JP2009085087A - ピストン機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制すること。
【解決手段】スターリングエンジン１００ｂは、高温側通路開閉弁４１Ｈとクランクケース内空間ＣＳとの間における高温側流体通路４０Ｈに、高温側フィルタ４２Ｈが設けられ、低温側通路開閉弁４１Ｌとクランクケース内空間ＣＳとの間における低温側流体通路４０Ｌに、低温側フィルタ４２Ｌが設けられる。高温側通路開閉弁４１Ｈ及び低温側通路開閉弁４１Ｌは、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときに開き、ＰｍｓがＰｃｓ以下であるときには閉じる。作動流体空間ＭＳ内の作動流体へ含まれる塵は、クランクケース内空間ＣＳへ移動する途中で、高温側フィルタ４２Ｈ及び低温側フィルタ４２Ｌで捕捉される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ピストンリングや潤滑油を使用しないでシリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関に関する。

近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。特許文献１には、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させるとともに、ピストンを近似直線機構で支持するスターリングエンジンが開示されている。また、特許文献２には、多孔質体を軸受用の部材として用いる静圧空気軸受において、多孔質体と回転体との隙間に加圧した空気を供給し、ガスカーテンを形成することによって、軸受隙間内への異物の侵入を阻止する技術が開示されている。

特開２００５−１０６００９号公報 特開２００４−２８６１０９号公報

特許文献１に開示されたスターリングエンジンは、ピストンとシリンダとの微小なクリアランスに気体軸受を介在させるため、微小な異物が作動流体に混入していると、ピストンとシリンダとの間の気体軸受へ作動流体とともに異物が侵入するおそれがある。その結果、ピストンやシリンダの耐久性を低下させるおそれがある。

特許文献２に開示された技術は、ガスカーテンで異物を除去するものであるが、作動流体から異物を除去できる訳ではなく、特許文献１に開示された技術のように、スターリングエンジン内部の密閉空間で気体軸受を構成する場合には、作動流体中の異物は依然として残存する。このため、特許文献２に開示された技術では、スターリングエンジン内部の密閉空間で気体軸受を構成する場合、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を十分に抑制できない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、シリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関において、前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、前記ピストン機関の作動流体が充填される第１の空間と、前記ピストンに対して前記第１の空間の反対側における第２の空間とを接続する流体通路と、前記流体通路に設けられて前記流体通路を開閉するとともに、前記第１の空間の内部圧力が前記第２の空間の内部圧力よりも大きくなったときに、前記流体通路を開く通路開閉手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記流体通路に設けられ、かつ前記通路開閉手段と前記第２の空間との間に配置されて、前記流体通路を通過する作動流体に含まれる異物を捕捉する異物除去手段を備えることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記通路開閉手段は、前記ピストン機関の始動時に開くことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記通路開閉手段は、前記ピストン機関に対する要求出力が所定の要求出力閾値よりも小さいときに開くことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記通路開閉手段は、前記ピストン機関が搭載される車両が停止しているときにおいて、前記ピストン機関が余熱で動作しているときに開くことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンは、前記ピストンの外殻で囲まれて、所定の圧力の流体を溜める蓄圧空間と、前記ピストンの側部に複数設けられ、前記蓄圧空間内の流体を前記ピストンの側部と前記シリンダとの間に流出させる給気孔と、を有することが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストン機関はスターリングエンジンであり、前記作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器を備え、前記熱交換器は前記シリンダに接続され、前記第１の空間へ前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出することが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストンを支持して前記ピストンを近似的に直線運動させる近似直線機構を備えることが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記ピストン機関において、前記ピストン機関は、前記ピストン機関とは異なる熱機関を備える車両に搭載されて、前記熱機関の排出した熱を熱源として駆動することが好ましい。

本発明は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。なお、以下においては、ピストン機関の一例としてスターリングエンジンを取り上げるが、ピストン機関はこれに限定されるものではない。また、ピストン機関であるスターリングエンジンを用いて、車両等に搭載される内燃機関の排熱を回収する例を説明するが、排熱の回収対象は内燃機関に限られない。例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。

本実施形態に係るピストン機関は、ピストンとシリンダとの間に気体軸受が介在する構造を備える。このため、例えば、シリンダ内の作動流体空間から、ピストンの外殻とピストンの内部の仕切り部材とで囲まれる蓄圧空間内へ作動流体を導入させ、この作動流体をピストンの側部に設けた給気孔からピストンとシリンダとの間に流出させ、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成する。本実施形態は、このようなピストン機関において、作動流体が充填される第１の空間と、ピストンに対して第１の空間の反対側に形成される第２の空間とを流体通路で接続し、この流体通路に、第１の空間の内部圧力が第２の空間の内部圧力よりも大きくなったときに、流体通路を開く通路開閉手段を設ける点に特徴がある。このように、本実施形態では、第１の空間から第２の空間への作動流体の流動を利用して、作動流体空間内の作動流体から異物を除去する。望ましくは、流体通路を通過する作動流体に含まれる異物を捕捉する異物除去手段を流体通路に設けるとよい。なお、気体軸受は、静圧気体軸受、動圧気体軸受のいずれでもよい。

図１は、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。図２は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受を示す平面図である。図３−１は、本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。図３−２は、本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。

本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関の排ガスＥｘを通過させる通路として機能するヒータケース３に熱交換器１０８を配置して、内燃機関の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収する、排熱回収装置として用いられる。

スターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈ内に収められた高温側ピストン２０Ｈと、低温側シリンダ３０Ｌ内に収められた低温側ピストン２０Ｌとが直列に配置されている。なお、以下において、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを区別しない場合にはシリンダ３０といい、高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとを区別しない場合にはピストン２０という。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとは、基準体である基板１１１に、直接又は間接的に支持、固定されている。本実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ３０Ｈと高温側ピストン２０Ｈとの間、及び低温側シリンダ３０Ｌと低温側ピストン２０Ｌとの間に気体軸受ＧＢを介在させる。

本実施形態に係るスターリングエンジンは、基準体である基板１１１に、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができる。これによって、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。

高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとの間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が設けられる。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排気通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌとを直列に配置することにより、内燃機関の排ガス通路のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置できる。

ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ３０Ｈ側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。ヒータ１０５は、作動流体を加熱する。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置されて、ヒータ１０５又はクーラー１０７から流入する作動流体が通過する。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ３０Ｌ側に配置される。クーラー１０７は、作動流体を冷却する。高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌは、熱交換器１０８を通過した作動流体が流入し、流出する。

高温側シリンダ３０Ｈ及び低温側シリンダ３０Ｌ及び熱交換器１０８内には作動流体（本実施形態では空気）が充填されており、ヒータ１０５から供給される熱によってスターリングサイクルを構成し、スターリングエンジン１００を駆動する。高温側シリンダ３０Ｈの作動流体が充填される空間を高温側作動流体空間ＭＳＨ、低温側シリンダ３０Ｌの作動流体が充填される空間を低温側作動流体空間ＭＳＬといい、両者を区別しない場合には、単に作動流体空間という。

ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねて構成できる。クーラー１０７は空冷としてもよいし、水冷としてもよい。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成できる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択できる。

高温側ピストン２０Ｈと低温側ピストン２０Ｌとは、高温側シリンダ３０Ｈと低温側シリンダ３０Ｌ内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さず、潤滑油を用いないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下でスターリングエンジン１００を使用する場合でも、スターリングエンジン１００により排熱から熱エネルギーを回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、ピストン２０（高温側ピストン２０Ｈ、低温側ピストン２０Ｌ）とシリンダ３０（高温側シリンダ３０Ｈ、低温側シリンダ３０Ｌ）との間には、所定のクリアランスｔｃを設ける。クリアランスｔｃは、ピストン２０の全周にわたって１０μｍ〜数１０μｍとする。高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌの往復運動は、コネクティングロッド６１によって出力軸であるクランクシャフト１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。

ここで、気体軸受ＧＢは、ピストン２０の直径方向（横方向、スラスト方向）の力に耐える能力（負荷能力）が低いため、ピストン２０のサイドフォースＦｓを実質的に０にすることが好ましい。このため、シリンダ３０の軸線（中心軸）に対するピストン２０の直線運動精度を高くする必要がある。これを実現するため、図３−１に示すように、本実施形態において、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌは、似直線機構（例えばグラスホッパ機構）６０によって支持される。

グラスホッパ機構６０は、一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第１腕６２と、同じく一端部がスターリングエンジン１００の筐体１００Ｃへ回動可能に取り付けられる第２腕６３と、一端部がコネクティングロッド６１の端部と回動可能に連結され、他端部が第２腕６３の他端部と回動可能に連結される第３腕６４とで構成される。コネクティングロッド６１は、クランクシャフト１１０と回動可能に取り付けられる端部とは異なる端部が、第３腕６４の端部と回動可能に連結される。また、第１腕６２の他端部は、第３腕６３の両端部の間に、回動可能に連結される。

このように構成されるグラスホッパ機構６０を用いれば、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０Ｌを略直線状に往復運動させることができる。その結果、高温側ピストン２０Ｈ及び低温側ピストン２０ＬのサイドフォースＦｓがほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによっても十分にピストン２０を支持できる。なお、ピストン２０を支持する近似直線機構はグラスホッパ機構に限られるものではなく、ワットリンク等を用いてもよい。

なお、グラスホッパ機構６０は、他の直線近似機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の寸法が小さくて済むため、スターリングエンジン１００全体がコンパクトになるという利点がある。特に、本実施形態に係るスターリングエンジン１００を車両に搭載される内燃機関の排熱回収に用い、内燃機関の排ガスの通路に熱交換器１０８を配置するというような、限られたスペースにスターリングエンジンを設置する場合、スターリングエンジン１００の全体がコンパクトである方が設置の自由度は向上する。また、グラスホッパ機構６０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の質量が他の機構よりも軽量で済むため、熱効率を向上させる点で有利である。さらに、グラスホッパ機構６０は、機構の構成が比較的簡単であるため、製造・組み立てが容易であり、また製造コストも低減できるという利点もある。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ３０Ｈ、高温側ピストン２０Ｈ、コネクティングロッド６１、クランクシャフト１１０等の構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成される。筺体１００Ｃ内を構成するクランクケース１１４Ａ内の空間（クランクケース内空間）ＣＳには気体が充填される。本実施形態において、前記気体は、スターリングエンジン１００の作動流体と同一である。クランクケース内空間ＣＳに充填される気体は、圧力調整手段であるポンプ１１５により加圧される。ポンプ１１５は、例えば、スターリングエンジン１００の排熱回収対象である内燃機関によって駆動してもよいし、例えば電動機のような駆動手段を用いて駆動してもよい。

スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５とクーラー１０７との温度差が同じ場合、作動流体の平均圧力が高い程、高温側と低温側との圧力差が大きくなるので、より高い出力が得られる。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、クランクケース内空間ＣＳに充填される気体を加圧することにより、作動流体空間ＭＳ内の作動流体を高圧に保持して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すように構成してある。これによって、排熱回収のように低質な熱源しか用いることができない場合でも、より多くの出力をスターリングエンジン１００から取り出すことができる。ここで、スターリングエンジン１００の出力は、筺体１００Ｃ内に充填される気体の圧力にほぼ比例して大きくなる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、筺体１００Ｃにシール軸受１１６が取り付けられており、クランクシャフト１１０はシール軸受１１６により支持される。本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、筺体１００Ｃ内に充填される気体を加圧するが、シール軸受１１６により、筺体１００Ｃ内に充填される気体の漏れを最小限に抑えることができる。クランクシャフト１１０の出力は、例えば、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング１１８を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。

図１、図３−１に示すように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００が備えるピストン２０は、頂部２０Ｔと、側部２０Ｓと、底部２０Ｂとを外殻とし、頂部２０Ｔと、側部２０Ｓと、底部２０Ｂとで囲まれる空間を、蓄圧空間２０Ｉとする。ピストン２０の頂部２０Ｔには、蓄圧空間２０Ｉと連通する気体導入通路２１が設けられる。作動流体空間ＭＳ内の作動流体ＦＬは、気体導入通路２１を通ってピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入される。

ピストン２０の頂部２０Ｔの蓄圧空間２０Ｉ側には、蓄圧空間２０Ｉ内に導入された作動流体ＦＬの逆流を防止するため、加圧状態保持手段として逆止弁２５が設けられる。逆止弁２５は、蓄圧空間２０Ｉの内部へ配置され、作動流体空間ＭＳ内の作動流体ＦＬを気体導入通路２１から蓄圧空間２０Ｉへ導入し、また、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動流体空間ＭＳ内へ逆流することを防止する。

ピストン２０の動きにより、図３−１に示すシリンダ３０内の作動流体空間ＭＳに存在する作動流体ＦＬの圧力（作動流体空間内圧力）Ｐｍｓが上昇し、逆止弁２５が開くときの圧力（開弁圧力）Ｐｏを上回ると、逆止弁２５が開弁する。そして、作動流体空間ＭＳ内の作動流体ＦＬが気体導入通路２１を通って蓄圧空間２０Ｉ内へ流入する。ここで、開弁圧力Ｐｏは、蓄圧空間２０Ｉ内の圧力（蓄圧空間内圧力）Ｐｐよりも高い所定の圧力に設定される。

ピストン２０の動きにより作動流体空間内圧力Ｐｍｓが低下し、開弁圧力Ｐｏよりも低くなると、逆止弁２５は閉弁する。これによって、蓄圧空間２０Ｉ内の作動流体ＦＬが作動流体空間ＭＳへ逆流することを防ぐ。このように、逆止弁２５は、蓄圧空間２０Ｉ内の加圧状態を保持する加圧状態保持機能を有するとともに、作動流体ＦＬを蓄圧空間２０Ｉ内へ導入する作動流体導入機能を有する。作動流体空間ＭＳからピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、ピストン２０の側部２０Ｓに設けられた複数の給気孔２２を通ってピストン２０の側部２０Ｓとシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間のクリアランスｔｃに流出する。これによって、ピストン２０とシリンダ３０の内壁３０Ｉとの間に気体軸受ＧＢが構成される。なお、気体軸受ＧＢは、静圧気体軸受であるが、本実施形態に適用できる気体軸受はこれに限定されるものではなく、動圧気体軸受であってもよい。

このように、図１に示すスターリングエンジン１００の運転時には、ピストン２０の上昇にともない、作動流体空間ＭＳの作動流体ＦＬが圧縮される。作動流体空間内圧力Ｐｍｓが逆止弁２５の開弁圧力よりも高くなると、逆止弁２５が開弁する。そして、気体導入通路２１を介して、作動流体空間ＭＳの作動流体ＦＬの一部が蓄圧空間２０Ｉに導入される。蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬは、その一部が、ピストン２０の周方向に向かって複数設けられる給気孔２２を通ってピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出し、気体軸受ＧＢを形成する。

このように、ピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ導入した作動流体ＦＬをピストン２０とシリンダ３０との間に流出させて気体軸受ＧＢを形成する他、図３−２に示すスターリングエンジン１００ａのように、筺体１００Ｃの外部へ配置した、気体軸受用圧力生成手段である気体軸受ポンプ１２０から気体供給通路４５を介してピストン２０の蓄圧空間２０Ｉへ作動流体ＦＬを供給してもよい。そして、蓄圧空間２０Ｉへ導入された作動流体ＦＬを、給気孔２２からピストン２０とシリンダ３０との間のクリアランスｔｃに流出させ、気体軸受ＧＢを形成してもよい。

スターリングエンジン１００は、特に熱交換器１０８内における作動流体の通路が複雑で、微小な塵やゴミ等の異物を完全に除去できるとは限らない。また、熱交換器１０８のヒータ１０５等から、長時間運転後に異物が遊離するおそれもある。このため、スターリングエンジン１００の作動流体ＦＬには、異物が混入するおそれがある。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、ピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃに、ピストン２０内の蓄圧空間２０Ｉから作動流体ＦＬを流出させて気体軸受ＧＢを形成し、これによってピストン２０をシリンダ３０内へ支持する。このため、作動流体ＦＬに微小な異物が混入していても、異物がピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃへ侵入すると、ピストン２０やシリンダ３０の表面に影響を与えてこれらの耐久性を低下させたり、ピストン２０とシリンダ３０との間の摺動抵抗を増加させたりするおそれがある。

図１に示すスターリングエンジン１００は、ピストン機関であるスターリングエンジン１００の作動流体が充填される第１の空間と、ピストン２０に対して第１の空間とは反対側における第２の空間とを接続する流体通路を備える。そして、流体通路には、第１の空間の内部圧力が第２の空間の内部圧力よりも大きくなったときに、流体通路を開く通路開閉手段が設けられる。

本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、高温側作動流体空間ＭＳＨ及び低温側作動流体空間ＭＳＬ、すなわち作動流体空間ＭＳが第１の空間に相当し、クランクケース内空間ＣＳが第２の空間に相当する。本実施形態では、高温側作動流体空間ＭＳＨとクランクケース内空間ＣＳとを高温側流体通路４０Ｈで接続するとともに、低温側作動流体空間ＭＳＬとクランクケース内空間ＣＳとを低温側流体通路４０Ｌで接続する。すなわち、高温側流体通路４０Ｈ及び低温側流体通路４０Ｌが流体通路に相当する。また、高温側流体通路４０Ｈには高温側通路開閉弁４１Ｈが設けられ、低温側流体通路４０Ｌには低温側通路開閉弁４１Ｌが設けられる。高温側通路開閉弁４１Ｈ及び低温側通路開閉弁４１Ｌが通路開閉手段に相当する。ここで、高温側流体通路４０Ｈと低温側流体通路４０Ｌとを区別しない場合には流体通路４０といい、高温側通路開閉弁４１Ｈと低温側通路開閉弁４１Ｌとを区別しない場合には通路開閉弁４１という。

通路開閉弁４１は、例えば、電磁弁を用いて構成される。図１に示すように、通路開閉弁４１は、スターリングエンジン１００を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０と電気的に接続されており、ＥＣＵ５０によって開閉が制御される。通路開閉弁４１が開くと、流体通路４０によって作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとが連通し、通路開閉弁４１が閉じると、作動流体空間ＭＳとクランクケース内空間ＣＳとの連通が遮断される。

図４は、作動流体空間の圧力とクランクケース内空間の圧力との関係を示す説明図である。図１に示すスターリングエンジン１００の運転中において、図４に示すように、クランクケース内空間ＣＳの圧力（クランクケース内圧力）Ｐｃｓはほぼ一定であるが、作動流体空間ＭＳの圧力（作動流体空間内圧力）Ｐｍｓは周期的に変化する。本実施形態において、通路開閉弁４１は、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときに開き、ＰｍｓがＰｃｓ以下であるときには閉じる。図４に示す例では、（θ１＋２×ｎ×π）〜（θ２＋２×ｎ×π）の期間に通路開閉弁４１が開弁し、（θ０＋２×ｎ×π）〜（θ１＋２×ｎ×π）の期間に通路開閉弁４１が閉弁する（ｎは整数）。これによって、通路開閉弁４１は、作動流体空間ＭＳからクランクケース内空間ＣＳへ作動流体を移動させ、クランクケース内空間ＣＳから作動流体空間ＭＳへは作動流体を移動させない。

このように構成することで、作動流体空間ＭＳ内の作動流体へ含まれる塵はクランクケース内空間ＣＳへ移動するので、作動流体空間ＭＳ内の作動流体から塵を除去できる。その結果、作動流体とともに異物がピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃへ侵入することを抑制できるので、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性の低下やピストン２０とシリンダ３０との間における摺動抵抗の増加を抑制できる。

また、通路開閉弁４１は、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときに開き、ＰｍｓがＰｃｓ以下であるときには閉じるので、クランクケース内空間ＣＳへ移動した塵が作動流体とともに流体通路４０を通って作動流体空間ＭＳへ戻ることを防止できる。これによって、作動流体とともに異物がピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃへ侵入することをより確実に抑制できる。

本実施形態において、通路開閉弁４１の開弁時期は、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときであるが、この時期であれば、開弁時間や開弁開始時期は適宜変更してよい。流体通路４０を流れる作動流体の流量は、作動流体空間ＭＳの作動流体中に混入している塵をクランクケース内空間ＣＳへ移動させるために必要な最小限の値とする。流体通路４０を流れる作動流体の流量は、通路開閉弁４１の開弁時間や開弁時期を調整することによって変更する他、オリフィス等の流量調整手段を流体通路４０に設けて変更してもよい。上記説明では、ＥＣＵ５０で開弁及び閉弁を能動的に制御できる通路開閉弁４１を用いたが、通路開閉弁４１として例えばチェック弁を用い、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときに開き、ＰｍｓがＰｃｓ以下であるときには閉じるようにしてもよい。

図５は、本実施形態に係るスターリングエンジンの変形例を示す説明図である。この変形例に係るスターリングエンジン１００ｂは、上述した実施形態に係るスターリングエンジン１００、１００ａとほぼ同様であるが、流体通路を通過する作動流体に含まれる異物を捕捉する異物除去手段を、流体通路に設けた点が異なる。

本変形例に係るスターリングエンジン１００ｂは、高温側通路開閉弁４１Ｈとクランクケース内空間ＣＳとの間における高温側流体通路４０Ｈに、高温側フィルタ４２Ｈが設けられ、低温側通路開閉弁４１Ｌとクランクケース内空間ＣＳとの間における低温側流体通路４０Ｌに、低温側フィルタ４２Ｌが設けられる。ここで、高温側フィルタ４２Ｈ及び低温側フィルタ４２Ｌが異物除去手段に相当する。また、高温側フィルタ４２Ｈと低温側フィルタ４２Ｌとを区別しない場合にはフィルタ４２という。フィルタ４２は、不織布、ペーパーフィルタ、セラミックフィルタ等を用いることができるが、図１に示す高温側ピストン２０Ｈは高温になるため、これに用いるフィルタ４２は、耐熱性の高いものを用いることが好ましい。

本変形例においても、通路開閉弁４１は、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときに開き、ＰｍｓがＰｃｓ以下であるときには閉じる。このように構成することで、作動流体空間ＭＳ内の作動流体へ含まれる塵は、クランクケース内空間ＣＳへ移動する途中で、流体通路４０に設けられたフィルタ４２で捕捉され、作動流体から除去される。その結果、作動流体とともに異物がピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃへ侵入することを抑制できるので、ピストン２０やシリンダ３０の耐久性低下やピストン２０とシリンダ３０との間における摺動抵抗の増加を抑制できる。

また、通路開閉弁４１は、作動流体空間内圧力Ｐｍｓがクランクケース内圧力Ｐｃｓよりも高いときに開き、ＰｍｓがＰｃｓ以下であるときには閉じ、かつフィルタ４２は通路開閉弁４１とクランクケース内空間ＣＳとの間に設けられるので、フィルタ４２によって除去された塵は、通路開閉弁４１とフィルタ４２との間に閉じ込められる。これによって、作動流体から除去された塵は、作動流体空間ＭＳやクランクケース内空間ＣＳ内に戻ることをより確実に防止できる。その結果、作動流体とともに異物がピストン２０とシリンダ３０との間に形成される微小なクリアランスｔｃへ侵入することをより確実に抑制できる。

図６は、本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。本実施形態では、スターリングエンジン１００の出力を、スターリングエンジン用変速機５を介して内燃機関用変速機４へ入力し、内燃機関１の出力と合成して取り出す。なお、内燃機関１の排熱回収に用いるスターリングエンジンは、図３−２に示すスターリングエンジン１００ａでもよいし、図５に示すスターリングエンジン１００ｂでもよい。

本実施形態において、内燃機関１は、スターリングエンジン１００とは異なる熱機関であって、例えば、スターリングエンジン１００とともに乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力源となる。内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる動力源として出力を発生する。一方、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の出力を生み出すことができない。したがって、本実施形態において、スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの温度が所定温度を超えたら内燃機関１の排ガスＥｘから熱エネルギーを回収して出力を発生し、内燃機関１とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン１００は、前記車両の従たる動力源となる。

スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、内燃機関１の排気通路２内に配置される。なお、排気通路２内には、スターリングエンジン１００の再生器（図１参照）１０６を配置してもよい。スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、排気通路２に設けられる中空のヒータケース３内に設けられる。

本実施形態において、スターリングエンジン１００を用いて回収した排ガスＥｘの熱エネルギーは、スターリングエンジン１００で運動エネルギーに変換される。スターリングエンジン１００の出力軸であるクランクシャフト１１０には、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられており、スターリングエンジン１００の出力は、クラッチ６を介してスターリングエンジン用変速機５に伝達される。

内燃機関１の出力は、内燃機関１の出力軸である内燃機関クランクシャフト１ｓを介して内燃機関用変速機４に入力される。そして、内燃機関用変速機４は、内燃機関１の出力と、スターリングエンジン用変速機５から出力されるスターリングエンジン１００の出力とを合成して、変速機出力軸９に出力し、デファレンシャルギヤ１０を介して駆動輪１１を駆動する。

ここで、動力断続手段であるクラッチ６は、内燃機関用変速機４とスターリングエンジン１００との間に設けられる。本実施形態では、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとスターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０との間に設けられる。クラッチ６は、係合、解放することによって、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と、スターリングエンジン用変速機５の入力軸５ｓとの機械的な接続を断続する。クラッチ６は、ＥＣＵ５０によって制御される。

また、ＥＣＵ５０には、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０の角度を検出するクランク角センサ１４０や、内燃機関クランクシャフト１ｓの角度を検出する内燃機関用クランク角センサ７や、アクセル８Ｐの開度を検出するアクセル開度センサ８が接続される。これらのセンサ類からの情報に基づいて、ＥＣＵ５０は内燃機関１やスターリングエンジン１００の運転を制御する。

スターリングエンジン１００は、内燃機関１の排出する排ガスＥｘの熱エネルギーを回収するため、内燃機関１の冷間始動時等のように排ガスＥｘの温度が低い場合には、排ガスＥｘから熱エネルギーを回収できず、出力を発生することができない。このため、スターリングエンジン１００が出力を発生できるようになるまではクラッチ６を解放して、スターリングエンジン１００と内燃機関１とを切り離して、スターリングエンジン１００が内燃機関１に駆動されることによるエネルギー損失を抑制する。

スターリングエンジン１００が内燃機関１に駆動されずに運転できるようになったら、すなわち、スターリングエンジン１００が自立運転できるようになったら、ＥＣＵ５０はクラッチ６を係合して、スターリングエンジン１００を起動する。このように、クラッチ６は、スターリングエンジン１００の起動手段（機関起動手段）として機能するとともに、スターリングエンジン１００の発生する出力をスターリングエンジン用変速機５へ伝達するスターリングエンジン出力伝達手段（ピストン機関出力伝達手段）としても機能する。なお、クラッチ６とは別個に、例えばスターターモータのような機関起動手段を備え、これを用いてスターリングエンジン１００の起動し、スターリングエンジン１００が起動したらクラッチ６を係合してもよい。

クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と内燃機関１の内燃機関クランクシャフト１ｓとは、スターリングエンジン用変速機５及び内燃機関用変速機４を介して直結される。これによって、スターリングエンジン１００の発生する出力と内燃機関１の発生する出力とは、内燃機関用変速機４で合成され、変速機出力軸９から取り出される。一方、クラッチ６を開放すると、内燃機関１の内燃機関クランクシャフト１ｓはスターリングエンジン１００のクランクシャフト１１０と切り離されて回転する。

図６に示す本実施形態のスターリングエンジン１００が備えるピストンは、上述した構成により作動流体に含まれる異物を除去し、ピストン内の蓄圧空間や作動流体空間からピストンとシリンダとの間へ異物が侵入することを防止するので、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制して、安定した運転が実現できる。また、本実施形態に係るスターリングエンジン１００は、ピストンとシリンダとの間に異物はほとんど侵入しない。

これによって、車両に搭載されるスターリングエンジン１００が振動を受けてピストンとシリンダとのクリアランスが変化したとしても、ピストンとシリンダとの間の異物によってピストンやシリンダの耐久性が低下することを回避できる。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００を、車両に搭載された内燃機関１の排熱回収に用いる場合には、安定して排熱を回収できるとともに、十分な耐久性を確保できる。

（制御例）
次に、本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジン１００、１００ａ、１００ｂにおいて、作動流体空間の作動流体から塵を除去する際の塵除去制御を説明する。まず、塵除去制御を実行するための塵除去制御装置の構成を説明する。

図７は、本実施形態に係るスターリングエンジンで、塵除去制御を実行するための塵除去制御装置の構成例を示す説明図である。図７に示すように、塵除去制御装置７０は、ＥＣＵ５０に組み込まれて構成されている。ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）５０ｐと、記憶部５０ｍと、入力ポート５５及び出力ポート５６と、入力インターフェース５７と、出力インターフェース５８とから構成される。

なお、ＥＣＵ５０とは別個に、本実施形態に係る塵除去制御装置７０を用意し、これをＥＣＵ５０に接続してもよい。そして、本実施形態に係る駆動制御を実現するにあたっては、ＥＣＵ５０が備えるスターリングエンジン１００や内燃機関１等に対する制御機能を、前記塵除去制御装置７０が利用できるように構成してもよい。

塵除去制御装置７０は、制御条件判定部７１と、通路開閉制御部７２とを含んで構成される。これらが、本実施形態に係るごみ除去制御を実行する部分となる。本実施形態において、塵除去制御装置７０は、ＥＣＵ５０を構成するＣＰＵ５０ｐの一部として構成される。また、ＣＰＵ５０ｐには、内燃機関１やスターリングエンジン１００やこれらの補記類等を制御するための機関制御部５０Ｃが設けられる。

塵除去制御装置７０の制御条件判定部７１、通路開閉制御部７２とは、バス５４_１によって入力ポート５５と接続され、また、バス５４_２によって出力ポート５６と接続される。これにより、塵除去制御装置７０を構成する入力ポート５５とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、ＣＰＵ５０ｐと、記憶部５０ｍとは、バス５４_３を介して接続される。これによって、ＣＰＵ５０ｐが備える塵除去制御装置７０は、機関制御部５０Ｃが用いる制御データや、内燃機関１やスターリングエンジン１００の運転制御プログラムを利用できる。また、塵除去制御装置７０は、本実施形態に係る塵除去制御を、ＥＣＵ５０の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。

入力ポート５５には、入力インターフェース５７が接続されている。入力インターフェース５７には、アクセル開度センサ８、クランク角センサ１４０、内燃機関用クランク角センサ７等の、塵除去制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェース５７内のＡ／Ｄコンバータ５７ａやディジタル入力バッファ５７ｄにより、ＣＰＵ５０ｐが利用できる信号に変換されて入力ポート５５へ送られる。これにより、ＣＰＵ５０ｐは、本実施形態に係る塵除去制御に必要な情報を取得することができる。

出力ポート５６には、出力インターフェース５８が接続されている。出力インターフェース５８には、本実施形態に係る塵除去制御に必要な制御対象が接続されている。本実施形態では、通路開閉弁４１、すなわち、高温側通路開閉弁４１Ｈ及び低温側通路開閉弁４１Ｌが出力インターフェース５８に接続されている。出力インターフェース５８は、制御回路５８_１、５８_２等を備えており、ＣＰＵ５０ｐが備える塵除去制御装置７０で演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、塵除去制御装置７０は、高温側通路開閉弁４１Ｈ及び低温側通路開閉弁４１Ｌの開閉を制御できる。

記憶部５０ｍには、本実施形態に係る駆動制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ、あるいは本実施形態に係る駆動制御に用いるデータ等が格納されている。ここで、記憶部５０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、ＣＰＵ５０ｐへ既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本実施形態に係る駆動制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この塵除去制御装置７０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、制御条件判定部７１、通路開閉制御部７２の機能を実現するものであってもよい。次に、本実施形態に係る塵除去制御の手順を説明する。次においては、図５に示すスターリングエンジン１００を例とするが、図３−２に示すスターリングエンジン１００ａや図５に示すスターリングエンジン１００ｂでも塵除去制御は同様である。

図８−１〜図８−３は、本実施形態に係る塵除去制御の手順を示すフローチャートである。図８−１に示す塵除去制御は、図１、図６に示すスターリングエンジン１００の始動前に、スターリングエンジン１００を外部動力で駆動して、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとに基づいて、通路開閉弁４１を開閉する。

図８−１に示す塵除去制御を実行するにあたり、ステップＳ１０１において、図７に示す塵除去制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、図１、図６に示すスターリングエンジン１００が運転中か否かを判定する。例えば、図１に示すスターリングエンジン１００のクランク角センサ１４０が、クランクシャフト１１０の回転を検出している場合、制御条件判定部７１はスターリングエンジン１００が運転中であると判定する。

ステップＳ１０１でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がスターリングエンジン１００は運転中であると判定した場合、本実施形態に係る塵除去制御は終了する。ステップＳ１０１でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がスターリングエンジン１００は運転中でないと判定した場合、ステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２において、図７に示すＥＣＵ５０が備える機関制御部５０Ｃは、スターリングエンジン１００を外部動力で駆動する。本実施形態では、図６に示す内燃機関１の運転中にクラッチ６を係合し、内燃機関１の動力でスターリングエンジン１００を駆動する。なお、スターターモータでスターリングエンジン１００を始動させる場合には、スターターモータを用いてスターリングエンジン１００を駆動する。

次に、ステップＳ１０３において、制御条件判定部７１は、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとを比較する。ステップＳ１０３でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がＰｍｓ＞Ｐｃｓであると判定した場合、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４において、図７に示す塵除去制御装置７０が備える通路開閉制御部７２は、図１に示す通路開閉弁４１、すなわち高温側通路開閉弁４１Ｈ及び低温側通路開閉弁４１Ｌを開く。これによって、図１に示すスターリングエンジン１００の作動流体空間ＭＳ内の作動流体はクランクケース内空間ＣＳへ移動する。このとき、作動流体に含まれる塵は、作動流体とともにクランクケース内空間ＣＳへ移動して、作動流体空間ＭＳから除去される。なお、高温側通路開閉弁４１Ｈと低温側通路開閉弁４１Ｌとの少なくとも一方が開かれればよい。作動流体空間内圧力Ｐｍｓは、クランクシャフト１１０の回転角度によって変化するので、Ｐｍｓ＞Ｐｃｓであるか否かは、例えば、クランク角センサ１４０からの信号に基づいて判定できる。

ステップＳ１０３でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がＰｍｓ≦Ｐｃｓであると判定した場合、ステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５において、図７に示す塵除去制御装置７０が備える通路開閉制御部７２は、図１に示す通路開閉弁４１、すなわち高温側通路開閉弁４１Ｈ及び低温側通路開閉弁４１Ｌを閉じる。これによって、クランクケース内空間ＣＳから作動流体空間ＭＳへの作動流体の逆流を防止して、クランクケース内空間ＣＳへ移動した塵が作動流体空間ＭＳへ戻ることを防止する。このような制御手順によって、スターリングエンジン１００が運転される前には、作動流体空間ＭＳから塵が除去された状態になっているので、安定してスターリングエンジンを運転できる。

また、上記ごみ除去制御においては、スターリングエンジン１００を始動するか否かとは関係なく通路開閉弁４１を開閉したが、ステップＳ１０２でスターリングエンジン１００を外部動力で駆動する際に、スターリングエンジン１００を始動してもよい。すなわち、スターリングエンジン１００が自立運転可能な条件が成立したら、スターリングエンジン１００を外部動力で駆動し、スターリングエンジン１００が始動する前におけるＰｍｓ＞Ｐｃｓであるときに通路開閉弁４１を開いて、作動流体空間ＭＳから塵を除去する。その後、スターリングエンジン１００を始動する。これによって、スターリングエンジン１００が運転される前には必ず作動流体空間ＭＳから塵が除去されるので、安定してスターリングエンジンを運転できる。次に、図８−２に示す塵除去制御を説明する。

本実施形態に係る塵除去制御は、作動流体空間ＭＳからクランクケース内空間ＣＳへの作動流体の移動をともなうため、スターリングエンジン１００の出力が低下することがある。図８−２に示す塵除去制御は、この出力低下の影響を最小限に抑えるため、図１、図６に示すスターリングエンジン１００に対する要求出力に基づき、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとに基づいた通路開閉弁４１の開閉を実行するものである。図８−２に示す塵除去制御を実行するにあたり、ステップＳ２０１において、図７に示す塵除去制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、図１、図６に示すスターリングエンジン１００が運転中か否かを判定する。

ステップＳ２０１でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がスターリングエンジン１００は運転中ではないと判定した場合、本実施形態に係る塵除去制御は終了する。ステップＳ２０１でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がスターリングエンジン１００は運転中であると判定した場合、制御条件判定部７１は、現時点におけるスターリングエンジン１００に対する要求出力（以下、要求出力という）Ｑｎと、予め定めたスターリングエンジン１００に対する要求出力の閾値（以下、要求出力閾値という）Ｑｃとを比較する。

要求出力Ｑｎは、例えば、スターリングエンジン１００の運転条件（図６に示す内燃機関１の排ガスＥｘの温度やアクセル８Ｐの開度等）に基づいて決定される。また、要求出力閾値Ｑｃは、作動流体空間ＭＳからクランクケース内空間ＣＳへ作動流体が移動することに起因するスターリングエンジン１００の出力低下が許容できる程度の値とする。例えば、要求出力閾値Ｑｃは、スターリングエンジン１００の最大出力の０％〜５％とする。

ステップＳ２０２でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がＱｎ≧Ｑｃであると判定した場合、本実施形態に係る塵除去制御は終了する。ステップＳ２０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がＱｎ＜Ｑｃであると判定した場合、上述したように、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとに基づいて、通路開閉弁４１を開閉する（ステップＳ２０３〜ステップＳ２０５）。このような制御手順によって、作動流体空間ＭＳの作動流体から塵を除去できるので、安定してスターリングエンジンを運転できる。また、要求出力Ｑｎに基づいて通路開閉弁４１を開閉するので、作動流体空間ＭＳからクランクケース内空間ＣＳへ作動流体が移動することに起因するスターリングエンジン１００の出力低下を最小限に抑えることができる。このため、スターリングエンジン１００の出力不足を伴うことなく、作動流体空間ＭＳから塵を除去できる。

本実施形態では、要求出力Ｑｎと要求出力閾値Ｑｃとを比較したが、例えば、スターリングエンジン１００が搭載される車両が減速しているときや停止しているときに、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとに基づいて、通路開閉弁４１を開閉してもよい。すなわち、前記車両が減速しているときや停止しているときは、要求出力が０か極めて小さいので、このときに通路開閉弁４１を開閉しても、スターリングエンジン１００の出力不足による影響は問題にならない。次に、図８−３に示す塵除去制御を説明する。

図８−３に示す塵除去制御は、図１、図６に示すスターリングエンジン１００が、内燃機関１の停止後における余熱で回転しているときに、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとに基づいて、通路開閉弁４１を開閉する。スターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は熱容量が大きいため、内燃機関１からの排ガスＥｘの供給が停止しても、ある程度の時間は回転を継続する。したがって、図８−３に示す塵除去制御では、内燃機関１の停止後におけるスターリングエンジン１００の回転中に通路開閉弁４１が開閉される。

図８−３に示す塵除去制御を実行するにあたり、ステップＳ３０１において、図７に示す塵除去制御装置７０が備える制御条件判定部７１は、図１に示す内燃機関１が停止しているか否かを判定する。ステップＳ３０１でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１が、内燃機関１が運転中であると判定した場合、本実施形態に係る塵除去制御は終了する。

ステップＳ３０１でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１が、内燃機関１は停止していると判定した場合、ステップＳ３０２へ進む。ステップＳ３０２において、制御条件判定部７１は、図１、図６に示すスターリングエンジン１００が停止したか否かを判定する。

ステップＳ３０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がスターリングエンジン１００は停止していると判定した場合、本実施形態に係る塵除去制御は終了する。ステップＳ３０２でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部７１がスターリングエンジン１００は停止していないと判定した場合、上述したように、作動流体空間内圧力Ｐｍｓとクランクケース内圧力Ｐｃｓとに基づいて、通路開閉弁４１を開閉する（ステップＳ３０３〜ステップＳ３０５）。

このような制御手順によって、作動流体空間ＭＳから塵を除去できるので、安定してスターリングエンジンを運転できる。また、排熱回収対象である内燃機関１が停止し、スターリングエンジン１００が余熱で回転しているときに通路開閉弁４１を開閉するので、スターリングエンジン１００の出力に影響を与えることなく、作動流体空間ＭＳから塵を除去できる。また、スターリングエンジン１００の停止前に作動流体空間ＭＳ内の作動流体から塵を除去できるので、次にスターリングエンジン１００を運転するときには、ピストン２０とシリンダ３０との間へ異物が侵入するおそれを低減できる。

以上、本実施形態では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を介在させる構造において、作動流体が充填される第１の空間と、ピストンに対して第１の空間の反対側に形成される第２の空間とを流体通路で接続し、この流体通路に、第１の空間の内部圧力が第２の空間の内部圧力よりも大きくなったときに、流体通路を開く通路開閉手段を設ける。これによって、第１の空間から作動流体とともに塵が第２の空間へ移動して、第１の空間から塵が除去される。これによって、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。また、ピストンとシリンダとの間への異物の混入を抑制できるので、気体軸受の荷重負荷能力を確実に発揮させるとともに、ピストンとシリンダとの間の潤滑を確保できる。

また、洗浄では除去し切れなかった塵や部品のバリ等が作動流体へ混入したり、ピストン機関がスターリングエンジンである場合は、高温にさらされた熱交換器の構成部品からの異物等が作動流体へ混入したりすることが考えられる。本実施形態の構成によれば、そのような異物も確実に除去できるので、ピストンとシリンダとの間への異物の侵入を抑制して、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。

以上のように、本発明に係るピストン機関は、ピストンリングを用いないピストン機関に有用であり、特に、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を構成するピストン機関に適している。

本実施形態に係るピストン機関であるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受を示す平面図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。 本実施形態の変形例に係るスターリングエンジンが備える気体軸受の構成例、及びピストンの支持構造を示す説明図である。 作動流体空間の圧力とクランクケース内空間の圧力との関係を示す説明図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンの変形例を示す説明図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンを内燃機関の排熱回収に用いる場合の構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るスターリングエンジンで、塵除去制御を実行するための塵除去制御装置の構成例を示す説明図である。 本実施形態に係る塵除去制御の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る塵除去制御の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係る塵除去制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２０ ピストン
２０Ｈ 高温側ピストン
２０Ｌ 低温側ピストン
３０ シリンダ
３０Ｈ 高温側シリンダ
３０Ｌ 低温側シリンダ
４０ 流体通路
４０Ｈ 高温側流体通路
４０Ｌ 低温側流体通路
４１ 通路開閉弁
４１Ｈ 高温側通路開閉弁
４１Ｌ 低温側通路開閉弁
４２ フィルタ
４２Ｈ 高温側フィルタ
４２Ｌ 低温側フィルタ
５０ ＥＣＵ
５０Ｃ 機関制御部
７０ 塵除去制御装置
７１ 制御条件判定部
７２ 通路開閉制御部
１００、１００ａ、１００ｂ スターリングエンジン
ＣＳ クランクケース内空間
ＧＢ 気体軸受
ＭＳ 作動流体空間
ＭＳＨ 高温側作動流体空間
ＭＳＬ 低温側作動流体空間

Claims (9)

1. シリンダ内をピストンが往復運動するピストン機関において、
   前記シリンダと前記ピストンとの間に介在する気体軸受と、
   前記ピストン機関の作動流体が充填される第１の空間と、前記ピストンに対して前記第１の空間の反対側における第２の空間とを接続する流体通路と、
   前記流体通路に設けられて前記流体通路を開閉するとともに、前記第１の空間の内部圧力が前記第２の空間の内部圧力よりも大きくなったときに、前記流体通路を開く通路開閉手段と、
   を備えることを特徴とするピストン機関。
2. 前記流体通路に設けられ、かつ前記通路開閉手段と前記第２の空間との間に配置されて、前記流体通路を通過する作動流体に含まれる異物を捕捉する異物除去手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
3. 前記通路開閉手段は、前記ピストン機関の始動時に開くことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
4. 前記通路開閉手段は、前記ピストン機関に対する要求出力が所定の要求出力閾値よりも小さいときに開くことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
5. 前記通路開閉手段は、前記ピストン機関が搭載される車両が停止しているときにおいて、前記ピストン機関が余熱で動作しているときに開くことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストン機関。
6. 前記ピストンは、
   前記ピストンの外殻で囲まれて、所定の圧力の流体を溜める蓄圧空間と、
   前記ピストンの側部に複数設けられ、前記蓄圧空間内の流体を前記ピストンの側部と前記シリンダとの間に流出させる給気孔と、を有することを特徴とする請求項１に記載のピストン機関。
7. 前記ピストン機関はスターリングエンジンであり、
   前記作動流体を加熱するヒータと、前記ヒータと接続されるとともに前記作動流体が通過する再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記作動流体を冷却するクーラーとを含んで構成される熱交換器を備え、
   前記熱交換器は前記シリンダに接続され、前記第１の空間へ前記熱交換器を通過した作動流体が流入し、流出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のピストン機関。
8. 前記ピストンを支持して前記ピストンを近似的に直線運動させる近似直線機構を備えることを特徴とする請求項７に記載のピストン機関。
9. 前記ピストン機関は、前記ピストン機関とは異なる熱機関を備える車両に搭載されて、前記熱機関の排出した熱を熱源として駆動することを特徴とする請求項７又は８に記載のピストン機関。

Images