JP5360164B2 - スターリングエンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明はスターリングエンジンの制御装置に関し、特にスターリングエンジンの始動を行うスターリングエンジンの制御装置に関する。

スターリングエンジンの始動に関する技術は例えば特許文献１や２で開示されている。また、本発明と関連性があると考えられる技術として、機関の始動に関する技術が例えば特許文献３から５で開示されている。

特開昭６２−２４７１６０号公報 特開２００４−３０１１０２号公報 特開２０１０−２５５５４８号公報 特開２００４−３６０６６１号公報 特開平６−１４７０６８号公報

スターリングエンジンでは、発生可能な最大トルクが始動に必要なトルクよりも小さい場合に単体での始動ができない。このため、出力軸を駆動するスタータでスターリングエンジンの始動をアシストすることが行われる。ところが、スタータの駆動を成り行きで開始する場合、出力軸の位相によってはピストンに大きな圧縮力が作用することがある。このためこの場合には、かかる場合に対応可能な大きさの始動トルクをスタータで発生させる必要性が生じてくる。結果、スタータの大型化や重量の増大を招く虞がある。また、これらに伴いコストが増大する虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、スターリングエンジンを始動するにあたり、スタータで発生させることが必要となる始動トルクを抑制可能なスターリングエンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は出力軸を駆動するスタータが設けられているスターリングエンジンに用いられ、前記スターリングエンジンを始動するにあたり、前記出力軸の位相に応じて変動する前記スターリングエンジンのトルクが相対的に小さくなる位相区間内で前記スタータの始動駆動を開始する制御部を備えるスターリングエンジンの制御装置である。

本発明は前記スターリングエンジンが対応するシリンダとの間で気体潤滑が行われるとともに、作動流体を圧縮するピストンを備えており、前記出力軸の位相が前記スタータの始動駆動の開始位相に到達するまでの間、前記制御部が前記スタータを始動駆動する際に発生させる始動トルクよりも小さなトルクで前記スタータを駆動する構成とすることができる。

本発明は前記スタータの始動駆動に応じて、前記スターリングエンジンのトルクが前記スターリングエンジンで行われる作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できた後、前記スタータを再駆動することなく、次のサイクルで作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できないと判断される場合に、前記制御部が前記スタータを再駆動する構成とすることができる。

本発明によればスターリングエンジンを始動するにあたり、スタータで発生させることが必要となる始動トルクを抑制できる。

スターリングエンジンを含む各構成の全体図である。 スターリングエンジンのトルク変動を示す図である。 スタータの角速度の変化を示す図である。 低速動作時の圧縮ピストンの様子を示す図である。 スタータのトルク変化の一例を示す図である。 ＥＣＵの動作をフローチャートで示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はスターリングエンジン１０を含む各構成の全体図である。図１に示す各構成は図示しない車両に搭載されている。スターリングエンジン１０は直列平行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を備えている。スターリングエンジン１０は出力軸６０に対し、気筒２０、３０を複数組（ここでは２組）備える構成となっている。そしてこれにより、４気筒からなる多気筒α型のスターリングエンジンとなっている。

高温側気筒２０は膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２を、低温側気筒３０は圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２をそれぞれ備えている。圧縮ピストン３１は対応する膨張ピストン２１に対してクランク角で９０°程度遅れて動くように位相差が設けられている。また、２つの圧縮ピストン３１同士の間には所定の位相差が設定されている。ピストン２１、３１はリンク機構を介して出力軸６０に連結されている。ピストン２１、３１の往復運動は出力軸６０によって回転運動に変換される。

高温側気筒２０内の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は流通する作動流体と内燃機関の排気との間で熱交換を行う。そしてこれにより、排気から回収した熱エネルギーで作動流体を加熱する。加熱器４７は具体的には多管式熱交換器となっており、内燃機関の排気はスターリングエンジン１０の高温熱源を構成している。

低温側気筒３０内の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。再生器４６は膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ_２、Ｎ_２等の気体を適用することができる。

次にスターリングエンジン１０の動作について説明する。加熱器４７が作動流体を加熱すると作動流体が膨張し、膨張ピストン２１を圧下する。そしてこれにより出力軸６０が回転する。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過し、再生器４６に移送される。そして、再生器４６で熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込む。そして再び加熱され、膨張する。スターリングエンジン１０はかかる作動流体の往復流動を通じて動作する。

スターリングエンジン１０では、シリンダ２２、３２と対応するピストン２１、３１との間で気体潤滑を行っている。気体潤滑ではシリンダ２２、３２と対応するピストン２１、３１の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１を空中に浮いた形にする。空中に物体を浮上させる気体潤滑には、具体的には例えば加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑を適用することができる。但しこれに限られず、気体潤滑は例えば動圧気体潤滑であってもよい。

出力軸６０にはスタータ７０が設けられている。スタータ７０はスターリングエンジン１０で発生可能な最大トルクが始動に必要なトルクよりも小さいことから、スターリングエンジン１０の始動をアシストするために設けられている。スタータ７０は電力供給によって出力軸６０を駆動する駆動モータとして機能するとともに、出力軸６０によって駆動される場合に発電機として機能する。スタータ７０は発電機と別体であってもよい。出力軸６０には出力軸６０の位相が所定の位相であることを検出する位相検出センサ８１や、出力軸６０の位相であるクランク角度を検出可能な回転数センサ８２が設けられている。

ＥＣＵ１はスターリングエンジンの制御装置に相当する電子制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを備えている。ＥＣＵ１には位相検出センサ８１や回転数センサ８２など各種のセンサ・スイッチ類が電気的に接続されている。また、スタータ７０が制御対象として電気的に接続されている。ＥＣＵ１はスタータ７０の電力を検出することで、スタータ７０のトルクを検出することができる。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成である。ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、ＥＣＵ１では例えば以下に示す制御部など各種の機能部が実現される。

制御部はスターリングエンジン１０を始動するにあたり、クランク角度に応じて変動するスターリングエンジン１０のトルクが相対的に小さくなる位相区間Ｓ内でスタータ７０の始動駆動を開始する。図２はスターリングエンジン１０のトルク変動を示す図である。図２において、縦軸はスターリングエンジン１０のトルク、横軸はクランク角度を示す。スターリングエンジン１０では、クランク角度に応じてトルクが変化する結果、１サイクル中にトルクが相対的に高くなる位相区間と相対的に低くなる位相区間Ｓとが存在している。

位相区間Ｓは具体的にはスターリングエンジン１０のトルクが圧縮（コンプレッション）開始時のトルク以下になる区間として設定されている。これに対し、スタータ７０の始動駆動の開始位相ｐ１は具体的にはスターリングエンジン１０のトルクが圧縮開始時のトルクを下回るときの位相に設定されている。また、スタータ７０の始動駆動の終了位相ｐ２は圧縮開始時の位相に設定されている。

開始位相ｐ１は例えばスターリングエンジン１０のトルクが圧縮開始時のトルクよりも小さいトルクを下回るときの位相であってもよい。また、終了位相ｐ２は例えば圧縮開始時の位相よりも手前の位相であってもよい。この点、位相区間Ｓ内でスタータ７０の始動駆動を開始するにあたり、制御部は具体的には位相区間Ｓのうち、少なくとも部分的な区間に対応させてスタータ７０を始動駆動することができる。

スタータ７０を始動駆動するにあたり、制御部は具体的にはスターリングエンジン１０を始動させることが可能な大きさを有する始動トルクＴｓでスタータ７０を駆動する。そしてこれにより、スターリングエンジン１０のトルクがスターリングエンジン１０で行われる作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できるようにする。この点、制御部はさらに具体的には位相区間Ｓをスタータ加速期間として、発生させる始動トルクＴｓがスターリングエンジン１０で発生可能な最大トルク以下になる範囲内で、回転運動エネルギと始動トルクＴｓとの和が圧縮仕事以上になるようにスタータ７０を駆動する。

制御部はさらにクランク角度が開始位相ｐ１に到達するまでの間、始動トルクＴｓよりも小さなトルクでスタータ７０を駆動する。図３はスタータ７０の角速度の変化を示す図である。図３に示すように、スタータ７０の角速度は始動トルクＴｓよりも小さなトルクでスタータ７０を駆動する結果、クランク角度が開始位相ｐ１に到達するまでの間、ごく低速の一定値に維持されている。そして、クランク角度が開始位相ｐ１に到達した後、位相区間Ｓに対応させたスタータ７０の始動駆動に応じてスタータ加速期間で加速されている。

図４は低速動作時の圧縮ピストン３１の様子を示す図である。スターリングエンジン１０では、圧縮ピストン３１および対応する低温側シリンダ３２間で気体潤滑が行われる。このため、圧縮ピストン３１をごく低速で圧縮動作させることで、圧縮ピストン３１および対応する低温側シリンダ３２間のクリアランスから作動流体を流出させることができる。これに対し、位相検出センサ８１は具体的にはごく低速で回転する出力軸６０に対し、出力軸６０の位相が開始位相ｐ１であることを検出できるように設けられている。クランク角度が開始位相ｐ１に到達するまでの間に発生させるトルクは、具体的には圧縮ピストン３１による作動流体の圧縮の進行を抑制しつつ、クランク角度を変化させることが可能なトルクとなっている。

制御部はさらにスタータ７０の始動駆動に応じて、スターリングエンジン１０のトルクが作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できた後、スタータ７０を再駆動することなく、次のサイクルで作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できないと判断される場合にスタータ７０を再駆動する。この点、制御部は具体的にはスタータ７０を始動駆動により再駆動する。スタータ７０を始動駆動により再駆動するにあたっては、例えばクランク角度が再び開始位相ｐ１に到達した場合に、位相区間Ｓに対応させてスタータ７０を始動駆動するようにすることができる。

図５はスターリングエンジン１０の始動時に発生し得るスタータ７０のトルク変化の一例を示す図である。図５（ａ）は始動駆動による再駆動が必要な場合を示す。図５（ｂ）は図５（ａ）に対し、始動駆動による再駆動が不要な場合を参考として示す。スターリングエンジン１０のトルクが作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できないと判断される場合は、具体的には図５（ａ）に示すように、スタータ７０のトルクがマイナス値からプラス値に転じた後、再びマイナス値に転じると判断される場合となっている。

スタータ７０のトルクが再びマイナス値に転じるか否かは、例えばスタータ７０のトルク曲線においてスタータ７０のトルクが再びマイナス値に転じるか否かの判断対象となる極小値の直前に現れる極大値から、その直前にスタータ７０のトルクが極大値から極小値に変化した際のトルク差を引いた値が負になるか否かで判断できる。この点、極大値や極小値は例えばこれらが現れる位相に対応させて位相検出センサを設けるとともに、位相検出センサが位相を検出した際のスタータ７０のトルクを検出することで検出できる。

スターリングエンジン１０のトルクが作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できないと判断される場合は、例えばスタータ７０のトルクが再びマイナス値に転じたことを以って判断されてもよい。この場合、スタータ７０を再駆動するにあたっては、例えばスタータ７０が再びマイナス値に転じた際の位相を開始位相ｐ１とするとともに、スターリングエンジン１０のトルクが圧縮開始時のトルクとなる位相を終了位相ｐ２として、スタータ７０を始動駆動することができる。なお、スタータ７０を再び始動駆動する場合、始動トルクＴｓの大きさ自体は初めに行われた始動駆動時の大きさと異なっていてよい。

次にＥＣＵ１の動作について図６に示すフローチャートを用いて説明する。本フローチャートはスターリングエンジン１０を始動するにあたり、所定の始動開始条件（例えばスターリングエンジン１０の暖機が所定の状態まで進んでおり、スターリングエンジン１０が自立運転可能な状態にあること）が成立した場合に開始することができる。

ＥＣＵ１は位相検出センサ８１の出力を検出する（ステップＳ１）。そして、クランク角度が開始位相ｐ１に到達したか否かを判定する（ステップＳ２）。否定判定であれば、ＥＣＵ１は始動トルクＴｓよりも小さなトルク（位相出し用トルク）でスタータ７０を駆動する（ステップＳ３）。ステップＳ３の後にはステップＳ１に戻る。これにより、ステップＳ２で肯定判定されるまでの間、位相出し用トルクでスタータ７０を駆動することになる。

ステップＳ２で肯定判定された場合、ＥＣＵ１は始動トルクＴｓでスタータ７０を駆動する（ステップＳ４）。そしてこれにより、位相区間Ｓ内でスタータ７０の始動駆動を開始する。続いて、ＥＣＵ１はクランク角度を検出するとともに（ステップＳ５）、検出したクランク角度が位相区間Ｓに含まれるか否かを判定する（ステップＳ６）。肯定判定であればステップＳ５に戻る。一方、否定判定であればＥＣＵ１はスタータ７０の駆動を中止する（ステップＳ７）。これにより、位相区間Ｓに対応させたスタータ７０の始動駆動を終了する。なお、スタータ７０の駆動を中止するにあたっては、例えば開始位相ｐ１と同様にして終了位相ｐ２を検出してもよい。

ステップＳ７に続き、ＥＣＵ１はスタータ７０の再駆動の要否を判定する（ステップＳ８）。この点、スタータ７０の再駆動の要否を判定するにあたっては、例えばステップＳ８以前にスタータ７０のトルク検出など必要な処理が適宜組み込まれてよい。ステップＳ８で肯定判定であれば、ＥＣＵ１はスタータ７０を再駆動する（ステップＳ９）。スタータ７０を再駆動するにあたっては、具体的には例えば前述した通り、クランク角度が再び開始位相ｐ１に到達した場合に、位相区間Ｓに対応させてスタータ７０を始動駆動するようにすることができる。ステップＳ８の否定判定、またはステップＳ９の後には本フローチャートを終了する。

次にＥＣＵ１の作用効果について説明する。ＥＣＵ１はスターリングエンジン１０を始動するにあたり、位相区間Ｓ内でスタータ７０の始動駆動を開始する。このため、ＥＣＵ１はスターリングエンジン１０のトルクが相対的に小さくなっている状態で加速を行い、回転運動エネルギを蓄えることで、スターリングエンジン１０を始動するにあたり、スタータ７０で発生させることが必要となる始動トルクＴｓを抑制できる。そしてこれにより、具体的にはスタータ７０の大型化や重量の増大を抑制できる。また、同時にコストの増大も抑制できる。

ＥＣＵ１はクランク角度が開始位相ｐ１に到達するまでの間、始動トルクＴｓよりも小さなトルクでスタータ７０を駆動する。具体的には、圧縮ピストン３１による作動流体の圧縮の進行を抑制しつつ、クランク角度を変化させることが可能なトルクでスタータ７０を駆動する。そしてこれにより、クランク角度の初期状態に関わらず、スタータ７０を好適に始動駆動することができる。

ＥＣＵ１はスタータ７０の始動駆動に応じて、スターリングエンジン１０のトルクが作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できた後、スタータ７０を再駆動することなく、次のサイクルで作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクを上回ることができないと判断される場合にスタータ７０を再駆動する。このため、ＥＣＵ１はさらにスターリングエンジン１０の始動をより確実にすることもできる。

ＥＣＵ１はスタータ７０を始動駆動するにあたり、発生させる始動トルクＴｓがスターリングエンジン１０で発生可能な最大トルク以下になる範囲内で、回転運動エネルギと始動トルクＴｓとの和が圧縮仕事以上になるようにスタータ７０を駆動する。そしてこれにより、始動トルクＴｓを必要最小限の大きさに抑制することを可能にすることができる。また、ＥＣＵ１は位相区間Ｓに対応させてスタータ７０を始動駆動することで、必要最小限の大きさの始動トルクＴｓを確保し易くすることもできる。

ＥＣＵ１は４気筒からなる多気筒α型のスターリングエンジン１０に用いられている。この点、ＥＣＵ１はクランク角度に応じて変動するトルクが相対的に大きくなる場合と相対的に小さくなる場合との差が顕著に現れ易い４気筒以上の多気筒α型のスターリングエンジンに用いられることが好適である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ＥＣＵ １
スターリングエンジン １０
高温側気筒 ２０
膨張ピストン ２１
高温側シリンダ ２２
低温側気筒 ３０
圧縮ピストン ３１
低温側シリンダ ３２
出力軸 ６０
スタータ ７０

Claims (3)

1. 出力軸を駆動するスタータが設けられているスターリングエンジンに用いられ、
   前記スターリングエンジンを始動するにあたり、前記出力軸の位相に応じて変動する前記スターリングエンジンのトルクが相対的に小さくなる位相区間内で前記スタータの始動駆動を開始する制御部を備えるスターリングエンジンの制御装置。
2. 請求項１記載のスターリングエンジンの制御装置であって、
   前記スターリングエンジンが対応するシリンダとの間で気体潤滑が行われるとともに、作動流体を圧縮するピストンを備えており、
   前記出力軸の位相が前記スタータの始動駆動の開始位相に到達するまでの間、前記制御部が前記スタータを始動駆動する際に発生させる始動トルクよりも小さなトルクで前記スタータを駆動するスターリングエンジンの制御装置。
3. 請求項１記載のスターリングエンジンの制御装置であって、
   前記スタータの始動駆動に応じて、前記スターリングエンジンのトルクが前記スターリングエンジンで行われる作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できた後、前記スタータを再駆動することなく、次のサイクルで作動流体の圧縮動作に応じて現れる変曲点トルクに対処できないと判断される場合に、前記制御部が前記スタータを再駆動するスターリングエンジンの制御装置。
   

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