JP7236407B2 - Internal combustion engine using hydrogen fuel - Google Patents
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Description
本発明は、水素燃料を用いた内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine using hydrogen fuel.
近年、環境保全の観点からクリーンなエネルギ源が求められている。この観点から、天然ガス等の炭化水素系ガス燃料をその主燃料とする、炭化水素系ガス燃料を用いた内燃機関の開発及び普及が急速に進められている(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, there has been a demand for clean energy sources from the viewpoint of environmental conservation. From this point of view, the development and popularization of internal combustion engines using hydrocarbon-based gas fuel, which uses hydrocarbon-based gas fuel such as natural gas as the main fuel, are rapidly progressing (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、この炭化水素系ガス燃料を用いた内燃機関においては、従来の重油等の石油系燃料と同様に、多量の二酸化炭素を排出するという問題がある。また、基本的にはディーゼルエンジンと同様の熱サイクルで燃焼を行うことから、窒素酸化物も発生させるという問題もある。このため、環境保全の観点から、炭化水素系ガス燃料に代わる、環境保全により最適な燃料を用いた内燃機関の開発が期待される。 However, the internal combustion engine using this hydrocarbon-based gas fuel has the problem of emitting a large amount of carbon dioxide, as with the conventional petroleum-based fuel such as heavy oil. In addition, since combustion is basically performed in the same heat cycle as a diesel engine, there is also the problem of generating nitrogen oxides. Therefore, from the viewpoint of environmental conservation, the development of internal combustion engines using fuels that are more suitable for environmental conservation than hydrocarbon gas fuels is expected.
これに応えるため、軽油を主燃料とする水素燃料を用いた内燃機関が公開されている(例えば、特許文献2参照)。 In order to meet this demand, an internal combustion engine using hydrogen fuel with light oil as the main fuel has been disclosed (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、上述の軽油を主燃料する水素燃料を使用する内燃機関は、自動車用の比較的回転数が高い小型の4サイクルディーゼル機関に関するものであり、例えば、船舶等に使用される大型の低速2サイクルユニフロー式ディーゼル機関に対しては、その回転数が極めて低い一方、水素燃料は着火及びその燃焼速度が極めて速く、過早着火等による異常燃焼が生じるため、上述のノッキングの発生が問題視される炭化水素系ガス燃料を用いた内燃機関に比べても、さらにノッキングの発生が顕著になるという、内燃機関として致命的とも言える問題がある。 However, the above-mentioned internal combustion engine using hydrogen fuel whose main fuel is light oil relates to a small four-cycle diesel engine for automobiles with a relatively high rotational speed. Cycle uniflow diesel engines have extremely low rotational speeds, whereas hydrogen fuel ignites and burns at extremely high speeds, causing abnormal combustion due to premature ignition, etc., and the above-mentioned knocking is seen as a problem. As compared with an internal combustion engine using a hydrocarbon-based gas fuel, the occurrence of knocking is more pronounced, which is a critical problem for an internal combustion engine.
したがって、内燃機関としての種別がまったく異なる低速2サイクルユニフロー式ディーゼル機関に対して、上述の小型4サイクルディーゼル機関の発明をそのまま容易に転用することはできず、水素燃料を用いた内燃機関を実現化するためには、さらに飛躍的進歩が必要である。 Therefore, the invention of the small 4-cycle diesel engine cannot be easily applied to the low-speed 2-cycle uniflow diesel engine, which is a completely different type of internal combustion engine, and an internal combustion engine using hydrogen fuel is realized. Further breakthroughs are needed to achieve this.
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、特に二酸化炭素の排出量を削減するために、二酸化炭素をまったく発生させない水素燃料を、低速の2サイクルユニフロー式内燃機関に対して使用することができるようにした、水素燃料を用いた内燃機関を提供することを課題とする。 The present invention has been made to solve such problems, and in particular, in order to reduce the amount of carbon dioxide emissions, hydrogen fuel that does not generate carbon dioxide at all is used for low-speed two-cycle uniflow internal combustion engines. An object of the present invention is to provide a hydrogen-fueled internal combustion engine that can be used as a fuel.
上記の課題を解決するために、本発明の水素燃料を用いた内燃機関が採用する手段は、シリンダ下部に掃気口を有すると共にシリンダヘッドに排気弁を有する低速の2サイクルユニフロー式ディーゼル機関であって、シリンダの中部領域に配設されて水素燃料を噴射する水素燃料噴射弁と、この水素燃料噴射弁へ水素燃料を供給する水素燃料供給装置と、シンリダヘッドに配設されて石油系燃料を噴射する石油系燃料噴射弁と、この石油系燃料噴射弁に前記石油系燃料を供給する石油系燃料供給装置と、水素燃料供給装置及び石油系燃料供給装置の作動を制御するコントローラとを備え、コントローラは、水素燃料と石油系燃料との噴射量比をエネルギ比で1:(0.5~2.0)として、水素燃料供給装置を制御して掃気行程においてピストンが下死点から上昇して掃気口を閉じる直前以降の所定時期に水素燃料を水素燃料噴射弁からシリンダ内へ噴射させ、石油系燃料供給装置を制御して掃気行程においてピストンが上死点に接近したときに石油系燃料噴射弁から石油系燃料をシリンダ内へ噴射させることにある。 In order to solve the above problems, the means adopted by the internal combustion engine using hydrogen fuel of the present invention is a low-speed two-cycle uniflow diesel engine having a scavenging port in the lower part of the cylinder and an exhaust valve in the cylinder head. a hydrogen fuel injection valve for injecting hydrogen fuel disposed in the middle region of the cylinder; a hydrogen fuel supply device for supplying hydrogen fuel to the hydrogen fuel injection valve; and a cylinder head for injecting petroleum-based fuel. a petroleum-based fuel injection valve, a petroleum-based fuel supply device that supplies the petroleum-based fuel to the petroleum-based fuel injection valve, and a controller that controls operations of the hydrogen fuel supply device and the petroleum-based fuel supply device, wherein the controller sets the injection amount ratio of hydrogen fuel and petroleum fuel to 1: (0.5 to 2.0) in terms of energy ratio, and controls the hydrogen fuel supply device so that the piston rises from the bottom dead center in the scavenging stroke. Hydrogen fuel is injected into the cylinder from the hydrogen fuel injection valve at a predetermined time immediately after the scavenging port is closed, and the petroleum fuel is injected when the piston approaches the top dead center in the scavenging stroke by controlling the petroleum fuel supply device. To inject petroleum-based fuel from a valve into a cylinder.
このように、シリンダ下部に掃気口を有すると共に、シリンダヘッドに排気弁を有する低速の2サイクルユニフロー式ディーゼル機関において、水素燃料供給装置を制御して掃気行程においてピストンが下死点から上昇して掃気口を閉じる直前以降の所定時期に水素燃料をシリンダの中部領域に配設された水素燃料噴射弁からシリンダ内へ噴射させ、石油系燃料供給装置を制御してピストンが上死点に近づいたときに石油系燃料をシンリダヘッドに配設された石油系燃料噴射弁からシリンダ内へ噴射させることにより、この噴射された石油系燃料が着火し、それにより燃焼速度が極めて速い水素燃料が着火して燃焼し、さらに石油系燃料が引き続き燃焼して、内燃機関をノッキング等の異常燃焼を発生させずに、スムーズに作動させることができる。 Thus, in a low-speed two-cycle uniflow diesel engine having a scavenging port in the lower part of the cylinder and an exhaust valve in the cylinder head, the hydrogen fuel supply device is controlled to raise the piston from the bottom dead center in the scavenging stroke. At a predetermined time immediately after the scavenging port is closed, hydrogen fuel is injected into the cylinder from a hydrogen fuel injection valve disposed in the central region of the cylinder, and the petroleum-based fuel supply device is controlled so that the piston approaches the top dead center. When the petroleum-based fuel is injected into the cylinder from the petroleum-based fuel injection valve provided in the cylinder head, the injected petroleum-based fuel is ignited, thereby igniting the hydrogen fuel, which burns at an extremely high speed. After the fuel is burned, the petroleum-based fuel continues to burn, so that the internal combustion engine can be operated smoothly without causing abnormal combustion such as knocking.
これにより、従来の石油系燃料の一部を水素燃料に置き換えて燃焼させることができ、二酸化炭素の発生を大幅に削減することができる。 As a result, a portion of the conventional petroleum-based fuel can be replaced with hydrogen fuel for combustion, and the generation of carbon dioxide can be greatly reduced.
上記水素燃料を用いた内燃機関において、上記所定時期は、ピストンが下死点から上昇して掃気口を閉じる直前からコントローラの制御により排気弁が閉じた直後までの間に設定されることが望ましい。 In the internal combustion engine using hydrogen fuel, the predetermined timing is set between immediately before the piston rises from the bottom dead center and closing the scavenging port to immediately after the exhaust valve is closed under the control of the controller . is desirable.
このように、水素燃料を水素燃料噴射弁からシリンダ内へ噴射する所定時期を、ピストンが下死点から上昇して掃気口を閉じる直前から、コントローラの制御により排気弁が閉じた直後までの間の所定時期とすることにより、主として熱サイクルからその閉弁時期が設定される排気弁からシリンダ内に噴射した水素燃料が流出することをほぼ完全に防止することができる一方、水素燃料をシリンダ内に極めて均一に分布させることができる。この水素燃料の噴射時期は、本発明において水素燃料を効率よく燃焼させる上で、極めて重要な要素である。 In this way, the predetermined timing for injecting the hydrogen fuel from the hydrogen fuel injection valve into the cylinder can be set from immediately before the piston rises from the bottom dead center and closing the scavenging port to immediately after the exhaust valve is closed under the control of the controller . By setting the predetermined timing between , it is possible to almost completely prevent the hydrogen fuel injected into the cylinder from flowing out from the exhaust valve whose closing timing is set mainly from the heat cycle. can be very evenly distributed in the cylinder. The injection timing of the hydrogen fuel is an extremely important factor for efficient combustion of the hydrogen fuel in the present invention.
上記水素燃料を用いた内燃機関において、コントローラに制御されて排気弁から排出された排気ガスを掃気に循環させるEGR装置をさらに備え、コントローラは、EGR装置を制御して掃気内の酸素濃度を低下させることが望ましい。 The above internal combustion engine using hydrogen fuel further includes an EGR device that is controlled by a controller and circulates exhaust gas discharged from the exhaust valve into scavenging air, and the controller controls the EGR device to reduce the oxygen concentration in the scavenging air. It is desirable to
このように、EGR装置(排気ガス再循環装置)をさらに備えることにより、掃気内の酸素濃度を低下させることができ、これにより水素燃料噴射後の水素酸素濃度を最適に調整して水素燃料の爆発的燃焼を抑制し、以って 低速の内燃機関におけるノッキング等の異常燃焼の発生をさらに減少させることができる。 In this way, by further providing an EGR device (exhaust gas recirculation device), the oxygen concentration in the scavenging air can be reduced, thereby optimally adjusting the hydrogen oxygen concentration after the hydrogen fuel injection, so that the hydrogen fuel can be used. Explosive combustion can be suppressed, thereby further reducing the occurrence of abnormal combustion such as knocking in a low-speed internal combustion engine.
以上のように、水素燃料を用いる低速の2サイクルユニフロー式内燃機関において、通常は燃焼温度の高温化防止による窒素酸化物の排出量の削減を目的として用いられるEGR装置を利用して、燃焼させる水素燃料の水素酸素濃度を最適に調整し、これにより水素燃料の過早着火を防止してノッキング等の異常燃焼の発生を防止する発明は、従来技術にはまったく見られないものであり、水素燃料を用いた内燃機関に対して飛躍的進歩を付与するものである。 As described above, in a low-speed two-cycle uniflow internal combustion engine using hydrogen fuel, combustion is performed using an EGR device that is usually used for the purpose of reducing the amount of nitrogen oxide emissions by preventing the combustion temperature from rising. The invention that optimally adjusts the hydrogen oxygen concentration of the hydrogen fuel to prevent premature ignition of the hydrogen fuel and prevent abnormal combustion such as knocking is completely unheard of in the prior art. It is a breakthrough for internal combustion engines that use fuel.
上記水素燃料を用いた内燃機関において、石油系燃料噴射弁からの石油系燃料の噴射に
よりシンリダ内の水素燃料を着火させ燃焼させることが望ましい。
In the internal combustion engine using the hydrogen fuel, it is desirable to ignite and burn the hydrogen fuel in the cylinder by injecting the petroleum-based fuel from the petroleum-based fuel injection valve.
水素燃料は着火性が高く、ピストンによる圧縮のみにより自己着火させることも可能である。しかし、この場合には着火時期がばらつき、過早着火等による異常燃焼を発生させる可能性もある。したがって、石油系燃料噴射弁からの石油系燃料の噴射によりシンリダ内の水素燃料を着火させ燃焼させるようにしたことにより、コントローラによってその作動が確実に制御される石油系燃料噴射弁からの石油系燃料の噴射を着火源とすることにより、水素燃料の着火時期を自在に制御することができるようになる。 Hydrogen fuel is highly ignitable and can be self-ignited only by compression by a piston. However, in this case, the ignition timing varies, and there is a possibility that abnormal combustion may occur due to premature ignition or the like. Therefore, by igniting and burning the hydrogen fuel in the cylinder by the injection of the petroleum-based fuel from the petroleum-based fuel injection valve, the operation is reliably controlled by the controller. By using fuel injection as an ignition source, the ignition timing of the hydrogen fuel can be freely controlled.
また、このように、石油系燃料噴射弁からの石油系燃料の噴射によりシンリダ内の水素燃料を着火させ燃焼させるようにしたことにより、従来の石油系燃料のみを用いる内燃機関や炭化水素系のガス燃料のみを用いるガスインジェクションエンジンでは必要であった、燃料への着火のためのパイロット燃料噴射弁とパイロット燃料供給装置とを排除することができ、システムの簡素化とコスト削減とを図ることができる。 In this way, by igniting and burning the hydrogen fuel in the cylinder by injecting the petroleum-based fuel from the petroleum-based fuel injection valve, the conventional internal combustion engine using only petroleum-based fuel and the hydrocarbon system It is possible to eliminate the pilot fuel injection valve and the pilot fuel supply device for igniting the fuel, which are necessary for gas injection engines that use only gas fuel, and to simplify the system and reduce costs. can.
この石油系燃料の噴射による着火方式は、極めて着火性が高いという水素燃料の特性を十分に生かしつつ、圧縮着火のみでは制御不能であった水素燃料の着火時期を制御自在としたものであり、飛躍的進歩が期待される。 This ignition method by injection of petroleum fuel makes it possible to freely control the ignition timing of hydrogen fuel, which could not be controlled by compression ignition alone, while making full use of the characteristics of hydrogen fuel, which is extremely ignitable. A breakthrough is expected.
上記水素燃料を用いた内燃機関において、水素燃料と石油系燃料との噴射量比は、定常運転時におけるエネルギ比で1:(0.5~2.0)とすることが望ましい。 In the above internal combustion engine using hydrogen fuel, the injection amount ratio of hydrogen fuel and petroleum-based fuel is preferably 1:(0.5 to 2.0) in terms of energy ratio during steady operation.
この水素燃料と石油系燃料との噴射量比は、水素燃料を用いることにより発生するノッキング等の異常燃焼を防止するために極めて重要な要素であり、このように、水素燃料と石油系燃料との噴射比を定常運転時におけるエネルギ比で1:(0.5~2.0)とすることにより、ノッキング等の異常燃焼をほとんど発生させることなく、水素燃料を用いた内燃機関を達成することができる。 The injection amount ratio between hydrogen fuel and petroleum fuel is an extremely important factor for preventing abnormal combustion such as knocking caused by using hydrogen fuel. To achieve an internal combustion engine using hydrogen fuel without causing abnormal combustion such as knocking by setting the injection ratio to 1: (0.5 to 2.0) as an energy ratio during steady operation. can be done.
本発明の水素燃料を用いた内燃機関は、シリンダ下部に掃気口を有すると共にシリンダヘッドに排気弁を有する低速の2サイクルユニフロー式ディーゼル機関であって、シリンダの中部領域に配設されて水素燃料を噴射する水素燃料噴射弁と、この水素燃料噴射弁へ水素燃料を供給する水素燃料供給装置と、シンリダヘッドに配設されて石油系燃料を噴射する石油系燃料噴射弁と、この石油系燃料噴射弁に前記石油系燃料を供給する石油系燃料供給装置と、水素燃料供給装置及び石油系燃料供給装置の作動を制御するコントローラとを備え、コントローラは、水素燃料と石油系燃料との噴射量比をエネルギ比で1:(0.5~2.0)として、水素燃料供給装置を制御して掃気行程においてピストンが下死点から上昇して掃気口を閉じる直前以降の所定時期に水素燃料を水素燃料噴射弁からシリンダ内へ噴射させ、石油系燃料供給装置を制御して掃気行程においてピストンが上死点に接近したときに石油系燃料噴射弁から石油系燃料をシリンダ内へ噴射させる。 The internal combustion engine using hydrogen fuel according to the present invention is a low-speed two-cycle uniflow diesel engine having a scavenging port in the lower part of the cylinder and an exhaust valve in the cylinder head. a hydrogen fuel injection valve that injects a hydrogen fuel, a hydrogen fuel supply device that supplies hydrogen fuel to the hydrogen fuel injection valve, a petroleum fuel injection valve that is disposed in the cylinder head and injects petroleum fuel, and the petroleum fuel injection A petroleum-based fuel supply device that supplies the petroleum-based fuel to the valve, and a controller that controls the operation of the hydrogen fuel supply device and the petroleum-based fuel supply device, wherein the controller controls the injection amount ratio between the hydrogen fuel and the petroleum-based fuel. with an energy ratio of 1: (0.5 to 2.0), the hydrogen fuel supply device is controlled to supply hydrogen fuel at a predetermined time immediately after the piston rises from the bottom dead center and closes the scavenging port in the scavenging stroke. The hydrogen fuel injection valve is injected into the cylinder, and the petroleum-based fuel supply device is controlled to inject the petroleum-based fuel into the cylinder from the petroleum-based fuel injection valve when the piston approaches the top dead center in the scavenging stroke.
したがって、特に二酸化炭素の発生を削減するために、二酸化炭素をまったく発生させない水素燃料を2サイクルユニフロー式内燃機関に対して使用することができるようになる、という優れた効果を奏する。 Therefore, in particular, in order to reduce carbon dioxide generation, it is possible to use hydrogen fuel that does not generate carbon dioxide at all for a two-cycle uniflow internal combustion engine.
本発明の水素燃料を用いた内燃機関を実施するための形態を、図1ないし図4を参照して詳細に説明する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Embodiments for implementing an internal combustion engine using hydrogen fuel according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.
図1に示すように、符号2は舶用の低速2サイクルユニフロー式ディーゼル機関(2サイクルユニフロー式内燃機関)1のシリンダ、3はシリンダヘッド、4はシリンダ2内を上下に摺動するピストン、5はシリンダヘッド3に設けられてシリンダ2内の燃焼ガスを後述する排気レシーバ5b内へ排気するための排気弁である。
As shown in FIG. 1,
図2に示すように、排気弁5は、排気弁作動制御装置5aによりその作動が制御される。上述のシリンダ2は、内円柱状空間に形成される。また、シリンダ2内には上記ピストン4との摺動をスムーズにさせる等のため、図示しないシリンダライナが配設されているのが一般的であるが、本明細書ではシリンダライナも含めてシリンダ2と称することにする。
As shown in FIG. 2, the operation of the
図1に示すように、シリンダヘッド3に、主燃料である重油等の石油系燃料をシリンダ2内においてピストン4側(図示下方)へ噴射する石油系燃料噴射弁6が配設される。図2に示すように、石油系燃料噴射弁6には、石油系燃料供給装置7から石油系燃料が供給される。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、シリンダ2の中部領域、例えばピストン4の下死点から上死点までのシリンダ2の長さL(全ストローク)の下死点側から30~70%の範囲内に、水素燃料をシリンダ2内へ、かつシリンダ軸に対して略水平に噴射する水素燃料噴射弁8が配設される。図2に示すように、水素燃料噴射弁8には、水素燃料供給装置9から水素燃料が供給される。
As shown in FIG. 1, in the middle region of the
水素燃料を供給するための水素管は、安全性を考慮してすべて二重管で形成される。また、水素燃料供給装置9から水素燃料噴射弁8へ供給される水素の圧力は、1~2MPa程度とする。水素燃料供給装置9には、水素燃料の噴射時期以外にこの水素燃料を噴射させないようにする、図示しない安全機構が配設される。
Hydrogen pipes for supplying hydrogen fuel are all double pipes in consideration of safety. Further, the pressure of hydrogen supplied from the hydrogen
図1に示すように、シリンダ2の下部、かつ、上述の水素燃料噴射弁8よりもさらに下死点側に、シリンダ2内に掃気を導く掃気口10が配設される。図2に示すように、排気レシーバ5bに排出された排気ガスの一部は、EGR装置(排気ガス再循環装置)11を介して、掃気口10に掃気を供給するための掃気管13内へ戻される。
As shown in FIG. 1, a scavenging
すなわち、EGR装置は、従来は内燃機関の燃焼温度を低下させて、高温燃焼により発生する窒素酸化物の形成を低減させるために使用されてきたが、本水素燃料を用いた内燃機関においては、EGR装置11によって掃気中の酸素濃度を最適に調整して、水素燃料に特有のノッキング等の異常燃焼を防止している。
That is, EGR devices have traditionally been used to reduce the combustion temperature of internal combustion engines to reduce the formation of nitrogen oxides generated by high temperature combustion. The
これにより、水素燃料を用いた内燃機関について、従来にはない飛躍的進歩をもたらすことができる。ただし、このEGR装置11は、従来と同様に、上述の石油系燃料の燃焼時に発生する窒素酸化物の低減のための装置としても使用される。
As a result, an unprecedented breakthrough can be achieved in the internal combustion engine using hydrogen fuel. However, the
図3に示すように、上述の石油系燃料供給装置7、水素燃料供給装置9、排気弁作動制御装置5a、及びEGR装置11は、コントローラ12によりその作動が制御される。
As shown in FIG. 3, a
図2を参照して、本発明の水素燃料を用いた内燃機関の作動を説明する。コントローラ12の制御により、まずピストン4が上死点から下降しはじめ、その後ピストン4が上述の全ストロークLの中間点を通過した後に、排気弁5が開弁される。これにより、前サイクルで燃焼した排気ガスは、排気弁5を通して排気レシーバ5b内へ排出される。
The operation of the internal combustion engine using the hydrogen fuel of the present invention will be described with reference to FIG. Under the control of the
ピストン4がシリンダ2内を下降して掃気口10を通過すると、掃気口10から新しい空気(掃気)がシリンダ2内へ流入される。掃気行程において、ピストン4が下死点を通過して再び上昇し掃気口10を通過すると、ピストン4により掃気口10が閉じられると共に、コントローラ12は、掃気口10が閉じる直前から排気弁5が閉じた直後までの間の所定時期に水素燃料噴射弁8を開弁させて、水素燃料供給装置9から供給される水素燃料をシリンダ2内へ、かつシリンダ軸に対して略水平方向に噴射させ、必要量の水素燃料を噴射した後に閉弁する。
When the
このように、水素燃料を水素燃料噴射弁8からシリンダ2内へ噴射する時期を、ピストン4が下死点から上昇して掃気口10を閉じる直前から、コントローラ12の制御によって排気弁5が閉じた直後までの間の所定時期とすることにより、主として熱サイクルからその閉弁時期が設定される排気弁5から、シリンダ2内に噴射した水素燃料が流出することをほぼ完全に防止することができると共に、水素燃料をシリンダ2内に均一に分布させることができる。これは、本発明において水素燃料を効率よく燃焼させる上で、極めて重要な要素である。
In this way, the timing of injecting the hydrogen fuel from the hydrogen
そして、コンローラ12は、掃気行程においてピストン4が上死点に接近した時点で、石油系燃料噴射弁6から石油系燃料をシリンダ2内へ噴射させる。石油系燃料噴射弁6から石油系燃料をシリンダ2内への噴射により、まず石油系燃料が着火し、この石油系燃料の着火により水素燃料が着火されて急速燃焼する。水素燃料の燃焼は、必要により上述のEGR装置により酸素濃度が最適に調整されてはいるが、従来の石油系燃料や炭化水素系ガス燃料と比べて、極めて急速である。
Then, the
因みに、水素燃料は着火性が高くピストン4による圧縮のみにより自己着火させることもできるが、この場合には着火時期がばらつき、過早着火等による異常燃焼を発生させる可能性がある。このため、コントローラ12によりその噴射時期が明確に制御される石油系燃料噴射弁6からの石油系燃料のシリンダ2内へ噴射により、水素燃料を着火させて燃焼させるようにした。このため、水素燃料の着火時期をコントローラ12により自在に、かつ確実に制御することができる。
Incidentally, hydrogen fuel is highly ignitable and can be self-ignited only by compression by the
次に、上述の水素燃料の燃焼に続いて、石油系燃料噴射弁6から噴射された石油系燃料が燃焼する。1サイクル当たりの水素燃料の噴射量は、水素の供給圧力と水素燃料噴射弁8の開弁時期から決定されるが、排気ガス中の二酸化炭素の削減の観点から、定常運転時における水素燃料と石油系燃料との混合量比は、エネルギ比で1:(0.5~2.0)、さらに75%負荷運転時のエネルギ比で、1:(1.0~1.2)とすることが望ましい。
Next, following the combustion of the hydrogen fuel described above, the petroleum-based fuel injected from the petroleum-based
石油系燃料のエネルギ量に対して水素燃料のエネルギ量が多くなると、水素燃料によるノッキング等の異常燃焼がその比率に応じて多発するようになる一方、石油系燃料のエネルギ量に対して水素燃料のエネルギ量が少なくなると、排出される二酸化炭素の大幅な削減を図るという発明の本来の目的を、その比率に応じて達成することが困難になる。このため、水素燃料と石油系燃料との混合量比は、上記範囲内であることが望ましい。なお、この水素燃料と石油系燃料との混合量比は、本発明を実現化する上で極めて重要な要素である。 When the energy amount of hydrogen fuel increases with respect to the energy amount of petroleum fuel, abnormal combustion such as knocking due to hydrogen fuel occurs frequently according to the ratio. If the amount of energy is reduced, it becomes difficult to achieve the original purpose of the invention, which is to significantly reduce the amount of carbon dioxide emitted, according to the ratio. Therefore, it is desirable that the mixing amount ratio of the hydrogen fuel and the petroleum-based fuel is within the above range. The mixing ratio of the hydrogen fuel and the petroleum-based fuel is an extremely important factor in realizing the present invention.
水素燃料は燃焼速度が極めて速く、仮に石油系燃料量を最少化すると共に、水素燃料量を最大化した場合には、燃焼ガスの圧力が高くなりすぎたり、あるいは過早着火してノッキング等の異常燃焼が発生したりする。 Hydrogen fuel burns very quickly, and if the amount of petroleum fuel is minimized and the amount of hydrogen fuel is maximized, the pressure of the combustion gas may become too high, or it may ignite prematurely, resulting in knocking. Abnormal combustion may occur.
特に、上述の水素燃料を用いた内燃機関においては、石油系燃料の噴射までに、シリンダ2内にすでに噴射されている水素燃料が着火しないようにすることが重要である。したがって、空気と石油系燃料と水素燃料との混合比は、定常運転時におけるエネルギ比で1:(0.5~2.0)、さらに75%負荷運転時のエネルギ比で、1:(1.0~1.2)とすることが望まれる。
In particular, in the above-described internal combustion engine using hydrogen fuel, it is important to prevent the hydrogen fuel that has already been injected into the
また、上述したように、本発明の水素燃料を用いた内燃機関においては、通常は窒素酸化物の排出量削減を目的として用いられるEGR装置を利用して、掃気内の酸素濃度を低下させ、水素酸素濃度の混合比を適切に調整して水素燃料の爆発的燃焼を抑制し、以ってノッキング等の異常燃焼の発生を減少させている。 Further, as described above, in the internal combustion engine using the hydrogen fuel of the present invention, the EGR device, which is usually used for the purpose of reducing the amount of nitrogen oxide emissions, is used to reduce the oxygen concentration in the scavenging air, Explosive combustion of hydrogen fuel is suppressed by appropriately adjusting the mixture ratio of hydrogen and oxygen concentration, thereby reducing the occurrence of abnormal combustion such as knocking.
このように、水素燃料を使用する内燃機関においては、シリンダ2内の水素酸素濃度比を適切に調整することは極めて重要なことであり、これにより水素燃料の過早着火等の異常燃焼を防止することができ、水素燃料を用いた内燃機関に対して飛躍的進歩を付与することができる。
Thus, in an internal combustion engine using hydrogen fuel, it is extremely important to appropriately adjust the hydrogen-oxygen concentration ratio in the
図4に、その他の実施の形態を示す。これは、4サイクルディーゼル機関(内燃機関)30において、上述の低速の2サクルユニフロー式ディーゼル機関1と同様に、水素燃料を重油系の石油系燃料と共に燃焼させる場合を示したものである。
Another embodiment is shown in FIG. This shows a case where hydrogen fuel is burned together with heavy oil-based petroleum-based fuel in a 4-cycle diesel engine (internal combustion engine) 30, as in the low-speed 2-cycle
この場合には、吸気管31内に配設された水素燃料噴射弁32から、水素燃料を吸気中に予め噴射し、シリンダ33内に導かれた水素燃料混合気にさらにシリンダヘッド35の石油系燃料噴射弁34から石油系燃料を噴射することにより、まず吸気中の水素燃料が、シリンダ33内に噴射された石油系燃料の噴射着火によって着火して燃焼し、それに続いて石油系燃料が燃焼することにより、ノッキング等の異常燃焼を発生させずに、水素燃料を用いた内燃機関の運転を行うことができる。
In this case, the hydrogen
1 2サイクルユニフロー式ディーゼル機関
2 シリンダ
3 シリンダヘッド
4 ピストン
5 排気弁
5a 排気弁作動制御装置
5b 排気レシーバ
6 石油系燃料噴射弁
7 石油系燃料供給装置
8 水素燃料噴射弁
9 水素燃料供給装置
10 掃気口
11 EGR装置
12 コントローラ
13 掃気管
30 4サイクルディーゼル機関
31 吸気管
32 水素燃料噴射弁
33 シリンダ
34 石油系燃料噴射弁
35 シリンダヘッド
1 2-cycle
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