JP2570658B2 - 水素・液化天燃ガス用エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は水素・液化天然ガス用エンジンに係り、特
にエンジンの負荷運転状態に応じて燃料たる水素と液化
天然ガスとを夫々供給することにより構造の複雑化を招
くことなく運転状態に応じて要求される機関性能を充分
に満足し得る出力を得ることのできる水素・液化天然ガ
ス用エンジンを実現することにある。

〔従来の技術〕 内燃機関たるエンジンの燃料としては、主にガソリン
や軽油等が利用されているが、有害排気物質による汚染
や資源の枯渇等の諸問題に鑑み、近時、代替燃料として
水素や液体天然ガス（LNG）が注目されている。これら
燃料としての水素や液化天然ガスは、気体燃料であるこ
とから空気との混合が良好で均質な混合気を生成するこ
とができ、これにより良好な燃焼を得て有害排気物質の
低減を果すことができる等の種々の利点を有するもので
ある。

このようなエンジンとしては、例えば、特公昭57-480
8号公報や特開昭56-162226号公報、特開昭58-119928号
等に開示のものがある。特公昭57-4808号公報には、メ
タルハイドライドを加熱して水素を発生させるべく供給
される排気ガスの供給量を、前記発生する水素の圧力に
よって調整することにより、水素の安定供給を図った水
素エンジンが開示されている。また、特開昭56-162226
号公報には、低圧圧縮した液化天然ガスを灯油等の溶媒
に溶解して貯留し、この溶媒上に気化して滞留する液化
天然ガスを燃料とする液化天然ガスエンジンが開示され
ている。さらに、特開昭58-119928号公報には、燃焼室
に２つ設けた吸気弁の両側に夫々排気弁と水素供給弁と
を対向配設することにより、高温の排気弁に向かう水素
の流れを空気の流れにより邪魔して過早着火・ノッキン
グの発生を防止した水素エンジンが開示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、水素と液化天然ガスとは、同じく気体燃料
でありながら、燃焼性や熱化学的性質等が相違する。例
えば、水素は、燃焼速度が極めて早く、逆火が容易に発
生するため、空気過剰率を大としなければならず、ま
た、気体燃料であることから体積効率の低下により出力
低下を招く不都合がある。しかも、水素エンジンは、前
記特開昭56-162226号公報に開示の如く、エンジンに大
幅な改良を加え、燃焼室内に空気を供給する空気弁が閉
じた後に水素供給弁を開けて燃焼室内に直接水素を供給
する構成としなければならず、構造の複雑化を招く不都
合があった。一方、液化天然ガスは、オクタン価が高
く、ノッキングが発生し難いが、前記水素と同様に気体
燃料であることから出力低下を招く不都合があった。

このため、構造の複雑化を招くことなく運転状態に応
じて要求される機関性能を満足し得る出力を得ることの
できる水素と液化天然ガスとを併用し得る水素・液化天
然ガス用エンジンの実現が困難であった。

〔発明の目的〕

そこで、この発明の目的は、エンジンの負荷運転状態
に応じて燃料たる水素と液化天然ガスとを夫々供給する
ことにより構造の複雑化を招くことなく運転状態に応じ
て要求される機関性能を充分に満足し得る出力を得るこ
とのできる水素・液化天然ガス用エンジンを実現するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するために、この発明は、エンジンの
低負荷運転状態においては燃料たる水素と液化天然ガス
とのいずれか一方を供給するとともに前記エンジンの高
負荷運転状態においては燃料たる前記液化天然ガスを供
給すべく制御する制御手段を設けたことを特徴とする。

〔作用〕

この発明の構成によれば、制御手段によって、エンジ
ンの低負荷運転状態においては、燃料たる水素と液化天
然ガスとのいずれか一方、例えば水素を供給する。これ
により、エンジンの低負荷運転状態においては大きな出
力を要しないので、たとえ水素を供給しても要求される
機関性能を満足し得る出力を得ることができ、また、エ
ンジンの低負荷運転状態においては燃焼室内の温度が低
く、しかも残留ガスが多いので、たとえ水素を供給して
も逆火の発生を回避して安定した燃焼を得ることができ
る。一方、高負荷運転状態においては、オクタン価が高
くノッキングの発生し難い液化天然ガスを供給し、所望
に応じて酸素濃度を高めた酸素富化空気を供給しあるい
は圧縮比を高める等により、気体燃料の欠点である出力
低下を回避して高い出力を得ることができる。

〔実施例〕

次にこの発明の実施例を図に基づいて詳細に説明す
る。

図は、この発明の一実施例を示すものである。図にお
いて、２は水素・液化天然ガス用エンジン（以下、「エ
ンジン」という）、４は酸素富化空気供給手段たる酸素
富化空気供給機構、６は制御手段たる制御部である。こ
の実施例において、エンジン２は、酸素富化空気を供給
されるとともに、燃料として水素と液化天然ガスとを供
給される。

前記エンジン２に酸素富化空気を供給する酸素富化空
気供給機構４は、本体８内に特定の気体を選択的に透過
させる気体選択性透過膜等の酸素富化空気生成体たる例
えば酸素富化膜10を備えている。前記本体８の空気の取
入口8a側にはエアクリーナ12を設け、本体８の取出口8b
側には例えば前記エンジン２の駆動力等により駆動され
る吸引ポンプ14を設けている。この吸引ポンプ14により
酸素富化膜10の前記取入口8a側と取出口8b側との間に圧
力差を生じさせ、取出口8b側に酸素富化膜10により空気
中の酸素濃度を高めて酸素富化空気を生成する。

このように、取出口8b側に空気中の酸素濃度を高めて
酸素富化空気を生成する一方で、取入口8a側には酸素濃
度の低減により窒素濃度の高められた空気として窒素富
化空気が残留生成されることになる。この窒素富化空気
が前記取入口8a周辺に滞留すると、取り入れた空気が窒
素富化空気で飽和して酸素富化空気の生成が困難にな
る。そこで、酸素富化空気供給機構４の本体８に排気口
16を設け、この排気口16に排気ファン18を設けるととも
に、この排気口16の下流側をエンジン２の冷却系の冷却
風吸引箇所である放熱器20の前方に開口終端させて設け
ている。これにより、不要な窒素富化空気を外部に排気
し得るとともに冷却風としても利用することができる。

前記酸素富化膜10の取出口8b側に生成された酸素富化
空気は、前記吸引ポンプ14下流に始端する連通路22によ
って、前記エンジン２の吸気通路24始端側に設けた酸素
富化空気の導入室26に供給される。導入室26内には、後
述のベーパライザ96が設けられており、燃料たる液化天
然ガスの気化潜熱により酸素富化空気を冷却する。導入
室26で冷却された酸素富化空気は、ミキサ28により燃料
と混合して混合気を生成し、吸気絞り弁30により流量を
調整され、吸気弁32を介して燃焼室34に供給される。燃
焼室34で燃焼生成された排気は、排気弁36を介して排気
通路38に排出され外部に排出される。

この酸素富化空気供給機構４の本体８内の酸素富化膜
10は、基準となる基準酸素富化膜10−０と、この基準酸
素富化膜10−０と同様に構成された第１・第２酸素富化
膜10−１・10−２と、から成る。これら基準酸素富化膜
10−０および第１・第２酸素富化膜10−１・10−２は、
取入口8a側に夫々連通するとともに取出口8b側に夫々連
通している。前記第１・第２酸素富化膜10−１・10−２
の取出口8b側には、夫々第１・第２制御弁40−１・40−
２を設ける。これら第１・第２制御弁40−１・40−２
は、制御手段たる制御部６に接続している。この制御部
６によって第１・第２制御弁40−１・40−２を開閉する
ことにより第１・第２酸素富化膜10−１・10−２は取出
口8b側に対して連通・遮断される。

前記本体８の取入口8a側と取出口8bとには夫々取入口
側圧力センサ42と取出口側圧力センサ44とを設けるとと
もに、前記導入室26には導入室圧力センサ46と導入室吸
気温センサ48とを設ける。これら各センサ42〜48は、前
記制御部６に接続されている。この制御部６によって、
前記取入口側圧力センサ42と取出口側圧力センサ44とに
より夫々検出される圧力の差が所定圧力となるように、
前記吸引ポンプ14を駆動制御する。

また、導入室26内の圧力は、前記エンジン２の要求す
る酸素富化空気要求量と前記酸素富化空気供給機構４の
供給する酸素富化空気供給量との圧力差になる。そこ
で、導入室吸気温センサ48の検出する導入室吸気温を加
味しつつ導入室圧力センサ46の検出する導入室26内の圧
力に応じ、前記制御部６により前記第１・第２制御弁40
−１・40−２を開閉制御して第１・第２酸素富化膜10−
１・10−２を取入口8b側に選択的に連通させることによ
り、酸素富化膜10の酸素富化空気生成面積を増減制御す
る。これにより、酸素濃度の大幅な変動を招くことな
く、エンジン４の酸素富化空気要求量に応じて酸素富化
空気供給機構４より供給される酸素富化空気供給量を増
減し、適正に供給することができる。

この酸素富化空気供給機構４の酸素富化空気は、所望
に応じてエンジン２に供給される。つまり、エンジン２
の低負荷運転状態から高負荷運転状態までの全域におい
て供給することも可能であり、また、特定の負荷運転状
態においてのみ供給することも可能である。なお、符号
50は導入室26に大気を吸入する吸入用逆止弁、52は導入
室26から大気に排出する排出用逆止弁である。

前記エンジン２に供給される燃料たる水素を貯留する
水素タンク54は、水素充填管56により水素充填弁58を介
して水素を充填される。この水素タンク54は、例えば水
素化金属（METAL HYDRIDE）により水素を貯留するもの
である。水素タンク54に貯留された水素は、水素供給管
60により前記ミキサ28に供給され、このミキサ28により
水素の混合気を生成し、吸気絞り弁30もより流量を調整
して燃焼室34に供給する。この水素供給管60には、減圧
気62と電磁弁64とを設けてあり、この電磁弁64は前記制
御部６に接続されている。

また、水素タンク54内には、水素化金属を加熱する加
熱機構66が設けられている。加熱機構66は、往管68と復
管70とにより前記エンジン２の冷却水通路72に連絡され
ている。前記往管68には、排気熱交換器74と電磁弁76と
が設けられ、この電磁弁76は前記制御部６に接続されて
いる。前記排気熱交換器74には、排気通路38に側路とし
て形成された排気誘導管78が設けられ、この排気誘導管
78を流通する排気ガスの熱により前記往管68内を加熱機
構66に向って流れる冷却水を昇温させる。前記排気通路
38の側路として形成された排気誘導管78の入口78aと出
口78との間の前記排気通路38には、排気誘導管78に誘導
される排気ガスの量を調整する調整弁80が設けられてい
る。

前記エンジン２に供給される燃料たる液化天然ガスを
貯留する液化天然ガスタンク82は、液化天然ガス充填管
84により液化天然ガス充填弁86を介して極低温の液化し
た液化天然ガスを充填される。液化天然ガスタンク82の
液化天然ガスは、液化天然ガス取出弁88により取出さ
れ、液化天然ガス供給管90により供給される。液化天然
ガス供給管90には、フィルタ92、電磁弁94、ベーパライ
ザ96が配設されている。前記電磁弁94は、前記制御弁６
に接続されている。また、前記ベーパライザ96は、前記
導入室26内に設けられ、酸素富化空気との熱交換により
液化天然ガスを加温して蒸発させるとともに酸素富化空
気を冷却する。

前記ベーパライザ66下流側の液化天然ガス供給管90
は、分岐点98により分岐されて第１分岐供給管100と第
２分岐通路供給管102とに形成されている。前記第１分
岐供給管100には、第１レギュレータ104と液化天然ガス
噴射弁106とが設けられている。この液化天然ガス噴射
弁106は、前記制御部６に接続されており、液化天然ガ
スを吸気弁32の近傍の吸気通路24に噴射供給する。噴射
供給された液化天然ガスは、燃焼室34に供給される。前
記第２分岐供給管102には、電磁弁108と第２レギュレー
タ110とが設けられている。前記電磁弁108は、前記制御
部６に接続されており、液化天然ガスをミキサ28に供給
する。このミキサ28により液化天然ガスの混合気を生成
し、吸気絞り弁30により流量を調整して燃焼室34に供給
する。

次に作用を説明する。

エンジン２を駆動すると、制御部６は、酸素富化空気
供給機構４の本体８の取入口8a側の圧力と取出口8b側の
圧力とが所定圧力となるように吸引ポンプ14を駆動制御
する。また、導入室26内の圧力に応じて第１・第２制御
弁40−１・40−２を開閉制御し、第１・第２酸素富化膜
10−１・10−２を取入口8b側に選択的に連通させて酸素
富化膜10−０〜10−２の酸素富化空気生成面積を増減制
御する。これにより、酸素濃度の大幅な変動を招くこと
なく、エンジン４の酸素富化空気要求量に応じて酸素富
化空気供給機構４より供給される酸素富化空気供給量を
増減し、適正に供給する。

このエンジン２の低負荷運転状態、例えば、アイドリ
ング運転状態あるいは低速運転状態においては、制御部
６は燃料たる水素と液化天然ガスとのいずれか一方、こ
の実施例においては水素を供給するように制御する。即
ち、加熱機構66に連絡される往管68に設けた電磁弁76を
開閉制御して水素タンク54内の水素化金属を加熱するこ
とにより水素を発生させる。発生された水素は、減圧器
62により所定圧に減圧され、電磁弁64の開閉制御により
流量を調整され、水素供給管60によりミキサ28に供給さ
れる。このとき、混合気の空燃比を濃くすると、水素は
逆火を発生し易いので、空気過剰率2.0以上となるよう
に制御弁64を開閉制御する。

このように、エンジン２の低負荷運転状態において
は、大きな出力を要しないので、たとえ水素を供給して
も要求される機関性能を満足し得る出力を得ることがで
きるものである。また、低負荷運転状態においては、燃
焼室34内の温度が低く、しかも残留ガスが多いので、た
とえ水素を供給しても逆火の発生を回避することがで
き、安定した燃焼を得ることができるものである。

一方、エンジン２の高負荷運転状態、例えば、加速運
転状態あるいは高速運転状態においては、液化天然ガス
を供給するように制御する。即ち、液化天然ガスタンク
82に接続された液化天然ガス供給管90の電磁弁94を開閉
制御することにより、ベーパライザ96に供給する。ベー
パライザ96においては、導入室26の酸素富化空気との熱
交換により液化天然ガスを加温して蒸発させるとともに
酸素富化空気を冷却する。蒸発された液化天然ガスは、
第１分岐供給管100に設けた第１レギュレータ104により
所定圧に減圧し調量され、液化天然ガス噴射弁106の開
閉制御により酸素富化空気の酸素濃度に適応し得る量で
噴射供給され、酸素富化空気とともに燃焼室34に供給さ
れる。あるいは、ベーパライザ96により蒸発された液化
天然ガスは、第２分岐供給管102に設けた電磁弁108の開
閉制御により酸素富化空気の酸素濃度に適応し得る量に
調整して、ミキサ28に供給し、混合気を生成して燃焼室
34に供給することもできる。

このように、高負荷運転状態においては、オクタン価
が高くノッキングの発生し難い液化天然ガスを供給する
ことにより、所望に応じて酸素濃度を高めた酸素富化空
気を供給しあるいは圧縮比を高める等によって、気体燃
料の欠点である出力低下を回避して高い出力を得ること
ができる。

このように、エンジン２の負荷運転状態に応じて燃料
たる水素と液化天然ガスとを夫々供給することにより、
構造の複雑化を招くこともなく、要求される機関性能を
満足し得る充分な出力を得ることができる。このため、
燃料として水素と液化天然ガスとを併用し得る簡単な構
造の水素・液化天然ガス用エンジンを実現することがで
きる。

なお、この実施例においては、エンジンの低負荷運転
状態において水素を供給したが、液化天然ガスを供給す
ることもできる。したがって、燃料である水素が欠乏し
た場合には、液化天然ガスのみによっても運転が可能で
ある。

〔発明の効果〕

このようにこの発明によれば、制御手段によって、エ
ンジンの低負荷運転状態においては、燃料たる水素と液
化天然ガスとのいずれか一方、例えば水素を供給する。
これにより、エンジンの低負荷運転状態においては大き
な出力を要しないので、たとえ水素を供給しても要求さ
れる機関性能を満足し得る出力を得ることができ、ま
た、エンジンの低負荷運転状態においては燃焼室内の温
度が低く、しかも残留ガスが多いので、たとえ水素を供
給しても逆火の発生を回避して安定した燃焼を得ること
ができる。一方、高負荷運転状態においては、オクタン
価が高くノッキングの発生し難い液化天然ガスを供給
し、所望に応じて酸素濃度を高めた酸素富化空気を供給
しあるいは圧縮比を高める等によって、気体燃料の欠点
である出力低下を回避して高い出力を得ることができ
る。

このように、エンジンの負荷運転状態に応じて燃料た
る水素と液化天然ガスとを夫々供給することにより、構
造の複雑化を招くことなく、要求される機関性能を満足
し得る充分な出力を得ることができ、燃料として水素と
液化天然ガスとを併用し得る簡単な構造の水素・液化天
然ガス用エンジンを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す水素・液化天然ガス用エ
ンジンの概略構成図である。 図において、２はエンジン、４は酸素富化空気供給機
構、６は制御部、10は酸素富化膜、12はエアクリーナ、
14は吸引ポンプ、24は吸気通路、26は導入室、28はミキ
サ、30は絞り弁、34は燃焼室、38は排気通路、54は水素
タンク、60は水素供給管、64は電磁弁、66は加熱機構、
68は往管、70は復管、74は排気熱交換器、76は電磁弁、
82は液化天然ガスタンク、90は液化天然ガス供給管、92
はフィルタ、94は電磁弁、96はベーパライザ、100は第
１分岐供給管、102は第２分岐供給管、104は第１レギュ
レータ、106は液化天然ガス噴射弁、108は電磁弁、110
は第２レギュレータである。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの低負荷運転状態においては燃料
   たる水素と液化天然ガスとのいずれか一方を供給すると
   ともに前記エンジンの高負荷運転状態においては燃料た
   る前記液化天然ガスを供給すべく制御する制御手段を設
   けたことを特徴とする水素・液化天然ガス用エンジン。