JP2005520965A - 過給ピストン・エンジン及びピストン・エンジン装置の窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を低減させる方法 - Google Patents

Abstract

過給ピストン・エンジン１で窒素酸化物ＮＯｘ排出を低減する方法において、燃焼用空気の圧力が過給装置２によって周囲圧力のレベルより高いレベルまで増加され、水が燃料噴射に関するのと同じ噴射装置で、エンジンの燃焼スペース中にエマルジョンとして噴霧される方法であって、さらに、燃焼用空気の含水量４，４’が、エンジン燃焼スペース内に燃焼用空気を導く前に増加される方法。本発明はまた、いくつかのシリンダと、燃焼用空気チャネル３を通して、各シリンダに流れ連結で配置されたターボ過給機２とを含むピストン・エンジン装置１であって、さらに、燃料−水−エマルジョン７’をもたらすための装置と、燃料−水−エマルジョンを各シリンダに供給するためのシリンダに連結するノズル７と、さらに、燃焼用空気流方向のターボ過給機の後に、燃焼用空気に水を導くための燃焼用空気チャネル３内に配置されるノズル装置４，４’とを含むピストン・エンジン装置に関する。

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の方法、及び請求項１１に記載のピストン・エンジン装置に関する。

高い燃焼温度では、排気ガスと共に空気中に放出される窒素酸化物（ＮＯｘ）が、ピストン・エンジンのシリンダ内に生成される。窒素酸化物の排出は、環境的に有害な影響があるので、それらを最小限に抑える努力がなされてきた。

燃焼用空気を用いて燃焼工程に水を加えることによって、よく知られているように、窒素酸化物の放出の発生が低減される。この現象は、特に水の冷却効果に基づいている。実際には、ピストン・エンジンの燃焼工程に水を加えることは、主に３つの異なる代替方法で実行に移され、その結果、水が直接エンジンの燃焼室に供給される、又は水が燃料と共に燃料エマルジョンとして供給される、又は水の供給が、吸気への吸気チャネルを通して行われる。

米国特許第５７５８６０６号の公報では、過給機の後でエンジンの吸気に給水する方法が発表されている。水は最初エンジンの冷却水と共に加熱され、別個の給湿塔に供給され、その中で霧状に噴霧された水は蒸発する。この種の装置は、例えば給湿塔がスペースを必要とするために実用的でなく、大きなサイズの給湿塔が高圧下で動作するので、いくつかの安全上のリスクをもたらす。また、文献ＥＰ−Ａ−０９１６８３６、ＵＳ−Ａ−４９６００８０、ＥＰ−Ａ−１０７６１６９及びＵＳ−Ａ−６０８２３１１は、燃焼用空気の含水量が、空気を燃焼室に導く前に増加される過給エンジンを開示する。

吸気を用いて水を燃焼スペースに供給することは、それ自体では、エンジンの軸効率を低下させないが、いくつかの状態では、窒素酸化物排出を低減させることに鑑みて、湿度が十分なレベルに達することができ、それにより、空気の質量流量及び酸素含有量が減少されるように、吸気の温度を高くしなくてはならない。したがって、燃焼スペースで蒸発して得られる水の量は、吸気の圧力及び温度状態では、気体状態で残る量だけである。したがって、燃焼スペースで、吸気と共に得られる水の量は、吸気の状態での水蒸気の飽和によって限定される。吸気の連続した給湿のため、吸気弁と排気弁の両方が同時に開けられるシリンダの掃気段の間に、水の一部が脱出し、利用することができないので、必要な水の量は比較的多い。

ＥＰ ０ ６８３ ３０７ Ａ１の公報では、エンジンの点火順序に応じてエンジンのシリンダに直接水を供給する装置が発表されている。エンジンの回転速度、ピストンの位置及び／又はエンジンの動作状態を入力データとして使用する調整ユニットによって制御される吸気行程の間に、水が噴霧される。この種の解決法では、問題は、例えば燃焼スペースへの最適な水の分配であり、したがって、多すぎる水を噴霧する必要はなく、一方では望ましい効果を得ることである。さらに、燃焼スペースに直接水を供給することは、かなり複雑な装置を必要とする。水及び燃料を供給することを、交互に同じノズル装置で実行することもできる。

水を燃焼スペースに直接供給することと同様にエマルジョンとして燃料と共に水を供給することも知られている。この解決法は、多くの点で有利であるが、具体的な問題は、装置を、燃料と水を組み合わせた流量によって決定される比較的高い容量に寸法決めしなければならないことである。この場合、特に部分的な負荷では、動作は最適にならない。ＥＰ ０ ７４２ ３６３の公報では、従来の燃料−水−エマルジョン噴射の問題に対する解決法が発表されている。そのようにして使用すると、燃料−水−エマルジョンの準備システムが比較的複雑になる可能性があり、その水の量の制御は遅い。

本発明の目的は、燃焼工程の水の利用に基づき、その従来技術の欠点を実質的になくした過給ピストン・エンジン内の窒素酸化物排出及び煙の生成を低減させる改良された方法及び装置を提供することである。より正確には、本発明の目的は、ＥＰ ０ ７４２ ３６３の公報で示されたように水−燃料エマルジョンを使用するが、そのようなシステム及び方法の欠点を取り除いた方法及び装置を提供することである。

本発明の目的を、主として、請求項１及び１１並びに他の請求項により詳細に開示されているように達成することができる。

過給ピストン・エンジンで窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を低減する本発明による方法では、燃焼用空気の圧力が過給装置によって周囲圧力のレベルより高いレベルまで増加され、水が、燃料噴射の際と同じ噴射装置でエンジンの燃焼スペース中にエマルジョンとして噴霧される。さらに、この方法では、燃焼用空気の含水量が、エンジンの燃焼スペース内に燃焼用空気を導く前に増加され、必要な全体の水の量が、燃焼用空気に供給される水の量を調整することによって調節される。

本発明の方法によれば、エンジンが動作している間、水の供給要件と供給位置の両方が、エンジンの動作状態の測定及び／又は決定、並びに燃料供給システムの容量使用度に基づいて、連続して決定される。このようにして、噴霧すべき燃料−水−エマルジョンの量、及びまたこのようにしてこの径路を通って導き入れられる水の量についての燃料供給システムから得られた正確な情報を使用することができる。

本発明の実施例によれば、燃料の量はエンジンの負荷に従って調節される。燃料と共に供給される水の量は、最大で、燃料供給システムの最大容量に合致する供給量と、供給される燃料の量の差になるように調節され、燃焼用空気に供給される水の量は、その量が所定の窒素酸化物排出レベルと、燃料と共に供給された水の量によって引き起こされる窒素酸化物排出レベルとの差を等しくする量に少なくとも対応するように調節される。

本発明の別の実施例では、燃料−水−エマルジョンの水の量は、ほぼ一定に維持される。より正確には、燃焼用空気に供給される水の量は、エンジンの負荷に従って、有利には燃焼用空気の圧力に従って調整される。常に有利な方式で燃焼用空気に水を噴霧できるために、噴射は、各ノズルの噴射圧力がほぼ一定に維持されるように実行された。噴射される水の量は、定められた時間に、必要なノズルの量を動作させ続けることによって調節される。したがって、オン・オフの原則に従って調節されるいくつかのノズルがあり、その場合、常に必要な量のノズルが使用される。

本発明によれば、燃料−水−エマルジョンは、燃料の量の１０％から５５％の水を有利に含み、燃焼用空気と共に供給される水の量は、供給される燃料の量の０．５から５倍である。燃料−水−エマルジョンの含水量は、ほぼ一定に維持され、言い換えれば、エンジンの急激な負荷変動の力学によって調節されない。一方、燃焼用空気に供給される水の量を調節することによって、エンジンの実負荷に基づいて制御される。燃焼用空気に噴霧される水は、有利には液体であるが、いくつかの場合では、水蒸気でもよい。

燃焼用空気に供給される水の量が、理論上の空気の飽和に必要な水の量より若干多いように調整され、液体の状態のままの水が、エンジンの燃焼スペースに空気を導く前に燃焼用空気から分離される場合、本方法の制御がさらに簡単になる。

本発明によるピストン・エンジン装置は、いくつかのシリンダと、燃焼用空気チャネルを通して、各シリンダに流れ連結で配置されたターボ過給機と、燃料−水−エマルジョンを供給するための装置を含み、さらに燃料−水−エマルジョンを各シリンダに供給するためのシリンダに連結するノズルがある。さらに、本発明によるピストン・エンジン装置では、独立に開閉できる多数のノズルを含むノズル装置が、ターボ過給機の後に燃焼用空気流方向で燃焼用空気に水を導くために燃焼用空気チャネル内に配置される。

燃焼用空気チャネル内に、エンジンのシリンダに至る前に燃焼用空気から液体の水を分離するための少なくとも１つの液滴分離機が有利に適合される。エンジン装置は、前記ノズル装置に連結された水予熱装置をさらに有利に含み、その場合、液滴分離機は、水予熱装置に流れ連結している。

本発明により、より高い効率の、排気ガスからの窒素酸化物と煙の生成の組み合わせた低減などいくつかの利点が得られる。さらに、本発明による方法の全部の水の消費量は、知られている解決法によるものより少なく、本発明による方法の燃料消費率も、非常に少ない。本発明による解決法では、水が、エマルジョンの形で燃料内に蒸発して、燃料液滴の分解をもたらすとき、燃料液滴の生成、及びこのような燃焼がより効率的になる。

本発明を、図１が本発明による実施例の概略図を示す添付の図面に関して、例として以下に説明する。

図１では、参照番号１は、それ自体が知られた方法でターボ過給機２に連結されたピストン・エンジンを示す。エンジン１の各シリンダに連結して、燃料噴射ノズル７が配置され、そのノズルによって燃料と水の混合物、燃料−水−エマルジョンが、エンジン内に供給される。システムは、燃料−水−エマルジョンを供給する装置７’も含む。燃料を既製のエマルジョンとして得ることが可能であり、この場合、装置７’は、主に燃料供給装置だけを含むが、燃料−水−エマルジョンを供給する装置が、燃料−水−エマルジョンを製造する装置を含むことも可能である。燃料−水−エマルジョンを供給することは、エンジンの窒素酸化物排出を大幅に低減させる。燃料−水−エマルジョン中の含水量は有利には一定に維持され、水が、一般に燃料の量の１０％から５５％を含む。燃料システム及び使用される燃料によって設定された限界を考慮して、燃料の含水量は、できるだけ高く保つことができる。水と燃料の割合が変えられる場合、それはエンジンの負荷に従って有利に行われる。

過給機２とエンジンを連結するチャネル３内に、水を燃焼用空気に供給する管路１２に連結するノズル装置４が配置される。過給器の圧縮機の前に、対応するノズル装置４’があってもよい。図に、水システムを、参照番号１１で表わした。必要によっては、例えば、蒸気発生装置又は水予熱装置を含むことができる。チャネル３では、燃焼用空気の温度を変える熱交換装置５も配置した。チャネル３は、エンジン１の空気室８に連結され、空気室から空気がエンジンの各シリンダに導かれる。図に、装置に有利に使用される液滴分離機６も示した。液滴分離機６から、チャネル１３が、燃焼用空気から分離された水の再循環及び再利用を可能にする水システム１１に配置される。このようにして、必要が生じた場合、空気を飽和させるのに理論上十分な量より多い水を燃焼用空気にもたらすことができる。ノズル装置４、４’を用いて、燃焼用空気をエンジンの燃焼スペースにもたらす前に、燃焼用空気の含水量を増加させる。空気に供給される水の量は、空気が本質的に飽和するように毎回有利に選択される。一般に、燃焼用空気によく合う水の量は、供給される燃料の量のほぼ０．５から５倍である。状況に応じて、液体又は蒸気で水を供給することができる。

本発明による方法を実施するために、エンジンの制御システム９が、いくつかのエンジンの異なる位置から情報を集めるように配置された。エンジンの燃焼用空気の状態が、圧縮機の前に配置された測定要素３．１を用いて測定される。図１に示すように、圧縮機の後に配置された追加の測定要素３．３があってもよい。さらに、燃焼用空気、並びにいわゆる過給圧力の状態が、エンジン１の燃焼用空気室８に連結して配置された測定要素３．２を用いて測定される。エンジンの排気ガスの状態が、測定要素１０の測定データによって決定される。エンジンの動作が、測定要素１．１及び測定要素１．２の測定値の助けでさらに追跡される。これらから、特に測定要素１．２が、エンジンの負荷及び回転速度を測定するために配置された。

本発明による方法では、水を燃焼工程にもたらすことは、燃料と燃焼用空気の両方を組み合わせた方法で実行される。このようにして、２つの別々のシステムを使用して、水の量の制御を有利に実行することができ、したがって、燃料−水−エマルジョンの含水量がほぼ一定にされ、必要な全体の水の量が、燃焼用空気に供給される水の量を制御し調整することによって、調整される。燃焼用空気に供給される水の量は、燃焼用空気の圧力を適切な指標にできるエンジンの負荷によって有利に調節される。燃焼用空気に供給される水の量は、定められた時間の必要に従って、各ノズルの噴射圧力がほぼ一定である、適切な数の水噴射ノズルを開閉することによって調節される。このようにして、水の有利な液滴生成又は噴霧化、及び燃焼用空気に適切な水の量が同時にもたらされる。

本発明による方法は、燃料−水−エマルジョンが一般に燃料の量の１０％から５５％の一定量の水を含み、水の源で予熱された液体の水が、燃焼用空気を給湿するために使用されるように有利に実行される。したがって、空気に供給される水の量が空気の飽和に理論上必要な水の量を常に越えるように、燃焼用空気に供給される水の量を調整することによって、必要な全体の水の量が調整される。この方法では、液体の形の水は、エンジンの燃焼スペースに至る前に燃焼用空気からさらに分離され、分離された水は、再利用されるように水の源に再循環される。

本発明は、示された実施例に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内でいくつかの修正が可能である。

Claims (14)

1. 過給ピストン・エンジン（１）で窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を低減する方法において、燃焼用空気の圧力が過給装置（２）によって周囲圧力のレベルより高いレベルまで増加され、水が燃料噴射と共にエマルジョンと同じ噴射装置を用いて前記エンジンの燃焼スペース中に噴霧される方法であって、さらに、前記燃焼用空気の含水量（４，４’）が、前記エンジン燃焼スペース内に前記燃焼用空気を導く前に増加されることを特徴とする方法。
2. 前記エンジンが動作している間、エンジンの動作状態（１．１、１．２、３．１、３．２）及び燃料供給システムの容量使用度の測定及び／又は決定に基づいて、前記水の供給要件及び供給位置（４、４’）が連続して決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記燃料の量が、前記エンジンの負荷（１．２）に従って調節され、
   前記燃料と共に供給される前記水の量が、最大で、前記燃料供給システムの最大容量に合致する供給量と、供給される燃料の量の差になるように調節され、
   前記燃焼用空気（４、４’）に供給される前記水の量は、その量が所定の窒素酸化物排出レベルと、前記燃料と共に供給された前記水の量によって引き起こされる窒素酸化物排出レベルとの差を等しくする量に少なくとも対応するように調節されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 燃料−水−エマルジョン（７）の前記水の量がほぼ一定に維持され、前記必要な全体の水の量は、前記燃焼用空気（４，４’）に供給される前記水の量を調整することによって調節されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記燃焼用空気に供給される前記水の量が、前記エンジンの負荷（１．２）に従って調整されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記燃焼用空気に供給される前記水の量が、前記燃焼用空気の圧力（３．２）に従って調整されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記燃料−水−エマルジョンが、前記燃料の量の１０％から５５％の水を含み、前記燃焼用空気と共に供給される前記水の量が、供給される燃料の０．５から５倍の量であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
8. 前記燃焼用空気の前記含水量が、前記燃焼用空気に液体の水を噴霧することによって増加されることを特徴とする請求項１から7までのいずれか一項に記載の方法。
9. 前記燃焼用空気の前記含水量が、前記燃焼用空気に水蒸気を噴霧することによって増加されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
10. 前記燃焼用空気に供給される前記水の量が、空気の飽和に必要な理論上の前記水の量より多くなるように調節され、液体の水が空気を前記エンジンの燃焼スペースに導く前に前記燃焼用空気から分離されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
11. いくつかのシリンダと、燃焼用空気チャネル（３）を通して、前記各シリンダに流れ連結で配置されたターボ過給機（２）とを含むピストン・エンジン装置（１）であって、前記燃料−水−エマルジョン（７’）を供給するための装置を含み、さらに、前記燃料−水−エマルジョンを各シリンダに供給するための前記シリンダに連結するノズル（７）があり、ノズル装置（４，４’）が、燃焼用空気流方向の前記ターボ過給機の後に、前記燃焼用空気に前記水を導くための前記燃焼用空気チャネル（３）内に配置されることを特徴とするピストン・エンジン装置。
12. 前記燃焼用空気チャネル（３）内に、前記エンジン（１）のシリンダに至る前に前記燃焼用空気から液体の水を分離するための少なくとも１つの液滴分離機（６）が配置されることを特徴とする請求項１１に記載のピストン・エンジン装置。
13. 前記ノズル装置に連結された水予熱装置（１）を含み、前記液滴分離機（６）が前記水予熱装置（１１）と流れ連結することを特徴とする請求項１１に記載のピストン・エンジン装置。
14. 前記ノズル装置（４，４’）が、独立に開閉することができる多数のノズルを含むことを特徴とする請求項１１に記載のピストン・エンジン装置。

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