JP2004239149A - エンジンシステム及び熱源システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンを熱媒液に浸漬させた状態でエンジンの熱を効率的に利用し得るエンジンシステムを合理的に構成する。
【解決手段】エンジンＥと、エンジンＥに燃焼用空気を送る吸気管１５と、エンジンＥからの燃焼排ガスを送り出す排気管１６とをケース１の内部に収納し、このケース内部に満たした熱媒液２にエンジンＥ、吸気管１５、排気管１６を浸漬させ、エンジンＥのクランク室Ｅａの空気圧を高めるようコンプレッサ３０、バッファタンク３１、調圧弁３２、管路３４を介してクランク室Ｅａに加圧空気を供給する加圧手段Ｄを備えた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンシステム及び熱源システムに関し、詳しくは、エンジンの熱を有効利用する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジンの熱を有効利用する技術としてコージェネレーションシステムを例に挙げると、ガスエンジンで駆動される発電機を備え、このガスエンジンの排ガスを排ガス熱交換器に送って低圧水蒸気を生成し、又、ガスエンジンのエンジンジャケット内の水を加熱することで高圧水蒸気を生成させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
同様にコージェネレーションシステムを例に挙げると、都市ガスやプロパンガスを燃料とするエンジンで駆動される発電機を備え、このエンジンの排気パイプを貯湯槽に挿通することで、排ガスの熱で貯湯槽の水を加熱し、又、エンジンのウオータジャケットで加熱された水を貯湯槽に供給するよう構成したものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１‐２１０５５３号公報 （段落番号〔０００８〕〜〔００１０〕、図１）
【特許文献２】
特開平７‐２３８８６６号公報 （段落番号〔００１２〕〜〔００２０〕、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンを用いた従来からのコージェネレーションシステムを考えるに、特許文献２に記載されるように、エンジンの稼働時にエンジンの熱で加熱されるウオータジェケット内の水の熱を利用し、又、排ガスの熱を利用するものであってもエンジンで発生する熱を充分に回収していないものであった。具体的には、エンジンの稼働時には高温の排ガスを送るエグゾーストマニホールドの表面や、マフラーの表面、あるいは、エンジン内部の熱が伝わるシリンダブロック等のエンジン表面のように、比較的高温となる部位の表面は、直接的な輻射や、空気の介在させた対流により放熱が行われ、エンジンの熱が効率的に利用されていなかったのである。
【０００５】
そこで、排気ガスを送る系からの熱を回収する熱交換器や、エンジン表面に接触して熱を回収する熱交換器を備えることも考えられるが、構造が複雑化し過ぎ現実的ではない。特に、家庭用のコージェネレーションシステムを考えた場合、小型のエンジンを用いることになるため、小型化が可能でエンジンで発生する熱を効率的に回収し得るシステムが望まれるのである。
【０００６】
エンジンで発生する熱を効率的に回収する一つの手段として、エンジンを水等の熱媒液に浸漬させ、この熱媒液を介して熱を取り出すことが考えられる。しかしながら、エンジンを熱媒液に浸漬させた場合には、エンジンの出力軸とエンジン本体との間隙部位にシールを備えたものでも、この部位からエンジン内部への熱媒液が浸入することや、エンジン構成物の連結面からエンジン内部への熱媒液の浸入することも想定され、改善の余地がある。尚、エンジンのクランク室内に熱媒液が浸入した場合には、オイルの潤滑性を損ないエンジンが稼動不能に陥ることも考えられる。特に、４サイクルエンジンでは稼動時において、エンジン内部にオイルが循環するものであるため、エンジン内面のシール性が高まる反面、エンジンが停止した場合には、オイルが循環しないためシール性が低下してエンジン内部への熱媒液の浸入も想定され、このようにエンジンが停止した状態においてもエンジン内部への熱媒液の浸入を阻止する技術が求められる。
【０００７】
本発明の目的は、エンジンを熱媒液に浸漬させた状態でエンジンの熱を効率的に利用し得るエンジンシステム及び熱源システムを合理的に構成する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るエンジンシステムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
エンジンと、このエンジンに燃焼用空気を送る吸気管と、エンジンからの燃焼排ガスを送り出す排気管とをケースの内部に収納し、このケース内部に満たした前記熱媒液に前記エンジン、吸気管、排気管を浸漬させると共に、前記エンジンのクランク室の空気圧を高める加圧手段を備えている点にある。
【０００９】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、ケース内部に対して吸気管、排気管を含めてエンジンを熱媒液に浸漬させ、エンジンのクランク室の空気圧を加圧手段で高めることにより、エンジンで発生する熱をエンジンの表面と排気管とから熱媒液に回収でき、しかも、加圧空気によりエンジンの出力軸の軸受部や、エンジンを構成する部材の連結面からエンジン内部に浸入しようとする熱媒液を外部に向けて押し戻すものとなる。その結果、熱媒液を介してエンジンからの熱を効率的に利用し得ると共に、エンジン内への熱媒液の浸入を阻止するエンジンシステムが構成された。特に、本発明では加圧空気をクランク室に供給した状態で加圧空気の供給系のバルブを封止する等の操作を行うことにより、エンジンが停止している場合でもクランク室の空気圧を高めた状態を維持することも可能となり、このエンジンの停止状態においても熱媒液がクランク室内に浸入する不都合を阻止できると云う効果も奏する。
【００１０】
本発明の請求項２に係るエンジンシステムの特徴、作用・効果は次の通りである。
請求項１記載のエンジンシステムにおいて、電動型のコンプレッサと、このコンプレッサからの加圧空気を貯留するバッファタンクと、このバッファタンクからの加圧空気の圧力を調節して前記クランク室に供給する調圧機構とを備えて前記加圧手段を構成してある点にある。
【００１１】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、電動型のコンプレッサからの加圧空気をバッファタンクから調圧機構を介してクランク室に供給できるので、必要な時間だけコンプレッサを作動させることが可能となり、適切な圧力の加圧空気をクランク室に対して任意のタイミングで供給できるものとなる。その結果、エンジン内への熱媒液の浸入を継続的に阻止しながら熱交換を実現するものとなった。
【００１２】
本発明の請求項３に係るエンジンシステムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載のエンジンシステムにおいて、前記エンジンの出力軸を前記ケース外に突出させ、この出力軸からの駆動力で駆動されるコンプレッサと、このコンプレッサからの加圧空気を貯留するバッファタンクと、このバッファタンクからの加圧空気の圧力を調節して前記クランク室に供給する調圧機構とを備えて前記加圧手段を構成してある点にある。
【００１３】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、エンジンで駆動されるコンプレッサからの加圧空気をバッファタンクから調圧機構を介してクランク室に供給できるので、特別の駆動源を備えずとも、適切な圧力の加圧空気をクランク室に対して継続的に供給できるものとなる。その結果、比較的な簡単な構造でありながらエンジン内への熱媒液の浸入を継続的に阻止しながら熱交換を実現するものとなった。
【００１４】
本発明の請求項４に係るエンジンシステムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項２又は３記載のエンジンシステムにおいて、前記加圧手段からの空気をクランク室に導く状態と、クランク室を大気に開放する状態とに切り換え自在な弁機構を備えている点にある。
【００１５】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、弁機構の操作によってクランク室に対する加圧空気の供給と、クランク室に供給した加圧空気の排出が実現する。その結果、メンテナンス時のようにクランク室の圧力を低下させる必要がある場合でも簡単な操作で対応が可能となった。
【００１６】
本発明の請求項５に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンシステムを用いた熱源システムにおいて、前記エンジンと、このエンジンに燃焼用空気を送る吸気管と、エンジンからの燃焼排ガスを送り出す排気管とをケースの内部に収納し、このケース内部に満たした前記熱媒液に前記エンジン、吸気管、排気管を浸漬させ、このケースからの熱媒液を前記熱交換器に供給した後にケースに戻す熱媒液循環系を備えている点にある。
【００１７】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、請求項１〜４の作用・効果に加えて、ケースの内部において熱媒液にエンジン、吸気管、排気管夫々を浸漬させ、熱媒液を熱交換器に供給した後にケースに戻す熱媒液の循環手段を備えたので、熱交換器を介してエンジンの熱を回収して水を加熱できる。その結果、熱媒液を強制的に循環させてエンジンの熱を効率的に利用できる熱源システムが構成された。
【００１８】
本発明の請求項６に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項５記載の熱源システムにおいて、前記ケースが、断熱材で成る壁体を備えて構成されている点にある。
【００１９】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、熱媒液の温度が上昇した場合にも断熱材が放熱を抑制する。その結果、エンジンの熱で加熱された熱媒液が無駄に放熱する不都合を回避して、熱媒液の熱を効率良くに利用できるものとなった。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、密封型のケース１の内部に熱媒液２に浸漬させる状態でエンジンＥを収納すると共に、エンジンＥで駆動される発電機３をケース１外部に備えている。又、ケース１外に配置した熱交換器４に対してケース１内の熱媒液２を供給した後にケース１内に戻す第１管路Ｌ１と第１循環ポンプＰ１とを備えた熱媒液循環系を形成し、ケース１外に配置した貯湯槽５に貯留した水６を前記熱交換器４に供給した後に貯湯槽５に戻す第２管路Ｌ２と第２循環ポンプＰ２とを備えた水循環系を形成し、これらによりエンジンシステムと熱源システムと含むコージェネレーションシステムが構成されている。
【００２１】
このコージェネレーションシステムは家庭で利用できるよう小型化を実現したものであり、図面には示さないがエンジンＥに対しては都市ガスやプロパンガスを燃料として供給する供給系を備え、又、貯湯槽５には内部に貯留した温水を取り出す給水系と、水を補給する補給系とを備えている。
【００２２】
前記ケース１は、断熱材製の下部ケース１Ａと断熱材製の上部ケース１Ｂとのフランジ部を重ね合わせてボルト連結することにより内部に密封された空間を形成したものであり、下部ケース１Ｂを基礎体７に対して防振ゴム８を介して支持している。又、前記下部ケース１Ａ、及び、上部ケース１Ｂは金属製の壁体の内部に断熱材としてグラスウールや発泡樹脂を挟み込んだ構造のものを使用することにより熱媒液２の放熱を抑制して高い保温性を得ている。
【００２３】
前記ケース１内部に貯留される熱媒液２は、ガソリンエンジンの不凍液と同様に、水にエチレングリコール等を溶解して凍結温度を低下させると同時に沸点を高めたものを使用している。
【００２４】
前記エンジンＥは、シリンダ部を上部に位置させ、オイルパンを下部に位置させることで出力軸１２（クランク軸）を水平姿勢に設定し、このエンジンＥのシリンダ部の上端に備えた点火プラグ１３のターミナルをケース１の外部に露出させている。又、このエンジンＥに燃焼用空気を送る吸気管１５と、エンジンＥからの燃焼排ガスを送り出す排気管１６とをケース１に収納し、これらエンジンＥと吸気管１５と排気管１６とを熱媒液２に浸漬させるよう構成されている。尚、排気管１６には、エンジンＥに連結する連結部１６Ａ（複数気筒の場合にはエグゾーストマニホールド）と、マフラー１６Ｂと、これらを結ぶパイプ１６Ｃとを含んでいる。
【００２５】
ケース１外に突出させたエンジンＥの出力軸１２にフライホイール１７と前記発電機３とを連結し、このフライホイール１７の外周に形成したギヤ部１７Ａに回転力を伝えるセルモータ１８をケース１外に備え、これらを収納する防塵ケース１９を備えている。前記吸気管１５のケース１外の部位にはエアークリーナ２１と、都市ガスやプロパンガス等の燃料ガスと空気とを混合する電気制御型のミキサー２２とを備えている。更に、ケース１の外部にオイルクリーナ２３を備え、このオイルクリーナ２３に対してエンジンＥのオイルパン部からのオイルを循環させるオイル管路を形成している。
【００２６】
前記下部ケース１Ａのうち、エンジンＥの出力軸１２が配置された側壁に開口Ｗを形成し、この開口Ｗの外周部位に対してエンジンＥの外面を密接させることで熱媒液２がケース１外に漏出しないようにエンジンＥを配置している。又、この突出側と反対側には軸カバー２５を備えることで軸端部から熱媒液２のエンジン内への浸入を阻止している。
【００２７】
このコージェネレーションシステムでは、エンジンＥのクランク室Ｅａの空気圧を高める加圧手段Ｄとして電動モータＭで駆動されるコンプレッサ３０を備えると共に、このコンプレッサ３０からの加圧空気をバッファタンク３１に貯留し、このバッファタンク３１からの加圧空気を調圧弁３２（調圧機構の一例）と、３方弁３３（弁機構の一例）とを介してエンジンＥ下部のクランク室Ｅａに供給する管路３４を形成している。
【００２８】
同図に示すように、前記エンジンＥは空冷型の単気筒エンジンと同様の構造のものを使用しているが、既存のガソリンエンジンを改良して使用することも可能であり、そのエンジンＥが水冷式の場合には、ウオータジャケットに対して熱媒液を強制的に循環させるポンプを備えることや、熱媒液２を対流によって循環させるよう熱媒液２の循環系を構成する必要がある。
【００２９】
又、このコージェネレーションシステムでは、エンジンＥを稼動させることでケース１内に貯留した熱媒液２を加熱し、その熱媒液２を第１循環ポンプＰ１で熱交換器４に送った後にケース１に戻す制御と、この熱交換器４に貯湯槽５の水６を送った後に貯湯槽５に戻す制御とを実現するコントロールユニットＣを備えている。
【００３０】
前記コントロールユニットＣでは、前記点火プラグ１３と、ミキサー２２とを制御してエンジンＥの始動と停止とを実現すると共に、ケース１内部の熱媒液２からの温度情報と貯湯槽５内部の水６の温度情報とに基づいて第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２の駆動と停止の制御を行うものである。
【００３１】
具体的な制御の一例を挙げると、コージェネレーションシステムから電力を供給し、エンジンＥの熱で貯湯槽５の水６を加熱する際には、外部からシステムを稼動させる操作を行うことにより、コントロールユニットＣがエンジンＥを始動させ、この始動直後に熱媒液２の温度が低い場合には熱媒液２、水６の循環は行わず、熱媒液２の温度が設定温度を超えた後に、熱媒液２と水６の循環を行うよう第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２が制御される。この後に、貯湯槽５から水６（熱湯）が取り出されることによって、貯湯槽５に対して水６が補給される状態が継続する場合には、エンジンＥを略決まった回転速度で駆動させる制御が実行される。又、貯湯槽５の水６の温度が上昇し過ぎた場合において、外部に電力を供給する必要がない場合にはエンジンＥを一時的に停止する制御も行われる。
【００３２】
本発明のコージェネレーションシステムでは、エンジンＥのクランク室に加圧空気を供給することで、エンジン内への熱媒液２の浸入を阻止する点に特徴を有するものであり、この特徴による機能を以下に説明する。
【００３３】
つまり、エンジンＥの内部に対して熱媒液２の浸入を阻止する場合において、加圧空気をクランク室Ｅａに供給するタイミングは特に設定する必要がないが、ケース１に対して熱媒液２の給排が定期的に行われるものでは、ケース１に対して熱媒液２を供給する操作の以前にタイミングを設定することが特に有効である。又、エンジンＥが停止している状態と稼動している状態とを比較した場合には、エンジンＥが停止状態ではエンジン内部でオイルが循環せず、シール性が低下している状態において熱媒液２がエンジンＥの内部に浸入する可能性が高いので、このようにエンジンＥが停止しているタイミングで加圧空気を供給することが有効となる。
【００３４】
そして、クランク室Ｅａに対して加圧空気を供給する場合には、コントロールユニットＣが前記発電機３から供給される電力、あるいは、外部からの電力をコンプレッサ３０に供給して、このコンプレッサ３０からの加圧空気をバッファタンク３１に貯留すると共に、このバッファタンク３１の加圧空気を調圧弁３２で設定された圧力でエンジンＥのクランク室Ｅａに供給することで、クランク室Ｅａの圧力を熱媒液２の圧力より高く設定して熱媒液２のエンジン内への浸入を阻止するのである。
【００３５】
このように加圧空気を供給する際には、前記３方弁３３を、バッファタンク３２側からの加圧空気をクランク室Ｅａに導くよう該３方弁３３の流路を設定することになり、この後、例えば、ケース１から熱媒液２を排出した場合や、メンテナンスを行う場合のようにクランク室Ｅａから空気を抜き出す必要がある場合には、クランク室Ｅａと外部とを連通させるよう３方弁３３の流路を切り換えることによりクランク室Ｅａが大気に開放して圧力を開放できるのである。尚、コンプレッサ３０の駆動や停止、あるいは、３方弁３３の操作は人為的に行うものであっても、コントロールユニットＣからの制御信号により、予め設定されたルールに従って自動的に行うものであっても良い。
【００３６】
〔別実施の形態〕
本発明は上記実施の形態以外に、例えば、以下のように構成して実施することも可能である（この別実施の形態では前記実施の形態と同じ機能を有するものには、実施の形態と共通の番号、符号を付している）。
【００３７】
（イ）図２に示すように、前記フライホール１７の外周に形成したギヤ部１７Ａと咬み合う入力ギヤ４０から電磁クラッチ４１を介してコンプレッサ３０に動力を伝える駆動系を形成し、コンプレッサ３０からクランク室Ｅａに加圧空気を供給する場合には、電磁クラッチ４１を入り操作し、加圧空気の供給を行わない場合には、電磁クラッチ４１を切り操作するよう構成することも可能である。このように構成した場合には、エンジンＥの駆動力でコンプレッサ３０の駆動が可能となるので、コンプレッサ３０を駆動するために専用の電動モータを備えずに済むのでコストを低減するばかりか、エンジンＥからの強力な力でコンプレッサ３０を駆動できるものとなる。又、コンプレッサ３０を駆動する駆動系は図２に示す構造に限るものでは無く、エンジンＥの出力軸１２とコンプレッサ３０の入力系との間に無端ベルトや無端チェーン等を備えて構成することも可能である。
【００３８】
（ロ）エンジンＥの出力軸１２が熱媒液２に浸漬する状態で該エンジンＥをケース１内に配置する。この場合、出力軸１２とエンジン外壁との間にはメカニカルシール等の軸封機構が配置されることになるが、クランク室の空気圧を高めることによりクランク室内への熱媒液の浸入を良好に阻止するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コージェネレーションシステムの構成を示す模式図
【図２】別実施の形態のコージェネレーションシステムの構成を示す模式図
【符号の説明】
１ ケース
２ 熱媒液
４ 熱交換器
１２ 出力軸
１５ 吸気管
１６ 排気管
３０ コンプレッサ
３１ バッファタンク
３２ 調圧機構
３３ 弁機構
Ｅ エンジン
Ｅａ クランク室
Ｄ 加圧手段

Claims (6)

1. エンジンと、このエンジンに燃焼用空気を送る吸気管と、エンジンからの燃焼排ガスを送り出す排気管とをケースの内部に収納し、このケース内部に満たした前記熱媒液に前記エンジン、吸気管、排気管を浸漬させると共に、前記エンジンのクランク室の空気圧を高める加圧手段を備えているエンジンシステム。
2. 電動型のコンプレッサと、このコンプレッサからの加圧空気を貯留するバッファタンクと、このバッファタンクからの加圧空気の圧力を調節して前記クランク室に供給する調圧機構とを備えて前記加圧手段を構成してある請求項１記載のエンジンシステム。
3. 前記エンジンの出力軸を前記ケース外に突出させ、この出力軸からの駆動力で駆動されるコンプレッサと、このコンプレッサからの加圧空気を貯留するバッファタンクと、このバッファタンクからの加圧空気の圧力を調節して前記クランク室に供給する調圧機構とを備えて前記加圧手段を構成してある請求項１記載のエンジンシステム。
4. 前記加圧手段からの空気をクランク室に導く状態と、クランク室を大気に開放する状態とに切り換え自在な弁機構を備えている請求項２又は３記載のエンジンシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンシステムを用いた熱源システムにおいて、
   前記エンジンと、このエンジンに燃焼用空気を送る吸気管と、エンジンからの燃焼排ガスを送り出す排気管とをケースの内部に収納し、このケース内部に満たした前記熱媒液に前記エンジン、吸気管、排気管を浸漬させ、このケースからの熱媒液を前記熱交換器に供給した後にケースに戻す熱媒液循環系を備えている熱源システム。
6. 前記ケースが、断熱材で成る壁体を備えて構成されている請求項５記載の熱源システム。

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