JPH04504888A - エネルギー変換装置を制御する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、今日、オツトー又はディーゼルエンジンががよく利用されている分野 に、スターリング及びエリクラン型の熱ガスエンジンを用いることを可能とする 方法に関し、具体的には、ステップ制御付き熱ガスエンジンよりなるエネルギー 変換装置からの出力を連続的に制御する方法に関する。本発明は又、上記熱ガス エンジンを備えたエネルギー変換装置に関する。

熱ガスエンジンは、例えばオツトーエンジンより実質的に高い効率を有しており 、その使用が望ましい。これは、エンジンに供給される燃料が十分な完全燃焼を するため、環境に対して有害な排気ガスの量がはるかに少ないからである。更に 、熱ガスエンジンにはほとんどどんな種類の燃料でも使用でき、その加熱には再 生した形のエネルギーでも使用できるので、環境的に優れている。

この型のエンジンでは、出力動力は、定義上、式Ｐ−Ｍ・ωにより得られる。こ こでＰ−動力、Ｍ−）ルク、ω−角速度（ω一回転数・π／３０）。従って、エ ンジンの出力を変えようとすれば、２つの変数、即ちトルクと角速度／回転数が 存在する。少なくとも、内燃機関の場合は、最適エンジン回転速度はたいてい、 トルクに対す特表平４−５０４８８８　（２） る比較的低いエンジン回転速度の依存度が最も高くなるエンジン回転速度に固定 されているので、出力の変更を可能にするためにトルクに対するエンジン回転速 度の依存度を可変にすることが望ましい。当然、これは例えば、車両への適用も 排除するものではない。

既存の熱ガスエンジンからの出力を制御する装置は、燃料／空気制御装置とトル ク制御装置よりなる。燃焼可能な燃料／空気混合気の量を変えることにより、第 一の装置はエンジンにおける周知のヒータ璧の温度の対応する変化、エンジン回 転速度の変化、従って、エンジン出力の変化を生じる。第二の制御装置は、エン ジンに含まれる作動ガスの作動圧力を変えることにより、一定のエンジン回転速 度でエンジントルクを変えることを目指している。これは、多くの異なった、多 少とも複雑な方法により達成される。

例えば船舶用エンジン等ゆっくりと変化するトルクが必要な場合には、十分に制 御条件に合致した単純で安全な装置が利用できる。急速に変化するトルクに対し ては、種々の装置が提案されてきた。所謂、中間ガス圧力装置は、循環する作動 ガスの量、従って、中間ガス圧力が必要とされる可変トルクに応じて調整される ものであり、十分迅速性に対応できる。しかしながら、これも又、複雑であり、 製造コストが高い。更に、トルクが急激に減少する制御相の部分でエネルギー損 失が生じる。従って、このような高価な出力制御装置は例えば自動車に熱ガスエ ンジンを用いることの競争力を大いに減じてきた。所謂、ステップ制御は、急速 なトルク変化に対応できる別の出力制御装置であり、また中間ガス圧力の変形に その基礎をおいている。もし、一つ或いはそれ以上のステップで作動ガスの体積 を変化させることができるなら、各エンジン回転速度においてエンジンから伝達 されるトルクを増加させたり、減少させたりすることができる。これは、出力を 制御するための比較的安価な方法を提供するが、その制御が数段階で行われる。

本来、例えば車両に適用する制御は連続的に行われるべきなので、そのように制 御される熱ガスエンジンは使用できない。

他の未解決の問題は、熱ガスエンジンは極度の損耗を防ぐために、負荷を加える 前に１．２分のウオームアツプを必要とすることである。従って、例えば、自動 車におけるこの種のエンジンの利用者は、ガソリン又はディーゼルエンジンの場 合のように迅速な利用性を要求するので、利用性の問題がまた生じる。これは熱 ガスエンジンが使用に適さないことを意味する。

本発明の主たる目的は、従って、エネルギー変換装置からの出力の連続的な変更 を可能とする、導入部で言及した型の制御装置を提供することである。

本発明の別の目的は、少なくともディーゼル或いはオツトーエンジンと同程度に 十分な利用可能性を備えたエネルギー変換装置を提供することである。

これらの目的は、以下の特徴を有する本発明に従った方法により達成される。

経時的に連続的に調整可能なアキュムレータ及びゼネレータ／エンジンユニット を備えたエネルギー貯蔵装置が、熱ガスエンジンからの出力がエネルギー変換シ ステムから必要とされる出力を越えるとき得られる余分のエネルギーを貯蔵し、 前記エネルギー貯蔵装置が、熱ガスエンジンからの出力が前記出力条件を下回る とき、動力を供給し、　前記エネルギー貯蔵装置の貯蔵又は出力が、前記エネル ギー変換装置からの出力もまた経時的に連続的に調整可能となるように制御され る。

更に、これらの目的は、以下の特徴を有する本発明に従ったエネルギー変換装置 により達成される。即ち、経時的に連続的に調整可能なアキュムレータ及びゼネ レータ／エンジンユニットを備え、熱ガスエンジンからの出力がエネルギー変換 装置から必要とされる出力を越えるとき得られる余分のエネルギーを貯蔵し、熱 ガスエンジンからの出力が前記出力条件を下回るときエネルギーを供給するエン ジン貯蔵装置と、 エネルギー変換装置からの出力が経時的に連続的に調整可能となるように、エネ ルギー貯蔵装置の貯蔵及び出力を調整する制御装置である。

本発明の一つの利点は、変換装置におけるエネルギーの貯蔵により、例えば、ガ レージで前記装置を用いたバスを駆動するとき等、一定時間の間、排気ガスを排 出することなしに装置を運転することが可能となることである。

本発明の他の利点は、エネルギー変換システムの最大動力が熱ガスエンジンへの 最大動力とエネルギー変換装置からの最大利用可能動力とを加えることから得ら れることにある。かくして、熱ガスエンジンの最大動力は、ディーゼルエンジン 等の従来の駆動ユニットのそれと比較して限定されたものとすることができる。

本発明の別の利点は、それが小型の都市車両の製造を可能とすることにある。即 ち、エネルギー変換装置は車両を起動するのに必要とされないエンジン駆動軸の 出力の部分を蓄積できるので、都市中心部では電気的、又は圧縮流体を用いて起 動し、都市中心部以外では熱ガスエンジンにより起動することができる。

本発明の更に別の利点は、添付図面を参照して、好ましい実施例の以下の詳細な 説明から明らかになろう。

図１は都市バスに利用された実施例の概略図。

図２は軽量都市車両に利用された実施例の概略図。

図３は配送パンに利用された実施例の概略図。

図４はエネルギー変換装置からの出力を想像上の駆動サイクルに対する時間の関 数として示した図。

特表平４−５０４８８８　（３） 図５は図４と同様の図であるが、異なる制御方法を用いて前記装置からの出力を 想像上の駆動サイクルに対する時間の関数として示した図。

図６は補助動カニニットにおける本発明の実施例を示した図。

図７は補助動カステーションに用いられた本発明の別の実施例を示した図。

図１は都市や郊外の交通でバスやパンなどの重量及び中量の車両に用いられるエ ネルギー変換装置の熱ガスエンジンにおいて、本発明に係る装置を利用した第１ の例を示す。駆動ユニットは２段階の調整可能な熱ガスエンジンユニット１及び ２よりなり、それぞれはバーナ３と燃料／空気制御システム４を備え、なかでも システム４は燃料ライン５、燃料バルブ６、供給手段７、及び燃焼空気ファン８ を有している。この実施例において、図１に示すエンジンユニット１及び２は、 ３つの所定の軸トルク段階で動力調整される。即ち、 各エンジン回転速度で得られる最大動力がエンジンユニットから供給される最大 軸トルク段階。エンジン回転速度は動力条件により決定され、それぞれ加えられ る燃料及び空気の量、及びギアボックス（ＦＬ−分配ギアボックス、ＶＬ−従来 のギアボックス）を介する外部及び内部負荷により影響される。

各エンジン回転速度で得られる最大軸トルクの約半分供給される半軸トルク段階 。この場合でもエンジン回転速度は動力条件により決定され、上記のものにより 影響される。

僅かなエネルギー充填条件を加えるだけで、車両の駆動装置の補助装置に対する 動力条件に対応する軸トルクだけが生成される無負荷軸トルク段階。この段階は 予期される急迫した軸出力条件の前にエンジンユニットに対する準備位置を構成 する。

加えて、各エンジンユニットにおける異なる軸トルク段階に対する動力調整の可 能性に対して、１つのエンジンユニット、２つのエンジンユニット、或いは全く 無い場合におけるカットの可能性がある。エンジンユニットは軸力プリングＫｌ 及びＫＩＩによりカットされる。上記分配ギアボックスＦＬに対して、車両を推 進させるギアボックスＶＬか、好ましくは油圧ユニットＨＭ／Ｐである流体ユニ ットのいずれかが接続されている。油圧ユニットＨＭ／Ｐはポンプ位置において 機械的な軸動力を蓄積された油圧動力に変換する。この蓄積された動力はエンジ ンユニットの一つ又は両方か、この場合プレイキングエネルギーよりなる車両の エンジンユニットのいずれかから生じる。前記ユニットＨＭ／Ｐからの軸トルク は追加の軸トルクなしか（この場合排気ガスはない）、エンジンユニット１及び ２の一方又は両方からの軸トルクを追加することにより車両を駆動する。

分配ギアボックスＦＬには、従来の方式で車両の作動条件により決定される方式 でエンジン回転速度及び軸トルクを変換する上記従来のギアボックスＶＬが取り 付けられている。上記ギアボックスは駆動軸９及びその結果としての車両の駆動 車輪を係合させたり外したりするカプリングＫ１１ｌを備えている。

油圧動力はそれぞれが窒素ガス又は他の適当なガスようの圧力タンクを有する高 圧部分１０及び低圧部分１１よりなる圧力アキュムレータ内に貯蔵される。高圧 部分１０と低圧部分１１との間の油圧の差は、得られる動力供給の測定値である 。

段階的に調整可能な熱ガスエンジンユニット１及び２を備えた駆動システムは、 車両を推進するために急速に調節可能な軸トルクを提供する。これは、動力が常 に蓄積された形で得られること、及びエネルギー供給が熱ガスエンジンユニット １及び２により充填された状態で維持されることによる。従って、この駆動シス テムは、種々の駆動サイクルに適用可能であり予めプログラムされた電子制御シ ステム（図１では図示せず）により制御される。一方、ドライバーはアクセルペ ダル、ブレーキペダル、クラッチペダル、及びギアレバーを用いて従来の方法で 車両を運転できる。

エネルギー節約の見地から、変換損失を避けるために、必要とされる推進動力は できるだけエンジンユニットから直接駆動車輪に供給されることと、車両のブレ ーキエネルギーができるだけアキュムレータに貯蔵されることが重要である。こ れは電子制御システムにより達成される。図２は図１と同様の図であるが、この 実施例においては、エネルギー変換装置は電気エネルギー貯蔵室を有し、軽量の 都市車両を推進するために適用できる。低動力条件のため、駆動ユニットは上述 したように数段階例えば先の例のように３段階で調節される単一のエンジンユニ ット１よりなる。カプリングＫＩを介して、エンジンは、結合された電気モータ ／電子ゼネレータユニット１２を出力する。ユニット１２はギアボックスＶＬを 介して駆動し、或いはブレーキングにより前記ギアボックスと接続された駆動軸 ９により駆動される。更に、このギアボックスは従来の方法で作動ギア１３及び 駆動車輪１４を駆動する。

電気ユニット１２は、異なる駆動サイクルにおいて、車両を推進する異なる軸ト ルクを提供するように、且つ、車両のブレーキング時に電気バッテリー内にブレ ーキングエネルギーを蓄積するように制御される。更に、この電気ユニットは、 例えば、前記バッテリーを充電するために熱ガスエンジンからの出力動力を電気 エネルギーの形で貯蔵するために、或いは逆に、バッテリー内の電気エネルギー を車両を推進するための軸出力動力に変換するために用いられる（図４及び図５ 参照）。又、この場特表平４−５０４８８８　（４） 合、エネルギー消費を制御するのは上述した電気制御システムである。一方、ド ライバーは従来の方法で、アクセルペダル、ブレーキペダル、及び任意にクラッ チペダルとギヤレバーを用いて車両を駆動する。駆動動力はできるだけ熱ガスエ ンジンか車両の駆動車輪まで直接伝達されることが重要である。一方、電気バッ テリーからの出力は、必要に応じて排気ガスがないように熱ガスエンジンからの 出力を調整したり、更に、例えば一時的に最大スピードを出すため、丘を上ると き、或いはこれらの作動条件が結合したときの重加速の間に最大軸トルクを生成 するために用いられる。

上述した例は、エンジンユニットと車両の駆動車輪との間で直接の機械的駆動接 触を行った駆動システムへの本発明の適用を示しているが、この直接接触の目的 はできるだけ、効率よくエネルギーの節約を行うことである。

しかしながら、ある場合には、例えば、費用、構造、間の可撓性等のために、駆 動ユニット、熱ガスエンジンと車両の駆動車輪との間の直接的な機械的係合を行 わないことがある。図３は配送パン用の駆動システムに用いた例を示す。

図３において、符号１は上述したように、段階的に調節可能で種々のピストン行 程を備えた油圧ポンプに接続された熱ガスエンジンを示している。ポンプを介し て、熱ガスエンジン１は低圧部分１１及び高圧部分１０からなる油圧アキュムレ ータを充電する。車両の車輪１４の駆動は、例えば連続的に可変な変圧器（ＣＶ Ｔ）であるギアボックスＶＬを介して、結合したエンジン及びポンプユニットＨ Ｍ／Ｐにより達成される。車両のブレーキングエネルギーは、油圧ユニットＨＭ ／Ｐがポンプとして機能し、油圧アキュムレータ内に有効なブレーキングエネル ギーを油圧動力の形で蓄えるので、浪費されない。

電子的に予めプログラムされた制御システムＥがシステムを自動的に監視制御す る。車両のドライバーは通常の方法で、アクセルペダル、ブレーキペダル、及び ギアレバーを用いて駆動する。

図４及び図５は、エネルギー変換装置からの段階的に調節された動力が、種々の 駆動サイクルを通じて、時間の関数として、エネルギーの追加供給又はエネルギ ーアキュムレータによるエネルギーの吸収により、如何に調整されるかを示して いる。これは、熱ガスエンジンの軸トルクは段階的に調節されるが、本発明によ る結果はエネルギーアキュムレータとの共働により完全に連続な出力であること を意味している。

図４は、この例では電気アキュムレータであるが油圧アキュムレータや他の種類 のエネルギーアキュムレータでもよいエネルギーアキュムレータが、ゼネレータ として機能する電気ユニットを介してアキュムレータに供給される余分な動力で 連続的に充電されつつ、このことが達成されるかを示している。図示駆動サイク ルは、車両が期間Ａの間に（熱ガスエンジンは、排気ガスがないように停止され ている。）作動位置１において、電気アキュムレータからのエネルギーに基づい て電気モータにより完全に駆動されるかを示している。続く期間Ｃにおいて、エ ンジンは始動し、車両を作動させるのに必要な動力を越えるか、それと等しい動 力を供給する。余分な動力は、電気エネルギーとして電気アキュムレータ内に蓄 えられる。次の期間りの間に、フル出力が熱ガスエンジンから生成され、余分な 動力はアキュムレータ内に貯蔵される。車両の駆動サイクルが、熱ガスエンジン から得られる最大値より多くの動力を必要とする時は（期間Ｄ゛を通じて）、エ ンジンとして作用する電気ユニットが余分な軸動力を付加する。最後に期間Ｂの 間に、熱ガスエンジンは休み、補助装置を駆動し、任意にアキュムレータをトリ クル充電するための動力を供給するだけである。

図５はエネルギー変換装置の軸トルクが如何に変換されるか、及びこの発明に起 因する軸動力がこの場合電気バッテリーであるエネルギーアキュムレータと共働 して完全に連続的であるかを示している。駆動サイクルの最初の部分Ｂにおいて 、熱ガスエンジンが休止時に如何に作動するかを示している。車両を起動させる ために比較的小さい量の動力が必要とされるときには、エネルギーは電気バッテ リーから供給され、電気ユニットは単なる駆動エンジンである。高い動力が要求 されるときには、熱ガスエンジンから供給される軸動力は段階的に増加され、（ 動力色ｆｉＩＣ−Ｄ−Ｃ）、同時に動力は電気駆動エンジンからの追加の動力を 用いて調整される。この駆動方法は、電気バッテリーが比較的十分に充電されて いるとき用いられる。

駆動サイクルの終わりには、熱ガスエンジンは完全に停止され、サイクルの残り の部分は電気駆動エンジンからの動力の付加により達成される。これは、熱ガス エンジンが完全に停止され、排気ガスが生じない、熱ガスエンジンの軸動力位置 Ａに相当する。この種の車両作動は、特に限定された場所での駆動、例えばガレ ージとか雑踏のなかでの駆動に適している。車両の操作位置、及び熱ガスエンジ ンの軸動力位置は、以下の通りである。

操作位置　１ 熱ガスエンジンは停止される。

油圧及び電気エンジンによる排気なし作動操作位置　２ 熱ガスエンジンが作動する。

軸トルクの不足のまま作動 操作位置　３ 熱ガスエンジンが作動する。（アイドリング、５０％、１００％） 余分、又は最大出力、軸トルクの不足 特表千４−５０４８８８　（５） 熱ガスエンジンの軸動力位置 期間　Ａ：　熱ガスエンジン停止 期間　Ｂ：　熱ガスエンジンはアイドリング期間　Ｃ：　熱ガスエンジンは軸ト ルクの約５０％を供給 期間　Ｄ：　熱ガスエンジンはフルの軸トルクを供給一般に、図４及び５に示し た駆動サイクルは、アキュムレータの充電量に応じて、上記制御システムＥと結 合してもよい。これらの図から明らかなように、システムの時間における利用性 に関する本発明の目的は、達成される。

図６は、補助動カステーションにおける動力生成のために本発明を利用した例を 示す。この実施例は、段階的に調整可能な熱ガスエンジンユニット１及び２、バ ーナ３、及びカプリングＫＩ及びＫＩＩよりなる。一方又は両方のエンジンユニ ットに接続された分配ギアボックスＦＬが設けられている。結合された電気モー タ及び電気ゼネレータＭ／Ｇにおいて、熱ガスエンジンユニットから段階的に供 給された動力は、先に説明した車両への適用例と同様に調整される。例えば、特 定の駆動技術によれば、すべての余分なエネルギーは、電気アキュムレータＡに 供給され、別の駆動技術によれば、電気アキュムレータは追加の動力を熱ガスエ ンジンから段階的に供給された動力を調整するために供給する。電気ゼネレータ ＧはカプリングＫ１１ｌを介して励起される。エネルギー変換装置の高反応性と その安全且つ迅速な起動は、このシステムを病院における例えば補助動カステー ションとして利用するのに理想的なシステムとしている。

図７は、上記動カステーション、及び補助動カステーションの油圧アキュムレー タに関する変形例を示す。この場合においても、反応性は高く、起動は安全且つ 迅速である。

このように、段階的に及び単独で調整可能な熱ガスエンジンシステムは、上述し た特性が重要性を有する他の環境において、エネルギーの貯蔵手段と連結して、 同様に用いられることは言うまでもない。

６　日 国際調査報告 □１１１７月）ＣＴ／ＳＥ　９０１０００６３国際調査報告 ＰＣＴ／ＳＥ　９０１０００６３

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．経時的に段階的に調整可能である少なくとも一つの熱ガスエンジンよりなる エネルギー変換装置からの出力を制御する方法であって、経時的に連続的に調整 可能なアキュムレータ及びゼネレータ／エンジンユニットを備えたエネルギー貯 蔵装置が、熱ガスエンジンからの出力がエネルギー変換システムから必要とされ る出力を越えるとき得られる余分のエネルギーを貯蔵し、前記エネルギー貯蔵装 置が、熱ガスエンジンからの出力が前記出力条件を下回るとき、動力を供給し、 前記エネルギー貯蔵装置の貯蔵又は出力が、前記エネルギー変換装置からの出力 もまた経時的に連続的に調整可能となるように制御される、ことを特徴とする方 法。
2. ２．経時的に、段階的に調整可能な少なくとも１台の熱ガスエンジンを備えたエ ネルギー変換装置であって、経時的に連続的に調整可能なアキュムレータ及びゼ ネレータ／エンジンユニットを備え、熱ガスエンジンからの出力がエネルギー変 換装置から必要とされる出力を越えるとき得られる余分のエネルギーを貯蔵し、 熱ガスエンジンからの出力が前記出力条件を下回るときエネルギーを供給するエ ンジン貯蔵装置と、エネルギー変換装置からの出力が経時的に連続的に調整可能 となるように、エネルギー貯蔵装置の貯蔵及び出力を調整する制御装置とを備え たことを特徴とするエネルギー変換装置。
3. ３．前記制御装置により制御され、全ての熱ガスエンジン用の入力軸と、アキュ ムレータからの動力を受容しアキュムレータへ動力を供給するアキュムレータ用 の軸と、装置からの出力軸とを有する分配ギアボックスを備えたことを特徴とす る請求の範囲第２項記載のエネルギー変換装置。
4. ４．前記アキュムレータが油圧式又は電気式であることを特徴とする請求の範囲 第１項記載のエネルギー変換装置。