JP2006188976A

JP2006188976A - 水素ガスエンジンと水素ガスエンジンに使用するインジェクター

Info

Publication number: JP2006188976A
Application number: JP2005000605A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Yamazaki; 知機山崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】従来エンジンをほぼそのまま利用して、水素ガスエンジンを実用化しようとすることを目的とする。
【解決手段】シリンダー端部に燃焼室を設け、シリンダー内を摺動するピストンと、燃焼室への吸気の供給を開閉する吸気弁と、燃焼室からの排気を開閉する排気弁とを備えた四行程レシプロエンジンにおいて、吸気路に、吸気行程で水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加するインジェクターを設け、吸気行程でインジェクターにより水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加して燃焼室に向けて噴射させ、燃焼室内で水素ガスの燃焼時にＨ₂Ｏ粒子を介在させ、水素ガスの高温火焔を制御し、添加Ｈ₂Ｏの気化による体積増加を駆動力とする水素ガスエンジンとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料として、水素ガスを利用する水素ガスエンジンと水素ガスエンジンに使用するインジェクターに関するものである。

従来の四行程レシプロエンジンで、水素ガスを燃料として利用すると、ノッキングやバックファイヤーが起き、さらにシリンダー内でプラグやシリンダーのＯリングが焼付くという問題が起こる。これは水素ガスの高い拡散性と低い着火点、高温の火焔に基づくものであり、水素ガスエンジンを実用化することは困難であった。
特開２００２−２２７７３０号公報

エンジンで、水素ガスを燃料として使用するためには、ノッキングやバックファイヤーや部品の焼損を無くすため、吸気ガスの温度を下げ、爆発温度を下げ、ガス圧を高める必要がある。

本発明は、ノッキングやバックファイヤーや部品の焼損を無くすため、吸気ガスの温度を下げ、爆発温度を下げ、ガス圧を高めるべく、シリンダー端部に燃焼室を設け、シリンダー内を摺動するピストンと、燃焼室への吸気の供給を開閉する吸気弁と、燃焼室からの排気を開閉する排気弁とを備えた四行程レシプロエンジンにおいて、吸気路に、吸気行程で水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加するインジェクターを設け、吸気行程でインジェクターにより水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加して燃焼室に向けて噴射させ、燃焼室内で水素ガスの燃焼時にＨ₂Ｏ粒子を介在させ、水素ガスの高温火焔を制御し、添加Ｈ₂Ｏの気化による体積増加を駆動力とする水素ガスエンジンとした。

また、本発明は、水素ガスエンジンに適したインジェクターを提供すべく、ノズルと、弁体の先端に形成しノズルを開閉するノズル弁と、ノズルに連通する注水路と、注水路より上流側に配置されノズルに連通する水素ガス導入路と、水素ガス導入路のノズルより上流側に設けた環状弾性弁座と、弁体のノズル弁より基端側に環状弾性弁座に嵌入して着座できる円錐弁とを備えたインジェクターであって、環状弾性弁座への円錐弁の嵌入着座当初ノズル弁が開放して水素ガスよりＨ₂Ｏを早くノズルより噴射させ、ノズル弁によるノズルの閉止時には円錐弁より遅くノズルを閉じさせ水素ガスをＨ₂Ｏの粒子に包ませて吸気弁のカサ状部分を経て燃焼室内に噴出させるようにした水素ガスエンジンに使用するインジェクターとした。

本発明は、シリンダー端部に燃焼室を設け、シリンダー内を摺動するピストンと、燃焼室への吸気の供給を開閉する吸気弁と、燃焼室からの排気を開閉する排気弁とを備えた四行程レシプロエンジンにおいて、吸気路に、吸気行程で水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加するインジェクターを設け、吸気行程でインジェクターにより水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加して燃焼室に向けて噴射させ、燃焼室内で水素ガスの燃焼時にＨ₂Ｏ粒子を介在させ、水素ガスの高温火焔を制御し、添加Ｈ₂Ｏの気化による体積増加を駆動力とする水素ガスエンジンとしたので、エンジンの吸気行程で水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加するインジェクターを使用して、水素ガスの燃焼時にＨ₂Ｏ粒子を介在させることによって、水素ガスの高温火焔を制御し、かつ添加Ｈ₂Ｏの気化による体積増加によって安定した駆動力を発揮させるようにした。

また、本発明は、ノズルと、弁体の先端に形成しノズルを開閉するノズル弁と、ノズルに連通する注水路と、注水路より上流側に配置されノズルに連通する水素ガス導入路と、水素ガス導入路のノズルより上流側に設けた環状弾性弁座と、弁体のノズル弁より基端側に環状弾性弁座に嵌入して着座できる円錐弁とを備えたインジェクターであって、環状弾性弁座への円錐弁の嵌入着座当初ノズル弁が開放して水素ガスよりＨ₂Ｏを早くノズルより噴射させ、ノズル弁によるノズルの閉止時には円錐弁より遅くノズルを閉じさせ水素ガスをＨ₂Ｏの粒子に包ませて吸気弁のカサ状部分を経て燃焼室内に噴出させるようにした水素エンジンに使用するインジェクターであるので、水素ガスエンジンに適したインジェクターを提供できる。

本発明は、水素ガスエンジンと水素ガスエンジンに使用するインジェクターである。

本発明は、シリンダー端部に燃焼室を設け、シリンダー内を摺動するピストンと、燃焼室への吸気の供給を開閉する吸気弁と、燃焼室からの排気を開閉する排気弁とを備えた四行程レシプロエンジンにおいて、吸気路に、吸気行程で水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加するインジェクターを設け、吸気行程でインジェクターにより水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加して燃焼室に向けて噴射させ、燃焼室内で水素ガスの燃焼時にＨ₂Ｏ粒子を介在させ、水素ガスの高温火焔を制御し、添加Ｈ₂Ｏの気化による体積増加を駆動力とする水素ガスエンジンである。

また、本発明は、ノズルと、弁体の先端に形成しノズルを開閉するノズル弁と、ノズルに連通する注水路と、注水路より上流側に配置されノズルに連通する水素ガス導入路と、水素ガス導入路のノズルより上流側に設けた環状弾性弁座と、弁体のノズル弁より基端側に環状弾性弁座に嵌入して着座できる円錐弁とを備えたインジェクターであって、環状弾性弁座への円錐弁の嵌入着座当初ノズル弁が開放して水素ガスよりＨ₂Ｏを早くノズルより噴射させ、ノズル弁によるノズルの閉止時には円錐弁より遅くノズルを閉じさせ水素ガスをＨ₂Ｏの粒子に包ませて吸気弁のカサ状部分を経て燃焼室内に噴出させるようにした水素ガスエンジンに使用するインジェクターである。

本発明を添付する図面に示す具体的な一実施例に基づいて、以下詳細に説明する。

図１は、本発明の水素ガスエンジンの具体的一実施例のシリンダー上部の縦断面図、図２は、本発明のインジェクターの縦断面図、図３は、本発明のＨ₂−Ｈ₂Ｏ噴射口の全開時の縦断面図、図４は、本発明のＨ₂−Ｈ₂Ｏ噴射口の全閉時の縦断面図である。

図１は、本発明の水素ガスエンジンのシリンダー上部の縦断面図である。

シリンダー２１の上端部にはエンジンヘッド８が固着され、燃焼室３２を形成し、シリンダー２１にはピストン３３が摺動自在に設けられ、燃焼室３２は吸気路３１及び排気路３４がそれぞれ連通され、燃焼室３２と吸気路３１、燃焼室３２と排気通路３４とをそれぞれ開閉する吸気弁９、排気弁１７が設けられ、燃焼室３２にはイグニッションプラグ１５を臨ませた四行程レシプロエンジンである。

吸気路３１にはインジェクター１０を吸気弁９のカサ状部分にそのノズル３を向けて配置する。符号１４はＨ₂（水素ガス）導入口、符号１２はＨ₂Ｏ（清水）の注入管、符号１１は吸気管、符号１６は排気管である。

図２は、本発明の水素ガスエンジンに使用するインジェクター１０である。

案内体４１の中央軸線方向に案内筒４２を固着し、案内体４１の上端開口をＨ₂導入口１４とし、上部の導入路４３にフィルター４４を設ける。

案内体４１の下端から下方にかけてハウジング４５を配置し、案内体４１の下部とハウジング４４との間にはソレノイドコイル１を設ける。

案内体４１下方でハウジング４４に移動筒４５を摺動自在に設ける。

案内体４１の下部内には、ガイド体４６を固着し、さらにガイド体４６の下部にノズル体４７を外嵌め固着する。

移動筒４５には中央に導水路を有する鉄心７、鉄心７の下端に導水路を有するフランジ２、フランジ２の下端に弁体４８をそれぞれ連ねる。鉄心７、フランジ２及び弁体４８はそれぞれ連なり一体として移動する。

ノズル体４７の下端にはノズル３を開口し、上方に突設した注入管１２からノズル３に至る注水路４９を設ける。符号１９はＨ₂Ｏ注入口である。

弁体４７の先端は、ノズル３を開閉するノズル弁２０で、ノズル３より上流側に設けた環状弾性弁座１４に嵌入できるように設定し、弁体４７のノズル３より基端側に環状弾性弁座１４に着座できる円錐弁５０を形成する。

移動筒４５上端と案内筒４２との間にはコイルスプリング５１が縮設され、案内筒４５を下方に向けて付勢し、ソレノイドコイル１への通電が遮断されると下方へ案内筒４５・弁体４８は移動する。ガイド体４６の上端に配置した停止板５２に案内筒４５下端が当接して停止する。ソレノイドコイル１に通電されると、案内筒４５はコイルスプリング５１の付勢力に抗して上方に移動する。図２の状態は案内筒４５が案内筒４１下端に当接して停止した状態である。

したがって、ソレノイドコイル１に通電をＯＮ・ＯＦＦすることにより案内筒４５・弁体４８が上下動する。

本発明は、図２に示すＨ₂−Ｈ₂Ｏの両方を同時に噴射するインジェクター１０を使用する。このエンジンの吸気行程において、図１の吸気弁９が開放となり空気が吸気管１１を通って、エンジンヘッド８を経て、シリンダー２１に入る際に吸気管１１の吸気路３１に取付けたインジェクター１０から燃料のＨ₂ガスが少量のＨ₂Ｏを伴ってインジェクター１０のノズル３より燃焼室３２に向けて噴射される。この際、Ｈ₂ガスは図２に示すように、Ｈ₂導入口１４より矢印５のように注入される。Ｈ₂ガスはインジェクター１０内部のソレノイドコイル１を通り、鉄心７、フランジ２を経て、インジェクター１０のノズル弁２０に至る。図３と図４に示すように、調圧されたＨ₂Ｏは注入管１２に矢印１３の方向から注入され、Ｈ₂Ｏ注入口１９を経てノズル３に向かう。

ノズル３は上部にあるノズル弁２０の上下運動により開閉される。これはソレノイドコイル１のコンピュータ指示による通電の有無によって上下動する鉄心７の運動により、図３に示すのがノズル弁２０が開放された状態で、図４に示すのがノズル弁２０が閉止したときの状態である。ノズル弁２０が開放された時は、Ｈ₂もＨ₂Ｏも同時にノズル３より吸気弁９のカサ状部分に向かって噴射されるが、コンピュータの指示によりノズル弁２０が閉止された時は、Ｈ₂とＨ₂Ｏとの噴射を止める。これをエンジンの動きにより繰り返す。

この際、図４の閉止から図２の開放にノズル弁２０が上下に移動する時にノズル上部に設けられたゴムなどの環状弾性弁座１８によりノズル弁２０は水の噴射口１９を先に開き、水素の噴射は環状弾性弁座１８の弾性の分だけ遅く開くことになる。このことによって、吸気管１１に設けられたインジェクター１０は最初Ｈ₂Ｏだけを噴霧し、その後にＨ₂ガスを噴出する。

ノズル弁２０が閉止するときは、Ｈ₂ガスの弁は環状弾性弁座１８の弾性の分だけ速く閉まり、その後、Ｈ₂Ｏの噴射口１９が後で閉まるということでＨ₂ガスがＨ₂Ｏの噴霧粒子に包み込まれるような形で吸気弁９を経て燃焼室３１へ、さらにシリンダー２１に吸入され、やがて圧縮行程に移行する。

この段階で、Ｈ₂Ｏ噴霧粒子は、予熱を持っている吸気弁９から熱を奪い、ガス又はガス状粒子となってＨ₂ガスの早期異常着火を妨げる働きがある。

シリンダー２１に入って圧縮され、イグニッションプラグ１５によってＨ₂ガスが爆発した時は、前にインジェクター１０より噴霧された水は如何なる燃焼とも関係を持たない。しかし他の如何なるガス燃料よりも燃焼速度が速く、瞬間温度は４０００℃を越す水素火焔温度を噴霧吸入された水はシリンダー２１内ではガスとなって高すぎる火焔温度を和らげ吸収する。排気弁１７から排気管１６に達する時は、通常のレシプロエンジンの温度は７００℃あり、Ｈ₂ガスが２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏとして生成するＨ₂Ｏガスと共にシリンダー２１内のガス圧を高め、エンジンの駆動を確かなものとする。

Ｈ₂Ｏの量は６００ｃｃボア当たり０．０５〜０．２ｇが適当である。

この時のＨ₂Ｏの働きは、
ａ．Ｈ₂ガスの早期着火を妨げるためＨ₂ガスの通路である吸気弁９や燃焼室３２を冷却する。

ｂ．ボイル・シャールの法則により、ガス爆発により生成したＨ₂ガスと空気中の窒素ガスを爆発火焔で加熱すれば２７３℃辺りで２倍の圧力が発生するが、瞬間的に２０〜４０ｋｇ／ｃｍ²の圧力を得ようとする時は１２００〜１５００℃の異常な温度が必要となり、シリンダー２１各部が熱障害を起こす。

Ｈ₂ガスに添加する水が適正な量であればガソリンやプロパンガスなどが爆発するときに発生するＣＯ₂ガスの補いとなり、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂だけの爆発力よりも低温で大圧力が発生することになり、何等のエンジンの障害もなしに大きな駆動力を得ることができる。

この方法は、Ｈ₂ガスを燃料とするエンジンだけでなく、炭化水素を利用するエンジンにも利用できる。したがって、このエンジンはＨ₂ガスとガソリンなどその他の燃料とのリバーシブルエンジンとして有用である。このエンジンに添加するＨ₂Ｏの代わりに燃焼温度の低いアルコールなどを使用することができる。なお、使用するＨ₂Ｏはイオン交換性樹脂を使って金属イオンを取り除いておく必要がある。

本発明のガスエンジンは、Ｈ₂ガスを燃料とするエンジンだけでなく、炭化水素を利用するエンジンにも利用できる。

よって、Ｈ₂ガスとガソリンなどの共用エンジンとしてＨ₂ガスエンジンの早期の普及を計ることができる。これは地球環境上、重要である。

本発明の水素ガスエンジンの具体的一実施例のシリンダー上部の縦断面図である。本発明のインジェクターの縦断面図である。本発明のインジェクターのＨ₂−Ｈ₂Ｏ噴射口の全開時の縦断面図である。本発明のインジェクターのＨ₂−Ｈ₂Ｏ噴射口の全閉時の縦断面図である。

符号の説明

２１…シリンダー
３２…燃焼室
３３…ピストン
９…吸気弁
１７…排気弁
３１…吸気路
１０…インジェクター
３…ノズル
４９…注水路
４３…水素ガス導入路
１８…環状弾性弁座
５０…円錐弁

Claims

シリンダー端部に燃焼室を設け、シリンダー内を摺動するピストンと、燃焼室への吸気の供給を開閉する吸気弁と、燃焼室からの排気を開閉する排気弁とを備えた四行程レシプロエンジンにおいて、吸気路に、吸気行程で水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加するインジェクターを設け、吸気行程でインジェクターにより水素ガスと同時又は幾分先行してＨ₂Ｏを添加して燃焼室に向けて噴射させ、燃焼室内で水素ガスの燃焼時にＨ₂Ｏ粒子を介在させ、水素ガスの高温火焔を制御し、添加Ｈ₂Ｏの気化による体積増加を駆動力とする水素ガスエンジン。
ノズルと、弁体の先端に形成しノズルを開閉するノズル弁と、ノズルに連通する注水路と、注水路より上流側に配置されノズルに連通する水素ガス導入路と、水素ガス導入路のノズルより上流側に設けた環状弾性弁座と、弁体のノズル弁より基端側に環状弾性弁座に嵌入して着座できる円錐弁とを備えたインジェクターであって、環状弾性弁座への円錐弁の嵌入着座当初ノズル弁が開放して水素ガスよりＨ₂Ｏを早くノズルより噴射させ、ノズル弁によるノズルの閉止時には円錐弁より遅くノズルを閉じさせ水素ガスをＨ₂Ｏの粒子に包ませて吸気弁のカサ状部分を経て燃焼室内に噴出させるようにした水素ガスエンジンに使用するインジェクター。