排熱回収機関及び運転制御装置 - 特開２００８－２６７２５８

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	【発明の名称】	排熱回収機関及び運転制御装置
	【発明者】	【氏名】矢口寛
	【課題】シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関において、ピストンが往復運動している場合にピストンとシリンダとの接触を回避すること。【解決手段】シリンダの内部に配置されて往復運動するピストンの内部に設けられる空間からピストンとシリンダとの間に気体を吹き出すことにより気体軸受（静圧気体軸受）を形成するスターリングエンジンを起動する場合、ピストンとシリンダとが接触しているか否かを判定する（ステップＳ１０３）。そして、ピストンとシリンダとが接触していない場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、スターリングエンジンを起動する（ステップＳ１０５）。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの内部に配置されて往復運動し、かつ頂部と側部と底部とで囲まれる空間を備えるピストンと、
前記空間へ気体を供給する気体供給手段と、
前記ピストンの前記側部に設けられ、前記気体供給手段によって前記空間へ供給された気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に吹き出す給気口と、
前記ピストンと前記シリンダとが接触したか否かを判定する接触判定手段と、を含み、
前記接触判定手段が、前記ピストンと前記シリンダとが非接触になったと判定した後に起動を開始することを特徴とする排熱回収機関。
【請求項２】
前記気体供給手段は、
前記ピストンと前記シリンダとが接触している場合には、前記空間へ前記気体を供給する気体供給手段を備えることを特徴とする排熱回収機関。
【請求項３】
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸を格納するクランクケースの内部を加圧するクランクケース内加圧手段を備え、
前記クランクケース内加圧手段によって前記クランクケース内を加圧するとともに、前記気体供給手段によって前記空間内へ前記気体を供給し、前記クランクケースの内部の圧力が所定の圧力に到達したら、前記クランクケース内加圧手段は前記クランクケース内の加圧を停止することを特徴とする請求項２に記載の排熱回収機関。
【請求項４】
前記ピストンの往復運動が停止した後に、前記空間への前記気体の供給が停止されることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の排熱回収機関。
【請求項５】
シリンダ内で往復運動するとともに頂部と側部と底部とで囲まれる空間を備えるピストンを備え、気体供給手段によって前記空間に供給した気体を、前記ピストンと前記シリンダとの間に吹き出して気体軸受を形成する排熱回収機関を制御するものであり、
前記ピストンと前記シリンダとが接触しているか否かを判定する接触判定部と、
前記ピストンと前記シリンダとが非接触になった後に、前記排熱回収機関を起動する動作制御部と、
を含むことを特徴とする運転制御装置。
【請求項６】
前記ピストンと前記シリンダとが接触している場合には、前記ピストン内へ供給される気体の圧力を上昇させる加圧制御部を備えることを特徴とする請求項５に記載の運転制御装置。
【請求項７】
前記排熱回収機関は、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸を格納するクランクケースの内部を加圧するクランクケース内加圧手段を備えており、
前記加圧制御部は、
前記クランクケース内加圧手段によって前記クランクケース内を加圧するとともに、前記気体供給手段によって前記空間内へ前記気体を供給し、
前記クランクケースの内部の圧力が所定の圧力に到達したら、前記クランクケース内加圧手段による前記クランクケース内の加圧を停止することを特徴とする請求項６に記載の運転制御装置。
【請求項８】
前記加圧制御部は、
前記ピストンの往復運動が停止した後に、前記空間への前記気体の供給を停止することを特徴とする請求項６又は７に記載の運転制御装置。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内をピストンが往復運動する構造の排熱回収機関、及びこの排熱回収機関の運転制御に用いる運転制御装置に関する。
【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、シリンダ内に気体軸受を介してピストンを支持するととともに、近似直線リンク機構によってピストンを支持するスターリングエンジンが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５－１０６００９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、起動時に気体軸受が形成されていないと、ピストンとシリンダとが接触するおそれがある。また、スターリングエンジンが停止する際には、スターリングエンジンの回転が停止していないにも関わらず、ピストンとシリンダとが接触するおそれもある。その結果、ピストンとシリンダとの摩耗が懸念される。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関において、ピストンが往復運動している場合にピストンとシリンダとの接触を回避できる排熱回収機関及び運転制御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】
【０００６】
上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収機関は、シリンダの内部に配置されて往復運動し、かつ頂部と側部と底部とで囲まれる空間を備えるピストンと、前記空間へ気体を供給する気体供給手段と、前記ピストンの前記側部に設けられ、前記気体供給手段によって前記空間へ供給された気体を前記ピストンと前記シリンダとの間に吹き出す給気口と、前記ピストンと前記シリンダとが接触したか否かを判定する接触判定手段と、を含み、前記接触判定手段が、前記ピストンと前記シリンダとが非接触になったと判定した後に起動を開始することを特徴とする。
【０００７】
この排熱回収機関は、上記構成により、ピストンがシリンダから完全に浮上して、両者が非接触となってから排熱回収機関であるスターリングエンジンを起動する。これによって、シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関において、ピストンが往復運動している場合にピストンとシリンダとの接触を回避できる。
【０００８】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記気体供給手段は、前記ピストンと前記シリンダとが接触している場合には、前記空間へ前記気体を供給する気体供給手段を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸を格納するクランクケースの内部を加圧するクランクケース内加圧手段を備え、前記クランクケース内加圧手段によって前記クランクケース内を加圧するとともに、前記気体供給手段によって前記空間内へ前記気体を供給し、前記クランクケースの内部の圧力が所定の圧力に到達したら、前記クランクケース内加圧手段は前記クランクケース内の加圧を停止することが好ましい。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記排熱回収機関において、前記ピストンの往復運動が停止した後に、前記空間への前記気体の供給が停止されることが好ましい。
【００１１】
上述の目的を達成するために、本発明に係る運転制御装置は、シリンダ内で往復運動するとともに頂部と側部と底部とで囲まれる空間を備えるピストンを備え、気体供給手段によって前記空間に供給した気体を、前記ピストンと前記シリンダとの間に吹き出して気体軸受を形成する排熱回収機関を制御するものであり、前記ピストンと前記シリンダとが接触しているか否かを判定する接触判定部と、前記ピストンと前記シリンダとが非接触になった後に、前記排熱回収機関を起動する動作制御部と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
この運転制御装置は、上記構成により、ピストンがシリンダから完全に浮上して、両者が非接触となってから排熱回収機関であるスターリングエンジンを起動する。これによって、シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関において、ピストンが往復運動している場合にピストンとシリンダとの接触を回避できる。
【００１３】
本発明の望ましい態様としては、前記運転制御装置において、前記ピストンと前記シリンダとが接触している場合には、前記ピストン内へ供給される気体の圧力を上昇させる加圧制御部を備えることが好ましい。
【００１４】
本発明の望ましい態様としては、前記運転制御装置において、前記排熱回収機関は、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸を格納するクランクケースの内部を加圧するクランクケース内加圧手段を備えており、前記加圧制御部は、前記クランクケース内加圧手段によって前記クランクケース内を加圧するとともに、前記気体供給手段によって前記空間内へ前記気体を供給し、前記クランクケースの内部の圧力が所定の圧力に到達したら、前記クランクケース内加圧手段による前記クランクケース内の加圧を停止することが好ましい。
【００１５】
本発明の望ましい態様としては、前記運転制御装置において、前記加圧制御部は、前記ピストンの往復運動が停止した後に、前記空間への前記気体の供給を停止することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関において、ピストンが往復運動している場合にピストンとシリンダとの接触を回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。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。
【００１８】
本実施形態は、次の点に特徴がある。すなわち、シリンダの内部に配置されて往復運動するピストンの内部に設けられる空間からピストンとシリンダとの間に気体を吹き出すことにより気体軸受（静圧気体軸受）を形成する排熱回収機関において、ピストンとシリンダとが接触したか否かを判定する接触判定手段が、ピストンとシリンダとが非接触になったと判定した後に排熱回収機関の起動を開始する。そして、排熱回収機関が停止した後、すなわち、ピストンの往復運動が停止した後に、ピストンの内部空間への気体の供給を停止する。まず、本実施形態に係る排熱回収手段の構成を説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収装置の構成例を示す全体図である。本実施形態に係る排熱回収装置１００は、排熱回収機関と、排熱を回収する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、排熱回収機関として、スターリングエンジン１を用い、また、熱機関としてはレシプロ式の内燃機関１０１を用いる。そして、動力断続手段としては、クラッチ６０を用いる。
【００２０】
スターリングエンジン１が備えるヒータ２Ｈは、内燃機関１０１の排気通路４２内に配置される。スターリングエンジン１が備えるヒータ２Ｈは、排気通路４２に設けられる中空のヒータケース１０５内に設けられる。ヒータケース１０５の入口（ヒータ入口）１０５ｉ側には、ヒータ２Ｈに流入する排ガスＥｘの温度を測定する排ガス温度計２８が設けられる。また、ヒータ２Ｈの出口（ヒータ出口）１０５ｏ側には、ヒータ２Ｈの温度を測定するヒータ温度計２９が設けられる。
【００２１】
この実施形態において、スターリングエンジン１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１で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１の出力軸であるクランク軸９には、動力断続手段であるクラッチ６０が取り付けられており、スターリングエンジン１の動力はクラッチ６０を介して排熱回収機関用変速機６５に伝達される。内燃機関１０１の出力軸１０１ｓは、内燃機関用変速機６４に入力される。そして、内燃機関用変速機６４は、内燃機関１０１の発生する動力と、排熱回収機関用変速機６５から出力されるスターリングエンジン１の動力とを合成して、出力軸６７に出力する。
【００２２】
上記クラッチ６０は、内燃機関用変速機６４と排熱回収機関用変速機６５とを介して、内燃機関１０１の出力軸１０１ｓと、スターリングエンジン１の出力軸であるクランク軸９との間に設けられる。そして、必要に応じて、内燃機関１０１の出力軸１０１ｓとスターリングエンジン１のクランク軸９の機械的な接続を断続する。クラッチ６０は、この実施形態に係る排熱回収装置の運転制御装置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、運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０の内部に備えられる。ここで、排熱回収機関用変速機６５は、入力軸６５ｓ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１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１０１の機関回転数の広い範囲で、スターリングエンジン１の動力と内燃機関１０１の動力とを合成できる。次に、本実施形態に係るピストン装置であるスターリングエンジン１の詳細な構成を説明する。
【００２３】
図２は、本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を示す断面図である。図３は、図２に示すスターリングエンジンのピストンとシリンダとの構成を示す説明図である。図４は、図３のＹ－Ｙ矢視図である。図５は、近似直線機構によりピストンを支持する構成例を示す模式図である。本実施形態に係る排熱回収手段のスターリングエンジン１は、いわゆるα型のスターリングエンジンである。
【００２４】
このスターリングエンジン１は、高温側シリンダ１１Ａと、この内部に収められて往復運動する高温側ピストン１０Ａと、低温側シリンダ１１Ｂと、この内部に収められて往復運動する低温側ピストン１０Ｂとを備える。なお、以下の説明において、高温側と低温側とを特に区別する必要がない場合には、高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂを単にピストン１０といい、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂを単にシリンダ１１という。
【００２５】
高温側シリンダ１１Ａと低温側シリンダ１１Ｂとは、熱交換器２によって接続される。高温側シリンダ１１Ａと低温側シリンダ１１Ｂとには作動流体（本実施形態では空気）が封入されており、ヒータ２Ｈから供給される熱によってスターリングエンジン１が駆動される。高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂは、ともにスターリングエンジン１のシリンダケース６内に格納されている。シリンダケース６は、基準体である基板５及びクランクケース８に取り付けられる。ここで、基板５、シリンダケース６及びクランクケース８が、スターリングエンジン１の筺体を構成する。なお、少なくともクランクケース８は、金属等の導電体で構成される。スターリングエンジン１の筺体は、スターリングエンジン１の構成要素、例えば、ピストン１０やシリンダ１１、伝達部材１２、コンロッド１３、クランク軸９等を格納する。
【００２６】
基板５は、スターリングエンジン１を構成する高温側ピストン１０Ａや高温側シリンダ１１Ａその他の構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、スターリングエンジン１を排熱回収対象である内燃機関１０１の排気通路４２（図１参照）等へ取り付けるときの基準として、この基板５を使用することもできる。
【００２７】
高温側シリンダ１１Ａは、高温側の絶縁体（以下高温側絶縁体）１６Ａを介して筺体を構成する基板５とクランクケース８とに挟持され、支持される。また、低温側シリンダ１１Ｂは、クランクケース８側に配置される低温側の絶縁体（以下低温側絶縁体）１６Ｂとクーラー２Ｃ側に配置される低温側絶縁体１６Ｂとによって挟持される。クーラー２Ｃは基板５に取り付けられるので、低温側シリンダ１１Ｂは、低温側絶縁体１６Ｂを介して筺体を構成する基板５とクランクケース８とに挟持され、支持されることになる。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン１では、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂは、スターリングエンジン１の筺体内に配置されるとともに、絶縁体を介して前記筺体内に支持される。
【００２８】
高温側ピストン１０Ａの往復運動は、高温側ピストン１０Ａに設けられる高温側伝達部材１２Ａ、高温側コンロッド１３Ａを介して、クランク軸９へ伝達される。また、低温側ピストン１０Ｂの往復運動は、低温側ピストン１０Ｂに設けられる低温側伝達部材１２Ｂ、低温側コンロッド１３Ｂを介して、クランクケース８内に格納されるクランク軸９へ伝達される。ここで、低温側ピストン１０Ｂは、高温側ピストン１０Ａに対して、クランク角で９０°程度の位相差が設けられている。ここで、高温側伝達部材１２Ａと低温側伝達部材１２Ｂとを区別しない場合には伝達部材１２といい、高温側コンロッド１３Ａと低温側コンロッド１３Ｂとを区別しない場合にはコンロッド１３という。
【００２９】
高温側シリンダ１１Ａと低温側シリンダ１１Ｂとを接続する熱交換器２は、ヒータ２Ｈと再生器２Ｒとクーラー２Ｃとで構成される。ヒータ２Ｈの一端は、高温側ヒータ接続部材３によって高温側シリンダ１１Ａに接続され、他端は低温側ヒータ接続部材４によって再生器２Ｒに接続される。再生器２Ｒは、一端がヒータ２Ｈに接続され他端はクーラー２Ｃに接続される。クーラー２Ｃの一端は再生器２Ｒに接続され、他端は低温側シリンダ１１Ｂに接続される。高温側ヒータ接続部材３及び低温側ヒータ接続部材４は、それぞれ基板５に取り付けられる。また、高温側ヒータ接続部材３は、ヒータ２Ｈと高温側シリンダ１１Ａとを接続するとともに、スターリングエンジン１の運転中には内部に高温側ピストン１０Ａが入り込む。すなわち、高温側ヒータ接続部材３は、高温側シリンダの一部を構成する。
【００３０】
本実施形態に係るスターリングエンジン１は、例えば車両において、上述したように、ガソリンエンジンのような内燃機関１０１とともに用いられて、内燃機関１０１の排ガスＥｘを熱源として駆動される。この場合、スターリングエンジン１のヒータ２Ｈは、車両に搭載される内燃機関の排気通路４２の内部に配置される。そして、内燃機関の排気ガスから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン１が作動する。なお、排気通路４２の内部には、スターリングエンジン１の再生器２Ｒを配置してもよい。
【００３１】
上述したように、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、排気通路４２の内部にヒータ２Ｈが収容される。このように、このスターリングエンジン１は、車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増し、好ましい。そのために、このスターリングエンジン１では、高温側及び低温側シリンダ１１Ａ、１１Ｂを、Ｖ字形ではなく、直列に配置した構成を採用している。
【００３２】
図３、図４に示すように、高温側ピストン１０Ａと低温側ピストン１０Ｂとは、それぞれ気体軸受ＧＢを介して高温側シリンダ１１Ａと低温側シリンダ１１Ｂ内に浮いた状態で支持されている。すなわち、ピストンリングを使用せず、また潤滑油も使用しないで、ピストン１０をシリンダ１１内で往復運動させる構造である。これによって、ピストン１０とシリンダ１１との摩擦を低減して、スターリングエンジン１の熱効率を向上させることができる。また、ピストン１０とシリンダ１１との摩擦を低減することにより、内燃機関の排熱回収のような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１による排熱回収効率の低下を抑制できる。
【００３３】
高温側ピストン１０Ａ、低温側ピストン１０Ｂの往復運動は、それぞれ高温側コンロッド１３Ａ及び低温側コンロッド１３Ｂによってクランク軸９に伝達され、ここで回転運動に変換される。本実施形態において、スターリングエンジン１の筐体の内部、より具体的にはクランクケース８の内部が、クランクケース内加圧手段であるクランクケース加圧用ポンプ６１により加圧される。これによって、高温側及び低温側シリンダ１１Ａ、１１Ｂ、及びヒータ２Ｈ内の作動流体（本実施形態では空気）を加圧して、スターリングエンジン１からより多くの出力を取り出すことができる。
【００３４】
クランクケース加圧用ポンプ６１とクランクケース８の内部とは、クランクケース用気体供給配管６３によって接続されている。クランクケース加圧用ポンプ６１から吐出された気体（スターリングエンジン１の作動流体であり、本実施形態では空気）は、クランクケース用気体供給配管６３に設けられるクランクケース加圧用開閉弁６２を通ってクランクケース８の内部へ供給される。また、クランクケース８内の圧力は、クランクケース用圧力センサ２６により検出される。ここで、クランクケース加圧用ポンプ６１及びクランクケース加圧用開閉弁６２の動作は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０及びＥＣＵ５０が備える運転制御装置３０によって制御される。
【００３５】
ここで、高温側及び低温側ピストン１０Ａ、１０Ｂの往復運動は、図５に示すように、例えばグラスホッパ機構のような近似直線機構を介して、クランク軸９に伝達してもよい。このようにすれば、高温側及び高温側ピストン１０Ａ、１０Ｂのサイドフォース（ピストンの径方向に向かう力）Ｆをほとんど０にできるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢを用いても、十分に高温側及び低温側ピストン１０Ａ、１０Ｂを支持することができる。
【００３６】
図５に示す近似直線機構１１０は、グラスホッパ機構を利用している。図５に示すように、実施例１の本発明に係る近似直線機構１１０は、第１腕１１０Ａと、第２腕１１０Ｂと、第３腕１１０Ｃとで構成される。第２腕１１０Ｂは、一端部が伝達部材１２の端部と回動自在に連結され（連結点Ｂ）、他端部が第３腕１１０Ｃの一端部へ回動自在に連結される（連結点Ａ）。第２腕１１０Ｂに連結されていない第３腕１１０Ｃの端部は、静止系（例えばクランクケース８）へ回動自在に連結される（連結点Ｃ）。第１腕の一端部は、静止系（例えばクランクケース８）へ回動自在に連結され、他端部は、第２腕１１０Ｂの両端部の間へ回動自在に連結される（連結点Ｍ）。このとき、連結点Ｂと連結点Ｍとの距離ＢＭ、連結点Ｍと連結点Ｑとの距離ＭＱ、連結点Ａと連結点Ｍとの距離ＡＭは、式（１）の関係を満たすように設定する。このような構成の近似直線機構によってピストン１０を支持することにより、ピストン１０をほぼ直線に運動させることができる。
ＢＭ×ＭＱ＝ＡＭ²・・・（１）
【００３７】
気体軸受ＧＢを形成するにあたり、本実施形態においてはスターリングエンジン１の作動流体に空気を用い、ピストン１０とシリンダ１１との間に前記空気を介在させ、気体軸受ＧＢの機能を発揮させる。なお、シリンダ１１の内面１１Ｉに固体潤滑材を付してもよい。これによって、ピストン１０とシリンダ１１との摺動抵抗をさらに低減させることができる。
【００３８】
気体軸受ＧＢを構成するために、図３、図４に示すピストン１０とシリンダ１１との間隔ｓは、ピストン１０及びシリンダ１１の全周にわたって数十μｍとする（本実施形態では約１０μｍ～２０μｍ）。図３に示すように、本実施形態において、ピストン１０は、作動流体の圧力を受けるピストンの頂部（以下ピストン頂部という）１０Ｔと、シリンダ１１の内面１１Ｉと対向するピストンの側部（以下ピストン側部という）１０Ｓと、ピストンの頂部（以下ピストン頂部という）１０Ｔと対向する位置に設けられるピストン底部１０Ｂｏとで構成される。そして、ピストン頂部１０Ｔと、ピストン側部１０Ｓと、ピストン底部１０Ｂｏとで囲まれる空間（以下ピストン内空間という）１０ＩＮに、気体軸受ＧＢを形成するための気体Ｇが供給される。
【００３９】
ピストン底部１０Ｂｏには、ピストン内空間１０ＩＮとピストン１０の外部とを連通する気体通路２１が設けられる。気体通路２１には、気体軸受用気体供給配管２２が接続されており、蓄圧タンク２４から空気が供給される。気体通路２１は、気体軸受用気体供給配管２２と接続されており、気体軸受用気体供給配管２２及び気体通路２１を介して、蓄圧タンク２４からピストン内空間１０ＩＮへ気体Ｇが供給される。
【００４０】
図３、図４に示すように、ピストン側部１０Ｓには、給気口２０が設けられる。給気口２０は、ピストン側部１０Ｓの周方向に向かって複数設けられる。また、給気口２０は、ピストン１０が往復運動する方向と垂直な方向に向かって複数設けられる。なお、給気口２０の数や配置位置は、スターリングエンジン１の仕様等によって適宜変更できる。蓄圧タンク２４からピストン内空間１０ＩＮへ供給された気体Ｇは、給気口２０からピストン１０とシリンダ１１との間に流出して、ピストン１０とシリンダ１１との間に気体軸受ＧＢを形成する。
【００４１】
次に、図２を用いて、気体軸受ＧＢを形成するための空気をピストン１０へ供給する構成を説明する。気体軸受ＧＢを形成するための気体供給手段は、蓄圧タンク２４と、蓄圧タンク２４へ気体を供給する気体軸受用ポンプ２５とを含んで構成される。気体軸受用ポンプ２５から吐出された気体Ｇは、一旦蓄圧タンク２４へ供給されてから、気体軸受用気体供給配管２２及び気体通路２１を介してピストン内空間１０ＩＮへ供給される。蓄圧タンク２４に気体Ｇを蓄えてからピストン内空間１０ＩＮへ供給することにより、気体軸受用ポンプ２５の脈動等を抑制して、安定してピストン内空間１０ＩＮへ気体Ｇを供給できるので、気体軸受ＧＢを安定して形成することができる。なお、気体供給手段としては、気体軸受用ポンプ２５の他、圧縮機を用いてもよい。本実施形態において、気体軸受用ポンプ２５の動作は、ＥＣＵ５０及びＥＣＵ５０が備える運転制御装置３０によって制御される。
【００４２】
ここで、気体供給手段は、気体軸受ＧＢを形成するために、ピストン１０とシリンダ１１との間に介在する気体の圧力（静圧）を変更できるものであればよい。すなわち、気体供給手段は、気体軸受ＧＢを形成するため、ピストン内空間１０ＩＮへ供給される気体（本実施形態では空気）の圧力を変更できるものであればよく、本実施形態に係る構成に限定されるものではない。気体供給手段は、例えば、吐出する気体の圧力を変更できる圧縮機やポンプのような加圧手段を用いてもよいし、ポンプのような加圧手段から吐出される気体の圧力を、例えば、圧力調整弁のような圧力調整手段によって変更するように構成してもよい。さらに、蓄圧タンク２４に蓄えられた気体の圧力を圧力調整弁で調整してから、ピストン内空間１０ＩＮへ供給するようにして、気体供給手段を構成してもよい。
【００４３】
蓄圧タンク２４には、蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力を測定するための気体軸受用圧力センサ２７が取り付けられ、気体軸受用圧力センサ２７によって検出された前記圧力を、運転制御装置３０が取得する。気体軸受ＧＢの運転制御装置３０は、気体軸受用圧力センサ２７から取得した蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力に基づき、前記圧力が設定した値になるように、気体軸受用ポンプ２５の運転を制御する。
【００４４】
図２に示すように、蓄圧タンク２４と高温側ピストン１０Ａとは高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａで接続されており、また、蓄圧タンク２４と低温側ピストン１０Ｂとは低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂで接続されている。蓄圧タンク２４と高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂとの間には、気体軸受用開閉弁２３が配置される。なお、高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａと低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂとを特に区別しない場合には、単に気体軸受用気体供給配管２２という。
【００４５】
気体軸受用開閉弁２３の動作は、機関ＥＣＵ５０及び運転制御装置３０により制御される。例えば、スターリングエンジン１が停止している場合には、気体軸受用開閉弁２３を閉じて蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の消費を抑制する。なお、本実施形態では、気体軸受用気体供給配管２２を介してピストン１０へ空気を供給し、ピストン１０とシリンダ１１との間に気体軸受ＧＢを形成するが、クランク軸９やコンロッド１３等を中空とし、ピストン１０へ空気を供給してもよい。
【００４６】
上述したように、蓄圧タンク２４内に蓄えられる気体（空気）は、ピストン１０（すなわち高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂ）内へ供給される。このため、蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力を変更することによって、ピストン１０へ供給される空気の圧力を変更することができる。例えば、ピストン１０へ供給される空気の圧力を現状よりも高くしたい場合、運転制御装置３０が、蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力の設定値を要求された値に変更し、この値になるように加圧手段である気体軸受用ポンプ２５を駆動して、蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力を上昇させる。
【００４７】
ピストン１０へ供給される空気の圧力を現状よりも低くしたい場合、運転制御装置３０によって制御される圧力解放手段（例えばリリーフ弁）を蓄圧タンク２４に設け、蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力を解放してもよい。しかし、本実施形態においては、スターリングエンジン１の運転中においては、常に気体軸受ＧＢを構成するために蓄圧タンク２４からピストン１０へ気体を供給するので、蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力の設定値を要求される値に変更した上で、要求される圧力まで蓄圧タンク２４内に蓄えられる空気の圧力が低下するまで、蓄圧タンク２４内の空気をピストン１０に供給し続けるように構成することが好ましい。
【００４８】
また、気体軸受用開閉弁２３の代わりに、圧力調整機能を有する圧力調節弁を、蓄圧タンク２４と高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂとの間へ配置してもよい。これによって、ピストン１０へ供給される空気の圧力をより精密に制御することができる。また、圧力調節弁でピストン１０へ供給する空気の圧力を調整するようにすれば、気体軸受用ポンプ２５から供給される気体の圧力を直接調整することもできる。
【００４９】
本実施形態に係るスターリングエンジン１は、気体軸受ＧＢを介してシリンダ１１内にピストン１０を浮上させ、これを往復運動させる。上述したように、図３、図４に示すピストン１０とシリンダ１１との間隔ｓは、ピストン１０の全周にわたって約１０μｍ～２０μｍ程度と極めて小さい。したがって、ピストン１０の変位を計測することによりピストン１０がシリンダ１１内に浮上したか、又はピストン１０とシリンダ１１とが接触したかを判定することは困難である。
【００５０】
このため、本実施形態に係るスターリングエンジン１では、ピストン側部１０Ｓとシリンダ１１の内面１１Ｉとの間に一定の大きさの電位差を与える。そして、ピストン側部１０Ｓとシリンダ１１の内面１１Ｉとの間に電気の導通があった場合には、ピストン側部１０Ｓとシリンダ１１の内面１１Ｉとの間に与えられた一定の大きさの電位差が変化すること、具体的には前記電位差が小さくなることを利用して、ピストン１０の浮上、又はピストン１０とシリンダ１１との接触を判定する。次に、ピストン１０の浮上、又はピストン１０とシリンダ１１との接触を判定するための構成について説明する。
【００５１】
図２に示す、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、高温側ピストン１０Ａ、低温側ピストン１０Ｂ、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂが、いずれも導電体で構成される。導電体としては、例えばアルミニウムや銅、あるいは鉄等の金属材料を用いることができる。これによって、ピストン１０のピストン側部１０S、及びピストン１０のピストン側部１０Ｓに対向するシリンダ１１の内面１１Ｉは、少なくとも導電体で構成される。
【００５２】
高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂには、それぞれ第１接触判定回路４０Ａ、第２接触判定回路４０Ｂが接続される。本実施形態において、第１接触判定回路４０Ａ及び第２接触判定回路４０Ｂは抵抗と電圧を利用しており、図２に示すように、抵抗１８と電源１９とがシリンダ１１に直列に接続される。
【００５３】
高温側ピストン１０Ａに取り付けられる高温側伝達部材１２Ａと高温側コンロッド１３Ａとの摺動部には、第１軸受１４Ａが設けられており、第１軸受１４Ａを介して高温側伝達部材１２Ａと高温側コンロッド１３Ａとが連結される。また、高温側コンロッド１３Ａとクランク軸９との摺動部には第２軸受１５Ａが設けられており、第２軸受１５Ａを介して高温側コンロッド１３Ａとクランク軸９とが連結される。
【００５４】
低温側ピストン１０Ｂに取り付けられる低温側伝達部材１２Ｂと低温側コンロッド１３Ｂとの摺動部には、第１軸受１４Ｂが設けられており、第１軸受１４Ｂを介して低温側伝達部材１２Ｂと低温側コンロッド１３Ｂとが連結される。また、低温側コンロッド１３Ｂとクランク軸９との摺動部には第２軸受１５Ｂが設けられており、第２軸受１５Ｂを介して低温側コンロッド１３Ｂとクランク軸９とが連結される。
【００５５】
高温側伝達部材１２Ａ、高温側コンロッド１３Ａ、低温側伝達部材１２Ｂ、低温側コンロッド１３Ｂ、クランク軸９、第１軸受１４Ａ、１４Ｂ、第２軸受１５Ａ、１５Ｂ及びクランク軸受７は、いずれも金属等の導電体で構成される。また、上述したように、クランクケース８も金属等の導電体で構成される。そして、クランク軸９は、クランク軸受７を介してクランクケース８へ回転可能に支持される。
【００５６】
このような構成により、高温側及び低温側ピストン１０Ａ、１０Ｂとクランクケース８とは、高温側伝達部材１２Ａ、第１軸受１４Ａ、高温側コンロッド１３Ａ、第２軸受１５Ａ、クランク軸９、クランク軸受７を介して、例えばこれらの金属接触を利用することにより、電気的に接続される。これによって、簡易な構成で確実に高温側及び低温側ピストン１０Ａ、１０Ｂと筺体を構成するクランクケース８との導通を確保することができる。
【００５７】
このような構成により、ピストン１０（高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂ）とシリンダ１１（高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂ）とが接触していない場合、ピストン１０の側部の電位は、シリンダ１１の内面の電位よりも高くなる。電源１９の電圧及び抵抗１８の大きさは一定なので、ピストン１０の側部と、シリンダ１１の内面との間には、一定の電位差が与えられる。
【００５８】
図６は、電圧測定点の電圧変化を示す説明図である。ピストン１０とシリンダ１１との浮上又は接触を判定するときには、第１接触判定回路４０Ａの電圧測定点Ｐｍにおける電圧、第２接触判定回路４０Ｂの電圧測定点Ｐｍにおける電圧を、それぞれ第１電圧測定器１７Ａ、第２電圧測定器１７Ｂで測定する。ここで、第１接触判定回路４０Ａ及び第１電圧測定器１７Ａ、第２接触判定回路４０Ｂ及び第２電圧測定器１７Ｂが、後述する運転制御装置３０が備える接触判定部３２（図７参照）とともに、それぞれ高温側、低温側における接触判定手段として機能する。すなわち、本実施形態において、ピストン１０とシリンダ１１とが接触したか否かを判定する接触判定手段は、第１接触判定回路４０Ａ及び第１電圧測定器１７Ａ（あるいは第２接触判定回路４０Ｂ及び第２電圧測定器１７Ｂ）と、運転制御装置３０が備える接触判定部３２とを含んで構成される。ここで、第１電圧測定器１７Ａと第２電圧測定器１７Ｂとを区別する必要がない場合には、単に電圧測定器１７という。また、以下において、第１接触判定回路４０Ａの電圧測定点Ｐｍを高温側電圧測定点といい、第２接触判定回路４０Ｂの電圧測定点Ｐｍを低温側電圧測定点という。
【００５９】
ここで、クランクケース８は、アースに接続される。これによって、接触判定手段を構成する第１及び第２電圧測定器１７Ａ、１７Ｂは、筺体を構成するクランクケース８とシリンダ１１の内面との間で、ピストン１０の側周面とシリンダ１１の内面との間の電気の導通を判定する。この構成によれば、クランクケース８とシリンダ１１との電位差を測定すればよいので、ピストン１０のような動作している部材をアースする場合と比較して、簡単かつ容易に構成できるとともに、電圧を安定して測定することができる。ここで、電圧測定点Ｐｍの電圧が、ピストン１０とシリンダとの間の電位差に相当する。
【００６０】
ピストン１０がシリンダ１１から浮上している場合、電圧測定点Ｐｍの電圧はＶ１となる。ピストン１０がシリンダ１１に接触すると、電圧測定点Ｐｍの電圧はアースと等しくなるので、０となる。これによって、ピストン１０とシリンダ１１との接触、浮上を確実に判定することができる。なお、本実施形態では、第１電圧測定器１７Ａ及び第２電圧測定器１７Ｂを用いてピストン１０とシリンダ１１との接触、浮上を判定するが、一つの電圧測定器をリレー等で切り替えて、高温側と低温側とでピストン１０とシリンダ１１との接触、浮上を判定してもよい。
【００６１】
ピストン１０がシリンダ１１から浮上している場合、すなわち、電圧測定点Ｐｍの電圧がＶｆである場合には、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上しているので、スターリングエンジン１の運転を継続する。ここで、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上したときの電圧Ｖｆを、ピストン浮上時電圧という。ピストン１０とシリンダ１１とが完全に接触すると、電圧測定点Ｐｍの電圧が０になる。あるいは、ピストン１０に供給する空気の圧力を現状よりも高くすることによって、シリンダ１１からピストン１０を浮上させる。これにより、ピストン１０とシリンダ１１との接触を回避して、スターリングエンジン１の運転を継続することができる。
【００６２】
ピストン１０に供給する空気の圧力を現状よりも高くしたにもかかわらず、電圧測定点Ｐｍの電圧が０を示し続ける場合には、何らかの原因でピストン１０がシリンダ１１から浮上できなくなったと考えられるので、スターリングエンジン１の運転を中止する。これにより、ピストン１０やシリンダ１１の摩耗の進行を抑制したり、スターリングエンジン１の破損を抑えたりすることができる。
【００６３】
ピストン１０やシリンダ１１の表面は、完全に平滑ではなく、ある程度の表面粗さを有している。このため、例えば、ピストン１０に供給される空気の圧力が低下した場合、微視的に見た場合にはピストン１０とシリンダ１１との間隔ｓが接近して接触を開始している場合がある。このような場合、電圧測定点Ｐｍの電圧は、０とＶ１との間の電圧を示す。したがって、電圧測定点Ｐｍの電圧が０とＶ１との間の電圧を示す場合、ピストン１０とシリンダ１１とが接触をし始めた状態であると判断できる。本実施形態では、電圧測定点Ｐｍの電圧がＶｃである場合には、ピストン１０とシリンダ１１とが接触し始めたと判定する。ここで０＜Ｖｃ＜Ｖｆであり、Ｖｃを接触判定電圧とする。そして、例えば、ピストン１０に供給する空気の圧力を現状よりも高くすることによって、シリンダ１１からピストン１０を浮上させる。これにより、ピストン１０とシリンダ１１との接触を回避して、スターリングエンジン１の運転を継続することができる。
【００６４】
この実施例に係るスターリングエンジン１では、高温側絶縁体１６Ａ及び低温側絶縁体１６Ｂを介して、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂを筺体内に取り付ける。これによって、簡易な構造で、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂ以外の部分に対する電気の導通が防止される。その結果、簡易な構造で、確実にピストン１０とシリンダ１１との導通を検出して、両者の接触、浮上を判定できる。また、高温側シリンダ１１Ａには第１接触判定回路４０Ａを接続し、低温側シリンダ１１Ｂには第２接触判定回路４０Ｂを接続するので、シリンダ毎にピストンの接触、浮上を判定できる。
【００６５】
ここで、高温側シリンダ１１Ａは高温側絶縁体１６Ａを介して、低温側シリンダ１１Ｂは低温側絶縁体１６Ｂを介してスターリングエンジン１の筺体に取り付けられる。このとき、高温側絶縁体１６Ａ及び低温側絶縁体１６Ｂには、断熱材又は作動流体のシール材の少なくとも一方の機能を兼用させてもよい。このようにすれば、断熱材やシール材を別個に用意する必要はないので、スターリングエンジン１の構成を簡略化できるとともに、製造コストを低減できる。高温側絶縁体１６Ａ及び低温側絶縁体１６Ｂとしては、例えば、ゴムや樹脂等の材料や、非導電体のガスケット等を用いることができる。ここで、高温側絶縁体１６Ａは、より耐熱性に優れる材料を用いることが好ましい。
【００６６】
この実施例に係るスターリングエンジン１は、筺体とは別の構造体として高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂを用意し、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂを筺体内に取り付ける。これによって、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂの組み付け精度を高くすることができるので、ピストン１０とシリンダ１１との間に形成される気体軸受用の微小な間隔ｓ（図３、図４）を、確実に設定することができる。
【００６７】
そして、このスターリングエンジン１では、筺体とは別の構造体として高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂを用意するので、筺体とシリンダとを絶縁するためには、高温側シリンダ１１Ａ及び低温側シリンダ１１Ｂと筺体との間に高温側絶縁体１６Ａ及び低温側絶縁体１６Ｂを配置するだけでよい。これによって、筺体とシリンダとを絶縁するための新たな構成が不要になる。その結果、クランクケース８等の加工や設計変更等が不要になるか、加工等が必要である場合でも簡易な加工等で済む。次に、本実施形態に係るスターリングエンジン１の起動、停止を制御するための運転制御装置３０について説明する。
【００６８】
図７は、本実施形態に係る排熱回収装置の運転制御に用いる運転制御装置の構成を示す説明図である。図７に示すように、本実施形態に係る運転制御装置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）５１と、記憶部５２と、入力ポート５５及び出力ポート５６と、入力インターフェース５７及び出力インターフェース５８とから構成される。
【００６９】
なお、機関ＥＣＵ５０とは別個に、本実施形態に係る運転制御装置３０を用意し、これを機関ＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、本実施形態に係る運転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１等に対する制御機能を、運転制御装置３０が利用できるように構成してもよい。
【００７０】
運転制御装置３０は、制御条件判定部３１と、接触判定部３２と、加圧制御部３３と動作制御部３４とを含んで構成される。これらが、本実施形態に係る運転制御を実行する部分となる。本実施形態において、運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５１の一部として構成される。また、ＣＰＵ５１には、内燃機関制御部５３が備えられており、これによって内燃機関１０１の運転を制御する。
【００７１】
ＣＰＵ５１と記憶部５２とは、バス５４ｃを介して接続される。また、運転制御装置３０と内燃機関制御部５３とは、バス５４ａ、５４ｂ及び入力ポート５５及び出力ポート５６を介して接続される。これにより、運転制御装置３０を構成する制御条件判定部３１と接触判定部３２と加圧制御部３３と動作制御部３４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、運転制御装置３０は、機関ＥＣＵ５０が有する内燃機関１０１やスターリングエンジン１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、運転制御装置３０は、本実施形態に係る運転制御を機関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。
【００７２】
入力ポート５５には、入力インターフェース５７が接続されている。入力インターフェース５７には、電圧測定器１７、クランクケース用圧力センサ２６、気体軸受用圧力センサ２７、排ガス温度計２８、ヒータ温度計２９、スターリングエンジン用回転数センサ４５といった、運転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、入力インターフェース５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５１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、ＣＰＵ５１は、内燃機関１０１の運転制御や、運転制御に必要な情報を取得することができる。
【００７３】
出力ポート５６には、出力インターフェース５８が接続されている。出力インターフェース５８には、運転制御に必要な制御対象が接続されている。本実施形態において、運転制御に必要な制御対象は、気体軸受用開閉弁２３、気体軸受用ポンプ２５、クラッチ６０、クランクケース加圧用ポンプ６１、クランクケース加圧用開閉弁６２等である。出力インターフェース５８は、制御回路５８₁、５８₂等を備えており、ＣＰＵ５１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ＣＰＵ５１は、スターリングエンジン１や内燃機関１０１を制御することができる。
【００７４】
記憶部５２には、本実施形態に係る運転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、あるいは本実施形態に係る運転制御に用いるためのデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部５２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。
【００７５】
上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５１フェース既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、本実施形態に係る運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この運転制御装置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、制御条件判定部３１、接触判定部３２、加圧制御部３３及び動作制御部３４の機能を実現するものであってもよい。次に、本実施形態に係る運転制御を説明する。なお、本実施形態に係る運転制御は、上記運転制御装置３０によって実現できる。まず、スターリングエンジン１の起動時における制御を説明する。
【００７６】
（起動時における制御）
図８は、スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御の制御手順を示すフローチャートである。図９は、スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。本実施形態に係る運転制御は、スターリングエンジン１のピストン内空間１０ＩＮへ気体を供給して加圧し、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上して、両者が非接触になってからスターリングエンジン１を起動する。
【００７７】
本実施形態に係る運転制御において、図１に示す内燃機関１０１は起動している。本実施形態に係る運転制御を実行するにあたり、ステップＳ１０１において、運転制御装置３０の制御条件判定部３１は、スターリングエンジン１が起動可能か否かを判定する。例えば、スターリングエンジン１が自立運転可能である場合には、スターリングエンジン１を起動できると判定する。この場合、例えば、ヒータ温度計２９から取得したスターリングエンジン１が備えるヒータ２Ｈの温度が、予め定めた起動時の目標温度を超えている場合は、スターリングエンジン１が自立運転可能であると判定する。
【００７８】
ステップＳ１０１でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３１がスターリングエンジン１は起動できないと判定した場合、スターリングエンジン１を起動することはできない。このため、本実施形態に係る運転制御を終了し、スターリングエンジン１を起動することができるようになるまで待機する。ステップＳ１０１でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３１がスターリングエンジン１は起動できると判定した場合、ステップＳ１０２へ進む。
【００７９】
ステップＳ１０２において、運転制御装置３０の加圧制御部３３は、気体軸受用ポンプ２５を駆動し、気体軸受用開閉弁２３を開いて、ピストン１０のピストン内空間１０ＩＮへ気体Ｇを供給して、ピストン内空間１０ＩＮを加圧する。ここで、ピストン内空間１０ＩＮの加圧を開始した時点は、図９のｔ＝０のときである。次に、ステップＳ１０３において、運転制御装置３０の接触判定部３２は、ピストン１０とシリンダ１１とが接触しているか否かを判定する。
【００８０】
ピストン１０とシリンダ１１との接触を判定するにあたり、接触判定部３２は、第１電圧測定器１７Ａ及び第２電圧測定器１７Ｂから、高温側電圧測定点Ｐｍの電圧（高温側電圧）Ｖｈ及び低温側電圧測定点Ｐｍの電圧（低温側電圧）Ｖｌを取得する。そして、高温側電圧Ｖｈ及び低温側電圧Ｖｌの両方がピストン浮上時電圧Ｖｆを超えたか否かを判定する。高温側電圧Ｖｈ及び低温側電圧Ｖｌの両方がピストン浮上時電圧Ｖｆを超えている場合、高温側ピストン１０Ａと高温側シリンダ１１Ａとが非接触、かつ低温側ピストン１０Ｂと低温側シリンダ１１Ｂとが非接触であると判定できる。
【００８１】
また、ピストン１０とシリンダ１１との接触を判定するにあたっては、ピストン１０とシリンダ１１とが非接触になるときにおけるピストン内空間１０ＩＮへ供給する気体の圧力（浮上時圧力）を予め求めておき、ピストン内空間１０ＩＮへ供給する気体の圧力が浮上時圧力になったときにピストン１０とシリンダ１１とが非接触になったと判定してもよい。浮上時圧力は、例えば、スターリングエンジン１の負荷に応じて設定し、マップ化してＥＣＵ５０の記憶部５２へ格納しておく。そして、ピストン１０とシリンダ１１との接触を判定する際に、接触判定部３２が記憶部５２へ格納したマップを読み出して、気体軸受用圧力センサ２７から取得した圧力、すなわちピストン内空間１０ＩＮへ供給する気体の圧力と比較する。
【００８２】
高温側電圧Ｖｈ又は低温側電圧Ｖｌの少なくとも一方がピストン浮上時電圧Ｖｆを超えていない場合（図９のｔ＝０からｔ１までの間）、高温側ピストン１０Ａ又は低温側ピストン１０Ｂの少なくとも一方は、高温側シリンダ１１Ａあるいは低温側シリンダ１１Ｂに接触している。この場合、接触判定部３２は、ピストン１０とシリンダ１１とが接触していると判定する。すなわち、ステップＳ１０３においてＮｏと判定される。
【００８３】
ステップＳ１０３でＮｏと判定された場合、加圧制御部３３は、ピストン内空間１０ＩＮの加圧を継続する。この場合、ピストン内空間１０ＩＮの圧力を現時点よりも高くする。ここで、本実施形態においては、気体軸受用圧力センサ２７によって測定される蓄圧タンク２４内の圧力を、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_Pであると推定する。加圧制御部３３は、気体軸受用圧力センサ２７から蓄圧タンク２４内の圧力を取得し、この値をピストン内空間１０ＩＮの圧力Ｐ_Pとする。そして、蓄圧タンク２４内の圧力、すなわちピストン内空間の圧力Ｐ_Pが現時点よりも高くなるように、気体軸受用ポンプ２５を制御する。
【００８４】
ステップＳ１０３でＹｅｓと判定された場合、すなわち、接触判定部３２が、高温側電圧Ｖｈ及び低温側電圧Ｖｌの両方がピストン浮上時電圧Ｖｆを超えているため、ピストン１０とシリンダ１１とが接触していないと判定した場合、ステップＳ１０４へ進む。ここで、ピストン１０とシリンダ１１とが接触していないときのピストン内空間１０ＩＮにおける圧力をＰαとする。Ｐαを浮上時ピストン内圧力という。Ｐαは、クランクケース８内の規定圧力Ｐβよりも高い値であり、例えば、規定圧力Ｐβの１割程度高い値に設定する。ここで、クランクケース８内の規定圧力Ｐβは、スターリングエンジン１の仕様によって設定される値である。
【００８５】
ステップＳ１０４において、加圧制御部３３は、スターリングエンジン１の運転中において、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力の目標値（目標ピストン内圧力）Ｐ_PTを浮上時ピストン内圧力Ｐαに設定し、ＥＣＵ５０の記憶部５２へ格納する。そして、加圧制御部３３は、スターリングエンジン１の運転中において、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_Pが浮上時ピストン内圧力Ｐαになるように気体軸受用ポンプ２５及び気体軸受用開閉弁２３を制御する。
【００８６】
これによって、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_Pが浮上時ピストン内圧力Ｐαを下回ったときに気体軸受用ポンプ２５を駆動すればよいので、常に気体軸受用ポンプ２５を駆動しなくとも、ピストン１０とシリンダ１１との接触を確実に回避することができる。これによって、気体軸受用ポンプ２５の駆動時間を短くできるので、エネルギー消費を抑制でき、また、気体軸受用ポンプ２５の耐久性低下を抑制できる。なお、ステップＳ１０４は、必ずしも実行する必要はなく、ピストン１０とシリンダ１１とが接触していない状態において常に気体軸受用ポンプ２５を駆動して、ピストン内空間１０ＩＮの加圧を継続してもよい。これによって、ピストン１０とシリンダ１１との接触をより確実に回避することができる。
【００８７】
次に、ステップＳ１０５において、運転制御装置３０の動作制御部３４は、スターリングエンジン１を起動する。スターリングエンジン１を起動するにあたり、動作制御部３４は、図１に示す排熱回収装置１００のクラッチ６０を係合して、内燃機関１０１の動力を利用してスターリングエンジン１を起動する（図９のｔ＝ｔ１）。そして、スターリングエンジン１の機関回転数（ＳＥ回転数）Ｎｓｅを、定格運転時における回転数（定格回転数）Ｎｓｅｃまで上昇させ、スターリングエンジン１によって内燃機関１０１の排ガスＥｘの持つ熱エネルギーを回収してクランク軸９から運動エネルギーとして出力する。スターリングエンジン１の出力は、内燃機関用変速機６４によって内燃機関１０１の出力と合成されて、内燃機関１０１の出力とともに出力軸６７から取り出される。
【００８８】
このように、本実施形態に係る運転制御によれば、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上して、両者が非接触となってからスターリングエンジン１を起動する。これによって、ピストン１０が往復運動している場合において、ピストン１０とシリンダ１１との接触を回避することができる。その結果、ピストン１０及びシリンダ１１の摩耗を回避して、ピストン１０及びシリンダ１１の耐久性低下を抑制できる。次に、スターリングエンジン１の停止時における制御を説明する。
【００８９】
（停止時における制御）
図１０は、スターリングエンジンの停止時における本実施形態に係る運転制御の制御手順を示すフローチャートである。図１１は、スターリングエンジンの停止時における本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。本実施形態に係る運転制御は、スターリングエンジン１が完全に停止して、ピストン１０の往復運動が停止してから、ピストン内空間１０ＩＮへの気体の供給を停止する。
【００９０】
本実施形態に係る運転制御を実行するにあたり、ステップＳ２０１において、加圧制御部３３は、ピストン１０のピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_Pが、浮上時ピストン内圧力Ｐα以上になるように制御する。これによって、スターリングエンジン１が確実に停止するまで、ピストン１０をシリンダ１１から完全に浮上させて、両者の接触を確実に回避する。
【００９１】
ステップＳ２０２おいて、制御条件判定部３１は、スターリングエンジン１が停止したか否か、すなわち、ピストン１０の往復運動が停止したか否かを判定する。スターリングエンジン１が停止したか否かは、例えば、図２に示すスターリングエンジン用回転数センサ４５により、クランク軸９が停止しているか否かで判定することができる。すなわち、ＳＥ回転数Ｎｓｅが０である場合に、スターリングエンジン１が停止して、ピストン１０の往復運動が停止したと判定できる。
【００９２】
ステップＳ２０２でＮｏと判定された場合、すなわち、Ｎｓｅ≧０（ｒｐｍ）であり、スターリングエンジン１はまだ停止していないと制御条件判定部３１が判定した場合、ピストン１０はまだ往復運動をしているため、ピストン内空間１０ＩＮへの加圧を停止することはできない。このため、ステップＳ２０１へ戻り、加圧制御部３３は、ピストン１０のピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_Pが、浮上時ピストン内圧力Ｐα以上になるように制御する。これによって、スターリングエンジン１が確実に停止してピストンの往復運動が停止するまで、ピストン１０をシリンダ１１から完全に浮上させて、両者の接触を確実に回避する。ステップＳ２０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３１がスターリングエンジン１は停止したと判定した場合（図１１のｔ＝ｔ３）、ステップＳ２０３へ進む。
【００９３】
ステップＳ２０３において、運転制御装置３０の加圧制御部３３は、気体軸受用ポンプ２５を停止しピストン１０のピストン内空間１０ＩＮに対する気体Ｇの供給を停止して、ピストン内空間１０ＩＮへの加圧を停止する。ピストン内空間１０ＩＮへの加圧を停止すると、ピストン内空間１０ＩＮの圧力Ｐ_Pは、クランクケース８内の規定圧力Ｐβまで徐々に低下する（図１１のｔ＝ｔ４）。ピストン内空間１０ＩＮの圧力Ｐ_Pの低下にともない、ピストン１０とシリンダ１１とは徐々に接触する。
【００９４】
このように、本実施形態に係る運転制御によれば、スターリングエンジン１が完全に停止してから、すなわち、ピストン１０の往復運動が完全に停止してからピストン内空間１０ＩＮへの加圧を停止する。その結果、ピストン１０が往復運動している間は、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上して、両者の非接触状態が維持されているので、ピストン１０とシリンダ１１との摺動による摩耗を回避して、ピストン１０及びシリンダ１１の耐久性低下を抑制できる。次に、スターリングエンジン１の起動時における制御の変形例を説明する。
【００９５】
（起動時における制御の変形例）
図１２は、スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御の制御手順を示すフローチャートである。図１３は、スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。本実施形態に係る運転制御は、スターリングエンジン１のピストン内空間１０ＩＮ及びクランクケース８へ同時に気体を供給して加圧し、クランクケース８内の圧力が所定の圧力に到達したら、ピストン１０とシリンダ１１とが非接触になるまでピストン内空間１０ＩＮの加圧を継続する。そして、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上して、両者が非接触になってからスターリングエンジン１を起動する。
【００９６】
本実施形態に係る運転制御において、図１に示す内燃機関１０１は起動している。本実施形態に係る運転制御を実行するにあたり、ステップＳ３０１において、運転制御装置３０の制御条件判定部３１は、スターリングエンジン１が起動可能か否かを判定する。ステップＳ３０１でＮｏと判定された場合、本実施形態に係る運転制御を終了し、スターリングエンジン１を起動することができるようになるまで待機する。ステップＳ３０１でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３１がスターリングエンジン１は起動できると判定した場合、ステップＳ３０２へ進む。
【００９７】
ステップＳ３０２において、制御条件判定部３１は、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_Pが所定の規定圧力Ｐβ以上、かつクランクケース８の内部における圧力Ｐ_Cが所定の規定圧力Ｐβ以上であるか否かを判定する。ステップＳ３０２においてＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３１が、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_P又はクランクケース８の内部における圧力Ｐ_Cの少なくとも一方が所定の圧力Ｐβよりも小さいと判定した場合には、ステップＳ３０３へ進む。
【００９８】
ステップＳ３０３において、運転制御装置３０の加圧制御部３３は、気体軸受用ポンプ２５を駆動し気体軸受用開閉弁２３を開くとともに、クランクケース加圧用ポンプ６１を駆動してクランクケース加圧用開閉弁６２を開く（図１３のｔ＝０）。これによって、ピストン１０のピストン内空間１０ＩＮへ気体Ｇを供給して、ピストン内空間１０ＩＮを加圧するとともに、クランクケース８の内部を加圧する。そして、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_P及びクランクケース８の内部における圧力Ｐ_Cの両方が所定の圧力Ｐβ以上になるまで、ピストン内空間１０ＩＮ及びクランクケース８の内部の加圧を継続する。
【００９９】
ステップＳ３０２においてＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部３１が、ピストン内空間１０ＩＮにおける圧力Ｐ_P及びクランクケース８の内部における圧力Ｐ_Cの両方が所定の圧力Ｐβ以上であると判定した場合には（図１３のｔ＝ｔ０）、ステップＳ３０４へ進む。ステップＳ３０４において、加圧制御部３３は、気体軸受用ポンプ２５を駆動し気体軸受用開閉弁２３を開き、ピストン１０のピストン内空間１０ＩＮへ気体Ｇを供給してピストン内空間１０ＩＮの加圧を継続する。なお、加圧制御部３３は、クランクケース加圧用開閉弁６２を閉じるとともにクランクケース加圧用ポンプ６１を停止する。
【０１００】
次に、ステップＳ３０４において、運転制御装置３０の接触判定部３２は、ピストン１０とシリンダ１１とが接触しているか否かを判定する。ステップＳ３０４～ステップＳ３０７は、上述した運転制御におけるステップＳ１０３～ステップＳ１０５と同様なので、説明を省略する。このように、本実施形態の変形例に係る運転制御によれば、ピストン１０がシリンダ１１から完全に浮上して、両者が非接触となってからスターリングエンジン１を起動する。その結果、ピストン１０及びシリンダ１１の摩耗を回避して、ピストン１０及びシリンダ１１の耐久性低下を抑制できる。
【０１０１】
また、クランクケース８の内部の加圧とピストン１０のピストン内空間１０ＩＮの加圧とを同時に実行するため、クランクケース８の内部に配置される高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ及び低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂの内部に存在する気体の圧力と、クランクケース８の内部に存在する気体の圧力とがほぼ等しい状態でピストン内空間１０ＩＮとクランクケース８の内部とへ気体を供給することができる。これによって、クランクケース８の内部に配置される高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ及び低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂがつぶれることを回避できるので、クランクケース８の内部に配置される高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ及び低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂに、例えばゴムチューブや樹脂チューブのような柔軟かつ柔らかい素材を使用することができる。その結果、図２に示すように、クランク軸９とピストン１０とを連結するリンク機構に沿わせて高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ及び低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂを配置することができる。
【０１０２】
図１４は、スターリングエンジンへ気体を供給する気体供給系の変形例を示す模式図である。このスターリングエンジン１は、高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂへ供給する気体と、クランクケース８の内部へ供給する気体とを、蓄圧タンク２４ａから得るものである。蓄圧タンク２４ａからは、気体軸受用開閉弁２３を通り、高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ及び低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂを介して高温側ピストン１０Ａ及び低温側ピストン１０Ｂへ気体を供給する。また、蓄圧タンク２４からは、クランクケース加圧用開閉弁６２及びクランクケース用気体供給配管６３を介してクランクケース８の内部へ気体を供給する。
【０１０３】
高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ、低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂ、及びクランクケース８の内部へ気体を供給する場合、気体軸受用開閉弁２３及びクランクケース加圧用開閉弁６２をともに開く。また、高温側気体軸受用気体供給配管２２Ａ及び低温側気体軸受用気体供給配管２２Ｂのみへ気体を供給する場合は、気体軸受用開閉弁２３のみを開き、クランクケース８の内部へのみ気体を供給する場合は、クランクケース加圧用開閉弁６２のみを開く。このような構成によれば、気体軸受を形成するための気体を供給する手段と、クランクケース８の内部を加圧するための気体を供給する手段とを共通にすることができる（この例では加圧用ポンプ２５ａ）。これによって、コストを低減できるとともに、信頼性を向上させることもできる。
【０１０４】
以上、ピストンがシリンダから完全に浮上して、両者が非接触となってから排熱回収機関であるスターリングエンジンを起動する。また、排熱回収機関であるスターリングエンジンが停止してから、すなわち、ピストンの往復運動が停止してからピストン内空間への気体の供給を停止する。これによって、シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関において、ピストンが往復運動している場合にピストンとシリンダとの接触を回避できるので、ピストン及びシリンダの摩耗を回避して、ピストン及びシリンダの耐久性低下を抑制できる。
【０１０５】
特に、気体軸受によってピストンをシリンダ内に支持する構成においては、潤滑油を用いないでピストンがシリンダ内を往復運動する。このため、気体軸受を用いてピストンをシリンダ内に支持する構成においては、ピストンが往復運動している場合においてピストンとシリンダとの接触を確実に回避する必要がある。本実施形態によれば、ピストンが完全に浮上してからスターリングエンジンを起動し、スターリングエンジンのクランク軸の回転が０になってからピストンの内部の加圧を停止する。これによって、ピストンが往復運動している場合には、ピストンとシリンダとの接触を確実に回避することができる。
【０１０６】
また、本実施形態によれば、ピストンとシリンダとの非接触状態が検知できた時点でスターリングエンジン１を起動、すなわちピストンを往復運度させることができる。これによって、ピストンの内部に形成される空間へ供給する気体の圧力を検出することなくスターリングエンジン１を起動できる。
【０１０７】
さらに、近似直線機構を用いてピストンを支持すれば、ピストンの直線運動の信頼性を高くすることができる。これによって、ピストンとシリンダとが非接触が確認できればスターリングエンジンを起動、すなわちピストンを往復運動させることができる。また、ピストンの往復運動が停止していれば、ピストンとシリンダとが接触してもよいので、ピストンの往復運動の停止が確認できれば、気体軸受を形成するための気体の供給を停止することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
以上のように、本発明に係る排熱回収装置及び運転制御装置は、シリンダ内をピストンが往復運動する排熱回収機関熱機関に有用であり、特に、ピストン及びシリンダの耐久性低下を抑制することに適している。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本実施形態に係るスターリングエンジンを用いた排熱回収装置の構成例を示す全体図である。
【図２】本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を示す断面図である。
【図３】図２に示すスターリングエンジンのピストンとシリンダとの構成を示す説明図である。
【図４】図３のＹ－Ｙ矢視図である。
【図５】近似直線機構によりピストンを支持する構成例を示す模式図である。
【図６】電圧測定点の電圧変化を示す説明図である。
【図７】本実施形態に係る排熱回収装置の運転制御に用いる運転制御装置の構成を示す説明図である。
【図８】スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図９】スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。
【図１０】スターリングエンジンの停止時における本実施形態に係る運転制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】スターリングエンジンの停止時における本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。
【図１２】スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図１３】スターリングエンジンの起動時における本実施形態に係る運転制御のタイミングチャートである。
【図１４】スターリングエンジンへ気体を供給する気体供給系の変形例を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１スターリングエンジン
２熱交換器
６シリンダケース
７クランク軸受
８クランクケース
９クランク軸
１０ピストン
１０Ｂｏピストン底部
１０ＩＮピストン内空間
１０Ｓピストン側部
１０Ｔピストン頂部
１１シリンダ
１２伝達部材
１３コンロッド
１６Ａ高温側絶縁体
１６Ｂ低温側絶縁体
１７電圧測定器
１７Ａ第１電圧測定器
１７Ｂ第２電圧測定器
２０給気口
２１気体通路
２２気体軸受用気体供給配管
２３気体軸受用開閉弁
２４、２４ａ蓄圧タンク
２５気体軸受用ポンプ
２５ａ加圧用ポンプ
２６クランクケース用圧力センサ
２７気体軸受用圧力センサ
２８排ガス温度計
２９ヒータ温度計
３０運転制御装置
３１制御条件判定部
３２接触判定部
３３加圧制御部
３４動作制御部
４０Ａ第１接触判定回路
４０Ｂ第２接触判定回路
４２排気通路
４５スターリングエンジン用回転数センサ
５０機関ＥＣＵ
５１ＣＰＵ
５２記憶部
５３内燃機関制御部
６０クラッチ
６１クランクケース加圧用ポンプ
６２クランクケース加圧用開閉弁
６３クランクケース用気体供給配管
１００排熱回収装置
１０１内燃機関
１１０近似直線機構

特許の図

【出願人】	【識別番号】０００００３２０７【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】	平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【代理人】	【識別番号】１０００８９１１８【弁理士】【氏名又は名称】酒井宏明
【公開番号】	特開２００８－２６７２５８（Ｐ２００８－２６７２５８Ａ）
【公開日】	平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【出願番号】	特願２００７－１１０７９６（Ｐ２００７－１１０７９６）