JP5672198B2 - Hydrogen rotary piston engine - Google Patents
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Description
本発明は、熱効率の改善のために燃焼プロセスが改良された水素ロータリーピストンエンジンに関する。 The present invention relates to a hydrogen rotary piston engine with an improved combustion process for improved thermal efficiency.
地球環境への関心が高まるなか、排気がクリーンな水素エンジンが注目されている。ロータリーピストンエンジンは、ローターがローターハウジングのトロコイド状内周面に複数の頂点で摺接して複数の作動室を画成しつつ回転するという構造上、吸気室と燃焼室とが分離され、また吸気室にスパークプラグ等の熱源もないため、バックファイア等の異常燃焼が起き難い。そのため、ロータリーピストンエンジンは、レシプロエンジンに比べて、水素エンジンとしての用途に適している。例えば、特許文献1には、気体燃料として水素を採用した水素ロータリーピストンエンジンが開示されている。
As interest in the global environment increases, hydrogen engines with clean exhaust are attracting attention. A rotary piston engine has a structure in which a rotor is slidably contacted with a trochoidal inner peripheral surface of a rotor housing at a plurality of vertices to rotate while defining a plurality of working chambers. Since there is no heat source such as a spark plug in the room, abnormal combustion such as a backfire hardly occurs. Therefore, the rotary piston engine is more suitable for use as a hydrogen engine than the reciprocating engine. For example,
従来、水素ロータリーピストンエンジンの燃焼方式は、空気と水素とを予混合した混合気に点火して燃焼させる均質燃焼が通例である。その場合、次のような問題が生じ得る。一般に、水素の燃焼はガソリンよりも速いため、水素エンジンはガソリンエンジンよりも冷却損失が大きい。冷却損失を低減するためにリーン燃焼を行うことが考えられるが、混合気をリーン化すると、燃焼速度が遅くなり、燃焼遅れが生じ、排気損失が増加する。 Conventionally, the combustion system of a hydrogen rotary piston engine is usually a homogeneous combustion in which an air-fuel mixture premixed with air is ignited and burned. In that case, the following problems may occur. In general, since hydrogen combustion is faster than gasoline, a hydrogen engine has a larger cooling loss than a gasoline engine. In order to reduce the cooling loss, it is conceivable to perform lean combustion. However, when the air-fuel mixture is made lean, the combustion speed becomes slow, a combustion delay occurs, and the exhaust loss increases.
また、ロータリーピストンエンジンは、ローターの回転に起因して、燃焼行程において燃焼室内をローターの回転方向のトレーリング側からリーディング側へ強いスキッシュ流が流れる。このスキッシュ流のため、点火プラグの点火によって生じた火炎は、点火プラグよりもリーディング側には伝播し易いがトレーリング側には伝播し難い。この傾向は、混合気をリーン化して燃焼速度が遅くなるほどより顕著となる。そのため、点火プラグの点火時に点火プラグよりもトレーリング側に存在する混合気は、ローターの回転に伴って点火プラグよりもリーディング側に移動するまで燃焼が開始しない。これによっても混合気の燃焼遅れが生じ、排気損失が増加する。 In the rotary piston engine, due to the rotation of the rotor, a strong squish flow flows from the trailing side to the leading side in the rotation direction of the rotor in the combustion chamber during the combustion stroke. Due to this squish flow, the flame generated by ignition of the spark plug is more likely to propagate to the leading side than the spark plug, but difficult to propagate to the trailing side. This tendency becomes more conspicuous as the air-fuel mixture is leaned and the combustion speed is reduced. Therefore, combustion does not start until the air-fuel mixture present on the trailing side of the spark plug at the time of ignition of the spark plug moves to the leading side of the spark plug as the rotor rotates. This also causes a combustion delay of the air-fuel mixture and increases exhaust loss.
そして、いずれの場合も、混合気をリッチ側に戻すと、排気損失は低減するが、冷却損失が増加する。 In either case, when the air-fuel mixture is returned to the rich side, the exhaust loss is reduced, but the cooling loss is increased.
本発明は、燃料として水素を用いる水素ロータリーピストンエンジンにおける前記のような問題に対処しようとするもので、互いにトレードオフの関係にある冷却損失と排気損失とを共に低減し、もって水素ロータリーピストンエンジンの熱効率を改善することを目的とする。 The present invention is intended to address the above-described problems in a hydrogen rotary piston engine using hydrogen as a fuel, and reduces both a cooling loss and an exhaust loss that are in a trade-off relationship with each other. The purpose is to improve the thermal efficiency of.
本発明者等は、空気過剰率λが1未満のリッチな水素の過濃混合気が、ガソリン、軽油、CNG(圧縮天然ガス)、LPG(液化石油ガス)等の他の燃料の過濃混合気に比べて、燃焼速度が速い点に着目し、かつ、ローターの外周面に形成されているリセスを利用して、このリセスに水素ガスを噴射すれば、リセス内に空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気が生成し、生成した水素過濃混合気の塊がリセス内で一定時間存在し得る、つまり水素過濃混合気が成層化し得ることを見出して、本発明を完成した。 The inventors have found that a rich hydrogen rich mixture with an excess air ratio λ of less than 1 is a rich mixture of gasoline, light oil, CNG (compressed natural gas), LPG (liquefied petroleum gas) and other fuels. Focusing on the point that the combustion speed is higher than that of Qi, and utilizing the recess formed on the outer peripheral surface of the rotor and injecting hydrogen gas into this recess, the excess air ratio λ is 1 in the recess. The present invention has been completed by finding that less than a hydrogen-rich mixture is produced and that the resulting hydrogen-rich mixture can be present in the recess for a period of time, that is, the hydrogen-rich mixture can be stratified. .
すなわち、前記目的を達成するため、本発明に係る水素ロータリーピストンエンジンは、トロコイド状内周面を有するローターハウジングと、前記内周面に頂点が摺接しつつ回転するローターと、前記ローターの外周面に形成されたリセスと、前記内周面のトロコイド曲線の短軸よりもリーディング側に配置された点火プラグとを備える水素ロータリーピストンエンジンであって、前記リセスは、前記ローターが圧縮トップにあるときに前記短軸よりもリーディング側に偏倚して配置され、前記リセス内で空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気を成層化させる手段が設けられ、前記点火プラグは、燃焼行程において、前記成層化された水素過濃混合気に点火し、燃焼させることを特徴とする。 That is, in order to achieve the above object, a hydrogen rotary piston engine according to the present invention includes a rotor housing having a trochoid inner peripheral surface, a rotor that rotates with its apex in sliding contact with the inner peripheral surface, and an outer peripheral surface of the rotor. A hydrogen rotary piston engine comprising a recess formed on the inner peripheral surface and a spark plug disposed on a leading side of a short axis of the inner surface trochoidal curve, wherein the recess is located when the rotor is at a compression top And a means for stratifying a hydrogen-rich mixture having an excess air ratio λ of less than 1 in the recess, the spark plug being disposed in a combustion stroke. The stratified hydrogen-rich mixture is ignited and burned.
このような構成によれば、点火プラグの点火によって、リセス内で成層化された空気過剰率λが1未満のリッチな水素過濃混合気が燃焼される。この水素過濃混合気は燃焼速度が相対的に速く、かつリセス内で成層化されていると共に、リセス内にはトレーリング側からリーディング側へ流れる強いスキッシュ流によって絶えず空気が供給される。そのため、燃焼は専らリセス内のみで行われ、かつリセス内のみで短期に終了する。燃料の局在化により、均質燃焼のように燃焼室の全部を使って燃焼が行われるのではなく、燃焼室の一部だけを使って燃焼が行われるから、燃焼によって高温度となる燃焼室の範囲が狭くなり、放熱の壁の面積が減り、冷却損失が低減する。しかも、燃焼速度が速く、燃焼が短期に終了するから、排気損失も増加しない。よって、冷却損失と排気損失との両方の低減が図られ、水素ロータリーピストンエンジンの熱効率が改善する。 According to such a configuration, the rich hydrogen-rich mixture having an excess air ratio λ of less than 1 stratified in the recess is burned by ignition of the spark plug. This hydrogen-rich mixture has a relatively high combustion rate and is stratified in the recess, and air is continuously supplied into the recess by a strong squish flow flowing from the trailing side to the leading side. For this reason, combustion is performed only in the recess and is completed in a short time only in the recess. Due to the localization of fuel, combustion is not performed using the entire combustion chamber as in homogeneous combustion, but combustion is performed using only a part of the combustion chamber. This reduces the area of the heat dissipation wall and reduces the cooling loss. In addition, since the combustion speed is fast and the combustion is completed in a short time, the exhaust loss does not increase. Therefore, both the cooling loss and the exhaust loss are reduced, and the thermal efficiency of the hydrogen rotary piston engine is improved.
本発明のより具体的な構成として、前記水素過濃混合気を成層化させる手段は、吸気行程又は圧縮行程にある作動室に接するローターのリセスに向けて水素ガスを噴射する水素インジェクタであるものを挙げることができる。 As a more specific configuration of the present invention, the means for stratifying the hydrogen-rich mixture is a hydrogen injector that injects hydrogen gas toward the recess of the rotor that contacts the working chamber in the intake stroke or the compression stroke Can be mentioned.
このような構成によれば、従来普通に使用される水素インジェクタを用いて、ローターのリセスに直接水素ガスを噴射することにより、前記リセス内で空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気を成層化させることができる。そして、吸気行程で噴射する場合は、作動室の圧力が相対的に低いから、水素を高圧で噴射しなくてもよいという利点がある。一方、圧縮行程で噴射する場合は、噴射から点火までの時間が相対的に短いから、点火時における水素過濃混合気の成層化の程度が高いという利点がある。 According to such a configuration, a hydrogen-rich mixture having an excess air ratio λ of less than 1 in the recess by directly injecting hydrogen gas into the recess of the rotor using a conventionally used hydrogen injector. Can be stratified. And when injecting by an intake stroke, since the pressure of a working chamber is relatively low, there exists an advantage that it is not necessary to inject hydrogen by high pressure. On the other hand, in the case of injection in the compression stroke, since the time from injection to ignition is relatively short, there is an advantage that the degree of stratification of the hydrogen-rich mixture at the time of ignition is high.
本発明のより具体的な構成として、前記水素過濃混合気の空気過剰率λが0.5〜0.8であるものを挙げることができる。 As a more specific configuration of the present invention, one having an excess air ratio λ of the hydrogen-rich mixture can be 0.5 to 0.8.
このような構成によれば、空気過剰率λが0.5〜0.8の範囲は、水素過濃混合気の燃焼速度が他の燃料の過濃混合気の燃焼速度よりも特に速くなる範囲なので、そのような空気過剰率の水素過濃混合気を燃焼させることによって、冷却損失及び排気損失の低減の度合いがより一層大きくなり、水素ロータリーピストンエンジンの熱効率のより一層の改善が図られる。 According to such a configuration, when the excess air ratio λ is in the range of 0.5 to 0.8, the range in which the combustion speed of the hydrogen rich mixture is particularly higher than the combustion speed of the rich mixture of other fuels. Therefore, by burning such a hydrogen-rich mixture having an excess air ratio, the degree of reduction in cooling loss and exhaust loss is further increased, and the thermal efficiency of the hydrogen rotary piston engine is further improved.
本発明のさらに具体的な構成として、前記リセスを構成する壁面の断熱度が前記リセス外のローターの外周面の断熱度よりも高められているものを挙げることができる。 As a more specific configuration of the present invention, a heat insulation degree of a wall surface constituting the recess is higher than a heat insulation degree of an outer peripheral surface of a rotor outside the recess.
このような構成によれば、水素過濃混合気の燃焼によって高温度となる部分の熱伝達率(熱伝達係数)αが小さくなるので、冷却損失のより一層の低減が図られる。 According to such a configuration, the heat transfer coefficient (heat transfer coefficient) α of the portion that becomes a high temperature due to combustion of the hydrogen-rich mixture is reduced, so that the cooling loss can be further reduced.
本発明のさらに具体的な構成として、前記点火プラグは、前記ローターが圧縮トップにあるときに、前記リセスとオーバーラップする位置に配置されているものを挙げることができる。 As a more specific configuration of the present invention, the spark plug may be disposed at a position overlapping with the recess when the rotor is on the compression top.
このような構成によれば、圧縮トップ近傍で点火される点火プラグの点火によってリセス内の水素過濃混合気が確実に燃焼される。 According to such a configuration, the hydrogen rich mixture in the recess is reliably burned by the ignition of the spark plug ignited in the vicinity of the compression top.
本発明のさらに具体的な構成として、前記点火プラグの点火時期は、圧縮トップ以後であるものを挙げることができる。 As a more specific configuration of the present invention, the ignition timing of the spark plug may be after the compression top.
このような構成によれば、ノッキングを防止しつつ高いトルクを得ることができ、燃費の向上が図られる。 According to such a configuration, high torque can be obtained while preventing knocking, and fuel efficiency can be improved.
本発明によれば、従来、使用されることが少なかった水素の過濃混合気を成層化して燃焼させるという均質燃焼とは異なる新しい燃焼プロセスを採用することにより、均質燃焼の場合には互いにトレードオフの関係にある冷却損失と排気損失とを共に低減することができ、水素ロータリーピストンエンジンの熱効率を大幅に改善することができる。 According to the present invention, by adopting a new combustion process different from the homogeneous combustion in which a hydrogen rich mixture that has been rarely used is stratified and burned, it is possible to trade with each other in the case of homogeneous combustion. It is possible to reduce both the cooling loss and the exhaust loss that are in the off relationship, and the thermal efficiency of the hydrogen rotary piston engine can be greatly improved.
以下、図面に基いて本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態は例示に過ぎず、本発明はこの実施形態に何等限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this embodiment is only an illustration and this invention is not limited to this embodiment at all.
本実施形態において、本発明は、図1及び図2に示す水素ロータリーピストンエンジン1に適用されている。このエンジン1は、2つのローター2を備えた2ローター型エンジンであり、インターミディエイトハウジング4の両側に、フロント側(図1の右側)及びリヤ側(図1の左側)の2つのローターハウジング3及び2つのサイドハウジング5がこの順に積層され、一体化されることによって構成されている。
In the present embodiment, the present invention is applied to the hydrogen
なお、図1では、フロント側のローターハウジング3及びサイドハウジング5は、内部を示すために一部が切り欠かれている。また、リヤ側のサイドハウジング5は、内部を示すためにローターハウジング3から分離されている。また、図中の符号Xは、出力軸としてのエキセントリックシャフト6(図2参照)の回転軸心を示す。
In FIG. 1, the
前記ロータハウジング3の平行トロコイド曲線で描かれるトロコイド状内周面3aと、前記サイドハウジング5の内側面5aと、前記インターミディエイトハウジング4の側面4aとによって、ローター収容室7が形成されている。ローター収容室7は、図2に示すように、回転軸心Xの方向から見て繭のような略楕円形状を呈している。なお、図中の符号Yは、トロコイド状内周面3aのトロコイド曲線の長軸を示し、符号Zは、短軸を示す。
A
前記ローター収容室7にローター2が回転自在に収容されている。ローター2は、回転軸心Xの方向から見て各辺の中央部が外側に膨出する略三角形状をしたブロック体からなる。図中の符号2aは、後述する作動室8に接するローター2の外周面(フランク面)を示す。各フランク面2aには、エンジン1の圧縮比を調整するための窪みであるリセス2bが形成されている。リセス2bは、フランク面2aの長手方向の中央部分よりもローター2の回転方向のリーディング側に偏倚して配置されている。
The
ローター2の3つの頂点には、図示略のアペックスシールが備えられ、これらのアペックスシールがローターハウジング3のトロコイド状内周面3aに当接することにより、前記ローターハウジング3のトロコイド状内周面3aと、前記ローター2のフランク面2aと、前記サイドハウジング5の内側面5aと、前記インターミディエイトハウジング4の側面4aとによって、ローター収容室7の内部に3つの作動室8が画成されている。
Apex seals (not shown) are provided at the three vertices of the
図示されていないが、ローター2は、ローター2の中央部に設けられた内歯車(ローターギア)とサイドハウジング5に設けられた外歯車(固定ギア)とが噛合しつつ、インターミディエイトハウジング4及びサイドハウジング5を貫通するエキセントリックシャフト6に対して遊星回転運動をするように支持されている。
Although not shown, the
ローター2は、3つのアペックスシールがロータハウジング3のトロコイド状内周面3aに摺接しつつ、エキセントリックシャフト6の偏心輪6aの周りを自転し、かつ、回転軸心Xの周りを自転と同じ方向に公転する(単にローター2の回転というときは、この自転及び公転を含めたローター2の遊星回転を意味する)。このローター2の回転に伴い、3つの作動室8がトロコイド状内周面3aに沿って周方向に移動し、各作動室8において、吸気、圧縮、燃焼及び排気の各行程が行われ、発生するトルクがローター2を介してエキセントリックシャフト6から出力される。
The
図2において、ローター2は、矢印で示すように、時計回りに回転する。ローター収容室7は、長軸Yより左側(図2においていう。以下同様)の部分が概ね吸気行程と排気行程の領域となり、右側の部分が概ね圧縮行程と燃焼行程の領域となる。
In FIG. 2, the
ローター収容室7の長軸Yより左側の部分で短軸Zより上側には、インターミディエイトハウジング4の側面4a及びサイドハウジング5の内側面5aに吸気ポート11,12,13が開口している。エンジン1の低回転領域では第1吸気ポート11のみから吸気され、中回転領域では第2吸気ポート12からも吸気され、高回転領域ではさらに第3吸気ポート13からも吸気される。これにより、エンジン1の全運転領域に亘って効率よく吸気が行われる。
ローター収容室7の長軸Yより左側の部分で短軸Zより下側には、インターミディエイトハウジング4の側面4a及びサイドハウジング5の内側面5aに排気ポート10…10が開口している。このように、このエンジン1ではサイド排気方式が採用され、吸気ポート11〜13による吸気のオープンタイミングと、排気ポート10…10による排気のオープンタイミングとがオーバーラップしないように設定されている。これにより、吸気行程に持ち込まれる残留排ガスが低減され、混合気がリーンであっても燃焼安定性が向上する。
ロータハウジング3の長軸Yより右側の部分には、作動室8(燃焼室)に燃料としての水素を直接噴射する高圧水素インジェクタ15が短軸Z上に備えられている。インジェクタ15は図外の高圧水素タンクにつながっており、噴射圧及び噴射時間が制御可能に構成されている。また、同じくロータハウジング3の長軸Yより右側の部分には、短軸Zよりもリーディング側にリーディング側点火プラグ21が配置されている。リーディング側点火プラグ21は、ローター2が圧縮トップ(圧縮上死点:TDC)の近傍にあるときに点火される。
A high-
図2において、左上の作動室8は吸気行程にある。吸気工程では、吸気ポート11〜13から作動室8に空気が吸気される。次いで、ローター2の回転に伴い圧縮行程に移行すると、作動室8の容積が小さくなり空気が圧縮される。次いで、右側の作動室8(燃焼室)のように、ローター2が圧縮トップ近傍にあるときに、高圧水素インジェクタ15から高圧の水素ガスが噴射され、その後、リーディング側点火プラグ21が点火される。これにより、水素が燃焼して燃焼行程に移行する。次いで、ローター2の回転に伴い排気行程に移行すると、左下の作動室8のように、排ガスが排気ポート10…10から排出される。
In FIG. 2, the upper
以上のような構成を基本として、本実施形態に係るエンジン1は、次のような特徴を有している。
Based on the above configuration, the
前述したように、リセス2bは、フランク面2aの長手方向の中央部分よりもリーディング側に偏倚して配置されているため、図3に示すように、ローター2が圧縮トップないし圧縮トップ近傍にあるときには、リセス2bは、短軸Zよりもリーディング側に偏倚して配置されることになる。これにより、ローター2が圧縮トップ近傍にあるときに、高圧水素インジェクタ15から水素ガスが噴射されると、噴射された水素ガスはリセス2bに入り、短軸Zよりもリーディング側に移動する。
As described above, the
なお、リセス2bが短軸Zよりもリーディング側に偏倚して配置されるとは、リセス2bの全部が短軸Zよりもリーディング側にある場合だけでなく、リセス2bの長手方向の中心が短軸Zよりも所定距離だけリーディング側にずれた位置に配置されている場合を含む。
Note that the
前記高圧水素インジェクタ15は、圧縮行程にある作動室8に接するローター2のリセス2bに向けて水素ガスを噴射するので、前記インジェクタ15は、リセス内2bで空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気を成層化させる手段として機能する。つまり、高圧水素インジェクタ15から噴射され、リセス2bに入った水素ガスは、空気過剰率λが1未満のリッチな水素過濃混合気Rの塊となってリセス2b内で一定時間成層化される。そして、この成層化された水素過濃混合気Rが短軸Zよりもリーディング側に移動して、リーディング側点火プラグ21に接近することになる。
Since the high-
従来普通に使用される水素インジェクタ15を用いて、ローター2のリセス2bに直接水素ガスを噴射することにより、リセス2b内で空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気Rを成層化させることができる。
A hydrogen-rich mixture R having an excess air ratio λ of less than 1 is stratified in the
前記リーディング側点火プラグ21は、高圧水素インジェクタ15から水素ガスが噴射された後、点火するので、前記点火プラグ21は、燃焼行程において、リセス2b内で成層化された水素過濃混合気Rに点火し、燃焼させることになる。
The leading
水素過濃混合気Rは、ガソリン、軽油、CNG、LPG等の他の燃料の過濃混合気に比べて燃焼速度が速い。しかも、水素過濃混合気Rは、リセス2b内で成層化されている。さらに、図4に示すように、リセス2b内にはトレーリング側からリーディング側へ流れる強いスキッシュ流によって絶えず空気が供給される。そのため、リーディング側点火プラグ21の点火によって生じた燃焼は、主にリセス2b内のみで行われ、かつリセス2b内のみで短時間のうちに終了する。燃料の局在化により、均質燃焼のように燃焼室の全部を使って燃焼が行われるのではなく、燃焼室の一部だけを使って燃焼が行われるから、燃焼によって高温度となる燃焼室の範囲が狭くなり、放熱の壁の面積が減り、冷却損失が低減する。しかも、燃焼速度が速く、燃焼が短時間のうちに終了するから、排気損失も増加しない。よって、冷却損失と排気損失との両方の低減が図られ、水素ロータリーピストンエンジン1の熱効率が改善する。
The rich hydrogen mixture R has a higher combustion speed than the rich fuel mixture of other fuels such as gasoline, light oil, CNG, and LPG. Moreover, the hydrogen-rich mixture R is stratified in the
図5に、4種類の気体、すなわち、水素、エチレン、プロパン、メタンについて、当量比と層流燃焼速度との関係を示す。図示した当量比の略全範囲で、水素の燃焼速度は他の気体の燃焼速度よりも速い。しかも、エチレン、プロパン、メタンは、当量比が1〜1.1(λ=0.9〜1)付近で燃焼速度が最大になるのに対し、水素は、当量比が1.6(λ=0.63)付近で燃焼速度が最大になる。そのため、水素の燃焼速度と他の気体の燃焼速度との差は、当量比が1.2〜2(λ=0.5〜0.8)の範囲において開く一方である。 FIG. 5 shows the relationship between the equivalence ratio and the laminar combustion rate for four types of gases, namely hydrogen, ethylene, propane, and methane. In substantially the entire range of the equivalence ratio shown in the figure, the burning rate of hydrogen is faster than that of other gases. Moreover, ethylene, propane, and methane have a maximum combustion rate near an equivalent ratio of 1 to 1.1 (λ = 0.9 to 1), whereas hydrogen has an equivalent ratio of 1.6 (λ = The combustion speed becomes maximum in the vicinity of 0.63). Therefore, the difference between the burning rate of hydrogen and the burning rate of other gases is only opening when the equivalence ratio is in the range of 1.2 to 2 (λ = 0.5 to 0.8).
このことから、前記水素過濃混合気Rの空気過剰率λは、1未満のうちでも、0.5〜0.8であることが好ましい。つまり、空気過剰率λが0.5〜0.8の範囲は、水素過濃混合気Rの燃焼速度が他の燃料の過濃混合気の燃焼速度よりも特に速くなる範囲なので、そのような空気過剰率の水素過濃混合気Rを燃焼させることによって、冷却損失及び排気損失の低減の度合いがより一層大きくなり、水素ロータリーピストンエンジン1の熱効率のより一層の改善が図られるからである。
For this reason, the excess air ratio λ of the hydrogen-rich mixture R is preferably 0.5 to 0.8, even if it is less than 1. That is, the range where the excess air ratio λ is 0.5 to 0.8 is a range in which the combustion rate of the hydrogen rich mixture R is particularly faster than the combustion rate of the rich mixture of other fuels. This is because by burning the hydrogen-rich mixture R having an excess air ratio, the degree of reduction of the cooling loss and the exhaust loss is further increased, and the thermal efficiency of the hydrogen
水素過濃混合気Rの空気過剰率λを1未満に調整したり、0.5〜0.8の範囲に調整したりすることは、例えば、高圧水素インジェクタ15の噴射圧や噴射時間を制御することにより達成される。その場合、高圧水素インジェクタ15の噴射圧を例えば10MPaとすると良好な結果が得られる。
Adjusting the excess air ratio λ of the hydrogen-rich mixture R to less than 1 or adjusting it to a range of 0.5 to 0.8, for example, controls the injection pressure and the injection time of the high-
図6に、空気過剰率λが0.9(当量比1.1)の水素過濃混合気と、空気過剰率λが2.05(当量比0.49)の水素希薄混合気との燃焼速度の違いを示す。これから明らかなように、水素希薄混合気は、燃焼速度が遅いため、燃焼遅れが生じ、排気損失が増加するのに対し、水素過濃混合気は、燃焼速度が速いため、燃焼遅れが生じず、排気損失の増加が抑制される。なお、図示した水素過濃混合気と水素希薄混合気とでは点火時期が異なっており、水素過濃混合気はノッキング防止のため点火時期を圧縮トップ以後にリタードしてある。 FIG. 6 shows combustion of a hydrogen rich mixture having an excess air ratio λ of 0.9 (equivalence ratio 1.1) and a hydrogen lean mixture having an excess air ratio λ of 2.05 (equivalence ratio 0.49). Show the difference in speed. As is clear from this, since the hydrogen lean mixture has a slow combustion rate, a combustion delay occurs and exhaust loss increases. On the other hand, the hydrogen rich mixture has a high combustion rate, so there is no combustion delay. Increase in exhaust loss is suppressed. Note that the ignition timing differs between the hydrogen rich mixture and the hydrogen lean mixture shown in the figure, and the ignition timing of the hydrogen rich mixture is retarded after the compression top to prevent knocking.
冷却損失は、S/N比を小さくすることにより低減することができる。また、冷却損失は、式「Qw=Aα(T−Tw)」に従って算出することができる。ここで、Qwは冷却損失、Aは燃焼室の壁の面積、αは熱伝達率(熱伝達係数)、Tは燃焼温度、Twは燃焼室の壁の温度である。 The cooling loss can be reduced by reducing the S / N ratio. The cooling loss can be calculated according to the equation “Qw = Aα (T−Tw)”. Here, Qw is the cooling loss, A is the area of the wall of the combustion chamber, α is the heat transfer coefficient (heat transfer coefficient), T is the combustion temperature, and Tw is the temperature of the wall of the combustion chamber.
本実施形態では、前述したように、燃料の局在化により、燃焼室の一部だけを使って燃焼が行われるから、燃焼によって高温度となる燃焼室の範囲が狭くなり、放熱の壁の面積が減る。具体的には、例えば、水素過濃混合気Rの燃焼温度Tが1500K、これと接する燃焼室の壁の温度Twが200℃とすると、(T−Tw)は比較的大きい値であるが、この値が適用される放熱の壁の面積は、燃焼室の壁の全面積ではなく、燃焼室の壁の一部の面積にすぎない。一方、例えば、空気の圧縮だけで昇温する燃焼室の他の部分の温度Tが800K、これと接する燃焼室の壁の温度Twが80℃とすると、(T−Tw)は比較的小さい値であり、この値が燃焼室の壁の残りの面積に適用される。よって、総合すると、トータルの冷却損失が低減する。 In the present embodiment, as described above, the combustion is performed using only a part of the combustion chamber due to the localization of the fuel. Therefore, the range of the combustion chamber that becomes a high temperature by the combustion is narrowed, and the heat radiation wall is reduced. The area is reduced. Specifically, for example, if the combustion temperature T of the hydrogen rich mixture R is 1500 K and the temperature Tw of the wall of the combustion chamber in contact therewith is 200 ° C., (T−Tw) is a relatively large value. The area of the heat radiation wall to which this value is applied is not the entire area of the wall of the combustion chamber, but only the area of a part of the wall of the combustion chamber. On the other hand, for example, if the temperature T of the other part of the combustion chamber that is heated only by air compression is 800 K, and the temperature Tw of the wall of the combustion chamber in contact with this is 80 ° C., (T−Tw) is a relatively small value. And this value applies to the remaining area of the combustion chamber wall. Therefore, when combined, the total cooling loss is reduced.
図7(a)に、水素を均質燃焼させた場合の燃焼室の温度分布、図7(b)に、水素を成層燃焼させた場合の燃焼室の温度分布を示す。これから明らかなように、均質燃焼では、燃焼室の全部を使って燃焼が行われるので、温度の上昇が燃焼室の略全範囲に広がっており、温度が相対的に高い範囲(図中のハッチング部分)が相対的に広いのに対し、成層燃焼では、燃焼室の一部だけを使って燃焼が行われるので、温度の上昇がリーディング側点火プラグ21よりもリーディング側の狭い範囲に限られており、温度が相対的に高い範囲(図中のハッチング部分)が相対的に狭い。これにより、図7(c)に示すように、成層燃焼は、均質燃焼に比べて、燃焼室の大部分の範囲で冷却損失が低減している。よって、総合すると、成層燃焼は、トータルの冷却損失が低減する。
FIG. 7A shows the temperature distribution of the combustion chamber when hydrogen is homogeneously burned, and FIG. 7B shows the temperature distribution of the combustion chamber when hydrogen is stratified. As is clear from this, in homogeneous combustion, combustion is performed using the entire combustion chamber, so that the temperature rise spreads over almost the entire range of the combustion chamber, and the temperature is relatively high (hatching in the figure). On the other hand, in the stratified combustion, combustion is performed using only a part of the combustion chamber, so that the temperature rise is limited to a narrower range on the leading side than the leading
図8に示すように、水素を成層燃焼させた場合は、均質燃焼させた場合に比べて、冷却損失が16%改善した。 As shown in FIG. 8, when stratified combustion of hydrogen was performed, the cooling loss was improved by 16% compared to the case of homogeneous combustion.
本実施形態では、リセス2bを構成する壁面の断熱度を、リセス2b外のローター2のフランク面2aの断熱度よりも高めることが好ましい。つまり、水素過濃混合気Rの燃焼によって高温度となる部分の熱伝達率αが小さくなり、冷却損失のより一層の低減が図られるからである。
In this embodiment, it is preferable that the heat insulation degree of the wall surface which comprises the
リセス2bを構成する壁面の断熱度を高める方法は、特に限定されないが、例えば、図3に符号2cで示したように、断熱材をリセス2bを構成する壁面に敷設することが挙げられる。断熱材2cは、特に限定されないが、例えばセラミックス等が耐熱性の観点から好ましい。
The method for increasing the heat insulation degree of the wall surface constituting the
本実施形態では、リーディング側点火プラグ21は、ローター2が圧縮トップにあるときに、リセス2bとオーバーラップする位置に配置されていることが好ましい。これにより、圧縮トップ近傍で点火されるリーディング側点火プラグ21の点火によってリセス2b内の水素過濃混合気Rが確実に燃焼されるからである。
In the present embodiment, it is preferable that the leading
本実施形態では、リーディング側点火プラグ21の点火時期は、圧縮トップ以後であることが好ましい。これにより、ノッキングを防止しつつ高いトルクを得ることができ、燃費の向上が図られるからである。
In the present embodiment, the ignition timing of the
例えば、点火時期をATDC(圧縮トップ後)5°とすると、燃焼はATDC5〜30°の間で完了し、良好な結果が得られる。 For example, when the ignition timing is ATDC (after compression top) 5 °, combustion is completed between 5 and 30 ° ATDC, and good results are obtained.
本実施形態では、水素過濃混合気Rの空気過剰率λは1未満、好ましくは、0.5〜0.8であるが、燃焼室全体の空気過剰率λは、エンジン1の運転状態に応じて、2〜3、好ましくは2.2〜2.6のリーン状態に調整される。その場合、例えば、スロットル弁を常に全開とし(WOT)、吸気量を一定として、低負荷時は水素過濃混合気Rの量、つまり高圧水素インジェクタ15から噴射する水素ガス量を相対的に少なくし、高負荷時は水素過濃混合気Rの量、つまり高圧水素インジェクタ15から噴射する水素ガス量を相対的に多くする。
In this embodiment, the excess air ratio λ of the hydrogen-rich mixture R is less than 1, preferably 0.5 to 0.8. However, the excess air ratio λ of the entire combustion chamber depends on the operating state of the
水素過濃混合気Rの量を増減調整することは、例えば、高圧水素インジェクタ15の噴射圧や噴射時間を制御することにより達成される。その場合、高圧水素インジェクタ15の噴射圧を例えば10MPaとすると良好な結果が得られる。
The increase / decrease adjustment of the amount of the hydrogen rich mixture gas R is achieved, for example, by controlling the injection pressure and the injection time of the high-
本実施形態の特徴を以下にまとめる。 The features of this embodiment are summarized below.
本実施形態に係る水素ロータリーピストンエンジン1は、従来、使用されることが少なかった水素の過濃混合気を成層燃焼させるという新しい燃焼コンセプトによるものであり、その新コンセプトは、空気過剰率λが1未満のリッチな水素過濃混合気Rの燃焼速度が速いということと、もともと圧縮比を調整するためにローター2のフランク面2aに形成されているリセス2bを利用して、水素過濃混合気Rをリセス2b内に閉じ込め、水素過濃混合気Rの一定時間の成層化を実現させるということから着想され、完成されたものである。これにより、レシプロエンジンに劣らない熱効率が達成され、本発明者等の検討によれば、本実施形態に係る水素ロータリーピストンエンジン1の熱効率は45%以上に改善する。この新しい燃焼コンセプトは、例えば燃料電池に比べて、ロバスト性の面でも価格の面でも劣らない、今後のエンジンのコア技術になり得るものである。
The hydrogen
前記実施形態の変形例を以下に説明する。 A modification of the embodiment will be described below.
前記実施形態では、リセス内で空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気を成層化させる手段として、圧縮行程にある作動室に接するローターのリセスに向けて水素ガスを噴射する高圧水素インジェクタが用いられたが、これに代えて、吸気行程にある作動室に接するローターのリセスに向けて水素ガスを噴射する水素インジェクタを用いてもよい。吸気行程で噴射する場合は、作動室の圧力が相対的に低いから、水素を高圧で噴射しなくてもよいという利点がある。一方、圧縮行程で噴射する場合は、噴射から点火までの時間が相対的に短いから、点火時における水素過濃混合気の成層化の程度が高いという利点がある。 In the embodiment, as a means for stratifying a hydrogen-rich mixture having an excess air ratio λ of less than 1 in the recess, a high-pressure hydrogen injector that injects hydrogen gas toward the recess of the rotor that contacts the working chamber in the compression stroke However, instead of this, a hydrogen injector that injects hydrogen gas toward the recess of the rotor in contact with the working chamber in the intake stroke may be used. Injecting in the intake stroke has an advantage that hydrogen does not need to be injected at a high pressure because the pressure in the working chamber is relatively low. On the other hand, in the case of injection in the compression stroke, since the time from injection to ignition is relatively short, there is an advantage that the degree of stratification of the hydrogen-rich mixture at the time of ignition is high.
本発明は、水素ロータリーピストンエンジンの技術分野において、広範な産業上の利用可能性が期待される。 The present invention is expected to have wide industrial applicability in the technical field of hydrogen rotary piston engines.
1 水素ロータリーピストンエンジン
2 ローター
2a ローター外周面(フランク面)
2b リセス
2c 断熱材
3 ローターハウジング
3a トロコイド状内周面
4 インターミディエイトハウジング
4a インターミディエイトハウジング側面
5 サイドハウジング
5a サイドハウジング内側面
6 エキセントリックシャフト
7 ローター収容室
8 作動室
10 排気ポート
11〜13 吸気ポート
15 高圧水素インジェクタ
21 リーディング側点火プラグ
22 トレーリング側点火プラグ
R 水素過濃混合気
X 回転軸心
Y 長軸
Z 短軸
1 Hydrogen
Claims (6)
前記内周面に頂点が摺接しつつ回転するローターと、
前記ローターの外周面に形成されたリセスと、
前記内周面のトロコイド曲線の短軸よりもリーディング側に配置された点火プラグとを備える水素ロータリーピストンエンジンであって、
前記リセスは、前記ローターが圧縮トップにあるときに前記短軸よりもリーディング側に偏倚して配置され、
前記リセス内で空気過剰率λが1未満の水素過濃混合気を成層化させる手段が設けられ、
前記点火プラグは、燃焼行程において、前記成層化された水素過濃混合気に点火し、燃焼させることを特徴とする水素ロータリーピストンエンジン。 A rotor housing having a trochoidal inner peripheral surface;
A rotor that rotates while the vertex is in sliding contact with the inner peripheral surface;
A recess formed on the outer peripheral surface of the rotor;
A hydrogen rotary piston engine comprising a spark plug disposed on the leading side of the short axis of the inner surface trochoidal curve,
The recess is arranged biased to the leading side with respect to the short axis when the rotor is at the compression top,
Means for stratifying a hydrogen-rich mixture having an excess air ratio λ of less than 1 in the recess;
In the combustion stroke, the ignition plug ignites and burns the stratified hydrogen-rich mixture.
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