JP2745845B2 - スターリングエンジンの出力制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃焼熱を利用したス
ターリングエンジンの出力制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図７は、例えばＧ．ワーカー（Ｇ．ＷＡ
ＬＫＥＲ) 著，「スターリングエンジン」オクスフォー
ド大学刊行物（ＯＸＦＯＲＤ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
ＰＲＥＳＳ １９８０年) に示された従来のスターリン
グエンジン及びその制御装置を示す断面構成図である。
図において、１はヒータ管、２は再生器、３はクーラ、
４は高温側空間、５は低温側空間、６は反動室、７はク
ランク室、８はチャージタンクである。また、１７は作
動空間４，５からの出力を取出すクランク軸、２７は作
動空間の平均圧力を減圧し、チャージタンク８に作動ガ
スを充填するための圧縮機、２８は作動空間の平均圧力
を調節するためのコントロールバルブ、２９はコントロ
ールバルブ２８のスライダーである。

【０００３】従来のスターリングエンジンの出力制御装
置は、主にチャージタンク８、圧縮機２７、コントロー
ルバルブ２８、スライダー２９で構成されている。スタ
ーリングエンジンの発生出力はヒータ管温度１で代表さ
れる高温側空間４の作動ガス温度と低温側空間５の作動
ガス温度の温度差とこれらの空間内の作動ガスの平均圧
力で決定される。エンジンを高い熱効率で運転するため
には、ヒータ管温度は高く保つ必要がある。このため、
エンジン出力の可変は、圧縮機２７を備えて、作動ガス
をチャージタンク８に高圧で貯えておき、ヒータ管温度
一定の条件下でコントロールバルブ２８を操作して、エ
ンジンに作動ガスを充填したり、エンジンから作動ガス
を放出させたりして行なっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のス
ターリングエンジンの出力制御装置は、ヒータ管の温度
を制御する装置の他に高い圧縮比をもつ圧縮機２７が必
要であり、圧縮機駆動のために大きな動力を必要とする
等の問題点があった。

【０００５】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたものであり、圧縮機を用いずに熱効率の低下
を防止でき、かつ、エンジンの出力制御幅を拡大できる
と共に、負荷の動力特性にあわせた円滑なエンジン運転
が可能なスターリングエンジンの出力制御装置を得るこ
とを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係るスターリ
ングエンジンの出力制御装置は、逆止弁と電磁弁とチャ
ージタンクを有し、エンジンのシリンダ内で発生する作
動ガスの圧力変化を利用してその圧力を制御し得る筒内
圧力制御手段、燃焼量を増減してヒータ管の温度を所定
の温度にするヒータ管加熱手段、ヒータ管温度が所定の
温度に達したことを検出して始動用モータを駆動するエ
ンジン始動手段、エンジンの回転数を検出する回転数検
出手段、負荷装置の負荷の状態を検出する負荷検出手
段、及び予め設定された回転数に対するヒータ管温度司
令値を持つ第１、第２ヒータ管温度パターンでヒータ管
を加熱して所定の温度になるように制御を行なうととも
に、シリンダ内の圧力を制御して回転数を制御するエン
ジン出力制御器を備え、該エンジン出力制御器は、上記
第１、第２ヒータ管温度パターンとシリンダ内の圧力制
御による回転数制御によって、所定の時間を経ても目標
回転数にならないことを判別して、その回転数を下げる
場合には、上記第１、第２ヒータ管温度パターンのヒー
タ管温度を段階的に低温側にシフトさせ、その回転数を
上げる場合には、上記第１、第２ヒータ管温度パターン
のヒータ管温度を段階的に高温側にシフトさせるように
構成したものである。

【０００７】

【０００８】また、エンジン出力制御器は、エンジンが
暖機されたことを判別して、エンジンの再始動時に、エ
ンジン始動のための始動手段へのスタート信号を暖機完
了前の第１始動用ヒータ管温度より低い第２始動用ヒー
タ管温度で発生させて始動すると共に、エンジン停止直
前のヒータ管温度パターンによってエンジンの回転数を
制御するように構成したものである。

【０００９】

【作用】この発明によるスターリングエンジンの出力制
御装置では、作動ガス圧縮機を用いずに、筒内圧調節と
ヒ−タ管温度制御を組み合わせたものであり、幅広い出
力制御幅と負荷の状態に見合ったエンジンの出力状態が
得られる。このため、エンジン、負荷装置で構成される
システムを安定にでき、さらに、高い効率で運転可能と
なる。

【００１０】

【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図１はこの発明の一実施例によるスタ
ーリングエンジンの出力制御装置を、一部ブロックで示
す構成図である。図に示すエンジンはディスプレーサタ
イプのエンジンであるが、図中の１〜５及び１７は従来
装置に示したものと同一または相当のものである。６は
反動室兼クランク室、８はエンジンのクーラ３、動力取
出しピストン１０及びクロスヘッド１１からの作動ガス
冷却熱や摺動摩擦熱を放熱するための冷却水配管、９は
その冷却水循環用ポンプである。１２はクロスヘッド１
１とクランク軸１７を連結するコネクティングロッド、
１３はディスプレーサピストン１４とクランク軸１７を
連結するコネクティングロッドである。一点鎖線で示す
１５は送風量に見合った都市ガスを供給可能な仕組みを
持つヒータ管温度加熱器であり、送風機１５ａ、点火栓
１５ｂ、火炎検知ロッド１５ｃ、燃焼ノズル１５ｄなど
で構成されている。

【００１１】また、一点鎖線で示す１６は、アンローダ
弁１６ａ、減圧弁１６ｂ、増圧弁１６ｃ、逆止弁１６
ｅ、チャージタンク１６ｆ、緊急減速弁１６ｇで構成さ
れる筒内圧力調節器であり、エンジンの低温空間の圧力
変動を利用して、低温空間の平均圧力を減圧弁１６ｂや
増圧弁１６ｃのＯＮ−ＯＦＦによって筒内圧力を調節す
る。１８はヒータ管温度が所定の第１の始動用ヒータ管
温度（この例では６５０℃）になった時、エンジンを始
動するための駆動モータである。１９はクランク軸１７
に結合されたフライホイール、２０はクランク軸１７の
回転数を検出するための回転数検出器である。２２は例
えば圧縮機のような負荷装置、２１はエンジンの出力を
負荷装置に伝達するための伝達ベルトを示している。２
３は負荷装置の状態やエンジン回転数、ヒータ管温度、
エンジンのシリンダ温度を検出し、ヒータ管温度加熱器
１５や筒内圧力調節器１６を駆動制御するための機能を
もつエンジン出力制御器、１００はエンジンのシリン
ダ、１０１はシリンダ１００の壁に取り付けたシリンダ
温度検出器、１０２はヒータ管温度検出器である。

【００１２】図２，図３はエンジン出力制御器２３にお
ける制御方法の一例を示すフロ−チャ−トである。以
下、このフロ−チャ−トに基いてエンジン出力制御器２
３の動作を説明する。ステップＳ１でのサーモ運転等に
よる運転開始命令後、ステップＳ２でエンジンが暖機さ
れているか否かを判別し、シリンダ１００に取付けられ
たシリンダ温度検出知器１０１が４５０度Ｃ以下であれ
ば暖機前と判断して、ステップＳ３に移り、４５０度Ｃ
よりも高ければ暖機完了と判断してステップＳ１０に移
る。

【００１３】ステップＳ３では、冷房運転か暖房運転か
を外気温度、室内温度条件で判別して冷房運転の場合は
ステップＳ４に、暖房運転の場合はステップＳ５に移
る。冷房運転の場合を例として以下に動作を説明する。
ステップＳ４でエンジンの暖機前の第１ヒータ管温度パ
ターンを設定する。即ち、予めエンジン目標運転回転数
とヒータ管の温度の関係が記憶されており、エンジンの
回転数制御は図示されていない室内温度と室内の設定温
度の偏差から計算され、ヒータ管温度を決定してヒータ
管温度の制御として実行される。

【００１４】ステップＳ７で燃焼が開始される。ここで
は、送風機１５ａ、点火栓１５ｂへの高圧印加、燃料ノ
ズル１５ｄへの燃料供給等が予め決められた所定の手順
で行なわれ、正常な燃焼が行なわれているか否かを火炎
検知ロッド１５ｃによって検出し、異常のない場合にス
テップＳ８に移る。次に、ステップＳ８でヒータ管温度
がヒータ管温度検出器１０１の出力によってエンジンの
始動に十分な温度か否かを判別し、第１ヒータ管温度６
５０℃以上の時には十分とみなしてステップＳ９に移行
し、駆動モータ１８を所定時間駆動してエンジンの始動
を行なう。エンジン始動時は、筒内圧力調節器１６のア
ンローダ弁１６ａ、増圧弁１６ｃを開いて駆動モータを
回し、所定時間後にアンローダ弁を閉じる。もし、この
直後にエンジン回転数が予め設定された始動目標回転数
を越えるような場合は、減圧弁１６ｄが開き、増圧弁１
６ｃが閉じて、目標回転数を保つ制御動作が行なわれ
る。

【００１５】一方、ステップＳ２でシリンダ温度が４５
０℃より高ければ、暖機されているものとしてステップ
Ｓ１０に移り、エンジン停止直前のヒータ管温度パター
ンによってステップＳ７と同じ動作を持つステップＳ１
１に移行し、ステップＳ１２で第２の始動用ヒータ管温
度５５０℃以上であればステップＳ９に移行してエンジ
ンを始動する。

【００１６】ステップＳ１３では、駆動モータ１８の停
止後エンジンの回転数（ｎ）が所定の回転数（３００ｒ
ｐｍ）より大きいか否かを判別して、所定の回転数（３
００ｒｐｍ）より大きいか場合は次のステップＳ１７に
移行する。所定の回転数（３００ｒｐｍ）以下の場合は
エンジン停止と判断して、ステップＳ１４で筒内圧調節
器１６のアンローダ弁を開くと同時に燃焼停止等も行な
って、エンジン停止動作を行なう。そして、ステツプＳ
７〜Ｓ１３を５回繰り返しても始動できない場合は、ス
テップＳ１５でエンジン異常とみなしステップＳ１６で
運転をストップする。

【００１７】ステップＳ１７は回転数加速度（α）を判
別し、その加速度が所定値よりも大きい場合に通常の回
転数制御のための増圧弁１６ｃ、減圧弁１６ｂの制御に
加えて、緊急減速弁１６ｇを開きエンジンの暴走を防止
する。通常はステップＳ１８で筒内圧力調節によって目
標回転数が得られるように制御する。

【００１８】ステップＳ１９〜Ｓ２２は、エンジン回転
数の制御を筒内圧力調節とヒータ管温度制御野組み合わ
せによって行なうことを示している。即ち、負荷からの
命令によるエンジン運転目標回転数と運転されている実
運転回転数との差をステップＳ１９でプラスマイナス２
０回転以内か否かを判別し、２０回転以上の時には、ス
テップＳ２０で目標回転数を得るための第１ヒータ管温
度パターンによるヒータ管温度目標値と実ヒータ管温度
との差がプラスマイナス２０℃以内か否かを判別する。
２０℃より小さい時には、ステップＳ２１で増減圧弁１
６ｃ、１６ｂのどちらか一方の開状態が所定の時間（３
０ｓｅｃ）続いたか否かを判別する。所定の時間（３０
ｓｅｃ）続いた時はステップＳ２２でヒータ管温度を、
図５に示すように第１ヒータ管温度パターンのヒータ管
温度をシフトさせた第１ヒータ管温度パターンに変更す
る。即ち、例えばプラス２０回転以上の時はマイナス２
０℃、マイナス２０回転以上の時はプラス２０℃シフト
させる。その後、所定の時間（３０ｓｅｃ）を経ても目
標回転数と実運転回転数が上記の範囲にない場合は、第
１ヒータ管温度パターンのヒータ管温度をさらにマイナ
スまたはプラス側に２０℃シフトさせた第１ヒータ管温
度パターンに変更する。このようにして第ｎ番目の第１
ヒータ管温度パターンまでヒータ管温度を変化させるよ
うにしている。

【００１９】ここで、図２，図３の制御ステップでは示
していないが、通常ヒータ管温度は７５０℃以下で運転
するが、この温度を越えたヒータ管温度でヒータ管安全
使用温度７８０℃を越えた場合は、燃焼を停止させエン
ジンを自然停止させる。また、エンジン回転数が１６０
０回転以上の異常回転数となった場合は、アンローダー
弁１６ａ、緊急減速弁１６ｇを開くと同時に燃焼を停止
させてエンジンを自然停止させる。

【００２０】ステップＳ２３は、通常のサーモストップ
や運転停止命令によってエンジンをストップさせるスト
ップ判別である。ストップを判別した場合はステップＳ
２４で、まずエンジンの運転回転数目標値を７００回転
に固定したあと、燃焼を停止させる。この後エンジンは
残り熱による回転を続けて負荷の必要トルクに見合った
エンジンの筒内圧力調節によって７００回転を保ち続
け、その後、自然停止するように構成されている。

【００２１】次に、暖房運転の場合について説明する。
ステップＳ５に移行して、暖房時のための第２ヒータ管
温度パターンを呼び出し、その後はステップＳ７に移行
し、この後は上記と同様の制御を行なうようにしてあ
る。

【００２２】図４〜図６はそれぞれこの実施例のスター
リングエンジンの出力制御器２３の制御動作を示すグラ
フである。横軸にはエンジン回転数、縦軸にはそれぞれ
管内圧力、ヒ−タ管温度、及び冷房時の圧縮機の必要駆
動トルクとエンジン出力トルクの関係を示している。即
ち図４はエンジン回転数に対する筒内圧力の制御幅を示
している。この実施例では、筒内圧力調節器の圧力調節
幅は６．３ＭＰａから４．３ＭＰａである。

【００２３】また、エンジン回転数とヒータ管温度の関
係は図５に示すように、ヒータ管温度は最高７５０℃を
保ように制御され、冷房運転を想定した第１ヒータ管温
度パターンとしては、例えばエンジン回転数に対して６
００回転で６８０℃、１１００回転で７５０℃のバター
ンを与えた。暖房運転を想定した第２ヒータ管温度パタ
ーンとしては、図示していないが６００回転で６５０
℃、１１００回転で７５０℃を与えている。また、段階
的な所定量の温度シフト量は、２０℃刻みで１２ステッ
プ、最低温度として４１０℃まで与えた。

【００２４】また図６は、エンジンの筒内圧力可変とヒ
ータ管温度パターンのシフトによって、エンジン回転数
に対するエンジン出力トルクが変化する様子、及びこの
エンジン回転数で駆動される圧縮機トルクの関係を示し
ている。圧縮機トルクは、冷房運転条件（標準，過負
荷，低温）によっても異なる。この図からエンジンを目
標回転数に制御するためには、その圧縮機トルクが得ら
れるように、筒内圧力，ヒータ管温度の制御を行なう必
要があり、更にヒータ管温度パターンのシフトを行なう
必要があることを示している。

【００２５】上記のように構成されたスターリングエン
ジンの出力制御装置では、作動ガスを圧縮するための圧
縮機が不要で、圧力制御幅の狭い筒内圧力調節器を用い
てもヒータ管温度制御と組み合わせることによって、幅
広い出力制御幅を実現可能で安定な出力制御と高い熱効
率を実現可能となる。

【００２６】実施例２．実施例１では、図２，図３に示
すようなフロ−チャ−トで制御を説明したが、上記の制
御ステップと同様な制御構成を持つ制御ステップであれ
ば、例えば、冷房運転か暖房運転か判別したのちにエン
ジンが暖機されているか否かを判別してフローさせても
いいことは当然である。

【００２７】実施例３．実施例１では、エンジンの暖機
状態の判別をシリンダに取付けられたシリンダ温度検出
器の出力によって行なったが、エンジンの暖機状態を判
別できる燃焼器の壁温度などによってもよいことは当然
である。また、その判別温度も４５０℃に限るものでは
ない。

【００２８】実施例４．実施例１では、冷房運転のため
の第１ヒータ管温度パターンを６００回転で６８０℃、
１１００回転で７５０℃とし、暖房運転のための第２ヒ
ータ管温度パターンを６００回転で６５０℃、１１００
回転で７５０℃としたが、負荷の条件にあわせて、その
温度設定を変えてもよいことは当然であり、その最高温
度も６５０℃、最低温度も３００℃程度であってもよ
い。また、段階的に変化させる温度ステップ等も２０℃
でなくとも１０〜２５℃程度であってもよいことは言及
するまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、逆止
弁と電磁弁とチャージタンクを有し、エンジンのシリン
ダ内で発生する作動ガスの圧力変化を利用してその圧力
を制御し得る筒内圧制御手段、燃焼量を増減してヒータ
管の温度を所定の温度にするヒータ管加熱手段、ヒータ
管温度が所定の温度に達したことを検出して始動用モー
タを駆動するエンジン始動手段、エンジンの回転数を検
出する回転数検出手段、負荷装置の負荷の状態を検出す
る負荷検出手段、及び予め設定された回転数に対するヒ
ータ管温度司令値を持つ第１、第２ヒータ管温度パター
ンでヒータ管を加熱して所定の温度になるように制御を
行なうと共に、シリンダ内の圧力を制御して回転数を制
御するエンジン出力制御器を備えたことにより、圧縮機
を用いずに熱効率の低下を防止でき、かつ、エンジンの
出力制御幅を拡大できるとともに、負荷の動力特性にあ
わせた円滑なエンジン運転が可能なスターリングエンジ
ンの出力制御装置を得ることができる効果がある。

【００３０】また、第１温度パターンでエンジンの目標
運転回転数が得られない場合、所定の時間後に複数段階
の温度で温度パターンを上下にシフトさせてヒータ管温
度制御が可能なように構成することにより、上記効果に
加えてさらにエンジンの出力制御幅を拡大できるスター
リングエンジンの出力制御装置を得ることができる効果
がある。

【００３１】また、エンジンの再始動時は、暖機前の第
１始動用ヒータ管温度より低い第２ヒータ管温度でエン
ジンを始動するとともに、エンジン停止直前のヒータ管
温度パターンによってエンジンの回転数制御を開始する
ように構成したことにより、上記効果に加えてさらに負
荷の動力特性にあわせた円滑なエンジン運転ができるス
ターリングエンジンの出力制御装置が得られる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるスターリングエンジ
ンの出力制御装置を一部ブロックで示す構成図である。

【図２】この発明の実施例１に係るエンジン出力制御器
における制御方法を示すフロ−チャ−トの一部である。

【図３】この発明の実施例１に係るエンジン出力制御器
における制御方法を示すフロ−チャ−トの一部である。

【図４】この発明の実施例１の制御動作に係り、エンジ
ン回転数に対する筒内圧力を示すグラフである。

【図５】この発明の実施例１の制御動作に係り、エンジ
ン回転数に対するヒ−タ管温度を示すグラフである。

【図６】この発明の実施例１の制御動作に係り、エンジ
ン回転数に対するエンジントルク、圧縮機トルクを示す
グラフである。

【図７】従来のスターリングエンジンの出力制御装置を
示す構成図である。

【符号の説明】

１ ヒータ管 １５ ヒータ管温度加熱器 １６ 筒内圧調節器 １８ 駆動モータ ２０ 回転検出器 ２２ 負荷装置 ２３ エンジン出力制御器 １００ シリンダー １０１ シリンダー温度検出器 １０２ ヒータ管温度検出器

フロントページの続き (72)発明者 川尻 和彦 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平１−247747（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 逆止弁と電磁弁とチャージタンクを有
   し、エンジンのシリンダ内で発生する作動ガスの圧力変
   化を利用してその圧力を制御し得る筒内圧力制御手段、
   燃焼量を増減してヒータ管の温度を所定の温度にするヒ
   ータ管加熱手段、上記ヒータ管温度が所定の温度に達し
   たことを検出して始動用モータを駆動するエンジン始動
   手段、エンジンの回転数を検出する回転数検出手段、負
   荷装置の負荷の状態を検出する負荷検出手段、及び予め
   設定された回転数に対するヒータ管温度司令値を持つ第
   １、第２ヒータ管温度パターンで上記ヒータ管を加熱し
   て所定の温度になるように制御を行なうと共に、シリン
   ダ内の圧力を制御して回転数を制御するエンジン出力制
   御器を備え、該エンジン出力制御器は、上記第１、第２
   ヒータ管温度パターンとシリンダ内の圧力制御による回
   転数制御によって、所定の時間を経ても目標回転数にな
   らないことを判別して、その回転数を下げる場合には、
   上記第１、第２ヒータ管温度パターンのヒータ管温度を
   段階的に低温側にシフトさせ、その回転数を上げる場合
   には、上記第１、第２ヒータ管温度パターンのヒータ管
   温度を段階的に高温側にシフトさせるように構成したこ
   とを特徴とするスターリングエンジンの出力制御装置。
2. 【請求項２】 エンジン出力制御器は、エンジンが暖機
   されたことを判別して、上記エンジンの再始動時に、エ
   ンジン始動のための始動手段へのスタート信号を暖機完
   了前の第１始動用ヒータ管温度より低い第２始動用ヒー
   タ管温度で発生させて始動すると共に、エンジン停止直
   前のヒータ管温度パターンによって上記エンジンの回転
   数を制御することを特徴とする請求項１記載のスターリ
   ングエンジンの出力制御装置。