DE102007000189A1 - Abgaswärmerückgewinnungsgerät - Google Patents

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Abstract

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.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Darstellung der Erfindung
  • Technische Aufgabe
  • 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.
  • Technische Lösung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen der Zeichnungen
  • 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:
  • 1 eine Schnittansicht ist, die einen Stirlingmotor zeigt, der als eine Abgaswärmewiedergewinnungseinheit eines ersten Ausführungsbeispiels dient;
  • 2 eine Draufsicht ist, die eine Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
  • 3 ein schematisches Schaubild ist, das einen Zustand zeigt, in dem das Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel an einem Fahrzeug montiert ist;
  • 4 eine Draufsicht ist, die die Konfiguration des Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß einer Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
  • 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;
  • 6 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Beispiel einer Betriebssteuerung des Abgaswärmewiedergewinnungsgeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
  • 7 ein Ablaufdiagramm ist, das die Betriebssteuerung eines Abgaswärmewiedergewinnungsgerätes gemäß einem weiteren Steuerungsbeispiel des ersten Ausführungsbeispiels zeigt; und
  • 8 ist eine Schnittansicht, die einen Stirlingmotor zeigt, der ein Abgaswärmewiedergewinnungsgerät gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel aufweist.
  • Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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 15 genommen werden.
  • 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).
  • "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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a), dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes aufweist: eine Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b), die eine Bewegungskraft durch Wiedergewinnung der thermischen Energie aus einem von einer Wärmekraftmaschine (1) ausgelassenen Abgas erzeugt; einen elektrischen Generator (2), der durch die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) angetrieben wird; eine erste Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E) zum Umschalten zwischen einem Verbindungszustand und einem Trennungszustand zwischen der Wärmekraftmaschine (1) und der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b); und eine zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6A) zum Umschalten zwischen einem verbundenen Zustand und einem getrennten Zustand zwischen der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) und dem elektrischen Generator (2), wobei wahlweise die Wärmekraftmaschine (1) oder der elektrische Generator (2) in Abhängigkeit des Betriebszustands der Wärmekraftmaschine (1) mit der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) verbunden werden.
  2. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E) in einen getrennten Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6A) in einen verbundenen Zustand gebracht wird, wenn sich die Wärmekraftmaschine (1) in einem Verzögerungszustand oder in einem angehaltenen Zustand befindet.
  3. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E) in einen verbundenen Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E) in einen getrennten Zustand gebracht wird, wenn sich die Wärmekraftmaschine (1) weder in einem Verzögerungszustand noch in einem angehaltenen Zustand befindet und es erforderlich ist, die Bewegungskraft von der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) und die Bewegungskraft von der Wärmekraftmaschine (1) zu kombinieren und diese Bewegungskräfte zusammen auszugeben.
  4. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6e) in einen verbundenen Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6A) in einen getrennten Zustand gebracht wird, wenn die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) keine Last auf die Wärmekraftmaschine (1) aufbringt, und dass andererseits die erste Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E) in einen getrennten Zustand gebracht wird und die zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6A) in einen verbundenen Zustand gebracht wird, wenn die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) eine Last für die Wärmekraftmaschine (1) wird.
  5. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn sich die Wärmekraftmaschine (1) in einem stetigen Betrieb befindet oder wenn die Wärmekraftmaschine (1) beschleunigt, falls die Zunahme der Drehzahl der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) der Zunahme der Drehzahl der Wärmekraftmaschine (1) folgt, bestimmt wird, dass die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) auf die Wärmekraftmaschine (1) keine Last aufbringt und daher die erste und zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E und 6A) in einen verbundenen Zustand bzw. einen getrennten Zustand gebracht werden.
  6. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn sich die Wärmekraftmaschine (1) in einem stetigen Betrieb befindet oder wenn die Wärmekraftmaschine (1) beschleunigt, falls die Zunahme der Drehzahl der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) hinter der Zunahme der Drehzahl der Wärmekraftmaschine (1) hinterher hinkt, bestimmt wird, dass die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100, 100b) für die Wärmekraftmaschine (1) eine Last darstellt und daher die erste und zweite Kraftübertragungsumschalteinrichtung (6E und 6A) in einen getrennten Zustand bzw. einen verbundenen Zustand gebracht werden.
  7. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Folgendes aufweist: eine Wärmespeichereinrichtung (120) zum Speichern der aus dem Abgas der Wärmekraftmaschine (1) erhaltenen Wärme, wobei Wärme von der Wärmespeichereinheit (120) zu der Heizeinrichtung (105) zugeführt wird, um die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100b) anzutreiben, falls keine Nachfrage zum Antreiben der Wärmekraftmaschine (1) besteht und eine Temperatur der Heizeinrichtung (105), die die Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100b) zum Wiedergewinnen der thermischen Energie aufweist, niedriger als die Temperatur der Wärmespeichereinrichtung (120) wird.
  8. Abgaswärmewiedergewinnungsgerät (10, 10a) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wärmespeichereinrichtung (120) und der Abgaswärmewiedergewinnungseinheit (100b) ein Wärmerohr (121) vorgesehen ist und die thermische Energie in der Wärmespeichereinrichtung durch das Wärmerohr (121) zu der Heizeinrichtung übertragen wird.
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