废热回收设备的制作方法

专利名称：废热回收设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种废热回收设备，所述废热回收设备从热力发动机回 收废热。
背景技术：
废热回收设备可以利用热力发动机从安装在例如客车、公共汽车和 卡车等车辆上的内燃发动机回收废热。关于为此目的所使用的废热回收
设备，例如，使用了例如斯特林发动机的理论热效率极好的外燃发动机。
日本专利申请公报No. 2003-518458 (JP-A-2003-518458)公开了一种技 术，其中在内燃发动机和斯特林发动机之间设置有离合器。
在例如斯特林发动机的外燃发动机中，从例如废气等热源输入的热 量通过换热器被转移到外燃发动机的工作流体。因此，外燃发动机对热 量输入的变化较不敏感，并且外燃发动机随热量输入的迅速变化的输出 较緩慢。另外，因为废热回收系统使用例如来自热力发动机的废气等低 质量的热源，所以所获得的功率输出相对于废热回收系统的尺寸来说较 低。因此，例如，在热力发动机的转速由于要求了迅速加速而迅速增加 的情况下，如果试图通过热力发动机的转速来增加废热回收装置的转速， 则不太可能通过废热回收来获得足够的动力以增加废热回收装置的转 速。因而，在输出来自废热回收装置的动力和来自热力发动机的动力的 配置中，热力发动机可以驱动废热回收装置，并且废热回收装置可以使 用来自热力发动机的动力。因此，热力发动机的功率输出会降低，并且 有可能不能获得所需的加速。
在JP-A-2003-515458中，没有提到关于输出来自废热回收装置的动 力和来自热力发动机的动力的配置的上述问题，所以仍有改进的空间。

发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种废热回收设备，当废热回收装置 的转速增加滞后于从其回收废热的热力发动机的转速增加时，所述废热 回收设备通过抑制从热力发动机输出的功率的降低来最小化加速性能的 劣化。
根据本发明的废热回收设备包括废热回收装置，所述废热回收装 置通过从热力发动机的废气回收热能来产生动力，其中，所产生的动力 与由所述热力发动机产生的动力一起输出；以及转速比改变装置，所述 转速比改变装置传递由所述废热回收装置产生的动力，并且改变所述废 热回收装置的转速与所述热力发动机的转速的比。
上述废热回收i殳备包括转速比改变装置，所述转速比改变装置将由 废热回收装置产生的动力传递到热力发动机，并且改变废热回收装置的 转速Ns与热力发动机的转速Ne的比Ns/Ne。因而，当废热回收装置的 转速增加滞后于从其回收废热的热力发动机的转速增加时，可以将转速 比Ns/Ne设定成小于当废热回收装置的转速增加跟上热力发动机的转速 增加时的转速比。因此，即使废热回收装置的转速增加滞后于从其回收 废热的热力发动机的转速增加，也可以降低废热回收装置使用由热力发 动机产生的动力的可能性，从而可以通过抑制从热力发动机输出的功率 的降低来最小化加速性能的劣化。
根据本发明的另一方面，根据本发明的废热回收设备包括废热回 收装置，所述废热回收装置通过从热力发动机的废气回收热能来产生动 力，其中，所产生的动力与由所述热力发动机产生的动力一起输出；以 及转速比改变装置，当所述废热回收装置的转速增加滞后于所述热力发 动机的转速增加时，所述转速比改变装置将所述废热回收装置的转速与 所述热力发动机的转速的比设定成小于当所述废热回收装置的转速增加 跟上所述热力发动机的转速增加时的转速比。
当废热回收装置的转速增加滞后于从其回收废热的热力发动机的转 速增加时，废热回收设备将转速比Ns/Ne设定成小于当废热回收装置的 转速增加跟上热力发动机的转速增加时的转速比。因此，即使废热回收 装置的转速增加滞后于从其回收废热的热力发动机的转速增加，也可以降低废热回收装置使用由热力发动机产生的动力的可能性，从而可以通 过抑制从热力发动机输出的功率的降低来最小化加速性能的劣化。
还优选地，在所述废热回收设备中，所述转速比改变装置可以是设 置在所述热力发动机与所述废热回收装置之间的离合器，其中，当所述 废热回收装置的转速增加滞后于所述热力发动机的转速增加时，则释放 所述离合器。
还优选地，所述废热回收设备还包括单向离合器，所述单向离合器 设置在所述废热回收装置与所述热力发动机之间，用于将动力从所述废 热回收装置传递到所述热力发动机。
还优选地，在废热回收设备中，所述转速比改变装置可以是设置在 所述热力发动机与所述废热回收装置之间的速度改变装置，其中，通过
改变所i^度改变装置的速比来改变所述转速比。
还优选地，在废热回收设备中，当所述废热回收装置的转速增加滞 后于所述热力发动机的转速增加时，所述转速比改变装置将所述转速比 设定成使得所述废热回收装置的转速变成小于当所述废热回收装置的转 速增加跟上所述热力发动机的转速增加时的转速的转速。
还优选地，在废热回收设备中，当所述废热回收装置的转速增加滞 后于所述热力发动机的转速增加时，所述转速比改变装置将所述废热回 收装置的转速设定成所述废热回收装置所能够运行的最小转速。
还优选地，在废热回收设备中，当所述废热回收装置的转速增加滞 后于所述热力发动机的转速增加时，所述转速比改变装置将所述转速比 设定成使得所述废热回收装置的转速变成所述废热回收装置产生最大动 力的转速。
还优选地，当未对所述热力发动机做出迅速加速要求的时间段超出 预定时间段时，所述转速比改变装置将所述转速比设定成使得所述废热 回收装置产生所述最大动力。
当所述热力发动机被迅速加速时可以是当所述废热回收装置的转速 增加滞后于所述热力发动机的转速增加时。
还可优选地，当所述加速器踏板操作量微分值大于加速器踏板操作 量阈值时，则可判定所述热力发动机被迅速加速。还可优选地，当所需驱动力微分值大于所需驱动力阈值时，则可判定所述热力发动机被迅速 加速。
功率输出的降低来最^:加速性能的劣化，即;如上^述:废热回收装
置！ 此，


当结合附图考虑时，通过阅读以下本发明具体实施方式
部分，将更
好地理解本发明的特征、优点以及技术上和工业上的重要性，图中
图l是示出斯特林发动机的截面图，所述斯特林发动机用作作为本 发明示例性实施方式的第一实施方式的废热回收设备的废热回收装置；
图2是示出所述斯特林发动机所包括的空气轴承的构造的示例的截 面图，所述斯特林发动机用作第一实施方式的废热回收设备的废热回收 装置；
图3是示出用来支撑活塞的近似直线运动机构的示例的示意图4是示出第一实施方式的废热回收"&备的配置的全图5是示出第一实施方式的废热回收设备所包括的转速比改变装置 的配置的另一示例的示意图6是示出用来控制第一实施方式的废热回收设备的操作的操作控 制器的配置的示意图7是示出第一实施方式的废热回收设备的操作控制的过程的流程
图8是示出第二实施方式的废热回收设备的配置的全图9是示出第二实施方式的废热回收设备的操作控制的过程的流程
图10是示出内燃发动机转速和斯特林发动机转速随时间变化的示
意图；图11是示出第二实施方式的改进示例的废热回收设备的操作控制
的过程的流程图12是示意图，图中绘出了所需驱动力的微分值随时间的变化以 及斯特林发动机的转速随时间的相应变化；以及
图13是示意图，图中绘出了所需驱动力的微分值随时间的变化以 及斯特林发动机的转速随时间的相应变化。
具体实施例方式
在下面的说明和附图中，将参照示例性实施方式更详细地描述本发 明。实施方式的部件包括所属技术领域的技术人员易于想到的部件以及 与以前的部件基;M目同的部件。以下给出的描述说明了一种情况，其中 斯特林发动机被用作废热回收装置，以从排自充当热力发动机的内燃发 动机的废气中回收热能。除了斯特林发动机之外，也可以将另一种废热 回收设备--例如使用布雷顿循环的废热回收设备…用作上述废热回收装 置。热力发动机的类型是任意的。
首先将描述第一实施方式。在第一实施方式中，将由废热回收装置
机的转速的比(转速比)的转速比改变装置设置在充当热力发动机的内 燃发动机与斯特林发动机之间。其具有如下特性，当斯特林发动机的转 速增加滞后于内燃发动机的转速增加时，转速比被设定成小于当斯特林 发动机的转速增加跟上内燃发动机的转速增加时的转速比。"当斯特林发 动机的转速增加跟上内燃发动机的转速增加时"意味着"当在斯特林发 动机的转速随着内燃发动机的转速的增加而增加时斯特林发动机不使用
来自内燃发动机的动力时"。"当斯特林发动机的转速增加滞后于内燃发 动机的转速增加时"意味着"当在斯特林发动机的转速随着内燃发动机
向内燃发动M加负栽亦即使用来自内燃发动机的动力时"。将描述根据 第一实施方式的废热回收装置。
图1是示出斯特林发动机的截面图，所述斯特林发动机用作第一实 施方式的废热回收装置。图2是示出斯特林发动机所包括的空气轴承的 构造的示例的截面图，所述斯特林发动机用作第一实施方式的废热回收装置。图3是示出用来支撑活塞的近似直线运动机构的示例的示意图。 斯特林发动机100是所谓的a型直列式两缸斯特林发动机，用作第一实 施方式的废热回收装置。在斯特林发动机100中，布置在直列式装置的 有高温侧活塞103，所述高温侧活塞103是第一活塞，容置于作为第一 气釭的高温侧气釭IOI中；以及低温侧活塞104，所述低温侧活塞104是 第二活塞，容置于作为第二气缸的低温侧气缸102中。
高温侧气釭101和低温侧气釭102直接或间接地受到基fcl 111支撑或 者固定到基^L111，所ii^板lll用作基准体。在第一实施方式的斯特林 发动机100中，基板111用作斯特林发动机100的部件的位置基准。通 过这种配置，使得可以确保部件之间的相对位置的精确度。另外，如后 面所述，在第一实施方式的斯特林发动机100中，各个空气轴承GB置 于高温侧气缸101与高温侧活塞103之间，以及置于低温侧气缸102和 寸氐温侧活塞104之间。
通过将高温侧气釭101和低温侧气缸102直接或间接地固定到用作 基准体的基板lll，可以精确地维持活塞与气缸之间的间隙。因而，能够 充分地执行空气轴承GB的功能。另外使组装斯特林发动机100变得容 易。
由基本呈U形的加热器105、再生器106和冷却器107构成的换热器 108设置于高温侧气釭101和低温侧气釭102之间。如果加热器105以这 种方式形成为基本呈U形，则即使在相对狭小的空间中也可以容易地设 置加热器105，例如在内燃发动机的排气通道中。另外，像在斯特林发动 机100中的情况一样高温侧气釭101和低温侧气缸102布置成直列装置， 则即使在圆筒形空间中也可以相对容易地设置加热器105，例如在内燃发 动机的排气通道中。
加热器105的一端定位成与高温侧气缸101相邻，其另一端则定位 成与再生器106相邻。再生器106的一端定位成与加热器105相邻，其 另一端则定位成与冷却器107相邻。冷却器107的一端定位成与再生器 106相邻，而其另一端则定位成与低温侧气缸102相邻。
工作流体(第一实施方式中为空气)被限制在高温侧气釭101中、 低温侧气釭102中以及换热器108中，并且通it^加热器105供应的热 量和从冷却器107排出的热实现了斯特林循环以驱动斯特林发动机100。
10例如，加热器105和冷却器107可以通过捆束由具有高导热性和优良耐 热性的材料制成的多个管而形成。再生器106可以由多孔储热单元制成。 加热器105、冷却器107和再生器106的构成并不局限于该示例。具体地， 可以根据从其回收废热的对象的热条件、斯特林发动机的规格等适当地 选择所述构成。
高温侧活塞103和低温侧活塞104分别被支撑在高温侧气釭101和低 温侧气釭102中，相应的空气轴承GB置于其间。换言之，活塞在没有 任何活塞环的情况下被支撑在气釭中。这样，可以降低活塞和气缸之间 的摩擦，因此提高了斯特林发动机100的热效率。另外，活塞和气釭之 间摩擦的降低使得即使在低温热源和低温差的操作条件下也可以通过操 作斯特林发动机100来回收热能，例如在内燃发动机的废热回收的情况 中。
为了形成空气轴承GB，图2中所示的高温侧活塞103与高温侧气釭 101之间的间隙tc在绕整个高温侧活塞103上被设定成几十微米。低温 侧活塞104和低温侧气釭102具有相似的配置。高温侧气缸IOI、高温侧 活塞103、低温侧气缸102以及低温侧活塞104可以由易于加工的例如金 属材料等制成。
高温侧活塞103和4氐温侧活塞104的往复运动通过连杆109被传递到 用作输出轴的曲轴110并且转换成旋转运动。连杆109可以由图3中所 示的近似直线运动机构(例如蚱樣机构)113支撑。这种^H吏得高温侧 活塞103和低温侧活塞104能够基本上线性地往复运动。如果连杆109 通过近似直线运动机构113以这种方式被支撑，则施加在高温侧活塞103 上的侧力P (沿活塞径向方向的力)基本上变成零，使得可以使用小负栽 能力的空气轴承GB来充分地支撑活塞。
如图1中所示，斯特林发动机100的部件，例如高温侧气釭IOI、高 温侧活塞103、连杆109和曲轴110，容置于壳体100C中。斯特林发动 机100的壳体100C包括曲轴箱114A和气釭体114B。加压装置115增加 废热回收装置侧壳体110C中的压力。其目的在于对高温侧气釭IOI、低 温侧气缸102和换热器108中的工作流体进行加压以获得斯特林发动机 IOO的更大功率输出。
在第一实施方式中的斯特林发动机100中，密封轴承116装配到壳体
ii100C,并且支撑曲轴110。曲轴110的功率输出通过例如十字滑块联轴器 (Oldham's coupling)等緩冲接头118从壳体100C输出。接下来将描述 根据第一实施方式的废热回收设备的配置。
图4是示出根据第一实施方式的废热回收设备的配置的全图。根据 第一实施方式的废热回收设备10包括废热回收装置以及转速比改变装 置，所述转速比改变装置设置在热力发动机的输出轴和废热回收装置的 输出轴之间。在第一实施方式中，上述斯特林发动机100被用作废热回 收装置，并且往复式内燃发动机l被用作热力发动机。离合器6被用作 转速比改变装置。
例如，内燃发动机1和废热回收设备10安^t客车和卡车等车辆上， 并用作车辆的动力源等。内燃发动机1用作主动力源，并且在车辆行驶 期间不断地产生动力。斯特林发动机100不能产生最小必需量的动力， 直到废气Ex的温度达到某一特定温度为止。因而，在废气Ex的温度超 过预定温度后，斯特林发动机100使用从内燃发动机1的废气Ex回收的 热能产生动力，并且与发动机1配合而驱动车辆。这样，斯特林发动机 100用作车辆的第二动力源。
斯特林发动机100所包括的加热器105设置在内燃发动机1的排气 通道2中。斯特林发动机100的再生器(参见图1) 106也可以设置在排 气通道2中。斯特林发动机100所包括的加热器105 i殳置在中空的加热 器箱体3中，所述箱体设置在排气通道2上。
在第一实施方式中，使用斯特林发动机100回收的废气Ex的热能被 斯特林发动机100转换成动能。用作斯特林发动机100的输出轴的曲轴 110与离合器6配合，所述离合器6用作转速比改变装置。来自斯特林发 动机100的动力通过离合器6被传递到用于废热回收装置的变速器5。内 燃发动机1的输出轴ls连接到用于内燃发动机的变速器4。内燃发动机 变速器4结合内燃发动机1的动力和输出自废热回收装置变速器5的斯 特林发动机100的动力，并且将合成动力输出到输出轴9。内燃发动机l 的转速(后面称为"热力发动机转速")通过热力发动fel度传感器41 测量，所述传感器41设置在内燃发动机1的输出轴ls附近。
用作转速比改变装置的离合器6具有改变斯特林发动机100的转速 Ns (后面称为"废热回收装置转速")与热力发动机转速Ne的比即Ns/Ne(后面称为"转速比")的功能。当离合器6处于接合时，斯特林发动机 100的曲轴110和内燃发动机1的输出轴Is直接与置于其间的废热回收 装置变速器5以及内燃发动机变速器4连接。结果，斯特林发动机100 的曲轴110和内燃发动机1的输出轴ls以由废热回收装置变速器5与内 燃发动机变速器4的传动比或者速比确定的固定的转速比Ns/Ne旋转， 而与废热回收装置转速Ns的增加是否跟上热力发动机转速Ne的增加无 关。
另一方面，当释放离合器6时，内燃发动机l的输出轴ls独立于斯 特林发动机100的曲轴110旋转。如果离合器6在废热回收装置转速Ns 的增加滞后于热力发动机转速Ne的增加时被释放，则转速比Ns/Ne变得 小于离合器6^时的转速比。因而，通过释放离合器6，可以将转速比 Ns/Ne降低到比离合器6 #^时的转速比小的转速比。换言之，离合器6 用作改变转速比Ns/Ne的转速比改变装置。应当注意，转速比Ns/Ne可 以是零(即Ns=0 )。
离合器6设置在内燃发动机1的输出轴Is和用作斯特林发动机100 的输出轴的曲轴110之间，使得内燃发动机变速器4和废热回收装置变 速器5置于离合器6和输出轴Is之间。离合器6按需断开和建立内燃发 动机1的输出轴Is和斯特林发动机100的曲轴110之间的机械连接。离 合器6受根据第一实施方式的废热回收设备的操作控制器30的控制。如 后面所述，在第一实施方式中，操作控制器30设置在发动机ECU(电子 控制单元)50中。
废热回收装置变速器5可以构造成使得能够改变输出轴和输入轴5s 之间的传动比或者速比。因为斯特林发动机100的输出(转速)对热输 入的响应低，所以难以迅速改变转速。但是，如果能够以这种方式改变 传动比或者速比，则可以在大的热力发动机转速Ne的范围上结合来自斯 特林发动机100的动力和来自内燃发动机l的动力。
图5是示意图，示出了第一实施方式的废热回收设备所包括的转速 比改变装置的配置的另一示例。废热回收i殳备10a所设置有的转速比改 变装置包括受操作控制器30控制的离合器6，以及单向离合器7。离合 器6和单向离合器7 二者设置在斯特林发动机的曲轴110与废热回收装 置变速器5的输入轴5s之间。单向离合器7将动力从斯特林发动机100的曲轴110传递到废热回收 装置变速器5的输入轴5s。当释放离合器6并且满足了用于将动力从废 热回收装置变速器5的输入轴5s传递到斯特林发动机100的曲轴110的 条件时，单向离合器7切断输入轴5s和曲轴110之间的动力传递。这样， 可以补偿转速比改变装置由于离合器6的接合与脱离的控制的不精确、 振动等而产生的IMt不稳定性。
替代地，单向离合器7可以独自被用作转速比改变装置以切断和建 立输入轴5s和曲轴110之间的动力传递，所述单向离合器7将动力从斯 特林发动机100的曲轴110传递到废热回收装置变速器5的输入轴5s。 通过这种配置，可以简化转速比改变装置的结构。在这种情况下，因为 斯特林发动机100不能由内燃发动机1的动力起动，所以必需设置用于 起动斯特林发动机100的装置。接下来将描述用来控制根据第一实施方 式的废热回收设备10的操作控制器30。
图6是示出用来控制根据第一实施方式的废热回收设备的操作控制 器的配置的示意图。如图6中所示，第一实施方式的^Mt控制器30并入 在发动机ECU 50中。发动机ECU 50包括CPU (中央处理单元)50p、 存储部分50m、输入和输出端口 55和56以及输入和输出界面57和58。
替代地，根据第一实施方式的操作控制器30可以相对于发动机ECU 50单独准备，并且可以连接到发动机ECU50。为了实现根据第一实施方 式的废热回收设备的操作控制，可以将废热回收设备配置成使得操作控 制器30能够使用发动机ECU 50所具有的控制斯特林发动机100等的功 能。
操作控制器30包括操作条件判定部分31和转速比控制部分32。这 些部分执行根据第一实施方式的操作控制。在第一实施方式中，操作控 制器30并入构成发动机ECU 50的CPU 50p中。另外，CPU 50p设置有 内燃发动机控制部分53h，并且使用该部分控制内燃发动机1的操作。
CPU 50p通过总线54至543连接到输入端口 55、输出端口 56和存 储部分50m。因而，构成操作控制器30的操作条件判定部分31和转速 比控制部分32能够彼此交换控制数据，并且这些部分之一能够向另一部 分发送命令。另外，操作控制器30能够^UL动机ECU50获取内燃发动 机l、斯特林发动机100等的操作控制数据，并且使用所述数据。此外，
14操作控制器30允许根据第一实施方式的操作控制中断发动机ECU 50预 先设置的操作控制程序。
输入界面57连接到输入端口 55。连接到输入界面57的有加速器操 作量传感器40、热力发动机转速传感器41、车辆iUL传感器42等，这 些是用以获得执行废热回收设备的操作控制所必需的信息的传感器。输 出自这些传感器的信号在通过输入界面57中的A/D转换器57a和数字输 入緩冲器57d而转换成CPU 50p能够使用的信号后被发送到输入端口 55。因而，CPU 50p能够获取执行内燃发动机的操作控制以及废热回收 设备的操作控制所必需的信息。
输出界面58连接到输出端口 56。必需执行操作控制的受控目标(在 第一实施方式中是离合器6)连接到输出界面58。输出界面58设置有控 制电路5&、 582等，并且根据在CPU50p中计算和产生的控制信号操作 受控对象。通过这种配置，发动机ECU50的CPU50p能够根据传感器 的输出信号控制斯特林发动机100和内燃发动机1。
存储部分50m中存储有控制映射和计算;fcME序，包括才艮据第一实施 方式的操作控制的过程，或者存储有用来执行根据第一实施方式的控制 数据、控制映射等。存储部分50m可以是例如RAM (随M取存储器) 的易失性存储器、例如闪存的非易失性存储器、或其组合。
结合已经存储于CPU 50p中的计算^序，上述计算;l^呈序可以实 现根据第一实施方式的操作控制的过程。使用专用硬件代替计算M序， 操作控制器30可以实现^Mt条件判定部分31和转速比控制部分32的功 能。接下来将描述根据第一实施方式的操作控制。在阅读下面的描述时， 如需要请参照图1至6。上述^Mt控制器30实现了根据第一实施方式的 操作控制。
图7是流程图，示出了根据第一实施方式的废热回收设备的操作控 制的过程。在执行根据第一实施方式的废热回收设备的操作控制中，操 作控制器30所包括的操作条件判定部分31判定是否已做出了对其上安 装有内燃发动机1和废热回收设备10的车辆进行加速的请求(S101 )。 基于例如从加速器踏板操作量传感器40获取的加速器膝板40p的操作量 和操作速度判定是否已做出了加速请求。如果没有加速车辆的请求(在 步骤S101中为"否")，则退出程序，并且操作控制器30继续监控内燃
15发动机1的操作状况。
如果已做出了加速车辆的请求(在步骤S101中为"是")，则操作条 件判定部分31判定所#速请求是否要求迅速加速(S102)。在第一实 施方式中，基于是否要求迅速加速来判定斯特林发动机100的废热回收 装置转速Ns的增加是否滞后于热力发动机转速Ne的增加。这样，可以 相对容易地判定斯特林发动机IOO的废热回收装置转速Ns的增加是否滞 后于热力发动机转速Ne的增加。
可以以如下方式判定是否要求了i^il加速。首先，从(例如废气Ex 的温度和斯特林发动机100的加热器105的温度估算由斯特林发动机100 产生的动力。随后，例如，在所估算的废热回收设备的加速度与所要求 的内燃发动机l的加速度之间进行比较，其中，所述所估算的废热回收 设备的加速M所产生的动力使斯特林发动机100的惯性(旋转体的惯 性)加速的加速度，而所要求的内燃发动机1的加速度则是从加速器踏 板40p的操作量和操作速度计算的。如果比较结果示出所估算的废热回 收设备的加速度小于所要求的内燃发动机的加速度，则判定要求了迅速 加速，并且斯特林发动机100的废热回收装置转速Ns的增加滞后于热力 发动机转速Ne的增加。
如果判定所#速请求并未要求迅速加速(在步骤S102中为"否")， 则转速比控制部分32使离合器6 M (S104 )。在这种情况下，即使做 出了加速车辆的请求，斯特林发动机IOO的废热回收装置转速Ns的增加 相对于热力发动机转速Ne的增加也不存在滞后，或者如果存在任何滞后 的话，其中的所述滞后也会在可接受的限度内。由此，使离合器6^， 并且斯特林发动机lOO通过回牝菱气Ex的热能而产生的动力与由内燃发 动机1产生的动力一^^从输出轴9输出。
如果判定加速车辆的所述请求要求了迅速加速(在步骤S102中为 "是")，则转速比控制部分32释放离合器6 (S103)以切断斯特林发动 机100和内燃发动机1之间的;W^连接。如果判定所^>速请求要求了 迅速加速，则热力发动机转速Ne将i^il增加，斯特林发动机100的废热 回收装置转速Ns的增加相对于热力发动机转速Ne的增加将存在滞后， 并且所述滞后造成内燃发动机1驱动斯特林发动机100。具体地，由内燃 发动机l产生的动力的一部分被用来驱动斯特林发动机IOO,从而引起了 对内燃发动机l的负载。因此，变得不可能实现所需的加速性能。试图实现所需的加速性能会使内燃发动机1的燃料消耗情况恶化。
由此，通过释放离合器6使斯特林发动机100和内燃发动机1彼此 脱开，使得斯特林发动机100不使用由内燃发动机1产生的动力。这样， 可以实现所需的加速性能，并且也可以限制内燃发动机1的燃料消耗的 增加。在根据第一实施方式的废热回收设备的操作控制中，如果在废热 回收装置转速Ns的增加滞后于热力发动机转速Ne的增加时释放离合器 6,则转速比Ns/Ne变得小于在废热回收装置转速Ns的增加跟上热力发 动机转速Ne的增加时的转速比Ns/Ne。
如上所述，在第一实施方式中，将由废热回收装置产生的动力传递 到热力发动机并且改变废热回收装置的转速与热力发动机的转速的比 (转速比)的转速比改变装置设置在热力发动机和废热回收装置之间。 当废热回收装置的转速增加滞后于热力发动机的转速增加时，转速比被 设定成小于废热回收装置的转速增加跟上热力发动机的转速增加时的转 速比。
因此，当废热回收装置的转速增加滞后于热力发动机的转速增加时， 热力发动机和废热回收装置彼此脱开，由此阻止由热力发动机产生的动 力为废热回收装置所使用。因此，能够最小化加速性能的劣化，并且还 可以限制燃料消耗的增加。具有与关于第一实施方式所描述的配置相似 的配置的设备将呈现与第一实施方式的操作和效果相似的操作和效果。 另外，关于第一实施方式所描述的配置能够适当地用于如下所描述的第 二实施方式中。
接下来将描述第二实施方式。第二实施方式的配置几乎与第一实施 方式相同，除了在多个比中或者连续地改变斯特林发动机的转速与内燃 发动机的转速的比的转速比改变装置设置在用作废热回收装置的斯特林
其它方面，根据第二实施方式的废热回收设备类似于第一实施方式的废 热回收设备。首先，将描述根据第二实施方式的废热回收设备的配置。
图8是示出根据第二实施方式的废热回收设备的配置的全图。根据 第二实施方式的废热回收设备10b包括废热回收装置和转速比改变装置， 所述转速比改变装置设置在热力发动机的输出轴和废热回收装置的输出 轴之间。在第二实施方式中，上述斯特林发动机100用作废热回收装置，
17并且往复式内燃发动机1用作热力发动机。废热回收装置变速器5b用作 转速比改变装置。
废热回收装置变速器5b通过改变其传动比或者速比来改变转速比 Ns/Ne。带式CVT (无级变速器)、环形CVT或者具有有限的转速改变 设备可以用作废热回收装置变速器5b。第二实施方式的操作控制器30 改变废热回收装置变速器5b的转速比Ns/Ne。
用作斯特林发动机100的输出轴的曲轴110使用联轴器8耦联到废热 回收装置变速器5b的输入轴5s。如第一实施方式的情况一样，离合器可 以设置在曲轴110和输入轴5s之间。来自斯特林发动机100的动力通过 联轴器8传递到废热回收装置变速器5b。内燃发动机1的输出轴ls连接 到内燃发动机变速器4。内燃发动机变速器4结合来自内燃发动机1的动 力和输出自废热回收装置变速器5b的斯特林发动机100的动力，并且将 所得的动力输出到输出轴9。
由热力发动机转速传感器41测量热力发动机转速Ne，所述热力发动 机转速传感器41设置在内燃发动机1的输出轴ls附近。接下来将描述 根据第二实施方式的废热回收装置的操作控制。才艮据第二实施方式的废
热回收装置的操作控制能够通过关于第一实施方式所描述的操作控制器 30 (参见图6)执行。
图9是示出根据第二实施方式的废热回收设备的操作控制的过程的 流程图。图IO是示出内燃发动机的转速和斯特林发动机的转速随时间变 化的示意图。如果对其上安装有内燃发动机1和废热回收设备10b的车 辆要求了迅速加速，则热力发动机转速Ne从Ne。变化到Ne"如图10 中以实线(1)示出。
如果废热回收装置变速器5b的传动比或者速比(转速比)固定，则 斯特林发动机100的废热回收装置转速Ns增加，从而保持其与热力发动 机转速Ne的某一特定比例，如图10中以双点划线(2)示出。如果废热 回收装置转速Ns的增加跟上了热力发动机转速Ne的增加，则斯特林发 动机100不使用来自内燃发动机1的动力。
但是，因为斯特林发动机100的输出(转速)对热输入的响应低， 所以如果例如在要求了i^it加速时(图10中的t=tj热力发动机转速Ne 迅速增加，则废热回收装置转速Ns的增加会滞后于热力发动机转速Ne的增加。在这种情况下，斯特林发动机100使用来自内燃发动机1的动
力，并且因此内燃发动机l不能呈现所需的加速性能。
相应地，在第二实施方式中，当废热回收装置转速Ns的增加滞后于 热力发动机转速Ne的增加时，使斯特林发动机100的旋转惯性降低。更 具体地，使转速比Ns/Ne小于当废热回^置转速Ns的增加跟上热力发 动机转速Ne的增加时的转速比，从而废热回收装置转速Ns变得小于当 废热回收装置转速Ns的增加跟上热力发动机转速Ne的增加时的转速 Ns。这样，变得可以在要求了i5^加速的前后保持斯特林发动机100的 废热回收装置转速Ns近似为Nso (图10中以(3 )标出的虚线)。
结果，与废热回收装置转速Ns如图10中以双点划线(2)示出的变 化的情况相比，斯特林发动机100的旋转惯性降低。即使疫热回收装置 转速Ns的增加滞后于热力发动机转速Ne的增加，也可以使由斯特林发 动机100消耗的来自内燃发动机1的动力保持为低，从而可以最小化加 速性能的降低。
图10中的链线(4)示出将转速比Ns/Ne控制成使得斯特林发动机 100以废热回收装置转速Ns-Ns2的方式进行操作的示例，所述转速Ns2 是斯特林发动机100能够操作的最小转速。通过该操作，内燃发动机1 被斯特林发动机100驱动，从而可以有效地使用由斯特林发动机100产 生的动力来加速车辆。结果，可以增强加速性能。
在执行根据第二实施方式的操作控制中，操作控制器30所包括的操 作条件判定部分31从加速器踏板操作量传感器40获取加速器踏板操作 量Accp ( S201 )。然后操作条件判定部分31使用所获取的加速器i^L操 作量Accp、热力发动机转速Ne和由内燃发动机1驱动的车辆的车速V 来计算当加速器踏板以所述加速器踏板操作量Accp被操作时所需的驱 动力F ( S202 )。热力发动机转速Ne和车速V分别获取自热力发动机转 速传感器41和车速传感器42。
操作条件判定部分31计算出微分值(加速器踏板操作量微分值) dAccp/dt，所述微分值通过求所获取的加速器i^^L操作量Accp对时间的 微分而获得，并且计算微分值(所需驱动力微分值)dF/dt，所述微分值 通过求所需驱动力F对时间的微分而获得。^Mt务fr判定部分31比# 速器踏板操作量微分值dAccp/dt和加速器i^操作量的阈值Accp—sud,
19并且比较所需驱动力微分值DF/dt和所需驱动力的阈值F—sud ( S203 )。
如果dAccp/dt<Accp—sud,并且dF/dt<F_sud (在步骤S203中为 "否")，则操作条件判定部分31判定没有对其上安装有内燃发动机1和 废热回收设备10b的车辆进行i5^加速要求。响应于该判定，操作控制 器30的转速比控制部分32对转速比Ns/Ne进行控制，4吏得斯特林发动 机100被操作以便产生最大动力(S204)。这样，可以提高斯特林发动机 100的废热回收效率。
如果dAccp/dt>Accp_sud，并且dF/dt>F_sud (在步骤S203中为 "是")，则操作条件判定部分31判定要求了iSil加速。响应于该判定， 操作控制器30的转速比控制部分32对转速比Ns/Ne进行控制，使得斯 特林发动机100的旋转惯性降低。在第二实施方式中，对废热回收装置 变速器5b的转速比进行控制，使得斯特林发动机100以斯特林发动机100 所能操作的最小转速被操作(S205)。这样，即使要求了迅速加速，也可 以使用斯特林发动机100来驱动内燃发动机1，并且因此可以提高加速性 能。
如上所述，在第二实施方式中，改变废热回收装置的转速与热力发 动机的转速的比的转速比改变装置设置在废热回收装置的输出轴与从其 回收废热的热力发动机的输出轴之间。当要求了迅速加速并且废热回收 装置的转速增加滞后于热力发动机的转速增加时，使转速比小于废热回 收装置转速增加跟上热力发动机转速增加时的转速比。如果未要求迅速 加速，则转速比被设定成使得操作废热回收装置以便产生最大动力。
这样，即使爽热回收装置的转速增加滞后于热力发动机的转速增加， 也使得由废热回收装置消耗的来自热力发动机的动力达到最小。结果， 可以最小化加速性能的降低，并且也可以限制在这种条件下燃料消耗的 增加。另外，如果未要求迅速加速，则操作废热回收装置以便产生最大 动力，从而提高了废热回收效率。
接下来将描述第二实施方式的改进示例。除了在预定时间段中未要 求迅速加速的话则将转速比设定成使得操作废热回收装置以便产生最大 动力之外，第二实施方式的改进示例的配置几乎与第二实施方式相同。 在其它方面，根据第二实施方式的改进示例的废热回收设备类似于第二 实施方式的废热回收i殳备。图11是示出根据第二实施方式的改进示例的废热回收设备的操作控
制的过程的流程图。图12和13是示意图，图中绘出了所需驱动力的微
根据第二实施方式的改进示例的操作控制中，操作控制器30所包括的操 作条件判定部分31从加速器踏板操作量传感器40获取加速器操作量 Accp ( S301 )。然后操作糾判定部分31使用所获取的加速器踏板操作 量Accp、热力发动机转速Ne以及车速V来计算相应的所需驱动力F (S302 )。热力发动机转速Ne和车速V分别获取自热力发动机转速传感 器41和车速传感器42。
操作条件判定部分31计算所获取的加速器踏板操作量的微分值(加 速器踏板操作量微分值)dAccp/dt，并且计算所需驱动力F的微分值(所 需驱动力微分值)dF/dt。操作糾判定部分31比妙速器踏板操作量微 分值dAccp/dt和加速器踏板操作量阈值Accp_sud，并且比较所需驱动力 微分值dF/dt和所需驱动力阈值F—sud ( S303 )。
如果dAccp/dt<Accp_sud，并且dF/dt<F_sud (在步躁S303中为
"否")，则操作条件判定^分3i判定未要求i^i加速，并且控制废热回
收装置变速器5b的转速比Ns/Ne,使得操作斯特林发动机100以便产生 最大动力。结果，斯特林发动机100如图12中所示地以废热回收装置转 速Ns-Nsp的方式(至t=t" t=t2至t3、 t=t4至t5等)进行操作。
如果在废热回收装置变速器5b的转速比被控制成使得操作斯特林发 动机100以便产生最大动力之后立即要求i5tit加速，则控制转速比Ns/Ne 使得斯特林发动机100的旋转惯性降低。在这种情况下，斯特林发动机 100如图12所示地以废热回收装置转速Ns-NSi的方式进行^Nt，例如 (t-ti至t2、 t—3至tt等)。然后，转速比Ns/Ne响应于dF/dt的变化而频 繁地变化，从而会引起废热回收装置转速Ns的振荡(控制响应摆动)。
根据第二实施方式的操作控制，如果在预定时间段中未要求迅速加 速，则控制转速比Ns/Ne使得操作斯特林发动机100以便产生最大动力。 因此，可以抑制振荡。为了判定在预定时间段中是否未要求迅速加速， 改进示例使用了预定时间段t_d (参见图13 )。可通过实验和/或分析来获 得时间段t一d。
如果dAccp/dt< Accp—sud并且dF/dt <F_sud (在步骤S303中为"否")，则操作条件判定部分31判定未要求迅速加速的时间段t—1是否 已变得比预定时间段t一d长(S305 )。时间段t一l是未要求i5^加速的时 间段，更具体地，是满足dAccp/dt< Accp_sud并且dF/dt<F—sud的状 态已持续的时间段。
一旦满足了 t_l > t—d(在步骤S305中为"是"；在图13中t=t6之后) 之后，则操作控制器30的转速比控制部分32控制转速比Ns/Ne，使得操 作斯特林发动机100以便产生最大动力(S306),在这种情况下，斯特林 发动机100以废热回收装置转速Ns-Nsp的方式进行操作。因此可以抑制 废热回收装置转速Ns的振荡，并且还可以增加斯特林发动机100的废热 回收效率。
如果t一l<t_d (在步骤S305中为"否"；在图13中t—3至t4)，操 作条件判定部分31判定在预定时间段t一d消逝之前要求了迅速加速。在 这种情况下，操作控制器30的转速比控制部分32控制转速比Ns/Ne，使 得维护斯特林发动机100的低旋转惯性状态。具体地，转速比Ns/Ne被 控制成4吏得斯特林发动机100以斯特林发动机100所能操作的最小转速 Nsl保持操作(S304)。这样，可以抑制废热回收装置转速Ns的振荡， 并且还可以降低斯特林发动机100使用来自内燃发动机1的动力的可能 性。
在上述第二实施方式的改进示例中，如果在预定时间段中未要求迅 速加速，则设定转速比使得操作废热回收装置以便产生最大动力。这样， 使得可以最小化下述可能性，即当根据在预定时间消逝之前是否已要 求了迅速加速而改变转速比时，废热回收装置变速器5b的转速比频繁变 化，从而造成废热回收装置转速的振荡。
如上所述，根据本发明的废热回收设备有益于回收热力发动机的废
热，
适合于最小化加速性能的劣化。
2权利要求
1. 一种废热回收设备，其特征在于包括废热回收装置(100)，所述废热回收装置(100)通过从热力发动机(1)的废气回收热能来产生动力，其中，所产生的动力与由所述热力发动机(1)产生的动力一起输出；以及转速比改变装置(6，7，8)，所述转速比改变装置(6，7，8)传递由所述废热回收装置(100)产生的所述动力并且改变所述废热回收装置(100)的转速(Ns)与所述热力发动机(1)的转速(Ne)的比(Ns/Ne)。
2. 如权利要求l所述的废热回收设备，其特征在于，当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的增加滞后于所述热力 发动机(1)的转速(Ne)的增加时，所述转速比改变装置(8)将所述 废热回收装置(100 )的转速(Ns )与所述热力发动机(1)的转速(Ne) 的比(Ns/Ne)设定成小于当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的 增加跟上所述热力发动机(1)的转速(Ne)的增加时的转速比(Ns/Ne )。
3. —种废热回收i殳备，其特征在于包括废热回收装置(100),所述废热回收装置(100)通过从热力发动 机(1)的废气回收热能来产生动力，其中，所产生的动力与由所述热 力发动机(1)产生的动力一起输出；以及转速比改变装置(8)，当所述废热回收装置(100)的转速(Ns) 的增加滞后于所述热力发动机(1)的转速(Ne)的增加时，所述转速 比改变装置(8)将所述废热回收装置(100)的转速(Ns)与所述热力 发动机(1)的转速(Ne)的比(Ns/Ne)设定成小于当所述废热回收装 置(100)的转速(Ns)的增加跟上所述热力发动机(1)的转速(Ne) 的增加时的转速比(Ns/Ne)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的废热回收设备，其特征在于 所述转速比改变装置是设置在所述热力发动机(1)与所述废热回收装置(100)之间的离合器(6)，其中，当所述废热回收装置(100) 的转速(Ns)的增加滞后于所述热力发动机(1)的转速(Ne)的增加 时，则释放所述离合器(6)。
5.如权利要求4所述的废热回收设备，其特征在于还包拾没置在 所述废热回收装置(100 )与所述热力发动机(1 )之间的单向离合器(7 )， 用于将动力从所述废热回收装置(100)传递到所述热力发动机(1)。
6.如权利要求1至3中任一项所述的废热回收设备，其特征在于所述转速比改变装置是设置在所述热力发动机(1)与所述废热回 收装置(100)之间的速度改变装置(5， 5b, 6, 7， 8)，其中，通过改 变所^4JL改变装置(5， 5b， 6， 7， 8 )的速比来改变所述转速比(Ns/Ne )。
7.如权利要求6所述的废热回收设备，其特征在于，当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的增加滞后于所述热力 发动机(1)的转速(Ne)的增加时，所述转速比改变装置将所述转速 比(Ns/Ne)设定成使得所述废热回收装置(100)的转速(Ns)变得小 于当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的增加跟上所述热力发动 机(1)的转速(Ne)的增加时的转速。
8.如权利要求7所述的废热回收设备，其特征在于，当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的增加滞后于所述热力 发动机(1)的转速(Ne)的增加时，所述转速比改变装置将所述废热 回收装置(100)的转速设定成所述废热回收装置(100)所能够运行的 最小转速(Ns2)。
9.如权利要求6所述的废热回收设备，其特征在于当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的增加滞后于所述热力 发动机(1)的转速(Ne)的增加时，所述转速比改变装置将所述转速比(Ns/Ne)设定成使得所述废热回收装置(100)的转速(Ns)变成所 述废热回收装置(100)产生最大动力的转速。
10. 如权利要求9所述的废热回收设备，其特征在于，当未对所述热力发动机(1)做出^il加速要求的时间段(t_l)超 出预定时间段(t一d)时，所述转速比改变装置将所述转速比(Ns/Ne) 设定成使得所述i热回收装置(100)产生所述最大动力。
11. 如权利要求2至10中任一项所述的废热回收设备，其特征在于当所述废热回收装置(100)的转速(Ns)的增加滞后于所述热力 发动机(1)的转速(Ne)的增加时即当所述热力发动机(1)被^it^ 速时。
12. 如权利要求ll所述的废热回收设备，其特征在于，当所述加速器踏板操作量微分值(dAccp/dt)大于加速器踏板操作 量阈值(Accp—sud)时，则判定所述热力发动机(1)被i^il加速。
13. 如权利要求ll所述的废热回收设备，其特征在于，当所需驱动力微分值(dF/dt)大于所需驱动力阈值(F-sub)时， 则判定所述热力发动机(1)被i5^加速。
全文摘要
一种废热回收设备(10)，其包括斯特林发动机(100)和离合器(6)。所述斯特林发动机(100)通过从排放自从其回收废热的内燃发动机(1)的废气(Ex)回收热能来产生动力。由斯特林发动机(100)产生的动力通过离合器(6)被传递到内燃发动机变速器(4)和废热回收装置变速器(5)，并且通过内燃发动机变速器(4)与由内燃发动机(1)产生的动力结合，并且从输出轴(9)输出。如果要求了迅速加速并且因此斯特林发动机(100)的转速增加滞后于内燃发动机(1)的转速增加，则释放离合器(6)。通过这种配置，限制了输出自从其回收废热的热力发动机的功率的降低，并且最小化了加速性能的劣化。
文档编号F02G1/043GK101454558SQ200780007345
公开日2009年6月10日 申请日期2007年2月28日 优先权日2006年3月1日
发明者三谷信一, 泽田大作, 矢口宽 申请人:丰田自动车株式会社