JP5192045B2 - 圧縮点火エンジンにおいて実質的にＮＯｘを発生せずに燃料を燃焼させるエンジンシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス中のＮＯｘ放出量を低減したエンジンシステム、および排気ガスのＮＯｘ含有量を低減する方法に関する。本発明はまた、実質的にＮＯｘを発生せずに燃料を燃焼させるエンジンシステムおよび方法の使用法にも関する。

低温炎という現象は、これまで余り注目されていない現象である。低温炎においては、燃料が予熱空気の中で部分的に酸化され、温度は約４５０℃で一定に保たれるが、温度が空燃比および滞留時間に依存することはない。低温炎プロセスにおいては、燃料の発熱量の２〜２０％しか放出されず、この熱を利用して燃料を気化するため、均質な気体燃料が得られる。開発研究の中で、ガスがリアクタ壁から炭素堆積物を除去できることが観察された。その理由はまだ明らかではないが、低温炎ガス中に存在する遊離基、すなわち部分的に酸化された気体燃料によるものと考えられる。

低温炎ガス現象については、下掲の特許文献１により詳細な記述を見ることができる。

過剰空気で動作する圧縮点火エンジン（ディーゼルエンジンと不正確に呼ばれることが多い）から出る排気は、主に微粒子とＮＯｘと不完全燃焼生成物（ＨＣとＣＯ）とを含んでいる。

ＮＯｘは排気ガスがやや減少している時（オットー・エンジンにおけるように）にしか触媒的に除去することができないが、これは圧縮点火エンジンには当てはまらないのが普通である。

ディーゼルエンジンにおけるＮＯｘ放出量を減少する１つの方法として、排気の一部をエンジン（ＥＧＲ）に再循環する方法がある。この方法は精製されたディーゼル燃料で動作する小型のディーゼルエンジンには有効であるが、重油燃料で動作する大型エンジンに対しては実用的でない。というのも、排気中に微粒子を生じ、それが潤滑油に混入してエンジンの摩耗を早めることになるためである。ＥＧＲループにフィルタを挿入する試みも成功していない。排気には塩類等の金属化合物も含まれており、それらがフィルタの再生中（温度が８００℃超まで高くなる）に溶解してフィルタに永久的な損傷を与えるためである。

上述の方法はＮＯｘの形成を低減することができるが、下掲の特許文献２などいくつかの特許文献に記載されているように、ＮＯｘ吸収剤を挿入してＮＯｘを除去することも可能である。ＮＯｘ吸収剤は炭酸バリウムから製造することができる。吸収の際に、吸収剤は硝酸バリウムに変換されると同時にＣＯ２を放出する。吸収剤が飽和すると、ＣＯを用いて再生することができるが、このときに硝酸バリウムが再び炭酸バリウムに変換されてＮ２ガスを放出する。

また、二元燃料の概念を用いて、天然ガスを流入する空気流に噴射し、ガス／空気混合気をディーゼル種火と共に噴射することによってもＮＯｘを低減できることが知られている。この研究の例として、バルチラ（Ｗａｒｔｓｉｌａ）社による大型船舶エンジンに関する研究やキャタピラー／クリーンエア・パートナーズ（Ｃａｔｅｒｐｉｌｌａｒ／Ｃｌｅａｎ Ａｉｒ Ｐａｒｔｎｅｒｓ）によるトラックディーゼルエンジンに関する研究がある。バルチラ社の研究では、ＮＯｘが１２．５ｇ／ｋＷｈから１．３ｋＷｈまで低減することを実証されている（図１参照）。ＮＯｘは空燃比の増加と共に減少するが、空燃比の上限はミスファイアリングによって限定される２程度となっている。その他の研究でも同様の結果が得られている。この研究は、天然ガスを容易に使用可能な静止用途では有効であるが、天然ガス（通常はＬＮＧ等）の保管に伴うコストがかかることから船舶については実用的でない。低温炎技術を使用することによって、船舶でも容易に保管できる１種類の燃料で同様のＮＯｘ低減効果を達成することが可能となる。

下掲の非特許文献１の論文に紹介されている研究では、ディーゼル燃料を低温炎気化器で気化して低温炎ガスを形成し、この低温炎ガスをディーゼルエンジンにおいて燃焼させている。この研究は、ディーゼルエンジンを低温炎ガスと空気の混合気で運転させた場合、燃料の直接噴射に基づく２種類の低温ディーゼル燃焼方式、すなわち予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ）や遅延低温燃焼（ＬＬＴＣ）に比べて、ＮＯｘと煤煙の形成が大幅に減少した、と結論している。

この論文では、圧縮時に自然点火する空燃混合気を形成することを目的としている。これが可能となる動作点（速度と負荷）を見いだすことは可能であるもの、速度と負荷が変動する中でこのようなエンジンを制御運転するのは困難である。本発明では、天然ガスの二元燃料エンジン（図１参照）の原則と同様に、混合気が希薄すぎるために圧縮時に自然点火しないように空燃比を選択する。二元燃料エンジンの場合と同様に、少量の液体燃料をエンジンに噴射することにより、噴射燃料が種火の働きをして、予混合され圧縮された低温炎ガス混合気に点火する。このような条件下でエンジンを動作させることで、天然ガスの二元燃料エンジンの場合と同様にＮＯｘ放出量の低減が達成される。

しかしながら、自然点火が確実に行われるようにするためには、前記非特許文献１の論文に提示されているエンジンの場合、濃厚な空燃混合気でエンジンを動作させる必要があり、排気において形成されるＮＯｘが増加する結果となる。

米国特許第６，７９３，６９３号明細書 米国特許第５，９７４，７９１号明細書

「低温炎気化器による外部混合気形成を利用した均質なディーゼル燃焼」（"Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ ｄｉｅｓｅｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｉｘｔｕｒｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｃｏｏｌ ｆｌａｍｅ ｖａｐｏｒｉｚｅｒ"）Ｈｅｉｋｅ Ｐｕｓｃｈｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．， ＳＡＥ ２００６

従って、本発明の目的は、上記のような欠点を減らしたディーゼルエンジンを提供することにある。

この目的は、独立請求項に定義する本発明によって達成される。本発明のその他の実施形態については従属請求項に定義する。

本発明が提供するエンジンシステムは、
− 少なくとも１つの燃焼室を含む圧縮点火エンジンと、
− 前記圧縮点火エンジンの燃焼室と流体連通しており、予熱空気において燃料を部分的に酸化して低温炎ガスを形成する低温炎気化器と、
− 低温炎ガスが燃焼室内に噴射される前に追加の空気と混合されるように空気を供給するための手段とを備える。

エンジンシステムはさらに、点火燃料を燃焼室に噴射することにより、燃焼室において低温炎ガスと空気の混合気に点火する種火を生成する手段を備える。

エンジンシステムはまた、低温炎ガスを少なくとも部分的に改質して水素を形成する改質器を備える場合もある。これによって燃料の可燃性が高められる。改質器は炭化水素物質を改質する標準的な改質器で良い。

また、少なくとも１つの燃焼室を含む圧縮点火エンジンにおいて実質的にＮＯｘを発生することなく燃焼を行う方法も提供される。この方法は、
− 燃料と予熱空気から低温炎ガスを生成するステップと、
− 低温炎ガスを追加の空気と混合するステップと、
− 低温炎ガスと空気の混合気を少なくとも１つの燃焼室内に噴射するステップとを含む。

低温炎ガスと空気の混合気に点火するために、本方法はさらに、点火燃料を噴射することにより燃焼室に種火を供給するステップを含む。

本方法はさらに、低温炎ガスを圧縮点火エンジン内に噴射する前に、該低温炎ガスを少なくとも部分的に改質して水素を形成することにより、燃料と空気の混合気の可燃性を高めるステップを含む。

本方法はさらに、低温炎ガスと種火の生成のために同一の燃料を使用するステップを含む。つまり、例えばディーゼル燃料を載せた船舶の場合、そのディーゼルエンジンを低温炎ガスで運転することができる。

また、燃料がディーゼルまたは重油燃料である場合の、エンジンシステムの使用法も提供される。

また、燃料がディーゼルまたは重油燃料である場合の、実質的にＮＯｘを生成しない燃焼方法の使用法も提供される。

以上の説明では、低温炎気化器によって生成される低温炎ガスについてのみ言及してきたが、低温炎は部分酸化した燃料ガスを獲得する方法の一例に過ぎず、その他にも同じ性質をもつ部分酸化燃料ガスは多数存在する。従って、本発明は低温炎ガスにのみ限定されるものではなく、低温炎ガスと同一または同様の性質をもつその他の部分酸化燃料ガスも含むものとする。

次に、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

圧縮点火エンジンの機能窓を示すグラフ。 本発明の一実施形態を概略的に示す図。

図１に、バルチラ社が大型の二元燃料船舶エンジンに関して行った研究が示されている。この図に示される機能窓から分かるように、燃料と空気の希薄な混合気を供給することによって、自己爆轟やミスファイアリングを起こすことなく圧縮比を高くできる。

本発明の一実施形態を図２に示す。低温炎気化器４０が設けられており、その中で燃料が予熱空気において部分的に酸化されて低温炎ガスが形成される。得られた低温炎ガスは気体状の均質に混合された燃料である。

空気源５０も設けられており、流体ライン４２を介して低温炎気化器に接続されている。空気源５０から低温炎気化器４０へと流れる空気の流れを制御するように弁手段４１が設けられている。

また、ディーゼルまたは重油燃料を供給するための燃料源３０も設けられている。燃料源３０は流体ライン５３を介して低温炎気化器に接続されている。弁手段５６が低温炎気化器４０へと向かう燃料の流れを制御する。

流体ライン４５が低温炎気化器４０と圧縮点火エンジン２０とを接続している。空気源５０、あるいは別の空気源（図示せず）が設けられる場合はその空気源が圧縮点火エンジン２０に接続される。低温炎ガスはエンジン２０内に送入される前に、空気源からさらに供給される空気と混合される。弁手段４４が圧縮点火エンジン２０に向かう空気の流れを制御する一方、弁手段４８は低温炎気化器４０から圧縮点火エンジン２０へと流れる低温炎ガスの流れを制御する。

燃料源から燃料を種火２２として圧縮点火エンジン内に直接送入できるように流体ライン５２も設けられている。弁手段５５が燃料源３０からエンジン２０に流れる燃料の流れを制御する。

本発明では、換言すると、燃料を使用して低温炎ガスを供給すると共に種火を提供し、低温炎ガスと空気の混合気が正しく燃焼するようにしている。

２０ 圧縮点火エンジン
２２ 種火
３０ 燃料源
４０ 低温炎気化器
４１ 弁手段
４２ 流体ライン
４４ 弁手段
４５ 流体ライン
５０ 空気源
５２ 流体ライン
５３ 流体ライン
５５ 弁手段
５６ 弁手段

Claims (8)

1. 少なくとも１つの燃焼室を含む圧縮点火エンジンと、
   圧縮点火エンジンの前記燃焼室と流体連通して配設され、予熱空気において燃料を部分的に酸化して低温炎ガスを形成する低温炎気化器と、
   低温炎ガスが前記燃焼室内に噴射される前に低温炎ガスと追加の空気が混合されるように空気を供給するための手段とを備えて成るエンジンシステムであって、
   前記低温炎ガスと空気の混合気は、前記混合気が圧縮時に自然点火しない程度に希薄な混合気であり、
   前記エンジンシステムがさらに、前記燃焼室内に点火燃料を噴射することにより、前記燃焼室内で低温炎ガスと空気の混合気に点火する種火を生成するための手段を備えることを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記エンジンシステムが、低温炎ガスを少なくとも部分的に改質して水素を形成することにより燃料の可燃性を高める改質器を備えることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンシステム装置。
3. 少なくとも１つの燃焼室を含む圧縮点火エンジンにおいて実質的にＮＯｘを発生することなく燃料を燃焼させる方法であって、
   燃料と予熱空気から低温炎ガスを生成するステップと、
   低温炎ガスを追加の空気と混合するステップと、
   低温炎ガスと空気の混合気を前記少なくとも１つの燃焼室内に噴射するステップとを含む方法において、
   前記低温炎ガスと空気の空燃比が、圧縮時に混合気が自然点火しないように選択され、
   前記方法がさらに、点火燃料を噴射することにより前記燃焼室内に種火を供給し、低温炎ガスと空気の混合気に点火するステップを含むことを特徴とする方法。
4. 少なくとも部分的に低温炎ガスを改質して水素を形成することにより、燃料と空気の混合気の可燃性を高めることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 低温炎ガスの生成と種火の生成に同じ燃料を使用することを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
6. 燃料がディーゼルまたは重油燃料である場合の、請求項１または２に記載のエンジンシステムの使用法。
7. 燃料がディーゼルまたは重油燃料である場合の、請求項３〜５のいずれか１項に記載の方法の使用法。
8. 低温炎ガスと空気の混合気で動作する圧縮点火エンジンにおいて、燃料を噴射して低温炎ガスと空気の混合気に点火する種火噴射の使用法。

Images