JP4706536B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

排熱回収装置 Download PDF

Info

Publication number
JP4706536B2
JP4706536B2 JP2006095733A JP2006095733A JP4706536B2 JP 4706536 B2 JP4706536 B2 JP 4706536B2 JP 2006095733 A JP2006095733 A JP 2006095733A JP 2006095733 A JP2006095733 A JP 2006095733A JP 4706536 B2 JP4706536 B2 JP 4706536B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
engine
heat recovery
heat
exhaust heat
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006095733A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007270684A (ja
Inventor
寛 矢口
大作 澤田
信一 三谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2006095733A priority Critical patent/JP4706536B2/ja
Priority to US11/727,828 priority patent/US7730723B2/en
Priority to DE102007000189.6A priority patent/DE102007000189B4/de
Publication of JP2007270684A publication Critical patent/JP2007270684A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4706536B2 publication Critical patent/JP4706536B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2275/00—Controls
    • F02G2275/40—Controls for starting
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Description

本発明は、内燃機関の排ガスや工場排熱等から熱エネルギー回収して動力を発生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。また、特許文献２には、燃焼機関と、発電機と、電動機と、この発電機を駆動するスターリングエンジンとを備え、発電機で発生した電力を電動機及びバッテリーに供給し、電動機によって発電機を駆動するシステムにおいて、発電機と燃焼機関との間にクラッチを設け、発電機は前記クラッチを介して燃焼機関又は電動機で択一的に駆動される技術が開示されている。
特表２００３−５１８４５８号公報 特開２００４−３３２６６５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出力の応答性が悪い。また、スターリングエンジンのような外燃機関は、ヒータを介して熱源から熱エネルギーを取得するが、ヒータに蓄えられた熱によって、入熱が停止した後でも動力を発生し続けることがある。
その結果、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に用いる場合、排熱回収機関に排熱が供給されない場合であっても、排熱回収機関が備えるヒータに蓄えられた熱によって、排熱回収機関が動力を発生し続けてしまうことがある。そして、このような場合、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出す構成においては、熱機関に対する駆動要求がない場合にも排熱回収機関が余剰の動力を発生することになる。特許文献１では、スターリングエンジンのような外熱機関を排熱回収機関として用いた場合における出力応答性の悪さについて考慮されておらず、改善の余地がある。
一方、特許文献１に開示されている技術は、常に発電機を介する構成である。排熱回収機関が回収した熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出す場合、発電機及びバッテリーのエネルギー変換効率は１００％よりも小さい。したがって、特許文献１に開示されている技術では、排熱回収機関で回収した熱エネルギーが目減りしてしまう。
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出すにあたり、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用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、熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収して動力を発生し、発生した動力は前記熱機関が発生する動力とともに合成されて取り出される排熱回収機関と、前記排熱回収機関によって駆動される発電機と、前記熱機関と前記排熱回収機関との接続、非接続を切り替える第１動力断続手段と、前記排熱回収機関と前記発電機との接続、非接続を切り替える第２動力断続手段と、を含み、前記熱機関の運転状態に応じて、前記熱機関又は前記発電機を択一的に前記排熱回収機関と接続することを特徴とする。
この排熱回収装置は、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出すとともに、排熱回収機関によって駆動される発電機を備える。そして、第１動力断続手段と第２動力断続手段とを用い、熱機関の運転状態に応じて熱機関又は発電機を択一的に選択して排熱回収機関と接続する。これによって、排熱回収機関が自立運転可能となった後は、熱機関の運転状態に応じて排熱回収機関が発生する動力を熱機関が発生する動力とともに取り出したり、排熱回収機関が発生する動力を電気エネルギーに変換して取り出したりすることができる。その結果、排熱回収機関が余剰の動力を発生する場合でも、この余剰の動力を電気エネルギーに変換することで有効に利用できる。
次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関が減速状態又は停止状態である場合には、前記第１動力断続手段を非接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を接続状態と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、前記排熱回収装置において、前記熱機関が減速状態又は停止状態でない場合において、前記排熱回収機関の動力が要求されるときには、前記第１動力断続手段を接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を非接続状態と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、前記排熱回収装置において、前記排熱回収機関が前記熱機関の負荷とならない場合に、前記第１動力断続手段を接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を非接続状態とし、前記排熱回収機関が前記熱機関の負荷となる場合には、前記第１動力断続手段を非接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を接続状態と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、前記排熱回収装置において、前記熱機関が定常運転している場合、又は前記熱機関が加速している状態において前記熱機関の回転数の上昇に対して前記排熱回収機関の回転数が追従できる場合には、前記排熱回収機関が前記熱機関の負荷とならない場合であると判定して、前記第１動力断続手段を接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を非接続状態と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、前記排熱回収装置において、さらに、前記熱機関の排ガスから得られる熱を蓄える蓄熱手段を備え、前記熱機関に対する駆動要求がなく、かつ前記排熱回収機関が熱エネルギーを回収するために備えるヒータの温度が前記蓄熱手段の温度よりも低くなった場合には、前記蓄熱手段から前記ヒータへ熱を供給して前記排熱回収機関を駆動することを特徴とする。
この発明は、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出すにあたり、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用できる。
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。
（実施形態１）
実施形態１は、次の点に特徴がある。すなわち、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出すとともに、排熱回収機関によって駆動される発電機を備える。また、熱機関と排熱回収機関との間、かつ熱機関と発電機との間に第１動力断続手段を備え、発電機と排熱回収機関との間には第２動力断続手段を備える。そして、第１動力断続手段及び第２動力断続手段を用いて、熱機関の運転状態（加速状態、減速状態、定常状態、停止状態等）に応じて熱機関又は発電機を択一的に選択して排熱回収機関と接続する。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、実施形態１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、内燃機関の排気通路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（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が排気通路５内に配置される。ヒータ１０５は、排気通路５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内の作動流体を加熱する。なお、排気通路５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はスターリングエンジン１００の出力軸となり、スターリングエンジン１００が発生した動力は、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。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、実施形態１に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。図３は、実施形態１に係る排熱回収装置を車両に搭載した状態を示す概念図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、車両に搭載されて動力発生源となる。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収機関であるスターリングエンジン１００と、第１動力断続手段である第１クラッチ６Ｅと、第２動力断続手段である第２クラッチ６Ａと、発電機（Ｍ／Ｇ）２とを含んで構成される。
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５０に搭載されて、前記車両５０の動力発生源となる。そして、内燃機関１は、前記車両５０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。ここで、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動力を発生し、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５０の従たる動力発生源となる。
この実施形態に係る排熱回収装置１０において、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のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸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が発生した動力を、ベルトやチェーン、あるいは歯車列等を用いて、比較的容易に内燃機関１の出力軸（熱機関出力軸）１ｓへ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の排気通路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動力を発生する。この動力は、スターリングエンジン１００のクランク軸（排熱回収機関出力軸）１１０から取り出される。
スターリングエンジン１００のクランク軸１１０には、スターリングエンジン／発電機用プーリ３ＡＳが取り付けられる。また、内燃機関１の出力軸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／発電機用プーリ３ＡＳ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が発生した動力は内燃機関１の出力軸１ｓに伝達されて、スターリングエンジン１００が発生した動力は、内燃機関１が発生する動力とともに内燃機関１の出力軸１ｓから取り出される。なお、スターリングエンジン１００の動力を内燃機関１の出力軸１ｓに伝達する機構は上記機構に限られず、例えば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。
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、かつ内燃機関１と発電機２との間には、第１動力断続手段である第１クラッチ６Ｅが設けられる。この実施形態では、内燃機関１と内燃機関用プーリ３Ｅとの間における内燃機関１の出力軸１ｓに、第１動力断続手段である第１クラッチ６Ｅが取り付けられている。これによって、内燃機関用プーリ３Ｅから内燃機関１の出力軸１ｓに入力されるスターリングエンジン１００の動力を断続することができる。
第１クラッチ６Ｅを接続状態、すなわち係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸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と内燃機関１とが接続されて、スターリングエンジン１００が発生した動力は第１クラッチ６Ｅを介して内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。また、第１クラッチ６Ｅを非接続状態、すなわち開放すると、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（非接続状態となる）ので、内燃機関用プーリ３Ｅから内燃機関１の出力軸１ｓにスターリングエンジン１００の動力は伝達されない。
第１クラッチ６Ｅの動作は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０内に備えられる排熱回収装置制御部２１のクラッチ制御部２３によって制御される。ここで、排熱回収装置制御部２１は、機関ＥＣＵ２０が備える排熱回収装置１０の制御機能を司る。排熱回収装置制御部２１は、運転状態判定部２２と、クラッチ制御部２３と、発電制御部２４とを含んで構成されており、これらによって、この実施形態に係る排熱回収装置１０の運転が制御される。
スターリングエンジン／発電機用プーリ３ＡＳには、発電機２の入力軸２ｓが取り付けられている。発電機２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、第２動力断続手段である第２クラッチ６Ａが設けられる。この例では、発電機２とスターリングエンジン／発電機用プーリ３ＡＳとの間における発電機２の入力軸２ｓに第２クラッチ６Ａが設けられる。
発電機２は、発電機２の入力軸２ｓに設けられる第２クラッチ６Ａを介してスターリングエンジン１００によって駆動される。すなわち、第２クラッチ６Ａを接続状態、すなわち係合すると、スターリングエンジン１００と発電機２とが接続されて、スターリングエンジン１００が発生する動力によって発電機２が駆動されて発電機２は電力を発生する。また、第２クラッチ６Ａを非接続状態、すなわち開放すると、スターリングエンジン１００と発電機２とは非接続状態となる。これによって、スターリングエンジン１００が発生する動力は発電機２には伝達されなくなり、発電機２による発電は停止する。
第２クラッチ６Ａの動作は、機関ＥＣＵ２０内に備えられる排熱回収装置制御部２１のクラッチ制御部２３によって制御される。発電機２が発生した電力は、整流装置７を介して蓄電池８へ蓄えられる。なお、発電機２及び整流装置７は、機関ＥＣＵ２０内に備えられる排熱回収装置制御部２１の発電制御部２４によって制御される。
このような構成によって、この実施形態に係る排熱回収装置１０は、第１クラッチ６Ｅを係合／開放、及び第２クラッチ６Ａの開放／係合をすることにより、内燃機関１又は発電機２を択一的にスターリングエンジン１００の動力伝達対象として選択することができる。すなわち、第１クラッチ６Ｅを係合するとともに第２クラッチ６Ａを開放すれば、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとが機械的に接続され、スターリングエンジン１００の発生する動力は、内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。そして、スターリングエンジン１００の発生する動力は、内燃機関１の発生する動力とともに内燃機関１の出力軸１ｓから取り出される。
一方、第１クラッチ６Ｅを開放するとともに第２クラッチ６Ａを係合すれば、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と発電機２の入力軸２ｓとが機械的に接続され、スターリングエンジン１００の発生する動力は、発電機２の入力軸２ｓに伝達される。そして、発電機２は、スターリングエンジン１００の発生する動力によって駆動されて電力を発生する。
すなわち、スターリングエンジン１００が内燃機関１の排ガスＥｘから回収した熱エネルギーは、発電機２で電気エネルギーに変換されて、整流装置７を介して蓄電池８へ蓄えられる。これによって、内燃機関１の運転状態に応じてスターリングエンジン１００の発生する動力を内燃機関１の発生する動力とともに取り出したり、あるいは発電機２で電力を発生させたりすることができる。
図４は、実施形態１の変形例に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。この排熱回収装置１０ａは、上述した排熱回収装置１０と同様の構成であるが、排熱回収機関であるスターリングエンジン１００が発生した動力を、プーリとベルトとを介して発電機２へ伝達する点が異なる。
スターリングエンジン１００のクランク軸１１０には、第１スターリングエンジン用プーリ３Ｓａが取り付けられる。また、第１スターリングエンジン用プーリ３Ｓａには動力伝達軸９が取り付けられている。動力伝達軸９には第１動力断続手段である第１クラッチ６Ｅ、及び第２スターリングエンジン用プーリ３Ｓｅが設けられている。なお、第１クラッチ６Ｅは、内燃機関１と内燃機関用プーリ３Ｅとの間における内燃機関１の出力軸１ｓに設けてもよい。
このように、クランク軸１１０は、第１スターリングエンジン用プーリ３Ｓａ、第１クラッチ６Ｅ及び動力伝達軸を介して第２スターリングエンジン用プーリ３Ｓｅと接続される。第２スターリングエンジン用プーリ３Ｓｅと内燃機関用プーリ３Ｅとには、第１動力伝達手段であるベルト４Ｅが掛けられている。そして、第１クラッチ６Ｅを係合／開放することにより、スターリングエンジン１００の発生した動力が内燃機関１の出力軸１ｓへ伝達される。
第１スターリングエンジン用プーリ３Ｓａには、第２動力伝達手段であるベルト４Ａが掛けられている。また、ベルト４Ａは、発電機用プーリ３Ａに掛けられている。ここで、発電機用プーリ３Ａは、第２動力断続手段である第２クラッチを介して発電機２の入力軸２ｓに取り付けられている。そして、第２クラッチ６Ａを係合／開放することにより、スターリングエンジン１００の発生した動力が発電機２の入力軸２ｓへ伝達される。
この変形例に係る排熱回収装置１０ａでは、上記実施形態に係る排熱回収装置１０（図２参照）と同様に、第１動力断続手段である第１クラッチ６Ｅは、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、かつ内燃機関１と発電機２との間に設けられる。また、第２動力断続手段である第２クラッチ６Ａは、発電機２と排熱回収機関であるスターリングエンジン１００との間に設けられる。このような構成により、この変形例に係る排熱回収装置１０ａは、内燃機関１の運転状態に応じてスターリングエンジン１００の発生する動力を内燃機関１の発生する動力とともに取り出したり、あるいは発電機２で電力を発生させたりすることができる。
図５は、実施形態１に係る排熱回収装置を搭載した車両の走行、停止時における内燃機関の出力及びスターリングエンジンの出力の時間変化を示す概念図である。この実施形態やその変形例に係る排熱回収装置１０、１０ａが搭載された車両５０（図３参照）は、スターリングエンジン１００が内燃機関１の排出する排ガスから熱エネルギーを回収して動力（出力）を発生するようになると、第１クラッチ６Ｅが係合されて内燃機関１及びスターリングエンジン１００によって駆動される。ここで、車両５０に対する要求出力Ｐｄは、車両５０のドライバーが車両５０を走行させる際に要求する出力である。この実施形態では、車両５０に対する要求出力は、内燃機関１の発生する動力（内燃機関出力）Ｐｅとスターリングエンジン１００の発生する動力（排熱回収機関出力）Ｐｓとを合成して得られる合成出力が、どの程度要求されるかを示す指標になる。
図５に示す例において、前記車両５０はｔ1まで、又はｔ4以降は一定の速度で走行している。すなわち、内燃機関１及びスターリングエンジン１００は定常状態で運転されている（図５中のＦで示す期間）。前記車両５０はｔ1で減速を開始し、ｔ2で停止する（図５のＡで示す期間）。図５のＢで示す領域（ｔ2〜ｔ3）で車両５０は停止している。前記車両５０はｔ3で走行を開始して加速し、ｔ4において一定の車速で走行する（図５のＣで示す期間）。前記車両５０が減速状態になると（ｔ1〜ｔ2）、熱機関出力Ｐｅは徐々に低下する。これにともなって、内燃機関１が排出する排ガスの温度も低くなる。
スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５や再生器１０６の熱容量によって、ヒータ１０５等に蓄えられた熱量が低下するまでは、動力を発生し続ける。したがって、熱機関出力Ｐｅがｔ1〜ｔ2の期間で低下しても、排熱回収機関出力Ｐｓは、略一定の大きさを維持する。そして、前記車両５０が停止して熱機関出力Ｐｅが０になってからある程度の時間が経過して、排熱回収機関出力Ｐｓは低下し始める（図５のＤで示す領域）。
車両５０の停止時において、車両５０に対する要求出力Ｐｄは０になる。すなわち、内燃機関１に対する駆動要求はなく、またスターリングエンジン１００に対する駆動要求もない。このとき、内燃機関１を停止させること等によって熱機関出力Ｐｅは０になる。一方、スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５等の熱容量によって、内燃機関１が停止しても動力を発生するので、排熱回収機関出力Ｐｓが余剰となる。
この実施形態及びその変形例では、前記車両５０に対する要求出力Ｐｄが０である場合（すなわち、内燃機関１及びスターリングエンジン１００に対する駆動要求がない場合）、第１クラッチ６Ｅを開放し、第２クラッチ６Ａを係合することによって、余剰の排熱回収機関出力Ｐｓを用いて発電機２を駆動する。これによって、余剰の排熱回収機関出力Ｐｓを有効に利用することができる。
前記車両５０がｔ3で走行を開始すると熱機関出力Ｐｅは増加し、内燃機関１が発生する排ガスの温度も上昇する。スターリングエンジン１００において、排ガスの入熱は、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、排熱回収機関出力Ｐｓは、熱機関出力Ｐｅの増加に対して遅れて増加することになる（図５のＥで示す領域）。
この場合、スターリングエンジン１００が発生した動力を内燃機関１の出力軸１ｓに伝達して、内燃機関１が発生した動力とともに取り出そうとすると、内燃機関１によってスターリングエンジン１００が駆動されることになる。その結果、内燃機関１の発生する動力がスターリングエンジン１００によって消費されてしまうので、内燃機関１が発生する動力の低下を招き、要求出力Ｐｄが得られないおそれがある。このような場合、この実施形態では第１クラッチ６Ｅを開放することで、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷となることを回避する。このときには、内燃機関１のみで要求出力Ｐｄを発生させるようにする。
一方、上述したように、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷となる場合でも、スターリングエンジン１００は内燃機関１が排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを回収して動力を発生している。したがって、この動力を有効に利用するため、第２クラッチ６Ａを係合することによりスターリングエンジン１００で発電機２を駆動して、電力を発生させる。これによって、熱機関出力Ｐｅの無駄な消費を抑制できるとともに、スターリングエンジン１００が発生する動力を有効に利用することができる。
前記車両５０が一定の速度で走行している期間（図５中のＦで示す期間）は、内燃機関１及びスターリングエンジン１００は定常状態、すなわち一定の回転数及びトルクで運転されている。このような場合、内燃機関１から排出される排ガスＥｘの温度は略一定であるので、スターリングエンジン１００は略一定大きさの動力を発生する。このような場合、この実施形態では、第１クラッチ６Ｅを係合するとともに第２クラッチ６Ａを開放して、排熱回収機関出力Ｐｓを熱機関出力Ｐｅとともに内燃機関１の出力軸１ｓから取り出す。
これによって、スターリングエンジン１００が発生する動力を電気エネルギーに変換する必要はないので、電気エネルギーに変換するときの損失を抑えることができる。その結果、スターリングエンジン１００が発生する動力を有効に利用することができる。次に、この実施形態やその変形例に係る排熱回収装置１０、１０ａの制御例を説明する。まず、基本的な制御例を説明する。なお、次の説明においては、適宜図１〜図５を参照されたい。
図６は、実施形態１に係る排熱回収装置の運転制御の一例を示すフローチャートである。この実施形態及びその変形例に係る排熱回収装置１０、１０ａ（以下排熱回収装置１０等という）の運転制御を実行するにあたり、機関ＥＣＵ２０の排熱回収装置制御部２１が備える運転状態判定部２２は、スターリングエンジン１００が自立運転可能か否かを判定する（ステップＳ１０１）。
スターリングエンジン１００が自立運転可能とは、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動力を発生することをいう。スターリングエンジン１００が自立運転可能か否かは、例えば、スターリングエンジン１００のヒータ１０５の温度が予め定めた目標ヒータ温度を超えていれば、自立運転可能と判定する。
スターリングエンジン１００が自立運転可能でない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、排熱回収装置制御部２１が備えるクラッチ制御部２３は、少なくとも第１クラッチ６Ｅを開放する（ステップＳ１０５）。これによって、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとの機械的な接続が解除されるので、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷となることはない。その結果、内燃機関１の燃料消費の増加を抑制できる。
スターリングエンジン１００が自立運転可能である場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、運転状態判定部２２は、内燃機関１が減速状態又は停止状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。内燃機関１の減速状態、すなわち、内燃機関１の発生する動力が低下している状態とは、例えば、内燃機関１及びスターリングエンジン１００を搭載した車両５０（図３参照）が減速している状態をいう。また、内燃機関１の停止状態、すなわち内燃機関１が動力を発生しない場合とは、例えば、アイドリングストップやいわゆるエコランによって、車両５０の停止時に内燃機関１の運転が停止している状態をいう。
内燃機関１が減速状態又は停止状態でない場合とは、例えば、内燃機関１が加速状態（回転数上昇時）にある場合や、内燃機関１が定常状態で運転されている場合（定常運転、すなわち内燃機関１が一定の回転数、トルクで運転されている状態）をいう。すなわち、車両５０が加速状態である場合や車両５０が一定の速度で走行している場合をいう。
内燃機関１が減速状態又は停止状態でない場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、クラッチ制御部２３は第１クラッチ６Ｅを係合するとともに、第２クラッチ６Ａを開放する（ステップＳ１０３）。これによって、スターリングエンジン１００が発生する動力は、第１クラッチ６Ｅを介して内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。そして、スターリングエンジン１００が発生する動力は、内燃機関１の発生する動力とともに取り出されて、車両５０を走行させるための駆動力として用いられる。このとき、第２クラッチ６Ａは解除されているので、スターリングエンジン１００の発生する動力が発電機２を駆動させることはない。このため、スターリングエンジン１００の発生する動力は電力に変換させることなく、すべて内燃機関１の発生する動力とともに取り出される。これによって、電力に変換する際のエネルギー損失を回避できるので、スターリングエンジン１００が発生する動力を効率よく利用することができる。
内燃機関１が減速状態又は停止状態である場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、クラッチ制御部２３は第１クラッチ６Ｅを開放するとともに、第２クラッチ６Ａを係合する（ステップＳ１０４）。これによって、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と発電機２の入力軸２ｓとが接続され、スターリングエンジン１００の発生する動力によって発電機２が駆動される。このとき、機関ＥＣＵ２０の排熱回収装置制御部２１が備える発電制御部２４は、スターリングエンジン１００の発生する動力に応じて発電機２及び整流装置７を制御して、発生した電力を蓄電池８へ蓄える。
内燃機関１が減速状態又は停止状態である場合には、スターリングエンジン１００の応答遅れによって過剰な動力が発生してしまう。しかし、この実施形態では、第１クラッチ６Ｅを開放し、第２クラッチ６Ａを係合することにより、過剰な動力を電気エネルギーに変換することができるので、スターリングエンジン１００が内燃機関１の排ガスＥｘから回収した熱エネルギーを有効に利用できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑えることができ、また、内燃機関１の燃料消費の増加を抑制できる。
さらに、内燃機関１の減速時には第１クラッチ６Ｅを開放してスターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとの機械的な接続を解除するので、スターリングエンジン１００の余剰な動力によって車両５０が駆動されることはない。これによって、車両５０のドライバーが要求した通りの減速を得ることができる。次に、この実施形態の他の例に係る排熱回収装置の運転制御を説明する。
図７は、実施形態１の他の例に係る排熱回収装置の運転制御を示すフローチャートである。この実施形態及びその変形例に係る排熱回収装置１０等の運転制御を実行するにあたり、機関ＥＣＵ２０の排熱回収装置制御部２１が備える運転状態判定部２２は、スターリングエンジン１００が自立運転可能か否かを判定する（ステップＳ２０１）。
スターリングエンジン１００が自立運転可能でない場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、排熱回収装置制御部２１が備えるクラッチ制御部２３は、少なくとも第１クラッチ６Ｅを開放する（ステップＳ２０７）。スターリングエンジン１００が自立運転可能である場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、運転状態判定部２２は、内燃機関１の駆動要求があるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。
内燃機関１が減速状態又は停止状態でない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、運転状態判定部２２は、アクセル開度センサ３０や車速センサ３１等から取得した情報や内燃機関１の運転状態に基づいて、車両５０の走行に、スターリングエンジン１００の動力が必要であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。例えば、車両５０（図３参照）が一定の速度で走行しているときのように内燃機関１が一定の回転数及び一定の出力で運転されている場合（定常運転）や、車両５０を加速させるために内燃機関１が加速状態である場合等には、車両５０の走行にスターリングエンジン１００の動力が必要と判定される。
ここで、スターリングエンジン１００の動力が必要である場合には、第１クラッチ６Ｅを係合させてスターリングエンジン１００が発生する動力を内燃機関１が発生する動力とともに取り出して、車両５０の駆動力とする。この場合、スターリングエンジン１００が発生する動力は入熱の変化に対する応答遅れがあるため、内燃機関１が発生する動力の変化にスターリングエンジン１００が発生する動力が追従できないことがある。かかる場合に第１クラッチ６Ｅを係合させると、スターリングエンジン１００は内燃機関１によって駆動されることになる。その結果、スターリングエンジン１００は内燃機関１の発生する動力を消費するので、内燃機関の負荷となってしまい、内燃機関１の出力低下、燃料消費の増加を招く。
そこで、スターリングエンジン１００の動力が必要であると判定された場合（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、運転状態判定部２２は、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷になるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。なお、内燃機関１に対してスターリングエンジン１００が全く負荷にならない場合の他、スターリングエンジン１００の負荷が許容できる場合もスターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷にならないと判定する。
スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷になるか否かは、例えば、内燃機関１の回転数（熱機関回転数）Ｎｅの上昇にスターリングエンジン１００の回転数（排熱回収機関回転数）Ｎｓが追従できるか否かで判定することができる。すなわち、熱機関回転数Ｎｅの上昇に排熱回収機関回転数Ｎｓが追従できる場合には、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷にならないと判定し、熱機関回転数Ｎｅの上昇に排熱回収機関回転数Ｎｓが追従できない場合には、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷になると判定する。
ここで、熱機関回転数Ｎｅの上昇に排熱回収機関回転数Ｎｓが追従できる場合とは、熱機関回転数Ｎｅの上昇にともなって排熱回収機関回転数Ｎｓが上昇する場合、内燃機関１の発生する動力をスターリングエンジン１００が消費しない状態をいう。また、熱機関回転数Ｎｅの上昇に対して排熱回収機関回転数Ｎｓが追従できない場合とは、熱機関回転数Ｎｅの上昇にともなって排熱回収機関回転数Ｎｓが上昇する場合、スターリングエンジン１００が内燃機関１によって駆動される結果、内燃機関１が発生する動力を消費してしまう状態をいう。また、内燃機関１が加速状態である場合において、車両５０に対する要求出力よりも内燃機関１の発生する動力が小さい場合には、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷にならないと判定してもよい。
熱機関回転数Ｎｅの上昇に対して排熱回収機関回転数Ｎｓが追従できるか否かは、例えば、車両５０に対して加速要求があった場合の、単位時間あたりにおける排熱回収機関回転数Ｎｓの増加割合（排熱回収装置加速度）と、単位時間あたりにおける熱機関回転数Ｎｅの増加割合（熱機関加速度）とを比較することにより判定できる。
例えば、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの温度、スターリングエンジン１００のヒータ１０５の温度等からスターリングエンジン１００が発生する動力を予測する。そして、その動力で、スターリングエンジン１００の自らの慣性（回転系の慣性）を加速したときにおける排熱回収装置加速度と、アクセルの開度やアクセルを開く際の速度等から演算される内燃機関１に対する熱機関加速度とを比較する。その結果、排熱回収装置加速度が熱機関加速度よりも小さい場合には、熱機関回転数Ｎｅの上昇に対して、排熱回収機関回転数Ｎｓが追従できないと判定する。
スターリングエンジン１００の動力が必要であり（ステップＳ２０３：Ｙｅｓ）、かつスターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷にならない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、クラッチ制御部２３は第１クラッチ６Ｅを係合するとともに、第２クラッチ６Ａを開放する（ステップＳ２０５）。これによって、スターリングエンジン１００が発生する動力は、第１クラッチ６Ｅを介して内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。そして、スターリングエンジン１００が発生する動力は、内燃機関１の発生する動力とともに取り出されて、車両５０を走行させるための駆動力として用いられる。
このとき、第２クラッチ６Ａは開放されているので、スターリングエンジン１００の発生する動力が発電機２を駆動させるために用いられることはない。このため、スターリングエンジン１００の発生する動力は電力に変換されることなく、すべて内燃機関１の発生する動力とともに取り出される。これによって、電力に変換する際のエネルギー損失を回避できるので、スターリングエンジン１００が発生する動力を効率よく利用することができる。
また、内燃機関１が加速状態にあるときに、スターリングエンジン１００が発生する動力を利用できるので、加速時における内燃機関１の燃料消費を抑制できる。なお、内燃機関１が加速状態にあるとき、内燃機関１が発生する動力とスターリングエンジン１００が発生する動力との和が要求動力よりも大きい場合には、スターリングエンジン１００が発生する動力によって発電機２を駆動し、内燃機関１により要求動力を発生させてもよい。このようにすれば、ドライバーの要求通りに車両５０を走行させることができるとともに、スターリングエンジン１００が発生する動力を有効に利用することができる。
内燃機関１が減速状態又は停止状態である場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、又はスターリングエンジン１００の動力が不要である場合（ステップＳ２０３：Ｎｏ）、又はスターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷になる場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、スターリングエンジン１００は、出力応答性が悪いことに起因して、余剰の動力を発生することになる。この場合、クラッチ制御部２３は第１クラッチ６Ｅを開放するとともに、第２クラッチ６Ａを係合する（ステップＳ２０６）。
これによって、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と発電機２の入力軸２ｓとが接続され、スターリングエンジン１００が発生する余剰の動力によって発電機２が駆動される。このとき、機関ＥＣＵ２０の排熱回収装置制御部２１が備える発電制御部２４は、スターリングエンジン１００の発生する動力に応じて発電機２及び整流装置７を制御して、発生した電力を蓄電池８へ蓄える。
内燃機関１が減速状態又は停止状態である場合、又はスターリングエンジン１００の動力が不要である場合、又はスターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷になる場合には、スターリングエンジン１００の出力応答遅れによって余剰の動力が発生してしまう。しかし、この実施形態では、第１クラッチ６Ｅを開放し、第２クラッチ６Ａを係合することにより、スターリングエンジン１００が発生した余剰な動力を電気エネルギーに変換することができるので、スターリングエンジン１００が内燃機関１の排ガスＥｘから回収した熱エネルギーを有効に利用できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑えることができ、また、内燃機関１の燃料消費の増加を抑制できる。
さらに、内燃機関１の減速時には第１クラッチ６Ｅを開放してスターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとの機械的な接続を解除する。これによって、スターリングエンジン１００の余剰な動力によって車両５０が駆動されることはないので、車両５０の減速時には、ドライバーが要求する通りの減速を得ることができる。
また、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷になる場合には、第１クラッチ６Ｅを開放してスターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとの機械的な接続を解除する。これによって、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷となることはないので、内燃機関１の出力低下、燃料消費の増加を抑制できる。
以上、この実施形態及びその変形例では、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出すとともに、排熱回収機関によって駆動される発電機を備える。そして、熱機関の運転状態に応じて、熱機関又は発電機を択一的に選択して排熱回収機関と接続する。これによって、熱機関の運転状態に応じて排熱回収機関が発生する動力を熱機関が発生する動力とともに取り出したり、排熱回収機関が発生する動力を電気エネルギーに変換して取り出したりすることができる。その結果、排熱回収機関が余剰の動力を発生する場合でも、これを電気エネルギーに変換することで有効に利用できる。なお、この実施形態及びその変形例で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施形態及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。また、この実施形態及びその変形例で開示した構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。
（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１と略同様であるが、排熱回収装置が備える排熱回収機関の高温部に排ガスの熱を蓄熱する蓄熱手段を取り付け、排熱回収対象である熱機関の運転停止後には蓄熱手段へ蓄えられた熱を用いて排熱回収機関を駆動する点が異なる。排熱回収機関以外の構成は実施形態１と同様であるので、説明を省略する。
図８は、実施形態２に係る排熱回収装置が備えるスターリングエンジンを示す断面図である。図８に示すように、この実施形態に係る排熱回収装置が備えるスターリングエンジン（排熱回収機関）１００ｂは、高温部に蓄熱手段である蓄熱材１２０が設けられる。なお、このスターリングエンジン１００ｂは、実施形態１及びその変形例に係る排熱回収装置１０等（図２、図４参照）が備えるスターリングエンジン１００と置き換えることができる。
蓄熱材１２０は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの熱を蓄えるものであり、例えば鉄やアルミニウムのような金属材料やセメント等を用いることができる。蓄熱材１２０は、断熱材１２２で囲まれており、蓄熱材１２０に蓄熱された熱の放出が抑制される。蓄熱材１２０に排ガスＥｘの熱を伝えて蓄えさせるため、この実施形態では伝熱手段としてヒートパイプ１２１を用いる。そして、ヒートパイプ１２１の内部に封入された差動液の蒸発、凝縮を利用して、排ガスＥｘの熱を蓄熱材１２０へ伝える。このように、ヒートパイプ１２１を用いることにより、蓄熱材１２０と熱源とが離れている場合にも、熱源から蓄熱材１２０へ熱を移動させることができる。
ヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉはスターリングエンジン１００ｂの高温部分に取り付けることが好ましい。このようにすれば、ヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉを排気通路５内に設ける必要はないので、排気通路５の圧力損失増加を抑制できる。なお、排気通路５に分岐通路を設け、この分岐通路内にヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉを設けて排ガスＥｘの熱を蓄えるようにしてもよい。
ここで、スターリングエンジン１００ｂの高温部分とは、再生器１０６の温度以上の温度となる部分をいい、再生器１０６も含まれる。この実施形態では、高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９にヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉが取り付けられる。また、ヒートパイプ１２１の放熱部１２１ｏは蓄熱材１２０に取り付けられる。これによって、スターリングエンジン１００ｂの高温部分を介して排ガスＥｘの熱が蓄熱材１２０に蓄えられる。
このように、高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９を利用すれば、比較的容易にヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉをスターリングエンジン１００ｂの高温部に取り付けることができる。ここで、高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９とは、高温側シリンダ１０１と一体に形成されるとともに、高温側シリンダ１０１とヒータ１０５との接続側に張り出して、基板１１１と係合する部分をいう。
例えば、内燃機関１に対する駆動要求がなくなることにより内燃機関１が停止して、スターリングエンジン１００ｂのヒータ１０５へ排ガスＥｘが供給されなくなると、ヒータ１０５に蓄えられた熱によってスターリングエンジン１００ｂが駆動される。この場合、ＥＣＵ２０が備えるクラッチ制御部２３によって第１クラッチ６Ｅが開放されるとともに第２クラッチ６Ａが係合されて、スターリングエンジン１００ｂによって発電機２が駆動される。なお、これは、実施形態２に係るスターリングエンジン１００ｂを、実施形態１に係る排熱回収装置１０が備えるスターリングエンジン１００と置き換えた場合の説明である（図２参照）。
ヒータ１０５に蓄えられた熱がスターリングエンジン１００ｂの駆動に消費されると、ヒータ１０５の温度が低下する。ヒータ１０５の温度が蓄熱材１２０の温度よりも低くなると、ヒートパイプ１２１の金属部分による熱伝導で、蓄熱材１２０の熱がヒータ１０５に伝わる。これによって、蓄熱材１２０に蓄えられた熱を用いてスターリングエンジン１００ｂが運転される。スターリングエンジン１００ｂを駆動できなくなるまで蓄熱材１２０に蓄えられた熱が消費されると、スターリングエンジン１００ｂは停止する。このように、この実施形態では、蓄熱材１２０に内燃機関１の排ガスＥｘのもつ熱エネルギーを蓄えるので、内燃機関１の排ガスＥｘの熱エネルギーをより有効に活用することができる。
なお、ヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉを蓄熱材１２０に取り付け、ヒートパイプ１２１の放熱部１２０ｏをスターリングエンジン１００の高温部分（例えば高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９）に取り付けてもよい。そして、ヒートパイプ１２１の内部に封入された差動液の蒸発、凝縮を利用して、蓄熱材１２０からヒータ１０５へ熱を伝えてもよい。なお、この場合には、ヒートパイプ１２１の金属部分による熱伝導を用いて、排ガスＥｘの熱を蓄熱材１２０に伝える。
以上、この実施形態では、排熱回収機関の高温部に排ガスの熱を蓄熱する蓄熱手段を取り付け、排熱回収対象である熱機関の運転停止後には蓄熱手段へ蓄えられた熱を用いて排熱回収機関を駆動する。これによって、熱機関の排出する排ガスの熱エネルギーをより有効に活用することができる。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、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とを合成して同軸から取り出す構成に対して有用であり、特に、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用することに適している。
実施形態１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。 実施形態１に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。 実施形態１に係る排熱回収装置を車両に搭載した状態を示す概念図である。 実施形態１の変形例に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。 実施形態１に係る排熱回収装置を搭載した車両の走行、停止時における内燃機関の出力及びスターリングエンジンの出力の時間変化を示す概念図である。 実施形態１に係る排熱回収装置の運転制御の一例を示すフローチャートである。 実施形態１の他の例に係る排熱回収装置の運転制御を示すフローチャートである。 実施形態２に係る排熱回収装置が備えるスターリングエンジンを示す断面図である。
符号の説明
１ 内燃機関
１ｓ 出力軸
２ 発電機
２ｓ 入力軸
３Ａ 発電機用プーリ
３ＡＳ スターリングエンジン／発電機用プーリ
３Ｅ 内燃機関用プーリ
３Ｓａ 第１スターリングエンジン用プーリ
３Ｓｅ 第２スターリングエンジン用プーリ
４ ベルト
４Ｅ ベルト
４Ａ ベルト
５ 排気通路
６Ｅ 第１クラッチ
６Ａ 第２クラッチ
７ 整流装置
８ 蓄電池
９ 動力伝達軸
１０、１０ａ 排熱回収装置
２０ 機関ＥＣＵ２０
２１ 排熱回収装置制御部
２２ 運転状態判定部
２３ クラッチ制御部
２４ 発電制御部
３０ アクセル開度センサ
３１ 車速センサ
５０ 車両
１００、１００ｂ スターリングエンジン
１０５ ヒータ
１０６ 再生器
１０７ クーラー
１０８ 熱交換器
１１０ クランク軸
１２０ 蓄熱材
１２１ ヒートパイプ
１２２ 断熱材

Claims (6)

  1. 熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収して動力を発生し、発生した動力は前記熱機関が発生する動力とともに合成されて取り出される排熱回収機関と、
    前記排熱回収機関によって駆動される発電機と、
    前記熱機関と前記排熱回収機関との接続、非接続を切り替える第１動力断続手段と、
    前記排熱回収機関と前記発電機との接続、非接続を切り替える第２動力断続手段と、を含み、
    前記熱機関の運転状態に応じて、前記熱機関又は前記発電機を択一的に前記排熱回収機関と接続することを特徴とする排熱回収装置。
  2. 前記熱機関が減速状態又は停止状態である場合には、
    前記第１動力断続手段を非接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を接続状態とすることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
  3. 前記熱機関が減速状態又は停止状態でない場合において、前記排熱回収機関の動力が要求されるときには、
    前記第１動力断続手段を接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を非接続状態と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。
  4. 前記排熱回収機関が前記熱機関の負荷とならない場合に、前記第１動力断続手段を接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を非接続状態とし、
    前記排熱回収機関が前記熱機関の負荷となる場合には、前記第１動力断続手段を非接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を接続状態とすることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
  5. 前記熱機関が定常運転している場合、又は前記熱機関が加速している状態において前記熱機関の回転数の上昇に対して前記排熱回収機関の回転数が追従できる場合には、前記排熱回収機関が前記熱機関の負荷とならない場合であると判定して、前記第１動力断続手段を接続状態とするとともに、前記第２動力断続手段を非接続状態とすることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
  6. さらに、前記熱機関の排ガスから得られる熱を蓄える蓄熱手段を備え、
    前記熱機関に対する駆動要求がなく、かつ前記排熱回収機関が熱エネルギーを回収するために備えるヒータの温度が前記蓄熱手段の温度よりも低くなった場合には、前記蓄熱手段から前記ヒータへ熱を供給して前記排熱回収機関を駆動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
JP2006095733A 2006-03-30 2006-03-30 排熱回収装置 Expired - Fee Related JP4706536B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006095733A JP4706536B2 (ja) 2006-03-30 2006-03-30 排熱回収装置
US11/727,828 US7730723B2 (en) 2006-03-30 2007-03-28 Exhaust heat recovery apparatus
DE102007000189.6A DE102007000189B4 (de) 2006-03-30 2007-03-29 Abgaswärmerückgewinnungsgerät

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006095733A JP4706536B2 (ja) 2006-03-30 2006-03-30 排熱回収装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007270684A JP2007270684A (ja) 2007-10-18
JP4706536B2 true JP4706536B2 (ja) 2011-06-22

Family

ID=38556857

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006095733A Expired - Fee Related JP4706536B2 (ja) 2006-03-30 2006-03-30 排熱回収装置

Country Status (3)

Country Link
US (1) US7730723B2 (ja)
JP (1) JP4706536B2 (ja)
DE (1) DE102007000189B4 (ja)

Families Citing this family (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8046998B2 (en) * 2008-10-01 2011-11-01 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Waste heat auxiliary power unit
DE102009007231A1 (de) 2009-02-03 2010-08-12 Siemens Aktiengesellschaft Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug
DE102009008513A1 (de) * 2009-02-11 2010-08-12 Li-Tec Battery Gmbh Anordnung und Verfahren zur Energieversorgung motorisierter Fahrzeuge
DE102009015693A1 (de) * 2009-03-31 2010-10-07 Walter Hamberger Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer deren Abwärme nutzenden Wärmekraftmaschine als Antriebe
JP5120319B2 (ja) * 2009-04-03 2013-01-16 株式会社デンソー エンジンの廃熱制御装置
US8330285B2 (en) * 2009-07-08 2012-12-11 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Method and system for a more efficient and dynamic waste heat recovery system
US7851935B2 (en) * 2009-08-11 2010-12-14 Jason Tsao Solar and wind energy converter
US20110107761A1 (en) * 2009-11-10 2011-05-12 Michael Campbell Rowland Hybrid high efficiency motor
CN102345484A (zh) * 2010-08-02 2012-02-08 李昌福 发电消音器
CN102072010B (zh) * 2011-01-27 2012-08-22 华伟 发动机增压结构
US8714288B2 (en) 2011-02-17 2014-05-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Hybrid variant automobile drive
CH705014A1 (de) * 2011-05-27 2012-11-30 Liebherr Machines Bulle Sa Energierückgewinnungssystem.
US9103249B2 (en) 2012-02-29 2015-08-11 Caterpillar Inc. Flywheel mechanical energy derived from engine exhaust heat
US9086013B2 (en) * 2013-03-12 2015-07-21 Ethan W Franklin Gerotor rotary Stirling cycle engine
US20140260245A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Eaton Corporation Volumetric energy recovery device with variable speed drive
DE202013004907U1 (de) * 2013-05-28 2013-07-02 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Kraftfahrzeug mit einer koppelbaren Abwärmenutzanordnung
DE102013009219A1 (de) * 2013-05-31 2014-12-04 Man Truck & Bus Ag Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
US9181866B2 (en) 2013-06-21 2015-11-10 Caterpillar Inc. Energy recovery and cooling system for hybrid machine powertrain
US9541027B2 (en) * 2014-07-11 2017-01-10 Caterpillar Inc. System and method for recovering waste heat
TWI599715B (zh) * 2015-10-05 2017-09-21 jia-wen Ruan Engine waste heat power recovery system and method
FR3046632A1 (fr) * 2016-01-08 2017-07-14 Peugeot Citroen Automobiles Sa Ensemble moteur comprenant un dispositif de recuperation de la chaleur des gaz d’echappement
DE102017202900A1 (de) * 2017-02-23 2018-08-23 Robert Bosch Gmbh Abwärmerückgewinnungssystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Abwärmerückgewinnungssystems
GB2585694B (en) * 2019-07-12 2021-08-18 Jaguar Land Rover Ltd Active vane control system and method

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001227616A (ja) * 1999-12-08 2001-08-24 Honda Motor Co Ltd 駆動装置

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56120499A (en) * 1980-02-29 1981-09-21 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Generator driving apparatus for vessels
JPS5812819A (ja) * 1981-07-17 1983-01-25 Hitachi Ltd 車両用冷凍機
DE3330315A1 (de) * 1983-08-23 1985-03-14 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart Antriebsanordnung von nebenaggregaten an einer brennkraftmaschine
JPH01177419A (ja) * 1987-12-28 1989-07-13 Isuzu Motors Ltd ターボコンパウンドエンジン
JP2534338B2 (ja) 1988-12-09 1996-09-11 三菱重工業株式会社 タ―ボコンパウンドエンジン
JPH02207139A (ja) 1989-02-07 1990-08-16 Komatsu Ltd ターボコンパウンド機関の動力伝達装置
US5146750A (en) 1989-10-19 1992-09-15 Gordon W. Wilkins Magnetoelectric resonance engine
JP2970091B2 (ja) 1991-07-31 1999-11-02 アイシン精機株式会社 ハイブリツド車
EP1144218B1 (de) 1998-11-17 2006-04-05 Robert Bosch Gmbh Antriebsaggregat für ein kraftfahrzeug
JP2000345915A (ja) * 1999-06-07 2000-12-12 Nissan Motor Co Ltd 動力装置
JP4229559B2 (ja) * 2000-01-21 2009-02-25 本田技研工業株式会社 多気筒内燃機関の熱交換装置
GB2360402B (en) * 2000-03-15 2004-05-12 Bg Intellectual Pty Ltd A method and a connector arrangement for connecting and disconnecting a generator to a circuit with an existing alternating current
US6543229B2 (en) 2000-06-14 2003-04-08 Stm Power, Inc. Exhaust gas alternator system
DE10143342A1 (de) * 2001-09-04 2003-04-03 Herfried Wichern Kopplung von Verbrennungskraftmaschinen
US6651433B1 (en) * 2002-09-13 2003-11-25 Leslie C. George, Jr. Brayton screw engine with brayton bottoming system
JP4248303B2 (ja) 2003-05-09 2009-04-02 本田技研工業株式会社 燃焼機関およびスターリング機関を備える動力装置
JP2005090376A (ja) 2003-09-18 2005-04-07 Honda Motor Co Ltd 内燃機関とスターリング機関とを備える動力装置
JP2005113719A (ja) 2003-10-03 2005-04-28 Honda Motor Co Ltd 内燃機関とスターリング機関とを備える動力装置
DE10355563A1 (de) * 2003-11-28 2005-06-30 Daimlerchrysler Ag Brennkraftmaschine mit einem mechanischen Lader und einem Turbo-Compound
JP2007231858A (ja) * 2006-03-01 2007-09-13 Toyota Motor Corp 排熱回収装置
JP4816143B2 (ja) * 2006-03-01 2011-11-16 トヨタ自動車株式会社 排熱回収装置
JP4706513B2 (ja) * 2006-03-09 2011-06-22 トヨタ自動車株式会社 排熱回収装置
JP2008051062A (ja) * 2006-08-28 2008-03-06 Hitachi Ltd 自動車
US7797938B2 (en) * 2007-07-31 2010-09-21 Caterpillar Inc Energy recovery system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001227616A (ja) * 1999-12-08 2001-08-24 Honda Motor Co Ltd 駆動装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007000189B4 (de) 2014-11-06
US20070227144A1 (en) 2007-10-04
US7730723B2 (en) 2010-06-08
DE102007000189A1 (de) 2007-11-08
JP2007270684A (ja) 2007-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4706536B2 (ja) 排熱回収装置
JP4706513B2 (ja) 排熱回収装置
JP4816143B2 (ja) 排熱回収装置
US8307651B2 (en) Arrangement for exhaust gas heat utilization
JP6275656B2 (ja) 自動車のための排熱利用装置
KR102466878B1 (ko) 파워트레인 폐열 회수를 위한 시스템 및 방법
US9103249B2 (en) Flywheel mechanical energy derived from engine exhaust heat
JP2007231858A (ja) 排熱回収装置
US9719413B2 (en) Charging device for internal combustion engines
US20140150426A1 (en) Device and method for using the waste heat of an internal combustion engine
RU2720923C2 (ru) Транспортное средство и способ работы транспортного средства
JP4978198B2 (ja) スターリングエンジン
JP2009091959A (ja) 排熱回収機関及び起動制御装置
US20220399783A1 (en) Electric vehicle with energy recovery system
WO2019163691A1 (ja) 廃熱利用装置
JP2009127476A (ja) スターリングエンジン
JP2009281338A (ja) 排熱回収システム
JP2008133776A (ja) 排熱回収装置
KR20120064468A (ko) 자동차용 폐열 회수 시스템 및 그 제어방법
JP2019510156A (ja) 二重モード廃熱回収膨張機及び制御方法
JP2024516490A (ja) 動力付き車両の効率及び快適システム

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080902

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100914

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100921

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101117

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110215

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110228

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 4706536

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees