JPH1193681A - 水素エンジン - Google Patents
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- JPH1193681A JPH1193681A JP9275269A JP27526997A JPH1193681A JP H1193681 A JPH1193681 A JP H1193681A JP 9275269 A JP9275269 A JP 9275269A JP 27526997 A JP27526997 A JP 27526997A JP H1193681 A JPH1193681 A JP H1193681A
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水素を燃料とするエンジンにおいて、比熱比
の高い作動ガスを使用可能として熱効率が高く、かつＮ
Ｏｘの排出が抑制された水素エンジンを得る。 【解決手段】 水素エンジンにおいて、前記エンジンか
らの排気ガス中の水蒸気を凝縮液化して系外に排出する
とともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に入った
アルゴンを含む比凝縮ガスをエンジン側へ循環させる凝
縮器と、前記凝縮器から送出された非凝縮ガスのうちの
余剰分を系外に排出する余剰ガス排出装置と、前記循環
される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の不純ガスとしての
アルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に送る酸素
供給装置とを備える。
の高い作動ガスを使用可能として熱効率が高く、かつＮ
Ｏｘの排出が抑制された水素エンジンを得る。 【解決手段】 水素エンジンにおいて、前記エンジンか
らの排気ガス中の水蒸気を凝縮液化して系外に排出する
とともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に入った
アルゴンを含む比凝縮ガスをエンジン側へ循環させる凝
縮器と、前記凝縮器から送出された非凝縮ガスのうちの
余剰分を系外に排出する余剰ガス排出装置と、前記循環
される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の不純ガスとしての
アルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に送る酸素
供給装置とを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水素を燃料とする水
素エンジン、特に水素を燃焼室内に直接噴射し、点火装
置によって着火・燃焼させる水素ディーゼルエンジンに
関する。
素エンジン、特に水素を燃焼室内に直接噴射し、点火装
置によって着火・燃焼させる水素ディーゼルエンジンに
関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は水素を燃料とする水素ディーゼル
エンジンに関する従来技術の１例を示す構成図である。
図３において、１はエンジンで、ピストン２５、クラン
ク軸２７、給気弁２２、排気弁２１等を備えている。２
６は該エンジン１のシリンダ内の前記ピストン２５の上
部に形成される燃焼室である。
エンジンに関する従来技術の１例を示す構成図である。
図３において、１はエンジンで、ピストン２５、クラン
ク軸２７、給気弁２２、排気弁２１等を備えている。２
６は該エンジン１のシリンダ内の前記ピストン２５の上
部に形成される燃焼室である。
【０００３】２は燃料となる水素の噴射を行なう水素噴
射装置、２８は該水素噴射装置に接続される水素噴射弁
で、該水素噴射弁２８は前記燃焼室２６内に臨んで設け
られ、該燃焼室２６内に水素を噴射するようになってい
る。１０は前記燃焼室２６に臨んで設けられた点火装置
で、燃焼室２６内に噴射された水素に点火し燃焼させる
ものである。２４は前記エンジン１の燃焼室２６へ空気
を送給するための給気管、２３は燃焼室２６内の燃焼ガ
スを排出するための排気管である。
射装置、２８は該水素噴射装置に接続される水素噴射弁
で、該水素噴射弁２８は前記燃焼室２６内に臨んで設け
られ、該燃焼室２６内に水素を噴射するようになってい
る。１０は前記燃焼室２６に臨んで設けられた点火装置
で、燃焼室２６内に噴射された水素に点火し燃焼させる
ものである。２４は前記エンジン１の燃焼室２６へ空気
を送給するための給気管、２３は燃焼室２６内の燃焼ガ
スを排出するための排気管である。
【０００４】４は、排気タービン４ａ及びこれに直結駆
動されるコンプレッサ４ｂからなる排気ターボ過給機で
ある。該過給機４の排気タービン４ａ入口には前記排気
管２３が接続されている。８は中間冷却器で、前記コン
プレッサ４ｂとエンジン１の給気弁２２との間の前記給
気管２４中に設けられ、コンプレッサ４ｂの出口の空気
を冷却するものである。３は発電機で前記エンジン１の
クランク軸２７に直結され、該エンジン１の動力によっ
て駆動される。
動されるコンプレッサ４ｂからなる排気ターボ過給機で
ある。該過給機４の排気タービン４ａ入口には前記排気
管２３が接続されている。８は中間冷却器で、前記コン
プレッサ４ｂとエンジン１の給気弁２２との間の前記給
気管２４中に設けられ、コンプレッサ４ｂの出口の空気
を冷却するものである。３は発電機で前記エンジン１の
クランク軸２７に直結され、該エンジン１の動力によっ
て駆動される。
【０００５】かかる従来の水素ディーゼルエンジンの運
転時において、後述する排気ターボ過給機４から給気管
２４及び給気弁２２を経て燃焼室２６内に供給された燃
焼用酸素を含む空気がピストン２５の上昇（圧縮行程）
によって圧縮されて高圧化される。そして、かかる燃焼
室２６内の高圧空気中に、水素噴射装置２において高圧
化された水素が水素噴射弁２８から噴射され、次いでこ
の水素は点火装置１０によって点火されて、空気中の酸
素との共働によって拡散燃焼せしめられ、ピストン２５
への膨張仕事を行なう。
転時において、後述する排気ターボ過給機４から給気管
２４及び給気弁２２を経て燃焼室２６内に供給された燃
焼用酸素を含む空気がピストン２５の上昇（圧縮行程）
によって圧縮されて高圧化される。そして、かかる燃焼
室２６内の高圧空気中に、水素噴射装置２において高圧
化された水素が水素噴射弁２８から噴射され、次いでこ
の水素は点火装置１０によって点火されて、空気中の酸
素との共働によって拡散燃焼せしめられ、ピストン２５
への膨張仕事を行なう。
【０００６】前記ピストン２５の動力はクランク軸２７
を経て発電機３に伝達され、発電仕事をなす。一方、排
気弁２１が開弁すると、燃焼によって生じた排気ガスは
排気管２３を通って排気ターボ過給機４の排気タービン
４ａに導かれて該排気タービン４ａにて膨張仕事をなし
た後、外部に排出される。また、前記排気タービン４ａ
の回転力はコンプレッサ４ｂに伝達され、該コンプレッ
サ４ｂは燃焼用の空気を加圧して空気冷却器（中間冷却
器）８に送る。該空気冷却器８において所定の温度まで
冷却された空気は給気管２４を通り、給気弁２２の開弁
とともに燃焼室２６内に供給され、前記のようにして水
素の燃焼に供される。
を経て発電機３に伝達され、発電仕事をなす。一方、排
気弁２１が開弁すると、燃焼によって生じた排気ガスは
排気管２３を通って排気ターボ過給機４の排気タービン
４ａに導かれて該排気タービン４ａにて膨張仕事をなし
た後、外部に排出される。また、前記排気タービン４ａ
の回転力はコンプレッサ４ｂに伝達され、該コンプレッ
サ４ｂは燃焼用の空気を加圧して空気冷却器（中間冷却
器）８に送る。該空気冷却器８において所定の温度まで
冷却された空気は給気管２４を通り、給気弁２２の開弁
とともに燃焼室２６内に供給され、前記のようにして水
素の燃焼に供される。
【０００７】また、かかる水素エンジンとして、不活性
ガス循環水素燃料エンジンが特開平２−１１８２６号に
て提案されている。かかる水素エンジンにおいては、熱
膨張媒体として二酸化炭素ガスを用い、燃焼で生じた燃
焼ガスを系外に排出することなく、該燃焼ガスを冷却し
て水分を凝縮させ、液体（水）として循環させている。
ガス循環水素燃料エンジンが特開平２−１１８２６号に
て提案されている。かかる水素エンジンにおいては、熱
膨張媒体として二酸化炭素ガスを用い、燃焼で生じた燃
焼ガスを系外に排出することなく、該燃焼ガスを冷却し
て水分を凝縮させ、液体（水）として循環させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】水素を燃料とするディ
ーゼルエンジンは、燃料成分に炭素を含まないため、二
酸化炭素、未燃炭化水素及び煤の排出が無いという低公
害エンジンとしての大きな長所を有しているが、燃焼温
度が高いため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃
度が高いため、これを低減することを要するという課題
を抱えている。
ーゼルエンジンは、燃料成分に炭素を含まないため、二
酸化炭素、未燃炭化水素及び煤の排出が無いという低公
害エンジンとしての大きな長所を有しているが、燃焼温
度が高いため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃
度が高いため、これを低減することを要するという課題
を抱えている。
【０００９】かかる課題に対処するものとして前述の特
開平２−１１８２６号の発明が提案された。即ち本先行
技術は、前記のように、燃焼で生じた燃焼ガスを系外に
排出することなく、燃焼ガス中に含まれる水分を凝縮さ
せて液体（水）として循環させている。しかしながら、
かかる先行技術においては、二酸化炭素を作動ガスとし
て循環させているので、系外にＮＯｘを始めとする有害
物を排出せず、排気ガスが清浄なエンジンではあるが、
３原子分子である二酸化炭素を作動ガスとするため、比
熱比（Ｋ）が小さくそのため、熱機関としての効率即ち
熱効率が空気を作動ガスとするエンジンに較べて低くな
るという問題点を有している。
開平２−１１８２６号の発明が提案された。即ち本先行
技術は、前記のように、燃焼で生じた燃焼ガスを系外に
排出することなく、燃焼ガス中に含まれる水分を凝縮さ
せて液体（水）として循環させている。しかしながら、
かかる先行技術においては、二酸化炭素を作動ガスとし
て循環させているので、系外にＮＯｘを始めとする有害
物を排出せず、排気ガスが清浄なエンジンではあるが、
３原子分子である二酸化炭素を作動ガスとするため、比
熱比（Ｋ）が小さくそのため、熱機関としての効率即ち
熱効率が空気を作動ガスとするエンジンに較べて低くな
るという問題点を有している。
【００１０】本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、水
素を燃料とするエンジンにおいて、比熱比の高い作動ガ
スを使用可能として熱効率が高く、かつＮＯｘの排出が
抑制された水素エンジンを得ることを目的とする。
素を燃料とするエンジンにおいて、比熱比の高い作動ガ
スを使用可能として熱効率が高く、かつＮＯｘの排出が
抑制された水素エンジンを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するため、その第１発明として、酸素を含む給気が導
入される燃焼室内に水素を供給し、前記酸素を酸化剤と
して水素を燃焼させる水素エンジンであって、前記エン
ジンからの排気ガスを冷却し、排気ガス中の水蒸気を凝
縮液化して非凝縮作動ガスと分離して系外に排出すると
ともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に入ったア
ルゴンを含む非凝縮ガスを前記エンジン側へ循環させる
凝縮器と、前記凝縮器から送出された非凝縮ガスの内の
余剰分を系外に排出する余剰ガス排出装置と、前記循環
される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の不純ガスとしての
アルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に送る酸素
供給装置とを備え、前記エンジンの排気口から凝縮器、
余剰ガス排出装置、酸素供給装置の順を経てエンジンの
給気口に至る作動ガスの循環路を構成したことを特徴と
する水素エンジンを提案する。
決するため、その第１発明として、酸素を含む給気が導
入される燃焼室内に水素を供給し、前記酸素を酸化剤と
して水素を燃焼させる水素エンジンであって、前記エン
ジンからの排気ガスを冷却し、排気ガス中の水蒸気を凝
縮液化して非凝縮作動ガスと分離して系外に排出すると
ともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に入ったア
ルゴンを含む非凝縮ガスを前記エンジン側へ循環させる
凝縮器と、前記凝縮器から送出された非凝縮ガスの内の
余剰分を系外に排出する余剰ガス排出装置と、前記循環
される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の不純ガスとしての
アルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に送る酸素
供給装置とを備え、前記エンジンの排気口から凝縮器、
余剰ガス排出装置、酸素供給装置の順を経てエンジンの
給気口に至る作動ガスの循環路を構成したことを特徴と
する水素エンジンを提案する。
【００１２】また、好ましくは前記第１発明に加えて、
排気タービンと該排気タービンに同軸駆動されるコンプ
レサとを備えた排気ターボ過給機を前記循環路に設け、
前記エンジンからの排気ガスで前記排気タービンを駆動
し、該駆動後の排気ガスを前記凝縮器に導き、前記酸素
供給装置からの作動ガスを前記コンプレッサで加圧して
エンジンの給気口に送るように構成する。
排気タービンと該排気タービンに同軸駆動されるコンプ
レサとを備えた排気ターボ過給機を前記循環路に設け、
前記エンジンからの排気ガスで前記排気タービンを駆動
し、該駆動後の排気ガスを前記凝縮器に導き、前記酸素
供給装置からの作動ガスを前記コンプレッサで加圧して
エンジンの給気口に送るように構成する。
【００１３】かかる第１発明によれば、エンジンの排気
口から排気ターボ過給機の排気タービン、凝縮器、余剰
ガス排出装置、酸素供給装置、前記過給機のコンプレッ
サを経てエンジンの給気口に至る、クローズドディーゼ
ルサイクルからなる作動ガスの循環路を構成し、該循環
路中に酸素供給装置にて燃焼用酸素とともに不純ガスと
して比熱比（Ｋ）の高いアルゴン（Ａｒ）を供給し、作
動ガス内に含有させて循環させることにより、作動ガス
の比熱比を高く保持することができる。これにより水素
エンジンの熱効率を高く保持することができる。
口から排気ターボ過給機の排気タービン、凝縮器、余剰
ガス排出装置、酸素供給装置、前記過給機のコンプレッ
サを経てエンジンの給気口に至る、クローズドディーゼ
ルサイクルからなる作動ガスの循環路を構成し、該循環
路中に酸素供給装置にて燃焼用酸素とともに不純ガスと
して比熱比（Ｋ）の高いアルゴン（Ａｒ）を供給し、作
動ガス内に含有させて循環させることにより、作動ガス
の比熱比を高く保持することができる。これにより水素
エンジンの熱効率を高く保持することができる。
【００１４】また、燃焼用酸素の製造時に含有されてい
るアルゴンを該酸素とともに作動ガス循環等に供給する
ので、格別なアルゴンの製造設備を必要とすることな
く、所要のアルゴンを得ることができる。
るアルゴンを該酸素とともに作動ガス循環等に供給する
ので、格別なアルゴンの製造設備を必要とすることな
く、所要のアルゴンを得ることができる。
【００１５】また第２発明は、前記第１発明に加えて、
前記循環路の前記凝縮器の上流側に排気ガスによって駆
動されるタービン発電機を設け、さらに好ましくは、前
記循環路のタービン発電機の上流側部位から該タービン
発電機をバイパスして前記凝縮器の上流部位に接続され
るバイパス路を設けるとともに、該バイパス路の入口
に、該バイパス路あるいはタービン発電機への排気ガス
の通流、遮断を切り換える切換弁を設ける。
前記循環路の前記凝縮器の上流側に排気ガスによって駆
動されるタービン発電機を設け、さらに好ましくは、前
記循環路のタービン発電機の上流側部位から該タービン
発電機をバイパスして前記凝縮器の上流部位に接続され
るバイパス路を設けるとともに、該バイパス路の入口
に、該バイパス路あるいはタービン発電機への排気ガス
の通流、遮断を切り換える切換弁を設ける。
【００１６】かかる第２発明によれば、排気ターボ過給
機を駆動後の作動ガスでタービン発電機を駆動し膨張仕
事をなす。これによって、タービンで発電機にて作動ガ
スのエネルギを回収することにより、プラントの出力が
増大し、効率が向上するとともに、前記タービン発電機
における膨張仕事により作動ガスの圧力及び温度レベル
が低下するので凝縮器の伝熱面積を小さくすることがで
きる。
機を駆動後の作動ガスでタービン発電機を駆動し膨張仕
事をなす。これによって、タービンで発電機にて作動ガ
スのエネルギを回収することにより、プラントの出力が
増大し、効率が向上するとともに、前記タービン発電機
における膨張仕事により作動ガスの圧力及び温度レベル
が低下するので凝縮器の伝熱面積を小さくすることがで
きる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、こ
の発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説
明例にすぎない。
適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、こ
の発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説
明例にすぎない。
【００１８】図１は、本発明の第１実施形態に係る水素
ディーゼルエンジンの構成図である。図１において、１
はエンジンであり、ピストン２５、クランク軸２７、給
気弁２２、排気弁２１等を備えるとともに、シリンダ内
の前記ピストン２５の上部には燃焼室２６が形成されて
いる。
ディーゼルエンジンの構成図である。図１において、１
はエンジンであり、ピストン２５、クランク軸２７、給
気弁２２、排気弁２１等を備えるとともに、シリンダ内
の前記ピストン２５の上部には燃焼室２６が形成されて
いる。
【００１９】２は燃料となる水素の噴射を行なう水素噴
射装置、２８は該水素噴射装置２に接続される水素噴射
弁で、該水素噴射弁２８は前記燃焼室２６内に臨んで設
けられ、該燃焼室２６内に前記燃料水素を噴射するよう
になっている。１０は前記燃焼室２６に臨んで設けられ
た点火装置で、燃焼室２６内に噴射された水素に点火し
燃焼させるものである。２４は前記エンジン１の燃焼室
２６へ作動ガスを送給するための給気管、２３は燃焼室
２６内の燃焼ガスを排出するための排気管である。
射装置、２８は該水素噴射装置２に接続される水素噴射
弁で、該水素噴射弁２８は前記燃焼室２６内に臨んで設
けられ、該燃焼室２６内に前記燃料水素を噴射するよう
になっている。１０は前記燃焼室２６に臨んで設けられ
た点火装置で、燃焼室２６内に噴射された水素に点火し
燃焼させるものである。２４は前記エンジン１の燃焼室
２６へ作動ガスを送給するための給気管、２３は燃焼室
２６内の燃焼ガスを排出するための排気管である。
【００２０】４は排気タービン４ａ及びこれに直結駆動
されるコンプレッサ４ｂからなる排気ターボ過給機であ
る。過給機４の排気タービン４ａ入口には前記排気管２
３が接続されている。８は中間冷却器で、前記排気ター
ボ過給機４のコンプレッサ４ｂとエンジン１の給気弁２
２との間の前記給気管２４中に設けられ、コンプレッサ
４ｂ出口の作動ガスを冷却するものである。３は発電機
で前記エンジン１のクランク軸２７に直結され、該エン
ジン１の動力によって駆動される。以上の構成は図３に
示す従来技術の水素ディーゼルエンジンと同様である。
されるコンプレッサ４ｂからなる排気ターボ過給機であ
る。過給機４の排気タービン４ａ入口には前記排気管２
３が接続されている。８は中間冷却器で、前記排気ター
ボ過給機４のコンプレッサ４ｂとエンジン１の給気弁２
２との間の前記給気管２４中に設けられ、コンプレッサ
４ｂ出口の作動ガスを冷却するものである。３は発電機
で前記エンジン１のクランク軸２７に直結され、該エン
ジン１の動力によって駆動される。以上の構成は図３に
示す従来技術の水素ディーゼルエンジンと同様である。
【００２１】本発明の実施形態においては、排気ターボ
過給機の排気タービン駆動後の排気ガスを、酸素供給装
置を介してエンジンの給気系に循環するように構成して
いる。即ち図１において、３０は排気タービン４ａのガ
ス出口とコンプレッサ４ｂのガス入口と接続するガス循
環路である。５は該ガス循環路３０の排気タービン４ａ
出口側に設けられた凝縮器で、排気タービン４ａ出口の
排気ガス（作動ガス）を冷却水にて冷却するものであ
る。
過給機の排気タービン駆動後の排気ガスを、酸素供給装
置を介してエンジンの給気系に循環するように構成して
いる。即ち図１において、３０は排気タービン４ａのガ
ス出口とコンプレッサ４ｂのガス入口と接続するガス循
環路である。５は該ガス循環路３０の排気タービン４ａ
出口側に設けられた凝縮器で、排気タービン４ａ出口の
排気ガス（作動ガス）を冷却水にて冷却するものであ
る。
【００２２】前記ガス循環路３０の凝縮器５の下流には
余剰ガス排出装置６及び酸素供給装置７が順に配設さ
れ、該酸素供給装置７の出口が前記コンプレッサ４ｂの
吸入口に接続されている。前記余剰ガス排出装置６は、
前記酸素供給装置７により供給される供給酸素の製造時
に微少量含まれているアルゴン（Ａｒ）等の不純ガスが
ガス循環系内に混入するが、この混入量に等しい量の余
剰ガスを常時外部に排出するものである。
余剰ガス排出装置６及び酸素供給装置７が順に配設さ
れ、該酸素供給装置７の出口が前記コンプレッサ４ｂの
吸入口に接続されている。前記余剰ガス排出装置６は、
前記酸素供給装置７により供給される供給酸素の製造時
に微少量含まれているアルゴン（Ａｒ）等の不純ガスが
ガス循環系内に混入するが、この混入量に等しい量の余
剰ガスを常時外部に排出するものである。
【００２３】前記酸素供給装置７は、燃焼に必要な酸
素、つまり酸素製造装置（不図示）により製造され、ア
ルゴン（Ａｒ）を不純ガスとして含有する酸素を、ガス
循環路３０の排気ターボ過給機４のコンプレッサ４ｂの
吸入口側へ供給するものである。
素、つまり酸素製造装置（不図示）により製造され、ア
ルゴン（Ａｒ）を不純ガスとして含有する酸素を、ガス
循環路３０の排気ターボ過給機４のコンプレッサ４ｂの
吸入口側へ供給するものである。
【００２４】かかる構成からなる水素ディーゼルエンジ
ンの運転時において、排気ターボ過給機４のコンプレッ
サ４ｂには、後述する循環作動ガスに酸素供給装置７に
て酸素（Ｏ2 ）が供給され、予混合された酸素富化状態
にある作動ガスが吸入される。前記酸素供給装置７にお
ける供給酸素にはこれの製造時の不純ガスとして少量の
アルゴン（Ａｒ）が含まれており、従って上記酸素の供
給により該アルゴンが混入された作動ガスが系内を循環
することとなる。
ンの運転時において、排気ターボ過給機４のコンプレッ
サ４ｂには、後述する循環作動ガスに酸素供給装置７に
て酸素（Ｏ2 ）が供給され、予混合された酸素富化状態
にある作動ガスが吸入される。前記酸素供給装置７にお
ける供給酸素にはこれの製造時の不純ガスとして少量の
アルゴン（Ａｒ）が含まれており、従って上記酸素の供
給により該アルゴンが混入された作動ガスが系内を循環
することとなる。
【００２５】前記酸素富化作動ガスは前記コンプレッサ
４ｂによって圧縮され昇圧された後、中間冷却器８にて
冷却・降温され、給気管２４に入り、給気弁２２の開弁
とともに燃焼室２６内に導入される。この作動ガスはピ
ストン２５の上昇（圧縮行程）によって圧縮され高圧化
される。
４ｂによって圧縮され昇圧された後、中間冷却器８にて
冷却・降温され、給気管２４に入り、給気弁２２の開弁
とともに燃焼室２６内に導入される。この作動ガスはピ
ストン２５の上昇（圧縮行程）によって圧縮され高圧化
される。
【００２６】そして、かかる燃焼室２６内の高圧作動ガ
ス中に、水素噴射装置２において高圧化された水素が水
素噴射弁２８から噴射され、次いでこの水素は点火装置
１０によって点火されて、作動ガス中の酸素との共働に
よって拡散燃焼せしめられ、ピストン２５に膨張仕事を
行なう。前記ピストン２５の動力はクランク軸２７を経
て発電機３に伝達され、発電仕事をなす。
ス中に、水素噴射装置２において高圧化された水素が水
素噴射弁２８から噴射され、次いでこの水素は点火装置
１０によって点火されて、作動ガス中の酸素との共働に
よって拡散燃焼せしめられ、ピストン２５に膨張仕事を
行なう。前記ピストン２５の動力はクランク軸２７を経
て発電機３に伝達され、発電仕事をなす。
【００２７】一方、排気弁２１が開弁すると、燃焼によ
る排気ガス即ち作動ガスは排気管２３を通って排気ター
ボ過給機４の排気タービン４ａに導かれて該排気タービ
ン４ａにて膨張仕事をなした後、ガス循環路３０を通っ
て凝縮器５に入る。
る排気ガス即ち作動ガスは排気管２３を通って排気ター
ボ過給機４の排気タービン４ａに導かれて該排気タービ
ン４ａにて膨張仕事をなした後、ガス循環路３０を通っ
て凝縮器５に入る。
【００２８】そして該排気ガスは凝縮器５にて冷却され
る。該凝縮器５においては、上記冷却により排気ガス中
に含まれる燃焼生成物である水蒸気を凝縮液化して非凝
縮ガスと分離し、液体のみを排出管３１から外部に排出
せしめる。前記凝縮器５における非凝縮の作動ガスは余
剰ガス排出装置６にて余剰分が排出される。即ち該余剰
ガス排出装置６においては、前記酸素供給装置７におけ
る供給酸素中に含まれる不純ガスとしてのアルゴン（Ａ
ｒ）の混入量に等しい量のガスを常時系外に排出する。
る。該凝縮器５においては、上記冷却により排気ガス中
に含まれる燃焼生成物である水蒸気を凝縮液化して非凝
縮ガスと分離し、液体のみを排出管３１から外部に排出
せしめる。前記凝縮器５における非凝縮の作動ガスは余
剰ガス排出装置６にて余剰分が排出される。即ち該余剰
ガス排出装置６においては、前記酸素供給装置７におけ
る供給酸素中に含まれる不純ガスとしてのアルゴン（Ａ
ｒ）の混入量に等しい量のガスを常時系外に排出する。
【００２９】以上のように、本発明の実施形態において
は、エンジン１の排気弁２１から排気タービン４ａ、凝
縮器５、余剰ガス排出装置６、酸素供給装置７、コンプ
レッサ４ｂ、空気冷却器８を経てエンジン１の給気弁２
２に至るクローズドディーゼルサイクルからなるガス循
環路３０を循環する作動ガス中に比熱比（Ｋ）の大きい
アルゴン（Ａｒ）を含有し、該アルゴンの濃度を高く保
持できるので、作動ガスの比熱比が大となり、エンジン
１の効率が向上する。
は、エンジン１の排気弁２１から排気タービン４ａ、凝
縮器５、余剰ガス排出装置６、酸素供給装置７、コンプ
レッサ４ｂ、空気冷却器８を経てエンジン１の給気弁２
２に至るクローズドディーゼルサイクルからなるガス循
環路３０を循環する作動ガス中に比熱比（Ｋ）の大きい
アルゴン（Ａｒ）を含有し、該アルゴンの濃度を高く保
持できるので、作動ガスの比熱比が大となり、エンジン
１の効率が向上する。
【００３０】図２は、本発明の第２実施形態に係る水素
ディーゼルエンジンの構成図である。この実施形態で
は、ガス循環路３０の排気ターボ過給機４の排気タービ
ン４ａの出口にタービン発電機９及び切換弁３２を設け
ている。
ディーゼルエンジンの構成図である。この実施形態で
は、ガス循環路３０の排気ターボ過給機４の排気タービ
ン４ａの出口にタービン発電機９及び切換弁３２を設け
ている。
【００３１】即ち、図２において、３２は前記ガス循環
路３０の排気タービン４ａの出口に設けられた切換弁で
ある。そして該切換弁３２の下流側の循環路３１にはタ
ービン発電機９が設けられるとともに、該切換弁３２か
らタービン発電機９をバイパスするバイパス管２９が設
けられている。
路３０の排気タービン４ａの出口に設けられた切換弁で
ある。そして該切換弁３２の下流側の循環路３１にはタ
ービン発電機９が設けられるとともに、該切換弁３２か
らタービン発電機９をバイパスするバイパス管２９が設
けられている。
【００３２】かかる第２実施形態において、排気タービ
ン４ａを駆動した作動ガス（排気ガス）は切換弁３２の
切り換えにより循環路３１を通ってタービン発電機９に
導かれてこれを駆動し膨張仕事をなす。該タービン発電
機９を駆動して圧力及び温度が低下した作動ガスは凝縮
器５に入って前記第１実施形態と同様な凝縮作用がなさ
れる。また、前記切換弁３２をバイパス管２９側に切り
換えれば、作動ガス（排気ガス）はタービン発電機９を
バイパスし膨張仕事をなすことなく凝縮器５に導かれ
る。
ン４ａを駆動した作動ガス（排気ガス）は切換弁３２の
切り換えにより循環路３１を通ってタービン発電機９に
導かれてこれを駆動し膨張仕事をなす。該タービン発電
機９を駆動して圧力及び温度が低下した作動ガスは凝縮
器５に入って前記第１実施形態と同様な凝縮作用がなさ
れる。また、前記切換弁３２をバイパス管２９側に切り
換えれば、作動ガス（排気ガス）はタービン発電機９を
バイパスし膨張仕事をなすことなく凝縮器５に導かれ
る。
【００３３】この実施形態においては、排気ターボ過給
機４を駆動した後の作動ガス（排気ガス）でタービン発
電機９を駆動し膨張仕事をなすので、タービン発電機９
によって作動ガスのエネルギを回収することによりプラ
ントの出力が増大し効率が上昇するとともに、タービン
発電機９を駆動することにより、作動ガスの圧力及び温
度レベルが低下するので、凝縮器５の伝熱面積を小さく
することができる。
機４を駆動した後の作動ガス（排気ガス）でタービン発
電機９を駆動し膨張仕事をなすので、タービン発電機９
によって作動ガスのエネルギを回収することによりプラ
ントの出力が増大し効率が上昇するとともに、タービン
発電機９を駆動することにより、作動ガスの圧力及び温
度レベルが低下するので、凝縮器５の伝熱面積を小さく
することができる。
【００３４】
【実施例】次に図１に示す第１実施形態による実施例を
説明する。この実施例においては、図１のＡ点（コンプ
レッサ４ｂの入口）、Ｂ点（凝縮器５の入口）及びＣ点
（凝縮器５の出口）における循環ガス流量バランスを計
算している。
説明する。この実施例においては、図１のＡ点（コンプ
レッサ４ｂの入口）、Ｂ点（凝縮器５の入口）及びＣ点
（凝縮器５の出口）における循環ガス流量バランスを計
算している。
【００３５】まず、酸素供給装置７における供給酸素純
度（全体を１とする）を次のように表わす。 酸素 Ｏ2 ：ｘ 窒素 Ｎ2 ：ｚ アルゴン Ａｒ：１−ｘ−ｚ 以下、水素（Ｈ2 ）１モルに対する各部の流量をバラン
スさせる。
度（全体を１とする）を次のように表わす。 酸素 Ｏ2 ：ｘ 窒素 Ｎ2 ：ｚ アルゴン Ａｒ：１−ｘ−ｚ 以下、水素（Ｈ2 ）１モルに対する各部の流量をバラン
スさせる。
【００３６】
【表１】
【００３７】
【表２】
【００３８】
【表３】
【００３９】
【表４】
【００４０】以上「表１」乃至「表４」から、Ａ点にお
ける各組成が等しいことより、以下の式「数１」が得ら
れる。
ける各組成が等しいことより、以下の式「数１」が得ら
れる。
【００４１】
【数１】
【００４２】かかる式を用いて、次々例をとって計算を
行なう。例として、 燃焼前Ｏ2 温度：φ＝０．２１ 空気過剰率 ：λ＝２．３５ とする。また、供給Ｏ2 純度を既存技術による代表的数
値として次のように仮定する。 Ｏ2 ：ｘ＝０．９７ Ｎ2 ：ｚ＝０．００１５ Ａｒ：１−ｘ−ｚ＝０．０２８５ このとき、 作動ガス循環率 ：ａ＝０．９９６５ 余剰ガス排出率 ：１−ａ＝０．００３５ Ｈ2 １モルに対する必要供給Ｏ2 量（不純ガスを含
む）：ｍ＝０．５０２４（ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｈ2 ） Ａ点に於ける作動ガスのモル分率は次のようになる。Ｏ
2 濃度 ：φ＝０．２１ Ｎ2 濃度 ：ｙ＝０．３９５ Ａｒ濃度 ：１−φ−ｙ＝０．７５０５
行なう。例として、 燃焼前Ｏ2 温度：φ＝０．２１ 空気過剰率 ：λ＝２．３５ とする。また、供給Ｏ2 純度を既存技術による代表的数
値として次のように仮定する。 Ｏ2 ：ｘ＝０．９７ Ｎ2 ：ｚ＝０．００１５ Ａｒ：１−ｘ−ｚ＝０．０２８５ このとき、 作動ガス循環率 ：ａ＝０．９９６５ 余剰ガス排出率 ：１−ａ＝０．００３５ Ｈ2 １モルに対する必要供給Ｏ2 量（不純ガスを含
む）：ｍ＝０．５０２４（ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｈ2 ） Ａ点に於ける作動ガスのモル分率は次のようになる。Ｏ
2 濃度 ：φ＝０．２１ Ｎ2 濃度 ：ｙ＝０．３９５ Ａｒ濃度 ：１−φ−ｙ＝０．７５０５
【００４３】以上の計算結果のように、系内の作動ガス
は、酸素（Ｏ2 ）、アルゴン（Ａｒ）、および、窒素
（Ｎ2 ）がある比率でバランスすることになる。上記計
算結果より明らかなように、この実施形態に係るシステ
ムは、系を循環する作動ガス中のアルゴン（Ａｒ）濃度
を高く保持することができる。これによって、特別にア
ルゴン供給設備を用意する必要が無く、比熱比（ｘ）の
高いアルゴン（Ａｒ）の濃度を高く保持することがで
き、これによってエンジンサイクルの熱効率を高くする
ことができる。
は、酸素（Ｏ2 ）、アルゴン（Ａｒ）、および、窒素
（Ｎ2 ）がある比率でバランスすることになる。上記計
算結果より明らかなように、この実施形態に係るシステ
ムは、系を循環する作動ガス中のアルゴン（Ａｒ）濃度
を高く保持することができる。これによって、特別にア
ルゴン供給設備を用意する必要が無く、比熱比（ｘ）の
高いアルゴン（Ａｒ）の濃度を高く保持することがで
き、これによってエンジンサイクルの熱効率を高くする
ことができる。
【００４４】なお、ガス循環系内の作動ガス濃度は比較
的短時間でバランスするため、エンジンの始動時のみ系
内に空気を満たしておけば、数分で作動ガスが置換さ
れ、定常状態のアルゴン濃度となる。また、水素（Ｈ
2 ）と酸素（Ｏ2 ）の燃焼で生じるのは水蒸気のみであ
り、排出物としてはこれを凝縮器５で凝縮して液体の水
として系外に排出すればよい。また、酸素供給装置７に
て供給された酸素（Ｏ2 ）中の窒素（Ｎ2 ）は低濃度に
保たれるため、これの燃焼で生じるＮＯｘの排出量は極
めて低く保持でき、クリーンなエンジンシステムとする
ことが可能となる。
的短時間でバランスするため、エンジンの始動時のみ系
内に空気を満たしておけば、数分で作動ガスが置換さ
れ、定常状態のアルゴン濃度となる。また、水素（Ｈ
2 ）と酸素（Ｏ2 ）の燃焼で生じるのは水蒸気のみであ
り、排出物としてはこれを凝縮器５で凝縮して液体の水
として系外に排出すればよい。また、酸素供給装置７に
て供給された酸素（Ｏ2 ）中の窒素（Ｎ2 ）は低濃度に
保たれるため、これの燃焼で生じるＮＯｘの排出量は極
めて低く保持でき、クリーンなエンジンシステムとする
ことが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】以上記載のごとく本発明によれば、エン
ジンの排気口から凝縮器、余剰ガス排出装置及び酸素供
給装置を経て、好ましくはその中間に排気ターボ過給機
を介して、エンジンの給気口に至るクローズドディーゼ
ルサイクルからなる作動ガスの循環路を構成し、該循環
中に酸素供給装置にて燃焼用酸素とともにこれの製造時
における不純ガスとして比熱比の高いアルゴンを供給
し、作動ガス内に含有させて循環させることにより、作
動ガスの比熱比を高く保持してエンジンを運転すること
ができる。これにより従来の二酸化炭素を作動ガスとす
るものに較べ水素エンジンの熱効率を向上することがで
きる。
ジンの排気口から凝縮器、余剰ガス排出装置及び酸素供
給装置を経て、好ましくはその中間に排気ターボ過給機
を介して、エンジンの給気口に至るクローズドディーゼ
ルサイクルからなる作動ガスの循環路を構成し、該循環
中に酸素供給装置にて燃焼用酸素とともにこれの製造時
における不純ガスとして比熱比の高いアルゴンを供給
し、作動ガス内に含有させて循環させることにより、作
動ガスの比熱比を高く保持してエンジンを運転すること
ができる。これにより従来の二酸化炭素を作動ガスとす
るものに較べ水素エンジンの熱効率を向上することがで
きる。
【００４６】また、該エンジン作動ガスの系外への排出
は凝縮器で凝縮された水のみであり、また酸素供給装置
にて供給された酸素中の窒素は低濃度に保たれるので、
これの燃焼で生じるＮＯｘの排出量は極めて低くなり、
排気の清浄なエンジンが得られる。
は凝縮器で凝縮された水のみであり、また酸素供給装置
にて供給された酸素中の窒素は低濃度に保たれるので、
これの燃焼で生じるＮＯｘの排出量は極めて低くなり、
排気の清浄なエンジンが得られる。
【００４７】また請求項３及び４の発明によれば、排気
ターボ過給機で膨張仕事をなした作動ガスをタービン発
電機でさらに膨張仕事をさせるので、タービン発電機で
のエネルギ回収によりプラントの効率が向上するととも
に、前記タービン発電機における膨張仕事により作動ガ
スの圧力及び濃度レベルが低下するので、凝縮器の伝熱
面積を小さくすることができ、凝縮器を小型化すること
ができる。これによりエンジンプラントの設置コストが
低減される。
ターボ過給機で膨張仕事をなした作動ガスをタービン発
電機でさらに膨張仕事をさせるので、タービン発電機で
のエネルギ回収によりプラントの効率が向上するととも
に、前記タービン発電機における膨張仕事により作動ガ
スの圧力及び濃度レベルが低下するので、凝縮器の伝熱
面積を小さくすることができ、凝縮器を小型化すること
ができる。これによりエンジンプラントの設置コストが
低減される。
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素ディーゼルエ
ンジンの構成図である。
ンジンの構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る図１に対応する図
である。
である。
【図３】従来の水素ディーゼルエンジンに係る図１に対
応する図である。
応する図である。
１ エンジン ２ 水素噴射装置 ３ 発電機 ４ 排気ターボ過給機 ４ａ 排気タービン ４ｂ コンプレッサ ５ 凝縮器 ６ 余剰ガス排出装置 ７ 酸素供給装置 ８ 空気冷却器（中間冷却器） ９ タービン発電機 １０ 点火装置 ２１ 排気弁 ２２ 給気弁 ２３ 排気管 ２４ 給気管 ２５ ピストン ２６ 燃焼室 ２７ クランク軸 ２８ 水素噴射弁 ２９ バイパス管 ３０ ガス循環路 ３１ ガス循環路 ３２ 切換弁
Claims (4)
- 【請求項１】 酸素を含む給気が導入される燃焼室内に
水素を供給し、前記酸素を酸化剤として水素を燃焼させ
る水素エンジンにおいて、 前記エンジンからの排気ガスを冷却し、排気ガス中の水
蒸気を凝縮液化して非凝縮作動ガスと分離して系外に排
出するとともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に
入ったアルゴンを含む非凝縮ガスを前記エンジン側へ循
環させる凝縮器と、 前記凝縮器から送出された非凝縮ガスのうちの余剰分を
系外に排出する余剰ガス排出装置と、 前記循環される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の不純ガス
としてのアルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に
送る酸素供給装置とを備え、 前記エンジンの排気口から凝縮器、余剰ガス排出装置、
酸素供給装置の順に経てエンジンの給気口に至る作動ガ
スの循環路を構成したことを特徴とする水素エンジン。 - 【請求項２】 排気タービンと該排気タービンに同軸駆
動されるコンプレッサとを備えた排気ターボ過給機を前
記循環路に設け、前記エンジンからの排気ガスで前記排
気タービンを駆動し、該駆動後の排気ガスを前記凝縮器
に導き、 前記酸素供給装置からの作動ガスを前記コンプレッサで
加圧してエンジンの給気口に送るようにした請求項１記
載の水素エンジン。 - 【請求項３】 前記循環路の前記凝縮器の上流側に排気
ガスによって駆動されるタービン発電機を設けてなる請
求項１あるいは２に記載の水素エンジン。 - 【請求項４】 前記循環路のタービン発電機の上流側部
位から該タービン発電機をバイパスして前記凝縮器の上
流部位に接続されるバイパス路を設けるとともに、該バ
イパス路の入口に、該バイパス路あるいはタービン発電
機への排気ガスの通流、遮断を切り換える切換弁を設け
た請求項３記載の水素エンジン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27526997A JP3631891B2 (ja) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | 水素エンジン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27526997A JP3631891B2 (ja) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | 水素エンジン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1193681A true JPH1193681A (ja) | 1999-04-06 |
| JP3631891B2 JP3631891B2 (ja) | 2005-03-23 |
Family
ID=17553081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27526997A Expired - Fee Related JP3631891B2 (ja) | 1997-09-22 | 1997-09-22 | 水素エンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3631891B2 (ja) |
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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