(57)【要約】【課題】  自己始動することができるとともに、効率よく電力を得ることができる発電用圧縮自着火エンジンを提供すること。【解決手段】  燃焼室７６と、ピストン１６と、クランクシャフト１８と、クランクシャフト１８に駆動連結された電動発電機８と、を備えた発電用圧縮自着火エンジン。電動発電機８は、誘導電動機として機能する誘導電動機構造と、同期発電機として機能する同期発電機構造とを有しており、始動するときは、駆動電流を供給することによって、電動発電機８が誘導電動機として機能してエンジン本体部２を駆動し、始動した後は、クランクシャフト１８により回転されることにより電動発電機８が同期発電機として機能して電力を発生する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と燃料との混合気体を燃焼する燃焼室と、前記燃焼室内の混合気体の燃焼によって往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動によって回転されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトに駆動連結された電動発電機と、を備え、商用電源系統に連系して運転される発電用圧縮自着火エンジンであって、
前記電動発電機は、誘導電動機として機能する誘導電動機構造と、同期発電機として機能する同期発電機構造とを有しており、
始動するときは、前記電動発電機に駆動電流を供給することによって、前記電動発電機が誘導電動機として機能し、前記電動発電機によって前記クランクシャフトが所定方向に回転され、始動した後は、前記電動発電機が同期発電機として機能し、前記クランクシャフトの回転によって前記電動発電機が同期回転されて電力を発生することを特徴とする発電用圧縮自着火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動発電機を用いて始動し、始動後はこの電動発電機でもって発電を行う発電用圧縮自着火エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費性能、排気性能の面で高効率を実現できるエンジンとして、自然着火を積極的に利用する圧縮自着火エンジンが研究されている。この圧縮自着火エンジンは、スパークプラグなどの着火装置を必要とせず、燃料と空気の混合気体を燃料室内に送り込み、ピストン圧縮によって混合気体を自然着火させて燃焼させ、これによってピストンの往復運動を継続させるものである。この種のエンジンは、ノッキングを避けつつ、圧縮比を高くすることができるので、窒素酸化物やすすの排出を少なくすることができるとともに、運転効率を高めることができる。そして、このような圧縮自着火エンジンのクランクシャフトに発電機を駆動連結し、クランクシャフトの回転によって発電機を作動させて発電を行うことが試みられている。
【０００３】
しかしながら、このような圧縮自着火エンジンは、エンジン自身で、始動時に着火タイミングを高速に移行しながら目標回転数を維持することが難しく、それ故に、着火後の回転数の増速や、商用電源系統への発電機の連系時に発電機からの発電電力の周波数と商用電源系統の電力周波数とを合わせることが困難であるという問題がある。
【０００４】
そこで、このような圧縮自着火エンジンの始動に関連する問題を解決するために、エンジンのクランクシャフトに電動発電機を駆動連結させた発電用圧縮自着火エンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような発電用圧縮自着火エンジンでは、電動発電機にインバータ設備が設けられ、このインバータ設備を介して商用電源系統に電気的に接続されている。エンジンの始動のときは、商用電源系統からの電力がインバータ設備に供給され、このインバータ設備はエンジンが定格運転まで達するように電動発電機に供給される電力の周波数を所要の通りに変換し、かく周波数変換された電力によって作動される電動発電機（電動機として機能する）の回転によってクランクシャフトが回転される。そして、クランクシャフトの回転数が一定回転数に達する、換言するとエンジンが定格運転の回転数に達すると、圧縮自着火運転に移行し、燃料と空気の混合気体がエンジンの燃焼室に供給され、混合気体の燃焼によるエンジンの運転が行われ、このようにして予混合自着火による自立運転状態となる。その後、電動発電機の運転状態が電動機運転から発電機運転に切り換えられ、この電動発電機を発電機として機能させて発電が行われる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２２０４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のような発電用圧縮自着火エンジンでは、電動発電機として同期型のものを用いているので、電動機として始動させて定格運転の回転数まで上昇させるためにコンバータ−インバータ設備が必要であり、このことに起因して電動発電機に関連する構成が複雑になるとともに、エンジンの製作コストが高価になり、またインバータ−コンバータ設備による電力ロスが大きくなるという問題がある。
【０００７】
インバータ設備を必要とせずに自己始動できる電動発電機としては、誘導電動型のものがあるが、誘導電動型のものは効率が悪く、更に無効電流を常に供給する必要があるので、運転中に停電が生じると発電機が停止するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、自己始動することができるとともに、効率よく電力を得ることができる発電用圧縮自着火エンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発電用圧縮自着火エンジンは、空気と燃料との混合気体を燃焼する燃焼室と、前記燃焼室内の混合気体の燃焼によって往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動によって回転されるクランクシャフトと、前記クランクシャフトに駆動連結された電動発電機と、を備え、商用電源系統に連系して運転される発電用圧縮自着火エンジンであって、
前記電動発電機は、誘導電動機として機能する誘導電動機構造と、同期発電機として機能する同期発電機構造とを有しており、
始動するときは、前記電動発電機に駆動電流を供給することによって、前記電動発電機が誘導電動機として機能し、前記電動発電機によって前記クランクシャフトが所定方向に回転され、始動した後は、前記電動発電機が同期発電機として機能し、前記クランクシャフトの回転によって前記電動発電機が同期回転されて電力を発生することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の請求項１に記載の発電用圧縮自着火エンジンによれば、ピストンの往復動によって回転駆動されるクランクシャフトに駆動連結された電動発電機が、誘導電動機として機能する誘導電動機構造と、同期発電機商用電源系統として機能する同期発電機構造とを有している。エンジンの始動時には、電動発電機に駆動電流が供給され、この電動発電機が誘導電動機として機能し、従って、駆動電流の供給によって電動発電機を作動させて所定回転数まで上昇させ、エンジンを自己始動させることができる。また、エンジンの始動後は、燃焼室の自然着火燃焼によってピストンが往復運動してクランクシャフトが回転駆動され、エンジンが自立運転状態となる。このような自立運転状態になると、商用電源系統の電力との位相差が変わり、電動発電機への駆動電流の供給が自動的に停止され、電動発電機は同期発電機として機能し、ピストンの往復運動によるクランクシャフトの回転によって、この電動発電機が同期回転され、この同期回転によって電力を発生させることができる。このように、電動発電機の誘導電動機構造によってエンジンを自己始動させることができ、始動させた後はその同期発電機構造によって電動発電機を同期回転させて効率よく電力を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う発電用圧縮自着火エンジンの最良の実施形態について説明する。図１は、一実施形態の発電用圧縮自着火エンジンの全体を簡略的に示す簡略図であり、図２は、図１の発電用圧縮自着火エンジンの電動発電機の構造を簡略的に示す簡略図である。
【００１２】
図１において、図示の発電用圧縮自着火エンジンは、エンジン本体部２と、給気手段４と、排気手段６と、電動発電機８と、コントローラ１０とを備えている。エンジン本体部２は、シリンダ１２と、クランクケース１４とを有し、シリンダ１２内には、ピストン１６が上下往復運動自在に設けられ、このピストン１６の図１において上側に燃焼室７６が設けられている。クランクケース１４内にはクランクシャフト１８が配設され、クランクシャフト１８の回転軸部２０がクランクケース１４に回転自在に支持されている。ピストン１６とクランクシャフト１８とは、コンロッド２１を介して駆動連結されており、ピストン１６が上下方向に往復移動すると、このコンロッド２１を介してクランクシャフト１８が所定方向に回転される。
【００１３】
エンジン本体部２の給気側に配設された給気手段４は、空気と燃料との混合気体を燃焼室７６に供給するための給気流路２２を規定し、この給気手段４に、燃料噴射装置２４と、加熱装置２６と、給気バルブ２８とが設けられている。エンジン本体部２の燃焼室７６の給気側には給気口３０が設けられ、この給気口３０を介して給気流路２２と燃焼室７６とが連通されている。給気口３０には給気バルブ２８が設けられ、給気バルブ２８は、クランクシャフト１８の回転に連動して回転する給気カム（図示せず）によって開閉制御される。
【００１４】
この給気流路２２には、燃料、例えば燃料ガス（例えば、都市ガスなど）、燃料油（例えば、ガソリンなど）を噴射する燃料噴射装置２４が設けられており、この燃料噴射装置２４によって給気流路２２内に燃料が噴射され、噴射された燃料は空気と混合されて混合気体となり、この混合気体が給気流路２２を通して燃焼室７６に供給される。また、加熱装置２６は、燃料噴射装置２４の下流側に設けられ、給気流路２２を通して流れる混合気体を所定の通りに加熱する。加熱装置２６は、例えば熱交換器から構成され、この熱交換器において例えば燃焼バーナーからの燃焼ガスと給気流路２２との間で熱交換を行い、この熱交換によって混合気体が加熱される。
【００１５】
エンジン本体部２の排気側に配設された排気手段６は、燃焼室７６からの燃焼排気ガスを外部に排出するための排気流路３２を規定し、この排気手段６に排気バルブ３４が設けられている。エンジン本体部２の燃焼室７６の排気側には排気口３６が設けられ、この排気口３６を介して排気流路３２と燃焼室７６とが連通されている。排気口３６には排気バルブ３４が設けられ、排気バルブ３４は、給気バルブ２８と同様に、クランクシャフト１８の回転に連動して回転する排気カム（図示せず）によって開閉制御される。
【００１６】
次に、図２をも参照して、電動発電機８について説明すると、図示の電動発電機８は、固定子３８と回転子４０とから構成されるものであって、この実施形態では４つの永久磁石を有する４極のものから構成されている。この電動発電機８では、回転子４０の回転軸４２とクランクシャフト１８の回転軸部２０とが、駆動軸４４を介して連結駆動されている。
【００１７】
回転子４０は、誘導電動機に用いられるかご形構造、即ち誘導電動機構造を基本構成としつつ、内部に同期電動機に用いられる永久磁石構造、即ち同期発電機構造を備えている。この回転子４０では、周方向に実質上等間隔をおいて複数の挿入孔４６が設けられ、これら挿入孔４６にロータバー５０が挿入固定されている。また、固定子３８の内周面には周方向に実質上等間隔をおいて複数のスロット５１が設けられ、隣接するスロット５１により規定される歯部５３にコイル（図示せず）が所要の通りに巻かれている。このように構成することによって回転子４０にかご形が形成され、このかご形構造（回転子４０の構造）と固定子３８が誘導電動機構造を構成し、この誘導電動機構造でもって誘導電動機として機能する。
【００１８】
また、この回転子４０に、具体的にはこれらロータバー５０の径方向内側に、４つの永久磁石５２，５４，５６，５８が配置されている。永久磁石５２〜５８は、周方向に実質上等間隔（９０度間隔）をおいて配設され、対向する永久磁石５０，５４（又は５２，５６）がお互いに対面するように（即ち、実質上平行となるように）設けられている。このように構成することによって回転子４０に同期磁石構造が形成され、この同期磁石構造（回転子４０の構造）と固定子３８が同期発電機構造を構成し、この同期発電機構造でもって同期発電機として機能する。電動発電機８におけるかご形の形状、構造や永久磁石５２〜５８の形状、大きさ、配置などは、磁界解析によって漏れ磁束などを考慮して効率よい適宜の形状などに構成される。この電動発電機８は、後に説明するように、発電用圧縮自着火エンジンを始動するときは誘導電動機として機能し、このエンジンの始動後の自立運転状態においては同期発電機として機能する。
【００１９】
この電動発電機８に関連して、更に、次の通りに構成されている。再び図１を参照して、電動発電機８は商用電源系統６４（例えば、三相２００Ｖ、６０Ｈｚの交流電力が供給される）に遮断器６６を介して電気的に接続され、遮断器６６が接続状態のときは、電動発電機８と商用電源系統６４とが電気的に接続され、遮断器６６が遮断状態（図１に示す状態）のときには、電動発電機８と商用電源系統との電気的接続が遮断される。また、この遮断器６６と商用電源系統６４とは接続ライン６５を介して電気的に接続され、この接続ライン６５が電力負荷６７（照明装置、空調装置などの電気機器）に電気的に接続される。
【００２０】
電動発電機８と遮断器６６とを接続する接続ライン６８には、電圧計測器７０及び電流計測器７２が配設され、電圧計測器７０は電動発電機８の発電電力の電圧を検知し、電流計測器７２は電動発電機８の発電電力の電流を検知し、これら電圧検知信号及び電流検知信号はコントローラ１０に送給され、コントローラ１０は検知電圧及び検知電流に基づいて電動発電機８の発電電力を演算する。
【００２１】
また、クランクシャフト１８の駆動軸４４には、クランクシャフト１８の回転位相を検知するための回転位相検知センサ７４が設けられ、更に、シリンダ１２には、ピストン１６の位相を検知するための圧力センサ７６が設けられ、これら回転位相検知センサ７４及び圧力センサ７６からの検知信号がコントローラ１０に送給される。
【００２２】
この発電用圧縮自着火エンジンにより発電を行うためには、遮断器６６を閉状態（導通状態）にすればよい。例えば、運転開始操作によってコントローラ１０が運転信号を生成し、この運転信号に基づいて遮断器６６が閉状態となる。
【００２３】
このように閉状態になると、商用電源系統６４からの交流電力が遮断器６６を介して電動発電機８に供給される。このように駆動電力が供給されると、電動発電機８は電動機、即ちかご形の回転子４０を備えた誘導電動機として機能し、回転子４０が所定方向に回転し始め、電動発電機８が自己始動する。電動発電機８からの回転駆動力は駆動軸４４及び回転軸部２０を介してクランクシャフト１８に伝わり、このクランクシャフト１８及びコンロッド２１を介してピストン１６に伝達され、ピストン１６が上下方向に往復運動し、電動発電機８の回転上昇とともにピストン１６の往復移動速度も上昇する。そして、電動発電機８が所定の同期速度に達すると、コントローラ１０からの作動信号によって燃料噴射装置２４及び加熱装置２６が作動し、燃料噴射装置２４は給気流路２２を流れる空気流に燃料を噴射し、噴射した燃料と空気との混合気体が加熱装置２６により加熱され、加熱された混合気体が燃焼室７６に送給される。
【００２４】
そして、混合気体がピストン１６による圧縮によって燃焼室７６内で自然着火して燃焼するようになると、エンジンの圧縮自着火運転状態に移行し、エンジンは自立運転状態となって運転される。この圧縮自着火運転状態（自立運転状態）に移行すると、電動発電機８は同期発電機として機能し、ピストン１６の往復運動によるクランクシャフト２０の回転を利用して電動発電機８の回転子４０が回転され、電動発電機８は電力を発生する。
【００２５】
この圧縮自着火運転状態においては、コントローラ１０は、電圧計測器７０及び電流計測器７２からの検知信号に基づいて電動発電機８の発電電力を演算し、この発電電力が目標発電量となるように燃料噴射装置２４の燃料噴射量を制御し、このようにして電動発電機８の発電電力が所定の目標発電量となるようにエンジンが運転される。また、コントローラ１０は、回転位相検知センサ７４の検知位相（クランクシャフト２０の回転位相）と圧力センサ７６の位相（ピストン１６の位相）とが所定の関係となるように加熱装置２６の加熱量を制御し、自立運転によってエンジン本体部２が充分な温度に温まると加熱装置２６の作動を停止する。
【００２６】
このように、上述した発電用圧縮自着火エンジンは、始動するときは、電動発電機８を誘導電動機として機能させてエンジンの駆動に利用し、混合気体の自着火が行われた後は、電動発電機８を同期発電機として機能させて発電に利用しているので、簡単な構成でもって、高効率で発電を行うことができる。
【００２７】
以上、本発明に従う実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００２８】
例えば、上述した実施形態では、発電用圧縮自着火エンジンのエンジン本体部２が４サイクルのものに適用して説明したが、このようなものに限定されず、たとえば２サイクルのエンジン本体部にも同様に適用することができる。
【００２９】
また、例えば、上述した実施形態では、加熱装置２６として熱交換器を用い、燃焼ガスとの間で熱交換をしてエンジン本体部２を温めているが、このような構成に限定されず、燃焼室７６に面して点火プラグを配設し、この点火プラグによる燃焼を一時的に行い、この燃焼熱を利用してエンジン本体部２を温めるようにしてもよく、或いは、給気手段４に電動機付きターボチャージャーを配設し、このターボチャージャーを強制運転して給気を過給し、この過給により発生する熱を利用してエンジン本体部２を温めるようにしてもよい。
【００３０】
また、例えば、必要に応じて、外部電源６０と切替えスイッチ１１との間にリアクトルを介在させるようにしてもよく、かかる場合、電動発電機８を誘導電動機として機能させるの突入電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施形態の発電用圧縮自着火エンジンを簡略的に示す簡略図である。
【図２】図１の発電用圧縮自着火エンジンに設けられた電動発電機の構造を簡略的に示す簡略図である。
【符号の説明】
【００３２】
２  エンジン本体部
４  給気手段
６  排気手段
８  電動発電機
１０  コントローラ
１２  シリンダ
１６  ピストン
１８  クランクシャフト
２４  燃料噴射装置
２６  加熱装置
６４  商用電源系統
６６  遮断器
７６  燃焼室
【図１】
2006233875.tif 000003
【図２】
2006233875.tif 000004