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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Stirlingmotor und insbesondere auf einen Stirlingmotor, der dazu geeignet ist, einen Arbeitsgasdruck des Stirlingmotors zu erhöhen.
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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 eine Abwärme von einer an einem Fahrzeug, wie zum Beispiel einem Automobil, einem Bus oder einem Lastkraftwagen montierten Kraftmaschine mit innerer Verbrennung ebenso wie die Abwärme von Fabriken sammelt.
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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.
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Ferner ist aus der
US 5 085 054 A ein Stirlingmotor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bekannt.
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Es ist eine effiziente Erhöhung des Arbeitsgasdrucks des Stirlingmotors erwünscht. Insbesondere dann, wenn eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine Druckbeaufschlagungspumpe, verwendet werden soll, ist eine Verringerung der zur Druckbeaufschlagung aufzuwendenden Energie erwünscht.
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In Hinsicht auf das oben genannte ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stirlingmotor zu schaffen, der in der Lage ist, einen Arbeitsgasdruck effizient zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Stirlingmotor mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß dem Stirlingmotor der vorliegenden Erfindung ist eine effiziente Erhöhung des Arbeitsgasdrucks ermöglicht.
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Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und technische und 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.
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1 ist eine schematische Schnittansicht einer Struktur eines Stirlingmotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein Graph eines Innenzylinderdrucks vor dem Druckbeaufschlagen eines Kurbelgehäuses in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ist ein Graph eines Innenzylinderdrucks nach dem Druckbeaufschlagen des Kurbelgehäuses in dem Stirlingmotor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ist eine schematische Schnittansicht eines Stirlingmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ist eine schematische Schnittansicht einer Struktur eines Stirlingmotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6A ist ein Graph eines Innenzylinderdrucks vor dem Schließen eines Ventils in dem Stirlingmotor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
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6B ist ein Graph des Innenzylinderdrucks nach dem Schließen des Ventils in dem Stirlingmotor gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 ist ein Graph eines Innenzylinderdrucks vor der Druckbeaufschlagung eines Kurbelgehäuses in einem Stirlingmotor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 ist eine schematische Schnittansicht einer Struktur des Stirlingmotors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 ist eine schematische Schnittansicht einer Struktur des Stirlingmotors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 ist ein Graph eines Innenzylinderdrucks des Stirlingmotors und des Innenzylinderdrucks einer Kolbenpumpe in dem Stirlingmotor gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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11 ist eine Schnittansicht einer bekannten Grundstruktur des Stirlingmotors gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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12 ist eine Draufsicht eines Montagezustands einer Brennkraftmaschine und des Stirlingmotors der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;
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13 ist ein Graph des Innenzylinderdrucks des Stirlingmotors gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
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14 ist ein erläuterndes Schaubild eines Nahezu-Linear-Mechanismus, der auf den Stirlingmotor gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung angewandt wird.
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Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen Stirlingmotoren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Druckbeaufschlagung eines Arbeitsraums, d. h., auf das Erhöhen des Arbeitsgasdrucks, und auf die Druckbeaufschlagung eines Kurbelgehäuses 41. Zunächst wird eine in allen Ausführungsbeispielen gleiche Struktur beschrieben und danach werden Beschreibungen der Druckbeaufschlagung des Arbeitsraums (d. h., Erhöhung des Arbeitsgasdrucks) und des Kurbelgehäuses 41 gemäß den Ausführungsbeispielen beschrieben.
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11 ist eine Frontschnittansicht eines Stirlingmotors der Ausführungsbeispiele. Wie in 11 gezeigt ist, ist der Stirlingmotor der Ausführungsbeispiele ein Stirlingmotor 10 einer α-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 13 gezeigt ist.
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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.
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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.
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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. Wenn die Beziehung zwischen dem Druckniveau und den Stellungen der Zylindern 21 und 31 verglichen wird, 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 gewannen.
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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.
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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 sie sind in einem Parallelreihenlayout platziert.
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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 20 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.
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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.
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Die Grundplatte 42 ist an einem Flansch 100f des Abgasrohrs 100 über ein wärmeisolierendes Material (einen nicht gezeigten 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.
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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.
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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.
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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.
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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 Innenumfangsfläche 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um eine Verschlechterung der Effizienz des Stirlingmotors 10 zu unterdrücken muss ein Raum außerhalb des Expansionsraums in dem hochtemperaturseitigen Kraftkolben 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.
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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 kann es sein, dass die Dichtung in einem Bereich, in dem sich die oberen Abschnitte des hochtemperaturseitigen Zylinders 22 und des Expansionskolbens 21 ausdehnen, nicht sichergestellt ist. 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.
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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.
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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.
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Wie vorstehend beschrieben ist, ist ein kleineres Leervolumen (die Kühleinrichtung, der Regenerator und die Heizeinrichtung) vorzuziehen. Außerdem wird dann, wenn der Leervolumenbereich eine 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.
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Zusätzlich ist, wie in 11 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 unteren Fläche 46a des Regenerators 46, der 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 bzw. 47tb und dem obersten Abschnitt des zentralen Abschnittes 47c der Heizeinrichtung 47 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.
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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.
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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.
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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.
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Als nächstes wird eine Dichtungsstruktur eines Kolben/Zylinderbereichs und ein Mechanismus eines Kolben/Kurbelbereichs beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Da die Verwendung des Luftlagers 48 außerdem das Schmiermittel unnötig macht, das für den Kolbenring verwendet wird, wird durch das Schmiermittel keine Verschlechterung des Wärmetauschers (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.
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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.
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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.
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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-Bewegungs-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).
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14 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 20 wird ausgelassen.
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Wie in 14 und 11 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 14 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.
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Als nächstes wird eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und eine Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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Zunächst wird die Druckbeaufschlagung des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und die Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Dazu wird unter Bezugnahme auf 13 der vorstehend erwähnte mittlere Arbeitsgasdruck Pmean beschrieben.
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13 zeigt Änderungen der oberen Position des hochtemperaturseitigen Kolbens 21 und der oberen Position 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 13 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 13 gibt das Bezugszeichen „Pmean” den mittleren Arbeitsgasdruck an, der ein mittlerer Wert des Innenzylinderdrucks ist.
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2 zeigt einen Anfangszustand des Kurbelgehäuses 41 des Stirlingmotors 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vor der Druckbeaufschlagung. Der Graph von 2 zeigt die kombinierte Welle W, wobei die Vertikalachse den Innenzylinderdruck wiedergibt und die Horizontalachse den Kurbelwinkel wiedergibt. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 (= mittlerer Arbeitsgasdruck Pmean) vor dem Druckbeaufschlagungskurbelgehäuses gleich dem Atmosphärendruck Po.
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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 13 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.
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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.
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1 ist ein schematisches Schaubild einer Struktur des ersten Ausführungsbeispiels. In 1 sind die Komponenten, die gleich wie die in 11 gezeigten Komponenten sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine ausführliche Beschreibung davon wird nicht wiederholt.
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Wie in 1 gezeigt ist, ist an einer Stelle, die einer Stelle um den unteren Totpunkt des Kolbens 31 in dem niedertemperaturseitigen Zylinder 32 entspricht, ein Pfad 71 vorgesehen, um mit dem Kompressionsraum (in dem Zylinder) des niedertemperaturseitigen Zylinders 32 in Verbindung zu sein. In dem Pfad 71 ist ein Filter 72 vorgesehen. Der Pfad 71 dient dazu, das Fluid (das Arbeitsfluid) des Atmosphärendruck Po von der Außenseite des Stirlingmotors 10 in den Zylinder strömen zu lassen. Der Pfad 71 ist so konfiguriert, dass er das Fluid lediglich in einer Richtung, d. h., von außen in den Zylinder strömen lässt.
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Der Filter 72 dient dazu, zu verhindern, dass Verunreinigungen den Zylinder von außerhalb des Stirlingmotors 10 über den Pfad 71 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 71 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.
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Wie in 2 gezeigt ist, betritt das Fluid (die Luft) des Atmosphärendrucks Po den Zylinder über den Pfad 71, 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.
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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 3 gezeigt ist. Wenn der Stirlingmotor 10 in dem erhöhten Zustand des mittleren Arbeitsgasdrucks (Pmean) arbeitet, kann der Stirlingmotor 10 eine hohe Ausgabe erreichen.
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Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 eine Druckbeaufschlagung des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und eine Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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4 zeigt eine schematische Struktur eines Stirlingmotors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die mit dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel gleichen Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass in dem Pfad 71 ein Rückschlagventil 73 vorgesehen ist. Das Rückschlagventil 73 ist so ausgebildet, dass sich das Rückschlagventil 73 lediglich dann öffnet, wenn ein Druck an der Seite des vorderen Abschnitts 71a des Pfads 71 höher als ein Druck an der Seite dessen Basisabschnitts 71b ist. Folglich hat der Pfad 71 eine Struktur, mit der der Druck (das Arbeitsfluid) lediglich in der Richtung von der Außenseite in den Zylinder übertragen wird. Außerdem hat das zweite Ausführungsbeispiel einen Pfad 81, der das Innere des Zylinders des Stirlingmotors 10 mit dem Kurbelgehäuse 41 verbindet.
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Wenn gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Innenzylinderdruck P des Stirlingmotors 10 niedriger als der Atmosphärendruck Po ist, strömt das Fluid des Atmosphärendrucks Po an der Außenseite über den Pfad 71 in den Zylinder ein und wird in dem Kompressionsprozess des Stirlingmotors 10 druckbeaufschlagt. Der in dem Kompressionsprozess erhöhte Druck wird über den Pfad 81 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Somit wird das Kurbelgehäuse 41 druckbeaufschlagt. Mit der Wiederholung des Prozesses steigt der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean (Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41) über den Atmosphärendruck Po an und der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean erreicht, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel, das Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41, wie in 3 gezeigt ist.
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Wenn in dem ersten Ausführungsbeispiel 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 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen (oder die Übertragung dauert lange). Da in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Druck jedoch über den Pfad 81 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen wird, wird ein solcher Missstand nicht eintreten.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 5 bis 6B ein Druckbeaufschlagen des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und ein Druckbeaufschlagen des Kurbelgehäuses 41 beschrieben.
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5 zeigt eine schematische Struktur des dritten Ausführungsbeispiels. Die mit dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der gleichen Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren ausführliche Beschreibung wird nicht wiederholt. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass in dem Pfad 81 ein Rückschlagventil 82 und ein Ventil 83 vorgesehen sind. Das Rückschlagventil 82 ist so ausgebildet, dass sich das Rückschlagventil lediglich dann öffnet, wenn ein Druck an dem Spitzenabschnitt 81a an der Seite des Zylinders höher als ein Druck an dem Spitzenabschnitt 81b an der Seite des Kurbelgehäuses 41 ist.
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Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird das Kurbelgehäuse 41 dann über den Pfad 81 druckbeaufschlagt, wenn der Innenzylinderdruck P höher als der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 ist, während das Ventil 83 offen ist, wie in 6A gezeigt ist. Wenn der Innenzylinderdruck P niedriger als der Atmosphärendruck Po ist, strömt das Fluid des Atmosphärendrucks Po über den Pfad 71 in den Zylinder. Mit der Wiederholung dieses Prozesses wird das Kurbelgehäuse 41 druckbeaufschlagt und das Ventil 83 schließlich geschlossen. Dann nimmt der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean auf das Niveau des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41 zu, wie in 6B gezeigt ist.
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Vergleicht man das Volumen des Arbeitsfluids in dem Zylinder und das Volumen des Kurbelgehäuses 41, so ist das Volumen des Arbeitsfluids kleiner als das Volumen des Kurbelgehäuses 41. Folglich steigt der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean auf den Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 an. In dem dritten Ausführungsbeispiel kann mit dem Rückschlagventil 82 und dem Ventil 83 in dem Pfad 81 der Strom des Fluids von der Seite des Kurbelgehäuses 41 in den Zylinder über den Pfad 81 sicher unterdrückt werden.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 7 und 8 ein Druckbeaufschlagen des Arbeitsfluids des Arbeitsraums des Stirlingmotors 10 und ein Druckbeaufschlagen des Kurbelgehäuses 41 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In den vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispiel wird der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 unter Verwendung des Atmosphärendrucks Po erhöht. In dem vierten Ausführungsbeispiel wird der Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 unter Verwendung einer Hilfsmaschine, etwa einer Druckquelle, wie zum Beispiel einer Druckbeaufschlagungspumpe erhöht. In dem vierten Ausführungsbeispiel wird beabsichtigt, den Energieverbrauch der Hilfsmaschine, die zum Erhöhen des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41 verwendet wird, zu verringern und das Installationsausmaß zu verkleinern.
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In dem vierten Ausführungsbeispiel werden die Energieverbrauchsverringerung der Hilfsmaschine und die Verkleinerung des Installationsausmaßes durch Verwendung einer Pumpenfunktion realisiert, die die Druckbeaufschlagung/Expansion des vorstehend unter Bezugnahme auf das erste bis dritte Ausführungsbeispiel beschriebenen Stirlingmotors 10 begleitet.
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8 zeigt eine Struktur eines Stirlingmotors gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. Die mit dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel gleichen Komponenten sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren ausführliche Beschreibung wird nicht wiederholt. In dem vierten Ausführungsbeispiel ist an dem Pfad 71 ein Abzweigungspfad 75 angeschlossen, so dass der Abzweigungspfad 75 von dem Pfad 71 ableitet. Der Abzweigungspfad 75 ist mit einer Druckbeaufschlagungspumpe 91 und einem an einer stromabwärtigen Seite der Druckbeaufschlagungspumpe 91 angeordneten Tank 92 versehen. Der Tank 92 dient dazu, dass durch die Druckbeaufschlagungspumpe 91 oder dergleichen druckbeaufschlagte Fluid zu speichern.
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Wie in 7 gezeigt ist, wird in dem vierten Ausführungsbeispiel der Außendruck (Druck in dem Tank 92 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 den Kompressionsprozess des Stirlingmotor 10 weiter erhöht. Der in dem Kompressionsprozess erhöhte Druck (Fluid) wird über den Spalt CL zwischen den Zylindern 32 und 22 und den Kolben 31 und 21 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Somit wird das Kurbelgehäuse 41 druckbeaufschlagt.
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In dem vierten Ausführungsbeispiel arbeitet bei der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 nicht nur der durch die Druckbeaufschlagungspumpe 91 erzeugte Druck an dem Kurbelgehäuse 41, sondern der durch eine weitere Druckbeaufschlagung in dem Kompressionsprozess des Stirlingmotors 10 erzeugte Druck arbeitet zusätzlich zu dem durch die Druckbeaufschlagungspumpe 91 erzeugten Druck auf dem Kurbelgehäuse 41. Folglich werden die Verringerung des Energieverbrauchs der Druckbeaufschlagungspumpe 91 und die Verkleinerung des Installationsausmaßes realisiert.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 9 und 10 ein Druckbeaufschlagen des Arbeitsfluids in dem Arbeitsraum des Stirlingmotors 10 und ein Druckbeaufschlagen des Kurbelgehäuses 41 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel beschrieben. Die mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gleichen Strukturen sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren ausführliche Beschreibung wird nicht wiederholt.
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Wie in 9 gezeigt ist sind in dem Pfad 71, der in dem niederdruckseitigen Zylinder 32 angeordnet ist, zwei Rückschlagventile 76 und 77 vorgesehen. Die Rückschlagventile 76 und 77 sind so ausgebildet, dass sich die Rückschlagventile 76 und 77 lediglich dann öffnen, wenn ein Druck in einer stromaufwärtigen Seite des Pfad 71 höher als ein Druck der stromabwärtigen Seite des Pfads 71 ist.
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Eine Kolbenpumpe 95 ist zwischen den Rückschlagventilen 76 und 77 angeordnet.
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Eine Kurbelwelle der Kolbenpumpe 95 ist einstückig mit einer Kurbelwelle des Stirlingmotors 10 ausgebildet und sie ist so strukturiert, dass die Bewegung der beiden Kolben in dem Stirlingmotor 10 und der Kolbenpumpe 95 in Bezug auf die Phase entgegengesetzt sind. Ferner ist an einer noch weiter stromaufwärtigen Seite des Rückschlagventils 77 in dem Pfad 71 ein Ventil 78 vorgesehen.
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Der obere Graph in 10 gibt den Innenzylinderdruck P des Stirlingmotors 10 wieder, wohingegen der untere Graph in 10 den Innenzylinderdruck der Kolbenpumpe 95 wiedergibt. In beiden Graphen von 10 gibt die vertikale Achse den Druck wieder und die horizontale Achse gibt den Kurbelwinkel wieder.
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Wenn das Ventil 78 aus 9 offen ist und der Innenzylinderdruck der Kolbenpumpe 95 niedrig (oder negativ) ist, wird der externe Druck über den Pfad 71 in den Zylinder der Kolbenpumpe 95 eingebracht und wird in dem Kompressionsprozess der Kolbenpumpe 95 weiter erhöht, wie in 10 gezeigt ist.
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In dem Kompressionsprozess der Kolbenpumpe 95 befindet sich der Innenzylinderdruck P des Stirlingmotors 10 in dem Expansionsprozess (in Folge der gegenphasigen Beziehung), wodurch der Differenzdruck groß ist. Das in dem Kompressionsprozess der Kolbenpumpe 95 druckbeaufschlagte Fluid wird in den Zylinder eingebracht, wenn der Innenzylinderdruck P des Stirlingmotors 10 niedrig ist (in dem Expansionsprozess) und wird in dem Kompressionsprozess des Stirlingmotors 10 weiter druckbeaufschlagt. Die Druck(Fluid)-Erhöhung in dem Kompressionsprozess wird über den Spalt CL zwischen den Zylindern 33 und 22 und den Kolben 31 und 21 zu dem Kurbelgehäuse 41 übertragen. Somit wird das Kurbelgehäuse 41 druckbeaufschlagt.
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Wie vorstehend beschrieben ist, wird in dem Stirlingmotor 10 des fünften Ausführungsbeispiels der Druck des Kurbelgehäuses 41 auf den mittleren Arbeitsgasdruck Pmean in dem Zylinder des Stirlingmotors 10 angehoben. Folglich ist die Wiederdruckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 in irgendeiner Art und Weise nötig, wenn es schwierig ist, die Druckentweichung durch die perfekte Dichtung des Kurbelgehäuses 41 nach der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 bei der Auslieferung auf Null zu unterdrücken. Dann kann eine Druckbeaufschlagungsquelle, wie zum Beispiel die Pumpe 91 oder die Kolbenpumpe 95 nötig sein. Unter Berücksichtigung dieser Notwendigkeiten ist es vorteilhaft, die Pumpfunktion des Stirlingmotors 10 nicht einfach für einen ursprünglichen Zweck, wie zum Beispiel die Bereitstellung eines Drehmoments zu verwenden, sondern für die Erhöhung des Druck des Kurbelgehäuses 41 zu verwenden, wie dies vorstehend erwähnt wurde, um das Installationsausmaß und die Energie der Druckbeaufschlagungsquelle zu minimieren.
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Hier können das erste bis fünfte Ausführungsbeispiel auf geeignete Weise kombiniert werden. Beispielsweise kann der Pfad 81 vorgesehen sein, um das Innere des Zylinders und das Kurbelgehäuse 41 mit dem Stirlingmotor des vierten und/oder fünften Ausführungsbeispiels wie in dem zweiten oder dem dritten Ausführungsbeispiel zu verbinden.
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die folgenden Merkmale offenbart.
- (1) Das Kurbelgehäuse wird gemäß der Arbeitsgasdruckänderung in dem Stirlingmotor druckbeaufschlagt.
- (2) in (1) wird das Kurbelgehäuse durch das Einlassen von Luft von der Außenseite in den Zylinder in dem Stirlingmotor druckbeaufschlagt, wenn der Innenzylinderdruck P des Stirlingmotors niedriger als der Atmosphärendruck Po ist.
- (3) In (1) wird das Kurbelgehäuse 41 durch die Übertragung des Innenzylinderdruck P zu dem Kurbelgehäuse 41 druckbeaufschlagt, wenn der Innenzylinderdruck P höher als der Druck Pc in dem Kurbelgehäuse 41 ist. Das Kurbelgehäuse 41 wird unter Verwendung des Differenzdrucks zwischen dem Druck Pc des Kurbelgehäuses 41 und dem Innenzylinderdruck P druckbeaufschlagt.
- (4) In (2) ist der Pfad zum Einlassen der Luft an den niedertemperaturseitigen Zylinder angeschlossen (um den thermischen Verlust zu verringern).
- (5) In (3) erreicht der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean des Arbeitsgases schließlich das Niveau des Drucks Pc in dem Kurbelgehäuse 41.
- (6) In (3) wird der mittlere Arbeitsgasdruck Pmean durch das Schließen des Pfads, der das Innere des Zylinders mit dem Kurbelgehäuse 41 verbindet, auf das Niveau des Drucks Pc in dem Kurbelgehäuse 41 angehoben.
- (7) In (2) wird verhindert, dass Verunreinigungen in den Zylinder eindringen.
- (8) Die Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 wird durch die Änderung in dem Arbeitsgasdruck des Stirlingmotors ergänzt.
- (9) In (8) wird die Last auf der Vorrichtung, die das Kurbelgehäuse 41 druckbeaufschlagt, über das Einbringen von Außendruck von der Außenseite in den Zylinder reduziert, wenn der Innenzylinderdruck P niedrig ist.
- (10) In (8) und (9) wird die Erhöhung des Drucks Pc des Kurbelgehäuses 41 durch das Einbringen von externen Druck und durch die Druckbeaufschlagung durch den Stirlingmotor beschleunigt.
- (11) Durch Hinzufügen des Kolbens, der mit dem Kraftkolben des Stirlingmotors zur Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 in einer Gegenphase läuft, wird eine Verringerung des Energieverbrauchs bei der Druckbeaufschlagung des Kurbelgehäuses 41 erreicht.
- (12) In einem von (8) bis (11) ist der Pfad, der den Außendruck einbringt, an dem niedertemperaturseitigen Zylinder angeschlossen (für die Verringerung eines thermischen Verlusts).
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Stirlingmotor 10 an dem Auslassrohr 100 angeschlossen, um das Abgas von der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs als eine Wärmequelle zu verwenden. Der Stirlingmotor der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf eine Bauweise beschränkt, die an dem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs angeschlossen ist.
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Zusätzliche Vorteile und Modifikationen sind dem Fachmann leicht eingängig. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten nicht auf die hier gezeigten und beschriebenen speziellen Einzelheiten und repräsentativen Ausführungsbeispiele beschränkt. Dementsprechend können verschiedene Modifikationen durchgeführt werden, ohne vom Bereich des allgemeinen Erfindungskonzepts abzuweichen, wie es durch die beiliegenden Ansprüchen und deren Äquivalente definiert ist.
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Ein Stirlingmotor (10) hat einen Strömungspfad (71), der einen Arbeitsraum des Stirlingmotors (10) und eine Außenseite des Stirlingmotors verbindet. Von der Außenseite des Stirlingmotors (10) wird über den Strömungspfad (71) auf Grundlage eines Differenzdrucks des Arbeitsraums und der Außenseite des Stirlingmotors (10) ein Arbeitsgas zu dem Arbeitsraum zugeführt.
