(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を順に行う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、
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、
前記増加行程サイクル運転において、前記排気行程の終了後から次の前記吸気行程の開始までの間に前記一対の休止行程の１つ以上を追加して運転するエンジン。
【請求項２】
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請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
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請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
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請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジン。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンと、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。）
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−７６５１７号公報
【特許文献２】特開２００１−６５９３３５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、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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、排気行程を順に行う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、
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、
前記増加行程サイクル運転において、前記排気行程の終了後から次の前記吸気行程の開始までの間に前記一対の休止行程の１つ以上を追加して運転する点にある。
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。
【０００９】
上記第１特徴構成によれば、吸気、圧縮、燃焼、排気を順に行う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。
更に上記特徴構成のように、上記一対の休止行程を、上記排気行程の終了から次の上記吸気行程の開始までの間に追加すれば、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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１６】
本発明に係るエンジンの第４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。
【００１７】
上記第４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。
【００１８】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
〔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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
〔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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】エンジンの概略構成図
【図２】４行程サイクル運転の状態を模式的に表す説明図
【図３】６行程サイクル運転の状態を模式的に表す説明図
【図４】８行程サイクル運転の状態を模式的に表す説明図
【図５】負荷制御の状態を模式的に表す説明図
【図６】ヒートポンプシステムの概略構成図
【符号の説明】
【００５７】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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