| 【発明の名称】 |
往復動内燃機関及びその運転方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】石田 裕幸
【氏名】高石 龍夫
【氏名】伊藤 邦憲
【氏名】柚木 晃弘
【氏名】角田 明
【氏名】安枝 信次
|
| 【要約】 |
【課題】従来では十分に有効利用されていなかった排熱を往復動内燃機関の仕事に効率よく再生利用できる往復動内燃機関及びその運転方法の提供を課題とする。
【解決手段】往復動内燃機関１においては、高圧水Ｗの供給を受けて、該高圧水Ｗと排気ガスＥとの間で熱交換を行う熱交換器８と、該熱交換器８で熱交換した高圧水Ｗをシリンダ内に供給する高圧水供給装置９とを備え、シリンダ内に供給される高圧水Ｗが、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たす構成を採用した。また、この往復動内燃機関１の運転方法においては、排気ガスＥと高圧水Ｗとの間で熱交換を行う熱交換行程と、該熱交換行程後の高圧水Ｗを燃料Ｆと予め混合せずにシリンダ内に供給する高圧水供給行程とを有する方法を採用した。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シリンダと、該シリンダ内に燃料を供給する燃料供給装置と、前記シリンダ内で往復運動するピストンと、前記シリンダからの排気ガスを排気する排気装置とを備えた往復動内燃機関において、液体を含む高圧の流体からなる高圧水の供給を受けて、該高圧水と前記排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器で熱交換した前記高圧水を、前記燃料と予め混合することなく別経路から前記シリンダ内に噴射供給する高圧水供給装置とが備えられ、前記シリンダ内に供給される前記高圧水は、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たすことを特徴とする往復動内燃機関。
【請求項２】 請求項１記載の往復動内燃機関において、前記高圧水は、乾き度０．１以下とされていることを特徴とする往復動内燃機関。
【請求項３】 請求項１または２記載の往復動内燃機関において、前記排気装置には、前記シリンダに接続されて前記排気ガスを排出するための排ガス配管が設けられ、前記熱交換器は、前記排ガス配管上に設けられた過給器の、上流側または下流側のいずれか一方、もしくは両方に配設されていることを特徴とする往復動内燃機関。
【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の往復動内燃機関において、前記シリンダには、該シリンダ内部の前記ピストンに始動圧を加える始動空気供給装置が始動空気供給配管を介して接続され、該始動空気供給配管には、前記高圧水供給装置から前記シリンダに向かう前記高圧水を流す高圧水供給配管が分岐接続されていることを特徴とする往復動内燃機関。
【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の往復動内燃機関において、前記シリンダには、前記高圧水供給装置から前記シリンダに向かう前記高圧水を流す高圧水供給配管が直接接続されていることを特徴とする往復動内燃機関。
【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の往復動内燃機関において、前記高圧水供給装置には、前記ピストンが上死点近傍のクランク角度範囲内となった場合に開いて前記高圧水を前記シリンダ内に供給するバルブが備えられていることを特徴とする往復動内燃機関。
【請求項７】 シリンダと、該シリンダ内に燃料を供給する燃料供給装置と、前記シリンダ内で往復運動するピストンと、前記シリンダからの排気ガスを排気する排気装置とを備えた往復動内燃機関の運転方法において、前記排気ガスと、液体を含む高圧の流体からなる高圧水との間で熱交換を行う熱交換行程と、該熱交換行程後の前記高圧水を、前記燃料と予め混合することなく別経路から前記シリンダ内に噴射供給する高圧水供給行程とを有し、前記シリンダ内に供給される前記高圧水は、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たすことを特徴とする往復動内燃機関の運転方法。
【請求項８】 請求項７記載の往復動内燃機関の運転方法において、前記シリンダ内への前記高圧水の供給は、前記ピストンが上死点近傍のクランク角度範囲内となったときに行うことを特徴とする往復動内燃機関の運転方法。
【請求項９】 請求項８記載の往復動内燃機関の運転方法において、前記シリンダ内への前記高圧水の供給を、前記上死点の前後に少なくとも１回づつ行うことを特徴とする往復動内燃機関の運転方法。
【請求項１０】 請求項８記載の往復動内燃機関の運転方法において、前記シリンダ内への前記高圧水の供給を、前記上死点の前に少なくとも１回行うことを特徴とする往復動内燃機関の運転方法。
【請求項１１】 請求項６記載の往復動内燃機関、請求項８〜１１記載の往復動内燃機関の運転方法のいずれかにおいて、前記クランク角度範囲は、前記上死点を０度とした場合、−９０度〜＋６０度の範囲内であることを特徴とする往復動内燃機関。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばディーゼルエンジン等の往復動内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば船舶用エンジン等として広く用いられているディーゼルエンジンなどの内燃機関（以下、これを往復動内燃機関と称する）は、シリンダと、該シリンダ内で往復運動するピストンと、該ピストンの往復動力を負荷に伝達するクランクとを備えた構造が一般的である。この種の従来の往復動内燃機関の内、例えばディーゼルエンジンにおいては、吸気行程でシリンダ内に空気のみを吸入し、続く圧縮行程でこの空気をピストンによって高圧に圧縮し、上死点付近で燃料をシリンダ内に霧状に噴射して高温高圧となっている空気を燃焼・膨張させ、続く排気行程で燃焼後の排気ガスをシリンダ内から排気するという一連の動作を繰り返し行うことで、クランクを回転させて動力を得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記説明の従来の往復動内燃機関は、以下に説明する問題を有していた。すなわち、前記排気行程でシリンダから排出される排気ガスは、例えば、シリンダ内に空気を加圧供給する過給器のタービンを回転させる動力源等として再利用される場合があるが、排気ガス中に含まれている排熱を効率良く回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用することが困難となっていた。
【０００４】本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を往復動内燃機関の仕事に効率よく再生利用できる往復動内燃機関及びその運転方法の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の往復動内燃機関及びぞの運転方法は、前記課題を解決するために以下の手段を採用した。すなわち、請求項１記載の往復動内燃機関は、シリンダと、該シリンダ内に燃料を供給する燃料供給装置と、前記シリンダ内で往復運動するピストンと、前記シリンダからの排気ガスを排気する排気装置とを備えた往復動内燃機関において、液体を含む高圧の流体からなる高圧水の供給を受けて、該高圧水と前記排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器で熱交換した前記高圧水を、前記燃料と予め混合することなく別経路から前記シリンダ内に噴射供給する高圧水供給装置とが備えられ、前記シリンダ内に供給される前記高圧水が、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たすことを特徴とする。上記請求項１記載の往復動内燃機関によれば、排気ガス中に含まれている排熱を熱交換器で高圧水に伝熱させ、この熱交換後の高圧水を高圧水供給装置によってシリンダ内に投入することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用させることができる。
【０００６】請求項２記載の往復動内燃機関は、請求項１記載の往復動内燃機関において、前記高圧水が、乾き度０．１以下とされていることを特徴とする。上記請求項２記載の往復動内燃機関によれば、高圧水の乾き度を０．１以下とすることで、蒸気ではなく液体としてこれを取り扱うことができる。
【０００７】請求項３記載の往復動内燃機関は、請求項１または２記載の往復動内燃機関において、前記排気装置には、前記シリンダに接続されて前記排気ガスを排出するための排ガス配管が設けられ、前記熱交換器が、前記排ガス配管上に設けられた過給器の、上流側または下流側のいずれか一方、もしくは両方に配設されていることを特徴とする。上記請求項３記載の往復動内燃機関によれば、過給器の上流側の排ガス配管上に熱交換器を設けた場合には、過給器の下流側に設けた場合に比較して、高い温度の排気ガスと高圧水との間で熱交換させることができ、高圧水の温度を高めることができる。また、過給器の上流側と下流側との両方に熱交換器を設けた場合には、過給器の上流側または下流側のいずれか一方のみに設ける場合に比較して、二段構えで効率良く熱回収を行うことができる。
【０００８】請求項４記載の往復動内燃機関は、請求項１〜３のいずれかに記載の往復動内燃機関において、前記シリンダには、該シリンダ内部の前記ピストンに始動圧を加える始動空気供給装置が始動空気供給配管を介して接続され、該始動空気供給配管には、前記高圧水供給装置から前記シリンダに向かう前記高圧水を流す高圧水供給配管が分岐接続されていることを特徴とする。上記請求項４記載の往復動内燃機関によれば、始動空気供給配管に高圧水供給配管を分岐接続する構成を採用したことで、シリンダを加工することなく高圧水供給装置を接続することができる。
【０００９】請求項５記載の往復動内燃機関は、請求項１〜３のいずれかに記載の往復動内燃機関において、前記シリンダには、前記高圧水供給装置から前記シリンダに向かう前記高圧水を流す高圧水供給配管が直接接続されていることを特徴とする。
【００１０】請求項６記載の往復動内燃機関は、請求項１〜５のいずれかに記載の往復動内燃機関において、前記高圧水供給装置には、前記ピストンが上死点近傍のクランク角度範囲内となった場合に開いて前記高圧水を前記シリンダ内に供給するバルブが備えられていることを特徴とする。上記請求項６記載の往復動内燃機関によれば、排気ガスから熱回収した排熱を含む高圧水を、最も熱回収による再生効率が高くなるタイミングでバルブを開いてシリンダ内に投入することができる。すなわち、往復動内燃機関の熱効率は、出力を入熱量で割った比の関数として表されるが、高圧水による回収熱量が同一かつ燃料熱量が同一の場合において、高圧水をシリンダ内に供給するタイミングが上死点に近いほど、系から排出される熱量を小さくすることができるので、ひいては熱効率を向上させることが可能となる。
【００１１】請求項７記載の往復動内燃機関の運転方法は、シリンダと、該シリンダ内に燃料を供給する燃料供給装置と、前記シリンダ内で往復運動するピストンと、前記シリンダからの排気ガスを排気する排気装置とを備えた往復動内燃機関の運転方法において、前記排気ガスと、液体を含む高圧の流体からなる高圧水との間で熱交換を行う熱交換行程と、該熱交換行程後の前記高圧水を、前記燃料と予め混合することなく別経路から前記シリンダ内に噴射供給する高圧水供給行程とを有し、前記シリンダ内に供給される前記高圧水が、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たすことを特徴とする。上記請求項７記載の往復動内燃機関の運転方法によれば、熱交換行程においては、排気ガス中に含まれている排熱を高圧水に伝熱させ、続く高圧水供給行程においては、熱交換後の高圧水をシリンダ内に投入することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用させることができる。
【００１２】請求項８記載の往復動内燃機関は、請求項７記載の往復動内燃機関の運転方法において、前記シリンダ内への前記高圧水の供給が、前記ピストンが上死点近傍のクランク角度範囲内となったときに行うことを特徴とする。上記請求項８記載の往復動内燃機関の運転方法によれば、排気ガスから熱回収した排熱を含む高圧水を、最も熱回収による再生効率が高くなるタイミングでシリンダ内に投入することができる。すなわち、往復動内燃機関の熱効率は、出力を入熱量で割った比の関数として表されるが、高圧水による回収熱量が同一かつ燃料熱量が同一の場合において、高圧水をシリンダ内に供給するタイミングが上死点に近いほど、系から排出される熱量を小さくすることができるので、ひいては熱効率を向上させることが可能となる。
【００１３】請求項９記載の往復動内燃機関の運転方法は、請求項８記載の往復動内燃機関の運転方法において、前記シリンダ内への前記高圧水の供給を、前記上死点の前後に少なくとも１回づつ行うことを特徴とする。上記請求項９記載の往復動内燃機関の運転方法によれば、上死点前のシリンダ内に高圧水を供給することで、高圧水よりも温度の高いシリンダ内温度を下げることができ、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させることが可能となる。また、上死点後のシリンダ内に高圧水を供給することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。また、一度で高圧水の全てをシリンダ内に投入する場合に比較して、複数回に分割して供給する多段式の高圧水供給方法を採用することで、高圧水の１回当たりの供給流量を低く抑えることができるので、シリンダ内の燃焼を極端に悪化させてしまう恐れを低減させることも可能となる。
【００１４】請求項１０記載の往復動内燃機関の運転方法は、請求項８記載の往復動内燃機関の運転方法において、前記シリンダ内への前記高圧水の供給を、前記上死点の前に少なくとも１回行うことを特徴とする。上記請求項１０記載の往復動内燃機関によれば、上死点前のシリンダ内に高圧水を供給することで、排気ガス中の排熱を回収して再生利用することによる往復動内燃機関の高熱効率化及び高出力化の達成に加えて、高圧水よりも温度の高いシリンダ内温度を下げることができ、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させることも可能となる。
【００１５】請求項１１記載の往復動内燃機関は、請求項６記載の往復動内燃機関、請求項８〜１１記載の往復動内燃機関の運転方法のいずれかにおいて、前記クランク角度範囲が、前記上死点を０度とした場合、−９０度〜＋６０度の範囲内であることを特徴とする。上記請求項１１記載の往復動内燃機関またはその運転方法によれば、請求項６または８記載と同様の作用を得ることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の往復動内燃機関の各実施の形態についての説明を、図面を参照しながら以下に行う。しかしながら、本発明がこれらに限定解釈されるものでないことは、もちろんである。まず、図１〜図７を参照しながら、本発明の往復動内燃機関の第１の実施の形態として、本発明をディーゼル機関に適用した場合についての説明を以下に行う。なお、図１は、本発明の往復動内燃機関の第１の実施の形態を示す図であって、概略機器構成図である。また、図２は、同往復動内燃機関の要部を示す図であって、シリンダの軸線を通る断面で見た断面図である。また、図３は、同往復動内燃機関の動作を示す図であって、横軸をシリンダの筒内エントロピＳとし、縦軸をシリンダの筒内温度としたＴＳ線図である。また、図４は、同往復動内燃機関の動作を示す図であって、横軸をシリンダの筒内容積Ｖとし、縦軸をシリンダの筒内圧力ＰとしたＰＶ線図である。また、図５は、同往復動内燃機関の運転方法を示す図であって、横軸にクランク角度、縦軸に燃料噴射のタイミング，高圧水噴射のタイミング，そしてシリンダの筒内圧力Ｐを示したグラフである。また、図６は、同往復動内燃機関において、高圧水供給タイミングを上死点ＴＤＣから離した場合を示す図であって、横軸をシリンダの筒内エントロピＳとし、縦軸をシリンダの筒内温度としたＴＳ線図である。また、図７は、同往復動内燃機関の他の運転方法を示す図であって、横軸にクランク角度、縦軸に燃料噴射のタイミング，高圧水噴射のタイミング，そしてシリンダの筒内圧力Ｐを示したグラフである。
【００１７】図１に示すように、本実施の形態の往復動内燃機関１（ディーゼル機関）は、ディーゼルエンジン２と、該ディーゼルエンジン２に燃料Ｆを供給する燃料供給装置３と、燃焼前の空気Ａ（新気）をディーゼルエンジン２に加圧供給する過給器４を有する空気供給装置５と、燃焼後の排気ガスＥを排気する排気装置６と、該排気装置６の排気配管７上でかつ過給器４よりも下流側に接続され、液体を含む高圧の流体からなる高圧水Ｗの供給を受けて、該高圧水Ｗと排気ガスＥとの間で熱交換を行う熱交換器８と、該熱交換器８で熱交換した高圧水Ｗを、燃料Ｆと予め混合することなく別経路からシリンダ１０（後述）内に噴射供給する高圧水供給装置９とを備えた概略構成となっている。そして、前記シリンダ１０内に供給される前記高圧水Ｗは、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たしている。
【００１８】図２に示すように、ディーゼルエンジン２は、シリンダ１０と、該シリンダ１０内で往復運動するピストン１１と、該ピストン１１の往復動力を負荷に伝達する図示されないクランクと、シリンダ１０内に燃料Ｆを供給する前記燃料供給装置３の燃料噴射弁１２と、シリンダ１０内に前記空気供給装置５からの空気Ａを導く吸気管１３と、この吸気を許可または遮断する吸気バルブ１４と、シリンダ１０内から前記排気装置６に排気ガスＥを導く排気管１５と、この排気を許可または遮断する排気バルブ１６と、ディーゼルエンジン２の起動時にシリンダ１０内部のピストン１１に始動圧を加える始動空気供給装置１７とを備えている。そして、これら燃料噴射弁１２，吸気管１３，吸気バルブ１４，排気管１５，排気バルブ１６，始動空気供給装置１７は、シリンダ１０の上端部にそれぞれ配設されている。
【００１９】始動空気供給装置１７は、加圧空気ＳＡをシリンダ１０内に導く始動空気供給配管１８と、この加圧空気ＳＡの筒内供給を許可または遮断する始動空気供給バルブ１９とを備えている。したがって、この始動空気供給装置１７は、シリンダ１０の上端に接続された前記始動空気供給配管１８を介して、始動空気供給バルブ１９の開閉によって加圧空気ＳＡをシリンダ１０内に供給または供給停止可能となっている。始動空気供給配管１８には、前記高圧水供給装置９からシリンダ１０に向かう高圧水Ｗを流す高圧水供給配管２０が分岐接続され、該高圧水供給配管２０上には、シリンダ１０への高圧水Ｗの供給を許可または遮断する高圧水供給バルブ２１が配設されている。この高圧水供給バルブ２１は、ピストン１１が上死点近傍のクランク角度範囲内となった場合に開いて高圧水Ｗをシリンダ１０内に噴射するように制御されている。なお、図２には、シリンダ１０内に噴射される高圧水Ｗと加圧空気ＳＡとが示されているが、これらは同時に噴射されるのではなく、加圧空気ＳＡにおいてはディーゼルエンジン２の起動時に筒内噴射され、高圧水Ｗにおいては、ディーゼルエンジン２起動後に、後述するタイミングで筒内噴射されるものである。
【００２０】図１に示す前記燃料供給装置３は、予め設定されたタイミングで燃料噴射弁１２を開き、シリンダ１０内の燃焼空間に噴霧状の燃料Ｆを噴射可能な構造となっている。過給器４は、シリンダ１０から排出された排気ガスＥでタービン４ａを回転駆動させ、この回転駆動力によってコンプレッサ４ｂを回転駆動させてシリンダ１０への空気Ａの加圧供給を行う構造となっている。熱交換器８は、高圧水Ｗの供給を受けて、該高圧水Ｗと排気ガスＥとの間で熱交換を行うものであり、該熱交換器８で熱交換した高圧水Ｗは、前記高圧水供給配管１９から始動空気供給配管１８を介してシリンダ１０内に筒内噴射される構造となっている。したがって、シリンダ１０から排出された排気ガスＥに含まれている排熱は、熱交換器８において高圧水Ｗへと伝熱され、そして高圧水Ｗと共にシリンダ１０内に投入されることで熱回収される。高圧水供給装置９は、図１に示すように、例えば２５ＭＰａに昇圧された高圧水Ｗを送水する高圧水ポンプ２２と、該高圧水ポンプ２２から熱交換器８内を通ってシリンダ１０内に熱交換後の高圧水Ｗを供給可能に接続された高圧水供給配管２３とを備えた構成となっている。
【００２１】熱交換器８を経た後の高圧水Ｗは、前述したように高圧かつ高温の水であり、その乾き度は０．１以下となっている。
【００２２】以上説明の構成を有する本実施の形態の往復動内燃機関１の運転方法についての説明を、以下に説明を続ける。この往復動内燃機関１の運転方法は、シリンダ１０内に空気供給装置５からの空気Ａを供給する吸気行程と、該吸気行程後のシリンダ１０内の空気Ａを、ピストン１１を押し上げて高温高圧に圧縮する圧縮行程と、上死点近くのシリンダ１０内に、燃料供給装置３の燃料噴射弁１２から燃料Ｆを微細な霧状にして噴射し、高温高圧の空気Ａの熱で点火燃焼及び膨張させてピストン１１を押し下げる膨張行程と、該膨張行程後のピストン１１を押し上げてシリンダ１０内の燃焼後の排気ガスＥを排気管１５から排気装置６へと排出する排気行程とを有している。
【００２３】これら吸気行程及び圧縮行程及び膨張行程及び排気行程は、通常のディーゼルエンジンの燃焼行程と同じであるが、本実施の形態の往復動内燃機関１では、これら行程に加えて、前記排気行程でシリンダ１０から排出された排気ガスＥと、高圧水供給装置９から供給された液体を含む高圧の流体からなる高圧水Ｗとの間で、熱交換器８において熱交換を行う熱交換行程と、該熱交換行程後の高圧水Ｗを、燃料Ｆと予め混合することなく別経路からシリンダ１０内に噴射供給する高圧水供給行程とからなる熱回収行程を更に有している点が特に異なっているので、前記熱回収行程を中心に以下に説明を続ける。
【００２４】図３のＴＳ線図及び図４のＰＶ線図において、符号Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５に示す各ポイントで囲まれる破線の範囲が従来のディーゼルエンジンのサイクルを模式的に等容燃焼と等圧燃焼との複合サイクルとして示し、符号Ｐ１，Ｐ２’，Ｐ２”，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５に示す各ポイントで囲まれる実線の範囲が本実施の形態の往復動内燃機関１のサイクルを示している。そして、これらポイントの内、ポイントＰ２及びＰ１２が、それぞれのサイクルの各上死点を示している。前記膨張行程における燃料Ｆの燃焼は、従来のサイクルにおいてはポイントＰ１２，Ｐ１３，Ｐ１４間の範囲Ｒ１１でなされ、本実施形態の往復動内燃機関１においてはポイントＰ２，Ｐ３，Ｐ４間の範囲Ｒ１で行われる。また、前記排気行程における排気ガスＥの排出は、従来のサイクルにおいてはポイントＰ１５，Ｐ１１間の範囲Ｒ１２でなされ、本実施形態の往復動内燃機関１においてはポイントＰ５，Ｐ１間の範囲Ｒ２で行われている。
【００２５】また、これらの図において、従来のサイクルの方に着目した場合、この系（サイクル）への給熱は、範囲Ｒ１１で燃料Ｆの燃焼による給熱Ｑ１２，１３（定容燃焼。図示せず。以下同様。）及び給熱Ｑ１３，１４（定圧燃焼）としてなされる。逆に、この系からの排熱は、範囲Ｒ１２からの排熱Ｑ１５，１１としてなされる。
【００２６】一方、往復動内燃機関１のサイクルの方に着目した場合、ポイントＰ２’，Ｐ２”間を結ぶ範囲Ｒ３が、前記熱回収行程中の前記高圧水供給行程となっている。そして、この系（サイクル）への給熱は、範囲Ｒ１で燃料Ｆの燃焼による給熱Ｑ２３（定容燃焼）及び給熱Ｑ３４（定圧燃焼）がなされ、範囲Ｒ３で排気ガスＥからの熱回収による給熱Ｑ２’２”がなされる。逆に、この系からの排熱は、範囲Ｒ２からの排熱Ｑ５１としてなされるが、実際にはこの排熱Ｑ５１の内の一部は前記給熱Ｑ２’２”として系に回収されるので、本当の意味での排熱量は、排熱Ｑ５１から給熱Ｑ２’２”を差し引いた実質排熱Ｑ６（Ｑ６＝Ｑ５１−Ｑ２’２”）となる。
【００２７】したがって、燃料Ｆによる給熱量が等しい場合（すなわち、Ｑ１２，１３＋Ｑ１３，１４＝Ｑ２３＋Ｑ３４である場合）、排熱は、Ｑ６＜Ｑ１５，１１の関係となり、従来のサイクルに比較して本実施の形態の往復動内燃機関１の方が排熱量が少ないこととなる。一般に、熱効率ηは、η＝１−（排熱量）／（給熱量）で表されることから解るように、従来のサイクルよりも排熱量が少ない本実施の形態の往復動内燃機関１の方が、高い熱効率を達成可能となっている。
【００２８】次に、本実施の形態の往復動内燃機関１における高圧水Ｗのシリンダ１０内への噴射タイミングについての説明を、図５を参照しながら以下に行う。この図５において、横軸は前記クランクの回転角度を示し、各縦軸は燃料Ｆをシリンダ１０内に噴射するタイミングと、高圧水Ｗをシリンダ１０内に噴射するタイミングと、このときのシリンダ１０の筒内圧力Ｐとをそれぞれ示している。なお、クランク角度０度に引いた縦線ＴＤＣが、上死点を示している。同図に示すようにシリンダ１０内への高圧水Ｗの供給は、ピストン１１が上死点近傍のクランク角度範囲内となったときに行うものとしている。このクランク角度範囲としては、上死点ＴＤＣを０度とした場合、−９０度〜＋６０度の範囲内で行うことが好ましい。この範囲内であれば、実質的に上死点ＴＤＣの前（同図の符号２５に示す実線）に行っても、上死点ＴＤＣの後（同図の符号２６に示す破線）に行っても、熱回収効率の観点からは同じであるが、上死点ＴＤＣに極力近いタイミング（クランク角度）で行うのがより好ましい。
【００２９】その理由は、図６のＴＳ線図に示すように、高圧水Ｗを投入するタイミングが上死点ＴＤＣから離れるにしたがって、サイクルの領域が横軸のエントロピＳの右方向に伸びる形となるからである。すなわち、同図における各サイクルの排出熱量の大きさは、各サイクルの下端縁と横軸Ｓとの間に形成される面積（例えば図示の斜線部分）として表されるが、例えばサイクル２７ａ，２７ｃ間で比較した場合、上死点ＴＤＣにより近いタイミングで高圧水Ｗを投入しているサイクル２７ａの方が、前記面積が小さいので、ひいてはサイクル２７ｃよりも排出熱量を小さく抑えることができるからである。
【００３０】なお、本実施の形態では、図５に示したように、上死点ＴＤＣの前に高圧水Ｗの供給を１回行うこととしているが、上死点ＴＤＣの後に行う場合に比較して、熱効率の点では前述したように差を成さないが、別の効果を得ることが可能となる。すなわち、シリンダ１０内に投入される高圧水Ｗは、排気ガスＥから回収された排熱を含んでいるので昇温されてはいるが、シリンダ１０内のガス温度よりも低いため、高圧水Ｗの投入によってシリンダ１０内のガス温度が下げられることとなる。一般に、エンジンの燃焼により生ずるＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度は、燃焼ガスの温度が高いほど高濃度となるので、高圧水Ｗの投入によってガス温度を下げることで、排気ガスＥ中に含まれるＮＯｘ濃度を低減させることが可能となるのである。
【００３１】なお、本実施の形態の運転方法においては、高圧水Ｗのシリンダ１０内への投入のタイミングを、上死点ＴＤＣ前後のいずれか一方に１回行うものとしたが、これに限らず、例えば図７に示すように、上死点ＴＤＣの前後に１回づつ（符号２９，３０）の計２回に分けて行うものとしても良い。この運転方法によれば、上死点ＴＤＣ前のシリンダ１０内に高圧水Ｗを供給することで、高圧水Ｗよりも温度の高いシリンダ１０内のガス温度を下げることができ、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させることができるので、環境に優しい往復動内燃機関１とすることが可能となる。また、上死点ＴＤＣ後のシリンダ１０内に高圧水Ｗを供給することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関１の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。また、一度で高圧水Ｗの全てをシリンダ１０内に投入する場合に比較して、このように複数回に分割して供給する多段式の高圧水供給方法を採用することで、高圧水Ｗの１回当たりの供給流量を低く抑えることができるので、シリンダ１０内の燃焼を極端に悪化させてしまう恐れを低減させることも可能となる。
【００３２】以上説明の本実施の形態の往復動内燃機関１及びその運転方法によれば、下記にまとめる効果を得ることが可能である。すなわち、本実施の形態の往復動内燃機関１は、液体を含む高圧の流体からなる高圧水Ｗの供給を受けて、該高圧水Ｗと排気ガスＥとの間で熱交換を行う熱交換器８と、該熱交換器８で熱交換した高圧水Ｗをシリンダ１０内に供給する高圧水供給装置９とを備えた構成を採用した。この構成を有する往復動内燃機関１及びその運転方法によれば、排気ガスＥ中に含まれている排熱を熱交換器８で高圧水Ｗに伝熱させ（熱交換行程）、この熱交換後の高圧水Ｗを高圧水供給装置９によってシリンダ１０内に投入する（高圧水供給行程）ことで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関１の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となっている。
【００３３】また、本実施の形態の往復動内燃機関１によれば、高圧水Ｗの乾き度を０．１以下とすることで、蒸気ではなく液体としてこれを取り扱うことができるので、これが流通する流路上に設けられるバルブの大きさとして、サイズの小さいものを採用することが可能となり、往復動内燃機関１の製造コストを下げることが可能となっている。
【００３４】また、本実施の形態の往復動内燃機関１によれば、始動空気供給配管１８に、高圧水供給装置９からシリンダ１０に向かう高圧水Ｗを流す高圧水供給配管２０が分岐接続される構成を採用したことで、シリンダ１０を加工することなく高圧水供給装置９を接続させることができるので、既存の往復動内燃機関に対しても容易な改修を行うだけで本発明を適用することが可能となる。
【００３５】また、本実施の形態の往復動内燃機関１によれば、高圧水供給装置９に、ピストン１１が上死点ＴＤＣ近傍のクランク角度範囲内となった場合に、開いて高圧水Ｗをシリンダ１０内に供給する高圧水供給バルブ２１を備えた構成を採用した。また、この往復動内燃機関１の運転方法においては、シリンダ１０内への高圧水Ｗの供給を、ピストン１１が上死点ＴＤＣ近傍のクランク角度範囲（−９０度〜＋６０度）内となったときに行う方法を採用した。したがって、これら往復動内燃機関１及びその運転方法によれば、排気ガスＥから熱回収した排熱を含む高圧水Ｗを、最も熱回収による再生効率が高くなるタイミングで高圧水供給バルブ２１を開いてシリンダ１０内に投入することができるので、より高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。
【００３６】また、本実施の形態の往復動内燃機関１の運転方法によれば、シリンダ１０内への高圧水Ｗの供給を、上死点ＴＤＣの前に１回行う方法を採用した。この運転方法によれば、上死点ＴＤＣ前のシリンダ１０内に高圧水Ｗを供給することで、高圧水Ｗよりも温度の高いシリンダ１０内のガス温度を下げることができ、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させることができるので、環境に優しい往復動内燃機関１とすることが可能となる。また、上死点ＴＤＣ後のシリンダ１０内に高圧水Ｗを供給する場合には、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関１の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。また、一度で高圧水Ｗの全てをシリンダ１０内に投入する場合に比較して、複数回に分割して供給する多段式の高圧水供給方法を採用した場合には、高圧水Ｗの１回当たりの供給流量を低く抑えることができるので、シリンダ１０内の燃焼を極端に悪化させてしまう恐れを低減させることも可能となる。
【００３７】次に、図８を参照しながら本発明の往復動内燃機関の第２の実施の形態についての説明を以下に行う。なお、本実施の形態の往復動内燃機関３０は、第１の実施の形態の往復動内燃機関１に比較して、排気装置６上に有る過給器４の上流側（すなわち、過給器４とディーゼルエンジン２との間）に熱交換器８を配置した点が特に異なっており、その他は図１と同様であるので、各構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施の形態の往復動内燃機関３０によれば、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることが可能であるが、これに加えて、本実施の形態の往復動内燃機関３０によれば、過給器４の上流側の排ガス配管７上に熱交換器８を設けたことにより、過給器４の下流側に設けた場合に比較して、より高温な排気ガスＥを、高圧水Ｗと熱交換させることができるので、より効率良く熱回収を行うことが可能となる。
【００３８】なお、上記第１の実施の形態では、過給器４の下流側に熱交換器８を設け、上記第２の実施の形態では過給器４の上流側に熱交換器８を設けるものとしたが、これらに限らず、過給器４の上流側と下流側との両方に熱交換器８をそれぞれ設ける構成も可能である。この場合には、過給器４の上流側または下流側のいずれか一方のみに設ける場合に比較して、二段構えで熱回収を行うことができるので、より多くの熱量を排気ガスＥから高圧水Ｗへと熱交換させることができ、さらに効率良く熱回収を行うことが可能となる。
【００３９】
【発明の効果】本発明の請求項１記載の往復動内燃機関は、液体を含む高圧の流体からなる高圧水の供給を受けて、該高圧水と排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、該熱交換器で熱交換した高圧水を、燃料と予め混合することなく別経路からシリンダ内に噴射供給する高圧水供給装置とが備えられ、シリンダ内に供給される前記高圧水が、５ＭＰａ以上かつ２５０℃以上の条件を満たす構成を採用した。この構成によれば、排気ガス中に含まれている排熱を熱交換器で高圧水に伝熱させ、この熱交換後の高圧水を高圧水供給装置によってシリンダ内に投入することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。
【００４０】また、請求項２記載の往復動内燃機関によれば、高圧水の乾き度を０．１以下とすることで、蒸気ではなく液体としてこれを取り扱うことができるので、これが流通する流路上に設けられるバルブの大きさとして、サイズの小さいものを採用することが可能となり、往復動内燃機関の製造コストを下げることが可能となる。
【００４１】また、請求項３記載の往復動内燃機関は、熱交換器が、過給器の上流側または下流側のいずれか一方、もしくは両方に配設されている構成を採用した。この構成によれば、過給器の上流側の排ガス配管上に熱交換器を設けた場合には、過給器の下流側に設けた場合に比較して、温度が高い排気ガスと高圧水との間で熱交換させることができるので、高圧水の温度を高くすることができる。また、過給器の上流側と下流側との両方に熱交換器を設けた場合には、過給器の上流側または下流側のいずれか一方のみに設ける場合に比較して、二段構えで熱回収を行うことができるので、より多くの熱量を排気ガスから高圧水へと熱交換させることができ、さらに効率良く熱回収を行うことが可能となる。
【００４２】また、請求項４記載の往復動内燃機関によれば、始動空気供給配管に、高圧水供給装置からシリンダに向かう高圧水を流す高圧水供給配管が分岐接続される構成を採用したことで、シリンダを加工することなく高圧水供給装置を接続させることができるので、既存の往復動内燃機関に対しても容易な改修を行うだけで本発明を適用することが可能となる。
【００４３】また、請求項６記載の往復動内燃機関によれば、高圧水供給装置に、ピストンが上死点近傍のクランク角度範囲内となった場合に、開いて高圧水をシリンダ内に供給するバルブを備えた構成を採用したことで、排気ガスから熱回収した排熱を含む高圧水を、最も熱回収による再生効率が高くなるタイミングでバルブを開いてシリンダ内に投入することができるので、より高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。
【００４４】また、請求項７記載の往復動内燃機関の運転方法は、排気ガスと、液体を含む高圧の流体からなる高圧水との間で熱交換を行う熱交換行程と、該熱交換行程後の高圧水をシリンダ内に供給する高圧水供給行程とを有する方法を採用した。この運転方法によれば、熱交換行程においては、排気ガス中に含まれている排熱を高圧水に伝熱させ、続く高圧水供給行程においては、熱交換後の高圧水をシリンダ内に投入することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。
【００４５】また、請求項８記載の往復動内燃機関の運転方法によれば、シリンダ内への高圧水の供給を、ピストンが上死点近傍のクランク角度範囲内となったときに行う方法を採用することで、排気ガスから熱回収した排熱を含む高圧水を、最も熱回収による再生効率が高くなるタイミングでシリンダ内に投入することができるので、より高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。
【００４６】また、請求項９記載の往復動内燃機関の運転方法によれば、シリンダ内への前記高圧水の供給を、上死点の前後に少なくとも１回づつ行う方法を採用した。この運転方法によれば、上死点前のシリンダ内に高圧水を供給することで、高圧水よりも温度の高いシリンダ内温度を下げることができ、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させることができるので、環境に優しい往復動内燃機関とすることが可能となる。また、上死点後のシリンダ内に高圧水を供給することで、従来では十分に有効利用されていなかった排熱を回収して往復動内燃機関の仕事に再生利用させることができるので、高熱効率かつ高出力を達成することが可能となる。また、一度で高圧水の全てをシリンダ内に投入する場合に比較して、複数回に分割して供給する多段式の高圧水供給方法を採用することで、高圧水の１回当たりの供給流量を低く抑えることができるので、シリンダ内の燃焼を極端に悪化させてしまう恐れを低減させることも可能となる。
【００４７】また、請求項１０記載の往復動内燃機関の運転方法は、シリンダ内への高圧水の供給を、上死点の前に少なくとも１回行う方法を採用した。この運転方法によれば、上死点前のシリンダ内に高圧水を供給することで、排気ガス中の排熱を回収して再生利用することによる往復動内燃機関の高熱効率化及び高出力化の達成に加えて、高圧水よりも温度の高いシリンダ内温度を下げることができ、燃焼により発生するＮＯｘ濃度を低減させることも可能となる。
【００４８】また、請求項１１記載の往復動内燃機関またはその運転方法によれば、クランク角度範囲を、上死点を０度とした場合、−９０度〜＋６０度の範囲内としたことで、請求項６または８記載と同様の効果を得ることが可能となる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１２年１月１９日（２０００．１．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１２７３７
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴 （外３名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−２００７６１（Ｐ２００１−２００７６１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月２７日（２００１．７．２７） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１０６１２（Ｐ２０００−１０６１２） |
|