JP2009168039A - 臨界水噴射型内燃機関およびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮着火エンジンにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）やＣＯの排出量を削減すること、より詳しく言えば、窒素酸化物やＣＯの排出量の削減に加えて、機関の軸効率、出力を低減することなく、逆に機関の効率の増大を図りつつ、亜臨界水の利点を積極的に生かす臨界水噴射型内燃機関およびその運転方法を提供する。
【解決手段】石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を燃焼室の中で燃焼させ、燃焼ガスが動作流体となる圧縮着火内燃機関において、２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水を噴射する亜臨界水噴射弁２１と前記燃料を噴射する燃料噴射弁１６とを夫々独立に燃焼室中央部に配置し、前記内燃機関の圧縮工程において燃料が燃焼室内で着火される前に前記亜臨界水を噴射して、水と燃料の均一相を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を動作空間の中で燃焼させ、燃焼ガスが動作流体となる火花点火エンジン（ガソリンエンジン）、圧縮着火エンジン（ディーゼルエンジン）等の往復動ピストンエンジン、ジェットエンジン、ガスタービンなどの内燃機関に適用される臨界水噴射型内燃機関の運転方法に係り、特に亜臨界水を利用して低公害燃焼を図る臨界水噴射型内燃機関およびその運転方法に関する。
従来より、排気ガスと共に空気中に排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化炭素は燃焼室の高温ゾーンに発生する。排出される窒素酸化物や一酸化炭素の環境への悪影響のため、このような排出物を最小化することが望ましい。
窒素酸化物の生成が、内燃機関の燃焼過程に水を添加することで低減できることは周知である。この現象は、添加水の冷却効果に基づいている。実際、レシプロ機関の燃焼過程への水噴射は、２つの別の形式で行われてきた。すなわち、水を機関のシリンダ燃焼室内へ直接噴射するか、または水を吸気通路を介して導入するかである。
水をシリンダ燃焼室へ直接に噴射する形式の場合、水噴射は、通常、圧縮行程中に、実際の燃焼過程前および／または燃焼行程中に行われる。この噴射タイミングは、窒素酸化物の生成を低減する上で有利であり、この構成により、多量の水を燃焼室内へ噴射することができ、それによって、通常、５０〜６０％ほど窒素酸化物が削減できる。
一方吸気と共に燃焼室内へ水を噴射する形式の場合は、従来、過給機または過給機のコンプレッサまたはターボチャージャの前方または後方の箇所か、インタクーラの前方または後方の箇所か、吸気室および／または吸気通路内かで、吸気が連続的に加湿されるか、もしくは水および／または蒸気が吸気内へ噴射されていた。
吸気と共に燃焼室へ導入できる水量は、吸気圧力および温度の条件で決定される。吸気の条件で蒸気が飽和状態となれば、吸気と共に燃焼室へ導入され得る水量は制限される。現在のターボチャージ式吸気冷却機関では、通常、吸気圧は０．１５〜０．４ＭＰａ、吸気温度は約４０〜５０℃である。これらの条件のため、実際には、導入可能な水量は、窒素酸化物量の約１０〜４０％削減に対応するレベルに制限される。水の導入量を増すために、吸気圧を低減させたり、吸気温度を上昇させることは望ましくない。なぜなら、そうすれば、シリンダへの燃焼用空気の充填や、更には機関の出力に悪影響があるからである。
水が吸気と共に吸気の連続的加湿により導入される場合、導入水量のうち有効に活用されない部分がある。なぜなら、水のいくらかの量が、吸気弁と排気弁とが同時に開く際にシリンダから排出され、利用できないからである。
一方特開平６−１３７２１８において、デイーゼルエンジンの燃料中に苛性カリ水溶液を添加混合して、さらに水の臨界圧を越える高温高圧に加圧加熱して、燃料中の硫黄分とカリを結合して、シリンダー内に噴射燃焼せしめる技術が開示されている。
しかしながらかかる技術は、水の超臨界を利用するも、燃料中の硫黄分とカリを結合させて重油中の硫黄の分離に利用するもので、本発明のようにＮＯｘ低減やＣＯの低減を図るものではない。また、燃料中に水溶液混合すると出力の低下や自己着火が出来ない恐れがある。
更にＥＰＯ０８７９９４５Ａ３において、少くとも１つの燃焼室と、吸気弁および排ガス排気弁と、燃料蒸気と水蒸気からなる過熱加圧混合物が前記燃焼室に噴射される噴射弁とからなる内燃機関で、前記混合物の加熱を前記内燃機関から離れる加熱排ガスにより行う内燃機関の運転の方法において、
前記混合物が少くとも３５０ａｔｍの圧力と、少くとも４４８．８℃の温度で保持され、それにより少くとも燃料蒸気がそれぞれ大気条件にある燃料の元の組成と異なる化学組成を有し、かつ元の組成の分子構造と比較して異なる構造を有し、また大気条件下で少くとも部分的に揮発性である有機ガスの混合物に転化されることを特徴とする内燃機関の運転の方法が開示されている。
しかしながらかかる従来技術は、３５０ａｔｍの圧力以上の圧力と、４４８．８℃以上の圧力に水を加圧して臨界水を生成するのではなく、燃料蒸気と水蒸気からなる過熱加圧混合物を前記圧力と温度以上に設定して元の組成の分子構造と比較して異なる構造を有する揮発性である有機ガスの混合物に転化した後、該ガス混合物を噴射弁より前記燃焼室に噴射されるもので、本発明のように燃料と別個に亜臨界もしくは超臨界水を燃料と別個に、燃焼室に噴射し、その水の粒子の存在する燃焼室の別個に燃料を噴射するものとは基本的に異なる。
更にＷＯ９９／３７９０４号において、内部で燃料が燃焼する少なくとも１つのシリンダと、空気およびシリンダ冷却系統と、前記シリンダから排気ガスを導くために前記シリンダに組付けられた排気系統とを含む圧縮点火（ディーゼル）−ランキン・サイクル往復エンジンの運転方法であって、蒸気を発生させるために前記冷却系統および排気ガスから熱を回収する段階と、前記蒸気を前記シリンダ内へ導く段階とを含み、前記蒸気および前記燃料は別々に前記シリンダ内へ導かれて、点火の行われた後にシリンダ内で相互に作用する方法が開示されている。そして前記発明に用いる水蒸気はその温度が５８０゜Ｃ以下、蒸気圧力は１８０バール以下で、前記蒸気と燃料は点火の行われた後にシリンダ内で相互に作用すると記載されているように該蒸気を上死点付近で内燃（ディーゼル）エンジンのシリンダ内に戻すように噴射し、この蒸気が点火に支障を与えることなく燃焼行程を積極的に変化させるものである。また着火前に蒸気と空気の混合を防ぐため燃料は別の燃焼室に噴射されるとも述べている。この記述よりこの発明では、シリンダ内で燃料の着火前に蒸気と燃料が干渉すること、またシリンダないで燃料の着火前に空気と蒸気が混合することを避ける狙いがあると読みとれる。
特開平６−１３７２１８ ＥＰＯ０８７９９４５Ａ３ ＷＯ９９／３７９０４号
本発明の目的は、圧縮着火エンジンにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）やＣＯの排出量を削減すること、より詳しく言えば、窒素酸化物やＣＯの排出量の削減に加えて、機関の軸効率、出力を低減することなく、逆に機関の効率の増大を図りつつ、亜臨界水の利点を積極的に生かす臨界水噴射型内燃機関およびその運転方法を提供することにある。
本発明は、石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を燃焼室の中で燃焼させ、燃焼ガスが動作流体となる圧縮着火内燃機関において、
２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水を噴射する亜臨界水噴射弁と前記燃料を噴射する燃料噴射弁とを夫々独立に燃焼室中央部に配置し、前記内燃機関の圧縮工程において燃料が燃焼室内で着火される前に前記亜臨界水を噴射することを特徴とし、特に、前記亜臨界水の噴射開始から終了までの時期が、上死点より−９０°〜＋３０°の範囲であるのがよい。
即ち、本発明は、２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水特有の物性的・化学的性質を積極的に利用するもので、亜臨界水の誘電率が有機溶媒程度なみに低くなり炭化水素系燃料との相互溶解性が向上するため、また拡散係数の増大により、水と燃料の均一相形成が容易となり局所的な高温燃焼部が少なくなる。よってサーマルＮＯｘを抑えることが出来る。
酸素、空気などの気体とも均一相を形成し、酸素との均一相形成も容易となり、燃料の酸化も効率よく行われＣＯ低減、黒煙（ＰＭ）低減に有効である。イオン積大による触媒作用も同様の効果をもたらす。
又液状水に比べて拡散係数が大きく粘度が低くなり拡散しやすくなり、燃焼効率及び出力の向上につながる。特にディーゼルエンジンでは燃焼場の均一化と、効率の良い燃焼により出力（効率）とＮＯｘのトレードオフの改善が得られる。
又イオン積が大きくなり、酸触媒・アルカリ触媒効果として作用するために、サーマルＮＯｘやＣＯ低減が更に促進される。
又臨界点近傍では温度・圧力により物性が大きく変化するために、温度・圧力を制御することで、亜臨界水の物性をコントロールすることが出来る。これにより多種多様な炭化水素系燃料への対応、また負荷・回転数による燃料噴射の形態に応じた亜臨界水の噴射が可能である。
２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水は拡散係数が大きいため、燃料との混合が水や水蒸気に良好に行われ、さらに、水や水蒸気のように燃料粒子と夫々独立して混合されるのではなく、亜臨界水が有機溶媒のような特性を持つため、燃料に溶け込み、より均一な燃焼場を形成することができる。
ディーゼルは、燃料と空気の比が、１：３０前後である。さらにこれに臨界水を燃料質量比１〜４程度（燃料：空気：臨界水＝１：３０：１〜４）噴射することにより、前記の均一な燃焼場を得ることができる。
この場合臨界水の噴射開始時期が、上死点より−９０°〜−１０°、特に−８０〜−２０°更に好ましくは−６０°〜−２０乃至−３０°の、圧縮行程後期の範囲にあればピストンは圧縮行程にあるために、亜臨界状態が保持され、前記した本発明の作用を円滑に達する。
又臨界水の噴射開始時期が、上死点より−３０°〜＋３０°、特に−１０°〜＋３０°の燃焼域にあれば、筒内温度が最大２０００℃レベルであるために、燃焼室内に臨界水が瞬間膨張しても、実質的に亜臨界状態の性質が保持され、前記した本発明の作用を円滑に達する。
そして前記臨界水が３７４℃以上で且つ２２ＭＰａ以上の超臨界水であるのが好ましいが、２５０℃〜３００℃以上で１０ＭＰａ以上の亜臨界水でもほぼ同様な効果を有する。
そして前記臨界水は、ディーゼルやガスタービンの場合、排ガスの温度が５５０℃若しくはそれ以上であるために、該排ガスと熱交換して亜臨界水が容易に製造される。
そして，本発明の好ましい実施例では、前記燃焼室内に噴霧された臨界水の水粒が、燃焼室内における燃料着火前に存在し、燃焼室内に噴霧された燃料と干渉するように噴霧されている、言い換えれば，燃焼工程において、燃料の燃焼により生じた水粒と燃焼室内に噴霧された臨界水の水粒が層別れしない状態で臨界水が噴射されているのがよい。
従って、２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水が、燃焼室における燃料の着火前に噴射され、燃焼室内に噴霧された臨界水の水粒と油粒が干渉していれば、より具体的には前記の臨界水が、燃焼室への燃料噴霧に対して干渉するように燃焼室内に噴射されれば、図１０から図１５に示すように必ずしも前記発明の範囲に限定されずに効果的なＮＯｘの低減と出力向上が図れることが確認された。
本発明によれば、水をポンプにて１０ＭＰａ以上の亜臨界圧力レベルまで昇圧する。温度も２５０℃以上の亜臨界温度レベルまで昇温させ、これを少なくとも燃焼室内の着火前に燃焼室に噴射し、好ましくは燃焼室内に噴霧された燃料と干渉するように噴霧する。これにより動作空間である燃焼室では亜臨界水に特有な物性的・化学的性質によって燃焼が改善され低公害燃焼を得、より詳しく言えば、窒素酸化物やＣＯの排出量の削減に加えて、機関の軸効率、出力を増大させることが出来る。
本発明の実施例にかかる臨界水噴射式ディーゼルエンジンの燃料噴射弁と臨界水噴射弁の配置図を示す基本構成図である。 本発明の参考例にかかる臨界水噴射式ディーゼルエンジンの燃料噴射弁と臨界水噴射弁の配置図を示す基本構成図である。 エンジンに臨界水噴射機構を組み込んだシステム概略図である。 ４サイクルディーゼルエンジンのバルブタイミングダイヤグラムである。 臨界水噴射による機関の出力改善を説明するグラフ図である。 臨界水噴射による排ガス中ＮＯｘの低減を説明するグラフ図である。 （Ａ）は、臨界水噴射による排ガス中煙色の低減を説明するグラフ図、（Ｂ）は臨界水噴射による排ガス中ＣＯの低減を説明するグラフ図である。 臨界水噴射タイミングによる機関の出力改善を説明するグラフ図である。 臨界水噴射タイミングによる排ガス中のＮＯｘの低減を説明するグラフ図である。 図１のエンジンを用いて、実施例１では、臨界水噴射タイミングを上死点に対し−４５〜―１５°（着火前水噴射）に、実施例２では臨界水噴射タイミングを上死点に対し０〜３０°（着火後水噴射）に夫々設定した結果の、臨界水噴射は行わない比較例１に対するＮＯｘ低減効果と出力向上効果を記載したグラフ図である。 臨界水／燃料噴霧の干渉の度合に対するＮＯｘ低減効果と出力向上効果を記載したグラフ図で、中央から噴射の臨界水／燃料噴霧の干渉大にしたもの、側方から噴射の臨界水／燃料噴霧の干渉を小にしたものである。 水噴射がなされない場合の前記比較例１の焼室内の水分布と温度分布の関係を示し、同図において、上２段がクランク角（上死点０°）−３０°〜＋９０°までの燃焼室内の水分布、下２段がクランク角（上死点０°）−３０°〜＋９０°までの燃焼室内の温度分布である。 前記実施例１の焼室内の水分布と温度分布の関係を示し、噴射タイミング−４５°〜−１５°にて燃焼室の中央から水噴射を行った場合である。 前記実施例２の焼室内の水分布と温度分布の関係を示し、噴射タイミング０°〜３０°（着火後）にて燃焼室の中央から水噴射を行った場合である。 前記実施例３の焼室内の水分布と温度分布の関係を示し、噴射タイミング−４５°〜−１５°にて燃焼室の側部から水噴射を行った場合である。
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態にかかる往復動内燃機関、特に４サイクルディーゼルエンジンの構成の１例を示し、該エンジン１は、シリンダライナ１１及びシリンダヘッド１２を具えたシリンダ１０と、ピストンリング１３が介装されたピストン１４と、シリンダ１０内で往復運動するピストン１４の往復動力を負荷に伝達する連接棒１５等とからなり、前記シリンダヘッド１２の燃焼室２０と対面する中央部に燃料噴射弁１６、及びその左右両側にはシリンダ１０内に空気を給気する給気弁１７と、シリンダ１０内から排気ガスの排気を行う排気弁１８とを具え、図４のバルブタイミングダイヤグラムで示すように、エンジンの基本動作である吸入、圧縮、燃焼、排気をクランク軸の２回転で完了するものである。
即ち、図４に示すように先ずピストンの上死点より−５〜−４０°の範囲で吸気弁が開き、下死点より＋２０〜８０°の範囲で給気弁が閉じて圧縮行程に移行する。
そしてピストンが下死点より上昇し始め、シリンダ内の空気に圧縮作用が始まり、燃料の自己着火温度以上の高温にする。圧縮行程の終わり近くで（上死点より−５°〜−２０°前後）燃料噴射弁で燃料を噴射すると、圧縮熱で燃料は自己着火して燃焼し、温度及び圧力が急上昇し、ピストンは上死点を経て下死点に押し下げられる。
そしてピストンが燃焼行程の下死点に達する少し前（下死点の−２０°〜−８０°）排気弁を開き、排気弁が開き、燃焼排ガスは、自己の圧力でシリンダ外に吹き出し、その後ピストンの上昇によって押し出される。
かかる構成の４サイクルディーゼルエンジンは周知である。
前記燃料噴射弁１６と、給気弁１７と排気弁１８の開閉タイミングはクランク軸の回転を受けて回転する不図示のタイミングギアにより行われる。
そして給気弁１７と排気弁１８の内側の燃焼室２０上部の中央部に、燃料噴射弁１６と臨界水噴射弁（亜臨界水噴射弁）２１を夫々独立に隣接配置し、両者間の距離は近く、前記臨界水噴射弁２１より噴射された亜臨界水が燃焼室内２０の燃料噴霧に対し、充分干渉する。
すなわち、臨界水噴射弁２１は、該噴射弁２１から噴射された後の臨界水が燃焼室内に存在し、その状態で行われる燃料噴射弁で燃料を噴射すると燃料が燃焼室内で膨張した亜臨界水の水粒と接触するように、言い換えれば前記亜臨界水が燃料噴霧に対し、干渉するように亜臨界水の噴射タイミングと臨界水噴射弁２１の配置位置、弁噴孔径及び方向を選択すればよい。
また、参考例を図２に示す。給気弁１７と排気弁１８の外側の燃焼室２０上部に任意個数の臨界水噴射弁２１が設けられ、該臨界水噴射弁２１より燃焼室側方から臨界水を噴射する。
臨界水噴射弁２１の開閉タイミングは、給気弁と排気弁の開閉タイミングとともに、クランク軸の回転を受けて回転するタイミングギアにより行なってもよく、又シリンダ内の圧力、温度及びクランク軸の回転角など諸性能値を検知するコントロ−ラ０２２（図３参照）よりの信号に基づいて開閉タイミングを設定しても良い。
コントロ−ラ０２２よりの信号に基づいて臨界水噴射弁２１の開閉タイミングを設定する場合は、臨界水の噴射開始時期が燃焼室内の着火前であり、ピストン上死点より−９０°〜−１０°、特に−８０〜−２０°更に好ましくは−６０°〜−２０乃至−３０°の燃料噴射開始時期と同一かそれより直前の圧縮行程後期の範囲であってシリンダ内温度が臨界水温度より高い時期に噴射し、更にその臨界水の噴射終了時期は、上死点より＋３０°以下、好ましくは上死点の０°より具体的には燃焼室内の着火前の−５°と同一かその直前の−１５°前後の圧縮行程後期の範囲であるのがよい。
従って臨界水の噴射時期をクランク角に基づいて設定すれば、筒内温度を検知せずにタイミングギアのみで臨界水の噴射開始時期を設定できる。
図３は前記エンジン１に臨界水噴射機構を組み込んだ実施例で、本実施例は給水２をポンプ３により１０ＭＰａ以上、好ましくは２２ＭＰａに加圧した後、熱交換器９によって、もしくは熱交換器９とヒータ３０によって、２５０℃以上、好ましくは３７４℃以上にする。
前記熱交換器９を通過した２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水好ましくは３７４℃以上で且つ２２ＭＰａ以上の超臨界水はコントローラ０２２により設定されたタイミングで臨界水噴射弁２１より噴射される。また噴射期間と噴射量は、燃料：空気：臨界水の質量比が１：３０：１〜４程度になるように設定するのがよい。
次に本装置を用いて得られた効果の例を説明する。条件としては、燃料噴射弁１６の燃料噴射タイミングを上死点に対し−６〜＋２４°に、臨界水噴射弁２１の水噴射タイミングを上死点に対し−５０〜０°（着火前水噴射開始）に夫々設定し、又臨界水の条件は、圧力：３５ＭＰａ、又臨界水の噴射量が燃料噴射量の１〜５倍とする。
図５は噴射温度と出力の関係を示す。縦軸は臨界水の噴射無しの場合を１００としたときの出力比を表す。そして臨界水温度の高いほど亜臨界・超臨界域に移行するが、その領域である２５０℃〜３００℃以上、特に３７４℃以上の臨界領域に入ると出力の改善を図ることができる。
図６は噴射温度と排ガス中ＮＯｘ濃度の関係を示したものである。ＮＯｘは２５０℃以下の亜臨界温度でもＮＯｘを改善することができる。しかし図５と合わせてみればわかるように、２５０℃以上の亜臨界若しくは３７４℃以上の超臨界温度域で臨界水を噴射することで、出力・ＮＯｘ両方の改善をはかることができる。
図７（Ａ）は噴射温度と排ガス中の煙色濃度の関係を示したものである。これも高温の２５０℃以上の亜臨界温度域・更には３７４℃以上の超臨界の温度域にて改善をはかることができる。
図７（Ｂ）は噴射温度と排ガス中ＣＯ濃度の関係を示したものである。これも２５０℃以上の亜臨界好ましくは３７４℃以上の超臨界域にて改善をはかることができる。とくに３７４℃以上の超臨界域では効果が大きく、燃焼効率が大幅に改善したことを意味する。
次に噴射開始時期と出力・ＮＯｘ濃度の関係を示す。図８は噴射開始時期と出力の関係で、臨界水温度を３５０℃の亜臨界温度域と４５０℃の超臨界温度域の両者で行ったが、その結果はいずれも圧縮行程のピストン上死点より−８０〜−２０°付近に噴射開始することにより出力改善を図ることが出来る。
図９は噴射開始時期とＮＯｘ濃度の関係で、臨界水温度を３５０℃の亜臨界温度域と４５０℃の超臨界温度域の両者で行ったが、その結果はいずれも燃焼室内の着火前から前であるほど改善を図ることができる。
従って臨界水噴射弁の開閉タイミングを設定する場合、出力を重視する場合は臨界水の噴射時期が上死点より−９０〜−１０゜の範囲、特に上死点より−８０〜−２０゜付近の燃料噴射時期前の圧縮行程後期の範囲がよく、ＮＯｘを重視する場合は、燃焼室内の着火前から前であるほどよい。
次に本発明計算例を図１０〜図１５に基づいて説明する。
図１０は図１のエンジンを用いて実施例１では、噴射タイミングを、燃料噴射弁１５の燃料噴射タイミングを上死点に対し、−６〜＋２４°に、臨界水噴射弁２１の水噴射タイミングを上死点に対し−４５〜―１５°（着火前水噴射）に夫々設定したもの、実施例２では、噴射タイミングを、燃料噴射弁１５の燃料噴射タイミングを上死点に対し−６〜＋２４°に、臨界水噴射弁２１の水噴射タイミングを上死点に対し０〜３０°（着火後水噴射）に夫々設定したものを示す。
更に比較例１では、噴射タイミングを、燃料噴射弁１５の燃料噴射タイミングを上死点に対し−６〜＋２４°に設定するも、臨界水噴射弁２１の水噴射は行わないものを用いた。
尚、臨界水の条件は、圧力：３０ＭＰａ、温度：４２３℃、噴射量：燃料比１倍に設定した。
そして比較例１と、実施例１，２の燃焼室内の水分布と温度分布の関係を図１２から図１４に示す。同図では、上２段がクランク角（上死点０°）−３０°〜＋９０°までの燃焼室内の水分布、下２段がクランク角（上死点０°）−３０°〜＋９０°までの燃焼室内の温度分布である。尚、着火始めはいずれも−５°前後である。
そして比較例１では、図１２に見るように、−５°前後より着火が始まり、燃料の燃焼により生じた水粒（水蒸気）が、徐々に３０°まで燃焼室内に拡がっている。０〜３０°で燃焼室内が２０００〜３０００℃に上がっている部分がある。従って図１０にみるようにＮＯｘが高い。
又着火後の０〜３０°（着火後水噴射）に臨界水を噴射した実施例２では、図１４に見るように、−５°前後より着火が始まり、０〜３０°の着火後臨界水を噴射しているために、水粒（水蒸気）が、３０°まで水粒が急激に燃焼室内に拡がっている。しかし着火後の水噴射では、比較例１よりは燃焼室内の温度が低下しているも、１５〜２５°で燃焼室内が２０００〜２５００℃に上がっている部分がある。従って図１０にみるようにＮＯｘの低下量は比較例１に比較して２５％程度低下しており、効率も１％程度向上しているが、その効果は実施例１に比較して大幅に小さい。
更に着火前の−４５°〜−１５°（着火前水噴射）に臨界水を噴射した実施例１では、図１３に見るように、−５°前後の着火前の−３０°で臨界水噴射により水粒が十分に燃焼室内に拡がっている。そして着火前の水噴射では、実施例２より更に燃焼室内の温度が低下し、１５〜３０°でも燃焼室内温度が２０００℃以下である。従って図１０にみるようにＮＯｘの低下量は比較例１に比較して２０％と、８０％程度も大幅に低下しており、効率も５％以上大幅に向上し、その効果は実施例２より数段大きい。
従って噴射する水の量／温度／圧力が同じであっても、着火前（燃料噴射前）に水が噴射されている実施例１の方が実施例２に比較してＮＯｘ低減、また効率向上への効果が大きい。
次に図１１に基づいて臨界水／燃料噴霧の干渉の度合について説明する。
実施例１は図１のエンジンで燃焼室中央から臨界水と燃料を噴射して水／燃料噴霧の干渉大にしたものである。
実施例３では図２に示すように超臨界水噴射弁２１により燃焼室側方から臨界水を噴射して臨界水／燃料噴霧の干渉を小にした実施例である。
臨界水の条件は、圧力：３０ＭＰａ、温度：４２３℃、噴射量：燃料比１倍と実施例１と同様である。
かかる実施例３では、図１５に示すように、−４５°から臨界水を噴射するも着火始めの−５°でも燃焼室内に充分水粒が拡散していない状態で着火が始まっており、臨界水と燃料噴霧の干渉の度合が小さいことが理解できる。この状態では、とくに水粒が拡散しきらなかった領域で、部分的に＋１５°〜３０°まで部分的に２０００℃以上の高温部分が一部に存在することが分かる。
図１３の実施例１では、着火直後の０°〜６０°までの時点では燃焼により生じた水粒と臨界水の水噴射とが充分拡散していることが理解できる。
即ち図１３の実施例１では、燃料が噴霧される場に十分に水があり、着火前に燃料と水の干渉が充分に行われる。
それに対し、図１５の実施例３では燃料が噴射される場に水が少なく、着火前の燃料と水の干渉度合いは小さい。
結果として、従って図１１にみるように図１５の実施例３は、ＮＯｘの低下量は比較例１に比較して４０％と、６０％程度も大幅に低下しており、効率も２％以上に向上しているが、実施例１には及ばない。
従って噴射する水の量／温度／圧力が同じであっても、図１３の実施例１の干渉大のほうが、図１５の実施例３の干渉小よりＮＯｘ低減、また効率向上の効果が大きい結果を得た。
従って水の噴射タイミング／温度／圧力／噴射量が同じであっても、水と燃料噴霧の干渉大のほうがＮＯｘ低減、また効率向上の効果が大きいことが（実施例１と実施例３の比較）理解され、結果として十分なＮＯｘ低減、効率向上の効果を得る為には、着火前に水を噴射し、かつ燃料噴霧と水噴霧を干渉させることが必要である。
以上記載のごとく本発明によれば、水をポンプにて亜臨界圧力レベルまで昇圧する。温度も亜臨界温度レベルまで昇温させ、これを少なくとも燃焼室内の着火前に燃焼室に噴射し、好ましくは燃焼室内に噴霧された燃料と干渉するように噴霧する。これにより動作空間である燃焼室では亜臨界水に特有な物性的・化学的性質によって燃焼が改善され低公害燃焼を得、より詳しく言えば、窒素酸化物やＣＯの排出量の削減に加えて、機関の軸効率、出力を増大させることが出来る。
１ エンジン
１０ シリンダ
１１ シリンダライナ
１２ シリンダヘッド
１３ ピストンリング
１４ ピストン
１５ 連結棒
１６ 燃料噴射弁
１７ 給気弁
１８ 排気弁
２０ 燃焼室
２１ 臨界水噴射弁（亜臨界水噴射弁）
０２２ コントローラ

Claims (9)

  1. 石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を燃焼室の中で燃焼させ、燃焼ガスが動作流体となる圧縮着火内燃機関において、
    ２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水を噴射する亜臨界水噴射弁と前記燃料を噴射する燃料噴射弁とを夫々独立に燃焼室中央部に配置し、前記内燃機関の圧縮工程において燃料が燃焼室内で着火される前に前記亜臨界水を噴射することを特徴とする臨界水噴射型内燃機関の運転方法。
  2. 前記燃料と空気と前記亜臨界水の質量比が１：３０：１〜４となるように、前記亜臨界水を噴射することを特徴とする請求項１記載の臨界水噴射型内燃機関の運転方法。
  3. 前記亜臨界水を、前記内燃機関の圧縮工程において燃料が燃焼室内で着火される前であり、クランク角がピストン上死点より−９０°〜＋３０°の範囲にある時期に噴射開始及び終了することを特徴とする請求項１又２記載の臨界水噴射型内燃機関の運転方法。
  4. 前記亜臨界水の噴射開始時期が、前記クランク角がピストン上死点より−６０°〜−２０°乃至−３０°であることを特徴とする請求項３記載の臨界水噴射型内燃機関の運転方法。
  5. 石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を燃焼室の中で燃焼させ、燃焼ガスが動作流体となる圧縮着火内燃機関において、
    前記燃焼室の中央部に設けられると共に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁とは独立に前記燃焼室の中央部に設けられると共に、２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水を噴射する亜臨界水噴射弁と、前記内燃機関の圧縮工程において燃料が燃焼室内で着火される前に、前記亜臨界水を噴射するように前記亜臨界水噴射弁の開閉タイミングを設定するコントローラとを設けたことを特徴とする臨界水噴射型内燃機関。
  6. 前記燃料と空気と前記亜臨界水の質量比が１：３０：１〜４となるように前記亜臨界水が噴射されることを特徴とする請求項５記載の臨界水噴射型内燃機関。
  7. 前記コントローラは、前記クランク角がピストン上死点より−９０°〜＋３０°の範囲にある時期に噴射開始及び終了するように前記亜臨界水噴射弁の開閉タイミングを設定することを特徴とする請求項５記載の臨界水噴射型内燃機関。
  8. 前記コントローラは、前記クランク角がピストン上死点より−６０°〜−２０°乃至−３０°の範囲にある時期に噴射開始するように前記亜臨界水噴射弁の開閉タイミングを設定することを特徴とする請求項７記載の臨界水噴射型内燃機関。
  9. 石油系燃料、水素、天然ガス、アルコールなどの気体若しくは液体燃料を燃焼室の中で燃焼させ、燃焼ガスが動作流体となる圧縮着火内燃機関において、
    前記燃焼室の中央部に設けられると共に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁とは独立に前記燃焼室の中央部に設けられると共に、２５０℃以上かつ１０ＭＰａ以上の亜臨界水を噴射する亜臨界水噴射弁と、前記内燃機関の圧縮工程において燃料が燃焼室内で着火される前に、前記亜臨界水を噴射するように前記亜臨界水噴射弁の開閉タイミングの設定がクランク軸の回転を受けて回転するタイミングギアにより行われることを特徴とする臨界水噴射型内燃機関。
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