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JP2006188956A - Piston engine - Google Patents

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JP2006188956A
JP2006188956A JP2004381686A JP2004381686A JP2006188956A JP 2006188956 A JP2006188956 A JP 2006188956A JP 2004381686 A JP2004381686 A JP 2004381686A JP 2004381686 A JP2004381686 A JP 2004381686A JP 2006188956 A JP2006188956 A JP 2006188956A
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JP
Japan
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piston
air supply
cylinder
vertical direction
working fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004381686A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daisaku Sawada
大作 澤田
Hiroshi Yaguchi
寛 矢口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2004381686A priority Critical patent/JP2006188956A/en
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  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

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4
When 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.

特開2000−46431号公報JP 2000-46431 A

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 engine 10 according to this embodiment is an α-type (two-piston type) Stirling engine, and includes high-temperature side and low-temperature side piston / cylinder portions 20 and 30. As shown in FIG. 1, the high temperature side and low temperature side piston / cylinder parts 20, 30 are arranged in series. The piston 31 of the low temperature side piston / cylinder part 30 has a phase difference of about 90 ° in crank angle with respect to the piston 21 of the high temperature side piston / cylinder part 20.

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 piston 21 of the high temperature side piston / cylinder portion 20 is housed in a cylinder (high temperature side cylinder) 22 and reciprocates therein. Further, the piston 31 of the low temperature side piston / cylinder portion 30 is housed in a low temperature side cylinder 32, and reciprocates within this. The working fluid heated by the heater 47 flows into the space on the heater 47 side of the high temperature side cylinder 22 (hereinafter referred to as the expansion space ES). The working fluid cooled by the cooler 45 flows into the space (hereinafter referred to as compression space PS) on the side of the regenerative heat exchanger (hereinafter referred to as regenerator) 46 of the cylinder (low temperature side cylinder) 32. Note that the expansion space ES and the compression space PS are also called working spaces.

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 regenerator 46 stores heat when the working fluid reciprocates between the expansion space ES and the compression space PS. That is, when the working fluid flows from the expansion space ES to the compression space PS, the regenerator 46 receives heat from the working fluid, and operates the stored heat when the working fluid flows from the compression space PS to the expansion space ES. Pass to fluid.

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 pistons 21, 31 reciprocate, the reciprocating flow of the working gas occurs, and the ratio of the working fluid in the expansion space ES of the high temperature side cylinder 22 and the compression space PS of the low temperature side cylinder 32 changes. As the total volume also changes, pressure fluctuations occur. Comparing the pressures when the two pistons 21 and 31 are in the same position, the piston 21 is considerably higher when it is lowered than when it is raised, while the piston 31 is lower. For this reason, the piston 21 needs to perform a large positive work (expansion work) to the outside, and the piston 31 needs to receive work (compression work) from the outside. Part of the expansion work is used for compression work, and the rest is taken out as an output via the drive shaft 40.

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 drive shaft 40 is connected to a crankshaft 43 stored in a crankcase 41. The crankshaft 43 is connected to the two pistons 21 and 31 via the piston side connecting rod 61, the connecting pin 60, and the connecting rod 109. The crankshaft 43 converts the reciprocating motion of the two pistons 21, 31 into a rotational motion and transmits it to the drive shaft 40.

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 cooler 45 and the heater 47, so that a higher output is obtained from the Stirling engine 10. . Since the average pressure of the working fluid becomes the pressure in the crankcase 41, it is preferable to pressurize the crankcase 41 with a pressurizing unit so as to extract more output from the Stirling engine 10.

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 engine 10 according to this embodiment is used in a vehicle together with an internal combustion engine 220 such as a gasoline engine. That is, the Stirling engine 10 is driven using the exhaust gas Ex of the internal combustion engine 220 such as a gasoline engine as a heat source. The heater 47 of the Stirling engine 10 is disposed inside the exhaust pipe 100 of the internal combustion engine 220 mounted on the vehicle, and the working fluid is heated by the thermal energy recovered from the exhaust gas Ex, so that the Stirling engine 10 operates. In this embodiment, the Stirling engine 10 drives the generator 225 using the exhaust gas Ex of the internal combustion engine 220 as a heat source.

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 Stirling engine 10 according to this embodiment is installed in a limited space in the vehicle such that the heater 47 is accommodated in the exhaust pipe 100, the installation is more compact. The degree of freedom increases, which is preferable. Therefore, the Stirling engine 10 employs a configuration in which the two high-temperature side and low-temperature side cylinders 22 and 32 are arranged in series and not in a V shape.

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 heater 47 is disposed inside the exhaust pipe 100, the high temperature of the heater 47 is set on the upstream side (a side close to the gasoline engine) 100 a of the exhaust gas in which a relatively high temperature exhaust gas flows inside the exhaust pipe 100. The side cylinder 22 side is located, and the low temperature side cylinder 32 side of the heater 47 is located on the downstream side (the side far from the gasoline engine) 100b through which relatively low temperature exhaust gas flows. This is because the high temperature side cylinder 22 side of the heater 47 is heated more.

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 temperature side cylinder 22 and the low temperature side cylinder 32 is formed in a cylindrical shape and supported by a substrate 42 which is a reference body. In this embodiment, the substrate 42 serves as a position reference for each component of the Stirling engine 10. With this configuration, the relative positional accuracy of each component of the Stirling engine 10 is ensured. Further, the substrate 42 can be used as a reference when the Stirling engine 10 is attached to the exhaust pipe (exhaust passage) 100 or the like, which is the exhaust heat recovery target.

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 substrate 42 is fixed to the flange 100f of the exhaust pipe 100 via a heat insulating material. Since the exhaust pipe 100 and the substrate 42 are fixed in a state where relative positional accuracy is ensured, the substrate 42 can be considered as a device mounting surface provided in the exhaust pipe 100 as a fixed structure. A flange 22 f provided on the side surface (outer peripheral surface) of the high temperature side cylinder 22 is fixed to the substrate 42.

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 exhaust pipe 100 and the Stirling engine 10 are attached via a substrate 42. At this time, the substrate 42, the end surface of the high temperature side cylinder 22 to which the heater 47 is connected (the side to which the heater 47 of the top portion 22 b is connected), and the low temperature side cylinder 32 to which the cooler 45 is connected. The Stirling engine 10 is attached to the substrate 42 so that its end face (top face 32a) is substantially parallel.

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 Stirling engine 10 can be easily attached to the exhaust pipe 100 without making a significant design change to the existing exhaust pipe 100. As a result, the Stirling engine 10 can be mounted on the exhaust pipe 100 without impairing the performance, mountability, noise, and other functions of the internal combustion engine body of the vehicle that is the subject of exhaust heat recovery. Further, even when the Stirling engine 10 having the same specification is attached to different exhaust pipes, it can be dealt with only by changing the specification of the heater 47, so that versatility can be improved.

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 Stirling engine 10 according to this embodiment is mounted on a vehicle 200, for example, it is mounted under the floor of the vehicle 200. Then, it is placed horizontally in a space adjacent to the exhaust pipe 100 arranged under the floor of the vehicle 200. That is, the axial directions of the high temperature side cylinder 22 and the low temperature side cylinder 32 are arranged substantially parallel to the vehicle floor 200up, and the two pistons 21 and 31 reciprocate in the horizontal direction ( Arrow C direction in FIG. 3). At this time, the two pistons 21 and 31 reciprocate in the vertical direction, that is, in a direction perpendicular to the direction of action of gravity (the direction of arrow G in FIG. 3). As shown in FIG. 4 to be described later, the configuration disclosed in this embodiment can be applied when a component in the direction of gravity acts on the side peripheral portions 211a 1 and 211a 2 of the piston 21. Therefore, the configuration disclosed in this embodiment can be applied to the case where the pistons 21 and 22 move in the vertical direction, that is, the direction intersecting with the direction of action of gravity.

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 pistons 21 and 31 and the inner walls of the cylinders 22 and 32, respectively. A working fluid (a gas, which is air in this embodiment) of the Stirling engine 10 is interposed in the clearance to constitute an air bearing 48. Here, the air bearing 48 uses the pressure (distribution) of the working fluid generated by the minute clearance between the pistons 21 and 31 and the cylinders 22 and 32 to bring the pistons 21 and 31 into the cylinders 22 and 32. Let it float.

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 pistons 21 and 31 are supported in a non-contact state by air bearings 48 with respect to the cylinders 22 and 32, respectively. Therefore, the piston ring is not provided around the pistons 21 and 31, and the lubricating oil generally used with the piston ring is not used. A solid lubricant may be attached to the inner walls of the cylinders 22 and 32. Although the sliding resistance of the working fluid of the air bearing 48 is originally very low, the sliding resistance between the piston and the cylinder can be reduced when the function of the air bearing is insufficient, such as when stopping and starting. is there.

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 Stirling engine 10 into the pistons 21 and 31, and from a plurality of holes provided in the side peripheral portions of the pistons 21 and 31. This is a static pressure air bearing configured by jetting into a clearance portion between the pistons 21 and 31 and the cylinders 22 and 32. The static pressure gas bearing jets pressurized fluid and floats an object (in this embodiment, pistons 21 and 31) by the generated static pressure.

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 Stirling engine 10 is the exhaust gas Ex of the internal combustion engine 220 of the vehicle 200, the amount of heat obtained is limited, and the Stirling engine 10 is effectively operated within the range of the obtained heat amount. There is a need. Therefore, as shown in FIG. 1, the side to which the heater 47 of the top portion 22b of the high temperature side cylinder 22 is connected and the side surface 22c of the high temperature side cylinder 22 are heated so that the working fluid as hot as possible flows into the expansion space ES. The side to which the vessel 47 is connected is disposed inside the exhaust pipe 100. Thereby, in the vicinity of the top dead center, the piston top 211t of the expansion-side piston 21 is positioned inside the exhaust pipe 100, and the piston top 211t of the expansion-side piston 21 is effectively heated.

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 Stirling engine 10 according to this embodiment, the substrate 42 is disposed on the working fluid introduction side of the high temperature side and low temperature side cylinders 22 and 32, and both cylinders are assembled to the substrate 42. With such a configuration, the high temperature side and low temperature side cylinders 22 and 32 are restrained, and an increase in the distance between the high temperature side cylinder 22 and the low temperature side cylinder 32 is suppressed. As a result, even when the heater 47 becomes hot during operation of the Stirling engine 10, the clearance between the cylinder and the piston can be maintained and the function of the air bearing 48 can be exhibited.

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 pistons 21 and 31 will be described in detail. Here, as shown in FIG. 1, the sizes of the pistons 21 and 31 are different, but the structure is common. Since the piston 21 and the piston 31 according to this embodiment both have a common configuration, the piston 21 will be described below, and the description of the piston 31 will be omitted.

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 piston 21 includes a piston main body 211, a hollow portion (hereinafter referred to as a pressure accumulating chamber) 212 formed inside the piston main body 211 (that is, the inside of the piston 21), and a partition member 213. In this embodiment, the partition member 213 is attached to the inner wall 211 iw of the piston 21 at the bottom portion 211 s of the piston main body 211. And as shown in FIG. 4, the partition member 213 is comprised so that the piston pin 62 for attaching the piston 21 to the piston side connection rod 61 may be avoided. With such a configuration, the piston main body 211 is closed by the partition member 213 on the piston top 211t side and the piston skirt 211s side, and the pressure accumulation chamber 212 is formed inside.

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 main body 211 has a high temperature side cylinder 22 (FIG. 1) and side peripheral portions (sliding portions) 211a 1 and 211a 2 that slide, and a top surface portion 211b that is integrally (continuously) provided in a lid shape. is doing. A fluid introduction part 214 for communicating the working space in the high temperature side cylinder 22 and the pressure accumulating chamber 212 and introducing the working fluid in the working space into the pressure accumulating chamber 212 is provided at the center of the top surface portion 211b. In this embodiment, the fluid introduction part 214 is composed of a fluid element, which will be described in detail later.

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 peripheral portions 211 a 1 and 211 a 2 of the piston main body 211 are provided with a plurality of air supply holes 216 and 217. In the following description, for convenience of explanation, the air supply hole arranged on the vertical upper side US of the piston 21 is referred to as a first air supply hole 216, and the air supply hole arranged on the lower vertical side LS of the piston 21 is the second air supply hole. The air supply hole 217 is used. Further, the side circumferential portion of the piston 21 on the upper side US in the vertical direction is referred to as a first side circumferential portion 211a 1, and the side circumferential portion on the lower side LS in the vertical direction of the piston 21 is referred to as a second side circumferential portion 211a 2 . Then, when focusing on a position where each of the feed holes 216 and 217 are arranged, a first gas supply hole 216, a second gas supply hole 217, a first side peripheral portion 211a 1, second side periphery The two are distinguished as 211a 2 .

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 piston 21 is arranged so that the direction of motion of the piston 21 (the direction of arrow C in FIG. 4) is orthogonal to the direction of gravity action (the direction of arrow G in FIG. 4). Above the plane (plane indicated by Y in FIG. 5, hereinafter referred to as the boundary plane) passing through the central axis (piston central axis) Z of the piston 21 and orthogonal to the gravity action direction (opposite to the gravity action direction). ). Further, the lower LS in the vertical direction means that the piston 21 is arranged so that the direction of motion of the piston 21 (the direction of arrow C in FIG. 4) is perpendicular to the direction of gravity action (the direction of arrow G in FIG. 4). The side below the boundary plane (the direction in which the gravity acts).

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 enlarged portion 217s (216s). The working fluid spreads through the orifice 217o (216o) at the enlarged portion 217s (216s) and is ejected to the clearance between the piston 21 and the high temperature side cylinder 22. The enlarged portion 217s (216s) has a function of accumulating and accumulating the working fluid ejected from the orifice 217o (216o). Therefore, when the piston 21 is started, the pressure receiving area is increased, and the piston 21 is stably stabilized with a larger force. Can surface.

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 piston 21 and the high temperature side cylinder 22 changes after the piston 21 starts reciprocating, the flow rate is adjusted by the orifice 217o (216o). As a result, the clearance between the piston 21 and the high temperature side cylinder 22 is kept substantially constant. The diameter D 1 of the orifice 217o (216o), and the diameter D 2 of the enlarged portion 217s (216s), appropriately modified specification of the Stirling engine 10 and the piston 21 or by the operating conditions and the like.

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 piston 21 moves to the top dead center side, the working fluid in the working space of the high temperature side cylinder 22 flows from the fluid introduction part 214 into the pressure accumulating chamber 212. Here, the fluid introduction part according to this embodiment will be described. As already described, the fluid introduction part 214 is composed of a fluid element. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a fluid introducing portion according to this embodiment. In the fluid introduction part 214, the flow path resistance is remarkably increased in the reverse flow (the flow when the working fluid flows out from the pressure accumulation chamber 212) compared to the forward flow (the flow when the working fluid is introduced into the pressure accumulation chamber 212). Characteristics are required. For this reason, the fluid element which comprises the fluid introduction part 214 which concerns on this Example is comprised as follows.

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 chamber side opening 214C. The curvature R1 of the pressure accumulating chamber side opening 214C is set to be extremely small and is preferably close to 0 as much as possible. Top side opening 214ow forms the projection without smooth surface, the accumulation chamber side opening 214C protrudes, the protrusion height h 2 is formed. Further, an angle θ formed by the end surface 214S of the pressure accumulating chamber side opening 214o 1 and the passage axis of the introduction passage 214H is formed as an acute angle. With such a configuration, the working fluid smoothly flows from the top surface opening 214o 2 into the pressure accumulating chamber 212, but the working fluid hardly flows out through the pressure accumulating chamber side opening 214o 1 . As a result, when the piston 21 reciprocates, the pressure of the working fluid stored in the pressure accumulating chamber 212 (pressure in the pressure accumulating chamber) Pp increases and gradually approaches a constant value. Note that a check valve may be configured using a reed valve instead of the fluid element, and this may be used as the fluid introduction unit 214.

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 piston 21, a part of the working fluid in the working space is introduced into the pressure accumulating chamber 212 through the fluid introduction part 214. Then, a part of the working fluid in the pressure accumulating chamber 212 is ejected to the clearance between the piston 21 and the high temperature side cylinder 22 through the air supply holes 216 and 217 to constitute the air bearing 48 (see FIG. 1). The clearance size tc (FIG. 4) is about 15 μm to 30 μm. Next, the arrangement of the air supply holes 216 and 217 will be described.

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 piston 21 according to this embodiment, immediately after the working fluid introduced into the pressure accumulating chamber 212 by the movement of the piston 21 starts to be ejected from the air supply holes 216 and 217, the piston 21 is formed by the air supply hole 217 on the lower side LS in the vertical direction. The air supply holes 216 and 217 are arranged on the side periphery of the piston 21 so that the difference between the sum of the forces that float the air and the total force that causes the piston 21 to float from the high temperature side cylinder 22 by the air supply holes 216 on the upper side US in the vertical direction becomes larger. 211a 1 and 211a 2 are provided. Here, the force that lifts the piston 21 refers to a force that causes the piston 21 to move away from the high temperature side cylinder 22.

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 peripheral portion 211a 2 of the piston 21 in the vertical lower side LS than in the first side peripheral portion 211a 1 of the piston 21 in the vertical upper side US. become.

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 piston 21 starts to move, the fluid in the working space is introduced from the fluid introduction part 214 into the pressure accumulating chamber 212. At this time, the pressure accumulating chamber pressure Pp gradually increases, so that the piston 21 is moved against gravity. A certain amount of time is required to float from the high pressure side cylinder 22. Until the piston 21 floats, the piston main body 211 of the piston 21 and the inner wall 22iw of the high temperature side cylinder 22 come into contact with each other and slide, so that the wear of both contact surfaces easily proceeds.

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 pressure accumulation chamber 212 of the piston 21 is constant, the force to lift the piston 21 from the high temperature side cylinder 22 increases as the number of air supply holes increases. In this embodiment, more second air supply holes 217 in the lower vertical direction LS are provided than in the first air supply holes 216 in the upper vertical direction US. Therefore, immediately after the air starts to be ejected from the air supply hole of the piston 21, the sum of the force F 2 that floats the piston 21 generated by the second air supply hole 217 and the piston 21 generated by the first air supply hole 216 are It is possible to create a state in which the difference from the sum of the floating force F 1 becomes larger (the sum of F 2 > the sum of F 1 ). Accordingly, the piston 21 can be lifted from the high temperature side cylinder 22 immediately after the piston 21 starts to move. As a result, the contact between the piston main body 211 and the inner wall 22iw of the high temperature side cylinder 22 can be minimized, and wear of both at the time of activation can be minimized.

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 Stirling engine 10 according to this embodiment, after the piston 21 is lifted from the high temperature side cylinder 22, the force to lift the piston 21 and the own weight of the piston 21 are balanced in consideration of the weight of the piston 21. The arrangement of the air supply holes 217 is not set for the purpose of doing so. As described above, the difference between the sum of the forces F 2 that floats the piston 21 generated by the second air supply holes 217 and the sum of the forces F 1 that floats the piston 21 generated by the first air supply holes 216 increases. Is determined as quickly as possible. Thus, the purpose of assisting the rising of the piston 21 and shortening the period until the piston 21 rises from the high temperature side cylinder 22 is as short as possible.

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 piston 21 of the Stirling engine 10 according to this embodiment takes in the air supply hole 216 while taking in the working fluid in the working space from the fluid introducing portion 214 provided on the piston top surface portion into the pressure accumulating chamber 212 while reciprocating. The air bearing 48 is formed by ejecting from the air bearing 217. In this way, the gas is not supplied from the outside, but is ejected after the working fluid is taken into the inside by its own movement, so that if a certain amount of time has not passed since the piston 21 started the movement, Insufficient working fluid is available to float 21.

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 piston 21 from the high temperature side cylinder 22 as soon as possible, the above-described configuration described in this embodiment is extremely effective. In particular, when the above-described fluid element is used as the fluid introduction part 214, the pressure accumulation chamber pressure Pp is relatively difficult to increase. However, in the arrangement of the air supply holes according to this embodiment, the second air supply holes 217 in the vertical lower side LS are provided more than the first air supply holes 216 in the vertical upper side US, and after the movement of the piston 21 starts. Therefore, it is strengthened that the piston 21 floats from the high temperature side cylinder 22. As a result, after the piston 21 starts to move, it can be quickly floated.

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 air supply hole 217 arranged on the lower side LS in the vertical direction has a lateral pressure of the piston 21 due to gravity when the piston 21 is arranged so that the piston central axis Z and the direction of action of gravity are orthogonal to each other. It is preferable to arrange them symmetrically with respect to the center of gravity point g with respect to the sum of (Fig. 7). Here, the lateral pressure of the piston 21 is a pressure that the piston 21 receives from the virtual plane due to gravity when the piston 21 is placed on a virtual plane orthogonal to the direction of gravity. The component is perpendicular to the virtual plane. In this way, the resultant force F 2 that floats the piston 21 generated by the second air supply hole 217 can be matched with the barycentric point g. As a result, the inclination of the piston 21 can be suppressed and the piston 21 can be stably floated.

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 Stirling engine 10 is the exhaust gas of the internal combustion engine of the vehicle, the amount of heat obtained is limited, and it is necessary to operate the Stirling engine 10 within the range of the obtained heat amount. Therefore, in this embodiment, the internal friction of the Stirling engine 10 is reduced as much as possible. For this reason, in this embodiment, in order to reduce the friction loss due to the piston ring having the largest friction loss among the internal friction of the Stirling engine to the limit, the above-described air bearing (air bearing) 48 is used without using the piston ring. Is used.

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 air bearing 48 has extremely small sliding resistance, the internal friction of the Stirling engine 10 can be greatly reduced. Moreover, the use of the air bearing 48 eliminates the need for lubricating oil used in the piston ring. On the other hand, since the air bearing 48 has a low ability (load ability) to withstand the force in the diameter direction (lateral direction, thrust direction) of the cylinders 22 and 32, the side force of the pistons 21 and 31 can be made substantially zero. preferable. For this reason, it is necessary to increase the linear motion accuracy of the pistons 21 and 31 with respect to the axes (center axes) of the cylinders 22 and 32. In particular, the air bearing 48 of the type that is used in this embodiment and that supports the pistons 21 and 31 by using air pressure at a minute clearance is supported compared to the type in which high-pressure air is blown. Is low. For this reason, the higher linear motion accuracy of the piston is required.

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 glass hopper mechanism 50 has an effect that the entire apparatus becomes compact because the size of the mechanism required to obtain the same linear motion accuracy is smaller than that of other linear approximation mechanisms (for example, Watt mechanism). .

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 Stirling engine 10 according to this embodiment is installed in a limited space such that the heater 47 is accommodated in the exhaust pipe of an automobile, as shown in FIG. The more compact the whole, the more freedom of installation. Further, the grasshopper mechanism 50 is advantageous in terms of fuel consumption because the mass of the mechanism necessary for obtaining the same linear motion accuracy is lighter than other mechanisms. Furthermore, since the grasshopper mechanism 50 has a relatively simple structure, it is easy to manufacture and assemble, and has an advantage that the manufacturing cost can be reduced.

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 temperature side piston 21 side and the low temperature side piston 31 side, in the following description, only the high temperature side piston 21 side will be described. And the description about the low temperature side piston 31 side is abbreviate | omitted. As shown in FIGS. 1 and 12, the reciprocating motion of the piston 21 is transmitted to the crankshaft 43 through the piston pin 62, the piston-side connecting rod 61, the connecting pin 60, and the connecting rod 109. Converted. The connecting rod 109 is supported by the grasshopper mechanism 50 shown in FIG. 12, and reciprocates the piston 21 linearly. Thus, by supporting the connecting rod 109 by the grasshopper mechanism 50, the side force F of the piston 21 can be made almost zero, so that the piston 21 can be sufficiently supported even by the air bearing 48 having a small load capacity. .

(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 piston 21A according to the first modification includes a plurality of air supply holes 216 and 217 in the side peripheral portions 211a 1 and 211a 2 of the piston main body 211A. Then, the second air supply hole 217 provided in the second side peripheral part 211a 2 on the lower side LS in the vertical direction than the first air supply hole 216 provided in the first side peripheral part 211a 1 on the upper side in the vertical direction. The number is larger. As shown in FIGS. 14 and 16, the second air supply hole 217 provided on the lower side LS in the vertical direction includes the direction of movement of the piston 21 (the direction of arrow C in FIG. 13) and the direction of action of gravity ( The piston is arranged so as to intersect the direction of arrow G), and the piston 21A is displaced from a portion (hereinafter referred to as a stationary contact portion) Sp where the piston 21A contacts the high temperature side cylinder 22 when the piston 21A is stationary. 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 piston 21A and the curvature of the inner diameter of the high temperature side cylinder 22, the latter is slightly larger. Thus, when the piston 21A is at rest, a clearance between the inner wall 22iw side of the piston 21A circumferential portion 211a 1 and the high-temperature side cylinder 22 is increased with the progress in the vertical direction upper side. Thus, the second supply hole 217 provided in the vertically lower side LS, when arranged offset from resting contact portion Sp, enlarged portion of the air supply holes 217 in the side periphery 211a 1, 211a 2 of the piston 21A 217s ( A slight gap generated between the opening surface of FIGS. 8 and 9 and the inner wall 22iw of the high temperature side cylinder 22 is larger than when the second air supply hole 217 is disposed in the stationary contact portion Sp.

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 air supply hole 217 is arranged so as to be shifted from the stationary contact portion Sp, the orifice 217o (2) of the second air supply hole 217 is larger than the case where the second air supply hole 217 is disposed in the stationary contact portion Sp. The pressure receiving surface of the working fluid ejected from FIGS. 8 and 9) can be increased. As a result, when the piston 21A starts to reciprocate and starts to eject the working fluid from the second air supply hole 217, the difference between the downward force in the vertical direction and the upward force in the vertical direction can be further increased ( (Vertical downward force> vertical upward force). Thereby, it is possible to further shorten the time from when the piston 21B starts to move to when it floats from the high temperature side cylinder 22.

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 air supply hole 217 is arranged so as to be shifted from the stationary contact portion Sp, the second air supply hole is symmetric with respect to the stationary contact line Sp1 of the stationary contact portion Sp in consideration of force balance. It is preferable to arrange (FIG. 16). At this time, in the case where the piston 21A is arranged so that the piston central axis Z and the direction of action of gravity are orthogonal to each other, the second air supply hole 217 is relative to the center of gravity point g with respect to the sum of the side pressures of the piston 21A due to gravity. It is preferable to arrange them symmetrically (FIG. 16). In this way, the resultant force of the force that lifts the piston 21 </ b> A generated by the second air supply hole 217 can be matched with the barycentric point g. As a result, the inclination of the piston 21A can be suppressed and the piston 21A can be floated stably.

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 air supply hole 216 arranged on the upper side in the vertical direction is symmetrical with respect to the opposite point g2 facing the center of gravity g with respect to the piston center axis Z on the upper side in the vertical direction of the piston 21A. It is preferable to arrange. Thereby, the inclination of the piston 21A can be suppressed and the piston 21A can be stably floated.

(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 peripheral portions 211a 1 and 211a 2 of the piston 21B at intervals of a central angle of 120 ° with respect to the piston central axis Z. That is, the air supply holes 216 and 217 are arranged at substantially equal intervals with respect to the circumferential direction of the piston main body 211B of the piston 21B. Then, when the piston 21B is arranged so that the piston central axis Z and the direction of action of gravity (arrow G direction in FIGS. 17 and 18) are orthogonal to each other, the second air supply hole 217 is formed on the lower side LS in the vertical direction. At the same time, the first air supply hole 216 is located in the upper vertical direction US. At this time, the first and second air supply holes 216 and 217 are arranged such that the number of the second air supply holes 217 in the lower vertical direction LS is larger than that of the first air supply hole 216 in the upper vertical direction US. Is done.

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 air supply hole 217 on the lower side LS in the vertical direction is arranged so as to be shifted from the stationary contact portion Sp. As a result, the pressure receiving surface of the working fluid ejected from the orifice 217o of the second air supply hole 217 can be made larger than when the second air supply hole 217 is disposed in the stationary contact portion Sp. As a result, when the working fluid starts to be ejected from the second air supply hole 217, the difference between the upward force in the vertical direction and the downward force in the vertical direction can be increased, so that the piston 21B starts reciprocating motion. It can shorten the time until it floats. Further, since the first and second air supply holes 216 and 217 are arranged at substantially equal intervals with respect to the circumferential direction of the piston main body 211B of the piston 21B, the first and second air supply holes 216 and 217 are generated. The force is directed toward the piston center axis Z. Thus, after the piston 21B is lifted from the high temperature side cylinder 22, the clearance between both is easily maintained.

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

この実施例に係るピストン機関を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the piston engine which concerns on this Example. 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。It is explanatory drawing which shows an example of the state which collect | recovers the exhaust heat of an internal combustion engine with the piston engine which concerns on this Example. 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。It is a front view which shows the example which has arrange | positioned the piston engine which concerns on this Example under the floor of a vehicle. 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。It is sectional drawing which shows the piston with which the piston engine which concerns on this Example is provided. 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。It is the top view which looked at the piston which concerns on this Example from the top surface part side. 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。It is explanatory drawing which shows the state which looked at the piston which concerns on this Example from the arrow B direction of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the state which looked at the piston which concerns on this Example from the arrow A direction of FIG. この実施例に係る給気孔を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the air supply hole which concerns on this Example. この実施例に係る給気孔を示す平面図である。It is a top view which shows the air supply hole which concerns on this Example. この実施例に係る流体導入部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fluid introduction part which concerns on this Example. 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。It is a conceptual diagram which shows the state immediately after the piston engine which concerns on this Example started a motion and started ejecting a working fluid from an air supply hole. 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。It is a schematic block diagram of the piston crank mechanism with which the Stirling engine which concerns on this Example is provided. 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。It is sectional drawing which shows the piston with which the piston engine which concerns on a 1st modification is provided. 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。It is the top view which looked at the piston which concerns on a 1st modification from the top surface part side. 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。It is explanatory drawing which shows the state which looked at the piston which concerns on a 1st modification from the arrow B direction of FIG. 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。It is explanatory drawing which shows the state which looked at the piston which concerns on a 1st modification from the arrow A direction of FIG. 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。It is the top view which looked at the piston which concerns on a 2nd modification from the top surface part side. 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。It is sectional drawing which shows the piston with which the piston engine which concerns on a 2nd modification is provided.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 10 Stirling engine 20 High temperature side piston * cylinder part 21, 21A, 21B Piston 22 High temperature side cylinder 22iw Inner wall 22b Top part 30 Low temperature side piston * cylinder part 31 Piston 32 Low temperature side cylinder 43 Crankshaft 45 Cooler 46 Regenerator 47 Heater 48 air bearing 50 grasshopper mechanism 100 exhaust pipe 200up floor 200 vehicle 211,211A, 211B piston body 211t piston crown 211a 1, 211a 2 side peripheral portion 211b top wall 211iw inner wall 211s skirt 212 accumulator (hollow portion)
214H Introduction passage 214 Fluid introduction part 216 Air supply hole (first air supply hole)
217 Air supply hole (second air supply hole)
220 Internal combustion engine

Claims (6)

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:
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.
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.
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101915159A (en) * 2009-07-24 2010-12-15 靳北彪 Gas occupied suspension piston engine

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