JP2008002289A

JP2008002289A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2008002289A
Application number: JP2006170155A
Authority: JP
Inventors: Hisanao Maruyama; 久直丸山
Original assignee: Press Kogyo Co Ltd
Current assignee: Press Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】ＮＯｘ、すす及び未燃燃料の排出を抑制すると共に、燃焼効率を向上させる。
【解決手段】化石燃料を燃焼室１１内で燃焼させて動力を得る内燃機関において、燃焼室１１に供給する吸気を、酸素と希ガスとの混合ガスとする。吸気中に窒素が含まれないため、燃焼ガス中にＮＯｘが発生することはない。また、吸気の主成分を希ガスとすることで、圧縮後の吸気の温度を上昇させることができ、すすや未燃燃料の排出を抑制することができる。さらに、吸気の主成分を希ガスとすることで、排気ガスの温度を低減させることができ、排気ガスとして捨てられる熱エネルギーを有効に利用して、燃焼効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、化石燃料を燃焼室内で燃焼させて動力を得る内燃機関に関するものである。

化石燃料を燃焼室内で燃焼させて、燃焼室内に発生する高温・高圧の燃焼ガスを利用してピストンを作動させる内燃機関が知られている。

なお、特許文献１には、エンジンの排気ガスから酸素／アルゴンの混合物と窒素とを分離する酸素分離装置が記載されている。特許文献１では、分離した酸素／アルゴンの混合物と、二酸化炭素及び水蒸気等が主な主成分である排気ガスとを混合して吸気として利用している。

米国特許第５７０６６７５号明細書

ところで、従来の内燃機関では、燃焼室に供給する吸気として窒素を含む空気を用いているため、燃焼ガス中にＮＯｘ（窒素酸化物）が発生するという問題があった。

また、空気の主成分は比熱比（定圧比熱と定積比熱との比）が１．４である窒素であり、圧縮行程において空気を断熱圧縮しても圧縮空気の最高温度があまり上がらない。燃焼温度を上げるために燃料及び酸素を増加させたとすると、主流である直接噴射式の内燃機関の場合には、圧縮空気が燃料の潜熱により冷却されてしまうため、特に圧縮空気の温度を利用して燃料を自己着火させるディーゼルエンジンの場合には、十分な燃料の気化が妨げられ、すすや未燃燃料が排気ガス中に含まれるおそれがあるという問題があった。

また、空気の主成分は比熱比が１．４である窒素であり、燃焼行程において燃焼ガスが断熱膨張しても排気ガスの温度があまり下がらないため、燃焼効率が低いという問題があった。

特許文献１のエンジンでは、酸素分離装置を用いて吸気中の窒素を除去しているため、ＮＯｘの発生は防止できるが、分離した酸素にモル比熱や比熱比が窒素より大きい二酸化炭素や水蒸気が主成分である排気ガスを約８０％混合して吸気するため、燃焼効率がさらに悪化する。

そこで、本発明の目的は、ＮＯｘ、すす及び未燃燃料の排出を抑制すると共に、燃焼効率を向上させることができる内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、化石燃料を燃焼室内で燃焼させて動力を得る内燃機関において、上記燃焼室に供給する吸気を、酸素と希ガスとの混合ガスとしたことを特徴とする内燃機関である。

請求項２の発明は、上記燃焼室より排出される排気ガスから希ガスを分離するための希ガス分離装置と、該希ガス分離装置により分離した希ガスを、酸素と混合して上記吸気として再利用するための混合器を備えた請求項１に記載の内燃機関である。

請求項３の発明は、空気から酸素を分離するための酸素分離装置と、該酸素分離装置により分離した酸素を、希ガスと混合して上記吸気として利用するための混合器を備えた請求項１又は２に記載の内燃機関である。

請求項４の発明は、上記混合ガスの酸素濃度が、５０％以下である請求項１から３いずれかに記載の内燃機関である。

本発明によれば、ＮＯｘ、すす及び未燃燃料の排出を抑制すると共に、燃焼効率を向上させることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態は、ディーゼルエンジンに適用したものである。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。

図中、１がエンジン本体であり、エンジン本体１は、シリンダ２、シリンダヘッド３、ピストン４、クランク軸５、コンロッド６、吸気ポート７、排気ポート８、吸気弁９、排気弁１０から主に構成されている。

シリンダ２、シリンダヘッド３及びピストン４により区画される空間には、燃焼室１１が形成されている。シリンダヘッド３には、化石燃料（軽油）を燃焼室１１内に直接噴射するインジェクタ１２が設けられている。

吸気ポート７には、吸気通路としての吸気管１３が接続され、排気ポート８には、排気通路としての排気管１４が接続されている。

エンジンを電子制御するための電子制御装置１５が設けられる。電子制御装置１５は各種センサ（図示せず）からエンジンの運転状態を読み取り、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ１２に供給する燃料供給量等を決定する。

ここで、本実施形態では、燃焼室１１に供給する吸気を、酸素と希ガス（稀ガス）との混合ガスとしている。希ガスは比熱比が大きい単原子ガスである。本実施形態では、希ガスとして、アルゴン、ヘリウム或いはネオン等を用いることができる。

吸気管１３には、酸素分離装置１６、混合器１７が配設されている。

酸素分離装置１６は、空気から酸素を分離し、分離した酸素を混合器１７に供給すると共に、酸素が分離された空気（窒素等）を排出するようになっている。つまり、本実施形態では、酸素分離装置１６を用いて空気から分離した酸素を、希ガスと混合して吸気として利用している。

混合器１７は、酸素分離装置１６から供給された酸素と、後述する希ガス分離装置１８から供給された希ガスとを混合し、その混合したガス（混合ガス）を燃焼室１１に供給するようになっている。

酸素分離装置１６と混合器１７との間の吸気管１３には、酸素分離装置１６から混合器１７に供給する酸素の流量を調整するための流量調整弁１９が設けられている。流量調整弁１９は電子制御装置１５に接続されており、流量調整弁１９の開度が電子制御装置１５により制御される。図示はしないが、酸素分離装置１６と流量調整弁１９との間の吸気管１３には、酸素を貯留するサージタンクが配設される。

排気管１４には、希ガス分離装置１８が配設されている。

希ガス分離装置１８は、燃焼室１１より排出される排気ガスから希ガスを分離し、分離した希ガスを混合器１７に供給すると共に、希ガスが分離された排気ガス（炭酸ガス（二酸化炭素）や水蒸気等）を排出するようになっている。つまり、本実施形態では、希ガス分離装置１８を用いて排気ガスから分離した希ガスを、酸素と混合して吸気として再利用している。

希ガス分離装置１８と混合器１７とを接続する希ガス供給通路としての希ガス供給管２０には、希ガス分離装置１８から混合器１７に供給する希ガスの流量を調整するための流量調整弁２１が設けられている。流量調整弁２１は電子制御装置１５に接続されており、流量調整弁２１の開度が電子制御装置１５により制御される。図示はしないが、希ガス分離装置１８と流量調整弁２１との間の希ガス供給管２０には、希ガスを貯留するサージタンクが配設される。

混合器１７と燃焼室１１との間の吸気管１３には、混合器１７から燃焼室１１に供給される吸気（混合ガス）の酸素濃度を検出する濃度センサ２２が設けられている。濃度センサ２２は電子制御装置１５に接続されており、濃度センサ２２の検出値が電子制御装置１５に入力される。

電子制御装置１５は、インジェクタ１２への燃料供給量に応じて、吸気（混合ガス）の酸素濃度が所定値となるように、流量調整弁１９、２１を制御する。吸気（混合ガス）の酸素濃度（モル濃度）は、５０％以下となるように設定され、好ましくは、１０％程度に設定される。

次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態では、燃焼室１１に供給する吸気を、酸素と希ガスとの混合ガスとしている。

このようにすることで、吸気（混合ガス）中に窒素が含まれないため、燃焼ガス中にＮＯｘが発生することはない。

また、本実施形態では、吸気（混合ガス）の酸素濃度（モル濃度）が、５０％以下となるようにしている。つまり、本実施形態では、吸気（混合ガス）の主成分を、比熱比が空気（１．４）に比べて約２０％程度大きい希ガス（約１．７）としている。

３００Ｋの吸気を圧縮比２０倍に断熱圧縮したとすると、圧縮後の空気の温度が３００×２０^1.4-1＝約１０００Ｋ（７００℃程度）であるのに対し、圧縮後の希ガスの温度が３００×２０^1.7-1＝約２４００Ｋ（２０００℃程度）である。比熱比が空気とほぼ同じである酸素を希ガスに混合したとしても、空気に比べて、１０００℃程度の温度上昇が期待できる。つまり、吸気（混合ガス）の主成分を希ガスとすることで、圧縮吸気の温度を上昇させることができ、すすや未燃燃料の排出を抑制することができる。

次に、３０００Ｋの燃焼ガスを２０倍に断熱膨張したとすると、膨張後の空気の温度が３０００÷２０^1.4-1＝約９００Ｋ（７００℃程度）であるのに対し、膨張後の希ガスの温度が３０００÷２０^1.7-1＝約３５０Ｋ（１００℃程度）である。比熱比が空気とほぼ同じである残留酸素、比熱比が空気より大きい炭酸ガス（二酸化炭素）、及び水蒸気が希ガスに混合したとしても、空気に比べて、５００℃程度の温度の低減が期待できる。つまり、吸気（混合ガス）の主成分を希ガスとすることで、排気ガスの温度を低減させることができ、排気ガスとして捨てられる熱エネルギーを有効に利用して、燃焼効率を向上させることができる。

さらに、希ガスのモル比熱は窒素及び空気のモル比熱に比べて小さく約半分程度であるため、同量の燃料を燃焼させた場合には、燃焼ガスの温度及び圧力を高くすることができる。また、逆に同じ燃焼ガスの温度或いは圧力を得るためには約半分程度の燃料で済むことから、燃焼効率が約２倍となることが期待できる。また、吸気（混合ガス）中に窒素を含まないため、燃焼ガスの温度を上げたとしても、ＮＯｘが生成されることはない。

ここで、酸素分離装置１６は、出力１００ｋＷ程度のエンジンであれば、必要酸素量が１Ｎｍ³／分程度の小型のもので良い。

また、アルゴン、ヘリウム及びネオン等の希ガスは高価であるが、本実施形態では、希ガス分離装置１８を用いて、排気ガスから希ガスを分離して、分離した希ガスを燃焼室１１に供給するようにしたため、コスト高となることはない。希ガスは、排気ガス中に含まれる希ガス以外の成分（炭酸ガスや水蒸気等）に比べて水への溶解性、常温での蒸気圧、及び、常圧での沸点等が大きく異なっており、排気ガスから希ガスを分離して再利用することは容易である。

本発明は以上説明した実施形態に限定はされない。

上述の実施形態では、酸素分離装置１６を用いて、空気から酸素を分離して、分離した酸素を燃焼室１１に供給するとしたが、これには限定はされない。例えば、酸素タンクを燃焼室１１或いは混合器１７に接続し、酸素を酸素タンクから燃焼室１１或いは混合器１７に供給するようにしても良い。

また、上述の実施形態では、希ガス分離装置１８を用いて、排気ガスから希ガスを分離して、分離した希ガスを燃焼室１１に供給するとしたが、これには限定はされない。例えば、希ガスタンクを燃焼室１１或いは混合器１７に接続し、希ガスを希ガスタンクから燃焼室１１或いは混合器１７に供給するようにしても良い。

また、内燃機関がガソリンエンジンであっても良いが、この場合は点火プラグを廃止して自己着火式にするか、圧縮比を小さくすれば良い。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略図である。

符号の説明

１１燃焼室
１６酸素分離装置
１７混合器
１８希ガス分離装置

Claims

化石燃料を燃焼室内で燃焼させて動力を得る内燃機関において、
上記燃焼室に供給する吸気を、酸素と希ガスとの混合ガスとしたことを特徴とする内燃機関。
上記燃焼室より排出される排気ガスから希ガスを分離するための希ガス分離装置と、該希ガス分離装置により分離した希ガスを、酸素と混合して上記吸気として再利用するための混合器を備えた請求項１に記載の内燃機関。
空気から酸素を分離するための酸素分離装置と、該酸素分離装置により分離した酸素を、希ガスと混合して上記吸気として利用するための混合器を備えた請求項１又は２に記載の内燃機関。
上記混合ガスの酸素濃度が、５０％以下である請求項１から３いずれかに記載の内燃機関。