JP6093881B2 - エンジンアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に従うエンジンアセンブリに関するものである。

排ガス浄化装置を高温の排気ガスによって排ガス浄化装置の駆動に必要な駆動温度まで加熱するために、車両の内燃機関で発生する熱が部分的に利用される。しかしながら、駆動期間及び駆動強度の増加に伴い、すなわち、内燃機関の出力の増加に伴い、排ガス浄化装置は更に加熱されるので、規定の温度からは排ガス浄化装置の冷却は不可欠である。しかしながら、その高温に基づき、冷却剤又は水蒸気を含む単純な冷却回路は考えられない、なぜなら例えば冷却剤はそのような高温用には設計されてはいないからである。

本発明の課題は、排ガス浄化装置の効果的な冷却並びにエンジンから発生する熱のより良好な利用を可能にするエンジンアセンブリを提供することである。

上記課題を解決するために、冒頭で挙げたタイプのエンジンアセンブリにおいて、オーバーフローラインが少なくとも部分的に排ガス浄化装置を貫通して導かれており、排ガス浄化装置と、オーバーフローライン内を流れるガスの間で、熱交換が行われることが企図される。熱機関（外燃機関）はスターリングエンジン（スターリング機関）の原理に従って機能し、その際、ガスは少なくとも１つのピストンの移動時に、オーバーフローラインを通って、高温領域と低温領域の間を流れる。排ガス浄化装置を貫通して案内されるオーバーフローラインは、いわば、熱交換器として機能する。オーバーフローラインを通って流れるガスは、従って、排ガス浄化装置から熱を吸収するか、排ガス浄化装置へ熱を放出する。それにより、内燃機関の始動時には、排ガス浄化装置を、例えば熱放出によって、より迅速に加熱することが出来るので、排ガス浄化装置はより迅速にその駆動温度に達する。排ガス浄化装置がその駆動温度に達した場合、ガスは過剰な熱を吸収し且つ排ガス浄化装置から持ち去り、従って排ガス浄化装置を冷却し、またそのようにして、排ガス浄化装置の温度上昇を避ける又は少なくとも遅らせることが出来る。スターリングエンジンを用いてのこの様態の冷却は、その種の熱機関を非常に高い温度でも駆動出来る、という長所を提供する。

熱機関のための加熱装置或いは熱機関の作動空間の第１の端部のための加熱装置は、例えば、内燃機関及び／又は排ガス浄化装置によって形成されていてもよい。それにより、内燃機関及び／又は排ガス浄化装置の熱を効率的に利用することが可能であり、また、熱機関のために追加のエネルギー源を必要としない。従って、エネルギー節約的な、排ガス浄化装置の冷却が行われる。

オーバーフローラインは、例えば排ガス浄化装置の内部で複数の部分ラインに分岐することが出来るので、排ガス浄化装置とオーバーフローラインの間のより大きな表面積に基いて、オーバーフローラインを流れるガスと排気ガス浄化装置の間で、本質的に改良された熱交換を行うことが出来る。

オーバーフローライン或いは複数の部分ラインと、排気ガス浄化装置の間の、可能な限り良好な熱交換を達成するために、オーバーフローライン或いは複数の部分ラインを、排気ガス浄化装置を通って任意に案内することが出来る。オーバーフローライン或いは複数の部分ラインは、特には、流れの方向に排気ガス浄化装置を通って案内されているので、可能な限り長い区間に渡っての熱交換が可能である。

ガスは、例えば高温領域から低温領域へ、排ガス浄化装置の流れの方向で、オーバーフローラインを通って、流れることが出来る。

しかし、ガスが高温領域から低温領域へ、排気ガス浄化装置の流れの方向とは逆に、オーバーフローラインを通って流れ、それにより、より良好な熱交換、或いは、排気ガス浄化装置からのより良好な熱放出が行われ得ることも、考えられる。

選択的に、オーバーフローライン又はオーバーフローラインの複数の部分ラインが、排ガス浄化装置の流れの方向に対して基本的に左右方向に排ガス浄化装置を貫通して、導かれていること、も考えられる。

第１の実施形態においては、加熱装置は第１のシリンダに、そして、冷却装置は第２のシリンダに割り当てられている。加熱領域は第１のシリンダ内に、そして、冷却領域は第２のシリンダ内に設けられている。この構造は、パワーピストン（出力ピストン）及びディスプレーサピストンを有する従来のスターリング機関に対応し、その際、スターリング機関の構造に応じて、第１及び第２のピストンの一方がパワーピストンであり、その都度、他方のピストンがディスプレーサピストンである。

第１及び／又は第２のピストンは例えば磁性を有して形成されており、また、開始位置及び膨張位置の間で第１及び第２のシリンダを周方向で取り囲む、電気的なコイルが備えられている。作動空間内でピストンが動かされると、それによりコイルに誘導電流が発生するので、ピストンの機械的な仕事により、電流を発生させることが出来る。

第２の実施形態においては、第１のシリンダには、第１の高温領域、第１の低温領域、並びに、第１の高温領域及び第１の低温領域を流体的（流体が流れるよう）に接続する第１のオーバーフローラインが設けられており、また、第２のシリンダには、第２の高温領域、第２の低温領域、並びに、第２の高温領域及び第２の低温領域を流体的に接続する第２のオーバーフローラインが設けられている。その際、オーバーフローラインはそれぞれ、ピストンの膨張位置でのみ高温領域と低温領域の間の流体的な接続がもたらされるように、形成されている。特に、第１及び第２のシリンダは長手軸方向で並んで配設されており、また、低温領域又は高温領域は互いに隣り合っている。この実施形態においては、いわば２つのスターリング機関が互いの中に組み込まれており、その際、第１のスターリング機関のパワーピストン及びディスプレーサピストンは、第２のスターリング機関のディスプレーサピストン及びパワーピストンを形成する。この構造は、互いに隣り合う低温領域又は高温領域のために、ただ１つの共通の冷却装置又は加熱装置のみが必要である、という利点を提供し、それにより、冷却出力又は熱出力をより良好に利用することが可能である。第１のシリンダは、この実施形態においては、第１のオーバーフローラインと共に、第１の閉じた作動空間を形成し、第２のシリンダは、第２のオーバーフローラインと共に、第１の作動空間とは分断された第２の作動空間を形成する。

この実施形態においても、ピストンは磁性を有して形成されていてもよい。少なくとも１つのシリンダには、第１及び／又は第２のシリンダを開始位置と膨張位置の間で周方向で取り囲む、電気的なコイルが設けられている。この実施形態では更に、ピストンの磁場が反発しあうように、ピストンが設計されていてもよい。このことは更に、ピストンが磁場を介して連結されているので、両シリンダの接続領域へ向かって移動される両ピストンの一方が、その都度他方のピストンを押し込む（押し退ける）、という利点を提供する。

更なる利点及び特徴は、図面と関連して、以下の記載からもたらされる。

本発明に従うエンジンアセンブリの熱機関を示す。 本発明に従うエンジンアセンブリの第１の実施形態を示す。 本発明に従うエンジンアセンブリの第２の実施形態を示す。 本発明に従うエンジンアセンブリの第３の実施形態を示す。 本発明に従うエンジンアセンブリの第４の実施形態を示す。

図１には、図２に示されるエンジンアセンブリ１２のための熱機関１０が示されており、それはスターリング機関の原理に従って機能する。

熱機関１０は、ガス充填されて閉じられた第１の作動空間１４、並びに、ガス充填されて閉じられた第２の作動空間２０を有しており、第１の作動空間１４は、第１のシリンダ１６並びに第１のオーバーフローライン１８によって形成されており、第２の作動空間２０は、第２のシリンダ２２並びに第２のオーバーフローライン２４によって形成されている。シリンダ１６、２２は、長手方向Ｌにおいて互いに並んで、そして、直接互いに境界を接し合って、配設されている。

第１のシリンダ１６内では第１のピストン２６が、第２のシリンダ２２内では第２のピストン２８が、長手軸方向に変位可能な状態にある。

シリンダ１６、２２の間には、共通の冷却装置３０が設けられており、この冷却装置３０は作動空間１４、２０内のガスをその都度冷却領域３２、３４において冷却することが出来る。シリンダ１６、２２の反対側の端部には、それぞれ１つの加熱装置３６、３８が設けられており、この加熱装置３６、３８はそれぞれ加熱領域４０、４２においてガスを加熱することが出来る。

ピストン２６、２８はそれぞれ、膨張方向Ｅにおいて、シリンダ１６、２２の互いに離された端部にある開始位置、或いは、加熱領域４０、４２内の開始位置から、中央の膨張位置、或いは、反対側の冷却領域３２、３４の方向の膨張位置へと、動かされ得る。両ピストン２６、２８は磁性を有しており、また、それらは、ピストン２６、２８の磁場が互いに反発するように、形成されている。

オーバーフローライン１８、２４はそれぞれに、第１の端部４４、４６によって、シリンダ１６、２２のおおよそ中央でそれらに合流している。第２の端部４８、５０はそれぞれに、シリンダ１６、２２の冷却領域３２、３４に合流している。

両シリンダ１６、２２には、ピストン２６、２８の開始位置と膨張位置の間の領域に、それぞれ１つのコイル５２、５４が設けられており、これはそれぞれのシリンダ１６、２２を周方向で取り囲んでいる。

熱機関１０は、スターリングエンジンの原理に従って作動する。

図１では、第１のピストン２６は開始位置にあり、第２のピストン２８は膨張位置にある。

第１の加熱装置３６によって、第１のシリンダ１６の第１の加熱領域４０内のガスは加熱されそして膨張する。第１の冷却装置３０は同時に第１の冷却領域３２内のガスを冷却し、このガスはより低い温度によってその体積を減少する。第１の加熱領域４０内で増加する圧力及び第１の冷却領域３２で減少する圧力によって、第１のピストン２６は膨張方向Ｅへ移動される。

第１のピストン２６が第１のオーバーフローライン１８の第１の端部４４を通過し、第１のピストン２６が膨張位置へ到達すると同時に、加熱領域４０及び冷却領域３２に、流体的な接続がもたらされる。加熱領域４０内のより高い圧力に基づき、第１の加熱領域４０及び第１の冷却領域３２の間に圧平衡がもたらされるまで、ガスが、第１の加熱領域４０から第１の冷却領域３２へ流れる。

第１のピストン２６が開始位置にある場合、第２のピストン２８は膨張位置にあり、そこでは第２のオーバーフロー流路２４を介して、第２の冷却領域３４及び第２の加熱領域４２の間に圧力平衡をもたらすことが出来る。

第１のピストン２６が第１の加熱領域４０内の上昇する圧力に基いて膨張位置へ押し込まれる場合、第２のピストンは、両ピストン２６、２８の反発し合う磁場に基いて、膨張位置から、膨張方向Ｅに反して、開始位置へと押し込まれる。

第２のピストン２８が膨張位置から開始位置へ移動されるとすぐに、このピストン２８は、第２のオーバーフローライン２４の第１の端部４６の前へ、そして、これを通過して、変位されるので、第２の冷却領域３４及び第２の加熱領域４２の間の圧力平衡は発生し得ない。

ピストン２６、２８の磁場は、第１のピストン２６が膨張位置へ移動する際に、第２のピストン２８が開始位置まで押し退けられるように形成されている。

第２のピストン２８が開始位置へ到着した場合、第２の加熱領域４２内のガスは加熱され、それによりこのガスは膨張する。同時に、第２の冷却領域３４内のガスは冷却され、その体積を減少させる。第２の加熱領域４２内で上昇する圧力及び第２の冷却領域３４内で減少する圧力によって、第２のピストン２８は、再び膨張位置へと押し込まれる。ピストン２６、２８は反発するので、それにより第１のピストンは開始位置へ押し込まれる。

加熱領域４０、４２の加熱及び冷却領域３２、３４の冷却により、この実施形態においてはピストン２６、２８の磁場によってもたらされるピストン２６、２８の連結との組み合わせで、ピストン２６、２８の振動性の運動が生み出される。

ピストン２６、２８は磁性を有して形成されているので、この運動により電気コイル５２、５４内に誘導電流が発生し、これを車両内の様々な電子機器のために利用することが出来る。更に、コイルの一方に電圧を印加することによって、ピストン２６、２８の運動を初期化することが出来る。

更に、オーバーフローライン１８、２４を通って流れるガスを、図２に示されるエンジンアセンブリ１２の内燃機関５８の排ガス浄化装置５６の温度を制御するために利用することが出来る。

明瞭さの理由から、図２では、熱機関１０の第１の作動空間１４のみが示されている。ここで示される実施形態では、オーバーフローライン１８は、排ガス浄化装置５６の流れの方向Ｓに対して左右方向に、これを貫通して延びている。第２のオーバーフローライン２４もまた、排ガス浄化装置５６を貫通して案内されていてもよい。

熱機関１０の加熱装置３６は、この実施形態においても、排ガス浄化装置５６によって形成されている。

排ガス浄化装置５６の内部では、オーバーフローライン１８は複数の部分ラインに分岐することが可能で、その際、部分ラインの直径はオーバーフローライン１８に対して縮小されていてもよい。

内燃機関５８の通常の駆動においては、内燃機関５８から排出される排気ガスによって、排ガス浄化装置５６内に非常に高い温度が発生し、この温度は、とりわけ排ガス浄化装置５６の機能にとって必要である。この熱を熱機関１０のために利用することも出来る。それゆえ加熱装置３６、３８は、排ガス浄化装置５６によって形成されている。従って、追加の加熱装置は必要ない。

オーバーフローライン１８は、オーバーフローライン１８を通って流れる熱機関１０のガスが排ガス浄化装置５６で発生する熱を吸収及び排出出来るように、排ガス浄化装置５６を貫通して敷設されている。

本装置の長所は、排ガス浄化装置５６の温度が、非効率的な排ガス浄化、又は、排ガス浄化装置５６の破損を導く可能性がある程に、非常に高温な場合に、熱機関１０或いはオーバーフローライン１８によって、温度調節、特には排ガス浄化装置５６の冷却或いは熱排出が、貫流ガスとの熱交換によって、可能であることである。

熱機関１０を非常に高い温度で駆動することが出来るので、例えば水蒸気又はその他の冷媒を用いての排ガス浄化装置からの熱排出よりも、本質的により効率的な熱排出が可能である。

加えて、加熱装置３０が排ガス浄化装置５６によって形成されているので、熱機関１０のための追加のエネルギー源は必要ない。

それにより、熱機関１０或いはコイル５２、５４及び磁性を有するピストン２６、２８を介して電流を発生するために、排ガス浄化装置５６にて発生する熱を追加で利用することが出来る、そして、その電流を車両内の様々な電子機器のために用いることが出来る。

オーバーフローライン１８、２４は、排ガス浄化装置５６を通って、所望される冷却能力或いは熱交換能力に応じて、任意に案内され得る。

本発明に従うエンジンアセンブリ１２の第２の実施形態は図３に示されている。このエンジンアセンブリ１２の構造は、基本的に図２に示されているエンジンアセンブリ１２に対応する。しかしながらここでは、オーバーフローライン１８は、排ガス浄化装置５６の流れの方向Ｓに対して左右方向ではなく、排ガス浄化装置５６の流れの方向Ｓに、敷設されており、その際、ガスは第１の冷却領域３２から第１の加熱領域４０内へ流れの方向Ｓへ流れる。従って、ガスが排ガス浄化装置５６内部でより長い距離を進むことになるので、実質的により多くの、ガスの熱吸収が可能になり、それにより、実質的により効率的に熱交換を行うことが出来る。

図４に示されている実施形態は、基本的に図３に示されている実施形態に対応しており、その際ガスは反対方向に、つまり、流れの方向Ｓに逆らって、第１の冷却領域３２から第１の加熱領域４０内へ流れる。

図５には、第４の実施形態が示されており、この実施形態においては、流れの方向Ｓで排ガス浄化装置５６の上流に、追加の熱交換器６０が設けられており、オーバーフローライン１８はこの熱交換器６０にも導かれている。

それぞれのオーバーフローライン１８、２４は、排ガス浄化装置５６を貫通して延伸しているので、熱機関或いはスターリングエンジンの実施形態に依存せずに、排ガス浄化装置５６とオーバーフローライン１８を通って流れるガスの間で熱交換を行うことが出来る。

示された実施形態では、ピストン２６、２８はそれぞれ、スターリング機関のディスプレーサピストン及び駆動ピストンとしての２つの機能を満たしている。しかしながら、熱機関１０が加熱装置３６、３８及び冷却装置３６のみを備えたより簡潔な構造を有することも、考えられる。そのような実施形態では、加熱装置３６には、ピストン２６、２８の一方が割り当てられており、冷却装置３０にはその都度ピストン２６、２８の他方が割り当てられている。オーバーフローラインは、両シリンダ１６、２２を、或いは、それぞれシリンダ１６、２２の一方に配設されている加熱領域及び冷却領域を、接続しているので、熱機関は１つの作動空間１４、２０のみを有する。ピストンは、そのような実施形態においても、コイル５２、５４に依存せず、機械的に互いに連結されていてもよい。

エンジンアセンブリは従って、任意の熱機関１０を有することが可能であって、その熱機関１０はスターリング機関の原理に従って作動し、また、排ガス浄化装置５６を通って案内されている少なくとも１つのオーバーフロー流路１８、２４を有している。

１０ 熱機関
１２ エンジンアセンブリ
１４ 作動空間
１６ 第１のシリンダ
１８ オーバーフローライン
２０ 作動空間
２２ 第２のシリンダ
２４ オーバーフローライン
２６ 第１のピストン
２８ 第２のピストン
３０ 冷却装置
３２ 冷却領域
３４ 冷却領域
３６ 加熱装置
３８ 加熱装置
４０ 加熱領域
４２ 加熱領域
５６ 排ガス浄化装置
５８ 内燃機関
Ｅ 膨張方向
Ｌ 長手方向
Ｓ 流れの方向

Claims (10)

1. 排ガス浄化装置（５６）を有する内燃機関（５８）、及び、熱機関（１０）を備えている、車両用のエンジンアセンブリ（１２）であって、前記熱機関（１０）が、
   少なくとも１つのガスを充填され閉じられた作動空間（１４、２０）を有し、
   その内部に、第１のピストン（２６）が開始位置及び膨張位置の間で長手方向（Ｌ）に変位可能に配されている、第１のシリンダ（１６）を備え、
   その内部に、第２のピストン（２８）が開始位置及び膨張位置の間で長手方向（Ｌ）に変位可能に配されている、第２のシリンダ（２２）を備え、
   前記作動空間（１４、２０）の少なくとも１つの加熱領域（４０、４２）内の前記ガスを加熱するための、少なくとも１つの加熱装置（３６、３８）を備え、また、
   前記作動空間（１４、２０）の少なくとも１つの冷却領域（３２、３４）内の前記ガスを冷却するための、少なくとも１つの冷却装置（３０）を備え、並びに、
   前記少なくとも１つの加熱領域（４０、４２）及び前記少なくとも１つの冷却領域（３２、３４）を流体的に接続する少なくとも１つのオーバーフローライン（１８、２４）を備えており、その際、
   前記加熱領域（４０、４２）内で熱せられた前記ガスが、前記第１のピストン（２６）を、開始位置から膨張位置へ押し込み、また続いて前記オーバーフローライン（１８、２４）を通って前記冷却領域（３２、３４）内へと流入し、そして前記第２のピストン（２８）を膨張位置へ押し込むことが可能であり、
   前記第２のピストン（２８）が前記第１のピストンに対して時間的にずらされて前記開始位置から前記膨張位置へ移動されるように、また、前記第２のピストン（２８）の前記開始位置から前記膨張位置への移動の際には、前記第１のピストン（２６）は前記開始位置の方向へ移動されるように、前記第１のピストン（２６）及び前記第２のピストン（２８）が連結されている、
   車両用のエンジンアセンブリにおいて、
   前記第１及び前記第２のシリンダ（１６、２２）の一方の端部に前記加熱領域（４０、４２）が、そして、前記第１及び前記第２のシリンダ（１６、２２）の他方の端部に前記冷却領域（３２、３４）が、割り当てられていること、及び
   前記オーバーフローライン（１８、２４）が少なくとも部分的に前記排ガス浄化装置（５６）を通って案内されており、前記排ガス浄化装置（５６）及び前記オーバーフローライン（１８、２４）内を流れる前記ガスの間で熱交換が行われること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
2. 請求項１に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記内燃機関（５８）及び／又は前記排ガス浄化装置（５６）が前記加熱装置（３６、３８）を形成すること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記オーバーフローライン（１８、２４）が、前記排ガス浄化装置（５６）の内部で、複数の部分ラインに分岐していること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
4. 請求項３に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記オーバーフローライン（１８、２４）、又は、前記オーバーフローライン（１８、２４）の前記複数の部分ラインが、流れの方向（Ｓ）で排ガス浄化装置（５６）を通って案内されていること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
5. 請求項４に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記ガスが、前記加熱領域（４０、４２）から前記冷却領域（３２、３４）内へ、前記排ガス浄化装置（５６）の前記流れの方向（Ｓ）で、又は、前記流れの方向（Ｓ）とは反対に、前記オーバーフローライン（１８、２４）を通って流れること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記オーバーフローライン（１８、２４）、又は、前記オーバーフローライン（１８、２４）の複数の部分ラインが、前記排ガス浄化装置（５６）の前記流れの方向（Ｓ）に対して左右方向に前記排ガス浄化装置（５６）を通って案内されていること
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記加熱装置（３６、３８）が前記第１のシリンダ（１６）に割り当てられており、また、前記冷却装置（３０）が前記第２のシリンダ（２２）に割り当てられており、また、前記加熱領域（３６、３８）が前記第１のシリンダ（１６）内に設けられており、また、前記冷却領域（３２、３４）が前記第２のシリンダ（２２）内に設けられていること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記第１及び／又は前記第２のピストン（２６、２８）が磁性を有して形成されており、また、前記第１及び／又は前記第２のシリンダ（１６、２２）を、開始位置及び膨張位置の間で、周方向で取り囲む電気的なコイル（５２、５４）が設けられていること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のエンジンアセンブリにおいて、
   前記第１のシリンダ（１６）に、第１の加熱領域（４０）、第１の冷却領域（３２）、並びに、前記第１の加熱領域（４０）及び前記第１の冷却領域（３２）を互いに流体的に接続する第１のオーバーフローライン（１８）が設けられており、また、前記第２のシリンダ（２２）に、第２の加熱領域（４２）、第２の冷却領域（３４）、並びに、前記第２の加熱領域（４２）及び前記第２の冷却領域（３４）を互いに流体的に接続する第２のオーバーフローライン（２４）が設けられていること、前記両オーバーフローライン（１８、２４）がそれぞれ、前記ピストン（２６、２８）の膨張位置でのみ、前記加熱領域（４０、４２）及び前記冷却領域（３２、３４）の間の流体的な接続がもたされるように、配設されていること、前記第１及び前記第２のシリンダ（１６、２２）が長手方向（Ｌ）に並んで配設されており、また、前記両冷却領域（３２、３４）又は前記両加熱領域（４０、４２）が互いに隣接していること、
   を特徴とするエンジンアセンブリ。
10. 請求項９に記載のエンジンアセンブリにおいて、
    前記両ピストン（２６、２８）が磁性を有して形成されており、また、少なくとも一つの前記シリンダ（１６、２２）に、前記第１及び／又は前記第２のシリンダ（１６、２２）を前記開始位置及び前記膨張位置の間で周方向で取り囲む電気コイル（５２、５４）が設けられていること、
    を特徴とするエンジンアセンブリ。

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