JP2006002608A - ミラーサイクルガスエンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高熱効率化と排ガス中の窒素酸化物の排出抑制を同時に達成するミラーサイクルガスエンジン装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 ピストンの下死点到達時に対して吸気弁を早いもしくは遅い時期に完閉することにより膨張比よりも有効圧縮比を低下させることとするミラーサイクルガスエンジンにおいて、着火装置として超高温プラズマをシリンダ内へ噴射するプラズマ着火装置１５が設けられ、吸気弁側にはエンジンの排ガスの一部をシリンダ内へ帰還させる循環路１７が接続されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はミラーサイクルガスエンジン装置に関する。

ミラーサイクルガスエンジンは、例えば、特許文献１に開示されている。

このミラーサイクルガスエンジンは、特許文献１でも概説されているように、吸気弁の閉時期を、例えば下死点よりも遅らせることにより、膨張比よりも有効圧縮比を低下させて、ノッキングの防止や高熱効率を得るようにしている。上記吸気弁の閉時期を下死点よりも早めることによっても同様な効果を得ることが公知である。
特開２００１−１９３４６８

ミラーサイクルガスエンジンでは、吸気弁の完閉時期が下死点にないために圧縮開始時のシリンダ容積が小さくなるので、これによってエンジンの出力が低下することを防止して出力を維持するために、通常、過給機により予め高圧縮された混合気をシリンダ内へ供給する。したがって、上述のごとく、ミラーサイクルガスエンジンでは、高熱効率で運転できるものの、シリンダの燃焼温度の過昇温に伴って排ガス中の窒素酸化物濃度も増大することとなり、高熱効率化と窒素酸化物排出抑制との両立が図れていない。

本発明は、このような事情に鑑み、高熱効率化と窒素酸化物の排出抑制との両立を図れるミラーサイクルガスエンジン装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガスエンジンはミラーサイクルの形式をなしている。ミラーサイクルガスエンジンは、ピストンの下死点到達時に対して吸気弁を早いもしくは遅い時期に完閉することにより膨張比よりも有効圧縮比を低下させるようになっている。

かかるミラーサイクルガスエンジン装置において、本発明は、着火装置として超高温プラズマをシリンダ内へ噴射するプラズマ着火装置が設けられ、吸気弁側にはエンジンの排ガスの一部をシリンダ内へ帰還させる循環路が接続されていることを特徴としている。

このような本発明のエンジン装置では、ガス燃料と空気の混合気は、シリンダ内へ供給されここで圧縮された状態で、シリンダ内へ噴出する超高温のプラズマにより着火され燃焼する。

プラズマは複数の方向、例えば放射状に噴出するため、混合気に対して広範囲で着火する結果、着火が安定し燃焼が均一に行われて有害物の排出が抑制されて低公害となり、ノッキングが抑制されて高圧縮比運転のもとで高熱効率を得られる。

また、可燃範囲が拡大する結果、混合気へエンジンの排ガスの一部を混合させることを可能とし、シリンダ内の燃焼温度の過昇温を防止して窒素酸化物の生成を抑制することができ、そして内部熱循環により高熱効率を得る。

また、ノッキングが抑制されることで、過給圧を高くできるので、吸気時間が短縮可能となりミラーサイクルの採用が実現でき、高熱効率化を図れる。また、上記過給圧を高く
できることで、充填率の向上、ひいては出力が増大する。

さらには、シリンダ内の燃焼が均一化されるので、燃焼制御が容易となり、エンジンの構造を単純にすることができ、耐久性が向上すると共に、設備費を低減することができる。

本発明では、排ガス循環率が１０〜５０％の範囲であることが好ましい。ここで排ガス循環率とは、エンジンから排出される全排ガス量に対する循環排ガス量の割合をいう。排ガスをシリンダ内へ供給することにより、シリンダ内の混合気の酸素濃度を調整し、シリンダ内の燃焼温度の過昇温を防止して窒素酸化物の生成を抑制することができる。下限値１０％より低いと燃焼温度の過昇温を防止する効果が小さく窒素酸化物の生成抑制ができず、上限値５０％より高いと混合気が可燃範囲からはずれ着火できない。

また、本発明では、シリンダに供給される空気の空気過剰率が１．１〜１．３の範囲とする低空気比燃焼を行なうことが好ましい。ここで空気過剰率とは、ガス燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する供給空気量の割合をいう。低空気比燃焼を行なうことにより、空気量を少なくして循環排ガス量を多くできるため、高排ガス循環率（高ＥＧＲ率）が達成され、その結果、ノッキングの抑制、窒素酸化物の排出抑制が図れる。下限値１．１より低いと局所的に酸素が不足する個所が生じ未燃分が発生する。上限値１．３より高いとシリンダへの充填効率が低下し、また低空気比燃焼による上記の効果が得られない。

また、本発明では、シリンダに供給される混合気のシリンダ入口での吸気圧がゲージ圧で０．１５〜０．４０ＭＰａの範囲であることが好ましい。下限値０．１５ＭＰａより低いとシリンダへの充填率が低く循環排ガス量を多くできないため高排ガス循環率が達成できず、上限値０．４０ＭＰａより高いと圧縮終了時の混合気温度が過昇して、圧縮行程での異常燃焼、ノッキングの原因となる。

また、本発明では、シリンダ入口での吸気混合気の温度が５０〜３００℃の範囲であることが望まれる。下限値５０℃より低いと排ガス循環による反応性低下を補完できずに着火・燃焼の安定化が図れないし、上限値３００℃より高いと圧縮終了温度が過昇してノッキングの原因となる。

さらに、本発明では、吸気弁の完閉時期をエンジンから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度の変動と連動して調整する制御手段を有し、該制御手段は窒素酸化物の濃度の上昇時に吸気弁の完閉時期を上死点側にずらすように設定されていることが好ましい。こうすることにより、エンジンの始動運転時や負荷を増やすような過渡的な運転時にガス燃料供給量を多くしたり、着火のための超高温プラズマのエネルギーを高くする運転を行って、シリンダ内の燃焼温度が過昇温となり排ガス中の窒素酸化物の濃度が上昇しても、吸気弁の完閉時期を上死点側にずらすことにより有効圧縮比を低下させ圧縮混合気の温度を低下させてシリンダ内の燃焼温度の過昇温を抑制できるので、常時窒素酸化物の排出抑制が達成できる。

さらに、本発明では、吸気弁の完閉時期をエンジンの軸出力の変動と連動して調整する制御手段を有し、該制御手段は軸出力の低下時に吸気弁の完閉時期を下死点側にずらすように設定されていることが好ましい。こうすることにより、エンジンの部分負荷運転時にガス燃料の供給量を少なくしてシリンダ内の燃焼温度が低下しても、吸気弁の完閉時期を定格運転時の完閉時期よりも下死点側にずらすことにより、有効圧縮比を増加させ圧縮混合気の温度を高くして熱効率が低下することを防ぐので、軸出力が変動しても、常時高熱効率が達成できる。

本発明では、以上のごとく、シリンダ内の圧縮混合気は、着火装置から噴出される超高温のプラズマで着火されるので、このプラズマがシリンダ内で拡がる結果、混合気に対して広範囲で着火することとなり、燃焼が均一に行われて低公害となり、また、ノッキングが抑制されて高圧縮比運転のもとで高熱効率を得られる。さらには、可燃範囲が拡大する結果、混合気へエンジンの排ガスの一部を混合させることを可能とし、高排ガス循環率を達成し、排出窒素酸化物の排出抑制そして内部熱循環により高熱効率を得る。また、ノッキングが抑制される結果、過給圧を高くできるために、吸気時間を短縮でき、ミラーサイクルが実現可能となり、この点でも高熱効率を得る。しかも、上記のごとく同時に窒素酸化物の排出抑制がなされる。

さらには、シリンダ内の燃焼の均一化の結果、燃焼制御が容易となり、エンジンの構造を簡単にすることができ、耐久性が向上すると共に、設備費を低減することができる。

以下、添付図面にもとづき、本発明の実施の形態を説明する。

図１において、符号１は本実施形態におけるガスエンジンで、ミラーサイクル形式となっており、図１では、簡略図示のためシリンダ、ピストン等の図示が省略されている。本実施形態装置は、好ましい形態として、過給機２を有しており、その被駆動部２Ａがエンジン１の排気側１Ａに、そして加圧部２Ｂがエンジン１の吸気側１Ｂにそれぞれ接続されていて、上記過給機２は上記被駆動部２Ａがエンジン１の排気で回転駆動されてこれに連結されている加圧部２Ｂで外部からの取入れ空気を圧縮して上記エンジン１のシリンダ内へ供給するようになっている。上記エンジン１には、その出力で発電機３を回転するように、該発電機３が接続されている。

本実施形態装置には、好ましい形態として、吸気される空気、そして爆轟のための酸化剤として外部から取り入れられる空気を、エンジンの排気の熱を利用して、この排気熱と外部からの取入れ空気との間で熱交換することにより、この空気を予め高温化するために、蓄熱高温空気製造装置４を有している。この蓄熱高温空気製造装置４自体は公知であるので、詳細な説明を省略するが、例えば特開平１０−２６７２６３に開示されているものが用いられる。

上記蓄熱高温空気製造装置４は、給気管５が弁６を経て大気を吸引するブロワー７に、排気管８が排ガス処理装置９に、排気取入管１０が過給機２の被駆動部２Ａの出口に、そして送気管１１が爆轟装置を有する着火装置１２にそれぞれ接続されている。なお、高温空気を製造する装置として、蓄熱高温空気製造装置の代りに通常の金属製の伝熱管等の熱交換器を用いる装置を用いてもよい。

過給機２の加圧部２Ｂには外気を取り入れる外気取入管１３が接続されていて、さらに加圧部２Ｂは吸気マニホルド１４によりエンジン１の吸気側１Ｂに接続されている。該外気取入管１３と上記吸気マニホルド１４によりエンジンの吸入ラインが形成されている。

上記吸気マニホルド１４には、ガス燃料を供給するガス燃料源１５からガス燃料供給管１６が接続されており、上記過給機２の加圧部２Ｂで加圧された吸気マニホルド１４内の加圧空気へガス燃料が導入される。この吸気マニホルド１４には、蓄熱高温空気製造装置４の送気管１１から分岐した高温空気送気管１１Ａと、過給機２の被駆動部２Ａから出たエンジン排気の一部をブロワー１６により上記吸気マニホルド１４へ送り込む循環路としての排気供給管１７とが接続されている。ガス燃料、外部から取入れられ加圧された空気、高温空気およびエンジン排気の一部からなる混合気がシリンダに供給される。上記高温
空気送気管１１Ａと排気供給管１７とガス燃料供給管１６は、好ましくは、吸気マニホルド１４内に旋回流を形成するように吸気マニホルド１４に対して接線方向で接続される。また、上記送気管１１は、着火装置１２へも接続されている。

上記排気供給管１７によるエンジン排ガスのシリンダへの帰還量は、排ガス循環率が１０〜５０％の範囲で行なわれる。ここで排ガス循環率とは、エンジンから排出される全排ガス量に対する循環排ガス量の割合をいう。全排ガス量と循環排ガス量をそれぞれの流路に設けた流量計で計測して排ガス循環率を検知し、例えば排気供給管１７に開度が調整可能な開閉弁を設けて排ガス循環率を所定の範囲となるように調整する。

上記ガスエンジンのシリンダ入口にはピエゾ素子などの圧力センサが設けられ、シリンダに供給される混合気のシリンダ入口での吸気圧を検知し、例えば過給機２の加圧部２Ｂにより加圧された外部取入れ空気の圧力を開度調整可能な開閉弁により調整すること、または過給機２の被駆動部２Ａに送気するエンジン１の排気流量を開度調整可能な開閉弁で調整して加圧部２Ｂで加圧する外部取入れ空気の圧力を調整すること等により混合気のシリンダ入口での吸気圧を所定の範囲となるように調整する。

上記ガスエンジンのシリンダ入口には熱電対や放射温度計などの温度センサが設けられ、シリンダに供給される混合気の温度を検知し、例えば過給機２の加圧部２Ｂにより加圧される際に昇温される外部取入れ空気、吸気マニホルド１４に送気される高温空気またはエンジン排気の一部の温度を調整すること等により混合気のシリンダ入口での温度を所定の範囲となるように調整する。

上記ガスエンジンの吸気弁は高速油圧サーボ機構により開閉され、その完閉時期を調整可能に構成されている。完閉時期を調整可能なカム機構により吸気弁を開閉するように構成されてもよい。

上記ガスエンジンの排ガス流路にはガス分析計が設けられ、排ガス中の窒素酸化物の濃度を検知し、排ガス中の窒素酸化物の濃度の変動と連動して吸気弁の完閉時期を調整するように構成されている。また上記ガスエンジンの回転軸には回転計が設けられ、ガスエンジンの軸出力を検知し、軸出力の変動と連動して吸気弁の完閉時期を調整するように構成されている。

本実施形態では、着火装置１２は爆轟装置を有する形式となっているが、この爆轟装置は、ガス燃料源１５から供給されるガス燃料と蓄熱高温空気製造装置４から供給される高温空気との混合気を間欠的に燃焼して爆轟を生じさせ超高温のプラズマを発生し、シリンダ内の混合気の着火時にタイミングを合わせて該シリンダ内に上記プラズマを噴出する。爆轟自体の原理は公知なので、ここではその説明を省略する。この爆轟装置では、爆轟室からプラズマの噴出ノズルに向けその流路の断面積を収束するようにしておくと、爆轟波が収束されてさらに高温のプラズマを得る。

本実施形態装置の運転方法を以下に説明する。

（１）エンジンが始動すると、ブロワー７は外部の空気を取り入れて蓄熱高温空気製造装置４へ送入し、該空気が高温化（約１５０℃）されて送気管１１から吸入ラインの吸気マニホルド１４そして着火装置１２の爆轟装置へ送られる。

（２）吸気マニホルド１４内では、外気取入管１３から取り入れられ過給機２の加圧部２Ｂで加圧された空気と、ガス燃料源１５からのガス燃料と、蓄熱高温空気製造装置４からの高温空気と、エンジン１からの排気の一部とが混合され、高温高圧でかつ酸素濃度が調
整された混合気が生成される。この混合気はミラーサイクルのもとで、エンジン１の吸気側１Ｂからシリンダ内へ供給される。外部取入れ空気は空気過剰率が１．１〜１．３の範囲となるように取り入れられる。

（３）混合気は、ピストンの作動により圧縮されて高温化されたときに、着火装置１２から超高温のプラズマがシリンダ内へ噴出されて着火し燃焼する。このように、燃焼を繰り返して発電機３を回転駆動し発電を行なう。

（４）エンジン１の排ガスは排気側１Ａで過給機２の被駆動部２Ａを回転駆動して加圧部２Ｂの加圧に用いられた後、一部はブロワー１６により排気供給管１７を通って吸気マニホルド１４へ送り込まれ、ガス燃料、外部から取入れられ加圧された空気、高温空気と混合されてシリンダに供給される。エンジン１の排ガスの一部を混合することによって、混合気の酸素濃度を調整し、また燃焼温度の過昇温を防止して、窒素酸化物の発生を抑制することができる。全排ガス量と循環排ガス量をそれぞれの流路に設けた流量計で計測して排ガス循環率を検知し、例えば排気供給管１０に開度が調整可能な開閉弁を設けて排ガス循環率を１０〜５０％の範囲となるように調整する。

また、エンジン１の排ガスの一部を必要に応じて、蓄熱高温空気製造装置４から着火装置１２の爆轟装置へ送られる高温空気に混合して爆轟装置へ供給することによって、爆轟のための燃料と高温空気の混合気の酸素濃度を低下させて、爆轟によって生成する窒素酸化物量を抑制することができる。

本実施形態装置において、高温空気や高温排ガスを吸入ラインに供給する場合、高温空気や高温排ガスは粘性が高いため、過給機の上流側に供給されると、過給機の駆動負荷を高めるので、駆動動力を多く要するが、過給機の下流側に供給されることにより、駆動負荷を高めることを防ぐことができる。

上記高温空気や高温排ガスは、過給機の上流側に供給されると、過給機で圧縮されてさらに昇温され、シリンダの吸気側で混合気の温度が過剰に高くなり、体積が増すため混合気をシリンダ内へ供給する充填率が低下してしまうが、過給機の下流側に供給されることにより、このような問題を防ぐことができる。

混合気が過給機で加圧される際には、圧縮され昇温されるため、温度調整容易でないことがある。そこで、外部から取り入れ過給機で加圧され昇温された空気（温度２００℃程度）に対して高温空気（３００〜４００℃）とエンジンからの排気の一部（４５０〜５００℃）とガス燃料とを過給機の下流側、すなわち、吸気マニホルドで混合して混合気を生成するならば、混合気の温度調整を容易に行うことができる。

シリンダ入口に設けられた温度センサによりシリンダ入口での吸気混合気の温度を検知し、加圧された外部取入れ空気、高温空気またはエンジン排気の一部の温度を調整すること等により、シリンダ入口での吸気混合気の温度が５０〜３００℃の範囲となるように調整する。

シリンダ入口に設けられた圧力センサによりシリンダに供給される混合気のシリンダ入口での吸気圧を検知し、混合気のシリンダ入口での吸気圧をゲージ圧で０．１５〜０．４０ＭＰａの範囲となるように調整する。

本発明は、上述した図示の実施形態に限定されず、種々変形が可能である。本発明の本質は、着火に関しては、ミラーサイクルガスエンジンにおけるシリンダ内の圧縮混合気を超高温プラズマで着火することにある。したがって、爆轟によらず他の形式のものでプラ
ズマを生成することとした着火装置を用いることもできる。また、蓄熱高温空気製造装置４も、過給機２も、好ましい形態として示されているが、必須ではない。

本発明では、好ましい形態として、排ガス循環率が１０〜５０％の範囲、空気過剰率が１．１〜１．３の範囲、混合気のシリンダ入口での吸気圧がゲージ圧で０．１５〜０．３０ＭＰａの範囲、混合気のシリンダ入口での吸入ガス温度が５０〜３００℃の範囲であることが良い。

また、本発明では、吸気弁の完閉時期をエンジンから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度の変動と連動して調整する制御手段を有し、該制御手段は窒素酸化物の濃度の上昇時に吸気弁の完閉時期を上死点側にずらすように設定されていることが好ましい。こうすることにより、窒素酸化物の濃度が変動しても、常時窒素酸化物の排出抑制が達成できる。

さらに、本発明では、吸気弁の完閉時期をエンジンの軸出力の変動と連動して調整する制御手段を有し、該制御手段は軸出力の低下時に吸気弁の完閉時期を下死点側にずらすように設定されていることが好ましい。こうすることにより、軸出力が変動しても、常時高熱効率が達成できる。

本発明の一実施形態装置の概要構成図である。

符号の説明

１ （ミラーサイクル）ガスエンジン
１７ 排気供給管（循環路）
１５ 着火装置

Claims (7)

1. ピストンの下死点到達時に対して吸気弁を早いもしくは遅い時期に完閉することにより膨張比よりも有効圧縮比を低下させることとするミラーサイクルガスエンジンにおいて、着火装置として超高温プラズマをシリンダ内へ噴射するプラズマ着火装置が設けられ、吸気弁側にはエンジンの排ガスの一部をシリンダ内へ帰還させる循環路が接続されていることを特徴とするミラーサイクルガスエンジン装置。
2. 排ガス循環率が１０〜５０％の範囲であることとする請求項１に記載のミラーサイクルガスエンジン装置。
3. シリンダに供給される空気の空気過剰率が１．１〜１．３の範囲であることとする請求項１又は請求項２に記載のミラーサイクルガスエンジン装置。
4. シリンダに供給される混合気のシリンダ入口での吸気圧がゲージ圧で０．１５〜０．４０ＭＰａの範囲であることとする請求項１ないし請求項３のうちの一つに記載のミラーサイクルガスエンジン装置。
5. シリンダ入口での吸気混合気の温度が５０〜３００℃の範囲であることとする請求項１ないし請求項４のうちの一つに記載のミラーサイクルガスエンジン装置。
6. 吸気弁の完閉時期をエンジンから排出される排ガス中の窒素酸化物の濃度の変動と連動して調整する制御手段を有し、該制御手段は窒素酸化物の濃度の上昇時に吸気弁の完閉時期を上死点側にずらすように設定されていることとする請求項１ないし請求項５のうちの一つに記載のミラーサイクルガスエンジン装置。
7. 吸気弁の完閉時期をエンジンの軸出力の変動と連動して調整する制御手段を有し、該制御手段は軸出力の低下時に吸気弁の完閉時期を下死点側にずらすように設定されていることとする請求項１ないし請求項５のうちの一つに記載のミラーサイクルガスエンジン装置。

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