JP2006283729A - Piston engine - Google Patents
Piston engine Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006283729A JP2006283729A JP2005107847A JP2005107847A JP2006283729A JP 2006283729 A JP2006283729 A JP 2006283729A JP 2005107847 A JP2005107847 A JP 2005107847A JP 2005107847 A JP2005107847 A JP 2005107847A JP 2006283729 A JP2006283729 A JP 2006283729A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piston
- pressure
- engine
- piston engine
- crankcase
- 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
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 31
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 20
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 17
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 15
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
Description
本発明は、シリンダ内をピストンが往復するピストン機関に関する。 The present invention relates to a piston engine in which a piston reciprocates in a cylinder.
近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。特許文献1には、スターリングエンジンの停止時には、スターリングエンジンの回転速度の変動が許容範囲内に収まるように、作動室内の圧力を調整する技術が開示されている。
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.
しかし、特許文献1では、運転時においての圧力調整は考慮されておらず、運転時における機関回転数の変化その他の運転条件変化によって、ピストン機関の運動系を構成する部品に、本来動力を取り出す上で必要な力以上の余分な力が作用する可能性がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピストン機関の運転時において、ピストン機関の運転条件に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力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。
However, in
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、内部に配置されるピストンが往復運動するシリンダと、前記シリンダの一端が接続されるケース体と、前記ピストンが往復運動するときの周波数が増加するにしたがって前記ケース体の内部の圧力を増加させる圧力調整手段と、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 cylinder in which a piston disposed therein reciprocates, a case body to which one end of the cylinder is connected, and when the piston reciprocates. Pressure adjusting means for increasing the internal pressure of the case body as the frequency increases.
このピストン機関は、ピストンが往復運動するときの周波数(ピストンの往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン機関においては機関回転数がこれに相当する)が増加するにしたがって、クランクケース内の圧力を増加させる。これによって、ピストン機関の運転条件に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できる。 In this piston engine, as the frequency at which the piston reciprocates (in the piston engine that converts the reciprocating motion of the piston into rotational motion by the crankshaft, the engine speed corresponds to this), Increase pressure. Thereby, when there is a change in the operating condition of the piston engine, it is possible to suppress an excessive force acting on the parts constituting the moving system of the piston engine.
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、前記ケース体の内部の圧力は、前記ピストンが往復運動するときの周波数の2乗に比例して変化す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 pressure inside the case body changes in proportion to the square of the frequency when the piston reciprocates.
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、前記ケース体の内部と、前記シリンダ内の作動空間とを連通可能な連通通路と、前記連通通路に設けられて、前記ケース体の内部の圧力と前記作動空間の圧力との差圧が設定した限界値を超えると、前記ケース体の内部と前記作動空間とを連通させる限界差圧設定手段と、を備えることを特徴とする。 A piston engine according to the next invention is provided in the piston engine, provided in the communication passage, the communication passage capable of communicating the interior of the case body and the working space in the cylinder, and the interior of the case body. And a differential pressure setting means for communicating the inside of the case body and the working space when a differential pressure between the pressure of the working space and the pressure of the working space exceeds a set limit value.
次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関の運転中において、前記ケース体の内部の圧力を前記ピストンが往復運動するときの周波数の2乗で除した許容値判定パラメータが、予め設定した許容範囲外にある場合には、前記許容値判定パラメータが前記許容範囲内に入るように、前記ケース体の内部の圧力を調整することを特徴とする。 In the piston engine according to the present invention, an allowable value determination parameter obtained by dividing the internal pressure of the case body by the square of the frequency when the piston reciprocates during operation of the piston engine is set in advance. When it is outside the allowable range, the pressure inside the case body is adjusted so that the allowable value determination parameter falls within the allowable range.
この発明によれば、ピストン機関の運転時において、ピストン機関の運転条件に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できる。 According to the present invention, when the operating condition of the piston engine is changed during the operation of the piston engine, it is possible to suppress an extra force acting on the parts constituting the moving system of the piston engine.
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。 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.
なお、以下においては、ピストン機関の一例として熱機関であるスターリングエンジンを取り上げるが、この発明を適用できるピストン機関はこれに限定されるものではない。また、以下においては、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。 In the following, a Stirling engine, which is a heat engine, is taken as an example of a piston engine, but the piston engine to which the present invention can be applied is not limited to this. In the following, 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、ピストンが往復運動するときの周波数(以下ピストン周波数ともいう)f、すなわち、ピストンが1往復するときに要する時間tの逆数の増加とともに、例えばクランク軸が格納されるケース体の内部の圧力を上昇させる点に特徴がある。ここで、ピストンの往復運動をクランク軸によって変換するピストン機関の場合、ピストンの1往復によってクランク軸は1回転するので、クランク軸が1回転するのに要する時間は、ピストンの1往復に要する時間tとなる。したがって、ピストン周波数fは、クランク軸の単位時間あたりにおける回転数、すなわちピストン機関の機関回転数に相当する。なお、nを当該ピストン機関の1分あたりにおける機関回転数とすると、f=n/60となる。以下においては、ピストンの往復運動をクランク軸によって回転運動に変換するピストン機関を例として説明するので、ピストン機関の機関回転数は、ピストン周波数fと同様の意味で用いる。 The piston engine according to this embodiment stores, for example, a crankshaft as the frequency when the piston reciprocates (hereinafter also referred to as piston frequency) f, that is, the reciprocal of the time t required when the piston reciprocates once is increased. It is characterized in that the pressure inside the case body is increased. Here, in the case of a piston engine that converts the reciprocating motion of the piston by the crankshaft, the crankshaft makes one revolution by one reciprocation of the piston, so the time required for one revolution of the crankshaft is the time required for one reciprocation of the piston. t. Therefore, the piston frequency f corresponds to the rotation speed per unit time of the crankshaft, that is, the engine rotation speed of the piston engine. If n is the engine speed per minute of the piston engine, f = n / 60. In the following, a piston engine that converts the reciprocating motion of the piston into a rotational motion by the crankshaft will be described as an example, and therefore the engine speed of the piston engine is used in the same meaning as the piston frequency f.
図1は、この実施例に係るピストン機関を含む排熱回収システムを示す断面図である。この実施例に係るピストン機関1は、いわゆるディスプレーサ型のスターリングエンジンである。なお、スターリングエンジンの形式は、ディスプレーサ型に限られず、α型スターリングエンジン等、他の形式でもよい。このピストン機関1は熱機関であり、例えば、内燃機関14とともに車両に搭載される。そして、内燃機関14の排ガスを熱源として駆動する。すなわち、この実施例において、ピストン機関1は、内燃機関14の排熱回収装置として用いられる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an exhaust heat recovery system including a piston engine according to this embodiment. The
ピストン機関1が備えるディスプレーサ7は、ディスプレーサシリンダ7Tと、この内部を往復運動するディスプレーサピストン7Pと、ヒータ7H、再生器7R及び冷却器7Cで構成される熱交換器7HEとを備える。ディスプレーサシリンダ7T、及び熱交換器7HE内には、ピストン機関1の作動流体(この実施例では気体であり、空気)が満たされている。ディスプレーサシリンダ7Tは、ディスプレーサピストン7Pによって熱交換器7HEのヒータ7H側の空間(高温空間)と、冷却器7C側の空間(低温空間)とに仕切られる。そして、冷却器7C側の空間と、シリンダ2とは作動流体通路8で接続されており、ディスプレーサシリンダ7T内の作動流体がシリンダ2内へ導かれる。
The displacer 7 included in the
熱交換器7HEには内燃機関14の排気通路15が接続されており、内燃機関14の排ガスによってヒータ7Hが加熱される。ディスプレーサピストン7Pは、ディスプレーサコネクティングロッド7Kによってクランク軸5に連結されており、ピストン3と所定の位相差で往復運動するように構成される。
An
ピストン機関1は、シリンダ(パワーシリンダ)2と、シリンダ2内を往復運動するピストン(パワーピストン)3と、ピストン3の往復運動を回転運動に変換するクランク軸5と、ピストン3とクランク軸5とを連結するコネクティングロッド6と、ケース体であるクランクケース4とを備える。ここで、シリンダ2内の空間であって、ピストン3とシリンダヘッド2Hとの間に形成される空間は作動空間2Iである。
The
クランクケース4は、クランク軸5を内部に回転可能に支持して格納する。シリンダ2は、一端がクランクケース4と接続されている。この実施例において、ピストン機関1のクランク軸5は、内燃機関14の出力軸に取り付けられている。そして、ピストン機関1が内燃機関14の排熱を回収することによって生み出した出力は、内燃機関14の出力と合成されて取り出される。
The crankcase 4 stores and supports the
なお、この実施例に係るピストン機関1は、ピストン3の往復運動が、クランク軸5によって回転運動に変換されるが、ピストン3の往復運動をそのまま出力として取り出すようなピストン機関であってもよい。例えば、この実施例に係るピストン機関は、ピストン3の往復運動を、リニアモータを発電機として利用することによって取り出すようなピストン機関であってもよい。
The
このピストン機関1は、圧力調整手段によってクランクケース4内が加圧される。ここで、クランクケース内の圧力は、クランクケース内の気体の平均圧力で表す。なお、この実施例においてクランクケース4内を加圧する気体は、ピストン機関1の作動流体(この実施例では空気)と同じ種類の気体である。
In the
この実施例に係るピストン機関1は、ピストン機関1の機関効率を向上させるため、コネクティングロッド6やクランク軸5等といったピストン機関1の運動系を構成する部品を、ピストン機関1の正味負荷から受ける程度の力に対して耐え得るように設計する。このためには、コネクティングロッド6やクランク軸5等といった、ピストン機関1の運動系を構成する部品に加わる荷重を、ピストン機関1の正味負荷から受ける力程度に低減する必要がある。
In order to improve the engine efficiency of the
かかる課題を解決するため、本願発明者らは鋭意研究を重ねた結果、クランクケース4内の圧力とピストン機関1の機関回転数(すなわちピストン周波数)とを特定の関係に維持することにより、ピストン3の作動時に作動空間2I内の作動流体の圧力から受ける力と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺するようにした。そして、ピストン機関1の機関回転数が変化した場合であっても、クランクケース4内の圧力を変化させて、前記特定の関係を維持するようにした。
In order to solve such a problem, the inventors of the present application have made extensive studies and, as a result, by maintaining the pressure in the crankcase 4 and the engine speed of the piston engine 1 (that is, the piston frequency) in a specific relationship, The force received from the pressure of the working fluid in the working
この実施例に係るピストン機関1が備える圧力調整手段は、圧力供給装置11と、圧力調整機構12とを含んで構成される。圧力調整機構12は、切替弁12Vと、弁動作装置12Cとで構成される。弁動作装置12Cは、ECU(Electronic Control Unit)40内に組み込まれている圧力制御装置30によって制御される。なお、ECU40は、内燃機関14を制御する。
The pressure adjusting means provided in the
圧力供給装置11には、例えばコンプレッサや高圧の気体を蓄えた蓄圧ボンベ等を用いることができる。切替弁12Vは、気体入口12iと、気体出入口12o1と、気体出口12o2とを備える。そして、弁動作装置12Cによって、気体入口12iと気体出入口12o1との連通、及び気体出入口12o1と気体出口12o2との連通を切り替えることができる。ここで、切替弁12Vの気体出入口12o1とクランクケース4とは、加圧気体通路10で接続されている。また、圧力供給装置11は、切替弁12Vの気体入口12iと接続されており、切替弁12Vを介してクランクケース4内へ気体を供給し、クランクケース4内を加圧する。
For the
クランクケース4内の圧力を増加させたい場合には、弁動作装置12Cが気体入口12iと気体出入口12o1とを連通させる。すると、気体入口12i、気体出入口12o1、加圧気体通路10を通って、圧力供給装置11からクランクケース4内へ気体が供給される。これによって、クランクケース4内の圧力が増加する。クランクケース4内の圧力を低下させたい場合には、弁動作装置12Cが気体出入口12o1と気体出口12o2とを連通させる。すると、加圧気体通路10、気体出入口12o1、気体出口12o2を通って、クランクケース4内の気体が大気中へ放出される。これによって、クランクケース4内の圧力が低下する。
When it is desired to increase the pressure in the crankcase 4, the
このような構成により、クランクケース4内の圧力とピストン機関1の機関回転数とを特定の関係に維持することができる。その結果、ピストン機関1の運転条件が変化した場合でも、ピストン3の作動時に作動空間2I内の作動流体の圧力から受ける力と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺することができる。
With such a configuration, the pressure in the crankcase 4 and the engine speed of the
このピストン機関1は、作動空間2Iとクランクケース4の内部とが、連通通路9によって接続されている。連通通路9には、限界差圧設定手段である安全弁13が設けられている。安全弁13は、予め設定した限界値を超える差圧が加わると開き、安全弁13に加わる差圧が前記限界値を下回ると閉じる。安全弁13は、例えば、双方向の圧力リリーフ弁で構成する。
In the
上述したように、この実施例に係るピストン機関1は、ピストン機関1の運動系を構成するコネクティングロッド6やクランク軸5等といった部品を、ピストン機関1の正味負荷から受ける程度の力に耐え得るように設計する。したがって、作動空間2I内の圧力とクランクケース4の内部の圧力との差圧が増加すると、ピストン機関1の運動系を構成する部品に想定外の力が作用することがある。
As described above, the
この実施例に係るピストン機関1は、作動空間2I内の圧力とクランクケース4の内部の圧力との差圧が予め設定した限界値を超えると、安全弁13が開く。これによって、作動空間2I内とクランクケース4の内部とが連通して、作動空間2I内の圧力とクランクケース4の内部の圧力とが略等しくなる。このように、安全弁13によって、作動空間2I内の圧力とクランクケース4の内部の圧力との差圧増加に起因して発生する、コネクティングロッド6やクランク軸5等に作用する想定外の力を抑制できる。その結果、コネクティングロッド6等を保護することができる。ここで、作動空間2I内の圧力とクランクケース4の内部の圧力との差圧が予め設定した限界値を超える場合とは、例えば、ピストン機関1のピストン周波数f、すなわちピストン機関1の機関回転数を急激に変化させたような場合である。
In the
次に、この実施例に係る圧力制御装置について説明する。図2は、この実施例に係る圧力制御装置を示す説明図である。この実施例に係るピストン機関1は、この実施例に係る圧力制御装置30によって制御される。図2に示すように、圧力制御装置30は、ECU40に組み込まれて構成されている。ECU40は、CPU(Central Processing Unit:中央演算装置)40pと、記憶部40mと、入力及び出力ポート36、37と、入力及び出力インターフェイス38、39とから構成される。
Next, a pressure control apparatus according to this embodiment will be described. FIG. 2 is an explanatory view showing a pressure control device according to this embodiment. The
なお、ECU40とは別個に、この実施例に係る圧力制御装置30を用意し、これをECU40に接続してもよい。そして、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース内圧力制御を実現するにあたっては、ECU40が備えるピストン機関1の制御機能を、前記圧力制御装置30が利用できるように構成してもよい。
A
圧力制御装置30は、制御パラメータ演算部31と、圧力調整部32とを含んで構成される。これらが、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース4内における圧力の制御を実行する部分となる。この実施例において、圧力制御装置30は、ECU40を構成するCPU40pの一部として構成される。この他に、CPU40pには、内燃機関14やピストン機関1の運転を司る機関制御部40cが含まれている。
The
CPU40pと、記憶部40mとは、バス353によって互いに接続される。また、CPU40pが備える圧力制御装置30の制御パラメータ演算部31と、圧力調整部32と、CPU40pが備える機関制御部40cとは、バス351、352、入力ポート36及び出力ポート37を介して接続される。これにより、圧力制御装置30を構成する制御パラメータ演算部31と、圧力調整部32とは、相互に制御データをやり取りしたり、一方に命令を出したりできるように構成される。また、圧力制御装置30は、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース4内における圧力の制御を、ECU40が予め備えている運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
And CPU40p, a
入力ポート36には、入力インターフェイス38が接続されている。入力インターフェイス38には、圧力センサ41、機関回転数センサ42その他の、ピストン機関1のクランクケース内圧力の制御に必要な情報を取得するセンサ類が接続されている。これらのセンサ類から出力される信号は、入力インターフェイス38内のA/Dコンバータ38aやディジタルバッファ38dにより、CPU40pが利用できる信号に変換されて入力ポート36へ送られる。これにより、CPU40pは、内燃機関14の運転制御や、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース4内における圧力の制御に必要な情報を取得することができる。
An
出力ポート37には、出力インターフェイス39が接続されている。出力インターフェイス39には、圧力調整機構12が備える弁動作装置12Cが接続されている。出力インターフェイス39は、制御回路391、392等を備えており、CPU40pで演算された制御信号に基づき、前記制御対象を動作させる。このような構成により、前記センサ類からの出力信号に基づき、この実施例に係る圧力制御装置30は、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース4内における圧力の制御を実行することができる。
An
記憶部40mには、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース内圧力を制御する場合の処理手順を含むコンピュータプログラムや制御マップ等が格納されている。ここで、記憶部40mは、RAM(Random Access Memory)のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
The
上記コンピュータプログラムは、CPU40pへすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース内圧力を制御する場合の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この圧力制御装置30は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、制御パラメータ演算部31、圧力調整部32の機能を実現するものであってもよい。次に、この圧力制御装置30を用いて、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース内圧力を制御する手順を説明する。なお、次の説明にあたっては、適宜図1、図2を参照されたい。
The computer program may be capable of realizing a processing procedure for controlling the crankcase internal pressure of the
図3は、この実施例に係るクランクケース内の圧力を制御するための手順を示すフローチャートである。まず、圧力制御装置30の制御パラメータ演算部31は、ピストン機関1の目標負荷Wmを取得する(ステップS101)。目標負荷Wmは、例えば、ECU40の機関制御部40cが、内燃機関14に対する駆動要求や運転条件を基に決定する。制御パラメータ演算部31は、機関制御部40cが決定した目標負荷Wmを取得する。
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for controlling the pressure in the crankcase according to this embodiment. First, the control
次に、制御パラメータ演算部31は、取得した目標負荷Wmから、目標機関回転数(目標とする機関回転数)Nmを算出する(ステップS102)。この実施例において、ピストン機関1の機関回転数Nは、ピストン機関1の負荷Wの1/3乗に比例させて変化させる。このため、ピストン機関1の目標負荷Wmが決定されれば、目標機関回転数Nmは、目標負荷Wmに基づいて決定することができる。ここで、ピストン機関1の機関回転数Nを、ピストン機関1の負荷Wの1/3乗に比例させて変化させる理由について説明する。
Next, the control
この実施例に係るピストン機関1は、クランクケース内圧力Pcと機関回転数Nとを特定の関係に維持することにより、ピストン3の作動時に作動空間2I内の作動流体の圧力から受ける力と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺する。このため、後述するように、クランクケース内圧力Pcは、機関回転数Nの2乗に比例して変化させる。ここで、ピストン機関1の負荷Wは作動空間2I内に存在する作動流体の圧力に比例して変化する。なお、作動流体の圧力は、クランクケース内圧力Pcと強い相関がある。また、ピストン機関1の負荷Wは機関回転数Nに比例して変化する。
The
この実施例に係るピストン機関1においては、例えば、機関回転数Nが2倍になると、クランクケース内圧力Pcは機関回転数の2乗に比例して変化させるので、もとの圧力の4倍に増加させる。これによって、作動空間2I内に存在する作動流体の圧力ももとの圧力の4倍になる。したがって、そのときのピストン機関1の負荷Wは、もとの負荷Wの8倍になる。このように、この実施例に係るピストン機関1においては、負荷Wは機関回転数Nの3乗に比例して変化するので、ピストン機関1の機関回転数Nは、ピストン機関1の負荷Wの1/3乗に比例して変化させることになるのである。
In the
目標機関回転数Nmを算出したら、制御パラメータ演算部31は、クランクケース4内の目標平均圧力(目標とするクランクケース内圧力)Pmを算出する(ステップS103)。この実施例においては、ピストン機関1の機関回転数が増加するとともに、クランクケース4内の圧力を大きくする。したがって、ピストン機関1の目標機関回転数Nmが決定されれば、クランクケース4内の目標平均圧力Pmを算出することができる。なお、目標機関回転数N及び目標平均圧力Pmが、この実施例に係るピストン機関1のクランクケース内圧力制御を実現するにあたっての制御パラメータとなる。
After calculating the target engine speed Nm, the control
図4は、ピストンに加わる加速度による負荷及びピストンの作動による作動流体の圧力変化を示す説明図である。この実施例に係るピストン機関1は、クランクケース4内の圧力(クランクケース内圧力)Pcと機関回転数N(すなわちピストン機関1のピストン周波数に相当する)とを特定の関係に維持する。これにより、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力Psと、ピストン3の作動により発生する加速度(すなわちピストンの速度の微分値)から受ける力Fとを相殺できる。
FIG. 4 is an explanatory view showing a load due to acceleration applied to the piston and a change in pressure of the working fluid due to the operation of the piston. The
ここで、クランクケース内圧力とピストン機関1の機関回転数とを特定の関係に維持して、PsとFとを相殺するためには、ピストン機関1の内部摩擦をできるだけ低減することが好ましい。例えば、ピストン3を空気軸受によって支持したり、ピストン3を直線近似機構によって支持して往復運動させたりすることにより、ピストン機関1の内部摩擦を低減できる。
Here, it is preferable to reduce the internal friction of the
図4に示すように、例えば、ピストン機関1の機関回転数がN1のとき、クランクケース内圧力をPc1に設定すれば、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力Ps1と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力F1とが相殺される。ここで、機関回転数がN2(N1<N2)に変化したときにクランクケース内圧力がPc1のままだと、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力(Ps1)よりも、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力(F2)の方が大きくなるので、両者は相殺されない。
As shown in FIG. 4, for example, when the engine speed of the
そこで、図4に示すように、機関回転数がN2(N1<N2)に変化したときには、それに応じてクランクケース内圧力をPc2に変更して、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力をPs2とする。これによって、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力F2は、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力Ps2と相殺できる。その結果、ピストン機関1の機関回転数Nの変化があった場合に、ピストン機関1の運動系を構成する部品に作用する余分な力を抑制できる。
Therefore, as shown in FIG. 4, when the engine speed changes to N 2 (N 1 <N 2 ), the crankcase pressure is changed to Pc 2 accordingly , and when the
ここで、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力Fは、ピストン周波数の2乗、すなわち機関回転数の2乗に比例する。したがって、ピストン周波数の変化、すなわち機関回転数の変化によってクランクケース内圧力Pcを変更するにあたっては、クランクケース内圧力Pcを機関回転数Nの2乗に比例して変化させる。
Here, the force F received from the acceleration generated by the operation of the
ここで、ピストン3の往復運動をクランク軸5によって回転運動に変換する場合、ピストン3の加速度変化は正確にsin波を示す訳ではない。このため、このようなばらつきの要因を考慮して、クランクケース内圧力はピストンの周波数の概略2乗、すなわち機関回転数の概略2乗に比例して変化させる。本発明において、「クランクケース内圧力を機関回転数(ピストンの周波数に相当)の2乗に比例して変化させる」というときには、機関回転数の2乗のみならず、機関回転数の概略2乗も含む。なお、機関回転数とクランクケース内圧力との関係を予め実験等によって求め、これをマップ化してECU40の記憶部40mに格納し、そのマップを参照して機関回転数からクランクケース内圧力を求めてもよい。
Here, when the reciprocating motion of the
このように、この実施例に係るピストン機関1は、クランクケース内圧力とピストン機関1の機関回転数(ピストン周波数に相当)とを、機関回転数が変化した場合においても特定の関係に維持することにより、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺する。その結果、コネクティングロッド6やクランク軸5等といった、ピストン機関1の運動系を構成する部品に加わる荷重を、ピストン機関1の正味負荷から受ける力程度に低減できる。このため、コネクティングロッド6やクランク軸5等といったピストン機関1の運動系を構成する部品は、ピストン機関1の正味負荷から受ける力に耐え得る程度に設計することができる。
Thus, the
その結果、ピストン機関1の運動系を構成する部品を軽量化、小型化できる。また、ピストン機関1の運動系を構成する部品に加わる荷重を、正味負荷から受ける力程度に低減できるので、クランク軸5に設けるカウンターウェイトも少なくできる。これによって、ピストン機関1を駆動するエネルギを低減することができる。また、ピストン機関1の運動系を構成する部品を小型化できるので、ピストン機関1の運動系を構成する部品の摺動部も小さくなる。これによって、ピストン機関1の内部摩擦を低減できるので、ピストン機関1の内部損失を低減できる。
As a result, the parts constituting the motion system of the
さらに、ピストン機関1の運動系を構成する部品の軽量化、小型化によって、ピストン機関1の製造コストを低減することもできる。特に、内燃機関等の排熱を回収するために用いるスターリングエンジンでは、低位の熱エネルギから熱エネルギを回収するため、内部摩擦を極限まで低減する必要がある。このため、この実施例に係るピストン機関1は、排熱を回収するために用いるスターリングエンジンに好ましい。
Furthermore, the manufacturing cost of the
制御パラメータ演算部31がクランクケース4内の目標平均圧力Pmを算出したら(ステップS103)、制御パラメータ演算部31は、許容値判定パラメータPNを算出する(ステップS104)。この実施例に係るピストン機関1は、上述したように、クランクケース内圧力とピストン機関1の機関回転数(ピストン周波数に相当)とを特定の関係に維持して、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力とを相殺する。
When the
しかし、外乱等の要因によって、クランクケース内圧力とピストン機関1の機関回転数とが、設定した特定の関係を維持できなくなった場合には、ピストン機関1の運動系を構成する部品に想定外の力が作用するおそれがある。このため、ステップS103で設定した目標平均圧力Pmにおいて、ピストン3の作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストン3の作動により発生する加速度から受ける力とが、運動系を構成する部品の耐荷重等の許容範囲内において相殺されるか否かを判定する。
However, if the specified relationship between the crankcase pressure and the engine speed of the
許容値判定パラメータPNは、ピストン機関1の運動系を構成する部品を保護する観点から定められるものであり、クランクケース内圧力(この段階では、設定した目標平均圧力Pmがこれに相当する)を、ピストン周波数fの2乗で除した値(Pm/f2)である。なお、ピストン機関1の機関回転数Nは、ピストン周波数fに相当するので、許容値判定パラメータPNには、設定した目標平均圧力Pmを機関回転数Nの2乗で除した値(Pm/N2)を用いてもよい。
The permissible value determination parameter PN is determined from the viewpoint of protecting the parts constituting the motion system of the
制御パラメータ演算部31は、算出した許容値判定パラメータPNが、予め設定した許容範囲、すなわち第1閾値Aよりも大きく第2閾値Bよりも小さい範囲にあるか否かを判定する(ステップS105)。ここで、前記許容範囲を規定する第1閾値A、第2閾値Bは、ピストン機関1の運動系を構成する部品(例えばコネクティングロッド6)の耐荷重等を基に決定される。B>PN>Aである場合、圧力調整部32は、圧力調整機構12の弁動作装置12Cに制御信号を送り、切替弁12Vを作動させる。
The control
そして、圧力調整部32は、クランクケース内圧力Pcを、設定した目標平均圧力Pmに変更する(ステップS106)。また、機関制御部40cは、ピストン機関1の機関回転数Nを、目標機関回転数Nmに変更する(ステップS106)。このとき、制御パラメータ演算部31は、圧力センサ41からクランクケース内圧力Pcを取得し、また、機関回転数センサ42からピストン機関1の機関回転数Nを取得して、その情報を圧力制御部32及び機関制御部40cへフィードバックする。圧力制御部32及び機関制御部40cは、フィードバックされた情報に基づき、クランクケース内圧力Pc及び機関回転数Nを制御する。
Then, the
B>PN>Aでない場合、すなわちPN≦A又はB≦PNである場合、制御パラメータ演算部31は目標平均圧力Pmを修正する(ステップS107)。そして、制御パラメータ演算部31は、修正した目標平均圧力Pmに基づいて再度許容値判定パラメータPNを算出し、これが許容範囲にあるか否かを判定する(ステップS105)。許容値判定パラメータが許容範囲にない場合は、制御パラメータ演算部31は許容値判定パラメータが許容範囲に入るまで目標平均圧力Pmを修正する。
When B> PN> A is not satisfied, that is, when PN ≦ A or B ≦ PN, the control
なお、ピストン機関1の運転中には、次のような制御をしてもよい。すなわち、圧力制御装置30の制御パラメータ演算部31は、圧力センサ41からクランクケース内圧力Pcを取得し、また、機関回転数センサ42からピストン機関1の機関回転数Nを取得して、ピストン機関1の運転中における許容値判定パラメータPN_D=Pc/N2(Pc/f2に相当)を算出する。そして、制御パラメータ演算部31は、ピストン機関1の運転中における許容値判定パラメータPN_Dが前記許容範囲にあるか否かを判定する。
During the operation of the
そして、前記許容値判定パラメータPN_Dが前記許容範囲から外れた場合には、前記許容値判定パラメータPN_Dが前記許容範囲に入るように、クランクケース内圧力Pcを修正するように制御する。これによって、ピストン機関1の運転中、ピストン機関1の運動系を構成する部品に想定外の力が作用するおそれを極めて低減できるので、ピストン機関1を安全に運転できる。
When the allowable value determination parameter PN_D is out of the allowable range, control is performed so as to correct the crankcase internal pressure Pc so that the allowable value determination parameter PN_D falls within the allowable range. Thereby, during operation of the
以上、この実施例に係るピストン機関は、クランクケース内圧力と機関回転数(ピストンの周波数に相当)とを特定の関係に設定し、かつ機関回転数の増加とともに、クランクケース内圧力を増加させる。これによって、ピストン機関の機関回転数に変化が生じた場合でも、クランクケース内圧力と機関回転数との特定の関係を維持して、ピストンの作動時に作動流体の圧力から受ける力と、ピストンの作動により発生する加速度から受ける力とを相殺できる。これにより、この実施例に係るピストン機関は、機関回転数(ピストンの周波数に相当)に変化があった場合に、ピストン機関の運動系を構成する部品に過度の力が作用することを抑制できる。 As described above, the piston engine according to this embodiment sets the crankcase internal pressure and the engine speed (corresponding to the piston frequency) to a specific relationship, and increases the crankcase internal pressure as the engine speed increases. . As a result, even when a change occurs in the engine speed of the piston engine, the specific relationship between the crankcase internal pressure and the engine speed is maintained, and the force received from the pressure of the working fluid during the operation of the piston, The force received from the acceleration generated by the operation can be offset. Thereby, the piston engine which concerns on this Example can suppress that excessive force acts on the components which comprise the moving system of a piston engine, when there exists a change in engine speed (equivalent to the frequency of a piston). .
なお、上記においては、ピストン機関1がスターリングエンジンである場合の例を用いて、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熱機関や装置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、上記と同様の有用性を有する。
In the above description, the configuration, operation, and effect have been described using an example in which the
以上のように、本発明に係るピストン機関は、熱機関に有用であり、特に、ピストン機関の運動系を構成する部品に余分な力が作用することを抑制することに適している。 As described above, the piston engine according to the present invention is useful for a heat engine, and is particularly suitable for suppressing an excessive force from acting on components constituting a moving system of the piston engine.
1 ピストン機関
2 シリンダ
2H シリンダヘッド
2I 作動空間
3 ピストン
4 クランクケース
5 クランク軸
6 コネクティングロッド
9 連通通路
10 加圧気体通路
11 圧力供給装置
12 圧力調整機構
12V 切替弁
12C 弁動作装置
13 安全弁
14 内燃機関
30 圧力制御装置
31 制御パラメータ演算部
32 圧力調整部
40 ECU
40c 機関制御部
40m 記憶部
41 圧力センサ
42 機関回転数センサ
DESCRIPTION OF
40c
Claims (4)
前記シリンダの一端が接続されるケース体と、
前記ピストンが往復運動するときの周波数が増加するにしたがって前記ケース体の内部の圧力を増加させる圧力調整手段と、
を含むことを特徴とするピストン機関。 A cylinder in which a piston disposed inside reciprocates;
A case body to which one end of the cylinder is connected;
Pressure adjusting means for increasing the pressure inside the case body as the frequency when the piston reciprocates increases;
A piston engine comprising:
前記連通通路に設けられて、前記ケース体の内部の圧力と前記作動空間の圧力との差圧が設定した限界値を超えると、前記ケース体の内部と前記作動空間とを連通させる限界差圧設定手段と、
を備え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。 A communication passage capable of communicating the inside of the case body and the working space in the cylinder;
Provided in the communication passage, when a differential pressure between the pressure inside the case body and the pressure in the working space exceeds a set limit value, a limit differential pressure that causes the inside of the case body to communicate with the working space Setting means;
The piston engine according to claim 1, further comprising:
During the operation of the piston engine, if the allowable value determination parameter obtained by dividing the pressure inside the case body by the square of the frequency when the piston reciprocates is outside a preset allowable range, The piston engine according to any one of claims 1 to 3, wherein a pressure inside the case body is adjusted so that an allowable value determination parameter falls within the allowable range.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005107847A JP2006283729A (en) | 2005-04-04 | 2005-04-04 | Piston engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005107847A JP2006283729A (en) | 2005-04-04 | 2005-04-04 | Piston engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006283729A true JP2006283729A (en) | 2006-10-19 |
Family
ID=37405898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005107847A Pending JP2006283729A (en) | 2005-04-04 | 2005-04-04 | Piston engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006283729A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008169713A (en) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Toyota Motor Corp | Stirling engine |
-
2005
- 2005-04-04 JP JP2005107847A patent/JP2006283729A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008169713A (en) * | 2007-01-09 | 2008-07-24 | Toyota Motor Corp | Stirling engine |
DE102007055933B4 (en) | 2007-01-09 | 2020-06-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Stirling engine and control method for this |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4816143B2 (en) | Waste heat recovery device | |
JP5185910B2 (en) | Mirror cycle engine | |
KR101840895B1 (en) | Selfpressureregulating compressed air engine comprising an integrated active chamber | |
US20130074497A1 (en) | Waste heat recovery system | |
WO2004099599A1 (en) | Power device equipped with combustion engine and stirling engine | |
US9080508B2 (en) | Piston compound internal combustion engine with expander deactivation | |
JP2009013979A (en) | Operation method of glow plug in diesel engine | |
JP6414125B2 (en) | Vehicle control device | |
JPS5888420A (en) | Method and device for regulating filling of combustion gas to internal combustion engine | |
US20120096857A1 (en) | Heat utilization device an operating method | |
JP2006283729A (en) | Piston engine | |
US7805935B2 (en) | Stirling engine and control method therefor | |
JP5418358B2 (en) | Stirling engine | |
JP2005090376A (en) | Power unit comprising an internal combustion engine and a Stirling engine | |
JP2014141907A (en) | Internal combustion engine | |
US9541027B2 (en) | System and method for recovering waste heat | |
JP2012041897A (en) | Control device for stirling engine | |
EP2816215A1 (en) | Energy conversion system | |
US7228824B2 (en) | Internal combustion engine having variable compression ratio selection as a function of projected engine speed | |
US20130019595A1 (en) | Control apparatus and control method for stirling engine | |
CN101014754A (en) | Equipment for internal combustion engine | |
JP4706512B2 (en) | Waste heat recovery device | |
WO2014171906A1 (en) | An engine brake control system and method | |
JP2006291902A (en) | Piston engine | |
EP3594569A1 (en) | Heat recovery device |