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Dokumentenidentifikation DE102007000126A1 18.10.2007
Titel Abgaswärmerückgewinnungsgerät
Anmelder Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota, Aichi, JP
Erfinder Sawada, Daisaku, Toyota, Aichi, JP;
Mitani, Shinichi, Toyota, Aichi, JP;
Yaguchi, Hiroshi, Toyota, Aichi, JP
Vertreter TBK-Patent, 80336 München
DE-Anmeldedatum 28.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007000126
Offenlegungstag 18.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.10.2007
IPC-Hauptklasse F02G 5/02(2006.01)A, F, I, 20070614, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B60K 6/00(2006.01)A, L, I, 20070614, B, H, DE   
Zusammenfassung Ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät (10) hat: einen Stirling-Motor (100), der thermische Energie von Abgas (Ex) rückgewinnt, das von einem Verbrennungsmotor (1) abgegeben wird; und eine Kupplung (6). Die Kupplung (6) stellt eine Verbindung zwischen einer Ausgabewelle (1s) des Verbrennungsmotors (1) und einer Ausgabewelle des Stirling-Motors (100) her und trennt diese. Vor dem Starten des Stirling-Motors (100) wird die Kupplung (6) ausgerückt, um die Verbindung zwischen der Ausgabewelle (1s) des Verbrennungsmotors (1) und der Kurbelwelle (110) des Stirling-Motors (100) zu unterbrechen. Wenn es möglich wird, dass der Stirling-Motor (100) in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, wird die Kupplung (6) eingerückt, um die Ausgabewelle (1s) des Verbrennungsmotors (1) und die Kurbelwelle (110) des Stirling-Motors (100) zu verbinden.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät, das die Abgaswärme von einer Wärmekraftmaschine rückgewinnt.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Es ist ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät erhältlich, das, unter Verwendung einer Wärmekraftmaschine, die Abgaswärme von einer Brennkraftmaschine bzw. einem Verbrennungsmotor rückgewinnt, die/der an einem Fahrzeug montiert ist, wie einem Personenkraftwagen, einem Bus oder einem Lkw. Als ein Beispiel des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts, das für solch einen Zweck verwendet wird, gibt es den Stirling-Motor, der einen exzellenten theoretischen thermischen Wirkungsgrad hat. Die Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003-518458 (JP-A-2003-518458) offenbart eine Technologie, in der eine Kupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Stirling-Motor vorgesehen ist, und der Stirling-Motor, der früher gestartet wird, wird verwendet, um den Verbrennungsmotor zu starten.

Der Stirling-Motor, der in JP-A-2003-518458 beschrieben ist, verwendet einen Brenner oder dergleichen als die Wärmequelle des Stirling-Motors, und wird nicht als das Abgaswärmerückgewinnungsgerät verwendet, das das Abgas von dem Verbrennungsmotor als die Wärmequelle verwendet.

Zusätzlich wird die Bewegungsenergie von dem Stirling-Motor, der in JP-A-2003-518458 beschrieben ist, verwendet, um ein Klimaanlagensystem, etc. zu betreiben, und sie wird nicht zusammen mit der Bewegungsenergie von dem Verbrennungsmotor abgegeben.

Aus diesem Grund, wenn die Technologie, die in JP-A-2003-518458 beschrieben ist, auf die Abgaswärmerückgewinnung von Wärmekraftmaschinen (beispielsweise Verbrennungsmotoren) angewendet wird, und nur das Abgas als die Wärmequelle verwendet wird, gibt es eine Möglichkeit, dass die thermische Energie nicht erhalten werden kann, die erfordert ist, um zu gestatten, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinheit (beispielsweise der Stirling-Motor) in einer selbstversorgenden Weise arbeitet. Wenn die Bewegungsenergie von der Abgaswärmerückgewinnungseinheit zusammen mit der Bewegungsenergie von der Wärmekraftmaschine abgegeben wird, wenn die Abgaswärmerückgewinnungseinheit nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, ist es nicht nur unmöglich eine Bewegungsenergie von der Abgaswärmerückgewinnungseinheit zu erhalten, sondern es kann auch sein, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinheit eine Last für die Wärmekraftmaschine sein kann, von der die Abgaswärme rückgewonnen wird, was zu einer Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor führen kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Anbetracht der vorstehenden Umstände sieht die vorliegende Erfindung ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät vor, das, wenn Abgas von einer Wärmekraftmaschine rückgewonnen wird, die Verringerung der Leistungsabgabe von einer Wärmekraftmaschine unterdrückt, von der die Abgaswärme rückgewonnen wird.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät vorgesehen, das eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung für ein Rückgewinnen thermischer Energie von Abgas, das von einer Wärmekraftmaschine abgegeben wird; und eine Leistungsübertragungsschalteinrichtung hat, die die Verbindung zwischen einer Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine und einer Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung unterbricht, wenn die Wärmekraftmaschine gestartet wird.

Gemäß dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, das vorstehend beschrieben ist, ist die Leistungsübertragungsschalteinrichtung zwischen der Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine, von der die Abgaswärme rückgewonnen wird, und der Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung vorgesehen. Wenn die Wärmekraftmaschine, von der Abgaswärme rückgewonnen wird, gestartet wird, unterbricht die Leistungsübertragungsschalteinrichtung die Verbindung zwischen der Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine und der Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung. Somit wird die Bewegungsenergie, die durch die Wärmekraftmaschine bei der Zeit des Startens von dieser erzeugt wird, nicht von der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung verwendet, sodass es möglich ist, die Verringerung der Leistungsabgabe von der Wärmekraftmaschine zu unterdrücken, wenn die Wärmemaschine gestartet wird.

In dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät verbindet die Leistungsübertragungsschalteinrichtung die Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine und die Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung, wenn es möglich wird, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise arbeitet.

Gemäß solch einem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, wenn die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung gestartet wird, greift die Leistungsübertragungsschalteinrichtung ein, um die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung unter Verwendung der Bewegungsenergie von der Wärmekraftmaschine zu starten, wenn es möglich wird, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise arbeitet. Somit kann die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise unmittelbar nach ihrem Starten arbeiten, sodass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung keine Last für die Wärmekraftmaschine ist. Demzufolge wird es möglich die Verringerung der Leistungsabgabe von der Wärmekraftmaschine zu unterdrücken, wenn die Abgaswärme von der Wärmekraftmaschine rückgewonnen wird.

Es ist auch bevorzugt, dass, in dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, wenn eine Temperatur eines Heizelements, das die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung hat, eine vorbestimmte Startzeitzielheizelementtemperatur überschreitet, die Leistungsübertragungsschalteinrichtung bestimmt, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann.

Es ist auch bevorzugt, dass, in dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, wenn ein Zeitintegral einer Differenz zwischen einer vorbestimmten Startzeitzielheizelementtemperatur und einer Temperatur des Abgases, das auf ein Heizelement strömt, von dem Zeitpunkt an, wenn die Temperatur des Abgases, das auf das Heizelement strömt, die Startzeitzielheizelementtemperatur übersteigt, einen vorbestimmten Zielwert für eine Bestimmung übersteigt, die Leistungsübertragungsschalteinrichtung bestimmt, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann.

Es ist auch bevorzugt, dass, in dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, die Startzeitzielheizelementtemperatur bestimmt ist, um die Temperatur des Heizelements, nachdem die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung gestartet worden ist, gleich oder höher als eine Heizelementtemperatur zu halten, die erfordert ist, damit die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise bei einer Ankurbel- bzw. Anlassdrehzahl arbeitet, bei der die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung gestartet wird.

Es ist auch bevorzugt, dass, in dem Abgaswärmerückgewinnungsgerät, die Startzeitzielheizelementtemperatur einen Wert hat, der durch Addieren einer Differenz zwischen einer Temperatur, die das Heizelement, obwohl das Heizelement mit dem Abgas versorgt wird, hat, während die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung gestoppt ist, und einer Temperatur, die das Heizelement hat, wenn die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einem stetigen Betrieb bei der Anlassdrehzahl ist, zu der Heizelementtemperatur erhalten wird, die erfordert ist, damit die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung in einer selbstversorgenden Weise arbeitet.

Wenn Abgaswärme von einer Wärmekraftmaschine rückgewonnen wird, unterdrückt das Abgaswärmerückgewinnungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung eine Verringerung der Leistungsabgabe von Wärmekraftmaschinen, von denen Abgaswärme rückgewonnen wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Merkmale, Vorteile und technische sowie industrielle Bedeutung der Erfindung werden besser verstanden durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen berücksichtigt werden, in denen:

1 eine Schnittansicht ist, die einen Stirling-Motor zeigt, der als eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung eines Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß einer Ausführungsform funktioniert;

2 eine Schnittansicht ist, die ein Beispiel des Aufbaus eines Luftlagers zeigt, das der Stirling-Motor hat, der als die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform funktioniert;

3 ein erklärendes Diagramm ist, das ein Beispiel eines Gestänges bzw. Gelenkmechanismus für eine annähernd lineare Bewegung ist, das/der verwendet wird, um einen Kolben abzustützen;

4 eine Gesamtansicht ist, die einen Aufbau des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform zeigt;

5 ein erklärendes Diagramm ist, das einen Aufbau eines Startsteuergeräts für ein Steuern des Startens des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform zeigt;

6 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf der Startsteuerung des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform zeigt;

7 bis 10 beispielhafte Diagramme für ein Erklären eines Verfahrens des Bestimmens eines Indexes sind, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob der Stirling-Motor in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, in der Startsteuerung des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform;

11 ein Flussdiagramm ist, das einen Ablauf der Startsteuerung gemäß einem modifizierten Beispiel des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform zeigt; und

12 ein Diagramm für ein Erklären der Startsteuerung gemäß dem modifizierten Beispiel des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, wird die vorliegende Erfindung detaillierter mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bevorzugten Ausführungsformen (nachstehend einfach als „die Ausführungsform/die Ausführungsformen" bezeichnet) für ein Ausführen der Erfindung begrenzt ist. Die Komponenten der Ausführungsformen umfassen solche, an die ein Fachmann leicht denken würde, und solche, die im Wesentlichen dieselben wie die Ersteren sind. Die nachstehende Beschreibung zeigt einen Fall, wo ein Stirling-Motor als eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung verwendet wird, um thermische Energie von dem Abgas rückzugewinnen, das von einem Verbrennungsmotor abgegeben wird, der als eine Wärmekraftmaschine funktioniert. Zusätzlich zu dem Stirling-Motor, kann eine andere Abgaswärmerückgewinnungsvorrichtung als die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung verwendet werden, so wie eine, die den Brayton-Zyklus verwendet. Die Art der Wärmekraftmaschine ist beliebig.

Diese Ausführungsform hat: eine Abgaswärmerückgewinnungseinheit, die thermische Energie von dem Abgas rückgewinnt, das von der Wärmekraftmaschine abgegeben wird; und eine Leistungsübertragungsschaltvorrichtung, die zwischen einer Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine und einer Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinheit vorgesehen ist, wobei, wenn die Wärmekraftmaschine, von der Abgaswärme rückgewonnen wird, gestartet wird, die Leistungsübertragungsschaltvorrichtung die Verbindung zwischen der Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine und der Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinheit bis zu der Zeit des Startens der Abgaswärmerückgewinnungseinheit unterbricht. Die Abgaswärmerückgewinnungseinheit der Ausführungsform wird zuerst beschrieben.

1 ist eine Schnittansicht, die den Stirling-Motor zeigt, der als die Abgaswärmerückgewinnungseinheit dieser Ausführungsform funktioniert. 2 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel des Aufbaus eines Luftlagers zeigt, das der Stirling-Motor aufweist, der als die Abgaswärmerückgewinnungseinheit der Ausführungsform funktioniert. 3 ist ein erklärendes Diagramm, das ein Beispiel eines Gestänges bzw. Gelenkmechanismus für eine annährend lineare Bewegung zeigt, das/der verwendet wird, um einen Kolben abzustützen. Der Stirling-Motor 100, der als die Abgaswärmerückgewinnungseinheit der Ausführungsform funktioniert, ist ein so genannter Reihen-Zwei-Zylinder-Stirling-Motor der &agr;-Art. In dem Stirling-Motor 100 sind folgende Elemente in Reihe angeordnet. Ein hochtemperaturseitiger Kolben 103, der ein erster Kolben ist und in einem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 beherbergt ist, der ein erster Zylinder ist; und ein niedertemperaturseitiger Kolben 104, der ein zweiter Kolben ist, der in einem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 beherbergt ist, der ein zweiter Zylinder ist.

Der hochtemperaturseitige Zylinder 101 und der niedertemperaturseitige Zylinder 102 sind direkt oder indirekt abgestützt durch oder fixiert an einer Basisplatte 111, die als ein Referenzkörper funktioniert. In dem Stirling-Motor 100 der Ausführungsform dient die Basisplatte 111 als eine positionale Referenz der Komponenten des Stirling-Motors 100. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Genauigkeit der relativen Position zwischen den Komponenten sicherzustellen. Zusätzlich, wie später beschrieben ist, sind in dem Stirling-Motor 100 der Ausführungsform jeweilige Gaslager GB zwischen dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 und dem hochtemperaturseitigen Kolben 103, und zwischen dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 und dem niedertemperaturseitigen Kolben 104 angeordnet.

Durch Befestigen bzw. Fixieren des hochtemperaturseitigen Zylinders 101 und des niedertemperaturseitigen Zylinders 102 direkt oder indirekt an der Basisplatte 111, die als der Referenzkörper funktioniert, ist es möglich, den Abstand zwischen dem Kolben und dem Zylinder mit Präzision aufrechtzuerhalten. Somit wird die Funktion der Gaslager GB in zufriedenstellender Weise ausgeführt. Darüber hinaus wird es leicht, den Stirling-Motor 100 zusammenzubauen.

Ein Wärmetauscher 108, der aus einem im Wesentlichen U-förmigen Heizelement bzw. Heizer 105, einem Regenerator 106 und einem Kühler 107 besteht, ist zwischen dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 und dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 angeordnet. Wenn das Heizelement 105 auf diese Weise im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, ist es möglich, das Heizelement 105 leicht anzuordnen, selbst in einem relativ engen Raum, wie in der Abgaspassage des Verbrennungsmotors. Zusätzlich, wenn der hochtemperaturseitige Zylinder 101 und der niedertemperaturseitige Zylinder 102 in einer Reihenanordnung angeordnet sind, wie in dem Fall des Stirling-Motors 100, ist es möglich, das Heizelement 105 relativ leicht anzuordnen, selbst in einem zylindrischen Raum, sowie in der Abgaspassage des Verbrennungsmotors.

Ein Ende des Heizelements 105 ist benachbart zu dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 positioniert, und das andere Ende von diesem ist benachbart zu dem Regenerator 106 positioniert. Ein Ende des Regenerators 106 ist benachbart zu dem Heizelement 105 positioniert, und das andere Ende von diesem ist benachbart zu dem Kühler 107 positioniert. Ein Ende des Kühlers 107 ist benachbart zu dem Regenerator 106 positioniert, und das andere Ende von diesem ist benachbart zu dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 positioniert.

Ein Arbeitsfluid (Luft in der Ausführungsform) ist in dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101, dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 und dem Wärmetauscher 108 eingegrenzt bzw. eingedämmt, und realisiert den Stirling-Zyklus mit der Wärme, die von dem Heizelement 105 zugeführt wird, und der Wärme, die von dem Kühler 107 abgegeben wird, um den Stirling-Motor 100 anzutreiben. Das Heizelement 105 und der Kühler 107 können beispielsweise durch Bündeln einer Vielzahl von Rohren ausgebildet sein, die aus einem Material gemacht sind, das eine hohe thermische Leitfähigkeit und exzellente thermische Widerstandsfähigkeit hat. Der Regenerator 106 kann aus einer porösen Wärmespeichereinheit gemacht sein. Der Aufbau bzw. die Beschaffenheit des Heizelements 105, des Kühlers 107 und des Regenerators 106 sind nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Im Speziellen kann der Aufbau bzw. die Beschaffenheit in geeigneter Weise in Abhängigkeit der thermischen Bedingungen des Gegenstands, von dem Abgaswärme rückgewonnen wird, der Spezifikation des Stirling-Motors 100, etc, ausgewählt werden.

Der hochtemperaturseitige Kolben 103 und der niedertemperaturseitige Kolben 104 sind in dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 bzw. dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 abgestützt, wobei die jeweiligen Gaslager GB zwischen Kolben und Zylinder angeordnet sind. In anderen Worten gesagt, wird der Kolben in dem Zylinder ohne Kolbenringe abgestützt. Auf diese Weise ist es möglich, die Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu verringern, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Stirling-Motors 100 verbessert wird. Darüber hinaus macht es die Verringerung der Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder möglich, thermische Energie durch Betreiben des Stirling-Motors 100 rückzugewinnen, selbst unter den Betriebszuständen einer Wärmequelle mit niedriger Temperatur und einer niedrigen Temperaturdifferenz, wie in dem Fall der Abgaswärmerückgewinnung des Verbrennungsmotors.

Um die Gaslager GB auszubilden, wie in 2 gezeigt ist, ist der Abstand tc zwischen dem hochtemperaturseitigen Kolben 103 und dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101 auf wenige Dutzend Mikrometer um den hochtemperaturseitigen Kolben 103 herum eingestellt. Der niedertemperaturseitige Kolben 104 und der niedertemperaturseitige Zylinder 102 haben einen gleichen Aufbau. Der hochtemperaturseitige Zylinder 101, der hochtemperaturseitige Kolben 103, der niedertemperaturseitige Zylinder 102 und der niedertemperaturseitige Kolben 104 können beispielsweise aus einem leicht bearbeitbaren, metallischen Material gemacht sein.

Die Hin- und Herbewegung des hochtemperaturseitigen Kolbens 103 und des niedertemperaturseitigen Kolbens 104 wird mittels einer Verbindungsstange 109 zu einer Kurbelwelle 110 übertragen, die als eine Ausgabewelle funktioniert, und wird in eine Rotationsbewegung umgewandelt. Die Verbindungsstange 109 kann durch ein Gestänge bzw. einen Gelenkmechanismus für eine annähernd lineare Bewegung (beispielsweise ein Grashüpfergelenkmechanismus [engl.: „Grasshopper linkage"]) 113 abgestützt sein, der in 3 gezeigt ist. Solch ein Gelenkmechanismus ermöglicht, dass sich der hochtemperaturseitige Kolben 103 und der niedertemperaturseitige Kolben 104 im Wesentlichen linear bzw. geradlinig hin- und herbewegen. Wenn der Verbindungsstab 109 auf diese Weise durch den Gelenkmechanismus für eine annähernd lineare Bewegung 113 abgestützt ist, wird die Seitenkraft F (die Kraft in der Radialrichtung des Kolbens), die auf den hochtemperaturseitigen Kolben 103 ausgeübt wird, im Wesentlichen Null, sodass es möglich ist, den Kolben unter Verwendung eines Gaslagers GB, das eine geringe Lastkapazität hat, in zufriedenstellender Weise abzustützen.

Wie in 1 gezeigt ist, sind die Komponenten des Stirling-Motors 100, wie der hochtemperaturseitige Zylinder 101, der hochtemperaturseitige Kolben 103, die Verbindungsstange 109 und die Kurbelwelle 110 in einem Gehäuse 1000 untergebracht. Das Gehäuse 1000 des Stirling-Motors 100 hat ein Kurbelgehäuse 114A und einen Zylinderblock 114B. Eine Druckbeaufschlagungseinrichtung 115 erhöht den Druck in dem abgaswärmerückgewinnungseinheitsseitigen Gehäuse 1000. Der Zweck von dieser ist es, das Arbeitsfluid in dem hochtemperaturseitigen Zylinder 101, dem niedertemperaturseitigen Zylinder 102 und dem Wärmetauscher 108 druckzubeaufschlagen, um eine höhere Leistungsabgabe von dem Stirling-Motor 100 zu erhalten.

In dem Stirling-Motor 100 der Ausführungsform ist ein abgedichtetes Lager 116 an dem Gehäuse 1000 eingepasst bzw. befestigt, und stützt die Kurbelwelle 110 ab. Die Leistungsabgabe von der Kurbelwelle 110 wird von dem Gehäuse 1000 durch eine flexible Kopplung 118 ausgegeben. Eine Oldham-Kupplung wird als die flexible Kupplung 118 in der Ausführungsform verwendet. Als Nächstes wird der Aufbau des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform beschrieben.

4 ist eine Gesamtansicht, die einen Aufbau des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform zeigt. Das Abgaswärmerückgewinnungsgerät 10 gemäß der Ausführungsform hat die Abgaswärmerückgewinnungseinheit und die Leistungsübertragungsschaltvorrichtung. Die Leistungsübertragungsschaltvorrichtung ist zwischen der Ausgabewelle der Wärmekraftmaschine und der Ausgabewelle der Abgaswärmerückgewinnungseinheit angeordnet, und stellt eine Verbindung her oder unterbricht die Verbindung zwischen der Wärmekraftmaschine und der Abgaswärmerückgewinnungseinheit. In der Ausführungsform wird der vorstehend beschriebene Stirling-Motor 100 als die Abgaswärmerückgewinnungseinheit verwendet, und ein Verbrennungsmotor 1 mit sich hin- und herbewegendem Kolben wird als die Wärmekraftmaschine verwendet. Eine Kupplung 6 wird als die Leistungsübertragungsschaltvorrichtung verwendet.

Das Heizelement 105, das der Stirling-Motor 100 hat, ist in einer Abgaspassage 2 des Verbrennungsmotors 1 angeordnet. Der Regenerator (siehe 1) 106 des Stirling-Motors 100 kann auch in der Abgaspassage 2 angeordnet sein. Das Heizelement 105, das der Stirling-Motor 100 hat, ist in einem hohlen Heizelementgehäuse 3 vorgesehen, das an der Abgaspassage 2 vorgesehen ist. Ein Abgastemperatursensor 40 für ein Messen der Temperatur des Abgases Ex, das auf das Heizelement 105 strömt, ist an der Seite des Einlasses (Heizelementgehäuseeinlass) 105i des Heizelementgehäuses 3 vorgesehen. Ein Heizelementtemperatursensor 41 für ein Messen der Temperatur des Heizelements 105 ist an der Seite des Auslasses (Heizelementgehäuseauslass) 105o des Heizelements 105 vorgesehen.

In der Ausführungsform wird die thermische Energie des Abgases Ex, die unter Verwendung des Stirling-Motors 100 rückgewonnen wird, durch den Stirling-Motor 100 in kinetische Energie umgewandelt. Die Kurbelwelle 110, die als die Ausgabewelle des Stirling-Motors 100 funktioniert, ist mit der Kupplung 6 verbunden bzw. an dieser befestigt, die als die Leistungsübertragungsschaltvorrichtung funktioniert. Die Bewegungsenergie von dem Stirling-Motor 100 wird zu einem Getriebe 5 für die Abgaswärmerückgewinnungseinheit durch die Kupplung 6 übertragen. Eine Ausgabewelle 1s des Verbrennungsmotors 1 ist mit einem Getriebe 4 für den Verbrennungsmotor verbunden. Das Verbrennungsmotorgetriebe 4 kombiniert die Bewegungsenergie von dem Verbrennungsmotor 1 und die Bewegungsenergie von dem Stirling-Motor 100, die von dem Abgaswärmerückgewinnungsgerätgetriebe 5 abgegeben wird, und gibt die resultierende Bewegungsenergie zu einer Ausgabewelle 7 ab. Die Motordrehzahl des Verbrennungsmotors 1 wird durch einen Verbrennungsmotordrehzahlsensor 42 gemessen, der nahe der Ausgabewelle 1s des Verbrennungsmotors 1 vorgesehen ist.

Die Kupplung 6 ist zwischen der Ausgabewelle 1s des Verbrennungsmotors 1 und der Kurbelwelle 110 vorgesehen, die als die Ausgabewelle des Stirling-Motors 100 funktioniert, wobei das Verbrennungsmotorgetriebe 4 und das Abgaswärmerückgewinnungsgerätgetriebe 5 zwischen der Kupplung 6 und der Ausgabewelle 1s angeordnet sind. Die Kupplung 6 unterbricht bzw. stellt die mechanische Verbindung zwischen der Ausgabewelle 1s des Verbrennungsmotors und der Kurbelwelle 110 des Stirling-Motors 100 her, wenn es erfordert ist. Die Kupplung 6 wird durch ein Startsteuergerät 30 des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform gesteuert. Wie später beschrieben ist, ist in der Ausführungsform das Startsteuergerät 30 in einer Verbrennungsmotor-ECU (elektronische Steuereinheit) 50 vorgesehen.

Das Abgaswärmerückgewinnungsgerätgetriebe 5 ist aufgebaut, um das Übersetzungsverhältnis oder das Drehzahlverhältnis zwischen der Ausgabewelle und einer Eingabewelle 5s ändern zu können. Obwohl es schwierig ist, die Drehzahl des Stirling-Motors 100 schnell zu ändern, ist es möglich, die Bewegungsenergie von dem Stirling-Motor 100 und die Bewegungsenergie von dem Verbrennungsmotor 1 über einen weiten Bereich der Verbrennungsmotordrehzahl des Verbrennungsmotors 1 zu kombinieren. Als Nächstes wird das Startsteuergerät 30 des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts beschrieben, das verwendet wird, um das Abgaswärmerückgewinnungsgerät 10 gemäß der Ausführungsform zu steuern.

5 ist ein erklärendes Diagramm, das einen Aufbau des Startsteuergeräts für ein Steuern des Startens des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß der Ausführungsform zeigt. Wie in 5 gezeigt ist, ist das Startsteuergerät 30 der Ausführungsform in der Verbrennungsmotor-ECU 50 aufgenommen. Die Verbrennungsmotor-ECU 50 hat eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 50p, eine Speichersektion 50m, Eingabe- und Ausgabeanschlüsse 55 und 56 und Eingabe- und Ausgabeschnittstellen 57 und 58.

Alternativ kann das Startsteuergerät 30 der Ausführungsform separat von der Verbrennungsmotor-ECU 50 bereitgestellt sein, und kann mit der Verbrennungsmotor-ECU 50 verbunden sein. Um die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform zu realisieren, kann das Abgaswärmerückgewinnungsgerät so aufgebaut sein, dass das Startsteuergerät 30 die Funktion des Steuerns des Stirling-Motors 100, etc., verwenden kann, die die Verbrennungsmotor-ECU 50 hat.

Das Startsteuergerät 30 hat eine Sektion 31 für ein Bestimmen, ob die Bedingung für ein Starten erfüllt worden ist, und eine Startsektion 32. Diese Sektionen führen die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform durch. In der Ausführungsform ist das Startsteuergerät in der CPU 50paufgenommen, die die Verbrennungsmotor-ECU 50 bildet. Zusätzlich ist die CPU 50p mit einer Verbrennungsmotorsteuersektion 53h versehen, und steuert den Betrieb des Verbrennungsmotors 1 unter Verwendung dieser Sektion.

Die CPU 50p und die Speichersektion 50m sind miteinander und mit den Eingabe- und Ausgabeanschlüssen 55 und 56 durch Busse 541 bis 543 verbunden. Somit können die Startbedingungsbestimmungssektion 31 und die Startsektion 32, die das Startsteuergerät 30 bilden, Daten miteinander austauschen, und eine von diesen Sektionen kann Befehle zu der anderen Sektion senden. Zusätzlich kann das Startsteuergerät 30 Betriebssteuerdaten des Verbrennungsmotors 1, des Stirling-Motors 100, etc. von der Verbrennungsmotor-ECU 50 erhalten und die Daten verwenden. Darüber hinaus gestattet das Steuergerät 30, dass die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform die Betriebssteuerroutine unterbricht, mit der die Verbrennungsmotor-ECU 50 vorher bzw. früher versehen worden ist.

Die Eingabeschnittstelle 57 ist mit dem Eingabeanschluss 55 verbunden. Mit dem Eingabeanschluss 57 sind der Abgastemperatursensor 40, der Heizelementtemperatursensor 41, der Verbrennungsmotordrehzahlsensor 42, etc. verbunden, die die Sensoren sind, um Information zu erhalten, die notwendig ist, um das Starten des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts zu steuern. Die Signale, die von diesen Sensoren ausgegeben werden, werden zu dem Eingabeanschluss 55 gesendet, nachdem sie durch einen A/D-Wandler 57a und einen Digitaleingabepuffer bzw. -speicher 57d in der Eingabeschnittstelle 57 in Signale umgewandelt worden sind, die die CPU 50p verwenden kann. Somit kann die CPU 50p die Information erhalten, die notwendig ist, um den Betrieb und das Starten des Verbrennungsmotors 1 zu steuern.

Die Ausgabeschnittstelle 58 ist mit dem Ausgabeanschluss 56 verbunden. Gesteuerte Objekte (in der Ausführungsform die Kupplung 6), die notwendig sind, um die Startsteuerung durchzuführen, sind mit der Ausgabeschnittstelle 58 verbunden. Die Ausgabeschnittstelle 58 ist mit dem Steuerschaltkreis 581, 582, etc. verbunden, und betreibt die gesteuerten Objekte gemäß den Steuersignalen, die in der CPU 50p berechnet werden. Mit diesem Aufbau kann die CPU 50p der Verbrennungsmotor-ECU 50 den Stirling-Motor 100 und den Verbrennungsmotor 1 gemäß den Ausgabesignalen von den Sensoren steuern.

In der Speichersektion 50m sind Steuerkennfelder und Computerprogramme, einschließlich der Prozedur bzw. des Ablaufs der Startsteuerung gemäß der Ausführungsform, oder Steuerdaten, Steuerkennfelder, etc., gespeichert, die verwendet werden, um die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform durchzuführen. Die Speichersektion 50m kann ein flüchtiger Speicher, wie ein RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff), ein nichtflüchtiger Speicher, wie ein Flash-Speicher, oder eine Kombination aus diesen sein.

Die vorstehenden Computerprogramme können den Ablauf der Startsteuerung gemäß der Ausführungsform in Kombination mit den Computerprogrammen realisieren, die schon in der CPU 50p gespeichert sind. Das Startsteuergerät 30 kann die Funktionen der Startbedingungsbestimmungssektion 31 und der Startsektion 32 unter Verwendung einer geeigneten Hardware anstelle von Computerprogrammen realisieren. Als Nächstes wird die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform beschrieben. Falls es beim Lesen der folgenden Beschreibung notwendig ist, soll auf 15 Bezug genommen werden. Das zuvor beschriebene Startsteuergerät 30 realisiert die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform.

6 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf der Startsteuerung gemäß der Ausführungsform zeigt. Nachdem die Startsteuerung gemäß der Ausführungsform gestartet worden ist, rückt die Startbedingungsbestimmungssektion 31, die das Startsteuergerät 30 hat, die Kupplung 6 aus (S101), um die mechanische Verbindung zwischen dem Stirling-Motor 100 und dem Verbrennungsmotor 1 zu unterbrechen. Somit, selbst wenn der Stirling-Motor 100 nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, wird die Bewegungsenergie von dem Verbrennungsmotor 1 nicht verwendet, um den Stirling-Motor 100 anzutreiben. Demzufolge ist es möglich, die Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor 1 zu unterdrücken.

Es sollte beachtet werden, dass, wenn der Verbrennungsmotor 1 gestartet wird, die Kupplung 6 ausgerückt wird, und die mechanische Verbindung zwischen dem Stirling-Motor 100 und dem Verbrennungsmotor 1 unterbrochen wird. In anderen Worten gesagt, sind die Ausgabewelle 1s des Verbrennungsmotors 1 und die Kurbelwelle 110 des Stirling-Motors 100 getrennt. Demzufolge verwendet der Stirling-Motor 100 nicht die Bewegungsenergie, die durch den Verbrennungsmotor 1 produziert wird, bei der Zeit von dessen Start. Auf diese Weise ist es möglich, die Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor 1, die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs und die Verschlechterung der Abgasemissionen zu unterdrücken.

Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 erhält von dem Heizelementtemperatursensor 41 die Temperatur Th des Heizelements 105 (nachstehend als „die Heizelementtemperatur" bezeichnet), das der Stirling-Motor 100 hat (S102). Die Heizelementtemperatur Th ist die repräsentative bzw. maßgebliche Temperatur des Heizelements 105, das der Stirling-Motor 100 hat, und es wird angenommen, dass jeder Abschnitt bzw. jeder Teil des Heizelements 105 die Heizelementtemperatur Th hat. Die erhaltene Temperatur Th ist die Temperatur bevor der Stirling-Motor 100 gestartet wird.

Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 erhält die Stirling-Motor-Anlassdrehzahl (nachstehend als „die ST-Anlassdrehzahl" bezeichnet) Ns (S103). In der Ausführungsform sind der Stirling-Motor 100 und der Verbrennungsmotor 1 miteinander durch die Kupplung 6 verbunden, und die Bewegungsenergie von dem Stirling-Motor 100 wird mit der Bewegungsenergie von dem Verbrennungsmotor 1 durch das Abgaswärmerückgewinnungsgerätgetriebe 5 kombiniert. Somit, wenn die Kupplung 6 eingerückt ist, um den Stirling-Motor 100 zu starten, dreht der Stirling-Motor 100 bei Drehzahlen, die ein festes bzw. fixiertes Verhältnis zu Verbrennungsmotorsdrehzahlen des Verbrennungsmotors 1 haben. Demzufolge ist die ST-Anlassdrehzahl Ns gleich der Drehzahl der Eingabewelle 5s des Abgaswärmerückgewinnungsgerätsgetriebes 5 bei der Zeit des Einrückens der Kupplung 6, wenn der Stirling-Motor 100 gestartet wird.

Die ST-Anlassdrehzahl Ns wird unter Verwendung der Verbrennungsmotordrehzahl Ne des Verbrennungsmotors 1, die durch den Verbrennungsmotordrehzahlsensor 42 erhalten wird, und der Übersetzungsverhältnisse oder der Drehzahlverhältnisse des Verbrennungsmotorgetriebes 4 und des Abgaswärmerückgewinnungsgerätgetriebes 5 berechnet. Nach Erhalten der Heizelementtemperatur Th und der ST-Anlassdrehzahl Ns, erhält die Startbedingungsbestimmungssektion 31 die Zielheizelementtemperatur Th_t bei der Zeit des Startens (S104). Die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t wird nun beschrieben.

7 bis 10 sind erklärende Diagramme für ein Erklären eines Verfahrens des Bestimmens eines Indexes, der in der Startsteuerung gemäß der Ausführungsform verwendet wird, um zu bestimmen, ob der Stirling-Motor in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. 7 zeigt ein Steuerkennfeld 20, in dem ein Index gezeigt ist, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob der Stirling-Motor in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann.

Die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t (siehe 7) ist ein Index, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob der Stirling-Motor 100 in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. Wenn die Heizelementtemperatur Th, die in Schritt S102 erhalten wird, höher als die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t ist, wird bestimmt, dass der Stirling-Motor 100 in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. Wie in 7 gezeigt ist, ist die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t eine Funktion der ST-Anlassdrehzahl Ns, und erhöht sich, wenn sich die ST-Anlassdrehzahl Ns erhöht.

Wie in 7 gezeigt ist, ist die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t der Wert, der durch Addieren der Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th zu der Zielheizelementtemperatur Th_m erhalten wird, wenn der Stirling-Motor in Betrieb ist. Im Speziellen ist die Startzeitzielheizelementtemperatur als Th_t = Th_m + &Dgr;Th definiert. Die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m ist die Heizelementtemperatur, bei der der Stirling-Motor 100in einer selbstversorgenden Weise bei der ST-Anlassdrehzahl Ns arbeiten kann. „Der Stirling-Motor 100 kann in einer selbsterhaltenden Weise arbeiten" bedeutet, dass der Stirling-Motor eine minimale Betriebsfunktion ausführt. „Der Stirling-Motor führt eine minimale Betriebsfunktion aus" bedeutet, dass der Stirling-Motor die Reibung und die Trägheitsmasse des Antriebsstrangs überwindet und Bewegungsenergie erzeugt.

8 zeigt die Beziehung zwischen dem Drehmoment, das durch den Stirling-Motor 100 erzeugt wird, und der Drehzahl des Stirling-Motors 100 (Stirling-Motor-Drehzahl, die nachstehend als die „ST-Drehzahl" bezeichnet wird). Die durchgehenden Linien Th1, Th2, usw. in 8 sind isotherme Drehmomentkurven, die die Abweichung des Drehmoments des Stirling-Motors 100 bei den jeweiligen Heizelementtemperaturen zeigen. Wie von den isothermen Drehmomentkurven von 8 gesehen werden kann, nimmt das Drehmoment Pt des Stirling-Motors 100 ab, wenn sich die ST-Drehzahl N erhöht, falls die Temperatur dieselbe ist. Es sei angemerkt, dass Th1 < Th2 < Th3 < Th4 < Th5. Wenn die ST-Drehzahl N die gleiche ist, dann gilt, je höher die Heizelementtemperatur Th ist, desto größer ist das Drehmoment Pt, das durch den Stirling-Motor 100 erzeugt wird.

Die Linie, die mit Pt min in 8 gekennzeichnet ist, zeigt die Änderung des Drehmoments Pt min (minimal notwendiges Drehmoment), das für den Stirling-Motor 100 notwendig ist, um die minimale Betriebsfunktion auszuführen. Im Speziellen kann der Stirling-Motor 100 unter Bedingungen, in denen das Drehmoment Pt, das durch den Stirling-Motor 100 erzeugt wird, kleiner als das Pt min ist, die Reibung und die Trägheitsmasse des Antriebsstranges nicht überwinden und kann nicht die Bewegungsenergie erzeugen, das heißt, er kann nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten. Aus diesem Grund muss der Stirling-Motor 100 unter den Bedingungen gestartet werden, in denen das Drehmoment Pt größer als das minimal notwendige Drehmoment Pt min ist. Das minimal notwendige Drehmoment Pt min erhöht sich, wenn sich die ST-Drehzahl N erhöht.

Die Heizelementtemperatur der isothermen Drehmomentkurve, die die Linie des minimal notwendigen Drehmoments Pt min schneidet, ist die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m des Stirling-Motors 100. Die Heizelementtemperatur Th, bei der das minimal notwendige Drehmoment Pt min erzeugt werden kann, wird einzeln entsprechend einer bestimmten ST-Drehzahl N bestimmt. Im Speziellen ist für eine ST-Drehzahl N die Heizelementtemperatur der isothermen Drehmomentkurve, die das minimal notwendige Drehmoment Pt min schneidet, die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m, die zu der ST-Drehzahl N korrespondiert. Demzufolge, nachdem die ST-Drehzahl N bestimmt worden ist, wird die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m auch einzeln bestimmt.

In dem Beispiel, das in 8 gezeigt ist, ist beispielsweise die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m, wenn die ST-Drehzahl N1 ist, Th1, und die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m ist Th3, wenn die ST-Drehzahl N3 ist. Auf diese Weise wird die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m des Stirling-Motors 100 bestimmt. Die Beziehung zwischen der ST-Anlassdrehzahl Ns und der Betriebszielheizelementtemperatur Th_m, die in 7 gezeigt ist, ist gleich zu der Beziehung zwischen der vorstehend beschriebenen ST-Drehzahl N und der Betriebszielheizelementtemperatur Th_m. Somit ist es möglich, die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m zu erhalten, die in 7 gezeigt ist, unter Verwendung der Beziehung zwischen der vorstehend beschriebenen ST-Drehzahl N und der Betriebszielheizelementtemperatur Th_m.

Wie von 7 gesehen werden kann, erhöht sich die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m, wenn sich die ST-Anlassdrehzahl Ns erhöht. Wenn die Heizelementtemperatur niedriger als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m ist, kann der Stirling-Motor 100 nicht die minimale Betriebfunktion ausführen, und kann deshalb nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten. Als eine Folge wird der Stirling-Motor 100 durch den Verbrennungsmotor 1 angetrieben. Speziell in diesem Fall bringt der Stirling-Motor 100 eine Last auf den Verbrennungsmotor 1 auf. Somit, wenn Abgas durch Betreiben des Stirling-Motors 100 rückgewonnen wird, ist es notwendig, den Stirling-Motor 100 immer bei einer Temperatur zu betreiben, die höher als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m ist.

9 zeigt die Änderung der Heizelementtemperatur Th mit der Zeit ab einem Zeitpunkt vor dem Starten bis zu einem Zeitpunkt nach dem Starten des Stirling-Motors 100. Nachdem der Stirling-Motor 100 gestartet worden ist, gewinnt der Stirling-Motor 100 durch das Heizelement 105 die thermische Energie von dem Abgas Ex zurück, das von dem Verbrennungsmotor 1 ausgegeben wird, und wandelt die Energie in kinetische Energie um. Aus diesem Grund, wenn die Temperatur des Heizelements 105 vor und nach dem Starten des Stirling-Motors 100 verglichen wird, ist die Temperatur von diesem nach dem Starten des Stirling-Motors 100 niedriger als vor dem Starten. Die thermische Energie, die der Temperaturdifferenz &Dgr;Th (siehe 9) des Heizelements 105 (Heizelementtemperaturdifferenz) zwischen einem Zeitpunkt vor dem Starten und einem Zeitpunkt nach dem Starten des Stirling-Motors 100 entspricht, wird in kinetische Energie umgewandelt.

Auf diese Weise nimmt die Heizelementtemperatur Th nach dem Starten des Stirling-Motors 100 ab. Demzufolge, selbst wenn die Heizelementtemperatur Th höher ist als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m, wenn der Stirling-Motor 100 gestartet wird, kann die Heizelementtemperatur Th nach dem Starten des Stirling-Motors 100 niedriger als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m sein. Demzufolge wird in der Ausführungsform die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t unter Berücksichtigung der Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th bestimmt, um die Heizelementtemperatur Th nach dem Starten des Stirling-Motors 100 gleich oder höher als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m zu halten. In der Ausführungsform ist die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t die Summe aus der Betriebszielheizelementtemperatur Th_m und der Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th (Th_t = Th_m + &Dgr;Th). Die Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th wird in der folgenden Weise bestimmt.

Th_s, die in 9 gezeigt ist, ist die Temperatur (Stoppzustandheizelementtemperatur), die das Heizelement hat, während der Stirling-Motor 100 gestoppt ist, obwohl das Heizelement 105 mit dem Abgas Ex versorgt wird. Das Abgas Ex, das zu dem Heizelement 105 unter solchen Bedingungen zugeführt wird, ist das Abgas Ex, das von dem Verbrennungsmotor 1 abgegeben wird, während der Verbrennungsmotor in einem stetigen Betrieb bei einer Drehzahl ist, die der ST-Anlassdrehzahl Ns entspricht. Th_c ist die Temperatur (Stetigbetriebszustandheizelementtemperatur), die das Heizelement hat, wenn der Stirling-Motor 100 in einem stetigen Betrieb bei der ST-Anlassdrehzahl Ns ist.

In dem Beispiel, das in 9 gezeigt ist, wird der Stirling-Motor 100 bei &thgr;1 gestartet, und der Stirling-Motor 100 erreicht einen stetigen Betriebszustand bei &thgr;2. Die thermische Energie, die der Differenz zwischen der Stoppzustandheizelementtemperatur Th_s des Stirling-Motors 100 und der Stetigbetriebszustandheizelementtemperatur Th_c von diesem entspricht, wird in kinetische Energie des Stirling-Motors 100 umgewandelt.

In dieser Ausführungsform ist die Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th als &Dgr;Th = Th_s – Th_c definiert. Wie in 10 gezeigt ist, ist die Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th eine Funktion der Drehzahl (ST-Anlassdrehzahl) Ns bei der Zeit des Startens des Stirling-Motors 100, und erhöht sich, wenn sich die ST-Anlassdrehzahl Ns erhöht.

Die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t ist Th_m + &Dgr;Th. Wie vorstehend beschrieben ist, werden die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m und die Heizelementtemperaturdifferenz &Dgr;Th in Abhängigkeit von der ST-Anlassdrehzahl Ns bestimmt, die in Schritt S103 erhalten wird. Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 liefert die erhaltene ST-Anlassdrehzahl Ns zu dem Steuerkennfeld 20, das in 7 gezeigt ist, und erhält von dem Steuerkennfeld 20 die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t.

Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 vergleicht dann die Heizelementtemperatur Th, die in Schritt S102 erhalten wird, und die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t, die in Schritt S104 erhalten wird (S105). Falls Th ≤ Th_t (Nein in S105), dann wird bestimmt, dass der Stirling-Motor 100 nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. Wenn der Stirling-Motor in diesem Fall gestartet wird, kann die Temperatur des Heizelements 105 niedriger als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m sein, was zu einer Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor 1 und/oder zu der Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führen kann. Demzufolge wiederholt in diesem Fall die Startbedingungsbestimmungssektion 31 Schritte S101 bis S105 bis Th > Th_t erfüllt ist.

Falls Th > Th_t (Ja in Schritt S105), wird bestimmt, dass der Stirling-Motor 100 in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. In diesem Fall startet die Startsektion 32 den Stirling-Motor 100 (S106). Im Speziellen bringt die Startsektion 32 die Kupplung 6 in Eingriff bzw. rückt diese ein, und startet den Stirling-Motor 100 unter Verwendung des Verbrennungsmotors 1. Nachdem der Stirling-Motor 100 gestartet worden ist, beginnt der Stirling-Motor 100 in einer selbstversorgenden Weise zu arbeiten, wobei er die thermische Energie von dem Abgas Ex von dem Verbrennungsmotor 1 rückgewinnt. Die Bewegungsenergie, die durch den Stirling-Motor 100 erzeugt wird, und die Bewegungsenergie, die durch den Verbrennungsmotor 1 erzeugt wird, werden durch das Abgaswärmerückgewinnungsgerätgetriebe 5 kombiniert, und von der Ausgabewelle 7 ausgegeben.

Es ist bevorzugt, dass, falls die Temperatur des Heizelements 105 niedriger als die Betriebszielheizelementtemperatur Th_m ist, das Startsteuergerät 30 die Kupplung 6 ausrückt, weil der Stirling-Motor 100 nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. Mit dieser Einstellung belastet der Stirling-Motor 100 den Verbrennungsmotor 1 nicht, und es ist deshalb möglich, die Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor 1 und die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs zu unterdrücken.

In der Startsteuerung des Abgaswärmerückgewinnungsgeräts gemäß dieser Ausführungsform wird die Leistungsabgabe (Drehmoment) von dem Stirling-Motor 100 bei der Zeit des Startens des Stirling-Motors 100 von der Temperatur des Heizelements 105 geschätzt, und, fall die Ausgabeleistung die Bedingung für ein Gestatten, dass der Stirling-Motor 100 in einer selbstversorgenden Weise arbeitet, erfüllt, wird der Stirling-Motor gestartet. Somit beginnt der Stirling-Motor 100, nachdem der Stirling-Motor 100 gestartet worden ist, sofort seinen Betrieb in einer selbstversorgenden Weise aufzunehmen, sodass der Stirling-Motor 100 den Verbrennungsmotor 1 nicht belastet. Demzufolge ist es möglich, die Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor 1 und die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs aufgrund des Startens des Stirling-Motors 100 zu unterdrücken. Als Nächstes wird die Startsteuerung gemäß einem modifizierten Beispiel der Ausführungsform beschrieben.

Ein Merkmal der Startsteuerung gemäß dem modifizierten Beispiel der vorstehenden Ausführungsform ist, dass, wenn das Zeitintergral der Differenz der Temperatur des Abgases, das an das Heizelement strömt, und der vorbestimmten Startzeitzielheizelementtemperatur einen vorbestimmten Zielwert übersteigt, bestimmt wird, dass der Stirling-Motor 100, der als die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung funktioniert, in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. In den anderen Punkten ist die Startsteuerung gemäß dem modifizierten Beispiel gleich zu der, der vorstehenden Ausführungsform.

11 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf der Startsteuerung gemäß dem modifizierten Beispiel der Ausführungsform zeigt. 12 ist ein Diagramm für ein Erklären der Startsteuerung gemäß dem modifizierten Beispiel der Ausführungsform. Nachdem die Startsteuerung gemäß dem modifizierten Beispiel gestartet worden ist, rückt die Startbedingungsbestimmungssektion 31, die das Startsteuergerät 30 hat, die Kupplung 6 aus (S201), um die mechanische Verbindung zwischen dem Stirling-Motor 100 und dem Verbrennungsmotor 1 zu unterbrechen.

Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 erhält dann die Temperatur Tg des Abgases (nachstehend als „die Abgastemperatur" bezeichnet), das auf das Heizelement 105 strömt, das der Stirling-Motor 100 hat, von dem Abgastemperatursensor 40 (siehe 1 und 5), der bei dem Einlass 105i des Heizelementgehäuses 3 vorgesehen ist (S202). Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 erhält die ST-Anlassdrehzahl Ns (S203), und erhält die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t (S204). Die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t ist so, wie vorstehend beschrieben ist.

Die Startbedingungsbestimmungssektion 31 vergleicht die Abgastemperatur Tg und die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t (S205). Falls Tg ≤ Th_t (Nein in Schritt S205; bis zu &thgr;1 in 12), wiederholt die Startbedingungsbestimmungssektion 31 die zuvor genannten Schritte S201 bis S205, bis Tg > Th_t erfüllt ist.

Falls Tg > Th_t (Ja in Schritt S205), berechnet die Startbedingungsbestimmungssektion 31 das Zeitintegral (Temperaturdifferenzintegral) I der Differenz zwischen der Abgastemperatur Tg und der Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t (S206). Das Temperaturdifferenzintegral I ist ∫(Tg – Th_t)d&thgr;, und das Integral wird von dem Zeitpunkt an berechnet, wenn Tg > Th_t erfüllt ist (&thgr;1 in 12). Beispielsweise entspricht das Temperaturdifferenzintegral I von &thgr;1 bis &thgr;2 dem schraffierten Bereich zwischen der durchgehenden Linie, die die Änderung der Abgastemperatur Tg zeigt, und der gestrichelten Linie, die die Änderung der Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t zeigt. Das Temperaturdifferenzintegral I kann als ein Index der gesamten Menge der Wärme verwendet werden, die das Heizelement 105 erhalten hat, seit Tg > Th_t erfüllt ist.

In dem modifizierten Beispiel wird auf Basis der Gesamtmenge der Wärme, die das Heizelement 105 des Stirling-Motors 100 aufgenommen hat, bestimmt, ob die Heizelementtemperatur Th die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t überstiegen hat. Falls das Heizelement 105 dem Abgas Ex, das eine höhere Temperatur als die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t hat, für eine vorbestimmte Zeitspanne ausgesetzt ist, übersteigt die Heizelementtemperatur Th die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t. Für diese Bestimmung vergleicht die Startbedingungsbestimmungssektion 31 das Temperaturdifferenzintegral I, das in Schritt S206 berechnet wird, und einen vorbestimmten Zielwert für eine Bestimmung (nachstehend als „der Zielwärmeaufnahmebetrag" bezeichnet) C, der durch Experimente und Analysen bestimmt wird (S207).

Falls I ≤ C (Nein in Schritt S207), wird bestimmt, dass die Heizelementtemperatur Th des Stirling-Motors 100 die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t nicht überstiegen hat. In diesem Fall wird bestimmt, dass der Stirling-Motor 100 nicht in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, und die Startbedingungsbestimmungssektion 31 wiederholt deshalb Schritte S201 bis S207 bis I > C erfüllt ist. Falls I > C (Ja in Schritt S207), wird bestimmt, dass die Heizelementtemperatur Th des Stirling-Motors 100 die Startzeitzielheizelementtemperatur Th_t überstiegen hat. In diesem Fall wird bestimmt, dass der Stirling-Motor 100 in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, und die Startsektion 32 startet deshalb den Stirling-Motor 100 (S208).

In dem modifizierten Beispiel ist es durch Erfassen der Temperatur des Abgases Ex, das auf das Heizelement 105 strömt, möglich, zu bestimmen, ob der Stirling-Motor 100 in einer selbsterhaltenen Weise arbeiten kann, ohne den Heizelementtemperatursensor 41 zu verwenden. Im Allgemeinen hat der Verbrennungsmotor 1 die Abgastemperaturmesseinrichtung, und deshalb ist es möglich, die Temperatur des Abgases Ex, das auf das Heizelement 105 strömt, unter Verwendung der Abgastemperaturmesseinrichtung zu messen. Demzufolge ist es in dem modifizierten Beispiel durch Verwenden der herkömmlichen Abgastemperaturmesseinrichtung möglich, den Heizelementtemperatursensor 41 wegzulassen, sodass es möglich ist, den Aufbau zu vereinfachen.

Wie vorstehend beschrieben ist, ist in der Ausführungsform und in deren modifiziertem Beispiel die Kupplung, die als die Leistungsübertragungsschaltvorrichtung funktioniert, zwischen der Ausgabewelle des Verbrennungsmotors, der als die Wärmekraftmaschine funktioniert, von der Abgaswärme rückgewonnen wird, und der Ausgabewelle des Stirling-Motors vorgesehen, der als die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung funktioniert. Bei der Zeit des Startens des Stirling-Motors wird die Kupplung eingerückt, wenn es möglich wird, dass der Stirling-Motor in einer selbstversorgenden Weise arbeitet, und der Stirling-Motor wird unter Verwendung der Bewegungsenergie von dem Verbrennungsmotor gestartet. Auf diese Weise kann der Stirling-Motor unmittelbar nach dem Starten in einer selbstversorgenden Weise arbeiten, und der Stirling-Motor belastet deshalb den Verbrennungsmotor nicht. Als eine Folge ist es möglich die Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor zu unterdrücken, wenn Abgaswärme von dem Verbrennungsmotor rückgewonnen wird.

Zusätzlich, weil der Stirling-Motor keine Last für den Verbrennungsmotor ist, ist es möglich, die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors zu unterdrücken. Darüber hinaus, weil der Stirling-Motor gestartet wird, wenn es möglich wird, dass der Stirling-Motor in einer selbstversorgenden Weise arbeitet, ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Temperatur des Abgases, nachdem es den Stirling-Motor passiert hat, niedriger als ein eingestellter Wert wird. Somit, wenn der Aufbau verwendet wird, in dem das Abgas, nachdem es den Stirling-Motor passiert hat, durch einen Reinigungskatalysator gereinigt wird, ist es möglich, die Abnahme der Reinigungsleistung zu unterdrücken. Darüber hinaus, weil auf Basis der Temperatur des Heizelements bestimmt wird, ob der Stirling-Motor in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, ist es leicht zu bestimmen, ob der selbstversorgende Betrieb möglich ist, was die Steuerbarkeit verbessert.

Wie vorstehend beschrieben ist, sind die Abgaswärmerückgewinnungsgeräte gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich, um Abgaswärme von Wärmekraftmaschinen zurückzugewinnen, und sind insbesondere für ein Unterdrücken der Verringerung der Leistungsabgabe von dem Verbrennungsmotor geeignet, von dem Abgaswärme rückgewonnen wird.

Ein Abgaswärmerückgewinnungsgerät (10) hat: einen Stirling-Motor (100), der thermische Energie von Abgas (Ex) zurückgewinnt, das von einem Verbrennungsmotor (1) abgegeben wird und eine Kupplung (6). Die Kupplung (6) stellt eine Verbindung zwischen einer Ausgabewelle (1s) des Verbrennungsmotors (1) und einer Ausgabewelle des Stirling-Motors (100) her und unterbricht diese. Vor dem Starten des Stirling-Motors (100) wird die Kupplung (6) ausgerückt, um die Verbindung zwischen der Ausgabewelle (1s) des Verbrennungsmotors (1) und der Kurbelwelle (110) des Stirling-Motors (100) zu unterbrechen. Wenn es möglich wird, dass der Stirling-Motor (100) in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann, wird die Kupplung (6) eingerückt, um die Ausgabewelle (1s) des Verbrennungsmotors (1) und die Kurbelwelle (110) des Stirling-Motors (100) zu verbinden.


Anspruch[de]
Abgaswärmerückgewinnungsgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes aufweist:

eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) für ein Rückgewinnen von thermischer Energie von Abgas, das von einer Wärmekraftmaschine (1) abgegeben wird; und

eine Leistungsübertragungsschalteinrichtung (6), die die Verbindung zwischen einer Ausgabewelle (1s) der Wärmekraftmaschine (1) und einer Ausgabewelle (110) der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) unterbricht, wenn die Wärmekraftmaschine gestartet wird.
Abgaswärmerückgewinnungsgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsübertragungsschalteinrichtung (6) die Ausgabewelle (1s) der Wärmekraftmaschine (1) und die Ausgabewelle (110) der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) verbindet, wenn es möglich wird, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) in einer selbstversorgenden Weise arbeitet. Abgaswärmerückgewinnungsgerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Temperatur eines Heizelements (105), das die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) hat, eine vorbestimmte Startzeitzielheizelementtemperatur (Th_t) übersteigt, die Leistungsübertragungsschalteinrichtung (6) bestimmt, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. Abgaswärmerückgewinnungsgerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein Zeitintegral einer Differenz zwischen einer vorbestimmten Startzeitzielheizelementtemperatur (Th_t) und einer Temperatur (Tg) des Abgases, das auf ein Heizelement (105) strömt, von da an, wenn die Temperatur (Tg) des Abgases, das auf das Heizelement (105) strömt, die Startzeitzielheizelementtemperatur (Th_t) übersteigt, einen vorbestimmten Zielwert für eine Bestimmung (C) übersteigt, die Leistungsübertragungsschalteinrichtung (6) bestimmt, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann. Abgaswärmerückgewinnungsgerät gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Startzeitzielheizelementtemperatur (Th_t) bestimmt ist, um die Temperatur (Th) des Heizelements (105), nachdem die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) gestartet worden ist, gleich oder höher als eine Heizelementtemperatur (Th_m) zu halten, die erfordert ist, damit die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) in einer selbstversorgenden Weise bei einer Anlassdrehzahl (Ns) arbeiten kann, bei der die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) gestartet wird. Abgaswärmerückgewinnungsgerät gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Startzeitzielheizelementtemperatur (Th_t) einen Wert hat, der durch Addieren einer Differenz zwischen einer Temperatur (Th_s), die das Heizelement (105) hat, während, obwohl das Heizelement (105) mit dem Abgas versorgt wird, die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) gestoppt ist, und einer Temperatur (Th_c), die das Heizelement (105) hat, wenn die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) in einem stetigen Betrieb bei der Anlassdrehzahl (Ns) ist, zu der Heizelementtemperatur (Th_m) erhalten wird, die erfordert ist, damit die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (100) in einer selbstversorgenden Weise arbeiten kann.






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