JP2021042743A - スプリットサイクルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮気筒の温度上昇を抑制するための液体を別途用意する必要のないスプリットサイクルエンジンを提供する。【解決手段】スプリットサイクルエンジン１０は、吸気行程と圧縮行程を行う圧縮気筒１２と、圧縮気筒１２内に燃料である液体のアンモニアを噴射する燃料噴射器６０と、空気とアンモニアが混合した混合気を圧縮気筒１２から受けて燃焼膨張行程と排気行程を行う膨張気筒１４とを有する。燃料であるアンモニアの蒸発熱により圧縮気筒１２内の温度上昇が抑制される。【選択図】図１

Description

本発明は、吸気行程および圧縮行程と、燃焼膨張行程および排気行程とを異なる気筒で行うスプリットサイクルエンジンに関する。

下記特許文献１，２には、吸気行程および圧縮行程と、燃焼膨張行程および排気行程とを異なる気筒で行う４行程サイクル機関であるスプリットサイクルエンジンが開示されている。以降、吸気行程および圧縮行程を行う気筒を圧縮気筒、燃焼膨張行程および排気行程を行う気筒を膨張気筒と記す。特許文献１には、圧縮気筒内の温度上昇を抑制するために、水、または液体窒素、液体酸素などの液化された非酸化性不活性ガスを供給することが記載されている。

特表２０１２−５１１６６４号公報 特表２００９−５２２５０２号公報

上記特許文献１，２において、燃料は、圧縮気筒から排出された空気に対して、特に膨張気筒内に供給されている。また、上記特許文献１には圧縮気筒に水や液化不活性ガスを供給することが記載されているが、これらの液体を用意する必要がある。

本発明は、圧縮気筒内の温度上昇を抑制するための水、液化不活性ガス等を用意する必要のないスプリットサイクルエンジンを提供することを目的とする。

本発明に係るスプリットサイクルエンジンは、吸気行程と圧縮行程を行う圧縮気筒と、圧縮気筒に吸入される、または吸入された空気に液体の燃料を供給する燃料供給器と、空気に燃料が混合した混合気を圧縮気筒から受けて燃焼膨張行程と排気行程を行う膨張気筒と、を有する。

燃料は、１００を超えるオクタン価の燃料とすることができる。

また、燃料は、蒸発熱が４２２ｋＪ／ｋｇを超える燃料とすることができる。

また、燃料は、アンモニアとすることができる。

圧縮気筒に液体の燃料を供給し、燃料の蒸発熱で気筒内の温度上昇を抑制する。

本発明に係るスプリットサイクルエンジンの構成を模式的に示す図である。 スプリットサイクルエンジンと従来型レシプロエンジンのエネルギバランスを比較した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態のスプリットサイクルエンジン１０（以下、エンジン１０と記す。）の構成を模式的に示す図である。スプリットサイクルエンジンは、吸気、圧縮、燃焼膨張、排気の４つの行程を２つの気筒で分担するエンジンである。以下では、円筒空間を規定するシリンダブロックと、シリンダブロックの円筒空間内を円筒の軸線に沿って摺動するピストンで構成される機関要素を「気筒」と記す。

エンジン１０は、吸気行程および圧縮行程が行われる圧縮気筒１２と、燃焼膨張行程および排気行程が行われる膨張気筒１４を有し、これら２つの気筒１２，１４の動作で１つのサイクルが形成される。図示するエンジン１０は、１対の気筒１２，１４を有しているが、複数対の気筒を有してもよい。圧縮気筒１２は、円筒形の内部空間を規定する圧縮シリンダブロック１６と、圧縮シリンダブロック１６と協働して閉じた空間１８（以下、圧縮室１８と記す。）を形成する圧縮ピストン２０を有する。圧縮ピストン２０は、圧縮シリンダブロック１６内を、円筒形内部空間の軸線に沿って移動可能である。膨張気筒１４は、円筒形の内部空間を規定する膨張シリンダブロック２２と、膨張シリンダブロック２２と協働して閉じた空間２４（以下、膨張室２４と記す。）を形成する膨張ピストン２６を有する。膨張ピストン２６は、膨張シリンダブロック２２内を、円筒形内部空間の軸線に沿って移動可能である。圧縮シリンダブロック１６と膨張シリンダブロック２２は別体であってよく、また１つのシリンダブロックに２つの円筒形の内部空間を形成するようにしてもよい。

圧縮ピストン２０は、圧縮コネクティングロッド２８を介して、クランクシャフト３０のクランクピン３０ａに接続され、圧縮ピストン２０の往復運動とクランクシャフト３０の回転運動が相互に変換される。膨張ピストン２６は、膨張コネクティングロッド３２を介して、クランクシャフト３０のクランクピン３０ｂに接続され、膨張ピストン２６の往復運動とクランクシャフト３０の回転運動が相互に変換される。膨張気筒１４に係るクランクピン３０ｂの位相は、圧縮気筒１２に係るクランクピン３０ａに対して、１０〜２０°先行しており、これにより圧縮ピストン２０が上死点にあるときには、膨張ピストン２６はすでに上死点を過ぎている。

圧縮気筒１２には、吸気管３４と圧縮シリンダブロック１６に形成された吸気ポート１６ａとにより形成された吸気経路３６が接続している。吸気経路３６の圧縮室１８に対する開口には、この開口を開閉する吸気バルブ３８が設けられている。吸気バルブ３８は、傘状であり開口を閉止する弁体と、弁体から延びるステムとを有し、ステムの弁体と反対側の端がカム機構４０に接触している。カム機構４０の動作により、吸気バルブ３８は開閉する。

圧縮気筒１２には、膨張気筒１４と繋がる中間経路４２が接続している。中間経路４２は、圧縮シリンダブロック１６に形成された中間排気ポート１６ｂと、接続管４４と、膨張シリンダブロック２２に形成された中間吸気ポート２２ａとから形成されている。中間排気ポート１６ｂ、またはその近傍に中間排気バルブ４６が設けられている。中間排気バルブ４６は、中間経路４２から圧縮室１８に気体が逆流しないように設けられ、逆止弁とすることができる。また、吸気バルブ３８と同様にカム機構により開閉する弁であってもよい。

膨張気筒１４には中間経路４２が接続している。中間経路４２の膨張室２４に対する開口には、この開口を開閉する中間吸気バルブ４８が設けられている。中間吸気バルブ４８は、吸気バルブ３８と同様に、開口を開閉する傘状の弁体と、弁体から延びるステムとを有し、カム機構５０に駆動されて開閉する。

膨張気筒１４には、排気管５２と膨張シリンダブロック２２に形成された排気ポート２２ｂとにより形成された排気経路５４が接続されている。排気経路５４の膨張室２４に対する開口には、この開口を開閉する排気バルブ５６が設けられている。排気バルブ５６は、前述の吸気バルブ３８と同様に、開口を開閉する傘状の弁体と、弁体から延びるステムとを有し、カム機構５８に駆動されて開閉する。

圧縮気筒１２には、圧縮室１８内に燃料を供給する燃料噴射器６０が設けられている。燃料噴射器は、圧縮室１８に吸入される前の空気に供給するように吸気経路３６に対して設けられてもよい。燃料は、液体の状態で噴射され、圧縮室１８内で少なくとも一部が気化し、このときの蒸発熱で圧縮室１８内の温度上昇が抑制される。燃料は、例えばアンモニアとすることができる。

膨張気筒１４には、燃料を点火するための点火プラグ６２が設けられている。中間経路４２には、空気と燃料が混合した混合気を貯蔵する貯蔵器６４が設けられている。さらに、中間経路４２と排気経路５４には、排気経路５４を通過する排気の熱で、中間経路４２を通って膨張気筒１４に送られる空気を加熱する熱交換器６６が設けられている。中間経路４２に設けられた熱交換器６６ａと排気経路５４に設けられた熱交換器６６ｂの間で水、オイルなどの媒体を循環させて熱交換が行われる。貯蔵器６４と熱交換器６６は、いずれか一方を、または両方を設けないようにすることもできる。

次に、エンジン１０の動作について説明する。以下の説明において、圧縮ピストン２０と膨張ピストン２６の往復動作について、圧縮室１８、膨張室２４の容積を縮小する方向の動作を上昇、拡大する方向の動作を下降と記す。

圧縮ピストン２０が下降する行程では、吸気バルブ３８が開き、吸気経路３６を通って空気が圧縮室１８内に吸入される（吸気行程）。圧縮ピストン２０が下死点に達すると、吸気バルブ３８が閉じ、次いで圧縮ピストン２０の上昇に伴い吸入された空気が圧縮される（圧縮行程）。吸気行程と圧縮行程の一方または双方にわたって、燃料噴射器６０から液体の燃料が供給され、混合気が形成される。噴射された液体燃料は、少なくとも一部が蒸発し、その時の蒸発熱によって圧縮気筒１２内の温度上昇が抑制される。これにより、圧縮過程は等温圧縮に近くなり、圧縮仕事が低減する。圧縮室１８の圧力が所定値まで高まると、逆止弁の機能を有する中間排気バルブ４６が開き、加圧された混合気が中間経路４２を通って貯蔵器６４に送られる。圧縮ピストン２０が上死点に達すると吸気バルブ３８が開き、圧縮ピストン２０が下降に転じると再び吸気が行われる。

中間吸気バルブ４８が開くと、加圧された混合気が中間経路４２を通って膨張室２４に送られる。このとき、混合気は、熱交換器６６からの加熱によりエンタルピーが増加し、後述する膨張行程において、ピストンに対する仕事が増加する。圧縮ピストン２０が上死点にあるとき、膨張ピストン２６は上死点を過ぎており、このタイミングで中間吸気バルブ４８は閉じられ、点火プラグ６２により混合気に点火される。点火により、燃料が燃焼し、混合気が膨張して、膨張ピストン２６を下降させる（燃焼膨張行程）。膨張ピストン２６を下降させる力がクランクシャフト３０に伝達され、クランクシャフト３０が回転する。

膨張ピストン２６が下死点に達すると排気バルブ５６が開き、膨張ピストン２６の上昇に伴って燃焼後の気体が排気経路５４を通って排出される（排気行程）。膨張ピストン２６が上死点に達すると排気バルブ５６が閉じ、中間吸気バルブ４８が開いて、混合気を受け入れる。

なお、上述の説明では、吸気バルブ３８、中間吸気バルブ４８および排気バルブ５６は、上死点または下死点で開閉動作するように理想化して記述したが、開閉動作には時間を要するので、これを考慮して、実際の各バルブの開閉のタイミングは、上死点および下死点からずれている。

燃料をアンモニアとした場合、従来のレシプロエンジンより圧縮比を高くすることができる。アンモニアのオクタン価は１３０であり、炭化水素系燃料、例えばガソリンの９０〜１００に比して高い。また、アンモニアの蒸発熱は１３７２ｋＪ／ｋｇであり、ガソリンの４２２ｋＪ／ｋｇよりも高い。これらから、圧縮比を３０程度とすることができる。また、アンモニアの蒸発熱が大きいために、圧縮行程が等温圧縮に近くなり、圧縮行程における圧縮仕事が低減する。

また、エンジン１０において、圧縮気筒１２の圧縮比と膨張気筒１４の膨張比を独立して設定可能であり、膨張比を圧縮比よりも大きくすることができる。膨張比を大きく採ることにより燃焼ガスのエネルギのより多くを機械エネルギに変換することができる。

図２は、図１に示すスプリットサイクルエンジン１０と従来の４行程サイクルレシプロエンジンのエネルギバランスを比較した図である。エンジン１０の圧縮気筒１２および膨張気筒１４の行程容積を０．６Ｌ、圧縮比を３０、膨張比を２５とする。燃料にはアンモニアを用い、理論混合比となるように供給する。回転速度を１５００ｒｐｍで運転したときのエネルギバランスが示されている。一方、従来型のレシプロエンジンについては。上記のエンジン１０と同等のエネルギ投入量で運転されるエンジンを同じ回転速度１５００ｒｐｍで運転した場合のエネルギバランスが示されている。

図２に示されるように、従来型のレシプロエンジンに比べ、図示仕事が５．０ポイント上昇していることが分かる。

１０ スプリットサイクルエンジン、１２ 圧縮気筒、１４ 膨張気筒、１６ 圧縮シリンダブロック、１８ 圧縮室、２０ 圧縮ピストン、２２ 膨張シリンダブロック、２４ 膨張室、２６ 膨張ピストン、３０ クランクシャフト、３６ 吸気経路、４２ 中間経路、５４ 排気経路、６０ 燃料噴射器、６２ 点火プラグ、６４ 貯蔵器、６６ 熱交換器。

Claims (4)

1. 吸気行程と圧縮行程を行う圧縮気筒と、
   圧縮気筒に吸入される、または吸入された空気に液体の燃料を供給する燃料供給器と、
   空気に燃料が混合した混合気を圧縮気筒から受けて燃焼膨張行程と排気行程を行う膨張気筒と、
   を有する、スプリットサイクルエンジン。
2. 請求項１に記載のスプリットサイクルエンジンにおいて、１００を超えるオクタン価の燃料を用いる、スプリットサイクルエンジン。
3. 請求項１または２に記載のスプリットサイクルエンジンにおいて、蒸発熱が４２２ｋＪ／ｋｇを超える燃料を用いる、スプリットサイクルエンジン。
4. 請求項１に記載のスプリットサイクルエンジンにおいて、燃料がアンモニアである、スプリットサイクルエンジン。
   

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