WO1990004708A1 - Moteur thermo-isole - Google Patents

Description

明 細 書

断熱エ ン ジ ン

技 術 分 野

本発明'は、 燃焼室の主要部分を断熱素材 に よ っ て構成 し た断熱エ ン ジ ン に 関す る 。

背 景 技 術

シ リ ン ダ ラ イ ナ 、 シ リ ン ダヘ ッ ド 、 ピ ス ト ン ヘ ッ ド 、 ビ ス ト ン リ ン グ 、 ノ ル ブ 、 吸 ' 排気 口 な ど 、 エ ン ジ ン の 燃焼室を 中心 と し た加熱部分 に 、 断熱素材 と し て の セ ラ ミ ッ ク ス を採用 し た 断熱エ ン ジ ン が開癸 さ れ て レヽ る 。

こ う し た断熱エ ン ジ ン は 、 シ リ ン ダ ラ イ ナ ゃ シ リ ン ダ へ ッ ド を冷却す る 必要が な く 、 そ の た め の ラ ジ ェー タ シ ス テ ム が不要 と な る 。' し か も エ ン ジ ン本体の構造 も 簡単 と な る か ら 、 エ ン ジ ン の重量 は 従来 の エ ン ジ ン に 比 し て 大幅 に 軽 く な り 、 そ の容積 も 小 さ く な る 。

と こ ろ が シ リ ン ダ ラ イ ナ や 、 シ リ ン ダへ ッ ド を 拎却 し な い た め 、 断熱エ ン ジ ン の燃焼室 は、 そ の全負荷時 に お い て は 内壁面が高温度 に 保持 さ れ る 。 つ ま り エ ン ジ ン を 加速す る と き に 、 シ リ ン ダ内で断熱圧縮 さ れ る 空気 は、 圧縮端 に て高温高圧 と な り 、 そ れゆ え に通常の ラ ジェ一 タ を有す る エ ン ジ ン の燃焼室 と 比較 し て 、 燃料燃焼 に と も な う 窒素酸化物 （ N 0 X ) が発生 し やす い と い う 問題 が あ っ た 。

窒素酸化物の発生を抑制す る た め に は、 燃料供給量を 増加 し て 、' 空燃比 を 高 く す れ ば良 い が 、 燃料 が濃 い と

-0 スー ト （黒煙） が生成される と い う 問題も発生する。

発 明 の 開 示

本発明は、 こ う し た問題点を解決すべ く な さ れ た も の で、 排気ガス中の N O X やスー ト の生成を容易 に減少さ せる こ と が可能な断熱エ ン ジ ン を提供する こ と を 目 的 と し て い る 。

本発明 に よ れば、 エ ン ジ ン の燃焼室の主要部分に断熱 素材を 用 い る と と も に 、 エ ン ジ ン の排気エネ ルギーに よ り 駆動 さ れ る タ ー ビ ン に コ ン ブ レ ッ サ を取付 け て ェ ン ジ ン に 過給する タ ー ボ チ ヤ 一 ジ ャ を備 え た断熱エ ン ジ ン に お い て 、 前記タ ー ビ ン の回転軸 に設けた電動機 と 、 前記 エ ン ジ ン の運転状態を検出す る検出手段 と 、 前記タ ービ ン回転軸に取付け ら れ前記酸素富化機構か ら酸素富化空 気をエ ン ジ ン に送気す る コ ン ブ レ ッ サ と 、 前記電動機を δ 制御して コ ン ブ レ ッ サの作動を助勢す る と と も に前記検 出手段に よ り 検出 さ れたエ ン ジ ン の運転状態に応じて酸 素富化空気量を制御する制御手段 と を備え た断熱ェ ン ジ ン が提供で き る。

本発明 に.よれば、 酸素富化機構に よ っ て空気中の酸素 0 の み通過さ せ 、 こ の酸素富化空気を エ ン ジ ン に送気 し、 さ ら にエ ン ジ ン の運転状態に よ り 電動機を駆動 して空気 量を制御 し てい る。 ま た、 上記コ ン ブ レ ッ サ と 同軸上に 前記酸素富化機構への空気の供給源と な る第 2 の コ ン ブ レ ッ サを配置し、 こ の第 2 の コ ン ブ レ ッ サの作動 に よ り エ ン ジ ン の吸気 を冷却す る 冷却器 設 け る こ と に よ つ て 、 エ ン ジ ン の加速時 に は酸素濃度 を上昇 さ せ る と と も ：こ 吸入空気温度を低下 さ せ 、 過給器付 き の断熱エ ン ジ ン の圧縮端で の空気の温度や圧力 を 、 通常のエ ン ジ ン の場 合 と 同等 な状態 ま で低減で き 、 多 く の燃料が燃焼さ れ る 場合で も そ の酸素濃度が濃い た め、 N 0 X ゃ ス ー 卜 の .生 成が抑制 さ れ る 。

図面の簡単 な説明

第 1 図 は、 本発明の一実施例を示す ブ ロ ッ ク 図、 第 2 図は、 同実施例の断熱エ ン ジ ン に 用 い る 酸素富化機構の —例を示す概要図で あ る 。

発明 を実施す る た め の最良の形態

以下、 図面を用 い て本発明の一実施例 に つ い て詳細 に 説明す る 。

第 1 図 に ぉ レヽ て 、 1 は断熱型の エ ン ジ ン 本体で あ る 。 - こ の エ ン ジ ン 本体 1 は 、 シ リ ン ダ ラ イ ナ 、 シ リ ン ダへ ヅ ド 、 ピ ス ト ン ヘ ッ ド 、 ピ ス ト ン リ ン グ 、 ノ ル ブ、 吸 · 排 気 口 な ど、 燃焼室部分に 耐火性の あ る 断熱材の セ ラ ミ ツ ク ス を 用 い た デ ィ ー ゼ ル型 の エ ン ジ ン を な す 。 つ ま り 、 こ の ヱ ン ジ ン 本体 1 は、 燃料供給機構 と し て燃料の噴射 ポ ン プ 1 2 を備 え、 エ ン ジ ン 回転数 を検知す る 回転セ ン サ 1 3 と 、 燃料供給量か ら エ ン ジ ン 負荷を検知す る 負荷 セ ン サ 1 4 と が取付 け ら れて レヽ る 。 な お 、 こ れ ら セ ン サ 1 3 、 1 4 の検知信号 は後述す る コ ン ト ロ ー ラ に送信さ れ て レ、 る 。

2 は タ ー ボ チ ャ ー ジ ャ で あ り 、 こ こ に は タ ー ビ ン 2 1 と 、 その回転軸 2 2 に第 1 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 お よび第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 4 が配置さ れて レ、 る 。 タ ービ ン 2 1 は、 エ ン ジ ン 1 の排気管 1 1 に接続されて、 そ こ か ら排 出される排気ガスエネ ルギー に よ り 回転駆動される。 ま た、 タ ー ビ ン 2 1 の回転軸 2 2 に は電動機 3 が、 コ ン ブ レ ッ サ 2 3 、 2 4 と 同軸に配置さ れてい る。

3 は、 パ ッ テ リ 4 を電力源 と す る 誘導電動機で あ つ て、 こ こ に は、 コ ン ト ロ ー ラ 5 か ら所定の交流周波数に 変換さ れた交流電力が供給さ れる。 そ して、 例え ばェ ン ジ ン 1 が加速される よ う な過渡的な状態に あ っ て、 コ ン ト ロ ー ラ 5 か ら の指令に よ り 、 そ こ に供給される交流電 力 に応 じ てカ行運転さ れ、 第 1 お よ び第 2 の ユン ブ レ ツ サ 2 3 、 2 4 を増速せ しめ る。

第 1 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 は、 大型イ ンベ ラ .を有する遠 心式 コ ン ブ レ ッ サであ っ て、 その圧縮比ほ大き なも のが 使甩さ れ る 。 こ の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 の上流 に は酸素富化 機構 6 が設-け ら れ、 そ の下流に は導管 2 5 を介 して冷却 器 7 が設け ら れ、 更に、 こ こ か ら吸気管 1 5 を介してェ ン ジ ン 1 に対 して、 酸素富化機構 6 か ら の酸素の多い燃 焼用空気が供給さ れて い る 。

第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 4 は、 大容量で、 低圧縮型の遠 心式コ ン ブ レ ッ サであ る。 こ れほ、 酸素富化機構 6 への 空気供給源と し て利用 さ れる も の で、 さ ら に酸素富化機 構 6 で一部の酸素が除かれた空気は、 導管 2 6 を介し て 冷却器 7 に送ら れる こ と に よ り 、 酸素に富んだエ ン ジ ン 吸入気の温度 を低下さ せ て い る 。

5 は 、 マ イ ク ロ コ ン ピ ュ ー タ 構成の コ ン ト ロ ー ラ で あ る 。 こ れ は、 上記電動機 3 に よ り 第 1 お よ び第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 、 2 4 の作動を助勢 し て 、 酸素富化空気量 を制御す る た め に 必要 な演算処理を行 う 中央処理装置、 演算処理手順や演算手順 な ど の指令 ブ ロ グ ラ ム を格納す る 各種メ モ リ 、 入 Z出力 ポー ト な ど の他、 直流電力 を所 定周波数の交流電力 に 変換す る 強電用 ィ ン バー タ を備え て い る 。

な お 、 エ ン ジ ン 1 の吸気管 1 5 に は 、 圧'力 セ ン サ 1 6 が配置 さ れ 、 酸素 に 富 ん だ 吸 気 の 圧力 が 計測 さ れ て い る 。 ま た 、 第 1 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 と 冷却器 7 と の 間 の 導管 2 5 に は、 空気調整弁 2 7 が配置 さ れ て 、 エ ン ジ ン 1 への空気流を調節 し て い る 。 こ の空気調整弁 2 7 は、 空気圧制御装置 2 8 に よ っ て制御 さ れ て い る 。 ま た酸素 富化機構 6 の 出 力側 に は 、 酸素量 セ ン サ ⁶ 2 が設 け ら れ、 そ の酸素量を検出 し て い る 。

第 2 図は、 こ の酸素富化機構 6 の一例の概要図を示 し て レヽ る 。 '

こ の酸素富化機構 6 の内部 に は 、 高分子薄膜 6 1 、 例 え ば ジ メ チ ル シ ロ キ サ ン と ポ リ カ ー ボ ネ ー ト と の共重合 体か ら な る 0 . 1 ^ m程度の薄膜が設 け ら れ、 こ の高分 子薄膜 6 1 を隔て て高圧室 H と 低圧室 L と が配置さ れて レ、 る 。 こ の高圧室 H に ほ 、 第 ² の コ ン ブ レ ッ サ 2 4 ( 送 気ポ ン プ P h ) に よ り 外気が圧送さ れ、 こ の高圧室 H の 空気 に含ま れて い る酸素分子のみが高分子薄膜 6 1 を透 邊 し て低圧室 L に至 り 、 窒素分子 と.分離さ れる。 こ の低 圧室 か ら 、 酸素分子は第 1 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 (送気 ポ ン プ P j£ ) に よ り 負圧吸引され、 第 1 の コ ン ブレ ッ サ 2 3 か ら酸素成分の多い空気をエン ジ ン に送気する よ う に し て レヽ る 。

つ ぎ に、 こ の よ う に構成さ れた本実施例装置の作動に つい て説明す る。

エ ン ジ ン 1 が運転さ れる と 、 その排気管 1 1 か ら の排 気ガス エネ ルギー に よ り タ ー ボチ ャ ージ ャ 2 の タービ ン 2 1 が回転駆動さ れる。 こ れに よ り タービ ン 2 1 の回転 軸 2 2 に取付け ら れた第 1 、 第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 、 2 4 が と も に駆動され、 第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 4 の作動 に よ っ て酸素富化機構 6 へ空気が供給されるか ら、 高分 子薄膜 6 1 を透過 し た酸素に富ん だ酸素富化空気が、 1 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 に よ り 、 導管 2 5 お よ び^却器 7 を介 してエ ン ジ ン 1 の吸気管 1 5 に送気される。 こ の と き 、 冷却器 7 を通過す る酸素富化空気は、 第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 4 か ら排出さ れる窒素分の多い空気に よ り 十分 に冷却さ れる ため、 エ ン ジ ン 1 に は温度が十分に低下し た吸入気 と し て供給される。

エ ン ジ ン 1 の加速時に は、 噴射ポ ン プ 1 2 に配置され た回転セ ン サ 1 3 、 負荷セ ン サ 1 4 か ら 、 加速状態に応 じ た信号がコ ン 卜 ローラ 5 に入力さ れる。 し たがっ て、 コ ン ト ロ ー ラ 5 .は入力 さ れた こ れ ら の信号か ら判断 し て 、 バ ッ テ リ 4 の直流電力 を所定周波数の交流電力 に 変 換 し て電動機 3 に 給電す る 。 こ の給電 に よ っ て 、 第 1 の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 お よ び第 2 の コ ン ブ レ ッ サ 2 4 の回転 は増速さ 'れ、 酸素富化機構 6 を 用 い る酸素富化作動が促 進さ れ る 。 し た が っ て 、 エ ン ジ ン 1 の加速 に 必要 な だ け の 、 か つ 酸素濃度 の 濃 い空気量 が エ ン ジ ン 1 に 供給 さ れ .、 さ ら に 冷却器 7 に よ り 冷却 さ れ て レヽ る た め、 . N O x ゃ スー ト の生成が抑制 さ れ る 。

ま た 、 酸素富化機構 6 に お け る 酸素富化 の 促進状態 は、 酸素量セ ン サ 6 2 や 、 吸気管 1 5 に設 け た圧力 セ ン サ 1 6 の検出信号 に よ り 検知 さ れ、 加速時等の過渡的 な 状態 が正 確 に 把握さ れ る か ら 、 2 つ の コ ン ブ レ ッ サ 2 3 、 2 4 の動作状態を最適 に 制御す る こ と が で き る 。 以上、 本発明の一実施例を説明 し た が、 本発明 は こ れ に 限定 さ れ る も の で な く 、 本発明 の要旨 の範囲内で種 々 の変形が可能で あ っ て 、 こ れ ら を本発明の範囲か ら排除 す る も の で は な レヽ 。

産業上の利用可能性

本発明 は、 エ ン ジ ン の燃焼室 に 断熱素材を 用 い る と と も に 、 エ ン ジ ン の排気エ ネ ル ギー に よ り 駆動 さ れ る タ ー ビ ン に コ ン ブ レ ッ サ を取付 け て エ ン ジ ン に 過給す る タ ー ボチ ャ ー ジ ャ を備え た断熱エ ン ジ ン に 使用 し て好適であ る 。

Claims

-請 求 の 範 囲

( 1 ) エ ン ジ ン の燃焼室の主要部分に断熱素材を用いる と と も に 、 エ ン ジ ン の排気エネ ルギーに よ り 駆動される タ ー ビ ン に コ ン ブ レ ッ サを取付けてエ ン ジ ン に過給する タ ー ボ チ ャ ー ジ ャ を備え た断熱エ ン ジ ン は、 次を含む ： 前記エ ン ジ ン の運転状態を検出す る検出手段 ；

|J記ター ビ ン の回転軸に設けた電動機 ；

酸素富化膜を有す る酸素富化機構 ；

前記タ ー ビ ン回転軸に取付け ら れ前記酸素富化機構か ら酸素富化空気を エ ン ジ ン に送気する コ ン ブ レ ッ サ ； 前記電動機を制御 し て コ シ ブ レ ッ サの作動を助势する と と も に前記検出手段に よ り 検出されたエ ン ジ ン の運転 状態に応じて酸素當化空気量を制御する制御手段。

( 2 ) 前記検出手段 と して、 エ ン ジ ン の回転数を検出 す る回転セ ン サ と 、 エ ン ジ ン へ の燃料供給量を検出する 負荷セ ン サ と を具備 し た こ と を特徴 と す る請求の範囲第

( 1 ) 項記載の断熱ェ ン ジ ン 。

( 3 ) 前記電動機は、 バ ッ テ リ を電力源と す る誘導電 動機であ っ て、 こ こ に は、 前記制御手段に よ っ て所定の- 交流周波数に変換された交流電力が供給さ れる こ と を特 徴 と す る請求の範图第 （ 1 ) 項記載の断熱エ ン ジ ン 。

( 4 ) 前記酸素富化機構は、 酸素二のみを透過する高分 子薄膜 に よ り 隔て ら れ た高圧室 と 低圧室 と を有 し て い る こ と を特徴 と す る 請求の範囲第 （ 1 ) 項記載の断熱ェ ン ジ ン 。

( 5 ) 前記高分子薄膜は、 ジ メ チ ル シ ロ キ サ ン と ポ リ カ ー ボネ ー 卜 と の共重合体か ら な る 0 . 程度の薄 膜 あ る こ と を特徴 と す る 請求 の範囲第 （ 4 ) 項記載の 断熱エ ン ジ ン 。

( 6 ) 前記 コ ン ブ レ ッ サ の下流 に は 、 酸素 に 富ん だェ ン ジ ン 吸入気の温度を低下 さ せ る 冷却器が設 け ら れ て い る こ と を特徴 と す る 請求 の範囲第 （ 1 ) 項記載の断熱ェ ン ジ ン 。 -

( 7 ) 前記タ ー ビ ン の回転軸 に は、 酸素富化空気を ェ ン ジ ン に 送気す る コ ン ブ レ ッ サ と は 別 に 、 第 2 の コ ン ブ レ ッ サ が設け ら れ、 そ の作動 に よ っ て前記酸素富化機構 へ空気が供給 さ れ、 か っ こ の酸素富化機構で一部の酸素 が除か れ た空気を前記冷却器 に送 り 、 酸素 に 富んだェ ン ジ ン 吸入気の温度を低下さ せ る こ と を特徴 と す る請求の 範囲第 （ 6 ) 項記載の断熱エ ン ジ ン 。

( 8 ) 前記制御装置は、 前記 コ ン ブ レ ッ サ と 冷却器 と の間 に 配置 さ れ た空気調整弁を制御 し て 、 エ ン ジ ン へ の 空気流を調節す る こ と を特徴 と す る 請求の範囲第 （ 6 ) 項ま た は第 （ 7 ) 項記載の断熱エ ン ジ ン 。

( 9 ) 前記エ ン ジ ン の吸気管に は、 圧力セ ン サが配置 さ れてい る こ と を特徴 と する請求の範囲第 （ 6 ) 項ま た は第 （ 7 ) 項ま た は第 （ β ) 項記載の断熱エ ン ジ ン 。

( 1 0 ) 前記酸素富化機構の 出力側 に は、 酸素量セ ン サ が設 け ら れて レ、 る こ と を特徴 と す る 請求の範囲第

( 6 ) 項 ま た は第 （ 7 ) 項 ま た は第 （ 8 ) 項 ま た は第 ( 9 ) 項記載の断熱エ ン ジ ン 。