JP2008169713A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】筺体内に充填される気体の圧力低下に起因する出力低下を抑制すること。
【解決手段】スターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃの内部に、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０３、コンロッド１０９、クランク軸１１０等の構成要素が格納される。圧力制御装置３０は、筺体１００Ｃの内部に充填される気体の圧力低下を判定する。前記気体の圧力が低下した場合、圧力制御装置３０は、ポンプ１１５を駆動して、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン機関に関する。

近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。特許文献１には、スターリングエンジンから高い出力を得るため、クランクケースの内部を高圧に保持するスターリングエンジンが開示されている。

特開２００５−１０６００９号公報、段落番号００３６

ところで、特許文献１に開示されたスターリングエンジンは、例えば、クランクケース（筺体）内に充填される気体の漏れに起因する前記気体の圧力低下が考慮されておらず、出力低下が発生するおそれがある。そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、筺体内を加圧するスターリングエンジンにおいて、筺体内に充填される気体の圧力低下に起因する出力低下を抑制できるスターリングエンジンを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、スターリングエンジンにおいて、前記スターリングエンジンの構成要素を格納する筺体と、前記筺体の内部に充填される気体の目標とする圧力を表す指標に基づいて、前記気体の圧力の低下を判定する判定手段と、前記気体を加圧して、前記気体の圧力低下分を補う圧力調整手段と、を含むことを特徴とする。

これによって、運転環境の変化や漏れによる筺体内の気体の圧力低下が発生しても、圧力調整手段によって圧力低下分を補うことができる。その結果、筺体内に充填される気体の圧力低下に起因する出力低下を抑制できる。

本発明の好ましい態様としては、前記指標は、前記気体の温度に基づいて定められる、前記筺体の内部に充填される気体の圧力であり、前記圧力調整手段は、前記気体の圧力が前記指標になるように、前記気体を加圧することが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記指標は、前記気体の圧力と温度との比、又は前記気体の温度と圧力との比に基づいて定められており、前記圧力調整手段は、前記気体の圧力と温度との比、又は前記気体の温度と圧力との比が、前記指標になるように、前記気体を加圧することが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記判定手段は、前記スターリングエンジンを始動する前に、前記気体の圧力の低下を判定することが望ましい。

上述の目的を達成するために、本発明は、シリンダと、気体軸受を介してシリンダ内に支持されるピストンと、前記ピストンを支持する近似直線機構と、前記シリンダ、前記ピストン、前記近似直線機構を格納する筺体と、前記筺体の内部に充填される気体の目標とする圧力を表す指標に基づいて、前記気体の圧力の低下を判定する判定手段と、前記気体を加圧する圧力調整手段と、を含むことを特徴とする。

これによって、運転環境の変化や漏れによる筺体内の気体の圧力低下が発生しても、圧力調整手段によって圧力低下分を補うことができる。その結果、筺体内に充填される気体の圧力低下に起因する出力低下を抑制できる。また、気体軸受及び近似直線機構により、ピストンとシリンダとの摩擦損失を低減できるので、より効果的に出力低下を抑制できる。

本発明によれば、筺体内を加圧するスターリングエンジンにおいて、筺体内に充填される気体の圧力低下に起因する出力低下を抑制できる。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、本発明を実施するための最良の形態により本発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

本実施形態は、次の点に特徴がある。すなわち、スターリングエンジンの構成要素を格納する筺体の内部に充填される気体を予め加圧するスターリングエンジンであり、前記筺体内に充填される気体の目標とする圧力を表す指標に基づいて、前記気体の圧力の低下を判定する。そして、前記気体の圧力が前記指標から求められる圧力よりも低下している場合には、前記気体を加圧して、前記圧力目標値に対する前記気体の圧力低下分を補う。まず、本実施形態に係るスターリングエンジンの構成を説明する。なお、以下においては、スターリングエンジンを排熱回収手段として用い、熱機関である内燃機関の排ガスから熱エネルギーを回収する場合を例として説明する。なお、熱機関の種類は問わない。

図１は、本実施形態に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。図３は、本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンを支持する近似直線機構の例を示す説明図である。本実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１内に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０３と、第２シリンダである低温側シリンダ１０２内に収められた第２ピストンである低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とは、基準体である基板１１１に、直接、又は間接的に支持、固定されている。本実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３との間、及び低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４との間に気体軸受ＧＢを介在させる。

本実施形態に係るスターリングエンジンは、基準体である基板１１１に、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２との間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が配置される。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排ガス通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置することができる。

ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ１０１側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ１０２側に配置される。

高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施形態では空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱及びクーラー１０７で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、スターリングエンジン１００を駆動する。ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。クーラー１０７は、空冷としてもよいし、水冷としてもよい。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

高温側ピストン１０３と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の排熱回収効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においても、スターリングエンジン１００を運転して排熱から熱エネルギーを回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、高温側ピストン１０３と高温側シリンダ１０１とのクリアランスｔｃは、高温側ピストン１０３等の全周にわたって数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０２も同様の構成である。高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３と低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。

高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コンロッド１０９によって出力軸であるクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。本実施形態において、高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４は、図３に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）１１３によって支持される。このようにすれば、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４を略直線状に往復運動させることができる。その結果、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによって十分にピストンを支持することができる。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０３、コンロッド１０９、クランク軸１１０等の構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。ここで、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。筺体１００Ｃ内に充填される気体（本実施形態では作動流体と同一）は、圧力調整手段であるポンプ１１５により加圧される。ポンプ１１５は、例えば、スターリングエンジン１００の排熱回収対象である内燃機関によって駆動してもよいし、例えば電動機のような駆動手段を用いて駆動してもよい。

スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５とクーラー１０７との温度差が同じ場合、作動流体の平均圧力が高い程、高温側と低温側との圧力差が大きくなるので、より高い出力が得られる。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧することにより、作動流体を高圧に保持して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すように構成してある。これによって、排熱回収のように低質な熱源しか用いることができない場合でも、より多くの出力をスターリングエンジン１００から取り出すことができる。ここで、スターリングエンジン１００の出力は、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力にほぼ比例して大きくなる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃにシール軸受１１６が取り付けられており、クランク軸１１０がシール軸受１１６により支持される。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筺体１００Ｃ内に充填される気体の漏れを最小限に抑制することができる。クランク軸１１０の出力は、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング１１８を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。

ポンプ１１５の動作は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０内に備えられる圧力制御装置３０によって制御される。筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力は、圧力検出手段である圧力センサ４０によって測定される。また、筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度は、温度検出手段である温度センサ４１によって測定される。圧力センサ４０及び温度センサ４１によって測定された筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐ及び温度Ｔは、機関ＥＣＵ５０内の圧力制御装置３０に取り込まれ、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力制御に用いられる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、シール軸受１１６によって筺体１００Ｃ内に充填される気体の漏れを極小に抑えるが、わずかな漏れは発生し、時間の経過によって、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐは低下する。また、スターリングエンジン１００の運転環境によっても、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐは低下することがある。

例えば、スターリングエンジン１００の運転環境の温度が低下して、筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度Ｔが低下すると、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐも低下する。筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐが低下すると、スターリングエンジン１００の出力が低下してしまうので、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐを所定の値に維持する必要がある。

本実施形態では、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐが、予め定める圧力目標値よりも低下した場合には、ポンプ１１５によって筺体１００Ｃ内へ気体を供給し、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐを圧力目標値まで上昇させる。これによって、漏れや運転環境の変化によるスターリングエンジン１００の出力の低下を抑制できる。圧力目標値は、筺体１００Ｃの内部に充填される気体の目標とする圧力を表す指標であり、例えば、スターリングエンジン１００の標準運転状態での、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力とすることができる。ここで、スターリングエンジン１００の標準運転状態とは、例えば、スターリングエンジン１００の仕様から決定される出力を、スターリングエンジン１００が発生している状態をいう。

図４は、本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。本実施形態では、スターリングエンジン１００の出力を、スターリングエンジン用変速機５を介して内燃機関用変速機４へ入力し、内燃機関１の出力と合成して取り出す。

本実施形態において、内燃機関１は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力源となる。内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる動力源として出力を発生する。一方、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の出力を生み出すことができない。したがって、本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの温度が所定温度を超えたら内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して出力を発生し、内燃機関１とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン１００は、前記車両の従たる動力源となる。

スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、内燃機関１の排気通路２内に配置される。なお、排気通路２内には、スターリングエンジン１００の再生器（図１参照）１０６を配置してもよい。スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、排気通路２に設けられる中空のヒータケース３内に設けられる。

本実施形態において、スターリングエンジン１００を用いて回収した排ガスＥｘの熱エネルギーは、スターリングエンジン１００で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０には、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられており、スターリングエンジン１００の出力は、クラッチ６を介してスターリングエンジン用変速機５に伝達される。

内燃機関１の出力は、内燃機関１の出力軸１ｓを介して内燃機関用変速機４に入力される。そして、内燃機関用変速機４は、内燃機関１の出力と、スターリングエンジン用変速機５から出力されるスターリングエンジン１００の出力とを合成して、変速機出力軸９に出力する。ここで、動力断続手段であるクラッチ６は、内燃機関用変速機４とスターリングエンジン１００との間に設けられる。本実施形態では、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとスターリングエンジン１００のクランク軸１１０との間に設けられる。クラッチ６は、係合、解放することによって、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとの機械的な接続を断続する。ここで、クラッチ６は、機関ＥＣＵ５０によって制御される。

スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを回収するため、内燃機関１の冷間始動時等のように排ガスＥｘの温度が低い場合には、排ガスＥｘから熱エネルギーを回収できず、出力を発生することができない。このため、スターリングエンジン１００が出力を発生できるようになるまではクラッチ６を解放して、スターリングエンジン１００と内燃機関１とを切り離して、スターリングエンジン１００が内燃機関１に駆動されることによるエネルギー損失を抑制する。

クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとは、スターリングエンジン用変速機５及び内燃機関用変速機４を介して直結される。これによって、スターリングエンジン１００の発生する出力と内燃機関１の発生する出力とは、内燃機関用変速機４で合成され、変速機出力軸９から取り出される。一方、クラッチ６を開放すると、内燃機関１の出力軸１ｓはスターリングエンジン１００のクランク軸１１０と切り離されて回転する。次に、圧力制御装置３０の構成を説明する。

図５は、本実施形態に係る圧力制御装置を示す説明図である。図５に示すように、本実施形態に係る圧力制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェース５７、５８とから構成される。

なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、本実施形態に係る圧力制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、本実施形態に係るスターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力制御を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ５０が備える、スターリングエンジン１００等に対する制御機能を、前記圧力制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

圧力制御装置３０は、圧力決定部３１と、制御条件判定部３２と、圧力制御部３３とを含んで構成される。これらが、本実施形態に係る運転制御を実行する部分となる。本実施形態において、圧力制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５０ｐの一部として構成される。また、ＣＰＵ５０ｐには、機関制御部５０ｈが備えられており、これによって、内燃機関１やスターリングエンジン１００の運転を制御する。

ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４₁〜５４₃を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、圧力制御装置３０を構成する圧力決定部３１と制御条件判定部３２と圧力制御部３３とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、圧力制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０が有する内燃機関１やスターリングエンジン１００等の運転制御データを取得し、これを利用することができる。また、圧力制御装置３０は、本実施形態に係る運転制御を機関ＥＣＵ５０が予め備えている運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェース５７が接続されている。入力インターフェース５７には、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力を所定の圧力に維持する制御に必要なセンサ類が接続される。本字実施形態では、圧力センサ４０、温度センサ４１である。なお、入力インターフェース５７には、内燃機関１やスターリングエンジン１００の運転制御、内燃機関用変速機４やスターリングエンジン用変速機５の制御に必要な情報を取得するためのセンサ類も接続されている。

これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェース５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１の運転制御や、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェース５８が接続されている。出力インターフェース５８には、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力を所定の圧力に維持する制御に必要な制御対象が接続されている。本実施形態では、ポンプ１１５である。この他、出力インターフェース５８には、内燃機関１やスターリングエンジン１００の運転制御、内燃機関用変速機４やスターリングエンジン用変速機５の制御に必要な制御対象（例えばクラッチ６）が接続されている。

出力インターフェース５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算され、生成された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、ポンプ１１５やクラッチ６、あるいはスターリングエンジン１００や内燃機関１等を制御することができる。

記憶部５０ｍには、本実施形態に係る圧力制御の処理手順を含むコンピュータプログラムやデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐフェースへ既に記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、本実施形態に係る圧力制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この圧力制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、圧力決定部３１、制御条件判定部３２及び圧力制御部３３の機能を実現するものであってもよい。次に、本実施形態に係る圧力制御を説明する。本実施形態に係る圧力制御は、上記圧力制御装置３０によって実現できる。次の説明では、適宜図１〜図５を参照されたい。

図６は、本実施形態に係る圧力制御の手順を示すフローチャートである。図７は、本実施形態に係る圧力制御に用いる圧力目標値決定マップを示す概念図である。次に説明する本実施形態に係る圧力制御は、スターリングエンジン１００を始動する前に実行するが、スターリングエンジン１００の運転中に実行してもよい。スターリングエンジン１００を始動する前に圧力制御を実行すれば、スターリングエンジン１００の始動直後から、予定した出力を確保できる。

本実施形態に係る圧力制御を実行するにあたり、ステップＳ１０１において、圧力制御装置３０の圧力決定部３１は、図１、図４に示す温度センサ４１から、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度（以下気体実温度という）Ｔを取得する。

ステップＳ１０２において、圧力決定部３１は、圧力目標値Ｐｃを決定する。上述したように、圧力目標値は、標準運転状態における筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力である。圧力目標値を決定するために、圧力決定部３１は、ステップＳ１０１で取得した気体実温度Ｔを、図７に示す圧力目標値決定マップ４５に与え、対応する圧力目標値Ｐｃを取得する。例えば、筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度がＴｍである場合に、筺体１００Ｃ内に充填される気体の実際の圧力が圧力目標値Ｐｍであれば、スターリングエンジン１００は予定した出力を発生できる。ここで、圧力目標値決定マップ４５は、機関ＥＣＵ５０の記憶部５０ｍに格納される。

圧力目標値決定マップ４５は、標準運転状態において筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度Ｔと圧力目標値Ｐｃとの組み合わせが、複数の条件で記述されている。本実施形態においては、例えば、温度Ｔは、Ｔ１＜Ｔ２＜・・・＜Ｔｍ＜・・・＜Ｔｎとなっており、圧力目標値Ｐｃは、Ｐｃ１＞Ｐｃ２＞・・・＞Ｐｃｍ＞・・・＞Ｐｃｎとなっている。すなわち、温度Ｔが大きくなるにしたがって、圧力目標値Ｐｃは小さく設定してある。なお、標準運転状態において筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度Ｔと圧力目標値Ｐｃとは、上記圧力目標値決定マップ４５の設定に限定されるものではない。また、温度Ｔ、圧力目標値Ｐｃは、離散的に記述されているため、圧力目標値決定マップ４５に記述されていない温度Ｔについては、例えば、線形補間により圧力目標値Ｐｃを求める。

このように、筺体１００Ｃ内に充填される気体の温度を用いて圧力目標値Ｐｃを決定することにより、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐをより高い精度で制御できる。その結果、加圧不足を抑制して、スターリングエンジン１００の出力低下をより確実に抑制できる。また、過剰な加圧を抑制することができるので、ポンプ１１５を余分に駆動することを回避して、エネルギー消費を抑制することができる。

筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐは、筺体１００Ｃ内の圧力Ｐと温度Ｔとの比（圧力／温度比という）Ｐ／Ｔに基づいて制御してもよい。例えば、温度Ｔｃ＿ｐで圧力目標値Ｐｃ＿ｐを目標とすると、Ｐｃ＿ｐ／Ｔｃ＿ｐ＝Ａ（定数）となる。この定数Ａは、筺体１００Ｃ内の圧力Ｐと温度Ｔとの比に基づいて予め設定されるものであり、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐの目標とする圧力を表す指標である。以下、定数Ａを圧力目標指標という。

圧力／温度比Ｐ／Ｔを用いて筺体１００Ｃ内の気体の圧力Ｐを制御する場合、圧力決定部３１は、圧力センサ４０及び温度センサ４１から取得した筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐ及び温度Ｔから、現時点における圧力／温度比Ｐ／Ｔを求める。そして、圧力制御装置３０の圧力制御部３３は、現時点におけるＰ／Ｔが、圧力目標指標Ａ以上になるように、筺体１００Ｃ内の気体の圧力Ｐを制御する。これによって、筺体１００Ｃ内の気体の圧力Ｐを、上述した圧力目標値Ｐｃ以上に維持することができる。

また、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐは、筺体１００Ｃ内の温度Ｔと圧力Ｐとの比（温度／圧力比という）Ｔ／Ｐに基づいて制御してもよい。例えば、温度Ｔｃ＿ｐにおいて、圧力Ｐｃ＿ｐを目標とすると、Ｔｃ＿ｐ／Ｐｃ＿ｐ＝Ｂ（定数）となる。この定数Ｂは、筺体１００Ｃ内の圧力Ｐと温度Ｔとの比に基づいて予め設定されるものであり、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐの目標とする圧力を表す指標である。以下、定数Ｂを圧力目標指標という。

温度／圧力比Ｔ／Ｐを用いて筺体１００Ｃ内の気体の圧力を制御する場合、圧力決定部３１は、圧力センサ４０及び温度センサ４１から取得した筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐ及び温度Ｔから、現時点における温度／圧力比Ｔ／Ｐを求める。そして、圧力制御部３３は、現時点におけるＴ／Ｐが、圧力目標指標Ｂ以下になるように、筺体１００Ｃ内の気体の圧力Ｐを制御する。これによって、筺体１００Ｃ内の気体の圧力Ｐを、上述した圧力目標値Ｐｃ以上に維持することができる。

このように、本実施形態では、圧力／温度比Ｐ／Ｔ、又は温度／圧力比Ｔ／Ｐと、予め設定される圧力目標指標とに基づいて、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐを制御することもできる。このようにすれば、圧力目標値決定マップ４５を用いる必要はないため、機関ＥＣＵ５０が備える記憶部５０ｍの使用量を抑えることができる。また、圧力目標値決定マップ４５を作成する手間を軽減することもできる。

標準運転状態における筺体内気体圧力が決定されたら、ステップＳ１０３において、判定手段である圧力制御装置３０の制御条件判定部３２は、図１、図４に示す圧力センサ４０から、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力（気体実圧力という）Ｐを取得する。ステップＳ１０４において、制御条件判定部３２は、ステップＳ１０３で取得した気体実圧力Ｐと、ステップＳ１０２で決定された圧力目標値Ｐｃとを比較する。

ステップＳ１０４においてＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３２がＰ＜Ｐｃであると判定した場合、スターリングエンジン１００は、予定した出力を発生することができない。このため、ステップＳ１０５において、圧力制御装置３０の圧力制御部３３は、図１、図４に示すポンプ１１５を駆動し、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧する。

筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧する場合、例えば、圧力センサ４０によって検出される、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力が、圧力目標値Ｐｃになるまでポンプ１１５による加圧を継続する。また、圧力目標値Ｐｃと現時点における筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐとの差分から必要な加圧量を算出し、前記加圧量に基づいてポンプ１１５で加圧してもよい。

圧力／温度比Ｐ／Ｔと、予め設定される圧力目標指標Ａとに基づいて、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐを制御する場合、圧力／温度比Ｐ／Ｔが圧力目標指標以上になるまで、ポンプ１１５によって加圧する。また、温度／圧力比Ｔ／Ｐと、予め設定される圧力目標指標Ｂとに基づいて、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力Ｐを制御する場合、圧力／温度比Ｐ／Ｔが圧力目標指標以下になるまで、ポンプ１１５によって加圧する。また、圧力／温度比Ｐ／Ｔと圧力目標指標Ａとの差分、又は温度／圧力比Ｔ／Ｐと圧力目標指標Ｂとの差分から必要な加圧量を算出し、前記加圧量に基づいてポンプ１１５で加圧してもよい。

ステップＳ１０４においてＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３２がＰ≧Ｐｃであると判定した場合、スターリングエンジン１００は、予定した出力を発生できるので、圧力制御部３３はスターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧しない。機関ＥＣＵ５０の機関制御部５０ｈは、スターリングエンジン１００を始動して、運転を開始する。なお、スターリングエンジン１００の運転中に、Ｐ＜Ｐｃとなった場合には、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧してもよい。

以上、本実施形態は、スターリングエンジンの筺体の内部に充填される気体を予め加圧するスターリングエンジンにおいて、前記筺体内に充填される気体の圧力目標値に対する前記気体の圧力の低下を判定し、前記気体の圧力が、前記圧力目標値に対して低下している場合には、前記気体を加圧して、前記圧力目標値に対する前記気体の圧力低下分を補う。これによって、筺体内に充填される気体の圧力低下に起因するスターリングエンジンの出力低下を抑制できる。

以上のように、本発明に係るスターリングエンジンは、筺体内に充填される気体を予め加圧するスターリングエンジンに有用であり、特に、筺体内に充填される気体の圧力低下に起因する出力低下を抑制することを抑制することに適している。

本実施形態に係るスターリングエンジンを示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンのピストンを支持する近似直線機構の例を示す説明図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係る圧力制御装置を示す説明図である。 本実施形態に係る圧力制御の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る圧力制御に用いる圧力目標値決定マップを示す概念図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ ヒータケース
４ 内燃機関用変速機
５ スターリングエンジン用変速機
６ クラッチ
９ 変速機出力軸
３０ 圧力制御装置
３１ 圧力決定部
３２ 制御条件判定部
３３ 圧力制御部
４０ 圧力センサ
４１ 温度センサ
４５ 圧力目標値決定マップ
５０ 機関ＥＣＵ
５０ｈ 機関制御部
５０ｍ 記憶部
１００ スターリングエンジン
１００Ｃ 筺体
１０１ 高温側シリンダ
１０２ 低温側シリンダ
１０３ 高温側ピストン
１０４ 低温側ピストン
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラー
１０８ 熱交換器
１１４Ａ クランクケース
１１４Ｂ シリンダブロック
１１５ ポンプ
１１６ シール軸受

Claims (5)

1. スターリングエンジンにおいて、
   前記スターリングエンジンの構成要素を格納する筺体と、
   前記筺体の内部に充填される気体の目標とする圧力を表す指標に基づいて、前記気体の圧力の低下を判定する判定手段と、
   前記気体を加圧して、前記気体の圧力低下分を補う圧力調整手段と、
   を含むことを特徴とするスターリングエンジン。
2. 前記指標は、前記気体の温度に基づいて定められる、前記筺体の内部に充填される気体の圧力であり、
   前記圧力調整手段は、前記気体の圧力が前記指標になるように、前記気体を加圧することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
3. 前記指標は、前記気体の圧力と温度との比、又は前記気体の温度と圧力との比に基づいて定められており、
   前記圧力調整手段は、前記気体の圧力と温度との比、又は前記気体の温度と圧力との比が、前記指標になるように、前記気体を加圧することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
4. 前記判定手段は、前記スターリングエンジンを始動する前に、前記気体の圧力の低下を判定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスターリングエンジン。
5. シリンダと、
   気体軸受を介してシリンダ内に支持されるピストンと、
   前記ピストンを支持する近似直線機構と、
   前記シリンダ、前記ピストン、前記近似直線機構を格納する筺体と、
   前記筺体の内部に充填される気体の目標とする圧力を表す指標に基づいて、前記気体の圧力の低下を判定する判定手段と、
   前記気体を加圧する圧力調整手段と、
   を含むことを特徴とするスターリングエンジン。

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