関が作動温度に温まっている（ｂｅｔｒｉｅｂｓｗａｒｍ）状態において、蒸気サイクルのカップリング熱交換器（凝縮器）内で、その都度利用可能な最も低い温度レベルが生じる。内燃機関の廃熱利用は、内燃機関の暖機期間短縮のために利用される。更に、内燃機関の廃熱を車両の内部空間を暖めるために利用するという可能性が生まれるが、これは特にエンジン負荷が低い際に行われる。更に、内燃機関が冷えることが防止されうる。内燃機関の温度調整は、一般に使用されるワックス式サーモスタット（Ｄｅｈｎｓｔｏｆｆｔｈｅｒｍｏｓｔａｔ）を利用する際にも誤りがない。更に、本発明に基づいて提案される解決策は、低温・冷却サイクルのための追加的な冷却器を必要としないということで際立っている。このことは、カップリング熱交換器（凝縮器）のための省略可能な別の冷却サイクルによって実現されうるであろうし、これにより、重量軽減と、設置空間の節約が達成される。更に、この重量制限と設置空間の節約が達成されなければ発生するであろう、空気抵抗係数に対する悪影響も防止される。
【０００６】
本発明に基づき提案される解決策によれば、内燃機関の暖機期間の間に、暖機期間を加速させるために、カップリング熱交換器を介して、エンジン冷却システムの第１のサイクルに蒸気サイクルの廃熱が結合され（ｅｉｎｋｏｐｐｅｌｎ）、内燃機関の消費が最小化される。カップリング熱交換器においては、特に、内燃機関の冷却液が貫流する凝縮器が関わっている。内燃機関の暖機期間の終了後には、同様にカップリング熱交換器を通って案内される蒸気サイクルの出力を高めるために、凝縮器の戻り管が、追加的な弁を通って冷却器入口の前へと導かれる。駆動中に、エンジンの出口温度νＶＫＭ，Ａが、設定可能な目標温度を下回って低下する場合には、車両の内部空間を暖めるため又は内燃機関が冷えることを防止するために蒸気サイクルの廃熱を利用するために、切り替え弁Ｕが、再び第１のサイクルへと戻して切り替えられる。この場合、温度切り替え弁、及び、凝縮器の弁は、内燃機関の温度によって制御される。解決策を簡素化するために、２つの弁、即ち、温度調整弁及び凝縮器の弁は同一の温度に調整され、更なる別の可能な簡素化においては、上記２つの弁の調節は同一のアクチュエータによって行われる。
【０００７】
暖機期間の間、又は、車両の内部空間のための補助加熱モードにおける、カップリング熱交換器の戻り管の導入は、エンジン温度調節のための気温検出に影響を与えないように行われる。カップリング熱交換器の戻り管は、好適に、温度調整弁の後ろに案内される。カップリング熱交換器の戻り管上の、場合によって追加的に設けられる切り替え弁は、暖機期間の加速化が考慮されない場合には、簡素化のために省略されても良い。この場合には、カップリング熱交換器の戻り管は冷却器入口に直接連結される。熱負荷を軽減するために、圧送アセンブリは、カップリング熱交換器の比較的冷たい供給管内に配置されるべきであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明は、以下、図面を用いてより詳細に記載される。
【図１】内燃機関の接続図が、過給装置、蒸気サイクル、並びに、冷却サイクル及び拡大された冷却サイクルと共に示される。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面の記載から、内燃機関１０がエンジンブロック１２を含むことが分かる。このエンジンブロック１２には、シリンダヘッド１４が存在し、図に示されないクランクシャフトの領域内のエンジンブロックに、始動機／発電機１６が装備される。内燃機関１０は、排気管２０内に触媒コンバータ１８を含み、排気管２０内の１つの分岐内に熱交換器２６が形成される。この熱交換器２６は、作動媒体のためのサイクル２４の構成要素であり、このサイクル２４は、本発明に基づいて提案される解決案によれば、特に蒸気サイクルが関わっている。熱交換器２６の他に、サイクル２４は、膨張機２８及びポンプ３０を備える廃熱利用装置を含む。更に、サイクル２４、即ち、蒸気サイクル２４内の蒸気内の作動媒体が、カップリング熱交換器（Ｋｏｐｐｅｌｗａｅｒｍｅｔａｕｓｃｈｅｒ）４０、即ち、凝縮器（Ｋｏｎｄｅｎｓａｔｏｒ）を貫流する。カップリング熱交換器４０内で、サイクル２４の作動媒体、即ち、蒸気が冷却され、蒸気の熱が、カップリング熱交換器４０内で内燃機関１０の冷却媒体へと渡される。出口側では、作動媒体、即ち、凝縮液がカップリング熱交換器４０を離れ、廃熱利用装置のポンプ３０へと流入する。廃熱利用装置の膨張機２８を介して、ポンプ３０の他に発動機３６が駆動され、この発動機３６を介してバッテリ３８が充電されうる。発電機３６とバッテリ３８との間で接続線８６が分岐し、この接続線８６を介して、発電機モードで駆動可能な始動機１６が、電圧源と接続される。
【００１０】
更に図から、廃熱利用装置２８、３０の膨張機２８が、エアフィルタ４６の上流に配置された圧縮機３４を駆動することが分かる。
【００１１】
更に、本発明に基づいて提案される解決策の図式的な描写から更に、カップリング熱交換器４０が、供給管（Ｖｏｒｌａｕｆ）４２及び戻り管（Ｒｕｅｃｋｌａｕｆ）４４を有することが分かる。一方では、サイクル２４の作動媒体、即ち、サイクル２４内の蒸気が、カップリング熱交換器４０を貫流し、カップリング熱交換器４０内で蒸気が自身の熱を冷却媒体に渡し、他方では、カップリング熱交換器サイクル６６内を搬送される冷却媒体が、カップリング熱交換器４０を貫流する。好適にポンプとして構成され、かつ、カップリング熱交換器４０の「冷たい」供給管４２内に存在する圧送アセンブリ６４が、冷却媒体の圧送のために役立つ。
【００１２】
図１の概略図から、内燃機関１０が冷却器５４を有することが分かる。従来のやり方では、冷却器５４には、符号６２により示され冷却媒体のための拡張室として機能するブレーキ液タンクと同様に、一般に電気的に駆動される羽根車６０が割り当てられる。冷却器５４の冷却器入口は符号５６で示され、冷却器出口は符号５８で示される。カップリング熱交換器サイクル６６は、冷却器出口５８に連結される。そこから、カップリング熱交換器サイクル６６は、供給管４２内の圧送アセンブリ６４へと伸びている。カップリング熱交換器４０を通過した後に、温まった冷却手段は、戻り管４４を介して切り替え弁５２へと流入する。切り替え弁５２は特に３方弁である。切り替え弁５２の制御に従って、カップリング熱交換器４０を離れた戻り管４４は、一方では、温度調節弁７８の下流の冷却器入口５６の前で冷却器５４内へと導かれ、そこで冷却されうる。他方では、好適に三方弁として構成された追加的な弁５２の制御に従って、カップリング熱交換器４０内で温まった冷却媒体が、導入６８を介して、内燃機関１０の第１のサイクル７０内に存在する冷却手段ポンプ７４の前へと導かれる。
【００１３】
内燃機関１０の第１のサイクル７０は、導入６８から出発して冷却手段ポンプ７４へと伸びている。そこから、冷却媒体は、エンジンブロック１２、又は、内燃機関１０のシリンダヘッド１４へと流入する。加熱弁８４又は温度調節弁８０の接続（Ｂｅｓｃｈａｌｔｕｎｇ）に従って、温まった冷却手段が内燃機関１０のシリンダヘッド１４を離れ、温度調節弁８０へと流入する。冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに従って、温度調整弁８０及び切り替え弁５２が制御される。内燃機関１０の駆動中に冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇが目標温度を下回る場合には、温まった冷却媒体が導入６８を介して内燃機関１０の第１のサイクル７０へと流入し、冷却器５４を通過しないように、切り替え弁５２が切り替えられる。温度調整弁８０の後ろで、冷却器５４へと伸びる戻り管４４の分岐は、この場合は閉鎖されている。
【００１４】
本発明に基づいて提案される解決案によれば、既に言及した内燃機関１０の第１のサイクル７０の他に、内燃機関１０の加熱サイクル７２も割り当てられる。この加熱サイクル７２は、内部空間補助ヒータ７６を備え、この内部空間補助ヒータ７６は、同様に加熱サイクル７２の構成要素である加熱弁８４によって制御される。加熱弁８４も同様に、好適に三方弁として形成され、加熱サイクル７２内を補助ヒータ７６の熱交換器と並行して伸びるバイパス８２を開放し又閉鎖する。加熱サイクル７２は、冷却器出口５８から冷却手段ポンプ７４へと伸びる冷却媒体の管路へと合流する。
【００１５】
有利に、切り替え弁５２及び温度調整弁８０は、共通のアクチュエータ７８を介して制御され、好適に、２つの弁５２、８０は、当該２つの弁が同じ温度に調整されるように構成される。
【００１６】
エンジン温度調整に影響を与えないために、カップリング熱交換器４０、即ち、凝縮器の戻り管４４の戻り配管は、エンジン温度調整のための温度検出に影響を与えないように形成される。通常利用されるワックス式サーモスタットとして構成された温度調整弁８０においては、このことは、戻り管４４が温度調整弁８０の下流に導かれるように行われる。
【００１７】
本発明に基づいて提案される解決策によって、内燃機関１０の排気であって、シリンダヘッド１４の出口５０から、図に示されない排気マニフォールドを介して排気管２０内へと達した上記蒸気が、サイクル２４内で、特にカップリング熱交換器４０内で冷却されうる。これに伴い、内燃機関１０の排気に存在する廃熱が、サイクル２４を通り、冷却システム、即ち、冷却器５４、第１のサイクル７０又は加熱サイクル７２を介して排出される。これにより、別の冷却システムのための追加的なコストが節約されうる。本発明に基づいて提案される解決策の場合、特に、カップリング熱交換器４０内で可能な限り低い温度レベルが実現され、これにより、作動媒体、特に水蒸気のサイクル２４おける非常に高い熱効率が調整される。
【００１８】
本発明に基づいて提案される解決策によれば、内燃機関１０の暖機期間が短縮されると共に、補助加熱駆動モードが実現され、この補助加熱駆動モードを介して、例えば、内部空間補助ヒータ７６を介した車両の内部空間の追加的な加熱が行われうる。この駆動モードは、以下でより詳細に解説する。
【００１９】
内燃機関の暖機期間の間に、サイクル２４の廃熱は、カップリング熱交換器４０に対して、カップリング熱交換器サイクル６６において循環する冷却媒体へと渡される。一方では、サイクル２４の作動媒体、即ち、蒸気が、カップリング熱交換器４０を貫流し、他方では、圧送アセンブリ６４を介して冷たい供給管４２内をカップリング熱交換器４０へと案内される内燃機関１０の冷却手段が、カップリング熱交換器４０を貫流する。内燃機関１０の暖機期間の間に、切り替え弁５２の対応する接続において、導入６８を介した、内燃機関１０の第１のサイクル７０への戻り管４４の接続が行われる。温まった冷却手段は、冷却手段ポンプ７４によって、内燃機関１０のエンジンブロック１２内、及び、内燃機関１０のシリンダヘッド１４内へと導かれ、これにより、暖機期間の間の内燃機関１０の燃料消費が削減される。従って、サイクル２４から分離された廃熱が、内燃機関１０の暖機期間の短縮のために利用されうる。この場合に、即ち、暖機期間の間、運転者の希望に従って加熱弁８４は閉鎖されたままであるため、冷却手段は第１のサイクル７０内を循環する。
【００２０】
内燃機関１０の暖機期間の終了後に、冷却手段の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに従って、切り替え弁５２は、カップリング熱交換器４０の戻り管４４がもはや導入６８を介して導かれずに、温度調整弁８０の後ろの、冷却器５４の冷却器入口５６の前へと案内され、冷却器５４内に導かれように、制御される。その後、カップリング熱交換器４０内の戻り管４４を介して流れる温まった冷却手段は、内燃機関１０の冷却器５４を介して案内され、そこで冷却される。従って、サイクル２４、即ち、蒸気サイクルにおける出力が高められる。
【００２１】
稼動中に内燃機関１０のエンジン出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇが目標温度を下回った場合には、切り替え弁５２が再び第１のサイクル７０へと戻して切り替えられ、従って、戻り管４４は、導入６８を介して直接的に冷却手段ポンプ７４の手前で、第１のサイクル７０に導入されうる。従って、蒸気サイクルの廃熱が、一方では、エンジンの補助加熱のために利用され、他方では、加熱サイクル７２の枠組みにおいても、内部空間補助ヒータ７６を貫流する際に内部空間を暖めるために利用されうる。このことは、加熱サイクル７２内に設けられた加熱弁８４がどこの位置に存在するかということに依存する。好適に、温度調節弁８０及び切り替え弁５２は、エンジン温度に依存して、又は代替的に、冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに依存して制御される。好適な実施変形例において、２つの弁、即ち、切り替え弁５２、及び、従来使用されるワックス式サーモスタットであってもよい温度調整弁８０は、同一の温度に調整されうる。簡素化された更なる別の構成において、切り替え弁５２及び温度調整弁８０の調整は、共通のアクチュエータ７８によって行われうる。
【００２２】
エンジン温度調整を損なわないために、カップリング熱交換器４０出口側での戻り管４４の導入が、暖機期間において、及び、補助加熱モードの枠組みにおいて、エンジン温度調整のための温度検出に影響を与えないように行われ、特に、温度調節弁８０の下流でカップリング熱交換器４０の戻り管４４の導入が為されるように行われる。
【００２３】
暖機期間の短縮が考慮されない場合には、戻り管４４の末端の切り替え弁５２は完全に省略されてもよい。この場合には、カップリング熱交換器４０、即ち、凝縮器の戻り管４４は、羽根車６０により冷却媒体が冷却される冷却器５４の、冷却器入口５６に直接的に接続される。更に、熱的負荷を軽減するために、冷却媒体を循環させるための圧送アセンブリ６４が、カップリング熱交換器サイクル６６内、好適にカップリング熱交換器４０の冷たい供給管４２内に配置されることが言及される。
【００２４】
有利に、本発明に基づき提案される解決策によって、カップリング熱交換器４０内で、内燃機関１０の各駆動形態において、利用可能な最も低い温度レベルが利用される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
独国特許出願公開第１０２００６０５７２４７号明細書は、蒸気サイクルを介して内燃機関の排気から熱エネルギーが取り出され、タービンにより機械的及び電気的エネルギーへと部分的に変換される過給装置に関する。利用されない廃熱は、別体の凝縮器によって周囲へと渡される。過給装置は、特に内燃機関に対する過給のために役立つ。排気管内には、作動媒体のサイクルの少なくとも１つの排気熱交換器が存在する。この少なくとも１つの排気熱交換器の上流には、作動媒体のサイクル内に圧送アセンブリが配置される。作動媒体のサイクルは、少なくとも１つのタービン部を含み、当該タービン部を介して、内燃機関の吸入管内に配置された少なくとも１つのコンプレッサ部が駆動される。
【０００３】
「車両エンジンとスポーツ（Ａｕｔｏ Ｍｏｔｏｒ ｕｎｄ Ｓｐｏｒｔ）」、第１０巻、２６ページ（２００５）には、論文「性能向上のために廃熱を利用するＢＭＷ４気筒エンジン − タービン付きエンジン（ＢＭＷ−Ｖｉｅｒｚｙｌｉｎｄｅｒ ｎｕｔｚｔ Ａｂｗａｅｒｍｅ ｆｕｅｒ Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｓｔｅｉｇｅｒｕｎｇ−Ｍｏｔｏｒ ｍｉｔ Ｔｕｒｂｉｎｅ）」が公開されている。本論文によれば、内燃機関は、燃料に含まれるエネルギーの約３分の２を廃熱に変換し、この廃熱は、内燃機関の冷却システムによって取り込まれるか、又は、内燃機関の排気管を通して排出される。従来では利用されない廃熱が、１５％まで効率を高めるために内燃機関で利用可能である。そのために、１．８Ｌの４気筒エンジンは、１．８Ｌの４気筒エンジンのクランクシャフトに対して作用する、２段に構成された蒸気タービンと接続される。過熱蒸気は、内燃機関の排気管内の排気管の近傍に収納された熱交換器によって生成される。水循環によって、内燃機関の冷却サイクルから、冷却液が分岐しうる。クランクシャフトの駆動によって、出力及びトルクが高められ、又は、固有の電力消費量が大幅に下げられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に基づいて、廃熱、特に内燃機関の廃熱を利用する装置において、内燃機関の冷却器の冷却器出口で、カップリング熱交換器への供給管を捕らえる（ａｂｇｒｅｉｆｅｎ）ことが提案される。カップリング熱交換器の戻り管は、内燃機関の暖機期間において、当該暖期間を短縮するために、第１のサイクルへと導入される。これに対して、作動温度まで温まっている状態においては、カップリング熱交換器の戻り管は、主冷却器の手前で、内燃機関の加熱サイクルへと供給される。
【発明の効果】
【０００５】
本解決策により、内燃機関が作動温度に温まっている（ｂｅｔｒｉｅｂｓｗａｒｍ）状態において、蒸気サイクルのカップリング熱交換器（凝縮器）内で、その都度利用可能な最も低い温度レベルが生じる。内燃機関の廃熱利用は、内燃機関の暖機期間短縮のために利用される。更に、内燃機関の廃熱を車両の内部空間を暖めるために利用するという可能性が生まれるが、これは特にエンジン負荷が低い際に行われる。更に、内燃機関が冷えることが防止されうる。内燃機関の温度調整は、一般に使用されるワックス式サーモスタット（Ｄｅｈｎｓｔｏｆｆｔｈｅｒｍｏｓｔａｔ）を利用する際にも誤りがない。更に、本発明に基づいて提案される解決策は、低温・冷却サイクルのための追加的な冷却器を必要としないということで際立っている。このことは、カップリング熱交換器（凝縮器）のための省略可能な別の冷却サイクルによって実現されうるであろうし、これにより、重量軽減と、設置空間の節約が達成される。更に、この重量制限と設置空間の節約が達成されなければ発生するであろう、空気抵抗係数に対する悪影響も防止される。
【０００６】
本発明に基づき提案される解決策によれば、内燃機関の暖機期間の間に、暖機期間を加速させるために、カップリング熱交換器を介して、エンジン冷却システムの第１のサイクルに蒸気サイクルの廃熱が結合され（ｅｉｎｋｏｐｐｅｌｎ）、内燃機関の消費が最小化される。カップリング熱交換器においては、特に、内燃機関の冷却液が貫流する凝縮器が関わっている。内燃機関の暖機期間の終了後には、同様にカップリング熱交換器を通って案内される蒸気サイクルの出力を高めるために、凝縮器の戻り管が、追加的な弁を通って冷却器入口の前へと導かれる。駆動中に、エンジンの出口温度νＶＫＭ，Ａが、設定可能な目標温度を下回って低下する場合には、車両の内部空間を暖めるため又は内燃機関が冷えることを防止するために蒸気サイクルの廃熱を利用するために、切り替え弁Ｕが、再び第１のサイクルへと戻して切り替えられる。この場合、温度切り替え弁、及び、凝縮器の弁は、内燃機関の温度によって制御される。解決策を簡素化するために、２つの弁、即ち、温度調整弁及び凝縮器の弁は同一の温度に調整され、更なる別の可能な簡素化においては、上記２つの弁の調節は同一のアクチュエータによって行われる。
【０００７】
暖機期間の間、又は、車両の内部空間のための補助加熱モードにおける、カップリング熱交換器の戻り管の導入は、エンジン温度調節のための気温検出に影響を与えないように行われる。カップリング熱交換器の戻り管は、好適に、温度調整弁の後ろに案内される。カップリング熱交換器の戻り管上の、場合によって追加的に設けられる切り替え弁は、暖機期間の加速化が考慮されない場合には、簡素化のために省略されても良い。この場合には、カップリング熱交換器の戻り管は冷却器入口に直接連結される。熱負荷を軽減するために、圧送アセンブリは、カップリング熱交換器の比較的冷たい供給管内に配置されるべきであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明は、以下、図面を用いてより詳細に記載される。
【図１】内燃機関の接続図が、過給装置、蒸気サイクル、並びに、冷却サイクル及び拡大された冷却サイクルと共に示される。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面の記載から、内燃機関１０がエンジンブロック１２を含むことが分かる。このエンジンブロック１２には、シリンダヘッド１４が存在し、図に示されないクランクシャフトの領域内のエンジンブロックに、始動機／発電機１６が装備される。内燃機関１０は、排気管２０内に触媒コンバータ１８を含み、排気管２０内の１つの分岐内に熱交換器２６が形成される。この熱交換器２６は、作動媒体のためのサイクル２４の構成要素であり、このサイクル２４は、本発明に基づいて提案される解決案によれば、特に蒸気サイクルが関わっている。熱交換器２６の他に、サイクル２４は、膨張機２８及びポンプ３０を備える廃熱利用装置を含む。更に、サイクル２４、即ち、蒸気サイクル２４内の蒸気内の作動媒体が、カップリング熱交換器（Ｋｏｐｐｅｌｗａｅｒｍｅｔａｕｓｃｈｅｒ）４０、即ち、凝縮器（Ｋｏｎｄｅｎｓａｔｏｒ）を貫流する。カップリング熱交換器４０内で、サイクル２４の作動媒体、即ち、蒸気が冷却され、蒸気の熱が、カップリング熱交換器４０内で内燃機関１０の冷却媒体へと渡される。出口側では、作動媒体、即ち、凝縮液がカップリング熱交換器４０を離れ、廃熱利用装置のポンプ３０へと流入する。廃熱利用装置の膨張機２８を介して、ポンプ３０の他に発動機３６が駆動され、この発動機３６を介してバッテリ３８が充電されうる。発電機３６とバッテリ３８との間で接続線８６が分岐し、この接続線８６を介して、発電機モードで駆動可能な始動機１６が、電圧源と接続される。
【００１０】
更に図から、廃熱利用装置２８、３０の膨張機２８が、エアフィルタ４６の上流に配置された圧縮機３４を駆動することが分かる。
【００１１】
更に、本発明に基づいて提案される解決策の図式的な描写から更に、カップリング熱交換器４０が、供給管（Ｖｏｒｌａｕｆ）４２及び戻り管（Ｒｕｅｃｋｌａｕｆ）４４を有することが分かる。一方では、サイクル２４の作動媒体、即ち、サイクル２４内の蒸気が、カップリング熱交換器４０を貫流し、カップリング熱交換器４０内で蒸気が自身の熱を冷却媒体に渡し、他方では、カップリング熱交換器サイクル６６内を搬送される冷却媒体が、カップリング熱交換器４０を貫流する。好適にポンプとして構成され、かつ、カップリング熱交換器４０の「冷たい」供給管４２内に存在する圧送アセンブリ６４が、冷却媒体の圧送のために役立つ。
【００１２】
図１の概略図から、内燃機関１０が冷却器５４を有することが分かる。従来のやり方では、冷却器５４には、符号６２により示され冷却媒体のための拡張室として機能するブレーキ液タンクと同様に、一般に電気的に駆動される羽根車６０が割り当てられる。冷却器５４の冷却器入口は符号５６で示され、冷却器出口は符号５８で示される。カップリング熱交換器サイクル６６は、冷却器出口５８に連結される。そこから、カップリング熱交換器サイクル６６は、供給管４２内の圧送アセンブリ６４へと伸びている。カップリング熱交換器４０を通過した後に、温まった冷却手段は、戻り管４４を介して切り替え弁５２へと流入する。切り替え弁５２は特に３方弁である。切り替え弁５２の制御に従って、カップリング熱交換器４０を離れた戻り管４４は、一方では、温度調節弁７８の下流の冷却器入口５６の前で冷却器５４内へと導かれ、そこで冷却されうる。他方では、好適に三方弁として構成された追加的な弁５２の制御に従って、カップリング熱交換器４０内で温まった冷却媒体が、導入６８を介して、内燃機関１０の第１のサイクル７０内に存在する冷却手段ポンプ７４の前へと導かれる。
【００１３】
内燃機関１０の第１のサイクル７０は、導入６８から出発して冷却手段ポンプ７４へと伸びている。そこから、冷却媒体は、エンジンブロック１２、又は、内燃機関１０のシリンダヘッド１４へと流入する。加熱弁８４又は温度調節弁８０の接続（Ｂｅｓｃｈａｌｔｕｎｇ）に従って、温まった冷却手段が内燃機関１０のシリンダヘッド１４を離れ、温度調節弁８０へと流入する。冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに従って、温度調整弁８０及び切り替え弁５２が制御される。内燃機関１０の駆動中に冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇが目標温度を下回る場合には、温まった冷却媒体が導入６８を介して内燃機関１０の第１のサイクル７０へと流入し、冷却器５４を通過しないように、切り替え弁５２が切り替えられる。温度調整弁８０の後ろで、冷却器５４へと伸びる戻り管４４の分岐は、この場合は閉鎖されている。
【００１４】
本発明に基づいて提案される解決案によれば、既に言及した内燃機関１０の第１のサイクル７０の他に、内燃機関１０の加熱サイクル７２も割り当てられる。この加熱サイクル７２は、内部空間補助ヒータ７６を備え、この内部空間補助ヒータ７６は、同様に加熱サイクル７２の構成要素である加熱弁８４によって制御される。加熱弁８４も同様に、好適に三方弁として形成され、加熱サイクル７２内を補助ヒータ７６の熱交換器と並行して伸びるバイパス８２を開放し又閉鎖する。加熱サイクル７２は、冷却器出口５８から冷却手段ポンプ７４へと伸びる冷却媒体の管路へと合流する。
【００１５】
有利に、切り替え弁５２及び温度調整弁８０は、共通のアクチュエータ７８を介して制御され、好適に、２つの弁５２、８０は、当該２つの弁が同じ温度に調整されるように構成される。
【００１６】
エンジン温度調整に影響を与えないために、カップリング熱交換器４０、即ち、凝縮器の戻り管４４の戻り配管は、エンジン温度調整のための温度検出に影響を与えないように形成される。通常利用されるワックス式サーモスタットとして構成された温度調整弁８０においては、このことは、戻り管４４が温度調整弁８０の下流に導かれるように行われる。
【００１７】
本発明に基づいて提案される解決策によって、内燃機関１０の排気であって、シリンダヘッド１４の出口５０から、図に示されない排気マニフォールドを介して排気管２０内へと達した上記蒸気が、サイクル２４内で、特にカップリング熱交換器４０内で冷却されうる。これに伴い、内燃機関１０の排気に存在する廃熱が、サイクル２４を通り、冷却システム、即ち、冷却器５４、第１のサイクル７０又は加熱サイクル７２を介して排出される。これにより、別の冷却システムのための追加的なコストが節約されうる。本発明に基づいて提案される解決策の場合、特に、カップリング熱交換器４０内で可能な限り低い温度レベルが実現され、これにより、作動媒体、特に水蒸気のサイクル２４おける非常に高い熱効率が調整される。
【００１８】
本発明に基づいて提案される解決策によれば、内燃機関１０の暖機期間が短縮されると共に、補助加熱駆動モードが実現され、この補助加熱駆動モードを介して、例えば、内部空間補助ヒータ７６を介した車両の内部空間の追加的な加熱が行われうる。この駆動モードは、以下でより詳細に解説する。
【００１９】
内燃機関の暖機期間の間に、サイクル２４の廃熱は、カップリング熱交換器４０に対して、カップリング熱交換器サイクル６６において循環する冷却媒体へと渡される。一方では、サイクル２４の作動媒体、即ち、蒸気が、カップリング熱交換器４０を貫流し、他方では、圧送アセンブリ６４を介して冷たい供給管４２内をカップリング熱交換器４０へと案内される内燃機関１０の冷却手段が、カップリング熱交換器４０を貫流する。内燃機関１０の暖機期間の間に、切り替え弁５２の対応する接続において、導入６８を介した、内燃機関１０の第１のサイクル７０への戻り管４４の接続が行われる。温まった冷却手段は、冷却手段ポンプ７４によって、内燃機関１０のエンジンブロック１２内、及び、内燃機関１０のシリンダヘッド１４内へと導かれ、これにより、暖機期間の間の内燃機関１０の燃料消費が削減される。従って、サイクル２４から分離された廃熱が、内燃機関１０の暖機期間の短縮のために利用されうる。この場合に、即ち、暖機期間の間、運転者の希望に従って加熱弁８４は閉鎖されたままであるため、冷却手段は第１のサイクル７０内を循環する。
【００２０】
内燃機関１０の暖機期間の終了後に、冷却手段の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに従って、切り替え弁５２は、カップリング熱交換器４０の戻り管４４がもはや導入６８を介して導かれずに、温度調整弁８０の後ろの、冷却器５４の冷却器入口５６の前へと案内され、冷却器５４内に導かれように、制御される。その後、カップリング熱交換器４０内の戻り管４４を介して流れる温まった冷却手段は、内燃機関１０の冷却器５４を介して案内され、そこで冷却される。従って、サイクル２４、即ち、蒸気サイクルにおける出力が高められる。
【００２１】
稼動中に内燃機関１０のエンジン出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇが目標温度を下回った場合には、切り替え弁５２が再び第１のサイクル７０へと戻して切り替えられ、従って、戻り管４４は、導入６８を介して直接的に冷却手段ポンプ７４の手前で、第１のサイクル７０に導入されうる。従って、蒸気サイクルの廃熱が、一方では、エンジンの補助加熱のために利用され、他方では、加熱サイクル７２の枠組みにおいても、内部空間補助ヒータ７６を貫流する際に内部空間を暖めるために利用されうる。このことは、加熱サイクル７２内に設けられた加熱弁８４がどこの位置に存在するかということに依存する。好適に、温度調節弁８０及び切り替え弁５２は、エンジン温度に依存して、又は代替的に、冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに依存して制御される。好適な実施変形例において、２つの弁、即ち、切り替え弁５２、及び、従来使用されるワックス式サーモスタットであってもよい温度調整弁８０は、同一の温度に調整されうる。簡素化された更なる別の構成において、切り替え弁５２及び温度調整弁８０の調整は、共通のアクチュエータ７８によって行われうる。
【００２２】
エンジン温度調整を損なわないために、カップリング熱交換器４０出口側での戻り管４４の導入が、暖機期間において、及び、補助加熱モードの枠組みにおいて、エンジン温度調整のための温度検出に影響を与えないように行われ、特に、温度調節弁８０の下流でカップリング熱交換器４０の戻り管４４の導入が為されるように行われる。
【００２３】
暖機期間の短縮が考慮されない場合には、戻り管４４の末端の切り替え弁５２は完全に省略されてもよい。この場合には、カップリング熱交換器４０、即ち、凝縮器の戻り管４４は、羽根車６０により冷却媒体が冷却される冷却器５４の、冷却器入口５６に直接的に接続される。更に、熱的負荷を軽減するために、冷却媒体を循環させるための圧送アセンブリ６４が、カップリング熱交換器サイクル６６内、好適にカップリング熱交換器４０の冷たい供給管４２内に配置されることが言及される。
【００２４】
有利に、本発明に基づき提案される解決策によって、カップリング熱交換器４０内で、内燃機関１０の各駆動形態において、利用可能な最も低い温度レベルが利用される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）の廃熱利用装置であって、前記内燃機関（１）の排気管（２０）内には、作動媒体のサイクル（２４）の熱交換器（２６）が設けられ、前記熱交換器（２６）の上流にはポンプ（３０）が配置され、前記サイクル（２４）は、膨張機（２８）を含む、前記装置において、
前記作動媒体の前記サイクル（２４）内には、前記サイクル（２４）の前記作動媒体及び前記内燃機関（１０）の冷却媒体が貫流するカップリング熱交換器（４０）が配置されることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記サイクル（２４）は蒸気サイクルであり、前記蒸気サイクルの膨張機（２８）は、前記ポンプ（３０）、及び、前記内燃機関（１０）の吸入管（４８）内の圧縮機（３４）を駆動することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記カップリング熱交換器（４０）内の温度レベルは、前記内燃機関（１０）の駆動状態に関わらず最小化されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記カップリング熱交換器（４０）の供給管（４２）は、前記内燃機関（１０）の冷却器（５４）の冷却器出口（４８）に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記内燃機関（１０）の暖機期間において、前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）は、前記内燃機関（１０）の第１のサイクル（７０）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記内燃機関（１０）が動作温度に温まっている場合には、前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）は、前記冷却器（５４）の冷却器入口（５６）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）上には、切り替え弁（５２）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記切り替え弁（５２）及び温度調整弁（８０）は、前記内燃機関（１０）の前記冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに従って制御され、好適に三方弁として構成されることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項９】
前記切り替え弁（５２）及び前記温度調節弁（８０）は、共通のアクチュエータ（８０）を介して制御されることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項１０】
前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）は、前記主冷却器（５４）の前記冷却器入口（５６）の手前で連結されることを特徴とする、内燃機関（１０）の廃熱を利用する非装置。
【請求項１１】
圧送アセンブリ（６４）が、前記カップリング熱交換器（４０）への前記供給管内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項１】
内燃機関（１）の廃熱利用装置であって、前記内燃機関（１）の排気管（２０）内には、作動媒体のサイクル（２４）の熱交換器（２６）が設けられ、前記熱交換器（２６）の上流にはポンプ（３０）が配置され、前記サイクル（２４）は、膨張機（２８）を含む、前記装置において、
前記作動媒体の前記サイクル（２４）内には、前記サイクル（２４）の前記作動媒体及び前記内燃機関（１０）の冷却媒体が貫流するカップリング熱交換器（４０）が配置されることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記サイクル（２４）は蒸気サイクルであり、前記蒸気サイクルの膨張機（２８）は、前記ポンプ（３０）、及び、前記内燃機関（１０）の吸入管（４８）内の圧縮機（３４）を駆動することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記カップリング熱交換器（４０）内の温度レベルは、前記内燃機関（１０）の駆動状態に関わらず最小化されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記カップリング熱交換器（４０）の供給管（４２）は、前記内燃機関（１０）の冷却器（５４）の冷却器出口（４８）に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記内燃機関（１０）の暖機期間において、前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）は、前記内燃機関（１０）の第１のサイクル（７０）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記内燃機関（１０）が動作温度に温まっている場合には、前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）は、前記冷却器（５４）の冷却器入口（５６）と接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）上には、切り替え弁（５２）が設けられることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記切り替え弁（５２）及び温度調整弁（８０）は、前記内燃機関（１０）の前記冷却媒体の出口温度νＶＫＭ，Ａｕｓｇａｎｇに従って制御され、好適に三方弁として構成されることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項９】
前記切り替え弁（５２）及び前記温度調節弁（８０）は、共通のアクチュエータ（８０）を介して制御されることを特徴とする、請求項７に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【請求項１０】
前記カップリング熱交換器（４０）の前記戻り管（４４）は、前記主冷却器（５４）の前記冷却器入口（５６）の手前で連結されることを特徴とする、内燃機関（１０）の廃熱を利用する非装置。
【請求項１１】
圧送アセンブリ（６４）が、前記カップリング熱交換器（４０）への前記供給管内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）の廃熱利用装置。
【図１】
【公表番号】特表２０１３−５０１８７８（Ｐ２０１３−５０１８７８Ａ）
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２４１６７（Ｐ２０１２−５２４１６７）
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８７７４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１８２６３
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０１１２５２３１）ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (329)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２２日（２０１０．６．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５８７７４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１８２６３
【国際公開日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（５０１１２５２３１）ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (329)
【Ｆターム（参考）】
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