JP5533713B2

JP5533713B2 - 排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置

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Publication number: JP5533713B2
Application number: JP2011023261A
Authority: JP
Inventors: 正章片山; 大作澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2031-02-04
Also published as: JP2012163023A

Description

本発明は排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置に関する。

近年、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や工場排熱を回収するために、スターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンの出力制御に関する技術として、本発明と関連性があると考えられる技術が、例えば特許文献１から３で開示されている。

特開平０５−１８７３１５号公報特開２００７−２３１８５８号公報特開２００５−３３７１７９号公報

排熱回収用のスターリングエンジンは、加熱器が高温熱源から回収する排熱を利用して動作する。このため、必要に応じてスターリングエンジンの出力を制御しようとしても、排熱を回収する構成上、要求出力に応じて高温熱源を任意に変更できない。また、加熱器の熱容量が大きい場合には、加熱器の温度が高い場合にスターリングエンジンの出力を要求出力まで素早く減少させることができない。

これに対し、排熱回収用のスターリングエンジンの出力を制御するには、例えば外部タンクやクランクケースとの間でスターリングエンジンの作動流体を吸排し、作動空間の内外で圧力を調節することができる。しかしながら、この場合には装置が大掛かりで、その操作に多大なエネルギーを要することに加え、必要な応答性が得られない虞がある。

また、特にクランクケース一体加圧型のスターリングエンジンの場合、例えばスターリングエンジンの出力軸に対して変速機やクラッチを設け、スターリングエンジンの回転数を変更することで、熱交換を行う作動流体の量を変更し、これにより出力を制御することもできる。しかしながら、この場合には寿命の低下や騒音振動の発生やシステムの複雑化を招くことに繋がる。また、クラッチでは出力の断続のみしか制御できない。

本発明は上記課題に鑑み、排熱回収用のスターリングエンジンの出力を任意の出力に応答性良く制御可能な排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置は、２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンが備える高温側気筒と低温側気筒とを連通するとともに、高温側ピストンを備える前記高温側気筒の側に高温側開口部を、低温側ピストンを備える前記低温側気筒の側に低温側開口部を備え、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる通路部と、前記通路部に設けられ、作動流体の流通を制御する制御弁と、を備え、前記制御弁が、前記スターリングエンジンの加熱器を流通する作動流体の流量を減少させることで、前記スターリングエンジンの出力を制御し、前記制御弁を回転駆動式の開閉弁とし、前記制御弁が、回転動作によって作動流体の流通を許可、禁止するシール部を備えており、前記シール部のうち、閉弁時に前記高温側気筒の側で作動流体の流通を禁止する高温側シール部の径が、前記シール部のうち、閉弁時に前記低温側気筒の側で作動流体の流通を禁止する低温側シール部の径よりも小さく設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置である。

また本発明の第２の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置は、２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンが備える高温側気筒と低温側気筒とを連通するとともに、高温側ピストンを備える前記高温側気筒の側に高温側開口部を、低温側ピストンを備える前記低温側気筒の側に低温側開口部を備え、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる通路部と、前記通路部に設けられ、作動流体の流通を制御する制御弁と、を備え、前記制御弁が、前記スターリングエンジンの加熱器を流通する作動流体の流量を減少させることで、前記スターリングエンジンの出力を制御し、前記高温側開口部と前記低温側開口部との気筒延伸方向の幅が、前記通路部を流通する作動流体の流量を最大にする前記高温側ピストンおよび前記低温側ピストンの位相に対応させて設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置である。

また本発明の第３の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置は、２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンが備える高温側気筒と低温側気筒とを連通するとともに、高温側ピストンを備える前記高温側気筒の側に高温側開口部を、低温側ピストンを備える前記低温側気筒の側に低温側開口部を備え、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる通路部と、前記通路部に設けられ、作動流体の流通を制御する制御弁と、を備え、前記制御弁が、前記スターリングエンジンの加熱器を流通する作動流体の流量を減少させることで、前記スターリングエンジンの出力を制御し、前記高温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅が、前記低温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅よりも小さく設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置である。

第１または第３の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置において、前記高温側開口部と前記低温側開口部との気筒延伸方向の幅が、前記通路部を流通する作動流体の流量を最大にする前記高温側ピストンおよび前記低温側ピストンの位相に対応させて設定されている構成とすることができる。

第１の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置において、前記高温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅が、前記低温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅よりも小さく設定されている構成とすることができる。

上記構成において、前記スターリングエンジンの要求出力と、前記スターリングエンジンの実際の出力とを比較し、前記制御弁を制御する制御手段をさらに備える構成とすることができる。

上記構成において、前記スターリングエンジンが、内燃機関の排気を高温熱源としており、前記スターリングエンジンの要求出力と、前記スターリングエンジンの実際の出力と前記内燃機関の出力との合計出力とを比較し、前記制御弁を制御する制御手段をさらに備える構成とすることができる。

上記構成において、前記高温側ピストンの上死点位置と、前記低温側ピストンの上死点位置とが揃えられている構成とすることができる。

本発明によれば、排熱回収用のスターリングエンジンの出力を任意に応答性良く制御できる。

実施例１のスターリングエンジンの概略構成図である。実施例１の排気回収用スターリングエンジンの出力制御装置の拡大図である。実施例２の通路部の説明図である。実施例３の出力制御装置を示す図である。実施例３の開口部の正面図である。実施例３の開閉弁の拡大図である。実施例４の出力制御装置を示す図である。実施例５のスターリングエンジンの概略構成図である。実施例５のＥＣＵの動作をフローチャートで示す図である。実施例６のスターリングエンジンの概略構成図である。実施例６の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１０Ａの概略構成図である。図２は排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置（以下、出力制御装置と称す）５０Ａの拡大図である。スターリングエンジン１０Ａは、２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０Ａは、直列平行に配置された２つの気筒である高温側気筒２０Ａおよび低温側気筒３０を有している。高温側気筒２０Ａは膨張ピストン２１Ａと高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とをそれぞれ備えている。圧縮ピストン３１は、膨張ピストン２１Ａ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。膨張ピストン２１Ａの上死点位置と圧縮ピストン３１の上死点位置とは揃えられている。また、高温側シリンダ２２の上端と低温側シリンダ３２の上端も揃えられている。膨張ピストン２１Ａは高温側ピストンに、圧縮ピストン３１は低温側ピストンに相当する。

高温側シリンダ２２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は熱交換器であり、流通する作動流体と図示しない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。内燃機関の排気はスターリングエンジン１０Ａの高温熱源を構成する。

低温側シリンダ３２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１０Ａ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２１Ａを圧下する。そしてこれにより、クランクシャフトが回転する。次に膨張ピストン２１Ａ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１０Ａは、かかる作動流体の往復流動を通じて動作する。そして、作動流体が往復流動する空間が作動空間となっている。

スターリングエンジン１０Ａには、出力制御装置５０Ａが設けられている。出力制御装置５０Ａは気筒２０Ａ、３０間に設けられている。出力制御装置５０Ａは通路部５１Ａと開閉弁５２Ａとを備えている。

通路部５１Ａは、気筒配列方向に沿って延伸する通路を形成している。通路部５１Ａは、高温側気筒２０Ａと低温側気筒３０とを連通している。具体的には、高温側気筒２０Ａ内に形成されている膨張空間と、低温側気筒３０内に形成されている圧縮空間とを連通している。通路部５１Ａは、気筒２０Ａ、３０間でスターリングエンジン１０Ａの作動流体を流通させる。通路部５１Ａは、高温側気筒２０Ａ側に高温側開口部５１ａＡを、低温側気筒３０側に低温側開口部５１ｂＡを備えている。

開閉弁５２Ａは、通路部５１Ａに設けられている。開閉弁５２Ａは制御弁であり、通路部５１Ａを流通する作動流体の流通を制御する。開閉弁５２Ａは通路部５１Ａを流通する作動流体の流通を許可、禁止することができる。また、作動流体の流通を許可する際、全閉、全開の間の開度である中間開度で作動流体の流通を許可することができる。開閉弁５２Ａは開度を連続的に変更することができる。開閉弁５２Ａは、加熱器４７を流通する作動流体の流量を減少させることで、スターリングエンジン１０Ａの出力を制御する。

開閉弁５２Ａは回転駆動式の開閉弁となっている。開閉弁５２Ａは作動流体の流通を許可、禁止するシール部である高温側シール部Ｈ１と低温側シール部Ｃ１とを備えている。シール部Ｈ１、Ｃ１は、回転動作によって作動流体の流通を許可、禁止する。高温側シール部Ｈ１は閉弁時に高温側気筒２０Ａ側で、低温側シール部Ｃ１は閉弁時に低温側気筒３０側でそれぞれ作動流体の流通を禁止する。シール部Ｈ１、Ｃ１は、対応する気筒２０Ａ、３０側に断面円弧状の形状を有している。また、対応する気筒２０Ａ、３０とは反対側に互いに平行となる断面直線状の形状を有している。そして、シール部Ｈ１、Ｃ１の間には、開弁時に作動流体の流通を許可する通路が形成されている。この通路は、開弁時に通路部５１Ａが形成する通路に連なるように設けられている。高温側シール部Ｈ１の径ｒ_Ｈは、低温側シール部Ｃ１の径ｒ_Ｃよりも小さく設定されている。

次に出力制御装置５０Ａの作用効果について説明する。２気筒α型のスターリングエンジン１０Ａでは、気筒２０Ａ、３０が互いに近接して配置されている。これに対し、通路部５１Ａと開閉弁５２Ａとを備える出力制御装置５０Ａは、互いに近接して配置されている気筒２０Ａ、３０間で作動流体を流通させるとともに、作動流体の流通を制御する。

このため出力制御装置５０Ａは、通路部５１Ａが形成する通路が大きなデッドボリュームになることを回避できる。結果、応答性良く出力を制御できる。またこれにより、開閉弁５２Ａ閉弁時の圧縮比低下による出力低下も抑制できる。同時にこれにより、外部に熱や圧力を逃がすことも抑制できる。また、出力制御装置５０Ａは加熱器４７を流通する作動流体の流量を開閉弁５２Ａで適宜減少させることで、スターリングエンジン１０Ａの出力を任意に制御できる。

出力制御装置５０Ａは開閉弁５２Ａを回転駆動式の開閉弁としている。このため、開閉弁５２Ａ閉弁時に通路部５１Ａが形成する通路のデッドボリュームを小さくすることができる。そしてこれにより、さらに応答性良く出力を制御するとともに、開閉弁５２Ａ閉弁時の圧縮比低下による出力低下を好適に抑制できる。また、高温側シール部Ｈ１の径ｒ_Ｈを低温側シール部Ｃ１の径ｒ_Ｃよりも小さく設定することで、熱膨張による干渉を回避し、応答性を確保できる。また、出力制御装置５０Ａは通路部５１Ａと開閉弁５２Ａとを備える簡素な構造なため、コストも低く抑制できる。

出力制御装置５０Ａはピストン２１Ａ、３１の上死点位置を揃えることで、通路部５１Ａが形成する通路の下端をピストン２１Ａ、３１の上死点位置に揃えつつ、気筒配列方向に沿って延伸する通路部５１Ａで高温側気筒２０Ａ内に形成されている膨張空間と、低温側気筒３０内に形成されている圧縮空間とを連通することができる。そしてこれにより、作動流体を好適に流通させつつ、通路部５１Ａの長さを最短にすることができる。結果、作動流体を好適に流通させつつ、通路部５１Ａが形成する通路が最小のデッドボリュームになるようにすることができる。

スターリングエンジン１０Ｂは出力制御装置５０Ａの代わりに出力制御装置５０Ｂが設けられている点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一である。このため、スターリングエンジン１０Ｂの概略構成図については図示省略する。

出力制御装置５０Ｂは通路部５１Ｂと開閉弁５２Ｂとを備えている。通路部５１Ｂは、開口部５１ａＡ、５１ｂＡに対して、さらに具体的に以下に示すように設けた開口部５１ａＢ、５１ｂＢを備えている点以外、通路部５１Ａと実質的に同一である。また、開閉弁５２Ｂはこれに応じてシール部Ｈ１、Ｃ１の代わりに、シール部Ｈ２、Ｃ２を備えている点以外、開閉弁５２Ａと実質的に同一である。シール部Ｈ２、Ｃ２は、開弁時に通路部５１Ｂが形成する通路に連なる通路を形成するように設けられている点以外、シール部Ｈ１、Ｃ１と実質的に同一である。このため、出力制御装置５０Ｂの全体図については図示省略する。

図３は通路部５１Ｂの説明図である。図３はピストン２１Ａ、３１の位相と、通路部５１Ｂを流通する作動流体の流量との関係、およびピストン２１Ａ、３１の位相と、開口部５１ａＢ、５１ｂＢとの関係を示している。通路部５１Ｂを流通する作動流体の流量は、膨張ピストン２１Ａが上昇を始めた後から次第に上昇する。そして、膨張ピストン２１Ａの上死点通過後、ピストン２１Ａ、３１が同位相になる位相Ｐで最大となる。

これに対し、開口部５１ａＢ、５１ｂＢは対応する気筒２０Ａ、３０の周方向に沿って延伸する長穴状の形状を有している。そして、気筒延伸方向の幅Ｗ１は、通路部５１Ｂを流通する作動流体の流量を最大にするピストン２１Ａ、３１の位相に対応させて設定されている。具体的には、幅Ｗ１はシリンダ２２、３２の上端部（例えば上死点に位置するピストン２１Ａ、３１の頂面以上の部分）と位相Ｐとに対応させて設定されている。そしてこれにより、作動流体の最大流量時に最大開口面積が得られるようにしている。

次に出力制御装置５０Ｂの作用効果について説明する。出力制御装置５０Ｂは、通路部５１Ｂを流通する作動流体の流量を最大にするピストン２１Ａ、３１の位相に対応させて幅Ｗ１を設定している。このため、出力制御装置５０Ｂによれば、通路部５１Ｂを流通する作動流体の流量を大きく確保することで、応答性良く出力を制御できる。

図４は出力制御装置５０Ｃを示す図である。図５は開口部５１ａＣ、５１ｂＣの正面図である。図６は開閉弁５２Ｃの拡大図である。図４は出力制御装置５０Ｃをスターリングエンジン１０Ｃの要部とともに示す。図５は（ａ）で高温側開口部５１ａＣを、（ｂ）で低温側開口部５１ｂＣを示す。スターリングエンジン１０Ｃは高温側気筒２０Ａの代わりに高温側気筒２０Ｂを備えている点と、出力制御装置５０Ａの代わりに出力制御装置５０Ｃが設けられている点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一である。なお、同様の変更を例えばスターリングエンジン１０Ｂと出力制御装置５０Ｂとに適用してもよい。

高温側気筒２０Ｂは膨張ピストン２１Ａの代わりに膨張ピストン２１Ｂを備えている点以外、高温側気筒２０Ａと実質的に同一である。膨張ピストン２１Ｂは、頂面側の径を小さくする段差部２１ａを備えている点以外、膨張ピストン２１Ａと実質的に同一である。膨張ピストン２１Ｂのうち、段差部２１ａよりも頂面側の部分の径は、反対側の部分の径よりも小さく設定されている。段差部２１ａよりも頂面側の部分の径は、高温側シリンダ２２との間のクリアランスの熱膨張による縮小を考慮して小さく設定されている。

通路部５１Ｃは開口部５１ａＡ、５１ｂＡの代わりにさらに具体的に以下に示すように設けた開口部５１ａＣ、５１ｂＣを備えている点以外、通路部５１Ａと実質的に同一である。また、開閉弁５２Ｃはこれに応じてシール部Ｈ１、Ｃ１の代わりに、シール部Ｈ３、Ｃ３を備えている点以外、開閉弁５２Ａと実質的に同一である。

開口部５１ａＣ、５１ｂＣは対応する気筒２０Ａ、３０の周方向に沿って延伸する長穴状の形状を有している。そして、高温側開口部５１ａＣの下端は、低温側開口部５１ｂＣの下端よりも低く設定されている。結果、高温側開口部５１ａＣの幅Ｗ１１は、低温側開口部５１ｂＣの幅Ｗ１２よりも大きく設定されている。開口部５１ａＣ、５１ｂＣの上端は、シリンダ２２、３２の上端部に対応させて設定することができる。出力制御装置５０Ｂに同様の変更を適用する場合、高温側開口部５１ａＣの下端は、実施例２で前述した位相Ｐよりも低く設定することができる。

高温側開口部５１ａＣのうち、スターリングエンジン１０Ａの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅Ｗ２１は、低温側開口部５１ｂＣのうち、スターリングエンジン１０Ａの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅Ｗ２２よりも小さく設定されている。このため、高温側開口部５１ａＣは、低温側開口部５１ｂＣよりも太くて短い長穴状の形状を有している。高温側開口部５１ａＣは、上死点に位置する膨張ピストン２１Ｂのうち、段差部２１ａよりも頂面側の部分に対応させて設けられている。

シール部Ｈ３、Ｃ３は、開弁時に通路部５１Ｃが形成する通路に連なる通路を形成するように設けられている。具体的には、シールＨ３、Ｃ３は、低温側気筒３０から高温側気筒２０Ｂに向かって次第に拡大する通路を形成するように設けられている。そして、シール部Ｈ３、Ｃ３は、高温側気筒２０Ｂ側で作動流体の流通を禁止する領域Ｓ_Ｈが、低温側気筒３０側で作動流体の流通を禁止する領域Ｓ_Ｃよりも小さく設定されている。これらの点以外、シール部Ｈ３、Ｃ３はシール部Ｈ１、Ｃ１と実質的に同一である。

次に出力制御装置５０Ｃの作用効果について説明する。出力制御装置５０Ｃは、高温側開口部５１ａＣの下端を低温側開口部５１ｂＣの下端よりも低く設定することで、高温側開口部５１ａＣへの作動流体の流入抵抗を減少させることができる。このため、出力制御装置５０Ｃによれば、応答性良く出力を制御できる。この点、出力制御装置５０Ｃは、膨張ピストン２１Ｂが段差部２１ａを備えている分、膨張空間の圧力が低下するスターリングエンジン１０Ｃにおいて、適切な応答性を確保するのに好適である。

図７は出力制御装置５０Ｄを示す図である。（ａ）はスターリングエンジン１０Ｄの水平断面で出力制御装置５０Ｄを示す。（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ断面で出力制御装置５０Ｄを示す。スターリングエンジン１０Ｄは、出力制御装置１０Ａの代わりに出力制御装置１０Ｄが設けられている点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一である。

出力制御装置５０Ｄは通路部５１Ｄと開閉弁５２Ｄとを備えている。通路部５１Ｄは複数の小通路部５１ｃを備えている。各小通路部５１ｃが形成する通路は、気筒配列方向に沿って互いに平行に延伸している。各小通路部５１ｃは気筒２０Ａ、３０を連通している。このため、通路部５１Ｄは高温側気筒２０Ａ側に小通路部５１ｃ毎に設けられた複数の高温側開口部５１ａＤを備えている。また、低温側気筒３０側に小通路部５１ｃ毎に設けられた複数の低温側開口部５１ｂＤを備えている。

開閉弁５２Ｄは通路部５１Ｄに設けられている。開閉弁５２Ｄはスライド式の開閉弁であり、気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向にスライドするように設けられている。開閉弁５２Ｄは複数の開口部５２ａと複数の遮断部５２ｂとを備えている。複数の開口部５２ａと複数の遮断部５２ｂとは、スライド方向に沿って交互に設けられている。

スライド方向に沿って順に隣り合う開口部５２ａと遮断部５２ｂとはセットになっている。そして、開口部５２ａと遮断部５２ｂのセットは、小通路部５１ｃに対応させて設けられている。開口部５２ａは、対応する小通路部５１ｃが形成する通路を連通可能な形状を有している。また、遮断部５２ｂは、対応する小通路部５１ｃが形成する通路を遮断可能な形状を有している。具体的には、開口部５２ａは小通路部５１ｃが形成する長方形状の通路に連なる長方形状の通路断面形状を有している。また、遮断部５２ｂは開口部５２ａの通路断面形状と同等の遮断断面形状を有している。

開閉弁５２Ｄは制御弁であり、通路部５１Ｄを流通する作動流体の流通を制御する。開閉弁５２Ｄは、複数の開口部５２ａで作動流体の流通を許可するとともに、複数の遮断部５２ｂで作動流体の流通を禁止することができる。また、作動流体の流通を許可する際、全閉、全開の間の開度である中間開度で作動流体の流通を許可することができる。開閉弁５２Ｄは開度を連続的に変更することができる。開閉弁５２Ｄは、加熱器４７を流通する作動流体の流量を減少させることで、スターリングエンジン１０Ｄの出力を制御する。

次に出力制御装置５０Ｄの作用効果について説明する。通路部５１Ｄと開閉弁５２Ｄとを備える出力制御装置５０Ｄは、開閉弁５２Ｄ閉弁時に通路部５１Ｄが形成する通路のデッドボリュームを小さくすることができる。また、スターリングエンジン１０Ｄの出力を制御するにあたり、加熱器４７を流通する作動流体の流量を適宜減少させることができる。そしてこれにより、開閉弁５２Ａを備える出力制御装置５０Ａと同様、スターリングエンジン１０Ｄの出力を任意に応答性良く制御できる。

また、出力制御装置５０Ｄでは、通路部５１Ｄが複数の小通路部５１ｃを備えるとともに、開閉弁５２Ｄが小通路部５１ｃに対応させてセットで設けられた開口部５２ａと遮断部５２ｂとを備えている。そしてこれにより、スライド式の開閉弁５２Ｄの開閉ストロークを短くしている。このため、出力制御装置５０Ｄはこれによっても応答性良く出力を制御することができる。

図８はスターリングエンジン１０Ｅの概略構成図である。スターリングエンジン１０Ｅは出力制御装置５０Ａの代わりに出力制御装置５０Ｅが設けられている点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一である。出力制御装置５０Ｅは、ＥＣＵ７０Ａをさらに備えている点以外、出力制御装置５０Ａと実質的に同一である。なお、同様の変更を例えばスターリングエンジン１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄに対して適用してもよい。

ＥＣＵ７０Ａは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や入出力回路を備えている。ＥＣＵ７０Ａにはスターリングエンジン１０Ｅの出力検出装置７１が電気的に接続されている。また、開閉弁５２Ａを駆動するためのアクチュエータ８１など各種の制御対象が電気的に接続されている。

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、ＥＣＵ７０Ａでは各種の制御手段や判定手段や検出手段などが機能的に実現される。例えばＥＣＵ７０Ａでは、以下に示す制御手段が機能的に実現される。

制御手段は、スターリングエンジン１０Ｅの要求出力と、スターリングエンジン１０Ｅの実際の出力とを比較し、開閉弁５２Ａの開閉状態を制御するように実現される。具体的には、制御手段は要求出力が実際の出力よりも小さい場合に、開閉弁５２Ａを開弁するように実現される。また、要求出力が実際の出力以上である場合に、開閉弁５２Ａを閉弁するように実現される。開閉弁５２Ａを開弁或いは閉弁するにあたり、制御手段は開閉弁５２Ａを除々に開弁或いは閉弁するように実現される。

次にＥＣＵ７０Ａの動作について図９に示すフローチャートを用いて説明する。本フローチャートの動作は、スターリングエンジン１０Ｅが高温熱源とする排気を排出する内燃機関の始動後、且つスターリングエンジン１０Ｅの始動後に行うことができる。本フローチャートを開始する際、開閉弁５２Ａは全閉状態となっている。

ＥＣＵ７０Ａは要求出力が実際の出力よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１Ａ）。否定判定であれば、ステップＳ４に進む。一方、肯定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａは開閉弁５２Ａを開弁する（ステップＳ２）。ステップＳ２で開閉弁５２Ａを開弁するにあたっては、所定の度合いだけ開閉弁５２Ａを開弁することができる。ステップＳ２に続き、ＥＣＵ７０Ａは要求出力が実際の出力以上であるか否かを判定する（ステップＳ３Ａ）。そして、否定判定であればステップＳ２に戻る。これにより、開閉弁５２Ａを除々に開弁することができる。

ステップＳ３Ａで肯定判定であれば、ＥＣＵ７０Ａは開閉弁５２Ａを閉弁する（ステップＳ４）。ステップＳ４で開閉弁５２Ａを閉弁するにあたっては、所定の度合いだけ開閉弁５２Ａを閉弁することができる。ステップＳ４の後には本フローチャートを一旦終了する。そして、次のルーチンにおいてステップＳ１Ａで否定判定された後、ステップＳ４に進むことで、開閉弁５２Ａを除々に閉弁することができる。なお、本フローチャートを開始した直後に、ステップＳ１Ａで否定判定された場合、ステップＳ４で開閉弁５２Ａは全閉状態のままとなる。

次に出力制御装置５０Ｅの作用効果について説明する。出力制御装置５０Ｅは、要求出力と実際の出力とを比較し、開閉弁５２Ａの開閉状態を制御する。このため、出力制御装置５０Ｅは応答性良く出力を制御すると同時に、実際の出力を要求出力に制御することができる。

具体的には、要求出力が実際の出力よりも小さい場合に開閉弁５２Ａを開弁することで、膨張空間の作動流体の圧力を高めるとともに、圧縮空間の作動流体の圧力を低下させることができる。また、要求出力が実際の出力以上である場合に開閉弁５２Ａを閉弁することで、膨張空間の作動流体の圧力を低下させるとともに、圧縮空間の作動流体の圧力を高めることができる。そしてこれにより、応答性良く出力を制御すると同時に、実際の出力を要求出力に制御することができる。

出力制御装置５０Ｅは、開閉弁５２Ａを開弁或いは閉弁するにあたり、開閉弁５２Ａを除々に開弁或いは閉弁することで、出力を連続的に制御できる。そしてこれにより、出力の変動を抑制しつつ出力を制御することで、実際の出力を要求出力に好適に制御することができる。

図１０はスターリングエンジン１０Ｆの概略構成図である。スターリングエンジン１０Ｆは出力制御装置５０Ａの代わりに出力制御装置５０Ｆが設けられている点以外、スターリングエンジン１０Ｅと実質的に同一である。出力制御装置５０Ｆは、ＥＣＵ７０Ａの代わりにＥＣＵ７０Ｂを備えている点以外、出力制御装置５０Ａと実質的に同一である。なお、同様の変更を例えばスターリングエンジン１０Ｂ、１０Ｃ。１０Ｄに対して適用してもよい。

ＥＣＵ７０Ｂは、制御手段が次に示すように実現される点と、内燃機関の出力検出装置７２がさらに電気的に接続されている点以外、ＥＣＵ７０Ａと実質的に同一である。ＥＣＵ７０Ｂでは、制御手段がスターリングエンジン１０Ｆの要求出力と、スターリングエンジン１０Ｆの実際の出力と内燃機関の出力との合計出力とを比較し、開閉弁５２Ａの開閉状態を制御するように実現される。

具体的には、制御手段は要求出力が実際の出力と内燃機関の出力との合計出力よりも小さい場合に、開閉弁５２Ａを開弁するように実現される。また、要求出力が実際の出力と内燃機関の出力との合計出力以上である場合に、開閉弁５２Ａを閉弁するように実現される。開閉弁５２Ａを開弁或いは閉弁するにあたり、制御手段は開閉弁５２Ａを除々に開弁或いは閉弁するように実現される。内燃機関の出力は、具体的には設定可能な下限出力とすることができる。

次にＥＣＵ７０Ｂの動作について図１１に示すフローチャートを用いて説明する。なお、本フローチャートはステップＳ１Ａの代わりにステップＳ１Ｂが設けられている点と、ステップＳ３Ａの代わりにステップＳ３Ｂが設けられている点以外、図９に示すフローチャートと同じである。このため、ここではステップＳ１Ｂ、Ｓ３Ｂについて特に説明する。

ステップＳ１Ｂで、ＥＣＵ７０Ｂは要求出力が実際の出力と内燃機関の出力との合計出力よりも小さいか否かを判定する。そして、肯定判定であればステップＳ２に進み、否定判定であればステップＳ４に進む。ステップＳ３Ｂで、ＥＣＵ７０Ｂは要求出力が実際の出力と内燃機関の出力との合計出力以上であるか否かを判定する。そして、肯定判定であれば、ステップＳ４に進み、否定判定であればステップＳ２に戻る。

次に出力制御装置５０Ｆの作用効果について説明する。出力制御装置５０Ｆでは、ＥＣＵ７０Ｂが要求出力と、実際の出力と内燃機関の出力との合計出力とを比較し、開閉弁５２Ａの開閉状態を制御する。このため、出力制御装置５０Ｆは実際の出力を内燃機関の出力との合計出力というかたちで、応答性良く制御すると同時に、合計出力を要求出力に制御することができる。

具体的には、要求出力が合計出力よりも小さい場合に開閉弁５２Ａを開弁するとともに、要求出力が合計出力以上である場合に開閉弁５２Ａを閉弁することで、合計出力を要求出力に応答性良く制御することができる。また、内燃機関の出力を下限出力とすることで、スターリングエンジン１０Ｆの出力を好適に利用し、スターリングエンジン１０Ｆおよび内燃機関の全体としてのエネルギー効率を高めることができる。

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。
制御弁を制御するにあたり、制御手段は例えば通路部を流通する作動流体の流通を許可、禁止するように制御弁を制御してもよい。また、作動流体の流通を許可する際、全閉、全開の間の開度である中間開度で作動流体の流通を許可するように制御弁を制御してもよい。この点、スターリングエンジンの出力を制御するにあたり、全閉、全開および少なくとも１つ（好ましくは複数）の中間開度の間で制御弁を制御することで、出力の変動を抑制しつつ、応答性を高めることもできる。

スターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ
高温側気筒２０Ａ、２０Ｂ
低温側気筒３０
出力制御装置５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ、５０Ｆ
通路部５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ、５１Ｄ
高温側開口部５１ａＡ、５１ａＢ、５１ａＣ、５１ａＤ
低温側開口部５１ｂＡ、５１ｂＢ、５１ｂＣ、５１ｂＤ
開閉弁５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ
ＥＣＵ７０Ａ、７０Ｂ

Claims

２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンが備える高温側気筒と低温側気筒とを連通するとともに、高温側ピストンを備える前記高温側気筒の側に高温側開口部を、低温側ピストンを備える前記低温側気筒の側に低温側開口部を備え、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる通路部と、
前記通路部に設けられ、作動流体の流通を制御する制御弁と、を備え、
前記制御弁が、前記スターリングエンジンの加熱器を流通する作動流体の流量を減少させることで、前記スターリングエンジンの出力を制御し、
前記制御弁を回転駆動式の開閉弁とし、
前記制御弁が、回転動作によって作動流体の流通を許可、禁止するシール部を備えており、
前記シール部のうち、閉弁時に前記高温側気筒の側で作動流体の流通を禁止する高温側シール部の径が、前記シール部のうち、閉弁時に前記低温側気筒の側で作動流体の流通を禁止する低温側シール部の径よりも小さく設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンが備える高温側気筒と低温側気筒とを連通するとともに、高温側ピストンを備える前記高温側気筒の側に高温側開口部を、低温側ピストンを備える前記低温側気筒の側に低温側開口部を備え、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる通路部と、
前記通路部に設けられ、作動流体の流通を制御する制御弁と、を備え、
前記制御弁が、前記スターリングエンジンの加熱器を流通する作動流体の流量を減少させることで、前記スターリングエンジンの出力を制御し、
前記高温側開口部と前記低温側開口部との気筒延伸方向の幅が、前記通路部を流通する作動流体の流量を最大にする前記高温側ピストンおよび前記低温側ピストンの位相に対応させて設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
２気筒α型の排熱回収用のスターリングエンジンが備える高温側気筒と低温側気筒とを連通するとともに、高温側ピストンを備える前記高温側気筒の側に高温側開口部を、低温側ピストンを備える前記低温側気筒の側に低温側開口部を備え、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる通路部と、
前記通路部に設けられ、作動流体の流通を制御する制御弁と、を備え、
前記制御弁が、前記スターリングエンジンの加熱器を流通する作動流体の流量を減少させることで、前記スターリングエンジンの出力を制御し、
前記高温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅が、前記低温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅よりも小さく設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
請求項１または３に記載の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置であって、
前記高温側開口部と前記低温側開口部との気筒延伸方向の幅が、前記通路部を流通する作動流体の流量を最大にする前記高温側ピストンおよび前記低温側ピストンの位相に対応させて設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
請求項１記載の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置であって、
前記高温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅が、前記低温側開口部のうち、前記スターリングエンジンの気筒配列方向および気筒延伸方向に直交する方向の幅よりも小さく設定されている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
請求項１から５いずれか１項記載の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置であって、
前記スターリングエンジンの要求出力と、前記スターリングエンジンの実際の出力とを比較し、前記制御弁を制御する制御手段をさらに備える排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
請求項１から５いずれか１項記載の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置であって、
前記スターリングエンジンが、内燃機関の排気を高温熱源としており、
前記スターリングエンジンの要求出力と、前記スターリングエンジンの実際の出力と前記内燃機関の出力との合計出力とを比較し、前記制御弁を制御する制御手段をさらに備える排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。
請求項１から７いずれか１項記載の排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置であって、
前記高温側ピストンの上死点位置と、前記低温側ピストンの上死点位置とが揃えられている排熱回収用スターリングエンジンの出力制御装置。