JP4337630B2 - Stirling engine failure diagnosis device - Google Patents
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Description
本発明は、スターリングエンジンの故障診断装置に関し、特に、トルク計や指圧計などが必要なく、簡易な装置構成で、スターリングエンジンの故障診断を行うことができる、スターリングエンジンの故障診断装置に関する。 The present invention relates to a fault diagnosis equipment of the Stirling engine, in particular, is not required, such as a torque meter or acupressure meter, a simple device configuration, it is possible to perform failure diagnosis of the Stirling engine, the Stirling engine failure diagnosis instrumentation about the location.
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外燃機関として、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。 In recent years, Stirling engines with excellent theoretical thermal efficiency have attracted attention as external combustion engines that recover exhaust heat from internal combustion engines and factory exhaust heat mounted on vehicles such as passenger cars, buses, and trucks.
特開2002−266701号公報(特許文献1)には、内燃機関の排気系にスターリングエンジンを設ける点が開示されている。
特開2002−115574号公報(特許文献2)には、エンジンの排気系に設けたランキンサイクル装置の出力推定方法として、排気ガスのエネルギーと交換効率の積に基づいて推定する方法が開示されている。
Japanese Patent Laying-Open No. 2002-266701 (Patent Document 1) discloses that a Stirling engine is provided in an exhaust system of an internal combustion engine.
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-115574 (Patent Document 2) discloses a method for estimating the output of a Rankine cycle device provided in an engine exhaust system based on the product of exhaust gas energy and exchange efficiency. Yes.
外燃機関の故障診断を行うことが求められている。しかしながら、従来、外燃機関の故障診断装置として効果的なものは開示されていない。 There is a demand for fault diagnosis of external combustion engines. However, an effective device for diagnosing failure of an external combustion engine has not been disclosed .
本発明の目的は、外燃機関の故障診断装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a failure diagnosis apparatus for an external combustion engine .
本発明のスターリングエンジンの故障診断装置は、内燃機関の排気系に設けられたスターリングエンジンにより熱エネルギーが回収される前の前記内燃機関の排気ガスの温度及び流量と、前記スターリングエンジンの回転数とに基づいて、前記スターリングエンジンにより熱エネルギーが回収された後の前記内燃機関の排気ガスの温度を推定する温度推定手段と、前記スターリングエンジンにより熱エネルギーが回収された後の前記内燃機関の排気ガスの温度を測定する温度測定手段と、前記推定された温度と、前記測定された温度に基づいて、前記スターリングエンジンの故障診断を行う故障診断手段とを備えたことを特徴とする。 The failure diagnosis device for a Stirling engine according to the present invention includes the temperature and flow rate of the exhaust gas of the internal combustion engine before the heat energy is recovered by the Stirling engine provided in the exhaust system of the internal combustion engine, based on a temperature estimation means for estimating the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine after the heat energy has been recovered by the Stirling engine, the exhaust gas of the internal combustion engine after the heat energy has been recovered by the Stirling engine a temperature measuring means for measuring the temperature of said estimated temperature, based on the measured temperature, characterized in that a fault diagnosis means for performing a fault diagnosis of the Stirling engine.
上記本発明によれば、トルク計や指圧計などが必要なく簡易な装置構成でスターリングエンジンの故障診断を行うことができる。
また、スターリングエンジンに入力された熱エネルギーと、スターリングエンジンにより回収された熱エネルギーにより、スターリングエンジンで未回収の熱エネルギー量を推定するため、推定精度が向上する。
また、上記本発明によれば、内燃機関の排気ガスからの熱エネルギーの回収状況を示すスターリングエンジンの回転数に基づいて、熱エネルギーが回収された後の内燃機関の排気ガス熱媒体の温度を推定するため、推定精度が向上する。
According to the present invention described above, failure diagnosis of a Stirling engine can be performed with a simple device configuration without the need for a torque meter or a tonometer.
Further, since the amount of heat energy not recovered by the Stirling engine is estimated from the heat energy input to the Stirling engine and the heat energy recovered by the Stirling engine, the estimation accuracy is improved.
Further, according to the present invention, the temperature of the exhaust gas heat medium of the internal combustion engine after the recovery of the thermal energy is determined based on the rotational speed of the Stirling engine indicating the recovery status of the thermal energy from the exhaust gas of the internal combustion engine. Since the estimation is performed, the estimation accuracy is improved.
本発明のスターリングエンジンの故障診断装置において、前記内燃機関の回転数と負荷トルクに基づいて、前記熱エネルギーが回収される前の前記内燃機関の排気ガスの温度を推定することを特徴としている。 In the Stirling engine failure diagnosis apparatus according to the present invention, the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine before the recovery of the thermal energy is estimated based on the rotational speed and load torque of the internal combustion engine .
本発明の外燃機関の故障診断装置において、前記故障診断手段は、前記推定された温度と、前記測定された温度との差の絶対値が所定値を越えたときに、前記外燃機関が故障していると診断することを特徴としている。 In the failure diagnosis apparatus for an external combustion engine according to the present invention, the failure diagnosis means is configured such that when the absolute value of the difference between the estimated temperature and the measured temperature exceeds a predetermined value, the external combustion engine It is characterized by diagnosing a failure.
本発明の外燃機関の故障診断装置において、前記外燃機関が故障していると診断されたときには、その旨が報知されることを特徴としている。 In the failure diagnosis apparatus for an external combustion engine according to the present invention, when it is diagnosed that the external combustion engine has failed, the fact is notified.
本発明のスターリングエンジンの故障診断装置によれば、簡易な装置構成でスターリングエンジンの故障を診断することができる。 The Stirling engine failure diagnosis apparatus according to the present invention can diagnose a Stirling engine failure with a simple device configuration.
以下、本発明のスターリングエンジンの一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the Stirling engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態のスターリングエンジンを示す正面図である。図1に示すように、本実施形態のスターリングエンジンは、α型(2ピストン形)のスターリングエンジン10であり、二つのパワーピストン20、30を備えている。二つのパワーピストン20、30は、直列並行に配置されている。低温側パワーピストン30のピストン31は、図6に示すように、高温側パワーピストン20のピストン21に対して、クランク角で90°程度遅れて動くように位相差がつけられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front view showing a Stirling engine of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the Stirling engine of this embodiment is an α-type (two-piston type) Stirling
高温側パワーピストン20のシリンダ(以下高温側シリンダという)22の上部の空間(膨張空間)には、加熱器47によって加熱された作動流体が流入する。低温側パワーピストン30のシリンダ(以下低温側シリンダという)32の上部の空間(圧縮空間)には、冷却器45によって冷却された作動流体が流入する。
The working fluid heated by the
再生器(再生熱交換器)46は、膨張空間と圧縮空間を作動流体が往復する際に熱を蓄える。即ち、膨張空間から圧縮空間へと作動流体が流れる時には、再生器46は、作動流体より熱を受け取り、圧縮空間から膨張空間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 (regenerative heat exchanger) 46 stores heat when the working fluid reciprocates between the expansion space and the compression space. That is, when the working fluid flows from the expansion space to the compression space, the
2つのピストン21、31の往復動に伴い、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ22の膨張空間と低温側シリンダ32の圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、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、膨張ピストン21についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン31については逆に低くなる。このため、膨張ピストン21は外部に対し大きな正の仕事(膨張仕事)を行い、圧縮ピストン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
本実施形態のスターリングエンジン10は、図2に示すように、車両において主エンジン(ガソリンエンジン、内燃機関)200と共に用いられてハイブリッドシステムを構成する。即ち、スターリングエンジン10は、主エンジン200の排気ガスを熱源として用いた排気熱回収装置である。スターリングエンジン10の加熱器47が車両の主エンジン200の排気管100の内部に配置され、排気ガスから回収した熱エネルギー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。
As shown in FIG. 2, the Stirling
本実施形態の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す。そのために、スターリングエンジン10では、2つのシリンダ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。
The Stirling
加熱器47が排気管100の内部に配置されるに際しては、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(主エンジン200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(主エンジン200から遠い側)100bに加熱器47の低温側シリンダ32側が位置するように配置される。加熱器47の高温側シリンダ22側をより多く加熱するためである。
When the
高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板42に支持されている。本実施形態においては、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。このように構成されることで、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られることができる。
Each of the high
排気管100のフランジ100fに対して、断熱材(スペーサ、図示せず)を介して、基板42が固定されている。基板42には、高温側シリンダ22の側面(外周面)22cに設けられたフランジ22fが固定されている。また、基板42には、再生器46の側面(外周面)46cに設けられたフランジ46fが固定されている。
A
排気管100とスターリングエンジン10とは、基板42を介して取り付けられる。このとき、基板42と、高温側シリンダ22において加熱器47が接続される側の端面(頂部22bの上面)、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。あるいは、基板42とクランクシャフト61(又は駆動軸40)の回転軸とが平行になるように、もしくは排気管100の中心軸とクランクシャフト61の回転軸とが平行になるように、スターリングエンジン10が基板42に取り付けられる。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。
The
スターリングエンジン10は、車両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、即ち、車両の床面(図示せず)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、水平方向に往復動される。本実施形態では、説明の便宜上、2つのピストン21、31の上死点側を上方向、下死点側を下方向であるとして説明する。
The Stirling
作動流体は、その平均圧力(後述するPmean)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高い出力が得られる。そのため、上記のように、高温側シリンダ22、低温側シリンダ32内の作動流体は高圧に保持されている。
The higher the average pressure (Pmean described later) of the working fluid, the higher the pressure difference with respect to the same temperature difference due to the
ピストン21,31は、円柱状に形成されている。ピストン21、31の外周面とシリンダ22、32の内周面との間には、それぞれ数十μmの微小クリアランスが設けられており、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(空気)が介在している。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共に使用される潤滑油も使用されていない。但し、シリンダ22、32の内周面には、固定潤滑材が付されている。空気軸受48の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、更に低減するために、固定潤滑材が付されている。上記のように、空気軸受48は、作動流体(気体)により膨張空間、圧縮空間それぞれの気密を保ち、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールを行う。
The
加熱器47は、複数の伝熱管(管群)47tを有し、それらの複数の伝熱管47tが概ねU字形の形状に形成されてなるものである。各伝熱管47tの第1端部47taが高温側シリンダ22の上部(頂部)(頂面22a側の端面)22bに接続されている。各伝熱管47tの第2端部47tbが再生器46の上部(加熱器47側の端面)46aに接続されている。上記のように、加熱器47が概ねU字形に形成されている理由については後述する。
The
再生器46は、蓄熱材(マトリックス、図示せず)と、そのマトリックスが収容される再生器ハウジング46hとを備えている。再生器ハウジング46hには、高圧の作動流体が入るため、再生器ハウジング46hは、耐圧容器である。再生器46では、マトリックスとして、積層された金網が用いられている。
The
再生器46には、上述した機能から、以下の条件が要求される。即ち、伝熱性能と蓄熱容量が高く、流動抵抗(流動損失、圧力損失)が小さいことのほか、作動流体の流れ方向の熱伝導率が小さく、温度勾配を大きくとれることが要求される。その金網の材料は、ステンレス鋼であることができる。積層された各金網のメッシュを通過するときに、その金網に作動流体の熱が蓄熱される。 The following conditions are required for the regenerator 46 from the above-described functions. That is, the heat transfer performance and the heat storage capacity are high, the flow resistance (flow loss, pressure loss) is small, the thermal conductivity in the flow direction of the working fluid is small, and a large temperature gradient is required. The wire mesh material can be stainless steel. When passing through the mesh of each laminated wire mesh, the heat of the working fluid is stored in the wire mesh.
加熱器47において高温側シリンダ22との接続部分(横断面形状)は、高温側シリンダ22の上部(加熱器47との接続部分)の開口形状(真円)と同じ形状・大きさとされている。同様に、加熱器47において再生器46との接続部分は、再生器46の上面と同じ形状・大きさとされている。即ち、加熱器47、再生器46の断面形状は、高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32の開口形状と同じ形状・大きさに形成されている。この構成により、作動流体の流路抵抗(流通抵抗)が低減される。
In the
本実施形態では、カウンタウェイト90が、スターリングエンジン10全体の上下方向の大きさに与える影響を最小限に抑えるべく、スターリングエンジン10全体の上下方向の大きさに影響を与えることなくスペースを確保可能な高温側シリンダ22側にカウンタウェイト90が設けられている。
In the present embodiment, a space can be secured without affecting the vertical size of the
次に、スターリングエンジン10の出力推定方法について説明する。
Next, an output estimation method of the
図2に示すように、内燃機関(主エンジン)200側で、主エンジン200の排気ガス量GEと、回転数NEと、トルクTorqueEは求められている。排気ガス量GEは、主エンジン200の吸気空気量と燃料使用量に基づいて求められることができる。
As shown in FIG. 2, an internal combustion engine (main engine) 200, and an exhaust gas amount G E of the
図1に示すように、排気管100内には、スターリングエンジン10が設けられた位置よりも、排気ガスの上流側(主エンジン200に近い側)100aに温度センサT1が設けられ、下流側100bに温度センサT2が設けられている。また、クランクケースには、クランクシャフト61に設けられたカウンタウェイト90の通過位置の近傍に回転数センサNsが設けられている。以下、温度センサT1で検出した温度を温度T1とし、温度センサT2で検出した温度を温度T2とし、回転数センサNsで検出した回転数を回転数Nsとする。
As shown in FIG. 1, in the
温度T1は、スターリングエンジン10に供給される排気ガスの温度である。温度T2は、スターリングエンジン10の熱源として使用された後の排気ガスの温度である。回転数Nsは、スターリングエンジン10の回転数である。
The temperature T <b> 1 is the temperature of the exhaust gas supplied to the
スターリングエンジン10の前後の排気ガス温度T1、T2と、主エンジン200の排気ガス量GEから、スターリングエンジン10への入熱量Qinを下記式1より求める。
次に、下記式2に示すように、上記入熱量Qinに、スターリングエンジン10に固有の効率をかけてスターリングエンジン10の出力を求める。
上記式[数2]の各固有効率ηi、ηR、ηmは、温度(T1、T2)、スターリングエンジン10の回転数Ns、平均作動ガス圧Pmean(≒クランクケース圧)などの関数として、又は、マップとして事前に求めておく。また、図示効率ηiとは、スターリングエンジン10の圧縮比などのスペック(諸元)で決まるサイクルの理論効率に対応する。
The intrinsic efficiencies η i , η R , and η m in the above equation [Equation 2] are functions as a function of temperature (T1, T2), the rotational speed Ns of the
ここで、上記平均作動ガス圧Pmeanについて図6を参照して説明する。 Here, the average working gas pressure Pmean will be described with reference to FIG.
図6は、高温側ピストン21の頂面位置と低温側ピストン31の頂面位置の変化を示している。上述したように、低温側ピストン31は、高温側ピストン21に対して、クランク角で90°遅れて動くように位相差がつけられている。図6において、高温側ピストン21の波形と、低温側ピストン31の波形の合成波Wが筒内圧を示している。図6において、符号Pmaxは、圧縮工程時の筒内圧の最大値(最大圧縮圧力)を示している。符号Pmeanは、筒内圧の平均値である上記平均作動ガス圧を示している。
FIG. 6 shows changes in the top surface position of the high
以上の上記式[数1]及び[数2]により、スターリングエンジン10の出力を推定することができる。この場合、トルク計や指圧計を用いることなく、温度計T1、T2を用いるのみの簡易な装置構成で、スターリングエンジン10の出力推定を行うことができる。
The output of the
上記温度センサT1は、省略することができる。温度T1は、主エンジン200の回転数NEと、負荷トルクTorqueEの関数として、又はマップとして事前に求めておくことができる。温度T1と、回転数NEと、負荷トルクTorqueEの関係は、図3に示す通りである。
The temperature sensor T1 can be omitted. Temperature T1, the rotational speed N E of the
また、温度センサT2は、省略することができる。温度T2は、温度T1と、主エンジン200の排気ガス量GEと、スターリングエンジン10の回転数Nsの関数、又はマップとして事前に求めておくことができる。このように、温度センサT2を使用せずに、上記関数又はマップにより求めた温度T2の推定値を温度T2sと示す。温度T2sと、温度T1と、主エンジン200の排気ガス量GEと、スターリングエンジン10の回転数Nsの関係は図4に示す通りである。
Further, the temperature sensor T2 can be omitted. The temperature T2 can be obtained in advance as a function or a map of the temperature T1, the exhaust gas amount G E of the
ここで、主エンジン200の排気ガス量GE及び温度T1は、スターリングエンジン10への入力エネルギーに対応し、スターリングエンジン10の回転数Nsは、スターリングエンジン10の回収エネルギーに対応し、推定温度T2sは、スターリングエンジン10でも未回収のエネルギーに対応する。即ち、スターリングエンジン10への入力エネルギー(GE、温度T1)とスターリングエンジン10の回収エネルギー(Ns)より、スターリングエンジン10でも未回収のエネルギー(T2s)を推定することになり、推定精度が向上する。
Here, the exhaust gas amount G E and the temperature T1 of the
上記において、温度T2の推定に際して用いるパラメータとしては、上記スターリングエンジン10の回転数Nsに代えて、上記スターリングエンジン10の回転数Nsと上記平均作動ガス圧Pmeanによって決定される指標値を用いることができる。
In the above description, as a parameter used for estimating the temperature T2, an index value determined by the rotational speed Ns of the
上記のことから、温度センサT1及び温度センサT2を省略して、温度T1の推定値及び推定温度T2sに基づいて、上記[数1]及び[数2]を用いて、スターリングエンジン10の出力を推定することができる。
From the above, the temperature sensor T1 and the temperature sensor T2 are omitted, and the output of the
上記のように推定されたスターリングエンジン10の出力が車両の動力の一部として使用されるときには、このスターリングエンジン10の推定された出力分だけ、主エンジン200の出力を補正する。
When the output of the
次に、図5を参照して、スターリングエンジン10の故障診断方法について説明する。
Next, a failure diagnosis method for the
[ステップS1]
まず、主エンジン200の排気ガス量GEと、温度T1と、温度T2と、スターリングエンジン10の回転数Nsを測定する。この場合、温度T1は、推定値であってもよい。次に、ステップS2が行われる。
[Step S1]
First, the exhaust gas amount G E of the
[ステップ2]
次に、上記ステップ1で測定された、主エンジン200の排気ガス量GEと、温度T1と、温度T2と、スターリングエンジン10の回転数Ns(の時間変動分)に基づいて、定常状態であるか否かが判定される。その判定の結果、定常状態と判定されるまで、ステップS2の判定が繰り返される。定常状態であると判定されたときに、ステップS3が行われる。
[Step 2]
Then, measured in the
[ステップS3]
次に、ステップS3では、上記ステップS2で定常状態と判定されたとき以降の主エンジン200の排気ガス量GEと、温度T1と、スターリングエンジン10の回転数Nsの測定値に基づいて、T2sを推定する。その推定は、上記の通り、図4に示す関係に基づいて行われる。
[Step S3]
Next, in step S3, T2s is determined based on the measured values of the exhaust gas amount G E of the
[ステップS4]
次に、上記推定値T2sと、実測された温度T2(上記ステップS3での推定に使用された温度T2の値)との差をとる。その差分が予め設定された値Kよりも大きければ、スターリングエンジン10に故障が発生していると判定する。その場合、推定値T2sと実測値T2との差分の絶対値が値Kよりも大きければ、故障有りと判断される。
[Step S4]
Next, the difference between the estimated value T2s and the actually measured temperature T2 (the value of the temperature T2 used for the estimation in step S3) is taken. If the difference is larger than a preset value K, it is determined that a failure has occurred in the
上記ステップS4の結果、故障有り(異常)と判定された場合には、警報を発したり、スターリングエンジン10に対して、制御上のガードをかけることができる。
As a result of step S4, when it is determined that there is a failure (abnormal), an alarm can be issued or a control guard can be applied to the
なお、以上説明した、スターリングエンジン10の出力の推定方法及びスターリングエンジン10の故障診断方法において、各センサによる検出値等は、定常状態になる前(過渡状態)の変動の大きい値をそのまま用いると、正確な出力推定や故障診断ができないことになるため、定常状態になった後の値を用いることとする。この場合、検出値について、単位時間当たりの変化量が所定値以下になったときに、定常状態になったと判定されることができる。
In the above-described method for estimating the output of the
以上のスターリングエンジン10の出力の推定方法及びスターリングエンジン10の故障診断方法は、スターリングエンジン以外の外燃機関を、排気熱回収に利用するときに適用することができる。
The output estimation method of
次に、上記のように、加熱器47が概ねU字形(カーブ形状)に形成される理由について説明する。
Next, the reason why the
スターリングエンジン10の熱源は、上記のように車両の主エンジン200の排気ガスであり、スターリングエンジンに専用に用意された熱源ではない。そのため、それほど高い熱量が得られるわけではなく、排気ガスの例えば約800℃程度の熱量でスターリングエンジン10が作動する必要がある。そのために、スターリングエンジン10の加熱器47は排気管100内の排ガスから効率的に受熱する必要がある。
The heat source of the
加熱器47、再生器46、冷却器45からなる熱交換器の体積は、出力に直接的には関与しない無効容積となっており、熱交換器の体積が増えると、スターリングエンジン10の出力が減少する。一方で、熱交換器の体積をコンパクトにすると、その分、熱交換が困難となり受熱量が減少し、スターリングエンジン10の出力が減少する。これらのことから、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器の効率を上げる必要がある。そのために、加熱器47は効率的に受熱する必要がある。
The volume of the heat exchanger composed of the
排気管100内の排ガスから効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器47の全てを過不足なく排気管100内に収容するとともに、排気ガスから受熱しないように冷却器45を排気管100の外に出す構成が必要である。このことから、排気管100においてスターリングエンジン10が取り付けられるフランジ100fを基準にすると、少なくとも冷却器45の高さ分だけ低温側シリンダ32の取付位置は、高温側シリンダ22よりも低い位置となる。即ち、低温側シリンダ32の上部に形成される圧縮空間の位置は、高温側シリンダ22の上部に形成される膨張空間の位置よりも低い位置となり、圧縮ピストン31の上死点は、膨張ピストン21の上死点の位置よりも低い位置となる。
In order to efficiently receive heat from the exhaust gas in the
本実施形態では、圧縮ピストン31と膨張ピストン21の上死点の位置を変えるために、各ピストンピン60a、60bとそれぞれのピストン31、21との間を、長さの異なる延長部(ピストン支柱部)64b、64aで連結している。膨張ピストン21の上死点の位置の方が圧縮ピストン31の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン21に連結される延長部64aは、圧縮ピストン31に連結される延長部64bよりも長さが長い。
In the present embodiment, in order to change the positions of the top dead centers of the
本実施形態では、膨張ピストン21自体と圧縮ピストン31自体の高さ(各ピストン21,31の上面と各ピストン21,31における延長部64a、64bとの連結点21c、31cとの間の距離)は同じになるように構成されていることから、長さの異なる延長部64a、64bを用いて各ピストン21,31の上死点の位置を変えている。この構成に代えて、膨張ピストン側と圧縮ピストン側とで延長部自体の長さは同じにし、膨張ピストン自体と圧縮ピストン自体の高さを変えるようにして構成することで、膨張ピストンと圧縮ピストンの上死点の位置を変える構成を採ることもできる。このように、膨張ピストン自体の上下方向の長さを圧縮ピストン自体に比べて大きくする技術的意義について次に説明する。
In the present embodiment, the height of the
スターリングエンジン10の効率の低下を抑制するため、高温側パワーピストン20における膨張空間以外の空間及び低温側のパワーピストン30における圧縮空間以外の空間、即ち、高温側パワーピストン20及び低温側のパワーピストン30のそれぞれにおけるクランクシャフト61の周辺の空間は、常温に保たれる必要がある。そのため、膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト61の高温側パワーピストン20側の周辺の空間に流入したり、圧縮空間の低温の作動流体がクランクシャフト61の低温側のパワーピストン30側の周辺の空間に流入することがないように、高温側シリンダ22と膨張ピストン21とのシール及び低温側シリンダ32と圧縮ピストン31とのシールが確実に行われる必要がある(後述のように、そのシールには空気軸受48が使用されている)。
In order to suppress a decrease in the efficiency of the
一方で、上記のように、膨張空間を高温にすべく、高温側シリンダ22の頂部22b及び側面22cの上部は、排気管100の内部に収容されるため、高温側シリンダ22の上部及び膨張ピストン21の上部が熱膨張する。高温側シリンダ22及び膨張ピストン21のそれぞれの上部の熱膨張する部分では、シールが確実に行えないおそれがある。このことから、上記のように、膨張ピストン21及び高温側シリンダ22の上下方向の長さを長く設定し、これにより、膨張ピストン21の上下方向に温度勾配を持たせて、熱膨張の影響を受けない部分(膨張ピストン21の下部)にてシールが確実に行えるようにすることができる。また、高温側シリンダ22と膨張ピストン21との間は、膨張ピストン21の下部(熱膨張の影響を受けない部分)にてシールされるので、そのシール部の移動距離を十分に確保して膨張空間を十分に圧縮するために、高温側シリンダ22の上下方向の長さが長く設定されることができる。
On the other hand, as described above, since the
熱源の種類を問わず、その熱源から効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器は、熱エネルギーを受熱するための伝熱面積がなるべく大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置可能であるという意味において、上記実施形態の構成が望ましい。 Regardless of the type of heat source, in order to receive heat efficiently from the heat source and efficiently exchange heat, the heater has a large heat transfer area for receiving heat energy and the cooler receives heat. The configuration of the above-described embodiment is desirable in the sense that it can be placed in a place that does not.
特に、排熱を利用する場合には熱エネルギーは管を介して排ガスとして供給される場合が殆どであることとも相俟って、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、伝熱面積が極力大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置される構成としては、上述したスターリングエンジン10の構成が優れている。以下に、スターリングエンジン10の構成の技術的意義について更に述べる。
In particular, when exhaust heat is used, heat energy is often supplied as exhaust gas through a pipe, and therefore, a heat-receivable region such as the inside of the pipe is limited. In this case, the configuration of the
無効容積部分(冷却器、再生器、加熱器)が小さい方が良いことは前述の通りであるが、無効容積部分に湾曲した形状を有している場合、湾曲部の数が多いと流路抵抗が大きくなり、また湾曲部の曲率が小さいと流路抵抗は大きくなる。即ち、作動流体の圧力損失を考慮すると、湾曲部の数は単一であり曲率は大きい方が良い。この点に関し、加熱器47は概ねU字形であり、湾曲形状となっているが、湾曲部の数は1つである。また、冷却器45は、スターリングエンジン10の小型化(上下寸法の短縮)のために、湾曲部を有した構成とされており、上記のような特徴を有する構成とされている。
As described above, it is preferable that the ineffective volume portion (cooler, regenerator, heater) is small. However, when the ineffective volume portion has a curved shape, the flow path is increased when the number of the curved portions is large. If the resistance increases and the curvature of the curved portion is small, the flow path resistance increases. That is, when the pressure loss of the working fluid is taken into consideration, it is better that the number of curved portions is single and the curvature is large. In this regard, the
また、図1に示すように、上記実施形態の無効容積部分の曲率に関しては、直列並行に配置された2つのシリンダ22、32の上部同士を連結し、かつ排気管100の内部において作動流体の流動抵抗の増大を抑制すべく概ね同一面上に設定された高温側シリンダ22の頂部22b及び再生器46の上面46aと、排気管100の上部内面との間の上下方向の高さと、加熱器47の端部47ta、47tbと中央部47cの最上部との間の高さが概ね同じ高さhになる構成に合わせて、その曲率(カーブ形状)が設定されている。排気管100の内部のような限定された空間内で排気ガスのような流体の熱源との接触面積を大きく確保するためには、上記のようなカーブ形状が望ましい。
Further, as shown in FIG. 1, regarding the curvature of the ineffective volume portion of the above embodiment, the upper portions of two
以上の観点からすると、無効容積部分のうち加熱器は、その全体が排気管の内部のような熱源からの熱を受ける限定された空間(受熱空間)内に収容されるとともに、その受熱空間内で、熱源からの伝熱面積を最大限に確保可能でかつ流路抵抗が最小となるように、例えばU字形やJ字形のようなカーブ形状に構成されるのがよい。 From the above viewpoint, the heater of the ineffective volume portion is housed in a limited space (heat receiving space) that receives heat from a heat source such as the inside of the exhaust pipe, and in the heat receiving space. Therefore, it is preferable that the heat transfer area from the heat source is configured to have a curved shape such as a U shape or a J shape so that the heat transfer area can be maximized and the flow resistance is minimized.
再生器46は、作動流体の流路抵抗を最小限にしつつ配置するために、低温側シリンダ32の延在方向(軸線方向)に沿って(同一軸線上に)直線状に構成される。このように、加熱器47の第2端部47tbに連結される再生器46は、低温側シリンダ32の延在方向に沿って設けられる。加熱器47の第1端部47taは、高温側シリンダ22の上部に隙間無く接続される。これらのことから、少なくとも加熱器47の第1端部47ta及び第2端部47tb側には、それぞれ高温側シリンダ22、低温側シリンダ32の延在方向に沿う部分を有し、加熱器47の中央部47cは、上述したようなカーブ形状を有する場合が多いことになる。
In order to arrange the
上述した技術的理由から、加熱器47は、直列並行に配置された2つのシリンダ22,32間で、途中で方向変換(ターン)する形状に構成されている。加熱器47は、直列並行に配置された2つのシリンダ22,32間を連結する曲線部分とを有している。
For the technical reasons described above, the
次に、ピストン・シリンダのシール構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。 Next, the piston / cylinder seal structure and the piston / crank mechanism will be described.
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、本実施形態では、スターリングエンジン10の内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。本実施形態では、スターリングエンジンの内部フリクション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無くすため、ピストンリングを使用せずに、その代わりに、シリンダ22、32とピストン21、31との間には、それぞれ空気軸受(エアベアリング)48が設けられる。
As described above, since the heat source of the
空気軸受48は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン10の内部フリクションを大幅に低減させることができる。空気軸受48を用いても、シリンダ22、32とピストン21、31との間の気密は確保されるため、高圧の作動流体が膨張・収縮の際に漏れるという問題は生じない。
Since the
空気軸受48は、シリンダ22、32とピストン21、31の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力(分布)を利用して,ピストン21、31が空中に浮いた形となる軸受である。本実施形態の空気軸受48では、シリンダ22、32とピストン21、31との間の直径クリアランスは数十μmである。空中に物体を浮上させる空気軸受を実現するには、機構的に空気圧が強くなる部分(圧力勾配)ができるようにする他に、後述するように高圧の空気を吹きつけるものでもよい。
The
本実施形態では、高圧の空気を吹き付けるタイプの空気軸受ではなく、医療用ガラス製注射器のシリンダとピストンの間で用いられている空気軸受と同じ構成の空気軸受が用いられる。 In the present embodiment, an air bearing having the same configuration as that of an air bearing used between a cylinder and a piston of a medical glass syringe is used instead of an air bearing that blows high-pressure air.
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ので、潤滑油によりスターリングエンジン10の熱交換器(再生器46,加熱器47)が劣化するという問題が発生しない。なお、本実施形態では、ピストンリングにおける摺動抵抗と潤滑油の問題が解消されれば足りるので、流体軸受のうち油を使用する油軸受を除いた、気体軸受であれば空気軸受48に限られることなく適用することができる。
Further, since the use of the
本実施形態のピストン21、31とシリンダ22、32との間には、静圧空気軸受を用いることも可能である。静圧空気軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体(本実施形態ではピストン21、31)を浮上させるものである。また、静圧空気軸受に代えて、動圧空気軸受を用いることも可能である。
It is also possible to use a static pressure air bearing between the
空気軸受48を用いて、ピストン21、31をシリンダ22、32内で往復運動させる際には、直線運動精度を空気軸受48の直径クリアランス未満にしなくてはならない。また、空気軸受48の負荷能力が小さいため、ピストン21、31のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。即ち、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(耐圧能力)が低いため、シリンダ22、32の軸線に対するピストン21、31の直線運動精度が高い必要がある。特に、本実施形態で採用する、微小クリアランスの空気圧を用いて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も、スラスト方向の力に対する耐圧能力が低いため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
When the
上記の理由から、本実施形態では、ピストン・クランク部にグラスホッパの機構(近似直線リンク)50を採用する。グラスホッパの機構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サイズ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。特に、本実施形態のスターリングエンジン10は、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、グラスホッパの機構50は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重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、グラスホッパの機構50は、機構の構成が比較的簡単であるため、構成(製造・組み立て)し易い。
For this reason, in this embodiment, the grasshopper mechanism (approximate linear link) 50 is employed in the piston / crank portion. The
図7は、スターリングエンジン10のピストン・クランク機構の概略構成を示している。本実施形態において、ピストン・クランク機構は、高温側パワーピストン20側と低温側パワーピストン30側とで共通の構成を採用しているため、以下では、低温側パワーピストン30側についてのみ説明し、高温側パワーピストン20側についての説明は省略する。
FIG. 7 shows a schematic configuration of the piston / crank mechanism of the
図7及び図1に示すように、圧縮ピストン31の往復運動は、コネクティングロッド109によって駆動軸40に伝達され、ここで、回転運動に変換される。コネクティングロッド109(65a、65b)は、図7に示す近似直線機構50によって支持されており、低温側シリンダ32を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド109を近似直線機構50によって支持することにより、圧縮ピストン31のサイドフォースFがほとんどゼロになるので、負荷能力の小さい空気軸受48によって十分に圧縮ピストン31を支持することができる。
As shown in FIGS. 7 and 1, the reciprocating motion of the
10 スターリングエンジン
20 高温側パワーピストン
21 膨張ピストン
22 高温側シリンダ
22a 高温側シリンダの上面
30 低温側パワーピストン
31 圧縮ピストン
32 低温側シリンダ
40 駆動軸
45 冷却器
46 再生器
47 加熱器
47ta 第1端部
47tb 第2端部
50 近似直線機構
61 クランクシャフト
64a、64b 延長部
65a、65b コネクティングロッド
90 カウンタウェイト(バランスウェイト)
100 排気管
200 主エンジン
T1 温度
T2 温度
Ns 回転数
DESCRIPTION OF
100
Claims (4)
前記スターリングエンジンにより熱エネルギーが回収された後の前記内燃機関の排気ガスの温度を測定する温度測定手段と、
前記推定された温度と、前記測定された温度に基づいて、前記スターリングエンジンの故障診断を行う故障診断手段と
を備えたことを特徴とするスターリングエンジンの故障診断装置。 Based on the temperature and flow rate of the exhaust gas of the internal combustion engine before the heat energy is recovered by the Stirling engine provided in the exhaust system of the internal combustion engine and the rotational speed of the Stirling engine , the thermal energy is generated by the Stirling engine. Temperature estimating means for estimating the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine after being recovered;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine after the thermal energy is recovered by the Stirling engine ;
A failure diagnosis device for a Stirling engine , comprising: the estimated temperature; and a failure diagnosis means for performing a failure diagnosis of the Stirling engine based on the measured temperature.
前記内燃機関の回転数と負荷トルクに基づいて、前記熱エネルギーが回収される前の前記内燃機関の排気ガスの温度を推定する
ことを特徴とするスターリングエンジンの故障診断装置。 In the Stirling engine failure diagnosis apparatus according to claim 1,
An apparatus for diagnosing a failure of a Stirling engine , wherein the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine before the recovery of the thermal energy is estimated based on the rotational speed and load torque of the internal combustion engine .
前記故障診断手段は、前記推定された温度と、前記測定された温度との差の絶対値が所定値を越えたときに、前記スターリングエンジンが故障していると診断する
ことを特徴とするスターリングエンジンの故障診断装置。 The Stirling engine failure diagnosis apparatus according to claim 1 or 2,
The failure diagnosis means diagnoses that the Stirling engine has failed when an absolute value of a difference between the estimated temperature and the measured temperature exceeds a predetermined value. Engine failure diagnosis device.
前記スターリングエンジンが故障していると診断されたときには、その旨が報知される
ことを特徴とするスターリングエンジンの故障診断装置。 In the failure diagnosis apparatus for a Stirling engine according to any one of claims 1 to 3,
When the Stirling engine is diagnosed as having a failure, the Stirling engine failure diagnosis device is notified of the fact .
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