CN101415930A - 车辆用斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明为搭载在车辆中的斯特林发动机中有效地吸收制动时车辆的动能并将其积蓄，提高车辆行驶时的燃料经济性、并且增大发动机制动器的制动效果的发明。本发明在驱动车辆的斯特林发动机中设置运行状态改变装置，在车辆制动时改变斯特林发动机的运行状态使其作为热泵工作。例如，具备2个活塞的斯特林发动机中设置改变活塞(1)和活塞(2)的相对相位的相位差改变机构(6)，制动时改变2个活塞的相位，靠来自车辆的驱动轮的动力进行热泵运行。在斯特林发动机的加热单元(12)和冷却单元(22)中设置蓄热器(5H、5C)，制动时车辆的动能作为温度差能量在蓄热器中被再生，在其后的行驶时被利用。

Description

车辆用斯特林发动机

技术领域

本发明涉及利用在气体状态下密封进去的工作流体的因加热、冷却引起的状态变化将热源所具有的热能变换成机械旋转能的热力发动机——即所谓“斯特林”发动机，尤其涉及搭载在车辆中的斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机为周期性地加热和冷却密封到工作室内的工作流体使其状态产生变化，利用该状态变化从高热源获取旋转能的理论热效率高的外燃机。汽油发动机或柴油发动机之类的内燃机使燃料在作为工作流体的空气中间歇地燃烧。作为外燃机的斯特林发动机与内燃机不同，连续燃烧产生的热量热传递给工作流体将工作流体加热，因此具有燃料燃烧的状态控制容易，NO_x、CO等因燃烧产生的废气有害成分的生成量少的优点。并且，不仅可以使用燃烧产生的热量，还可以使用内燃机的废热等各种热源，是一种节能、并且在环境保护方面也具有优良特性的发动机。

目前正在实施利用斯特林发动机的这一特性，将该发动机搭载到车辆中，利用斯特林发动机驱动车辆的技术；或者正在实施将驱动车辆的内燃机的废热作为热源使斯特林发动机工作，将废热作为动力回收的技术开发。近年来，车辆用发动机不仅严格要求降低废气有害成分的排放量，而且要求节能或使用石油替代燃料等，斯特林发动机为具备满足这样的要求的可能性的最被期望的发动机之一。

但是，斯特林发动机虽为从高热源的热量产生动力，执行将废热放热到低热源中的发动机循环的发动机，但反过来也可能利用外部动力驱动斯特林发动机执行热泵循环，从低热源吸取热量冷却低热源。日本特开平8-219569号公报中公开了下述结构的斯特林循环装置：将构成斯特林发动机的多台装置与内燃机进行组合，使这些装置中的一台进行发动机循环，从内燃机的废热中产生动力，同时其他的装置利用从内燃机的动力和废热产生的动力执行冷冻机或热泵的循环。

斯特林发动机有各种各样的形式，一般以配置了使工作流体周期性地在加热空间与冷却空间之间移动的压气活塞的形式居多，但上述公报所公开的斯特林循环装置中使用具有压缩活塞和膨胀活塞这2个活塞的形式的斯特林发动机。为了使2个活塞的相位可以改变，实施发动机循环和热泵循环的装置中各活塞用行星齿轮机构连接。使各活塞的相位成为各循环能够根据作为冷冻机的负载或内燃机的废热温度等条件有效地进行的相位地调整控制行星齿轮机构。

在用斯特林发动机驱动车辆的情况下，由于作用于车辆的负荷随车速或路面状况等车辆的行驶状态大幅度地变动，因此希望该斯特林发动机能够响应良好地追随负荷的变动。控制斯特林发动机的输出使其与车辆的负荷相对应的方法有控制提供给加热单元的燃料量的方法、调节工作流体的平均压力的方法，但控制燃料量的方法在响应特性方面差，控制平均压力的方法由于需要储存工作流体的箱，会招致发动机重量增加和大型化。

并且，驱动车辆的发动机希望在车辆制动时反过来由车轮来驱动发动机，通过消耗车辆的动能给车辆施加制动力，即希望使发动机制动器起作用。尤其是在车辆下坡时，有必要使发动机制动器起作用来补充脚踏式制动器等的制动力，减轻脚踏式制动器等的负担。由于发动机制动器是利用发动机消耗车辆的动能的制动器，因此当使发动机将动能转换成别的形态的能量地工作时，能够使发动机制动器成为再生制动器。

本发明的课题就是要使搭载在车辆上的斯特林发动机有效地吸收制动时车辆的动能并将其存储，在再加速时加以利用，同时增大发动机制动器的制动效果。

发明内容

鉴于上述课题，本发明为车辆制动时切换斯特林发动机的运行状态使其作为热泵工作、将车辆的动能变换成所谓“温度差能量”并加以积蓄的发明。即，本发明第一技术方案为一种搭载在车辆中、驱动车辆的斯特林发动机，其特征在于：上述斯特林发动机具备加热工作流体的加热单元和冷却工作流体的冷却单元；进而，上述斯特林发动机还具备运行状态改变装置，并分别在上述加热单元和上述冷却单元配置有蓄热器；上述运行状态改变装置在上述车辆制动时，将上述斯特林发动机切换到热泵运行，降低上述冷却单元一侧的工作流体的温度，从而使上述冷却单元的蓄热器变成低温；并且将上述加热单元一侧的工作流体的温度上升，从而使上述加热单元的蓄热器变成高温。

驱动车辆的本发明的斯特林发动机在车辆制动时，通过运行状态改变装置切换成热泵运行。即，正常行驶时靠来自加热单元的热量产生动力的斯特林发动机，在制动时经由车辆的动力传递系统被作为热泵驱动。由于制动时在短时间内消耗车辆的动能降低车速，因此使斯特林发动机作为热泵运行时的驱动力非常大，不仅使冷却单元内的工作流体的温度急剧下降，而且使加热单元内的工作流体的温度急剧上升。在斯特林发动机的加热单元和冷却单元中分别配置有蓄热器，随着制动时的热泵运行，加热单元的蓄热器温度上升，冷却单元的蓄热器的温度下降。结果，车辆的动能以作为温度差能量分别积蓄到各蓄热器中的形态而被再生。

车辆制动后的再加速时，利用积蓄在加热单元和冷却单元的蓄热器中的温度差能量使斯特林发动机作为发动机工作而驱动车辆。此时，由于加热单元的温度比通常时上升，并且冷却单元的温度下降，斯特林发动机在高热源与低热源的温度差增大的状态下工作，因此其输出增加，车辆顺利地被加速。并且，由于能够大幅度地减少提供给加热单元的燃料量，因此燃料经济性提高。

车辆在下坡路面上行驶时，也通过运行状态改变机构将斯特林发动机切换到热泵运行。由于用来作为热泵驱动斯特林发动机所需要的动力远远大于仅作为发动机制动器使用时吸收的动力，因此在车辆上产生强大的制动力。即，能够使斯特林发动机作为减速装置(减速器)工作，减轻在下坡路面上行驶时脚踏式制动器等的负担。该效果在车辆重量大的卡车等大型车辆上尤其有效，能够防止制动装置过热引起的衰退现象等。热泵运行中的再生能量变换成温度差能量被积蓄到蓄热器中，在其后的行驶时使用的动作与上述制动时的动作一样。

根据第二技术方案的记载，使上述斯特林发动机采用具有互相连通的封入有工作流体的2个汽缸、以及在各汽缸内往复运动的2个活塞；上述运行状态改变装置改变上述2个活塞的相对相位的结构。

斯特林发动机有具备压气活塞和不具备压气活塞等各种形式的发动机结构。如果采用技术方案二这样的具有互相连通的密封有工作流体的2个汽缸以及分别在各汽缸内往复运动的2个活塞的结构作为本发明的斯特林发动机的形式，则运行状态改变装置的结构变得简单。即，能够通过改变2个活塞的相对相位调整输出，进而能够将斯特林发动机的运行状态从发动机工作切换到热泵工作。

将斯特林发动机切换成热泵运行有使发动机自身逆转的方法。即，如技术方案三所述，也可以采用将上述运行状态改变装置配置在上述斯特林发动机的输出轴上，当将上述斯特林发动机切换成热泵运行时，使上述斯特林发动机逆转的结构。使斯特林发动机逆转改变运行状态的方法可以用于各种形式的斯特林发动机。此时优选输出轴的转速能够相对于输入轴的转速连续地改变、并且能够逆转的传动装置(这样的传动装置公开在例如日本特开2001-124166号公报中)作为运行状态改变装置。

附图说明

图1为表示本发明的斯特林发动机的1个实施例的概略图。

图2为表示图1的斯特林发动机的相位差改变机构的图。

图3为图1的斯特林发动机的控制系统图。

图4为表示图1的斯特林发动机的输出与相位的关系的曲线图。

图5为表示本发明的斯特林发动机的其他实施例的概略图。

具体实施方式

下面根据附图说明本发明的斯特林发动机。图1为表示本发明的斯特林发动机的1个实施例的概略图，图2表示作为图1的斯特林发动机的运转状态改变装置的相位差改变机构。并且，图3表示用来改变图1的斯特林发动机的运转状态的控制系统图，图4表示斯特林发动机的输出与相位的关系的曲线。

图1的实施例的斯特林发动机为具有并列配置的2个汽缸、活塞机构的发动机形式，活塞1为膨胀侧活塞，活塞2为压缩侧活塞。活塞1上部的汽缸空间为加热空间11，活塞2上部的汽缸空间为冷却空间21，加热空间11和冷却空间21通过连通通道3而被连通。两个空间11、21构成斯特林发动机的工作室，由氢、氦等比热小的气体构成的工作流体密封在其中。也可以在连通通道3中设置存储在两个空间11、12之间移动的工作流体的热量，提高循环效率的再生器。

在加热空间11的上部配置有加热加热空间11内的工作流体的加热单元12，在冷却空间21的上部配置有冷却冷却空间21内的工作流体的冷却单元22。从图中没有表示的燃料供给装置向加热单元12内提供燃料，在这里进行燃烧。冷却单元22可以是将工作流体的废热散发到大气中的散热片之类的器件。

活塞1用连杆连接到曲柄轴13的曲柄销上，活塞2同样连接到曲柄轴23上。曲柄轴23经由车辆的动力传递装置连接到车辆的驱动轮上，在车辆正常行驶时，由斯特林发动机的输出驱动车辆。飞轮4固定在曲柄轴13上。

作为本发明实施例的图1的斯特林发动机不仅在加热单元12内设置有蓄热器5H，而且在冷却单元22内也设置有蓄热器5C。两蓄热器为金属或陶瓷等具备一定的热容量的块状物体。并且，连接有活塞1的曲柄轴13和连接有活塞2的曲柄轴23通过作为运行状态改变装置的相位差改变机构6连接，使活塞1和活塞2之间的相对相位差能够改变。

如图2所示，相位差改变机构6采用与使用了伞齿轮的行星齿轮装置类似的齿轮传动机构的结构。在相位差改变机构6的框体61上形成有通孔，环形连接体62能够转动地镶嵌在其中。连接体62具备2根在径向上延伸到内部的支持轴，伞齿轮63A、63B分别能够旋转地安装在该支持轴上。并且，活塞1的曲柄轴13上一体地固定有伞齿轮14，并且，活塞2的曲柄轴23上一体地固定有伞齿轮24，伞齿轮14、24与支持轴上的伞齿轮63A、63B啮合。4个伞齿轮的形状全部相同，并且具有相同的齿数。

当活塞1往复运动使曲柄轴13沿箭头1A的方向旋转时，连接体62的位置固定时伞齿轮14使支持轴的伞齿轮63A、63B绕支持轴旋转，与之啮合的伞齿轮24向与伞齿轮14的旋转方向相反的方向旋转。因此，活塞2的曲柄轴23以与曲柄轴13的速度相同的速度向与曲柄轴13的旋转方向相反的方向即箭头A2的方向旋转。此时，如果向箭头C的方向移动连接体62的位置，则支持轴的伞齿轮63A、63B与该移动量相对应稍微旋转，能够改变曲柄轴23相对于曲柄轴13的相位。即，通过使用致动器等调整连接体62的位置能够调整以相同的周期往复运动的活塞1和活塞2之间的相位差。

下面参照图3和图4说明本发明的斯特林发动机的动作。

在车辆正常行驶时，斯特林发动机作为驱动车辆的发动机工作。活塞1和活塞2之间的相位差由相位差改变机构6设定为最适合作为发动机工作的近似90°。即，使冷却空间21的容积在比加热空间11的容积变化迟90°的相位上变化地设定发动机工作的状态。由加热空间11和冷却空间21构成的工作室内的工作流体根据工作室容积的变化在两空间内移动，同时进行使状态反复变化的斯特林循环。由此，来自加热单元12的热能变换成动力，由曲柄轴23驱动车辆的驱动轮旋转。如图4所示，作为发动机工作时，如果相位差小于90°，则斯特林发动机的输出减小。因此，能够用相位差改变机构6控制斯特林发动机的输出，调整相位的控制与调整提供给加热单元12的燃料量相比，能够实现响应性良好的控制。

车辆制动时，随着脚踏式制动器的制动踏板的操作，制动系统的油压上升。相位差改变机构6感知油压的上升，切换活塞1和活塞2的相位，使冷却空间21的容积在比加热空间11的容积变化提前90°的相位下变化地设定。通过这一切换，工作流体的状态变化成所谓的逆斯特林循环，斯特林发动机作为热泵工作。由于制动时在短时间内消耗车辆的动能，因此驱动轮给斯特林发动机提供非常大的动力，使冷却空间21变成低温，同时使加热空间11变成高温。结果，加热单元12内的蓄热器5H变成高温积蓄热能，并且冷却单元22内的蓄热器5C的温度降低积蓄“冷热”。

车辆制动时积蓄在各蓄热器中的温度差能量用于车辆的再加速。即，再加速时相位差改变机构6切换，使活塞1和活塞2的相位变成执行发动机循环的相位状态，此时斯特林发动机利用积蓄在加热单元和冷却单元的蓄热器5H、5C中的温度差能量工作。由于蓄热器5H与蓄热器5C的温度差比正常行驶时增大，因此斯特林发动机能够产生适合车辆加速的大的输出。并且，由于使用积蓄的温度差能量，因此能够大幅度地降低提供给加热单元的燃料量。

车辆在下坡路面上行驶时也能够通过相位差改变机构6将斯特林发动机切换到热泵运行。由于用来作为热泵驱动斯特林发动机的动力远远大于作为发动机制动器作用时吸收的动力，因此在车辆上产生强大的制动力，能够减轻脚踏式制动器等的负担。在下坡路面上行驶过程中作为温度差能量而被再生的能量与制动后的情况一样，被用于其后的车辆行驶。

图3表示实施这样的控制时的控制系统。车辆油门踏板的位置信号和制动装置的压力信号被输入到控制相位差改变机构的电子控制装置(ECU)中。如果踩下油门踏板，ECU使斯特林发动机作为发动机工作地调整相位差改变机构的连接体的位置，使两活塞的相位最适合于发动机工作。能够根据油门踏板的位置改变输出地控制相位差改变机构。并且，当踩下油门踏板时，制动系统的压力传感器检测到这种状况，ECU使斯特林发动机作为热泵工作地切换相位差改变机构的位置。

图5为表示本发明的斯特林发动机的其他实施例的图，为使发动机逆转进行热泵运行的实施例。该实施例中斯特林发动机的基本装置的结构与图1所示实施例的相同，对应的结构添加相同的附图标记。但是，活塞1和活塞2连接在一体的曲柄轴上，其相位被固定在最适合于作为发动机工作的相位上。使输出轴转速能够相对于输入轴转速连续地改变、并且能够逆转的传动装置7配置在曲柄轴的输出部分上，作为运行状态改变装置。在制动等时进行热泵运行的情况下，如果使斯特林发动机逆转，能够实现与图1的实施例相同的动作。

工业利用性

如以上详细叙述过的那样，本发明为搭载在车辆中的斯特林发动机中，在车辆制动等时切换斯特林发动机的运行状态使其作为热泵工作，将车辆的动能变换成温度差能量来积蓄的发明。因此，本发明在搭载斯特林发动机作为车辆的动力源的情况下一般都能够使用。

虽然上述实施例叙述的是具备膨胀活塞和压缩活塞这2个活塞的斯特林发动机的情况，但很明显，本发明能够用于例如一个活塞作为压气活塞、另一个活塞作为取出输出的动力活塞的形式的斯特林发动机等多种形式的发动机。并且，能够使用其他机构的相位改变装置取代使用伞齿轮的相位差改变机构等对实施例进行各种改变，这一点自不必说。

Claims (3)

1.一种被搭载在车辆中、驱动车辆的斯特林发动机，其特征在于：

上述斯特林发动机具备加热工作流体的加热单元和冷却工作流体的冷却单元；

进而，上述斯特林发动机还具备运行状态改变装置，并分别在上述加热单元和上述冷却单元配置有蓄热器；

上述运行状态改变装置在上述车辆制动时，将上述斯特林发动机切换到热泵运行，降低上述冷却单元一侧的工作流体的温度，从而使上述冷却单元的蓄热器变成低温；并且将上述加热单元一侧的工作流体的温度上升，从而使上述加热单元的蓄热器变成高温。

2.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于：

所述斯特林发动机具有互相连通的封入有工作流体的2个汽缸、以及在各汽缸内往复运动的2个活塞；上述运行状态改变装置改变上述2个活塞的相对相位。

3.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于：

上述运行状态改变装置配置在上述斯特林发动机的输出轴上，当将上述斯特林发动机切换成热泵运行时，使上述斯特林发动机逆转。

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