JP2008115722A - Reciprocating internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室内において燃料流体と空気との混合流体を燃焼させることにより所定の動力を得る往復動型内燃機関に関する。 The present invention relates to a reciprocating internal combustion engine that obtains predetermined power by burning a fluid mixture of a fuel fluid and air in a combustion chamber.
従来、この種の往復動型内燃機関として、例えば軽油や重油を燃料とし、シリンダ内で空気と混合して燃焼させることによって動力を得るディーゼルエンジンが知られている。このディーゼルエンジンは、燃焼効率がよいというメリットがある一方で、燃焼温度が高いためや、高い酸素濃度の燃焼排ガスによる3元触媒など脱窒素酸化物除去がうまく機能しないためにより、窒素酸化物の排出量が多くなるという問題を有している。そのため、近年における省エネルギー指向及び排ガス規制強化の流れの中で、燃費がよく窒素酸化物生成量の低減されたディーゼルエンジンの要求がますます高まっている。 Conventionally, as this type of reciprocating internal combustion engine, for example, a diesel engine that obtains power by using light oil or heavy oil as fuel and mixing it with air in a cylinder and burning it is known. While this diesel engine has the advantage of good combustion efficiency, it has a high combustion temperature, and the removal of denitrogen oxides such as a three-way catalyst using combustion exhaust gas with high oxygen concentration does not work well. There is a problem of increased emissions. Therefore, in recent years, energy saving and exhaust gas regulations have been strengthened, and the demand for diesel engines with good fuel consumption and reduced production of nitrogen oxides is increasing.
ここで、エンジン中に水を供給して、水の比熱や蒸発潜熱の大きさから燃焼温度を低下させることにより、窒素酸化物の生成量が低減されることは広く知られており、例えばシリンダ内への水の噴射、燃料と水とを混合してエマルジョン化したエマルジョン燃料の使用、吸気加湿等の技術が数多く提案されている。 Here, it is widely known that the amount of nitrogen oxides generated can be reduced by supplying water into the engine and lowering the combustion temperature from the specific heat of water or the amount of latent heat of vaporization. Many techniques have been proposed, such as water injection into the interior, use of emulsion fuel mixed with fuel and water, and intake air humidification.
また、シリンダ内に超臨界水または亜臨界水を導入して、窒素酸化物の生成を抑制しつつ、燃費の維持向上を図る技術も提案されている。例えば、シリンダの外部において燃料と超臨界水または亜臨界水とを混合し、その混合流体をシリンダ内に噴射する技術が特許文献1に開示されている。さらに、例えば、上死点前90°〜上死点後30°の範囲内で、シリンダ内に超臨界水を噴射する往復動内燃機関の運転方法が特許文献2に開示されている。
ところが、シリンダ内に水を多量に噴射すると、水が気化する際に蒸発潜熱が奪われるため、エネルギーが消費され、燃費が大きく低下する。また、燃料噴射ノズルやピストン等の腐食も進行しやすくなり、特に硫黄分を多く含む低質油燃料を用いる場合、低質油燃料と混合された水中には金属攻撃種である硫酸イオンが生成され、腐食が著しく進行する。また、失火防止の観点から、シリンダ内に導入する水分量を大きくすることは難しく、窒素酸化物の大幅な低減も困難である。 However, if a large amount of water is injected into the cylinder, the latent heat of vaporization is lost when the water vaporizes, so that energy is consumed and fuel consumption is greatly reduced. Also, corrosion of the fuel injection nozzle, piston, etc. is likely to proceed. Especially when using a low quality oil fuel containing a large amount of sulfur, sulfate ions which are metal attack species are generated in the water mixed with the low quality oil fuel, Corrosion proceeds significantly. Further, from the viewpoint of preventing misfire, it is difficult to increase the amount of moisture introduced into the cylinder, and it is difficult to significantly reduce nitrogen oxides.
一方、エマルジョン燃料を用いた場合には、窒素酸化物の生成と黒鉛の発生とを同時に低減しつつ、燃費の低下も抑制することができる。しかしながら、失火防止の観点から、エマルジョン燃料における水分量を増やしてシリンダへの水の導入量を大きくすることは難しく、窒素酸化物の生成量を大きく削減することが困難である。 On the other hand, when the emulsion fuel is used, it is possible to suppress the decrease in fuel consumption while simultaneously reducing the generation of nitrogen oxides and the generation of graphite. However, from the viewpoint of preventing misfire, it is difficult to increase the amount of water in the emulsion fuel and increase the amount of water introduced into the cylinder, and it is difficult to greatly reduce the amount of nitrogen oxide produced.
ところで、超臨界水や亜臨界水を用いる技術では、超臨界水及び亜臨界水が種々の金属材料に対して非常に高い腐食性を有しているという問題を有している。ここで、前記従来構成の往復動型内燃機関では、予めシリンダの外部で超臨界水または亜臨界水を生成し、その超臨界水または亜臨界水を燃料と混合してまたは単独でシリンダ内に噴射するようになっている。このため、超臨界水や亜臨界水の生成装置、燃料との混合装置、超臨界水や亜臨界水または混合液をシリンダ内へ導く配管路等が必要となり、内燃機関の全体構成が複雑化すると共に、これらは常に腐食性の高い超臨界水や亜臨界水に接することになるため、製品寿命が短くなり、メンテナンスに非常な手間とコストがかかるというという問題があった。 By the way, in the technique using supercritical water or subcritical water, there is a problem that supercritical water and subcritical water have very high corrosiveness to various metal materials. Here, in the reciprocating internal combustion engine having the conventional configuration, supercritical water or subcritical water is generated in advance outside the cylinder, and the supercritical water or subcritical water is mixed with fuel or alone in the cylinder. It comes to inject. This necessitates a supercritical water or subcritical water generator, a fuel mixing device, a pipe that leads the supercritical water, subcritical water, or liquid mixture into the cylinder, and the overall configuration of the internal combustion engine is complicated. At the same time, they are always in contact with supercritical water and subcritical water, which are highly corrosive, so that there is a problem that the product life is shortened and maintenance is very troublesome and costly.
さらに、予めシリンダの外部で超臨界水を生成した上で、その超臨界水をシリンダ内に供給して燃料と共に燃焼させる前記従来技術では、例えば機関始動時などにおいて安定した機関運転状況が得られないおそれもあった。 Furthermore, in the prior art in which supercritical water is generated outside the cylinder in advance and then supplied into the cylinder and burned with fuel, a stable engine operating condition can be obtained, for example, at the time of engine start. There was also a fear of not.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で腐食の発生や燃費の低下を抑制しつつ、窒素酸化物の生成量を大きく低減し、かつ安定した機関運転状況を確保することのできる往復動型内燃機関を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to greatly reduce the amount of nitrogen oxide generated while suppressing the occurrence of corrosion and the reduction in fuel consumption with a simple configuration, and is stable. An object of the present invention is to provide a reciprocating internal combustion engine that can ensure the engine operating condition.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、内部にピストンを往復動可能に収容することにより容積可変の燃焼室が区画形成されたシリンダと、該シリンダの前記燃焼室内に燃料流体を噴射する燃料噴射装置と、前記燃焼室内に空気を供給する空気供給路と、前記燃焼室内に水蒸気を供給する水蒸気供給装置と、該水蒸気供給装置による水蒸気の供給状況を制御する水蒸気供給制御装置とを備え、前記水蒸気供給制御装置は、内燃機関の運転条件に応じて前記燃焼室内に水蒸気が吸入行程及び圧縮行程の少なくとも一方で供給されるように前記水蒸気供給装置を制御し、前記燃焼室内においては、前記水蒸気を超臨界状態に移行させた後、燃料流体を空気と水との超臨界混合流体と共に燃焼させ、その燃焼ガスが作動流体となることにより動力を得ることを要旨とする。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is directed to a cylinder in which a piston with a reciprocating motion is accommodated therein to define a combustion chamber having a variable volume, and a fuel in the combustion chamber of the cylinder. A fuel injection device for injecting a fluid; an air supply passage for supplying air into the combustion chamber; a water vapor supply device for supplying water vapor into the combustion chamber; and a water vapor supply control for controlling a supply status of water vapor by the water vapor supply device The water vapor supply control device controls the water vapor supply device so that water vapor is supplied into the combustion chamber in at least one of an intake stroke and a compression stroke in accordance with operating conditions of the internal combustion engine, and the combustion In the room, after the water vapor is transferred to the supercritical state, the fuel fluid is combusted together with the supercritical fluid mixture of air and water, and the combustion gas becomes the working fluid. And gist to obtain power by.
この往復動型内燃機関では、水蒸気をシリンダの燃焼室内に導入して、燃焼室内で超臨界水を生成させる構造であるため、超臨界水を貯留・輸送等するための大がかりな周辺装置を不要にできると共に、シリンダに対する配管等が超臨界水に接することもない。また、燃焼室内の水は、水蒸気という気体状態から加熱及び加圧されるため、超臨界水の生成過程で高腐食領域を通過することがない。このため、内燃機関の構成を簡単なものにできると共に、構成部材及び周辺部材の腐食を抑制することができる。また、燃焼室内での燃料の燃焼に際しては、空気と水との超臨界混合流体を介在させることにより、燃料の燃焼効率を高めて高燃費を維持しつつ窒素酸化物の生成量を大きく低減することができる。 In this reciprocating internal combustion engine, water vapor is introduced into the combustion chamber of the cylinder and supercritical water is generated in the combustion chamber, eliminating the need for large-scale peripheral devices for storing and transporting supercritical water. In addition, the piping for the cylinder does not come into contact with the supercritical water. In addition, since the water in the combustion chamber is heated and pressurized from a gaseous state of water vapor, it does not pass through the high corrosion area in the process of generating supercritical water. For this reason, while being able to simplify the structure of an internal combustion engine, the corrosion of a structural member and a peripheral member can be suppressed. Also, when fuel is burned in the combustion chamber, a supercritical fluid mixture of air and water is interposed to increase the combustion efficiency of the fuel and greatly reduce the amount of nitrogen oxide produced while maintaining high fuel efficiency. be able to.
しかも、燃焼室内へは内燃機関の運転条件に応じて吸気行程及び圧縮行程の少なくとも一方で水蒸気が供給されるので、水蒸気の供給状況を適切に調整することにより、水蒸気と空気との混合の促進を図って、安定した機関運転状況を確保することができる。 Moreover, since steam is supplied into the combustion chamber in at least one of the intake stroke and the compression stroke according to the operating conditions of the internal combustion engine, the mixing of water vapor and air is promoted by appropriately adjusting the supply status of the steam. As a result, stable engine operating conditions can be secured.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の往復動型内燃機関において、前記水蒸気供給制御装置は、前記燃焼室内への水蒸気の供給が前記燃焼室内への空気の吸入終了後に行われるように前記水蒸気供給装置を制御することを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, in the reciprocating internal combustion engine according to the first aspect, the water vapor supply control device performs the supply of water vapor into the combustion chamber after completion of the intake of air into the combustion chamber. Thus, the gist is to control the water vapor supply device.
この往復動型内燃機関では、吸入行程における吸入空気量を減らすことなく、空気吸入圧力以上の密度の高い水蒸気を大量に燃焼室内に供給することができるため、より一層、窒素酸化物の生成量を低減することができる。 This reciprocating internal combustion engine can supply a large amount of water vapor with a density higher than the air suction pressure into the combustion chamber without reducing the amount of intake air in the intake stroke. Can be reduced.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の往復動型内燃機関において、前記水蒸気供給制御装置は、前記水蒸気が前記空気との混合流体として前記燃焼室内に供給されるように前記水蒸気供給装置を制御することを要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, in the reciprocating internal combustion engine of the first aspect, the water vapor supply control device is configured so that the water vapor is supplied into the combustion chamber as a fluid mixture with the air. The gist is to control the supply device.
この往復動型内燃機関では、燃焼室内に空気と水蒸気とが同時に供給されることになり、空気と水蒸気との混合が促進されるため、燃料液体の燃焼効率が向上され、窒素酸化物の生成量をさらに低減することができる。 In this reciprocating internal combustion engine, air and water vapor are simultaneously supplied into the combustion chamber, and the mixing of air and water vapor is promoted, so the combustion efficiency of the fuel liquid is improved and the generation of nitrogen oxides The amount can be further reduced.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の往復動型内燃機関において、前記燃焼室内に空気を過給する過給器を備え、前記水蒸気供給制御装置は、前記水蒸気供給装置が前記過給器の下流の圧縮空気に水を供給するように前記水蒸気供給装置を制御することを要旨とする。
The invention according to
この往復動型内燃機関では、水蒸気供給装置から供給された水が高温の過給気に接して気化されることにより水蒸気と空気との混合流体が生成される。そして、その際において高温の過給気は水により冷却される。このため、高温の過給気を冷却するためのインタクーラを設ける必要がないとともに、水を気化させるために特段の装置を必要としない。これにより、内燃機関の構成の簡素化とともにエネルギー使用量の削減を図ることができる。 In this reciprocating internal combustion engine, the water supplied from the water vapor supply device is vaporized in contact with the high-temperature supercharged air, whereby a mixed fluid of water vapor and air is generated. At that time, the hot supercharged air is cooled by water. For this reason, it is not necessary to provide an intercooler for cooling the high-temperature supercharged air, and no special device is required for vaporizing water. As a result, the configuration of the internal combustion engine can be simplified and the amount of energy used can be reduced.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のうち何れか一項に記載の往復動型内燃機関において、前記燃焼室内において、前記燃料流体を前記空気と前記水との超臨界混合流体と共に圧縮して点火することを要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the reciprocating internal combustion engine according to any one of the first to fourth aspects, the fuel fluid is a supercritical fluid mixture of the air and the water in the combustion chamber. The gist of this is compression and ignition.
ここで、燃料と空気との混合流体を圧縮点火するディーゼルエンジンは、窒素酸化物の生成量が多く、排ガスが黒煙となりやすい。これに対して、この往復動型内燃機関では、空気を均一に混和された燃料が低温で効率よく燃焼されるため、流体内部で燃料が蒸し焼きされにくくなり、窒素酸化物の排出が大きく低減されるとともに黒煙の発生を抑制することができる。 Here, a diesel engine that compresses and ignites a mixed fluid of fuel and air generates a large amount of nitrogen oxides, and the exhaust gas tends to become black smoke. In contrast, in this reciprocating internal combustion engine, fuel in which air is uniformly mixed is burned efficiently at low temperatures, so that the fuel is less likely to be steamed inside the fluid, and nitrogen oxide emissions are greatly reduced. And the generation of black smoke can be suppressed.
本発明によれば、往復動型内燃機関において、構成の複雑化と腐食の発生と燃費の低下とを抑制しつつ、窒素酸化物の生成量を大きく低減し、かつ安定した機関運転状況を確保することができる。 According to the present invention, in a reciprocating internal combustion engine, the generation amount of nitrogen oxides is greatly reduced and a stable engine operation state is secured while suppressing the complexity of the configuration, the occurrence of corrosion, and the reduction in fuel consumption. can do.
以下、本発明を往復動型内燃機関の一種であるディーゼルエンジン及びその運転方法に具体化した実施形態を図に従って説明する。
(第1実施形態)
図1に示すように、この第1実施形態の運転方法が適用される往復動型内燃機関としてのディーゼルエンジン11は、鋳鉄等の金属材料で形成されたシリンダ12とシリンダヘッド13とを有している。シリンダ12内には、ピストン14が往復動可能に収容されることにより容積可変の燃焼室15が区画形成されている。そして、ピストン14の往復動は、クランク機構16を介して回転運動として外部の機械に伝達される。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a diesel engine which is a kind of a reciprocating internal combustion engine and an operation method thereof will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, a
このクランク機構16には、図示しないクランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ16aが設けられている。そして、クランク角センサ16aの検出値からピストン14の位置情報が検出されるようになっている。
The
シリンダヘッド13には、燃焼室15内に空気を供給する空気供給路としての吸気通路17と、燃焼室15内の燃焼ガスを排出するための排気通路18とが形成されている。吸気通路17には、その吸気ポート19を開閉する吸気弁20が設けられている。排気通路18には、その排気ポート21を開閉する排気弁22が設けられている。
The
シリンダヘッド13には、吸気ポート19と排気ポート21との間に、軽油、重油等の燃料流体を燃焼室15内に噴射する燃料噴射装置としての燃料噴射ノズル23と、燃焼室15内に水蒸気を噴射して供給する水蒸気噴射ノズル24とが燃焼室15内に臨むように設けられている。燃料噴射ノズル23には、図示しない燃料タンク内に貯留された燃料が供給されるようになっている。
The
吸気通路17と排気通路18とは、過給器25に接続されている。これにより、排気通路18を流通する排ガスにより過給器25の排気側タービン26が回転されると、過給器25の吸気側タービン27が連動して回転され、吸気が圧縮されて燃焼室15内に過給される。過給器25と吸気ポート19との間の吸気通路17には、過給器25を通過する際に加熱された吸気を冷却するためのインタクーラ28が接続されている。
The
水蒸気噴射ノズル24には水蒸気を供給する水蒸気供給路29が接続されている。この水蒸気供給路29には、水を貯留する水タンク30と、送水ポンプ31と、排ガスの熱を利用して、水蒸気を発生させる排気ボイラ32と、燃焼室15内への水蒸気の供給を制御する水蒸気供給制御装置33とが設けられている。排気ボイラ32は、水蒸気供給路29と排気通路18の過給器25の下流側との間にわたって設けられており、排ガスの熱を利用して送水ポンプ31により送られてくる水を沸騰させて水蒸気に気化させる熱交換器となっている。水蒸気供給制御装置33は、吸気弁20及び排気弁22の開閉情報、クランク角センサ16aの検出値に基づくピストン14の位置情報等に応じて、水蒸気噴射ノズル24による燃焼室15内への水蒸気の噴射量及び噴射時期を制御している。
A
次に、このディーゼルエンジン11の運転動作について説明する。
ディーゼルエンジン11が起動されると、ピストン14の下降にともなって吸気弁20が吸気ポート19を開放する。すると、燃焼室15内に、過給器25を介して圧縮され且つインタクーラ28で冷却された空気が吸入される(吸入工程)。ピストン14が下死点位置で折り返され、やがて吸気弁20が吸気ポート19を閉止すると、燃焼室15内が密閉空間となって、吸入された空気が圧縮される(圧縮行程)。
Next, the operation of the
When the
ここで、水蒸気供給制御装置33は、ディーゼルエンジン(機関)11が圧縮行程に移行して、ピストン14が上死点位置と下死点位置との中間点に至るまでの間に、排気ボイラ32で気化された所定量の水蒸気が水蒸気噴射ノズル24から燃焼室15内に噴射されるように水蒸気噴射ノズル24を制御する。この燃焼室15内に噴射される水蒸気は、その圧力が10MPa以下、好ましくは2MPa以下、さらに好ましくは1.3〜1.7MPaの低圧蒸気である。この程度の圧力であれば、特段の高圧ポンプを設けることなく、送水ポンプ31の送水圧で加圧することができる。
Here, the steam
水蒸気は、圧縮行程において、その圧縮行程の終了直前には臨界点22.1MPa、374℃を超えるまでに空気と共に断熱圧縮されるとともに空気と混合され、空気と超臨界水との超臨界混合流体となる。 In the compression stroke, water vapor is adiabatically compressed with air and mixed with air until the critical point of 22.1 MPa and 374 ° C. is exceeded immediately before the end of the compression stroke, and a supercritical mixed fluid of air and supercritical water. It becomes.
この状態で、燃料が図示しないディーゼルエンジン11の制御部の指令の下で燃料噴射ノズル23から燃焼室15内に噴射される。噴射された燃料は、圧縮点火されるまでの間に空気と水との超臨界混合流体と均一に混合され、燃料と空気と水との均一な超臨界状態の混合流体が生成される。そして、ピストン14が上死点に達すると、燃料を含む超臨界状態の混合流体が圧縮点火され、燃料の燃焼に伴う燃焼ガスの急激な体積拡大によりピストン14が下死点側に向かって押し下げられる(膨張行程)。この膨張行程において、燃焼ガスは、断熱膨張によりその温度及び圧力が急降下されることになる。これにより、燃焼室15中の超臨界水は、超臨界条件を満たなくなり水蒸気に戻される。このように、超臨界水は、圧縮点火の寸前から膨張行程の極初期の間に生成されるに過ぎない。
In this state, fuel is injected into the
ピストン14が下死点に到達し、ピストン14が上昇に転じると、排気弁22が排気ポート21を開放し、排ガスがピストン14により押し退けられ、排気ポート21から排気通路18へと排出される(排気行程)。ディーゼルエンジン11は、これら一連の吸気、圧縮、膨張、排気の各行程を繰り返し、その間のピストン14の往復動をクランク機構16を介して図示しないクランクシャフトの回転運動に変換して、そのクランクシャフトに接続される外部の機械、例えば車輪、スクリュー、プロペラ等を回転させるための動力を得る。
When the
燃焼室15から排出された排ガスは、過給器25の排気側タービン26に導かれ、排気側タービン26を回転させる。過給器25を出た排ガスは排気ボイラ32に供給され、排ガスの熱により水蒸気供給路29内の水が気化される。そして、排気ボイラ32で冷却された排ガスは、大気放出等により排気される。
The exhaust gas discharged from the
次に、このディーゼルエンジン11の運転方法による窒素酸化物の発生量の低減等、種々の効果について説明する。
図2(a)は、燃焼室15に水蒸気を噴射し、点火時の燃焼室15の圧力が超臨界状態に達しない条件下で燃料を燃焼させたときの燃料消費量(燃費)と窒素酸化物の発生量との関係を示した図である。ここで、水蒸気は、200℃、1MPa、エンジン回転角で上死点前160°の圧縮行程初期に、燃焼室15内に噴射されている。また、図中の各曲線は、それぞれ燃料の噴射時期がエンジン回転角で上死点前22.5°、20°、17.5°、15°における水蒸気噴射なし及び水蒸気の対燃料噴射量1倍〜4倍の条件でのデータである。この図2(a)に示すように、水蒸気噴射量が増すに従って、曲線はグラフの下方へとシフトし、窒素酸化物の発生量が大きく低減されていることが分かる。その一方で、水蒸気噴射量が増すに従って、曲線はグラフの右方へとシフトし、燃料消費量が増大、つまり燃費が悪化していることがわかる。また、燃料の噴射時期については、上死点に近い時期に噴射するほど、窒素酸化物の発生量が少ないが、燃費は悪化することがわかる。
Next, various effects such as reduction in the amount of nitrogen oxide generated by the operation method of the
FIG. 2A shows fuel consumption (fuel consumption) and nitrogen oxidation when water vapor is injected into the
これに対して、図2(b)は、図2(a)と同条件で燃焼室15に水蒸気を噴射し、点火時の燃焼室15の圧力を超臨界状態に達するように高めた条件下で燃料を燃焼させたときの燃料消費量(燃費)と窒素酸化物の発生量との関係を示した図である。図2(b)に示すように、水蒸気噴射量が増すに従って、図2(a)の場合と同様に、曲線はグラフの下方へとシフトし、窒素酸化物の発生量が大きく低減されていることが分かる。しかも、水蒸気噴射量を増していっても、曲線はグラフの右方へほとんどシフトせず、燃料消費量はほとんど変化なし、つまり高燃費が維持されていることがわかる。このように、燃料の燃焼時において超臨界水を介在させることによって、窒素酸化物の発生を大きく抑制しつつ、燃費の悪化を防ぐことができる。また、燃料の噴射時期と窒素酸化物の発生量及び燃費の関係は、図2(a)の場合と同様であった。
On the other hand, FIG. 2B shows a condition in which water vapor is injected into the
ここで、超臨界水の特徴について説明する。図3に示すように、水は温度と圧力との関係により、気体(水蒸気)、液体(水)、固体(氷)と様々な状態で存在する。その状態は、水の分子間に働く引力(凝集力)と各分子の熱運動力(拡散力)との大きさの関係により決まる。凝集力が拡散力よりも大きい条件下(低温・高圧)では、固体(氷)または液体(水)となる。逆に、凝集力が拡散力よりも小さい条件下(高温・低圧)では、気体(水蒸気)となる。 Here, the characteristics of supercritical water will be described. As shown in FIG. 3, water exists in various states such as gas (water vapor), liquid (water), and solid (ice) depending on the relationship between temperature and pressure. The state is determined by the relationship between the attractive force (cohesive force) acting between water molecules and the thermal kinetic force (diffusion force) of each molecule. Under the condition that the cohesive force is larger than the diffusive force (low temperature and high pressure), it becomes solid (ice) or liquid (water). Conversely, under conditions where the cohesive force is smaller than the diffusive force (high temperature and low pressure), gas (water vapor) is formed.
これに対して、超臨界状態は、温度の関数で無限の力である拡散力が、有限の力である凝集力の最大値を上回る臨界点を温度、圧力ともに超えた液体とも気体とも区別のつかない高温・高圧の状態のことである。水の場合、臨界点は温度374℃、圧力が22.1MPaである。超臨界状態にある超臨界水は、気体に近い大きな運動エネルギーを有し、かつ液体に匹敵する大きな密度をもった高い活性を有する流体となっている。 On the other hand, in the supercritical state, the diffusive force, which is an infinite force as a function of temperature, distinguishes between liquid and gas that exceed the critical point where the cohesive force, which is a finite force, exceeds the maximum value, both in temperature and pressure. It is a high temperature and high pressure state. In the case of water, the critical point is a temperature of 374 ° C. and the pressure is 22.1 MPa. Supercritical water in a supercritical state has a high kinetic energy close to that of a gas and has a high activity with a high density comparable to a liquid.
さらに、燃焼等の化学反応場の重要なパラメータである誘電率やイオン積は、温度及び圧力によって制御することができることが知られている。ここで、超臨界水の誘電率は非極性の有機物に近くなり、超臨界水は非極性の有機物質である炭化水素燃料とも気体ともよく混ざり合う。このため、炭化水素燃料と空気とが、超臨界水を媒体として均一に混和する。また、水分子は、超臨界状態において、気相ラジカル反応の衝突因子や反応物として働き、炭化水素燃料の燃焼を促進する効果を有している。これらの超臨界水による均一混和効果と燃焼促進効果との相乗効果により、燃焼効率が大幅に向上されるため、水蒸気添加量が増加するにつれて窒素酸化物の生成量を低減しつつも燃料消費量を改善することができる。 Furthermore, it is known that dielectric constant and ion product, which are important parameters of chemical reaction fields such as combustion, can be controlled by temperature and pressure. Here, the dielectric constant of supercritical water is close to that of a nonpolar organic substance, and supercritical water mixes well with hydrocarbon fuel, which is a nonpolar organic substance, and gas. For this reason, hydrocarbon fuel and air are uniformly mixed using supercritical water as a medium. In addition, water molecules act as collision factors and reactants in the gas phase radical reaction in the supercritical state, and have an effect of promoting the combustion of hydrocarbon fuel. Combustion efficiency is greatly improved by the synergistic effect of homogeneous mixing effect and combustion promotion effect by these supercritical waters, so fuel consumption is reduced while reducing the amount of nitrogen oxide produced as the amount of steam added increases. Can be improved.
通常、ディーゼル燃焼(圧縮点火)では、気相中に噴霧された液体燃料がまず相変化(気化)して燃焼に供される。これに対して、超臨界水を媒体とした燃焼では、液体燃料が相変化することなく燃焼に供されるため、均一燃焼しやすく燃焼室15内に局所的な高温場が生成しにくく、窒素酸化物の生成が抑制されるとともに、燃料液滴内部が蒸し焼き状態となりにくくススの生成が抑制される。このため、超臨界水を用いることにより、排気色も改善され、黒煙の発生が抑制される。
Usually, in diesel combustion (compression ignition), the liquid fuel sprayed in the gas phase is first subjected to phase change (vaporization) for combustion. On the other hand, in combustion using supercritical water as a medium, liquid fuel is used for combustion without phase change. Therefore, it is easy to perform uniform combustion, and a local high-temperature field is not easily generated in the
図4は、燃焼室15に水蒸気を噴射し、点火時の燃焼室15の圧力を超臨界状態に達するように高めた条件下で燃料を燃焼させたときの燃料に対する水の添加量比と窒素酸化物の発生量との関係を示した図である。この図4に破線で示すように、水蒸気を上死点前145°で水蒸気を噴射した場合、前記図2(a),(b)の場合と同様に、水の添加量比が大きくなるに従って、窒素酸化物の生成量が低減されていることがわかる。
FIG. 4 shows the ratio of the amount of water added to fuel and nitrogen when fuel is burned under the condition that water vapor is injected into the
一方、図4中の実線は、水の添加量比をほぼ一定として、水蒸気の噴射時期を上死点前115°、130°、145°、160°と変化させた場合における窒素酸化物の生成量の変化を示している。この実線が示すように、水蒸気の噴射時期が下死点に近いほど、窒素酸化物の生成量が低減されることがわかる。 On the other hand, the solid line in FIG. 4 shows the generation of nitrogen oxides when the ratio of water addition is substantially constant and the water vapor injection timing is changed to 115 °, 130 °, 145 °, and 160 ° before top dead center. Shows the change in quantity. As shown by the solid line, it can be seen that the closer the water vapor injection timing is to the bottom dead center, the more the amount of nitrogen oxide produced.
また、従来技術のように燃焼室15の外部で超臨界水を生成させるような場合には、液体の水を高圧ポンプで昇圧して密度を高めた後、加熱して超臨界状態に移行させる経路Bをたどる方法が一般的である。この経路Bでは、高腐食領域の通過が避けられず、超臨界水生成過程の高圧水加熱部や超臨界水の接する部材が腐食されやすいという問題があった。
When supercritical water is generated outside the
これに対して、この実施形態のディーゼルエンジン11の運転方法によれば、図3に経路Aで示すように、水は、気体の水蒸気として燃焼室15内に噴射され、燃焼室15内での断熱圧縮により温度が高められるとともに圧力が高められて、超臨界水となる。また、燃焼後も、超臨界水は、断熱膨張により冷却及び降圧され気体の水蒸気に戻される。このため、超臨界水の生成及び消失過程のいずれにおいても高腐食領域を通過することがなく、燃焼室15、シリンダヘッド13、燃料噴射ノズル23、水蒸気噴射ノズル24、吸気弁20、排気弁22等の超臨界水の接する可能性のある部材の腐食が抑制される。
On the other hand, according to the operation method of the
しかも、この方法では、超臨界水は、ピストン14が上死点位置付近で瞬間的に生成されるに過ぎない。また、シリンダ12の冷却により燃焼室15及びシリンダヘッド13内壁面は低温に保たれており、それら内壁面との間の温度境界の存在により、それら内壁面に超臨界水が接触することはほとんどない。このように、このディーゼルエンジン11の運転方法では、超臨界水による腐食が抑制され、高価な耐圧耐食性材料を用いることなく、窒素酸化物の生成量の低減、黒煙発生の抑制、燃費低下の抑制を同時に実現することが可能となる。
Moreover, in this method, the supercritical water is only instantaneously generated near the top dead center position of the
従って、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)このディーゼルエンジン11では、低温低圧の水蒸気を大量に燃焼室15内に導入して、燃焼室15内で超臨界水を生成させるため、ディーゼルエンジン11のシリンダ12に対する配管等の部材が超臨界水に接することもない。また、燃焼室15の水は、気体状態の水蒸気から加熱及び加圧されるため、超臨界水の生成過程で高腐食領域を通過することがない。このため、ディーゼルエンジン11の構成部材の腐食を抑制することができる。そして、燃焼室15内での燃料の燃焼に際しては、大量の水を超臨界状態で介在させることで、燃焼温度の過上昇が抑制されるとともに燃料と空気とが均一に混和され、燃料の燃焼効率を高めて高燃費を維持しつつ窒素酸化物の生成量を大きく低減することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In this
しかも、ディーゼルエンジン11の暖気状態等の運転条件に応じて水蒸気供給制御装置33が水蒸気の供給時期(すなわち、水蒸気噴射ノズル24の噴射時期)を調整することで、燃焼室15内に供給された水蒸気を十分に断熱圧縮してより確実に超臨界状態に移行させることができ、安定した機関運転状況を確保することができる。
In addition, the steam
(2)このディーゼルエンジン11では、燃料を空気と水との超臨界混合流体中に噴射するようになっている。このため、超臨界水が媒体となって燃料と空気との均一な混合が促進され、前記(1)の効果が一層効率よく発揮される。
(2) In this
(3)このディーゼルエンジン11では、水蒸気を圧縮行程の初期段階で燃焼室15内に供給するようにしている。このため、圧縮行程での断熱圧縮により水蒸気の温度及び圧力を急上昇させることができ、水蒸気を燃料の燃焼時までに超臨界状態に移行させることができる。
(3) In the
また、燃焼室15内の圧力及び温度は、燃料の燃焼後直ちに断熱膨張により低下していくため、超臨界水は燃焼の近傍において極短時間生成されるに過ぎない。しかも、燃焼室15及びシリンダヘッド13の壁面は冷却されているため、燃料の燃焼時においても燃焼室15及びシリンダヘッド13の壁面と燃焼ガスとの間には極狭い領域で温度境界が形成され、燃焼室15及びシリンダヘッド13の壁面は、超臨界水にほとんど接していない状態とすることができる。このため、燃焼室15及びシリンダヘッド13の壁面における腐食の進行をさらに抑制することができる。
Further, since the pressure and temperature in the
(4)このディーゼルエンジン11では、吸入終了後、すなわち吸気弁20の閉止後に、水蒸気噴射ノズル24から水蒸気を燃焼室15内に噴射している。このようにした場合、吸入行程における吸入空気量を減らすことなく、空気吸入圧力以上の密度の高い水蒸気を燃焼室15内に大量に供給することができる。このため、窒素酸化物の生成量を一層削減することができる。
(4) In the
(5)このディーゼルエンジン11では、燃焼室15内に噴射される水蒸気の圧力が10MPa以下(例えば、1.3〜1.7MPa)となっている。このため、燃焼室15内に供給される水蒸気は、特段の高圧ポンプを設けることなく、送水ポンプ31における通常の送水圧で加圧することができ、ディーゼルエンジン11の構成の複雑化を抑制することができる。
(5) In the
(6)燃料と空気との混合流体を圧縮点火するディーゼルエンジンは、窒素酸化物の生成量が多く、排ガスが黒煙となりやすい。これに対して、このディーゼルエンジン11では、液体燃料が相変化を生じることなく、空気と均一に混和された状態で過剰に高温となることなく効率よく燃焼される。このため、燃料が液滴内部で蒸し焼きされにくくなり、窒素酸化物の排出が大きく低減されるとともに黒煙の発生を抑制することができる。このように、この内燃機関の運転方法は、ディーゼルエンジンの運転方法として特に好適である。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のディーゼルエンジン11及びその運転方法について、前記第1実施形態と異なる部分を中心に図5に基づいて説明する。この第2実施形態のディーゼルエンジン11では、燃焼室15内への水の導入方法が第1実施形態とは異なっている。
(6) A diesel engine that compresses and ignites a mixed fluid of fuel and air generates a large amount of nitrogen oxides, and the exhaust gas tends to become black smoke. On the other hand, in the
(Second Embodiment)
Next, the
図5に示すように、このディーゼルエンジン11では、シリンダヘッド13に水蒸気噴射ノズル24に代えて、水噴射ノズル41が過給器25の下流の吸気通路17に臨むように設けられている。そして、インタクーラ28及び排気ボイラ32が省略されている。
As shown in FIG. 5, in the
このディーゼルエンジン11では、水タンク30内の水が、吸気行程において、過給器25から燃焼室15へと吸入される空気中に、水蒸気供給制御装置33の制御に基づき水噴射ノズル41を介して液体状態で噴霧される。ここで、吸気通路17内に噴霧された水は、過給器25において圧縮された空気(過給気)の熱によって気化されることにより水蒸気となって、吸入空気とともに燃焼室15内に同時に供給される。そして、燃焼室15内において空気と水蒸気との混合流体が圧縮され、超臨界状態となった後、燃料噴射ノズル23より液体燃料が燃焼室15内に噴射され、圧縮点火される。
In the
従って、本実施形態によれば、第1実施形態の(1)〜(3)、(5)及び(6)の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
(7)このディーゼルエンジン11では、水が過給器25の下流の吸気通路17を通過する高温の過給気に噴霧されて気化することにより、燃焼室15内に空気と水蒸気とが同時に供給されるようになっている。このため、空気と水蒸気との接触時間が長くなって空気と水蒸気との混合を促進される。これにより、超臨界水を媒体とした燃料と空気との混和性が向上され、燃料の燃焼効率が向上されるため、窒素酸化物の生成量をさらに低減することができる。
Therefore, according to this embodiment, in addition to the effects (1) to (3), (5) and (6) of the first embodiment, the following effects can be obtained.
(7) In the
(8)また、過給気に噴霧された水は過給器25での断熱圧縮により加熱された過給気の熱により気化され、水は高温の過給気から蒸発潜熱を奪って過給気を冷却するため、過給気を冷却するためのインタクーラを省略することができる。このため、ディーゼルエンジン11の構成を簡素化することができる。
(8) Further, the water sprayed on the supercharged air is vaporized by the heat of the supercharged air heated by the adiabatic compression in the
(9)しかも、水を液体状態のまま過給気に噴霧すればよく、予め水蒸気にしておく必要がない。このため、排気ボイラ32を省略することができ、ディーゼルエンジン11の構成を簡素化することができる。また、水蒸気生成のために水を予め加熱する必要がなく、エネルギー使用量を削減することができる。
(9) Moreover, it is only necessary to spray water on the supercharged air in a liquid state, and it is not necessary to make water vapor in advance. For this reason, the
(第3実施形態)
次に、第3実施形態のディーゼルエンジン11及びその運転方法について、前記第1実施形態と異なる部分を中心に図6に基づいて説明する。図6に示すように、この第3実施形態のディーゼルエンジン11では、排気通路18において、過給器25と並列にバイパス通路51が形成され、過給器25の上流側に流路切り替えバルブ52が設けられている。そして、必要に応じて過給器25の排気側タービン26に導入される前の高温の排ガスの一部または全部が直接排気ボイラ32に導入されるようになっている。
(Third embodiment)
Next, the
従って、本実施形態によれば、前記(1)〜(6)の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
(10)このディーゼルエンジン11では、例えばディーゼルエンジン11の始動時や低負荷運転時等の排ガス温度が低い状態で、高温の排ガスの一部または全部を過給器25での仕事に供することなく、排気ボイラ32に導入して水蒸気供給路29における水蒸気生成に必要な熱量を確保することができる。
Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects (1) to (6).
(10) In the
(第4実施形態)
次に、第4実施形態のディーゼルエンジン11及びその運転方法について、前記第1実施形態と異なる部分を中心に図7に基づいて説明する。
(Fourth embodiment)
Next, the
図7に示すように、このディーゼルエンジン11では、水蒸気噴射ノズル24が、燃焼室15に臨むように1本設けられ、さらにシリンダヘッド13の吸気通路17に臨むようにもう1本設けられている。このディーゼルエンジン11では、水蒸気を燃焼室15内に直接噴射するだけでなく、吸入空気にも水蒸気を噴射することができるようになっている。
As shown in FIG. 7, in this
従って、本実施形態によれば、前記(1)〜(3)及び(5)〜(7)の効果に加えて以下に示す効果を得ることができる。
(11)このディーゼルエンジン11では、水蒸気の供給に関して、燃焼室15内への直接噴射と吸入空気への噴射とを併用して、燃焼室15内に供給する水蒸気量を増大させることができる。このため、燃焼室15内での燃焼温度を一層低下させることができて、窒素酸化物の生成量をさらに低減することができる。
Therefore, according to this embodiment, in addition to the effects (1) to (3) and (5) to (7), the following effects can be obtained.
(11) In the
なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態(別例)に変更してもよい。
・前記第1及び第3実施形態において、例えば暖気運転時等でシリンダ12の温度が十分に上がりきっていないような場合には、吸入行程中に水蒸気を噴射し水蒸気が断熱圧縮される時間を延長して、水蒸気の温度及び圧力を高めるようにしてもよい。このようにすれば、暖気運転時のような低温条件においても、水蒸気をより確実に超臨界状態に移行させることができる。
The above embodiment may be changed to another embodiment (another example) as follows.
In the first and third embodiments, for example, when the temperature of the
・前記各実施形態では、本発明の往復動型内燃機関を、ディーゼルエンジン11及びその運転方法に具体化したが、例えばガソリンエンジン、ガスエンジン等、他の往復動型内燃機関に具体化してもよい。
In each of the above embodiments, the reciprocating internal combustion engine of the present invention is embodied in the
・前記各実施形態では、燃料を軽油、重油を例示したが、例えば灯油、ガソリン等の他の鉱物油、メタン、プロパン、種々のアルコール類、シクロヘキサン、ベンゼン、ジメチルエーテル等の直鎖、分岐、脂環族、芳香族炭化水素化合物、植物油由来燃料等を燃料としてもよい。 In each of the above embodiments, the fuel is exemplified as light oil or heavy oil, but for example, other mineral oils such as kerosene and gasoline, methane, propane, various alcohols, cyclohexane, benzene, dimethyl ether, etc. A cyclic, aromatic hydrocarbon compound, vegetable oil-derived fuel or the like may be used as the fuel.
・前記第4実施形態において、吸気通路17に水蒸気でなく液体状態の水を噴霧するようにしてもよい。
・前記各実施形態において、排ガスの排熱を利用することなく発生された水蒸気を燃焼室15内に供給するようにしてもよい。
In the fourth embodiment, liquid state water may be sprayed on the
In each of the above embodiments, water vapor generated without using exhaust heat of exhaust gas may be supplied into the
11…往復動型内燃機関としてのディーゼル機関、12…シリンダ、14…ピストン、15…燃焼室、17…空気供給路としての吸気通路、23…燃料噴射装置としての燃料噴射ノズル、24…水蒸気供給装置としての水蒸気噴射ノズル、25…過給器、33…水蒸気供給制御装置、41…水蒸気供給装置の一部を構成する水噴射ノズル。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記水蒸気供給制御装置は、内燃機関の運転条件に応じて前記燃焼室内に水蒸気が吸入行程及び圧縮行程の少なくとも一方で供給されるように前記水蒸気供給装置を制御し、
前記燃焼室内においては、前記水蒸気を超臨界状態に移行させた後、燃料流体を空気と水との超臨界混合流体と共に燃焼させ、その燃焼ガスが作動流体となることにより動力を得ることを特徴とする往復動型内燃機関。 A cylinder having a variable-volume combustion chamber defined by accommodating a piston in a reciprocating manner therein, a fuel injection device for injecting a fuel fluid into the combustion chamber of the cylinder, and supplying air into the combustion chamber An air supply path, a water vapor supply device that supplies water vapor into the combustion chamber, and a water vapor supply control device that controls the supply status of water vapor by the water vapor supply device,
The water vapor supply control device controls the water vapor supply device so that water vapor is supplied into the combustion chamber in at least one of an intake stroke and a compression stroke according to an operating condition of the internal combustion engine;
In the combustion chamber, after the water vapor is transferred to a supercritical state, the fuel fluid is burned together with a supercritical fluid mixture of air and water, and the combustion gas becomes a working fluid to obtain power. A reciprocating internal combustion engine.
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CN103742257A (en) * | 2014-01-13 | 2014-04-23 | 曲日 | Piston-type fuel water engine and working method for same |
KR101841133B1 (en) | 2016-12-23 | 2018-03-22 | 백현종 | Device of cooking a meat |
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- 2006-11-01 JP JP2006297945A patent/JP2008115722A/en active Pending
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