DE102005027228A1

DE102005027228A1 - Stirlingmotor

Info

Publication number: DE102005027228A1
Application number: DE102005027228A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Toyota Yaguchi; Daisaku Toyota Sawada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: US20050274111A1; FR2871526B1; DE102005027228B4; US7644581B2; FR2871526A1; JP4285338B2; JP2005351243A

Abstract

Ein Stirlingmotor (10) hat einen Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors (10) und ein Kurbelgehäuse (41) des Stirlingmotors (10) verbindet. Eine Ausgabe des Stirlingmotors (10) wird so gesteuert, dass die Ausgabe sinkt, wenn ein Druck in dem Arbeitsraum höher als ein Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ist, und zwar mit einer Übertragung eines Fluids in dem Arbeitsraum zu dem Kurbelgehäuse (41) über den Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), wodurch eine Verringerung in dem Druck des Arbeitsraums verursacht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stirlingmotor und insbesondere auf einen Stirlingmotor mit einer steuerbaren Ausgabe.

In den vergangenen Jahren haben Stirlingmotoren, die eine exzellente theoretische thermische Effizienz aufweisen, die Aufmerksamkeit als eine Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung auf sich gezogen, die Abgaswärme von einer an einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Kraftfahrzeug, einem Bus und einem Lastkraftwagen montierten Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung bzw. Brennkraftmaschine, ebenso wie Abgaswärme von Fabriken sammelt.

Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. S64-342 offenbart ein Ausgabesteuergerät für einen Stirlingmotor, der ein Verbindungsrohr aufweist, das einen Arbeitsraum und ein Kurbelgehäuse und einen Akkumulator verbindet.

Die Steuerung der Ausgabe des Stirlingmotors wird erwünscht. Insbesondere ist es wünschenswert, eine stärker vereinfachte Steuerung der Ausgabe des Stirlingmotors zu ermöglichen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Stirlingmotor zu schaffen, dessen Ausgabe steuerbar ist.

Ein Stirlingmotor gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist einen Strömungspfad auf, der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors und ein Kurbelgehäuse des Stirlingmotors verbindet. Eine Ausgabe des Stirlingmotors wird so gesteuert, dass die Ausgabe abfällt, wenn ein Druck in dem Arbeitsraum höher als ein Druck in dem Kurbelgehäuse ist, wobei ein Fluid in dem Arbeitsraum über den Strömungspfad zu dem Kurbelgehäuse übertragen wird, wodurch eine Verminderung in dem Druck des Arbeitsraums verursacht wird.

In dem Stirlingmotor wird die Ausgabe des Stirlingmotors so gesteuert, dass die Ausgabe zunimmt, wenn der Druck in dem Arbeitsraum niedriger als der Druck in dem Kurbelgehäuse ist, wobei das Fluid in dem Kurbelgehäuse über den Strömungspfad zu dem Arbeitsraum übertragen wird, wodurch eine Erhöhung des Drucks in dem Arbeitsraum verursacht wird.

Ein Stirlingmotor gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat einen Strömungspfad, der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors und ein Kurbelgehäuse des Stirlingmotors verbindet. Eine Ausgabe des Stirlingmotors wird so gesteuert, dass die Ausgabe zunimmt, wenn ein Druck in dem Arbeitsraum niedriger als ein Druck in dem Kurbelgehäuse ist, wobei ein Fluid in dem Kurbelgehäuse über den Strömungspfad zu dem Arbeitsraum übertragen wird, wodurch eine Erhöhung des Drucks des Arbeitsraums verursacht wird. Der Strömungspfad, der zur Übertragung des Fluids in dem Kurbelgehäuse zu dem Arbeitsraum verwendet wird, ist an einer Seite eines niedertemperaturseitigen Zylinders des Stirlingmotors vorgesehen.

In dem Stirlingmotor erreicht der Druck in dem Kurbelgehäuse ein Niveau zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert des Drucks in dem Arbeitsraum in einem Kreislauf bzw. Zyklus eines Stirlingkreislaufs bzw. -zyklus.

In dem Stirlingmotor erreicht der Druck in dem Kurbelgehäuse im Wesentlichen das gleiche Niveau wie ein mittlerer Druck in dem Arbeitsraum in einem Kreislauf des Stirlingkreislaufs.

In dem Stirlingmotor macht ein Prozess von Schwankungen in dem Druck in dem Arbeitsraum in einem Kreislauf des Stirlingkreislaufs den Druck in dem Arbeitsraum höher oder niedriger als den Druck in dem Kurbelgehäuse.

In dem Stirlingmotor ist der Strömungspfad mit einem Ein-Wege-Ventil und mit einem Öffnungs-/Schließventil versehen.

In dem Stirlingmotor ist der Strömungspfad mit einem Öffnungs-/Schließventil versehen und der Strömungspfad ist mit Bezug auf den Arbeitsraum an einer vorbestimmten Stelle vorgesehen, so dass der Strömungspfad mit dem Arbeitsraum in Verbindung ist, wenn eine vorbestimmte Relation zwischen dem Druck in dem Arbeitsraum und dem Druck in dem Kurbelgehäuse hält, und so dass der Strömungspfad mit einem Kolben des Stirlingmotors geschlossen ist und nicht mit dem Arbeitsraum in Verbindung ist, wenn die vorbestimmte Relation nicht hält.

In dem Stirlingmotor ist ein Volumen des Kurbelgehäuses größer als ein Volumen des Arbeitsraums.

Der Stirlingmotor hat ferner einen Zylinder und einen sich in dem Zylinder hin und her bewegenden Kolben. Der Kolben bewegt sich in dem Zylinder hin und her, während der Kolben mit einem zwischen dem Zylinder und dem Kolben vorgesehenen Luftlager luftdicht gehalten ist.

Der Stirlingmotor hat ferner einen Nahezu-Linear-Mechanismus, der an dem Kolben angeschlossen ist, so dass der Nahezu-Linear-Mechanismus eine nahezu lineare Bewegung macht, wenn sich der Kolben in dem Zylinder hin und her bewegt.

Ein Hybridsystem gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist den Stirlingmotor gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs auf. Der Stirlingmotor ist an dem Fahrzeug montiert und eine Heizeinrichtung des Stirlingmotors ist vorgesehen, um von einem Abgassystem der Brennkraftmaschine Wärme zu empfangen.

In dem Hybridsystem hat der Stirlingmotor zumindest zwei Zylinder und einen Wärmetauscher mit einem Kühler, einem Regenerator und der Heizeinrichtung. Der Wärmetauscher ist so konfiguriert, dass zumindest ein Abschnitt des Wärmetauschers eine Kurve bildet, um die beiden Zylinder zu verbinden. Die Kurve ist dazu angepasst, obere Abschnitte der beiden Zylinder zu verbinden, wo eine Abmessung des Innendurchmessers des Abgasrohrs der Brennkraftmaschine nahezu die gleiche wie ein Abstand zwischen einem Endabschnitt der Heizeinrichtung und einem obersten Abschnitt der Heizeinrichtung ist.

In dem Hybridsystem ist der Stirlingmotor so an dem Fahrzeug angebracht, dass sich Kolben des Stirlingmotors im Wesentlichen horizontal hin und her bewegen.

Gemäß dem Stirlingmotor der vorliegenden Erfindung ist die Ausgabe steuerbar.

Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und technische sowie industrielle Bedeutungen dieser Erfindung werden durch ein Studium der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Berücksichtigung der beiliegenden Zeichnungen besser verstanden.

1 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils einer Struktur eines Stirlingmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 1 gezeigten Struktur;
3 ist ein erläuterndes Schaubild einer Ausgabesteuerung und eines offenen/geschlossenen Zustands eines Ventils in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Graph, der eine Relation zwischen einem Kurbelgehäusedruck und einem Innenzylinderdruck zu einem normalen Zeitpunkt in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Graph, der eine Relation zwischen einem Kurbelgehäusedruck und einem Innenzylinderdruck zu einer Ausgabeverringerungssteuerzeit in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Graph, der eine Relation zwischen dem Druck des Kurbelgehäuses und dem Innenzylinderdruck zu einer Ausgabeerhöhungssteuerzeit in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils einer Struktur eines Stirlingmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Schnittansicht einer Grundstruktur des Stirlingmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Draufsicht einer Befestigung zwischen einer Brennkraftmaschine und dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Graph des Innenzylinderdrucks des Stirlingmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein erläuterndes Schaubild eines Nahezu-Linear-Mechanismus, der auf den Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
12 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Teils des Stirlingmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
13 ist ein Graph des Innenzylinderdrucks vor der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
14 ist ein Graph des Innenzylinderdrucks nach der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses in dem Stirlingmotor des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels einer Struktur eines weiteren Abschnitts des Stirlingmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
16 ist eine schematische Schnittansicht eines weiteren Beispiels der Struktur eines weiteren Abschnitts des Stirlingmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden wird ein Stirlingmotor gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Ein Stirlingmotor gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hat ein Verbindungsrohr, das einen Arbeitsraum des Stirlingmotors und ein Kurbelgehäuse verbindet, eine Öffnungs-/Schließeinheit, das das Verbindungsrohr öffnet/schließt, eine Öffnungs-/Schließsteuereinheit, die das Öffnen/Schließen der Öffnungs-/Schließeinheit steuert und eine Drucksteuereinheit. Die Drucksteuereinheit öffnet das Verbindungsrohr, wenn der Druck in dem Arbeitsraum höher als der Druck in dem Kurbelgehäuse ist, um einen mittleren Druck in dem Arbeitsraum zu senken, und sie öffnet das Verbindungsrohr, wenn der Druck in dem Arbeitsraum niedriger als der Druck in dem Kurbelgehäuse ist, um den mittleren Druck in dem Arbeitsraum zu erhöhen. In den Ausführungsbeispielen wird die Ausgabesteuerung mit einer effektiven Verwendung einer Kraftmaschinenpumpfunktion durchgeführt.
Eine Struktur für die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird später unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Zunächst wird unter Bezugnahme auf 8 eine Grundstruktur des Stirlingmotors gemäß den Ausführungsbeispielen beschrieben.
8 ist eine Frontschnittansicht einer Grundstruktur eines Stirlingmotors der Ausführungsbeispiele. Wie in 8 gezeigt ist, ist der Stirlingmotor der Ausführungsbeispiele ein Stirlingmotor 10 einer a-Bauweise (Bauweise mit zwei Kolben) und ist mit zwei Kraftkolben 20 und 30 versehen. Die beiden Kraftkolben 20 und 30 sind parallel in Reihe angeordnet. Ein Kolben 31 des Kraftkolbens 30 an einer Niedertemperaturseite ist so angeordnet, dass sich der Kolben 31 mit einer Phasendifferenz von 90 Grad eines Kurbelwinkels mit Bezug auf einen Kolben 21 des Kraftkolbens 20 an einer Hochtemperaturseite bewegt, wie dies in 10 gezeigt ist.
Ein durch eine Heizeinrichtung 47 aufgewärmtes Arbeitsfluid strömt in einen Raum (Expansionsraum) in einem oberen Bereich eines Zylinders 22 (im Weiteren als hochtemperaturseitiger Zylinder bezeichnet) des Kraftkolbens 20 an der Hochtemperaturseite. Ein durch eine Kühleinrichtung 45 gekühltes Arbeitsfluid strömt in einen Raum (Kompressionsraum) in einem oberen Bereich eines Zylinders 32 (im Weiteren als niedertemperaturseitiger bezeichnet) des Kraftkolbens 30 an der Niedertemperaturseite.
Ein Regenerator (regenerativer Wärmetauscher) 46 speichert eine Wärme während das Arbeitsfluid zwischen dem Expansionsraum und dem Kompressionsraum vor und zurück strömt. Mit anderen Worten nimmt der Regenerator 46 Wärme von dem Arbeitsfluid auf, wenn das Arbeitsfluid von dem Expansionsraum zu dem Kompressionsraum strömt, wohingegen die gespeicherte Wärme zu dem Arbeitsfluid übertragen wird, wenn das Arbeitsfluid von dem Kompressionsraum zu dem Expansionsraum strömt.
Das durch die beiden Kolben 21 und 31 (im Weiteren auch als Expansionskolben 21 und Kompressionskolben 31 bezeichnet) verursachte Hin- und Herströmen des Arbeitsfluids ändert das Verhältnis des Arbeitsfluids in dem Expansionsraum des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und in dem Kompressionsraum des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 so wie das Gesamtvolumen des Fluids in den Räumen, so dass Druckänderungen verursacht werden. Vergleicht man die Relation bzw. Beziehung zwischen dem Druckniveau und den Stellungen der Zylindern 21 und 31, ist der Druck im Wesentlichen dann höher, wenn sich der Expansionskolben 21 in einer niedrigeren Stellung befindet, als wenn er sich in einer höheren Stellung befindet, wohingegen der Druck im Wesentlichen dann niedriger ist, wenn sich der Kompressionskolben 31 in einer niedrigeren Stellung befindet, als wenn er sich in einer höheren Stellung befindet. Somit führt der Expansionskolben 21 eine positive Arbeit (Expansionsarbeit) einer beträchtlichen Menge zur Außenseite durch, wohingegen der Kompressionskolben 31 von der Außenseite einer Arbeit empfangen muss. Die Expansionsarbeit wird teilweise für die Kompressionsarbeit verwendet und der Rest wird über eine Antriebswelle 40 als eine Ausgabe gewonnen.
Der Stirlingmotor der Ausführungsbeispiele wird mit einer Hauptkraftmaschine 200, beispielsweise einer Dieselkraftmaschine oder einer Brennkraftmaschine, in einem Fahrzeug verwendet, wie dies in 12 gezeigt ist, wodurch ein Hybridsystem gebildet wird. Mit anderen Worten ist der Stirlingmotor 10 eine Abgaswärmesammeleinheit, die das Abgas von der Hauptkraftmaschine 200 als eine Wärmequelle verwendet. Mit der in einem Abgasrohr 100 der Hauptkraftmaschine 200 des Fahrzeugs platzierten Wärmeeinrichtung 47 des Stirlingmotors 10 wärmt die von dem Abgas gesammelte Wärmeenergie das Arbeitsfluid auf, wodurch der Stirlingmotor 10 gestartet wird.
Da der Stirlingmotor 10 der Ausführungsbeispiele in einem beschränkten Raum in dem Fahrzeug platziert ist, d.h., die Heizeinrichtung 47 in dem Abgasrohr 100 aufgenommen ist, ist dessen Gesamtstruktur bevorzugter Weise kompakt gefertigt, um den Freiheitsgrad bei der Installation zu erhöhen. Zu diesem Zweck sind die beiden Zylinder 22 und 32 in dem Stirlingmotor 10 nicht in einer V-Konfiguration angeordnet, sondern sind in einem Parallelreihenlayout platziert.
Die Heizeinrichtung 47 ist so in dem Abgasrohr 100 angeordnet, dass sich eine Seite der Heizeinrichtung 47 an der Seite des hochtemperaturseitigen Zylinders an einer stromaufwärtigen Seite 100a (eine Seite, die der Hauptkraftmaschine 200 näher ist) des Abgases befindet, wo das Abgas mit einer relativ hohen Temperatur in dem Abgasrohr 100 strömt, wohingegen sich eine Seite der Heizvorrichtung 47 an der Seite des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 an einer stromabwärtigen Seite 100b (eine Seite, die von der Hauptkraftmaschine 200 weiter weg ist) befindet, wo ein Abgas einer relativ niedrigen Temperatur strömt. Eine solche Anordnung soll die Seite der Heizeinrichtung 47 an der Seite des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 auf ein höheres Niveau aufwärmen.
Sowohl der hochtemperaturseitige Zylinder 22 als auch der niedertemperaturseitige Zylinder 32 sind in einer Zylindergestalt ausgebildet und durch eine Grundplatte 42 gestützt, die als eine Grundlinie dient. In den Ausführungsbeispielen dient die Grundplatte 42 dazu, eine Referenzposition für jeweilige Komponenten des Stirlingmotors 10 bereitzustellen. Mit einer solchen Struktur kann eine relative Lagegenauigkeit jeweiliger Komponenten des Stirlingmotors 10 sichergestellt werden. Außerdem kann die Grundplatte 42 als Referenz zum Anbringen des Stirlingmotors 10 an dem Abgasrohr 100 (Abgaspfad), das die zu sammelnde Abgaswärme bereitstellt, verwendet werden.
Die Grundplatte 42 ist an einem Flansch 100f des Abgasrohrs 100 über ein wärmeisolierendes Material (nicht gezeigter Abstandshalter) befestigt. Zudem ist die Grundplatte 42 an einem Flansch 22f befestigt, der an einer Seitenfläche (Außenumfangsfläche) 22c des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 vorgesehen ist. Die Grundplatte 42 ist zudem an einem Flansch 46f befestigt, der an einer Seitenfläche (Außenumfangsfläche) 46c des Regenerators 46 vorgesehen ist.
Das Abgasrohr 100 ist über die Grundplatte 42 an dem Stirlingmotor 10 angebracht. Der Stirlingmotor 10 ist so an der Grundplatte 42 angebracht, das eine Endfläche (eine obere Fläche eines oberen Abschnitts 22b) des hochtemperaturseitigen Zylinders 22, an der die Heizeinrichtung 47 angeschlossen ist, und eine Endfläche (eine obere Fläche 32a) des niedertemperaturseitigen Zylinders 32, an der die Kühleinrichtung 45 angeschlossen ist, im Wesentlichen parallel zu der Grundplatte 42 sind. Alternativ ist der Stirlingmotor 10 so an der Grundplatte 42 angebracht, dass die Grundplatte 42 parallel zu einer Drehwelle einer Kurbelwelle 61 (oder der Antriebswelle 40) ist, oder so, dass eine Mittelachse des Abgasrohrs 100 parallel zu der Drehwelle der Kurbelwelle 61 ist. Somit kann der Stirlingmotor 10 einfach an dem Abgasrohr 100 einer bestehenden Bauweise angebracht werden, ohne dass größere Gestaltungsänderungen nötig sind. Als ein Ergebnis kann der Stirlingmotor 10 an dem Abgasrohr 100 angebracht werden, ohne die Charakteristiken, wie zum Beispiel die Leistung, die Montierbarkeit und ein Geräuschverringerungsmerkmal der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs zu verschlechtern, von der das Abgas gesammelt wird. Da der Stirlingmotor 10 einer gleichen Spezifikation außerdem an verschiedenen Abgasrohren angebracht werden kann, wobei lediglich eine Änderung der Spezifikation der Heizeinrichtung 47 nötig ist, kann die Vielseitigkeit des Stirlingmotors verbessert werden.
Der Stirlingmotor 10 ist in einem Raum, der dem unter einem Fahrzeugboden platzierten Abgasmotor 100 nah ist, horizontal angeordnet. Mit anderen Worten ist der Stirlingmotor 10 so angeordnet, dass die Achsen des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 im Wesentlichen parallel zu dem (nicht gezeigten) Fahrzeugboden sind. Die beiden Kolben 21 und 31 bewegen sich horizontal hin und her. In den Ausführungsbeispielen werden eine obere Totpunktseite und eine unter Totpunktseite der beiden Kolben 21 und 31 zur Vereinfachung der Beschreibung als eine obere Richtung bzw. eine untere Richtung bezeichnet.
Eine höhere Ausgabe kann erhalten werden, wenn ein mittlerer Druck (später beschriebenes Pmean) des Arbeitsfluids höher ist, da ein durch die Kühleinrichtung 45 und die Heizeinrichtung 47 verursachter Differenzdruck bei dem gleichen Temperaturunterschied größer ist. Folglich wird, wie dies vorstehend beschrieben ist, das Arbeitsfluid in dem Arbeitsraum des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 bei einem hohen Druck beibehalten.
Die Kolben 21 und 31 sind in einer zylindrischen Gestalt ausgebildet. Zwischen den Außenumfangsflächen der Kolben 21 und 31 und der Innenumfangsflächen der Zylinder 22 und 32 ist jeweils in winziger Spalt von einigen zehn Mikrometern (μm) vorgesehen. Das Arbeitsfluid (Luft) des Stirlingmotors 10 ist in dem Spalt vorhanden. Die Kolben 21 und 31 sind durch ein Luftlager 48 gestützt, so dass die Kolben jeweils nicht mit den Zylindern 22 und 32 in Kontakt kommen. Folglich sind um die Kolben 21 und 31 keine Kolbenringe vorgesehen und es wird kein Schmiermittel eingesetzt, das gewöhnlicher Weise zusammen mit den Kolbenringen verwendet wird. Jedoch ist an der Innenumfangfläche der Zylinder 22 und 32 ein Reibungsminderer befestigt. Obwohl der durch das Arbeitsfluid verursachte Widerstand des Luftlagers 48 gegen die Gleitbewegung ursprünglich extrem niedrig ist, ist der Reibungsminderer vorgesehen, um den Widerstand noch mehr zu verringern. Wie vorstehend beschrieben ist, dient das Luftlager 48 dazu, den Expansionsraum und den Kompressionsraum mit dem Arbeitsfluid (Luft) luftdicht beizubehalten und es dichtet den Spalt ohne Kolbenring und Schmiermittel.
Die Heizeinrichtung 47 hat eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren (Rohrgruppe) 47t, von denen jedes im Allgemeinen in einer U-Gestalt ausgebildet ist. Ein erster Endabschnitt 47ta eines jeden Wärmeübertragungsrohrs 47t ist an dem oberen Abschnitt (Endfläche an der Seite einer oberen Fläche 22a) 22b des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 angeschlossen. Ein zweiter Endabschnitt 47tb eines jedes Wärmeübertragungsrohrs 47t ist an einem oberen Abschnitt (Endfläche an der Seite der Heizeinrichtung 47) 46a des Regenerators 46 angeschlossen. Der Grund, warum die Heizeinrichtung 47 im Wesentlichen in einer U-Gestalt ausgebildet ist, wie dies vorstehend beschrieben ist, wird später beschrieben.
Der Regenerator 46 weist ein Wärmespeichermaterial (nicht gezeigtes Grundgerüst) und ein das Grundgerüst aufnehmendes Regeneratorgehäuse 46h auf. Da das Regeneratorgehäuse 46h das Arbeitsfluid mit hohem Druck aufnimmt, ist das Regeneratorgehäuse 46h als ein luftdichter Behälter ausgebildet. Der hier verwendete Regenerator 46 weist laminierte Metallnetze als das Grundgerüst auf.
Der Regenerator 46 muss die nachstehenden Bedingungen erfüllen, um die vorstehend beschriebenen Funktionen zu realisieren. Der Regenerator 46 muss eine hohe Wärmeübertragungsleistung, eine hohe Wärmespeicherkapazität, einen niedrigen Strömungswiderstand (Strömungsverlust, Druckverlust), eine niedrige Wärmeleitfähigkeit in einer Richtung des Arbeitsfluidstroms und einen großen thermischen Gradienten haben. Das Metallnetz kann aus rostfreiem Stahl ausgebildet sein. Wenn das Arbeitsfluid jedes der laminierten Metallnetze passiert, wird eine Wärme des Arbeitsfluids übertragen und in dem Metallnetz gespeichert.
Ein Verbindungsabschnitt (Gestalt eines Querschnitts) der Heizeinrichtung 47 mit dem hochtemperaturseitigen Zylinder 22 ist in der selben Gestalt und Größe wie der Gestalt einer Öffnung (perfekten Kreises) des oberen Abschnitts (eines Verbindungsabschnitts mit der Heizvorrichtung 47) des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 ausgebildet. Auf ähnliche Weise ist ein Verbindungsabschnitt der Heizeinrichtung 47 mit dem Regenerator 46 in der gleichen Gestalt und Größe wie die der oberen Fläche des Regenerators 46 ausgebildet. Somit sind die Querschnitte der Heizeinrichtung 47 und des Regenerators 46 in der gleichen Gestalt und Größe wie die der Öffnungen des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 bzw. des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 ausgebildet. Mit einer solchen Struktur wird der Widerstand eines Strömungspfads (Strömungswiderstand) des Arbeitsfluids verringert.
Die Kurbelwelle 61 ist mit Bezug auf das Kurbelgehäuse 41 durch ein Lager drehbar gestützt. In den Ausführungsbeispielen ist an einer Seite des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 ein Gegengewicht 90 vorgesehen. Die Lage des Gegengewichts 90 ist so ausgewählt, dass der Einfluss auf die vertikale Größe des gesamten Stirlingmotors 10 minimiert wird. In dem Raum an einer Seite des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 kann ein ausreichender Raum sichergestellt sein.
Als nächstes wird der Grund beschrieben, warum die Heizeinrichtung 47 im Wesentlichen in einer U-Gestalt (gekrümmten Gestalt) ausgebildet ist, wie dies vorstehend beschrieben ist.
Die Wärmequelle des Stirlingmotors 10 ist das Abgas der Hauptkraftmaschine 200 des Fahrzeugs, wie dies vorstehend beschrieben ist, und nicht eine Wärmequelle, die dem Stirlingmotor exklusiv gewidmet ist. Folglich ist die zu erhaltene Wärmemenge nicht sehr groß. Der Stirlingmotor 10 muss mit einer kleinen von dem Abgas erhaltenen Wärmemenge, beispielsweise circa 800°C anlaufen. Somit muss die Heizeinrichtung 47 des Stirlingmotors 10 die Wärme von dem Abgas in dem Abgasrohr 100 effizient aufnehmen.
Ein Volumen eines Wärmetauschers, der die Heizeinrichtung 47, den Regenerator 46 und die Kühleinrichtung 45 aufweist, ist ein Leervolumen, das die Ausgabe nicht direkt beeinträchtigt. Wenn das Volumen des Wärmetauschers zunimmt, nimmt die Ausgabe des Stirlingmotors 10 ab. Wenn andererseits der Wärmetauscher ein kleines Volumen aufweist, wird der Wärmeaustausch schwierig und die Menge von aufgenommener Wärme nimmt ab, wodurch die Ausgabe des Stirlingmotors 10 verringert wird. Folglich muss die Effizienz des Wärmetauschers verbessert werden, um sowohl die Verringerung des Leervolumens als auch die Erhöhung der aufgenommenen Wärmemenge zu realisieren. Mit anderen Worten ist eine effiziente Aufnahme von Wärme durch die Heizeinrichtung 47 erforderlich.
Um eine effiziente Wärmeaufnahme von dem Abgas in dem Abgasrohr 100 und den effizienten Wärmetausch zu realisieren, muss die Gesamtstruktur der Heizeinrichtung 47 in einer angemessenen Situation in dem Abgasrohr 100 aufgenommen werden, und die Kühleinrichtung 45 muss sich außerhalb des Abgasrohrs 100 befinden, um zu verhindern, dass sie Wärme von dem Abgas aufnimmt. Somit ist dann, wenn der Flansch 100f, an dem das Abgasrohr 100 an dem Stirlingmotor 10 angebracht ist, als Referenz genommen wird, eine Anbringstelle des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 zumindest um die Höhe der Kühleinrichtung 45 niedriger als eine Anbringstelle des hochtemperaturseitigen Zylinders 22. Somit ist eine Lage des in dem oberen Bereichs des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 ausgebildeten Kompressionsraums niedriger als die Lage des in dem oberen Bereich des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 ausgebildeten Expansionsraums, und ein oberer Totpunkt des Kompressionskolbens 31 ist niedriger als eine Lage eines oberen Totpunkts des Expansionskolbens 21.
In den Ausführungsbeispielen sind an den Kolben 21 und 31 jeweils Kolbenstifte 60a und 60b mit Verlängerungen (Kolbenstützen) 64a und 64b unterschiedlicher Größe angeschlossen, um die Lagen der oberen Totpunkte des Druckbeaufschlagungskolbens 31 und des Expansionskolbens 21 zu ändern. Da die Lage des oberen Totpunkts des Expansionskolbens 21 höher als die des oberen Totpunkts des Kompressionskolbens 31 ist, ist die an den Expansionskolbens 21 angeschlossene Verlängerung 64a um die Höhenlagendifferenz der oberen Totpunkte länger als die an dem Kompressionskolben 31 angeschlossene Verlängerung 64b.
In den Ausführungsbeispielen sind der Expansionskolben 21 und der Kompressionskolben 31 so ausgebildet, dass deren Längen gleich sind. Mit anderen Worten sind die Abstände zwischen den oberen Flächen der Kolben 21 und 31 und den Verbindungspunkten 21c und 31c mit den Verlängerungen 64a und 64b der Kolben 21 und 31 jeweils gleich gemacht. Daher sind die Verlängerungen 64a und 64b mit unterschiedlichen Längen ausgebildet, um die oberen Totpunkte der Kolben 21 und 31 an unterschiedlichen Stellen anzuordnen. Alternativ können die Verlängerungen des Expansionskolbens und des Kompressionskolbens mit der gleichen Länge ausgebildet sein und die Längen des Expansionskolbens und des Kompressionskolbens können unterschiedlich gefertigt sein. Somit können die Lagen der oberen Totpunkte des Expansionskolbens und des Kompressionskolbens unterschiedlich gemacht sein. Ein technischer Vorteil einer solchen Struktur, bei der die vertikale Länge des Expansionskolbens an sich länger als die des Kompressionskolbens an sich gemacht ist, wird nachstehend beschrieben.
Um eine Verschlechterung der Effizienz des Stirlingmotors 10 zu unterdrücken muss ein Raum außerhalb des Expansionsraums in dem hochtemperaturseitigen Kraftkolbens 20 und ein Raum außerhalb des Kompressionsraums in dem niedertemperaturseitigen Kraftkolben 30, d.h. ein Raum um die Kurbelwelle 61 herum sowohl in dem hochtemperaturseitigen Kraftkolben 20 als auch in dem niedertemperaturseitigen Kraftkolben 30 bei einer Raumtemperatur beibehalten werden. Folglich muss zwischen dem hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und dem Expansionskolben 21 und zwischen dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 und dem Kompressionskolben 31 eine sichere Dichtung vorgesehen sein, so dass das Arbeitsfluid einer hohen Temperatur in dem Expansionsraum nicht in den Raum um die Kurbelwelle 61 herum an der Seite des hochtemperaturseitigen Kraftkolbens 20 strömt, und so dass das Arbeitsfluid einer niedrigen Temperatur in dem Kompressionsraum nicht in dem Raum um die Kurbelwelle 61 herum an der Seite des niedertemperaturseitigen Kraftkolbens 20 strömt. Wie später beschrieben ist, wird das Luftlager 48 verwendet, um eine solche Dichtung zu erreichen.
Da einerseits der obere Abschnitt 22b und die Seitenfläche 22c des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 in dem Abgasrohr 100 aufgenommen sind, wie dies vorstehend beschrieben ist, dehnen sich der obere Abschnitt des temperaturseitigen Zylinders 22 und der obere Abschnitt des Expansionskolbens 21 thermisch aus. Dann muss die Dichtung in einem Bereich, in dem sich die oberen Abschnitte des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und des Expansionskolbens 21 ausdehnen, nicht sichergestellt sein. Um solche Missstände zu verhindern, können der Expansionskolben 21 und der hochtemperaturseitige Zylinder 22 in der Vertikalrichtung länger ausgebildet sein, um einen thermischen Gradienten in der Vertikalrichtung des Expansionskolbens 21 bereitzustellen. Dann kann die sichere Dichtung garantiert werden, wobei der Bereich durch die thermische Expansion, d.h., durch den unteren Abschnitt des Expansionskolbens 21 nicht beeinträchtigt wird. Da ferner die Dichtung zwischen dem hochtemperaturseitigen Zylinder 22 und dem Expansionskolben 21 mit dem unteren Abschnitt des Expansionskolbens 21 bereitgestellt ist, d.h., da der Bereich nicht durch die thermische Ausdehnung beeinträchtigt wird, kann der hochtemperaturseitige Zylinder 22 in der Vertikalrichtung länger ausgebildet werden, um die ausreichende Bewegungsstrecke für den Dichtungsbereich zu garantieren und um den Expansionsraum zufriedenstellend mit Druck zu beaufschlagen.
Die Struktur der Ausführungsbeispiele ist ungeachtet der Bauweise der Wärmequelle zu bevorzugen, da diese Struktur eine effiziente Aufnahme der Wärme von der Wärmequelle und einen effizienten Wärmetausch ermöglicht, indem die Heizeinrichtung mit einer großen Wärmeübertragungsfläche zur Aufnahme der Wärmeenergie und die Kühleinrichtung, die in einer nicht aufgewärmten Position angeordnet werden kann, bereitgestellt werden.
Insbesondere dann, wenn die Abgaswärme zu verwenden ist, wird die Wärmeenergie im Allgemeinen durch das Abgas durch ein Rohr zugeführt. Dann ist eine Fläche, an der die Wärme aufgenommen werden kann (beispielsweise das Rohrinnere) relativ eingeschränkt. In diesem Fall ist die Struktur des vorstehend beschriebenen Stirlingmotors 10 besonders zu bevorzugen, da er eine große Wärmeübertragungsfläche bereitstellt und da eine Kühleinrichtung an einer nicht erwärmten Stelle angeordnet ist. Nachstehend wird ein technischer Vorteil der Struktur des Stirlingmotors 10 beschrieben.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist ein kleineres Leervolumen (die Kühleinrichtung, der Regenerator und die Heizeinrichtung) vorzuziehen. Außerdem wird dann, wenn der Leervolumenbereich ein gekrümmte Gestalt aufweist, der Widerstand in dem Strömungspfad groß, wenn viele solcher gekrümmter Abschnitte vorhanden sind, wohingegen der Widerstand in dem Strömungspfad zunimmt, wenn die Krümmung des gekrümmten Abschnitts klein ist. Mit anderen Worten ist unter Berücksichtigung des Druckverlusts des Arbeitsfluids bevorzugter Weise ein einzelner gekrümmter Abschnitt mit einer großen Krümmung vorgesehen. Obwohl die Heizeinrichtung 47 im Wesentlichen eine U-Gestalt aufweist, hat die Heizeinrichtung 47 lediglich einen gekrümmten Abschnitt. Außerdem ist die Kühleinrichtung 45 so ausgebildet, dass sie einen gekrümmten Abschnitt hat, um den Stirlingmotor 10 zu verkleinern (um die vertikale Abmessungen zu reduzieren), wodurch die Struktur mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen realisiert wird.
Zusätzlich ist, wie in 8 gezeigt ist, die Krümmung des Leervolumenabschnitts in den Ausführungsbeispielen gemäß der Anordnung festgelegt, mit der die oberen Abschnitte der beiden Zylinder 22 und 32, die parallel und in Reihe angeordnet sind, gekoppelt sind, und der vertikale Abstand zwischen dem oberen Abschnitt 22b des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 bzw. der oberen Fläche 46a des Regenerators 46, die nahezu in der selben Ebene angeordnet ist, um die Erhöhung des Strömungswiderstands des Arbeitsfluids in dem Abgasrohr 100 zu unterdrücken, und der oberen Innenfläche des Abgasrohrs 100 ist auf eine Höhe h festgelegt, die im Wesentlichen gleich zu dem Abstand zwischen den Endabschnitten 47ta und 47tb und dem obersten Abschnitt des zentralen Abschnittes 47c der Heizeinrichtung 47 gleich ist. Um eine große Kontaktfläche mit der Fluidwärmequelle, wie zum Beispiel dem Abgas, in einem beschränktem Bereich, wie zum Beispiel dem Inneren des Abgasrohrs 100, sicherzustellen, ist eine gekrümmte Gestalt, wie sie vorstehend beschrieben ist, wünschenswert.
Mit Berücksichtigung dieser Vorteile ist die Heizeinrichtung in dem Leervolumenabschnitt bevorzugterweise in einer gekrümmten Gestalt, wie zum Beispiel einer U-Gestalt oder einer J-Gestalt, ausgebildet, so dass die Gesamtheit der Heizeinrichtung in einem beschränkten Raum (Wärmeaufnahmeraum) aufgenommen ist, der die Wärme von der Wärmequelle aufnimmt, wie zum Beispiel in dem Inneren des Abgasrohrs, und eine maximale Fläche zum Aufnehmen der Wärme von der Wärmequelle kann sichergestellt werden und der Widerstand des Strömungspfads in dem Wärmeaufnahmeraum ist minimiert.
Um den Widerstand des Arbeitsfluids in dem Strömungspfad zu minimieren ist der Regenerator 46 linear (entlang der gleichen Achse) entlang einer Erstreckungsrichtung (Achsrichtung) des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 angeordnet. Somit ist der an einem zweiten Endabschnitt 47tb der Heizeinrichtung 47 angeschlossene Regenerator 46 entlang der Erstreckungsrichtung des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 angeordnet. Ein erster Endabschnitt 47ta der Heizeinrichtung 47 ist nahtlos an dem oberen Abschnitt des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 angeschlossen. Somit hat die Heizeinrichtung 47 sich entlang den Erstreckungsrichtungen des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 erstreckende Abschnitte zumindest an den Seiten des ersten Endabschnitts 47ta und des zweiten Endabschnitts 47tb der Heizeinrichtung 47 und der zentrale Abschnitt 47c der Heizeinrichtung 47 hat in vielen Fällen eine gekrümmte Gestalt, wie dies vorstehend beschrieben ist.
In Folge der vorstehend beschriebenen technischen Gründe ist die Heizeinrichtung 47 in einer gekrümmten Gestalt zwischen den beiden Zylindern 22 und 32 ausgebildet, die parallel in Reihe angeordnet sind. Somit hat die Heizeinrichtung 47 einen gekrümmten Abschnitt, der die beiden Zylinder 22 und 32 verbindet.
Als nächstes wird eine Dichtungsstruktur eines Kolben/Zylinderbereichs und ein Mechanismus eines Kolben/Kurbelbereichs beschrieben.
Da die Wärmequelle des Stirlingmotors 10 das Abgas von der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs ist, wie dies vorstehend beschrieben ist, ist die erhältliche Wärmemenge beschränkt und der Stirlingmotor 10 muss in einem Bereich der erhältlichen Wärmemenge funktionieren. Folglich ist in den Ausführungsbeispielen die interne Reibung des Stirlingmotors 10 so weit wie möglich minimiert. Um in den Ausführungsbeispielen den Reibungsverlust durch den Kolbenring zu beseitigen, der normalerweise den größten Reibungsverlust in der internen Reibung des Stirlingmotors hervorruft, ist der Kolbenring von der Struktur beseitigt. An Stelle des Kolbenrings ist zwischen den Zylindern 22 und 32 und den Kolben 21 und 31 jeweils ein Luftlager 48 vorgesehen.
Das Luftlager 48 kann die interne Reibung des Stirlingmotors 10 beträchtlich verringern, da sein Gleitwiderstand extrem niedrig ist. Da die Zylinder 22 und 32 und die Kolben 21 und 31 mit dem Luftlager 48 zudem luftdicht gesichert sind, würde das Arbeitsfluid einer hohen Temperatur zum Zeitpunkt der Expansion und Kontraktion nicht entweichen.
Das Luftlager 48 verwendet den in den winzigen Spalten zwischen den Zylindern 22 und 32 und den Kolben 21 und 31 erzeugten Luftdruck dazu, um die Kolben 21 und 31 in einer schwimmenden Stellung zu stützen. Das Luftlager 48 der Ausführungsbeispiele hat einen Spalt von wenigen zehn Mikrometern (μm) in der Durchmesserrichtung zwischen den Zylindern 22 und 32 und den Kolben 21 und 31. Um das Luftlager zu realisieren, das ein Material in einer schwimmenden Stellung stützt, kann ein Mechanismus mit einer solchen Struktur versehen sein, dass er einen Lufthochdruckbereich hat (wodurch der Druckgradient erzeugt wird). Alternativ kann eine mit hohem Druck beaufschlagte Luft eingesprüht werden, wie dies später beschrieben ist.
Das in den Ausführungsbeispielen verwendete Luftlager ist nicht von der Bauweise, gemäß der die mit hohem Druck beaufschlagte Luft eingesprüht wird, sondern es ist ein Luftlager, das die gleiche Konfiguration wie ein Luftlager hat, das zwischen einem Zylinder und einem Kolben für eine Glasinjektionsspritze für medizinische Anwendungen verwendet wird.
Da die Verwendung des Luftlagers 48 außerdem das Schmiermittel unnötig macht, das für den Kolbenring verwendet wird, wird durch das Schmiermittel keine Verschlechterung des Wärmeaustauschers (des Regenerators 46 und der Heizeinrichtung 47) des Stirlingmotors 10 verursacht. Hier können, was die die Verwendung des Schmiermittels und den Kolbenring begleitende Missstände, wie zum Beispiel den Gleitwiderstand betrifft, diese beseitigt werden, und es können jegliche Luftlager verwendet werden, die sich von dem Luftlager 48 unterscheiden, mit Ausnahme eines Luftlagers der Bauweise eines dynamischen Fluidlagers, das auch Öllager genannt wird, welches ein Öl verwendet.
Alternativ kann zwischen den Kolben 21 und 31 und den Zylindern 22 und 32 der Ausführungsbeispiele ein statisches Luftdrucklager verwendet werden. Das statische Luftdrucklager lässt ein Material (in den Ausführungsbeispielen die Kolben 21 und 31) aufschwimmen, indem ein druckbeaufschlagtes Fluid eingesprüht wird und ein erzeugter statischer Druck verwendet wird. Alternativ kann ein dynamisches Luftdrucklager an Stelle des statischen Luftdrucklagers verwendet werden.
Wenn sich die Kolben 21 und 31 in den Zylindern 22 und 32 unter Verwendung des Luftlagers 48 hin und herbewegen, sollte eine Linearbewegungsgenauigkeit beibehalten werden, die unterhalb des Spalts in Durchmesserrichtung des Luftlagers 48 liegt. Da ferner die Belastungskapazität des Luftlagers 48 gering ist, muss eine auf die Kolben 21 und 31 aufgebrachte Seitenkraft im Wesentlichen Null betragen. Da mit anderen Worten das Luftlager 48 eine geringe Kapazität aufweist, die in einer Durchmesserrichtung der Zylinder 22 und 32, d.h, in einer Querrichtung oder einer Schubrichtung aufgebrachte Kraft zu lagern, muss die Linearbewegungsgenauigkeit der Kolben 21 und 31 mit Bezug auf die Achsen der Zylinder 22 und 32 besonders hoch sein. Da insbesondere das Luftlager 48 der Ausführungsbeispiele, das das Material mit dem durch den winzigen Spalt erzeugten Luftdruck aufschwimmen lässt und stützt, verglichen mit der Lagerbauweise, die die hochdruckbeaufschlagte Luft einsprüht, eine geringe Drucklagerkapazität in der Schubrichtung aufweist, ist dementsprechend eine höhere Linearbewegungsgenauigkeit des Kolbens erforderlich.
Folglich wird in den Ausführungsbeispielen ein sogenannter „grasshopper"-Mechanismus 50, d.h., eine nahezu lineare Verbindung für den Kolben/Kurbelbereich verwendet. Der „grasshopper"-Mechanismus 50 erreicht die gleiche Linearbewegungsgenauigkeit in einem kleineren Mechanismus verglichen mit einem anderen Nahezu-Linear-Mechanismus (beispielsweise dem Watt-Mechanismus), wodurch ein kompakteres Gesamtsystem bereitgestellt ist. Da insbesondere der Stirlingmotor 10 der Ausführungsbeispiele in einem beschränkten Raum installiert ist, beispielsweise ist dessen Heizeinrichtung 47 in dem Abgasrohr des Fahrzeugs aufgenommen, erhöht ein kompakteres Gesamtsystem einen Installationsfreiheitsgrad. Außerdem kann der „grasshopper"-Mechanismus 50 die gleiche Linearbewegungsgenauigkeit bei einem leichteren Mechanismus verglichen mit anderen Mechanismen erreichen und ist in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch vorteilhaft. Ferner hat der „grasshopper"-Mechanismus 50 eine relativ einfache Struktur und ist einfach zu bauen (herzustellen/zusammenzubauen).
11 zeigt eine schematische Struktur eines Kolben/Kurbelmechanismus des Stirlingmotors 10. In den Ausführungsbeispielen hat der Kolben/Kurbelmechanismus eine gemeinsame Struktur für den hochtemperaturseitigen Kraftkolben 20 und den niedertemperaturseitigen Kraftkolben 30. Im nachfolgenden wird eine Beschreibung lediglich bezüglich des niedertemperaturseitigen Kraftkolbens 30 gegeben und eine Beschreibung bezüglich des hochtemperaturseitigen Kraftkolbens 30 wird ausgelassen.
Wie in 11 und 8 gezeigt ist, wird eine Hin- und Herbewegung des Druckbeaufschlagungskolbens 31 über eine Verbindungsstange 109 (65a und 65b) auf die Antriebswelle 40 übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt. Die Verbindungsstange 109 ist durch den in 11 gezeigten Nahezu-Linear-Mechanismus 50 gestützt, um den niedertemperaturseitigen Zylinder 31 linear hin- und herbewegen zu lassen. Mit dem die Verbindungsstange 109 stützenden Nahezu-Linear-Mechanismus 50 wird die durch den Kompressionskolben 31 erzeugte Seitenkraft F nahezu zu Null. Folglich kann sogar das Luftlager 48 mit einer geringen Lastlagerkapazität den Kompressionskolben 31 zufriedenstellend stützen.
Als nächstes wird eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und eine Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 beschrieben.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann eine höhere Ausgabe erhalten werden, wenn der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 bei einem hohen Niveau beibehalten wird. Zudem wird in dem Stirlingmotor 10 der Ausführungsbeispiele der Druck in dem Kurbelgehäuse 41 auf den mittleren Arbeitsgasdruck Pmean in dem Zylinder des Stirlingmotors 10 angehoben. Die Erhöhung des Drucks in dem Kurbelgehäuse 41 auf den mittleren Arbeitsgasdruck Pmean in dem Zylinder des Stirlingmotors 10 ist dazu beabsichtigt, die Notwendigkeit der Hochfestigkeit der Komponenten (beispielsweise der Kolben) des Stirlingmotors 10 mit Bezug auf deren Gestaltung zu beseitigen.
Mit anderen Worten kann dann, wenn der Druck des Kurbelgehäuses 41 bei einem Niveau des mittleren Arbeitsgasdrucks Pmean in dem Zylinder des Stirlingmotors 10 liegt, der Differenzdruck des Innenzylinderdrucks des Stirlingmotors 10 und des Drucks in dem Kurbelgehäuse 41 auf den Differenzdruck zwischen dem maximalen (oder minimalen) Innenzylinderdruck und dem mittleren Arbeitsgasdruck Pmean als Maximum unterdrückt werden. Somit kann durch die Unterdrückung des Differenzdrucks zwischen dem Innenzylinderdruck des Stirlingmotors 10 und dem Druck des Kurbelgehäuses 41 die Festigkeit der Komponenten des Stirlingmotors 10 niedrig sein. Wenn die Komponenten keine hohe Festigkeit aufweisen müssen, können leichtere Komponenten realisiert werden.
In dem Stirlingmotor 10 der Ausführungsbeispiele wird das Kurbelgehäuse 41 vor einem Normalbetrieb auf den mittleren Arbeitsgasdruck Pmean innerhalb des Zylinders des Stirlingmotors 10 druckbeaufschlagt.
Nun wird unter Bezugnahme auf 1 bis 6 ein Ausgabesteuerungsverfahren des Stirlingmotors 10 beschrieben.
Bei der Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 werden der Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und das Kurbelgehäuse 41 mit Druck beaufschlagt, so dass ein mittlerer Druck (der vorstehend beschriebene mittlere Arbeitsgasdruck Pmean) in einem Zyklus des Arbeitsdrucks in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors gleich dem Druck im Kurbelgehäuse 41 ist. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 12 bis 16 eine Art der Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums des Stirlingmotors 10 und des Kurbelgehäuses 41 beschrieben.
Dabei wird der vorstehend erwähnte mittlere Arbeitsgasdruck Pmean unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
10 zeigt Änderungen der oberen Stelle bzw. Position des hochtemperaturseitigen Kolbens 21 und der oberen Stelle des niedertemperaturseitigen Kolbens 31. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die Phasendifferenz so vorgesehen, dass sich der niedertemperaturseitige Kolben 31 um 90° Kurbelwinkel später als der hochtemperaturseitige Kolben 21 bewegt. In 10 repräsentiert eine kombinierte Welle W einer Wellenform des hochtemperaturseitigen Kolbens 21 und einer Wellenform des niedertemperaturseitigen Kolbens 31 den Innenzylinderdruck (Innenzylinderdruck P aus 2). In 10 gibt das Bezugszeichen „Pmean" den mittleren Arbeitsgasdruck an, der ein mittlerer Wert des Innenzylinderdrucks ist.
13 zeigt einen Anfangszustand des Kurbelgehäuses 41 des Stirlingmotors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vor der Druckbeaufschlagung. Der Graph von 13 zeigt die kombinierte Welle W, wobei die Vertikalachse den Innenzylinderdruck wiedergibt und die Horizontalachse den Kurbelwinkel wiedergibt. Wie in 13 gezeigt ist, ist der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 (= mittlerer Arbeitsgasdruck Pmean) vor der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses gleich dem Atmosphärendruck Po.
In dem ersten Ausführungsbeispiel werden Änderungen in dem Druck (Innenzylinderdruck P) des Arbeitsfluids des Stirlingmotors 10 zur Erhöhung des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41 verwendet, wie dies später beschrieben ist. Im Allgemeinen bewegt sich der Innenzylinderdruck P von einem Bereich, der niedriger als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean ist (von einer zweiten Hälfte des Expansionsprozesses durch eine erste Hälfte des Kompressionsprozesses) bis zu einem Bereich, der höher als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean ist (von einer zweiten Hälfte des Kompressionsprozesses durch eine erste Hälfte des Expansionsprozesses), und zwar wiederholtermaßen, wie dies durch das Bezugszeichen W in 10 angezeigt ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 zusammen mit dem mittleren Arbeitsgasdruck Pmean unter Verwendung der Änderungen in dem Innenzylinderdruck P erhöht.
In dem vorgenannten korrespondiert der Bereich des Innenzylinderdrucks P, der niedriger als der mittlere Abwärtsgasdruck Pmean ist, mit einer Periode in einem Zyklus der Expansion/Druckbeaufschlagung des Arbeitsfluids, in der der Arbeitsgasdruck niedriger als der mittlere Druck Pmean des Arbeitsgasdrucks in dem zugehörigen Zyklus ist, wohingegen der Bereich, in dem der Innenzylinderdruck P höher als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean ist, mit einer Periode korrespondiert, in der der Arbeitsgasdruck höher als der mittlere Druck Pmean des Arbeitsgasdrucks in dem zugehörigen Zyklus ist. Das gleiche gilt nachstehend.
12 ist ein schematisches Schaubild einer Struktur zur Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums und des Kurbelgehäuses des Stirlingmotors 10. In 12 sind die Komponenten, die gleich wie die 8 gezeigten Komponenten sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine ausführliche Beschreibung davon wird nicht wiederholt.
Wie in 12 gezeigt ist, ist an einer Stelle, die einer Stelle um den unteren Totpunkt des Kolbens 31 in dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 entspricht, ein Pfad 171 vorgesehen, um mit dem Kompressionsraum (in dem Zylinder) des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 in Verbindung zu sein. In dem Pfad 171 ist ein Filter 172 vorgesehen. Der Pfad 171 dient dazu, das Fluid (das Arbeitsfluid) des Atmosphärendruck Po von der Außenseite des Stirlingmotors 10 in den Zylinder strömen zu lassen. Der Pfad 171 ist so konfiguriert, dass er das Fluid lediglich in einer Richtung, d.h., von außen in den Zylinder strömen lässt.
Der Filter 172 dient dazu, zu verhindern, dass Verunreinigungen den Zylinder von außerhalb des Stirlingmotors 10 über den Pfad 171 betreten. Wie vorstehend beschrieben ist, ist der Pfad nicht an dem hochtemperaturseitigen Zylinder 22 vorgesehen, sondern ist an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 vorgesehen. Da die thermische Differenz zwischen der Außenseite des Stirlingmotors 10, d.h. einer Raumtemperatur, und dem Arbeitsfluid für den Kompressionsraum des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 kleiner als für den Expansionsraum des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 ist, ist der Pfad 171 an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angeschlossen, um eine relative Verringerung des thermischen Verlusts zu dem Zeitpunkt, zu dem die Außenluft in den Zylinder kommt, zu verursachen.
Wie in 13 gezeigt ist, betritt das Fluid (die Luft) des Atmosphärendrucks Po den Zylinder über den Pfad 171, wenn der Innenzylinderdruck P unter den Atmosphärendruck Po fällt (zu einem negativen Druck wird) (von der zweiten Hälfte des Expansionsprozesses durch die erste Hälfte des Kompressionsprozesses), und wird durch den Kompressionsprozess des Stirlingmotors 10 druckbeaufschlagt (genauer gesagt, von der zweiten Hälfte des Kompressionsprozesses). Der in dem Kompressionsprozess druckbeaufschlagte Druck (Fluid) wird über den Spalt CL zwischen dem Zylinder 32 und 22 und den Kolben 31 und 21 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Somit wird das Kurbelgehäuse 41 mit Druck beaufschlagt.
Mit der Wiederholung des vorstehend beschriebenen Prozesses steigt der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean (der gleich dem Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41 ist) auf über den Atmosphärendruck Po an und der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean erreicht das Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41, wie in 14 gezeigt ist. Wenn der Stirlingmotor 10 in dem erhöhten Zustand des mittleren Arbeitsgasdrucks (Pmean) arbeitet, kann der Stirlingmotor 10 eine hohe Ausgabe erreichen.
Im Vorgenannten kann anstelle der in 12 gezeigten Struktur eine in 15 gezeigte Struktur verwendet werden. In der in 15 gezeigten Struktur ist in dem Pfad 171 ein Rückschlagventil 173 vorgesehen. Das Rückschlagventil 173 ist so ausgebildet, dass sich das Rückschlagventil 173 nur dann öffnet, wenn ein Druck an der Seite des Spitzenabschnitts 171a des Pfads 171 höher als ein Druck an der Seite dessen Basisabschnitts 171b ist. Folglich hat der Pfad 171 eine Struktur zum Übertragen des Drucks (des Arbeitsfluids) lediglich in der Richtung von der Außenseite in den Zylinder. Außerdem hat das zweite Ausführungsbeispiel einen Pfad 181, der das Innere des Zylinders des Stirlingmotors 10 mit dem Kurbelgehäuse 41 verbindet.
Ein Betrieb der in 15 gezeigten Struktur ist im Wesentlichen der gleiche wie der Betrieb der vorstehend beschriebenen Struktur aus 12. Wenn in dem vorstehend beschriebenen in 12 gezeigten veranschaulichenden Beispiel der Dichtungsdruck des winzigen Spalts zwischen den Zylindern 32 und 22 und den Kolben 31 und 21 hoch ist, wird der in dem Kompressionsprozess erhöhte Druck (Fluid) nicht einfach über den Spalt CL auf das Kurbelgehäuse 41 übertragen (oder die Übertragung braucht lange). Da in dem Beispiel von 15 der Druck jedoch über den Pfad 181 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen wird, wird eine solche Schwierigkeit nicht eintreten.
Ferner kann die Struktur von 16 anstelle der vorstehend beschriebenen Struktur von 12 angenommen werden. In den Beispielen von 12 oder 15 wird der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 unter Verwendung des Atmosphärendrucks Po erhöht. In dem Beispiel von 16 wird der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 unter der Verwendung einer Hilfsmaschine, wie zum Beispiel einer Druckquelle, etwa einer Druckbeaufschlagungspumpe, erhöht.
In 16 ist ein Abzweigungspfad 175 an dem Pfad 171 angeschlossen, so dass der Abzweigungspfad 175 von dem Pfad 171 ableitet. Der Abzweigungspfad 175 ist mit einer Druckbeaufschlagungspumpe 191 und einem an der stromabwärtigen Seite der Druckbeaufschlagungspumpe 191 angeordnetem Tank 192 versehen. Der Tank 192 dient dazu, das durch die Druckbeaufschlagungspumpe 191 oder dergleichen mit Druck beaufschlagte Fluid zu speichern. In dem Beispiel von 16 wird der Außendruck (Druck in dem Tank 192 und zudem der Atmosphärendruck Po, wenn der Innenzylinderdruck P niedriger als der Atmosphärendruck Po ist) in den Zylinder eingebracht. Der in den Zylinder eingebrachte Druck wird in dem Kompressionsprozess des Stirlingmotors 10 weiter erhöht. Der in dem Kompressionsprozess erhöhte Druck (das Fluid) wird über den Spalt CL zwischen den Zylindern 32 und 22 und den Kolben 31 und 21 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Somit erreicht der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean das Niveau des Drucks Pc in dem Kurbelgehäuse 41.
In dem Beispiel von 16 arbeitet bei der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 nicht nur der durch die Druckbeaufschlagungspumpe 191 erzeugte Druck an dem Kurbelgehäuse 41, sondern es arbeitet auch der Druck auf dem Kurbelgehäuse 41, der durch eine weitere Druckbeaufschlagung in dem Kompressionsprozess des Stirlingmotors 10 auf den Druck erzeugt wurde, der durch die Druckbeaufschlagungspumpe 191 erzeugt wurde. Folglich werden eine Verringerung des Energieverbrauchs der Druckbeaufschlagungspumpe 191 sowie eine Verkleinerung des Installationsausmaßes realisiert.
1 zeigt eine schematische Struktur für die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 (in 1 ist das Positionsverhältnis des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und des niedertemperaturseitigen Zylinders 32, die in 8 und 12 gezeigt sind, umgedreht). In 1 ist lediglich die Struktur für die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 gezeigt und die Struktur zum Druckbeaufschlagen des Arbeitsraums des Stirlingmotors 10 und des Kurbelgehäuses 41, die in 12 gezeigt sind, sind nicht gezeigt.
Wie in 1 gezeigt ist, ist in dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 ein Endabschnitt des Pfads 71 an einer Stelle vorgesehen, die dem unteren Totpunkt des Kolbens 31 entspricht, so dass der Pfad 71 mit dem Kompressionsraum (d. h., dem Arbeitsraum innerhalb des Zylinders) des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 in Verbindung ist. Ein weiterer Endabschnitt des Pfads 71 ist so vorgesehen, dass er mit dem Inneren des Kurbelgehäuses 41 in Verbindung ist. Der Pfad 71 ist mit einem Ventil 72 versehen. Der Pfad 71 dient als ein Pfad, durch den das Fluid (Arbeitsfluid) in dem Kurbelgehäuse 41 in den Zylinder strömt. Der Pfad 71 ist so ausgebildet, dass er das Fluid lediglich in einer Richtung strömen lässt, (d. h., um die Druckübertragung zuzulassen), d. h., von der Innenseite des Kurbelgehäuses 41 in den Zylinder. Um die Strömung in einer Richtung zu erreichen, kann in dem Pfad 71 ein Rückschlagventil vorgesehen sein.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist der Pfad 71 nicht an dem hochtemperaturseitigen Zylinder 22 vorgesehen, sondern ist an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angeschlossen. Da die thermische Differenz zwischen dem Arbeitsfluid und dem Fluid einer Raumtemperatur in dem Kurbelgehäuse 41 für den Kompressionsraum des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 kleiner als für den hochtemperaturseitigen Zylinder 22 ist, ist der Pfad 71 an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angeschlossen, um den thermischen Verlust zu dem Zeitpunkt, zu dem das Fluid in dem Kurbelgehäuse 41 in den Zylinder strömt, relativ zu verringern.
2 zeigt eine Verbindungsstruktur des einen Endabschnitts des Pfads 71 und des niedertemperaturseitigen Zylinders 32. Wie in dem linken Schaubild von 2 gezeigt ist, ist der eine Endabschnitt des Pfads 71 geschlossen, wenn sich die obere Fläche des Kolbens 31 oberhalb der Stelle befindet, an der der Pfad 71 an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angeschlossen ist, wobei der Umfangsseitenabschnitt des Kolbens 31 und der Pfad 71 nicht mit dem Arbeitsraum (dem Kompressionsraum) in Verbindung sind. Folglich wird der Druck (das Fluid) in dem Kurbelgehäuse 41 nicht über den Pfad 71 zu dem Arbeitsraum übertragen (es strömt dort nicht). Andererseits ist, wie im rechten Diagramm von 2 gezeigt ist, dann, wenn sich die obere Fläche des Kolbens 31 unterhalb der Stelle befindet, an der der Pfad 71 mit dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 verbunden ist, der Pfad 71 mit dem Arbeitsraum in Verbindung, wodurch der Druck in dem Kurbelgehäuse 41 über den Pfad 71 zu dem Arbeitsraum übertragen wird. Die Position, an der der eine Endabschnitt des Pfads 71 mit dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 verbunden ist, ist wünschenswerterweise so angeordnet, dass der Pfad 71 mit dem Arbeitsraum in Verbindung ist, wenn der Innenzylinderdruck P niedriger als der Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41 ist, wohingegen der Pfad 71 mit dem Kolben 31 geschlossen ist, wenn der Innenzylinderdruck P höher als der Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41 ist.
Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Endabschnitt des Pfads 75 an dem hochtemperaturseitigen Zylinder 22 an einer Stelle angeschlossen, die dem oberen Totpunkt des Kolbens 21 entspricht, so dass der Pfad 75 mit dem Expansionsraum (dem Arbeitsraum in dem Zylinder) des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 in Verbindung ist. Ein anderer Abschnitt des Pfads 75 ist so angeordnet, dass er mit dem Inneren des Kurbelgehäuses 41 in Verbindung ist. Der Pfad 75 ist mit einem Ventil 76 und einem Rückschlagventil 77 versehen. Der Pfad 75 dient als ein Pfad, durch den das Fluid (das Arbeitsfluid) in dem Zylinder in das Kurbelgehäuse 41 strömt. Der Pfad 75 ist so ausgebildet, dass das Fluid nur in einer Richtung strömt (d. h. der Druck nur in einer Richtung übertragen wird), d. h. von der Innenseite des Zylinders zu dem Kurbelgehäuse 41. Mit Bezug auf die Verbindungsstruktur des einen Endabschnitts des Pfads 75 und den hochtemperaturseitigen Zylinder 22 kann die gleiche Struktur wie die in 2 gezeigte verwendet werden.
Als nächstes wird ein Betrieb der Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 beschrieben.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 12 bis 16 beschrieben ist, werden vor dem Betrieb der nachstehend beschriebenen Ausgabesteuerung der Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und das Kurbelgehäuse 41 mit Druck beaufschlagt, um den Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41 mit dem mittleren Arbeitsgasdruck Pmean gleich werden zu lassen.
3 zeigt einen Betrieb des Öffnens/Schließens des Ventils 72 und des Ventils 76, der sich auf die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 bezieht. Nachstehend werden Betriebe zu einer normalen Zeit, zu einer Ausgabeverringerungszeit und zu einer Ausgabeerhöhungszeit getrennt unter Punkten (1) bis (3) beschrieben. Dabei haben das Volumen des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum (in dem Zylinder) und das Volumen des Kurbelgehäuses 41 die Beziehung, dass das Volumen des Arbeitsfluids kleiner als das Volumen des Kurbelgehäuses 41 ist.
(1) Betrieb zur normalen Zeit
Wie in 3 gezeigt ist, sind zur normalen Zeit, d. h., wenn die Steuerung der Ausgabeerhöhung oder der Ausgabeverringerung nicht durchgeführt wird, sowohl das Ventil 72 als auch das Ventil 76 geschlossen. Dann wird zwischen dem Arbeitsraum und dem Kurbelgehäuse 41 die Übertragung des Drucks (des Fluids) nicht verursacht. Folglich schwankt, wie in 4 gezeigt ist, der Innenzylinderdruck P um das Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41, das gleich dem mittleren Gasdruck Pmean ist. 4 zeigt eine Variation des Innenzylinderdrucks P zu der normalen Betriebszeit des Stirlingmotors 10.
(2) Betrieb in der Ausgabeverringerungssteuerung
Wie in 3 gezeigt ist, ist das Ventil 42 in der Ausgabeverringerungssteuerung geschlossen, während das Ventil 76 offen ist. Dann, wenn der Innenzylinderdruck P höher als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean (= Druck Pc des Kurbelgehäuses 41) ist, wird der Druck in dem Arbeitsraum über den Pfad 65 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Als ein Ergebnis wird der Druck in dem Arbeitsraum gesenkt. Dann nimmt, wie in 5 gezeigt ist, der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean auf ein Niveau ab, das niedriger als der Druck zur normalen Betriebszeit ist (wie in 4 gezeigt ist, ist der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean gleich dem Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 zur normalen Betriebszeit), wodurch die Ausgabe des Stirlingmotors 10 abnimmt. In 5 ist der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 gleich dem Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 in 4.
(3) Betrieb in der Ausgabeerhöhungssteuerung
Wie in 3 gezeigt ist, ist zur Ausgabeerhöhungssteuerzeit das Ventil 72 offen, während das Ventil 76 geschlossen ist. Dann, wenn der Innenzylinderdruck P niedriger als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean (der gleich wie der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 ist) in dem in 4 gezeigten Kreislauf ist, d. h., wenn sich der Kolben 31 in einer niedrigen Stellung befindet, wie dies an der rechten Seite von 2 gezeigt ist, wird der Druck in dem Kurbelgehäuse 41 über den Pfad 71 zu dem Arbeitsraum übertragen. Als ein Ergebnis nimmt der Druck in dem Arbeitsraum zu, um den mittleren Arbeitsgasdruck Pmean über das Niveau zur vorstehend beschriebenen Normalbetriebszeit zu erhöhen (während der Normalbetriebszeit ist der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean gleich dem Druck Pc des Kurbelgehäuses 41, wie in 4 gezeigt ist), wodurch die Ausgabe des Stirlingmotors 10 zunimmt. Zur Ausgabeerhöhungssteuerzeit ist der Druck des Kurbelgehäuses 41 gleich dem Druck in dem Kurbelgehäuse 41 von 4 und 5, wie in 6 gezeigt ist.
In dem Vorgenannten kann die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 beispielsweise auf Grundlage der Relation mit der Ausgabe der Hauptkraftmaschine 200 durchgeführt werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 7 ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Beschreibung der Komponenten, die gleich wie jene des ersten Ausführungsbeispiels sind, nicht wiederholt und es wird lediglich ein charakteristischer Teil des zweiten Ausführungsbeispiels beschrieben.
7 ist ein schematisches Schaubild einer Struktur, die sich auf die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 des zweiten Ausführungsbeispiels bezieht.
Wie in 7 gezeigt ist, ist ein Endabschnitt eines Pfads 80 an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angebracht, so dass der Pfad 80 mit dem Kompressionsraum (Arbeitsraum in dem Zylinder) des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 in Verbindung ist. Ein anderer Endabschnitt des Pfads 80 ist so vorgesehen, dass er mit dem Inneren des Kurbelgehäuses 41 in Verbindung ist. Ein mittlerer Bereich des Pfads 80 verzweigt sich in zwei Pfade, d. h. in einen Pfad 81 und in einen Pfad 85.
Der Pfad 81 ist mit einem Ventil 82 und einem Ventil 83 versehen. Der Pfad 81 dient dazu, das Fluid (Arbeitsfluid) in dem Kurbelgehäuse 41 in den Zylinder strömen zu lassen. Der Pfad 81 ist so aufgebaut, dass das Fluid gemäß der Betätigung eines Rückschlagventils 83 lediglich in einer Richtung von innerhalb des Kurbelgehäuses 41 zu dem Zylinder (d. h., der Druck wird übertragen) strömt.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist der Pfad 81 (der Pfad 80) nicht an dem hochtemperaturseitigen Zylinder 22 vorgesehen, sondern ist an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angeschlossen. Das Arbeitsfluid in dem Kompressionsraum des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 hat ein kleineres Temperaturdifferenzial mit dem Fluid einer Raumtemperatur in dem Kurbelgehäuse 41 verglichen mit dem Arbeitsfluid in dem Expansionsraum des hochtemperaturseitigen Zylinders 22. Folglich ist der Pfad 81 (der Pfad 80) an dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 angeschlossen, um den Wärmeverlust zu der Zeit, zu der das Fluid in dem Kurbelgehäuse 41 in den Zylinder strömt, relativ zu verringern.
Der Pfad 85 ist mit einem Ventil 86 und einem Ventil 87 versehen. Der Pfad 85 dient dazu, das Fluid (Arbeitsfluid) in dem Zylinder von dem Zylinder ins Innere des Kurbelgehäuses 41 strömen zu lassen. Der Pfad 85 ist so ausgebildet, dass das Fluid gemäß der Betätigung eines Rückschlagventils 87 lediglich in einer Richtung von innerhalb des Zylinders in das Kurbelgehäuse 41 strömt.
Als nächstes wird ein sich auf die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel beziehender Betrieb beschrieben.
(1) Betrieb zur normalen Zeit
Zur normalen Betriebszeit, d. h. wenn der Betrieb der Ausgabeerhöhung oder Ausgabeverringerung nicht durchgeführt wird, sind sowohl das Ventil 82 als auch das Ventil 86 geschlossen. Dann wird der Druck (das Fluid) nicht zwischen dem Arbeitsraum und dem Kurbelgehäuse 41 übertragen, wodurch der Innenzylinderdruck P um das Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41, das gleich wie der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean ist, wie in 4 gezeigt ist, schwankt.
(2) Betrieb in der Ausgabeverringerungssteuerung
Zur Ausgabeverringerungssteuerzeit ist das Ventil 82 geschlossen, während das Ventil 86 offen ist. Dann, wenn der Innenzylinderdruck P höher als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean (= der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41) in dem in 4 gezeigten Kreislauf ist, wird der Druck des Arbeitsraums zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Als ein Ergebnis sinkt der Druck in dem Arbeitsraum und, wie in 5 gezeigt ist, sinkt der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean unterhalb des Niveaus des Drucks zur normalen Betriebszeit (zur normalen Betriebszeit ist der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean gleich dem Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41, wie in 4 gezeigt ist), so dass die Ausgabe des Stirlingmotors 10 entsprechend verringert wird.
(3) Betrieb in der Ausgabeerhöhungssteuerung
Zur Ausgabeerhöhungssteuerungszeit ist das Ventil 82 offen, während das Ventil 86 geschlossen ist. Dann, wenn der Innenzylinderdruck P niedriger als der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean (= Druck Pc des Kurbelgehäuses 41) in dem in 4 gezeigten Kreislauf ist, wird der Druck in dem Kurbelgehäuse 41 zu dem Arbeitsraum übertragen. Als ein Ergebnis nimmt der Druck des Arbeitsraums zu und der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean nimmt, wie in 6 gezeigt ist, entsprechend über das Niveau zur vorstehend beschriebenen normalen Betriebszeit zu (in der normalen Betriebszeit ist der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean gleich dem Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41), wie dies in 4 gezeigt ist. Zur Ausgabeerhöhungssteuerungszeit erreicht ein unterer Grenzwert des Innenzylinderdrucks P das gleiche Niveau wie der Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41.
Vorstehend ist beschrieben, dass die Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 durchgeführt wird, nachdem der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 auf das Niveau des mittleren Arbeitsgasdrucks Pmean erhöht wurde. Dabei wird bei der Ausgabesteuerung des Stirlingmotors 10 der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 nicht notwendigerweise auf das gleiche Niveau wie das des Arbeitsgasdrucks Pmean gesetzt. Der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 kann sich bei einem Niveau zwischen einem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert des Innenzylinderdrucks P in einem Kreislauf des Innenzylinderdrucks P befinden.
Wenn sich unter Bezugnahme auf das vorstehend als ein Beispiel beschriebene erste Ausführungsbeispiel das Ventil 72 schließt und sich das Ventil 76 öffnet, während der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 auf ein vorbestimmtes Niveau eingestellt ist, wird der Druck in dem Arbeitsraum über den Pfad 75 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen, wenn der Innenzylinderdruck P ein höheres Niveau als das vorbestimmte Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41 in einem Kreislauf des Innenzylinderdrucks P erreicht. Als ein Ergebnis wird der Druck in dem Arbeitsraum niedriger, um den mittleren Arbeitsgasdruck Pmean vor dem Öffnen des Ventils 76 auf unterhalb des Niveaus zu verringern, wodurch die Ausgabe des Stirlingmotors 10 gesenkt wird. Wenn sich im Gegensatz dazu das Ventil 76 schließt und sich das Ventil 72 öffnet, wird der Druck in dem Kurbelgehäuse 41 über den Pfad 71 zu dem Arbeitsraum übertragen, wenn der Innenzylinderdruck P niedriger als das Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41 in einem Kreislauf des Innenzylinderdrucks P ist. Als ein Ergebnis nimmt der Druck in dem Arbeitsraum zu, um das Niveau des mittleren Arbeitsgasdrucks Pmean auf über das Niveau vor dem Öffnen des Ventils 72 anzuheben, wodurch die Ausgabe des Stirlingmotors 10 erhöht wird.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, sind gemäß den Ausführungsbeispielen die folgenden Punkte offenbart.

(1) In dem Stirlingmotor 10 wird die Ausgabe des Stirlingmotors 10 gemäß dem Differenzialdruck zwischen dem Innendruck Pc des Kurbelgehäuses 41 und dem Innenzylinderdruck P des Stirlingmotors 10 gesteuert.
(2) Die Ausgabe des Stirlingmotors 10 wird über die Steuerung des mittleren Arbeitsgasdrucks Pmean des Stirlingmotors 10 gesteuert. Die Steuerung des mittleren Arbeitsgasdrucks Pmean wird während dem Betrieb des Stirlingmotors 10 (ohne Unterbrechung des Betriebs des Stirlingmotors 10) durchgeführt.
(3) Sowohl die Ausgabeerhöhungssteuerung als auch die Ausgabeverringerungssteuerung des Stirlingmotors 10 kann erreicht werden.
(4) Wenn der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 in dem Stirlingmotor 10 um ein vorbestimmtes Niveau erhöht ist, falls der Innenzylinderdruck P niedriger als der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 ist, dann wird der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 in den Zylinder eingebracht und der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean innerhalb des Zylinders wird erhöht, um die Ausgabe des Stirlingmotors 10 zu steigern.
(5) Wenn der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 um ein vorbestimmtes Niveau in dem Stirlingmotor 10 erhöht ist, falls der Innenzylinderdruck P höher als der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 ist, dann wird der Innenzylinderdruck P in das Kurbelgehäuse 41 eingebracht und der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean innerhalb des Zylinders wird gesenkt, um die Ausgabe des Stirlingmotors 10 zu verringern.
(6) Die Bewegung von Gas (Druckübertragung) zwischen dem Inneren des Zylinders (dem Arbeitsraum) des Stirlingmotors 10 und dem Inneren des Kurbelgehäuses 41 wird über Pfade durchgeführt, die alle eine Bewegung lediglich in einer Richtung ermöglichen, d. h., entweder [1] von dem Kurbelgehäuse 41 zum Inneren des Zylinders oder [2] vom Inneren des Zylinders zu dem Kurbelgehäuse 41. Jeder Pfad ist mit einem Ventil(en) versehen, um die Ausgabe mit dem Öffnen/Schließen des Ventils/der Ventile zu steuern.
(7) Bei Punkt (6) wird das Öffnen/Schließen der Pfade mit den Kolben durchgeführt (gemäß der Stellungen der Kolben).
(8) Bei Punkt (4) oder (6) ist der Pfad, der das Gas von dem Kurbelgehäuse 41 zum Inneren des Zylinders strömen lässt, mit der Seite des niedertemperaturseitigen Zylinders für die Verringerung des Wärmeverlusts verbunden (da die Temperatur in dem Kurbelgehäuse 41 niedrig ist).

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Stirlingmotor 10 an dem Abgasrohr 100 angeschlossen, um das Abgas von der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs als die Wärmequelle zu nutzen. Der Stirlingmotor der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf eine Bauweise beschränkt, die an dem Abgasrohr der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs angeschlossen ist.
Zusätzliche Vorteile und Modifikationen sind dem Fachmann leicht eingängig. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten nicht auf die hierin gezeigten und beschriebenen bestimmte Einzelheiten und repräsentative Ausführungsbeispiele beschränkt. Dementsprechend können verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, ohne von dem Bereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts, wie es in den beiliegenden Ansprüchen und deren Äquivalente definiert ist, abzuweichen.
Ein Stirlingmotor (10) hat einen Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors (10) und ein Kurbelgehäuse (41) des Stirlingmotors (10) verbindet. Eine Ausgabe des Stirlingmotors (10) wird so gesteuert, dass die Ausgabe sinkt, wenn ein Druck in dem Arbeitsraum höher als ein Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ist, und zwar mit einer Übertragung eines Fluids in dem Arbeitsraum zu dem Kurbelgehäuse (41) über den Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), wodurch eine Verringerung in dem Druck des Arbeitsraums verursacht wird.

Claims

Stirlingmotor (10) mit einem Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors (10) und eine Kurbelkammer (41) des Stirlingmotors (10) verbindet, wobei eine Ausgabe des Stirlingmotors (10) mit einer Übertragung eines Fluids in dem Arbeitsraum zu dem Kurbelgehäuse (41) über den Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) so gesteuert wird, dass die Ausgabe sinkt, wenn ein Druck in dem Arbeitsraum höher als ein Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ist, wodurch eine Verringerung in dem Druck des Arbeitsraums verursacht wird.
Stirlingmotor (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Ausgabe des Stirlingmotors (10) mit einer Übertragung des Fluids in dem Kurbelgehäuse (41) zu dem Arbeitsraum über den Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) so gesteuert wird, dass die Ausgabe zunimmt, wenn der Druck in dem Arbeitsraum niedriger als der Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ist, wodurch eine Zunahme in dem Druck des Arbeitsraums verursacht wird.
Stirlingmotor mit einem Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors (10) und ein Kurbelgehäuse (41) des Stirlingmotors (10) verbindet, wobei eine Ausgabe des Stirlingmotors (10) mit einer Übertragung eines Fluids in dem Kurbelgehäuse (41) zu dem Arbeitsraum über den Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) so gesteuert wird, dass die Ausgabe zunimmt, wenn ein Druck in dem Arbeitsraum niedriger als ein Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ist, wodurch eine Zunahme in dem Druck des Arbeitsraums verursacht wird, und wobei der Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181), der für die Übertragung des Fluids in dem Kurbelgehäuse (41) zu dem Arbeitsraum verwendet wird, an einer Seite eines niedertemperaturseitigen Zylinders (32) des Stirlingmotors (10) vorgesehen ist.
Stirlingmotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ein Niveau zwischen einem oberen Grenzwert und einem unteren Grenzwert des Drucks in dem Arbeitsraum in einem Kreislauf eines Stirlingkreislaufs erreicht.
Stirlingmotor (10) gemäß Anspruch 4, wobei der Druck in dem Kurbelgehäuse (41) ein im Wesentlichen gleiches Niveau wie ein mittlerer Druck in dem Arbeitsraum in einem Kreislauf des Stirlingkreislaufs erreicht.
Stirlingmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Schwankungsprozess in dem Druck in dem Arbeitsraum in einem Kreislauf des Stirlingkreislaufs den Druck in dem Arbeitsraum höher oder niedriger als den Druck in dem Kurbelgehäuse (41) macht.
Stirlingmotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) mit einem Ein-Weg-Ventil (77, 83, 87) und einem Öffnungs-/Schließventil (72, 76, 82, 86, 173) versehen ist.
Stirlingmotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) mit einem Öffnungs-/Schließventil (72, 76, 82, 86, 173) versehen ist, und wobei der Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) mit Bezug auf den Arbeitsraum an einer vorbestimmten Stelle vorgesehen ist, so dass der Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) mit dem Arbeitsraum in Verbindung ist, wenn zwischen dem Druck in dem Arbeitsraum und dem Druck in dem Kurbelgehäuse (41) eine vorbestimmte Relation anhält, und so dass der Strömungspfad (71, 75; 81, 85; 171, 181) mit einem Kolben (21, 31) des Stirlingmotors (10) geschlossen ist, und nicht mit dem Arbeitsraum in Verbindung ist, wenn die vorbestimmte Relation nicht anhält.
Stirlingmotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Volumen des Kurbelgehäuses (41) größer als ein Volumen des Arbeitsraums ist.
Stirlingmotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner mit: einem Zylinder (22, 32); und einem Kolben (21, 31), der sich in dem Zylinder (22, 32) hin und her bewegt, wobei sich der Kolben (21, 31) in dem Zylinder (22, 32) hin und her bewegt, während er den Zylinder mit einem zwischen dem Zylinder (22, 32) und dem Kolben (21, 31) vorgesehenen Luftlager (48) luftdicht hält.
Stirlingmotor (10) gemäß Anspruch 10, ferner mit einem Nahezu-Linear-Mechanismus (50), der an dem Kolben (21, 31) angeschlossen ist, so dass der Nahezu-Linear-Mechanismus (50) eine nahezu lineare Bewegung macht, wenn sich der Kolben in dem Zylinder (22, 32) hin und her bewegt.
Hybridsystem mit: einem Stirlingmotor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11; und einer Brennkraftmaschine (200) eines Fahrzeugs, wobei der Stirlingmotor (10) an dem Fahrzeug montiert ist und eine Heizvorrichtung des Stirlingmotors (10) vorgesehen ist, so dass sie eine Wärme (47) von einem Auslasssystem der Brennkraftmaschine (200) empfängt.
Hybridsystem gemäß Anspruch 12, wobei der Stirlingmotor (10) folgendes aufweist: zumindest zwei Zylinder (32, 22), und einen Wärmetauscher mit einem Kühler (45), einem Regenerator (46) und der Heizvorrichtung (47), wobei der Wärmetauscher so konfiguriert ist, dass zumindest ein Abschnitt des Wärmetauschers eine Kurve bildet, um die beiden Zylinder (32, 22) zu verbinden, und wobei die Kurve dazu angepasst ist, obere Abschnitte der beiden Zylinder (32, 22) zu verbinden, an denen eine Abmessung eines Innendurchmessers des Abgasrohrs (100) der Brennkraftmaschine (10) nahezu gleich wie ein Abstand zwischen einem Endabschnitt der Heizeinrichtung (47) und einem obersten Abschnitt der Heizeinrichtung (47) ist.
Hybridsystem gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Stirlingmotor (10) so an dem Motor angebracht ist, dass sich Kolben (31, 21) des Stirlingmotors im Wesentlichen horizontal hin und her bewegen.