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JP2006283729A - Piston engine - Google Patents

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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
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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
Application number
JP2005107847A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daisaku Sawada
大作 澤田
Shinichi Mitani
信一 三谷
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2005107847A priority Critical patent/JP2006283729A/en
Publication of JP2006283729A publication Critical patent/JP2006283729A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit excess force acting on parts forming a movement system of a piston engine when engine rotation speed is changed in the operation of the piston engine. <P>SOLUTION: The piston engine 1 according to the invention has a piston 3 reciprocating in a cylinder 2. The reciprocating motion of the piston 3 is converted to rotation motion by a crankshaft 5. The crankshaft 5 is disposed in a crankcase 4 and an end of the cylinder 2 is connected to the crankcase 4. As rotation speed of the crankshaft 5 is increased, gas is fed from a pressure supply device 11 into the crank case 4 and pressure in the crankcase 4 is increased. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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. Patent Document 1 discloses a technique for adjusting the pressure in the working chamber so that the fluctuation of the rotational speed of the Stirling engine is within an allowable range when the Stirling engine is stopped.

特開平6−264818号公報JP-A-6-264818

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 Patent Document 1, pressure adjustment during operation is not taken into consideration, and power is originally taken out to the parts constituting the motion system of the piston engine due to changes in engine speed during operation and other operating condition changes. There is a possibility that an extra force more than the force required above is applied. Therefore, the present invention has been made in view of the above, and when the operating condition of the piston engine changes during the operation of the piston engine, an extra component that acts on the components constituting the motion system of the piston engine. An object of the present invention is to provide a piston engine that can suppress excessive force.

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 piston engine 1 according to this embodiment is a so-called displacer type Stirling engine. The Stirling engine type is not limited to the displacer type, but may be other types such as an α type Stirling engine. The piston engine 1 is a heat engine and is mounted on a vehicle together with the internal combustion engine 14, for example. Then, the exhaust gas of the internal combustion engine 14 is driven as a heat source. That is, in this embodiment, the piston engine 1 is used as an exhaust heat recovery device for the internal combustion engine 14.

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 piston engine 1 includes a displacer cylinder 7T, a displacer piston 7P that reciprocates inside the displacer cylinder 7T, and a heat exchanger 7HE including a heater 7H, a regenerator 7R, and a cooler 7C. The displacer cylinder 7T and the heat exchanger 7HE are filled with the working fluid of the piston engine 1 (in this embodiment, gas and air). The displacer cylinder 7T is partitioned by the displacer piston 7P into a space (high temperature space) on the heater 7H side of the heat exchanger 7HE and a space (low temperature space) on the cooler 7C side. The space on the cooler 7C side and the cylinder 2 are connected by a working fluid passage 8, and the working fluid in the displacer cylinder 7T is guided into the cylinder 2.

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 exhaust passage 15 of the internal combustion engine 14 is connected to the heat exchanger 7HE, and the heater 7H is heated by the exhaust gas of the internal combustion engine 14. The displacer piston 7P is connected to the crankshaft 5 by a displacer connecting rod 7K, and is configured to reciprocate with the piston 3 with a predetermined phase difference.

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 piston engine 1 includes a cylinder (power cylinder) 2, a piston (power piston) 3 that reciprocates in the cylinder 2, a crankshaft 5 that converts the reciprocating motion of the piston 3 into rotational motion, and a piston 3 and a crankshaft 5. Connecting rod 6 and crankcase 4 which is a case body. Here, the space in the cylinder 2 formed between the piston 3 and the cylinder head 2H is the working space 2I.

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 crankshaft 5 in a rotatable manner. One end of the cylinder 2 is connected to the crankcase 4. In this embodiment, the crankshaft 5 of the piston engine 1 is attached to the output shaft of the internal combustion engine 14. The output generated by the piston engine 1 recovering the exhaust heat of the internal combustion engine 14 is combined with the output of the internal combustion engine 14 and taken out.

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 piston engine 1 according to this embodiment is a piston engine in which the reciprocating motion of the piston 3 is converted into rotational motion by the crankshaft 5, but the reciprocating motion of the piston 3 is directly taken out as an output. . For example, the piston engine according to this embodiment may be a piston engine that takes out the reciprocating motion of the piston 3 by using a linear motor as a generator.

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 piston engine 1, the inside of the crankcase 4 is pressurized by pressure adjusting means. Here, the pressure in the crankcase is represented by the average pressure of the gas in the crankcase. In this embodiment, the gas that pressurizes the crankcase 4 is the same type of gas as the working fluid of the piston engine 1 (air in this embodiment).

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 piston engine 1, the piston engine 1 according to this embodiment receives components constituting the motion system of the piston engine 1 such as the connecting rod 6 and the crankshaft 5 from the net load of the piston engine 1. Designed to withstand a certain amount of force. For this purpose, it is necessary to reduce the load applied to the parts constituting the motion system of the piston engine 1 such as the connecting rod 6 and the crankshaft 5 to the level of the force received from the net load of the piston engine 1.

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 space 2 </ b> I during the operation of 3 and the force received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 are offset. And even if it is a case where the engine speed of piston engine 1 changes, the pressure in crankcase 4 is changed and the said specific relationship is maintained.

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 piston engine 1 according to this embodiment includes a pressure supply device 11 and a pressure adjusting mechanism 12. The pressure adjustment mechanism 12 includes a switching valve 12V and a valve operating device 12C. The valve operating device 12C is controlled by a pressure control device 30 incorporated in an ECU (Electronic Control Unit) 40. The ECU 40 controls the internal combustion engine 14.

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 pressure supply device 11, for example, a compressor, a pressure accumulation cylinder storing high-pressure gas, or the like can be used. Switching valve 12V is provided with a gas inlet 12i, a gas inlet and outlet 12o 1, and a gas outlet 12o 2. Then, it is possible to switch the valve operation device 12C, communication between the gas inlet 12i and the gas inlet and outlet 12o 1, and the communication between the gas inlet and outlet 12o 1 and the gas outlet 12o 2. Here, the gas inlet / outlet port 12 o 1 of the switching valve 12 </ b> V and the crankcase 4 are connected by a pressurized gas passage 10. Further, the pressure supply device 11 is connected to the gas inlet 12i of the switching valve 12V, supplies gas into the crankcase 4 via the switching valve 12V, and pressurizes the crankcase 4.

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 valve operating device 12C causes the gas inlet 12i and the gas inlet / outlet 12o 1 to communicate with each other. Then, gas is supplied from the pressure supply device 11 into the crankcase 4 through the gas inlet 12 i, the gas inlet / outlet 12 o 1 , and the pressurized gas passage 10. As a result, the pressure in the crankcase 4 increases. When it is desired to lower the pressure in the crank case 4, a valve operating device 12C is to communicate the gas inlet and outlet 12o 1 and the gas outlet 12o 2. Then, the gas in the crankcase 4 is released into the atmosphere through the pressurized gas passage 10, the gas inlet / outlet 12 o 1 , and the gas outlet 12 o 2 . As a result, the pressure in the crankcase 4 decreases.

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 piston engine 1 can be maintained in a specific relationship. As a result, even when the operating conditions of the piston engine 1 change, the force received from the pressure of the working fluid in the working space 2I when the piston 3 is operated cancels the force received from the acceleration generated by the operation of the piston 3. Can do.

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 piston engine 1, the working space 2 </ b> I and the inside of the crankcase 4 are connected by a communication passage 9. The communication passage 9 is provided with a safety valve 13 which is a limit differential pressure setting means. The safety valve 13 opens when a differential pressure exceeding a preset limit value is applied, and closes when the differential pressure applied to the safety valve 13 falls below the limit value. The safety valve 13 is composed of, for example, a bidirectional pressure relief valve.

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 piston engine 1 according to this embodiment can withstand the force of receiving the components such as the connecting rod 6 and the crankshaft 5 constituting the motion system of the piston engine 1 from the net load of the piston engine 1. Design as follows. Therefore, when the differential pressure between the pressure in the working space 2I and the pressure in the crankcase 4 increases, an unexpected force may act on the parts constituting the motion system of the piston engine 1.

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 piston engine 1 according to this embodiment, when the pressure difference between the pressure in the working space 2I and the pressure in the crankcase 4 exceeds a preset limit value, the safety valve 13 opens. Thereby, the inside of the working space 2I and the inside of the crankcase 4 communicate with each other, and the pressure inside the working space 2I and the pressure inside the crankcase 4 become substantially equal. As described above, the safety valve 13 generates an unexpected force that acts on the connecting rod 6 and the crankshaft 5 due to an increase in the differential pressure between the pressure in the working space 2I and the pressure in the crankcase 4. Can be suppressed. As a result, the connecting rod 6 and the like can be protected. Here, the case where the differential pressure between the pressure in the working space 2I and the pressure in the crankcase 4 exceeds a preset limit value is, for example, the piston frequency f of the piston engine 1, that is, the engine rotation of the piston engine 1. This is the case when the number is changed rapidly.

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 piston engine 1 according to this embodiment is controlled by the pressure control device 30 according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the pressure control device 30 is configured to be incorporated in the ECU 40. The ECU 40 includes a CPU (Central Processing Unit) 40p, a storage unit 40m, input and output ports 36 and 37, and input and output interfaces 38 and 39.

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 pressure control device 30 according to this embodiment may be prepared separately from the ECU 40 and connected to the ECU 40. And in order to implement | achieve the crankcase pressure control of the piston engine 1 which concerns on this Example, you may comprise so that the said pressure control apparatus 30 can utilize the control function of the piston engine 1 with which ECU40 is provided.

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 pressure control device 30 includes a control parameter calculation unit 31 and a pressure adjustment unit 32. These are the parts that control the pressure in the crankcase 4 of the piston engine 1 according to this embodiment. In this embodiment, the pressure control device 30 is configured as a part of the CPU 40 p that constitutes the ECU 40. In addition, the CPU 40 p includes an engine control unit 40 c that controls the operation of the internal combustion engine 14 and the piston engine 1.

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 storage unit 40 m, are connected together by a bus 35 3. Further, the control parameter calculation unit 31, the pressure adjustment unit 32, and the engine control unit 40c of the CPU 40p are provided via the buses 35 1 and 35 2 , the input port 36, and the output port 37. Connected. Thereby, the control parameter calculation part 31 and the pressure adjustment part 32 which comprise the pressure control apparatus 30 are comprised so that a control data can be mutually exchanged and a command can be issued to one side. Further, the pressure control device 30 can interrupt the control of the pressure in the crankcase 4 of the piston engine 1 according to this embodiment into an operation control routine provided in advance in the ECU 40.

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 input interface 38 is connected to the input port 36. Sensors that acquire information necessary for controlling the pressure in the crankcase of the piston engine 1, such as the pressure sensor 41, the engine speed sensor 42, and the like are connected to the input interface 38. Signals output from these sensors are converted into signals that can be used by the CPU 40 p by the A / D converter 38 a and the digital buffer 38 d in the input interface 38 and sent to the input port 36. Thereby, CPU40p can acquire information required for operation control of internal-combustion engine 14, and control of pressure in crankcase 4 of piston engine 1 concerning this example.

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 output interface 39 is connected to the output port 37. The output interface 39 is connected to a valve operating device 12 </ b> C included in the pressure adjustment mechanism 12. The output interface 39 includes control circuits 39 1 , 39 2 and the like, and operates the control target based on a control signal calculated by the CPU 40p. With this configuration, based on the output signals from the sensors, the pressure control device 30 according to this embodiment can control the pressure in the crankcase 4 of the piston engine 1 according to this embodiment. .

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 storage unit 40m stores a computer program, a control map, and the like including processing procedures for controlling the crankcase pressure of the piston engine 1 according to this embodiment. Here, the storage unit 40m can be configured by a volatile memory such as a RAM (Random Access Memory), a nonvolatile memory such as a flash memory, or a combination thereof.

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 piston engine 1 according to this embodiment, in combination with a computer program already recorded in the CPU 40p. Moreover, this pressure control apparatus 30 may implement | achieve the function of the control parameter calculating part 31 and the pressure adjustment part 32 using a dedicated hardware instead of the said computer program. Next, a procedure for controlling the pressure in the crankcase of the piston engine 1 according to this embodiment using the pressure control device 30 will be described. In the following description, please refer to FIGS. 1 and 2 as appropriate.

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 parameter calculation unit 31 of the pressure control device 30 acquires the target load Wm of the piston engine 1 (step S101). The target load Wm is determined, for example, by the engine control unit 40c of the ECU 40 based on a drive request and operating conditions for the internal combustion engine 14. The control parameter calculation unit 31 acquires the target load Wm determined by the engine control unit 40c.

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 parameter calculation unit 31 calculates a target engine speed (target engine speed) Nm from the acquired target load Wm (step S102). In this embodiment, the engine speed N of the piston engine 1 is changed in proportion to the 1/3 power of the load W of the piston engine 1. For this reason, if the target load Wm of the piston engine 1 is determined, the target engine speed Nm can be determined based on the target load Wm. Here, the reason why the engine speed N of the piston engine 1 is changed in proportion to the 1/3 power of the load W of the piston engine 1 will be described.

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 piston engine 1 according to this embodiment maintains the crankcase pressure Pc and the engine speed N in a specific relationship, thereby receiving a force received from the pressure of the working fluid in the working space 2I when the piston 3 is actuated, The force received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 is offset. Therefore, as will be described later, the crankcase internal pressure Pc is changed in proportion to the square of the engine speed N. Here, the load W of the piston engine 1 changes in proportion to the pressure of the working fluid existing in the working space 2I. Note that the pressure of the working fluid has a strong correlation with the crankcase pressure Pc. Further, the load W of the piston engine 1 changes in proportion to the engine speed N.

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 piston engine 1 according to this embodiment, for example, when the engine speed N is doubled, the crankcase pressure Pc is changed in proportion to the square of the engine speed, so that it is four times the original pressure. Increase to. As a result, the pressure of the working fluid existing in the working space 2I also becomes four times the original pressure. Accordingly, the load W of the piston engine 1 at that time is eight times the original load W. Thus, in the piston engine 1 according to this embodiment, since the load W changes in proportion to the cube of the engine speed N, the engine speed N of the piston engine 1 is equal to the load W of the piston engine 1. It is changed in proportion to the 1/3 power.

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 parameter calculation unit 31 calculates a target average pressure (target crankcase pressure) Pm in the crankcase 4 (step S103). In this embodiment, the engine speed of the piston engine 1 increases and the pressure in the crankcase 4 is increased. Therefore, if the target engine speed Nm of the piston engine 1 is determined, the target average pressure Pm in the crankcase 4 can be calculated. The target engine speed N and the target average pressure Pm are control parameters for realizing the crankcase pressure control of the piston engine 1 according to this embodiment.

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 piston engine 1 according to this embodiment maintains a specific relationship between the pressure in the crankcase 4 (crankcase pressure) Pc and the engine speed N (that is, corresponding to the piston frequency of the piston engine 1). Thereby, the force Ps received from the pressure of the working fluid when the piston 3 is operated and the force F received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 (that is, the differential value of the piston speed) can be canceled.

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 piston engine 1 as much as possible in order to offset the Ps and F by maintaining the crankcase pressure and the engine speed of the piston engine 1 in a specific relationship. For example, the internal friction of the piston engine 1 can be reduced by supporting the piston 3 with an air bearing or by reciprocating the piston 3 with a linear approximation mechanism.

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 piston engine 1 is N 1 , if the crankcase internal pressure is set to Pc 1 , a force Ps 1 received from the pressure of the working fluid when the piston 3 is operated, The force F 1 received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 is canceled out. Here, if the crankcase pressure remains Pc 1 when the engine speed changes to N 2 (N 1 <N 2 ), the force (Ps 1 ) received from the pressure of the working fluid during the operation of the piston 3 However, since the force (F 2 ) received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 becomes larger, they are not canceled out.

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 piston 3 operates, the force received from the pressure and Ps 2. Thereby, the force F 2 received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 can be canceled with the force Ps 2 received from the pressure of the working fluid when the piston 3 is operated. As a result, when there is a change in the engine speed N of the piston engine 1, it is possible to suppress an extra force that acts on the parts that constitute the motion system of the piston engine 1.

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 piston 3 is proportional to the square of the piston frequency, that is, the square of the engine speed. Therefore, when the crankcase pressure Pc is changed by changing the piston frequency, that is, by changing the engine speed, the crankcase pressure Pc is changed in proportion to the square of the engine speed N.

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 piston 3 is converted to a rotational motion by the crankshaft 5, the acceleration change of the piston 3 does not accurately indicate a sin wave. For this reason, in consideration of such variation factors, the crankcase pressure is changed in proportion to approximately the square of the piston frequency, that is, approximately the square of the engine speed. In the present invention, when “the crankcase pressure is changed in proportion to the square of the engine speed (equivalent to the piston frequency)”, not only the square of the engine speed but also the approximate square of the engine speed. Including. It should be noted that the relationship between the engine speed and the crankcase pressure is obtained in advance through experiments or the like, and this is mapped and stored in the storage unit 40m of the ECU 40, and the crankcase pressure is obtained from the engine speed with reference to the map. May be.

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 piston engine 1 according to this embodiment maintains the crankcase internal pressure and the engine speed of the piston engine 1 (corresponding to the piston frequency) in a specific relationship even when the engine speed changes. Thus, the force received from the pressure of the working fluid when the piston 3 is operated cancels the force received from the acceleration generated by the operation of the piston 3. As a result, the load applied to the components constituting the motion system of the piston engine 1 such as the connecting rod 6 and the crankshaft 5 can be reduced to the level of the force received from the net load of the piston engine 1. For this reason, the components constituting the motion system of the piston engine 1 such as the connecting rod 6 and the crankshaft 5 can be designed to withstand the force received from the net load of the piston engine 1.

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 piston engine 1 can be reduced in weight and size. Further, since the load applied to the components constituting the motion system of the piston engine 1 can be reduced to the level of the force received from the net load, the counterweight provided on the crankshaft 5 can be reduced. Thereby, the energy which drives the piston engine 1 can be reduced. Further, since the parts constituting the motion system of the piston engine 1 can be reduced in size, the sliding portion of the parts constituting the motion system of the piston engine 1 is also reduced. Thereby, since the internal friction of the piston engine 1 can be reduced, the internal loss of the piston engine 1 can be reduced.

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 piston engine 1 can also be reduced by reducing the weight and size of the parts constituting the motion system of the piston engine 1. In particular, in a Stirling engine used to recover exhaust heat from an internal combustion engine or the like, the internal friction needs to be reduced to the minimum in order to recover the heat energy from the lower heat energy. For this reason, the piston engine 1 which concerns on this Example is preferable for the Stirling engine used in order to collect | recover waste heat.

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 control parameter calculator 31 calculates the target average pressure Pm in the crankcase 4 (step S103), the control parameter calculator 31 calculates the allowable value determination parameter PN (step S104). As described above, the piston engine 1 according to this embodiment maintains the crankcase pressure and the engine speed of the piston engine 1 (corresponding to the piston frequency) in a specific relationship, and operates the working fluid when the piston 3 is operated. The force received from the pressure and the force received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 are offset.

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 piston engine 1 cannot be maintained due to disturbances or other factors, it is not expected for the components that make up the motion system of the piston engine 1. There is a risk that the power of. For this reason, at the target average pressure Pm set in step S103, the force received from the pressure of the working fluid when the piston 3 is operated and the force received from the acceleration generated by the operation of the piston 3 It is determined whether or not it is canceled within an allowable range such as a load.

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 piston engine 1, and the crankcase internal pressure (at this stage, the set target average pressure Pm corresponds to this). The value divided by the square of the piston frequency f (Pm / f 2 ). Since the engine speed N of the piston engine 1 corresponds to the piston frequency f, the allowable value determination parameter PN is a value obtained by dividing the set target average pressure Pm by the square of the engine speed N (Pm / N 2 ) may be used.

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 parameter calculation unit 31 determines whether or not the calculated allowable value determination parameter PN is within a preset allowable range, that is, within a range that is larger than the first threshold A and smaller than the second threshold B (step S105). . Here, the first threshold value A and the second threshold value B that define the permissible range are determined based on the load resistance of the components (for example, the connecting rod 6) constituting the motion system of the piston engine 1. When B> PN> A, the pressure adjusting unit 32 sends a control signal to the valve operating device 12C of the pressure adjusting mechanism 12 to operate the switching valve 12V.

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 pressure adjusting unit 32 changes the crankcase internal pressure Pc to the set target average pressure Pm (step S106). Further, the engine control unit 40c changes the engine speed N of the piston engine 1 to the target engine speed Nm (step S106). At this time, the control parameter calculation unit 31 acquires the crankcase internal pressure Pc from the pressure sensor 41, acquires the engine speed N of the piston engine 1 from the engine speed sensor 42, and uses the information as the pressure control unit. 32 and feedback to the engine control unit 40c. The pressure control unit 32 and the engine control unit 40c control the crankcase internal pressure Pc and the engine speed N based on the fed back information.

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 parameter calculation unit 31 corrects the target average pressure Pm (step S107). Then, the control parameter calculation unit 31 calculates the allowable value determination parameter PN again based on the corrected target average pressure Pm, and determines whether this is within the allowable range (step S105). When the allowable value determination parameter is not within the allowable range, the control parameter calculator 31 corrects the target average pressure Pm until the allowable value determination parameter enters the allowable range.

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 piston engine 1, the following control may be performed. That is, the control parameter calculation unit 31 of the pressure control device 30 acquires the crankcase internal pressure Pc from the pressure sensor 41, acquires the engine speed N of the piston engine 1 from the engine speed sensor 42, and operates the piston engine. The permissible value determination parameter PN_D = Pc / N 2 (corresponding to Pc / f 2 ) during operation 1 is calculated. Then, the control parameter calculation unit 31 determines whether or not the allowable value determination parameter PN_D during the operation of the piston engine 1 is within the allowable range.

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 piston engine 1, the possibility of unexpected force acting on the parts constituting the motion system of the piston engine 1 can be greatly reduced, so that the piston engine 1 can be operated safely.

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 piston engine 1 is a Stirling engine. However, the piston engine according to this embodiment is used in a heat engine or device other than a Stirling engine. It can be easily applied to this. And when applied, it has the same utility as the above.

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.

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。It is sectional drawing which shows the waste heat recovery system containing the piston engine which concerns on this Example. この実施例に係る圧力制御装置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the pressure control apparatus which concerns on this Example. 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。It is a flowchart which shows the procedure for controlling the pressure in the crankcase which concerns on this Example. 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。It is explanatory drawing which shows the pressure change of the working fluid by the load by the acceleration added to a piston, and the action | operation of a piston.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Piston engine 2 Cylinder 2H Cylinder head 2I Working space 3 Piston 4 Crankcase 5 Crankshaft 6 Connecting rod 9 Communication passage 10 Pressurized gas passage 11 Pressure supply device 12 Pressure adjustment mechanism 12V Switching valve 12C Valve operation device 13 Safety valve 14 Internal combustion engine DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Pressure control apparatus 31 Control parameter calculating part 32 Pressure adjusting part 40 ECU
40c Engine control unit 40m Storage unit 41 Pressure sensor 42 Engine speed sensor

Claims (4)

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請求項1に記載のピストン機関。   2. The piston engine according to claim 1, wherein the pressure inside the case body changes in proportion to a square of a frequency when the piston reciprocates. 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:
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請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストン機関。
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.
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