(57)【要約】【課題】熱機関の排熱を回収する際に、排熱回収対象である熱機関の出力低下を抑制すること。【解決手段】この排熱回収装置１０は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘから熱エネルギーを回収するスターリングエンジン１００と、クラッチ６とを備える。クラッチ６は、内燃機関１の出力軸１ｓとスターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０とを断続する。スターリングエンジン１００を起動する前にはクラッチ６が開放されて、内燃機関１の出力軸１ｓとスターリングエンジン１００のクランク軸１１０との接続を切り離す。そして、スターリングエンジン１００が少なくとも自立運転可能になった場合にクラッチ６が係合して、内燃機関１の出力軸１ｓとスターリングエンジン１００のクランク軸１１０とを接続する。【選択図】        図４
2007231858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収する排熱回収手段と、
前記熱機関を起動するときには、前記熱機関の出力軸と前記排熱回収手段の出力軸との接続を切り離す動力断続手段と、
を含むことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
前記動力断続手段は、
前記排熱回収手段が少なくとも自立運転可能になった場合に、前記熱機関の出力軸と前記排熱回収装置の出力軸とを接続することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
前記動力断続手段は、
前記排熱回収手段が備えるヒータの温度が、予め定めた所定の起動時目標ヒータ温度よりも高くなった場合に、前記排熱回収手段が自立運転可能であると判定することを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
【請求項４】
前記動力断続手段は、
前記ヒータに流入する前記排ガスの温度が、予め定めた所定の起動時目標ヒータ温度よりも高くなった時点から算出した、前記ヒータに流入する前記排ガスの温度と前記起動時目標ヒータ温度との差の時間積分値が、予め定めた目標判定値よりも大きくなった場合に、前記排熱回収手段が自立運転可能であると判定することを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
【請求項５】
前記起動時目標ヒータ温度は、
前記排熱回収手段を起動した後における前記ヒータの温度が、前記排熱回収手段を起動する際における前記排熱回収手段の起動回転数で、前記排熱回収手段が少なくとも自立運転する際に要求される前記ヒータの温度を下回らないように決定されることを特徴とする請求項３又は４に記載の排熱回収装置。
【請求項６】
前記起動時目標ヒータ温度は、
前記起動回転数において、前記排熱回収手段が少なくとも自立運転する際に要求される前記ヒータの温度、及び、
前記排ガスが前記ヒータに供給されているが前記排熱回収手段が停止しているときにおける前記ヒータの温度と、前記排熱回収手段が前記起動回転数で定常運転している場合における前記ヒータの温度との差を加算した値であることを特徴とする請求項５に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関の排熱を回収する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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としては、例えば、理論熱効率に優れたスターリングエンジンがある。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、先に起動したスターリングエンジンを用いて内燃機関を起動する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５１８４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示されているスターリングエンジンは、スターリングエンジンの熱源としてバーナー等を用いており、内燃機関の排ガスを熱源とした排熱回収装置として用いられるものではない。また、特許文献１に開示されているスターリングエンジンの動力は、空調装置等を駆動するために用いられるものであって、内燃機関の動力とともに取り出されるものではない。
【０００５】
このため、特許文献１に開示されている技術を、熱機関（例えば内燃機関）の排熱回収に適用し、熱源を熱機関の排ガスのみとした場合、熱機関の起動時には、排熱回収手段（例えばスターリングエンジン）を自立運転させるために必要な熱エネルギーを得ることができないことがある。そして、排熱回収手段の動力を熱機関の動力とともに取り出す場合には、排熱回収手段が自立運転できないと、排熱回収手段から動力を得るどころではなく、逆に排熱回収対象である熱機関の負荷となってしまう。その結果、熱機関の出力低下を招くおそれがある。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱機関の排熱を回収する際に、排熱回収対象である熱機関の出力低下を抑制できる排熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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する排熱回収手段と、前記熱機関を起動するときには、前記熱機関の出力軸と前記排熱回収手段の出力軸との接続を切り離す動力断続手段と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
この排熱回収装置は、排熱回収対象である熱機関の出力軸と、排熱回収手段の出力軸との間に動力断続手段を設ける。そして、排熱回収対象である熱機関を起動するときには、動力断続手段によって熱機関の出力軸と排熱回収手段の出力軸との接続を切り離す。これによって、排熱回収機関が熱機関の起動時の動力を吸収することがなくなるので、熱機関を起動する際に、当該熱機関の出力低下を抑制することができる。
【０００９】
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、前記動力断続手段は、前記排熱回収手段が少なくとも自立運転可能になった場合に、前記熱機関の出力軸と前記排熱回収装置の出力軸とを接続することを特徴とする。
【００１０】
この排熱回収装置は、排熱回収装置を起動する際には、排熱回収装置が少なくとも自立運転可能になった場合に動力断続手段を係合して、熱機関の動力によって排熱回収装置を起動する。これによって、排熱回収装置は、起動直後から自立運転ができるので、排熱回収装置が熱機関の負荷となることはない。その結果、熱機関の排熱を回収する際に、熱機関の出力低下を抑制することができる。
【００１１】
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、前記動力断続手段は、前記排熱回収手段が備えるヒータの温度が、予め定めた所定の起動時目標ヒータ温度よりも高くなった場合に、前記排熱回収手段が自立運転可能であると判定することを特徴とする。
【００１２】
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、前記動力断続手段は、前記ヒータに流入する前記排ガスの温度が、予め定めた所定の起動時目標ヒータ温度よりも高くなった時点から算出した、前記ヒータに流入する前記排ガスの温度と前記起動時目標ヒータ温度との差の時間積分値が、予め定めた目標判定値よりも大きくなった場合に、前記排熱回収手段が自立運転可能であると判定することを特徴とする。
【００１３】
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、前記起動時目標ヒータ温度は、前記排熱回収手段を起動した後における前記ヒータの温度が、前記排熱回収手段を起動する際における前記排熱回収手段の起動回転数で、前記排熱回収手段が少なくとも自立運転する際に要求される前記ヒータの温度を下回らないように決定されることを特徴とする。
【００１４】
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、前記起動時目標ヒータ温度は、前記起動回転数において、前記排熱回収手段が少なくとも自立運転する際に要求される前記ヒータの温度、及び、前記排ガスが前記ヒータに供給されているが前記排熱回収手段が停止しているときにおける前記ヒータの温度と、前記排熱回収手段が前記起動回転数で定常運転している場合における前記ヒータの温度との差を加算した値であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明は、熱機関の排熱を回収する際に、排熱回収対象である熱機関の出力低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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、排熱回収手段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、排熱回収手段としては、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。
【００１７】
この実施形態は、熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収する排熱回収手段と、熱機関の出力軸と排熱回収装置の出力軸との間に設けられる動力断続手段とを含んで構成され、排熱回収対象である熱機関を起動するとき（排熱回収装置を起動する前）には、動力断続手段が、熱機関の出力軸と排熱回収装置の出力軸との接続を切り離す点に特徴がある。まず、この実施形態に係る排熱回収手段の構成を説明する。
【００１８】
図１は、この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。図３は、ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収手段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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、内燃機関の排ガス通路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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、高温側ピストン１０３と高温側シリンダ１０１とのクリアランスｔｃは、高温側ピストン１０３等の全周にわたって数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０２も同様の構成である。高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３と低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。
【００２６】
高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コンロッド１０９によって出力軸であるクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。なお、コンロッド１０９は、図３に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）１１３によって支持してもよい。このようにすれば、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４を略直線状に往復運動させることができる。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１１３によって支持すれば、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによって十分にピストンを支持することができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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の出力は、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。なお、この実施形態において、フレキシブルカップリング１１８には、オルダムカップリングを使用している。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。
【００２９】
図４は、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す全体図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収手段と、熱機関の出力軸と排熱回収手段の出力軸との間に設けられて、両者を断続する動力断続手段とを含んで構成される。この実施形態においては、排熱回収手段として、上述したスターリングエンジン１００を用い、また、熱機関としてはレシプロ式の内燃機関１を用いる。そして、動力断続手段としては、クラッチ６を用いる。
【００３０】
スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、内燃機関１の排気通路２内に配置される。なお、排気通路２内には、スターリングエンジン１００の再生器（図１参照）１０６を配置してもよい。スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、排気通路２に設けられる中空のヒータケース３内に設けられる。ヒータケース３の入口（ヒータ入口）１０５ｉ側には、ヒータ１０５に流入する排ガスＥｘの温度を測定する排ガス温度計４０が設けられる。また、ヒータ１０５の出口（ヒータ出口）１０５ｏ側には、ヒータ１０５の温度を測定するヒータ温度計４１が設けられる。
【００３１】
この実施形態において、スターリングエンジン１００を用いて回収した排ガスＥｘの熱エネルギーは、スターリングエンジン１００で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０には、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられており、スターリングエンジン１００の動力はクラッチ６を介して排熱回収装置用変速機５に伝達される。内燃機関１の出力軸１ｓは、内燃機関用変速機４に入力される。そして、内燃機関用変速機４は、内燃機関１の動力と、排熱回収装置用変速機５から出力されるスターリングエンジン１００の動力とを合成して、出力軸７に出力する。ここで、内燃機関１の機関回転数は、内燃機関１の出力軸１ｓの近傍に設けられる内燃機関回転数センサ４２によって計測される。
【００３２】
上記クラッチ６は、内燃機関用変速機４と排熱回収装置用変速機５とを介して、内燃機関１の出力軸１ｓと、スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０との間に設けられる。そして、必要に応じて、内燃機関１の出力軸１ｓとスターリングエンジン１００のクランク軸１１０の機械的な接続を断続する。クラッチ６は、この実施形態に係る排熱回収装置の起動制御装置３０によって制御される。なお、後述するように、この実施形態において、起動制御装置３０は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０の内部に備えられる。
【００３３】
ここで、排熱回収装置用変速機５は、入力軸５ｓに対する出力軸の変速比を変更できるように構成される。スターリングエンジン１００の回転数は急激に変化させることが難しいが、前記変速比を変更できるようにして、内燃機関１の機関回転数の広い範囲で、スターリングエンジン１００の動力と内燃機関１の動力とを合成できる。次に、この実施形態に係る排熱回収装置１０の制御に用いる排熱回収装置の起動制御装置３０を説明する。
【００３４】
図５は、この実施形態に係る排熱回収装置の起動制御に用いる起動制御装置の構成を示す説明図である。図５に示すように、この実施形態に係る起動制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。機関ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力及び出力ポート５５、５６と、入力及び出力インターフェイス５７、５８とから構成される。
【００３５】
なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、この実施形態に係る起動制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、この実施形態に係る起動制御を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ５０が備える、スターリングエンジン１００等に対する制御機能を、前記起動制御装置３０が利用できるように構成してもよい。
【００３６】
起動制御装置３０は、起動条件判定部３１と、起動部３２とを含んで構成される。これらが、この実施形態に係る起動制御を実行する部分となる。この実施形態において、起動制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５０ｐの一部として構成される。また、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関制御部５３ｈが備えられており、これによって内燃機関１の運転を制御する。
【００３７】
ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４1〜５４3を介して、入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、起動制御装置３０を構成する起動条件判定部３１と起動部３２とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、起動制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０が有する内燃機関１やスターリングエンジン１００等の運転制御データを取得し、これを利用することができる。また、起動制御装置３０は、この実施形態に係る起動制御を機関ＥＣＵ５０が予め備えている運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００３８】
入力ポート５５には、入力インターフェイス５７が接続されている。入力インターフェイス５７には、排ガス温度計４０、ヒータ温度計４１、内燃機関回転数センサ４２その他の、起動制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファー５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、内燃機関１の運転制御や、起動制御に必要な情報を取得することができる。
【００３９】
出力ポート５６には、出力インターフェイス５８が接続されている。出力インターフェイス５８には、起動制御に必要な制御対象（この実施形態ではクラッチ６）が接続されている。出力インターフェイス５８は、制御回路５８1、５８2等を備えており、ＣＰＵ５０ｐで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、機関ＥＣＵ５０のＣＰＵ５０ｐは、スターリングエンジン１００や内燃機関１を制御することができる。
【００４０】
記憶部５０ｍには、この実施形態に係る起動制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいはこの実施形態に係る起動制御に用いる、制御データ制御マップ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
【００４１】
上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへすでに記録されているコンピュータプログラムと組み合わせによって、この実施形態に係る起動制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この起動制御装置３０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、起動条件判定部３１及び起動部３２の機能を実現するものであってもよい。次に、この実施形態に係る起動制御を説明する。次の説明では、適宜図１〜図５を参照されたい。なお、この実施形態に係る起動制御は、上記起動制御装置３０によって実現できる。
【００４２】
図６は、この実施形態に係る起動制御の手順を示すフローチャートである。この実施形態に係る起動制御を実行するにあたって、起動制御装置３０が備える起動条件判定部３１は、クラッチ６を開放して（ステップＳ１０１）、スターリングエンジン１００と内燃機関１との機械的な接続を切断する。これによって、スターリングエンジン１００が自立運転できない場合には、内燃機関１の動力がスターリングエンジン１００の駆動に消費されることはないので、内燃機関１の出力低下を抑制できる。
【００４３】
なお、内燃機関１を起動するときには、クラッチ６を開放してスターリングエンジン１００と内燃機関１との機械的な接続を切断する。すなわち、内燃機関１の出力軸１ｓとスターリングエンジン１００のクランク軸１１０との接続を切り離す。これによって、スターリングエンジン１００が内燃機関１の起動時の動力を吸収することがなくなるので、内燃機関１の起動時における内燃機関１の出力低下、燃料消費の悪化、排気エミッションの悪化を抑制することができる。
【００４４】
次に、起動条件判定部３１は、ヒータ温度計４１からスターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５の温度（以下ヒータ温度）Ｔｈを取得する（ステップＳ１０２）。ヒータ温度Ｔｈは、スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５の代表温度であり、ヒータ１０５全体が前記ヒータ温度Ｔｈになっているとみなす。ここで取得したヒータ温度Ｔｈは、スターリングエンジン１００の起動前における温度である。
【００４５】
起動条件判定部３１は、スターリングエンジン起動回転数（以下ＳＴ起動回転数という）Ｎｓを取得する（ステップＳ１０３）。この実施形態では、スターリングエンジン１００と内燃機関１とが、クラッチ６を介して接続されて、スターリングエンジン１００の動力は、排熱回収装置用変速機５によって内燃機関１の動力と合成される。このため、スターリングエンジン１００を起動するためにクラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００は、内燃機関１の機関回転数に対して一定の関係を保って回転する。したがって、ＳＴ起動回転数Ｎｓは、スターリングエンジン１００の起動時にクラッチ６を係合するときにおける、排熱回収装置用変速機５の入力軸５ｓの回転数に等しくなる。
【００４６】
ＳＴ起動回転数Ｎｓは、内燃機関回転数センサ４２によって取得される内燃機関１の機関回転数Ｎｅ、及び内燃機関用変速機４と排熱回収装置用変速機５との変速比を用いて算出される。ヒータ温度Ｔｈ及びＳＴ起動回転数Ｎｓを取得したら、起動条件判定部３１は、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを取得する（ステップＳ１０４）。ここで、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔについて説明する。
【００４７】
図７〜図１０は、この実施形態に係る起動制御においてスターリングエンジンの自立運転が可能か否かを判断する指標を決定する手法を説明する説明図である。なお、図７は、スターリングエンジンの自立運転が可能か否かを判断する指標が記述された制御マップ２０を示している。
【００４８】
起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔ（図７参照）は、スターリングエンジン１００の自立運転が可能か否かを判定するために用いる指標であり、ステップＳ１０２で取得したヒータ温度Ｔｈが、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを上回っていれば、スターリングエンジン１００は自立運転が可能であると判定する。起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔは、図７に示すように、ＳＴ起動回転数Ｎｓの関数となり、ＳＴ起動回転数Ｎｓの増加とともに起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔは大きくなる。
【００４９】
図７に示すように、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔは、運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍに、ヒータ温度落差ΔＴｈを加算した値である。すなわち、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔ＝Ｔｈ＿ｍ＋ΔＴｈである。ここで、運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍは、そのＳＴ起動回転数Ｎｓで、スターリングエンジン１００が少なくとも自立運転可能であるときのヒータ温度である。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が最低限の運転機能を発揮することである。最低限の運転機能を発揮するとは、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。
【００５０】
図８は、スターリングエンジン１００が発生するトルクとスターリングエンジン１００の回転数（スターリングエンジン回転数、以下ＳＴ回転数という）Ｎとの関係を示している。図８中の実線Ｔｈ1、Ｔｈ2等は、同じヒータ温度におけるスターリングエンジン１００のトルク変化を示す等温トルク線である。図８の等温トルク線から分かるように、同じヒータ温度であれば、ＳＴ回転数Ｎの上昇とともに、スターリングエンジン１００のトルクＰｔは低下する。ここで、Ｔｈ1＜Ｔｈ2＜Ｔｈ3＜Ｔｈ4＜Ｔｈ5である。また、スターリングエンジン１００が発生するトルクＰｔは、同じＳＴ回転数Ｎであれば、ヒータ温度Ｔｈが高くなるほど大きくなる。
【００５１】
図８のＰｔ＿ｍｉｎで示す線は、スターリングエンジン１００が最低限の運転機能を発揮するときに必要なトルク（必要最低トルク）Ｐｔ＿ｍｉｎの変化を示す。すなわち、Ｐｔ＿ｍｉｎよりもスターリングエンジン１００の発生するトルクＰｔが小さくなる条件では、スターリングエンジン１００は、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はできず、自立運転は不可能である。このため、スターリングエンジン１００は、必要最低トルクＰｔ＿ｍｉｎよりも高いトルクＰｔとなる条件で起動する必要がある。ここで、必要最低トルクＰｔ＿ｍｉｎは、ＳＴ回転数Ｎの増加とともに大きくなる。
【００５２】
必要最低トルクＰｔ＿ｍｉｎの線と交差する等温トルク線のヒータ温度が、スターリングエンジン１００の運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍとなる。ここで、あるＳＴ回転数Ｎにおいて、必要最低トルクＰｔ＿ｍｉｎを発生させることのできるヒータ温度Ｔｈは一義的に定まる。すなわち、あるＳＴ回転数Ｎにおいて、必要最低トルクＰｔ＿ｍｉｎの線と交差する等温トルク線のヒータ温度が、そのＳＴ回転数Ｎにおける運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍとなる。したがって、ＳＴ回転数Ｎが決定されると、そのときの運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍも一義的に決定される。
【００５３】
例えば、図８に示す例では、ＳＴ回転数がＮ1のときの運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍはＴｈ1となり、ＳＴ回転数がＮ3のときの運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍはＴｈ3となる。このようにしてスターリングエンジン１００の運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍが決定される。図７に示す、ＳＴ起動回転数Ｎｓと運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍとの関係も、上述したＳＴ回転数Ｎと運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍとの関係と同様である。したがって、上述したＳＴ回転数Ｎと運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍとの関係を用いて、図７に示す運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍが得られる。
【００５４】
図７から分かるように、運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍは、ＳＴ起動回転数Ｎｓの増加とともに上昇する。運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍを下回ると、スターリングエンジン１００は最低限の運転機能を発揮することができないので、自立運転が不可能となる。その結果、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。すなわち、このような場合には、スターリングエンジン１００は内燃機関１の負荷となる。したがって、スターリングエンジン１００を運転して排熱を回収する場合には、常に運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍよりも高い温度でスターリングエンジン１００を運転する必要がある。
【００５５】
図９は、スターリングエンジン１００の起動前から起動後におけるヒータ温度Ｔｈの時間変化を示している。スターリングエンジン１００を起動すると、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の熱エネルギーをヒータ１０５から回収して運動エネルギーに変換する。このため、スターリングエンジン１００の起動前と起動後とを比較すると、起動後の方がヒータ１０５の温度は低くなり、スターリングエンジン１００の起動前後におけるヒータ１０５の温度差（ヒータ温度落差）ΔＴｈ（図９参照）に相当する熱エネルギーが、運動エネルギーに変換される。
【００５６】
このように、スターリングエンジン１００を起動すると、ヒータ温度Ｔｈは低下する。したがって、スターリングエンジン１００の起動時においてヒータ温度Ｔｈが運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍよりも高くても、スターリングエンジン１００を起動するとヒータ温度Ｔｈが運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍを下回る場合がある。したがって、この実施形態においては、ヒータ温度落差ΔＴｈを考慮して、スターリングエンジン１００を起動した後におけるヒータ温度Ｔｈが運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍを下回らないように、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを決定する。この実施形態において、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔは、運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍとヒータ温度落差ΔＴｈとの和（Ｔｈ＿ｔ＝Ｔｈ＿ｍ＋ΔＴｈ）とする。ここで、ヒータ温度落差ΔＴｈは次のようにして決定する。
【００５７】
図９に示すＴｈ＿ｓは、ヒータ１０５に排ガスＥｘが供給されているがスターリングエンジン１００が停止しているときにおけるヒータ温度（停止時ヒータ温度）である。このときにヒータ１０５へ供給される排ガスＥｘは、ＳＴ起動回転数Ｎｓとなる状態で内燃機関１が定常運転されている場合に内燃機関１から排出される排ガスＥｘである。また、Ｔｈ＿ｃは、前記ＳＴ起動回転数Ｎｓでスターリングエンジン１００が定常運転しているときのヒータ温度（定常運転時ヒータ温度）である。
【００５８】
図９に示す例では、θ1でスターリングエンジン１００が起動し、θ2でスターリングエンジン１００が定常運転となっている。そして、スターリングエンジン１００の停止時ヒータ温度Ｔｈ＿ｓと、定常運転時ヒータ温度Ｔｈ＿ｃとの温度差に相当する熱エネルギーが、スターリングエンジン１００の運動エネルギーに変換される。
【００５９】
この実施形態では、前記ヒータ温度落差ΔＴｈを、（Ｔｈ＿ｓ−Ｔｈ＿ｃ）とする。図１０に示すように、ヒータ温度落差ΔＴｈは、スターリングエンジン１００の起動時における回転数（ＳＴ起動回転数）Ｎｓの関数となり、ヒータ温度落差ΔＴｈは、ＳＴ起動回転数Ｎｓの上昇とともに大きくなる。
【００６０】
起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔは（Ｔｈ＿ｍ＋ΔＴｈ）であり、上述したように、運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍ及びヒータ温度落差ΔＴｈは、ステップＳ１０４で取得したＳＴ起動回転数Ｎｓによって決定される。起動条件判定部３１は、取得したＳＴ起動回転数Ｎｓを図７に示す制御マップ２０に与え、前記制御マップ２０から起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを取得する。
【００６１】
次に起動条件判定部３１は、ステップＳ１０２で取得したヒータ温度Ｔｈと、ステップＳ１０４で取得した起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔとを比較する（ステップＳ１０５）。Ｔｈ≦Ｔｈ＿ｔである場合（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、スターリングエンジン１００は自立運転が不可能であると判定される。すなわち、スターリングエンジン１００を起動すると、ヒータ１０５の温度が運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍを下回り、内燃機関１の出力を低下させたり、燃料消費を増加させたりするおそれがある。この場合には、起動条件判定部３１は、Ｔｈ＞Ｔｈ＿ｔとなるまで上記ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５を繰り返す。
【００６２】
Ｔｈ＞Ｔｈ＿ｔである場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、スターリングエンジン１００は自立運転が可能であると判定される。この場合、起動部３２は、スターリングエンジン１００を起動する（ステップＳ１０６）。具体的には、起動部３２は、クラッチ６を係合して内燃機関１によってスターリングエンジン１００を起動する。スターリングエンジン１００が起動すると、スターリングエンジン１００は内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して、自立運転を開始する。そして、スターリングエンジン１００が発生する動力と内燃機関１が発生する動力とは、排熱回収装置用変速機５で合成されて、出力軸７から取り出される。
【００６３】
なお、ヒータ１０５の温度が運転時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｍを下回った場合には、スターリングエンジン１００は自立運転できないため、起動制御装置３０によってクラッチ６を開放することが好ましい。このようにすれば、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の出力低下や燃料消費の増加を抑制できる。
【００６４】
この実施形態に係る排熱回収装置の起動制御では、ヒータ１０５の温度からスターリングエンジン１００を起動するときの出力（トルク）を予測し、これがスターリングエンジン１００の自立運転が可能である条件を満たしている場合に、スターリングエンジンを起動する。これによって、スターリングエンジン１００を起動した後は速やかに自立運転に移行するので、スターリングエンジン１００は内燃機関１の負荷とはならない。その結果、スターリングエンジン１００を起動することによる内燃機関１の出力低下や燃料消費の増加を抑制することができる。次に、この実施形態の変形例に係る起動制御を説明する。
【００６５】
この実施形態の変形例に係る起動制御は、ヒータに流入する排ガスの温度と予め定めた起動時目標ヒータ温度との差の時間積分値が、予め定めた目標値よりも大きくなった場合に、排熱回収手段であるスターリングエンジンが自立運転可能であると判定する点に特徴がある。他の構成は、上記実施形態と同様である。
【００６６】
図１１は、この実施形態の変形例に係る起動制御の手順を示すフローチャートである。図１２は、この実施形態の変形例に係る起動制御を説明する図である。この変形例に係る起動制御を実行するにあたって、起動制御装置３０が備える起動条件判定部３１は、クラッチ６を開放して（ステップＳ２０１）、スターリングエンジン１００と内燃機関１との機械的な接続を切断する。
【００６７】
次に、起動条件判定部３１は、ヒータ１０５の入口１０５ｉに設けられる排ガス温度計４０（図１、図５参照）から、スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５へ流入する排ガスの温度（以下排ガス温度）Ｔｇを取得する（ステップＳ２０２）。そして、起動条件判定部３１は、ＳＴ起動回転数Ｎｓを取得するとともに（ステップＳ２０３）、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを取得する（ステップＳ２０４）。起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔについては上述した通りである。
【００６８】
起動条件判定部３１は、排ガス温度Ｔｇと起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔとを比較する（ステップＳ２０５）。Ｔｇ≦Ｔｈ＿ｔである場合（ステップＳ２０５：Ｎｏ、図１２のθ1まで）、起動条件判定部３１は、Ｔｇ＞Ｔｈ＿ｔになるまで、上記ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５を繰り返す。
【００６９】
Ｔｇ＞Ｔｈ＿ｔである場合（ステップＳ２０５：Ｙｅｓ）、起動条件判定部３１は、排ガス温度Ｔｇと起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔとの差の時間積分値（温度差積分値）Ｉを計算する（ステップＳ２０６）。温度差積分値Ｉは、∫（Ｔｇ−Ｔｈ＿ｔ）ｄθとなり、Ｔｇ＞Ｔｈ＿ｔとなったとき（図１２のθ1以降）から現時点までの値を計算する。例えば、図１２に示す例において、θ1〜θ2までの温度差積分値Ｉは、排ガス温度Ｔｇの変化を示す実線と、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔの変化を示す一点鎖線とで囲まれるハッチングした領域となる。温度差積分値Ｉは、Ｔｇ＞Ｔｈ＿ｔとなったときから現時点までにヒータ１０５が受熱した総熱量の指標となる。
【００７０】
この変形例では、スターリングエンジン１００のヒータ１０５が受熱した総熱量によって、ヒータ温度Ｔｈが起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを上回ったか否かを判定する。ヒータ１０５が、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔよりも高い温度の排ガスＥｘに所定の時間継続してさらされれば、ヒータ温度Ｔｈは起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを上回ることになる。これを判断するため、起動条件判定部３１は、ステップＳ２０６で算出した温度差積分値Ｉと、実験や解析によって予め定めた所定の目標判定値（以下受熱量目標値という）Ｃとを比較する（ステップＳ２０７）。
【００７１】
Ｉ≦Ｃである場合（ステップＳ２０７：Ｎｏ）、スターリングエンジン１００のヒータ温度Ｔｈは、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを上回っていないと判断できる。この場合、スターリングエンジン１００は自立運転が不可能であると判断できるので、起動条件判定部３１は、Ｉ＞ＣとなるまでステップＳ２０１〜ステップＳ２０７を繰り返す。Ｉ＞Ｃである場合（ステップＳ２０７：Ｙｅｓ）、スターリングエンジン１００のヒータ温度Ｔｈは、起動時目標ヒータ温度Ｔｈ＿ｔを上回っていると判断できる。この場合、スターリングエンジン１００は自立運転が可能であると判断できるので、起動部３２は、スターリングエンジン１００を起動する（ステップＳ２０８）。
【００７２】
この変形例では、ヒータ温度計４１を用いなくても、ヒータ１０５に流入する排ガスＥｘの温度を知ることができれば、スターリングエンジン１００が自立運転可能であるか否かを判定することができる。内燃機関１は、通常、排ガス温度測定手段を有しているので、これを利用してヒータ１０５に流入する排ガスＥｘの温度を知ることができる。したがって、この変形例では、既存の排ガス温度測定手段を用いることによってヒータ温度計４１を省略することができるので、構成を簡略化することができる。
【００７３】
以上、この実施形態及びその変形例では、排熱回収対象の熱機関である内燃機関の出力軸と、排熱回収手段であるスターリングエンジンの出力軸との間に動力断続手段であるクラッチを設ける。そして、スターリングエンジンを起動する際には、スターリングエンジンが少なくとも自立運転可能になった場合にクラッチを係合して、内燃機関の動力によってスターリングエンジンを起動する。これによって、スターリングエンジンは、起動直後から自立運転ができるので、スターリングエンジンが内燃機関の負荷となることはない。その結果、内燃機関の排熱を回収する際に、内燃機関の出力低下を抑制することができる。
【００７４】
また、スターリングエンジンが内燃機関の負荷となることはないので、内燃機関の燃料消費の増加を抑制することができる。さらに、スターリングエンジンが少なくとも自立運転可能になった場合にスターリングエンジンを起動するので、スターリングエンジンを通過した後の排ガスの温度が設定値を下回ることを抑えることができる。その結果、スターリングエンジンを通過した後の排ガスを浄化触媒によって浄化する構成を採用する場合には、浄化性能の低下を抑えることができる。また、スターリングエンジンが自立運転可能であることを、ヒータの温度によって判定するため、自立運転の可否判定が容易になり、制御性が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関の排熱回収に有用であり、特に、排熱回収対象である熱機関の出力低下を抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２】この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。
【図３】ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。
【図４】この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す全体図である。
【図５】この実施形態に係る排熱回収装置の起動制御に用いる起動制御装置の構成を示す説明図である。
【図６】この実施形態に係る起動制御の手順を示すフローチャートである。
【図７】この実施形態に係る起動制御においてスターリングエンジンの自立運転が可能か否かを判断する指標を決定する手法を説明する説明図である。
【図８】この実施形態に係る起動制御においてスターリングエンジンの自立運転が可能か否かを判断する指標を決定する手法を説明する説明図である。
【図９】この実施形態に係る起動制御においてスターリングエンジンの自立運転が可能か否かを判断する指標を決定する手法を説明する説明図である。
【図１０】この実施形態に係る起動制御においてスターリングエンジンの自立運転が可能か否かを判断する指標を決定する手法を説明する説明図である。
【図１１】この実施形態の変形例に係る起動制御の手順を示すフローチャートである。
【図１２】この実施形態の変形例に係る起動制御を説明する図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  内燃機関
１ｓ  出力軸
２  排気通路
３  ヒータケース
４  内燃機関用変速機
５  排熱回収装置用変速機
５ｓ  入力軸
６  クラッチ
７  出力軸
１０  排熱回収装置
３０  起動制御装置
３１  起動条件判定部
３２  起動部
４０  排ガス温度計
４１  ヒータ温度計
４２  内燃機関回転数センサ
５０  機関ＥＣＵ
１００  スターリングエンジン
１０５  ヒータ
１１０  クランク軸
【図１】
2007231858.tif 000003
【図２】
2007231858.tif 000004
【図３】
2007231858.tif 000005
【図４】
2007231858.tif 000006
【図５】
2007231858.tif 000007
【図６】
2007231858.tif 000008
【図７】
2007231858.tif 000009
【図８】
2007231858.tif 000010
【図９】
2007231858.tif 000011
【図１０】
2007231858.tif 000012
【図１１】
2007231858.tif 000013
【図１２】
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