JP4769651B2

JP4769651B2 - 混合器

Info

Publication number: JP4769651B2
Application number: JP2006189117A
Authority: JP
Inventors: 好朗岩井
Original assignee: 岩井商事株式会社
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: US7418954B2; US7765992B2; US20080251056A1; JP2007192211A; EP1801405B1; DE602006014355D1; EP1801405A1; CA2571155C; CA2571155A1; US20070137623A1

Description

本発明は、気体と空気とを混合して、ピストンを有するエンジンに供給する混合器に関する。

従来、エンジンにおいて、気体燃料、例えば水素ガスを燃焼させて、動力を取り出す場合、気体燃料と空気とを混合させた混合器を、エンジンに供給する。この場合、空気と水素ガスとを効率よく混合させる必要があり、そのため、例えば特許文献１に開示されているような技術が提案されている。この技術は、エアーターボラムエンジンにおいて、内側通路と外側通路とを交互に周方向に形成し、ファンによって圧縮された空気が外側通路をそれぞれ通って吹き出され、水素ガスが内側通路を通って吹き出されることによって空気と水素ガスとを混合する混合器において、各内側通路に吹き出される水素ガスを強制的に外側に向けるガイドベーンを設けたものである。これによって、重さの重い空気は外側通路を通って外側に吹き出されるが、重さの軽い水素ガスも、内側通路を通るときに、ガイドベーンによって強制的に外側に向けられて吹き出されるため、空気と水素ガスとの混合が良好に促進される。

特開２００２−８１３４６号公報

しかし、上記の構成は、エアーターボラムエンジンを前提とした構成であるので、レシプロやロータリエンジンのようなピストンを有するエンジンには適用不能である。

本発明は、空気と、空気と異なる比重の気体とを効率よく混合して、ピストンを有するエンジンに供給することができる混合器及びこの混合器を用いたエンジン装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の混合器では、ピストンを有するエンジンに外気を供給する吸気管に、外気が入口側から出口側に流れるように通路が設けられている。この通路の中途に気体通路が結合され、通路内に気体燃料を供給する。この気体燃料は、例えば外気と異なる比重を持つもので、気体燃料源から供給されるが、気体燃料源での気体燃料の圧力は、気体通路における外気の圧力よりも高いことが望ましい。通路における前記気体通路の結合位置よりも前記出口側によった前記通路内にバックファイヤの炎を消火するための第１の金属製のネットが設けられている。第１のネットは、その外周面が、前記通路の内周面に接した状態で設けられている。前記通路における前記気体通路の結合位置よりも前記入口側によった位置に、バックファイヤの炎を消火するための第２の金属製のネットが設けられている。レシプロエンジンにおいて気体を燃焼させた場合、バックファイヤが生じやすいことが知られている。バックファイヤが発生し、その炎が通路上に噴出しても、通路の出口と、通路における気体通路の結合部との間に設けられた第１のネットによって炎の高熱が吸収されて、温度が低下して、炎が消火される。更に、通路における気体通路の結合部と通路の入口との間にも第２のネットが設けられているので、更に確実に消火されて、通路の入口側に炎が噴出することも防止できる。

第１のネットは、前記出口方向に向かって間隔をおいて複数設けることができる。外気及び気体が通過する第１ネットの数が多いほど、混合度が高まる。

第２のネットも、入口側に向かって間隔をおいて複数設けることもできる。第２のネットの数が多いほど、通路の入口側に炎が噴出することを確実に防止することができる。

本発明の他の態様では、上述した態様と同様に吸気管に通路が設けられている。この通路の長さ方向に沿って間隔をおいて前記通路に複数の気体通路が結合されている。通路内において、最も出口側にある前記気体通路よりも前記出口側によった位置に、バックファイヤの炎を消火するための第１の金属製のネットが設けられている。第１のネットは、その外周面が前記気体通路の内周面に接している。前記気体通路の最も入口側にある前記気体通路よりも前記入口側によった位置に、バックファイヤの炎を消火するための第２の金属製のネットが、外周面を前記気体通路の内周面に接して設けられている。各気体通路には気体燃料が供給される。この場合、各気体通路には同一の気体燃料を供給することもできるし、種類の異なる気体燃料を供給することもできる。あるいは、各気体通路のうち、一部に気体燃料を供給し、他の気体通路に気化液体燃料を供給することもできる。この場合も、気体燃料は、全て同一のものとすることもできるし、別のものとすることもできる。同様に、気化液体燃料も全て同一のものとすることもできるし、別のものとすることもできる。各気体通路のうち、一部には気体燃料を供給し、他の気体通路には燃焼補助気体を供給することもできる。この場合も、気体燃料は全て同一のものとすることもできるし、別のものとすることもできる。燃料補助気体としては、例えば気化した水等を使用することができる。各気体通路の内、一部には気体燃料を供給し、他の一部には気化液体燃料を供給し、残りには燃焼補助気体を供給することもできる。この場合も、気体燃料は、全て同一のものとすることもできるし、別のものとすることもできる。同様に、気化液体燃料も全て同一のものとすることもできるし、別のものとすることもできる。

このように構成すると、気体燃料及びまたは気化液体燃料が、或いはこれらと燃焼補助気体が第１のネットを通過する間に、外気と攪拌されて、エンジンに供給される。従って、ごく簡単な構成によって気体燃料及び気化液体燃料またはこれらと燃焼補助気体と、外気とが良好に混合されるし、各気体通路間にあるネットによってバックファイヤの炎を消火することができる。また、第２のネットを設けたことにより、通路の入口側に炎が噴出することを防止することができる。第２のネットも入口側に向かって複数設けることができ、この場合、より確実に炎の噴出を防止できる。

前記第１のネットを、複数設けることができる。このように構成すると、気体燃料及びまたは気化液体燃料、或いはこれらと燃焼補助気体の外気との攪拌が良好に行われる。

気体通路の間にもネットを設けることもできる。この場合、ネットは、各位置において複数設けることも可能である。

このように構成すると、より確実に気体燃料及びまたは気化液体燃料、或いはこれらと燃焼補助気体の外気との攪拌が良好に行われる。

また、上記の各態様において、吸気管には、液体燃料を気化する気化器を設け、前記気化器と前記混合器とのうち、選択された一方を動作させることもできる。このように構成すると、１台のエンジンを、気体燃料または気体燃料と液体燃料の混合気でも、或いは液体燃料でも運転することができる。

以上のように、本発明によれば、ピストンを有するエンジンにおいても、効率的に気体燃料と外気とを混合することができる。さらに、バックファイヤによる炎の噴出を抑えることもできるし、更に、ピストンを有するエンジンを気体燃料若しくは気体燃料と気化液体燃料の混合気、または気化液体燃料によって運転することができる。

本発明の第１実施形態の混合器２は、図２に示すように例えばレシプロエンジン４に外気を供給する吸気管６の中途に設けられている。レシプロエンジン４は、気筒８内にピストン１０を有している。レシプロエンジン４では、ピストン１０が降下する際に、吸気弁１２が開き、ガソリン源１４からのガソリンと、吸気管６を流れてきた外気とが、吸気管６の中途に設けられたキャブレタ１６によって混合され、この混合気が気筒８内に吸入される。吸気弁１２が閉じられて、ピストン１０が上昇を開始し、混合気が圧縮される。混合気が充分に圧縮されると、点火プラグ１８によって急激に燃焼が生じ、高い圧力でピストン１０を強く下方に押し下げ、この力がピストンにコネクティングロッドを介して接続されているクランクシャフトを回転させ、動力が取り出される。排気弁２０が開き、ピストン１０が上昇し、シリンダ１０内を排気管２２を介して排気する。以下、これが繰り返される。

気化器１６とエンジン４の吸気弁１２との間の吸気管６に、混合器２が設けられている。混合器２は、図１に示すように例えば管状の通路２４を有し、その入口２４ＩＮが気化器１６側に接続され、出口２４ＯＵＴが吸気弁１２側に接続されている。この通路２４の中途に、やはり管状の気体通路２６が結合されている。気体通路２６は、図２に示すように気体燃料源、例えば水素ガス源２７に接続されている。水素ガス源２７は、例えば０．０１ＭＰａ以上のガス圧を持つ水素ガスを通路２４に供給している。水素ガスと吸気管６中の外気との混合比は１：９９乃至６：９４の範囲とすることができ、２：９８乃至５：９５とすることが望ましく、さらに３：９７乃至４：９６とすることが最も望ましい。通路２４と気体通路２６とは、一体に形成することが望ましく、また、その材料は比熱が小さく、耐熱性のある材料、例えばステンレスや銅製とすることが望ましい。

気体通路２６の通路２４への結合位置から通路２４の出口２４ＯＵＴまでの間の通路２４中には、複数の第１のネット２８が、通路２４の長さ方向に所定の間隔を隔てて配置されている。これらネット２８は、その網目が入口２４ＩＮ及び出口２４ＯＵＴを向くように、ネット２８の外周面が通路２４の内周面に接して設けられている。網目の大きさであるメッシュは例えば１０乃至３００である。ネット２８としては、耐熱性で熱伝導度の高い金属製またはそれに類するものを使用している。

同様に、気体通路２６の通路２４への結合位置から通路２４の入口２４ＩＮまでの間の通路２４中にも、ネット２８と同一の構成の第２のネット３０が、通路２４の長さ方向に所定の間隔を隔てて配置され、同様に取り付けられている。

このように構成された混合器２を使用する際には、気化器１６からガソリンと空気との混合気が混合器２に供給されないようにする。例えば気化器１６とガソリン源１４との間に図示しない開閉弁を設け、これを閉じる。また、水素ガス源２７と混合器２との間に設けた開閉弁（図示せず）を開いて、水素ガスを供給する。この状態において、エンジン４を動作させ、吸気弁１２を開くと、気体通路２６から通路２４内に水素ガスが導入され、かつ通路２４の入口２４ＩＮから外気が通路２４に導入される。外気は、ネット３０を通過する間にゴミ等が除去され、各ネット２８を通過して出口２４ＯＵＴ側に向かう。また、気体通路２６からの水素ガスも各ネット２８を通過して出口２４ＯＵＴ側に向かう。ネット２８が設けられていないと、水素ガスと外気との比重の差によって両者は良好に混合されない。しかし、ネット２８を設けてあるので、ネットを通過する間に、カルマン渦の原理により、水素ガス及び外気がそれぞれ渦をなし、その渦によって互いに攪拌されて、水素ガスと外気とが良好に混合し、その混合気がエンジン４に吸引される。

一般に、水素ガスを燃料としてエンジンを運転した場合、バックファイヤが生じやすいことが知られている。エンジン４においてバックファイヤが生じると、エンジン４の吸気弁１２から炎が通路２４内に噴出するが、通路２４内には炎と直交するようにネット２８、３０を設けているので、炎がネット２８、３０に触れて、その炎の温度が低下して、消失する。特に、通路２４の入口２４ＩＮ側にもネット３０を設けているので、入口２４ＩＮから炎が気化器１６側まで噴出することを防止することができる。なお、バックファイヤの炎の温度低下を図るため、通路２４の外周囲に、複数のフィンを通路２４の長さ方向に沿って設けて、放熱効果を高めることが望ましい。

なお、エンジン４をガソリンを燃料として運転する場合、水素ガス源２７と混合器２との間に設けた開閉弁を閉じて、気化器１６とガソリン源１４との間の開閉弁を開く。これによって、１台のエンジン４を水素ガスまたはガソリンいずれか一方を燃料として運転することができる。また、エンジン４をガソリンを燃料として運転する場合、混合器２は、ネット２８、３０によってストレイナとして機能する。また、水素ガス源２８と混合器２との間の開閉弁と、気化器１６とガソリン源１４との間の開閉弁とを、共に流量調整弁に変更することによって、水素ガスとガソリンと外気との混合気をエンジン４に供給することもできる。この場合、水素ガスの燃焼が、エンジン４における完全燃焼を補助する。なお、ネット２８、３０は、それぞれ複数設けたが、それぞれ１個ずつ設けることもできる。

本発明の第２の実施形態の混合器２ａでは、図３に示すように、別の気体燃料通路２６ａが、気体通路２４の出口２４ＯＵＴ側に新たに設けられている。更に、気体通路２６ａよりも出口２４ＯＵＴ側によった位置に、複数、例えば４つのネット２８ａが通路２４の長さ方向に間隔をおいて設けられている。気体通路２６には、第１の実施形態と同様に、水素ガスが供給され、気体通路２６ａには、別の気体燃料、例えば天然ガスが天然ガス供給源（図示せず）から供給されている。無論、天然ガス供給源と混合器２ａとの間には、開閉弁（図示せず）が設けられている。他の構成は、第１の実施形態の混合器２と同様である。同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。

このように構成された混合器２ａでは、気化器１６からガソリンと空気との混合気が混合器２ａに供給されないように開閉弁を閉じ、水素ガス源２７と混合器２との間に設けた開閉弁と、天然ガス供給源と混合器２ａとの間の開閉弁を開く。この状態において、エンジン４を動作させ、吸気弁１２を開くと、気体通路２６、２６ａから通路２４内に水素ガス及び天然ガスが導入され、かつ通路２４の入口２４ＩＮから外気が通路２４に導入され、各ネット３０、２８、２８ａを通過して出口２４ＯＵＴ側に向かう。また、気体通路２６、２６ａから水素ガス、天然ガスも各ネット２８、２８ａを通過して出口２４ＯＵＴ側に向かい、水素ガスと天然ガスと外気とが良好に混合し、その混合気がエンジン４に吸引される。また、エンジン４においてバックファイヤが生じると、エンジン４の吸気弁１２から炎が通路２４内に噴出するが、通路２４内にはネット２８ａ、２８、３０を設けているので、炎がネット２８ａ、２８、３０に触れて消失する。通路２４の入口２４ＩＮ側にもネット３０を設けているので、入口２４ＩＮから炎が気化器１６側まで噴出することを防止することができる。この実施形態では、水素ガスと天然ガスとの混合気をエンジン４に供給することができ、大きな動力を取り出すことができる。なお、ネット２８、２８ａ、３０は最低限度１つだけ設ければよい。また、場合によってはネット２０は不要である。

本発明の第３の実施形態の混合器２ｂは、図４に示すように、気体通路２６ａに気化器３２を設けて、天然ガスに代えて、液体燃料、例えばエタノールを気化した気化液体燃料を通路２４に供給する以外、第２の実施形態と同様に構成されている。同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。第３の実施形態の混合器２ｂも、第２の実施形態の混合器２ａと同様に動作する。また、同様に変形が可能である。

なお、気化器３２に液体燃料に代えて、水やアンモニアのような液体であって燃焼補助気体の源となる液体を供給し、燃焼補助気体を通路２４に供給し、気体燃料、外気と混合することもできる。この場合、水やアンモニアが水素ガスと混合されて、燃焼されることによって窒素酸化物の発生を抑制することができる。

本発明の第４の実施形態の混合器２ｃは、図５に示すように、第２の実施形態の混合器において、新たに気体通路２６ｂを設け、気体通路２６ｂよりも出口２４ＯＵＴ側によった位置にネット２８ｂを、ネット２８、２８ａと同様に設けたものである。この気体通路２６ｂには、気化器３２ａが設けられている。気化器３２には液体燃料、例えばエタノールが供給され、気化器３２ａには、燃焼補助気体源、例えば水またはアンモニアが供給される。他の構成は、第３の実施形態の気化器２ｂと同様であるので、同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。このように構成すると、気体燃料と液化気体燃料と燃料補助気体とが、外気と混合されて、エンジン４に供給され、多くの動力を取り出すことができる上に、窒素酸化物の発生を抑制することができる。なお、この実施形態においても各ネット２８、２８ａ、２８ｂ、３０はそれぞれ最低限度１つだけ設ければよく、ネット３０を除去することもできる。

上記の各実施形態では、ガソリンを使用したが、これに代えて重油やケロシンを使用することもできる。上記の画実施の形態では、外気と混合する気体燃料として、外気よりも比重の小さい水素ガスを使用したが、これに限ったものではなく、逆に外気よりも比重の大きいプロパンガスを使用することもできる。上記の各実施形態では、エンジン４は単気筒のものを示したが、多気筒のものを使用することもできる。上記の各実施形態では、レシプロエンジン４に本発明による混合器２を使用したが、レシプロエンジン４に限ったものではなく、ロータリエンジンのようなピストンを有するエンジンに、混合器２、２ａ、２ｂ、２ｃを使用することができる。上記の第４の実施形態では、１種類の気体燃料と、気化液体燃料と、燃焼補助気体とを混合したが、別にもう１つ気体通路とネットとを設け、上記気体燃料とは別の気体燃料も混合することができる。また、第２及び第３の実施形態では、通路２４の入口２４ＩＮ側に気体通路２６を、出口２４ＯＵＴ側に気体通路２６ａを設けたが、逆に入口２４ＩＮ側に気体通路２６ａを、出口２４ＯＵＴ側に気体通路２６を設けることもできる。同様に第４の実施形態において、入口２４ＩＮ側から出口２４ＯＵＴ側に順に気体通路２６、２６ａ、２６ｂを設けたが、これらの設置位置は任意に変更することができ、例えば入口２４ＩＮ側から出口２４ＯＵＴ側に順に気体通路２６ａ、気体通路２６、気体通路２６ｂを設けることもできるし、入口２４ＩＮ側から出口２４ＯＵＴ側に順に気体通路２６、気体通路２６ｂ、気体通路２６ａを設けることもできる。

本発明の第１実施形態の混合器の概略構成図である。図１の混合器を使用したエンジンの概略構成図である。本発明の第２実施形態の混合器の概略構成図である。本発明の第３実施形態の混合器の概略構成図である。本発明の第４実施形態の混合器の概略構成図である。

符号の説明

２２ａ２ｂ２ｃ混合器
４エンジン
２４通路
２６２６ａ２６ｂ気体通路
２８２８ａ２８ｂ３０ネット

Claims

ピストンを有するエンジンに少なくとも外気を供給する吸気管に、前記外気が入口側から出口側に流れるように設けられた通路と、
この通路の中途に結合され、前記通路内に気体燃料を供給する気体通路と、
前記通路における前記気体通路の結合位置よりも前記出口側によった前記通路内に設けられ、その外周面が前記通路の内周面に接した状態で設けられているバックファイヤの炎を消火するための第１の金属製ネットと、前記通路における前記気体通路の結合位置よりも前記入口側によった位置に、その外周面を前記通路の内周面に接した状態で設けられているバックファイヤの炎を消火するための第２の金属製ネットとを、
具備する混合器。
請求項１記載の混合器において、第１のネットは、前記出口方向に向かって間隔をおいて複数設けられている混合器。
請求項１または２記載の混合器において、第２のネットは、前記入口方向に向かって間隔をおいて複数設けられている混合器。
ピストンを有するエンジンに少なくとも外気を供給する吸気管に、前記外気が入口側から出口側に流れるように設けられた通路と、
この通路の長さ方向に沿って間隔をおいて配置され、前記通路に連通するように結合された複数の気体通路と、
前記通路内において、最も出口側にある前記気体通路よりも前記出口側によった位置に設けられ、外周面が前記気体通路の内周面に接しているバックファイヤの炎を消火するための第１の金属製ネットと、
前記気体通路の最も入口側にある前記気体通路よりも前記入口側によった位置に、外周面を前記気体通路の内周面に接して設けられているバックファイヤの炎を消火するための第２の金属製ネットとを、
有し、
前記各気体通路に気体燃料を供給するか、
前記各気体通路のうち、一部には気体燃料を供給し、他のものには気化液体燃料を供給するか、
前記各気体通路のうち、一部には気体燃料を供給し、他のものには燃焼補助気体を供給するか、
前記各気体通路のうち、一部には気体燃料を供給し、他のものには気化液体燃料を供給し、残りのものには燃焼補助気体を供給する
混合器。
請求項４記載の混合器において、前記第１のネットは、複数設けられている混合器。
請求項４または５記載の混合器において、前記第２のネットは、複数設けられている混合器。
請求項４乃至６いずれか記載の混合器において、前記各気体通路間にもネットが設けられている混合器。
請求項１乃至７いずれか記載の混合器において、前記吸気管には、液体燃料を気化する気化器が設けられ、前記気化器と前記混合器とのうち、選択された一方が動作するエンジン装置。