(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動対象の原動機としての燃焼機関と、補機と、電動機と、発電機を駆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の作動ガスを加熱する高温熱源は前記燃焼機関の廃熱であり、前記発電機で発生した電力は、前記電動機および前記電動機に給電可能なバッテリに供給され、前記補機は前記電動機により駆動されることを特徴とする動力装置。
【請求項２】
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備えることを特徴とする請求項１記載の動力装置。
【請求項３】
前記補機は複数である所定数備えられて補機群を構成し、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の出力軸に連結され、前記クラッチの接続および非接続により、前記各補機が前記燃焼機関および前記電動機により択一的に駆動されると共に、前記電動機により駆動される前記補機の数が変更さ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ーリング機関と、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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発電機を駆動するスターリング機関として、特許文献１，２に開示されたものが知られている。特許文献１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補われて、スターリング熱機関の負荷が一定に保たれる。
【０００３】
また、特許文献２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バー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。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６４−７５８６５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２６６７０１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１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と考えられるが、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、特許文献２記載のスターリングエンジンでは、触媒コンバ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、スターリングエ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。
【０００６】
また、特許文献１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つために、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。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜３記載の発明は、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を目的とする。そして、請求項２記載の発明は、さらに、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を目的とし、請求項３記載の発明は、さらに、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を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
請求項１記載の発明は、駆動対象の原動機としての燃焼機関と、補機と、電動機と、発電機を駆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の作動ガスを加熱する高温熱源は前記燃焼機関の廃熱であり、前記発電機で発生した電力は、前記電動機および前記電動機に給電可能なバッテリに供給され、前記補機は前記電動機により駆動される動力装置である。
【０００９】
これによれば、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、補機は、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補機を駆動することができる。
【００１０】
この結果、請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、燃焼機関の廃熱を高温熱源とするスターリング機関で駆動される発電機から得られる電力により補機が駆動されるので、燃焼機関の燃料消費量が減少すると共に、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、バッテリからの電力により補機が駆動されるので、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が確保される。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の動力装置において、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備えるものである。
【００１２】
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。
【００１３】
この結果、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、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補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。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の動力装置において、前記補機は複数である所定数備えられて補機群を構成し、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の出力軸に連結され、前記クラッチの接続および非接続により、前記各補機が前記燃焼機関および前記電動機により択一的に駆動されると共に、前記電動機により駆動される前記補機の数が変更されるものである。
【００１５】
これによれば、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、しかもバ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。
【００１６】
この結果、請求項３記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、動力装置の補機が複数個ある場合にも、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、発電機およびバッテリから得られる電力が補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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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、「ＥＣＵ」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。
【００１８】
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、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から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前記ピストンにより回転駆動されるクランク軸１ａとを備える。クランク軸１ａ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。
【００１９】
また、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、スターリング機関４の加熱器２７１，２７２に供給されて、加熱器２７１，２７２から流出した後、大気中に放出される。
【００２０】
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。
【００２１】
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１ａに駆動連結され、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１ａ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とを駆動連結する第１伝動機構Ｔ１と、電動機２の回転軸２ａとパワステポンプ７の回転軸７ａ、ウォータポンプ８の回転軸８ａおよびオイルポンプ９の回転軸とを駆動連結する第２伝動機構Ｔ２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クラッチ１０とから構成される。
【００２２】
第１伝動機構Ｔ１は、クランク軸１ａと回転軸６ａと回転軸１６ａとを駆動連結すべくクランク軸１ａ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１ａ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クラッチ１３とを備える。また、第２伝動機構Ｔ２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べく回転軸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、補助発電機１６による発電が不要な場合に、クランク軸１ａによる補助発電機１６の回転駆動を停止するため、ＥＣＵ４０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。
【００２３】
電動機２は、発電機３およびバッテリ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Ｔ１を介してクランク軸１ａ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。
【００２４】
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の発電量およびバッテリ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、ＥＣＵ４０により制御される。そして、これらクラッチ１０，１３の接続状態および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。
【００２５】
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の全ての前記補機であるコンプレッサ６および各ポンプ７〜９がクランク軸１ａ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１ａ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、補機群Ａは、補機群Ａの全ての前記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。
【００２６】
そして、前記車両の走行および内燃機関１の運転に必須の補機である各ポンプ７〜９は、第２伝動機構Ｔ２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Ａ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。
【００２７】
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。
【００２８】
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２０１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２１１，２１２と、両シリンダ２１１，２１２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２１１，２１２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２４１，２４２およびパワーピストン２５１，２５２と、ディスプレーサピストン２４１，２４２およびパワーピストン２５１，２５２に連結されて、パワーピストン２５１，２５２により回転駆動されるクランク軸２６と、各機関２０１，２０２に属する加熱器２７１，２７２、再生器２８１，２８２および冷却器２９１，２９２とを備える。
【００２９】
各機関２０１，２０２において、シリンダ２１１，２１２内で、シリンダ２１１，２１２とディスプレーサピストン２４１，２４２との間に形成される可変容積空間である高温空間３０１，３０２と、ディスプレーサピストン２４１，２４２とパワーピストン２５１，２５２との間に形成される可変容積空間である低温空間３１１，３１２とは、加熱器２７１，２７２、再生器２８１，２８２および冷却器２９１，２９２にそれぞれ形成されるの流路を介して常時連通状態にある。そして、高温空間３０１，３０２、低温空間３１１，３１２および前記流路には、作動ガスとしての高圧のヘリウムガスが封入されている。
【００３０】
また、充填ガスである高圧のヘリウ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２４１，２４２およびパワーピストン２５１，２５２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、例えばスコッチヨーク機構を介してクランク軸２６に連結される。これら運動変換機構により、パワーピストン２５１，２５２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２４１，２４２の、シリンダ軸線に平行な往復運動に変換される。
【００３１】
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２７１，２７２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２０１の加熱器２７１に流入した後、加熱器２７１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２７１，２７２において、高温空間３０１，３０２と再生器２８１，２８２とを連通させる前記流路を形成する加熱管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。
【００３２】
一方、低温熱源により作動ガスを冷却する両冷却器２９１，２９２には、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った冷却水が、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を経てラジエータに向かって流出する。そして、各冷却器２９１，２９２において、低温空間３１１，３１２と再生器２８１，２８２とを連通させる前記流路を形成する冷却管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。
【００３３】
第１，第２機関２０１，２０２において、ディスプレーサピストン２４１，２４２は、パワーピストン２５１，２５２に対してほぼ９０°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２４１，２４２の間には１８０°の位相差が設定されている。これにより、各機関２０１，２０２において、ディスプレーサピストン２４１，２４２およびパワーピストン２５１，２５２による高温空間３０１，３０２および低温空間３１１，３１２の容積変化に応じて、作動ガスが、加熱器２７１，２７２、再生器２８１，２８２および冷却器２９１，２９２を通って高温空間３０１，３０２と低温空間３１１，３１２との間で流動する。そして、高温空間３０１，３０２の容積が大きくなるとき、両空間３０１，３１１；３０２，３１２内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２５１，２５２が駆動されて、クランク軸２６が回転駆動される。
【００３４】
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２０１側のクランク軸部分２６１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２６１，２６２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２６１，２６２に連結されることにより、両クランク軸部分２６１，２６２が発電機３を介して駆動連結される。
【００３５】
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びバッテリ５を充電するための電力として使用される。バッテリ５は、内燃機関１および前記車両の全ての電装品、例えばヘッドライトや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、ナビゲーショ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１４は、ＥＣＵ４０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、およびバッテリ５から電動機２および前記電装品への給電を制御する。
【００３６】
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。
【００３７】
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エ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、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。
【００３８】
そこで、ＥＣＵ４０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、ＥＣＵ４０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、これによっ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。
【００３９】
以下、図１，図４を参照して、ＥＣＵ４０によるスターリング機関４の出力制御およびクラッチ１０，１３の制御を中心に説明する。
【００４０】
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、「ＣＰＵ」という。）を有するＥＣＵ４０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、バッテリ５の電圧を検出する電圧センサ４３、加熱器２７１（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２９１，２９２（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。
【００４１】
前記運転状態センサは、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ローセンサ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。
【００４２】
また、ＥＣＵ４０のメモリには、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ための制御プログラムや各種マップが記憶されている。そして、ＥＣＵ４０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ＣＰＵ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。
【００４３】
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、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５の順で大きくなっている。
【００４４】
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２０１の加熱器２７１の入口での排気ガスの入口温度が高くなり、加熱器２７１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、熱エネルギが増加する。なお、図４の軸出力特性は、冷却器２９１，２９２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。
【００４５】
このことから、加熱器２７１，２７２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Ｎｏ１〜Ｎｏ５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エ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２９１，２９２に供給される冷却水の温度はほぼ一定に保たれる。
【００４６】
そこで、前記動力装置では、ＥＣＵ４０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。
【００４７】
先ず、第１機関２０１の加熱器２７１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。
【００４８】
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ＥＣＵ４０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ＥＣＵ４０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ＥＣＵ４０での演算および処理により構成される。
【００４９】
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び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補正が行われて、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２９１，２９２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ータとして補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補正係数が検索され、該補正係数で前記設定回転速度が補正される。
【００５０】
そして、ＥＣＵ４０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の負荷を制御すべく界磁調整器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ッ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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、ＥＣＵ４０によるクラッチ１０，１３の制御について説明する。
【００５３】
内燃機関１が低負荷運転域にあって、３つのポンプ７〜９および補機群Ａの全ての前記補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、ＥＣＵ４０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。
【００５４】
また、内燃機関１が中負荷運転域にあって、補機群Ａの全ての前記補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、ＥＣＵ４０は、クラッチ１０を非接続状態にし、クラッチ１３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。
【００５５】
さらに、内燃機関１が高負荷運転域にあって、補機群Ａの全ての前記補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、ＥＣＵ４０は、クラッチ１０，１３を非接続状態にして、補機群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１ａを電動機２で駆動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。
【００５６】
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、バッテリ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、バッテリ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。
【００５７】
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、ＥＣＵ４０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、ＥＣＵ４０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、クラッチ１０，１３の少なくとも一方を接続状態にする。
【００５８】
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、補機群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ので、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。
【００５９】
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、排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、軸出力特性におい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ので、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。
【００６０】
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１ａ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およびポンプ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ことにより、補機群Ａを構成する４つの補機のうち、発電機３の発電量が全ての前記補機を電動機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補機の数を変更することで、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により補機を駆動され、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が駆動されるので、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、しかもバッテリ５の電力も補機を駆動するには十分でないときには、補機群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。
【００６１】
補機群Ａのうち、前記車両の走行および内燃機関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の全ての前記補機のうち、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とにより、内燃機関１の燃料消費量の増加を極力抑制することができるので、走行燃費が改善される。
【００６２】
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２９１，２９２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い場合にも、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２９１，２９２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。
【００６３】
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ってもよい。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であったが、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２０１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よび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。
【００６４】
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１ａであったが、クランク軸１ａ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。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。
【００６５】
前記実施例では、第１機関の加熱器２７１から流出した排気ガスが、第２機関の加熱器２７１に流入するように構成されたが、両機関の加熱器２７１，２７２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、前記入口温度および前記質量流量は、排気ガスの、両加熱器２７１，２７２の入口でのものとなる。
【００６６】
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ったが、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い。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】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】図１のスターリング機関の縦断面図である。
【図３】図２のスターリング機関の平面図である。
【図４】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。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…電動機、３…発電機、４…スターリング機関、５…バッテリ、６…コンプレッサ、７…パワステポンプ、８…ウォータポンプ、９…オイルポンプ、１０…クラッチ、１１…被動軸、１２…伝達機構、１３…クラッチ、１４…制御器、１５…界磁調整器、１６…補助発電機、１７…クラッチ、
２０１…第１機関、２０２…第２機関、２１１，２１２…シリンダ、２２…クランクケース、２３…クランク室、２４１，２４２…ディスプレーサピストン、２５１，２５２…パワーピストン、２６…クランク軸、２７１，２７２…加熱器、２８１，２８２…再生器、２９１，２９２…冷却器、３０１，３０２…高温空間、３１１，３１２…低温空間、３２…供給管、３３…排出管、３４…供給管、３５…排出管、
４０…ＥＣＵ、４１…回転速度センサ、４２…発電量センサ、４３…電圧センサ、４４，４５…温度センサ、４６…回転速度センサ、４７…エアフローセンサ、４８…負荷センサ、４９…機関温度センサ、５０…大気温センサ、
Ａ…補機群、Ｔ…伝動機構、Ｎ…機関回転速度、Ｌ…軸出力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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