JP2011085111A - エンジン及びエンジン発電装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】吸気、圧縮、膨張、排気の4行程を含む1サイクルを繰り返して作動するエンジンにおいて、1サイクル内に4行程とは別の行程を追加しないで運転する4行程サイクル運転と、1サイクル内に4行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を1つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転とを択一的に切り換える形態で、1サイクル内に含まれる行程数である1サイクル行程数を変更可能に構成され、エンジン始動時に4行程サイクル運転を行い、エンジンの温度が、エンジンの暖気運転が終了したと判断できる所定温度となった場合に増加行程サイクル運転に切り換え可能な形態で、1サイクル行程数をエンジンの温度に基づいて制御する制御手段を備えた。
【選択図】図4
Description
この特許文献1に開示のエンジンでは、定常運転状態において、エンジン負荷が定格負荷域にある場合に4行程サイクル運転を行い、エンジン負荷が定格負荷域よりも低い部分負荷域にある場合に増加行程サイクル運転を行うように構成されている。
仮に、特許文献1に開示の運転状態を切り換えることが可能なエンジンにおいて、暖気運転中に軸出力の低い増加行程サイクル運転で運転した場合には、単位時間あたりにエンジンから発生する熱量が少なく、エンジンの温度が適切な温度に上昇するまでに非常に長い時間が必要となってしまい、燃料消費効率等のエンジンの運転効率を低下するものとなり兼ねないという問題がある。
尚、上記4行程サイクル運転において、1サイクル内に前記4行程とは別の行程を追加しないで運転するとは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる4行程のみを順に繰り返して作動する形態で運転することを示す。
ここで、増加行程サイクル運転は、吸気、圧縮、膨張、排気との4行程を含む1サイクル内に、この4行程とは別に、膨張(燃焼)を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を1つ以上追加するものである。これにより、例えば、エンジンの温度が所定温度となった後(定常運転状態)においてエンジン負荷の低下に対応して、1サイクル内の行程数である1サイクル行程数を4よりも大きい偶数値に増加した増加行程サイクル運転を行う状態とすることができる。このように定常運転状態において増加行程サイクル運転を行えば、4行程サイクル運転を行う場合と比較して、1サイクル内に軸出力を発生しない一対の休止行程を1つ以上追加した分、エンジン負荷の低下に対応して軸出力を低下させることができ、エンジンの運転を効率よく行うことができる。
よって、暖気運転中において、制御手段により、1サイクル行程数をエンジンの温度に基づいて制御することにより、定常運転状態となるまでの暖気運転をできるだけ短くしながら、燃料消費効率等のエンジンの運転効率の低下を防止することができる。
よって、暖気運転中において、定常運転状態となるまでの暖気運転をより短くすることができるとともに、発電機からの発電電力を有効に活用することができる。
図1は、エンジンの概略構成図、図2及び図3は、エンジンの各種運転状態を模式的に表す説明図、図4は、エンジン始動開始からの経過時間とエンジン内の油温との関係を示すグラフ図である。
尚、図2及び図3や以下の説明において、ピストン位置としての「TDC」は上死点位置を示し、ピストン位置としての「BDC」は下死点位置を示し、吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態としての「O」は開状態を示し、吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態としての「C」は閉状態を示し、クランク角度としての「°BBDC」は下死点前のクランク角度を示す。
エンジン50には、図1に示すように、シリンダ3の内面とピストン4の頂面とで規定される燃焼室10と、燃焼室10に吸気バルブ1を介して接続された吸気路13と、燃焼室10に排気バルブ2を介して接続された排気路14とが設けられている。エンジン50には、吸気バルブ1及び排気バルブ2の開閉動作を行うためのカム式又は電磁アクチュエータ式又は油圧アクチュエータ式等の公知の動弁機構20が設けられており、エンジン50の運転を制御する制御装置30(制御手段の一例)により制御されるように構成されている。
エンジン50は、4行程サイクル運転を行う場合には、図2に示すように、ピストンのTDCとBDCとの間の往復動に伴って、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程のみを順に含む1サイクルを繰り返して作動する。
ここで、吸気バルブ1は、吸気行程においてピストンのTDCからBDCへの下降動作に伴って吸気路13から混合気Iを燃焼室10に吸気するべく、吸気行程の開始時点付近で開状態となり、吸気行程の終了時点付近で閉状態となる。一方、排気バルブ2は、排気行程においてピストンのBDCからTDCへの上昇動作に伴って燃焼室10の排ガスEを排気路14に排出するべく、排気行程の開始時点付近で開状態となり、排気行程の終了時点付近で閉状態となる。
そして、この4行程サイクル運転では、1サイクル内に含まれる行程数である1サイクル行程数が4(4行程)であり、1サイクルを構成する4行程における一の膨張行程において、混合気Iの燃焼によりピストン4を押し下げて軸出力が発生する。
エンジン50は、図3に示すように、増加行程サイクル運転として1サイクル行程数を6とした6行程サイクル運転を実行可能に構成されている。
即ち、エンジン50は、かかる6行程サイクル運転を行う場合には、1サイクル内に上記4行程とは別に、燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程としての密閉上昇行程と密閉下降行程とを1つ追加し、この6行程からなる1サイクルを繰り返して作動する。
この6行程サイクル運転では、1サイクル内に燃焼を伴わない休止行程が追加されているので、4行程サイクル運転と比較して単位時間当たりにエンジン50が発生する熱量は少なくなる。例えば、4行程サイクル運転に対し6行程サイクル運転で休止行程が追加された分、1サイクルを行うために必要な時間が1.5倍程度になった場合には、4行程サイクル運転により単位時間当たりに発生する熱量に対し6行程サイクル運転により単位時間当たりに発生する熱量は、2/3程度となる。
密閉上昇行程では、燃焼室10が密閉状態となっており、ピストン4をBDCからTDCへ上昇動作させる。
一方、密閉下降行程では、燃焼室10が密閉状態となっており、ピストン4のTDCからBDCへ下降動作させる。
そして、この6行程サイクル運転では、1サイクル行程数が6(6行程)であり、1サイクルを構成する6行程における一の膨張行程において、混合気Iの燃焼によりピストン4を押し下げて軸出力が発生することから、4行程サイクル運転に対して相対的に軸出力が2/3程度に低下することになる。
このような制御装置30による切り換え制御の詳細について、以下に説明する。
エンジン50の始動開始からエンジン50内の油温が所定温度となるまでの運転である暖気運転においては、制御装置30により、比較的軸出力が高く単位時間あたりの発生熱量が大きい4行程サイクル運転を実行する制御がなされる。ここで、図1に示すように、エンジン50には、エンジン50内に流通する油の温度(油温)を測定可能な油温センサ41がシリンダ3の下部に配置され、当該油温センサ41で測定された油温が温度信号として温度検出部40により制御装置30へ出力されることにより、制御装置30においてエンジン50の温度を把握することができる。
具体的には、図4に示すように、制御装置30は、温度検出部40から出力されたエンジン50内の油温に基づいて、この油温が当該エンジン50の始動開始から所定温度(例えば、60℃程度)となるまで、4行程サイクル運転で暖気運転し(図4中、実線で示す)、当該所定温度になると暖気運転が終了したものと判断して、後述する定常運転を行うように構成されている。すなわち、制御装置30は、暖気運転状態においては4行程サイクル運転を行い、6行程サイクル運転を行わないように、1サイクル行程数を制御する。
このように暖気運転において単位時間当たりの発熱量が大きい4行程サイクル運転を行い、6行程サイクル運転を行わないことにより、暖気運転が終了するまでの時間を短くすることができる。例えば、図4に示すように、4行程サイクル運転を行った場合(図4中、実線で示す)は、運転開始から40分後に油温が所定温度となり暖気運転が終了するが、6行程サイクル運転を行った場合(図4中、破線で示す)は、暖機運転が終了するまで60分程度必要となる。
これにより、暖気運転状態において、軸出力が低くエンジン50の温度を早期に上昇させることが困難な6行程サイクル運転が行われるのを防止して、暖気運転の時間をできるだけ短縮することができるとともに、その時間短縮により燃料消費効率等のエンジン50の運転効率の低下を防止することができる。
エンジン50内の油温が所定温度となり定常運転にある(暖気運転が終了した)場合には、制御装置30は、エンジン負荷に基づいてエンジン50の運転状態を切り換える制御を行う。
すなわち、制御装置30は定常運転において、エンジン負荷が定格負荷域にある場合に4行程サイクル運転を行い、エンジン負荷が定格負荷域よりも低い部分負荷域(低負荷域)にある場合に6行程サイクル運転を行うように、択一的に切り換える形態で、1サイクル行程数をエンジン負荷に基づいて制御するように構成されている。なお、定常運転においては、エンジン50内の油温は所定温度(例えば、60℃程度)以上となっている。
尚、エンジン負荷は、エンジン50のクランク軸9に付加される仕事量を言い、これに対して軸出力は、エンジン50のクランク軸9から出力される仕事量を言う。また、このエンジン負荷については、クランク軸9に係るトルクとクランク軸9の回転数とから導出することができるが、例えば、クランク軸9の軸出力により発電機や圧縮機等を駆動している場合には、その発電機に付加される発電負荷や圧縮機に付加される圧縮負荷を、上記エンジン負荷として取り扱っても構わない。
即ち、制御装置30は、定常運転状態において、エンジン負荷が定格負荷域から低負荷域に低下した場合に、4行程サイクル運転から6行程サイクル運転に切り換えて、1サイクル行程数を4から2増加させて6とすることで、エンジン負荷の低下に応じて、軸出力を順次低下させて、エンジン負荷の変動に合わせて軸出力を広範囲で変化させることができる。
尚、上記6行程サイクル運転では、4行程サイクル運転に対して相対的に軸出力が2/3程度となることから、定格負荷域はエンジン50の最大軸出力に相当する最大負荷から最大負荷の2/3程度までの範囲に設定され、低負荷域は上記最大負荷の2/3程度から最小負荷までの範囲に設定されている。
(1)上記実施形態では、本願のエンジン50の軸出力が利用される対象であるエンジン負荷を特定しなかったが、本願のエンジン50の軸出力を、当該エンジン50により駆動される発電機81を備えたエンジン発電装置80に適用することもできる。
具体的には、図5に示すように、エンジン発電装置80は、エンジン50と、エンジン50により駆動される発電機81と、発電機81の発電電力を商用電力系統90に系統連系するインバータ82と、インバータ82を介して供給された発電機81からの発電電力を熱に変換自在な電気ヒータ83とを備える。また、エンジン発電装置80は、発電機81とインバータ82との間にコンバータ84を備える。
発電機81は、エンジン50の出力軸に連結されてエンジン50の駆動により交流電力を発電する永久磁石式20極三相交流発電機であり、コンバータ84は、発電機81から出力された交流電力を直流電力に変換するものであり、インバータ82は、コンバータ84から出力された直流電力を交流電力に変換するものである。商用電力系統90は、第1電力供給ライン92を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機等の電力負荷91に電気的に接続されている。インバータ82は、コンバータ84からの直流電力を商用電力系統90の周波数及び電圧と合致する交流電力に変換することにより、発電機81の発電出力を商用電力系統90に系統連系している。
インバータ82は、第2電力供給ライン85を介して第1電力供給ライン92に電気的に接続されており、発電機81からの発電電力を電力負荷91に供給自在に構成されている。第1電力供給ライン92には、図示は省略するが、電力負荷91の負荷電力を計測する電力負荷計測手段が設けられ、この電力負荷計測手段は、第1電力供給ライン92を通して流れる電流に逆潮流が発生するか否かをも検出するように構成されている。そして、逆潮流が生じないように、インバータ82により発電機81から第1電力供給ライン92に供給される電力が制御され、発電電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に変換自在な電気ヒータ83に供給されるように構成されている。
電気ヒータ83は、発電機81からの発電電力(特に、上記余剰電力)を熱に変換して、冷却水循環回路86を通流するエンジン50を冷却するためのエンジン冷却水Cを加熱自在に設けられている。冷却水循環回路86は、冷却水ポンプ87の作動によりエンジン50と排熱回収用熱交換器93との間でエンジン冷却水Cを循環させている。電気ヒータ83は、余剰電力の大きさが大きくなるほど消費電力を大きくしてエンジン冷却水Cの加熱量が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じてエンジン冷却水Cの加熱量を調整自在に構成されている。なお、排熱回収用熱交換器93は、湯水通流路94を通流する湯水Hをエンジン冷却水Cと熱交換させて、エンジン冷却水Cにて湯水Hを加熱させる熱交換器であり、当該湯水通流路94は、例えば、コージェネレーションシステムに備えられる貯湯タンク(図示せず)を介した回路とすることで、当該貯湯タンクから供給される湯水Hによりエンジン50の排熱を有するエンジン冷却水Cの熱を回収して利用することが可能に構成されている。
このような構成において、制御装置30は、暖気運転時において、上記実施形態と同様に4行程サイクル運転を行うが、さらに、電力負荷計測手段の計測結果に基づいて電力負荷91で消費される電力が少なく、発電機81の発電電力の電力負荷91に対する余剰分である余剰電力が発生したと判断する場合には、この余剰電力をインバータ82を介して電気ヒータ83に供給させる。これにより、暖気運転状態において、エンジン50の温度を早く上昇させることができる4行程サイクル運転を行うことに加えて、さらに、電気ヒータ83により加熱されたエンジン冷却水Cを介して、より多くの熱量をエンジン50に供給することができ、より迅速かつ効率的にエンジン50の温度を上昇させることができる。
よって、暖気運転中において、定常運転状態となるまでの暖気運転をより短くすることができるとともに、発電機81からの発電電力を有効に活用することができる。
なお、上記では、電気ヒータ83により冷却水循環回路86を通流するエンジン冷却水Cを加熱する構成について説明したが、図示はしないものの、例えば、暖気運転時において、オイル循環回路を通流しエンジン50内に供給されるエンジンオイルを電気ヒータ83により加熱する構成を採用することもできる。この場合、暖気運転状態において、エンジン50の温度を早く上昇させることができる4行程サイクル運転を行うことに加えて、さらに、電気ヒータ83により加熱されたエンジンオイルを介して、より多くの熱量をエンジン50に供給することができ、より迅速かつ効率的にエンジン50の温度を上昇させることができる。
例えば、制御装置30が、エンジン50の始動開始からの経過時間が所定時間となった場合に、エンジン50の温度がエンジン50の暖気運転が終了したと判断できる所定温度となったものと判別する構成とすることもできる。
すなわち、制御装置30が、エンジン50の温度を計測するか否かにかかわらず、エンジン50の始動開始からの経過時間が所定時間となった場合(例えば、図4に示す例では、40分経過時)に、4行程サイクル運転におけるエンジン50の温度が暖気運転を終了したと判断することができる所定温度(例えば、60℃程度)になったものと判別する。これにより、より簡易に1サイクル行程数を制御することができる。なお、エンジン50の始動開始からの経過時間とエンジン50の温度との関係(特にエンジン50の温度が所定温度となるまでの経過時間)は、例えば、予め計測して制御装置30内に記憶したものを用いることができる。
この場合、エンジン50により圧縮機を作動させて、圧縮式ヒートポンプ回路を作動させることで、エンジン50の軸出力を有効利用して圧縮式ヒートポンプ回路において冷熱又は温熱を得ることができる。なお、エンジン50に付加されるエンジン負荷は、圧縮式ヒートポンプ回路の熱負荷に相当するものとなる。
具体的には、制御装置30は、定常運転状態において、先ず、圧縮式ヒートポンプ回路における熱負荷をエンジン負荷として検出し、そのエンジン負荷が定格負荷域であるか低負荷域であるかを判定して、各負荷域に応じて、4行程サイクル運転と6行程サイクル運転との切り換えを行う構成とすることができる。
これにより、このバルブタイミング可変機構により、吸気バルブ1の閉タイミングを0°BBDC(下死点)に対して進角又は遅角させて、吸気行程において吸気バルブ1を下死点に対して早く又は遅く閉じれば、燃焼室10に吸気される混合気Iの量である吸気量が低減し、結果、軸出力が低下することになる。よって、エンジン50は、このバルブタイミング可変機構により、吸気行程における吸気バルブ1の閉タイミングを0°BBDCに対して進角量又は遅角量の調整を伴って進角又は遅角させることで、負荷域の変更を伴わない範囲内で低下するほど、軸出力を変更可能に構成することもできる。
すなわち、図6に示すように、エンジン50は、かかる8行程サイクル運転を行う場合には、1サイクル内に上記4行程とは別に、燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程としての密閉上昇行程と密閉下降行程とを吸気行程と圧縮行程との間に2つ追加し、この8行程からなる1サイクルを繰り返して作動することもできる。
尚、ここで追加した密閉上昇行程及び密閉下降行程との一対の休止行程は、上述した6行程サイクル運転で追加した休止行程と同様の行程であるため詳細な説明は割愛する。
具体的には、制御装置30は、定常運転状態におけるエンジン50の運転状態を、4行程サイクル運転と、6行程サイクル運転と、8行程サイクル運転とを択一的に切り換える形態で、1サイクル行程数を4と6と8とで切換可能で、エンジン負荷が定格負荷域にある場合に前記4行程サイクル運転を行い、エンジン負荷が定格負荷域よりも低い中負荷域にある場合に6行程サイクル運転を行い、エンジン負荷が中負荷域よりも低い低負荷域にある場合に8行程サイクル運転を行う形態で、1サイクル行程数を前記エンジン負荷に基づいて制御することもできる。
これにより、1サイクル行程数を6に増加すれば、4行程サイクル運転時に対して理論上2/3程度に低下させた軸出力を安定して出力することができ、更に、1サイクル行程数を8に増加すれば、4行程サイクル運転時に対して理論上1/2程度に低下させた軸出力を安定して出力することができる。
また、上記一対の休止行程は、燃焼室10への混合気Iの流入や排ガスEの逆流が問題にならない場合には、吸気バルブ1及び排気バルブ2を閉とした密閉状態とするのではなく、例えばバルブ1,2のうち一方又は両方を開状態としてピストンを往復動させる行程としても構わない。
2 :排気バルブ
30:制御装置(制御手段)
40:温度検出部
41:油温センサ
50:エンジン
80:エンジン発電装置
81:発電機
82:インバータ
83:電気ヒータ
86:冷却水循環回路
90:商用電力系統
91:電力負荷
C :エンジン冷却水
Claims (5)
- 吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる4行程を含む1サイクルを繰り返して作動するエンジンであって、
前記1サイクル内に前記4行程とは別の行程を追加しないで運転する4行程サイクル運転と、前記1サイクル内に前記4行程とは別に燃焼を伴わないでピストンを往復動させる一対の休止行程を1つ以上追加して運転する増加行程サイクル運転とを択一的に切り換える形態で、前記1サイクル内に含まれる行程数である1サイクル行程数を変更可能に構成され、
エンジン始動時に前記4行程サイクル運転を行い、前記エンジンの温度が、前記エンジンの暖気運転が終了したと判断できる所定温度となった場合に前記増加行程サイクル運転に切り換え可能な形態で、前記1サイクル行程数を前記エンジンの温度に基づいて制御する制御手段を備えたエンジン。 - 前記制御手段が、前記エンジンの温度に基づいて前記1サイクル行程数を制御するに当たり、前記エンジン内の油温が所定温度となった場合に、前記エンジンの温度が前記エンジンの暖気運転が終了したと判断できる前記所定温度となったものと判別する請求項1に記載のエンジン。
- 前記制御手段が、前記エンジンの温度に基づいて前記1サイクル行程数を制御するに当たり、前記エンジンの始動開始からの経過時間が所定時間となった場合に、前記エンジンの温度が前記エンジンの暖気運転が終了したと判断できる前記所定温度となったものと判別する請求項1又は2に記載のエンジン。
- 前記一対の休止行程が、吸気バルブ及び排気バルブを閉とした密閉状態でピストンを下降させる密閉下降行程と、同密閉状態でピストンを上昇させる密閉上昇行程とからなる請求項1〜3の何れか一項に記載のエンジン。
- 請求項1〜4の何れか一項に記載のエンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の発電電力を商用電力系統に系統連系するインバータと、前記インバータを介して供給された前記発電機からの発電電力を熱に変換自在な電気ヒータとを備え、
前記制御手段が、前記エンジン始動時から前記エンジンの暖気運転が終了するまでにおいて、前記発電機から電力負荷に供給された前記発電電力の余剰電力を用いて前記電気ヒータを作動させ、冷却水循環回路を通流し前記エンジンを冷却するためのエンジン冷却水、或いはオイル循環回路を通流し前記エンジン内に供給されるエンジンオイルを加熱させるエンジン発電装置。
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