JP4706512B2

JP4706512B2 - 排熱回収装置

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Publication number: JP4706512B2
Application number: JP2006064384A
Authority: JP
Inventors: 信一三谷; 大作澤田; 寛矢口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: JP2007239652A

Description

本発明は、熱機関の排熱を回収する排熱回収装置に関する。

熱機関を用いることにより、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排熱回収装置がある。このような用途に用いられる排熱回収装置は、例えば、理論熱効率に優れるスターリングエンジンのような外燃機関が用いられる。特許文献１には、内燃機関とスターリングエンジンとの間にクラッチを設け、スターリングエンジンを内燃機関の付加駆動装置として用いる技術が開示されている。

特表２００３−５１８４５８号公報

ところで、スターリングエンジンのような外燃機関では、排ガスその他の熱源からの入熱は、熱交換器を経て外燃機関の作動流体へ伝熱するため、入熱の変化に対する応答性が悪く、急な入熱の変化に対する出力の追従が遅い。また、排熱回収機関は、熱機関の排ガス等の不十分な熱源を利用するため、排熱回収機関の大きさに対して得られる出力が小さい。

これによって、スターリングエンジンのような外燃機関を排熱回収機関として用い、熱機関の排ガスの持つ熱エネルギーを回収する構成においては、熱機関の出力が変化して排ガスの温度が変化した場合に、排熱回収機関の出力変化が熱機関の出力変化に対して追従できないおそれがある。特に、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸で取り出す構成では、熱機関及び排熱回収機関に要求される出力が変化した場合に、出力発生源に要求される出力と、熱機関の出力及び排熱回収機関の出力を合成した総合出力とが相違するおそれがある。その結果として、要求された加速や減速が実現できないという問題が発生するおそれがある。

特許文献１には、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸で取り出す構成において、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成した出力の制御については言及されておらず、上述した問題については改善の余地がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力発生源に対して要求される出力が変化した場合に、要求通りの出力を得ることができる排熱回収装置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、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排ガスから熱エネルギーを回収して出力を発生するとともに、発生した出力は前記熱機関が発生する出力とともに同軸で取り出される排熱回収機関と、前記排熱回収機関が発生する出力を前記熱機関に伝達し、かつ、前記熱機関の回転数Ｎｅに対する前記排熱回収機関の回転数Ｎｓの回転数比Ｎｓ／Ｎｅを変更可能な回転数比変更手段と、を含むことを特徴とする。

この発明に係る排熱回収装置は、出力発生源となる熱機関と排熱回収機関との間に、排熱回収機関が発生する出力を熱機関に伝達し、かつ、熱機関の回転数に対する排熱回収機関の回転数の比（回転数比）を変更する回転数比変更手段を設ける。このような構成により、要求出力よりも、熱機関が発生する熱機関出力及び排熱回収機関が発生する排熱回収機関出力の和の方が大きくなり、かつ熱機関が発生する出力を低下させる余地がなくなった場合には、前記回転数比を変更することによって排熱回収機関の回転数を変更する。これによって、排熱回収機関の出力を小さくすることができるので、出力発生源に対して要求される出力が変化した場合に、要求通りの出力を得ることができる。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記本発明に係る排熱回収装置において、前記回転数比変更手段は、前記熱機関と前記排熱回収機関との間に設けられる変速装置であって、前記変速装置の変速比を変更することによって前記回転数比Ｎｓ／Ｎｅを変更することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記本発明に係る排熱回収装置において、前記熱機関が発生する熱機関出力と前記排熱回収機関が発生する排熱回収機関出力との和が、要求出力に等しくなるようにする際には、前記熱機関出力が前記排熱回収機関出力に優先して変更されることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記本発明に係る排熱回収装置において、前記熱機関が発生できる最小の出力に前記熱機関出力が等しく、かつ前記熱機関出力と排熱回収機関出力との和が前記要求出力を上回る場合には、前記回転数比率変更手段は、前記熱機関が発生できる最小の出力に前記熱機関出力が等しく、かつ前記要求出力を前記熱機関出力と排熱回収機関出力との和が上回る前よりも、前記排熱回収機関の回転数を低くすることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記本発明に係る排熱回収装置において、前記排熱回収機関出力が、前記排熱回収機関が最大の出力を発生する回転数よりも低い回転数において前記排熱回収機関が発生できる最小の出力に等しい場合には、前記回転数比率変更手段は、前記排熱回収機関の回転数を、前記排熱回収機関が最大の出力を発生する回転数よりも高くすることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記本発明に係る排熱回収装置において、前記排熱回収機関出力が、前記排熱回収機関が最大の出力を発生する回転数よりも低い回転数において前記排熱回収機関が発生できる最小の出力よりも小さくなるまで、前記排熱回収機関の回転数を上昇させることを特徴とする。

この発明は、出力発生源に対して要求される出力が変化した場合に、要求通りの出力を得ることができる。

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、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収機関としてスターリングエンジンを用い、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装置等を用いることができる。また、熱機関の種類は問わない。

この実施形態は、次の点に特徴がある。すなわち、熱機関である内燃機関と、排熱回収機関であるスターリングエンジンとの間に、排熱回収機関が発生する出力を前記熱機関に伝達し、かつ、内燃機関の回転数に対するスターリングエンジンの回転数の比（回転数比）を変更する回転数比変更手段を設ける。そして、熱機関が発生する熱機関出力と排熱回収機関が発生する排熱回収機関出力とを合成した合成出力に対して要求される要求出力よりも、熱機関出力及び排熱回収機関出力の和の方が大きくなった場合、かつ熱機関が発生する出力が最小値となった場合に、スターリングエンジンの回転数を変更する。まず、この実施形態に係る排熱回収機関の構成を説明する。

図１は、この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を示す断面図である。この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。この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、この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、内燃機関のヒータケース３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（この実施形態では空気）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。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。

熱交換器１０８は、少なくともヒータ１０５が中空のヒータケース３内に配置される。中空のヒータケース３は、排熱回収対象である熱機関の排出する排ガスＥｘが通過する排気通路を構成する。ヒータ１０５は、ヒータケース３を流れる排ガスＥｘからの熱エネルギーによってヒータ１０５内を流れる作動流体を加熱する。なお、ヒータケース３内には、熱交換器１０８の再生器１０６を配置してもよい。

この実施形態において、排ガスＥｘは、高温側シリンダ１０１側から低温側シリンダ１０２側に向かって流れる。これによって、熱機関から排出された排ガスＥｘは、温度低下が抑えられた状態でヒータ１０５に供給されるので、排ガスＥｘの熱エネルギーを効率よく回収することができる。

上述したように、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。

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等の各構成要素は、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内は、加圧手段１１５により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧して、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ためである。

また、この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃにはシール軸受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。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。次に、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を説明する。

図２は、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す全体図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収機関と、熱機関の出力軸と排熱回収機関の出力軸との間に設けられる回転数比変更手段とを含んで構成される。この実施形態においては、排熱回収機関として、上述したスターリングエンジン１００を用い、また、熱機関としてはレシプロ式の内燃機関１を用いる。そして、回転数比変更手段としては、変速装置（以下排熱回収機関用変速装置）５を用いる。

排熱回収機関用変速機５は、その変速比を変更することにより、内燃機関１の出力軸１ｓの回転数（以下熱機関回転数）Ｎｅに対するスターリングエンジン１００のクランク軸１１０の回転数（以下排熱回収機関回転数）Ｎｓの比（以下回転数比）Ｎｓ／Ｎｅを容易に変更できる。排熱回収機関用変速機５には、例えば、ベルト式のＣＶＴ（Continuous Variable Transmission）やトロイダル式のＣＶＴ、あるいは有段の回転数比可変装置を用いることができる。排熱回収機関用変速機５は、この実施形態に係る運転制御装置３０によって回転数比Ｎｓ／Ｎｅが変更される。

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、出力として取り出される。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０は、カップリング８を介して排熱回収機関用変速機５の入力軸５ｓと接続される。これによって、スターリングエンジン１００が発生する出力はカップリング８を介して排熱回収機関用変速機５に伝達される。なお、クランク軸１１０と入力軸５ｓとの間に出力断続手段としてクラッチを設けてもよい。

内燃機関１の出力軸１ｓは、熱機関用変速装置４に入力される。熱機関用変速装置４は、内燃機関１の出力と、排熱回収機関用変速機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、出力軸９に出力する。出力軸９は、差動ギヤ６に合成した出力を出力する。差動ギヤ６は、出力軸９から入力された出力を第１駆動軸６Ｓ＿Ａと第２駆動軸６Ｓ＿Ｂとに分割して出力する。これによって、第１駆動軸６Ｓ＿Ａに取り付けられる第１駆動輪７Ａ及び第２駆動軸６Ｓ＿Ｂに取り付けられる第２駆動輪７Ｂが駆動される。

ここで、内燃機関１の出力軸１ｓの近傍には、熱機関回転数センサ４１が設けられる。これによって、熱機関回転数Ｎｅが計測される。熱機関回転数センサ４１は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０接続されている。また、機関ＥＣＵ５０には、この他に、アクセル開度センサ４０、車速センサ４２、エアフローメータ４３等の情報検出手段が接続されている。機関ＥＣＵ５０及び機関ＥＣＵが備える運転制御装置３０は、これらの情報検出手段から取得される情報に基づいて、内燃機関１の運転制御、熱機関用変速装置４、あるいは排熱回収機関用変速機５を制御する。

内燃機関１及び排熱回収装置１０は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の出力発生源となる。そして、内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる出力発生源として常に出力を発生する。また、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、必要最小限の出力を生み出すことができない。したがって、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度が所定温度を超えたら内燃機関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、前記車両の従たる出力発生源となる。

図３は、スターリングエンジンの出力Ｐと回転数との関係を説明する概念図である。図４−１、図４−２は、排熱回収機関回転数Ｎｓを熱機関回転数Ｎｅよりも小さくする手法を説明する概念図である。図５−１、図５−２は、排熱回収機関回転数Ｎｓを熱機関回転数Ｎｅよりも大きくする手法を説明する概念図である。

この実施形態に係る排熱回収装置１０では、スターリングエンジン１００の出力は内燃機関１の出力と同軸で取り出される。スターリングエンジン１００は入熱に対する出力（回転数）の応答性が低いため、熱機関回転数Ｎｅの変化が速い場合には、排熱回収機関回転数Ｎｓの上昇が熱機関回転数Ｎｅの変化に追従できないことがある。その結果、内燃機関１及びスターリングエンジン１００に要求される出力と、熱機関用変速装置４で合成されて出力軸９から取り出される内燃機関１の出力及びスターリングエンジン１００の出力とに相違が生ずることがある。これを回避するため、この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収機関用変速機５を用いて、熱機関用変速装置４で内燃機関１の出力と合成されるスターリングエンジン１００の出力を調整する。

図３に示すように、スターリングエンジン１００の出力Ｐｓは、排熱回収機関回転数Ｎｓの上昇とともに上昇し、ある排熱回収機関回転数で最大出力となる。さらに排熱回収機関回転数Ｎｓを上昇させると、スターリングエンジン１００の出力Ｐｓは低下する。そして、排熱回収機関回転数ＮｓがＮｓ＿１になるとスターリングエンジン１００が発生する出力はＰｓ＿ｍｉｎ＿ｌとなり、排熱回収機関回転数ＮｓがＮｓ＿２になるとスターリングエンジン１００が発生する出力は０となる。さらに、排熱回収機関回転数ＮｓをＮｓ＿２よりも大きくすると、スターリングエンジン１００の出力Ｐｓは負の値になる。すなわち、スターリングエンジン１００を駆動するための動力が必要になる。このように、スターリングエンジン１００の出力Ｐｓは、排熱回収機関回転数Ｎｓとともに変化する。

なお、スターリングエンジン１００が最大出力Ｐｓ＿ｍａｘを発生する回転数Ｎｓ＿ｐよりも高回転側で、スターリングエンジン１００の出力Ｐｓは最小（負の値）となり、その値はＰｓ＿ｍｉｎ＿ｈである。このときの排熱回収機関回転数ＮｓはＮｓ＿ｍａｘである。Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｈは、例えば、スターリングエンジン１００が回転限界に達したときの出力とすることができる。また、スターリングエンジン１００が最大出力Ｐｓ＿ｍａｘを発生する回転数Ｎｓ＿ｐよりも低回転側においては、スターリングエンジン１００が発生する出力Ｐｓの最小値はＰｓ＿ｍｉｎ＿ｌとなる。

この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収機関用変速機５の変速比を変更することで回転数比Ｎｓ／Ｎｅを変更して、排熱回収機関回転数Ｎｓを変化させ、これによってスターリングエンジン１００の出力を調整する。図４−１〜図５−２は、スターリングエンジン用プーリ２１と内燃機関用プーリ２２とに掛けられたベルト２３を介して、スターリングエンジン１００の出力を内燃機関１の出力とともに出力軸１ｓから取り出す構成を示している。この構成では、スターリングエンジン用プーリ２１の半径（ＳＴプーリ半径）又は内燃機関用プーリ２２の半径（ＥＧプーリ半径）のうち少なくとも一方を変更することで変速比を変更でき、その結果、回転数比Ｎｓ／Ｎｅが変更される。ここで、スターリングエンジン用プーリ２１は、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０に連結される入力軸５ｓに取り付けられており、内燃機関用プーリ２２は、内燃機関１の出力軸１ｓに取り付けられている。

図４−１、図５−１に示す状態は、排熱回収機関回転数ＮｓがＮｓ＿ｐ、熱機関回転数ＮｅがＮｅ₁であり、ＳＴプーリ半径がｒｓ₁、ＥＧプーリ半径がｒｅ₁である。そして、排熱回収機関回転数がＮｓ＿ｐのとき、スターリングエンジン１００は最大出力を発生しているとする。この状態からスターリングエンジン１００の出力を減少させるためには、図３から分かるように、回転数比Ｎｓ／Ｎｅを変更することによって排熱回収機関回転数ＮｓをＮｓ＿ｐよりも低下させるか、上昇させるかの二通りの方法がある。

排熱回収機関回転数Ｎｓを低下させる場合、図４−２に示すように、ＳＴプーリ半径をＥＧプーリ半径よりも大きくする。図４−２に示す例では、ＥＧプーリ半径をｒｅ₁に維持したまま、ＳＴプーリ半径をｒｓ₁からｒｓ₂に変更する（ｒｓ₁＜ｒｓ₂）。これによって、回転数比Ｎｓ／Ｎｅが変更されるので、排熱回収機関回転数ＮｓをＮｓ＿ｐからＮｓ₂に低下させることができる（Ｎｓ＿ｐ＞Ｎｓ₂）。その結果、スターリングエンジン１００の出力を低下させることができる（図３参照）。

また、排熱回収機関回転数Ｎｓを上昇させる場合、図５−２に示すように、ＳＴプーリ半径をＥＧプーリ半径よりも小さくする。図５−２に示す例では、ＥＧプーリ半径をｒｅ₁に維持したまま、ＳＴプーリ半径をｒｓ₁からｒｓ₃に変更する（ｒｅ₁＞ｒｓ₃）。これによって、回転数比Ｎｓ／Ｎｅが変更されるので、排熱回収機関回転数ＮｓをＮｓ＿ｐからＮｓ₃に上昇させることができる（Ｎｓ＿ｐ＜Ｎｓ₃）。その結果、スターリングエンジン１００の出力を低下させることができる（図３参照）。この実施形態では、排熱回収機関回転数Ｎｓを上昇させることによってスターリングエンジン１００の出力を低下させる手法も用いるので、スターリングエンジン１００の出力をＰｓ＿ｍｉｎ＿ｌよりも小さく、さらには０よりも小さくすることができる。これによって、この実施形態に係る排熱回収装置１０では、排熱回収機関回転数Ｎｓを低下させる手法を単独で用いる場合と比較して、スターリングエンジン１００の出力の調整幅を大きくすることができる。次に、この実施形態に係る排熱回収装置を制御する運転制御装置３０について説明する。

図６は、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御に用いる運転制御装置の構成を示す説明図である。図６に示すように、この実施形態に係る運転制御装置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、入力ポート５５、出力ポート５６と、入力インターフェース５７、出力インターフェース５８とから構成される。

なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、この実施形態に係る運転制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施形態に係る排熱回収装置の運転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、前記運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。

運転制御装置３０は、運転条件判定部３１と、出力制御部３２とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る運転制御を実行する部分となる。この実施形態において、運転制御装置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、内燃機関制御部５３ｈが備えられており、これによって内燃機関１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、運転制御装置３０を構成する運転条件判定部３１と出力制御部３２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、運転制御装置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、運転制御装置３０は、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を、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、アクセル開度センサ４０、熱機関回転数センサ４１、車速センサ４２、エアフローメータ４３その他の、排熱回収装置の運転制御に必要な情報を取得する情報検出手段が接続されている。これらの情報検出手段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、排熱回収装置の運転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、内燃機関１、熱機関用変速機４、排熱回収機関用変速機５等の運転制御に必要な制御対象が接続されている。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、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、前記センサ類からの出力信号に基づき、内燃機関１、スターリングエンジン１００、熱機関用変速装置４あるいは排熱回収機関用変速機５を制御することができる。

記憶部５０ｍには、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいはこの実施形態に係る排熱回収装置の運転制御に用いる制御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へすで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、この実施形態に係る運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この運転制御装置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、運転条件判定部３１及び出力制御部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を説明する。次の説明では、適宜図１〜図６を参照されたい。なお、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御は、上記運転制御装置３０によって実現できる。

図７は、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の手順を示すフローチャートである。この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御を実行するにあたり、運転制御装置３０が備える運転条件判定部は、内燃機関１の出力（熱機関出力）Ｐｅを算出する（ステップＳ１０１）。内燃機関１の出力Ｐｅは、熱機関回転数Ｎｅと内燃機関１トルクＴとによって求めることができる。ここで、熱機関回転数Ｎｅは、熱機関回転数センサ４１から取得することができる。また、内燃機関１のトルクＴは、エアフローメータ４３から取得した吸入空気量に基づいて求めた内燃機関１の負荷（負荷率）、及び熱機関回転数Ｎｅに基づいて求めることができる。

次に、運転条件判定部３１は、スターリングエンジン１００の出力（排熱回収機関出力）Ｐｓを算出する（ステップＳ１０２）。ここで、スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５から入熱される排ガスＥｘの熱量に対して、スターリングエンジン１００が最も高い出力を発生できる排熱回収機関回転数で運転することが好ましい。例えば、図３に示す例では、排熱回収機関回転数がＮｓ＿ｐでスターリングエンジン１００を運転する。

この実施形態に係る排熱回収装置１０では、スターリングエンジン１００の出力は、内燃機関１の出力と同軸の出力軸９から取り出されるので、熱機関回転数Ｎｅが決定されると、排熱回収機関回転数Ｎｓも定まる。この実施形態では、内燃機関１がある熱機関回転数で運転されている場合、排熱回収機関用変速機５の変速比を調整することで、スターリングエンジン１００が排ガスＥｘから受け取る熱量に対して、最も高い出力を発生できる排熱回収機関回転数となるようにする。したがって、排熱回収機関出力Ｐｓは、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの温度と、排熱回収機関回転数Ｎｓとに基づいて算出することができる。

次に、運転条件判定部３１は、内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両を運転するドライバの要求出力Ｐｄを算出する（ステップＳ１０３）。なお、ドライバの要求出力Ｐｄは、内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両を走行させる際に、前記車両の出力発生源に対してドライバが要求する出力である。前記車両の出力発生源は、内燃機関１及びスターリングエンジン１００であり、この実施形態において、ドライバの要求出力Ｐｄは、熱機関出力Ｐｅと排熱回収機関出力Ｐｓとを合成することによって得られる合成出力（出力発生源から取り出される出力発生源全体としての出力に相当）に対して、ドライバが要求する出力となる。以下、ドライバの要求出力Ｐｄを要求出力という。

要求出力Ｐｄは、例えば、アクセル開度センサ４０から取得するアクセル４０ｐ（図２、図６参照）の開度、及び車速センサ４２から取得する、内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両の速度（車速）に基づいて算出することができる。ここで、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３の順序は問わない。

熱機関出力Ｐｅ、排熱回収機関出力Ｐｓ及び要求出力Ｐｄを求めたら、運転条件判定部３１は、要求出力Ｐｄを、熱機関出力Ｐｅと排熱回収機関出力Ｐｓとの和（Ｐｄ＋Ｐｓ）と比較する（ステップＳ１０４）。Ｐｄ＝Ｐｄ＋Ｐｓである場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、内燃機関１及び排熱回収装置１０は、ドライバが要求する出力を発生している。したがって、内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両は、ドライバが要求する出力で走行していると判定できる。この場合、ＳＴＡＲＴに戻り、運転条件判定部３１は、内燃機関１及び排熱回収装置１０の運転状態の監視を継続する。

Ｐｄ＝Ｐｅ＋Ｐｓでない場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、運転条件判定部３１は、Ｐｄ＜Ｐｅ＋Ｐｓであるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。Ｐｄ＞Ｐｅ＋Ｐｓである場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両は、ドライバが要求する出力よりも小さい出力によって走行していると判定できる。この場合、前記車両は、ドライバの意思通りに走行しているといえないので、出力発生源の出力を増加させることにより前記車両の駆動力を増加させる必要がある。

この実施形態において、出力発生源の出力を増加させるにあたっては、内燃機関１の出力又は排熱回収装置１０が備えるスターリングエンジン１００の出力のうち少なくとも一方を増加させればよい。この実施形態では、内燃機関１の出力のみを増加させる。スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘからの入熱がヒータ１０５を経て作動流体へ伝熱するため、入熱の変化に対する応答性が悪く、急な入熱の変化に対する出力の追従が遅い。このため、運転制御装置３０の出力制御部３２は、出力変化の追従性が高い内燃機関１の出力Ｐｅを増加させる（ステップＳ１０６）。すなわち、熱機関出力Ｐｅが排熱回収機関出力Ｐｓに優先して変更される。これによって、熱機関用変速装置４の出力軸９から出力される、熱機関出力Ｐｅと排熱回収機関出力Ｐｓとの合成出力を、速やかに要求出力の値とすることができる。

Ｐｄ＜Ｐｄ＋Ｐｓである場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両は、ドライバが要求する出力よりも大きい出力で走行していると判定できる。この場合、前記車両は、ドライバの意思通りに走行しているとはいえないので、出力発生源の出力を減少させることにより前記車両の駆動力を減少させる必要がある。出力発生源の出力を減少させるにあたって、運転条件判定部３１は、熱機関出力Ｐｅが、最小熱機関出力Ｐｅ＿ｍｉｎになっているか否かを判定する（ステップＳ１０７）。最小熱機関出力Ｐｅ＿ｍｉｎは、内燃機関１が発生できる最小の出力である。

Ｐｅ＝Ｐｅ＿ｍｉｎでない場合（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、すなわち、Ｐｅ＞Ｐｅ＿ｍｉｎである場合、出力発生源の出力を減少させるにあたって、熱機関出力Ｐｅを減少させる余地がある。したがって、出力制御部３２は、熱機関出力Ｐｅを減少させる（ステップＳ１０８）。これによって、速やかに内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両の駆動力を低下させることができるので、ドライバが要求する出力で前記車両を走行させることができる。

Ｐｅ＝Ｐｅ＿ｍｉｎである場合（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、出力発生源の出力を減少させるにあたって、熱機関出力Ｐｅを減少させることはできない。したがって、出力発生源の出力を減少させるにあたっては、スターリングエンジン１００の出力、すなわち排熱回収機関出力Ｐｓを減少させる必要がある。

排熱回収機関出力Ｐｓを減少させるにあたって、運転条件判定部３１は、排熱回収機関出力Ｐｓと低回転側排熱回収機関出力最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌとを比較する（ステップＳ１０９）。低回転側排熱回収機関出力最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌとは、スターリングエンジン１００が最大出力を発生する排熱回収機関回転数（排熱回収機関最大出力回転数）Ｎｓ＿ｐよりも低い回転数において、スターリングエンジン１００が発生できる最小の出力である。

Ｐｓ＞Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌである場合（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、排熱回収機関出力Ｐｓを減少させる余地がある。したがって、Ｐｓ＞Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌである場合、出力制御部３２は排熱回収機関用変速機５の変速比を変更して、排熱回収機関回転数Ｎｓを低回転側に制御する（ステップＳ１１０）。より具体的には、排熱回収機関回転数Ｎｓを排熱回収機関最大出力回転数Ｎｓ＿ｐよりも低い回転数とするとともに、要求出力Ｐｄが熱機関出力Ｐｅと排熱回収機関出力Ｐｓとの和よりも小さく、かつ熱機関出力Ｐｅが最小熱機関出力Ｐｅ＿ｍｉｎに等しい場合よりも低回転にする。

これによって、図３に示すように、排熱回収機関出力Ｐｓを低下させることができるので、ドライバが要求する出力で前記車両を走行させることができる。特に、前記車両が減速しているときには、ドライバの要求通りの減速加速度を得ることができるので好ましい。また、排熱回収機関用変速機５の変速比を変更して排熱回収機関出力Ｐｓを定価させるので、スターリングエンジン１００に対する入熱量を変更する必要はない。その結果、速やかに内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両の駆動力を低下させることができる。

Ｐｓ＞Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌでない場合（ステップＳ１０９：Ｎｏ）、すなわち、Ｐｓ＝Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌである場合、Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌ以下に排熱回収機関出力Ｐｓを減少させる余地はない。したがって、Ｐｓ＞Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌでない場合、出力制御部３２は排熱回収機関用変速機５の変速比を変更して、排熱回収機関回転数Ｎｓを高回転側に制御する（ステップＳ１１１）。より具体的には、排熱回収機関回転数Ｎｓを排熱回収機関最大出力回転数Ｎｓ＿ｐよりも高い回転数とするとともに、要求出力Ｐｄが熱機関出力Ｐｅと排熱回収機関出力Ｐｓとの和よりも小さく、かつ熱機関出力Ｐｅが最小熱機関出力Ｐｅ＿ｍｉｎに等しい場合よりも高回転にする。このとき、低回転側排熱回収機関出力最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌよりも小さくなるまで排熱回収機関回転数Ｎｓを上昇させる。図３に示す例では、Ｎｓ＿１よりも排熱回収機関回転数Ｎｓを大きくする。

これによって、図３に示すように、排熱回収機関出力Ｐｓを低回転側排熱回収機関出力最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｌよりも低下させることができるので、ドライバが要求する出力で前記車両を走行させることができる。特に、前記車両が減速しているときには、ドライバの要求通りの減速加速度を得ることができるので好ましい。また、排熱回収機関用変速機５の変速比を変更して排熱回収機関出力Ｐｓを定価させるので、スターリングエンジン１００に対する入熱量を変更する必要はない。その結果、速やかに内燃機関１及び排熱回収装置１０が搭載される車両の駆動力を低下させることができる。

排熱回収機関回転数Ｎｓを高回転側に制御した（ステップＳ１１１）後、運転条件判定部３１は、排熱回収機関出力Ｐｓと高回転側排熱回収機関出力最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｈとを比較する（ステップＳ１１２）。高回転側排熱回収機関出力最小値Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｈとは、スターリングエンジン１００が最大出力を発生する排熱回収機関回転数（排熱回収機関最大出力回転数）Ｎｓ＿ｐよりも高い回転数におけるスターリングエンジン１００の最小の出力である。

ＰｓがＰｓ＿ｍｉｎ＿ｈに到達していない場合（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、排熱回収機関出力Ｐｓをさらに減少させる余地がある。したがって、排熱回収機関出力Ｐｓをさらに低下させる要求がある場合は、排熱回収機関用変速機５の変速比を変更することによって排熱回収機関出力Ｐｓをさらに低下させることができる。Ｐｓ＝Ｐｓ＿ｍｉｎ＿ｈである場合（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、排熱回収機関出力Ｐｓをさらに減少させることはできない。したがって、排熱回収機関出力Ｐｓをさらに低下させる要求がある場合であっても、排熱回収機関出力ＰｓはＰｓ＿ｍｉｎ＿ｈとなる。

以上、この実施形態では、熱機関と排熱回収機関との間に、スターリングエンジンが発生する出力を内燃機関に伝達し、かつ、熱機関の回転数に対する排熱回収機関の回転数の比（回転数比）を変更する変速装置を設ける。そして、出力発生源である内燃機関及びスターリングエンジンに対して要求される要求出力よりも、内燃機関が発生する熱機関出力及びスターリングエンジンが発生する排熱回収機関出力の和の方が大きくなり、かつ内燃機関が発生する出力が最小値となった場合に、スターリングエンジンの回転数を変更する。これによって、スターリングエンジンの出力を小さくすることができるので、要求通りの出力を出力発生源から取り出すことができる。なお、この実施形態で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施形態と同様の作用、効果を奏する。

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱回収に有用であり、特に、出力発生源に対して要求される出力が変化した場合に、要求通りの出力を得ることに適している。

この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を示す断面図である。この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す全体図である。スターリングエンジンの出力Ｐと回転数との関係を説明する概念図である。排熱回収機関回転数Ｎｓを熱機関回転数Ｎｅよりも小さくする手法を説明する概念図である。排熱回収機関回転数Ｎｓを熱機関回転数Ｎｅよりも小さくする手法を説明する概念図である。排熱回収機関回転数Ｎｓを熱機関回転数Ｎｅよりも大きくする手法を説明する概念図である。排熱回収機関回転数Ｎｓを熱機関回転数Ｎｅよりも大きくする手法を説明する概念図である。この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御に用いる運転制御装置の構成を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１内燃機関
１ｓ出力軸
４熱機関用変速装置
５ｓ入力軸
５排熱回収機関用変速機
９出力軸
１０排熱回収装置
３０運転制御装置
３１運転条件判定部
３２出力制御部
４０アクセル開度センサ
４０ｐアクセル
４１熱機関回転数センサ
４２車速センサ
４３エアフローメータ
５０機関ＥＣＵ
１００スターリングエンジン
１１０クランク軸

Claims

熱機関の排ガスから熱エネルギーを回収して出力を発生するとともに、発生した出力は前記熱機関が発生する出力とともに同軸で取り出される排熱回収機関と、
前記排熱回収機関が発生する出力を前記熱機関に伝達し、かつ、前記熱機関の回転数Ｎｅに対する前記排熱回収機関の回転数Ｎｓの回転数比Ｎｓ／Ｎｅを変更可能な回転数比変更手段と、を含み、
前記熱機関が発生する熱機関出力と前記排熱回収機関が発生する排熱回収機関出力との和が、要求出力に等しくなるようにする際には、前記熱機関出力が前記排熱回収機関出力に優先して変更され、
さらに、前記熱機関が発生できる最小の出力に前記熱機関出力が等しく、かつ前記熱機関出力と前記排熱回収機関出力との和が前記要求出力を上回る場合には、
前記回転数比率変更手段は、前記熱機関が発生できる最小の出力に前記熱機関出力が等しく、かつ前記要求出力を前記熱機関出力と前記排熱回収機関出力との和が上回る前よりも、前記排熱回収機関の回転数を低くすることを特徴とする排熱回収装置。
前記回転数比変更手段は、
前記熱機関と前記排熱回収機関との間に設けられる変速装置であって、前記変速装置の変速比を変更することによって前記回転数比Ｎｓ／Ｎｅを変更することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
前記排熱回収機関出力が、前記排熱回収機関が最大の出力を発生する回転数よりも低い回転数において前記排熱回収機関が発生できる最小の出力に等しい場合には、
前記回転数比率変更手段は、前記排熱回収機関の回転数を、前記排熱回収機関が最大の出力を発生する回転数よりも高くすることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収装置。
前記排熱回収機関出力が、前記排熱回収機関が最大の出力を発生する回転数よりも低い回転数において前記排熱回収機関が発生できる最小の出力よりも小さくなるまで、前記排熱回収機関の回転数を上昇させることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。