JP2012215112A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水を用いることなく排気ガスの排熱利用が可能な構造を備え、特に空冷タイプのものにも適用できる発電構造を備えるエンジンを提供する。
【解決手段】シリンダ２、シリンダヘッド３およびクランクケース４を備えてなるエンジン本体５内をエンジンオイルＯＬが循環するように構成され、前記エンジン本体５によって生じる温度差を利用して発電する熱電素子１０を有する発電構造が設けられたエンジン１である。エンジンオイルＯＬを循環させる油路７は、前記エンジン本体の外側に位置する外部油路８を備え、前記熱電素子１０の低温側１０ａが前記外部油路８に接続され高温側１０ｂが排気管３３に接続された発電部１１ａ，１１ｂを有する。
【選択図】図２

Description

本発明はエンジンに関し、特に、排気熱を利用して電気エネルギーを取り出すことができるエンジンに関する。

従来からエンジンの排気熱から電気エネルギーを回収する排熱発電装置を備えるものがある。
この排熱発電装置には、例えば、特許文献１に記載されているように、排気ガスが通過する排気通路と、この排気通路の一部から高温側に対して排気ガス熱を伝達可能に配置された熱電素子と、この熱電素子の低温側に熱伝達可能に配置された冷却水循環通路とを有し、高温の排気ガス温度と冷却水循環通路との温度差を利用して熱電素子によって発電が行われるようにした構成が開示されている。
このように従来のエンジンとしては、低温側と高温側の温度差を利用する熱電素子を用いており、温度差が大きいほど発電量を大きくできることから、従来においては水冷エンジンにおける冷却水循環通路を低温側とし、排気ガスを高温側として利用する構造であった。

特開２００７−１６７４７号公報

この種のエンジン排熱利用装置による電気エネルギーの回収構造に関しては、水冷エンジンを利用した車両に限らず、空冷エンジンを備える車両にもその適用が望まれている。
しかしながら、空冷エンジンに熱電素子を設ける場合、水冷エンジンの場合のようにラジエータがないので冷却水を利用した大きな温度差の条件を作り出すことが困難であり、効率の良いエンジン排熱利用ができないのが現状であった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却水を用いることなく排気ガスの排熱利用が可能な構造を備え、特に空冷タイプのものにも適用できる発電構造を備えるエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、シリンダ、シリンダヘッドおよびクランクケースを備えてなるエンジン本体内をエンジンオイルが循環するように構成され、前記エンジン本体によって生じる温度差を利用して発電する熱電素子を有するエンジンにおいて、
前記エンジンオイルを循環させる油路は、前記エンジン本体の外側に位置する外部油路を備え、前記熱電素子の低温側が前記外部油路に接続され高温側が排気管に接続された発電部を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の構成に加えて、前記外部油路は、オイルポンプより吸い上げた前記エンジンオイルを、前記シリンダに移送する間の前記油路に設けられたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の構成に加えて、前記外部油路が複数箇所に設けられ、且つそれぞれの前記外部由路に前記発電部が設けられたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の構成に加えて、前記シリンダヘッドに設けられる排気ポートは、その内壁面が前記シリンダヘッドを構成する部材よりも熱伝導率の低い内壁面構成部にて構成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の構成に加えて、前記シリンダヘッドに設けられる排気ポートの外周に断熱空間が設けられていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の構成に加えて、前記排気管には触媒が設けられており、前記発電部は前記触媒よりも排気管下流側に配置されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、シリンダ、シリンダヘッドおよびクランクケースを備えてなるエンジン本体内をエンジンオイルが循環するように構成され、前記エンジン本体によって生じる温度差を利用して発電する熱電素子を有するエンジンにおいて、
前記熱電素子の低温側に冷却フィンが接続され且つ高温側が排気管に接続された発電部を有し、さらに、前記冷却フィンに向って走行風を集中させる送風ガイド部材が設けられていることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の構成に加えて、前記冷却フィンは、車体フレームに接続されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、エンジンオイルを循環させる油路を利用して、エンジン本体の外側に外部油路を形成して、排気管と外部油路との間に熱電素子を設ける構成としたことにより、熱伝導率のよいエンジンオイルを使って効果的な温度差を形成することができ、発電量を確保することができる。

請求項２の発明によれば、前記外部油路は、オイルポンプより吸い上げられたエンジンオイルをシリンダに移送する油路を形成するようにしたことで、冷却されたエンジンオイルを熱電素子の低音側に利用できるので、効果的な温度差を作り出すことができて発電量を大きくできる。

請求項３の発明によれば、複数設けられた外部油路に熱電素子を備える発電部がそれぞれ設けられたので、発電箇所を複数設けることができ、発電量を増やすことができる。

請求項４の発明によれば、排気ポートの内壁面が、熱伝導率の低い内壁面構成部により構成されていることにより断熱が効果的にできるので、排気が排気ポートを通過するときの排気熱の吸収が少なくなり、高温の排気を排気管に供給することができる。この結果、発電部における温度差を大きくできて発電量を大きくすることができる。

請求項５の発明によれば、排気ポートの内壁面の外周に断熱空間が設けられていることで、断熱ができて排気が排気ポートを通過するときの排気熱の吸収が少なくなり、高温の排気を排気管に供給することができる。この結果、発電部における温度差を大きくできて発電量を大きくすることができる。

請求項６の発明によれば、熱電素子は排気管に設けられた触媒よりも、排気管下流側に配置されているので、熱電素子による吸熱作用による排気温度の低下が触媒の機能低下を及ぼすことがなく、触媒は高温下で効果的に作用することができる。

請求項７の発明によれば、発電部は、熱電素子の低温側に冷却フィンが設けられ且つこの冷却フィンに向って走行風を集中させる送風ガイド部材が設けられているので、集められた空気によって温度差を効果的に形成することができ、空気との温度差を使って発電することができる。

請求項８の発明によれば、前記冷却フィンは、車体フレームに接続されているので、本体フレームで熱引きをすることができて効果的な放熱が可能になり、発電部の熱電素子での温度差をより大きくすることができる。

本発明に係るエンジンを搭載した第１実施形態における鞍乗型車両の右側面図である。 図１に示す鞍乗型車両におけるエンジンの拡大図である。 本発明に係る第１実施形態における発電部の要部拡大図である。 本発明に係る第１実施形態の変形例を示す模式図である。 本発明に係る第２実施形態における要部断面図である。 本発明に係る第３実施形態における要部断面図である。 本発明に係る第４実施形態における鞍乗型車両におけるエンジン周辺の拡大図である。 図７に示すエンジンを車両前方側から見た概略図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、鞍乗型車両である自動二輪車５０について、具体的に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１は本実施形態の自動二輪車５０の右側面図であり、自動二輪車５０は、ヘッドパイプ５１に回転可能にハンドル軸１２を挿入し、このハンドル軸１２の上端にトップブリッジ１３を取付け、ハンドル軸１２の下端にボトムブリッジ１４を取付け、これらのトップブリッジ１３及びボトムブリッジ１４のそれぞれの前部にフロントフォーク１６を取付け、このフロントフォーク１６の下端に前輪１７を取付け、トップブリッジ１３にハンドル１８を取付け、同じくトップブリッジ１３にブラケット５６を介してメータ２２及びヘッドランプ２３を取付け、ヘッドパイプ５１から後方へ車体フレーム２４を延ばし、この車体フレーム２４にエンジン１を取付け、このエンジン１の上方に燃料タンク２７を配置し、この燃料タンク２７の後方にシート２８を配置し、このシート２８の後部下方をリヤカウル３１で覆い、車体フレーム２４の後部に取付けたスイングアーム（不図示）に後輪３２を取付け、エンジン１から後方へ排気管３３を延ばし、この排気管３３の後端にマフラ３５を連結した車両である。
なお、エンジン１はエンジン本体５がクランクケース４、外周面にシリンダ用フィン２ａ（図２参照）を有するシリンダ２および外周面にシリンダヘッド用フィン３ａ（図２参照）を有するシリンダヘッド３から構成された空冷エンジンである。

ここで、４０はスロットルグリップ、４１は前輪１７の上方を覆うフロントフェンダ、４２はバックミラー、４３はブレーキペダル、４４はリヤクッションユニット、４５は同乗者用グリップ、４６はテールランプ、４７は後輪３２の上方を覆うリヤフェンダである。また、５２は前述のマフラ３５の側方を覆うためにマフラ３５に取付けた遮熱板である。

図２は本発明に係る自動二輪車のエンジン及びその周囲を示す側面図であり、エンジン１のシリンダヘッド３の後部に吸気マニホールド５７を取付け、この吸気マニホルード５７の後部に気化器５８を取付け、この気化器５８に吸気管６１を接続し、気化器５８の側方に気化器５８の一部を覆うカバー部材６２が設けられている。

ここで、エンジン１はクランクケース４の上方側にシリンダ２設けられ、シリンダ２の上方側にシリンダヘッド３が設けられており、シリンダヘッド３の上部を覆うヘッドカバー７３が設けられ、また、シリンダヘッド３の右上方側から点火プラグ７４が突出するように設けられ、さらに、シリンダヘッド３から前方側に延び且つ下方側に延びる排気管３３が接続されている。
また、クランクケース４の下方側には、エンジンオイルＯＬを貯留するオイルパン７ａが設けられている。
なお、７５はクランクケース４の後部側部に取付けたエンジン始動用のキックペダルである。

以下、本実施形態におけるエンジン１は、エンジン本体５内をエンジンオイルＯＬが循環するように構成されている。
このエンジンオイルＯＬの循環は、例えば、図２に示すように、オイルパン７ａに集められたエンジンオイルＯＬは、オイルポンプ９によって吸引されることでストレーナ２６から吸い上げられ、図示しないオイルフィルタおよびオイルクーラを介して不純物除去および適宜冷却された後に、適宜内油路を介してメインギャラリに供給される。そして、本実施形態においては、このエンジンオイルＯＬの循環の油路７がエンジン本体５の外側に露出した２つの外部油路を備える構造となっている。すなわち、図２に示すように、エンジンオイルＯＬは、クランクケース４の右側面に露出して側面視で略Ｕ字状の第１の外部油路８を通り、再びクランク室内に戻った後に、クランクケース４からシリンダ２に延びて側面視で略逆コ字状の第２の外部油路８を介してシリンダ２内に供給される。
なお、外部油路は少なくとも１つ設けられれば良い。（第２の外部油路８がメインとなる）

そして、第１および第２の外部油路８には、それぞれ熱電素子１０が接続されて第１の発電部１１ａおよび第２の発電部１１ｂが構成されている。これら発電部１１ａ，１１ｂは、図３に示すように、外部油路８と、排気管３３との間に熱電素子１０を多数設けた構造となっている。すなわち、熱電素子１０の低温側１０ａが第１および第２の外部油路８の油タンク８ｂに接続されており、反対側の高温側１０ｂが排気管３３に接続されている。
したがって、エンジン本体５におけるエンジン駆動によって生じる排気ガスの高温側と、エンジンオイルＯＬの低温側との温度差を利用して、この２つの発電部１１ａ，１１ｂにおいて発電可能に構成されている。なお、熱電素子１０は、例えば、Ｐ型、Ｎ型の半導体を複数接合して構成されている。

このように、本実施形態においては、エンジンオイルＯＬを循環させる油路７を利用して、エンジン本体５の外側に位置する第１、第２の外部油路８を形成して排気管３３との間に熱電素子１０を設ける構成としたことで、熱伝導率のよいエンジンオイルＯＬによって効果的な温度差を形成することができる。この結果、発電部１１ａ，１１ｂにおいて所定の発電量を確保することができる。

本実施形態においては、外部油路８は、オイルポンプ９より吸い上げられたエンジンオイルＯＬを、シリンダ２に移送する油路を形成するようにしたので、冷却された比較的温度の低いエンジンオイルを熱電素子の低温側に利用できるので、効果的な温度差を作り出すことができて発電量を大きくできる。
また、本実施形態においては、２つの発電部１１ａ，１１ｂが設けられているので、発電量を増やすことができる。

本実施形態においては、図１および図２に示すように２つの発電部１１ａ，１１ｂを設ける構成としたが、発電部は２箇所に限るものではない。すなわち、例えば、図４に示すように、３つ設けるように構成することもできる。図４に示した構成においては、図２に示した第１の発電部１１ａよりも排気管３３の下流側に第３の発電部１１ｃを一つ増設した構成である。このように、クランクケース４の構造や形状に合わせて発電部を３箇所に設ける構造、さらにそれ以上の数を設ける構造とすることができる。

また、本実施形態においては、排気管３３には触媒３４が設けられている。なお、この触媒３４は、排ガス浄化を行うものであり、排ガス浄化装置は排気管の途中に設けられ、ＨＣやＣＯ、ＮＯｘなどのガスを二酸化炭素や水に還元して排気ガスをクリーンにするが、本実施形態のように、発電部１１ａ，１１ｂよりも排気管３３の最も上流側に設けられていることで、高温下で触媒３４を作用させることができ、熱電素子１０による吸熱作用による排気温度の低下の影響が回避される。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について、図５を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、図５に示す構成以外は第１実施形態と同じであるので、図示を省略し前記実施形態の図中符号を適宜援用する。なお、図５はシリンダヘッド３の要部概略断面図であり、本実施形態とは関連の少ない部材については適宜省略してある。

本実施形態においては、図５に示すように、シリンダヘッド３に設けられる排気ポート６は、内壁面構成部６ａにより構成されている。すなわち、この内壁面構成部６ａは、シリンダヘッド３全体の素材とは別部材として形成され、燃焼室６３側から排気管３３側に至る排気ポート６の略全体の内壁を構成するように設けられている。そして、その材質については、特に限定するものではないが、その必要な要件としては、シリンダヘッド３を構成する部材よりも熱伝導率の低い部材にて構成されている。
なお、図中における６６は吸気ポートであり、６８は排気バルブ（図示しない）保持する保持部材、６７は吸気バルブ（図示しない）を保持する保持部材である。

このように排気ポート６の内壁面が、熱伝導率の低い内壁面構成部６ａにより構成されていることにより、排気ポート６における断熱ができて排気が排気ポート６を通過するときの排気熱の吸収が少なくなり、高温状態のままの排気を排気管３３に供給することができる。この結果、発電部における温度差を大きくできて発電量を大きくすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について、図６を参照しながら詳細に説明する。本実施形態においても、図６に示す構成以外は第１実施形態と同じであるので、図示を省略し前記実施形態の図中符号を適宜援用する。なお、図６は第５図と同様にシリンダヘッド３の要部概略断面図であり、本実施形態とは関連の少ない部材については適宜省略してある。

本実施形態においては、図６に示すように、シリンダヘッド３に設けられる排気ポート６は、この排気ポート６を囲むように断熱空間６ｂが設けられている。すなわち、この断熱空間６ｂは、燃焼室６３側から排気管３３側に至る排気ポート６の略全体の内壁を囲むように設けられている。

このように、排気ポート６の内壁面の外周に断熱空間６ｂが設けられていることで、断熱ができて排気が排気ポート６を通過するときの排気熱の吸収が少なくなり、高温の排気を排気管３３に供給することができる。この結果、発電部１１ａ，１１ｂにおける温度差を大きくできて発電量を大きくすることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について、図７および図８を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は、図７および図８に示す構成以外は第１実施形態と同じであるので、図示を省略し前記実施形態の図中符号を適宜援用する。

本実施形態においては、発電部１１ｄは、熱電素子１０が排気管３３から車両左側に水平に延出され、その低温側１０ａに車体水平方向に延びる多数の冷却フィン２０がベース２０ａを介して接続され、さらに送風ガイド部材２１が設けられている。すなわち、図８に示すように、熱電素子１０および冷却フィン２０は排気管３３と車幅方向に並ぶように配置されている。また、送風ガイド部材２１は、冷却フィン２０の上下及び側方を適宜囲むように構成されている。また、送風ガイド部材２１は、前方側の前方開口部２１ａは後方側の後方開口部２１ｂよりも大きく構成されており、この構成により空気を集めて効果的に送風量を多くして、冷却効果を高めるように構成されている。
なお、送風ガイド部材２１は、ブラケット等を介して車体フレーム２４に適宜固定されている。

このように、本実施形態における発電部１１ｄは、熱電素子１０の低温側１０ａに冷却フィン２０が設けられ、この冷却フィン２０に向って走行風を集中させる送風ガイド部材２１が設けられているので、より多くの空気を冷却フィン２０に当てることができ、これによって温度差を十分に形成することができて効果的な発電することができる。

また、本実施形態においては、冷却フィン２０は、その後端部２０ｃが車体フレーム２４に接続されている。したがって、冷却フィン２０の熱を車体フレーム２４で熱引きをすることができて効果的な放熱ができる。この結果、発電部１１ｄの熱電素子１０での温度差をより大きくすることができる。

以上、本発明を適用した第１〜第４実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、種々変更できるものである。例えば、前掲の実施形態においては、本発明を空冷エンジンの自動二輪車に適用したが、空冷エンジンに限るものではなく種々の車両に適用することができ、また、二輪以外にも三輪車（三輪バギー）や四輪バギーを含む鞍乗型車両、その他の内燃機関に適用することができる。

１ エンジン
４ クランクケース
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
５ エンジン本体
６ 排気ポート
６ａ 内壁面構成部
６ｂ 断熱空間
７ 油路
７ａ オイルパン
８ 第１、第２の外部油路
９ オイルポンプ
１０ 熱電素子
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 発電部
２０ 冷却フィン
２１ 送風ガイド部材
２４ 車体フレーム
３３ 排気管

Claims (8)

1. シリンダ（２）、シリンダヘッド（３）およびクランクケース（４）を備えてなるエンジン本体（５）内をエンジンオイル（ＯＬ）が循環するように構成され、前記エンジン本体（５）によって生じる温度差を利用して発電する熱電素子（１０）を有するエンジン（１）において、
   前記エンジンオイル（ＯＬ）を循環させる油路（７）は、前記エンジン本体（５）の外側に位置する外部油路（８）を備え、前記熱電素子（１０）の低温側（１０ａ）が前記外部油路（８）に接続され、高温側（１０ｂ）が排気管（３３）に接続された発電部（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を有することを特徴とするエンジン（１）。
2. 前記外部油路（８）は、オイルポンプ（９）より吸い上げた前記エンジンオイル（ＯＬ）を、前記シリンダ（２）に移送する間の前記油路（７）に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン（１）。
3. 前記外部油路（８）が複数箇所に設けられ、且つそれぞれの前記外部油路（８）に前記発電部（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン（１）。
4. 前記シリンダヘッド（３）に設けられる排気ポート（６）は、その内壁面が前記シリンダヘッド（３）を構成する部材よりも熱伝導率の低い内壁面構成部（６ａ）にて構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジン（１）。
5. 前記シリンダヘッド（３）に設けられる排気ポート（６）の外周に断熱空間（６ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジン（１）。
6. 前記排気管（３３）には触媒（３４）が設けられており、前記発電部（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）は前記触媒（３４）よりも排気管下流側に配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジン（１）。
7. シリンダ（２）、シリンダヘッド（３）およびクランクケース（４）を備えてなるエンジン本体（５）内をエンジンオイル（ＯＬ）が循環するように構成され、前記エンジン本体（５）によって生じる温度差を利用して発電する熱電素子（１０）を有するエンジン（１）において、
   前記熱電素子（１０）の低温側（１０ａ）に冷却フィン（２０）が接続され且つ高温側（１０ｂ）が排気管（３３）に接続された発電部（１１ｄ）を有し、さらに、前記冷却フィン（２０）に向って走行風を集中させる送風ガイド部材（２１）が設けられていることを特徴とするエンジン（１）。
8. 前記冷却フィン（２０）は、車体フレーム（２４）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載のエンジン（１）。

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