JP2008051062A - 自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料消費率を向上できる自動車を提供することにある。
【解決手段】内燃機関であるエンジン１により駆動輪を駆動する。外燃機関であるスターリングエンジン４は、エンジン１で発生する排気ガスを高熱源として駆動される。エンジン１，スターリングエンジン４と、発電機２とは、プーリ１５，プーリ１６により接続される、プーリ１５，１６は、第１、第２のクラッチを備え、ＥＣＵ６は、第１のクラッチ及び第２のクラッチを選択的にオンして、エンジン１若しくはスターリングエンジン４のいずれかによって選択的に発電機２を駆動する。発電機２によって発生した電力は、蓄電池５に蓄積される。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関により駆動される自動車に係り、特に、内燃機関の排気ガスからエネルギーを回収するに好適な自動車に関する。

近年の自動車において、排気ガス中の廃熱を有効利用するため、スターリングエンジンを用いて、熱回収するものが知られている（例えば、特許文献１〜特許文献５）。

特開２００４−３３２６６５号公報 特開２００４−３６４９９号公報 特開２００２−２６６７０１号公報 特開２００５−２４８９２２号公報 特開２００５−３０６２８０号公報

従来の特許文献１〜特許文献５記載のものでは、スターリングエンジンより発電機を駆動して、廃熱を発電機からの電気エネルギーとして回収している。一方、排気ガスの発生源である内燃機関によって、従来からある別の発電機を駆動して電気エネルギーを得ている。したがって、内燃機関は発電機の駆動にもエネルギーを利用しているため、内燃機関のエンジン負荷が大きいため、燃料消費率が低下するという問題があった。

本発明の目的は、燃料消費率を向上できる自動車を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、駆動輪を駆動する駆動力源である内燃機関と、前記内燃機関で発生する排気ガスを高熱源として駆動される外燃機関と、前記内燃機関に対して第１のクラッチを介し、また、前記外燃機関に対して第２のクラッチを介して接続された発電機と、前記第１のクラッチ及び第２のクラッチを選択的にオンして、前記内燃機関若しくは前記外燃機関のいずれかによって選択的に前記発電機を駆動して発電させる制御手段と、前記発電機によって発生した電力を蓄積する蓄電池とを備えるようにしたものである。
かかる構成により、燃料消費率を向上できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記蓄電池の電池充電容量若しくは蓄電電圧に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、前記蓄電池の電池充電容量若しくは蓄電電圧が所定の第１の閾値より低く、かつ、所定の第２の閾値より高いときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記高熱源の温度に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、前記高熱源の温度が所定の閾値より高いときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、前記内燃機関の運転状態が燃費が悪い運転若しくは高出力運転のときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記蓄電池の蓄電量及び前記高熱源と低熱源の温度差に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、前記蓄電池の蓄電量が小さく、前記高熱源と低熱源の温度差が大きいときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動するようにしたものである。

（６）上記（１）において、好ましくは、前記内燃機関を冷却する冷却系統に用いられ、冷却水を循環させる冷却水ポンプを可変流量ポンプとしたものである。

（７）上記（６）において、好ましくは、前記可変流量ポンプを電動ポンプとしたものである。

（８）上記（６）において、好ましくは、前記制御手段は、前記高熱源と低熱源の温度差が予め設定されている目標駆動温度差Ｔｓ以上の時、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも大きい場合は、エンジン冷却水量を増加して、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動し、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏと等しい場合は、エンジン冷却水量を維持して、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動し、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも小さい場合は、エンジン冷却水量を減少して、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動し、前記制御手段は、前記高熱源と低熱源の温度差が予め設定されている目標駆動温度差Ｔｓより小さい時、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも小さい場合、エンジン冷却水量を減少して、前記温度差が目標駆動温度差Ｔｓ以上の場合で、電池充電容量が目標電池充電容量よりも大きい時、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動するようにしたものである。

（９）上記（１）において、好ましくは、前記排気ガスの熱エネルギを外燃機関の高熱源部に伝達するヒートパイプを備えるようにしたものである。

（１０）上記（１）において、好ましくは、前記駆動輪を駆動する電動モータと、この電動モータを冷却する冷却系統とを備え、前記電機モータの冷却系統を前記外燃機関の低熱源としたものである。

本発明によれば、自動車の燃料消費率を向上できる。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の第１の実施形態による自動車の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による自動車の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。

本実施形態では、動力源として、内燃機関であるエンジン１と、外燃機関であるスターリングエンジン４とが備えられている。

内燃機関であるエンジン１は、トランスミッションを介して自動車のタイヤを駆動させる。エンジン１の駆動軸には、プーリ１４が取り付けられており、ベルト１８を介してプーリ１３及びプーリ１５を回転させ、冷却水ポンプ３と発電機２をそれぞれ駆動する。プーリ１５は電磁クラッチが内蔵されており、自動車のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６の指令に基づき、電磁クラッチがＯＮ・ＯＦＦされる。プーリ１５の電磁クラッチがＯＮすると、発電機２は、エンジン１によって駆動され、発電する。プーリ１５の電磁クラッチがＯＦＦすると、エンジン１による発電機２の駆動は停止する。

エンジン１には、冷却水ポンプ３、ラジエータ１１、サーモスタット１２、およびそれらを接続する配管２７，２８，２９，３０，３１，３２で閉ループをなし、エンジン冷却系統を構成している。ラジエータ１１はエンジンの冷却熱を放熱する機器であり、サーモスタット１２はラジエータ１１からの冷却水とエンジン１からの冷却水を混合し、エンジン１に供給する冷却水温度を一定に範囲にする役目を担っている。一方、エンジン１には、エンジン１内で空気と燃料との混合気が燃焼した際に生成する排気ガスを排出する排気系統が接続されている。排気系統は、排気管８上に、エンジン１に近い側から触媒７、サブマフラ９、マフラ１０が備えられている。触媒７では、排気ガスに含まれるＮＯｘ，ＣＯなどの生成物を除去するもので、触媒の温度がある温度以上にならないと効率よく触媒反応が起こらない。触媒としては三元触媒がよく用いられている。

外燃機関であるスターリングエンジン４は、高熱源側のピストンシリンダ（以下、ピストンとシリンダを合わせて称する）２６、低熱源側のピストンシリンダ２４が、各々のピストンを９０度位相をずらした状態でクランクシャフト２１に取り付けられている。クランクシャフト２１の一端には、フライホール２０が取り付けられ、他端にはプーリ１７を取り付けている。高熱源側ピストンシリンダ２６には、エンジン１の排気系統を流れる排気ガスの熱エネルギを回収するための熱交換器２２が備えられている。熱交換器２２は、排気系統の上の触媒７とサブマフラ９の間に設けられている。また、低熱源側のピストンシリンダ２４には、エンジン１の冷却水と熱交換をするための熱交換器２４が備えられている。熱交換器２４には、エンジン１を通った冷却水が配管２８を通って流入し、配管３０を通ってラジエータ１１に向かう冷却水が流れている。また熱交換器２２と熱交換器２４との間には、各々の熱交換器を接続し、ピストンシリンダ２６，熱交換器２２，ピストンシリンダ２４，熱交換機２４を繋ぐ再生器２３が設けられている。スターリングエンジン４内の作動流体がこれらの間を行き来することで、膨張・凝縮を繰返し、クランクシャフト２１を回転させる。

スターリングエンジン４のプーリ１７は、ベルト１９で発電機２のプーリ１６と繋がっている。スターリングエンジン４のクランクシャフト２１の回転によって、発電機２が駆動され。また、発電機２に取り付けられているプーリ１５とプーリ１６は、発電機２の同軸上に設けられている。また、プーリ１６は、プーリ１５と同様に、電磁クラッチが内蔵されており、自動車のエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）６の指令に基づき、電磁クラッチがＯＮ・ＯＦＦする。ＥＣＵ６の指令は、制御線３６により、プーリ１５，１６のクラッチやエンジン１に伝達される。従って、発電機２をエンジン１で駆動させたい場合には、プーリ１５の電磁クラッチをＯＮとし、プーリ１６の電磁クラッチをＯＦＦとする。逆に、発電機２をスターリングエンジン４で駆動させたい場合には、プーリ１５の電磁クラッチをＯＦＦとし、プーリ１６の電磁クラッチをＯＦＦとすればよい。発電機２を動かさない場合は、プーリ１５とプーリ１６の電磁クラッチを双方ともにＯＦＦとする。

発電機２には、発電した電力を蓄える蓄電池５が電力線３５により接続されている。自動車には蓄電池５から必要な電力が供給される。またＥＣＵ６は、制御線３９を介して、蓄電池５の電池充電容量または電圧を監視しており、またスターリングエンジン４の高温熱源側の熱交換器２２の排気系統上流側には排気ガス温度を検出する温度センサ３４を設け、また冷却水配管２８上の低温熱源用熱交換器２４の入口にも冷却水温度を検出する温度センサ３３を設け、制御線３７，３８を介して温度を監視している。また、エンジンの動作状態を制御している。

具体的には、ＥＣＵ６が蓄電池５の電池充電容量もしくは電圧に応じて、発電機２をエンジン１による駆動か、スターリングエンジン４による駆動か、または停止かを判断し、制御信号を制御線３６を通じてプーリ１５、プーリ１６に伝え、電磁クラッチのＯＮ・OFFを行うと共に、エンジン１にも制御信号を送り、エンジン１の動作を制御する。例えば、燃料噴射量や、空燃比、点火時期の制御を行う。ＥＣＵ６による制御内容については、図４以降を用いて後述する。

次に、図２を用いて、本実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態のスターリングエンジン４は、高温熱源側のピストンシリンダ２６によって形成される空間５０と、低温熱源側のピストンシリンダ２５によって形成される空間４９内の作動流体が外部からの加熱と冷却を受け、膨張・凝縮を繰り返すことで作動する。高温熱源側の空間５０の作動流体と低温熱源側の作動流体４９は、再生器２３を介して移動する。また、ピストンシリンダ２６とピストンシリンダ４８とは、断熱部材４７および断熱部材４８で断熱されている。

図示の例では、高温熱源側のピストンシリンダ２６は排気管８内に暴露されており、排気管８内の拡大空間４０１で直接空間５０内の作動流体を加熱する。一方、低温熱源側のピストンシリンダ２５では、拡大空間４０２に配管２８から流入し、配管３０へ流出するエンジン冷却水によって、直接空間４９内の作動流体を冷却する。作動流体としては、水素、ヘリウム、窒素、空気などが利用できる。

次に、図３を用いて、本実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの他の構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの他の構成を示すブロック図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、図２に示したスターリングエンジンとの相違点のみ説明する。スターリングエンジン４Ａは、高温熱源側のピストンシリンダ２６を取り巻く拡大空間４０１とエンジン排気管８とは伝熱性能の高い熱伝達部材５１で接触している。例えば部材としては、銅、ステンレス、アルミニウムなどがあり、排気管８内ではフィン形状をなし、伝熱面積を拡大している。フィン形状は、排気管内の排気ガスの流れ方向と並行するようにし、極力圧力損失が小さくなるようにしてエンジン出力が落ちないよう配慮している。また、拡大空間４０１は特に空間で有る必要は無く、スターリングエンジン４Ａを構成する金属塊のブロックがよい。逆に拡大空間４０１内に他の２次媒体を封入したりすると、製造に手間がかかると共に、熱伝達が悪くなり性能が低下する。

次に、図４を用いて、本実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第１の例について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第１の例の制御内容を示すタイムチャートである。図４において、横軸は時間を示し、図４（Ａ）の縦軸は電池充電容量もしくは電池電圧を示し、図４（Ｂ）は目標エンジントルクを示している。図４（Ｃ）はプーリ１５のクラッチのＯＮ・OFF状態を示し、図４（Ｃ）はプーリ１６のクラッチのＯＮ・OFF状態を示している。

図４は、ＥＣＵ６が蓄電池５の電池充電容量もしくは電圧に応じて、発電機２をエンジン１による駆動か、スターリングエンジン４による駆動か、または停止かを判断し、制御信号を制御線３６を通じてプーリ１５、プーリ１６に伝え、電磁クラッチのＯＮ・OFFを行う制御内容を示している。

図４（Ａ）は、自動車の走行中に蓄電池の電池充電容量または電圧変動した場合を示している。蓄電池の電池充電容量と電圧の変動は、ほぼ同じ変化を示すため、図４（Ａ）では同一の実線で示している。蓄電池の寿命を延命するためにも電池充電容量はある範囲内にあることが望ましく、過充電や不足充電の状態を回避することが望ましい。当然ながら不足充電の場合は、自動車の走行に必要な電力を供給できない可能性が有るので、絶対に回避する必要が有る。

図４（Ａ）において、閾値ＴＨ１が蓄電池の過充電制御値であり、閾値ＴＨ２が不足充電制御値である。図４（Ａ）に示すように、時間Ｔ２から時間Ｔ４では蓄電池の電池充電容量または電圧が閾値ＴＨ２よりも下に存在し、不足充電状態となっている。この時、図４（Ｃ）に示すように、ＥＣＵ６は、エンジン１の駆動により稼動する電動機２のプーリ１５のクラッチをＯＮにし、図４（Ｄ）に示すように、スターリングエンジン４で稼動する電動機２のプーリ１６のクラッチをＯＦＦにする。一般にエンジン１によって駆動される発電機の発電出力は、２〜３ＫＷ程度である。一方、スターリングエンジンの駆動力は、例えば、１ＫＷ程度と低いため、スターリングエンジンによってこの発電機を駆動した場合、得られる発電電力は１ＫＷ以下となる。従って、電池充電容量が小さく、不足充電の場合に、速やかに充電するためには、エンジン駆動で発電量を増加させる必要がある。この時、エンジンは発電機を稼動させるため、図４（Ｂ）に示すように、目標エンジントルクを高く設定する。

一方、時間Ｔ４から時間Ｔ５では、蓄電池の電池充電容量または電圧が閾値ＴＨ２を超え、閾値ＴＨ１以下の状態にある。この場合は蓄電池は適正な充電状態、即ち適切な発電状態にあるため、ＥＣＵ６は、図４（Ｃ）に示すように、エンジン１の駆動により稼動する電動機２のプーリ１５のクラッチをＯＦＦとし、図４（Ｄ）に示すように、スターリングエンジン４で稼動する電動機のプーリ１６のクラッチをＯＮとして、スターリングエンジンで発電を行う。この時、エンジンは発電機の負荷がなくなるため、図４（Ｂ）に示すように、目標エンジンントルクは低く設定する。

また、時間Ｔ５から時間Ｔ７までのように、蓄電池の電池充電容量または電圧が閾値ＴＨ１を超えた場合は過充電の状態で有るので、発電を止める。即ち、図４（Ｃ），（Ｄ）に示すように、エンジン１の駆動により稼動する電動機２のプーリ１５のクラッチも、スターリングエンジン４で稼動する電動機のプーリ１６のクラッチもＯＦＦとする。

次に、図５を用いて、本実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第２の例について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第２の例の制御内容を示すタイムチャートである。図５において、横軸は時間を示し、図５（Ａ）の縦軸は温度を示し、図５（Ｂ）は目標エンジントルクを示している。図５（Ｃ）はプーリ１５のクラッチのＯＮ・OFF状態を示し、図５（Ｄ）はプーリ１６のクラッチのＯＮ・OFF状態を示している。

図５において、時間Ｔ０はエンジン始動時である。冬場などエンジン始動時は、冷気暖機となり、外気温度が低いため排気ガス温度も上がらない。図５（Ａ）において、エンジン排気ガス温度の状態を示しているのが、線ＴＧである。一方、エンジン冷却水温度もエンジンが温まっていないので、まだエンジン冷却水温度も低い。図５（Ａ）において、エンジン冷却水温度の状態を示しているのが線ＴＷである。エンジン排気ガスを高温熱源に使用するスターリングエンジンの場合、エンジン排気ガス温度が低いと出力が小さく、自動車に必要な電力を賄うことができない可能性が有る。

そこで、図５（Ａ）に示すように、エンジン排気ガス温度に閾値ＴＨを設定し、その閾値ＴＨよりもエンジン排気ガス温度が低いの場合は、エンジン駆動で発電機を駆動させ、エンジン排気ガス温度が閾値ＴＨよりも高い場合は、スターリングエンジンで発電機を駆動させる。

図５（Ａ）に示すように、時間Ｔ１でエンジンン排気ガス温度ＴＧが閾値ＴＨを超えている。この時、図５（Ｃ）に示すように、ＥＣＵ６は、エンジン駆動により稼動する電動機のプーリ１５のクラッチはＯＦＦになり、図５（Ｄ）に示すように、スターリングエンジン駆動により稼動する電動機のプーリ１６のクラッチがＯＮにする。同時に、発電機によるエンジン負荷が減るため、図５（Ｂ）に示すように、目標エンジントルクを減少させる。

またスターリングエンジンの出力は、高温熱源と低温熱源の温度差が大きくなるに従い、大きくなるため、図５（Ａ）に示したエンジン排気ガス温度ＴＧの閾値ＴＨの他に、エンジン排気ガス温度ＴＧとエンジン冷却水温度ＴＷとの温度差にも閾値ＴＨを設けたほうがなおよいものである。

次に、図６を用いて、本実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第３の例について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第３の例の制御内容を示すフローチャートである。

本例では、ＥＣＵ６は、自動車の内燃機関，即ちエンジンの運転状態に応じて、エンジンによる発電か、スターリングエンジンによる発電かを切り換え制御している。ＥＣＵ６は、特にアイドリング時，高燃費運転（燃費が悪い運転）時，高出力運転時の３状態に応じて切り換えている。

ステップＳ１０において、ＥＣＵ６は、エンジンの運転状態を判定し、ステップＳ２０においてアイドリング時と判定されると、エンジンの排気ガス温度が上昇していないため、高熱源と低熱源の温度差が小さく、スターリングエンジンの出力が小さい。そのため、この運転状態の場合は、エンジン負荷を増し、排気ガス温度を早期に高めて、触媒の活性化を図るためにも、ステップＳ３０において、エンジン駆動の発電を行う。

また、ステップＳ４０において、高燃費運転時と判定されると、エンジンの負荷を減らす必要があるため、ステップＳ６０において、発電機をスターリングエンジンによって駆動させ、燃費の向上を図る。また、ステップＳ５０において、高出力運転時と判定されると、エンジンの出力を駆動力に使用したいため、余計な負荷は減らしたい。そのため、ステップＳ６０において、発電機をスターリングエンジンによって駆動させ、燃費の向上を図る。

次に、図７を用いて、本実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第４の例について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第４の例の制御内容を示す説明図である。

図７は自動車の蓄電池の充電量と、高熱源である排気ガス温度と低熱源であるエンジン冷却水との温度差に応じて、エンジンによる発電か、スターリングエンジンによる発電か、その切り換え条件を表にしたものである。

ＥＣＵ６は、この切り換え条件に基づいて、蓄電量と温度差がともに大きい場合は発電機は停止、蓄電量が少なく温度差が大きい場合は外燃機関（スターリングエンジン）、蓄電量が大きく温度差が小さい場合、および蓄電量が小さく温度差も小さい場合は内燃機関（エンジン）による発電を行う。

以上説明したように、本実施形態では、駆動用エンジンの排熱をスターリングエンジンで回収し、このスターリングエンジンによりエンジンに代えて、発電機を駆動することで、エンジン負荷を低減し、燃料消費率を低減することができる。したがって、環境にやさしい自動車を提供することができる。

すなわち、発電機は、エンジン駆動の他に、新たにスターリングエンジンでの駆動も可能なようにベルト駆動の電磁クラッチ内蔵のプーリを付け、またエンジン駆動用プーリにも電磁クラッチを内蔵し、各々ＯＮ、ＯＦＦ可能にして、必要条件に応じ電磁クラッチを接続して駆動方式を変えられるようにする。このため、スターリングエンジンでの発電を行っている間は、エンジンにとって発電機を回す負荷が減り、燃費の向上、即ち、排気ガス中に含まれるＣｏやＮＯｘなどの生成物もさらに減り、排気がさらに浄化できる。またＣＯ２の排出量も減るために、今以上に地球温暖化防止にも寄与できる自動車を提供することが可能となる。

また、発電した電力を蓄電する蓄電池の電池充電容量、電圧、または自動車の走行状態に応じて変化してしまう高温熱源と低温熱源の温度差に応じて、発電機をエンジン駆動かスターリングエンジン駆動か、または停止状態か切り換えを可能にしているので、確実に自動車を動かすために必要な電力を確保することが可能である。

また、スターリングエンジンの高温熱源として、エンジンからの排気系の触媒の下流側の熱源を利用しているため、必要な触媒温度を確保することができ、冷気暖機時など、触媒反応に必要な熱量を奪うことが無く、触媒の浄化作用は十分に機能を発揮できる構成になっている。

次に、図８〜図１３を用いて、本発明の第２の実施形態による自動車の構成及び動作について説明する。
最初に、図８を用いて、本実施形態による自動車の全体構成について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、図１との相違点のみ説明する。本例では、エンジン１の冷却水を循環させる冷却水ポンプとして、可変容量冷却水ポンプを用いている。ここでは、特に、電動冷却水ポンプ４１を使用しており、その電力は蓄電池５から供給している。またエンジン１には温度センサ４２を設置しておりＥＣＵ６で監視している。電動冷却水ポンプ４１は、エンジン１の温度に応じてＥＣＵ６から制御線４３，４４に出される制御信号に基づき、ポンプ回転数を可変とし、冷却水量を調整する。

次に、図９を用いて、本実施形態による自動車における冷却水ポンプの制御内容について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態における冷却水ポンプの制御内容を示すタイムチャートである。なお、図９の横軸は時間を示し、図９（Ａ）の縦軸はエンジン出力を示し、図９（Ｂ）の縦軸はエンジン冷却水量を示している。図９（Ｃ）の縦軸はエンジン冷却水温度を示し、図９（Ｄ）の縦軸は排気損失を示している。

自動車走行中は、上り坂や下り坂など、または加速や減速により、図９（Ａ）に示すように、エンジン出力が変化する。一般にエンジンの出力が変化するとエンジン回転数もそれに応じて変化するため、エンジン駆動の冷却水ポンプを使用している場合は、エンジン冷却水量は、図９（Ｂ）に実線Ｘ１で示すように、エンジンの出力に応じて変動する。一方、可変容量の冷却水ポンプを使用している場合は、エンジンの熱負荷に応じて冷却水ポンプの回転数、即ち冷却水量を調整することで、図９（Ｂ）に一点鎖線Ｘ２で示すように、エンジン駆動式の冷却水ポンプを使用した場合よりも冷却水量の変動は小さくなる。

一方、エンジン冷却水温度は、エンジン駆動式の冷却水ポンプを使用している場合、サーモスタットのみの調整のため、図９（Ｃ）に実線Ｙ１で示すように、目標エンジン冷却水温度Ｔｔａｇに対して大きく変動を伴うことになる。それに対して、エンジンの熱負荷に応じて可変容量化した場合は、図９（Ｃ）に一点鎖線Ｙ２で示すように、目標エンジン冷却水温度Ｔｔａｇに対して変動が少なくできる。

そのため、排気ガスに含まれる熱エネルギは、可変容量の冷却水ポンプを使用した方が大きくなる。すなわち、図９（Ｄ）に一点鎖線Ｚ２で示す排気損失は、可変容量式冷却水ポンプを使用した場合のものであり、実線Ｚ１で示す排気損失がエンジン駆動式の場合である。

以上のように、スターリングエンジンは、排気ガスに含まれる熱エネルギを高温熱源とし、またエンジン冷却水を低温熱源として駆動するため、高温熱源と低温熱源との温度差が大きいほうが出力が大きくなるので、可変容量式の冷却水ポンプを使用したほうが、より発電できる電力が大きくなる。

次に、図１０及び図１１を用いて、本実施形態による自動車における冷却水ポンプの制御時のエネルギ割合について説明する。
図１０は、比較例としてのエンジン駆動式の冷却水ポンプを用いた時のエネルギ割合を示す円グラフである。図１１は、本発明の第２の実施形態における冷却水ポンプの制御時のエネルギ割合を示す円グラフである。

図１０と図１１は、図９で説明した内容を円グラフで示したものである。円グラフは、自動車のエネルギ割合を示したもので、両図において、自動車のエネルギは、軸出力と、排気損失と、冷却水損失と、その他に概略分類できる。軸出力は駆動のために使用されるエネルギ、排気損失は排気ガスとともに排気されるエネルギ、冷却水損失は、エンジン冷却水で捨てられるエネルギであり、その他は各種損失である。一般に、エンジンが全負荷状態では軸出力と排気損失と冷却水損失は同程度である。

ここで、可変流量冷却水ポンプを使用すると、エンジンの熱負荷に応じてエンジン冷却水量を制御できるため、図１１に示すように、図１０のエンジン駆動式の冷却水ポンプを用いた場合に比べて、冷却水損失を最低限まで削減することができる。一方、冷却水損失が減ると、その分は排気損失となり排気ガスとともに排気される。即ち、排気損失が大きくなり、これはエンジンの排気ガス温度が上昇することと同じである。

従って、スターリングエンジンの駆動源として使用する高温熱源と低温熱源との温度差が拡大でき、スターリングエンジンの出力増加を促進することができる。

次に、図１２及び図１３を用いて、本実施形態による自動車における発電機の駆動制御の内容について説明する。
図１２及び図１３は、本発明の第２の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の制御内容を示すフローチャートである。

図１２と図１３は、自動車の状態によってエンジンによる発電か、スターリングエンジンによる発電か、またエンジン冷却水量の増減など、その切り換え条件をフローチャートにまとめたものである。

図１２のステップＳ１００において、高温熱源である排気ガス温度と、低温熱源であるエンジン冷却水温度との温度差ΔＴ（駆動温度差）が予め設定されている目標駆動温度差Ｔｓ以上と判定された場合、さらに、ステップＳ１１０において、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも大きいと判定されると、ステップＳ１２０において、エンジン冷却水量Ｇｗを増加し、ステップＳ１７０において、スターリングエンジンによる発電を行う。

また、ステップＳ１３０において、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏと同じと判定されると、ステップＳ１４０において、エンジン冷却水量Ｇｗを維持し、ステップＳ１７０において、スターリングエンジンによる発電を行う。

さらに、ステップＳ１５０において、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも小さいと判定されると、ステップＳ１６０において、エンジン冷却水量を減少し、ステップＳ１７０において、スターリングエンジンによる発電を行う。

一方、図１３のステップＳ２００において、高温熱源である排気ガス温度と、低温熱源であるエンジン冷却水温度との温度差ΔＴ（駆動温度差）が予め設定されている目標駆動温度差Ｔｓよりも小さいと判定された場合、さらに、ステップＳ２０５において、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも大きいと判定されると、ステップＳ２１０において、エンジン冷却水量Ｇｗを増加し、ステップＳ２２５において、エンジン駆動による発電を行う。

また、ステップＳ２１５において、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏと同じと判定されると、ステップＳ２２０において、エンジン冷却水量Ｇｗを維持し、ステップＳ２２５において、エンジン駆動による発電を行う。

さらに、ステップＳ２３０において、エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも小さいと判定されると、ステップＳ２３５において、エンジン冷却水量Ｇｗを減少させ、さらに、ステップＳ２４０において、低温熱源であるエンジン冷却水温度との温度差ΔＴが目標駆動温度差Ｔｓよりも小さいと判定されると、ステップＳ２２５において、エンジン駆動による発電を行う。

一方、低温熱源であるエンジン冷却水温度との温度差ΔＴが目標駆動温度差Ｔｓ以上と判定されると、さらに、ステップＳ２４５において、電池充電容量ＳＯＣが目標電池充電容量ＳＯＣｏよりも大きい時と判定されると、ステップＳ２５５において、スターリングエンジンによる発電を行う。また、電池容量ＳＯＣが目標電池充電容量ＳＯＣｏ以下と判定されると、ステップＳ２５０において、エンジン駆動による発電を行う。ここで、電池充電容量の代わりに電圧、目標電池充電容量の代わりに目標電圧を用いてもよいものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン負荷を低減し、燃料消費率を低減することができる。

また、エンジンを冷却する冷却水ポンプを可変容量化することで、高温熱源と低温熱源を制御でき、効率よくスターリングエンジンを稼動させることができる。

次に、図１４及び図１５を用いて、本発明の第３の実施形態による自動車の構成及び動作について説明する。
最初に、図１４を用いて、本実施形態による自動車の全体構成について説明する。
図１４は、本発明の第３の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、図１や図８との相違点のみ説明する。本例では、基本的には図８に示したシステムと同じである。相違点は、スターリングエンジン４Ｂの高温熱源側の熱交換器２２がエンジン１の排気系統と離れており、排気系統の排気管８と熱交換器２２との間の熱伝達をヒートパイプ４６を用いて行っている。ヒートパイプ４６を介することで、スターリングエンジン４Ｂを排気系統、特に排気管８に接触して配置する必要がなくなり、配置箇所の自由度が増す。なお、ヒートパイプは短いほど効率、即ち、途中の熱損失が少なくなるので、スターリングエンジン４Ｂに供給できる熱量は大きくなる。

次に、図１５を用いて、本実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの構成について説明する。
図１５は、本発明の第３の実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの構成を示すブロック図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、図２スターリングエンジンとの相違点のみ説明する。スターリングエンジン４Ｂは、排気管８と分離しており、高温熱源側のピストンシリンダ２６を取り巻く拡大空間４０１と排気管８とをヒートパイプ４６で繋いで、熱移動を行っている。本図では、排気管８上にあるサブマフラ９内にヒートパイプ４６を接続し、ヒートパイプ４６には、排気管８内を流れる排気ガスの流れ方向に並行にフィンを設け、伝熱面積を拡大している。また、スターリングエンジン４Ｂの拡大空間４０１の内部にもヒートパイプ４６の他端が埋め込まれている。本図では、ヒートパイプ４６の周囲に同様にフィンが設けている図で示しているが、実際には、拡大空間４０１はスターリングエンジン４Ｂを構成する金属塊のブロックであり、この金属塊に孔を開けヒートパイプ４６を差し込み周囲を溶接で密着、もしくはヒートパイプを圧入することが最も良い。拡大空間４０１内に他の２次媒体を入れる構造としてもよいが、性能が落ちる。最良なのはピストンシリンダ２６内の空間５０にヒートパイプ４６を入れられれば良いが、スターリングエンジンの性能を向上させるには、例えば１００ＭＰａなどの高圧力にこの空間５０をする必要があり、また往復動をするピストンや作動流体の出入による振動などにより、信頼性と構造の面から実現は難しい。

以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン負荷を低減し、燃料消費率を低減することができる。

次に、図１６を用いて、本発明の第４の実施形態による自動車の構成及び動作について説明する。
図１６は、本発明の第４の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本別は、ハイブリッド車にスターリングエンジンを用いた自動車の発電システムである。ここでは、図１のシステム構成との相違点のみ説明する。

この自動車システムはハイブリッド車のため、駆動用モータ３０１と、駆動用モータ３０１の制御用の電気回路であるインバータ／コンバータ３０３と、駆動用蓄電池３０２を備えている。駆動用モータ３０１，インバータ／コンバータ３０３は、電動冷却水ポンプ３０４で冷却水を循環し、ラジエータ３０５から排熱している。この時、スターリングエンジン４の低温熱源側熱交換器には駆動用モータ３０１からの配管３０６が接続してあり冷却水が流入し、配管３０７を通ってラジエータ３０５に流れている。従って、スターリングエンジン４の駆動源は、エンジンの排気系統を高温熱源とし、駆動用モータ冷却系統を低温熱源としている。

ある自動車の排気管の外壁温度、および、エンジン冷却水温度、駆動用モータ冷却水温度を実測したところ、市街地走行で、排気管のサブマフラ入口の外壁温度は１５０℃前後、高速道、山岳路で３００℃以上であった。またエンジン冷却水温度は６０℃から８０℃、駆動用モータ冷却水温度は４０℃から６０℃程度であった。駆動用モータ冷却水温度は、エンジン冷却水温度よりも低いが、冷却水量がはるかに少ないため、実際には、スターリングエンジンの出力設定に応じて、どちらかを選択する必要がある。

以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン負荷を低減し、燃料消費率を低減することができる。

また、ハイブリッド車にも、本発明が適用できるものである。
なお、上述の各例において、駆動用の内燃機関はガソリンエンジンでも、ディーゼルエンジンでも、ＬＰＧエンジンでも同様な効果が得られる。

本発明の第１の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第１の実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの他の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第１の例の制御内容を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第２の例の制御内容を示すタイムチャートである。 本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第３の例の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の第４の例の制御内容を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第２の実施形態における冷却水ポンプの制御内容を示すタイムチャートである。 比較例としてのエンジン駆動式の冷却水ポンプを用いた時のエネルギ割合を示す円グラフである。 本発明の第２の実施形態における冷却水ポンプの制御時のエネルギ割合を示す円グラフである。 本発明の第２の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による自動車における発電機の駆動制御の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第３の実施形態による自動車に用いるスターリングエンジンの構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態による自動車の全体構成を示すシステムブロック図である。

符号の説明

１…内燃機関（エンジン）
２…発電機
３…エンジン駆動冷却水ポンプ
４…スターリングエンジン
５…蓄電池
６…コントロールユニット（ＥＣＵ）
７…触媒
８…排気管
９…サブマフラー
１０…メインマフラー
１１、３０５…ラジエータ
１２…サーモスタット
１３、１４、１５、１６、１７…プーリ
１８、１９…ベルト
２０…フライホイール
２１…クランクシャフト
２２…高温熱源側熱交換器
２３…再生器
２４…低温熱源側熱交換器
２５、２６…ピストンシリンダ
２７、２８、２９、３０、３１、３２…エンジン冷却水配管
３３、３４、４２…温度センサ
３５、４５、３０８、３０９…電力線
３６、３７、３８、３９、４０、４３、４４、３１２、３１３、３１４、３１５…制御線
４１、３０４…電動冷却水ポンプ
４６…ヒートパイプ
４７、４８…断熱部材
４９、５０…空間
５１…高熱伝達部材
３０１…駆動用モータ
３０２…駆動用蓄電池
３０３…インバータ／コンバータ
３０７、３０８、３１１…冷却水配管
４０１、４０２…拡大空間

Claims (10)

1. 駆動輪を駆動する駆動力源である内燃機関と、
   前記内燃機関で発生する排気ガスを高熱源として駆動される外燃機関と、
   前記内燃機関に対して第１のクラッチを介し、また、前記外燃機関に対して第２のクラッチを介して接続された発電機と、
   前記第１のクラッチ及び第２のクラッチを選択的にオンして、前記内燃機関若しくは前記外燃機関のいずれかによって選択的に前記発電機を駆動して発電させる制御手段と、
   前記発電機によって発生した電力を蓄積する蓄電池とを備えたことを特徴とする自動車。
2. 請求項１記載の自動車において、
   前記制御手段は、前記蓄電池の電池充電容量若しくは蓄電電圧に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、
   前記蓄電池の電池充電容量若しくは蓄電電圧が所定の第１の閾値より低く、かつ、所定の第２の閾値より高いときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動することを特徴とする自動車。
3. 請求項１記載の自動車において、
   前記制御手段は、前記高熱源の温度に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、
   前記高熱源の温度が所定の閾値より高いときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動することを特徴とする自動車。
4. 請求項１記載の自動車において、
   前記制御手段は、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、
   前記内燃機関の運転状態が燃費が悪い運転若しくは高出力運転のときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動することを特徴とする自動車。
5. 請求項１記載の自動車において、
   前記制御手段は、前記蓄電池の蓄電量及び前記高熱源と低熱源の温度差に応じて、前記第１若しくは第２のクラッチを制御し、
   前記蓄電池の蓄電量が小さく、前記高熱源と低熱源の温度差が大きいときは、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動することを特徴とする自動車。
6. 請求項１記載の自動車において、
   前記内燃機関を冷却する冷却系統に用いられ、冷却水を循環させる冷却水ポンプを可変流量ポンプとしたことを特徴とする自動車。
7. 請求項６記載の自動車において、
   前記可変流量ポンプを電動ポンプとしたことを特徴とする自動車。
8. 請求項６記載の自動車において、
   前記制御手段は、前記高熱源と低熱源の温度差が予め設定されている目標駆動温度差Ｔｓ以上の時、
   エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも大きい場合は、エンジン冷却水量を増加して、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動し、
   エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏと等しい場合は、エンジン冷却水量を維持して、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動し、
   エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも小さい場合は、エンジン冷却水量を減少して、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動し、
   前記制御手段は、前記高熱源と低熱源の温度差が予め設定されている目標駆動温度差Ｔｓより小さい時、
   エンジン温度Ｔｅが目標エンジン温度Ｔｅｏよりも小さい場合、エンジン冷却水量を減少して、前記温度差が目標駆動温度差Ｔｓ以上の場合で、電池充電容量が目標電池充電容量よりも大きい時、前記第２のクラッチをオンして、前記外燃機関により前記発電機を駆動することを特徴とする自動車。
9. 請求項１記載の自動車において、
   前記排気ガスの熱エネルギを外燃機関の高熱源部に伝達するヒートパイプを備えたことを特徴とする自動車。
10. 請求項１記載の自動車において、
    前記駆動輪を駆動する電動モータと、
    この電動モータを冷却する冷却系統とを備え、
    前記電機モータの冷却系統を前記外燃機関の低熱源とすることを特徴とする自動車。

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