JP2014181626A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】通年エネルギー消費効率の向上を図ることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】 オイルクーラ１１を備えたガスエンジン１であって、オイルクーラ１１は、機関冷却水と潤滑油との間で熱交換する経路を有し、高負荷の運転時に、潤滑油を冷却することとなり、かつ、中負荷低負荷の運転時に、潤滑油を加熱することとなる、一定温度に、機関冷却水温度を制御する制御部１２を備えたものである。制御部１２は、高負荷の運転時に比べて、中負荷低負荷の運転時に機関冷却水温度を高くするようになされたものである。ピストン１７の裏面に潤滑油を噴射するオイルジェット１８ａを具備するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、オイルクーラを有する内燃機関に関するものである。

従来より、内燃機関において、潤滑油を冷却または加熱するように構成された潤滑油温度制御装置が知られている。

この潤滑油温度制御装置は、潤滑油の温度を素早く適正温度まで冷却させることで、内燃機関の冷却効果を得るように構成されていた。また、それだけでなく、潤滑油の温度を素早く適正温度まで加熱することで、内燃機関の暖機運転の時間の短縮を図ることができるように構成されていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２１８５０２号公報

しかし、上記従来の内燃機関の潤滑油温度制御装置は、単に暖機運転時に潤滑油を加熱するものであり、通年エネルギー消費効率を考慮したものではなかった。

すなわち、このような内燃機関を、例えば、冷暖房装置の駆動源として用いる場合、高回転高負荷で運転する期間は、夏と冬のごく一部の期間だけで、残りの大半の期間は、低回転中負荷、低回転低負荷で運転していることが多い。したがって、内燃機関としては、高回転高負荷でのエネルギー消費効率が多少低下したとしても、低回転中負荷および低回転低負荷でのエネルギー消費効率が上昇すれば、通年エネルギー消費効率の向上を図ることが考えられる。このような低回転中負荷および低回転低負荷のエネルギー消費効率の向上のために構成された、潤滑油温度制御装置というものは今までに無かった。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、通年エネルギー消費効率の向上を図ることができる内燃機関を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関は、オイルクーラを備えた内燃機関であって、オイルクーラは、機関冷却水と潤滑油との間で熱交換する経路を有し、高負荷の運転時に、潤滑油を冷却することとなり、かつ、中負荷低負荷の運転時に、潤滑油を加熱することとなる、一定温度に、機関冷却水温度を制御する制御部を備えたものである。

上記内燃機関において、制御部は、高負荷の運転時に比べて、中負荷低負荷の運転時に機関冷却水温度を高くするようになされたものであってもよい。

上記内燃機関において、ピストン裏面に潤滑油を噴射するオイルジェットを具備するものであってもよい。

本発明によると、通年エネルギー消費効率の向上を図ることができる。

本発明に係る内燃機関の全体の構成の概略を示す概略図である。 本発明に係る内燃機関における機関冷却水温度および潤滑油温度と出力負荷との関係を示すグラフである。 （ａ）は１００％出力時の潤滑油温度と熱効率との関係を示すグラフ、（ｂ）は５０％出力時の潤滑油温度と熱効率との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係る内燃機関の潤滑油温度と出力負荷との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明のさらに他の実施の形態に係る内燃機関のピストン部分の部分分解斜視図、（ｂ）は同図におけるピストンおよびオイルジェットの斜視図である。 図５に示す内燃機関における潤滑油温度と出力負荷との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係るガスエンジン１の全体構成の概略を示し、図２は同ガスエンジン１の機関冷却水温度および潤滑油温度と、出力負荷との関係を示している。

このガスエンジン１は、オイルクーラ１１を備え、高負荷の運転時に冷却することができ、中負荷低負荷の運転時に加熱することができる一定温度に、機関冷却水の温度を制御する制御部１２を備えている。

まず、ガスエンジン１の構成の概略について説明する。

レギュレター２１からの燃料ガスは、燃料ガス供給経路２を通過してミキサー３１に供給される。ミキサー３１では、エアフィルタ３２を介して供給される空気と前記燃料ガスとを混合し、スロットル弁３３の開度に応じた量の混合気を、吸気経路３からガスエンジン本体１０へと供給するようになされている。

ガスエンジン本体１０では、混合気への点火プラグ１３による点火は、制御部１２から点火コイル１３ａを介して制御される。この際、点火タイミングは、カムセンサ１５ａによって吸排気バルブ１４を作動させるカム１５の動きを検知することによって行われる。また、回転数は、クランクセンサ１６ａによってピストン１７に連動するクランク１６の動きを検知することによって検出される。

ガスエンジン本体１０からの排気は、排気経路４から触媒４１を通過して浄化された後、サイレンサー（図示省略）を介して排気される。

ガスエンジン本体１０には、機関冷却水の循環経路５が設けられている。この循環経路５は、ガスエンジン本体１０から出てきた循環経路５の下流に、サーモスタット５１が設けられている。サーモスタット５１の下流側は、熱交換器５２が設けられるとともに、その下流側に冷却水ポンプ５３が設けられた循環経路５と、これら熱交換器５２および冷却水ポンプ５３をショートカットして循環経路５に合流するショートカット経路５ａとに分岐されている。合流後の循環経路５は、オイルクーラ１１を通過した後、再度ガスエンジン本体１０の内部に流入するように構成されている。

機関冷却水は、ガスエンジンの回転に連動するガスエンジン本体１０内の圧送ポンプ５０によって循環経路５を循環するように構成されている。この際、機関冷却水は、サーモスタット５１によって検出される温度が低い場合、ショートカット経路５ａを通過し、オイルクーラ１１を経て再度ガスエンジン本体１０の内部へと流入し、サーモスタット５１によって検出される温度が高い場合、冷却水ポンプ５３の作動により熱交換器５２を通過し、冷却された後、オイルクーラ１１を経て再度ガスエンジン本体１０の内部へと流入する。この際、機関冷却水は、冷却水ポンプ５３の作動力を調整することで、循環経路５を通過する通過量と、ショートカット経路５ａを通過する通過量とを調整することができる。

オイルクーラ１１は、ガスエンジン本体１０の底部のオイルパン１０ａに溜まった潤滑油と、機関冷却水とを熱交換し、機関冷却水によって潤滑油を冷却または加熱できるように構成されている。このオイルクーラ１１において冷却または加熱された潤滑油は、ガスエンジン１の回転に連動するオイルポンプ１８によって、ガスエンジン本体１０内を潤滑するように構成されている。

制御部１２は、クランクセンサ１６ａからガスエンジン１の回転数を検知してガスエンジン１の出力状況を検出するようになされている。また、制御部１２は、サーモスタット５１の作動温度を制御して常に所定の温度で機関冷却水が循環するようになされている。

図２に示すように、この機関冷却水の温度Ａは、オイルクーラ１１を使用しなかった場合のオイルパン１０ａの潤滑油の温度Ｂと比較して、ガスエンジン１の１００％出力時は、オイルパン１０ａの潤滑油の温度よりも低く、５０％出力時は、オイルパン１０ａの潤滑油の温度よりも高い温度となるように設定されている。

これにより、オイルクーラ１１を使用した場合のオイルパン１０ａに溜まる潤滑油の温度Ｃは、潤滑油が高温となる１００％出力時は、オイルクーラ１１を通過する機関冷却水によって冷却されることとなるが、潤滑油が機関冷却水温度よりも低温となる５０％出力時や、３０％出力時には、オイルクーラ１１を通過する機関冷却水によって加熱されることとなる。この際、図３（ａ）に示すように、１００％出力の場合は、オイルパン１０ａに溜まった潤滑油の温度変化に対してガスエンジン１の熱効率の変化は小さいが、図３（ｂ）に示すように、５０％出力の場合は、この潤滑油の温度変化に対するガスエンジン１の熱効率の変化が大きくなる。つまり、５０％出力、またはそれ以下の出力の場合は、機関冷却水によって潤滑油を冷却しすぎると、ガスエンジン１の熱効率が低下し過ぎてしまうため、逆にオイルクーラ１１によって潤滑油の温度を高めた方が、ガスエンジン１の中低出力域の熱効率の向上を図ることができることとなる。

したがって、機関冷却水の温度を１００％出力時のオイルパン１０ａの潤滑油の温度よりも低く、５０％出力時のオイルパン１０ａの潤滑油の温度よりも高く設定して１００％出力時には潤滑油を冷却し、５０％以下の出力時には潤滑油を加熱するようにすることで、高出力域の熱効率の低下を最小限に抑えつつ、中低出力域の熱効率の向上を図ることができる。

しかも、このようなガスエンジン１を、冷暖房装置の駆動源として使用した場合には、５０％出力時や３０％出力時の運転期間は、１００％出力時の運転期間よりも圧倒的に長いため、このような５０％出力、またはそれ以下の中低出力域の熱効率の向上を図ったガスエンジン１の使用は、ガスエンジン１の通年エネルギー消費効率の向上を図ることになる。

なお、本実施の形態においては、機関冷却水の温度を一定にしているが、中低出力時に機関冷却水の温度が高くなるように加熱する構成とすることで、図４に示すように、中低出力域におけるオイルパン１０ａの潤滑油の温度Ｃをさらに高め、改善した潤滑油の温度Ｃ１としてもよい。この場合、３０％、５０％の中低出力域では、潤滑油温度と機関冷却水温度とが上昇するため、ガスエンジン１の燃焼が安定して機械損失の低減を図ることができるので、ガスエンジン１の熱効率の一層の向上を図ることができる。なお、加熱源としては、ガスエンジン本体１０や排気経路４で発生する熱を利用することができる。

また、本実施の形態では、オイルパン１０ａに溜まった潤滑油は、オイルクーラ１１を通過した後、オイルポンプ１８によってガスエンジン本体１０の内部を潤滑するように構成されているが、図５に示すように、このオイルポンプ１８の先端に、ノズル状のオイルジェット１８ａを取り付け、このオイルジェット１８ａによって、ガスエンジン本体１０ピストン１７の裏面に潤滑油を噴射するように構成してもよい。オイルジェット１８ａは、ピストン１７の裏面に届くようにオイルポンプ１８から延設されている。ピストン１７は、このオイルジェット１８ａと緩衝しないように、オイルジェット１８ａの近傍の部分に切欠１７ａが設けられている。

このオイルジェット１８ａは、ガスエンジン本体１０において最も高温となるピストン１７の裏面に潤滑油を噴射するので、ピストン１７から熱を奪って、図６に示すように、オイルパン１０ａの潤滑油の温度Ｃをさらに高め、他の改善した潤滑油の温度Ｄとなる。オイルジェット１８ａでピストン１７の裏面を冷却するため、潤滑油温度は上昇し、機械損失は低減するが、ピストン１７のトップリング溝底温度は低減し、トップリングのステックは防止されるため、潤滑油消費量の増大は防止される。その結果、ガスエンジン１の熱効率の一層の向上と、潤滑油増大防止とが両立できることとなる。

この図５に示すオイルジェット１８ａの構成は、図４に示す中低出力時に機関冷却水を加熱する構成と組み合わせるものであってもよい。

なお、本発明において、冷却水温度は、３０％〜１００％の出力域において、７５℃〜９５℃、より好ましくは８０℃〜９０℃の範囲で収まるように制御される。また、これによって冷却たまは加熱されるオイルパン１０ａの潤滑油の温度は、３０％〜１００％の出力域において７３℃〜９３℃、より好ましくは８０℃〜９０℃の範囲で制御される。

このようにして構成されるガスエンジン１は冷暖房に適用する。特に、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、コージェネレーション装置は、通常運転時は低出力で運転を行い、高負荷となる熱主運転に切り替える際に、高出力で運転を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。

なお、本実施の形態において、ガスエンジン１の具体的な構成については、特に図１に示すものに限定されるものではなく、例えば、ターボチャージャやインタークーラなどが付加されたものであってもよい。

また、本実施の形態においては、ガスエンジン１について述べているが、内燃機関の形式については、ガスエンジン１に限定されるものではなく、例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、その他、各種のエンジンであってもよい。

１ ガスエンジン
１０ ガスエンジン本体
１１ オイルクーラ
１２ 制御部
１７ ピストン
１８ａ オイルジェット

Claims (3)

1. オイルクーラを備えた内燃機関であって、
   オイルクーラは、機関冷却水と潤滑油との間で熱交換する経路を有し、高負荷の運転時に、潤滑油を冷却することとなり、かつ、中負荷低負荷の運転時に、潤滑油を加熱することとなる、一定温度に、機関冷却水温度を制御する制御部を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 制御部は、高負荷の運転時に比べて、中負荷低負荷の運転時に機関冷却水温度を高くするようになされた請求項１記載の内燃機関。
3. ピストン裏面に潤滑油を噴射するオイルジェットを具備することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関。

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