JP2007270781A - Engine and heat pump system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる4行程を含む1サイクルを繰り返して作動するエンジン、及び、そのエンジンと、前記エンジンの軸出力を駆動源とする圧縮機を有する圧縮式ヒートポンプ回路とを備えたヒートポンプシステムに関する。 The present invention relates to an engine that operates by repeating one cycle including four strokes including an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke, and a compressor that uses the shaft output of the engine as a drive source. The present invention relates to a heat pump system including a compression heat pump circuit.
従来のエンジンとして、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点に対して進角又は遅角させる形態で、前記吸気バルブの閉タイミングを前記エンジン負荷に基づいて制御する所謂吸気バルブの早閉じ又は遅閉じ制御を行うものが知られている(例えば、特許文献1及び2を参照。) As a conventional engine, the closing timing of the intake valve in the intake stroke is advanced or retarded with respect to the bottom dead center, and the closing timing of the intake valve is controlled based on the engine load so-called early closing of the intake valve. Or what performs late closing control is known (for example, refer to patent documents 1 and 2).
かかる吸気バルブの早閉じ又は遅閉じ制御を行うエンジンは、エンジン負荷が高負荷域よりも低い部分負荷域にある場合に、燃焼室への吸気量を減少させるために、スロットルバルブの開度を絞る必要がないので、ポンピングロスの増加を抑制して高効率で運転することができるというものである。 An engine that performs such early closing or late closing control of the intake valve, when the engine load is in a partial load region lower than the high load region, reduces the throttle valve opening in order to reduce the intake amount to the combustion chamber. Since it is not necessary to squeeze, it is possible to operate with high efficiency while suppressing an increase in pumping loss.
また、エンジンと、その軸出力を圧縮機の駆動源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路とを備えたヒートポンプシステムでは、上記のようにエンジン負荷が部分負荷域にある場合でも、エンジンを高効率で運転し、COP(成績係数:エンジンでの運転エネルギに対するヒートポンプ回路での発生熱エネルギの割合)を向上することが望まれている。 In addition, in a heat pump system equipped with an engine and a compression heat pump circuit that uses its shaft output as a drive source for the compressor, the engine can be operated with high efficiency even when the engine load is in the partial load region as described above. However, it is desired to improve COP (coefficient of performance: ratio of heat energy generated in the heat pump circuit to operating energy in the engine).
しかしながら、エンジンにおいて、エンジン負荷が定格負荷域よりも大幅に低い部分負荷域にある場合に、吸気量を大幅に減少させる必要があるが、上記のような吸気バルブの早閉じ又は遅閉じ制御だけでは、高回転域での吸気充填効率の向上や吸気バルブの閉タイミング制御の制約等の理由で、そのエンジン負荷の大幅な低下に合わせて吸気量を大幅に減少させることができない場合があった。
よって、エンジン負荷の大幅な低下に対応して広範囲で軸出力を変更可能とするためには、やはり上記吸気バルブの早閉じ又は遅閉じ制御に加えて、スロットルバルブの開度を絞る必要があるため、ポンピングロスの増加を充分に抑制することはできなかった。
However, in the engine, when the engine load is in a partial load region that is significantly lower than the rated load region, it is necessary to greatly reduce the intake air amount, but only the early closing or late closing control of the intake valve as described above. In some cases, however, the intake volume could not be reduced significantly in line with a significant decrease in engine load due to improvements in intake charge efficiency in the high engine speed range and restrictions on intake valve closing timing. .
Therefore, in order to be able to change the shaft output over a wide range in response to a significant decrease in engine load, it is necessary to reduce the opening of the throttle valve in addition to the early or late closing control of the intake valve. Therefore, an increase in pumping loss could not be sufficiently suppressed.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ポンピングロスの増加を抑制しながらエンジン負荷の大幅な低下に対応して広範囲且つ高効率に軸出力を変更可能なエンジンと、かかるエンジンを備えて高いCOPで運転可能なヒートポンプシステムとを提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an engine capable of changing the shaft output in a wide range and with high efficiency in response to a large decrease in engine load while suppressing an increase in pumping loss. And a heat pump system that includes such an engine and can be operated at a high COP.
上記目的を達成するための本発明に係るエンジンは、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、その第1特徴構成は、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、前記エンジン負荷が前記定格負荷域よりも低い部分負荷域にある場合に前記増加行程サイクル運転を行う形態で、前記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制御手段を備えた点にある。
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。
In order to achieve the above object, an engine according to the present invention is an engine that repeatedly operates in one cycle including four strokes including an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. , A four-stroke cycle operation that operates without adding a stroke different from the four strokes in the one cycle, and a pair of pauses that reciprocate the piston in the one cycle without combustion separately from the four strokes In the form of selectively switching between the increased stroke cycle operation that operates by adding one or more strokes, the number of strokes included in the one cycle is configured to be changeable,
The four-stroke cycle operation is performed when the engine load is in the rated load region, and the increased stroke cycle operation is performed when the engine load is in the partial load region lower than the rated load region. There is a control means for controlling the number based on the engine load.
In the above four-stroke cycle operation, the operation without adding a stroke different from the four strokes in one cycle means that only four strokes consisting of an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke are repeated in order. Indicates driving in an operating form.
上記第1特徴構成によれば、吸気、圧縮、燃焼、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、燃焼を伴わないでピストンを往復同させる一対の休止行程を1つ以上追加すれば、当該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上記増加行程サイクル運転を行う状態とすることができ、このような増加行程サイクル運転を行えば、上記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、軸出力を低下させることができる。
よって、上記制御手段により、上記1サイクル行程数をエンジン負荷に基づいて制御することにより、スロットルバルブの開度の調整を伴わないでエンジン負荷に合わせて軸出力を変更することができ、ポンピングロスの増加を抑制しながらエンジン負荷の大幅な低下に対応して広範囲且つ高効率に軸出力を変更することができる。
即ち、エンジン負荷が低い部分負荷域にある場合でも、1サイクル行程数を4よりも大きい偶数値に増加させる増加行程サイクル運転を行うことで、軸出力を充分に低下させることができ、スロットルバルブの開度低下等により吸気量を低下させる必要がなく、ポンピングロスの増加を抑制することができる。
一方、エンジン負荷が部分負荷域から高い定格負荷域に変動した場合でも、1サイクル行程数を最小の4とする4行程サイクル運転を行うことで、軸出力を増加させることができ、広範囲で軸出力を変化させることができる。
According to the first characteristic configuration, in one cycle including the four strokes of intake, compression, combustion, and exhaust, apart from the four strokes, a pair of pause strokes for reciprocating the piston without combustion is performed. If one or more are added, the number of one-stroke strokes, which is the number of strokes in one cycle, can be set to a state in which the increased stroke cycle operation is increased to an even number greater than 4, and such an increased stroke cycle operation can be performed. As compared with the case where the four-stroke cycle operation is performed, the shaft output can be reduced by adding one or more pairs of pause strokes that do not generate a shaft output in one cycle.
Therefore, by controlling the number of one-stroke processes based on the engine load by the control means, the shaft output can be changed in accordance with the engine load without adjusting the opening of the throttle valve, and the pumping loss It is possible to change the shaft output over a wide range and with high efficiency in response to a large decrease in engine load while suppressing an increase in the engine load.
That is, even when the engine load is in a low partial load range, the shaft output can be sufficiently reduced by performing an increase stroke cycle operation in which the number of stroke cycles is increased to an even number greater than 4, and the throttle valve It is not necessary to reduce the intake air amount due to a decrease in the opening degree of the valve, and an increase in pumping loss can be suppressed.
On the other hand, even when the engine load fluctuates from the partial load range to the high rated load range, by performing the 4-stroke cycle operation with the minimum number of 1-cycle strokes, the shaft output can be increased and the shaft output can be increased over a wide range. The output can be changed.
本発明に係るエンジンの第2特徴構成は、前記制御手段が、前記エンジン負荷が、負荷域の変更を伴わない範囲内で低下するほど、前記吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点に対して進角又は遅角させる形態で、前記吸気バルブの閉タイミングを前記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点にある。 According to a second characteristic configuration of the engine of the present invention, the control means sets the closing timing of the intake valve in the intake stroke to a bottom dead center as the engine load decreases within a range not accompanied by a change in the load range. On the other hand, the closing timing of the intake valve is controlled based on the engine load in the form of advance or retard.
上記制御手段により1サイクル行程数をエンジン負荷に基づいて制御すれば、エンジン負荷の変動に応じて広範囲で軸出力を変更可能となるが、軸出力を小さな幅でスムーズに変更することは困難である。
そこで、上記第2特徴構成によれば、上記制御手段により、負荷域の変更を伴わない範囲内で、言い換えれば1サイクル行程数の変更を伴わない範囲内で、エンジン負荷が低下するほど、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを下死点に対して進角又は遅角させるので、負荷域の変更を伴わない小さなエンジン負荷の変動に対しても、軸出力をスムーズに変化させることができる。
If the number of strokes per cycle is controlled by the control means based on the engine load, the shaft output can be changed in a wide range according to the fluctuation of the engine load. However, it is difficult to change the shaft output smoothly with a small width. is there.
Therefore, according to the second characteristic configuration, the control means causes the intake air to decrease as the engine load decreases within a range that does not involve a change in the load range, in other words, within a range that does not involve a change in the number of strokes. Since the closing timing of the intake valve in the stroke is advanced or retarded with respect to the bottom dead center, the shaft output can be smoothly changed even with a small change in the engine load without changing the load range.
本発明に係るエンジンの第3特徴構成は、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点にある。 According to a third characteristic configuration of the engine according to the present invention, the pair of pause strokes includes a sealed lowering stroke in which the piston is lowered in a sealed state in which the intake valve and the exhaust valve are closed, and a sealed lift in which the piston is raised in the same sealed state. It is in the point which consists of a process.
上記第3特徴構成によれば、1サイクル内に1以上追加する一対の休止行程を上記密閉下降行程と上記密閉上昇行程とすることで、これら休止行程中に、吸気バルブ及び排気バルブを閉とした密閉状態となり、混合気が燃焼せずに排気路に排出されたり排ガスが吸気路側に逆流するなどのような、吸気路及び排気路におけるガスの不適切な流動を防止することができる。更に、上記密閉下降行程において、上記密閉状態でピストンを下降させるので、燃焼室を負圧とするために軸出力が消費されるが、次の上記密閉上昇行程において、燃焼室の負圧がピストンを上昇させることから、上記消費された軸出力に略相当する軸出力が発生することになり、これら休止行程の追加に起因する効率低下を抑制することができる。 According to the third characteristic configuration, a pair of resting strokes that are added one or more in one cycle are the sealed down stroke and the sealed up stroke, and the intake valve and the exhaust valve are closed during the rest stroke. Thus, an inappropriate flow of gas in the intake passage and the exhaust passage, such as when the air-fuel mixture is discharged to the exhaust passage without being combusted or the exhaust gas flows backward to the intake passage, can be prevented. Further, in the closed down stroke, the piston is lowered in the closed state, so that the shaft output is consumed in order to make the combustion chamber have a negative pressure. In the next closed up stroke, the negative pressure in the combustion chamber is changed to the piston. As a result, the shaft output substantially corresponding to the consumed shaft output is generated, and the reduction in efficiency due to the addition of the pause process can be suppressed.
本発明に係るエンジンの第4特徴構成は、前記増加行程サイクル運転において、前記排気行程と前記吸気行程との間に前記一対の休止行程の1つ以上を追加するように構成されている点にある。 A fourth characteristic configuration of the engine according to the present invention is such that, in the increase stroke cycle operation, one or more of the pair of pause strokes are added between the exhaust stroke and the intake stroke. is there.
上記第4特徴構成によれば、上記一対の休止行程を、上記排気行程と上記吸気行程との間に追加すれば、当該休止行程において、燃焼室に混合気や排ガスが存在しないので、混合気の不測の燃焼や排ガスの滞留による過剰昇温等を防止することができる。 According to the fourth feature configuration, if the pair of pause strokes are added between the exhaust stroke and the intake stroke, there is no mixture or exhaust gas in the combustion chamber in the pause stroke. It is possible to prevent excessive heating due to unforeseen combustion or retention of exhaust gas.
本発明に係るエンジンの第5特徴構成は、前記4行程サイクル運転と、前記1サイクル内に一対の休止行程を1つ追加して運転する前記増加行程サイクル運転としての6行程サイクル運転と、前記1サイクル内に一対の休止行程を2つ追加する前記増加行程サイクル運転としての8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サイクル行程数を4と6と8とで切換可能に構成され、
前記制御手段が、前記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、前記エンジン負荷が前記定格負荷域よりも低い中負荷域にある場合に前記6行程サイクル運転を行い、前記エンジン負荷が前記中負荷域よりも低い低負荷域にある場合に前記8行程サイクル運転を行う形態で、前記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点にある。
A fifth characteristic configuration of the engine according to the present invention includes the four-stroke cycle operation, the six-stroke cycle operation as the increased stroke cycle operation in which one pair of pause strokes is added in the one cycle, and the The number of 1-cycle strokes can be switched between 4, 6, and 8 by selectively switching between the 8-stroke cycle operation as the increased stroke cycle operation in which two pairs of pause strokes are added within one cycle. Configured,
The control means performs the 4-stroke cycle operation when the engine load is in a rated load range, and performs the 6-stroke cycle operation when the engine load is in a medium load range lower than the rated load range, In the form in which the 8-stroke cycle operation is performed when the engine load is in a low load range lower than the medium load range, the number of 1-cycle strokes is controlled based on the engine load.
上記第5特徴構成によれば、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。
よって、エンジン負荷がエンジンの最大の軸出力に相当する最大負荷から上記最大負荷の2/3程度までの範囲内の定格負荷域にある場合では、4行程サイクル運転を行うことで、比較的高い軸出力を出力することができ、更に、エンジン負荷が例えば上記最大負荷の2/3程度から1/2程度までの範囲内の中負荷域にある場合では、6行程サイクル運転を行うことで、ポンピングロスの増加を伴うことなく上記4行程サイクル運転よりも若干低い軸出力を出力することができ、更に、エンジン負荷が例えば上記最大負荷の1/2程度から最小負荷までの範囲内の低負荷域にある場合では、8行程サイクル運転を行って、ポンピングロスの増加を伴うことなく上記4行程サイクル運転更には上記6行程サイクル運転よりも若干低い軸出力を出力することができる。
よって、エンジン負荷の小幅な低下に対応して6行程サイクル運転を行い、更に、エンジン負荷の大幅な低下に対応して8行程サイクル運転を行うことで、広範囲且つ高効率に軸出力を変更可能なエンジンを実現することができる。
According to the fifth characteristic configuration, if the number of one-stroke strokes is increased to 6, a shaft output that is theoretically reduced to about 2/3 with respect to the four-stroke cycle operation can be stably output. If the number of one-stroke strokes is increased to eight, the shaft output that is theoretically reduced to about ½ of the four-stroke cycle operation can be stably output.
Therefore, when the engine load is in the rated load range within the range from the maximum load corresponding to the maximum shaft output of the engine to about 2/3 of the maximum load, it is relatively high by performing the four-stroke cycle operation. A shaft output can be output, and when the engine load is in a medium load range within a range from about 2/3 to about 1/2 of the maximum load, for example, by performing a six-stroke cycle operation, A shaft output slightly lower than that in the above four-stroke cycle operation can be output without an increase in pumping loss, and the engine load is low, for example, in the range from about 1/2 of the maximum load to the minimum load. If it is within the range, the 8-stroke cycle operation is performed, and the shaft output is slightly lower than the 4-stroke cycle operation or the 6-stroke cycle operation without increasing the pumping loss. It is possible to force.
Therefore, it is possible to change the shaft output over a wide range and with high efficiency by performing 6-stroke cycle operation in response to a slight decrease in engine load and further performing 8-stroke cycle operation in response to a significant decrease in engine load. Engine can be realized.
本発明に係るヒートポンプシステムの特徴構成は、これまで説明してきた何れかの特徴構成を有するエンジンと、前記エンジンの軸出力を駆動源とする圧縮機を有する圧縮式ヒートポンプ回路とを備えた点にあり、これまで説明したように、ポンピングロスを抑制しながらエンジン負荷の大幅な低下に対応して広範囲且つ高効率に軸出力を変更可能なエンジンを備えることで、高いCOPで運転可能なヒートポンプシステムを実現することができる。 The characteristic configuration of the heat pump system according to the present invention includes an engine having any of the characteristic configurations described so far, and a compression heat pump circuit having a compressor using a shaft output of the engine as a drive source. Yes, as explained so far, a heat pump system that can be operated with high COP by providing an engine that can change shaft output in a wide range and with high efficiency in response to a significant decrease in engine load while suppressing pumping loss Can be realized.
本発明に係るエンジン及びヒートポンプシステムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。 An embodiment of an engine and a heat pump system according to the present invention will be described based on the drawings.
〔エンジン〕
本発明に係るエンジンの実施の形態について、図1〜図5に基づいて説明する。
尚、図1は、エンジンの概略構成図、図2〜図4は、エンジンの各種運転の状態を模式的に表す説明図、図5は、負荷制御の状態を模式的に表す説明図である。
尚、図2〜図4や以下の説明部において、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。
〔engine〕
An embodiment of an engine according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the engine, FIGS. 2 to 4 are explanatory diagrams schematically illustrating various operating states of the engine, and FIG. 5 is an explanatory diagram schematically illustrating a load control state. .
2 to 4 and the following description, “TDC” as a piston position indicates a top dead center position, “BDC” as a piston position indicates a bottom dead center position, and the intake valve and exhaust valve “O” as an open / close state indicates an open state, “C” as an open / close state of the intake and exhaust valves indicates a closed state, and “° BBDC” as a crank angle indicates a crank angle before bottom dead center. .
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。
As shown in FIG. 1, the
ピストン4は連結棒8に揺動自在に連結されており、ピストン4の往復動は連結棒8によって1つのクランク軸9の回転運動として得られ、このような構成は通常のエンジンと変わるところがない。
The piston 4 is swingably connected to the connecting rod 8, and the reciprocating motion of the piston 4 is obtained as a rotational movement of one
吸気路13には、流通する空気と天然ガス系都市ガスである燃料との混合気Iが形成され、その混合気Iは、クランク角がTDC(上死点)付近からBDC(下死点)付近まで吸気バルブ1が開状態となる吸気行程において燃焼室10に吸気される。
In the
そして、エンジン50は、燃焼室10に吸気された混合気Iを、吸気バルブ1及び排気バルブ2の両方が閉状態となる圧縮行程において、ピストン4の上昇により圧縮し、その圧縮された混合気Iを、点火プラグ(図示せず)による火花点火又は圧縮着火等の公知の着火方法により着火させ、更に、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を得るように構成されている。
The
また、上記膨張行程の後に、クランク角がBDC付近からTDC付近まで排気バルブ2が開状態となる排気行程において、燃焼室10の排ガスEは排気路14に排出される。
Further, after the expansion stroke, the exhaust gas E in the
そして、このエンジン50は、1サイクル内に上述した吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程とからなる4行程を含み且つ当該4行程とは別の行程を追加しないで運転する通常の4行程サイクル運転を行うように構成されている。
The
また、このエンジン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、更に、この動弁機構20には、カムの回転又はアクチュエータの周期的な作動の位相を変更するなどして、少なくとも吸気バルブ1の閉タイミングを調整可能なバルブタイミング可変機構21が設けられている。
そして、このバルブタイミング可変機構21により、上記吸気バルブ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21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、軸出力が変更可能に構成されている。
Further, the
Then, by this valve timing
Therefore, the
次に、このエンジン50は、上記4行程サイクル運転と、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4よりも大きい遇数値に増加して運転する増加行程サイクル運転、具体的には、1サイクル行程数を6に増加して運転する6行程サイクル運転と、1サイクル行程数を8に増加して運転する8行程サイクル運転とを切り換える形態で、上記1サイクル行程数を変更可能に構成されている。以下、夫々の運転を行うための詳細詳細構成について図2〜図4に基づいて説明する。
Next, the
(4行程サイクル運転)
エンジン50は、上記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。
(4-stroke cycle operation)
When performing the above four-stroke cycle operation, the
Here, the intake valve 1 is opened near the start of the intake stroke in order to suck the mixture I from the
In this four-stroke cycle operation, the number of strokes included in one cycle is four (four strokes), and in one expansion stroke in the four strokes constituting one cycle, the mixture I The piston 4 is pushed down by combustion to generate shaft output.
(6行程サイクル運転)
エンジン50は、図3に示すように、上記増加行程サイクル行程として上記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下降行程と密閉上昇行程とを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。
(6 stroke cycle operation)
As shown in FIG. 3, the
That is, when performing such a six-stroke cycle operation, the
上記密閉下降行程及び上記密閉上昇行程は、共に、吸気バルブ1及び排気バルブ2を閉とした密閉状態として、吸気路13及び排気路14におけるガスの不適切な流動を防止しながら、ピストンを下降及び上昇させる休止行程である。
上記密閉下降行程では、燃焼室10が密閉状態となっていることから、ピストン4のTDCからBDCへの下降動作に伴って、燃焼室10が負圧状態となり、それによりピストン4を下降させるための若干の軸出力が消費される。
一方、上記密閉上昇行程では、燃焼室10が負圧状態のまま密閉状態となっていることから、ピストン4をBDCからTDCへの上昇動作において、上記負圧状態が解消されるのに伴って、上記密閉下降行程で消費された分に略相当する軸出力が発生することになる。
In both the above-described sealed down stroke and the above-described closed up stroke, both the intake valve 1 and the exhaust valve 2 are closed, and the piston is lowered while preventing inappropriate flow of gas in the
In the closed down stroke, the
On the other hand, in the above-described hermetic ascent stroke, the
また、上記密閉下降行程と上記密閉上昇行程との一対の休止行程は、排気行程と吸気行程との間に追加されており、かかる休止行程において、燃焼室10に混合気Iや排ガスEが存在しないので、混合気Iの不測の燃焼や排ガスEの滞留による過剰昇温等が防止されている。
In addition, a pair of pause strokes of the closed down stroke and the closed up stroke are added between the exhaust stroke and the intake stroke, and the mixture I and exhaust gas E exist in the
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、上記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。 In this six-stroke cycle operation, the number of one-stroke strokes is 6 (six strokes), and in one expansion stroke in the six strokes constituting one cycle, the piston 4 is pushed down by the combustion of the air-fuel mixture I and the shaft output is reduced. As a result, the shaft output is reduced to about 2/3 relative to the four-stroke cycle operation.
(8行程サイクル運転)
更に、エンジン50は、図4に示すように、上記増加行程サイクル行程として上記1サイクル行程数を8とした8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下降行程と密閉上昇行程とを排気行程と吸気行程との間に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。
尚、ここで追加した上記密閉下降行程及び上記密閉上昇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。
(8-stroke cycle operation)
Further, as shown in FIG. 4, the
That is, when performing the 8-stroke cycle operation, the
The pair of resting strokes of the sealed down stroke and the sealed up stroke added here are the same strokes as the pause stroke added in the above-described six-stroke cycle operation, and detailed description thereof will be omitted.
そして、この8行程サイクル運転では、1サイクル行程数が8(8行程)であり、1サイクルを構成する8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、上記4行程サイクル運転に対して相対的に軸出力が1/2程度に低下することになる。 In this 8-stroke cycle operation, the number of stroke cycles is 8 (8 strokes), and in one expansion stroke in the 8 strokes constituting one cycle, the piston 4 is pushed down by the combustion of the air-fuel mixture I and the shaft output is reduced. As a result, the shaft output is reduced to about ½ relative to the four-stroke cycle operation.
尚、上記密閉下降行程と上記密閉上昇行程との一対の休止行程を、排気行程と吸気行程との間に追加するのではなく、例えば、燃焼室10に混合気Iや排ガスEが存在することを許容できる場合には、吸気行程と圧縮行程との間や、膨張行程と排気行程との間に、密閉上昇行程と密閉下降行程との順に追加することもできる。
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。
It should be noted that a pair of pause strokes of the closed down stroke and the closed up stroke are not added between the exhaust stroke and the intake stroke, but, for example, the mixture I or the exhaust gas E exists in the
Further, the pair of resting strokes does not form a sealed state in which the intake valve 1 and the exhaust valve 2 are closed when the inflow of the air-fuel mixture I into the
以上がエンジン50における各運転を行うための詳細構成であるが、エンジン50に設けられる制御装置30は、このような構成を利用し、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負荷制御を実行する制御手段として機能するように構成されており、そのような負荷制御を行うための詳細構成について、以下に図5に基づいて説明する。
The above is the detailed configuration for performing each operation in the
(負荷制御)
制御装置30は、上記負荷制御において、エンジン負荷が定格負荷域にある場合に上述した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としての中負荷域にある場合に上述した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部分負荷域としての低負荷域にある場合に上述した8行程サイクル運転を行う形態で、1サイクル行程数を4と6と8との間で択一に切り換える形態で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。
(Load control)
In the load control, the
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。
The engine load refers to the amount of work applied to the
そして、制御装置30は、このような負荷制御を行って、エンジン50の軸出力をエンジン負荷の変動に応じて変化させ、クランク軸9の回転数を安定させるように構成されている。
即ち、制御装置30は、エンジン負荷が、定格負荷域、中負荷域及び低負荷域に低下した場合に、上記負荷制御において、4行程サイクル運転、6行程サイクル運転及び8行程サイクル運転に順次切り換えて、1サイクル行程数を4から2ずつ増加させることで、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。更に、従来のようにスロットルバルブの開度低下等により吸気量を低下させることなく、1サイクル行程数を増加させるだけで軸出力が低下することから、ポンピングロスの増加を抑制することができる。
The
That is, when the engine load drops to the rated load range, the medium load range, and the low load range, the
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程度となり、上記8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1/2程度となることから、上記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上記最大負荷の2/3程度までの範囲に設定され、上記中負荷域は上記最大負荷の2/3程度から1/2程度までの範囲に設定され、上記低負荷域は上記最大負荷の1/2程度から最小負荷までの範囲に設定されている。
In the 6-stroke cycle operation, the shaft output is about 2/3 relative to the 4-stroke cycle operation, and in the 8-stroke cycle operation, the shaft output is 1 / relative to the 4-stroke cycle operation. Therefore, the rated load range is set in a range from the maximum load corresponding to the maximum shaft output of the
更に、エンジン50は、バルブタイミング可変機構21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に対して進角又は遅角量の調整を伴って進角又は遅角させることで、軸出力を変更可能な構成を有する。
そして、制御装置30は、このような構成を利用して、上記負荷制御において、エンジン負荷が、上述した負荷域の変更を伴わない範囲内で低下するほど、吸気行程における吸気バルブの閉タイミングを0°BBDCに対して進角又は進角させる形態で、吸気バルブ1の閉タイミング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。
Further, the
Then, using such a configuration, the
即ち、制御装置30は、上記負荷制御において、エンジン負荷が、定格負荷域、中負荷域、低負荷域の何れかの負荷域内で低下する場合には、これまで説明してきた1サイクル行程数の変更を伴う軸出力の変更を行うことなく、上記バルブタイミング可変機構21を作動させて当該閉タイミングを0°BBDCに対して進角又は遅角させて、エンジン負荷の低下に応じて軸出力を高い応答性でスムーズに低下させることができ、更に、従来のようにスロットルバルブの開度低下等により吸気量を低下させることがないので、ポンピングロスの増加を抑制することができる。
That is, when the engine load drops in any one of the rated load range, the medium load range, and the low load range in the load control, the
〔ヒートポンプシステム〕
本発明に係るヒートポンプシステムの実施の形態について、図6に基づいて説明する。
尚、図6は、ヒートポンプシステムの概略構成図である。
[Heat pump system]
An embodiment of a heat pump system according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the heat pump system.
ヒートポンプシステム100には、図6に示すように、これまで説明してきたエンジン50と、そのエンジン50の軸出力を、冷媒を圧縮する圧縮機61の駆動源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路60とを備えており、制御装置30は、エンジン50に加え、このヒートポンプ回路60の各種補記についてもその作動を制御するように構成されている。尚、エンジン50の構成については、これまで説明してきたものと同様のため、詳細な説明を割愛する場合がある。
そして、エンジン50により圧縮機61を作動させて、上記圧縮式ヒートポンプ回路60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60において冷熱又は温熱を得ることができる。
As shown in FIG. 6, the
Then, by operating the
上記圧縮式ヒートポンプ回路60は、圧縮機61、室外機62、膨張弁63、室内機64を備え、更には、圧縮機61の室内機64及び室外機62に対する冷媒送出方向を切り換えるための四方切換弁65を備える。そして、図1に示す冷房状態、即ち、四方切換弁65を、圧縮機61の吐出側を室外機62に向けると共に流入側を室内機64に向けるように切り換えた状態では、蒸発した冷媒蒸気が、圧縮機61において圧縮されて高温高圧状態となり、次に、その高温高圧状態の冷媒蒸気が、室外機62において放熱して凝縮し、次に、その凝縮した冷媒液が、膨張弁63において、膨張して低温低圧状態となり、次に、その低温低圧状態の冷媒液が、室内機64において吸熱して蒸発し、その蒸発した冷媒蒸気が再度圧縮機61に供給されるという形態で、作動するように構成されている。
そして、この圧縮式ヒートポンプ回路60は、室外機62において、冷媒蒸気の放熱を、外気や温熱用水を加熱する形態で給湯用や暖房用等に利用したり、一方、室内機64において、冷媒液の吸熱を、室内空気や冷熱用水を冷却する形態で冷房用等に利用することができる。
尚、この圧縮式ヒートポンプ回路60により暖房を行う場合は、四方切換弁65を、圧縮機61の吐出側を室内機64に向けると共に流入側を室外機62に向けるように切り換えることで、室内機64において温熱を発生することができる。
The compression
The compression
When heating is performed by the compression
また、この圧縮式ヒートポンプ回路60の作動時において、圧縮機61には、エンジン50の軸出力が、ベルトとプーリとからなるベルト伝動部70及び圧縮機用クラッチ71を通じて伝達される。即ち、圧縮機61は、駆動源としてエンジン50の軸出力を利用して、冷媒蒸気を圧縮する流体ポンプとして作動するように構成されている。
また、この圧縮機61を駆動するための軸出力は、室外機62における冷媒蒸気の放熱先である外気等の温度や、室内機64における冷媒液の吸熱元である室内空気の温度や、冷媒の圧力状態や流量状態等から求められる熱負荷に応じたものとなる。即ち、エンジン50のクランク軸9には、上記ベルト伝導部70等を通じて、作動している圧縮機61の圧縮負荷、即ち圧縮式ヒートポンプ回路60の熱負荷に相当する負荷が付加されることになる。
Further, when the compression
In addition, the shaft output for driving the
また、圧縮式ヒートポンプ回路60には、3つの圧縮機61a,61b,61cが並列状態で配置されており、夫々の圧縮機61a,61b,61cに対して、エンジン50の軸出力が各別に圧縮機用クラッチ71a,71b,71cを通じて伝達される。
よって、制御装置30を、各圧縮機用クラッチ71a,71b,71cの入り切りを行うことにより、3つの圧縮機61a,61b,61cのうち、エンジン50の軸出力を伝達させて作動する作動圧縮機の数を変更することができる。
尚、圧縮機61を複数具体的には3つ設けたが、別に、圧縮機61の数は適宜変更可能である。また、圧縮機61を1つだけ設ける場合には、その圧縮機61は常に作動されるので、圧縮機用クラッチ71を省略しても構わない。
The compressor-type
Accordingly, the
Although a plurality of the
また、ヒートポンプシステム100には、エンジン50の軸出力を駆動源とする発電機80が設けられており、この発電機80には、エンジン50の軸出力が発電機用クラッチ81を通じて伝達される。
そして、この発電機80を駆動するための動力は、発電機80の発電負荷に応じたものとなる。即ち、エンジン50のクランク軸9には、上記発電機用クラッチ81等を通じて、発電機80の軸出力、即ち、発電負荷に相当する負荷が付加されることになる。
Further, the
The power for driving the
よって、エンジン50のクランク軸9には、上記圧縮式ヒートポンプ回路60における熱負荷と、上記発電機80の発電負荷との合計に相当するエンジン負荷が付加されることになる。
また、発電機80による発電が不要である場合には、上記発電機用クラッチ81を切って、エンジン50の軸出力を発電機80に伝達させずに、発電機80を休止させることができる。
尚、当然、この発電機80は省略しても構わず、発電機80を省略する場合には、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60の熱負荷に相当するものとなる。
Therefore, the engine load corresponding to the sum of the heat load in the compression
When power generation by the
Of course, this
制御装置30は、上述したように、エンジン50の負荷制御において、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。
As described above, in the load control of the
即ち、制御装置30は、上記負荷制御において、先ず、圧縮式ヒートポンプ回路60における熱負荷即ち作動圧縮機61の圧縮負荷と発電機80の発電負荷との和をエンジン負荷として検出し、そのエンジン負荷が高負荷域であるか中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8行程サイクル運転との切り換えを行う。
また、発電機80の発電負荷が略一定となる場合には、圧縮式ヒートポンプ回路60の熱負荷のみに応じて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の切り換えを行っても構わない。
That is, in the load control, the
In addition, when the power generation load of the
また、制御装置30は、圧縮式ヒートポンプ回路60の熱負荷が低下するほど、3つの圧縮機61a,61b,61cのうち作動する作動圧縮機の数を少なくするような作動圧縮機制御を実行すると共に、その作動圧縮機の数に応じて1行程サイクル数を変更するように構成することもできる。
即ち、制御装置30は、圧縮式ヒートポンプ回路60の熱負荷が高くエンジン負荷が高負荷域にある場合には、3つの圧縮機61を作動圧縮機とすると共に、エンジン50を4行程サイクル運転させ、圧縮式ヒートポンプ回路60の熱負荷が低下してエンジン負荷が中負荷域にある場合には、2つの圧縮機61を作動圧縮機とし1つの圧縮機61を休止させると共に、エンジン50を6行程サイクル運転させ、圧縮式ヒートポンプ回路60の熱負荷が一層低下してエンジン負荷が低負荷域にある場合には、1つの圧縮機61を作動圧縮機とし2つの圧縮機61を休止させると共に、エンジン50を8行程サイクル運転させる。このように作動圧縮機の数に応じて1行程サイクル数を変更することで、作動圧縮機の回転数を常に高い状態に維持し、エンジン50の回転数の低下によるエンジン効率の低下を防止することができる。
Moreover, the
That is, when the heat load of the compression
尚、このような作動圧縮機制御を実行しない場合には、負荷制御において1行程サイクル数を増加したときに、圧縮機61の回転数の低下に伴うエンジン回転数の低下を防止するべく、エンジン50の軸出力を、変速機を介して圧縮機61に伝達するように構成し、上記変速機によりエンジン50の回転数を常に高い状態に維持するように構成しても構わない。
In the case where such an operation compressor control is not executed, when the number of one-stroke cycles is increased in the load control, the engine speed is prevented from decreasing due to the decrease in the rotational speed of the
本発明に係るエンジンは、ポンピングロスの増加を抑制しながらエンジン負荷の大幅な低下に対応して広範囲且つ高効率に軸出力を変更可能なエンジンとして有効に利用可能であり、更に、本発明に係るヒートポンプシステムは、このようなエンジンを備えて高いCOPで運転可能なヒートポンプシステムとして有効に利用可能である。 The engine according to the present invention can be effectively used as an engine capable of changing the shaft output in a wide range and with high efficiency in response to a large decrease in engine load while suppressing an increase in pumping loss. Such a heat pump system can be effectively used as a heat pump system that includes such an engine and can be operated at a high COP.
1:吸気バルブ
4:ピストン
10:燃焼室
21:バルブタイミング可変機構
30:制御装置
50:エンジン
60:圧縮式ヒートポンプ回路
61,61a,61b,61c:圧縮機
100:ヒートポンプシステム
1: intake valve 4: piston 10: combustion chamber 21: variable valve timing mechanism 30: control device 50: engine 60: compression
Claims (6)
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、前記エンジン負荷が前記定格負荷域よりも低い部分負荷域にある場合に前記増加行程サイクル運転を行う形態で、前記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制御手段を備えたエンジン。 An engine that operates by repeating one cycle including four strokes including an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke,
A four-stroke cycle operation that operates without adding a stroke different from the four strokes in the one cycle, and a pair of pause strokes in which the piston reciprocates without combustion in the one cycle separately from the four strokes. The number of strokes included in the one cycle can be changed in a form that is selectively switched between the increased stroke cycle operation in which one or more are added and operated,
The four-stroke cycle operation is performed when the engine load is in the rated load region, and the increased stroke cycle operation is performed when the engine load is in the partial load region lower than the rated load region. An engine comprising control means for controlling the number based on the engine load.
前記制御手段が、前記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、前記エンジン負荷が前記定格負荷域よりも低い中負荷域にある場合に前記6行程サイクル運転を行い、前記エンジン負荷が前記中負荷域よりも低い低負荷域にある場合に前記8行程サイクル運転を行う形態で、前記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請求項1〜4の何れか一項に記載のエンジン。 The four-stroke cycle operation, the six-stroke cycle operation as the increased stroke cycle operation that operates by adding one pair of pause strokes in the one cycle, and two pairs of pause strokes in the one cycle In the form of selectively switching the 8-stroke cycle operation as the increased stroke cycle operation, the number of 1-cycle strokes can be switched between 4, 6, and 8.
The control means performs the 4-stroke cycle operation when the engine load is in a rated load range, and performs the 6-stroke cycle operation when the engine load is in a medium load range lower than the rated load range, 5. The number of one-stroke processes is controlled based on the engine load in a form in which the eight-stroke cycle operation is performed when the engine load is in a low load area lower than the medium load area. The engine according to one item.
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