JP2006188956A - Piston engine - Google Patents
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Abstract
【課題】ピストンの運動方向が重力の作用方向に交差する場合に、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮き上がらせること。
【解決手段】このピストン機関は、シリンダ22内を往復運動し、かつ、その運動方向が鉛直方向に対して直交するとともに、ピストン本体211の内部に蓄圧室212が形成されるピストン21を備える。蓄圧室212とシリンダ22内とは、流体導入部214によって連通されており、シリンダ22内の作動流体が蓄圧室212に導入される。そして、ピストン21の側周部211a1、211a2には、蓄圧室212に取り込まれた前記気体を、ピストン21の側面とシリンダ22との間に噴出する複数の給気孔216、217が設けられている。この給気孔216、217は、鉛直方向上側USよりも鉛直方向下側LSの方が多く配置される。
【選択図】 図4When a piston movement direction intersects with an action direction of gravity, the piston is quickly lifted from a cylinder after the piston starts moving.
The piston engine includes a piston 21 that reciprocates in a cylinder 22 and whose movement direction is orthogonal to the vertical direction and in which a pressure accumulating chamber 212 is formed inside a piston main body 211. The pressure accumulating chamber 212 and the inside of the cylinder 22 are communicated with each other by a fluid introduction unit 214, and the working fluid in the cylinder 22 is introduced into the pressure accumulating chamber 212. The side circumferential portions 211a 1 and 211a 2 of the piston 21 are provided with a plurality of air supply holes 216 and 217 that eject the gas taken into the pressure accumulating chamber 212 between the side surface of the piston 21 and the cylinder 22. ing. The air supply holes 216 and 217 are arranged more in the lower vertical direction LS than in the upper vertical direction US.
[Selection] Figure 4
Description
本発明は、ピストン装置に関し、さらに詳しくは、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。 The present invention relates to a piston device, and more particularly to a piston engine in which a piston reciprocates in a cylinder without using a piston ring or lubricating oil.
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。スターリングエンジンを含む外燃機関に適用可能なピストン装置として、特許文献1に開示された技術が知られている。 In recent years, Stirling engines with excellent theoretical thermal efficiency have attracted attention in order to recover exhaust heat and factory exhaust heat of internal combustion engines mounted on vehicles such as passenger cars, buses, and trucks. As a piston device applicable to an external combustion engine including a Stirling engine, a technique disclosed in Patent Document 1 is known.
上記特許文献1に開示された外燃機関のピストンは、ピストンのシリンダ内の往復運動にともなって作動空間内で圧縮、膨張を繰返す作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサを用いるタイプのスターリングエンジンに適用されるものであって、ピストン内部に形成され、作動空間内で圧縮された作動媒体を一時的に蓄える加圧室と、加圧室内の作動媒体が作動空間内へ逆流することを防止する逆止弁と、加圧室内の作動媒体をピストンとシリンダとのクリアランス部に噴出するオリフィスとを具備するものである。 The piston of the external combustion engine disclosed in Patent Document 1 is a Stirling engine of a type that uses a displacer that is driven by the action of a working medium that repeatedly compresses and expands in the working space as the piston reciprocates in the cylinder. A pressurizing chamber that is formed inside the piston and temporarily stores the working medium compressed in the working space, and prevents the working medium in the pressurizing chamber from flowing back into the working space. A check valve and an orifice for ejecting the working medium in the pressurizing chamber to the clearance between the piston and the cylinder are provided.
ところで、作動流体をオリフィスから噴出させて空気軸受を形成する場合、ピストンの運動方向が、重力の作用方向に対して交差するようにピストンを配置した場合、ピストンが運動を開始して空気軸受が形成され、ピストンがシリンダから浮上するまでの間にはある程度の時間を要する。このため、ピストンが運動を開始してからピストンがシリンダから浮上するまでの間、重力の影響によってピストンとシリンダとが接触する。特許文献1に開示された技術では、かかる点が顧慮されていないため、ピストンとシリンダとの接触時間が長い場合、ピストンやシリンダの摩耗が大きくなり、これらの耐久性を短くしてしまうおそれがある。この摩耗は、ピストンの運動方向が、重力の作用方向と直角になるほど顕著になる。 By the way, when forming the air bearing by ejecting the working fluid from the orifice, if the piston is arranged so that the direction of movement of the piston intersects with the direction of action of gravity, the piston starts to move and the air bearing A certain amount of time is required until the piston is lifted from the cylinder. For this reason, the piston and the cylinder come into contact with each other under the influence of gravity during the period from when the piston starts to move to when the piston rises from the cylinder. In the technique disclosed in Patent Document 1, since this point is not taken into consideration, if the contact time between the piston and the cylinder is long, the wear of the piston or the cylinder may increase, and the durability of these may be shortened. is there. This wear becomes more prominent as the direction of motion of the piston becomes perpendicular to the direction of gravity action.
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向が重力の作用方向に交差する場合に、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮き上がらせて、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and a piston that takes in the working fluid from the working space into the hollow portion provided in the piston via the pressurized state holding means and ejects it from the piston side peripheral portion. In the engine, when the movement direction of the piston intersects the direction of gravity action, after the piston starts moving, the piston is quickly lifted from the cylinder to provide a piston engine that can suppress the deterioration of the durability of the piston and the cylinder. The purpose is to do.
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、シリンダ内を往復運動し、かつ、その運動方向が鉛直方向に対して交差するピストンと、前記ピストンの内部に形成された中空部と、前記中空部と前記シリンダ内とを連通し、前記シリンダ内の作動流体を前記ピストンの運動により前記中空部に導入する流体導入部と、鉛直方向上側における前記ピストンの側周部よりも、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に多く設けられて、前記中空部に導入された前記作動流体を前記ピストンの側面と前記シリンダとの間に噴出する複数の給気孔と、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a piston engine according to the present invention includes a piston that reciprocates in a cylinder and whose movement direction intersects the vertical direction, and a hollow portion formed in the piston. And a fluid introduction part for communicating the hollow part and the inside of the cylinder, introducing the working fluid in the cylinder into the hollow part by the movement of the piston, and a side peripheral part of the piston on the upper side in the vertical direction, A plurality of air supply holes provided on the side periphery of the piston on the lower side in the vertical direction to eject the working fluid introduced into the hollow portion between a side surface of the piston and the cylinder; It is characterized by.
このピストン機関は、ピストン内に設けられた中空部内へ取り入れられた作動流体をピストン側周部から噴出する場合において、ピストンの自重を考慮して、ピストンの側周部に設ける給気孔を、鉛直方向上側よりも鉛直方向下側に多く配置する。これによって、ピストンの運動により中空部に導入された作動流体(例えば空気)を、ピストンの給気孔から噴出し始めた直後から、鉛直方向下側に配置した給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和と、鉛直方向上側に配置した給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和との差がより大きくなる状態を作り出すことができる。その結果、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮かせて、ピストンとシリンダの内壁との接触を最小限に抑えて、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。 In this piston engine, when the working fluid taken into the hollow portion provided in the piston is ejected from the piston side peripheral portion, the air supply hole provided in the piston side peripheral portion is vertically A larger number is arranged on the lower side in the vertical direction than the upper side in the direction. As a result, the working fluid (for example, air) introduced into the hollow portion by the movement of the piston immediately starts to be ejected from the air supply hole of the piston, and then the force of floating the piston generated by the air supply hole arranged on the lower side in the vertical direction. It is possible to create a state in which the difference between the sum and the sum of the forces that lift the piston generated by the air supply holes arranged on the upper side in the vertical direction becomes larger. As a result, after the piston starts to move, the piston can be quickly lifted from the cylinder, and the contact between the piston and the inner wall of the cylinder can be minimized to suppress a decrease in the durability of the piston and the cylinder.
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とが直交するように前記ピストンを配置した場合において、重力による前記ピストンの側圧の総和に対する重心点に対して対称に配置されることを特徴とする。 In the piston engine according to the next aspect of the present invention, in the piston engine, the air supply hole provided in the side peripheral portion of the piston on the lower side in the vertical direction is configured so that the movement direction of the piston and the action direction of gravity are orthogonal to each other. In the case where the piston is arranged, the piston is arranged symmetrically with respect to the center of gravity with respect to the sum of the side pressures of the piston due to gravity.
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、鉛直方向上側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、前記ピストンの中心軸を基準として、前記重心点に対向する対向点に対して対称に配置されることを特徴とする。 In the piston engine according to the next aspect of the present invention, in the piston engine, an air supply hole provided in a side peripheral portion of the piston on the upper side in the vertical direction is at a point opposite to the center of gravity point with respect to the central axis of the piston. It is characterized by being symmetrically arranged.
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に設けられる給気孔は、前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とを交差させて前記ピストンを配置し、かつ前記ピストンが静止しているときに、前記ピストンと前記シリンダとが接する部分からずらして配置されることを特徴とする。 In the piston engine according to the next aspect of the present invention, in the piston engine, an air supply hole provided in a side peripheral portion of the piston on the lower side in the vertical direction intersects the movement direction of the piston and the action direction of gravity. And when the piston is stationary, the piston and the cylinder are shifted from the contact portion.
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記給気孔は、前記ピストンの周方向に対して、略等間隔で配置されることを特徴とする。 The piston engine according to the present invention is characterized in that, in the piston engine, the air supply holes are arranged at substantially equal intervals with respect to a circumferential direction of the piston.
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記流体導入部は、前記中空部へ前記作動流体が流入するときの流路抵抗よりも、前記中空部から前記作動流体が流出するときの流路抵抗の方が大きく、かつ可動部を有さない流体素子であることを特徴とする。 In the piston engine according to the next aspect of the present invention, in the piston engine, when the working fluid flows out from the hollow portion, the fluid introduction portion flows out of the flow path resistance when the working fluid flows into the hollow portion. It is a fluid element having a larger flow path resistance and having no movable part.
この発明に係るピストン機関は、作動空間からピストン内に設けられた中空部内へ加圧状態保持手段を介して作動流体を取り入れ、ピストン側周部から噴出するピストン機関において、ピストンの運動方向が重力の作用方向に交差する場合に、ピストンが運動を開始した後、速やかにピストンをシリンダから浮き上がらせて、ピストンやシリンダの耐久性低下を抑制できる。 A piston engine according to the present invention is a piston engine in which a working fluid is taken in from a working space into a hollow portion provided in the piston through a pressurized state holding means and ejected from a piston side peripheral portion. In the case of crossing the direction of operation, after the piston starts to move, the piston can be quickly lifted from the cylinder, and the durability of the piston and the cylinder can be suppressed from decreasing.
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によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の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、あるいは実質的に同一のものが含まれる。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。そして、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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention. In addition, constituent elements in the best mode for carrying out the invention include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same. In the following, a Stirling engine is taken as an example of a piston engine. An example in which exhaust heat of an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like is recovered using a Stirling engine will be described, but the exhaust heat recovery target is not limited to the internal combustion engine. For example, the present invention can also be applied to recovering waste heat from a factory, plant, or power generation facility.
この実施例に係るピストン機関は、シリンダ内の作動空間からピストン内の中空部内へ作動流体を導入し、これをピストンの側周部と前記シリンダとの間に噴出するピストン機関である。そして、ピストンの側周部に設けられる給気孔は、ピストンの鉛直方向上側と鉛直方向下側とで異なる点に特徴がある。より具体的には、ピストンの側周部に設けられる給気孔は、ピストンの鉛直方向上側よりも鉛直方向下側の方が多い点に特徴がある。 The piston engine according to this embodiment is a piston engine that introduces a working fluid from a working space in a cylinder into a hollow portion in the piston and ejects the fluid between a side peripheral portion of the piston and the cylinder. And the air supply hole provided in the side peripheral part of a piston has the characteristics in the point which is different by the vertical direction upper side and vertical direction lower side of a piston. More specifically, the air supply hole provided in the side peripheral portion of the piston is characterized in that there are more on the lower side in the vertical direction than on the upper side in the vertical direction of the piston.
図1は、この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。図2は、この実施例に係るピストン機関によって内燃機関の排熱を回収する状態の一例を示す説明図である。図3は、この実施例に係るピストン機関を車両の床下に配置した例を示す正面図である。図1に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン10は、α型(2ピストン形)のスターリングエンジンであり、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部20、30を備えている。図1に示すように、高温側及び低温側ピストン・シリンダ部20、30は、直列並行に配置されている。低温側ピストン・シリンダ部30のピストン31は、高温側ピストン・シリンダ部20のピストン21に対して、クランク角で90°程度の位相差がつけられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a piston engine according to this embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a state in which exhaust heat of the internal combustion engine is recovered by the piston engine according to this embodiment. FIG. 3 is a front view showing an example in which the piston engine according to this embodiment is arranged under the floor of the vehicle. As shown in FIG. 1, a Stirling
高温側ピストン・シリンダ部20のピストン21は、シリンダ(高温側シリンダ)22内に収められており、この中で往復運動する。また、低温側ピストン・シリンダ部30のピストン31は低温側シリンダ32内に収められており、この中を往復運運動する。高温側シリンダ22の加熱器47側における空間(以下膨張空間ES)には、加熱器47によって加熱された作動流体が流入する。シリンダ(低温側シリンダ)32の再生熱交換器(以下再生器という)46側の空間(以下圧縮空間PS)には、冷却器45によって冷却された作動流体が流入する。なお、膨張空間ESと、圧縮空間PSとは、作動空間ともいう。
The
再生器46は、膨張空間ESと圧縮空間PSとを作動流体が往復する際に熱を蓄える。すなわち、膨張空間ESから圧縮空間PSへと作動流体が流れるときには、再生器46は、作動流体から熱を受け取り、圧縮空間PSから膨張空間ESへと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。
The
2つのピストン21、31の往復運動にともない、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ22の膨張空間ES、及び低温側シリンダ32の圧縮空間PSにある作動流体の割合が変化し、また、全容積も変わるため、圧力の変動が生じる。2つのピストン21、31がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、ピストン21についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、ピストン31については逆に低くなる。このため、ピストン21は外部に対し大きな正の仕事(膨張仕事)を行い、ピストン31は外部から仕事(圧縮仕事)を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸40を介して出力として取り出される。
As the two
図1に示すように、駆動軸40は、クランクケース41内に格納されているクランク軸43と連結されている。クランク軸43は、2つのピストン21、31と、ピストン側連結棒61、連結ピン60、連結棒109を介して連結されている。クランク軸43は、2つのピストン21、31の往復運動を回転運動に変換して、駆動軸40へ伝達する。
As shown in FIG. 1, the
作動流体(本実施例では空気)は、その平均圧力が高い程、冷却器45や加熱器47による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので、スターリングエンジン10からは高い出力が得られる。作動流体の平均圧力はクランクケース41内の圧力になるので、クランクケース41内を加圧手段によって加圧して、スターリングエンジン10からより多くの出力を取り出すようにすることが好ましい。
The higher the average pressure of the working fluid (air in this embodiment), the larger the pressure difference with respect to the same temperature difference due to the
図2に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン10は、車両において、例えばガソリンエンジンのような内燃機関220とともに用いられる。すなわち、スターリングエンジン10は、例えばガソリンエンジンのような内燃機関220の排気ガスExを熱源として駆動される。スターリングエンジン10の加熱器47は、車両に搭載される内燃機関220の排気管100の内部に配置され、排気ガスExから回収した熱エネルギにより作動流体が加熱されて、スターリングエンジン10が作動する。なお、この実施例において、スターリングエンジン10は、内燃機関220の排気ガスExを熱源として発電機225を駆動している。
As shown in FIG. 2, the Stirling
この実施例に係るスターリングエンジン10は、排気管100の内部にその加熱器47が収容されるというように、車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増し、好ましい。そのために、スターリングエンジン10では、2つの高温側及び低温側シリンダ22、32をV字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。
Since the
加熱器47が排気管100の内部に配置される場合、排気管100の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側(ガソリンエンジンに近い側)100aに、加熱器47の高温側シリンダ22側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側(ガソリンエンジンから遠い側)100bに加熱器47の低温側シリンダ32側が位置するように配置される。加熱器47の高温側シリンダ22側をより多く加熱するためである。
When the
高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板42に支持されている。この実施例においては、この基板42が、スターリングエンジン10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、スターリングエンジン10の各構成要素の相対的な位置精度が確保される。また、この基板42は、スターリングエンジン10が排熱回収対象である排気管(排気通路)100等に取り付けられるときの基準として用いることができる。
Each of the high
排気管100のフランジ100fに対して、断熱材を介して、基板42が固定されている。排気管100と基板42とは、相対的位置精度が確保された状態で固定されるため、基板42は、固定的構造物として排気管100が備えた装置取付面であると考えることができる。基板42には、高温側シリンダ22の側面(外周面)に設けられたフランジ22fが固定されている。
A
排気管100とスターリングエンジン10とは、基板42を介して取り付けられる。このとき、基板42と、高温側シリンダ22において加熱器47が接続される側の端面(頂部22bの加熱器47が接続される側)、及び低温側シリンダ32において冷却器45が接続される側の端面(頂面32a)とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン10が基板42に取り付けられる。
The
これにより、既存の排気管100に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管100にスターリングエンジン10を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である車両の内燃機関本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン10を排気管100に搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン10を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器47の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。
Thereby, the
図3に示すように、この実施例に係るスターリングエンジン10が車両200に搭載される場合には、例えば、車両200の床下に搭載される。そして、車両200の床下に配された排気管100に隣接するスペースに横置きされる。すなわち、車両の床面200upに対して、高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、2つのピストン21、31は、水平方向に往復運動する(図3の矢印C方向)。このとき、2つのピストン21、31は、鉛直方向、すなわち重力の作用方向(図3の矢印G方向)と直交する方向に往復運動する。なお、後述する図4に示すように、この実施例に開示する構成は、ピストン21の側周部211a1、211a2に、重力の作用方向の成分が作用している場合に適用できる。したがって、この実施例に開示する構成は、鉛直方向、すなわち重力の作用方向に対して交差する方向に、ピストン21、22が運動する場合に適用できる。
As shown in FIG. 3, when the
ピストン21、31の外周面とシリンダ22、32の内壁との間には、それぞれ微小なクリアランスが設けられている。そのクリアランスには、スターリングエンジン10の作動流体(気体であり、この実施例では空気)が介在して、空気軸受48を構成している。ここで、空気軸受48は、ピストン21、31とシリンダ22、32との間の微小なクリアランスで発生する作動流体の圧力(分布)を利用して、ピストン21、31をシリンダ22、32内に浮いた状態とする。
Minute clearances are provided between the outer peripheral surfaces of the
ピストン21、31は、それぞれシリンダ22、32に対して空気軸受48により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン21、31の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また、一般にピストンリングとともに使用される潤滑油も使用されていない。なお、シリンダ22、32の内壁には、固体潤滑材を付してもよい。空気軸受48の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、停止、起動時のように空気軸受の機能が不十分な場合に、ピストンとシリンダとの摺動抵抗を低減することができるからである。
The
空気軸受48(図1参照)は、スターリングエンジン10の作動空間内で圧縮された作動流体をピストン21、31の内部に導入し、ピストン21、31の側周部に設けられた複数の孔からピストン21、31とシリンダ22、32との間のクリアランス部に噴出することで構成される、静圧空気軸受である。静圧気体軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体(この実施例ではピストン21、31)を浮上させるものである。
The air bearing 48 (see FIG. 1) introduces working fluid compressed in the working space of the
この実施例では、スターリングエンジン10の熱源が車両200の内燃機関220の排気ガスExであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン10を効果的に作動させる必要がある。そのため、図1に示すように、膨張空間ESへできるだけ高温の作動流体が流れるように、高温側シリンダ22の頂部22bの加熱器47が接続される側、及び高温側シリンダ22の側面22cの加熱器47が接続される側が、排気管100の内部に配設されている。これにより、上死点近傍において、膨張側のピストン21のピストン頂部211tは排気管100の内部に位置することになり、膨張側のピストン21のピストン頂部211tが効果的に加熱される。
In this embodiment, since the heat source of the
ここで、この実施例に係るスターリングエンジン10では、基板42を高温側及び低温側シリンダ22、32の作動流体の導入側に配置して、両シリンダを基板42に組み付ける。このような構成により、高温側及び低温側シリンダ22、32を拘束して、高温側シリンダ22と低温側シリンダ32との距離の増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン10の運転中、加熱器47が高温になった場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受48の機能を発揮させることができる。
Here, in the
次に、ピストン21、31の構成について詳細に説明する。ここで、図1に示すように、ピストン21、31の大きさは異なっているが、その構造は共通である。この実施例に係るピストン21、ピストン31は、ともに共通の構成を備えるので、以下では、ピストン21について説明し、ピストン31については説明を省略する。
Next, the configuration of the
図4は、この実施例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図5は、この実施例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。図6は、図4の矢印B方向からこの実施例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。図7は、図4の矢印A方向からこの実施例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。 FIG. 4 is a sectional view showing a piston provided in the piston engine according to this embodiment. FIG. 5 is a plan view of the piston according to this embodiment as viewed from the top surface side. FIG. 6 is an explanatory view showing a state in which the piston according to this embodiment is viewed from the direction of arrow B in FIG. FIG. 7 is an explanatory view showing a state in which the piston according to this embodiment is viewed from the direction of arrow A in FIG.
ピストン21は、ピストン本体211と、そのピストン本体211の内部(すなわちピストン21の内部)に形成された中空部(以下蓄圧室という)212と、仕切り部材213とを備えている。この実施例において、仕切り部材213は、ピストン本体211の裾部211sでピストン21の内壁211iwに取り付けられる。そして、図4に示すように、仕切り部材213は、ピストン側連結棒61にピストン21を取り付けるためのピストンピン62を避けるように構成される。このような構成によって、ピストン本体211は、仕切り部材213によってピストン頂部211t側とピストン裾部211s側とが塞がれて、内部に蓄圧室212が形成される。
The
ピストン本体211は、高温側シリンダ22(図1)と摺動する側周部(摺動部)211a1、211a2と一体として(連続的に)蓋状に設けられた頂面部211bとを有している。頂面部211bの中央部には、高温側シリンダ22内の作動空間と蓄圧室212とを連通し、前記作動空間内の作動流体を蓄圧室212へ導入するための流体導入部214が設けられる。この実施例において、流体導入部214は、流体素子で構成されるが、詳細は後述する。
The piston
図4、図5に示すように、ピストン本体211の側周部211a1、211a2には、複数の給気孔216、217が設けられている。以下の説明においては、説明の便宜上、ピストン21の鉛直方向上側USに配置される給気孔を第1の給気孔216とし、ピストン21の鉛直方向下側LSに配置される給気孔を第2の給気孔217とする。また、ピストン21の鉛直方向上側USの側周部を第1の側周部211a1とし、ピストン21の鉛直方向下側LSの側周部を第2の側周部211a2とする。そして、それぞれの給気孔216、217が配置される位置に注目する場合には、第1の給気孔216、第2の給気孔217、第1の側周部211a1、第2の側周部211a2というように両者を区別する。
As shown in FIGS. 4 and 5, the side
ここで、鉛直方向上側USとは、ピストン21の運動方向(図4の矢印C方向)が重力の作用方向(図4の矢印G方向)と直交するようにピストン21が配置された場合において、ピストン21の中心軸(ピストン中心軸)Zを通り、かつ重力の作用方向に対して直交する平面(図5のYで示す平面、以下境界平面)よりも上側(重力の作用方向とは反対側)をいう。また、鉛直方向下側LSとは、ピストン21の運動方向(図4の矢印C方向)が重力の作用方向(図4の矢印G方向)と直交するようにピストン21が配置された場合において、前記境界平面よりも下側(重力の作用方向側)をいう。
Here, the vertical upper side US means that the
図8は、この実施例に係る給気孔を示す断面図である。図9は、この実施例に係る給気孔を示す平面図である。給気孔217(216)は、オリフィス217o(216o)と拡大部217s(216s)とで構成される。作動流体は、オリフィス217o(216o)を通って拡大部217s(216s)で広がってピストン21と高温側シリンダ22との間のクリアランスに噴出する。拡大部217s(216s)は、オリフィス217o(216o)から噴出された作動流体を溜めて蓄圧する機能を有するので、ピストン21の起動時には受圧面積を大きくして、より大きな力で安定してピストン21を浮上させることができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the air supply holes according to this embodiment. FIG. 9 is a plan view showing the air supply holes according to this embodiment. The air supply hole 217 (216) includes an orifice 217o (216o) and an
また、ピストン21が往復運動を開始した後に、ピストン21と高温側シリンダ22との間のクリアランスが変化した場合には、オリフィス217o(216o)によって流量が調整される。これによって、ピストン21と高温側シリンダ22との間のクリアランスが略一定に保たれる。オリフィス217o(216o)の直径D1と、拡大部217s(216s)の直径D2とは、スターリングエンジン10やピストン21の仕様、あるいは運転条件等によって適宜変更する。
When the clearance between the
ピストン21が上死点側に移動すると、流体導入部214から高温側シリンダ22の作動空間の作動流体が蓄圧室212内へ流入する。ここで、この実施例に係る流体導入部について説明する。すでに説明したように、流体導入部214は流体素子で構成される。図10は、この実施例に係る流体導入部を示す断面図である。流体導入部214は、順流(蓄圧室212へ作動流体が導入されるときの流れ)時に比較して、逆流(蓄圧室212から作動流体が流出するときの流れ)時には著しく流路抵抗が増大する特性が要求される。このため、この実施例に係る流体導入部214を構成する流体素子は、次のように構成される。
When the
前記流体素子は、頂面側開口部214owの曲率R2が、蓄圧室側開口部214Cの曲率R1よりも相対的に大きい。蓄圧室側開口部214Cの曲率R1は極めて小さく設定されており、限りなく0に近いことが好ましい。頂面側開口部214owは、突起がなく滑らかな表面に形成し、蓄圧室側開口部214Cは、突出し、高さh2の突起が形成される。また、蓄圧室側開口214o1の端面214Sが、導入通路214Hの通路軸となす角θは鋭角に形成される。このような構成によって、作動流体は、頂面側開口214o2から蓄圧室212へ滑らかに流れ込むが、作動流体は、蓄圧室側開口214o1を通っては流出し難くなる。その結果、ピストン21が往復運動すると、蓄圧室212内に蓄えられる作動流体の圧力(蓄圧室内圧力)Ppは増加し、一定の値に漸近する。なお、流体素子の代わりにリード弁を用いて逆止弁を構成し、これを流体導入部214としてもよい。
In the fluid element, the curvature R2 of the top surface side opening 214ow is relatively larger than the curvature R1 of the pressure accumulation
ピストン21の往復運動によって、流体導入部214を介して、作動空間の作動流体の一部が蓄圧室212に導入される。すると、蓄圧室212の作動流体の一部は、給気孔216、217を通ってピストン21と高温側シリンダ22との間のクリアランスに噴出し、空気軸受48(図1参照)を構成する。なお、クリアランスの大きさtc(図4)は、15μm〜30μm程度である。次に、給気孔216、217の配置について説明する。
Due to the reciprocating motion of the
図11は、この実施例に係るピストン機関が運動を開始して、給気孔から作動流体を噴出し始めた直後の状態を示す概念図である。この実施例に係るピストン21は、ピストン21の運動によって蓄圧室212内へ導入された作動流体を給気孔216、217から噴出し始めた直後から、鉛直方向下側LSの給気孔217によってピストン21を浮かせる力の総和と、鉛直方向上側USの給気孔216によってピストン21を高温側シリンダ22から浮かせる力の総和との差がより大きくなるように、給気孔216、217がピストン21の側周部211a1、211a2に設けられる。ここで、ピストン21を浮かせる力とは、ピストン21が高温側シリンダ22から離れるようにする力をいう。
FIG. 11 is a conceptual diagram showing a state immediately after the piston engine according to this embodiment starts to move and starts to eject the working fluid from the air supply holes. In the
これを実現するために、例えば、図4〜図7に示すように、鉛直方向上側USにおける第1の給気孔216よりも、鉛直方向下側LSにおける第2の給気孔217を多く設ける。すなわち、給気孔216、217は、鉛直方向上側USにおけるピストン21の第1の側周部211a1よりも、鉛直方向下側LSにおけるピストン21の第2の側周部211a2に多く設けられることになる。
In order to realize this, for example, as shown in FIGS. 4 to 7, more second air supply holes 217 in the lower vertical direction LS than the first air supply holes 216 in the upper vertical direction US are provided. That is, the air supply holes 216 and 217 are provided more in the second side
ピストン21が動き始めると、流体導入部214から作動空間内の流体が蓄圧室212へ導入されるが、このときの蓄圧室内圧力Ppは徐々に増加していくため、重力に逆らってピストン21を高圧側シリンダ22から浮上させるためにはある程度の時間を要する。ピストン21が浮上するまでは、ピストン21のピストン本体211と高温側シリンダ22の内壁22iwとが接触して摺動するため、両者の接触面の摩耗が進行しやすくなる。
When the
ここで、ピストン21の蓄圧室212内における蓄圧室内圧力Ppは一定であるため、給気孔の数が多いほど、ピストン21を高温側シリンダ22から浮上させる力は大きくなる。この実施例では、鉛直方向上側USにおける第1の給気孔216よりも、鉛直方向下側LSにおける第2の給気孔217を多く設けている。このため、ピストン21の給気孔から空気が噴出し始めた直後から、第2の給気孔217によって生み出されるピストン21を浮かせる力F2の総和と、第1の給気孔216によって生み出されるピストン21を浮かせる力F1の総和との差がより大きくなる状態を作り出すことができる(F2の総和>F1の総和)。これによって、ピストン21が運動を開始してから速やかにピストン21を高温側シリンダ22から浮かせることができる。その結果、ピストン本体211と高温側シリンダ22の内壁22iwとの接触を最小限に抑えて、起動時における両者の磨耗を最小限に抑えることができる。
Here, since the pressure accumulation chamber pressure Pp in the
なお、この実施例に係るスターリングエンジン10は、ピストン21が高温側シリンダ22から浮上した後において、ピストン21の自重を考慮して、ピストン21を浮上させる力とピストン21の自重とが釣り合うようにすることを目的として、給気孔217の配置を設定しているものではない。上述した通り、第2の給気孔217によって生み出されるピストン21を浮かせる力F2の総和と、第1の給気孔216によって生み出されるピストン21を浮かせる力F1の総和との差がより大きくなる状態を、できる限り速やかに作り出すように、給気孔217の配置を決定する。これによって、ピストン21の浮上を補助して、ピストン21が高温側シリンダ22から浮上するまでの期間をできるだけ短くすることを目的とするものである。
In the
この実施例に係るスターリングエンジン10のピストン21は、往復運度しながら、ピストン頂面部に設けた流体導入部214から作動空間内の作動流体を蓄圧室212内へ取り込みながら、これを給気孔216、217から噴出して空気軸受48を形成する。このように、外部から気体が供給されるのではなく、自己の運動によって作動流体を内部に取り込んでから噴出するので、ピストン21が運動を開始してからある程度の時間が経過しなければ、ピストン21を浮上させるために十分な作動流体は得られない。
The
したがって、できるだけ早くピストン21を高温側シリンダ22から浮かせるという観点から、この実施例で説明した上記構成は極めて有効である。特に、流体導入部214として、上述の流体素子を使用した場合、蓄圧室内圧力Ppは比較的上昇しにくい。しかし、この実施例に係る給気孔の配置では、鉛直方向上側USにおける第1の給気孔216よりも、鉛直方向下側LSにおける第2の給気孔217を多く設けて、ピストン21の運動開始後から、ピストン21が高温側シリンダ22から浮上することを強化する。その結果、ピストン21が運動を開始した後、これを速やかに浮かせることができる。
Therefore, from the viewpoint of floating the
ここで、鉛直方向下側LSに配置される第2の給気孔217は、ピストン中心軸Zと重力の作用方向とが直交するようにピストン21を配置した場合において、重力による前記ピストン21の側圧の総和に対する重心点gに対して対称に配置することが好ましい(図7)。ここで、ピストン21の側圧は、重力の作用方向と直交する仮想的な平面上にピストン21を載置したときに、重力によって前記ピストン21が前記仮想的な平面から受ける圧力であって、前記仮想的な平面に垂直な成分である。このようにすれば、第2の給気孔217によって生み出されるピストン21を浮かせる力F2の合力を、前記重心点gに合わせることができる。その結果、ピストン21の傾きを抑制して、安定してピストン21を浮かせることができる。
Here, the second
次に、図1を参照して、ピストン・シリンダの構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。上記のように、スターリングエンジン10の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量には制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン10を作動させる必要がある。そこで、この実施例では、スターリングエンジン10の内部摩擦を可能な限り低減させている。このため、この実施例では、スターリングエンジンの内部摩擦のうち、最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を極限まで低減するため、ピストンリングを使用せずに、上述した空気軸受(エアベアリング)48を用いる。
Next, the structure of the piston / cylinder and the mechanism of the piston / crank portion will be described with reference to FIG. As described above, since the heat source of the
空気軸受48は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン10の内部摩擦を大幅に低減させることができる。また、空気軸受48を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となる。一方、空気軸受48は、シリンダ22、32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21、31のサイドフォースを実質的にゼロにすることが好ましい。このため、シリンダ22、32の軸線(中心軸)に対するピストン21、31の直線運動精度を高くする必要がある。特に、この実施例で採用する、微小クリアランスにおける空気圧を用いてピストン21、31を浮上させて支持するタイプの空気軸受48は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べて、スラスト方向の力に対する負荷能力が低い。このため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
Since the
上記の理由から、この実施例では、ピストン・クランク部に直線近似機構を用いる。図12は、この実施例に係るスターリングエンジンが備えるピストン・クランク機構の概略構成図である。この実施例では、直線近似機構として、グラスホッパ機構(近似直線リンク)50を採用する。グラスホッパ機構50は、他の直線近似機構(例えばワットの機構)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、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。
For this reason, in this embodiment, a linear approximation mechanism is used for the piston / crank portion. FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a piston / crank mechanism provided in the Stirling engine according to this embodiment. In this embodiment, a grasshopper mechanism (approximate linear link) 50 is employed as the linear approximation mechanism. The
特に、この実施例に係るスターリングエンジン10は、図1に示すように、例えば、自動車の排気管の内部にその加熱器47が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。また、グラスホッパ機構50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、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパ機構50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。
In particular, the
この実施例において、ピストン・クランク機構は、高温側のピストン21側と低温側のピストン31側とで共通の構成を採用しているため、次の説明では、高温側のピストン21側についてのみ説明し、低温側のピストン31側についての説明は省略する。図1及び図12に示すように、ピストン21の往復運動は、ピストンピン62、ピストン側連結棒61、連結ピン60及び連結棒109を介してクランク軸43に伝達され、ここで、回転運動に変換される。連結棒109は、図12に示すグラスホッパ機構50によって支持されており、ピストン21を直線状に往復運動させる。このように、連結棒109をグラスホッパ機構50によって支持することにより、ピストン21のサイドフォースFをほとんど0にできるので、負荷能力の小さい空気軸受48によっても、十分にピストン21を支持することができる。
In this embodiment, since the piston / crank mechanism employs a common configuration for the high
(第1変形例)
次に、この実施例の第1変形例について説明する。第1変形例に係るピストン機関は、上記実施例に係るピストン機関の略同様の構成であるが、鉛直方向下側においては、ピストンが静止しているときにピストンとシリンダとが接触する部分から、給気孔をずらして配置する点が異なる。
(First modification)
Next, a first modification of this embodiment will be described. The piston engine according to the first modified example has substantially the same configuration as the piston engine according to the above-described embodiment, but on the lower side in the vertical direction, from the portion where the piston and the cylinder come into contact when the piston is stationary. The difference is that the air supply holes are staggered.
図13は、第1変形例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図14は、第1変形例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。図15は、図13の矢印B方向から第1変形例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。図16は、図13の矢印A方向から第1変形例に係るピストンを見た状態を示す説明図である。 FIG. 13: is sectional drawing which shows the piston with which the piston engine which concerns on a 1st modification is provided. FIG. 14 is a plan view of the piston according to the first modification viewed from the top surface side. FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating a state in which the piston according to the first modification is viewed from the direction of arrow B in FIG. 13. FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating a state in which the piston according to the first modification is viewed from the direction of arrow A in FIG. 13.
図13〜図16に示すように、第1変形例に係るピストン21Aは、ピストン本体211Aの側周部211a1、211a2に複数の給気孔216、217を備える。そして、鉛直方向上側の第1の側周部211a1に設けられる第1の給気孔216よりも、鉛直方向下側LSの第2の側周部211a2に設けられる第2の給気孔217の方が個数は多くなっている。また、図14、図16に示すように、鉛直方向下側LSに設けられる第2の給気孔217は、ピストン21の運動方向(図13中矢印C方向)と重力の作用方向(図13中矢印G方向)とを交差させて前記ピストンを配置し、かつピストン21Aが静止しているときにピストン21Aが高温側シリンダ22に接触する部分(以下静止時接触部という)Spからずらして配置される。
As shown in FIGS. 13 to 16, the
ピストン21Aの外径の曲率と、高温側シリンダ22の内径の曲率とを比較すると、後者の方がやや大きい。したがって、ピストン21Aが静止しているときには、ピストン21Aの側周部211a1と高温側シリンダ22の内壁22iwとのクリアランスは、鉛直方向上側に進むにしたがって大きくなる。このため、鉛直方向下側LSに設けられる第2の給気孔217を、静止時接触部Spからずらして配置すると、ピストン21Aの側周部211a1、211a2における給気孔217の拡大部217s(図8、図9)の開口面と、高温側シリンダ22の内壁22iwとの間に発生する僅かな隙間は、静止時接触部Spに第2の給気孔217を配置した場合よりも大きくなる。
Comparing the curvature of the outer diameter of the
したがって、第2の給気孔217を静止時接触部Spからずらして配置すれば、静止時接触部Spに第2の給気孔217を配置した場合よりも、第2の給気孔217のオリフィス217o(図8、図9)から噴出される作動流体の受圧面を大きくすることができる。その結果、ピストン21Aが往復運動を開始して第2の給気孔217から作動流体を噴出し始めたときには、鉛直方向下向きの力と鉛直方向上向きの力との差をより大きくすることができる(鉛直方向下向きの力>鉛直方向上向きの力)。これによって、ピストン21Bが運動を開始してから高温側シリンダ22から浮くまでの時間をさらに短縮することができる。
Therefore, if the second
第2の給気孔217を静止時接触部Spからずらして配置する場合、力のバランスを考慮して、静止時接触部Spの静止側接触線Splと対称になるように第2の給気孔を配置することが好ましい(図16)。このとき、第2の給気孔217は、ピストン中心軸Zと重力の作用方向とが直交するようにピストン21Aを配置した場合において、重力による前記ピストン21Aの側圧の総和に対する重心点gに対して対称に配置することが好ましい(図16)。このようにすれば、第2の給気孔217によって生み出されるピストン21Aを浮かせる力の合力を、前記重心点gに合わせることができる。その結果、ピストン21Aの傾きを抑制して、安定してピストン21Aを浮かせることができる。
When the second
また、鉛直方向上側に配置される第1の給気孔216は、ピストン21Aの鉛直方向上側において、ピストン中心軸Zに対して前記重心点gと対向する対向点g2に対して対称となるように配置することが好ましい。これによって、ピストン21Aの傾きを抑制して、安定してピストン21Aを浮かせることができる。
Further, the first
(第2変形例)
次に、この実施例の第2変形例について説明する。第2変形例に係るピストン機関は、上記第1変形例に係るピストン機関の略同様の構成であるが、ピストンの周方向に向かって略等間隔に給気孔を配置する点が異なる。図17は、第2変形例に係るピストン機関が備えるピストンを示す断面図である。図18は、第2変形例に係るピストンをその頂面部側から見た平面図である。
(Second modification)
Next, a second modification of this embodiment will be described. The piston engine according to the second modified example has substantially the same configuration as the piston engine according to the first modified example, except that air supply holes are arranged at substantially equal intervals in the circumferential direction of the piston. FIG. 17 is a cross-sectional view showing a piston provided in a piston engine according to a second modification. FIG. 18 is a plan view of the piston according to the second modification viewed from the top surface side.
図18に示すように、ピストン21Bの側周部211a1、211a2には、給気孔216、217が、ピストン中心軸Zに対して中心角120°の間隔で配置されている。すなわち、給気孔216、217は、ピストン21Bのピストン本体211Bの周方向に対して、略等間隔に配置されている。そして、ピストン中心軸Zと重力の作用方向(図17、図18の矢印G方向)とが直交するようにピストン21Bを配置した場合、鉛直方向下側LSには、第2の給気孔217が位置するとともに、鉛直方向上側USには第1の給気孔216が位置するようになる。このとき、第1及び第2の給気孔216、217は、鉛直方向上側USにおける第1の給気孔216よりも、鉛直方向下側LSにおける第2の給気孔217の方が多くなるように配置される。
As shown in FIG. 18, air supply holes 216 and 217 are arranged in the side
また、鉛直方向下側LSにおける第2の給気孔217は、前記静止時接触部Spからずらして配置される。これによって、静止時接触部Spに第2の給気孔217を配置した場合よりも、第2の給気孔217のオリフィス217oから噴出される作動流体の受圧面を大きくすることができる。その結果、第2の給気孔217から作動流体を噴出し始めたときには、鉛直方向上向きの力と鉛直方向下向きの力との差をより大きくすることができるので、ピストン21Bが往復運動を開始してから浮くまでの時間を短縮することができる。また、第1及び第2の給気孔216、217は、ピストン21Bのピストン本体211Bの周方向に対して略等間隔に配置されるので、第1及び第2の給気孔216、217によって生み出される力はピストン中心軸Zに向かう。これによって、ピストン21Bが高温側シリンダ22から浮いた後は、両者のクリアランスを一定に維持しやすくなる。
Further, the second
以上、この実施例及びその変形例では、鉛直方向上側における第1の給気孔よりも、鉛直方向下側における第2の給気孔を多く設けている。すなわち、鉛直方向上側よりも鉛直方向下側に、より多くの給気孔を設けている。このため、ピストンの給気孔から空気を噴出し始めた直後から、第2の給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和と、第1の給気孔によって生み出されるピストンを浮かせる力の総和との差が、よりも大きくなる状態を作り出すことができる。これによって、ピストンが運動を開始してから速やかにピストンをシリンダから浮かせることができるので、ピストンとシリンダの内壁との接触を最小限に抑えることができる。これによって、両者の磨耗を最小限に抑えて、両者の耐久性低下を抑制することができる。 As described above, in this embodiment and its modifications, more second air supply holes are provided on the lower side in the vertical direction than on the first air supply holes on the upper side in the vertical direction. That is, more air supply holes are provided on the lower side in the vertical direction than on the upper side in the vertical direction. For this reason, the difference between the sum of the forces that lifts the piston generated by the second air supply holes and the sum of the forces that lifts the piston generated by the first air supply holes immediately after the air starts to be ejected from the air supply holes of the piston. However, it can create a larger state. Accordingly, since the piston can be lifted from the cylinder immediately after the piston starts moving, the contact between the piston and the inner wall of the cylinder can be minimized. Thereby, both wear can be suppressed to the minimum, and both durability fall can be suppressed.
なお、上記説明では、スターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気ガスを熱源とすべく排気管に取り付けた構成について説明した。ただし、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。また、上記においては、ピストン機関がスターリングエンジンである場合を用いて、その構成、作用、効果を説明したが、この実施例に係るピストン機関は、スターリングエンジン以外のピストン機関に対しても容易に適用可能である。そして、適用された場合には、上記と同様の作用、効果を奏し、また上記と同様の有用性を有する。 In the above description, the Stirling engine is described as being mounted on the exhaust pipe so that the exhaust gas of the internal combustion engine of the vehicle is used as a heat source. However, the Stirling engine of the present invention is not limited to the type attached to the exhaust pipe of the internal combustion engine of the vehicle. In the above description, the configuration, operation, and effect of the piston engine are described using the case where the piston engine is a Stirling engine. However, the piston engine according to this embodiment can be easily applied to piston engines other than the Stirling engine. Applicable. And when applied, there exists an effect | action similar to the above, an effect, and it has the same usefulness as the above.
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、ピストン内に中空部を備え、この中空部からシリンダ内面に向かって流体を噴出させるピストン機関に適している。 As described above, the piston engine according to the present invention is useful for a piston engine that does not use a piston ring. In particular, the piston engine includes a hollow portion in the piston and ejects fluid from the hollow portion toward the cylinder inner surface. Suitable for
10 スターリングエンジン
20 高温側ピストン・シリンダ部
21、21A、21B ピストン
22 高温側シリンダ
22iw 内壁
22b 頂部
30 低温側ピストン・シリンダ部
31 ピストン
32 低温側シリンダ
43 クランク軸
45 冷却器
46 再生器
47 加熱器
48 空気軸受
50 グラスホッパ機構
100 排気管
200up 床面
200 車両
211、211A、211B ピストン本体
211t ピストン頂部
211a1、211a2 側周部
211b 頂面部
211iw 内壁
211s 裾部
212 蓄圧室(中空部)
214H 導入通路
214 流体導入部
216 給気孔(第1の給気孔)
217 給気孔(第2の給気孔)
220 内燃機関
DESCRIPTION OF
217 Air supply hole (second air supply hole)
220 Internal combustion engine
Claims (6)
前記ピストンの内部に形成された中空部と、
前記中空部と前記シリンダ内とを連通し、前記シリンダ内の作動流体を前記ピストンの運動により前記中空部に導入する流体導入部と、
鉛直方向上側における前記ピストンの側周部よりも、鉛直方向下側における前記ピストンの側周部に多く設けられて、前記中空部に導入された前記作動流体を前記ピストンの側面と前記シリンダとの間に噴出する複数の給気孔と、
を含むことを特徴とするピストン機関。 A piston that reciprocates in the cylinder and whose direction of motion intersects the vertical direction;
A hollow portion formed inside the piston;
A fluid introduction part for communicating the hollow part with the inside of the cylinder, and introducing the working fluid in the cylinder into the hollow part by movement of the piston;
More than the side peripheral part of the piston on the upper side in the vertical direction, the working fluid introduced into the hollow part is provided on the side peripheral part of the piston on the lower side in the vertical direction. A plurality of air supply holes ejected in between,
A piston engine comprising:
前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とが直交するように前記ピストンを配置した場合において、重力による前記ピストンの側圧の総和に対する重心点に対して対称に配置されることを特徴とする請求項1に記載のピストン機関。 The air supply hole provided in the side periphery of the piston on the lower side in the vertical direction is
When the piston is arranged so that the direction of motion of the piston and the direction of action of gravity are orthogonal to each other, the piston is arranged symmetrically with respect to the center of gravity with respect to the sum of the side pressures of the piston due to gravity. The piston engine according to 1.
前記ピストンの中心軸を基準として、前記重心点に対向する対向点に対して対称に配置される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。 The air supply hole provided in the side periphery of the piston on the upper side in the vertical direction is
3. The piston engine according to claim 1, wherein the piston engine is arranged symmetrically with respect to an opposing point facing the center of gravity with respect to a central axis of the piston.
前記ピストンの運動方向と重力の作用方向とを交差させて前記ピストンを配置し、かつ前記ピストンが静止しているときに、前記ピストンと前記シリンダとが接する部分からずらして配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストン機関。 The air supply hole provided in the side periphery of the piston on the lower side in the vertical direction is
The piston is arranged such that the direction of motion of the piston and the direction of action of gravity intersect, and when the piston is stationary, the piston and the cylinder are arranged so as to be shifted from the contact portion. The piston engine according to any one of claims 1 to 3.
前記ピストンの周方向に対して、略等間隔で配置されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のピストン機関。 The air supply holes are
The piston engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the piston engine is arranged at substantially equal intervals with respect to a circumferential direction of the piston.
前記中空部へ前記作動流体が流入するときの流路抵抗よりも、前記中空部から前記作動流体が流出するときの流路抵抗の方が大きく、かつ可動部を有さない流体素子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のピストン機関。 The fluid introduction part is
The fluid element has a larger flow path resistance when the working fluid flows out from the hollow part than the flow path resistance when the working fluid flows into the hollow part, and has no movable part. The piston engine according to any one of claims 1 to 5, wherein:
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JP2004381686A JP2006188956A (en) | 2004-12-28 | 2004-12-28 | Piston engine |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008309197A (en) * | 2007-06-12 | 2008-12-25 | Toyota Motor Corp | Piston device and exhaust heat recovery device |
JP2009091959A (en) * | 2007-10-05 | 2009-04-30 | Toyota Motor Corp | Waste heat recovery engine and activation control device |
JP2009121337A (en) * | 2007-11-14 | 2009-06-04 | Toyota Motor Corp | Piston engine and Stirling engine |
CN101915159A (en) * | 2009-07-24 | 2010-12-15 | 靳北彪 | Gas occupied suspension piston engine |
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2004
- 2004-12-28 JP JP2004381686A patent/JP2006188956A/en active Pending
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