JP4573994B2 - フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための方法であって、排気口と吸気口を備えるとともに往復動可能なピストンが内部に配されたシリンダ内に水を注入する方法に関し、更にこの方法を用いて動作するフォーストロークエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル内燃機関の動作においては通常、公害の原因となる窒素酸化物（ＮＯ_X）が相当量発生する。これは特に、例えば船舶用の主駆動アグリゲートや発電用の固定プラントとして使用される大型のディーゼルエンジンにおいて特に顕著である。そのため、環境を保護する目的でＮＯ_Xの排出量が大幅に低減したディーゼルエンジンの開発に多大な労力が費やされてきた。ＮＯ_Xの排出量の低減は例として窒素酸化物の選択的触媒還元によって実現される。しかしながら特に大型のディーゼルエンジンでこれに見合うサイズの触媒コンバータ装置を設けることは、スペースの問題から可能であったとしても極めて困難である。このため、シリンダの燃焼室内における窒素酸化物の発生を低減させる、いわゆる一次的手段が重点的に開発されてきた。
【０００３】
ディーゼルエンジンにおいては温度、特に爆発時のピーク温度を低下させるために燃焼室に燃料の他に水を注入することは公知の方法であり、これによりＮＯ_Xの生成量ひいてはエンジンのＮＯ_X排出量が低減する。水は燃焼時または燃焼の少し前に燃焼室内に注入される。フォーストロークディーゼルエンジンでは、圧縮行程の終わりにかけて燃料と同時に水の注入が行われることが普通である。水は燃料とは別にシリンダの燃焼室に導入するか、あるいは、水と燃料との乳濁液をまず調製した後、これをシリンダに注入することが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来技術を鑑み、本発明の目的は、複雑な機構や高いコストの必要なくして、従来の動作方法と比較してフォーストロークエンジンの窒素酸化物排出量の更なる低減を可能とする、フォーストロークディーゼルエンジンの簡単な動作方法を提案することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明に基づけば、フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための一方法が提案される。この方法は、排気ガスを排出するための少なくとも１個の排気口と空気を供給するための少なくとも１個の吸気口を備えるとともに往復動可能なピストンが内部に配されたシリンダ内に水を注入する方法において、ピストンが排気行程の終わりにアイドル上死点に達するより前に排気口が既に閉じているようにピストンの排気行程において排気口が閉じられることと、ピストンがアイドル上死点の領域にあるときにシリンダに水を注入することとを特徴とするものである。
【０００６】
排気行程の終わりにピストンがアイドル上死点に達するよりも前にシリンダの排気口が既に閉じられているために、燃焼過程において生じた排気ガスの一部がシリンダ内に留まることになる。ピストンがアイドル上死点の領域にあるときに依然高温の排気ガス中に水が注入される。このため注入された水が非常によく気化し、シリンダ内に依然留まっている排気ガスが効率的に冷却される。この後、給気行程において新たな空気がシリンダに流入し、シリンダ内に留まった排気ガス及び水蒸気と混合物を形成する。この混合物は新たな空気と比較して酸素濃度が低い。この混合物が次の圧縮行程において圧縮される。圧縮行程の終わりにおいて燃料が混合物中に注入される。混合物中の酸素濃度が低いこと、及び混合物が水蒸気を含むことにより、後の燃焼過程において発生する窒素酸化物は大幅に低減し、低公害のディーゼルエンジンの動作が可能となる。更に、本発明に基づく方法は大きなコストや複雑な機構を必要とすることなく実施することが可能であり、経済的な観点から有利である。
【０００７】
すなわち、本発明に基づいた方法にあっては、シリンダからの排気ガスの掃気が不完全に行われるという点において、意図的に掃気率が低くされている。シリンダ内における排気ガスの滞留（内部排気ガス再循環とも云われる）と水の注入とを組み合わせることにより、動作効率において譲歩することなく燃焼過程において発生する窒素酸化物を大幅に低減することが可能である。本発明に基づく方法にあっては、シリンダ内に留まる排気ガスと水蒸気の両方がＮＯ_Xの低減に寄与している。
【０００８】
シリンダ内への水の注入は、ピストンがアイドル上死点の近くにあるときに行われるため、注入される水からシリンダのライナが保護されるという利点が得られる。したがって、シリンダの表面上に形成される油膜が水の注入によって損なわれることがない。
【０００９】
シリンダ内に留まる高温の排気ガスの冷却は注入される水の量によって容易に制御することが可能である。実際の使用に際しては、アイドル上死点よりも３０°±２０°手前のクランク角において排気口が丁度完全に閉じられるように排気口が閉じられることが有利であることが示されている。これによりシリンダ内に好適な量の排気ガスを滞留させることが可能である。この排気ガスの量は排気口をどの時点で閉鎖するかによって設定または調節することが可能である。
【００１０】
吸気口は吸気行程のアイドル上死点を通過した後に開かれることが好ましい。つまり、ピストンが上死点の位置にあるときに吸気口はまだ閉じている。このため、吸気口または吸気通路が逆流する排気ガスによって汚染されることがない。アイドル上死点を３０°±２０°過ぎたクランク角において吸気口が開かれることが特に有利であることが示されている。
【００１１】
水の注入は、排気行程において排気口が閉じられた後に開始され、吸気行程において吸気口が開かれるより前に終了することが好ましい。これにより、シリンダ内に留まる高温の排気ガスが、注入される水によって効率的に冷却されるとともに注入された水が非常によく気化される。
【００１２】
実用的な観点からは、アイドル上死点の約２０°手前からアイドル上死点を約２０°過ぎたクランク角の範囲にわたって水の注入が行われることが有利である。
【００１３】
燃焼過程において発生する窒素酸化物を低減するための更なる有利な方法として、燃焼行程及び燃焼の少なくともいずれか一方においてシリンダ内に水を注入することが可能である。これにより燃焼室内の燃焼温度を低下させることが可能である。
【００１４】
圧縮行程において水を燃料と同時にシリンダ内に注入することも可能である。
装置のコスト及び複雑さ、ならびにシリンダにおいて利用可能な空間の大きさの点から、燃料を注入するものと同じインジェクションノズルによってシリンダ内に水を注入することが有利である。この目的のためにインジェクションノズルを、それぞれノズル孔が設けられた別個の２つの注入通路を有するいわゆるタンデムノズルとして実施することが可能であり、一方の注入通路は水の注入に、他方の注入通路は燃料の注入に使用される。注入通路を１つのみ有する従来のインジェクションノズルを使用することも無論可能である。ピストンがアイドル上死点の近くにあるときにこのインジェクションノズルによってシリンダ内に水を注入することにより、インジェクションノズルが冷却されるという更なる利点が得られる。次に、圧縮行程の終わりにかけて燃料もしくは燃料と水との乳濁液が同じ注入通路からシリンダの燃焼室内に注入される。
【００１５】
できるだけ水を微細に霧化するため、少なくとも２０，０００ｋＰａ（２００ｂａｒ）の圧力にて水を注入することが好ましい。
本発明に基づけば、本発明に基づく方法によって動作するフォーストロークディーゼルエンジンが更に提案される。
【００１６】
本発明を例示的実施形態及び図面に基づいて以下により詳細に説明する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図３に基づき以下に詳細に説明する。
図１は、例として大型ディーゼルエンジンなどの一般的なフォーストロークディーゼルエンジンの複数のシリンダ２の内の１つを断面図にて示したものであり、その全体が参照符号１にて示されている。図中、シリンダ２はその上端においてシリンダヘッド２１により閉鎖されている。シリンダ２の内部には往復動可能なピストン３が配されている。ピストン３は連結ロッド４を介してクランクシャフトに連結されている。シリンダヘッド２１の中央にはインジェクションノズル５が設けられ、これによりシリンダの燃焼室６に燃料が注入される。更に、燃焼ガスを排気するための少なくとも１個の排気口７及び、通常、掃気とも云われる吸気を行うための少なくとも１個の吸気口８がシリンダヘッド２１に設けられる。ここで述べるフォーストロークディーゼルエンジン１では２個の排気口７及び２個の吸気口８がインジェクションノズル５の周囲に設けられている。図１では１個の排気口７及び１個の吸気口８のみが見えている。各排気口７及び各吸気口８に対して排気弁７１及び吸気弁８１がそれぞれ設けられ、これにより排気口７及び吸気口８をそれぞれ開放及び閉鎖することが可能である。
【００１８】
知られているように、４行程は次の４つの行程からなる。すなわち、ピストン３が上死点から下死点にまで移動して新しい空気がシリンダ２内に吸引される吸気行程、ピストン３が下死点から上死点にまで移動してその終わりに燃焼室６に燃料が注入される圧縮行程、ピストン３が上死点から下死点に移動する膨張行程、及び、ピストン３が下死点から上死点に移動して排気ガスをシリンダ２から排気する排気行程である。
【００１９】
区別を明確にするため、排気行程と吸気行程との間においてピストン３が通過し、シリンダへの燃料の注入が行われない上死点を以下においてアイドル上死点（アイドルＵＤＣ）と呼ぶ。これに対し、圧縮行程と膨張行程との間においてピストン３が通過し、シリンダ２に燃料の注入が行われる上死点をイグニション上死点（イグニションＵＤＣ）と呼ぶ。
【００２０】
一般的な点として、シリンダ２内におけるピストン３の位置をクランク角ＫＷによって以下に述べる。従来技術においては、ピストン３が上死点にある場合、クランク角ＫＷは０°または３６０°または７２０°である。すなわち、完全な１デューティサイクルはＫＷ＝０°〜ＫＷ＝７２０°にまたがっている（２回転）。
【００２１】
図２は、フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための従来の方法において吸気口８及び排気口７を開放及び閉鎖するための制御時間を示したダイアグラムである。クランク角ＫＷが横軸に角度で示され、排気口７及び吸気口８の「開放」及び「閉鎖」の２つの状態が縦軸に示されている。排気口７のグラフがＡにて、吸気口８のグラフがＥにて示されている。
【００２２】
ダイアグラムは左側においてクランク角ＫＷ＝０°で始まり、このときピストン３はイグニションＵＤＣにある。ここで燃焼室６内の燃料空気混合物に点火される。次の膨張行程のクランク角ＫＷ＝１３５°において排気口７が開き始める。下死点を通過する際（ＫＷ＝１８０°）、排気口は完全に開いている。排気行程が始まる。排気行程では排気ガスがシリンダ２から排気されるが、アイドルＵＤＣの３０°手前であるＫＷ＝３３０°において排気口７が閉じ始め、吸気口８が開き始める。ピストン３がアイドルＵＤＣ（ＫＷ＝３６０°）を通過して吸気行程が始まる。クランク角ＫＷ＝３９０°において排気口７は丁度完全に閉じ、吸気口８が丁度完全に開く。アイドルＵＤＣの３０°手前からアイドルＵＤＣを３０°過ぎたクランク角の範囲では、排気口７及び吸気口８はいずれも部分的に開いている。この範囲でシリンダ２の掃気が行われる。すなわち、すでに部分的に開いた吸気口８から新しい空気がシリンダ２内に流入することが可能であり、この空気はシリンダ２内で排気ガスの残りと混合され、まだ完全に閉じていない排気口７から排気ガスの残りとともに排気される。吸気行程において排気口７が完全に閉じられた後（ＫＷ＝３９０°）、シリンダ２に新しい空気が充填され始める。吸気行程が更に進んだクランク角ＫＷ＝４９５°において吸気口８が閉じ始める。下死点（ＫＷ＝５４０°）を通過後まもなく吸気口８は完全に閉じられる。これに続く圧縮行程において新しい空気がシリンダ２内で圧縮される。圧縮行程の終わりにかけて、圧縮された新しい空気に燃料が注入される。イグニションＵＤＣ（ＫＷ＝７２０°、図２において右側）では、燃料−空気混合物に点火してそのサイクルが新たに始まる。
【００２３】
図３はフォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための本発明に基づいた方法の好ましい一実施形態を図２と同様の図にて示したものである。参照符号は図２と同様である。
【００２４】
膨張行程のクランク角ＫＷ＝１３５°において排気口７が開き始める。下死点に達した時点で（ＫＷ＝１８０°）排気口７は丁度完全に開く。次の排気行程ではＫＷ＝２８０°の近くで排気口７は既に閉じ始めるため、アイドルＵＤＣに達する３０°手前であるクランク角ＫＷ＝３３０°において排気口７は丁度完全に閉じられる。ピストン３がアイドルＵＤＣの近くにある間（ＫＷ＝３６０°）に、参照符号Ｗが付された矢印にて示されるようにシリンダ２の燃焼室に水が注入される。水の注入は好ましくはアイドルＵＤＣの約２０°手前からアイドルＵＤＣを約２０°過ぎたクランク角の範囲にわたって行われる。吸気口８は吸気行程のクランク角ＫＷ＝３９０°においてようやく開き始めるが、これはピストン３がアイドルＵＤＣにあるとき吸気口８はまだ完全に閉じられていることを意味する。約４３５°のクランク角ＫＷにおいて吸気口８は完全に開かれる。吸気口８はクランク角ＫＷ＝４９５°において吸気行程の終わりに向けて閉じ始める。下死点（ＫＷ＝５４０°）を通過した後、吸気口８はクランク角ＫＥ＝５５５°において丁度完全に閉じられる。次いで圧縮が始まり、その終わりにおいて燃焼室６に燃料が注入される。イグニションＵＤＣ（ＫＤＣ＝７２０°、図３において右側）において混合物に点火して新たな膨張行程が始まる。
【００２５】
アイドルＵＤＣに達する以前に既に排気口７が完全に閉鎖されるという、排気行程において排気口を閉鎖する本発明に基づいた方法により、最後の燃焼過程において生じた排気ガスはシリンダ２内に留まる。アイドルＵＤＣを通過する際、すなわち、燃焼よりも時間的に充分前に、このシリンダ２内に留まった依然高温の排気ガスに約２０，０００ｋＰａ〜１００，０００ｋＰａ（２００ｂａｒ〜１０００ｂａｒ）の高圧で水が注入される。水は霧化し、高温の排気ガス中で気化してその温度を低下させる。排気ガスと水蒸気との混合物が生じて、吸気行程において吸気口８から流入する新しい空気と混ざり合う。この、排気ガスと水蒸気と新たな空気との混合物は次の圧縮行程において圧縮される。圧縮行程の終わりにかけてこの混合物に燃料が注入される。次いでイグニションＵＤＣにおいて燃焼が行われる。排気ガスと水蒸気と新たな空気との圧縮混合物は、新しい空気と比較して酸素の含有量が大幅に小さいため、燃焼過程において発生する窒素酸化物は大幅に低減する。更に、圧縮混合物に水蒸気が含まれることによりＮＯ_Xの生成量が低減する。
【００２６】
水の注入にはいくつかの別例が可能である。例として、シリンダヘッド２１にインジェクションノズルを別個に設けることが可能である。燃料を注入するものと同じインジェクションノズル５によってシリンダ２に水を注入することも可能である。これは、ピストン３がアイドルＵＤＣを通過する際にインジェクションノズル５によって燃焼室６に水が注入され、ピストン３がイグニションＵＤＣに近づいたときに同じインジェクションノズル５によって水が注入されるということである。更なる可能性としてインジェクションノズル５としてタンデムノズルを使用することが考えられる。タンデムノズルはそれぞれノズル孔を有する２つの別個のインジェクション通路を有し、一方のインジェクション通路は水の注入に使用され、他方のインジェクション通路は燃料の注入に使用される。シリンダ２内に留まる排気ガスの冷却は、注入する水の量によって極めて容易に制御することが可能である。シリンダ２内に留まる排気ガスの量も、排気口７の閉鎖時間を制御することによって極めて容易に設定または調節することが可能であり、ＮＯ_Xの生成量の低減を最適に行うことが可能である。実際の使用に際しては、排気口７がアイドル上死点の手前３０°±２０°のクランク角ＫＷにおいて丁度完全に閉じられるように、排気行程において排気口７を閉鎖することが特に有利であることが示されている。
【００２７】
図３に示されるように、排気口７の閉鎖及び吸気口８の開放はアイドルＵＤＣに対して対称となるように行われることが好ましい。これは、吸気行程のアイドルＵＤＣを３０°±２０°過ぎたクランク角ＫＷにおいて吸気口８が開かれることが好ましいということである。したがって吸気口８はピストン３がアイドルＵＤＣにあるときまだ閉じていることになる。詳細には、デューティサイクルのどの時間においても排気口７と吸気口８の両方が同時に開いていることはない。このように吸気口８の開放が遅れて行われることにより、吸気口８を通って隣接する吸気通路へと排気ガスが逆流することによる吸気通路の汚染が効果的に防止されるために有利である。
【００２８】
シリンダ２内に留まる排気ガスを冷却するための水の注入は、アイドルＵＤＣにおける水の注入が、排気口７が完全に閉じられてから開始され、吸気口８が吸気行程において開き始めるよりも前に終了する場合に特に効率的である。
【００２９】
水の注入はアイドルＵＤＣに対して対称的に行われることが好ましい。これによりシリンダの表面がピストン３によって水の注入から保護される。すなわちシリンダボアに形成される油膜が損なわれるといった好ましくない影響が防止される。
【００３０】
本発明に基づく方法の有利な別例に基づけば、アイドルＵＤＣの近くにおいて水を注入する以外にも、圧縮行程及び燃焼の少なくともいずれか一方においてシリンダに水を注入することも可能である。これにより燃焼室内の燃焼温度を低下させて、燃焼過程において生じる窒素酸化物の量を更に低減することが可能である。この第２の水の注入は例として、圧縮行程の真中すなわち約６３０°のクランク角において開始することが可能である。この第２の水の注入は燃料の注入と並行してすなわち同時に行って燃焼過程の間継続させることが可能である。
【００３１】
以上、本発明により、燃焼過程において生じる排気ガスの一部がシリンダ２内に留まるように、シリンダからの排気ガスの排出を意図的に不完全に行う、フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための方法が提案される。シリンダ内に留まる排気ガスはアイドル上死点の近くにおいて水を注入することによって冷却される。排気ガスの一部がシリンダ内に留まること、ならびに水蒸気の効果により、動作効率（例 燃料消費）において譲歩することなく燃焼過程において発生する窒素酸化物を大幅に低減することが可能である。したがって汚染物質の生成が大幅に低減される。この低排出物質動作方法の更なる利点は、大きなコストや複雑な機構を必要とせずに実現が可能な点である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明に基づく方法により、複雑な機構や更なるコストを必要とすることなくフォーストロークディーゼルエンジンの窒素酸化物排出量を容易に低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォーストロークディーゼルエンジンのシリンダの断面図。
【図２】フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための公知の方法において吸気口及び排気口を開放及び閉鎖するための制御時間を示すダイアグラム。
【図３】図２と同様であるが本発明に基づいた方法の例示的一実施形態を示したダイアグラム。
【符号の説明】
２…シリンダ、３…ピストン、５…インジェクションノズル、７…シリンダの排気口、８…シリンダの吸気口。

Claims (10)

1. フォーストロークディーゼルエンジンを動作させるための方法であって、排気ガスを排出するための少なくとも１個の排気口（７）と空気を供給するための少なくとも１個の吸気口（８）を備えるとともに往復動可能なピストン（３）が内部に配されたシリンダ（２）内に水を注入する方法において、ピストン（３）が排気行程の終わりにアイドル上死点に達するより前に排気口（７）が既に閉じているようにピストン（３）の排気行程において排気口（７）が閉じられることと、ピストン（３）がアイドル上死点の領域にあるときにシリンダ（２）に水を注入することであって前記アイドル上死点は排気行程と吸気行程との間の上死点であることとを備えることを特徴とする方法。
2. アイドル上死点よりも３０°±２０°手前のクランク角（ＫＷ）において前記排気口（７）が丁度完全に閉鎖されるように前記排気口（７）が閉じられる請求項１に記載の方法。
3. 前記吸気口（８）が吸気行程の、アイドル上死点を約３０°±２０°過ぎたクランク角（ＫＷ）において開かれることにより、ピストン（３）がアイドル上死点にあるときに吸気口（８）はまだ閉じている請求項１または２に記載の方法。
4. 水の注入は、排気行程において排気口（７）が閉じられた後に開始され、吸気行程において吸気口（８）が開かれる前に終了する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 水の注入はアイドル上死点よりも約２０°手前からアイドル上死点を約２０°過ぎたクランク角の範囲にわたって行われる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 圧縮行程及び燃焼の少なくともいずれか一方においてシリンダ（２）に水が注入される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 圧縮行程において燃料と同時に水がシリンダ（２）に注入される請求項６に記載の方法。
8. 燃料を注入するものと同じインジェクションノズル（５）によってシリンダ（２）に水を注入する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 少なくとも２０，０００ｋＰａ（２００ｂａｒ）の圧力にて水が注入される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法によって動作するフォーストロークディーゼルエンジン。

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