JP2022080290A - 内燃機関および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスを動力源とする先行技術の内燃機関に対して少なくともいくつかの点で改良された内燃機関を提供する【解決手段】燃焼シリンダアセンブリの少なくとも１つの燃焼室１０２内で水素ガスを燃焼させ、内燃機関のクランクシャフト１２０を駆動するように構成された４ストローク燃焼シリンダアセンブリ１０１と、燃焼シリンダアセンブリの上流側に設けられた吸気通路１１７および燃焼シリンダアセンブリの下流側に設けられた排気通路１１８と、吸気通路内に配置され、吸気ガスを圧縮するように構成された容積型圧縮機１１０と、排気通路からの排気の少なくとも一部を容積型圧縮機に再循環させるように構成された排気ガス再循環システム１０３と、を備えた内燃機関１００。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関および車両に関する。

本発明は、トラックやバスや建設機械などの大型車両に適用することができる。本発明はトラックに関連して説明するが、本発明はこの特定の車両に限定されるものではなく、バスや作業機や乗用車など他の車両に適用することもできる。また、本発明は、船舶や定置用途のものに適用することもできる。

従来、バスやトラックなどの重車両には、ディーゼルを燃料として車両に動力を供給する内燃機関が使用されてきた。二酸化炭素の排出量を削減するための取り組みにおいて、電気動力システムや、例えばバイオ燃料、水素ガスを燃料とする燃料電池などを動力源とするエンジンを含む代替動力システムが開発されている。燃料電池は、発電時の副生成物が熱以外に水のみである点で、特に魅力的である。しかし、燃料電池はかなりコストが高く、車両の推進システムにおいては、電力伝送の損失が比較的大きいことやエンジンブレーキ機能に欠けるなどの欠点も伴う。そのため、水素を利用した競合動力システムの開発が望まれている。そのような競合システムの候補には、水素を燃料とする燃焼機関がある。しかし、このような既存の機関は、一般的に燃料電池よりも効率が悪い。したがって、燃料電池に競合可能な、水素を燃料として使用出来るより効率的でクリーンな燃焼機関の開発が望まれている。

［定義］
本明細書において、４ストローク燃焼シリンダとは、吸気ストローク、圧縮ストローク、燃焼ストローク、および排気ストロークの往復運動をする燃焼ピストンを収容する燃焼シリンダを意味する。吸気ストロークで燃焼ピストンが燃焼シリンダの下死点に向かって下降すると、圧縮空気が燃焼シリンダの燃焼室に送り込まれる。その後、圧縮ストロークで燃焼ピストンが燃焼シリンダの上死点に向かって上昇すると、燃焼シリンダ内のガスが圧縮される。上死点付近、あるいはピストンが上死点に到達した少し後に、燃焼プロセスが開始される。その後、燃焼ピストンは下死点に向かって下降し、ピストンが仕事をする。これをここでは燃焼ストロークとする。最後に、排気ストロークで燃焼ピストンが再び上昇すると、排気ガスが燃焼室から排出される。

本明細書に記載の４ストローク燃焼シリンダアセンブリは、このような４ストローク燃焼シリンダを複数備えてもよい。

容積型圧縮機とは、往復動型圧縮機や回転型圧縮機などの容積式の圧縮機を意味する。容積型圧縮機は、機械的リンク機構の変位を利用してガスを収容する空間の容積を減少させることにより、ガスを圧縮する。

本発明の目的は、水素ガスを燃料として使用できる内燃機関であって、水素ガスを動力源とする先行技術の内燃機関に対して、少なくともいくつかの点で改良された内燃機関を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、上記目的は、請求項１に記載の内燃機関によって達成される。

本発明の内燃機関は、
燃焼シリンダアセンブリの少なくとも１つの燃焼室内で水素ガスを燃焼させ、内燃機関のクランクシャフトを駆動するように構成された４ストローク燃焼シリンダアセンブリと、
燃焼シリンダアセンブリの上流側に設けられた吸気通路および燃焼シリンダアセンブリの下流側に設けられた排気通路と、
吸気通路内に配置され、吸気ガスを圧縮するように構成された容積型圧縮機と、
排気通路からの排気の少なくとも一部を容積型圧縮機に再循環させるように構成された排気ガス再循環システムと、
燃焼室と下流側で流体連通するように配置され燃焼室からの排気を受け入れる膨張機とを備え、
排気ガス再循環システムが、膨張機と下流側で流体連通するように配置される。

提案されている内燃機関は水素ガスを燃焼させるように構成されているため、排気には多量の水とともに窒素酸化物（ＮＯｘ）や窒素ガス（Ｎ_２）が含まれる。燃焼プロセスで生成されるＮＯｘの量は、排気ガス再循環システム（ＥＧＲ）により削減することができる。これは、特にリーン混合気を使用する場合に有効である。再循環された排気が燃焼室に導入されることにより、燃焼温度が低下するためである。また、吸気通路内に圧縮機を配置し吸気ガスを燃焼室内に送り込むことで、エンジンの効率と出力密度（power density）が向上する。そのために例えばディーゼルエンジンでは、一般的にターボ圧縮機が使用されているが、凝縮による影響を受けやすく、圧縮機ホイールが破損する恐れがある。容積型圧縮機は、ＥＧＲシステムからの凝縮した排気の受け入れの影響を受けにくく、凝縮した排気が送り込まれても機能を維持することができる。これにより、ＥＧＲシステムからの排気が直接ターボ圧縮機に送られる機関よりも、ＥＧＲシステム内の排気を低温にすることが可能となる。この低温化により、圧縮機の作業量が減り、エンジンのエネルギー効率が向上する。また、温度が下がることで、ＮＯｘの排出量も減少する。

膨張機は、容積型圧縮機と組み合わせて使用され、排気ガスの流れを増加させることにより、内燃機関の効率をさらに向上させる。膨張機は、容積型圧縮機に駆動連結してもよく、容積型圧縮機とは別個に設けることも可能である。

容積型圧縮機は、ピストン圧縮機であってもよく、ルーツブロワなどのブロワであってもよい。容積型圧縮機は、内燃機関の異なる負荷点や燃焼モードに適応するために、制御可能な容積効率を有することが好ましい。

内燃機関の吸気ガスは、空気とＥＧＲシステムを介して供給される排気の混合物となる。

任意選択的に、排気ガス再循環システムは、排気を冷却するための熱交換器を備える。排気を冷却することで容積型圧縮機が行うべき作業を減らすことができるが、一方で、冷却によって凝縮した排気が圧縮機に混入する恐れがある。しかし、先に説明したように、容積型圧縮機を使用しているため問題とはならない。

任意選択的に、熱交換器は、排気を少なくとも排気の露点まで冷却するように構成される。言い換えれば、飽和した排気が容積型圧縮機に送り込まれる。この場合、排気ガス再循環システムに凝縮物が形成される可能性がある。

任意選択的に、排気ガス再循環システムは、凝縮された排気および排気ガスの両方を熱交換器から容積型圧縮機へ送り込むように構成される。この場合、排気ガス再循環システムは、凝縮された排気のすべてを容積型圧縮機に送り込むように構成してもよいし、あるいは、凝縮された排気の一部のみを容積型圧縮機に送り込むように構成してもよい。

任意選択的に、排気ガス再循環システムは、該排気ガス再循環システムからの排気の少なくとも一部を、容積型圧縮機に到達する前に凝縮して減少させるように構成される。この場合任意選択的に、排気ガス再循環システムは、ガス状の排気のみを容積型圧縮機に再循環させるように構成してもよい。これにより、容積型圧縮機内の腐食のリスクが低減される。凝縮された排気は、廃棄してもよいし、内燃機関内で他の目的に使用してもよい。

任意選択的に、内燃機関は、該機関の吸気通路内の容積型圧縮機の下流側に設けられたターボ圧縮機をさらに備える。これにより、２段階の圧縮が達成され、第１段階の圧縮は容積型圧縮機で行われ、それにより露点からそれ、凝縮された排気がターボ圧縮機に導入される恐れなく第２段階の圧縮がターボ圧縮機、すなわち、排気通路に配置されたタービンホイールによって駆動される圧縮機ホイールで行わる。これにより、燃焼室への導入前に吸気ガスをさらに圧縮することが可能となり、機関のエネルギー効率をさらに向上させることができる。ターボ圧縮機が設けられている場合、膨張機は、ターボ圧縮機に接続してもよい。膨張機は、例えば、ターボ圧縮機のタービンとして設けてもよい。

任意選択的に、４ストローク燃焼シリンダアセンブリは、リーン混合気を用いて水素ガスを燃焼させるように構成される。リーン混合気とは、理論混合気よりも空気の割合が多い混合気を意味する。容積型圧縮機と膨張機によって排気ガスの流れが大きくなり、燃料の流れと出力密度が維持されるため、リーン運転状態ではエンジン効率が向上する。

任意選択的に、膨張機は、内燃機関のクランクシャフトに駆動連結された膨張ピストンを有する２ストローク膨張シリンダを備える。この場合、膨張機のピストンと燃焼シリンダアセンブリのピストンは、第１のピストンの動きが第２のピストンの所定の動きに関連付けられるように連結してもよい。あるいは、別のタイプの膨張機を設けてもよい。膨張ピストンは、中間部材、例えば、少なくとも１つのコネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結してもよい。

任意選択的に、容積型圧縮機は、内燃機関のクランクシャフトに駆動連結された圧縮ピストンを有する２ストローク圧縮シリンダを備える。このため、クランクシャフトは、例えば、少なくとも１つのコネクティングロッドや他の中間部品を介して、圧縮ピストンを駆動することができる。

任意選択的に、圧縮ピストンと膨張ピストンは、一体となって動くように剛的に連結される。本内燃機関での使用に適したそのような剛的に連結された圧縮ピストンおよび膨張ピストンは、国際公開公報第２０１８／１６６５９１号に記載されている。

任意選択的に、内燃機関は、少なくとも１つの燃焼室に水素ガスを噴射するための少なくとも１つの燃料噴射装置をさらに備える。燃料噴射装置は、燃焼プロセスを最適化するように、所定のクランク角またはクランク角間隔で水素ガスを噴射するように構成してもよい。

任意選択的に、内燃機関は、排気ガス後処理システムをさらに備える。本実施形態における排気ガス後処理システムは、燃焼室と下流側で流体連通するように配置され、排気ガスを受け入れる。排気ガス後処理システムは、例えば、三元触媒コンバータや選択還元触媒（ＳＣＲ）コンバータで構成され、効率的な窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減を実現する。内燃機関がリーン混合気を使用するように構成されている場合、排気後処理システムは、効率的にＮＯｘ削減を達成するために好ましくはＳＣＲコンバータを備えてもよい。

本発明の第２の態様によれば、上記に明示した目的は、第１の態様のいずれか１つの実施形態による内燃機関を備える車両によって達成される。車両は、例えば、バスやトラックなどの大型車両であってもよい。

本発明の一実施形態による内燃機関を搭載した車両の側面図である。 本発明の一実施形態による内燃機関の模式図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明を実施形態に基づいてさらに説明する。

図面は、本発明の例示的な実施形態を示すものであり、したがって、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではない。ここで示し、説明する実施形態は例示的なものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。また、本発明をよりよく説明するために、図面の一部の詳細が誇張されている場合があることに留意されたい。同一の参照符号は、他に表現されていない限り、説明全体を通して同一の要素を指す。

図１は、大型トラックの形態としての車両１を模式的に示す。該車両１は、本発明の例示的な実施形態による内燃機関１００によって駆動される。

図２は、例示的な実施形態による内燃機関１００を模式的に示す。内燃機関１００は、燃焼シリンダアセンブリ１０１の燃焼室１０２内で水素ガスなどのガス状燃料を燃焼させるように構成された、４ストローク燃焼シリンダアセンブリ１０１を備える。燃焼シリンダ内には、上死点（ＴＤＣ）と下死点（ＢＤＣ）との間で往復運動するように配置された往復動ピストン１１５が設けられている。ピストン１１５は、内燃機関１００のクランクシャフト１２０を駆動するコネクティングロッド１１６に接続される。図示の実施形態では、簡潔にするために、燃焼シリンダアセンブリ１０１は単一の燃焼シリンダを有するものとして図示されているが、もちろん、内燃機関１００は複数の燃焼シリンダを備えてもよく、それぞれをピストンおよびコネクティングロッドを介してクランクシャフト１２０に接続してもよい。圧縮水素ガスまたは液体水素を貯蔵するための水素タンク１１９が設けられ、水素ガスを燃焼室１０２に噴射するための燃料噴射装置１０９が設けられている。なお、内燃機関１００の構成に応じて、燃焼室１０２内の水素ガスの燃焼を開始するための点火手段（図示せず）を設けてもよい。

内燃機関１００の吸気通路１１７には、大気中の空気を取り込むための吸気口１０５が設けられている。吸気通路１１７は、燃焼室１０２の上流側に設けられた容積型圧縮機１１０を介して、燃焼室１０２に吸気ガスを送り込むように構成される。また、図示の実施形態では、圧縮機１１０の下流側にターボ圧縮機１１１が設けられ、容積型圧縮機１１０と燃焼室１０２とを流体連通させているが、このようなターボ圧縮機は省いてもよい。また、吸気通路１１７は、吸気ガスを周期的に貯留するための１つまたは複数の吸気ガス室（図示せず）を備えてもよい。吸気ガス室は、容積型圧縮機１１０から、および、存在する場合はターボ圧縮機１１１から圧縮された吸気ガスを受け入れ、受け入れた吸気ガスをピストン１１５の吸気ストロークで燃焼シリンダ１０２に送出してもよい。

燃焼室１０２の下流側には排気通路１１８が設けられ、内燃機関１００の運転中に、この排気通路を介して排気が排気口１０８に送り込まれる。また一方、燃焼室１０２の下流側には、排気の一部を容積型圧縮機１１０に送り込むように構成された排気ガス再循環（ＥＧＲ）システム１０３も設けられている。したがって、吸気通路１１７を介して燃焼室１０２に送り込まれる吸気ガスは、空気とＥＧＲシステム１０３からの排気との混合物で構成される。図示の実施形態では、ＥＧＲシステム１０３は排気を所望の温度に冷却するように構成された熱交換器１０４を備える。

図示の実施形態では、排気通路１１８には燃焼室１０２とＥＧＲシステム１０３とを流体連通させる膨張機１０６が設けられている。図示の実施形態では、膨張機１０６はターボ圧縮機１１１のタービンであってもよい。また、膨張機はピストン膨張機であってもよく、ピストン膨張機とタービンの両方を設けてもよい。

内燃機関１００の動作を制御するために、電子制御ユニット（ＥＣＵ、図示せず）を設けてもよい。制御ユニットは、例えば、燃料噴射装置１０９を介した燃料の噴射を直接的または間接的に制御するように構成してもよい。また、制御ユニットは、例えば、ＥＧＲシステムを介した排気の流れや、燃焼室１０２への吸気ガスの流れを調整するために、内燃機関１００の様々な入口弁や出口弁（図示せず）を開閉するように構成してもよい。このような弁は、代替的に、例えばカムシャフト（図示せず）を用いて機械的に操作してもよい。制御ユニットは、燃焼室内の空燃比が要求された空燃比になるように、燃料噴射装置および吸気弁を制御するように構成してもよく、例えば、リーン運転状態を提供するように構成してもよい。

内燃機関１００の運転中、大気中の空気および再循環された排気は、それぞれ吸気口１０５およびＥＧＲシステム１０３を介して容積型圧縮機１１０に吸入される。空気と排気は、第１段階の圧縮で混合されて吸気ガスを形成し、この吸気ガスはターボ圧縮機１１１に送り込まれ、第２段階の圧縮でさらに圧縮される。その後、圧縮された吸気ガスは燃焼室１０２に送り込まれ、４サイクルの燃焼が行われ、機械的動力が発生する。発生した排気は、排気通路１１８を経由して膨張機１０６に送り込まれ、そこでの膨張中に、排気の圧力と温度が低下する。排気の一部は排気口１０８を介して排出され、他の一部はＥＧＲシステム１０３に送り込まれ、排気が熱交換器１０４で冷却される。排気は、例えばその露点まで冷却されてもよく、冷却された排気は、その後容積型圧縮機１１０に送り込まれる。

本発明は、上述し図面に示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ、当業者であれば添付の請求項の範囲内で多くの変更および修正を行うことができると認識するであろうことを理解されたい。

Claims (14)

1. 少なくとも１つの燃焼室（１０２）内で水素ガスを燃焼させ、クランクシャフト（１２０）を駆動するように構成された４ストローク燃焼シリンダアセンブリ（１０１）と、
   前記燃焼シリンダアセンブリ（１０１）の上流側に設けられた吸気通路（１１７）および前記燃焼シリンダアセンブリ（１０１）の下流側に設けられた排気通路（１１８）と、
   前記吸気通路（１１７）内に配置され、吸気ガスを圧縮するように構成された容積型圧縮機（１１０）と、
   前記排気通路からの排気の少なくとも一部を前記容積型圧縮機に再循環させるように構成された排気ガス再循環システム（１０３）と、
   前記燃焼室（１０２）と下流側で流体連通するように配置され該燃焼室（１０２）からの排気を受け入れる膨張機（１０６）とを備え、
   前記排気ガス再循環システム（１０３）が、前記膨張機（１０６）と下流側で流体連通するように配置される、内燃機関。
2. 前記排気ガス再循環システムが、前記排気を冷却するための熱交換器（１０４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記熱交換器（１０４）が、前記排気を少なくとも該排気の露点まで冷却するように構成されることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記排気ガス再循環システム（１０３）が、凝縮された排気および排気ガスの両方を前記熱交換器（１０４）から前記容積型圧縮機（１１０）へ送り込むように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記排気ガス再循環システム（１０３）が、該排気ガス再循環システム（１０３）からの前記排気の少なくとも一部を、前記容積型圧縮機（１１０）に到達する前に凝縮して減少させるように構成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記排気ガス再循環システム（１０３）が、ガス状の排気のみを前記容積型圧縮機（１１０）に再循環させるように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記吸気通路（１１７）内の前記容積型圧縮機（１１０）の下流側に設けられたターボ圧縮機（１１１）をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の内燃機関。
8. 前記４ストローク燃焼シリンダアセンブリ（１０１）が、リーン混合気を用いて水素ガスを燃焼させるように構成されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の内燃機関。
9. 前記膨張機（１０６）が、前記クランクシャフト（１２０）に駆動連結された膨張ピストンを有する２ストローク膨張シリンダを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の内燃機関。
10. 前記容積型圧縮機（１１０）が、前記クランクシャフト（１２０）に駆動連結された圧縮ピストンを有する２ストローク圧縮シリンダを備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の内燃機関。
11. 前記圧縮ピストンと前記膨張ピストンが、一体となって動くように剛的に連結されることを特徴とする、請求項９と組み合わせた請求項１０に記載の内燃機関。
12. 前記少なくとも１つの燃焼室（１０２）に水素ガスを噴射するための少なくとも１つの燃料噴射装置（１０９）をさらに備える、請求項１から１１のいずれか１項に記載の内燃機関。
13. 排気ガス後処理システムをさらに備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の内燃機関。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の内燃機関を備える、車両（１）。

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