JP2011085111A - Engine and engine generator - 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このエンジンにより駆動される発電機を備えたエンジン発電装置に関する。 The present invention relates to 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, and an engine power generator including a generator driven by the engine.
従来のエンジンとして、エンジン負荷に応じて、上記4行程で運転する4行程サイクル運転と、4行程とは別に燃焼を行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ことができるものが開示されている(例えば、特許文献1を参照)。
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。
As a conventional engine, depending on the engine load, it is operated by adding one or more of a four-stroke cycle operation that operates in the above four strokes and a pair of pause strokes that reciprocate the piston without performing combustion separately from the four strokes. An increase stroke cycle operation that can be selectively switched is disclosed (for example, see Patent Document 1).
In the engine disclosed in Patent Document 1, in a steady operation state, a four-stroke cycle operation is performed when the engine load is in the rated load region, and an increased stroke is performed when the engine load is in a partial load region lower than the rated load region. It is configured to perform cycle operation.
これにより、エンジンの運転をエンジン負荷に基づいて制御することにより、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とされている。 Thus, by controlling the engine operation based on the engine load, the shaft output can be changed in a wide range and with high efficiency in response to a significant decrease in the engine load.
特許文献1に開示のエンジンにおいては、定常運転状態においてエンジン負荷に基づいてエンジンの運転状態を切り換えることにより、エンジン負荷の低下や上昇に対応して高効率に軸出力を変更することができるものの、エンジンの始動時から定常運転状態となるまでの暖気運転中においては、エンジンの運転状態を切り換えることは行われていなかった。
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。
In the engine disclosed in Patent Document 1, the shaft output can be changed with high efficiency in response to a decrease or increase in engine load by switching the engine operation state based on the engine load in a steady operation state. During the warm-up operation from when the engine is started to when the engine is in the steady operation state, the operation state of the engine has not been switched.
Temporarily, in an engine capable of switching the operation state disclosed in Patent Document 1, when the engine is operated in an increased stroke cycle operation with a low shaft output during warm-up operation, the amount of heat generated from the engine per unit time is small, A very long time is required until the temperature of the engine rises to an appropriate temperature, and there is a problem that the operating efficiency of the engine such as fuel consumption efficiency may be lowered.
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、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可能な技術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 prevent a decrease in engine operating efficiency such as fuel consumption efficiency while minimizing the warm-up operation until the steady operation state is reached. Is to provide a technology that can.
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とする形態で、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 in which one stroke is operated without adding a stroke different from the four strokes, and a pair of pause strokes in which the piston is reciprocated without combustion in the one cycle separately from the four strokes. The number of one-stroke strokes, which is the number of strokes included in the one cycle, can be changed by selectively switching between one or more additional stroke cycle operations that are operated in addition, and the four strokes are started when the engine is started. Cycle operation is performed, and the engine can be switched to the increase stroke cycle operation when the temperature of the engine reaches a predetermined temperature at which it can be determined that the warm-up operation of the engine has ended. In the form of a, there the number of one cycle stroke in that a control means for controlling, based on a temperature of the engine.
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.
上記特徴構成によれば、制御手段が、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ので、エンジンの温度が比較的低い温度である場合(暖気運転状態)にはエンジンの温度をより早く上昇させることができる4行程サイクル運転を行い、エンジンの温度が所定温度となった場合(定常運転状態)にはエンジンの効率的な運転を実現できる増加行程サイクル運転を行うことが可能となる。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の温度を早期に上昇させることが困難な増加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の運転効率の低下を防止することができる。
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。
According to the above characteristic configuration, the control means can perform the four-stroke cycle operation when starting the engine, and can switch to the increased stroke cycle operation when the engine temperature reaches a predetermined temperature at which it can be determined that the engine warm-up operation has been completed. In this embodiment, the number of one-stroke processes is controlled based on the engine temperature. Therefore, when the engine temperature is relatively low (warm-up operation state), the engine temperature can be increased more quickly. When the cycle operation is performed and the engine temperature reaches a predetermined temperature (steady operation state), it is possible to perform an increased stroke cycle operation that can realize an efficient operation of the engine. As a result, in the warm-up operation state, it is possible to prevent the increase stroke cycle operation in which the shaft output is low and it is difficult to raise the engine temperature early, and the warm-up operation time can be shortened as much as possible. By shortening the time, it is possible to prevent a decrease in engine operating efficiency such as fuel consumption efficiency.
Here, the increase stroke cycle operation is a pair of pauses in which the piston is reciprocated without expansion (combustion) in one cycle including four strokes of intake, compression, expansion, and exhaust, separately from the four strokes. One or more strokes are added. Thus, for example, after the engine temperature reaches a predetermined temperature (steady operation state), the number of strokes in one cycle, which is the number of strokes in one cycle, is set to an even number greater than 4 in response to a decrease in engine load. It can be set as the state which performs the increase stroke cycle operation which increased. In this way, if the increased stroke cycle operation is performed in the steady operation state, the engine load is increased by adding one or more pairs of pause strokes that do not generate shaft output in one cycle, compared to the case where the four stroke cycle operation is performed. The shaft output can be reduced corresponding to the decrease in the engine, and the engine can be operated efficiently.
Therefore, during the warm-up operation, the control means controls the number of one-cycle strokes based on the engine temperature, thereby shortening the warm-up operation until the steady operation state is as short as possible and operating the engine such as fuel consumption efficiency. A decrease in efficiency can be prevented.
本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、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点にある。 In a further characteristic configuration of the engine according to the present invention, when the control means controls the number of one-cycle strokes based on the temperature of the engine, when the oil temperature in the engine becomes a predetermined temperature, It is determined that the engine temperature has reached the predetermined temperature at which it can be determined that the warm-up operation of the engine has been completed.
上記特徴構成によれば、制御手段が、エンジンの温度を代表するとともに測定の容易なエンジン内の油温を用いて、エンジン内の油温が所定温度となった場合に暖気運転が終了したと判断でき、簡易に1サイクル行程数を制御することができる。 According to the above characteristic configuration, the control means uses the oil temperature in the engine that represents the engine temperature and is easy to measure, and the warm-up operation is terminated when the oil temperature in the engine reaches a predetermined temperature. The number of one-stroke processes can be easily controlled.
本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、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点にある。 A further characteristic configuration of the engine according to the present invention is that, when the control means controls the number of one-cycle strokes based on the temperature of the engine, an elapsed time from the start of the engine reaches a predetermined time. In addition, it is determined that the temperature of the engine has reached the predetermined temperature at which it can be determined that the warm-up operation of the engine has been completed.
上記特徴構成によれば、制御手段が、エンジンの温度を計測するか否かにかかわらず、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、エンジン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になったものと判別するので、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、エンジンの始動開始からの経過時間とエンジンの温度との関係(特にエンジンの温度が上記所定温度となるまでの経過時間)は、予め計測したものを用いることができる。 According to the above characteristic configuration, regardless of whether or not the control means measures the engine temperature, the engine temperature ends the warm-up operation when the elapsed time from the start of the engine reaches a predetermined time. Therefore, the number of one-stroke processes can be controlled more easily. Note that the relationship between the elapsed time from the start of engine start and the engine temperature (particularly the elapsed time until the engine temperature reaches the predetermined temperature) can be measured in advance.
本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、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 further characteristic configuration of the engine according to the present invention, the pair of resting 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 lifted in the same sealed state. It is in the point which consists of a process.
上記特徴構成によれば、1サイクル内に1以上追加する一対の休止行程を密閉下降行程と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。 According to the above characteristic configuration, a pair of resting strokes to be added one or more in one cycle are a sealed down stroke and a sealed up stroke, and a closed state in which the intake valve and the exhaust valve are closed during these pause strokes. Inappropriate gas flow in the intake passage and exhaust passage, such as when the air-fuel mixture is discharged to the exhaust passage without being combusted or exhaust gas flows backward to the intake passage, can be prevented.
上記目的を達成するための本発明に係るエンジン発電装置の特徴構成は、上記何れかの特徴構成を備えた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点にある。 In order to achieve the above object, a characteristic configuration of an engine power generator according to the present invention includes: a generator driven by an engine having any one of the above characteristic configurations; and power generated by the generator connected to a commercial power system. And an electric heater capable of converting the electric power generated from the generator supplied via the inverter into heat, and the control means finishes the warm-up operation of the engine from the time of starting the engine. Up to, the engine cooling water or the oil circulation circuit for operating the electric heater using the surplus power of the generated power supplied from the generator to the power load and flowing the cooling water circulation circuit to cool the engine It is the point which heats the engine oil which flows through and is supplied into the engine.
上記特徴構成によれば、制御手段が、エンジン始動時からエンジンの暖気運転が終了するまでのエンジンの温度が比較的低い温度である場合(暖気運転状態)において、エンジンにより駆動された発電機からの発電電力のうち電力負荷により消費されなかった余剰電力を用いて電気ヒータを作動させ、エンジンを冷却するためのエンジン冷却水、或いはエンジン内に供給されるエンジンオイルを加熱させる。これにより、暖気運転状態において、エンジン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、電気ヒータにより加熱されたエンジン冷却水或いはエンジンオイルを介して、より多くの熱量をエンジンに供給することができ、より迅速かつ効率的にエンジン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、発電機からの発電電力を有効に活用することができる。
According to the above characteristic configuration, when the engine temperature from the start of the engine to the end of the engine warm-up operation is a relatively low temperature (warm-up operation state), the control means The electric heater is operated using surplus electric power that is not consumed by the electric power load among the generated electric power, and engine cooling water for cooling the engine or engine oil supplied into the engine is heated. Thus, in the warm-up operation state, in addition to performing the four-stroke cycle operation that can quickly increase the temperature of the engine, further, through engine cooling water or engine oil heated by an electric heater, more The amount of heat can be supplied to the engine, and the temperature of the engine can be raised more quickly and efficiently.
Therefore, during the warm-up operation, the warm-up operation until the steady operation state is achieved can be further shortened, and the generated power from the generator can be effectively utilized.
本発明に係るエンジンの実施の形態について、図1〜図4に基づいて説明する。
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。
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 and 3 are explanatory diagrams schematically showing various operating states of the engine, and FIG. 4 is a relationship between an elapsed time from the start of engine start and an oil temperature in the engine. FIG.
2 and 3 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 and exhaust valves are opened and closed. “O” as a state indicates an open state, “C” as an open / close state of the intake valve and the exhaust valve indicates a closed state, and “° BBDC” as a crank angle indicates a crank angle before bottom dead center.
〔エンジン〕
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。
〔engine〕
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
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
次に、このエンジン50は、制御装置30により、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6に増加して運転する6行程サイクル運転(増加行程サイクル行程の一例)とを切り換える形態で、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構成について図2、図3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、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 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
〔6行程サイクル運転〕
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。
[6 stroke cycle operation]
As shown in FIG. 3, the
That is, when performing such a six-stroke cycle operation, the
In this six-stroke cycle operation, a pause stroke without combustion is added in one cycle, so that the amount of heat generated by the
密閉上昇行程及び密閉下降行程は、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、ピストンを上昇及び下降させる休止行程である。
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。
In both the sealed up stroke and the sealed down stroke, both the intake valve 1 and the exhaust valve 2 are closed, and the piston is raised and lowered while preventing inappropriate flow of gas in the
In the hermetic ascending stroke, the
On the other hand, in the closed down stroke, the
また、密閉上昇行程と密閉下降行程との一対の休止行程は、吸気行程と圧縮行程との間に追加されている。かかる休止行程においては、燃焼室10には吸気行程による吸気された混合気Iが存在することとなり、燃焼室10内に混合気Iが存在しない場合よりも圧力が高くなっているので、ピストン4の上昇及び下降動作を容易に行うことができ、エンジンの運転が困難となることは防止されている。
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。
In addition, a pair of rest strokes of the sealed up stroke and the sealed down stroke are added between the intake stroke and the compression stroke. In such a resting stroke, the air-fuel mixture I taken in by the intake stroke is present in the
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
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、エンジン50内の油温(エンジン50の温度の一例)に基づいて、当該油温が暖気運転が終了したと判断できる所定温度となるまでの暖気運転状態と、暖気運転が終了した定常運転状態とにおいて、エンジン50の運転状態を適切に切り換える制御を行う。
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。
The detailed configuration for performing each operation in the
Details of the switching control by the
〔暖気運転〕
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。
[Warm-up operation]
In the warm-up operation, which is the operation from the start of the
Specifically, as shown in FIG. 4, the
Thus, by performing the 4-stroke cycle operation with a large calorific value per unit time in the warm-up operation and not performing the 6-stroke cycle operation, the time until the warm-up operation is completed can be shortened. For example, as shown in FIG. 4, when a four-stroke cycle operation is performed (indicated by a solid line in FIG. 4), the oil temperature becomes a
Accordingly, in the warm-up operation state, it is possible to prevent the six-stroke cycle operation in which the shaft output is low and it is difficult to raise the temperature of the
〔定常運転〕
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。
(Steady operation)
When the oil temperature in the
That is, in the steady operation, the
The engine load refers to the amount of work applied to the
そして、制御装置30は、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、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。
And the
That is, the
In the above six-stroke cycle operation, the shaft output is about 2/3 relative to the four-stroke cycle operation, so the rated load range is from the maximum load corresponding to the maximum shaft output of the
このように、制御装置30が定常運転状態において6行程サイクル運転を行うことにより、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、燃料消費量を変えずに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50の運転を効率よく行うことができる。
As described above, when the
〔別実施形態〕
(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。
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the engine load that is the target for which the shaft output of the
Specifically, as shown in FIG. 5, the engine
The
The
The
In such a configuration, the
Therefore, during the warm-up operation, the warm-up operation until the steady operation state is achieved can be further shortened, and the generated power from the
In the above description, the configuration in which the engine coolant C flowing through the
(2)上記実施形態では、エンジン50の温度がエンジン50の暖気運転を終了したと判断できる所定温度となったことを判別するに際し、油温センサ41により測定され温度検出部40により出力されたエンジン50内の油の温度を用いたが、エンジン50の温度が所定温度となっていることを判別することができる構成であれば、特にこの構成に限定されるものではない。
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。
(2) In the above embodiment, when determining that the temperature of the
For example, when the elapsed time from the start of
That is, regardless of whether or not the
(3)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、冷媒を圧縮する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を備えたヒートポンプシステムに適用することもできる。
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。
(3) In the above embodiment, the engine load for which the shaft output of the
In this case, by operating the compressor by the
Specifically, in a steady operation state, the
(4)上記実施形態では、定常運転状態において、6行程サイクル運転を行うことにより、エンジン負荷の低下に対応して、軸出力を適切に低下させることとしたが、これに加えて、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動弁機構20にバルブタイミング可変機構を設け、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、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、少なくとも吸気バルブ1の閉タイミングを調整可能とすることもできる。
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。
(4) In the above embodiment, in the steady operation state, the six-stroke cycle operation is performed to appropriately reduce the shaft output in response to the decrease in the engine load. 1 cycle which has been described so far by providing a valve timing variable mechanism in the
As a result, by this valve timing variable mechanism, the closing timing of the intake valve 1 is advanced or retarded with respect to 0 ° BBDC (bottom dead center), so that the intake valve 1 is moved earlier than the bottom dead center in the intake stroke. Or if it closes late, the amount of intake air which is the amount of the air-fuel mixture I taken into the
(5)上記実施形態では、増加行程サイクル運転として6行程サイクル運転を行う形態を説明したが、定常運転状態においてより運転効率のよい運転である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。
(5) In the above-described embodiment, the six-stroke cycle operation is performed as the increased stroke cycle operation. However, the eight-stroke cycle operation in which the number of one-cycle strokes is eight, which is a more efficient operation in the steady operation state. It can also be configured to be executable.
That is, as shown in FIG. 6, when performing such an 8-stroke cycle operation, the
Note that the pair of rest strokes of the sealed up stroke and the sealed down 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.
Specifically, the
As a result, if the number of one-stroke strokes is increased to 6, the shaft output that is theoretically reduced to about 2/3 of the four-stroke cycle operation can be stably output. If it is increased to 8, the shaft output that is theoretically reduced to about 1/2 of the four-stroke cycle operation can be stably output.
(6)上記実施形態においては、密閉上昇行程と密閉下降行程との一対の休止行程を、吸気行程と圧縮行程との間に追加したが、休止行程を追加する箇所は特に制限されるものではなく、例えば、燃焼室10に排ガスEが存在することを許容できる場合には、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。
(6) In the above embodiment, a pair of rest strokes of a sealed up stroke and a sealed down stroke are added between the intake stroke and the compression stroke. However, the location where the pause stroke is added is not particularly limited. For example, when it is permissible that 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
本発明に係るエンジンは、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可能な技術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 a technique that can prevent a decrease in the operating efficiency of the engine such as fuel consumption efficiency while shortening the warm-up operation until the steady operation state is as short as possible.
1 :吸気バルブ
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
1: Intake valve 2: Exhaust valve 30: Control device (control means)
40: Temperature detector 41: Oil temperature sensor 50: Engine 80: Engine power generation device 81: Generator 82: Inverter 83: Electric heater 86: Cooling water circulation circuit 90: Commercial power system 91: Electric power load C: Engine cooling water
Claims (5)
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。 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 is started, and when the engine temperature reaches a predetermined temperature at which it can be determined that the warm-up operation of the engine has been completed, the one-cycle can be switched to the increased stroke cycle operation. An engine comprising control means for controlling the number of strokes based on the temperature of the engine.
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。 A generator driven by the engine according to any one of claims 1 to 4, an inverter connected to a commercial power system of power generated by the generator, and the power generation supplied via the inverter Equipped with an electric heater that can convert the generated power from the machine into heat,
The control means operates the electric heater using surplus power of the generated power supplied from the generator to the power load from the start of the engine to the end of the warm-up operation of the engine, and a cooling water circulation circuit An engine power generator that heats engine oil supplied through the engine cooling water or oil circulation circuit for flowing through and cooling the engine.
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