JP7244382B2 - 水素ガス燃料エンジン - Google Patents

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Description

本発明は、水素ガスを燃料とするレシプロエンジンに関する。
レシプロエンジンでは、一般的にガソリンやメタンなどが燃料として使用されている。近年では、水素ガスをレシプロエンジンの燃料として使用することも提案されている。水素ガスは燃焼速度が非常に速いものであるため、水素ガスを燃料として使用する場合には、水素ガスと給気の混合気の燃焼速度を遅くする必要がある。
混合気の燃焼速度を遅くする方法の一つとしては、排気ガスの一部を給気として再循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）がある。例えば、特許文献１には、水素ガスを燃料とするレシプロエンジンであって、クランクシャフトを有するエンジン本体、過給機およびＥＧＲラインを含むエンジンが開示されている。この水素ガス燃料エンジンでは、ＥＧＲラインが、排気タービンの下流側で排気ラインから分岐して圧縮機の上流側で給気ラインへ合流している。
特開２００６－２９９８９０号公報
ところで、ＥＧＲラインには、当該ＥＧＲラインに流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラを設けることが望ましい。しかしながら、上述したように混合気の燃焼速度を遅くするためには、大量の排気ガスを再循環させる必要があり、ＥＧＲクーラが大型化する。このような大型のＥＧＲクーラは、水素ガス燃料エンジンシの専有面積の増加を招来する。
そこで、本発明は、ＥＧＲクーラを設けたときの専有面積の増加を抑制することができる水素ガス燃料エンジンを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の水素ガス燃料エンジンは、クランクシャフトを有するエンジン本体と、前記エンジン本体からの排気ガスが流れる排気ラインから分岐して前記エンジン本体への給気が流れる給気ラインへ合流するＥＧＲラインに設けられた、前記ＥＧＲラインに流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、を備え、前記ＥＧＲクーラは、前記エンジン本体における前記クランクシャフトの軸方向と直交する幅方向を向く側面に対向するように配置されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、ＥＧＲクーラがエンジン本体の側面と対向するように配置されるので、エンジン本体の側方の空間を有効に活用してＥＧＲクーラを配置することができる。これにより、ＥＧＲクーラを設けたときの水素ガス燃料エンジンの専有面積の増加を抑制することができる。
本発明によれば、ＥＧＲクーラを設けたときの水素ガス燃料エンジンの専有面積の増加を抑制することができる。
（ａ）は本発明の一実施形態に係る水素ガス燃料エンジンの側面図、（ｂ）は同エンジンの正面図である。 前記水素ガス燃料エンジンの概略構成図である。 変形例の水素ガス燃料エンジンの概略構成図である。 別の変形例の水素ガス燃料エンジンの概略構成図である。
図１（ａ）および（ｂ）ならびに図２に、本発明の一実施形態に係る水素ガス燃料エンジン１Ａを示す。このエンジン１Ａは、クランクシャフト２３を有するエンジン本体２と、エンジン本体２に図略のブラケットなどを介して取り付けられた、過給機３、エアクーラ５およびＥＧＲクーラ８を含む。
エンジン本体２は、クランクシャフト２３に貫通される架構２１と、架構２１に設けられた、クランクシャフト２３の軸方向に並ぶ複数のシリンダ２２を含む。シリンダ２２の数は、例えば５～１８である（図２では、図面の簡略化のために３つのみを図示）。
図示は省略するが、各シリンダ２２内にはピストンが配置されている。本実施形態では、エンジン本体２が、ピストンが二往復することによって１サイクル（給気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程）が行われる４ストロークエンジンである。ただし、エンジン本体２は、ピストンが一往復することによって１サイクルが行われる２ストロークエンジンであってもよい。
各シリンダ２２へは、給気ライン４を通じて給気が供給される。図示は省略するが、給気ライン４には燃料噴射弁がシリンダ２２ごとに設けられており、燃料噴射弁からの水素ガスの噴射によって給気と水素ガスとの混合気が形成される。そして、この混合気がシリンダ２２内で点火されて燃焼される。各シリンダ２２からは、燃焼後の排気ガスが排気ライン６を通じて排出される。
過給機３は、エンジン本体２への給気が流れる給気ライン４に設けられた圧縮機３１と、エンジン本体２からの排気が流れる排気ライン６に設けられたタービン３２を含む。圧縮機３１のインペラーとタービン３２のインペラーとはシャフトによって連結されている。
エアクーラ５は、圧縮機３１の下流側で給気ライン４に設けられている。エアクーラ５は、給気とクーラント（例えば、水）との間で熱交換を行う熱交換器である。
給気ライン４の下流側部分（エアクーラ５よりも下流側に位置する部分）は、給気マニホールド４５と複数（シリンダ２２と同数）の給気路４６で構成されている。各給気路４６は、対応するシリンダ２２と給気マニホールド４５とを接続する。各給気路４６の少なくとも下流側部分は架構２１の上部を構成する図略のシリンダヘッドに設けられる。給気マニホールド４５は、シリンダヘッドに設けられてもよいし、シリンダヘッドの脇に配置されてもよい。
給気ライン４は、給気マニホールド４５および給気路４６に加えて、圧縮機３１の吸入口と接続された第１給気管４１と、圧縮機３１の吐出口とエアクーラ５の流入口とを接続する第２給気管４３と、エアクーラ５の流出口と給気マニホールド４５とを接続する第３給気管４４を含む。
排気ライン６の上流側部分は、排気マニホールド６２と、複数（シリンダ２２と同数）の排気路６１で構成されている。各排気路６１は、対応するシリンダ２２と排気マニホールド６２とを接続する。各排気路６１の少なくとも上流側部分は上述したシリンダヘッドに設けられる。本実施形態では、排気マニホールド６２がエンジン本体２の上方に配置されている。
排気ライン６は、排気マニホールド６２および排気路６１に加えて、排気マニホールド６２とタービン３２の吸入口とを接続する第１排気管６３と、タービン３２の吐出口と接続された第２排気管６４を含む。
さらに、排気ライン６からはＥＧＲライン７が分岐しており、このＥＧＲライン７は給気ライン４へ合流している。本実施形態では、ＥＧＲライン７が、タービン３２の下流側で排気ライン６から分岐し、圧縮機３１の上流側で給気ライン４へ合流している。
ＥＧＲライン７には、当該ＥＧＲライン７に流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ８が設けられている。ＥＧＲクーラ８は、排気ガスとクーラント（例えば、水）との間で熱交換を行う熱交換器である。また、ＥＧＲライン７には、ＥＧＲクーラ８の下流側に、開度が変更可能なＥＧＲ弁７３が設けられている。ＥＧＲ弁７３は、例えばバタフライ弁である。
より詳しくは、ＥＧＲライン７は、第２排気管６４とＥＧＲクーラ８の流入口とを接続する第１ＥＧＲ配管７１と、ＥＧＲクーラ８の流出口と第１給気管４１とを接続する第２ＥＧＲ配管７２を含む。ＥＧＲ弁７３は、第２ＥＧＲ配管７２に設けられている。
上述した配管のうち、第２給気管４３、第１排気管６３、第２排気管６４および第１ＥＧＲ配管７１は高温になるため、断熱材で覆われている。
さらに、本実施形態では、給気ライン４および排気ライン６に、開度が変更可能な絞り弁４２，６５がそれぞれ設けられている。給気ライン４の絞り弁４２は、ＥＧＲライン７の合流点よりも上流側に位置するように第１給気管４１に設けられており、排気ライン６の絞り弁６５は、ＥＧＲライン７の分岐点よりも下流側に位置するように第２排気管６４に設けられている。絞り弁４２，６５は、例えばバタフライ弁である。
このように第２排気管６４に絞り弁６５が設けられていれば、絞り弁６５の開度を小さくすることで排気圧を上昇させてＥＧＲ流量を増加させることができる。また、第１給気管４１に絞り弁４２が設けられていれば、絞り弁４２の開度を小さくすることで給気ライン４の圧損を増加させてＥＧＲ流量を増加させることができる。すなわち、絞り弁６５と絞り弁４２の少なくとも一方が在れば、ＥＧＲライン７に圧縮機を設けることなく、大量の排気ガスを再循環させることができる。なお、絞り弁４２，６５の一方または双方が省略されてもよい。
次に、図１（ａ）および（ｂ）を参照して、エンジン本体２、過給機３、エアクーラ５およびＥＧＲクーラ８の位置関係を説明する。以下では、説明の便宜上、クランクシャフト２３の軸方向を前後方向（図１（ａ）の右方を前方、その反対を後方）、クランクシャフト２３の軸方向と直交するエンジン本体２の幅方向を左右方向という。
過給機３は、排気マニホールド６２の前方に配置されており、排気マニホールド６２と前後方向に並んでいる。エアクーラ５は、エンジン本体２の前方であって過給機３の下方に配置されている。
エンジン本体２は、左右方向を向く一対の側面２ａ，２ｂを有している。ＥＧＲクーラ８は、そのうちの一方の側面２ａに対向するように配置されている。より詳しくは、ＥＧＲクーラ８は、エンジン本体２の側面２ａにおける過給機３に近い部分に対向するように配置されている。ここで、「過給機３に近い部分」とは、エンジン本体２の側面２ａをクランクシャフト２３の軸方向に二等分したときの過給機３側の部分である。
本実施形態では、ＥＧＲクーラ８が、前後方向に長い略直方体状の形状を有しており、最も大きな面がエンジン本体２の側面２ａと対向している。そして、ＥＧＲクーラ８の流入口が後方を向いており、流出口が前方を向いている。
ＥＧＲライン７は、当該ＥＧＲライン７のうちでＥＧＲクーラ８が最も低い位置に位置するように構成されている。すなわち、第１ＥＧＲ配管７１は、第２排気管６４からＥＧＲクーラ８に向かって水平か下向きとなっており、上向きとなる部分を有しない。また、第２ＥＧＲ配管７２は、ＥＧＲクーラ８から第１給気管４１に向かって水平か上向きとなっており、下向きとなる部分を有しない。この構成であれば、排気ガスがＥＧＲライン７を流れる間に発生する凝縮水をＥＧＲクーラ８に集めることができ、凝縮水の除去が容易になる。
なお、ＥＧＲクーラ８は、例えば、鉛直方向に長い直方体状または円柱状であってもよい。この場合、ＥＧＲクーラ８の上面に流入口および流出口を形成すれば、ＥＧＲライン７をＥＧＲクーラ８が最も低い位置に位置するように構成することが可能である。
さらに、エンジン本体２の側面２ａ，２ｂのそれぞれには、前後方向に並ぶ複数の点検ハッチ２４が設けられている。そして、ＥＧＲクーラ８は、それらの点検ハッチ２４よりも上方に配置されている。
以上説明したように、本実施形態の水素ガス燃料エンジン１Ａでは、ＥＧＲクーラ８がエンジン本体２の側面２ａと対向するように配置されるので、エンジン本体２の側方の空間を有効に活用してＥＧＲクーラ８を配置することができる。これにより、ＥＧＲクーラ８を設けたときの水素ガス燃料エンジン１Ａの専有面積の増加を抑制することができる。
また、本実施形態では、ＥＧＲクーラ８が過給機３の近くに配置されているので、排気ライン６からＥＧＲクーラ８までの第１ＥＧＲ配管７１の長さとＥＧＲクーラ８から給気ライン４までの第２ＥＧＲ配管７２の長さを短くすることができる。
しかも、ＥＧＲクーラ８は点検ハッチ２４よりも上方に配置されているので、ＥＧＲクーラ８の下方に、点検ハッチ２４に面する作業スペースを確保することができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、図３に示す水素ガス燃料エンジン１Ｂのように、ＥＧＲライン７には、ＥＧＲクーラ８の下流側にミストセパレータ７４が設けられてもよい。水素ガスを燃料とした場合は、ガソリンやメタンを燃料とした場合に比べて、排気ガス中の水分量が多い。従って、ＥＧＲクーラ８を通過した排気ガスは多量のミストを含む。このため、そのミストをミストセパレータ７４で除去すれば、圧縮機３１のインペラーの羽を保護することができる。
あるいは、図４に示す水素ガス燃料エンジン１Ｃのように、ＥＧＲライン７は、タービン３２の上流側で排気ライン６から分岐して、圧縮機３１の下流側で給気ライン４へ合流してもよい。この場合、ＥＧＲライン７には、ＥＧＲクーラ８とＥＧＲ弁７３の間に圧縮機７５が設けられる。
（まとめ）
本発明の水素ガス燃料エンジンは、クランクシャフトを有するエンジン本体と、前記エンジン本体からの排気ガスが流れる排気ラインから分岐して前記エンジン本体への給気が流れる給気ラインへ合流するＥＧＲラインに設けられた、前記ＥＧＲラインに流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、を備え、前記ＥＧＲクーラは、前記エンジン本体における前記クランクシャフトの軸方向と直交する幅方向を向く側面に対向するように配置されている、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、ＥＧＲクーラがエンジン本体の側面と対向するように配置されるので、エンジン本体の側方の空間を有効に活用してＥＧＲクーラを配置することができる。これにより、ＥＧＲクーラを設けたときの水素ガス燃料エンジンの専有面積の増加を抑制することができる。
上記の水素ガス燃料エンジンは、前記排気ラインの一部を構成する、前記エンジン本体の上方に配置された排気マニホールドと、前記給気ラインに設けられた圧縮機、および前記排気ラインに設けられたタービンを含む過給機と、をさらに備え、前記過給機は、前記排気マニホールドと前記クランクシャフトの軸方向に並んでおり、前記ＥＧＲクーラは、前記エンジン本体の側面における前記過給機に近い部分に対向するように配置されてもよい。この構成によれば、排気ラインからＥＧＲクーラまでのＥＧＲ配管の長さとＥＧＲクーラから給気ラインまでのＥＧＲ配管の長さを短くすることができる。
例えば、前記ＥＧＲラインは、前記タービンの下流側で前記排気ラインから分岐し、前記圧縮機の上流側で前記給気ラインへ合流してもよい。
前記排気ラインには、前記ＥＧＲラインの分岐点よりも下流側に絞り弁が設けられてもよい。この構成によれば、絞り弁の開度を小さくすることで排気圧を上昇させてＥＧＲ流量を増加させることができる。従って、ＥＧＲラインに圧縮機を設けることなく、大量の排気ガスを再循環させることができる。
前記給気ラインには、前記ＥＧＲラインの合流点よりも上流側に絞り弁が設けられてもよい。この構成によれば、絞り弁の開度を小さくすることで給気ラインの圧損を増加させてＥＧＲ流量を増加させることができる。従って、ＥＧＲラインに圧縮機を設けることなく、大量の排気ガスを再循環させることができる。
前記ＥＧＲラインには、前記ＥＧＲクーラの下流側にミストセパレータが設けられてもよい。水素ガスを燃料とした場合は、ガソリンやメタンを燃料とした場合に比べて、排気ガス中の水分量が多い。従って、ＥＧＲクーラを通過した排気ガスは多量のミストを含む。このため、そのミストをミストセパレータで除去すれば、圧縮機のインペラーの羽を保護することができる。
前記ＥＧＲラインは、当該ＥＧＲラインのうちで前記ＥＧＲクーラが最も低い位置に位置するように構成されてもよい。この構成によれば、排気ガスがＥＧＲラインを流れる間に発生する凝縮水をＥＧＲクーラに集めることができ、凝縮水の除去が容易になる。
前記エンジン本体の側面には、前記クランクシャフトの軸方向に並ぶ複数の点検ハッチが設けられており、前記ＥＧＲクーラは、前記複数の点検ハッチよりも上方に配置されてもよい。この構成によれば、ＥＧＲクーラの下方に、点検ハッチに面する作業スペースを確保することができる。
１Ａ～１Ｃ 水素ガス燃料エンジン
２ エンジン本体
２ａ，２ｂ 側面
２３ クランクシャフト
２４ 点検ハッチ
３ 過給機
３１ 圧縮機
３２ タービン
４ 給気ライン
４２ 絞り弁
６ 排気ライン
６５ 絞り弁
７ ＥＧＲライン
７４ ミストセパレータ
８ ＥＧＲクーラ

Claims (7)

  1. クランクシャフトを有するエンジン本体と、
    前記エンジン本体からの排気ガスが流れる排気ラインから分岐して前記エンジン本体への給気が流れる給気ラインへ合流するＥＧＲラインに設けられた、前記ＥＧＲラインに流れる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
    前記排気ラインの一部を構成する、前記エンジン本体の上方に配置された排気マニホールドと、
    前記給気ラインに設けられた圧縮機、および前記排気ラインに設けられたタービンを含む過給機と、を備え、
    前記過給機は、前記排気マニホールドと前記クランクシャフトの軸方向に並んでおり、
    前記ＥＧＲクーラは、前記エンジン本体における前記クランクシャフトの軸方向と直交する幅方向を向く側面の前記過給機に近い部分に対向するように配置されている、水素ガス燃料エンジン。
  2. 前記ＥＧＲラインは、前記タービンの下流側で前記排気ラインから分岐し、前記圧縮機の上流側で前記給気ラインへ合流する、請求項１に記載の水素ガス燃料エンジン。
  3. 前記排気ラインには、前記ＥＧＲラインの分岐点よりも下流側に絞り弁が設けられている、請求項２に記載の水素ガス燃料エンジン。
  4. 前記給気ラインには、前記ＥＧＲラインの合流点よりも上流側に絞り弁が設けられている、請求項２または３に記載の水素ガス燃料エンジン。
  5. 前記ＥＧＲラインには、前記ＥＧＲクーラの下流側にミストセパレータが設けられている、請求項２～４の何れか一項に記載の水素ガス燃料エンジン。
  6. 前記ＥＧＲラインは、当該ＥＧＲラインのうちで前記ＥＧＲクーラが最も低い位置に位置するように構成されている、請求項１～５の何れか一項に記載の水素ガス燃料エンジン。
  7. 前記エンジン本体の側面には、前記クランクシャフトの軸方向に並ぶ複数の点検ハッチが設けられており、
    前記ＥＧＲクーラは、前記複数の点検ハッチよりも上方に配置されている、請求項１～６の何れか一項に記載の水素ガス燃料エンジン。
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