JP4682871B2 - 作動ガス循環型水素エンジン - Google Patents
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Description
燃焼室に水素と、酸素と、単原子ガスからなる作動ガスと、を供給して同水素を燃焼させるとともに、同燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環経路を通して循環させる作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記循環経路内に前記燃焼室にて発生したH2O(水蒸気)以外の生成物を除去する生成物除去手段を備えている。
前記循環経路は主経路と同主経路から分岐点にて分岐し且つ同分岐点より下流側の合流点にて同主経路に合流するバイパス経路とを含み、
前記生成物除去手段は前記バイパス経路に配設され、その水素エンジンは、
前記分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスを同分岐点から前記合流点までの間において同主経路を通過させるか前記バイパス経路を通過させるかの何れかに切り換える経路切換手段を備える。
これによれば、必要に応じて、循環ガスが流れる前記分岐点から前記合流点までの間の経路が経路切換手段によってバイパス経路に設定され、これにより、バイパス経路に配設された生成物除去手段によって循環ガス中に含まれる生成物が除去される。この結果、循環ガス中の生成物の濃度を小さくすることができる。一方、循環ガスが流れる前記分岐点から前記合流点までの間の経路が経路切換手段によって主経路に設定された場合には、生成物除去手段を循環ガスが通過しない。この結果、循環ガスが流路抵抗の高いバイパス経路及び生成物除去手段を通過しないので、エンジンの効率が低下することを防止することもできる。
この場合、前記生成物除去手段は、前記燃焼室にて発生したH2O以外の生成物としての二酸化炭素を除去するように構成されることが好適である。
前記二酸化炭素を除去する生成物除去手段は、
前記循環経路の一部を構成する流路を備える容器と、
前記容器の流路に収容されたモノエタノールアミン溶液又はゼオライト系吸着剤と、
を備えることが好適である。
生成物除去手段は、
前記生成物を吸収する吸収物質と、
前記吸収物質に吸収された生成物を同吸収物質から離脱させるように同吸収物質に物理的作用を加える離脱促進手段と、
前記離脱促進手段により離脱させられた生成物を前記循環経路外へ排出する排出口と、
を備えることが好適である。
前記吸収物質は前記生成物としての二酸化炭素を溶解して吸収するモノエタノールアミン溶液又は同二酸化炭素を吸着して吸収するゼオライト系吸着剤であり、
前記離脱促進手段は前記吸収物質を加熱する加熱手段であることが望ましい。
前記の主経路(例えば、前記分岐点よりも上流側の主経路又は前記合流点よりも下流側主経路であってもよい)を流れるガスに含まれる二酸化炭素の濃度を取得する二酸化炭素濃度取得手段と、
前記取得された二酸化炭素の濃度が所定濃度以上であるとき、前記分岐点から前記合流点までの間、同分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスが前記バイパス経路を通過するように前記経路切換手段を切り換える切換制御手段と、
を備えることが好適である。
二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度センサであってもよく、
水素エンジンの運転時間の積算時間に基づいて二酸化炭素濃度を推定する二酸化炭素濃度推定手段であってもよい。水素エンジンの運転時間の積算時間に基づいて二酸化炭素濃度を推定すれば、高価な二酸化炭素濃度センサを採用する必要がないので、エンジンを廉価に提供することができる。
前記エンジンのクランク角が圧縮上死点近傍の所定クランク角度であるときの前記燃焼室内の圧力である筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記取得された筒内圧が所定圧力より小さいとき、前記分岐点から前記合流点までの間、同分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスが前記バイパス経路を通過するように前記経路切換手段を切り換える切換制御手段と、
を備えることもできる。
前記エンジンの燃焼状態を表す燃焼状態指標値を取得する燃焼状態指標値取得手段と、
前記取得された燃焼状態指標値が所定の燃焼状態よりも悪化した状態であることを示したとき、前記分岐点から前記合流点までの間、同分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスが前記バイパス経路を通過するように前記経路切換手段を切り換える切換制御手段と、
を備えることもできる。
このため、水素エンジンが高温・高圧の圧縮ガス中に水素を噴射して拡散燃焼させるタイプのエンジンであれば、二酸化炭素濃度が上昇するほど燃焼速度が低下するので、燃焼状態のサイクル間変動が大きくなるか、或いは、着火時期が遅れる。従って、燃焼状態を表す燃焼状態指標値として、図示平均有効圧の変動率、着火時期、又は着火時期の変動率を採用すると、その指標値に基づいて二酸化炭素濃度が許容濃度以上になったか否かを判定することができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンを含むシステムの概略図である。
前記循環経路(バイパス経路)内に燃焼室21にて発生したH2O以外の生成物である二酸化炭素を除去する生成物除去手段(二酸化炭素吸収機71)を備えた水素エンジンである。
分岐点PBよりも上流側の主経路(第2経路62)又は合流点PGよりも下流側の主経路(第4経路64)を流れるガスに含まれる二酸化炭素の濃度を取得する二酸化炭素濃度取得手段(二酸化炭素濃度センサ85)と、
取得された二酸化炭素の濃度DenCO2が所定の高側所定濃度(高側閾値)DenCO2thH以上であるとき、分岐点PBから合流点PGまでの間、分岐点PBよりも上流の主経路である第2経路62内を流れるガスが上記バイパス経路を通過するように経路切換手段(三方弁72)を切り換える切換制御手段(ステップ410、420等)と、
を備えている。
この変形例に係る作動ガス循環型水素エンジンは、上記第1実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの二酸化炭素吸収機71に、モノエタノールアミン溶液71bに代わるゼオライト系吸着剤を充填した点のみにおいて、同第1実施形態の水素エンジンと相違している。ゼオライト系吸着剤は、固体であるが、二酸化炭素を効率良く吸着することができる。
本発明の第2実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、上記第1実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの生成物除去部70を、図5に示したように、生成物除去部90に置換した点のみにおいて、同第1実施形態の水素エンジンと相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
排出弁97は、二酸化炭素排出経路95に配設されている。排出弁97は、駆動信号に応答して二酸化炭素排出経路95を連通及び遮断の何れかの状態に維持するようになっている。
生成物除去手段(生成物除去部90)が、
生成物(二酸化炭素)を吸収する吸収物質(MEA溶液91b)と、
MEA溶液91bに吸収された二酸化炭素をMEA溶液91bから離脱させるようにMEA溶液91bに物理的作用(熱)を加える離脱促進手段であるヒータ91cと、
ヒータ91cにより離脱させられた二酸化炭素を循環経路(バイパス経路を含む循環経路)外へ排出する排出口及び二酸化炭素排出経路95と、
二酸化炭素排出経路95を連通及び遮断のいずれかの状態とする排出弁97とを備えている。
この変形例に係る作動ガス循環型水素エンジンは、上記第2実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンの二酸化炭素吸収機91に、モノエタノールアミン溶液91bに代わるゼオライト系吸着剤を充填した点のみにおいて、同第2実施形態の水素エンジンと相違している。ゼオライト系吸着剤も、モノエタノールアミン溶液91bと同様、加熱により温度が上昇したときに吸着している二酸化炭素を放出する。従って、上記メンテナンス動作により、ゼオライト系吸着剤の二酸化炭素吸着能力が回復する。
本発明の第3実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、CPUが上記第1(又は第2実施形態)のCPUが実行する図4の三方弁制御ルーチンに代わる図8にフローチャートにより示した三方弁制御ルーチンを実行する点、及び、二酸化炭素濃度センサ85を備えていない点においてのみ、同第1実施形態と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
本発明の第4実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、CPUが上記第1(又は第2実施形態)のCPUが実行する図4の三方弁制御ルーチンに代え、図9及び図10にフローチャートにより示したルーチンを実行する点、及び、二酸化炭素濃度センサ85に代えて特定気筒の燃焼室21内の圧力(筒内圧)を測定する筒内圧センサを備えている点においてのみ、同第1実施形態と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
水素エンジンのクランク角(特定気筒のクランク角)が圧縮上死点近傍の所定クランク角度であるときの特定気筒の燃焼室内の圧力である筒内圧Pcylを取得する筒内圧取得手段(筒内圧センサ及び図10に示したルーチン)と、
前記取得された筒内圧Pcyl(=IND)が所定圧力Pcylthより小さいとき、分岐点PBから合流点PGまでの間、分岐点PBよりも上流の主経路(第2経路62)内を流れるガスがバイパス上流経路73、バイパス下流経路74及び容器71aにより形成された流路を含んでなるバイパス経路を通過するように経路切換手段(三方弁72)を切り換える切換制御手段(ステップ420等)と、
を備えている。
本発明の第5実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、CPUが上記第1(又は第2実施形態)のCPUが実行する図4の三方弁制御ルーチンに代え、図9及び図11にフローチャートにより示したルーチンを実行する点、及び、二酸化炭素濃度センサ85に代えて特定気筒の燃焼室21内の圧力(筒内圧)を測定する筒内圧センサを備えている点においてのみ、同第1実施形態と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
前記取得された燃焼状態指標値が所定の燃焼状態よりも悪化した状態であることを示したとき、即ち、着火時期が二酸化炭素濃度が過大となっているために所定時期(基準着火時期)よりも遅角側となったとき、分岐点PBから合流点PGまでの間、分岐点PBよりも上流の主経路(第2経路62)内を流れるガスがバイパス上流経路73、バイパス下流経路74及び容器71aにより形成された流路を含んでなるバイパス経路を通過するように経路切換手段(三方弁72)を切り換える切換制御手段(ステップ420等)と、
を備えている。
本発明の第6実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、CPUが上記第1(又は第2実施形態)のCPUが実行する図4の三方弁制御ルーチンに代え、図9及び図12にフローチャートにより示したルーチンを実行する点、及び、二酸化炭素濃度センサ85に代えて特定気筒の燃焼室21内の圧力(筒内圧)を測定する筒内圧センサを備えている点においてのみ、同第1実施形態と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
ステップ1240:CPUは、図12のステップ1240内に示した式に従って図示平均有効圧変動値σPmiを算出する。即ち、過去N個分のそれぞれの図示平均有効圧Pmiと平均値PmiAveとの差の2乗の平方根をとり、それらの総和を図示平均有効圧変動値σPmiとして求める。
前記取得された燃焼状態指標値が所定の燃焼状態よりも悪化した状態であることを示したとき、即ち、燃焼変動率(σPmi/PmiAve)が二酸化炭素濃度が過大となっているために基準燃焼変動率以上となったときに、分岐点PBから合流点PGまでの間、分岐点PBよりも上流の主経路(第2経路62)内を流れるガスがバイパス上流経路73、バイパス下流経路74及び容器71aにより形成された流路を含んでなるバイパス経路を通過するように経路切換手段(三方弁72)を切り換える切換制御手段(ステップ420等)と、
を備えている。
本発明の第7実施形態に係る作動ガス循環型水素エンジンは、CPUが上記第1(又は第2実施形態)のCPUが実行する図4の三方弁制御ルーチンに代え、図9及び図13にフローチャートにより示したルーチンを実行する点、及び、二酸化炭素濃度センサ85に代えて特定気筒の燃焼室21内の圧力(筒内圧)を測定する筒内圧センサを備えている点においてのみ、同第1実施形態と相違している。従って、以下、係る相違点を中心として説明する。
前記取得された燃焼状態指標値が所定の燃焼状態よりも悪化した状態であることを示したとき、即ち、図示熱効率(Q1/Q0)が二酸化炭素濃度が過大となっているために基準図示熱効率以下となったときに、分岐点PBから合流点PGまでの間、分岐点PBよりも上流の主経路(第2経路62)内を流れるガスがバイパス上流経路73、バイパス下流経路74及び容器71aにより形成された流路を含んでなるバイパス経路を通過するように経路切換手段(三方弁72)を切り換える切換制御手段(ステップ420等)と、
を備えている。
Claims (8)
- 燃焼室に水素と酸素と単原子ガスからなる作動ガスとを供給して同水素を燃焼させるとともに、同燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環経路を通して循環させる作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記循環経路内に前記燃焼室にて発生したH2O以外の生成物としての二酸化炭素を除去する生成物除去手段を備えた水素エンジンにおいて、
前記循環経路は主経路と同主経路から分岐点にて分岐し且つ同分岐点より下流側の合流点にて同主経路に合流するバイパス経路とを含み、
前記生成物除去手段は前記バイパス経路に配設され、更に、
前記分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスを同分岐点から前記合流点までの間において同主経路を通過させるか前記バイパス経路を通過させるかの何れかに切り換える経路切換手段と、
前記主経路を流れるガスに含まれる二酸化炭素の濃度を取得する二酸化炭素濃度取得手 段と、
前記取得された二酸化炭素の濃度が所定濃度以上であるとき、前記分岐点から前記合流 点までの間、同分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスが前記バイパス経路を通過する ように前記経路切換手段を切り換える切換制御手段と、
を備えた水素エンジン。 - 請求項1に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記生成物除去手段は、
前記循環経路の一部を構成する流路を備える容器と、
前記容器の流路に収容されたモノエタノールアミン溶液又はゼオライト系吸着剤と、
を備える水素エンジン。 - 請求項1に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記生成物除去手段は、
前記生成物を吸収する吸収物質と、
前記吸収物質に吸収された生成物を同吸収物質から離脱させるように同吸収物質に物理的作用を加える離脱促進手段と、
前記離脱促進手段により離脱させられた生成物を前記循環経路外へ排出する排出口と、を備えた水素エンジン。 - 請求項3に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記吸収物質は前記生成物としての二酸化炭素を溶解して吸収するモノエタノールアミン溶液又は同二酸化炭素を吸着して吸収するゼオライト系吸着剤であり、
前記離脱促進手段は前記吸収物質を加熱する加熱手段である水素エンジン。 - 請求項1に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記二酸化炭素濃度取得手段は、二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度センサである水素エンジン。 - 請求項1に記載の作動ガス循環型水素エンジンにおいて、
前記二酸化炭素濃度取得手段は、前記水素エンジンの運転時間の積算時間に基づいて前記二酸化炭素濃度を推定する二酸化炭素濃度推定手段である水素エンジン。 - 燃焼室に水素と酸素と単原子ガスからなる作動ガスとを供給して同水素を燃焼させると ともに、同燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環経路を通して循環 させる作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記循環経路内に前記燃焼室にて発生したH 2 O以外の生成物を除去する生成物除去手 段を備えた水素エンジンにおいて、
前記循環経路は主経路と同主経路から分岐点にて分岐し且つ同分岐点より下流側の合流 点にて同主経路に合流するバイパス経路とを含み、
前記生成物除去手段は前記バイパス経路に配設され、更に、
前記分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスを同分岐点から前記合流点までの間にお いて同主経路を通過させるか前記バイパス経路を通過させるかの何れかに切り換える経路 切換手段を備えた水素エンジンであって、
前記エンジンのクランク角が圧縮上死点近傍の所定クランク角度であるときの前記燃焼室内の圧力である筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記取得された筒内圧が所定圧力より小さいとき、前記分岐点から前記合流点までの間、同分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスが前記バイパス経路を通過するように前記経路切換手段を切り換える切換制御手段と、
を備えた水素エンジン。 - 燃焼室に水素と酸素と単原子ガスからなる作動ガスとを供給して同水素を燃焼させると ともに、同燃焼室から排出された排ガス中の作動ガスを同燃焼室に循環経路を通して循環 させる作動ガス循環型水素エンジンであって、
前記循環経路内に前記燃焼室にて発生したH 2 O以外の生成物を除去する生成物除去手 段を備えた水素エンジンにおいて、
前記循環経路は主経路と同主経路から分岐点にて分岐し且つ同分岐点より下流側の合流 点にて同主経路に合流するバイパス経路とを含み、
前記生成物除去手段は前記バイパス経路に配設され、更に、
前記分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスを同分岐点から前記合流点までの間にお いて同主経路を通過させるか前記バイパス経路を通過させるかの何れかに切り換える経路 切換手段を備えた水素エンジンであって、
前記エンジンの燃焼状態を表す燃焼状態指標値を取得する燃焼状態指標値取得手段と、
前記取得された燃焼状態指標値が所定の燃焼状態よりも悪化した状態であることを示したとき、前記分岐点から前記合流点までの間、同分岐点よりも上流の主経路内を流れるガスが前記バイパス経路を通過するように前記経路切換手段を切り換える切換制御手段と、を備えた水素エンジン。
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