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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät, das die
thermische Energie von dem Abgas einer Brennkraftmaschine, eine
Fabrikabgaswärme
oder dergleichen zurückgewinnt,
um eine Bewegungsenergie zu erzeugen.
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Stand der Technik
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Es
ist ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät erhältlich,
welches unter Verwendung einer Wärmekraftmaschine
das Abgas einer an einem Fahrzeug, etwa einem Personenfahrzeug,
einem Bus oder einem Lastwagen montierten Brennkraftmaschine zurückgewinnt.
In dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, welches
für einen
solchen Zweck verwendet wird, wird beispielsweise eine Kraftmaschine
mit externer Verbrennung, etwa der Stirlingmotor verwendet, der
hinsichtlich der theoretischen thermischen Effizienz hervorragend
ist.
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Die
veröffentlichte
japanische Übersetzung der
PCT-Anmeldung Nr. 2003-518458 (JP-T-2003-518458)
offenbart eine Technologie, bei der zwischen der Brennkraftmaschine
und dem Stirlingmotor eine Kupplung vorgesehen ist und der Stirlingmotor
wird als eine zusätzliche
Antriebseinheit für die
Brennkraftmaschine, bzw. die Brennkraftmaschine mit interner Brennkraft
verwendet. Außerdem
offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-332665
(JP-A-2004-332665) eine Technologie, die ein System betrifft, das
einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Generator, einen (Elektro-)motor
und einen Stirlingmotor zum Antreiben des elektrischen Generators
aufweist, wobei die durch den elektrischen Generator erzeugte elektrische
Energie zu dem Elektromotor und zu einer Batterie zugeführt wird
und der elektrische Generator durch den Motor angetrieben wird,
wobei zwischen dem elektrischen Generator und der Verbrennungsmaschine
eine Kupplung vorgesehen ist, und der elektrische Generator durch
den Verbrennungsmotor oder den Elektromotor unter Verwendung der
Kupplung auf eine selektive Art angetrieben wird.
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In
Brennkraftmaschinen mit externer Verbrennung, etwa dem Stirlingmotor,
wird die Wärme von
einer Wärmequelle,
etwa dem Abgas, über
einen Wärmetauscher
zu dem Arbeitsfluid der Kraftmaschine mit externer Verbrennung übertragen
und die Ausgabe von Kraftmaschinen mit externer Verbrennung ist
daher weniger für
die Variation in der Wärmeeingabe
verantwortlich. Außerdem
fahren Kraftmaschinen mit externer Verbrennung, etwa der Stirlingmotor,
der thermische Energie über
eine Heizeinrichtung von einer Wärmequelle
erhält,
manchmal selbst dann aufgrund der in der Heizeinrichtung gespeicherten Wärme damit
fort, eine Bewegungskraft zu erzeugen, nachdem die Wärmeeingabe
gestoppt wurde.
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Als
ein Ergebnis fährt
selbst dann, wenn eine Kraftmaschine mit externer Verbrennung, etwa
der Stirlingmotor, als die Abgaswiedergewinnungseinheit verwendet
wird, die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
manchmal damit fort, infolge der in der Heizeinrichtung, die in
der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
enthalten ist, gespeicherten Wärme eine
Bewegungskraft zu erzeugen, selbst wenn zu der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
keine Abgaswärme
zugeführt
wird. In einem solchen Fall erzeugt die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
in dem Fall der Konfiguration, in der die Ausgabe der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
und die Ausgabe von der Wärmekraftmaschine
zusammen kombiniert und ausgegeben werden, eine überschüssige Bewegungskraft selbst
dann, wenn keine Nachfrage zum Antreiben der Wärmekraftmaschine besteht. In der
JP-T-2003-518458 wird die Unzulänglichkeit
des Ausgabeansprechverhaltens bei der Verwendung einer Kraftmaschine
mit externer Verbrennung, etwa dem Stirlingmotor, als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
nicht berücksichtigt
und daher gibt es noch Raum für
Verbesserungen.
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Mittlerweile
wurde unter Bezugnahme auf die in der JP-T-2003-518458 offenbarten
Technologie die Konfiguration angenommen, gemäß der ein elektrischer Generator
ständig
zwischengeordnet ist. Wenn die durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
wieder gewonnene thermische Energie als elektrische Energie ausgegeben
wird, dann liegt die Energieumwandlungseffizienz der elektrischen
Generatoren und Batterien unter 100%. Falls die in der JP-T-2003-518458
offenbarten Technologie verwendet wird, nimmt somit die durch die
Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
wieder gewonnene thermische Energie ab.
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Darstellung der Erfindung
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Technische
Aufgabe
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorstehenden
Probleme getätigt und
stellt gemäß einem
Gesichtspunkt ein Abgaswärmewiedergewinnungsgerät bereit,
das es möglich
macht, die durch eine Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugte überschüssige Bewegungskraft
effizient zu verwenden, wenn die Ausgabe von der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
und die Ausgabe der Wärmekraftmaschine
kombiniert und zusammen ausgegeben werden.
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Technische Lösung
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Somit
ist ein Abgaswärmewiedergewinnungsgerät vorgesehen,
welches folgendes aufweist: Eine Abgaswärmewiedergewinnungseinheit,
die durch Wiedergewinnung der thermischen Energie von dem durch
eine Wärmekraftmaschine
ausgelassenem Abgas eine Bewegungskraft erzeugt; einen elektrischen
Generator, der durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
angetrieben wird; eine erste Energieübertragungsschalteinrichtung
zum Umschalten zwischen einer Verbindung und einer Trennung zwischen
der Wärmekraftmaschine
und der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit;
und eine zweite Energieübertragungsumschalteinrichtung
zum Umschalten zwischen einer Verbindung und einer Trennung zwischen
der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
und dem elektrischen Generator, wobei wahlweise die Wärmekraftmaschine
oder der elektrische Generator in Abhängigkeit von dem Betriebsstatus der
Wärmekraftmaschine
mit der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
verbunden werden.
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In
dem vorstehend beschriebenen Abgaswärmewiedergewinnungsgerät werden
die Ausgabe von der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
und die Ausgabe von der Wärmekraftmaschine
kombiniert. Zusätzlich
weist das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät einen
durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
angetriebenen elektrischen Generator auf. Unter Verwendung der ersten
und zweiten Energieübertragungsumschaltvorrichtung
wird in Abhängigkeit
des Betriebsstatus der Wärmekraftmaschine
die Wärmekraftmaschine
oder der elektrische Generator ausgewählt und mit der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
verbunden. Nachdem es der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
möglich
wird, in einer autarken Weise zu arbeiten, ist es auf diese Weise
möglich,
in Abhängigkeit
des Betriebsstatus der Wärmekraftmaschine
entweder die durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugte Bewegungskraft zusammen mit der durch die Wärmekraftmaschine
erzeugten Bewegungskraft auszugeben oder die durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugte Bewegungskraft in elektrische Energie umzuwandeln und die
Energie dann auszugeben. Somit ist es selbst dann möglich, die überschüssige Bewegungskraft
durch Umwandeln der überschüssigen Bewegungskraft
in elektrische Energie effizient zu nutzen, wenn die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
eine überschüssige Bewegungskraft
erzeugt.
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Es
ist ferner zu bevorzugen, dass in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät die erste
Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen getrennten Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen verbunden Zustand gebracht wird, wenn sich die Wärmekraftmaschine
in einen Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet.
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Es
ist ferner vorzuziehen, dass in dem Abgaswärmewiederherstellungsgerät die erste
Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen verbunden Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen getrennten Zustand gebracht wird, wenn sich die Wärmekraftmaschine
weder in einen Verzögerungszustand
noch in einem angehaltenen Zustand befindet und es erforderlich
ist, die Bewegungskraft von der Abgaswärmewiederherstellungseinheit
und die Bewegungskraft von der Wärmekraftmaschine
zu kombinieren und diese Bewegungskräfte zusammen auszugeben.
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Es
ist ferner vorzuziehen, dass in dem Abgaswärmewiederherstellungsgerät die erste
Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen verbunden Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen getrennten Zustand gebracht wird, wenn die Abgaswärmewiederherstellungseinheit
auf die Wärmekraftmaschine
keine Last aufbringt; andererseits soll die erste Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen getrennten Zustand gebracht werden und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung
in einen verbundenen Zustand gebracht werden, wenn die Abgaswärmewiederherstellungseinheit
für die
Wärmekraftmaschine
eine Last darstellt.
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Es
ist ferner vorzuziehen, dass in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät dann,
wenn sich die Kraftmaschine in einem stetigen Betrieb befindet oder
wenn die Wärmekraftmaschine
beschleunigt, falls die Zunahme der Drehzahl der Abgaswärmewiederherstellungseinheit
der Zunahme der Drehzahl der Wärmekraftmaschine
folgt, bestimmt wird, dass die Abgaswärmewiederherstellungseinheit
auf die Wärmekraftmaschine
keine Last aufbringt und daher die erste und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung
je in einen verbundenen Zustand bzw. einen getrennten Zustand gebracht
werden.
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Es
ist ferner vorzuziehen, dass in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät dann,
wenn sich die Wärmekraftmaschine
im stetigen Betrieb befindet oder wenn die Wärmekraftmaschine beschleunigt, falls
die Zunahme der Drehzahl der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
der Zunahme der Drehzahl der Wärmekraftmaschine
hinterherhinkt, bestimmt wird, dass die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit eine
Last für
die Wärmekraftmaschine
darstellt, und daher die erste und zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtungen
in einen getrennten Zustand, bzw. einen verbundenen Zustand gebracht
werden.
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Es
ist ferner zu bevorzugen, dass das Abgaswärmewiederherstellungsgerät ferner
eine Wärmespeichereinrichtung
zum Speichern der von dem Abgas der Wärmekraftmaschine erhaltenen
Wärme aufweist,
wobei dann, falls es keine Nachfrage zum Antreiben der Wärmekraftmaschine
gibt und eine Temperatur einer Heizeinrichtung, die die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
zum Wiedergewinnen der thermischen Energie aufweist, niedriger als
die Temperatur der Wärmespeichereinrichtung
wird, Wärme
von der Wärmespeichereinrichtung
zu der Heizeinrichtung zugeführt
wird, um die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
anzutreiben.
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Es
ist zudem zu bevorzugen, dass in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät zwischen
der Wärmespeichereinrichtung
und der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
ein Wärmerohr
bzw. Heizrohr vorgesehen ist und die thermische Energie in der Wärmespeichereinrichtung
durch das Wärmerohr
zu der Heizeinrichtung übertragen
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
den effizienten Gebrauch der durch eine Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugten überschüssigen Bewegungskraft,
wenn die Ausgabe von der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
und die Ausgabe von einer Wärmekraftmaschine
kombiniert und zusammen ausgegeben werden.
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Kurze Beschreibung der
Abbildungen der Zeichnungen
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Die
Merkmale, deren Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung
dieser Erfindung werden durch das Studium der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Berücksichtigung
der beiliegenden Zeichnungen besser verstanden, in denen:
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1 eine
Schnittansicht ist, die einen Stirlingmotor zeigt, der als eine
Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
eines ersten Ausführungsbeispiels dient;
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2 eine
Draufsicht ist, die eine Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
zeigt;
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3 ein
schematisches Schaubild ist, das einen Zustand zeigt, in dem das
Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
an einem Fahrzeug montiert ist;
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4 eine
Draufsicht ist, die die Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß einer
Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels
zeigt;
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5 ein
schematisches Schaubild ist, das die zeitliche Änderung der Ausgabe von einer
Kraftmaschine mit interner Verbrennung und der Ausgabe des Stirlingmotors
zeigt, wenn das Fahrzeug, an dem das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
montiert ist, fährt und
stoppt;
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6 ein
Ablaufdiagramm ist, das ein Beispiel einer Betriebssteuerung des
Abgaswärmewiedergewinnungsgeräts gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiels
zeigt;
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7 ein
Ablaufdiagramm ist, das die Betriebssteuerung eines Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß einem
weiteren Steuerungsbeispiel des ersten Ausführungsbeispiels zeigt; und
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8 ist
eine Schnittansicht, die einen Stirlingmotor zeigt, der ein Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
aufweist.
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Bester Weg zur Ausführung der
Erfindung
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In
der vorliegenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen wird
die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme der beispielhaften Ausführungsformen
ausführlicher
beschrieben. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele (im
weiteren Verlauf lediglich als "die
Ausführungsbeispiele" bezeichnet) zum
Ausführen
der Erfindung beschränkt
ist. Die Bestandteile der Ausführungsbeispiele
beinhalten solche, an die der Fachmann einfach denken würde, und
solche die im Wesentlichen gleich wie die der Vorgänger sind.
Die nachstehend gegebene Beschreibung veranschaulicht einen Fall,
in dem ein Stirlingmotor als eine Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
zum Wiedergewinnen der thermischen Energie von dem Abgas einer Kraftmaschine
mit innerer Verbrennung verwendet wird, welche als eine Wärmekraftmaschine
funktioniert. Zusätzlich
zu dem Stirlingmotor kann als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
eine andere Abgaswärmewiedergewinnungsvorrichtung,
etwa unter Verwendung des Brayton-Zyklus verwendet werden. Die Art
der Wärmekraftmaschine
ist willkürlich.
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Als
erstes wird ein erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das erste Ausführungsbeispiel
ist durch die folgenden Punkte gekennzeichnet. Insbesondere werden
die Ausgabe der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit und
die Ausgabe der Wärmekraftmaschine
kombiniert und von einer gemeinsamen Welle ausgegeben und es ist
ein elektrischer Generator vorgesehen, der durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
angetrieben ist. Zusätzlich
ist zwischen der Wärmekraftmaschine
und der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
eine erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
vorgesehen, wobei die gleiche erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
zwischen der Wärmekraftmaschine
und dem elektrischen Generator vorgesehen ist. Zwischen dem elektrischen
Generator und der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
ist eine zweite Kraftübertragungsumschaltvorrichtung vorgesehen.
Die erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
und die zweite Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
werden dazu verwendet, die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
in Abhängigkeit des
Betriebszustands der Wärmekraftmaschine
(etwa eines Beschleunigungszustands, eines Verzögerungszustands, eines stetigen
Zustands oder eines angehaltenen Zustands) wahlweise mit der Wärmekraftmaschine
oder dem elektrischen Generator zu verbinden. Eine Konfiguration
der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
des ersten Ausführungsbeispiels
wird nachstehend beschrieben.
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1 ist
eine Schnittansicht, die den Stirlingmotor zeigt, der als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
des ersten Ausführungsbeispiels
dient. Der Stirlingmotor 100, der als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
des ersten Ausführungsbeispiels
dient, ist ein sog. zweizylindriger Stirlingmotor in Reihenbauweise
der a-Bauweise.
In dem Stirlingmotor 100 sind in Reihe angeordnet: ein
hochtemperaturseitiger Kolben 103, der ein in einem hochtemperaturseitigen
Zylinder 101 aufgenommener erster Kolben ist, welcher ein
erster Zylinder ist; und ein niedertemperaturseitiger Kolben 104,
der ein in einem niedertemperaturseitigem Zylinder 102 aufgenommener
zweiter Kolben ist, welcher ein zweiter Zylinder ist.
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Der
hochtemperaturseitige Zylinder 101 und der niedertemperaturseitige
Zylinder 102 sind an einer als ein Bezugskörper dienenden
Basisplatte 111 direkt oder indirekt gestützt oder
daran befestigt. In dem Stirlingmotor 100 des ersten Ausführungsbeispiels
dient die Basisplatte 111 als ein Positionsbezug der Komponenten
des Stirlingmotors 100. Mit dieser Konfiguration wird es
ermöglicht,
die Genauigkeit der relativen Positionen der Komponenten sicherzustellen.
Ferner sind, wie später
beschrieben ist, in dem Stirlingmotor 100 des Ausführungsbeispiels
jeweilige Gaslager GB zwischen dem temperaturseitigen Zylinder 101 und
dem hochtemperaturseitigen Kolben 103 und zwischen dem
niedertemperaturseitigen Zylinder 102 und dem niedertemperaturseitigen
Kolben 104 zwischengeordnet.
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Durch
Fixieren des hochtemperaturseitigen Zylinders 101 und des
niedertemperaturseitigen Zylinders 102 direkt oder indirekt
an der als Bezugskörper
dienenden Basisplatte 111 ist es möglich, den Spalt zwischen dem
Kolben und dem Zylinder präzise
beizubehalten. Somit wird die Funktion der Gaslager GB zufriedenstellend
ausgeführt.
Zusätzlich
kann der Stirlingmotor 100 einfach zusammengebaut werden.
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Ein
aus einer im Wesentlichen U-förmigen Heizeinrichtung 105,
einem Regenerator 106 und einer Kühleinrichtung 107 bestehender
Wärmetauscher 108 ist
zwischen dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 und dem
niedertemperaturseitigen Zylinder 102 zwischengeordnet.
Falls die Heizeinrichtung auf diese Weise in einer im Wesentlichen
U-förmigen Gestalt
ausgebildet ist, ist es möglich,
die Heizeinrichtung 105 selbst in einem relativ engen Raum, etwa
in dem Abgasdurchlass der Kraftmaschine mit interner Verbrennung
anzuordnen. Falls zusätzlich der
hochtemperaturseitige Zylinder 101 und der niedertemperaturseitige
Zylinder 102 in einer Reihenanordnung wie in dem Fall des
Stirlingmotors 100 angeordnet sind, dann ist es möglich, die
Heizeinrichtung 105 selbst in einem zylindrischen Raum
etwa in dem Abgasdurchlass der Kraftmaschine mit interner Verbrennung
relativ einfach anzuordnen.
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Ein
Ende der Heizeinrichtung 105 ist neben dem hochtemperaturseitigen
Zylinder 101 positioniert und dessen anderes Ende ist neben
dem Regenerator 106 positioniert. Ein Ende des Regenerators 106 ist
neben der Heizeinrichtung 105 positioniert und dessen anderes
Ende ist neben der Kühleinrichtung 107 positioniert.
Ein Ende der Kühleinrichtung 107 ist
neben dem Regenerator 106 positioniert und dessen anders
Ende ist neben dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 positioniert.
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Ein
Arbeitsfluid (in dem Ausführungsbeispiel Luft)
ist in dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101, dem niedertemperaturseitigen
Zylinder 102 und dem Wärmetauscher 108 eingeschlossen
und realisiert den Stirlingzyklus zum Antreiben des Stirlingmotors 100 mit
der von der Heizeinrichtung 105 zugeführten Wärme und der von der Kühleinrichtung 107 abgegebenen
Wärme.
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Die
Heizeinrichtung 105 und die Kühleinrichtung 107 können beispielsweise
durch Bündeln
einer Vielzahl von Rohren ausgebildet werden, die aus einem Material
gefertigt sind, das eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen hervorragenden
thermischen Widerstand aufweist. Der Regenerator 106 kann
aus einer porösen
Wärmespeichereinheit gefertigt
sein. Die Zusammensetzung der Heizeinrichtung 105, der
Kühleinrichtung 107 und
des Regenerators 106 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Insbesondere
kann die Zusammensetzung wahlweise und auf geeignete Weise in Abhängigkeit
der thermischen Bedingungen des Gegenstandes ausgewählt werden,
von dem die Abgaswärme
wieder gewonnen wird, der Spezifikation des Stirlingmotors 100 usw.
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Unter
Bezugnahme auf den Wärmetauscher 108 ist
zumindest die Heizeinrichtung 105 in einem Abgasdurchlass 5 angeordnet.
Die Heizeinrichtung 105 heizt das Arbeitsfluid in der Heizeinrichtung 105 unter
Verwendung der thermischen Energie des Abgases Ex auf, welches durch
den Ablassdurchlass 5 strömt. Der Regenerator 106 des
Wärmetauschers 108 kann
zudem in dem Abgasdurchlass 5 angeordnet sein.
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In
dem ersten Ausführungsbeispiel
strömt das
Abgas Ex von der Seite des Hochtemperaturzylinders 101 zu
der Seite des Niedertemperaturzylinders 102. Somit wird
das von der Wärmekraftmaschine
ausgelassene Abgas Ex mit einem kleinen Temperaturabfall zu der
Heizeinrichtung 105 zugeführt, so dass es möglich ist,
die thermische Energie des Abgases Ex effizient wiederzugewinnen.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, sind der hochtemperaturseitige Kolben 103 und
der niedertemperaturseitige Kolben 104 in dem hochtemperaturseitigen
Zylinder 101 bzw. dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 gestützt, wobei
die jeweiligen Gaslager GB dazwischen geordnet sind. Mit anderen Worten
ist der Kolben in dem Zylinder ohne jeglichen Kolbenringe gestützt. Auf
diese Weise ist es möglich, die
Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu reduzieren, wodurch
die thermische Effizienz des Stirlingmotors 100 verbessert
wird. Zusätzlich
macht es die Reibungsverringerung zwischen dem Kolben und dem Zylinder
möglich,
die thermische Energie durch Betreiben des Stirlingmotors 100 selbst
unter den Betriebszuständen
einer Niedertemperaturwärmequelle
und eines niedrigen Temperaturunterschiedes, etwa in dem Fall der
Abgaswärmewiedergewinnung
der Kraftmaschine mit interner Verbrennung wiederzugewinnen.
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Wie
in 1 gezeigt ist, sind die Komponenten des Stirlingmotors 100,
etwa der hochtemperaturseitige Zylinder 101, der hochtemperaturseitige
Kolben 103, eine Verbindungsstange 109 und eine
Kurbelwelle 110 in einem Gehäuse 1000 aufgenommen. Das
Gehäuse 1000 des
Stirlingmotors 100 hat ein Kurbelgehäuse 114A und einen
Zylinderblock 114B. Eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung 115 erhöht den Druck
in dem Gehäuse 1000.
Der Zweck davon liegt darin, das Arbeitsfluid in dem hochtemperaturseitigen
Zylinder 101, dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 und
dem Wärmetauscher 108 mit
Druck zu beaufschlagen, um eine höhere Kraftausgabe von dem Stirlingmotor 100 zu
erhalten.
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In
dem Stirlingmotor 100 des ersten Ausführungsbeispiels ist ein gedichtetes
Lager 116 an das Gehäuse 1000 gepasst
und es stützt
die Kurbelwelle 110. Die Kurbelwelle 110 dient
als die Ausgabewelle des Stirlingmotors 100. Die durch
den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft wird über eine
flexible Kupplung 118, etwa die Oldham-Kupplung, von dem Gehäuse 1000 ausgegeben.
Als nächstes
wird eine Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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2 ist
eine Draufsicht, die die Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels
zeigt. 3 ist ein schematisches Schaubild, das einen Zustand zeigt,
in dem das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
an einem Fahrzeug montiert ist. Das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 gemäß des Ausführungsbeispiels ist
an einem Fahrzeug montiert und dient als eine Bewegungskraftquelle.
Das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 gemäß des Ausführungsbeispiels
hat: den Stirlingmotor 100, der als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
dient; eine erste Kupplung 6E, die als die erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
dient; und eine zweite Kupplung 6A, die als die zweite
Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
dient; und den elektrischen Generator (M/G)2.
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Die
Kraftmaschine 1 mit interner Verbrennung und der Stirlingmotor 100 sind
bspw. an einem Fahrzeug 50, etwa einem Personenkraftfahrzeug und einem
Lastkraftfahrzeug montiert und dienen als die Bewegungskraftquellen
des Fahrzeugs 50. Die Kraftmaschine 1 mit interner
Verbrennung dient als die Bewegungskrafthauptquelle und erzeugt
konstant eine Kraftausgabe während
das Fahrzeug 50 fährt.
Der Stirlingmotor 100 kann einen minimal erforderlichen
Bewegungskraftbetrag erzeugen bis die Temperatur des Abgases Ex
eine gewisse Temperatur erreicht hat. Somit erzeugt der Stirlingmotor 100 die
Bewegungskraft unter Verwendung der von dem Abgas Ex der Kraftmaschine 1 mit
interner Verbrennung wieder gewonnenen thermischen Energie und treibt
das Fahrzeug in Zusammenwirkung mit der Kraftmaschine 1 mit
interner Verbrennung an, nachdem die Temperatur des Abgases Ex eine
vorbestimmte Temperatur überschritten
hat. Auf diese Weise dient der Stirlingmotor 100 als eine
sekundäre
Bewegungskraftquelle des Fahrzeugs 50.
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In
dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 gemäß des Ausführungsbeispiels
ist der Stirlingmotor 100 in der Nähe der Kraftmaschine 1 mit
interner Verbrennung angeordnet, welche als die Wärmekraftmaschine
dient, von der die Abgaswärme
wiedergewonnen wird. Der Stirlingmotor 100 und die Kraftmaschine 1 mit
interner Verbrennung sind so angeordnet, dass die Kurbelwelle 110 des
Stirlingmotors 100 und eine Ausgabewelle 1s der
Kraftmaschine 1 mit interner Verbrennung im Wesentlichen
parallel angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die
durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft unter
Verwendung eines Riemens, einer Kette, eines Getriebezuges oder
dergleichen relativ einfach auf die Ausgabewelle (Wärmekraftmaschineausgabewelle) 1s der
Kraftmaschine 1 mit interner Verbrennung zu übertragen.
Zusätzlich
ist es möglich,
den Stirlingmotor 100 zum Wiedergewinnen der Abgaswärme der
Kraftmaschine 1 mit interner Verbrennung zu verwenden,
ohne irgendwelche signifikanten Änderungen
in der Gestaltung der herkömmlichen
Kraftmaschine 1 mit interner Verbrennung durchzuführen.
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Die
Heizeinrichtung 105 des Stirlingmotors 100 ist
in dem Abgasdurchlass 5 der Kraftmaschine 1 mit
interner Verbrennung angeordnet. Der Stirlingmotor 100 erzeugt
eine Bewegungskraft durch Wiederherstellen der thermischen Energie
des von der Kraftmaschine 1 mit interner Verbrennung ausgelassenen
Abgases Ex über
die Heizeinrichtung 105. Die Bewegungskraft wird von der
Kurbelwelle (Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabewelle) 110 des
Stirlingmotors 100 ausgegeben.
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An
der Kurbelwelle 110 des Stirlingmotors 100 ist
eine Stirlingmotor/Elektrogenerator-Riemenscheibe 3AS befestigt.
An der Ausgangswelle 1s der Brennkraftmaschine 1 ist
eine Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E befestigt. Ein
Riemen 4, der als ein Kraftübertragungsmittel dient, ist
um die Stirlingmotor/Elektrogenerator-Riemenscheibe 3AS und
die Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E geschlungen.
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Mit
dieser Konfiguration wird die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft auf die Ausgangswelle 1s der Brennkraftmaschine 1 übertragen
und von der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 zusammen
mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten Bewegungskraft
ausgegeben. Der Mechanismus zum Übertragen
der Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 auf die Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 ist nicht auf einen solchen Mechanismus
beschränkt.
Beispielsweise kann ein Schnurkettenrat oder ein Getriebezug verwendet werden.
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Eine
erste Kupplung 6E, die als die erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
dient, ist zwischen der Brennkraftmaschine 1, die als die
Wärmekraftmaschine
dient, und dem Stirlingmotor 100 vorgesehen, der als die
Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
dient, wobei die gleiche Kupplung 6E zwischen der Brennkraftmaschine 1 und
dem elektrischen Generator 2 vorgesehen ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel
ist die erste Kupplung 6, die als die erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung dient,
an der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 zwischen
der Brennkraftmaschine 1 und der Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E befestigt.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Übertragung der von dem Stirlingmotor 100 erzeugten
Bewegungskraft, die von der Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E eingegeben
wird, auf die Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 umzuschalten.
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Wenn
die erste Kupplung 6E in einen eingerückten Zustand gebracht wird,
oder in Eingriff gebracht wird, dann sind die Kurbelwelle 110 des
Stirlingmotors 100 und die Ausgangswelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 mechanisch miteinander verbunden. Somit
sind der Stirlingmotor 100 und die Brennkraftmaschine 1 verbunden
und die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird über
die erste Kupplung 6e auf die Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 übertragen.
Wenn die erste Kupplung 6e in einen ausgerückten oder
gelösten
Zustand gebracht wird, dann wird die Verbindung zwischen der Brennkraftmaschine 1 und
dem Stirlingmotor 100 unterbrochen (es wird ein getrennter
Zustand hergestellt) und daher wird die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 nicht
von der Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E auf die Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 übertragen.
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Der
Betrieb der ersten Kupplung 6E wird durch einen Kupplungssteuerabschnitt 23 eines
Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitts 21 gesteuert,
der in einer Kraftmaschinen-ECU (elektronischen Steuereinheit) 20 vorgesehen
ist. Der Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 führt die
Funktion des Steuerns des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes 10 aus,
welche die Kraftmaschinen-ECU 20 aufweist. Der Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 hat
einen Betriebszustandbestimmungsabschnitt 22, den Kupplungssteuerabschnitt 23 und
einen Elektrizitätserzeugungssteuerabschnitt 24,
die den Betrieb des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes 10 gemäß des Ausführungsbeispiels
steuern.
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Eine
Eingangswelle 2s des elektrischen Generators 2 ist
an der Stirlingmotor/Elektrogenerator-Riemenscheibe Gruppe 3AS fixiert.
Die als die zweite Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
dienende zweite Kupplung 6A ist zwischen dem elektrischen
Generator 2 und dem als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
dienenden Stirlingmotor 100 vorgesehen. In diesem Beispiel
ist die zweite Kupplung 6A an der Eingangswelle 2s des
elektrischen Generators 2 zwischen dem elektrischen Generator 2 und
der Stirlingmotor/Elektrogenerator-Riemenscheibe 3AS vorgesehen.
-
Der
elektrische Generator 2 wird über die an der Eingangswelle 2s des
elektrischen Generators 2 vorgesehene zweite Kupplung 6A durch
den Stirlingmotor 100 angetrieben. Genauer gesagt sind
der Stirlingmotor 100 und der elektrische Generator 2 dann verbunden,
wenn die zweite Kupplung 6A in einen eingerückten oder
eingreifenden Zustand gebracht wird und der elektrische Generator 2 wird
durch die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
angetrieben und erzeugt elektrische Energie. Wenn die zweite Kupplung 6A in
einen ausgerückten oder
freigegebenen Zustand gebracht ist, dann sind der Stirlingmotor 100 und
der elektrische Generator 2 getrennt. Als ein Ergebnis
wird die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
nicht auf den elektrischen Generator 2 übertragen und die Elektrizitätserzeugung
durch den elektrischen Generator 2 ist gestoppt.
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Der
Betrieb der zweiten Kupplung 6A wird durch den Kupplungssteuerabschnitt 23 des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 in
der Kraftmaschinen-ECU 20 gesteuert. Die durch den elektrischen
Generator 2 erzeugte elektrische Energie wird über einen
Gleichrichter 7 in einer Speicherbatterie 8 gespeichert.
Der elektrische Generator 2 und der Gleichrichter 7 werden
durch den Elektrizitätserzeugungssteuerabschnitt 24 des
in der Kraftmaschinen-ECU 20 vorgesehenen Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitts 21 gesteuert.
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Mit
dieser Konfiguration wählt
das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 gemäß des Ausführungsbeispiels
die Brennkraftmaschine 1 oder den elektrischen Generator 2 als
den Gegenstand aus, auf den die Bewegungskraft des Stirlingmotors 10 übertragen
wird, indem die erste Kupplung 6E ein- oder ausgerückt wird
und indem die zweite Kupplung 6A ein- oder ausgerückt wird.
Insbesondere dann, wenn die erste Kupplung 6E eingerückt ist
und die zweite Kupplung 6A ausgerückt ist, sind die Kurbelwelle 110 des
Stirlingmotors 100 und die Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 mechanisch miteinander verbunden und
die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird auf die Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 übertragen.
Die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird von der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 zusammen
mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten Bewegungskraft
ausgegeben.
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Wenn
andererseits die erste Kupplung 6E ausgerückt ist
und die zweite Kupplung 6A eingerückt ist, dann sind die Kurbelwelle 110 des
Stirlingmotors 100 und die Eingangswelle 2s des
elektrischen Generators 2 mechanisch miteinander verbunden
und die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird auf die Eingangswelle 2s des elektrischen Generators 2 übertragen.
Der elektrische Generator 2 wird durch die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft angetrieben und erzeugt elektrische Energie.
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Die
thermische Energie, die der Stirlingmotor 100 von dem Abgas
Ex der Brennkraftmaschine 1 wiedergewinnt, wird durch den
elektrischen Generator 2 in elektrische Energie umgewandelt
und durch den Gleichrichter 7 in der Speicherbatterie 8 gespeichert.
Somit ist es möglich,
in Abhängigkeit
des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1 entweder die
durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft zusammen
mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten Bewegungskraft
auszugeben oder den elektrischen Generator 2 dazu zu bringen, elektrische
Energie zu erzeugen.
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4 ist
eine Draufsicht, die die Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß einer
Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels
zeigt. Ein Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10a hat
eine Konfiguration, die der des vorstehend beschriebenen Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes 10 ähnlich ist,
mit der Ausnahme, dass die durch den Stirlingmotor 100,
der als die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
dient, erzeugte Bewegungskraft durch Riemenscheiben und einen Riemen
auf den elektrischen Generator 2 übertragen wird.
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Eine
erste Riemenscheibe 3Sa für den Stirlingmotor ist an
der Kurbelwelle 110 des Stirlingmotors 100 fixiert.
Die erste Stirlingmotorriemenscheibe 3Sa ist an eine Kraftübertragungswelle 9 gepasst. Die
Kraftübertragungswelle
ist mit der als die erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
dienenden ersten Kupplung 6E und einer zweiten Riemenscheibe 3Se für den Stirlingmotor
versehen. Die erste Kupplung 6E kann für die Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 zwischen
der Brennkraftmaschine 1 und der Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E vorgesehen
sein.
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Die
Kurbelwelle 110 ist über
die erste Stirlingmotorriemenscheibe 3Sa, die erste Kupplung 6E und
die Kraftübertragungswelle
an der zweiten Stirlingmotorriemenscheibe 3Se angeschlossen.
Ein Riemen 4e, der als die erste Kraftübertragungseinrichtung dient,
ist um die zweite Stirlingmotorriemenscheibe 3Se und die
Brennkraftmaschinenriemenscheibe 3E geschlungen. Die Übertragung
der durch den Stirlingmotor 100 erzeugten Bewegungskraft
auf die Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 wird durch
Einrücken/Ausrücken der
ersten Kupplung 6E umgeschalten.
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Ein
Riemen 4A, der als das zweite Kraftübertragungsmittel dient, ist
um die erste Stirlingmotorriemenscheibe 3Sa geschlungen.
Zusätzlich
ist der Riemen 4A um eine Elektrogeneratorriemenscheibe 3A geschlungen.
Die Elektrogeneratorriemenscheibe 3A ist an der Eingangswelle 2s des
elektrischen Generators 2 fixiert, wobei die zweite Kupplung 6A,
die als das zweite Kraftübertragungsmittel
dient, zwischen dem elektrischen Generator 2 und der Elektrogeneratorriemenscheibe 3A zwischengeordnet
ist. Die Übertragung
der durch den Stirlingmotor 100 erzeugten Bewegungskraft
auf die Eingangswelle 2s des elektrischen Generators 2 wird
durch Einrücken/Ausrücken der
zweiten Kupplung 6A umgeschalten.
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In
dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10a gemäß der Modifikation
ist wie in dem Fall des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes 10 (siehe 2)
gemäß des Ausführungsbeispiels
die erste Kupplung 6E, die als die erste Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
dient, zwischen der Brennkraftmaschine 1, die als die Wärmekraftmaschine
dient und dem Stirlingmotor 100 vorgesehen, der als die
Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
dient, wobei die gleiche Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
zwischen der Brennkraftmaschine 1 und dem elektrischen
Generator 2 vorgesehen ist. Die zweite Kupplung 6A,
die als die zweite Kraftübertragungsumschaltvorrichtung
gedient, ist zwischen dem elektrischen Generator 2 und
dem Stirlingmotor 100 vorgesehen, der als Wärmewiedergewinnungseinheit dient.
Mit einer solchen Konfiguration ist es dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10a gemäß der Modifikation
ermöglicht,
in Abhängigkeit
von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 entweder die
von dem Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft zusammen
mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten Bewegungskraft
auszugeben oder den elektrischen Generator 2 dazu zu bringen,
elektrische Energie zu erzeugen.
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5 ist
ein schematisches Schaubild, das die Änderung über die Zeit der Ausgabe der
Brennkraftmaschine und der Ausgabe des Stirlingmotors zeigt, wenn
das Fahrzeug, an dem das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels
montiert ist, fährt
und stoppt. Sobald der Stirlingmotor 100 damit anfängt, durch
Wiedergewinnung thermischer Energie von dem von der Brennkraftmaschine 1 ausgelassenen
Abgas eine Bewegungskraft (Kraftausgabe) zu erzeugen, wird die erste
Kupplung 6E eingerückt
und das Fahrzeug 50 (siehe 3), an dem
das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 oder 10a gemäß des Ausführungsbeispiels
oder dessen Modifikation montiert ist, wird durch die Brennkraftmaschine 1 und
den Stirlingmotor 1 angetrieben. Die erforderliche Kraftausgabe
Pd für
das Fahrzeug 50 ist die Kraftausgabe, die dann erforderlich
ist, wenn ein Fahrer des Fahrzeuges 50 das Fahrzeug 50 fährt. In
diesem Ausführungsbeispiel
dient die erforderliche Kraftausgabe für das Fahrzeug 50 als
ein Zeiger, der anzeigt, wie viel resultierende Ausgabeenergie erforderlich
ist, die durch Kombinieren der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft (Wärmekraftmaschineausgabe)
Pe und der durch den Stirlingmotor 100 erzeugten Bewegungskraft
(Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe)
Ps erhalten wird.
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In
dem in 5 gezeigten Beispiel läuft das Fahrzeug 5 bei
einer konstanten Geschwindigkeit bis t1 oder ab t4. Mit anderen
Worten werden die Brennkraftmaschine 1 und der Stirlingmotor 100 in
einem stetigem Zustand betrieben (die in 5 durch
F gezeigten Zeiträume).
Das Fahrzeug 50 startet bei t1 mit der Verzögerung und
stoppt bei t2 (der in 5 durch A angezeigte Zeitraum).
In dem in 5 durch B angezeigten Bereich
(t2 bis t3) ist das Fahrzeug 50 angehalten. Das Fahrzeug 50 startet
bei t3 mit dem Betrieb, beschleunigt und läuft ab t4 bei einer konstanten
Geschwindigkeit (der in 5 durch T angezeigte Zeitraum).
Wenn sich das Fahrzeug 5 in einem Verzögerungszustand (t1 bis t2)
befindet, dann nimmt die Wärmekraftmaschinenausgabe
Pe allmählich
ab. Mit dieser Abnahme nimmt die Temperatur des von der Brennkraftmaschine 1 ausgelassenen Abgases
ebenso ab.
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Aufgrund
der Wärmekapazität der Heizeinrichtung 105 und
des Regenerators 106 fährt
der Stirlingmotor 100 damit fort, eine Bewegungskraft zu
erzeugen, bis der Betrag der in der Heizeinrichtung 105 usw.
gespeicherten Wärme
auf ein gewisses Niveau reduziert ist. Somit bleibt selbst dann,
wenn die Wärmekraftmaschinenausgabe
Pe zwischen t1 und t2 abfällt,
die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps im Wesentlichen konstant. Dann, nachdem seit dem Stoppen des
Fahrzeugs 50 eine gewisse Zeitspanne verstrichen ist und
die Wärmekraftmaschinenausgabe
Pe Null wird, fängt
die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps damit an, abzunehmen (in 5 durch
D angezeigter Zeitraum).
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Wenn
das Fahrzeug 50 stoppt, wird die für das Fahrzeug 50 erforderliche
Kraftausgabe Pd Null. Insbesondere gibt es weder eine Nachfrage
zum Antreiben der Brennkraftmaschine 1 noch zum Antreiben
des Stirlingmotors 100. In diesem Fall wird die Wärmekraftmaschinenausgabe
Pe Null, beispielsweise indem die Brennkraftmaschine 1 gestoppt wird.
Jedoch erzeugt der Stirlingmotor 100 aufgrund der Wärmekapazität der Heizvorrichtung 105 usw. selbst
nach dem Stoppen der Brennkraftmaschine 1 eine Bewegungskraft
und die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps wird daher zu einem Überschuss.
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Wenn
in diesem Ausführungsbeispiel
und dessen Modifikation die erforderliche Kraftausgabe Pd für das Fahrzeug 50 Null
beträgt
(d. h., wenn es weder eine Anfrage zum Antreiben der Brennkraftmaschine 1 noch
zum Antreiben des Stirlingmotors 100 gibt), dann wird die
erste Kupplung 6E ausgerückt und die zweite Kupplung 6A wird
eingerückt, um
den elektrischen Generator 2 unter Verwendung der überschüssigen Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps anzutreiben. Auf diese Weise wird es möglich, die überschüssige Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps effizient zu nutzen.
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Wenn
das Fahrzeug 50 bei t3 mit dem Fahren beginnt, fängt die
Wärmekraftmaschineausgabe Pe
an zuzunehmen und die Temperatur des durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Abgases fängt ebenso
an zuzunehmen. Da die Wärmeeingabe
von dem Abgas über
die Heizeinrichtung 105 in dem Stirlingmotor 100 auf
das Arbeitsfluid übertragen
wird, hat der Stirlingmotor 100 ein schlechteres Ansprechverhalten
auf die Änderung
der Wärmeeingabe
und dessen Ausgabe ist beim Folgen der schnellen Änderung
der Wärmeeingabe
langsam. Aus diesem Grund nimmt die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps mit einiger Verzögerung
hinsichtlich der Zunahme der Brennkraftmaschinenausgabe Pe zu (der
in 5E angezeigte Bereich).
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Falls
in diesem Fall die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft zu der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 übertragen
wird und diese Bewegungskraft zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben wird, dann treibt die Brennkraftmaschine 1 den
Stirlingmotor 100 an. Als ein Ergebnis verwendet der Stirlingmotor 100 die
durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugte Bewegungskraft,
was zu einem Abfall in der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft führt
und es besteht eine Möglichkeit,
dass die angeforderte Kraftausgabe Pd nicht erhalten werden kann.
In einem solchen Fall kann in diesem Ausführungsbeispiel durch Ausrücken der
ersten Kupplung 6E verhindert werden, dass der Stirlingmotor 100 auf
die Brennkraftmaschine 1 eine Last aufbringt. Dann wird
die angeforderte Kraftausgabe Pd alleine durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugt.
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Jedoch
erzeugt der Stirlingmotor 100 eine Bewegungskraft durch
Wiedergewinnung der thermischen Energie des von der Brennkraftmaschine 1 ausgelassenen
Abgases Ex selbst dann, wenn der Stirlingmotor 100 auf
die Brennkraftmaschine 1 eine Last aufbringt, wie dies
vorstehend beschrieben ist. Dementsprechend wird zum effizienten
Ausnutzen der Bewegungskraft die zweite Kupplung 6A eingerückt, um
den Stirlingmotor 100 zu ermöglichen, den elektrischen Generator 2 zum
Erzeugen elektrische Energie anzutreiben. Auf diese Weise ist es
möglich, die
Verschwendung von Wärmekraftmaschinenausgabe
Pe zu steuern und gleichzeitig die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft effizient zu nutzen.
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Während das
Fahrzeug 50 bei einer konstanten Geschwindigkeit fährt (die
in 5 durch F angezeigten Zeitspannen) befinden sich
die Brennkraftmaschine 1 und der Stirlingmotor 100 in
einem stetigen Zustand, genauer gesagt werden sie bei einer konstanten
Drehzahl und einem konstantem Drehmomentniveau betrieben. In diesem
Fall ist die Temperatur des von der Brennkraftmaschine 1 ausgelassenen
Abgases Ex im Wesentlichen konstant und daher erzeugt der Stirlingmotor 100 im
Wesentlichen eine konstante Bewegungskraft. In einem solchen Fall
ist in diesem Ausführungsbeispiel
die erste Kupplung 6E eingerückt und die zweite Kupplung 6A ist
ausgerückt,
so dass die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsausgabe
Ps von der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 zusammen
mit der Wärmekraftmaschineausgabe
Pe ausgegeben wird.
-
Somit
wird ermöglicht,
den Verlust zu unterdrücken,
der dann verursacht wird, wenn die Bewegungskraft in elektrische
Energie umgewandelt wird, da kein Bedarf zum Umwandeln der durch
den Stirlingmotor 100 erzeugten Bewegungskraft in elektrische
Energie besteht. Dementsprechend ist es möglich, die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft effizient zu nutzen. Als nächstes wird ein Beispiel einer
Steuerung des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes 10 oder 10a gemäß des Ausführungsbeispiels
oder dessen Modifikation beschrieben. Als erstes wird ein grundlegendes
Steuerungsbeispiel beschrieben. Falls nötig sollte beim Lesen der folgenden
Beschreibung Bezug auf 1–5 genommen
werden.
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6 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel einer Betriebssteuerung des
Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels
beschreibt. Beim Durchführen
der Betriebssteuerung des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes 10 oder 10a (im
Weiteren als "das
Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 oder
dergleichen" bezeichnet)
gemäß des Ausführungsbeispiels oder
dessen Modifikation, bestimmt der Betriebsstatusbestimmungsabschnitt 22,
der in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 der
Kraftmaschinen-ECU 20 enthalten ist, ob der Stirlingmotor 100 in
einer autarken Weise betrieben werden kann (S101).
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"Der Stirlingmotor 100 kann
in einer autarken Weise betrieben werden" bedeutet, dass der Stirlingmotor 100 die
Reibung darin und das Massenträgheitsmoment
des Getriebezugs überwindet
und eine Bewegungskraft erzeugt. Hinsichtlich dessen, ob der Stirlingmotor 100 in
einer autarken Weise betrieben werden kann, wird beispielsweise
bestimmt, dass der autarke Betrieb möglich ist, falls die Temperatur
der Heizeinrichtung 105 des Stirlingmotors 100 höher als eine
vorbestimmte Heizeinrichtungssolltemperatur ist.
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Falls
bestimmt wird, dass der Stirlingmotor 100 nicht in einer
autarken Weise betrieben werden kann (nein in Schritt 101), rückt der
Kupplungssteuerabschnitt 23, der in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 enthalten
ist, zumindest die erste Kupplung 6E aus (S105). Somit
wird die mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle 110 des
Stirlingmotors 100 und der Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 unterbrochen, so dass der Stirlingmotor 100 keine
Last auf die Brennkraftmaschine 1 aufbringt. Als ein Ergebnis
ist es möglich,
die Zunahme des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine 1 zu
unterdrücken.
-
Falls
bestimmt wird, dass der Stirlingmotor 100 in einer autarken
Weise betrieben werden kann (JA in Schritt S101), bestimmt der Betriebszustandsbestimmungsabschnitt 22,
ob sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet (S102). Der Verzögerungszustand
der Brennkraftmaschine 1, in anderen Worten der Zustand,
in dem die durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugte Bewegungskraft
abnimmt, bedeutet einen Zustand, in dem das Fahrzeug 50 (siehe 3),
an dem die Brennkraftmaschine 1 und der Stirlingmotor 100 montiert
sind, verzögert. Der
angehaltene Zustand der Brennkraftmaschine 1 mit anderen
Worten der Zustand, in dem die Brennkraftmaschine 1 keine
Bewegungskraft erzeugt, bedeutet einen Zustand, in dem der Betrieb
der Brennkraftmaschine 1 angehalten ist, wenn das Fahrzeug 50 wegen
des Leerlaufstopps oder des sog. wirtschaftlichen Fahrens angehalten
ist.
-
"Wenn sich die Brennkraftmaschine 1 weder in
einem Verzögerungszustand
noch in einem angehaltenen Zustand befindet" bedeutet, dass sich die Brennkraftmaschine 1 in
einem Beschleunigungszustand befindet (die Drehzahl nimmt zu) oder
dass die Brennkraftmaschine 1 in einem stetigen Zustand
betrieben wird (stetiger Betrieb, d. h., ein Zustand, in dem die
Brennkraftmaschine 1 bei einer konstanten Drehzahl und
einem konstanten Drehmomentniveau betrieben wird). Mit anderen Worten
bedeutet dies, dass sich das Fahrzeug 50 in einem Beschleunigungszustand
befindet oder dass das Fahrzeug 50 bei einer konstanten
Geschwindigkeit fährt.
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Falls
sich die Brennkraftmaschine 1 weder in einem Verzögerungszustand
noch in einem angehaltenen Zustand befindet (NEIN in Schritt S102)
rückt der
Kupplungssteuerabschnitt 23 die erste Kupplung 6E ein
und rückt
die zweite Kupplung 6A aus (S103). Als ein Ergebnis wird
die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft über die
erste Kupplung 6E auf die Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 übertragen.
Die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben und wird als die Antriebskraft zum Antreiben
des Fahrzeugs 50 verwendet. Da in diesem Fall die zweite
Kupplung 6A ausgerückt
ist, treibt die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
den elektrischen Generator 2 nicht an. Dementsprechend
wird die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
nicht in elektrische Energie erzeugt und die gesamte Bewegungskraft
wird zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben. Somit ist es möglich, einen Energieverlust
zu verhindern, der dann verursacht wird, wenn die Bewegungskraft
in elektrische Energie umgewandelt wird, und es ist daher möglich, die
durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft effizient
zu nutzen.
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Wenn
sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet (JA in Schritt S102),
dann rückt der
Kupplungssteuerabschnitt 23 die Kupplung 6E aus
bzw. löst
sie und rückt
die zweite Kupplung 6A ein (S104). Auf diese Weise werden
die Kurbelwelle 110 des Stirlingmotors 100 und
die Eingangswelle 2s des elektrischen Generators 2 verbunden,
so dass die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
den elektrischen Generator 2 antreibt. Dann steuert der
Elektrogeneratorsteuerabschnitt 24, der indem Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 der
Kraftmaschinen-ECU 20 enthalten ist, den elektrischen Generator 2 und
den Gleichrichter 7 entsprechend der durch den Stirlingmotor 100 erzeugten
Bewegungskraft, um die erzeugte elektrische Energie in der Speicherbatterie 8 zu
speichern.
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Falls
sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet, dann kann in Folge
der Ansprechverzögerung
des Stirlingmotors 100 eine überschüssige Bewegungskraft erzeugt
werden. In diesem Ausführungsbeispiel
ist es jedoch möglich,
die überschüssige Bewegungskraft
in elektrische Energie umzuwandeln, indem die erste Kupplung 6E ausgerückt wird
und die zweite Kupplung 6A eingerückt wird, so dass es möglich ist,
die thermische Energie effizient zu nutzen, die der Stirlingmotor 100 von
dem Abgas Ex der Brennkraftmaschine 1 wiedergewinnt. Als
ein Ergebnis ist es möglich,
die Abnahme der Abgaswärmewiedergewinnungseffizienz
und die Zunahme im Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 1 zu
unterdrücken.
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Wenn
die Brennkraftmaschine 1 verzögert, dann wird die mechanische
Verbindung zwischen der Kurbelwelle 110 des Stirlingmotors 100 und
der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 unterbrochen,
indem die erste Kupplung 6E ausgerückt wird, so dass die überschüssige Bewegungskraft
des Stirlingmotors 100 das Fahrzeug 50 nicht antreibt.
Auf diese Weise ist es möglich,
die Verzögerung
entsprechend der Nachfrage des Fahrers des Fahrzeuges 50 zu
erreichen. Als nächstes
wird eine Betriebssteuerung des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß eines
weiteren Beispiels des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Betriebssteuerung des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß eines
weiteren Steuerungsbeispiels des ersten Ausführungsbeispiels zeigt. Beim Durchführen der
Betriebssteuerung des Abgaswärmewiedergewinnungsgeräts 10 oder
der gleichen gemäß des Ausführungsbeispiels
oder dessen Modifikation bestimmt der Betriebszustandsbestimmungsabschnitt 22,
der von dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 der
Kraftmaschinen-ECU 20 enthalten ist, ob der Stirlingmotor 100 in einer
autarken Weise betrieben werden kann (S201).
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Falls
bestimmt wird, dass der Stirlingmotor 100 nicht in einer
autarken Weise betrieben werden kann (NEIN in Schritt S201), dann
rückt der
Kupplungssteuerabschnitt 23, der in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 enthalten
ist, zumindest die erste Kupplung 6E aus (S207). Falls
bestimmt wird, dass der Stirlingmotor 100 in einer autarken
Weise betrieben werden kann (JA in S201), bestimmt der Betriebszustandsbestimmungsabschnitt 22,
ob es eine Nachfrage zum Antreiben der Brennkraftmaschine 1 gibt
(S202).
-
Wenn
sich die Brennkraftmaschine 1 weder in einem Verzögerungszustand
noch in einem angehaltenen Zustand befindet (NEIN in Schritt S202), dann
bestimmt der Betriebszustandsbestimmungsabschnitt 22 auf
Grundlage der von einem Beschleunigungspedalbetätigungsbetragsensor 30,
einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 31 oder dergleichen
erhaltenen Information und des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 1,
ob die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 zum Antreiben des
Fahrzeuges 50 benötigt
wird. Wenn die Brennkraftmaschine 1 bei einer konstanten
Drehzahl und einem konstanten Ausgabeniveau (stetiger Betrieb) betrieben
wird, etwa wenn das Fahrzeug 50 (siehe 3)
bei einer konstanten Geschwindigkeit fährt, oder wenn sich die Brennkraftmaschine 1 beispielsweise
zum Beschleunigen des Fahrzeuges 50 in einem Beschleunigungszustand
befindet, dann wird bestimmt, dass die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 zum
Antreiben des Fahrzeuges 50 benötigt wird.
-
Falls
die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 benötigt wird,
dann wird die erste Kupplung 6E eingerückt und die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft wird zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben, um die Bewegungskraft als die Antriebskraft
des Fahrzeuges 50 zu verwenden. In diesem Fall zeigt die
durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft ein
Ansprechverhalten auf, das bezüglich
der Änderung
der Wärmeeingabe verzögert ist,
und somit besteht eine Möglichkeit, dass
die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
der Änderung
der durch die Kraftmaschine 1 erzeugten Bewegungskraft
nicht folgen kann. Falls in diesem Fall die erste Kupplung 6E eingerückt ist,
treibt die Brennkraftmaschine 1 den Stirlingmotor 100 an.
Als ein Ergebnis verwendet der Stirlingmotor 100 die durch
die Brennkraftmaschine 1 erzeugte Bewegungskraft und daher
bringt er auf die Brennkraftmaschine eine Last auf, was zu einer
Abnahme der Kraftausgabe der Brennkraftmaschine 1 und zu
einer Zunahme deren Kraftstoffverbrauch führt.
-
Aus
diesem Grund bestimmt der Betriebszustandsbestimmungsabschnitt 22 dann,
wenn bestimmt wird, dass die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 erforderlich
ist (JA in Schritt S203), ob der Stirlingmotor 100 eine
Last auf die Brennkraftmaschine 1 aufbringt (S204). In
dem Fall, in dem die Last, die der Stirlingmotor 100 aufbringt,
annehmbar ist, zusätzlich
zu dem Fall, in dem der Stirlingmotor 100 auf die Brennkraftmaschine 1 überhaupt
keine Last aufbringt, wird bestimmt, dass der Stirlingmotor 100 auf
die Brennkraftmaschine 1 keine Last aufbringt.
-
Ob
der Stirlingmotor 100 auf die Brennkraftmaschine 1 eine
Last aufbringt wird beispielsweise auf Grundlage dessen bestimmt,
ob die Zunahme der Drehzahl (die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl)
Ns des Stirlingmotors 100 der Zunahme der Drehzahl (der
Wärmekraftmaschinendrehzahl)
Ne der Brennkraftmaschine 1 folgt. Insbesondere dann, wenn
die Zunahme der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne folgt, wird bestimmt, dass der Stirlingmotor 100 keine
Last auf die Brennkraftmaschine 1 aufbringt. Andererseits
wird dann, wenn die Zunahme der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns hinter der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne hinterherhinkt, bestimmt, dass der Stirlingmotor 100 eine
Last auf die Brennkraftmaschine 1 aufbringt.
-
„Wenn die
Zunahme der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne folgt" impliziert „wenn die
durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugte Bewegungskraft
nicht durch den Stirlingmotor 100 verwendet wird, wenn
die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns mit der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne zunimmt". „Wenn die Zunahme
der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns hinter der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne hinterherhinkt" impliziert „wenn der
Stirlingmotor 100 durch die Brennkraftmaschine 1 angetrieben
wird und als ein Ergebnis die durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugte
Bewegungskraft verwendet, wenn die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns mit der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne zunimmt". Wenn
die Brennkraftmaschine 1 sich in einem Beschleunigungszustand
befindet, falls die durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugte
Bewegungskraft niedriger als die erforderliche Kraftausgabe für das Fahrzeug 50 ist,
kann bestimmt werden, dass der Stirlingmotor 100 auf die
Brennkraftmaschine 1 keine Last aufbringt.
-
Ob
die Zunahme der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne folgt kann bestimmt werden, indem die Zunahmerate (Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsbeschleunigung)
der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns pro Zeiteinheit mit der Zunahmerate (Wärmekraftmaschinenbeschleunigung)
der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne pro Zeiteinheit vergleichen werden, welches die Zunahmeraten
sind, wenn eine Nachfrage zum Beschleunigen des Fahrzeugs 50 besteht.
-
Beispielsweise
wird die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
aus der Temperatur des von der Brennkraftmaschine 1 ausgelassenen
Abgases Ex, der Temperatur der Heizeinrichtung 105 des
Stirlingmotors 100 usw. abgeschätzt. Folglich wird beispielsweise
ein Vergleich zwischen der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsbeschleunigung,
mit der die erzeugte Bewegungskraft die Trägheit des Stirlingmotors 100 (die
Trägheit
des Drehkörpers)
beschleunigt und der Wärmekraftmaschinenbeschleunigung
für die
Brennkraftmaschine 1 durchgeführt, die aus dem Betriebsbetrag
und der Betriebsgeschwindigkeit berechnet wird, mit der das Beschleunigungspedal
betätigt
wird. Falls das Vergleichsergebnis hervorbringt, dass die Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsbeschleunigung
niedriger als die Wärmekraftmaschinenbeschleunigung
ist, dann wird bestimmt, dass die Zunahme der Abgaswärmewiedergewinnungseinheitsdrehzahl
Ns hinter der Zunahme der Wärmekraftmaschinendrehzahl
Ne hinterher hinkt.
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Wenn
die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 benötigt wird
(JA in Schritt S203) und der Stirlingmotor 100 auf die
Brennkraftmaschine 1 keine Last aufbringt (NEIN in Schritt
S204), dann rückt
der Kupplungssteuerabschnitt 23 die erste Kupplung 6E ein
und rückt
die zweite Kupplung 6A aus (S205). Auf diese Weise wird
die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft über die
erste Kupplung 6E auf die Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 übertragen.
Die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben und als die Antriebskraft zum Antreiben des
Fahrzeugs 50 verwendet.
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Zu
diesem Zeitpunkt befindet sich die zweite Kupplung 6A in
einem ausgerückten
Zustand und die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
wird daher nicht zum Antreiben des elektrischen Generators 2 verwendet.
Somit wird die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
nicht in elektrische Energie umgewandelt sondern die gesamte Bewegungskraft
wird zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben. Auf diese Weise ist es möglich, den
Energieverlust zu vermeiden, der dann verursacht wird, wenn die
Bewegungskraft in elektrische Kraft umgewandelt wird, und es ist
daher möglich,
die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
effizient zu nutzen.
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Zusätzlich ist
es möglich,
die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte Bewegungskraft
zu nutzen, wenn sich die Brennkraftmaschine 1 in einem
Beschleunigungszustand befindet. Somit ist es möglich, die Zunahme des Kraftstoffverbrauchs
der Brennkraftmaschine 1 während der Beschleunigen zu
unterdrücken.
Wenn sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Beschleunigungszustand
befindet und die Summe aus der durch die Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Bewegungskraft und der durch den Stirlingmotor 100 erzeugten
Bewegungskraft größer als
die erforderliche Bewegungskraft ist, dann kann die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft zum Antreiben des elektrischen Generators 2 verwendet
werden und die Brennkraftmaschine 1 kann die erforderliche
Bewegungskraft erzeugen. Auf diese Weise wird es möglich, das
Fahrzeug 50 entsprechend der Nachfrage durch den Fahrer
anzutreiben und gleichzeitig kann die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte
Bewegungskraft effizient genutzt werden.
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Wenn
sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet (JA in Schritt S202),
wenn die Bewegungskraft von dem Stirlingmotor 100 nicht
erforderlich ist (NEIN in Schritt S203) oder wenn der Stirlingmotor 100 für die Brennkraftmaschine 1 zu
einer Last wird (JA in Schritt S204), dann erzeugt der Stirlingmotor 100 eine überschüssige Bewegungskraft
infolge des schlechten Ausgabeansprechverhaltens. In diesem Fall
rückt der
Kupplungssteuerabschnitt 23 die erste Kupplung 6E aus
und rückt
die zweite Kupplung 6A ein (S206).
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Auf
diese Weise werden die Kurbelwelle 110 des Stirlingmotors 100 und
die Eingangswelle 2s des elektrischen Generators 2 verbunden
und die durch den Stirlingmotor 100 erzeugte überschüssige Bewegungskraft
wird zum Antreiben des elektrischen Generators 2 verwendet.
Der Elektrizitätserzeugungssteuerabschnitt 24,
der in dem Abgaswärmewiedergewinnungsgerätsteuerabschnitt 21 der
Brennkraftmaschinen-ECU 20 enthalten ist, steuert den elektrischen
Generator 2 und den Gleichrichter 7 entsprechend
der durch den Stirlingmotor 100 erzeugten Bewegungskraft,
um die erzeugte elektrische Energie in der Speicherbatterie 5 zu
speichern.
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Wenn
sich die Brennkraftmaschine 1 in einem Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet, wenn die Bewegungskraft
von dem Stirlingmotor 100 nicht erforderlich ist oder wenn der
Stirlingmotor 100 für
die Brennkraftmaschine 1 eine Last wird, dann wird die überschüssige Bewegungskraft
infolge der Verzögerung
des Ausgabeansprechverhaltens des Stirlingmotors 100 erzeugt.
Jedoch ist es in diesem Ausführungsbeispiel
möglich, die
durch den Stirlingmotor 100 erzeugte überschüssige Bewegungskraft in elektrische
Energie umzuwandeln, indem die erste Kupplung 6E ausgerückt wird
und die zweite Kupplung 6A eingerückt wird, so dass es möglich ist,
die thermische Energie effizient zu nutzen, die der Stirlingmotor 100 von
dem Abgas Ex der Brennkraftmaschine 1 wiedergewinnt. Als
ein Ergebnis ist es möglich,
die Abnahme der Abgaswärmewiedergewinnungseffizienz
und die Zunahme des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine 1 zu unterdrücken.
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Wenn
die Brennkraftmaschine 1 verzögert, dann wird die erste Kupplung 6E ausgerückt, um
die mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle 110 des
Stirlingmotors 100 und der Ausgabewelle 1s der
Brennkraftmaschine 1 zu unterbrechen. Auf diese Weise wird
dann, wenn das Fahrzeug 50 verzögert, die durch den Fahrer
angeforderte Verzögerung erhalten,
da die überschüssige Bewegungskraft
von dem Stirlingmotor 100 nicht zum Antreiben des Fahrzeugs 50 verwendet
wird.
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Wenn
der Stirlingmotor 100 für
die Brennkraftmaschine 1 zu einer Last wird, dann wird
die erste Kupplung 6E ausgerückt, um die mechanische Verbindung
zwischen der Kurbelwelle 110 des Stirlingmotors 100 und
der Ausgabewelle 1s der Brennkraftmaschine 1 zu
unterbrechen. Somit bringt der Stirlingmotor 100 auf die
Brennkraftmaschine 1 keine Last auf und daher ist es möglich, die
Abnahme der Ausgabe der Brennkraftmaschine 1 und die Zunahme
deren Kraftstoffverbrauchs zu unterdrücken.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, werden in dem Ausführungsbeispiel und dessen Modifikation die
Ausgabe der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
und die Ausgabe der Wärmekraftmaschine
kombiniert und von einer gemeinsamen Welle ausgegeben und das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät hat den
elektrischen Generator, der durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
angetrieben wird. Die Wärmekraftmaschine
oder der elektrische Generator werden in Abhängigkeit des Betriebszustands der
Wärmekraftmaschine
ausgewählt
und mit der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, zwar in Abhängigkeit
des Betriebszustands der Wärmekraftmaschine
entweder die durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugte Bewegungskraft zusammen mit der durch die Wärmekraftmaschine
erzeugten Bewegungskraft auszugeben oder die durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugte Bewegungskraft in elektrische Energie umzuwandeln und dann
die Energie auszugeben. Als ein Ergebnis ist es selbst dann möglich, die
Bewegungskraft durch Umwandeln in elektrische Energie effizient
zu nutzen, wenn die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit eine überschüssige Bewegungskraft
erzeugt. Es ist anzumerken, dass ein Gerät mit einer Konfiguration ähnlich zu
jener in diesem Ausführungsbeispiel
und dessen Modifikation offenbarten Konfiguration die ähnlichen
Betriebe und Wirkungen wie jene des Ausführungsbeispiels und dessen
Modifikation hervorbringt. Zusätzlich
kann die durch das Ausführungsbeispiel
und dessen Modifikation offenbarte Konfiguration zudem auf geeignete
Weise in dem folgenden zweiten Ausführungsbeispiel angewendet werden.
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Als
Nächstes
wird ein zweites Ausführungsbeispiel
beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel
ist im Wesentlichen gleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme,
dass die Wärmespeichereinheit
zum Speichern der Wärme
des Abgases an einem Hochtemperaturabschnitt der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
fixiert ist, den das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät aufweist, und
dass die in der Wärmespeichereinheit
gespeicherte Wärme
zum Antreiben der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
verwendet wird, nachdem die Wärmekraftmaschine
angehalten ist, von der die Abgaswärme wieder gewonnen wird. Mit
Ausnahme der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
ist die Konfiguration des zweiten Ausführungsbeispiels ähnlich zu
der des ersten Ausführungsbeispiels
und deren Beschreibung wird ausgelassen.
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8 ist
eine Schnittansicht, die einen Stirlingmotor zeigt, der das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß des zweiten
Ausführungsbeispiels
aufweist. Wie in 8 gezeigt ist, ist der Stirlingmotor
(Abgaswärmewiedergewinnungseinheit) 100b,
der das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß des Ausführungsbeispiels
ist, mit einem Wärmespeichermaterial 120 an
einem Hochtemperaturabschnitt versehen, welches als die Wärmespeichereinheit
dient. Es ist anzumerken, dass der Stirlingmotor 100b durch
den Stirlingmotor 100 ersetzt werden kann, welcher das
Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 oder
dergleichen (siehe 2 und 4) gemäß des ersten
Ausführungsbeispiels
oder dessen Modifikationen aufweist.
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Das
Wärmespeichermaterial 120 speichert die
Wärme des
von der Brennkraftmaschine 1 ausgelassenen Abgases Ex.
Ein Metallmaterial, etwa Eisen und Aluminium und beispielsweise
Zement können als
das Wärmespeichermaterial 120 verwendet
werden. Das Wärmespeichermaterial 120 ist
von einem Wärmeisolator 122 umgeben,
so dass die Emission der in dem Wärmespeichermaterial 120 gespeicherten
Wärme unterdrückt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird zum Übertragen
der Wärme
des Abgases Ex auf das Wärmespeichermaterial 120 und
zum Speichern der Wärme
darin ein Heiz- bzw. Wärmerohr 121 als
eine Wärmeübertragungseinrichtung verwendet.
Die Wärme
des Abgases Ex wird durch Verdampfung und Kondensation des in dem
Wärmerohr 121 eingeschlossenen
Arbeitsfluids auf das Wärmespeichermaterial 120 übertragen.
Durch die Verwendung des Wärmerohrs 121 ist
es möglich, selbst
dann Wärme
von einer Wärmequelle
zu dem Wärmespeichermaterial 120 zu übertragen,
wenn das Wärmespeichermaterial 120 und
die Wärmequelle
voneinander beabstandet sind.
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Es
ist vorzuziehen, dass der Wärmeeingangsabschnitt 121i des
Wärmerohrs 121 an
einem Hochtemperaturabschnitt des Stirlingmotors 100b fixiert
ist. Mit dieser Konfiguration besteht kein Bedarf dazu, den Wärmeeingangsabschnitt 121i des
Wärmerohrs 121 in
dem Abgasdurchlass 5 vorzusehen und es ist daher möglich, die
Zunahme des Druckverlusts in dem Abgasdurchlass 5 zu verhindern.
Es ist anzumerken, dass an dem Abgasdurchlass 5 ein Abzweigungsdurchlass
vorgesehen sein kann und der Wärmeeingangsabschnitt 121i des
Wärmerohrs 121 in
dem Abzweigungsdurchlass vorgesehen sein kann, um die Wärme des
Abgases Ex zu speichern.
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Die
Hochtemperaturabschnitte des Stirlingmotors 100b sind Abschnitte,
die den Regenerator 106 aufweisen, wo die Temperatur die
Temperatur des Generators 106 überschreitet. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Wärmeeingangsabschnitt 121i des
Wärmerohrs 121 an
einem Flanschabschnitt 119 des hochtemperaturseitigen Zylinders 101 fixiert.
Ein Wärmeausgabeabschnitt 121o des
Wärmerohrs 121 ist
an dem Wärmespeichermaterial 120 fixiert.
Somit wird die Wärme
des Abgases Ex durch den Hochtemperaturabschnitt des Stirlingmotors 100b in
dem Wärmespeichermaterial 120 gespeichert.
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Durch
die Verwendung des Flanschabschnitts 119 des hochtemperaturseitigen
Zylinders 101 ist es möglich,
den Wärmeeingangsabschnitt 121i des
Wärmerohrs 121 relativ
einfach an dem Hochtemperaturabschnitt des Stirlingmotors 100b zu fixieren.
Der Flanschabschnitt 119 des hochtemperaturseitigen Zylinders 101 ist
ein Abschnitt, der einstückig
mit dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 ausgebildet
ist und an der Seite vorsteht, an der der hochtemperaturseitige
Zylinder 101 und die Heizeinrichtung 105 verbunden
sind und der mit der Basisplatte 111 in Eingriff ist.
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Wenn
die Brennkraftmaschine 1 angehalten ist, da die Nachfrage
zum Antreiben der Brennkraftmaschine 1 angehalten ist und
als ein Ergebnis die Zufuhr des Abgases Ex zu der Heizeinrichtung 105 des
Stirlingmotors 100b gestoppt ist, wird der Stirlingmotor 100b durch
die in der Heizeinrichtung 105 gespeicherte Wärme angetrieben.
Auf diese Weise rückt
der Kupplungssteuerabschnitt 23, den die ECU 20 aufweist,
die erste Kupplung 6E aus und rückt die zweite Kupplung 6A ein,
so dass der Stirlingmotor 100b den elektrischen Generator 2 antreibt.
Dies ist die Erläuterung
des Falls, in dem der Stirlingmotor 100b des zweiten Ausführungsbeispiels
durch den Stirlingmotor 100 ersetzt ist, der das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät 10 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
aufweist (siehe 2).
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Falls
die in der Heizeinrichtung 105 gespeicherte Wärme zum
Antreiben des Stirlingmotors 100b verwendet wird, fällt die
Temperatur der Heizvorrichtung 105 ab. Wenn die Temperatur
der Heizeinrichtung 105 auf unterhalb der Temperatur des Wärmespeichermaterials 120 abfällt, dann
wird die Wärme
in dem Wärmespeichermaterial 120 mittels der
Wärmeleitung
durch den metallenen Abschnitt des Wärmerohrs 121 zu der
Heizeinrichtung 105 übertragen.
Auf diese Weise wird der Stirlingmotor 105 durch die in
dem Wärmespeichermaterial 120 gespeicherte
Wärme angetrieben.
Wenn die in dem Wärmespeichermaterial 120 gespeicherte
Wärme zu dem
Ausmaß verwendet
wurde, dass es unmöglich ist,
den Stirlingmotor 100b anzutreiben, dann wird der Stirlingmotor 100b angehalten.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird in diesem Ausführungsbeispiel die
thermische Energie des Abgases Ex der Brennkraftmaschine 1 in
dem Wärmespeichermaterial 120 gespeichert,
so dass es möglich
ist, die thermische Energie des Abgases Ex von der Brennkraftmaschine 1 effizienter
zu nutzen.
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Der
Wärmeeingangsabschnitt 121i des
Wärmerohrs 121 kann
an dem Wärmespeichermaterial 120 fixiert
sein und der Wärmeausgabeabschnitt 120o des
Wärmerohrs 121 kann
an dem Hochtemperaturabschnitt (beispielsweise dem Flanschabschnitt 119 des
hochtemperaturseitigen Zylinders 101) des Stirlingmotors 100 fixiert
sein. Dann kann Wärme
von dem Wärmespeichermaterial 120 über Verdampfung und
Kondensation des in dem Wärmerohr 121 eingeschlossenen
Arbeitsfluids zu der Heizvorrichtung 105 übertragen
werden. In diesem Fall wird die Wärme des Abgases Ex durch Wärmeleitung über den
metallenen Abschnitt des Wärmerohrs 121 zu
dem Wärmespeichermaterial 120 übertragen.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Wärmespeichereinheit
zum Speichern der Wärme
des Abgases an dem Hochtemperaturabschnitt der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
fixiert und die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
wird durch die in der Wärmespeichereinheit
gespeicherten Wärme
angetrieben, nachdem die Wärmekraftmaschine
angehalten ist, von der die Abgaswärme wieder gewonnen wird. Auf diese
Weise ist es möglich,
die thermische Energie des von der Wärmekraftmaschine ausgelassenen Abgases
effizient zu nutzen. Es ist anzumerken, dass ein Gerät mit einer
Konfiguration, die ähnlich
zu jener in dem zweiten Ausführungsbeispiel
offenbarten Konfiguration ist, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen
aufzeigt, wie jene des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist das erfindungsgemäße Abgaswärmewiedergewinnungsgerät hinsichtlich
der Konfiguration nützlich,
in der die Ausgabe von der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit und
die Ausgabe der Wärmekraftmaschine
kombiniert und von einer gemeinsamen Welle ausgegeben werden. Insbesondere
ist das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät zum effizienten
Gebrauch der durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit
erzeugten überschüssigen Bewegungskraft
geeignet.
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Ein
Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10)
hat: einen Stirlingmotor (100), der eine Kraftausgabe durch
Wiedergewinnung der thermischen Energie aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine
(1) erzeugt; eine für
eine Ausgabewelle (1s) der Brennkraftmaschine (1)
vorgesehene erste Kupplung (6E); einen durch den Stirlingmotor
(100) angetriebenen elektrischen Generator (2);
und eine für
eine Eingangswelle (2s) des elektrischen Generators (2)
vorgesehene zweite Kupplung (6A). Wenn sich die Brennkraftmaschine
(1) in einem Verzögerungszustand
oder in einem angehaltenen Zustand befindet, dann wird die erste
Kupplung (6E) ausgerückt
und die zweite Kupplung (6A) eingerückt, so dass der Stirlingmotor
(100) den elektrischen Generator (2) zum Erzeugen
elektrischer Energie antreibt. Andererseits wird dann, wenn sich
die Brennkraftmaschine (1) in einem stetigen Betrieb befindet,
die erste Kupplung (6E) eingerückt und die zweite Kupplung (6A)
ausgerückt,
so dass die durch den Stirlingmotor (100) erzeugte Bewegungskraft
zusammen mit der durch die Brennkraftmaschine (1) erzeugten
Bewegungskraft ausgegeben wird.