JP2007127005A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリンダ内で燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine that generates power on a crankshaft by burning fuel gas in a cylinder.
この種の内燃機関の関連技術が下記特許文献1に開示されている。特許文献1による内燃機関は、水素タンク(燃料タンク)から水素ガス(燃料ガス)を供給する系統として、筒内へ直接噴射する直接噴射経路と、吸入空気とともに吸気弁から吸入させる予混合経路と、の2系統を備える水素エンジンである。そして、始動・アイドル時には予混合経路のみを、低負荷時には予混合経路と直接噴射経路との2系統を、高負荷時には直接噴射経路のみを使用することで、各運転領域での運転性能の向上を図っている。 The related art of this type of internal combustion engine is disclosed in Patent Document 1 below. An internal combustion engine according to Patent Document 1 is a system for supplying hydrogen gas (fuel gas) from a hydrogen tank (fuel tank), a direct injection path for direct injection into a cylinder, a premixing path for intake from an intake valve together with intake air, This is a hydrogen engine equipped with two systems. In addition, using only the premixing path during start-up and idling, using two systems, the premixing path and the direct injection path at low loads, and using only the direct injection path at high loads, improves driving performance in each operating region. I am trying.
その他の関連技術として、下記非特許文献1による水素エンジンが開示されている。 As another related technique, a hydrogen engine according to the following Non-Patent Document 1 is disclosed.
特許文献1においては、直接噴射経路を使用する場合は、燃料ガス(水素ガス)の筒内への噴射圧力は燃料タンク(水素タンク)の圧力に依存する。そのため、燃料タンクの圧力が低い場合は、燃料ガスの筒内噴射を適切に行うことが困難となる。例えば水素エンジンにおいて50%程度の熱効率を実現するためには、高圧縮比(例えば圧縮比18以上)での圧縮上死点近傍以後からの音速噴射が必要であり、30MPa程度の水素噴射圧力が要求されることが非特許文献1に示されている。このような高圧での筒内噴射を燃料タンク(水素タンク)の圧力に依存することなく安定して行うためには、燃料ガス(水素ガス)を圧縮する圧縮機が必要となる。しかし、その場合は、圧縮機を設けることでエンジン全体の構成の大型化を招くことになる。 In Patent Document 1, when the direct injection path is used, the injection pressure of the fuel gas (hydrogen gas) into the cylinder depends on the pressure of the fuel tank (hydrogen tank). For this reason, when the pressure of the fuel tank is low, it is difficult to appropriately perform in-cylinder injection of fuel gas. For example, in order to achieve a thermal efficiency of about 50% in a hydrogen engine, sonic injection from the vicinity of the compression top dead center at a high compression ratio (for example, a compression ratio of 18 or more) is necessary, and a hydrogen injection pressure of about 30 MPa is required. What is required is shown in Non-Patent Document 1. In order to perform such in-cylinder injection at high pressure stably without depending on the pressure of the fuel tank (hydrogen tank), a compressor for compressing the fuel gas (hydrogen gas) is required. However, in that case, the construction of the entire engine is increased by providing a compressor.
本発明は、構成の大型化を招くことなく燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる内燃機関を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can stably perform in-cylinder injection of fuel gas without increasing the size of the configuration.
本発明に係る内燃機関は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。 The internal combustion engine according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係る内燃機関は、シリンダ内で燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる内燃機関であって、クランクシャフトの動力の一部により燃料ガスを圧縮して出力する圧縮気筒と、圧縮気筒で圧縮された燃料ガスが噴射され、且つ該噴射された燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる燃焼気筒と、が共通のシリンダに設けられていることを要旨とする。 An internal combustion engine according to the present invention is an internal combustion engine that generates power in a crankshaft by burning fuel gas in a cylinder, and a compression cylinder that compresses and outputs fuel gas by a part of the power of the crankshaft. The fuel gas compressed in the compression cylinder is injected, and the combustion cylinder that generates power in the crankshaft by burning the injected fuel gas is provided in a common cylinder. .
本発明によれば、燃料ガスを圧縮する圧縮機(圧縮気筒)を内燃機関(シリンダ)内に組み込み、内燃機関及び圧縮機を一体化することで、構成の大型化を招くことなく燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる。 According to the present invention, a compressor (compression cylinder) that compresses fuel gas is incorporated in an internal combustion engine (cylinder), and the internal combustion engine and the compressor are integrated, so that the configuration of the fuel gas can be reduced without increasing the size of the configuration. In-cylinder injection can be performed stably.
本発明の一態様では、圧縮気筒及び燃焼気筒の各々で発生する慣性力が圧縮気筒及び燃焼気筒全体でほぼ平衡するように、圧縮気筒及び燃焼気筒が共通のシリンダに設けられていることが好適である。こうすれば、慣性力によって内燃機関に発生する振動や騒音を低減することができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the compression cylinder and the combustion cylinder are provided in a common cylinder so that the inertia force generated in each of the compression cylinder and the combustion cylinder is substantially balanced across the entire compression cylinder and the combustion cylinder. It is. If it carries out like this, the vibration and noise which generate | occur | produce in an internal combustion engine by an inertial force can be reduced.
本発明の一態様では、圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が燃焼気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力に略等しくなるように、圧縮気筒の圧力比が設定されていることが好適である。こうすれば、筒内圧力によって内燃機関に発生する振動や騒音を低減することができる。 In one aspect of the present invention, the pressure ratio of the compression cylinder is set so that the maximum force acting on the crankshaft by the pressure of the compression cylinder is substantially equal to the maximum force acting on the crankshaft by the pressure of the combustion cylinder. Is preferred. If it carries out like this, the vibration and noise which generate | occur | produce in an internal combustion engine by cylinder pressure can be reduced.
本発明の一態様では、燃焼気筒と複数の圧縮気筒とが共通のシリンダに設けられており、これら複数の圧縮気筒で燃料ガスが複数段階に圧縮されることが好適である。こうすれば、燃料ガスの筒内噴射圧力をより高めることができる。この態様では、各圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が互いに略等しくなるように、各圧縮気筒の圧力比が設定されていることが好適である。こうすれば、筒内圧力によって内燃機関に発生する振動や騒音を低減することができる。 In one aspect of the present invention, the combustion cylinder and the plurality of compression cylinders are provided in a common cylinder, and it is preferable that the fuel gas is compressed in a plurality of stages by the plurality of compression cylinders. In this way, the in-cylinder injection pressure of the fuel gas can be further increased. In this aspect, it is preferable that the pressure ratio of each compression cylinder is set so that the maximum forces acting on the crankshaft are substantially equal to each other due to the pressure of each compression cylinder. If it carries out like this, the vibration and noise which generate | occur | produce in an internal combustion engine by cylinder pressure can be reduced.
本発明の一態様では、圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを蓄圧する蓄圧器が設けられており、蓄圧器に蓄圧された燃料ガスが燃焼気筒に噴射されることが好適である。こうすれば、燃料ガスの噴射量が変動しても燃料ガスの筒内噴射を安定して行うことができる。 In one embodiment of the present invention, a pressure accumulator that accumulates fuel gas compressed in the compression cylinder is provided, and it is preferable that the fuel gas accumulated in the pressure accumulator is injected into the combustion cylinder. In this way, the in-cylinder injection of the fuel gas can be stably performed even if the injection amount of the fuel gas varies.
本発明の一態様では、燃焼気筒に噴射される燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器が設けられていることが好適である。こうすれば、燃焼気筒への燃焼ガスの噴射圧力を調整することができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that a pressure regulator for adjusting the pressure of the fuel gas injected into the combustion cylinder is provided. In this way, the injection pressure of the combustion gas to the combustion cylinder can be adjusted.
本発明の一態様では、圧縮気筒への燃料ガスの供給量を調整する供給量調整器が設けられていることが好適である。こうすれば、燃焼気筒への燃焼ガスの噴射圧力を調整することができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that a supply amount adjuster for adjusting the supply amount of fuel gas to the compression cylinder is provided. In this way, the injection pressure of the combustion gas to the combustion cylinder can be adjusted.
本発明の一態様では、圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを冷却する冷却器が設けられていることが好適である。こうすれば、燃料ガスの圧縮を効率よく行うことができる。 In one aspect of the present invention, it is preferable that a cooler for cooling the fuel gas compressed in the compression cylinder is provided. If it carries out like this, compression of fuel gas can be performed efficiently.
本発明の一態様では、燃料ガスは、水素ガスであることが好適である。 In one embodiment of the present invention, the fuel gas is preferably hydrogen gas.
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を模式的に示す図である。本実施形態に係る内燃機関は、ピストン−クランク機構を用いた往復型内燃機関(レシプロエンジン)であり、燃料ガスとして水素ガスを燃焼させることでクランクシャフト20に動力を発生させる複数の燃焼気筒1,2,5,6をシリンダ10内に備える水素エンジンである。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an outline of an internal configuration of an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. The internal combustion engine according to the present embodiment is a reciprocating internal combustion engine (reciprocating engine) using a piston-crank mechanism, and a plurality of combustion cylinders 1 that generate power in the
燃焼気筒1,2,5,6では、クランクシャフト20に連接された燃焼気筒用ピストン11,12,15,16がそれぞれ往復運動する。燃焼気筒用ピストン11,12,15,16はピストンピンを介して燃焼気筒用コネクティングロッド21,22,25,26の小端部とそれぞれ連接されており、燃焼気筒用コネクティングロッド21,22,25,26の大端部がクランクシャフト20に配設された燃焼気筒用クランクピン31,32,35,36とそれぞれ連接されている。燃焼気筒1,2,5,6には、燃料ガス(水素ガス)を筒内に直接噴射する燃料噴射弁41,42,45,46がそれぞれ設けられている。
In the
燃焼気筒1,2,5,6の各々では、吸気行程にて吸気ガスが筒内に吸入され、圧縮行程にて筒内の吸気ガスが燃焼気筒用ピストン11,12,15,16によりそれぞれ圧縮される。そして、例えば燃焼気筒用ピストン11,12,15,16が圧縮上死点近傍に位置するときから、水素ガスの筒内噴射が燃料噴射弁41,42,45,46によりそれぞれ行われることで、水素ガスが筒内で燃焼(自着火によるディーゼル燃焼)してクランクシャフト20に動力が発生する。燃焼後の筒内ガスは、排気行程にて排気ガスとして排出される。
In each of the
エンジン(燃焼気筒1,2,5,6)の熱効率を向上させるためには、燃料噴射弁41,42,45,46から筒内に噴射される水素ガスの圧力を高くする必要がある。例えば50%程度の熱効率を実現するためには、高圧縮比(例えば圧縮比18以上)での圧縮上死点近傍以後からの音速噴射が必要であり、30MPa程度の水素噴射圧力が要求される(例えば非特許文献1参照)。このような高圧噴射を安定して実現するためには、水素ガスを圧縮する圧縮機が必要となる。
In order to improve the thermal efficiency of the engine (
本実施形態では、水素ガスを圧縮する圧縮機を水素エンジン内に組み込み、水素エンジン及び圧縮機を一体化する。そのために、水素ガスを圧縮して出力する圧縮気筒3,4と、水素ガスを燃焼させる燃焼気筒1,2,5,6と、を共通のシリンダ10に設ける。より具体的には、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4に用いられるシリンダブロックとシリンダヘッドとが、いずれも共通化されている。以下、圧縮気筒3,4の詳細な構成について説明する。
In the present embodiment, a compressor for compressing hydrogen gas is incorporated in the hydrogen engine, and the hydrogen engine and the compressor are integrated. Therefore,
圧縮気筒3,4では、クランクシャフト20の動力の一部を利用してクランクシャフト20に連接された圧縮気筒用ピストン13,14がそれぞれ往復運動することで、水素ガスが圧縮されて出力される。つまり、圧縮気筒3,4の各々において、ピストン−クランク機構を用いた往復圧縮機が構成される。圧縮気筒用ピストン13,14はピストンピンを介して圧縮気筒用コネクティングロッド23,24の小端部とそれぞれ連接されており、圧縮気筒用コネクティングロッド23,24の大端部がクランクシャフト20に配設された圧縮気筒用クランクピン33,34とそれぞれ連接されている。
In the
圧縮気筒3の吸込口3aは、水素流路51を介して図示しない水素供給源(燃料供給源)に接続されている。ここでの水素供給源は、例えば水素ガスを貯蔵する水素タンクにより構成することができる。ただし、水素供給源として、水素タンク以外にも、水素吸蔵合金や、水素化合物による水素発生装置等を用いることもできる。圧縮気筒3の吐出口3bは、水素流路52を介して圧縮気筒4の吸込口4aに接続されており、圧縮気筒4の吐出口4bは、水素流路53を介してアキュムレータ60に接続されている。
The
水素供給源から供給された水素ガスは、一段目の圧縮気筒3で圧縮された後に二段目の圧縮気筒4でさらに圧縮される。このように、水素供給源から供給された水素ガスは、圧縮気筒3,4で複数段階(2段階)に圧縮されてからアキュムレータ60に供給される。つまり、圧縮気筒3,4において、多段式(2段式)の往復圧縮機が構成される。ここで、クランク角に対する圧縮気筒3,4における水素ガス圧力の履歴の一例を図2に示す。図2において、一段目は圧縮気筒3を示し、二段目は圧縮気筒4を示す。圧縮気筒4と燃焼気筒1,2,5,6(燃料噴射弁41,42,45,46)との間に設けられたアキュムレータ60は、圧縮気筒3,4で圧縮された水素ガスを蓄圧する。アキュムレータ60に蓄圧された水素ガスが、燃料噴射弁41,42,45,46から燃焼気筒1,2,5,6にそれぞれ噴射される。
The hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source is compressed by the first-
水素供給源と圧縮気筒3の吸込口3aとを接続する水素流路51には水素供給量制御弁54が設けられている。水素供給量制御弁54は、水素供給源から圧縮気筒3への水素ガスの供給量を調整する。水素供給量制御弁54による水素ガスの供給量の調整により、アキュムレータ60に蓄圧される水素ガスの圧力、つまり燃焼気筒1,2,5,6に噴射される水素ガスの圧力を調整することができる。圧縮気筒3の吐出口3bと圧縮気筒4の吸込口4aとを接続する水素流路52には逆止弁55が設けられている。逆止弁55は、圧縮気筒3の吐出口3bから圧縮気筒4の吸込口4aへ向かう方向の水素ガスの流れを許容し、且つ圧縮気筒4の吸込口4aから圧縮気筒3の吐出口3bへ向かう方向の水素ガスの流れを遮断する。この逆止弁55によって、圧縮気筒4から圧縮気筒3への水素ガスの逆流が防止される。圧縮気筒4の吐出口4bとアキュムレータ60とを接続する水素流路53には逆止弁56が設けられている。逆止弁56は、圧縮気筒4の吐出口4bからアキュムレータ60へ向かう方向の水素ガスの流れを許容し、且つアキュムレータ60から圧縮気筒4の吐出口4bへ向かう方向の水素ガスの流れを遮断する。この逆止弁56によって、アキュムレータ60から圧縮気筒4への水素ガスの逆流が防止される。アキュムレータ60と水素流路51(水素供給源)とを接続する水素流路57には圧力制御弁58が設けられている。圧力制御弁58は、アキュムレータ60に蓄圧される水素ガスの圧力、つまり燃焼気筒1,2,5,6に噴射される水素ガスの圧力を調整する。例えば水素供給源(水素タンク)の水素ガスの圧力がアキュムレータ60の水素ガスの圧力より高い場合には、圧力制御弁58を開けることで水素供給源からアキュムレータ60に水素ガスを供給することもできる。
A hydrogen supply
燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4の各々においては、冷却液による冷却が行われる。また、圧縮気筒3の吐出口3bと圧縮気筒4の吸込口4aとを接続する水素流路52の周囲には冷却器61が設けられている。冷却器61は、圧縮気筒3で圧縮された水素ガスを冷却液により冷却する。そして、圧縮気筒4の吐出口4bとアキュムレータ60とを接続する水素流路53の周囲には冷却器62が設けられている。冷却器62は、圧縮気筒4で圧縮された水素ガスを冷却液により冷却する。
In each of the
図1に示す構成例では、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4が、クランクシャフト20の軸線方向(回転中心軸に平行な方向)に関して、燃焼気筒1、燃焼気筒2、圧縮気筒3、圧縮気筒4、燃焼気筒5、燃焼気筒6の順に等間隔で直列配置されている。つまり、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4全体で、いわゆる直列6気筒を構成している。クランクシャフト20においては、図3に示すように、燃焼気筒用クランクピン31,36と、燃焼気筒用クランクピン32,35と、圧縮気筒用クランクピン33,34とが、その回転中心軸まわりに120°の間隔をおいて配置されている。燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4で、クランク半径つまりストロークはいずれも等しく設定されており、燃焼気筒用コネクティングロッド21,22,25,26及び圧縮気筒用コネクティングロッド23,24で、コンロッド長はいずれも等しく設定されている。ここでのコンロッド長は、大小端部ピッチ(ピストンピン中心軸とクランクピン中心軸との距離)である。本実施形態における水素エンジンは4サイクル機関であり、燃焼気筒1,2,5,6では、水素ガスの筒内噴射(水素ガスの燃焼)が、燃焼気筒1、燃焼気筒5、燃焼気筒6、燃焼気筒2の順に行われることで、燃焼期間の偏りが抑制される。そして、圧縮気筒3で圧縮された水素ガスの吐出が、燃焼気筒5での水素ガスの噴射と燃焼気筒6での水素ガスの噴射との間に行われ、圧縮気筒4で圧縮された水素ガスの吐出が、燃焼気筒2での水素ガスの噴射と燃焼気筒1での水素ガスの噴射との間に行われる。
In the configuration example shown in FIG. 1, the
燃焼気筒用ピストン11,12,15,16及び圧縮気筒用ピストン13,14の質量は、ピストンピンも含めていずれも等しく設定されている。燃焼気筒用コネクティングロッド21,22,25,26及び圧縮気筒用コネクティングロッド23,24の質量は、いずれも等しく設定されており、燃焼気筒用コネクティングロッド21,22,25,26及び圧縮気筒用コネクティングロッド23,24の重心位置も、いずれも等しく設定されている。本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4における往復運動部分(ピストン、ピストンピン、及びコネクティングロッドの小端部を含む)の質量が、いずれも等しく設定されている。
The masses of the
また、燃焼気筒用クランクピン31,32,35,36及び圧縮気筒用クランクピン33,34の質量は、いずれも等しく設定されていることで、燃焼気筒用クランクピン31,32,35,36及び圧縮気筒用クランクピン33,34の質量モーメントは、いずれも等しく設定されている。さらに、クランクシャフト20の重心が、クランクシャフト20の回転中心軸上に位置するように設定されており、クランクシャフト20は、単体で重量がバランス(静バランス)している。本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4における回転運動部分(クランクピン及びコネクティングロッドの大端部を含む)の質量モーメントが、いずれも等しく設定されている。なお、ここでの質量モーメントは、(質量)×(重心のクランクシャフト20回転中心からの距離)である。
Further, the masses of the
本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4が直列6気筒を形成しているため、往復運動部分及び回転運動部分による慣性力のモーメントを平衡させることができる。そして、回転運動部分による慣性力及び往復運動部分による1次及び2次の慣性力(慣性力のエンジン回転1次及び2次成分)も平衡させることができる。このように、本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4の各々で発生する慣性力及び慣性力のモーメントを、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4全体で平衡(あるいはほぼ平衡)させることができる。
In this embodiment, since the
また、本実施形態では、各圧縮気筒3,4において水素ガスの圧力によりクランクシャフト20(圧縮気筒用クランクピン33,34)に作用する最大力が互いに等しくなるように(あるいはほぼ等しくなるように)、各圧縮気筒3,4の圧力比及び各圧縮気筒用ピストン13,14の受圧面積(筒内の水素ガス圧力を受ける部分の面積)が設定されている。さらに、圧縮気筒3,4の水素ガスの圧力によりクランクシャフト20(圧縮気筒用クランクピン33,34)に作用する最大力が燃焼気筒1,2,5,6のガスの圧力によりクランクシャフト20(燃焼気筒用クランクピン31,32,35,36)に作用する最大力に等しくなるように(あるいはほぼ等しくなるように)、圧縮気筒3,4の圧力比及び圧縮気筒用ピストン13,14の受圧面積が設定されている。
In the present embodiment, the maximum forces acting on the crankshaft 20 (
ここで、燃焼気筒1,2,5,6のガスの最大圧力をPm、圧縮気筒3への水素ガスの供給圧力P0、一段目の圧縮気筒用ピストン13の受圧面積をA1、燃焼気筒用ピストン11,12,15,16の受圧面積をAmとすると、一段目の圧縮気筒3の圧力比P1/P0を、Pm/P0×Am/A1に設定する。圧縮気筒3の圧力比P1/P0をこのように設定することで、圧縮気筒3の水素ガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力P0×P1/P0×A1を、燃焼気筒1,2,5,6のガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力Pm×Amに等しくすることができる。さらに、二段目の圧縮気筒用ピストン14の受圧面積をA2とすると、二段目の圧縮気筒4の圧力比P2/P1を、A1/A2(=Pm/P1×Am/A2)に設定する。圧縮気筒4の圧力比P2/P1をこのように設定することで、圧縮気筒4の水素ガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力P1×P2/P1×A2を、圧縮気筒3の水素ガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力P0×P1/P0×A1、及び燃焼気筒1,2,5,6のガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力Pm×Amと等しくすることができる。
Here, the maximum gas pressure in the
一例として、燃焼気筒1,2,5,6の排気量が2L、燃焼気筒1,2,5,6のガスの最大圧力Pmが15MPa、圧縮気筒3への水素ガスの供給圧力P0が1MPaである場合を考える。その場合は、燃焼気筒1,2,5,6の圧縮開始時の筒内ガス圧力を大気圧、燃焼気筒1,2,5,6の充填効率を1とすると、1サイクルあたりの空気量は2.4gとなる。水素ガスをストイキ燃焼させるとすると、水素ガス量1molに対する空気量は2.387molとなり、水素ガス2gに対して空気69gとなる。したがって、1サイクルあたりの(空気量2.4gに対する)水素ガス量は、2.4×2/69=0.0696gとなり、1MPaの水素ガスの体積は0.085Lとなる。圧縮気筒3の吸込口3aを開閉する吸込バルブ(図示せず)の閉時期を調整して圧縮気筒3の圧縮開始時の体積を0.1L程度に設定することで、アキュムレータ60に蓄圧される水素ガス量に余裕を持たせることができる。
As an example, the displacement of the
燃焼気筒1,2,5,6のガスの最大圧力Pm=15MPaに対して燃料噴射弁41,42,45,46から水素ガスを音速噴射させるためには、例えば30MPa程度の噴射圧力が要求される。例えば、一段目の圧縮気筒3の圧力比P1/P0を10〜20程度に設定し、二段目の圧縮気筒4の圧力比P2/P1を2〜10程度に設定する。そして、A1=Am且つP1/P0=15に設定することで、P0×P1/P0×A1=Pm×Am=15×A1となる。さらに、A2=A1/2(=Am/2)且つP2/P1=2に設定することで、P1×P2/P1×A2=P0×P1/P0×A1=15×A1(=Pm×Am)となり、圧縮気筒3,4全体での圧力比は30となる。
In order to sonically inject hydrogen gas from the
なお、本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6における水素ガスの燃焼は自着火によるディーゼル燃焼であるため、1サイクルにおける燃焼気筒1,2,5,6のガスの最大圧力はエンジン負荷変動に対してほとんど変化しない。そして、燃焼気筒1,2,5,6のガスの最大圧力については、燃焼気筒1,2,5,6の圧縮比及び圧縮行程のポリトロープ指数を基に設定することができる。また、圧縮気筒3,4の圧力比については、圧縮気筒3,4の圧縮比及び圧縮行程のポリトロープ指数を基に設定することができる。あるいは、圧縮気筒3,4の吸込口3a,4aを開閉する吸込バルブ(図示せず)の開時期を調整することや、圧縮気筒3,4の吐出口3b,4bを開閉する吐出バルブ(図示せず)の開時期を調整することによっても、圧縮気筒3,4の圧力比を調整することができる。
In the present embodiment, the combustion of hydrogen gas in the
水素ガスを高圧で筒内噴射するために、水素ガスを圧縮する往復圧縮機を水素エンジンと別に設ける場合は、往復圧縮機を設ける分、エンジン全体の構成の大型化を招くことになる。さらに、水素ガスの温度上昇を抑えて効率よく圧縮するために、冷却設備も必要となる。さらに、水素ガスの圧力や水素ガスの圧縮動作に伴い発生する慣性力により、往復圧縮機に振動や騒音が発生しやすくなる。 When a reciprocating compressor for compressing hydrogen gas is provided separately from the hydrogen engine for in-cylinder injection of hydrogen gas at a high pressure, the configuration of the entire engine is increased by the provision of the reciprocating compressor. Furthermore, a cooling facility is also required to efficiently compress the hydrogen gas while suppressing the temperature rise. Furthermore, vibration and noise are likely to occur in the reciprocating compressor due to the pressure of the hydrogen gas and the inertial force generated by the compression operation of the hydrogen gas.
これに対して本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6を形成するためのシリンダ(シリンダブロック及びシリンダヘッド)と圧縮気筒3,4を形成するためのシリンダ(シリンダブロック及びシリンダヘッド)とが共通化されている。このように、水素ガスを圧縮する圧縮機(圧縮気筒3,4)を水素エンジン(シリンダ10)内に組み込み、水素エンジン及び圧縮機を一体化することで、圧縮した水素ガスを筒内噴射するエンジン全体の構成を小型化及び低コスト化することができる。さらに、水素ガスを圧縮気筒3,4で圧縮してから燃焼気筒1,2,5,6に筒内噴射することで、水素タンクの水素ガス圧力が低下しても、水素ガスの高圧での筒内噴射を安定して行うことができる。したがって、熱効率の高いエンジン運転を安定して行うことができる。さらに、水素ガスを圧縮気筒3,4で複数段階(2段階)に圧縮することで、水素ガスの筒内噴射圧力をより高めることができる。
On the other hand, in the present embodiment, a cylinder (cylinder block and cylinder head) for forming the
さらに、本実施形態では、圧縮気筒3,4(圧縮機)の冷却システムや潤滑システムを燃焼気筒1,2,5,6と共有化することができるので、圧縮機の冷却システムや潤滑システムを別に設ける必要がない。したがって、圧縮気筒3,4の冷却や潤滑を効率よく行うことができる。また、冷却器61,62により圧縮した水素ガスの冷却を行うことで、水素ガスを効率よく圧縮することができる。
Furthermore, in this embodiment, the cooling system and the lubrication system for the
さらに、本実施形態では、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4の各々で発生する慣性力及び慣性力のモーメントを、燃焼気筒1,2,5,6及び圧縮気筒3,4全体で平衡させることができる。したがって、慣性力及び慣性力のモーメントによってエンジンに発生する振動や騒音を大幅に低減することができる。
Further, in the present embodiment, the inertial force and the moment of inertia generated in each of the
さらに、本実施形態では、圧縮気筒3,4の水素ガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力を、燃焼気筒1,2,5,6のガスの圧力によりクランクシャフト20に作用する最大力に等しくすることができる。したがって、筒内ガス圧力によってエンジンに発生する振動や騒音を大幅に低減することができるとともにエンジン(クランクシャフト20)の回転むらを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the maximum force that acts on the
また、本実施形態では、圧縮気筒3,4で圧縮された水素ガスをアキュムレータ60に蓄圧してから燃焼気筒1,2,5,6に噴射することで、エンジン負荷つまり水素ガス噴射量が変動しても水素ガスの筒内噴射を安定して行うことができる。また、水素供給量制御弁54により圧縮気筒3への水素ガスの供給量を調整することで、アキュムレータ60に蓄圧される水素ガスの圧力を調整することができる。したがって、水素ガスの過供給によるアキュムレータ60の圧力上昇過多を抑止することができる。また、圧力制御弁58によってもアキュムレータ60に蓄圧される水素ガスの圧力を調整することができる。アキュムレータ60に蓄圧される水素ガスの圧力を調整することで、燃焼気筒1,2,5,6の筒内圧力に応じた噴射圧力にも設定可能である。
In the present embodiment, the hydrogen gas compressed in the
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。 Next, another configuration example of this embodiment will be described.
図4に示す構成例では、図1に示す構成例と比較して、圧縮気筒3と圧縮気筒4との間(逆止弁55と圧縮気筒4の吸込口4aとの間)にアキュムレータ64が設けられている。アキュムレータ64は、一段目の圧縮気筒3で圧縮された水素ガスを蓄圧する。アキュムレータ64に蓄圧された水素ガスは、二段目の圧縮気筒4に供給されることでさらに圧縮される。この場合、水素流路52に設けられた逆止弁55は、圧縮気筒3の吐出口3bからアキュムレータ64へ向かう方向の水素ガスの流れを許容し、且つアキュムレータ64から圧縮気筒3の吐出口3bへ向かう方向の水素ガスの流れを遮断する。なお、図4では図示を省略しているが、水素流路52の周囲に、圧縮気筒3で圧縮された水素ガスを冷却する冷却器を設けることもできる。
In the configuration example shown in FIG. 4, compared to the configuration example shown in FIG. 1, an
ここで、クランク角に対する圧縮気筒3,4における水素ガス圧力の履歴の一例を図5に示す。図5において、一段目は圧縮気筒3を示し、二段目は圧縮気筒4を示す。図1に示す構成例では、圧縮気筒3は、図2に示す1サイクルの後半は圧縮動作を休止し、圧縮気筒4は、図2に示す1サイクルの前半は圧縮動作を休止している。これに対して図4に示す構成例では、圧縮気筒3,4は、図5に示す1サイクルの前後半とも圧縮動作を行う。そのため、図4に示す構成例では、図1に示す構成例と比較して、圧縮気筒3,4における1回あたりの水素ガスの吸込量を減らすことができる。
Here, an example of the history of the hydrogen gas pressure in the
以上の本実施形態の説明では、気筒1、気筒2、気筒3、気筒4、気筒5、気筒6の順に直列配置された気筒1〜6のうち、気筒1,2,5,6を水素ガスを燃焼させる燃焼気筒として用い、気筒3,4を水素ガスを圧縮する圧縮気筒として用いるものとした。ただし、本実施形態では、気筒1,3,4,6を燃焼気筒として用い、気筒2,5を圧縮気筒として用いることもできる。あるいは、気筒2,3,4,5を燃焼気筒として用い、気筒1,6を圧縮気筒として用いることもできる。この燃焼気筒及び圧縮気筒の配置によっても、水素ガスの燃焼期間の偏りを抑制することができる。
In the above description of the present embodiment, among cylinders 1 to 6 arranged in series in the order of cylinder 1,
以上の本実施形態の説明では、圧縮及び燃焼させる燃料ガスとして水素ガスを用いるものとした。ただし、本実施形態では、例えば天然ガス等の水素ガス以外の燃料ガスを用いることもできる。 In the above description of the present embodiment, hydrogen gas is used as the fuel gas to be compressed and burned. However, in this embodiment, fuel gas other than hydrogen gas, such as natural gas, can also be used, for example.
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and can be implemented with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
1,2,5,6 燃焼気筒、3,4 圧縮気筒、10 シリンダ、11,12,15,16 燃焼気筒用ピストン、13,14 圧縮気筒用ピストン、20 クランクシャフト、21,22,25,26 燃焼気筒用コネクティングロッド、23,24 圧縮気筒用コネクティングロッド、31,32,35,36 燃焼気筒用クランクピン、33,34 圧縮気筒用クランクピン、41,42,45,46 燃料噴射弁、54 水素供給量制御弁、55,56 逆止弁、58 圧力制御弁、60,64 アキュムレータ、61,62 冷却器。 1, 2, 5, 6 Combustion cylinder, 3, 4 Compression cylinder, 10 Cylinder, 11, 12, 15, 16 Piston for combustion cylinder, 13, 14 Piston for compression cylinder, 20 Crankshaft, 21, 22, 25, 26 Connecting rod for combustion cylinder, 23, 24 Connecting rod for compression cylinder, 31, 32, 35, 36 Crank pin for combustion cylinder, 33, 34 Crank pin for compression cylinder, 41, 42, 45, 46 Fuel injection valve, 54 Hydrogen Supply amount control valve, 55, 56 Check valve, 58 Pressure control valve, 60, 64 Accumulator, 61, 62 Cooler.
Claims (10)
クランクシャフトの動力の一部により燃料ガスを圧縮して出力する圧縮気筒と、
圧縮気筒で圧縮された燃料ガスが噴射され、且つ該噴射された燃料ガスを燃焼させることでクランクシャフトに動力を発生させる燃焼気筒と、
が共通のシリンダに設けられていることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine that generates power in a crankshaft by burning fuel gas in a cylinder,
A compression cylinder that compresses and outputs fuel gas by part of the power of the crankshaft;
A combustion cylinder in which fuel gas compressed in the compression cylinder is injected, and combustion is generated in the crankshaft by burning the injected fuel gas;
Is provided in a common cylinder.
圧縮気筒及び燃焼気筒の各々で発生する慣性力が圧縮気筒及び燃焼気筒全体でほぼ平衡するように、圧縮気筒及び燃焼気筒が共通のシリンダに設けられていることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1,
An internal combustion engine characterized in that the compression cylinder and the combustion cylinder are provided in a common cylinder so that the inertial force generated in each of the compression cylinder and the combustion cylinder is substantially balanced throughout the compression cylinder and the combustion cylinder.
圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が燃焼気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力に略等しくなるように、圧縮気筒の圧力比が設定されていることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to claim 1 or 2,
An internal combustion engine characterized in that the pressure ratio of the compression cylinder is set so that the maximum force acting on the crankshaft by the pressure of the compression cylinder is substantially equal to the maximum force acting on the crankshaft by the pressure of the combustion cylinder.
燃焼気筒と複数の圧縮気筒とが共通のシリンダに設けられており、
これら複数の圧縮気筒で燃料ガスが複数段階に圧縮されることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3,
A combustion cylinder and a plurality of compression cylinders are provided in a common cylinder,
An internal combustion engine in which fuel gas is compressed in a plurality of stages by the plurality of compression cylinders.
各圧縮気筒の圧力によりクランクシャフトに作用する最大力が互いに略等しくなるように、各圧縮気筒の圧力比が設定されていることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine according to claim 4,
An internal combustion engine characterized in that the pressure ratio of each compression cylinder is set so that the maximum forces acting on the crankshaft by the pressure of each compression cylinder are substantially equal to each other.
圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを蓄圧する蓄圧器が設けられており、
蓄圧器に蓄圧された燃料ガスが燃焼気筒に噴射されることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5,
A pressure accumulator for accumulating the fuel gas compressed in the compression cylinder is provided,
An internal combustion engine characterized in that fuel gas accumulated in an accumulator is injected into a combustion cylinder.
燃焼気筒に噴射される燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器が設けられていることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6,
An internal combustion engine characterized in that a pressure regulator for adjusting the pressure of fuel gas injected into the combustion cylinder is provided.
圧縮気筒への燃料ガスの供給量を調整する供給量調整器が設けられていることを特徴とする内燃機関。 The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7,
An internal combustion engine comprising a supply amount regulator for adjusting a supply amount of fuel gas to a compression cylinder.
圧縮気筒で圧縮された燃料ガスを冷却する冷却器が設けられていることを特徴とする内燃機関。 An internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8,
An internal combustion engine comprising a cooler for cooling fuel gas compressed in a compression cylinder.
燃料ガスは、水素ガスであることを特徴とする内燃機関。
An internal combustion engine according to any one of claims 1 to 9,
The internal combustion engine, wherein the fuel gas is hydrogen gas.
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