JP2009091959A - 排熱回収機関及び起動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収機関の起動トルクを低減すること。
【解決手段】起動制御装置５０は、起動制御部５１と、筐体内加圧制御部５２とを備える。起動制御部５１は、スターリングエンジン１００の筐体の内部における圧力が、大気圧になった場合に、クラッチ６を係合して、内燃機関１によってスターリングエンジン１００を起動する。筐体内加圧制御部５２は、スターリングエンジン１００が起動した後に、加圧用ポンプ１１５を駆動して、スターリングエンジン１００の筐体の内部を加圧する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、排熱回収機関を起動する際のトルクを低減できる排熱回収機関及び起動制御装置に関する。

熱機関を排熱回収機関として用いることにより、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を回収する技術が提案されている。このような用途には外燃機関が適しており、例えば、理論熱効率に優れるスターリングエンジンが排熱回収機関として用いられる。特許文献１には、クランクシャフトやコネクティングロッド等の構成要素を格納する筐体の内部を加圧するスターリングエンジンが開示されている。

特開２００６−３４８８９３号公報

構成要素を格納する筐体の内部を加圧する排熱回収機関は、排熱回収機関が運転中に発生するトルクよりも大きな起動トルクを入力しなければ起動しない。このため、大きな起動トルクを発生できる起動手段を用意する必要がある。また、排熱回収機関の出力を、磁気カップリングのような非接触式のカップリングを介して伝達する場合には、起動トルクをカバーできるだけのカップリングが必要となる。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱回収機関の起動トルクを低減することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収機関は、構成要素を格納する筐体の内部を所定の圧力に加圧して出力を取り出す排熱回収機関において、前記筐体の内部における圧力が、加圧後における前記筐体の内部の圧力よりも低いときに、前記排熱回収機関を起動する起動手段と、前記排熱回収機関が起動した後に、前記筐体の内部を加圧する筐体内加圧手段と、を含むことを特徴とする。これによって、この排熱回収機関は、起動トルクを低減できる。

本発明の好ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記起動手段は、前記筐体の内部における圧力が大気圧であるときに、前記排熱回収機関を起動することが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記排熱回収機関の出力は、前記排熱回収機関の出力軸に取り付けられる磁気カップリング機構を介して前記筐体の外部へ取り出されることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記起動手段は、電動機であることが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記起動手段は、前記排熱回収機関の排熱回収対象である熱機関であることが望ましい。

上述の目的を達成するために、本発明に係る起動制御装置は、排熱回収機関の構成要素を格納する筐体の内部を所定の圧力に加圧して出力を取り出す排熱回収機関を起動させるものであり、前記筐体の内部の圧力が、加圧後における前記筐体の内部の圧力よりも低い場合に、前記排熱回収機関を起動する起動制御部と、前記排熱回収機関が起動した後に、前記筐体内加圧手段を動作させて前記筐体の内部を加圧する筐体内加圧制御部と、を含むことを特徴とする。これによって、この起動制御装置は、起動トルクを低減できる。

本発明の好ましい態様としては、前記起動制御装置において、前記起動制御部は、前記筐体の内部における圧力が大気圧であるときに、前記排熱回収機関を起動することが望ましい。

本発明は、排熱回収機関の起動トルクを低減できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施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。以下においては、排熱回収機関としてスターリングエンジンを用い、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、排熱回収機関としては、スターリングエンジンの他、ブレイトンサイクルを利用した排熱回収機関等を用いることもできる。

本実施形態は、筐体内を加圧するスターリンエンジンにおいて、筐体の内部の圧力が、所定の出力発生時における圧力よりも低い圧力、例えば、大気圧であるときにスターリングエンジンを起動するとともに、スターリングエンジンが起動した後に筐体内を加圧する点に特徴がある。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。

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気体軸受の構成例、及びピストンの支持に用いる近似直線機構の構成例を示す断面図である。本実施形態に係る排熱回収機関であるスターリングエンジン１００は、いわゆる外燃機関であり、排ガス等の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、クランクシャフト１１０の回転運動として取り出すものである。すなわち、クランクシャフトは、スターリングエンジン１００の出力軸となる。なお、クランクシャフト１１０は、回転軸Ｚｒを中心として回転する。

スターリングエンジン１００は、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の内部に収められた第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の内部に収められた第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、又は間接的に支持されるとともに固定されている。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。

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。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ので、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５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。

また、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が構成される。これによって、スターリングエンジン１００が出力を発生する。スターリングエンジン１００が発生した出力は、クランクシャフト１１０から取り出される。

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。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、熱源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、潤滑油を用いないで、ピストンをシリンダ内で往復運動させる構造である。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の熱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、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及びの高温側シリンダ１０１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。

本実施形態においては、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の側壁に設けた給気口ＨＥから気体（本実施形態では作動流体と同じ空気）ａを吹き出して、気体軸受ＧＢを形成する。図１、図２に示すように、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の内部には、それぞれ高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲが形成される。

高温側ピストン１０３には、高温側ピストン内空間１０３ＩＲへ気体ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられており、低温側ピストン１０４には、低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ気体ａを供給するための気体導入口ＨＩが設けられている。それぞれの気体導入口ＨＩには、気体供給管１１８が接続されている。気体供給管１１８の一端は、気体軸受用ポンプ１１７に接続されており、気体軸受用ポンプ１１７から吐出される気体ａを高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ導く。

高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ導入された気体ａは、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の側壁に設けた給気口ＨＥから流出して、気体軸受ＧＢを形成する。なお、この気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受である。また、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４の頂部に気体取り込み孔を設けて、この気体取り込み孔から高温側ピストン内空間１０３ＩＲ及び低温側ピストン内空間１０４ＩＲへ作動流体である気体ａを取り込み、給気口ＨＥから流出させて気体軸受ＧＢを構成してもよい。なお、本実施形態の気体軸受ＧＢは静圧気体軸受であるが、動圧気体軸受を用いてもよい。

高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コネクティングロッド１０９によって出力軸であるクランクシャフト１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。なお、コネクティングロッド１０９は、図２に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）１１９によって支持してもよい。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。

このように、コネクティングロッド１０９を近似直線機構１１９によって支持すれば、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦＳ（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によっても十分に高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４を支持することができる。本実施形態では、近似直線機構１１９によってサイドフォースＦＳの大部分を支持し、低温側ピストン１０４等の往復運動が近似直線運動から外れる際に発生する分のサイドフォースＦＳを気体軸受ＧＢによって支持する。

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、コネクティングロッド１０９、クランクシャフト１１０等の各構成要素は、筐体１００Ｃに格納される。ここで、スターリングエンジン１００の筐体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。筐体１００Ｃ内は、筐体内加圧手段である加圧用ポンプ１１５により加圧される。

本実施形態では、加圧用ポンプ１１５と筐体１００Ｃとの間に切替弁１１６を設ける。そして、筐体１００Ｃ内を加圧するときには、加圧用ポンプ１１５と筐体１００Ｃ内とを連通させるように切替弁１１６を操作した後、加圧用ポンプ１１５で筐体１００Ｃ内を加圧する。筐体１００Ｃ内が規定の圧力になるまで加圧されたら、加圧用ポンプ１１５と筐体１００Ｃ内との連通を遮断するように切替弁１１６を操作する。また、スターリングエンジン１００の起動時に筐体１００Ｃ内の圧力が十分に低くなっていない場合には、筐体１００Ｃ内と大気とを連通させるように切替弁１１６を操作して、筐体１００Ｃ内の圧力を低下させる。

上述したように、高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧することにより、作動流体が熱エネルギーを取り込むときの容量を大きくする。これによって、スターリングエンジン１００の出力軸であるクランクシャフト１１０から、より多くの出力を取り出すことができる。

スターリングエンジン１００が規定の出力を発生する場合、筐体１００Ｃの内部は、例えば規定の圧力（例えば１ＭＰａ程度）に加圧されている。このため、クランクシャフト１１０と筐体１００Ｃとの間の気密を保持するように構成して、クランクシャフト１１０の回転運動を筐体１００Ｃの外部へ取り出す必要がある。このため、本実施形態では、図１に示すように、クランクシャフト１１０の回転を非接触で従動軸（磁気カップリング従動軸）２へ伝達する磁気カップリング１０を介して、クランクシャフト１１０の出力を筐体１００Ｃの外部へ取り出す。すなわち、スターリングエンジン１００の出力は、磁気カップリング１０が備える磁気カップリング従動軸２から取り出される。

なお、図１に示すように、クランクシャフト１１０のトルクを変化させて出力する変換手段である増速装置２０を設け、クランクシャフト１１０の回転速度を増速してから磁気カップリング１０へ入力してもよい。これによって、クランクシャフト１１０のトルクを低下させることができるので、磁気カップリング１０のトルク伝達容量を抑えることができる。また、スターリングエンジン１００を起動する際には、電動機のような起動手段の出力を磁気カップリング従動軸２へ入力してクランクシャフト１１０を回転させるが、この場合には増速装置２０が減速装置として機能する。これによって、磁気カップリング従動軸２への入力トルク（すなわち起動トルク）を小さくできるので、磁気カップリング１０のトルク伝達容量を抑えることができる。

図３、図４は、本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収構造の構成例を示す模式図である。この排熱回収構造において、スターリングエンジン１００は、車両の動力発生源である内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して出力を発生する。すなわち、スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排熱を回収して出力に変換する排熱回収装置として機能する。

スターリングエンジン１００の出力は、内燃機関１の出力と合成されて、内燃機関１の出力軸（熱機関出力軸）１ｓから取り出される。熱機関出力軸１ｓは、車両のデファレンシャルギヤ装置９に連結されており、スターリングエンジン１００及び内燃機関１の出力は、熱機関出力軸１ｓ及びデファレンシャルギヤ装置９を介して車両の駆動輪７へ伝達されて、これを駆動する。

スターリングエンジン１００は排熱回収対象の熱機関である内燃機関１の近傍に配置される。このとき、スターリングエンジン１００が備える磁気カップリング１０の磁気カップリング従動軸２（スターリングエンジン１００の出力軸に相当する）と、熱機関出力軸１ｓとが略平行になるようにスターリングエンジン１００と内燃機関１とが配置される。これによって、スターリングエンジン１００が発生した出力を、ベルトやチェーン、あるいは歯車列等を用いて熱機関出力軸１ｓに伝達することができる。また、既存の内燃機関１に大きな設計変更を加えることなく、スターリングエンジン１００を内燃機関１の排熱回収に用いることができる。

スターリングエンジン１００のヒータ１０５は、内燃機関１の排ガス通路５内に配置される。そして、スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５から内燃機関１が排出した排ガスＥｘの熱エネルギーを回収して出力を発生する。この出力は、スターリングエンジン１００が備える磁気カップリング１０の磁気カップリング従動軸２から取り出される。

磁気カップリング従動軸２には、スターリングエンジン用プーリ３Ｓが取り付けられる。また、熱機関出力軸１ｓには、内燃機関用プーリ３Ｅが取り付けられる。スターリングエンジン用プーリ３Ｓと内燃機関用プーリ３Ｅとには、動力伝達手段であるベルト４が掛けられている。このような構成によって、スターリングエンジン１００が発生した出力は熱機関出力軸１ｓに伝達される。そして、スターリングエンジン１００が発生した出力は、内燃機関１が発生する出力とともに熱機関出力軸１ｓから取り出される。なお、スターリングエンジン１００の出力を熱機関出力軸１ｓに伝達する機構はこのような機構に限られず、例えば無端のチェーンとスプロケットとを用いたり、歯車列を用いたりすることができる。

内燃機関１及びスターリングエンジン１００は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力発生源となる。内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる動力発生源として常に出力を発生する。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発生することができない。したがって、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度が所定の温度を超えた場合に、内燃機関１の排ガスＥｘから回収した熱エネルギーによって出力を発生し、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発生源となる。

熱機関である内燃機関１と排熱回収機関であるスターリングエンジン１００との間には、動力断続手段であるクラッチ６が設けられる。本実施形態では、熱機関出力軸１ｓに、クラッチ６が取り付けられている。クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と熱機関出力軸１ｓとが機械的に接続する。これによって、スターリングエンジン１００が発生した出力はクラッチ６を介して熱機関出力軸１ｓに伝達される。また、クラッチ６を開放すると、内燃機関１とスターリングエンジン１００との接続が解除されるので、内燃機関用プーリ３Ｅから熱機関出力軸１ｓにスターリングエンジン１００の出力は伝達されない。クラッチ６の動作は、起動制御装置５０によって制御される。

起動制御装置５０は、スターリングエンジン１００を起動する起動制御部５１と、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内を加圧する筐体内加圧制御部５２とを備える。起動制御装置５０は、例えば、マイクロコンピュータやＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリを組み合わせて構成される。起動制御部５１及び筐体内加圧制御部５２の機能は、例えば、起動制御装置５０を構成するマイクロコンピュータのコンピュータプログラムにより実現される。これによって、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御が実現される。なお、起動制御装置５０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、起動制御部５１及び筐体内加圧制御部５２の機能を実現するものであってもよい。

起動制御装置５０には、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御を実行する際の情報を取得するためのセンサ類が接続される。このセンサ類は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの温度（排ガス温度）を検出する排ガス温度検出手段である排ガス温度センサ６０、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内の圧力を検出する筐体内圧力検出手段である圧力センサ６１である。また、起動制御装置５０には、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御を実行する際の制御対象が接続される。この制御対象は、クラッチ６及び加圧用ポンプ１１５である。このような構成により、起動制御装置５０は、排ガス温度センサ６０や圧力センサ６１から取得した排ガスＥｘの温度（排ガス温度）や筐体１００Ｃ内の圧力に基づいて、クラッチ６や加圧用ポンプ１１５の動作を制御する。

スターリングエンジン１００を起動する際には、起動制御装置５０の起動制御部５１が内燃機関１の運転中にクラッチ６を係合する。これによって内燃機関１の発生する出力が、内燃機関用プーリ３Ｅ、ベルト４、スターリングエンジン用プーリ３Ｓ、磁気カップリング従動軸２及び磁気カップリング１０を介してスターリングエンジン１００へ伝達される。そして、内燃機関１の発生する出力の一部によってスターリングエンジン１００が起動される。このように、図３、図４に示す排熱回収構造では、内燃機関１がスターリングエンジン１００の起動手段として機能する。

図５は、本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収構造の他の構成例を示す模式図である。図５に示す排熱回収構造では、スターリングエンジン１００が備える磁気カップリング１０の磁気カップリング従動軸２が電動機／発電機８に連結されている。そして、スターリングエンジン１００の発生する出力によって電動機／発電機８を駆動する。これによって、スターリングエンジン１００の発生する出力は電気に変換されて取り出される。

スターリングエンジン１００を起動する場合、電動機／発電機８を電動機として用いる。この場合、電動機／発電機８の発生する出力によってスターリングエンジン１００を駆動する。このように、図５に示す排熱回収構造では、電動機／発電機８がスターリングエンジン１００の起動手段として機能する。スターリングエンジン１００が起動して内燃機関１の排ガスＥｘから回収した熱エネルギーによって出力を発生するようになったら、電動機／発電機８を発電機として用いる。これによって、スターリングエンジン１００の発生する出力を電気に変換する。電動機／発電機８は、起動制御装置５０に接続されており、電動機／発電機８の動作は、起動制御装置５０よって制御される。図５に示す排熱回収構造の他の構成は、図３、図４に示す排熱回収構造と同様なので、説明を省略する。

スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃの内部を加圧すると、クランクシャフト１１０を外部から駆動するためには、より大きな起動トルクＴが必要になる。本実施形態では、磁気カップリング１０を介してスターリングエンジン１００の出力を筐体１００Ｃの外部へ取り出すため、加圧した状態でスターリングエンジン１００を起動しようとすると、磁気カップリング１０が伝達可能なトルク容量が増加する。また、図５に示す電動機（電動機／発電機）８によってスターリングエンジン１００を起動する場合には、トルクの大きい電動機／発電機８を用いる必要がある。

一方、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内を加圧して出力を取り出す場合、スターリングエンジン１００の起動時には大きなトルクが必要であるが、いったんスターリングエンジン１００が起動した後の出力トルクＴｅは、起動トルクＴよりも小さい。このため、スターリングエンジン１００を起動するためにのみ、トルクの伝達容量の大きい磁気カップリング１０を用意したり、トルクの大きい電動機／発電機８を用意したりするのは無駄が多い。

そこで、本実施形態では、スターリングエンジン１００を起動するときには、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内の圧力を、スターリングエンジン１００が所定の出力を発生するときにおける筐体１００Ｃの内部の圧力、すなわち、加圧後における筐体１００Ｃの内部の圧力（運転時圧力という）Ｐｃｄよりも低い圧力とする。そして、筐体１００Ｃ内の圧力が運転時圧力Ｐｃｄよりも低い圧力になった状態でスターリングエンジン１００を起動する。そして、スターリングエンジン１００が起動したら、図１に示す加圧用ポンプ１１５によって筐体１００Ｃの内部を徐々に加圧して、スターリングエンジン１００から出力を取り出すときの圧力まで筐体１００Ｃ内部の圧力を上昇させる。

このように構成することによって、クランクシャフト１１０を外部から駆動するために必要なトルクを小さくできるので、スターリングエンジン１００の起動トルクＴを抑制できる。その結果、磁気カップリング１０のトルクの伝達容量を無闇に大きくしたり、電動機／発電機８の発生可能なトルクを無闇に大きくしたりする必要はない。これによって、磁気カップリング１０や電動機／発電機８をコンパクトにできるので、スターリングエンジン１００を車両等に搭載するときの搭載性が向上するとともに、磁気カップリング１０や電動機／発電機８のコストを低減できる。

ここで、運転時圧力Ｐｃｄは、スターリングエンジン１００の仕様から設計上定められる圧力である。例えば、運転時圧力Ｐｃｄは、スターリングエンジン１００を定格出力で運転しているときの圧力（定格圧力）とする。ここで、定格出力は、スターリングエンジン１００に対して保証される使用限度であり、スターリングエンジン１００が一定の時間（例えば１時間）連続して発生できる出力である。そして、定格圧力は、スターリングエンジン１００が定格出力で運転しているときに必要な圧力である。

また、運転時圧力Ｐｃｄは、例えば、内燃機関１がある運転条件（例えば時速６０ｋｍで定速走行している場合）で運転されたときの排ガス温度において、スターリングエンジン１００がある大きさの出力（例えば２ｋＷ）を発生するために必要な圧力（例えば１０ＭＰａ）としてもよい。

スターリングエンジン１００を起動するときにおけるスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内の圧力（起動時圧力という）Ｐｃｓは、運転時圧力Ｐｃｄよりも小さければよい。本実施形態では、起動時圧力Ｐｃｓ筐体１００Ｃの内部の圧力を大気圧とする。これによって、起動トルクＴを小さくすることができる。また、図１に示す切替弁１１６を大気と連通させるように操作し、筐体１００Ｃを大気開放するのみで、筐体１００Ｃの内部の圧力を簡単に大気圧とすることができる。また、起動時圧力Ｐｃｓは、大気圧よりも小さい圧力であってもよい。起動時圧力Ｐｃｓを大気圧よりも小さくすることで、起動トルクＴをさらに小さくすることができる。起動時圧力Ｐｃｓを大気圧よりも小さい圧力とするには、例えば、図１に示すスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内に真空ポンプを接続し、これによって筐体１００Ｃの内部の圧力を減圧すればよい。次に、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御の手順を説明する。

図６は、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御の手順を示すフローチャートである。図７は、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動時におけるタイミングチャートである。図１や図４、図５に示すスターリングエンジン１００を起動するにあたっては、図４や図５に示す内燃機関１が起動して、所定の温度の排ガスＥｘがスターリングエンジン１００のヒータ１０５へ供給される必要がある。したがって、本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御を実行するにあたっては、内燃機関１が起動していることが前提である。

図７に示す例では、ｔ＝０のときに内燃機関１が起動して、機関回転数Ｎｅが時間の経過とともに上昇している。そして、排ガス温度θｅは、時間の経過とともに上昇する。スターリングエンジン１００が自立運転できるときの排ガス温度θｅをスターリングエンジン起動時排ガス温度θｅｓとする。スターリングエンジン１００が自立運転できるとは、スターリングエンジン１００が最低限の運転機能を発揮することである。最低限の運転機能を発揮するとは、スターリングエンジン１００が内部摩擦や駆動系の慣性質量に打ち勝って出力を発生することをいう。排ガス温度θｅがスターリングエンジン起動時排ガス温度θｅｓに達したら、スターリングエンジン１００が起動可能となる。排ガス温度θｅがスターリングエンジン起動時排ガス温度θｅｓに達するまでの期間、すなわち、ｔ＝ｔｓｓになるまでの期間は、スターリングエンジン１００の暖機期間となる。

本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御を実行するにあたり、ステップＳ１０１において、図３や図５に示す起動制御装置５０の起動制御部５１は、スターリングエンジン１００の暖機が終了したか否かを判定する。これは、図３や図５に示す排ガス温度センサ６０によって検出された排ガス温度θｅが、スターリングエンジン起動時排ガス温度θｅｓを超えているか否かで判定される。ステップＳ１０１でＮｏと判定された場合、すなわち、起動制御部５１が、スターリングエンジン１００の暖機は終了していないと判定した場合（θｅ≦θｅｓ）、スターリングエンジンの起動制御は終了する。

ステップＳ１０１でＹｅｓと判定された場合、すなわち、起動制御部５１が、スターリングエンジン１００の暖機は終了したと判定した場合（θｅ＞θｅｓ）、ステップＳ１０２へ進む。スターリングエンジン１００の暖機が終了したとき以降、すなわち、図７のｔ＝ｔｓｓ以降であれば、スターリングエンジン１００を起動できる。

ステップＳ１０２において、起動制御部５１はスターリングエンジン１００を起動する。このとき、図７に示すように、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃの内部における圧力（筐体内圧力）Ｐｃは、起動時圧力Ｐｃｓとなっている。上述したように、本実施形態において、起動時圧力Ｐｃｓは大気圧である。スターリングエンジン１００を起動するにあたっては、例えば、図４に示す排熱回収構造では、起動制御部５１がクラッチ６を係合し、内燃機関１の出力の一部を用いてスターリングエンジン１００を起動する。また、図５に示す排熱回収構造では、起動制御部５１が電動機／発電機８を電動機として駆動することにより、スターリングエンジン１００を起動する。

本実施形態では、スターリングエンジン１００の起動トルクＴが小さくて済むので、図４に示す排熱回収構造では、クラッチ６を係合したときにおける内燃機関１のトルク変動が小さくなる。その結果、内燃機関１及びスターリングエンジン１００が搭載される車両のドライバビリティ低下を抑制できる。また、図５に示す排熱回収構造では、電動機／発電機８を小型化できる。さらに、磁気カップリング１０の伝達可能なトルクを小さくできるので、磁気カップリング１０を小型化できる。

スターリングエンジン１００が起動すると、スターリングエンジン回転数Ｎｓｅ及びスターリングエンジン出力Ｗは時間の経過とともに上昇する。スターリングエンジン１００が起動したら、ステップＳ１０３へ進み、起動制御装置５０の筐体内加圧制御部５２は、スターリングエンジン１００の筐体１００Ｃ内を加圧する。筐体内加圧制御部５２は、加圧用ポンプ１１５を起動するとともに、加圧用ポンプ１１５と筐体１００Ｃ内とを連通させるように切替弁１１６を操作して、筐体１００Ｃを加圧する。なお、図７では、ｔ＝ｔｐｓが加圧の開始時点である。

筐体１００Ｃ内の加圧を開始した後、ステップＳ１０４において、筐体内加圧制御部５２は、図４や図５に示す圧力センサ６１から筐体内圧力Ｐｃを取得し、運転時圧力Ｐｃｄと比較する。ステップＳ１０４でＮｏと判定された場合、すなわち、筐体内加圧制御部５２がＰｃ＜Ｐｃｄであると判定した場合、筐体内圧力Ｐｃをさらに上昇させる必要があるので、筐体１００Ｃ内の加圧を継続する。

ステップＳ１０４でＹｅｓと判定された場合、すなわち、筐体内加圧制御部５２がＰｃ≧Ｐｃｄであると判定した場合、筐体内圧力Ｐｃは規定の運転時圧力Ｐｃｄに到達しており、スターリングエンジン１００は、規定の出力（例えば定格出力）Ｗｄを発生できる。この場合、ステップＳ１０５へ進み、筐体内加圧制御部５２は、筐体１００Ｃ内の加圧を終了する。ｔ＝ｔｐｆが加圧の終了時点である。筐体１００Ｃ内の加圧を終了する場合、筐体内加圧制御部５２は、加圧用ポンプ１１５と筐体１００Ｃ内との連通を遮断するように切替弁１１６を操作するとともに、加圧用ポンプ１１５を停止する。

以上、本実施形態では、筐体の内部の圧力が、所定の出力発生時における圧力よりも低い圧力、例えば、大気圧であるときにスターリングエンジンを起動するとともに、スターリングエンジンが起動した後に筐体内を加圧する。これによって、スターリングエンジンを起動する際に必要なトルクを低減できる。

以上のように、本発明に係る排熱回収機関及び起動制御装置は、排熱回収機関の起動に有用であり、特に、起動トルク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気体軸受の構成例、及びピストンの支持に用いる近似直線機構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を用いた排熱回収構造の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収構造の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収構造の他の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンの起動制御の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係るスターリングエンジンの起動時におけるタイミングチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
１ｓ 熱機関出力軸
２ 磁気カップリング従動軸
５ 排気通路
６ クラッチ
７ 駆動輪
８ 電動機／発電機
１０ 磁気カップリング
２０ 増速装置
５０ 起動制御装置
５１ 起動制御部
５２ 筐体内加圧制御部
６０ 排ガス温度センサ
６１ 圧力センサ
１００ スターリングエンジン
１００Ｃ 筐体
１０８ 熱交換器
１１０ クランクシャフト
１１５ 加圧用ポンプ
１１９ 近似直線機構

Claims (7)

1. 構成要素を格納する筐体の内部を所定の圧力に加圧して出力を取り出す排熱回収機関において、
   前記筐体の内部における圧力が、加圧後における前記筐体の内部の圧力よりも低いときに、前記排熱回収機関を起動する起動手段と、
   前記排熱回収機関が起動した後に、前記筐体の内部を加圧する筐体内加圧手段と、
   を含むことを特徴とする排熱回収機関。
2. 前記起動手段は、前記筐体の内部における圧力が大気圧であるときに、前記排熱回収機関を起動することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収機関。
3. 前記排熱回収機関の出力は、前記排熱回収機関の出力軸に取り付けられる磁気カップリング機構を介して前記筐体の外部へ取り出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収機関。
4. 前記起動手段は、電動機であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収機関。
5. 前記起動手段は、前記排熱回収機関の排熱回収対象である熱機関であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収機関。
6. 排熱回収機関の構成要素を格納する筐体の内部を所定の圧力に加圧して出力を取り出す排熱回収機関を起動させるものであり、
   前記筐体の内部の圧力が、加圧後における前記筐体の内部の圧力よりも低い場合に、前記排熱回収機関を起動する起動制御部と、
   前記排熱回収機関が起動した後に、前記筐体内加圧手段を動作させて前記筐体の内部を加圧する筐体内加圧制御部と、
   を含むことを特徴とする起動制御装置。
7. 前記起動制御部は、前記筐体の内部における圧力が大気圧であるときに、前記排熱回収機関を起動することを特徴とする請求項６に記載の起動制御装置。

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