(57)【要約】【課題】            本発明は、内燃機関の排ガスを高熱源とするスターリング機関において、このスターリング機関に供給する内燃機関の排ガスエネルギーを定要量以下に制限することができるようにしたスターリング機関に関するものである。【解決手段】          内燃機関１の排ガスを高熱源とするスターリング機関10において、前記内燃機関１の排ガス通路２は、前記スターリング機関10の加熱器に通ずる主排ガス通路４と、該スターリング機関10の加熱器を迂回するバイパス排ガス通路５とよりなり、前記主排ガス通路４とバイパス排ガス通路５との上流側分岐部に、排ガスを該主排ガス通路およびバイパス排ガス通路にそれぞれ所要量分配する排ガス分配手段８を備えたことを特徴とするスターリング機関である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスを導く排気ガス通路が、スターリング機関の熱交換器に通ずる主排気ガス通路と、この主排気ガス通路を迂回するバイパス排気ガス通路に分岐され、
前記主排気ガス通路とバイパス排気ガス通路との上流側分岐部に、前記スターリング機関の保護機能を有する排気ガス流量制御弁が配設されたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
前記排気ガス流量制御弁は、前記内燃機関およびスターリング機関の運転状態に基づき制御されることを特徴とする請求項１記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスを高熱源とするスターリング機関の運転を保護する機能を具備したスターリング機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示されるような一般のスターリング機関では、燃焼器にて燃料を燃焼させた燃焼ガスを高熱源としているため、燃焼器で発生する発熱量を自己制御でき、しかも、スターリング機関の入力は、燃焼器における発熱量に大きく依存する結果、スターリング機関の出力制御は容易であった。
【０００３】
また、特許文献２に示されるように、燃焼器を具備していないスターリング機関においては、太陽熱、地熱、工場廃熱の如き比較的安定した発熱量の発熱体を高温源としているため、スターリング機関の入熱量を制御する必要性が低かった。
【０００４】
さらに、内燃機関から排出される排気ガスのエネルギーを回収して、自動車の補機駆動電力を得るために、内燃機関の排気ガスをスターリング機関の高熱源とするとともに、内燃機関の冷却水をスターリング機関の低熱源とし、スターリング機関の回転軸に発電機のロータを連結したスターリング機関（特許文献３）があった。
【０００５】
特許文献３に示されるような補機駆動電力発電用のスターリング機関では、自動車用内燃機関の出力領域は、４馬力程度から２００馬力程度と極めて広く、排気ガスが有する廃熱量エネルギーも、それに対応して大巾に変動する。
【０００６】
しかし、高出力で内燃機関を運転する頻度は頗る稀であり、内燃機関の最高出力時に、その大きな廃熱エネルギーでも破損しないように、スターリング機関を頑丈に構成すると、運動系部品が頑丈になり、また高温高圧の作動ガスに耐えるようにスターリング機関のケースが厚くなって重量が増大するとともにコストが上昇し、摩擦損失が大きくなって定格運転時の効率が低下するという不具合があった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２２１０８８号公報
【特許文献２】特開２００３−  １３８０５号公報
【特許文献３】特開２００２−２６６７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の大巾な出力増加に影響されずに正常に運転することができる小型、軽量で安価なスターリング機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、内燃機関の排気ガスを導く排気ガス通路が、スターリング機関の熱交換器に通ずる主排気ガス通路と、この主排気ガス通路を迂回するバイパス排気ガス通路に分岐され、前記主排気ガス通路とバイパス排気ガス通路との上流側分岐部に、前記スターリング機関の保護機能を有する排気ガス流量制御弁が配設されたことを特徴とするスターリング機関である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記排気ガス流量制御弁は、前記内燃機関およびスターリング機関の運転状態に基づき制御されることを特徴とする請求項１記載のスターリング機関である。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明においては、内燃機関の出力が通常の運転出力に比べて大巾に増加して、内燃機関の排気ガスエネルギが著しく増大した場合に、保護機能を有する排気ガス流量制御弁の動作でもって、内燃機関の排気ガス流量の内、バイパス排気ガス通路を流れるバイパス排気ガス流量が増大し、これに対応してスターリング機関に通ずる主排気ガス通路を流れる主排気ガス流量が減少するため、内燃機関から発生する大きな排気ガスエネルギーによるスターリング機関が高負荷に耐える必要がなくなり、その結果、スターリング機関の回転軸周りの伝達機構や、スターリング機関のピストンの耐荷重が軽減されることにより、スターリング機関の軽量化、小型化およびコストダウンが可能となる。
【００１２】
また、スターリング機関の回転軸周りの運動部品が軽減されることにより、動力伝達機構の動力伝達ロスが減少し、スターリング機関による発電効率が向上する。
【００１３】
さらに、スターリング機関の回転軸周りの部品が小型化することで、スターリング機関のクランクケースが小さくなり、スターリング機関のクランク室壁の薄肉化によっても、このクランク室の耐圧性が保持されて、この面でのスターリング機関の小型化、軽量化とコストダウンが可能となる。
【００１４】
さらにまた、スターリング機関への負荷の軽減でもって、スターリング機関の作動ガス温度と圧力を低下させることができるため、スターリング機関の熱交換器の耐圧性や、スターリング機関構造材の耐熱性や耐圧性の基準を下げることができ、薄肉化による小型化、軽量化が可能となるとともに、安価な材料の選定で、コストダウンが可能となる。
【００１５】
しかも、スターリング機関は高出力を必要としないため、スターリング機関の回転数を制御する発電機の必要トルクが軽減し、発電機の小型化、軽量化とコストダウンが可能となる。
【００１６】
また、請求項２記載の発明によれば、内燃機関およびスターリング機関の運転状態に基づき排気ガス流量制御弁が制御されるため、耐久性に考慮が払われた上で、最高の効率でスターリング機関が運転することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１ないし図２に図示された本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
本発明が適用される動力装置は、水冷式多気筒の内燃機関１と、内燃機関１の排気ガスで駆動されるスターリング機関２と、スターリング機関２のクランク軸23に回転子が直結された電動機および発電機の機能を有する電動発電機３と、電動発電機３で発電された電力を充電し、充電された電力で電動発電機３を駆動するよう放電するバッテリ４と、制御装置（以下、「ＥＣＵ」と称する）５とを具備し、前記動力装置は車両に搭載されて、内燃機関１は該車両を駆動するようになっている。前記電動発電機３は、スターリング機関２により駆動される負荷機器であると共にバッテリ４からの電力の供給を受けてスターリング機関２を駆動する駆動機器でもある。
【００１９】
前記内燃機関１では、複数のシリンダに往復動可能に嵌合されるピストンにより回転駆動され、動力伝達装置を介して前記車両の駆動輪に動力を伝達させるクランク軸と、燃料噴射弁等の燃料供給装置から供給された燃料が混合されて混合気を形成する吸入空気を燃焼室に導く吸気装置と、燃料が燃焼室内で燃焼して発生する燃焼ガスを排気ガスとして内燃機関１の外部に導く排気管６を備えた排気装置とを具備している。
【００２０】
また、前記排気管６には、排気ガスを浄化する触媒を内臓した排気浄化装置７が介装され、これより下流側で排気管６は、主排気ガス通路を構成する主排気ガス管８と、この主排気ガス通路を迂回するバイパス通路を構成するバイパス排気ガス管９とに分岐され、この上流側分岐部には、主排気ガス管８内を流れる主排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁10が設けられ、この排気ガス流量制御弁10は、排気ガス流量制御弁10の弁体10ａの下流端が分岐部に枢着されており、弁体10ａの上流端が主排気ガス管８またはバイパス排気ガス管９側に向って揺動して、主排気ガス管８およびバイパス排気ガス管９をそれぞれ流れる排気ガス流量が調整されるとともに、弁体10ａの上流端が主排気ガス管８の内壁面に接触した場合には、主排気ガス管８が全閉されかつバイパス排気ガス管９が全開され、あるいは弁体10ａの上流端がバイパス排気ガス管９の内壁面に接触した場合には、バイパス排気ガス管９が全閉されかつ主排気ガス管８が全開されるようになっている。
【００２１】
さらに、主排気ガス管８およびバイパス排気ガス管９内を流れる排気ガスが合流するように、主排気ガス管８およびバイパス排気ガス管９の下流端は相互に合わせられて下流側排気管11に接続され、この下流側排気管11に消音器12が介装されており、排気管６内を流れた排気ガスは主排気ガス管８およびバイパス排気ガス管９に分流された後、再び、下流側排気管11内にて合流され、消音器12を経由して大気中に放出されるようになっている。
【００２２】
内燃機関１から排出される排気ガスを高熱源とするスターリング機関２は、シリンダ20と、シリンダ20と一体化されたクランクケース21と、クランクケース21により形成されたクランク室22内にて回転自在に枢支されたクランク軸23と、シリンダ20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24およびパワーピストン25と、ディスプレーサピストン24がパワーピストン25に対して約９０°進んだ位相差関係で、ディスプレーサピストン24およびパワーピストン25をクランク軸23に連結する周知のクロスヘッド機構、ロンビック機構、またはスコッチヨーク機構の如き連結機構26と、加熱器27と、再生器28と、冷却器29とを具備しており、加熱器27、再生器28および冷却器29で熱交換器が構成されている。
【００２３】
スターリング機関２のシリンダ20内では、シリンダ20とディスプレーサピストン24との間に形成される可変容積空間である高温空間30と、ディスプレーサピストン24とパワーピストン25との間に形成される可変容積空間である低温空間31とは、加熱器27、再生器28および冷却器29にそれぞれ形成された流路を介して常時連通状態にあり、高温空間30、低温空間31および前記流路には、作動ガスとしての１００気圧程度の高圧のヘリウムガスが封入され、加熱器27と高温空間30とは、連通路32を介して相互に連通されるとともに、冷却器29と低温空間31とは連通路33を介して相互に連通されている。
【００２４】
また、スターリング機関２の高温熱源は、内燃機関１より排気管６を介して主排気ガス管８内を流れる排気ガスであり、この排気ガスは、加熱器27においてスターリング機関２内の作動ガスと熱交換し、高温空間30内の作動ガスは加熱される。
【００２５】
さらに、スターリング機関２の低温熱源は、内燃機関１の発熱部を冷却する冷却水であり、この冷却水は、図示されない冷却回路を介してスターリング機関２内の冷却器29に供給され、冷却器29においてスターリング機関２の低温空間31内の作動ガスと熱交換し、低温空間31内の作動ガスは冷却される。
【００２６】
前記電動発電機３には、電動発電機３が発電機として機能するときのスターリング機関２の負荷Ｌｓを制御する負荷制御手段としての界磁調整器13が設けられており、この界磁調整器13により界磁電流が調整されて電動発電機３の発電時の負荷、すなわち、スターリング機関２の負荷Ｌｓが制御される。
【００２７】
また、電動発電機３で発生した電力により充電されるバッテリ４は、内燃機関１および前記車両の全ての電装品に給電可能であり、電圧調整器やインバータなどを備えるバッテリ制御器14は、ＥＣＵ５により制御されて、電動発電機３で発生した電力によるバッテリ４の充電と、バッテリ４から電動発電機３および前記電装品への給電とを制御するようになっている。
【００２８】
次に、ＥＣＵ５によるスターリング機関２の運転制御について説明する。
【００２９】
図１において、スターリング機関２の運転制御システムは、ＥＣＵ５の外に、スターリング機関２のスターリング機関回転速度Ｎｓをクランク軸23の回転に基づいて検出するスターリング機関回転速度検出手段15と、界磁調整器13の界磁電流を検出することによりスターリング機関２の負荷Ｌｓを検出する負荷検出手段16と、主排気ガス管８内を流れてスターリング機関２の加熱器27に流入する以前の排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段17と、高温空間30内の作動ガス温度を検出する高温ガス空間温度検出手段18とを具備している。
【００３０】
以下、図２のフローチャートを参照して、内燃機関の運転時に、ＥＣＵ５により実行されるバイパス排気ガス通路流量の制御によるスターリング機関の回転速度制御ルーチンを説明する。
【００３１】
ステップＳ１では、停止状態にあった内燃機関１が始動して、内燃機関１が運転中または、内燃機関停止後、所定時間（例えば９０秒）内であるか否かが、例えば内燃機関１の機関回転速度または、タイマーに基づいて判断され、運転中または内燃機関停止後、所定時間内でないときは、このルーチンは終了する。
【００３２】
ステップＳ１での判断が肯定されると、ステップＳ２では、排気ガス温度検出手段17により検出された排気ガス温度Ｔが読込まれた後、ステップＳ３に進んで、排気ガス温度Ｔが所定温度Ｔｃ以下か否かが判断される。この所定温度Ｔｃは、スターリング機関２が正常に運転できるか否かを区別する温度であり、スターリング機関２が破壊または故障を起さない程度の高温ガス空間温度に設定される。
【００３３】
ステップＳ３の判断が肯定されて、排気ガス温度Ｔが所定温度Ｔｃ以下であり、スターリング機関２が正常に運転できると判断されると、ステップＳ４で、スターリング機関回転速度検出手段15により検出されたスターリング機関２の回転速度Ｎｓが読込まれる。そして、ステップＳ５に進んで、スターリング機関回転速度Ｎｓが最大回転速度Ｎｓｍａｘ以下であるか否かが判断され、その判断が肯定されるとき、ステップＳ６に進んで、高温ガス空間温度検出手段18により検出された高温空間30内の高温ガス空間温度ＴＨが読込まれた後、ステップＳ７に進んで、高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓ以下であるか否か判断され、その判断が肯定されると、ステップＳ８に進み、排気ガス流量制御弁10の動作で弁体10ａがバイパス排気ガス管９へ揺動して、バイパス排気ガス管９へのバイパス流量が減少し、主排気ガス管８への排気ガス流量が増大するように制御され、スターリング機関回転速度Ｎｓが最大回転速度Ｎｓｍａｘと等しくなる迄、スターリング機関回転速度Ｎｓが増大し、スターリング機関２の出力が増加する。
【００３４】
また、ステップＳ７で、高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓ以下であるか否か判断され、その判断が否定されて、高温空間30の高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓを越えるときは、ステップＳ９に進み、界磁調整器13に供給される界磁電流量を減少させることにより、発電機負荷ＬＳが所定量ΔＬ２だけ減少するように、スターリング機関２が制御される。この結果、負荷ＬＳの減少により、機関回転速度Ｎｓが上昇する。
【００３５】
さらに、ステップＳ５での判断が否定されて、スターリング機関回転速度Ｎｓが最大回転速度Ｎｓｍａｘ越えるときは、ステップＳ１０に進み、界磁調整器13に供給される界磁電流量を増加させることにより、発電機負荷ＬＳが所定量ΔＬ１だけ増大するように、スターリング機関２が制御される。ステップＳ１０を経過した後、ステップ１１に進み、発電機負荷ＬＳが読込まれ、ステップＳ１２に進んで、発電機負荷ＬＳが発電機の負荷限界ＬＭ以下であるか否か判断され、その判断が肯定されるとき、ステップＳ１３に進み、高温空間30内の高温ガス空間温度ＴＨが読込まれた後、ステップＳ１４に進んで、高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓ以下であるか否か判断され、その判断が肯定されると、ステップＳ２に戻る。
【００３６】
さらにまた、ステップＳ１２で、発電機負荷ＬＳが発電機の負荷限界ＬＭ以下であるか否かの判断が否定されると、ステップＳ１５に進み、排気ガス流量制御弁10の弁体10ａが主排気ガス管８側に揺動するように排気ガス流量制御弁10が動作して、バイパス排気ガス通路流量が増大し、主排気ガス管８への排気ガス流量が減少するように制御される。この結果、バイパス流量増大に伴なう主排気ガス管８への排気ガス流量の減少により、スターリング機関回転速度Ｎｓが減少し、スターリング機関２の出力が低下する。
【００３７】
また、ステップＳ１４で、高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓ以下であるか否か判断され、その判断が否定されると、ステップＳ１５に進み、排気ガス流量制御弁10の弁体10ａが主排気ガス管８側に揺動するように排気ガス流量制御弁10が動作して、バイパス排気ガス通路流量が増大し、主排気ガス管８への排気ガス流量が減少するように制御される。この結果、バイパス流量増大に伴なう主排気ガス管８への排気ガス流量の減少により、発電機負荷ＬＳが減少し、スターリング機関２の出力が低下する。
【００３８】
さらに、ステップＳ３の判断で、排気ガス温度Ｔが所定温度Ｔｃを越えたと判断されたときは、ステップＳ１５に進み、排気ガス流量制御弁10の弁体10ａが主排気ガス管８側に揺動するように排気ガス流量制御弁10が動作して、バイパス流量増大に伴なう主排気ガス管８への排気ガス流量の減少により、スターリング機関２の出力が低下する。
【００３９】
図１ないし図２に図示の実施形態は、前述したように構成されているので、内燃機関１の出力が低い状態では、バイパス排気ガス管９は全閉されて、バイパス排気ガス管９内のバイパス排気流量は零となり、または、排気ガス流量制御弁10によってバイパス排気ガス管９内を流れるバイパス排気ガス流量は少ない。
【００４０】
そして、内燃機関１の出力が増加した場合、バイパス排気ガス管９への排気ガス分配量を増加させることによって、主排気ガス管８への排気ガス分配量を低下させ、スターリング機関２への入熱量を所要範囲内に制限できる。
【００４１】
また、スターリング機関２の回転速度Ｎｓが増大して最大回転速度Ｎｓｍａｘを越えた場合には、界磁調整器13により界磁電流が増大されて電動発電機３の負荷、すなわちスターリング機関２の負荷Ｌｓが増大し、バイパス排気ガス流量が増大し、これに対応して主排気ガス流量が低下し、スターリング機関２の出力が低下する。
【００４２】
さらに、スターリング機関２の回転速度Ｎｓが最大回転速度Ｎｓｍａｘを越えないが、高温空間30内の高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓを越えた場合には、界磁調整器13により界磁電流が減少されて電動発電機３の負荷、すなわちスターリング機関２の負荷Ｌｓが減少し、スターリング機関２の回転速度が増大して、高温空間30内の高温ガス空間温度ＴＨが低下し、スターリング機関２が保護される。
【００４３】
さらにまた、スターリング機関２の回転速度Ｎｓが最大回転速度Ｎｓｍａｘを越え、かつ高温空間30内の高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓを越えた場合には、排気ガス流量制御弁10の弁体10ａが主排気ガス管８側に揺動するように排気ガス流量制御弁10が動作して、主排気ガス管８への排気ガス流量が減少するように制御され、スターリング機関２が保護される。
【００４４】
このように、前記実施形態では、内燃機関１の出力が通常の運転出力に比べて大巾に増加して、内燃機関１の排気ガス温度が著しく増大した場合に、排気ガス流量制御弁10の動作でもって、内燃機関１の排気ガス流量の内、バイパス排気ガス管９を流れるバイパス排気ガス流量が増大し、これに対応してスターリング機関２に通ずる主排気ガス管８を流れる主排気ガス流量が減少するため、内燃機関１から発生する大きな排気ガスエネルギーによるスターリング機関２の高負荷に耐える必要がなくなる結果、スターリング機関２のクランク軸23周りの連結機構26や、スターリング機関２のディスプレーサピストン24、パワーピストン25の耐荷重が軽減されることにより、スターリング機関２の軽量化、小型化およびコストダウンが可能となる。
【００４５】
そして、スターリング機関２の回転速度Ｎｓが最大回転速度Ｎｓｍａｘ以下で、かつ高温空間30内の高温ガス空間温度ＴＨが最大高温ガス空間温度Ｔｓ以下の場合、バイパス排気ガス管９への排気ガス流量が減少する、すなわち主排気ガス管８への排気ガス流量が増大し、排気ガスのエネルギーがスターリング機関２によって有効に回収される。
【００４６】
また、スターリング機関２のクランク軸23周りの運動部品が軽減されることにより、連結機構26の動力伝達ロスが減少し、スターリング機関による発電効率が向上する。
【００４７】
さらに、スターリング機関２のクランク軸23周りの部品が小型化することで、スターリング機関２のクランクケース21が小さくなり、スターリング機関２のクランクケース21の薄肉化によっても、このクランク室22の耐圧性が保持されて、この面でのスターリング機関２の小型化、軽量化とコストダウンが可能となる。
【００４８】
さらにまた、スターリング機関２への負荷の軽減でもって、スターリング機関２の作動ガス温度と圧力を低下させることができるため、スターリング機関２の熱交換器たる加熱器27、再生器28、冷却器29の耐圧性や、スターリング機関構造材の耐熱性や耐圧性の基準を下げることができ、薄肉化による小型化、軽量化が可能となるとともに、安価な材料の選定で、コストダウンが可能となる。
【００４９】
しかも、スターリング機関２は高出力を必要としないため、スターリング機関２の回転数を制御する電動発電機３の必要トルクが軽減し、電動発電機３の小型化、軽量化とコストダウンが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
前記実施形態では、主排気ガス管８内を流れる内燃機関１の排気ガス温度を測定することにより、主排気ガス管８内を流れる内燃機関１の排気ガスの熱量を測定したが、主排気ガス管８内を流れる内燃機関１の排気ガス熱量を合わせて測定することにより、この排気ガス熱量をより正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明スターリング機関の最良の形態の説明図である。
【図２】図１に図示のスターリング機関の運転時の制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１…内燃機関、２…スターリング機関、３…電動発電機、４…バッテリ、５…ＥＣＵ、６…排気管、７…排気浄化装置、８…主排気ガス管、９…バイパス排気ガス管、10…排気ガス流量制御弁、11…下流側排気管、12…消音器、13…界磁調整器、14…バッテリ制御器、15…スターリング機関回転速度検出手段、16…負荷検出手段、17…排気ガス温度検出手段、18…高温ガス空間温度検出手段、
20…シリンダ、21…クランクケース、22…クランク室、23…クランク軸、24…ディスプレーサピストン、25…パワーピストン、26…連結機構、27…加熱器、28…再生器、29…冷却器、30…高温空間、31…低温空間、32…連通路、33…連通路。
【図１】
2005113810.tif 000003
【図２】
2005113810.tif 000004