WO2004099599A1

WO2004099599A1 - 燃焼機関およびスターリング機関を備える動力装置

Info

Publication number: WO2004099599A1
Application number: PCT/JP2004/005861
Authority: WO
Inventors: Masayoshi Mori
Original assignee: Honda Motor Co., Ltd.
Priority date: 2003-05-09
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2004-11-18
Also published as: CA2515533C; JP2004332665A; EP1624177A4; US20060053785A1; US7181912B2; MY137806A; EP1624177A1; CN100400840C; KR20060013383A; KR101009389B1; TW200508486A; CA2515533A1; TWI314609B; CN1748081A; JP4248303B2

Abstract

自動車等の車両に用いられる動力装置は、車両の原動機としての内燃機関１と、発電機３を駆動するスターリング機関４とを備える。スターリング機関４の高温熱源は内燃機関１の排気ガスの熱であり、発電機３で発生した電力は、補機６～９を駆動する電動機２および電動機２に給電可能なバッテリ５に供給される。スターリング機関４の機関回転速度は、発電機３の負荷を制御する界磁調整器15により制御されて、スターリング機関４の最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる最適回転速度に設定される。これにより、スターリング機関の高温熱源となる廃熱を放出する原動機としての燃焼機関の燃料消費量が減少し、スターリング機関の軸出力が小さいときにも補機が十分な機能を発揮できる程度に駆動される。

Description

燃焼機関おょぴスターリング機関を備える動力装置技術分野

本発明は、動力源としての燃焼機関と、該燃焼機関の廃熱を加熱源とするスタ一リング機関と、補機とを備える動力装置に関し、さらに詳細には、スターリン明

グ機関により駆動される発電機で発生した電力が、補機の駆動に利用される動力装置に関する。書

背景技術

従来、発電機を駆動するスターリング機関として、特開昭 64— 75865号公報および特開 2002-266701号公報に開示されたものが知られている。特開昭 64— 75865号公報に記載のスターリング熱機関は、ヒートポンプの冷媒圧縮機を駆動すると共に、さらに発電機も駆動する。発電機は、空調負荷や外気条件が変化してスターリング熱機関の回転数が変化したときに、界磁調節器によりその界磁が調整されて、スターリング熱機関の回転数を制御する。これにより、ヒートポンプ負荷の増減が電気負荷により捕われて、スターリング熱機関の負荷が一定に保たれる。

また、特開 2002— 266701号公報に記載のスターリングエンジンは、自動車の動力源である内燃機関の排気系に設けられる排気浄化用の触媒コンパ一タの反応熱を熱源とする。そして、スターリングエンジンから取り出された機械的エネルギは、発電機その他の自動車用補機を駆動するために利用される。ところで、特開昭 64- 75865号公報に記載のスターリング熱機関では、作動ガスの加熱源は、スターリング熱機関に設けられた燃焼器で発生する燃焼ガスの熱であるが、スターリング熱機関が発生する軸出力を利用して、燃焼ガスを発生する燃焼器の燃料消費量を減少させることは考慮されていない。一方、特開 2002-266701号公報に記載のスターリングエンジンでは、触媒コンパータが加熱器として利用されており、触媒コンバータは内燃機関の排気ガスの熱および反応熱により加熱される。そして、自動車用補機は、スターリングェンジンが発生する軸出力により,駆動されて、内燃機関により駆動されないので、その分、内燃機関の燃料消費量を減少させることができて、走行燃費が改善される。しかしながら、排気ガスの温度が低くて、触媒コンバータが活性状態になるまで加熱されていない場合などで、スターリングエンジンの軸出力が小さいときには、補機がその機能を十分に果たす状態で駆動されないことがある。

また、特開昭 6 4 - 7 5 8 6 5号公報に記載のスターリング熱機関では、発電機の負荷調整によるスターリング熱機関の回転数制御は、冷媒圧縮機を駆動するスターリング熱機関の負荷を一定に保っために、しかもスターリング熱機関の熱効率が最大となるように行われる。しかしながら、熱効率が最大となる回転数は、軸出力が最大となる回転数とは一致せず、通常、熱効率が最大となるときの回転数での軸出力は、最大軸出力よりも小さい。そのため、発電機の発電能力を高い状態に保つことができず、十分な発電量が得られなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その主目的は、スターリング機関の高温熱源となる廃熱を放出する原動機としての燃焼機関の燃料消費量の減少を図ると共に、スターリング機関の軸出力が小さいときにも補機が十分な機能を発揮できる程度に駆動されることを確保することにある。また、本発明の他の目的は、廃熱の熱エネルギを最大限に回収すると共に、燃焼機関の燃料消費量を一層減少させること、および発電機の電力およびバッテリの電力が補機を駆動するには十分でない場合にも、補機を確実に駆動することにある。発明の開示

上記主目的を達成するために、本発明は、駆動対象の原動機としての燃焼機関と、燃焼機関の補機と、電動機と、発電機と、発電機を駆動すべく作動ガスにより作動するスターリング機関とを備える動力装置において、前記スターリング機関は、前記燃焼機関の廃熱を用いて前記作動ガスを加熱する加熱器を有し、前記電動機に給電可能にバッテリが接続され、前記発電機は、それにより発生される電力を、前記電動機およぴバッテリに供給するように、該電動機およびバッテリに接続され、前記補機は前記電動機により駆動されうるように該電動機に連結されていることを特徴とする動力装置が提供される。

これによれば、燃焼機関の廃熱の熱エネルギが十分に大きくて、スターリング機関により駆動される発電機で補機を駆動するのに十分な電力が得られるときには、捕機は、電動機により駆動されて、燃焼機関により駆動される必要がないので、その分、駆動対象の原動機としての燃焼機関の燃料消費量が減少する。また、廃熱の熱エネルギが小さいために、スターリング機関の軸出力が小さくて、発電機により補機を駆動するのに十分な電力が得られないときには、発電機の電力により充電されたバッテリからの電力により捕機を十分な機能を発揮できる程度駆動することができる。

本発明では、前記スターリング機関の機関回転速度を、前記スターリング機関の最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる最適回転速度に設定する回転速度制御手段を設けることができる。

これによれば、廃熱の熱エネルギ状態に応じて、スターリング機関の軸出力特性が変化する場合にも、スターリング機関の機関回転速度は、軸出力特性において最大軸出力が得られる最適回転速度に設定されるので、発電機は最大軸出力またはほぼ最大軸出力で駆動されて、発電機から最大またはほぼ最大の電力が得られる。

この結果、次の効果が奏される。すなわち、発電機は最大軸出力またはほぼ最大軸出力で駆動され、発電機から最大またはほぼ最大の電力が得られるので、廃熱の熱エネルギ回収が最大限行われると共に、十分な発電量により捕機が電動機で駆動される頻度が高められるので、燃焼機関の燃料消費量を一層減少させることができる。

好適には、前記補機は、複数の補機からなる補機群であって、前記捕機群は、クラツチを有する伝動機構を介して前記燃焼機関に連結され、前記クラツチの接続および非接続によつて前記複数の補機を前記燃焼機関およぴ前記電動機により選択的に駆動するとともに、前記電動機により駆動される前記補機の数を変更する制御システムが設けられる。

このようにすることによって、補機群を構成する所定数の補機のうち、発電機の発電量が全ての補機を電動機で駆動するには十分でないときにも、発電機で得られる電力に応じて、電動機により駆動される補機の数を変更することで、電動機により補機が駆動されるので、その分、燃焼機関の燃料消費量が減少する。また、廃熱の熱エネルギが小さいために、スターリング機関の軸出力が小さくて発電機から十分な電力が得られず、しかもパッテリの電力も補機を駆動するには十分でないときには、燃焼機関により補機が駆動される。

この結果、次の効果が奏される。すなわち、動力装置の捕機が複数個ある場合に、発電機での発電量に応じて可能な限り電動機で補機が駆動されるので、燃焼機関の燃料消費量を減少させることができる。また、発電機およぴバッテリから得られる電力が捕機を駆動するには十分でない場合にも、燃焼機関により補機が確実に駆動される。

前記燃焼機関は第 1のクラツチを介して前記補機のうちの 1つの補機に駆動連結され、該 1つの捕機は第 2のクラッチを介して前記電動機に駆動連結され、前記電動機は前記補機のうちの他の補機に駆動連結されるようにでき、また、動力装置の運転状態に応じて前記第 1および第 2のクラツチの接続おょぴ非接続を行う制御システムを設けることができる。これにより、複数の補機を前記燃焼機関および前記電動機により選択的に駆動することが確実になされる。

より具体的には、前記制御システムは、燃焼機関が低負荷蓮転領域にあって、前記電動機に十分な電力が供給されていない状態が検出されたときに、前記第 1 および第 2のクラツチを接続してすべての補機を前記燃焼機関に連結するように作動する。これにより、すべての捕機が前記燃焼機関により駆動される。

また、前記制御システムは、燃焼機関が中負荷運転領域にあって、前記電動機に前記他の捕機のみを駆動できる程度の電力が供給されている状態が検出されたときに、前記第 2のクラッチを非接続として前記他の捕機を前記電動機に連結するように作動する。これにより、前記他の補機は電動機により駆動される。また、前記制御システムは、燃焼機関が高負荷運転領域にあって、前記電動機にすベての補機を駆動できる電力が供給されている状態が検出されたときに、前記第 1および第 2のクラツチを非接続としてすベての補機を前記電動機のみに連結するように作動する。これにより、すべての補機は電動機により駆動される。図面の簡単な説明

図 1は本発明の実施例を示し、内燃機関およびスターリング機関を備える動力装置の構成を説明するための模式図である。

図 2は、図 1のスターリング機関の縦断面図である。

図 3は、図 2のスターリング機関の平面図である。

図 4は、図 2のスターリング機関の軸出力特性を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例を図 1ないし図 4を参照して説明する。

図 1を参照すると、本発明が適用された動力装置は、燃焼機関としての水冷式の多気筒内燃機関 1と、複数である所定数の補機と、電動機 2と、発電機 3と、発電機 3を駆動するスターリング機関 4と、バッテリ 5と、制御装置（以下、「 E C U」という。） 40を有する制御システムとを備える。そして、前記動力装置は車両に搭載され、内燃機関 1は、駆動対象である前記車両を駆動する原動機を構成する。

内燃機関 1は、各シリンダ内に往復動可能に嵌合されたピストンと、該ピストンにより回転駆動されるクランク軸 laとを備える。ピストンは、燃料供給装置である燃料噴射弁から供給された燃料が、スロットル弁を有する吸気装置を経て燃焼室に吸入された吸入空気により燃焼して発生する燃焼ガスの圧力で駆動される。クランク軸 laの動力は、変速機を含む動力伝達装置を介して前記車両の駆動輪に伝達されて、前記車両が駆動される。

前記燃焼室から排出された燃焼ガスは、排気ガスとして、排気浄化装置である触媒装置を有する排気装置に導かれ、該触媒装置により無害化された後に、スタ一リング機関 4の加熱器 27 i， 27₂ (図 2 ) に供給されて、加熱器 27 ， 27₂ から流出した後、大気中に放出される。

補機群 Aを構成する前記所定数の補機は、空気調和機用のコンプレッサ 6、パワーステアリング用のパワステポンプ 7、内燃機関 1を冷却する冷却回路に設けられて冷却水を循環させるウォータポンプ 8、および内燃機関 1の潤滑箇所に潤滑油を供給するオイルポンプ 9の 4つの補機である。また、発電機 3による発電が不可能となるような非常時に、必要最小限の電力を発生する補助発電機 16が設けられる。

補機群 Aは、クラッチ 10， 13を有する伝動機構 Tを介して、出力軸としてのクランク軸 laに駆動関係をもって連結され、コンプレッサ 6、 3つのポンプ 7〜9 および補助発電機 16は、それぞれ内燃機関 1により回転駆動され得る。伝動機構 Tは、クランク軸 laとコンプレッサ 6の回転軸 6aと補助発電機 16の回転軸 16aとを駆動関係をもって連結する第 1伝動機構 1\ と、電動機 2の回転軸 2aとパヮステポンプ 7の回転軸 7a、ウォータポンプ 8の回転軸 8aおよぴオイポンプ 9の回転軸とを駆動連結する第 2伝動機構 Τ ₂ と、電動機 2の回転軸 2aとコンプレッサ 6の回転軸 6aとの間に設けられた電磁クラッチからなる前記クラッチ 10とから構成される。

第 1伝動機構 Tェは、クランク軸 laと回転軸 6aと回転軸 16aとを駆動連結すベくクランク軸 laと被動軸 11と回転軸 16aとの間に掛け渡された伝動ベルト 12aを含む伝達機構 12と、クランク軸 laから伝達機構 12を経て回転軸 6aに至る動力伝達系路中に、ここでは被動軸 11と回転軸 6aとの間に設けられる電磁クラッチからなる前記クラッチ 13とを備える。また、第 2伝動機構 T ₂ は、回転軸 2aと回転軸 7a、回転軸 8aおよびオイルポンプ 9の回転軸とを駆動連結すベく回転軸 2aと回転軸 7a と回転軸 8aとに掛け渡された伝動ベルト 14aを含む伝達機構 14を備える。ここで、ウォータポンプ 8およびオイルポンプ 9は、共通の回転軸を有するが、別体の回転軸が同軸に結合された回転軸を有するものであってもよい。また、捕助発電機 16による発電が不要な場合に、クランク軸 laによる補助発電機 16の回転駆動を停止するため、 E C U40によりその接続状態が制御される電磁クラッチからなるクラッチ 17が回転軸 16aに設けられる。電動機 2は、発電機 3およびパッテリ 5から供給される電力により駆動されて、コンプレッサ 6および各ポンプ 7〜 9を回転駆動可能である。さらに、電動機 2は、例えば内燃機関 1がアイドルストップ状態から運転状態への復帰時に、バッテリ 5からの給電により、コンプレッサ 6および第 1伝動機構 T\ を介してクランク軸 laを回転駆動して、内燃機関 1を再始動させることができる。

両クラッチ 10， 13は、前記アイドルストップ状態を含む内燃機関 1の運転状態、発電機 3の発電量およびパッテリ 5の充電状態に応じて、動力を伝達する接続状態および動力の伝達を遮断する非接続状態となるように、 E C U40により制御される。そして、これらクラッチ 10， 13の接続状態おょぴ非接続状態に応じて、コンプレッサ 6および各ポンプ 7〜 9が、内燃機関 1および電動機 2により択一的に駆動されると共に、電動機 2により駆動される前記補機の数が変更される。具体的には、両クラッチ 10， 13が接続状態のとき、補機群 Aは、補機群 Aの全ての補機であるコンプレッサ 6およぴ各ポンプ 7〜 9がクランク軸 laにより,駆動される第 1駆動形態をとる。このとき、電動機 2は駆動力を発生することなく、単に回転するだけである。また、クラッチ 13が接続状態で、クラッチ 10が非接続状態のとき、補機群 Aは、補機群 Aのうちコンプレッサ 6のみがクランク軸 laにより駆動され、各ポンプ 7〜 9が電動機 2により駆動される第 2駆動形態をとる。さらに、クラッチ 13が非接続状態で、クラッチ 10が接続状態のとき、捕機群 A は、捕機群 Aの全ての補機であるコンプレッサ 6および各ポンプ 7〜 9が電動機 2により駆動される第 3駆動形態をとる。

そして、前記車両の走行および内燃機関 1の運転に必須の捕機である各ポンプ 7〜9は、第 2伝動機構 T ₂ により互いに常時連動して駆動および停止されるようにされて、発電機 3での発電量が比較的少ない場合にも、補機群 Αのうちこれらポンプ 7〜 9のみが電動機 2により駆動されるように構成される。

また、コンプレッサ 6は、補機群 Aのうちで負荷が最も大きく、しかもその使用頻度が各ポンプ 7〜 9に比べて低い補機であることから、 3つのポンプ 7〜9 から独立して内燃機関 1により駆動され得るように構成されている。

図 2を参照すると、スターリング機関 4は、 2つのスターリング機関である第 1機関および第 2機関 20₂ を組み合わせた 2段式スターリング機関であり、 2つのシリンダ 2 ， 21₂ と、両シリンダ 2 ， 21₂ と一体化されてクランク軸 26が収容されるクランク室 23を形成するクランクケース 22と、各シリンダ 2 ， 21₂ 内に同軸に配置されて往復動可能に嵌合されたディスプレーサピストン 2 ， 24₂ およびパワーピストン 25 i， 25₂ と、ディスプレーサピストン 2 ， 24₂ およびパワーピストン 25 ， 25₂ に連結されて、パワーピストン 25 ， 25₂ により回転駆動されるクランク軸 26と、各機関 20 i， 20₂ に属する前記加熱器 27 ， 27₂ 、再生器 28 ， 28₂および冷却器 29 ， 29₂ とを備える。

各機関， 20₂ において、シリンダ 21 ， 21₂ 內で、シリンダ 2 ， 21₂ とディスプレーサピストン 2 ， 24₂ との間に形成される可変容積空間である高温空間 30 ， 30₂ と、ディスプレーサピストン 2 ， 2 2 とパワーピストン 25 ， 25₂ との間に形成される可変容積空間である低温空間 3 ， 31₂ とが設けられ、高温空間 30 ， 30₂ と低温空間 3 ， 31₂ とは、加熱器 27 , 27₂ 、再生器， 28₂ および冷却器 2 ， 29₂ にそれぞれ形成される流路を介して常時連通状態にある。そして、高温空間 30 ， 30₂ 、低温空間 31 ， 31₂ および前記流路には、作動ガスとしての高圧のヘリゥムガスが封入されている。

また、充填ガスである高圧のヘリゥムガスが封入されているクランク室 23内において、ディスプレーサピストン 24 ， 24₂ およびパワーピストン 25 , 25₂ が、それぞれ往復運動および回転運動の相互の運動変換機構、例えばスコッチョーク機構を介してクランク軸 26に違結される。これら運動変換機構により、パワーピストン 25 ， 25₂ の、シリンダ軸線に平行な往復運動が、クランク軸 2⁶の回転運動に変換され、クランク軸 26の回転運動が、ディスプレーサピストン 2 ， 24

₂ の、シリンダ軸線に平行な往復運動に変換される。

図 3を併せて参照すると、高温熱源である内燃機関 1の廃熱により作動ガスを加熱する加熱器， 27₂ には、内燃機関 1の前記排気装置からの排気ガスが供給管 32を通じて供給される。この実施例では、排気ガスは、供給管 32を流通して第 1機関 21^ の加熱器に流入した後、加熱器から第 2機関 20₂ の加熱器 27₂ に流入し、排出管 33を経て大気中に放出される。そして、各加熱器 27，， 27 2 において、高温空間， 30₂ と再生器 28 ， 28₂ とを連通させる前記流路を形成する加熱器 27 , 27₂ が加熱流体としての排気ガスにより加熱されて、作動ガスが加熱される。

一方、低温熱源により作動ガスを冷却する両冷却器 2 ， 29₂ には、内燃機関 1を冷却する前記冷却回路に設けられたラジエータで放熱して低温となつた冷却水が、ウォータポンプ 8の吐出側から供給管 34を通じて供給され、排出管 35を経てラジェータに向かって流出する。そして、各冷却器 2 ， 29₂ において、低温空間 3 ， 31₂ と再生器 28 ， 28₂ とを連通させる前記流路を形成する冷却器 29 , ， 29₂ が冷却流体としての冷却水により冷却されて、作動ガスが冷却される第 1，第 2機関， 20₂ において、ディスプレーサピストン 2 ， 2 ₂ は、パワーピストン 25】， 25₂ に対してほぼ 9 0。進んだ位相で往復運動し、また両ディスプレーサピストン 2 ， 2 ₂ の間には 1 8 0 ° の位相差が設定されている。これにより、各機関， 20₂ において、ディスプレーサピストン 2 ， 24₂ およびパワーピストン 25 ， 25₂ による高温空間 3(^， 30₂ および低温空間 31 ， 31₂ の容積変化に応じて、作動ガスが、加熱器 27 ， 27₂ 、再生器 28 ， 28₂ および冷却器 29 ， 29₂ を通って高温空間 30 ， 30₂ と低温空間 31 i , 31₂ との間で流動する。そして、高温空間 30 ， 30₂ の容積が大きくなるとき、両空間 30 ！， 31！； 30₂， 31₂ 內での作動ガスの圧力が増加し、この高圧となった作動ガスの圧力によりパワーピストン 25丄， 25₂ が駆動されて、クランク軸 26が回転駆動される。

図 2を参照すると、クランク室 23内には、出力軸としてのクランク軸 26により回転駆動される発電機 3が収容される。クランク軸 26は、分割された第 1機関 20 ！側のクランク軸部分 26 および第 2機関 20₂側のクランク軸部分 26₂ から構成され、両クランク軸部分 26 ， 26₂ の間に発電機 3が配置される。そして、発電機 3の回転軸 3aが、その両端でそれぞれ両クランク軸部分， 26₂ に連結されることにより、両クランク軸部分 26 ， 26₂ が発電機 3を介して駆動連結される図 1を参照すると、発電機 3で発生した電力は、電動機 2を駆動するための電力およぴバッテリ 5を充電するための電力として使用される。パッテリ 5は、内燃機関 1および前記車両の全ての電装品、例えばへッドライトゃブレーキランプなどのライト装置、オーディオビジュアル装置、ナビゲーシヨン装置などの表示装置、通信装置に給電可能である。そして、電圧調整器やインバータなどを備える制御器 19は、 E C U40により制御されて、発電機 3で発生した電力の電動機 2 への供給、発電機 3で発生した電力によるバッテリ 5への充電、およびパッテリ 5から電動機 2および前記電装品への給電を制御する。

また、発電機 3には、発電機 3の負荷を制御する負荷制御手段としての界磁調整器 15が設けられており、この界磁調整器 15により界磁電流が調整されて発電機 3の負荷が制御される。

ところで、スターリング機関 4の軸出力特性は、内燃機関 1の運転状態に応じて変化し、実質的に、冷却水の温度変化に比べて大幅に変化する排気ガスの熱ェネルギに支配される。また、排気ガスの特定の熱エネルギ状態に対応するスターリング機関 4の運転状態での軸出力特性において、最大軸出力が得られるスターリング機関 4の機関回転速度は、その運転状態に対応する軸出力特性が異なるとき、異なった値になる。そこで、排気ガスの熱エネルギを最大限回収する観点からは、軸出力特性が変化する場合にも、その軸出力特性における最大軸出力で発電機 3を駆動し、発電機 3の発電量を最大にすることが好ましい。

そこで、 E C U40は、内燃機関 1の運転状態、特にスターリング機関 4に供給される排気ガスの熱エネルギ状態に基づいて、スターリング機関 4の機関回転速度を、最大軸出力が得られる最適回転速度に設定する。そのために、 E C U40は、界磁調整器 15を制御することにより発電機 3の負荷を制御し、これによつて機関回転速度を制御する。それゆえ、界磁調整器 15は回転速度制御手段でもある。以下、図 1，図 4を参照して、 E C U40によるスターリング機関 4の出力制御およぴクラツチ 10， 13の制御を中心に説明する。

図 1を参照すると、前記制御システムは、中央演算処理装置（以下、「C P U 」という。）を有する E C U40のほかに、スターリング機関 4の機関回転速度 N をクランク軸 26の回転に基づいて検出する回転速度センサ 41、発電機 3の発電量を検出する発電量センサ 42、パッテリ 5の電圧を検出する電圧センサ 43、加熱器 2 (図 3参照) の入口での排気ガスの温度を検出する温度センサ 44、冷却器 29 ！， 29₂ (図 3参照) の入口での冷却水の温度を検出する温度センサ 45、および内燃機関 1の運転状態センサを備える。

前記内燃機関 1の運転状態センサは、内燃機関 1の機関回転速度を検出する回転速度センサ 46、前記吸気装置での吸入空気量を検出するエアフ口ーセンサ 47、スロットル弁の開度により内燃機関 1の負荷を検出する負荷センサ 48、内燃機関 1の機関温度を検出する機関温度センサ 49、大気の温度を検出する大気温センサ 50などから構成される。

また、 E C U40のメモリには、界磁調整器 15、クラッチ 10， 13、制御器 19、前記燃料噴射弁などを制御するための制御プログラムゃ各種マップが記憶されている。そして、 E C U40には、前記各種センサ 41〜50から検出された信号が入力され、それら信号に基づいて C P Uにより演算および処理が行われ、界磁調整器 15 、クラッチ 10， 13、制御器 14、前記燃料噴射弁などを制御する信号を出力する。ここで、スターリング機関 4の軸出力特性を示す図 4を参照する。曲線 C1〜C5 は、内燃機関 1が定常状態で運転されて、かつ前記車両が車速 V1〜V5でそれぞれ定速走行しているときのスターリング機関 4の軸出力特性を示している。ここで、車速は、 VI, V2, V3, V4, V5の順で大きくなつている。

また、車速が増加するにつれて、内燃機関 1の負荷が大きくなるため、第 1機関の加熱器 27 i の入口での排気ガスの入口温度が高くなり、加熱器 27 i の入口での排気ガスの質量流量が大きくなって、排気ガスの熱ェネルギが增加する。なお、図 4の軸出力特性は、冷却器 2 ， 29₂ に供給される冷却水の温度が各車速で同じとした場合のものである。

このことから、加熱器 27ェ， 27₂ に供給される排気ガスの熱エネルギが増加するにつれて、同じ機関回転速度 Nで得られる軸出力 Lおよび各軸出力特性における最大軸出力は増加すると共に、最大軸出力が得られる最適回転速度 N_{0 l} -No ₅ も増加することが判る。また、内燃機関 1の暖機後においては、内燃機関 1を冷却して昇温した冷却水は前記ラジェータで放熱することから、ウォータポンプ 8 から各冷却器 2 ， 29₂ に供給される冷却水の温度はほぼ一定に保たれる。そこで、前記動力装置では、 E C U40により、最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる機関回転速度 Nである最適回転速度が、次のようにして設定される先ず、第 1機関 20 の加熱器 27丄の入口における排気ガスの熱エネルギ状態を示す状態量として、前記入口温度および前記質量流量が求められる。前記入口温度は、排気ガスの温度を検出する温度検出手段または排気ガスの温度を算出する温度算出手段により得られる。一方、前記質量流量は質量流量算出手段により算出される。そして、前記温度検出手段または前記温度算出手段と、前記質量流量算出手段とにより、排気ガスの熱エネルギ状態を算出する熱エネルギ算出手段が構成される。

ここで、前記温度検出手段は、排気ガスの温度を検出する温度センサ 44により構成される。また、前記温度算出手段は、吸入空気量、前記燃料噴射弁からの燃料供給量および内燃機関 1の機関回転速度をパラメータとして排気ガスの温度が設定された温度マップから、エアフローセンサ 47により検出された吸入空気量および E C U40により算出された前記燃料供給量に基づいて排気ガスの温度を検索し、得られた温度を大気温センサ 50で検出された大気温度などで補正する E C U 40での演算および処理により構成される。さらに、前記質量流量算出手段は、例えば、エアフローセンサ 47により検出された吸入空気量に前記燃料供給量を加算する E C U40での演算および処理により構成される。

次いで、前記入口温度および前記質量流量をパラメータとして、実験などから最大軸出力が得られた機関回転速度 Nである設定回転速度が設定されている回転速度マップから、検出または算出された前記入口温度およぴ前記質量流量に基づいて前記設定回転速度が検索される。そして、得られた前記設定回転速度に対して、軸出力 Lに関与する要因を考慮した捕正が行われて、スターリング機関 4の最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる前記最適回転速度が求められる。ここで、例えば、冷却器 2 ， 29₂ に供給される冷却水の温度により前記設定回転速度が補正される場合は、冷却水の温度をパラメタとして捕正係数が設定されたマップから、冷却水の温度に対応した捕正係数が検索され、該捕正係数で前記設定回転速度が補正される。

そして、 E C U40は、機関回転速度 Nが前記最適回転速度となるように、発電機 3の負荷を制御すベく界磁調整器 15を制御する。このとき、界磁調整器 15の制御量は、該制御量と前記最適回転速度との対応を規定するマツプに基づいて決定されてもよいし、機関回転速度 Nを検出して、検出された機関回転速度 Nが前記最適回転速度になるようフィードバック制御により決定されてもよい。

このようにして、発電機 3は、最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる前記最適回転速度で回転するクランク軸 26により駆動されるので、発電機 3からは、スターリング機関 4の軸出力特性に対応して、最大またはほぼ最大の発電量が得られる。

次に、図 1を参照して、発電量センサ 42の検出結果に基づいてなされる、 E C U40によるクラッチ 10， 13の制御につき説明する。

内燃機関 1が低負荷運転域にあって、 3つのポンプ 7〜 9および捕機群 Aの全ての捕機であるコンプレッサ 6およぴ各ポンプ 7〜 9を電動機 2で駆動するのに十分な電力が発電機 3により得られていないと判断されたときには、 E C U40は、クラッチ 10， 13を接続状態にして、補機群 Aを前記第 1駆動形態で駆動する。また、内燃機関 1が中負荷運転域にあって、補機群 Aの全ての捕機であるコンプレッサ 6および各ポンプア〜 9を電動機 2で駆動するには不足するが、 3つのポンプ 7〜 9を駆動することが可能な電力が発電機 3により得られていると判断されたときには、 E C U40は、クラッチ 10を非接続状態にし、クラッチ I³を接続状態にして、補機群 Aを前記第 2駆動形態で駆動する。

さらに、内燃機関 1が高負荷運転域にあって、補機群 Aの全ての捕機であるコンプレッサ 6および各ポンプ 7〜 9を電動機 2で駆動することが可能な電力が発電機 3により得られていると判断されたときには、 E C U40は、クラッチ 10， 13 を非接続状態にして、捕機群 Aを前記第 3駆動形態で駆動する。さらには、両クラッチ 10, 13が接続状態にされて、クランク軸 laを電動機 2で駆動することにより、内燃機関 1の動力をアシストすることもできる。

そして、発電量が前記第 3駆動形態で補機群 Aを駆動するには不足する場合において、電圧センサ 43の検出結果に基づいて、パッテリ 5の充電量が十分であるときは、バッテリ 5からの給電により、前記第 2駆動形態または前記第 3駆動形態で補機群 Aが駆動される。さらに、バッテリ 5の充電量が十分であるときは、パッテリ 5からの給電により、前記第 1駆動形態で補機群 Aが駆動されることも可能である。

また、電圧センサ 43により検出されるバッテリ 5の電圧が、充電を要する最低電圧まで低下したときは、 E C U40は、発電量に余裕があれば、電動機 2への給電と並行してバッテリ 5の充電を行い、発電量に余裕がないときは、バッテリ 5 の充電を優先して、電動機 2への給電を停止する。この場合には、 E C U40は、電動機 2で駆動されていた前記補機が内燃機関 1により駆動されるように、クラツチ 10， 13の少なくとも一方を接続状態にする。

次に、前述のように構成された実施例の作用および効果について説明する。前記動力装置において、スターリング機関 4の高温熱源は内燃機関 1の排気ガスの熱であり、発電機 3で発生した電力は、捕機群 Aを駆動する電動機 2およびバッテリ 5に供給されることにより、排気ガスの熱エネルギが十分に大きくて、スターリング機関 4により駆動される発電機 3でコンプレッサ 6およびポンプ 7 〜 9またはそれらの一部を駆動するのに十分な電力が得られるときには、コンプレッサ 6およびポンプ 7〜9は、電動機 2により駆動されて、内燃機関 1により駆動される必要がない。したがって、その分、前記車両の原動機としての内燃機関 1の燃料消費量が減少して、走行燃費が改善される。また、排気ガスの熱エネルギが小さいために、スターリング機関 4の軸出力 Lが小さくて、発電機 3によりコンプレッサ 6およびポンプ 7〜 9を駆動するのに十分な電力が得られないときには、発電機 3の電力により充電されたバッテリ 5からの電力によりコンプレッサ 6およびポンプ 7〜 9またはそれらの一部を駆動することができるので、スターリング機関 4の軸出力 Lが小さいときにも、コンプレッサ 6およびポンプ 7 〜 9が十分な機能を発揮できる程度に駆動されることが確保される。スターリング機関 4の機関回転速度 Nを、スターリング機関 4の最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる前記最適回転速度に設定する界磁調整器 15を備えることにより、気ガスの熱エネルギ状態に応じて、スターリング機関 4の軸出力特性が変化する場合にも、スターリング機関 4の機関回転速度 Nは、軸出力特性におレ、て最大軸出力が得られる前記最適回転速度に設定される。したがって、発電機 3は最大軸出力またはほぼ最大軸出力で駆動されて、発電機 3から最大またはほぼ最大の電力が得られる。この結果、排気ガスの熱エネルギ回収が最大限行われると共に、十分な発電量によりコンプレッサ 6およびポンプ 7〜 9が電動機 2で駆動される頻度が高められるので、内燃機関 1の燃料消費量を一層減少させて、走行燃費が一層改善される。

補機群 Aは、クラッチ 10, 13を有する伝動機構 Tを介して内燃機関 1のクランク軸 laに連結され、クラッチ 10， 13の接続および非接続により、コンプレッサ 6 おょぴポンプ 7〜 9が内燃機関 1およぴ電動機 2により択一的に駆動されると共に、電動機 2により駆動される前記捕機の数が変更される。このため、補機群 A を構成する 4つの補機のうち、発電機 3の発電量が全ての補機を電動機 2で駆動するには十分でないときにも、発電機 3で得られる電力に応じて、電動機 2により駆動される前記捕機の数を変更される。すなわち、補機群 Aのうちの一部の補機である 3つのポンプ 7〜 9が電動機 2により駆動され、残りの補機であるコンプレッサ 6は内燃機関 1により駆動される前記第 2駆動形態で補機群 Aが駆動されることにより、その分、内燃機関 1の燃料消費量が減少して、走行燃費が改善される。また、廃熱の熱エネルギが小さいために、スターリング機関 4の軸出力 Lが小さくて発電機 3から十分な電力が得られず、しかもパッテリ 5の電力も補機を駆動するには十分でないときには、捕機群 Aが前記第 1駆動形態で駆動されて、内燃機関 1により補機群 Aを確実に駆動することができる。

補機群 Aのうち、前記車両の走行おょぴ内燃機関 1の運転に必須の補機である 3つのポンプ 7〜 9は、これらポンプ 7〜 9に比べて使用頻度が低い補機であるコンプレッサ 6とはクラッチ 10により電動機 2から分離可能であって、発電機 3 での発電量が十分でない場合にも、補機群 Aの全ての捕機のうち、これらポンプ 7〜 9のみが電動機 2により駆動される頻度が高められるように構成されている。これにより、内燃機関 1の燃料消費量の增加を極力抑制することができて、、走行燃費が改善される。

また、電動機 2で駆動される頻度が高いポンプ 7〜 9は、内燃機関 1の機関回転速度に依存することなく、各ポンプ 7〜 9の回転速度を内燃機関 1の負荷などに対応させて最適に設定できるので、各ポンプ 7 ~ 9の機能を十分に発揮させることができる。特に、スターリング機関 4の冷却器 2 ， 29₂ に冷却水を供給するウォータポンプ 8が、電動機 2で駆動される頻度が高いことにより、排気ガスの熱エネルギが小さレ、場合にも、ウォータポンプ 8が電動機 2で駆動されることにより、作動ガスを効果的に冷却することができる流量の冷却水を冷却器 2 ， 29₂ に供給できるので、スターリング機関 4の軸出力 Lを増加させることができる。

以下、前述した実施例の一部の構成を変更した実施例について、変更した構成に関して説明する。

スターリング機関 4は、単一のスターリング機関から構成されてもよく、 3以上のスターリング機関の組み合わせから構成される多段スターリング機関であつてもよい。また、発電機 3を駆動する出力軸は、前記実施例ではクランク軸 26であつたが、クランク軸 26に駆動連結されて、その動力により回転駆動される回転軸であってもよい。さらに、前記実施例では、発電機 3は、そのケーシングを含めて、クランクケース 22により形成されるクランク室 23内に収容されたが、発電機 3のケーシング自体でクランクケースの一部を構成することもできる。その場合、第 1機関 20 に属する第 1クランクケース部分と第 2機関 20₂ に属する第 2 クランクケース部分とが、それら第 1，第 2クランクケース部分の間に配置される発電機 3の前記ケーシングを介して結合されて、前記第 1クランクケース部分、前記第 2クランクケース部分おょぴ前記ケーシングからスターリング機関 4のクランクケースが構成されてもよい。

補機群 Aを駆動する出力軸は、前記実施例ではクランク軸 laであったが、クランク軸 laに駆動連結されて、その動力により回転駆動される回転軸であつてもよ T/JP2004/005861 い。また、補機の数は、 1であってもよく、また 4以外の複数であってもよい。前記実施例では、第 1機関の加熱器 27 から流出した排気ガスが、第 2機関の加熱器 27 i に流入するように構成されたが、両機関の加熱器 27 i， 27₂ に、供給管 32から排気ガスが直接供給されるように構成されてもよい。その場合、前記入口温度おょぴ前記質量流量は、排気ガスの、両加熱器 27j_， 27₂ の入口でのものとなる。

内燃機関 1は、前記実施例では車両に使用されるものであつたが、鉛直方向を指向するクランク軸を備える船外機等の船舶推進装置に使用されるものであってもよレ、。また、内燃機関 1は、レシプロ式内燃機関以外の内燃機関、たとえばガスタービンであってもよく、さらに燃焼機関として外燃機関であってもよい。

Claims

1 . 駆動対象の原動機としての燃焼機関と、燃焼機関の捕機と、電動機と、発電機と、発電機を駆動すベく作動ガスにより作動するスターリング機関とを備える動力装置において、

前記スターリング機関は、前記燃焼機関の廃熱を用いて前記作動ガスを加熱する加熱器を有し、前記電動機に請給電可能にバッテリが接続され、前記発電機は、それにより発生される電力を、前記電動機およぴパッテリに供給するように、該電動機およびバッテリに接続され、前記の捕機は前記電動機により駆動されうるように該電動機に連結されていることを特徴とする動力装置。

2 . 前記スターリング機関の機関回転速度を、囲前記スターリング機関の最大軸出力またはほぼ最大軸出力が得られる最適回転速度に設定する回転速度制御手段を備えることを特徴とする請求項 1記載の動力装置。

3 . 前記捕機は、複数の捕機からなる捕機群であって、前記補機群は、クラッチを有する伝動機構を介して前記燃焼機関に連結され、前記クラツチの接続および非接続によって前記複数の補機を前記燃焼機関および前記電動機により選択的に駆動するとともに、前記電動機により駆動される前記補機の数を変更する制御システムが設けられることを特徴とする請求項 1または請求項 2記載の動力装置

4 . 前記燃焼機関は第 1のクラツチを介して前記補機のうちの 1つの捕機に駆動連結され、該 1つの補機は第 2のクラッチを介して前記電動機に駆動連結され、前記電動機は前記補機のうちの他の補機に駆動連結され、また、動力装置の運転状態に応じて前記第 1およぴ第 2のクラツチの接続および非接続を行う制御システムが設けられることを特徴とする請求項 3記載の動力装置。

5 . 前記制御システムは、燃焼機関が低負荷運転領域にあって、前記電動機に十分な電力が供給されていない状態が検出されたときに、前記第 1および第 2のクラツチを接続してすべての捕機を前記燃焼機関に連結するように作動することを特徴とする請求項 4記載の動力装置。

6 . 前記制御システムは、燃焼機関が中負荷運転領域にあって、前記電動機に前記他の補機のみを駆動できる程度の電力が供給されている状態が検出されたときに、前記第 2のクラッチを非接続として前記他の捕機を前記電動機に連結するように作動することを特徴とする請求項 4記載の動力装置。

7 . 前記制御システムは、燃焼機関が高負荷運転領域にあって、前記電動機にすべての補機を駆動できる電力が供給されている状態が検出されたときに、前記第 1およぴ第 2のクラツチを非接続としてすベての捕機を前記電動機のみに連結するように作動することを特徴とする請求項 4記載の動力装置。