WO2021161610A1 - ４ストロークエンジン及びクランクケースの内部における着火防止方法 - Google Patents

４ストロークエンジン及びクランクケースの内部における着火防止方法 Download PDF

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WO2021161610A1
WO2021161610A1 PCT/JP2020/042968 JP2020042968W WO2021161610A1 WO 2021161610 A1 WO2021161610 A1 WO 2021161610A1 JP 2020042968 W JP2020042968 W JP 2020042968W WO 2021161610 A1 WO2021161610 A1 WO 2021161610A1
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WO
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hydrogen gas
gas
crankcase
exhaust gas
flow path
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Application number
PCT/JP2020/042968
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Inventor
雅人 仲井
洋輔 野中
Original Assignee
川崎重工業株式会社
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    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M13/02—Crankcase ventilating or breathing by means of additional source of positive or negative pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a 4-stroke engine that can be operated with a fuel containing hydrogen gas.
  • the present invention also relates to an ignition prevention method for preventing the ignition of hydrogen gas inside the crankcase of a 4-stroke engine capable of operating with fuel containing hydrogen gas.
  • gas in the combustion chamber may leak into the crankcase through the space between the cylinder and piston. It is well known in the technical field of 4-stroke engines that gas leaks into the crankcase, and this leaking gas is called blow-by gas (see, for example, Patent Documents 1 and 2 below).
  • Blow-by gas contains unburned fuel gas, but when natural gas is used as fuel, the concentration of unburned fuel gas does not increase inside the crankcase until it can be ignited. Therefore, in a 4-stroke engine that normally uses natural gas or the like as fuel, the unburned fuel gas does not ignite inside the crankcase, and the one that has taken measures against the ignition of the unburned fuel gas inside the crankcase. I can't find it.
  • an object of the present invention is to provide a 4-stroke engine that can be operated with a fuel containing hydrogen gas and that hydrogen gas does not ignite inside the crankcase.
  • Another object of the present invention is to provide an ignition prevention method capable of preventing hydrogen gas from igniting inside a crankcase in a 4-stroke engine that can be operated with a fuel containing hydrogen gas.
  • the 4-stroke engine according to one aspect of the present invention is a 4-stroke engine that can be operated with a fuel containing hydrogen gas, and includes a crankcase having a ventilation port, an outside of the crankcase, and the ventilation port.
  • It is equipped with a ventilation fan that forcibly discharges gas from the inside of the crankcase to the outside.
  • the concentration of hydrogen gas inside the crankcase is below the lower limit of the flammable range, so the hydrogen gas does not ignite inside the crankcase.
  • the engines described in Patent Documents 1 and 2 described above have a mechanism for discharging blow-by gas from the crankcase, but the amount of blow-by gas discharged from the crankcase is used to prevent deterioration of the lubricating oil. It is an appropriate amount or an amount that does not obstruct the flow of blow-by gas, and has a different configuration from the above-mentioned 4-stroke engine.
  • the ignition prevention method is an amount that allows the concentration of hydrogen gas inside the crankcase to fall below the lower limit of the flammable range in a 4-stroke engine that can be operated with a fuel containing hydrogen gas.
  • Hydrogen gas is forcibly discharged from the inside of the crank case to the outside together with a gas other than the hydrogen gas to prevent the hydrogen gas from igniting inside the crank case.
  • the concentration of hydrogen gas inside the crankcase is below the lower limit of the flammable range, so that it is possible to prevent the hydrogen gas from igniting inside the crankcase.
  • a 4-stroke engine that can be operated with a fuel containing hydrogen gas and does not ignite hydrogen gas inside the crankcase. Further, in a 4-stroke engine capable of operating with a fuel containing hydrogen gas, it is possible to provide an ignition prevention method capable of preventing hydrogen gas from igniting inside the crankcase.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a 4-stroke engine according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram of the control system of the 4-stroke engine according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a flow chart of the ignition prevention program of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the 4-stroke engine according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a 4-stroke engine according to a third embodiment.
  • the 4-stroke engine 100 (hereinafter, simply referred to as “engine”) 100 according to the first embodiment will be described.
  • the engine 100 according to the present embodiment can be operated with a fuel containing hydrogen gas, and can also be operated with a fuel not containing hydrogen gas.
  • fuel containing hydrogen gas includes not only fuel that is partially hydrogen gas but also fuel that is entirely hydrogen gas (that is, hydrogen gas itself).
  • the use of the engine 100 is not particularly limited, and for example, the engine 100 may be used for driving a vehicle or may be used for power generation.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the engine 100 according to the first embodiment.
  • the engine 100 according to the present embodiment is located below the cylinder block 12, the cylinder block 12 including the cylinder 10 and the crankcase 11, the cylinder head 13 located above the cylinder block 12, and the cylinder block 12.
  • It includes an oil pan 14 that receives lubricating oil, and a piston 17 that reciprocates in the cylinder 10 and drives a crankcase 16 via a connecting rod 15.
  • the engine 100 includes a combustion chamber 20 defined by an inner peripheral surface of the cylinder 10, a crown surface of the piston 17, and a lower surface of the cylinder head 13.
  • the cylinder head 13 is formed with an intake port 21 and an exhaust port 22 that open into the combustion chamber 20.
  • the engine 100 includes an intake gas flow path 23 and an exhaust gas flow path 24.
  • the intake gas flow path 23 is connected to the intake port 21, takes in outside air, and supplies the taken in outside air to the combustion chamber 20 as intake gas.
  • the exhaust gas flow path 24 is connected to the exhaust port 22 and discharges the exhaust gas from the combustion chamber 20.
  • the cylinder head 13 is provided with an intake valve 25 that opens and closes a portion of the intake port 21 that opens to the combustion chamber 20, and an exhaust valve 26 that opens and closes a portion of the exhaust port 22 that opens to the combustion chamber 20. Further, the cylinder head 13 is provided with a spark plug 27 facing the combustion chamber 20 and a fuel injection valve 28 for injecting fuel. Although the fuel injection valve 28 of the present embodiment is provided at the intake port 21, it may be provided upstream of the intake port 21 or may be provided so as to face the combustion chamber 20. In the engine 100 according to the present embodiment, the fuel in the combustion chamber 20 is ignited by using the spark plug 27, but it may be ignited by another method. When igniting by another method, the spark plug 27 can be omitted.
  • the intake gas flow path 23 is provided with a compressor 30 that boosts the intake gas. Further, the exhaust gas flow path 24 is provided with a turbine 31 driven by the energy of the exhaust gas. The compressor 30 is connected to the turbine 31, and the compressor 30 is also driven by driving the turbine 31. The compressor 30 and the turbine 31 can be omitted.
  • the intake stroke, the compression stroke, the combustion expansion stroke, and the exhaust stroke are repeated.
  • the combustion chamber 20 is filled with a mixed gas in which the intake gas and the fuel are mixed.
  • a part of the mixed gas leaks into the crankcase 11 through between the cylinder 10 and the piston 17 mainly in the compression stroke and the combustion expansion stroke.
  • hydrogen gas will enter the inside of the crankcase 11.
  • the engine 100 according to the present embodiment includes a concentration sensor 32 that detects the concentration of the invading hydrogen gas inside the crankcase 11.
  • a ventilation port 33 is formed in the crankcase 11.
  • the engine 100 includes a ventilation flow path 34 that connects the ventilation port 33 and the outside of the crankcase 11, and a ventilation fan 35 provided in the ventilation flow path 34.
  • the ventilation fan 35 forcibly discharges the gas inside the crankcase 11 to the outside. That is, the ventilation fan 35 discharges more gas to the outside of the crankcase 11 than the gas leaking from the combustion chamber 20 to the crankcase 11.
  • the ventilation fan 35 discharges not only the hydrogen gas but also a gas other than the hydrogen gas to the outside of the crankcase 11.
  • the gas discharged by the ventilation fan 35 is discharged to, for example, outside the engine room in which the engine 100 is housed and in a place where no one can approach.
  • the crankcase 11 is formed with an introduction port 36.
  • the engine 100 includes an outside air introduction path 37 that connects the introduction port 36 and the space outside the engine 100, and an outside air filter 38 provided in the outside air introduction path 37.
  • the outside air filter 38 removes (collects) dust contained in the outside air passing through the outside air introduction path 37.
  • the ventilation fan 35 is driven, the inside of the crankcase 11 becomes a negative pressure, so that the outside air is introduced into the inside of the crankcase 11 through the outside air introduction path 37 and the introduction port 36.
  • the outside air introduction path 37 may be provided with a fan or the like for boosting the outside air.
  • FIG. 2 is a block diagram of the control system of the engine 100 according to the first embodiment.
  • the engine 100 according to the present embodiment includes a control device 40 as a control system configuration.
  • the control device 40 has a processor, a volatile memory, a non-volatile memory, an I / O interface, and the like.
  • An ignition prevention program and various data, which will be described later, are stored in the non-volatile memory of the control device 40, and the processor performs arithmetic processing using the volatile memory based on each control program.
  • the control device 40 is electrically connected to the operating device 41 and the above-mentioned concentration sensor 32 (see also FIG. 1).
  • the operating device 41 is a device operated by an operator of the engine 100, and when the engine 100 is a multi-element fuel engine, the fuel to be used can be selected.
  • the control device 40 can acquire information on the fuel to be used based on the operation signal transmitted from the operation device 41. Further, the control device 40 can acquire the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11 based on the measurement signal transmitted from the concentration sensor 32.
  • control device 40 is electrically connected to the ventilation fan 35.
  • the control device 40 transmits a control signal to the ventilation fan 35 in accordance with an ignition prevention program described later, and drives and stops the ventilation fan 35.
  • the control device 40 is electrically connected to a device other than the above-mentioned device and performs various controls, but the details thereof will be omitted.
  • FIG. 3 is a flowchart of the ignition prevention program.
  • the ignition prevention program is a program for ventilating the inside of the crankcase 11 to prevent ignition when there is a risk of hydrogen gas igniting inside the crankcase 11.
  • the ignition prevention program is started before the start of operation of the engine 100.
  • the control device 40 acquires information on the fuel used for the engine 100 from the operation device 41 (step S1).
  • step S2 determines whether or not the fuel used in the engine 100 contains hydrogen gas. If it is determined that the fuel does not contain hydrogen gas (NO in step S2), the ignition prevention program is terminated because there is no risk of hydrogen gas igniting inside the crankcase 11. On the other hand, if it is determined that the fuel contains hydrogen gas (YES in step S2), the process proceeds to step S3.
  • step S3 the control device 40 determines whether or not the engine 100 is before the start of operation. If it is determined that the engine 100 has not started operation (YES in step S3), the ventilation fan 35 is driven (step S4), and then the process returns to step S3. As a result, the gas inside the crankcase 11 is discharged to the outside. In this way, ventilation is performed before the start of operation of the engine 100 because there is a possibility that hydrogen gas may remain inside the crankcase 11 in the previous operation.
  • the ventilation fan 35 is continuously driven as long as the engine 100 is before the start of operation, but the ventilation fan 35 may be driven only once before the start of operation.
  • step S3 when the control device 40 determines that the engine 100 is not before the start of operation, that is, after the start of operation (NO in step S3), the control device 40 acquires the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11 (step S5). ..
  • the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11 can be obtained from the concentration sensor 32.
  • the control device 40 determines whether or not the concentration of the hydrogen gas acquired in step S5 is equal to or higher than a predetermined threshold value (step S6).
  • the threshold value of the present embodiment is set to a lower limit value of the flammable range of hydrogen gas or a value lower than the lower limit value by a predetermined amount. Since the flammable range of hydrogen gas in the air is about 4-75 vol%, assuming that the inside of the crankcase 11 is filled with hydrogen gas and air (outside air), the lower limit of the flammable range is 4 vol%. Become. In this case, the threshold value is set to 4 vol% or a value lower than 4 vol% (for example, 3 vol%) with some margin. Since the threshold value is set in this way, if the concentration of the hydrogen gas is equal to or higher than the threshold value, the hydrogen gas may be ignited inside the crankcase 11.
  • the hydrogen gas may ignite inside the crankcase 11, so that the control device 40 drives the ventilation fan 35. Ventilate the inside of the crankcase 11 (step S7).
  • control device 40 determines that the concentration of hydrogen gas is not equal to or higher than a predetermined threshold value, that is, lower than the threshold value (NO in step S6), there is no possibility that hydrogen will ignite inside the crankcase 11, so ventilation is provided.
  • the fan 35 is stopped (step S8).
  • step S9 the control device 40 determines whether or not the operation of the engine 100 has been completed.
  • the ignition prevention program is terminated.
  • step S5 the process returns to step S5, and steps S5 to S9 are repeated until the operation of the engine 100 is completed.
  • the control device 40 drives the ventilation fan 35 regardless of the concentration of hydrogen gas inside the crank case 11 before the start of operation of the engine 100, but the concentration of hydrogen gas is a predetermined threshold value.
  • the ventilation fan 35 may be driven, and if the concentration of hydrogen gas is lower than a predetermined threshold value, the ventilation fan 35 may be stopped.
  • the engine 100 of the present embodiment can be operated with a plurality of fuels, when the engine 100 is operated only with the fuel containing hydrogen gas and is not operated with the fuel not containing hydrogen gas, the above steps S1 and S2 can be omitted from the ignition prevention program.
  • the engine 100 controls the ventilation fan 35 by the control device 40, it is not necessary to control the ventilation fan 35. That is, the ventilation fan 35 may be constantly driven. However, if the amount of gas discharged from the ventilation fan 35 is small, hydrogen gas may ignite inside the crankcase 11. Therefore, the ventilation fan 35 forces an amount of hydrogen gas that allows the concentration of hydrogen gas inside the crank case 11 to fall below the lower limit of the flammable range from the inside to the outside of the crank case 11 together with a gas other than the hydrogen gas. It is configured so that it can be discharged to.
  • control device 40 may adjust the output of the ventilation fan 35 (that is, the ventilation volume inside the crankcase 11) instead of simply driving / stopping the ventilation fan 35. That is, when the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is lower than the predetermined threshold value, the control device 40 ventilates with a smaller output than when the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is equal to or higher than the predetermined threshold value.
  • the fan 35 may be driven.
  • a predetermined threshold value target value
  • the output of the ventilation fan 35 may be reduced as it becomes larger.
  • the output of the ventilation fan 35 is increased as the difference between the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 and the threshold value increases. It may be increased.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the engine 200 according to the second embodiment.
  • the engine 100 according to the first embodiment "outside air” is introduced inside the crankcase 11, whereas as shown in FIG. 4, the engine 200 according to the present embodiment is inside the crankcase 11. Both engines differ in that they introduce “exhaust gas” into the engine.
  • the engine 200 includes an exhaust gas introduction path 50 and an exhaust gas cooler 51.
  • the exhaust gas introduction path 50 is a flow path that connects a portion of the exhaust gas flow path 24 downstream of the turbine 31 and the introduction port 36.
  • the introduction port 36 introduces the exhaust gas into the crankcase 11 through the exhaust gas introduction path 50.
  • the exhaust gas introduction path 50 may connect the portion upstream of the turbine 31 of the exhaust gas flow path 24 to the introduction port 36.
  • the exhaust gas cooler 51 is provided in the exhaust gas introduction path 50 and cools the exhaust gas passing through the exhaust gas introduction path 50.
  • the water contained in the exhaust gas is condensed to generate condensed water.
  • the generated condensed water is discharged to the outside of the exhaust gas cooler 51.
  • the fuel contains hydrogen gas
  • water is generated when the fuel is burned, so that the exhaust gas contains a large amount of water.
  • Exhaust gas has a lower oxygen concentration than the outside air. Therefore, the lower limit of the flammable range of hydrogen gas in the gas including the exhaust gas is higher than the lower limit of the flammable range of hydrogen gas in the air. That is, when the gas introduced from the introduction port 36 into the crankcase 11 is exhaust gas, hydrogen gas is less likely to ignite than when it is outside air. Therefore, according to the present embodiment, the capacity required for the ventilation fan 35 and the energy consumption of the ventilation fan 35 can be suppressed.
  • the outside air filter 38 can be omitted.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the engine 300 according to the third embodiment.
  • the engine 300 according to the present embodiment introduces exhaust gas into the crankcase 11 in the same manner as the engine 200 according to the second embodiment.
  • the exhaust gas introduced into the crankcase 11 by the engine 300 according to the present embodiment is so-called exhaust gas recirculation (EGR) exhaust gas.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the engine 300 includes an EGR flow path 60, an EGR cooler 61, and a branch flow path 62.
  • the EGR flow path 60 is a flow path that connects a portion of the exhaust gas flow path 24 downstream of the turbine 31 and a portion of the intake gas flow path 23 upstream of the compressor 30.
  • the EGR flow path 60 may connect the portion of the exhaust gas flow path 24 upstream of the turbine 31 and the portion of the intake gas flow path 23 downstream of the compressor 30.
  • the EGR cooler 61 is provided in the EGR flow path 60 and cools the exhaust gas passing through the EGR flow path 60.
  • the water contained in the exhaust gas is condensed to generate condensed water.
  • the generated condensed water is discharged to the outside of the EGR cooler 61.
  • the fuel contains hydrogen gas
  • the exhaust gas contains a large amount of water.
  • the branch flow path 62 is a flow path that connects the portion of the EGR flow path 60 downstream of the EGR cooler 61 with the introduction port 36.
  • the introduction port 36 introduces the exhaust gas into the inside of the crankcase 11 through the branch flow path 62.
  • An on-off valve may be provided in each of the EGR flow path 60 and the branch flow path 62, and the opening degree of each on-off valve may be controlled by the control device 40.
  • the engine 300 according to the present embodiment can suppress the capacity required for the ventilation fan 35 and the energy consumption of the ventilation fan 35, and also suppress the deterioration of the lubricating oil. be able to. Moreover, since the engine 300 uses the EGR flow path 60 and the EGR cooler 61, the exhaust gas introduction path 50 and the exhaust gas cooler 51 provided in the engine 200 according to the second embodiment can be omitted.
  • the engines 100, 200, and 300 are 4-stroke engines that can be operated with a fuel containing hydrogen gas, and the crankcase 11 in which the ventilation port 33 is formed and the outside and ventilation of the crankcase 11 are ventilated.
  • the amount of hydrogen gas provided in the ventilation flow path 34 that communicates with the port 33 and that allows the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11 to fall below the lower limit of the flammable range is other than hydrogen gas.
  • a ventilation fan 35 for forcibly discharging the gas from the inside of the crankcase 11 to the outside is provided.
  • the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11 is below the lower limit of the flammable range, so that the hydrogen gas does not ignite inside the crankcase 11.
  • crankcase 11 is formed with an introduction port 36 for introducing a gas outside the crankcase 11 into the inside of the crankcase 11.
  • the engine 100 further includes an outside air introduction path 37 that connects the space outside the engine 100 and the introduction port 36, and the introduction port 36 crankcases the outside air through the outside air introduction path 37. It is introduced inside.
  • the engine 100 according to the first embodiment is further provided with an outside air filter 38 provided in the outside air introduction path 37 and removing dust contained in the outside air passing through the outside air introduction path 37.
  • the engine 200 according to the second embodiment further includes an exhaust gas flow path 24 for discharging exhaust gas from the combustion chamber 20 and an exhaust gas introduction path 50 for connecting the exhaust gas flow path 24 and the introduction port 36.
  • the introduction port 36 introduces the exhaust gas into the crankcase 11 via the exhaust gas introduction path 50.
  • the engine 200 according to the second embodiment is further provided with an exhaust gas cooler 51 provided in the exhaust gas introduction path 50 and cooling the exhaust gas passing through the exhaust gas introduction path 50.
  • the exhaust gas contains a large amount of water.
  • the moisture contained in the exhaust gas causes deterioration of the lubricating oil inside the crankcase 11.
  • the exhaust gas cooler 51 cools the exhaust gas to reduce the amount of water contained in the exhaust gas, so that deterioration of the lubricating oil inside the crankcase 11 can be suppressed.
  • the engine 300 has an intake gas flow path 23 for supplying intake gas toward the combustion chamber 20, an exhaust gas flow path 24 for discharging exhaust gas from the combustion chamber 20, and an exhaust gas flow path.
  • the EGR flow path 60 that connects the 24 and the intake gas flow path 23, the EGR cooler 61 that is provided in the EGR flow path 60 and cools the exhaust gas that passes through the EGR flow path 60, and the EGR cooler 61 of the EGR flow path 60.
  • the introduction port 36 further includes a branch flow path 62 that connects a portion downstream of the inlet and the introduction port 36, and the introduction port 36 brings exhaust gas cooled by the EGR cooler 61 into the inside of the crank case 11 via the branch flow path 62. Introduce.
  • the exhaust gas cooled by using the EGR system can be introduced into the crankcase 11, so that the installation of a cooler or the like for cooling the exhaust gas can be omitted.
  • the engines 100, 200, and 300 described above have a concentration sensor 32 that measures the concentration of hydrogen gas inside the crank case 11, and hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 after the start of operation of the engines 100, 200, and 300.
  • concentration sensor 32 that measures the concentration of hydrogen gas inside the crank case 11, and hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 after the start of operation of the engines 100, 200, and 300.
  • the ventilation fan 35 is driven, and when the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is lower than the predetermined threshold, the ventilation fan 35 is stopped or the hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is stopped.
  • a control device 40 configured to drive the ventilation fan 35 with a smaller output than when the concentration of the gas is equal to or higher than a predetermined threshold value.
  • the ventilation fan 35 can be stopped or the output of the ventilation fan 35 can be reduced depending on the situation, so that the energy consumption of the ventilation fan 35 can be suppressed.
  • control device 40 drives the ventilation fan 35 before the start of operation of the engines 100, 200 and 300 regardless of the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11. It is configured in.
  • the ventilation fan 35 is driven regardless of the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11. Therefore, according to this configuration, the inside of the crankcase 11 is ventilated in advance before the start of operation of the engines 100, 200, 300. Therefore, at the start of operation of the engines 100, 200, 300, the crankcase 11 It is possible to prevent hydrogen gas from igniting inside.
  • the control device 40 drives the ventilation fan 35 when the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is equal to or higher than a predetermined threshold value before the start of operation of the engines 100, 200, 300. Then, when the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is lower than the predetermined threshold value, the ventilation fan 35 is stopped or the concentration of hydrogen gas acquired from the concentration sensor 32 is ventilated with a smaller output than when the concentration is equal to or higher than the predetermined threshold value. It may be configured to drive the fan 35.
  • the ventilation fan 35 can be stopped or the output of the ventilation fan 35 can be reduced depending on the situation, so that the energy consumption of the ventilation fan 35 can be suppressed.
  • the engines 100, 200, and 300 can be operated not only with a fuel containing hydrogen gas but also with a fuel not containing hydrogen gas, and the operating device 41 capable of selecting the fuel to be used for the engines 100, 200, and 300. It further includes a control device 40 configured to acquire information about the fuel to be used from the operating device 41 and to stop the ventilation fan 35 when the fuel used does not contain hydrogen gas.
  • the above-mentioned ignition prevention method is an amount in which the concentration of hydrogen gas inside the crank case 11 can fall below the lower limit of the flammable range in the engines 100, 200, and 300 that can be operated with fuel containing hydrogen gas.
  • the hydrogen gas is forcibly discharged from the inside of the crank case 11 to the outside together with a gas other than the hydrogen gas to prevent the hydrogen gas from igniting inside the crank case 11.
  • the concentration of hydrogen gas inside the crankcase 11 is below the lower limit of the flammable range, so that it is possible to prevent the hydrogen gas from igniting inside the crankcase 11.

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Abstract

本発明の一態様に係る４ストロークエンジンは、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンであって、換気口が形成されたクランクケースと、クランクケースの外部と換気口とを連絡する換気流路と、換気流路に設けられ、クランクケースの内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともにクランクケースの内部から外部へ強制的に排出する換気ファンと、を備えている。

Description

４ストロークエンジン及びクランクケースの内部における着火防止方法
　本発明は、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンに関する。また、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンのクランクケースの内部における水素ガスの着火を防止する着火防止方法に関する。
　４ストロークエンジンでは、シリンダとピストンの間を抜けて燃焼室の気体がクランクケースに漏れ出る場合がある。クランクケースに気体が漏れ出ることは、４ストロークエンジンの技術分野では周知であり、この漏れ出る気体はブローバイガスと呼ばれている（例えば、下記の特許文献１及び２参照）。
特開２００７－１６７７６号公報 特開２０１６－２０５２４７号公報
　ブローバイガスには未燃燃料ガスが含まれているが、天然ガスを燃料として使用する場合、クランクケースの内部では着火可能な程度になるまで未燃燃料ガスの濃度は上昇しない。そのため、通常、天然ガス等を燃料とする４ストロークエンジンでは、クランクケースの内部で未燃燃料ガスに着火することはなく、クランクケースの内部における未燃燃料ガスの着火について対策を施したものは見当たらない。
　一方、水素ガスを含む燃料を使用する４ストロークエンジンは事情が異なる。水素ガスは天然ガスやガソリンなどの他の燃料に比べ可燃範囲が非常に広く、理論空燃比の１０倍に希釈されても着火する。そのため、水素ガスを含む燃料を使用する４ストロークエンジンでは、クランクケースの内部において水素ガスの濃度が着火可能な程度に維持される可能性がある。
　そこで、本発明は、水素ガスを含む燃料での運転が可能であって、クランクケースの内部で水素ガスが着火しない４ストロークエンジンを提供すること目的としている。また、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンにおいて、クランクケースの内部で水素ガスが着火するのを防ぐことができる着火防止方法を提供することを目的としている。
　本発明の一態様に係る４ストロークエンジンは、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンであって、換気口が形成されたクランクケースと、前記クランクケースの外部と前記換気口とを連絡する換気流路と、前記換気流路に設けられ、前記クランクケースの内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともに前記クランクケースの内部から外部へ強制的に排出する換気ファンと、を備えている。
　この４ストロークエンジンによれば、クランクケースの内部における水素ガスの濃度は可燃範囲の下限値を下回ることになるため、クランクケースの内部で水素ガスが着火することはない。なお、前述の特許文献１及び２に記載のエンジンは、クランクケースからブローバイガスを排出する機構を備えているが、クランクケースから排出されるブローバイガスの量は、潤滑油の劣化を防ぐのに適切な量、又は、ブローバイガスの流れを阻害しない量であり、上記の４ストロークエンジンとは構成が異なる。
　本発明の一態様に係る着火防止方法は、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンにおいて、クランクケースの内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともに前記クランクケースの内部から外部へ強制的に排出し、前記クランクケースの内部で水素ガスが着火するのを防止する。
　この着火防止方法によれば、クランクケースの内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることになるため、クランクケースの内部で水素ガスが着火するのを防ぐことができる。
　本発明によれば、水素ガスを含む燃料での運転が可能であって、クランクケースの内部で水素ガスが着火しない４ストロークエンジンを提供することができる。また、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンにおいて、クランクケースの内部で水素ガスが着火するのを防ぐことができる着火防止方法を提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る４ストロークエンジンの概略構成図である。 図２は、第１実施形態に係る４ストロークエンジンの制御系のブロック図である。 図３は、第１実施形態の着火防止プログラムのフロー図である。 図４は、第２実施形態に係る４ストロークエンジンの概略構成図である。 図５は、第３実施形態に係る４ストロークエンジンの概略構成図である。
　（第１実施形態）
　はじめに、第１実施形態に係る４ストロークエンジン（以下、単に「エンジン」と称する）１００について説明する。本実施形態に係るエンジン１００は、水素ガスを含む燃料での運転が可能であるとともに、水素ガスを含まない燃料での運転も可能である。なお、上記の「水素ガスを含む燃料」には、一部が水素ガスである燃料のみならず、全部が水素ガスである燃料（すなわち水素ガスそのもの）も含まれる。また、エンジン１００の用途は特に限定されず、例えばエンジン１００は乗り物の駆動用であってもよく、発電用であってもよい。
　＜全体構造＞
　図１は、第１実施形態に係るエンジン１００の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１００は、シリンダ１０及びクランクケース１１を含むシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の上方に位置するシリンダヘッド１３と、シリンダブロック１２の下方に位置し潤滑油を受けるオイルパン１４と、シリンダ１０内を往復しコネクティングロッド１５を介してクランク軸１６を駆動するピストン１７と、を備えている。
　また、エンジン１００は、シリンダ１０の内周面、ピストン１７の冠面、及び、シリンダヘッド１３の下面によって画された燃焼室２０を備えている。シリンダヘッド１３には、燃焼室２０に開口する吸気ポート２１及び排気ポート２２が形成されている。エンジン１００は、吸気ガス流路２３と、排気ガス流路２４とを備えている。吸気ガス流路２３は、吸気ポート２１に接続されており、外気を取り込み、取り込んだ外気を吸気ガスとして燃焼室２０に供給する。排気ガス流路２４は、排気ポート２２に接続されており、燃焼室２０から排気ガスを排出する。
　シリンダヘッド１３には、吸気ポート２１の燃焼室２０に開口する部分を開閉する吸気弁２５と、排気ポート２２の燃焼室２０に開口する部分を開閉する排気弁２６が設けられている。さらに、シリンダヘッド１３には燃焼室２０に臨む点火プラグ２７、及び、燃料を噴射する燃料噴射バルブ２８が設けられている。本実施形態の燃料噴射バルブ２８は、吸気ポート２１に設けられているが、吸気ポート２１よりも上流に設けられていてもよく、燃焼室２０に臨むように設けられていてもよい。なお、本実施形態に係るエンジン１００では、点火プラグ２７を用いて燃焼室２０の燃料に着火するが、別の方法で着火してもよい。別の方法で着火する場合、点火プラグ２７を省略することができる。
　吸気ガス流路２３には、吸気ガスを昇圧するコンプレッサ３０が設けられている。また、排気ガス流路２４には、排気ガスのエネルギにより駆動するタービン３１が設けられている。コンプレッサ３０はタービン３１に連結されており、タービン３１が駆動されることによってコンプレッサ３０も駆動する。なお、コンプレッサ３０及びタービン３１は省略することも可能である。
　エンジン１００では、吸入行程、圧縮行程、燃焼膨張行程、及び、排気行程が繰り返される。吸入行程の際、燃焼室２０には吸気ガスと燃料が混ざり合った混合ガスが満たされる。混合ガスの一部は、主に圧縮行程及び燃焼膨張行程において、シリンダ１０とピストン１７の間を通ってクランクケース１１内に漏れ出る。水素ガスを含む燃料が使用される場合、クランクケース１１の内部に水素ガスが侵入することになる。本実施形態に係るエンジン１００は、この侵入した水素ガスのクランクケース１１の内部における濃度を検出する濃度センサ３２を備えている。
　クランクケース１１には、換気口３３が形成されている。エンジン１００は、この換気口３３とクランクケース１１の外部とを連絡する換気流路３４と、換気流路３４に設けられた換気ファン３５と、を備えている。換気ファン３５は、クランクケース１１の内部の気体を強制的に外部に排出する。つまり、換気ファン３５は、燃焼室２０からクランクケース１１に漏れ出るガスよりも多くの気体をクランクケース１１の外部へ排出する。クランクケース１１の内部に水素ガスが侵入している場合は、換気ファン３５は、水素ガスのみならず水素ガス以外の気体もクランクケース１１の外部に排出する。なお、換気ファン３５が排出する気体は、例えばエンジン１００が収容されている機関室の外部であって人が近づかない場所に放出される。
　さらに、クランクケース１１には、導入口３６が形成されている。エンジン１００は、この導入口３６とエンジン１００の外部の空間とを連絡する外気導入路３７と、外気導入路３７に設けられた外気フィルタ３８を備えている。外気フィルタ３８は、外気導入路３７を通過する外気に含まれるダストを除去（捕集）する。換気ファン３５が駆動すると、クランクケース１１の内部は負圧になるため、外気導入路３７及び導入口３６を介してクランクケース１１の内部に外気が導入される。ただし、外気導入路３７には、外気を昇圧するファンなどを設けてもよい。
　＜制御系の構成＞
　続いて、本実施形態に係るエンジン１００の制御系の構成について説明する。図２は、第１実施形態に係るエンジン１００の制御系のブロック図である。図２に示すように、本実施形態に係るエンジン１００は、制御系の構成として制御装置４０を備えている。制御装置４０は、プロセッサ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、及び、Ｉ／Ｏインターフェース等を有している。制御装置４０の不揮発性メモリには、後述する着火防止プログラム及び種々のデータが保存されており、プロセッサが各制御プログラムに基づき揮発性メモリを用いて演算処理を行う。
　図２に示すように、制御装置４０は、操作装置４１及び前述した濃度センサ３２（図１も参照）と電気的に接続されている。操作装置４１はエンジン１００のオペレータによって操作される装置であって、エンジン１００が多元燃料エンジンの場合は、使用する燃料を選択することができる。制御装置４０は、操作装置４１から送信される操作信号に基づいて、使用する燃料に関する情報を取得することができる。また、制御装置４０は、濃度センサ３２から送信される計測信号に基づいて、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度を取得することができる。
　さらに、制御装置４０は、換気ファン３５と電気的に接続されている。制御装置４０は、後述する着火防止プログラムに沿って、換気ファン３５に制御信号を送信し、換気ファン３５の駆動及び停止を行う。なお、制御装置４０は、上述した機器以外の機器とも電気的に接続されており種々の制御を行うが、詳細については説明を省略する。
　＜着火防止プログラム＞
　続いて、制御装置４０が実施する着火防止プログラムについて説明する。図３は、着火防止プログラムのフローチャートである。着火防止プログラムは、クランクケース１１の内部において水素ガスが着火するおそれがある場合は、クランクケース１１の内部を換気して着火を防止するプログラムである。なお、着火防止プログラムは、エンジン１００の運転開始よりも前に開始される。
　着火防止プログラムが開始されると、制御装置４０は操作装置４１からエンジン１００に使用する燃料に関する情報を取得する（ステップＳ１）。
　続いて、制御装置４０は、エンジン１００に使用する燃料に水素ガスが含まれるか否かを判定する（ステップＳ２）。燃料に水素ガスが含まれないと判定した場合（ステップＳ２でＮＯ）、クランクケース１１の内部で水素ガスが着火するおそれがないため、着火防止プログラムを終了する。一方、燃料に水素ガスが含まれると判定した場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。
　ステップＳ３では、制御装置４０はエンジン１００が運転開始前であるか否かを判定する。エンジン１００が運転開始前であると判定した場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、換気ファン３５を駆動し（ステップＳ４）、その後ステップＳ３に戻る。これにより、クランクケース１１の内部の気体は外部へ排出される。このように、エンジン１００の運転開始前に換気を行うのは、前回の運転でクランクケース１１の内部に水素ガスが残っている可能性があるからである。本実施形態では、エンジン１００が運転開始前である限り換気ファン３５を駆動し続けるが、運転開始前に換気ファン３５を一度だけ駆動するようにしてもよい。
　ステップＳ３において、制御装置４０はエンジン１００が運転開始前でない、つまり運転開始後であると判定した場合（ステップＳ３でＮＯ）、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度を取得する（ステップＳ５）。クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度は、濃度センサ３２から取得することができる。
　続いて、制御装置４０は、ステップＳ５で取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上か否かを判定する（ステップＳ６）。本実施形態の閾値は、水素ガスの可燃範囲の下限値又は当該下限値よりも所定量低い値に設定されている。なお、空気中における水素ガスの可燃範囲はおよそ４－７５vol％であるから、クランクケース１１の内部は水素ガスと空気（外気）で満たされているとすると、可燃範囲の下限値は４vol％となる。この場合、閾値は４vol％又はある程度余裕を持たせて４vol％よりも低い値（例えば３vol％）に設定される。閾値はこのように設定されているため、水素ガスの濃度が閾値以上である場合は、クランクケース１１の内部で水素ガスに着火するおそれがある。
　制御装置４０は、水素ガスの濃度が所定の閾値以上であると判定した場合（ステップＳ６でＹＥＳ）、クランクケース１１の内部において水素ガスが着火するおそれがあるため、換気ファン３５を駆動してクランクケース１１の内部を換気する（ステップＳ７）。
　一方、制御装置４０は、水素ガスの濃度が所定の閾値以上でない、つまり閾値よりも低いと判定した場合（ステップＳ６でＮＯ）、クランクケース１１の内部において水素が着火するおそれはないため、換気ファン３５を停止する（ステップＳ８）。
　ステップＳ７又はステップＳ８を経た後は、制御装置４０は、エンジン１００の運転が終了したか否かを判定する（ステップＳ９）。エンジン１００の運転が終了したと判定した場合（ステップＳ９でＹＥＳ）、着火防止プログラムを終了する。一方、エンジン１００の運転が終了していないと判定した場合（ステップＳ９でＮＯ）、ステップＳ５に戻って、エンジン１００の運転が終了するまでステップＳ５乃至Ｓ９を繰り返す。以上が、着火防止プログラムのフローである。
　なお、上述した着火防止プログラムでは、制御装置４０はエンジン１００の運転開始前は、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度にかかわらず換気ファン３５を駆動したが、水素ガスの濃度が所定の閾値以上の場合は換気ファン３５を駆動し、水素ガスの濃度が所定の閾値よりも低い場合は換気ファン３５を停止してもよい。
　また、本実施形態のエンジン１００は複数の燃料で運転できるが、エンジン１００が水素ガスを含む燃料のみで運転し、水素ガスを含まない燃料で運転することがない場合は、上記のステップＳ１及びＳ２を着火防止プログラムから省略することができる。
　また、本実施形態に係るエンジン１００は、制御装置４０により換気ファン３５を制御していたが、換気ファン３５を制御しなくてもよい。つまり、換気ファン３５を常時駆動させてもよい。ただし、換気ファン３５が排出する気体の量が少ないと、クランクケース１１の内部において水素ガスが着火するおそれがある。そのため、換気ファン３５は、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともにクランクケース１１の内部から外部へ強制的に排出できるように構成されている。
　また、制御装置４０は、単に換気ファン３５を駆動／停止するのではなく、換気ファン３５の出力（すなわちクランクケース１１の内部の換気量）を調整してもよい。つまり、制御装置４０は、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値よりも低い場合は、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上のときよりも小さな出力で換気ファン３５を駆動するようにしてもよい。さらに言えば、例えばＰＩＤ制御を用いて、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値（目標値）よりも低い場合、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度と閾値との差が大きくなるに従って換気ファン３５の出力を小さくしてもよい。同様に、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値（目標値）以上の場合、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度と閾値との差が大きくなるに従って換気ファン３５の出力を大きくしてもよい。
　（第２実施形態）
　続いて、第２実施形態に係るエンジン２００について説明する。図４は、第２実施形態に係るエンジン２００の概略構成図である。前述のとおり第１実施形態に係るエンジン１００ではクランクケース１１の内部に「外気」を導入していたのに対し、図４に示すように、本実施形態に係るエンジン２００はクランクケース１１の内部に「排気ガス」を導入する点で両エンジンは相違する。
　具体的には、本実施形態に係るエンジン２００は、排気ガス導入路５０と、排気ガスクーラ５１とを備えている。排気ガス導入路５０は、排気ガス流路２４のタービン３１よりも下流の部分と導入口３６とを連絡する流路である。導入口３６はこの排気ガス導入路５０を介してクランクケース１１の内部に排気ガスを導入する。なお、排気ガス導入路５０は、排気ガス流路２４のタービン３１よりも上流の部分と導入口３６とを連絡してもよい。
　排気ガスクーラ５１は、排気ガス導入路５０に設けられ、排気ガス導入路５０を通過する排気ガスを冷却する。排気ガスが排気ガスクーラ５１で冷却されると、排気ガスに含まれる水分が凝縮して凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、排気ガスクーラ５１の外部に排出される。なお、燃料に水素ガスが含まれる場合は、燃料を燃焼させると水が発生するため、排気ガスには大量の水分が含まれている。
　排気ガスは外気に比べて酸素濃度が低い。そのため、空気中における水素ガスの可燃範囲の下限値よりも、排気ガスを含む気体中における水素ガスの可燃範囲の下限値の方が高くなる。つまり、導入口３６からクランクケース１１に導入する気体が排気ガスである場合、外気である場合に比べて水素ガスが着火しにくい。よって、本実施形態によれば、換気ファン３５に求められる能力及び換気ファン３５の消費エネルギを抑制することができる。
　さらに、排気ガスを排気ガスクーラ５１で冷却することで、排気ガスに含まれる水分が除去されるため、クランクケース１１の内部の気体に触れる潤滑油の劣化を抑制することができる。なお、本実施形態に係るエンジン２００では、クランクケース１１の内部に外気を導入しないため、外気フィルタ３８（図１参照）を省略することができる。
　（第３実施形態）
　続いて、第３実施形態に係るエンジン３００について説明する。図５は、第３実施形態に係るエンジン３００の概略構成図である。図５に示すように、本実施形態に係るエンジン３００は、第２実施形態に係るエンジン２００と同様に、クランクケース１１の内部に排気ガスを導入する。ただし、本実施形態に係るエンジン３００がクランクケース１１に導入する排気ガスは、いわゆる排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；ＥＧＲ）用の排気ガスである。
　具体的には、本実施形態に係るエンジン３００は、ＥＧＲ流路６０と、ＥＧＲクーラ６１と、分岐流路６２とを備えている。ＥＧＲ流路６０は、排気ガス流路２４のタービン３１よりも下流の部分と吸気ガス流路２３のコンプレッサ３０よりも上流の部分とを連絡する流路である。なお、ＥＧＲ流路６０は、排気ガス流路２４のタービン３１よりも上流の部分と吸気ガス流路２３のコンプレッサ３０よりも下流の部分とを連絡してもよい。
　ＥＧＲクーラ６１は、ＥＧＲ流路６０に設けられ、ＥＧＲ流路６０を通過する排気ガスを冷却する。排気ガスがＥＧＲクーラ６１で冷却されると、排気ガスに含まれる水分が凝縮して凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、ＥＧＲクーラ６１の外部に排出される。なお、前述のとおり、燃料に水素ガスが含まれる場合は、排気ガスには大量の水分が含まれている。
　分岐流路６２は、ＥＧＲ流路６０のＥＧＲクーラ６１よりも下流の部分と導入口３６とを連絡する流路である。導入口３６はこの分岐流路６２を介して排気ガスをクランクケース１１の内部に導入する。なお、ＥＧＲ流路６０及び分岐流路６２のそれぞれに開閉バルブを設け、各開閉バルブの開度を制御装置４０で制御してもよい。
　本実施形態に係るエンジン３００は、第２実施形態に係るエンジン２００と同様に、換気ファン３５に求められる能力及び換気ファン３５の消費エネルギを抑制することができるとともに、潤滑油の劣化を抑制することができる。しかも、エンジン３００がＥＧＲ流路６０及びＥＧＲクーラ６１を利用することで、第２実施形態に係るエンジン２００が備える排気ガス導入路５０及び排気ガスクーラ５１を省略することができる。
　（作用効果）
　続いて、上述したエンジン１００、２００、３００の作用効果について説明する。上述したように、エンジン１００、２００、３００は、水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンであって、換気口３３が形成されたクランクケース１１と、クランクケース１１の外部と換気口３３とを連絡する換気流路３４と、換気流路３４に設けられ、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともにクランクケース１１の内部から外部へ強制的に排出する換気ファン３５と、を備えている。
　この構成によれば、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度は可燃範囲の下限値を下回ることになるため、クランクケース１１の内部で水素ガスが着火することはない。
　また、上述したエンジン１００、２００、３００では、クランクケース１１には、クランクケース１１の外部の気体をクランクケース１１の内部に導入する導入口３６が形成されている。
　この構成によれば、クランクケース１１の内部へ気体を導入しやすく、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度を効率よく低下させることができる。
　また、第１実施形態に係るエンジン１００は、エンジン１００の外部の空間と導入口３６とを連絡する外気導入路３７をさらに備え、導入口３６は外気導入路３７を介して外気をクランクケース１１の内部に導入している。
　この構成では、クランクケース１１の内部に導入する気体が「外気」であるため、他の気体を導入する場合に比べて、気体を導入するための配管の構造を簡略化することができる。
　また、第１実施形態に係るエンジン１００は、外気導入路３７に設けられ、外気導入路３７を通過する外気に含まれるダストを除去する外気フィルタ３８をさらに備えている。
　この構成によれば、エンジン１００の内部にダストが侵入するのを防ぐことができる。
　また、第２実施形態に係るエンジン２００は、燃焼室２０から排気ガスを排出する排気ガス流路２４と、排気ガス流路２４と導入口３６とを連絡する排気ガス導入路５０と、をさらに備え、導入口３６は排気ガス導入路５０を介して排気ガスをクランクケース１１の内部に導入する。
　この構成では、クランクケース１１の内部に導入する気体が「排気ガス」であるため、外気を導入する場合に比べて、クランクケース１１の内部における酸素の割合が低くなる。これにより、外気を導入する場合に比べて、水素ガスの可燃範囲の下限値が高くなり、換気ファン３５に求められる能力及び換気ファン３５の消費エネルギを抑制することができる。
　また、第２実施形態に係るエンジン２００は、排気ガス導入路５０に設けられ、排気ガス導入路５０を通過する排気ガスを冷却する排気ガスクーラ５１をさらに備えている。
　エンジン２００が水素ガスを含む燃料を使用する場合、排気ガスに多量の水分が含まれる。この排気ガスがクランクケース１１の内部に導入されると、排気ガスに含まれる水分によってクランクケース１１の内部の潤滑油の劣化が進行する。これに対し、上記の構成では、排気ガスクーラ５１が排気ガスを冷却することにより、排気ガスに含まれる水分量が低下するため、クランクケース１１の内部の潤滑油の劣化を抑制することができる。
　また、第３実施形態に係るエンジン３００は、燃焼室２０に向かって吸気ガスを供給する吸気ガス流路２３と、燃焼室２０から排気ガスを排出する排気ガス流路２４と、排気ガス流路２４と吸気ガス流路２３とを連絡するＥＧＲ流路６０と、ＥＧＲ流路６０に設けられ、ＥＧＲ流路６０を通過する排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ６１と、ＥＧＲ流路６０のＥＧＲクーラ６１よりも下流の部分と導入口３６とを連絡する分岐流路６２と、をさらに備え、導入口３６は分岐流路６２を介してＥＧＲクーラ６１で冷却された排気ガスをクランクケース１１の内部に導入する。
　この構成では、ＥＧＲシステムを利用して冷却した排気ガスをクランクケース１１の内部に導入することができるため、排気ガスを冷却するクーラ等の設置を省略することができる。
　また、上述したエンジン１００、２００、３００は、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度を計測する濃度センサ３２と、エンジン１００、２００、３００の運転開始後において、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上の場合は換気ファン３５を駆動し、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値よりも低い場合は換気ファン３５を停止又は濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上のときよりも小さな出力で換気ファン３５を駆動するように構成された制御装置４０と、をさらに備えている。
　この構成によれば、状況に応じて換気ファン３５を停止又は換気ファン３５の出力を低下させることができるため、換気ファン３５の消費エネルギを抑制することができる。
　また、上述したエンジン１００、２００、３００では、制御装置４０は、エンジン１００、２００、３００の運転開始前において、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度にかかわらず、換気ファン３５を駆動するように構成されている。
　この構成では、運転開始後と運転開始前の制御が異なり、運転開始前においては、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度にかかわらず、換気ファン３５が駆動される。よって、この構成によれば、エンジン１００、２００、３００の運転開始前において、予めクランクケース１１の内部を換気することになるため、エンジン１００、２００、３００の運転開始時において、クランクケース１１の内部で水素ガスが着火するのを防ぐことができる。
　また、エンジン１００、２００、３００において、制御装置４０は、エンジン１００、２００、３００の運転開始前において、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上の場合は換気ファン３５を駆動し、濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値よりも低い場合は換気ファン３５を停止又は濃度センサ３２から取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上のときよりも小さな出力で換気ファン３５を駆動するように構成されていてもよい。
　この構成によれば、状況に応じて換気ファン３５を停止又は換気ファン３５の出力を低下させることができるため、換気ファン３５の消費エネルギを抑制することができる。
　また、エンジン１００、２００、３００は水素ガスを含む燃料のみならず水素ガスを含まない燃料でも運転が可能であって、エンジン１００、２００、３００に使用する燃料を選択可能な操作装置４１と、操作装置４１から使用する燃料に関する情報を取得し、使用する燃料に水素ガスが含まれない場合は換気ファン３５を停止するように構成された制御装置４０と、をさらに備える。
　この構成によれば、使用する燃料に水素ガスが含まれない場合は換気ファン３５を停止するため、換気ファン３５の消費エネルギを抑制することができる。
　さらに、上述した着火防止方法は、水素ガスを含む燃料での運転が可能なエンジン１００、２００、３００において、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともにクランクケース１１の内部から外部へ強制的に排出し、クランクケース１１の内部で水素ガスが着火するのを防止する。
　この着火防止方法によれば、クランクケース１１の内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることになるため、クランクケース１１の内部で水素ガスが着火するのを防ぐことができる。
１１　クランクケース
２０　燃焼室
２３　吸気ガス流路
２４　排気ガス流路
３２　濃度センサ
３３　換気口
３４　換気流路
３５　換気ファン
３６　導入口
３７　外気導入路
３８　外気フィルタ
４０　制御装置
４１　操作装置
５０　排気ガス導入路
５１　排気ガスクーラ
６０　ＥＧＲ流路
６１　ＥＧＲクーラ
６２　分岐流路
１００、２００、３００　４ストロークエンジン（エンジン）
 

Claims (12)

  1. 　水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンであって、
    　換気口が形成されたクランクケースと、
    　前記クランクケースの外部と前記換気口とを連絡する換気流路と、
    　前記換気流路に設けられ、前記クランクケースの内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともに前記クランクケースの内部から外部へ強制的に排出する換気ファンと、を備えている、４ストロークエンジン。
  2. 　前記クランクケースには、前記クランクケースの外部の気体を前記クランクケースの内部に導入する導入口が形成されている、請求項１に記載の４ストロークエンジン。
  3. 　当該４ストロークエンジンの外部の空間と前記導入口とを連絡する外気導入路をさらに備え、
    　前記導入口は前記外気導入路を介して外気を前記クランクケースの内部に導入する、請求項２に記載の４ストロークエンジン。
  4. 　前記外気導入路に設けられ、前記外気導入路を通過する外気に含まれるダストを除去する外気フィルタをさらに備えている、請求項３に記載の４ストロークエンジン。
  5. 　燃焼室から排気ガスを排出する排気ガス流路と、
    　前記排気ガス流路と前記導入口とを連絡する排気ガス導入路と、をさらに備え、
    　前記導入口は前記排気ガス導入路を介して排気ガスを前記クランクケースの内部に導入する、請求項２に記載の４ストロークエンジン。
  6. 　前記排気ガス導入路に設けられ、前記排気ガス導入路を通過する排気ガスを冷却する排気ガスクーラをさらに備えている、請求項５に記載の４ストロークエンジン。
  7. 　燃焼室に向かって吸気ガスを供給する吸気ガス流路と、
    　前記燃焼室から排気ガスを排出する排気ガス流路と、
    　前記排気ガス流路と前記吸気ガス流路とを連絡するＥＧＲ流路と、
    　前記ＥＧＲ流路に設けられ、前記ＥＧＲ流路を通過する排気ガスを冷却するＥＧＲクーラと、
    　前記ＥＧＲ流路の前記ＥＧＲクーラよりも下流の部分と前記導入口とを連絡する分岐流路と、をさらに備え、
    　前記導入口は前記分岐流路を介して前記ＥＧＲクーラで冷却された排気ガスを前記クランクケースの内部に導入する、請求項２に記載の４ストロークエンジン。
  8. 　前記クランクケースの内部における水素ガスの濃度を計測する濃度センサと、
    　当該４ストロークエンジンの運転開始後において、前記濃度センサから取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上の場合は前記換気ファンを駆動し、前記濃度センサから取得した水素ガスの濃度が前記所定の閾値よりも低い場合は前記換気ファンを停止又は前記濃度センサから取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上のときよりも小さな出力で前記換気ファンを駆動するように構成された制御装置と、をさらに備えている、請求項１乃至７のうちいずれか一の項に記載の４ストロークエンジン。
  9. 　前記制御装置は、当該４ストロークエンジンの運転開始前において、前記クランクケースの内部における水素ガスの濃度にかかわらず、前記換気ファンを駆動するように構成されている、請求項８に記載の４ストロークエンジン。
  10. 　前記制御装置は、当該４ストロークエンジンの運転開始前において、前記濃度センサから取得した水素ガスの濃度が前記所定の閾値以上の場合は前記換気ファンを駆動し、前記濃度センサから取得した水素ガスの濃度が前記所定の閾値よりも低い場合は前記換気ファンを停止又は前記濃度センサから取得した水素ガスの濃度が所定の閾値以上のときよりも小さな出力で前記換気ファンを駆動するように構成されている、請求項８に記載の４ストロークエンジン。
  11. 　当該４ストロークエンジンは水素ガスを含む燃料のみならず水素ガスを含まない燃料でも運転が可能であって、
    　当該４ストロークエンジンに使用する燃料を選択可能な操作装置と、
    　前記操作装置から使用する燃料に関する情報を取得し、使用する燃料に水素ガスが含まれない場合は前記換気ファンを停止するように構成された制御装置と、をさらに備える、請求項１乃至７のうちいずれか一の項に記載の４ストロークエンジン。
  12. 　水素ガスを含む燃料での運転が可能な４ストロークエンジンにおいて、クランクケースの内部における水素ガスの濃度が可燃範囲の下限値を下回ることができる量の水素ガスを、水素ガス以外の気体とともに前記クランクケースの内部から外部へ強制的に排出し、前記クランクケースの内部で水素ガスが着火するのを防止する着火防止方法。
     
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