KR20150132305A - 내연기관 및 코제너레이션 장치 - Google Patents

내연기관 및 코제너레이션 장치 Download PDF

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KR20150132305A
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토루 나카조노
칸도커 아부 라이한
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얀마 가부시키가이샤
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Abstract

연중 에너지 소비효율의 향상을 도모할 수 있는 내연기관을 제공한다. 오일 쿨러(11)를 구비한 가스 엔진(1)으로서, 오일 쿨러(11)는 기관 냉각수와 윤활유 사이에서 열교환하는 경로를 갖고, 고부하의 운전시에 윤활유를 냉각하는 것이 되고 또한 중부하 저부하의 운전시에 윤활유를 가열하는 것이 되는 일정 온도로 기관 냉각수 온도를 제어하는 제어부(12)를 구비한 것이다. 제어부(12)는 고부하의 운전시에 비해서 중부하 저부하의 운전시에 기관 냉각수 온도를 높게 하도록 이루어진 것이다. 피스톤(17)의 이면에 윤활유를 분사하는 오일 제트(18a)를 구비하는 것이다.

Description

내연기관 및 코제너레이션 장치{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND COGENERATION DEVICE}
본 발명은 오일 쿨러를 갖는 내연기관에 관한 것이다.
종래부터, 내연기관에 있어서 윤활유를 냉각 또는 가열하도록 구성된 윤활유 온도 제어 장치가 알려져있다.
이 윤활유 온도 제어 장치는 윤활유의 온도를 재빠르게 적정 온도까지 냉각시킴으로써 내연기관의 냉각 효과를 얻도록 구성되어 있었다. 또한, 그뿐만 아니라, 윤활유의 온도를 재빠르게 적정 온도까지 가열함으로써 내연기관의 난기운전 시간의 단축을 도모할 수 있도록 구성되어 있었다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본 특허공개 2004-218502호 공보
그러나, 상기 종래의 내연기관의 윤활유 온도 제어 장치는 단지 난기운전 시에 윤활유를 가열하는 것이고, 연중 에너지 소비효율을 고려한 것은 아니었다.
즉, 이러한 내연기관을, 예를 들면 냉난방 장치의 구동원으로서 사용할 경우, 고속 회전 고부하로 운전하는 기간은 여름과 겨울의 극히 일부 기간만이고, 나머지 대부분의 기간은 저회전 중부하, 저회전 저부하로 운전하고 있는 경우가 많다. 따라서, 내연기관으로서는 고속 회전 고부하에서의 에너지 소비효율이 다소 저하했다고 하여도 저회전 중부하 및 저회전 저부하에서의 에너지 소비효율이 상승하면, 연중 에너지 소비효율의 향상을 도모하는 것이 고려된다. 이러한 저회전 중부하 및 저회전 저부하의 에너지 소비효율의 향상을 위해서 구성된 윤활유 온도 제어 장치라고 하는 것은 지금까지 없었다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 연중 에너지 소비효율의 향상을 도모할 수 있는 내연기관을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 내연기관은 오일 쿨러를 구비한 내연기관으로서, 오일 쿨러는 기관 냉각수와 윤활유 사이에서 열교환하는 경로를 갖고, 고부하의 운전시에 윤활유를 냉각하는 것이 되고 또한 중부하 저부하의 운전시에 윤활유를 가열하는 것이 되는, 일정 온도로 기관 냉각수 온도를 제어하는 제어부를 구비한 것이다.
상기 내연기관에 있어서, 기관 냉각수는 윤활유 사이에서 열교환하는 경로에 기관 냉각수를 냉각하는 열교환기와, 상기 열교환기에 기관 냉각수를 통과시키는 냉각수 펌프가 설치되어 순환 경로가 형성되고, 상기 순환 경로에는 열교환기 및 냉각수 펌프를 통과하지 않고 쇼트컷해서 바이패스하는 바이패스 경로가 설치되고, 제어부는 냉각수 펌프의 작동력의 조정에 의해 열교환기를 통과해서 냉각되는 기관 냉각수의 통과량과 바이패스 경로를 통과해서 냉각되지 않은 기관 냉각수의 통과량을 조정함으로써 일정 온도로 기관 냉각수 온도를 제어하는 것이어도 좋다.
상기 내연기관에 있어서, 순환 경로는 내연기관 본체 및 또는 배기 경로를 기관 냉각수가 통과하도록 이루어진 것이어도 좋다.
상기 내연기관에 있어서, 제어부는 고부하의 운전시에 비하여 중부하 저부하의 운전시에 기관 냉각수 온도를 높게 하도록 이루어진 것이어도 좋다.
상기 내연기관에 있어서, 피스톤 이면에 윤활유를 분사하는 오일 제트를 구비하는 것이어도 좋다.
상기 내연기관은 통상 운전시에 중부하 저부하의 운전을 행하고, 열 주운전시에 고부하의 운전을 행하는 코제너레이션 장치용 가스 엔진이어도 좋다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 코제너레이션 장치는 상기 내연기관을 구동원으로서 사용한 것이다.
본 발명에 의하면, 연중 에너지 소비효율의 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 내연기관의 전체 구성의 개략을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 관한 내연기관에 있어서의 기관 냉각수 온도 및 윤활유 온도와 출력 부하의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3의 (a)는 100% 출력시의 윤활유 온도와 열효율의 관계를 나타내는 그래프, (b)는 50% 출력시의 윤활유 온도와 열효율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 내연기관의 윤활유 온도와 출력 부하의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 내연기관의 피스톤 부분의 부분 분해 사시도, (b)는 동 도면에 있어서의 피스톤 및 오일 제트의 사시도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 내연기관에 있어서의 윤활유 온도와 출력 부하의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 본 발명에 관한 내연기관의 순환 경로의 다른 실시형태를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 관한 내연기관을 사용한 코제너레이션 장치를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 가스 엔진(1)의 전체 구성의 개략을 나타내고, 도 2는 동 가스 엔진(1)의 기관 냉각수 온도 및 윤활유 온도와 출력 부하의 관계를 나타내고 있다.
이 가스 엔진(1)은 오일 쿨러(11)를 구비하고, 고부하의 운전시에 냉각할 수 있고, 중부하 저부하의 운전시에 가열할 수 있는 일정 온도로 기관 냉각수의 온도를 제어하는 제어부(12)를 구비하고 있다.
우선, 가스 엔진(1)의 구성의 개략에 대해서 설명한다.
레귤레이터(21)로부터의 연료 가스는 연료 가스 공급 경로(2)를 통과해서 믹서(31)로 공급된다. 믹서(31)에서는 에어필터(32)를 통해서 공급되는 공기와 상기 연료 가스를 혼합하고, 스로틀 밸브(33)의 개방 정도에 따른 양의 혼합 기체를 흡기 경로(3)로부터 가스 엔진 본체(10)로 공급하도록 이루어져 있다.
가스 엔진 본체(10)에서는 혼합 기체에의 점화 플러그(13)에 의한 점화는 제어부(12)로부터 점화 코일(13a)을 통해서 제어된다. 이때, 점화 타이밍은 캠 센서(15a)에 의해 흡배기 밸브(14)를 작동시키는 캠(15)의 움직임을 검지함으로써 행해진다. 또한, 회전수는 크랭크 센서(16a)에 의해 피스톤(17)에 연동하는 크랭크(16)의 움직임을 검지함으로써 검출된다.
가스 엔진 본체(10)로부터의 배기는 배기 경로(4)로부터 촉매(41)를 통과해서 정화된 후, 사일런서(도시생략)를 통해서 배기된다.
가스 엔진 본체(10)에는 기관 냉각수의 순환 경로(5)가 설치되어 있다. 이 순환 경로(5)는 가스 엔진 본체(10)로부터 나온 순환 경로(5)의 하류에 서모스탯(51)이 설치되어 있다. 서모스탯(51)의 하류측은 냉각 매체에 의해 기관 냉각수를 냉각하는 열교환기(52)가 설치됨과 아울러, 그 하류측에 냉각수 펌프(53)가 설치된 순환 경로(5)와, 이들 열교환기(52) 및 냉각수 펌프(53)를 쇼트컷해서 순환 경로(5)로 합류하는 쇼트컷 경로(5a)로 분기되어 있다. 합류 후의 순환 경로(5)는 오일 쿨러(11)를 통과한 후, 재차 가스 엔진 본체(10)의 내부로 유입하도록 구성되어 있다.
기관 냉각수는 가스 엔진의 회전에 연동하는 가스 엔진 본체(10) 내의 압송 펌프(50)에 의해 순환 경로(5)를 순환하도록 구성되어 있다. 이때, 기관 냉각수는 서모스탯(51)에 의해 검출되는 온도가 낮을 경우, 쇼트컷 경로(5a)를 통과하고, 오일 쿨러(11)를 거쳐 재차 가스 엔진 본체(10)의 내부로 유입하고, 서모스탯(51)에 의해 검출되는 온도가 높을 경우, 냉각수 펌프(53)의 작동에 의해 열교환기(52)를 통과하여 냉각된 후, 오일 쿨러(11)를 거쳐 재차 가스 엔진 본체(10)의 내부로 유입한다. 이때, 기관 냉각수는 냉각수 펌프(53)의 작동력을 조정함으로써 순환 경로(5)를 통과하는 통과량과 쇼트컷 경로(5a)를 통과하는 통과량을 조정할 수 있다.
오일 쿨러(11)는 가스 엔진 본체(10) 저부의 오일팬(10a)에 축적된 윤활유와 기관 냉각수를 열교환하여 기관 냉각수에 의해 윤활유를 냉각 또는 가열할 수 있도록 구성되어 있다. 이 오일 쿨러(11)에 있어서 냉각 또는 가열된 윤활유는 가스 엔진(1)의 회전에 연동하는 오일 펌프(18)에 의해 가스 엔진 본체(10) 내를 윤활하도록 구성되어 있다.
제어부(12)는 크랭크 센서(16a)로부터 가스 엔진(1)의 회전수를 검지해서 가스 엔진(1)의 출력 상황을 검출하도록 이루어져 있다. 또한, 제어부(12)는 서모스탯(51)의 작동 온도를 제어해서 항상 소정의 온도에서 기관 냉각수가 순환하도록 이루어져 있다.
도 2에 나타나 있는 바와 같이, 이 기관 냉각수의 온도(A)는 오일 쿨러(11)를 사용하지 않았을 경우의 오일팬(10a)의 윤활유의 온도(B)와 비교하여, 가스 엔진(1)의 100% 출력시에는 오일팬(10a)의 윤활유의 온도보다 낮고, 50% 출력시는 오일팬(10a)의 윤활유의 온도보다 높은 온도가 되도록 설정되어 있다.
이것에 의해, 오일 쿨러(11)를 사용했을 경우의 오일팬(10a)에 축적된 윤활유의 온도(C)는 윤활유가 고온이 되는 100% 출력시에는 오일 쿨러(11)를 통과하는 기관 냉각수에 의해 냉각되는 것으로 되지만, 윤활유가 기관 냉각수 온도보다 저온이 되는 50% 출력시나 30% 출력시에는 오일 쿨러(11)를 통과하는 기관 냉각수에 의해 가열되는 것으로 된다. 이때, 도 3(a)에 나타나 있는 바와 같이, 100% 출력의 경우에는 오일팬(10a)에 축적된 윤활유의 온도 변화에 대하여 가스 엔진(1)의 열효율의 변화는 작지만, 도 3(b)에 나타나 있는 바와 같이, 50% 출력의 경우에는 이 윤활유의 온도 변화에 대한 가스 엔진(1)의 열효율의 변화가 커진다. 즉, 50% 출력 또는 그 이하의 출력의 경우에는 기관 냉각수에 의해 윤활유를 지나치게 냉각하면 가스 엔진(1)의 열효율이 지나치게 저하해버리기 때문에, 역으로 오일 쿨러(11)에 의해 윤활유의 온도를 높이는 편이 가스 엔진(1) 중저출력 영역의 열효율의 향상을 도모할 수 있게 된다.
따라서, 기관 냉각수의 온도를 100% 출력시의 오일팬(10a)의 윤활유의 온도보다 낮게 설정하고, 50% 출력시의 오일팬(10a)의 윤활유의 온도보다 높게 설정해서, 100% 출력시에는 윤활유를 냉각하고, 50% 이하의 출력시에는 윤활유를 가열하도록 함으로써, 고출력 영역의 열효율의 저하를 최소한으로 억제하면서, 중저출력 영역의 열효율의 향상을 도모할 수 있다.
더욱이, 이러한 가스 엔진(1)을 냉난방 장치의 구동원으로서 사용했을 경우에는 50% 출력시나 30% 출력시의 운전 기간은 100% 출력시의 운전 기간보다 압도적으로 길기 때문에, 이러한 50% 출력 또는 그 이하의 중저출력 영역의 열효율의 향상을 도모한 가스 엔진(1)의 사용은 가스 엔진(1)의 연중 에너지 소비효율의 향상을 도모하게 된다.
또한, 본 실시예에 있어서는 기관 냉각수의 온도를 일정하게 하고 있지만, 중저출력시에 기관 냉각수의 온도가 높아지도록 가열하는 구성으로 함으로써, 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 중저출력 영역에 있어서의 오일팬(10a)의 윤활유 온도(C)를 더욱 높여서 개선된 윤활유 온도(C1)로 해도 좋다. 이 경우, 30%, 50% 중저출력 영역에서는 윤활유 온도와 기관 냉각수 온도가 상승하기 때문에, 가스 엔진(1)의 연소가 안정해서 기계 손실의 저감을 도모할 수 있으므로, 가스 엔진(1)의 열효율의 한층 향상을 도모할 수 있다. 또한, 가열원으로서는 가스 엔진 본체(10)나 배기 경로(4)에서 발생하는 열을 이용할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 오일팬(10a)에 축적된 윤활유는 오일 쿨러(11)를 통과한 후, 오일 펌프(18)에 의해 가스 엔진 본체(10)의 내부를 윤활하도록 구성되어 있지만, 도 5에 나타나 있는 바와 같이 이 오일 펌프(18)의 선단에 노즐상의 오일 제트(18a)를 부착하고, 이 오일 제트(18a)에 의해 가스 엔진 본체(10) 피스톤(17)의 이면에 윤활유를 분사하도록 구성해도 좋다. 오일 제트(18a)는 피스톤(17)의 이면에 도달하도록 오일 펌프(18)로부터 연장 설치되어 있다. 피스톤(17)은 이 오일 제트(18a)와 완충하지 않도록 오일 제트(18a)의 근방 부분에 노치(17a)가 형성되어 있다.
이 오일 제트(18a)는 가스 엔진 본체(10)에 있어서 가장 고온으로 되는 피스톤(17)의 이면에 윤활유를 분사하므로, 피스톤(17)로부터 열을 제거하고, 도 6에 나타나 있는 바와 같이 오일팬(10a)의 윤활유의 온도(C)를 더욱 높여서 다른 개선된 윤활유의 온도(D)가 된다. 오일 제트(18a)에 의해 피스톤(17)의 이면을 냉각하기 때문에 윤활유 온도는 상승하고, 기계 손실은 저감되지만, 피스톤(17)의 톱링 홈저부 온도는 저감하여 톱링의 스티킹은 방지되기 때문에 윤활유 소비량의 증대는 방지된다. 그 결과, 가스 엔진(1)의 열효율의 한층 향상과 윤활유 증대 방지를 양립할 수 있게 된다.
이 도 5에 나타내는 오일 제트(18a)의 구성은 도 4에 나타내는 중저출력시에 기관 냉각수를 가열하는 구성과 조합시키는 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 도 7(a)에 나타나 있는 바와 같이, 오일 쿨러(11)에 있어서 윤활유를 냉각 또는 가열하는 기관 냉각수는 가스 엔진 본체(10)에 의해 가열되고 열교환기(52)에 의해 냉각되도록 순환 경로(5)가 구성되어 있지만, 도 7(b)에 나타나 있는 바와 같이, 가스 엔진 본체(10)와 고온의 배기가스가 통과하는 배기 경로(4)에 있어서 가열되고 열교환기(52)에 있어서 냉각되도록 순환 경로(5)가 구성된 것이어도 좋고, 도 7(c)에 나타나 있는 바와 같이, 배기 경로(4)에 있어서 가열되고 열교환기(52)에 있어서 냉각되도록 순환 경로(5)가 구성된 것이어도 좋고, 도 7(d)에 나타나 있는 바와 같이, 열교환기(52)에 있어서 냉각되도록 순환 경로(5)가 구성된 것이어도 좋다. 도 7(c) 및 도 7(d)에 나타내는 순환 경로(5)의 경우, 가스 엔진 본체(10)는 다른 냉각 매체에 의해 냉각하는 것이어도 좋다.
어느 순환 경로(5)의 구성을 취할지에 대해서는 가스 엔진(1)을 사용하는 장소나 환경에 따라서 소정의 냉각수 온도가 얻어지기 쉬운 구성의 것이 사용된다. 본 발명에 있어서, 냉각수 온도는 30%∼100%의 출력 영역에 있어서 75℃∼95℃, 보다 바람직하게는 80℃∼90℃의 범위에 들도록 제어된다. 또한, 이것에 의해 냉각 또는 가열되는 오일팬(10a)의 윤활유의 온도는 30%∼100%의 출력 영역에 있어서 73℃∼93℃, 보다 바람직하게는 80℃∼90℃의 범위에서 제어된다.
이렇게 하여 구성되는 가스 엔진(1)은 냉난방에 적용한다. 특히, 도 8에 나타나 있는 바와 같이, 코제너레이션 장치(6)의 구동원으로서도 적합하게 사용할 수 있다. 즉, 코제너레이션 장치(6)는 통상 운전시는 저출력으로 운전을 행하고, 고부하가 되는 열 주운전으로 스위칭할 때에, 고출력으로 운전을 행함으로써 에너지 절약화를 도모할 수 있다. 또한, 코제너레이션 장치(6)에 있어서 배열 회수를 행할 경우, 가스 엔진(1)은 순환 경로(5)와는 다른 경로로 배열 회수하도록 구성된 것이어도 좋고, 순환 경로(5)에 있어서의 서모스탯(51)보다 상류측에서 배열 회수하도록 구성된 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태에 있어서, 가스 엔진(1)의 구체적인 구성에 대해서는 특히 도 1에 나타내는 것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 터보차저나 인터쿨러 등이 부가된 것이어도 좋다.
또한, 본 실시형태에 있어서는, 가스 엔진(1)에 대해서 설명하고 있지만, 내연기관의 형식에 대해서는 가스 엔진(1)에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 디젤엔진, 가솔린 엔지, 기타 각종 엔진이어도 좋다.
또한, 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고 다른 여러가지의 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에, 상술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않아서 한정적으로 해석해서는 않된다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타내는 것이며, 명세서 본문에는 하등 구속되지 않는다. 또한, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
1: 가스 엔진 10: 가스 엔진 본체
11: 오일 쿨러 12: 제어부
17: 피스톤 18a: 오일 제트

Claims (10)

  1. 오일 쿨러를 구비한 내연기관으로서, 오일 쿨러는 기관 냉각수와 윤활유 사이에서 열교환하는 경로를 갖고, 고부하의 운전시에 윤활유를 냉각하는 것이 되고 또한 중부하 저부하의 운전시에 윤활유를 가열하는 것이 되는, 일정 온도로 기관 냉각수 온도를 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 내연기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    기관 냉각수가 윤활유 사이에서 열교환하는 경로에, 기관 냉각수를 냉각하는 열교환기와 상기 열교환기에 기관 냉각수를 통과시키는 냉각수 펌프가 설치되어 순환 경로가 형성되고, 상기 순환 경로에는 열교환기 및 냉각수 펌프를 통과하지 않고 쇼트컷해서 바이패스하는 바이패스 경로가 형성되고,
    제어부는 냉각수 펌프의 작동력의 조정에 의해 열교환기를 통과해서 냉각되는 기관 냉각수의 통과량과 바이패스 경로를 통과해서 냉각되지 않은 기관 냉각수의 통과량을 조정함으로써 일정 온도로 기관 냉각수 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    순환 경로는 내연기관 본체 및/또는 배기 경로를 기관 냉각수가 통과하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제어부는 고부하의 운전시에 비해서 중부하 저부하의 운전시에 기관 냉각수 온도를 높게 하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관.
  5. 제 2 항에 있어서,
    제어부는 고부하의 운전시에 비해서 중부하 저부하의 운전시에 기관 냉각수 온도를 높게 하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관.
  6. 제 3 항에 있어서,
    제어부는 고부하의 운전시에 비해서 중부하 저부하의 운전시에 기관 냉각수 온도를 높게 하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤 이면에 윤활유를 분사하는 오일 제트를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연기관.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    통상 운전시에 중부하 저부하의 운전을 행하고, 열 주운전시에 고부하의 운전을 행하는 코제너레이션 장치용의 가스 엔진인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  9. 제 7 항에 있어서,
    통상 운전시에 중부하 저부하의 운전을 행하고, 열 주운전시에 고부하의 운전을 행하는 코제너레이션 장치용의 가스 엔진인 것을 특징으로 하는 내연기관.
  10. 제 7 항에 기재된 내연기관을 구동원으로서 사용한 것을 특징으로 하는 코제너레이션 장치.
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