(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含む給気が導入される燃焼室内に水素を供給し、前記酸素を酸化剤として水素を燃焼させる水素エンジンにおいて、
前記エンジンからの排気ガスを冷却し、排気ガス中の水蒸気を凝縮液化して非凝縮作動ガスと分離して系外に排出するとともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に入ったアルゴンを含む非凝縮ガスを前記エンジン側へ循環させる凝縮器と、
前記凝縮器から送出された非凝縮ガスのうちの余剰分を系外に排出する余剰ガス排出装置と、
前記循環される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の製造時に含有されているアルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に送る酸素供給装置とを備え、
前記エンジンの排気口からの排出物としての水蒸気を凝縮して液体の水として系外に排出する凝縮器、余剰ガス排出装置、酸素供給装置の順に経てエンジンの給気口に至る作動ガスの循環路を構成するとともに、前記余剰ガス排出装置は、前記酸素供給装置により供給されるアルゴン等の不純ガスの混入量に等しい量の余剰ガスを常時外部に排出するように構成されていることを特徴とする水素エンジン。
【請求項２】
排気タービンと該排気タービンに同軸駆動されるコンプレッサとを備えた排気ターボ過給機を前記循環路に設け、前記エンジンからの排気ガスで前記排気タービンを駆動し、該駆動後の排気ガスを前記凝縮器に導き、
前記酸素供給装置からの酸素及びアルゴンを前記コンプレッサで加圧してエンジンの給気口に送るように構成した請求項１記載の水素エンジン。
【請求項３】
前記循環路の前記凝縮器の上流側に水蒸気を含む排気ガスによって駆動されるタービン発電機を設けてなる請求項１あるいは２に記載の水素エンジン。
【請求項４】
前記循環路のタービン発電機の上流側部位から該タービン発電機をバイパスして前記凝縮器の上流部位に接続されるバイパス路を設けるとともに、該バイパス路の入口に、該バイパス路あるいはタービン発電機への排気ガスの通流、遮断を切り換える切換弁を設けた請求項３記載の水素エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素を燃料とする水素エンジン、特に水素を燃焼室内に直接噴射し、点火装置によって着火・燃焼させる水素ディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は水素を燃料とする水素ディーゼルエンジンに関する従来技術の１例を示す構成図である。
図３において、１はエンジンで、ピストン２５、クランク軸２７、給気弁２２、排気弁２１等を備えている。２６は該エンジン１のシリンダ内の前記ピストン２５の上部に形成される燃焼室である。
【０００３】
２は燃料となる水素の噴射を行なう水素噴射装置、２８は該水素噴射装置に接続される水素噴射弁で、該水素噴射弁２８は前記燃焼室２６内に臨んで設けられ、該燃焼室２６内に水素を噴射するようになっている。
１０は前記燃焼室２６に臨んで設けられた点火装置で、燃焼室２６内に噴射された水素に点火し燃焼させるものである。
２４は前記エンジン１の燃焼室２６へ空気を送給するための給気管、２３は燃焼室２６内の燃焼ガスを排出するための排気管である。
【０００４】
４は、排気タービン４ａ及びこれに直結駆動されるコンプレッサ４ｂからなる排気ターボ過給機である。
該過給機４の排気タービン４ａ入口には前記排気管２３が接続されている。８は中間冷却器で、前記コンプレッサ４ｂとエンジン１の給気弁２２との間の前記給気管２４中に設けられ、コンプレッサ４ｂの出口の空気を冷却するものである。
３は発電機で前記エンジン１のクランク軸２７に直結され、該エンジン１の動力によって駆動される。
【０００５】
かかる従来の水素ディーゼルエンジンの運転時において、後述する排気ターボ過給機４から給気管２４及び給気弁２２を経て燃焼室２６内に供給された燃焼用酸素を含む空気がピストン２５の上昇（圧縮行程）によって圧縮されて高圧化される。
そして、かかる燃焼室２６内の高圧空気中に、水素噴射装置２において高圧化された水素が水素噴射弁２８から噴射され、次いでこの水素は点火装置１０によって点火されて、空気中の酸素との共働によって拡散燃焼せしめられ、ピストン２５への膨張仕事を行なう。
【０００６】
前記ピストン２５の動力はクランク軸２７を経て発電機３に伝達され、発電仕事をなす。
一方、排気弁２１が開弁すると、燃焼によって生じた排気ガスは排気管２３を通って排気ターボ過給機４の排気タービン４ａに導かれて該排気タービン４ａにて膨張仕事をなした後、外部に排出される。
また、前記排気タービン４ａの回転力はコンプレッサ４ｂに伝達され、該コンプレッサ４ｂは燃焼用の空気を加圧して空気冷却器（中間冷却器）８に送る。
該空気冷却器８において所定の温度まで冷却された空気は給気管２４を通り、給気弁２２の開弁とともに燃焼室２６内に供給され、前記のようにして水素の燃焼に供される。
【０００７】
また、かかる水素エンジンとして、不活性ガス循環水素燃料エンジンが特開平２−１１８２６号にて提案されている。
かかる水素エンジンにおいては、熱膨張媒体として二酸化炭素ガスを用い、燃焼で生じた燃焼ガスを系外に排出することなく、該燃焼ガスを冷却して水分を凝縮させ、液体（水）として循環させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
水素を燃料とするディーゼルエンジンは、燃料成分に炭素を含まないため、二酸化炭素、未燃炭化水素及び煤の排出が無いという低公害エンジンとしての大きな長所を有しているが、燃焼温度が高いため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度が高いため、これを低減することを要するという課題を抱えている。
【０００９】
かかる課題に対処するものとして前述の特開平２−１１８２６号の発明が提案された。即ち本先行技術は、前記のように、燃焼で生じた燃焼ガスを系外に排出することなく、燃焼ガス中に含まれる水分を凝縮させて液体（水）として循環させている。
しかしながら、かかる先行技術においては、二酸化炭素を作動ガスとして循環させているので、系外にＮＯｘを始めとする有害物を排出せず、排気ガスが清浄なエンジンではあるが、３原子分子である二酸化炭素を作動ガスとするため、比熱比（κ）が小さくそのため、熱機関としての効率即ち熱効率が空気を作動ガスとするエンジンに較べて低くなるという問題点を有している。
【００１０】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、水素を燃料とするエンジンにおいて、比熱比の高い作動ガスを使用可能として熱効率が高く、かつＮＯｘの排出が抑制された水素エンジンを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、その第１発明として、酸素を含む給気が導入される燃焼室内に水素を供給し、前記酸素を酸化剤として水素を燃焼させる水素エンジンにおいて、
前記エンジンからの排気ガスを冷却し、排気ガス中の水蒸気を凝縮液化して非凝縮作動ガスと分離して系外に排出するとともに酸素及び該酸素の不純ガスとして系内に入ったアルゴンを含む非凝縮ガスを前記エンジン側へ循環させる凝縮器と、
前記凝縮器から送出された非凝縮ガスのうちの余剰分を系外に排出する余剰ガス排出装置と、
前記循環される非凝縮ガスに酸素及び該酸素の製造時に含有されているアルゴンを供給して前記エンジンの給気通路に送る酸素供給装置とを備え、
前記エンジンの排気口からの排出物としての水蒸気を凝縮して液体の水として系外に排出する凝縮器、余剰ガス排出装置、酸素供給装置の順に経てエンジンの給気口に至る作動ガスの循環路を構成するとともに、前記余剰ガス排出装置は、前記酸素供給装置により供給されるアルゴン等の不純ガスの混入量に等しい量の余剰ガスを常時外部に排出するように構成されていることを特徴とする水素エンジンを提案する。
【００１２】
また、好ましくは前記第１発明に加えて、排気タービンと該排気タービンに同軸駆動されるコンプレッサとを備えた排気ターボ過給機を前記循環路に設け、前記エンジンからの排気ガスで前記排気タービンを駆動し、該駆動後の排気ガスを前記凝縮器に導き、
前記酸素供給装置からの酸素及びアルゴンを前記コンプレッサで加圧してエンジンの給気口に送るように構成する。
【００１３】
かかる第１発明によれば、エンジンの排気口から排気ターボ過給機の排気タービン、凝縮器、余剰ガス排出装置、酸素供給装置、前記過給機のコンプレッサを経てエンジンの給気口に至る、クローズドディーゼルサイクルからなる作動ガスの循環路を構成し、該循環路中に酸素供給装置にて燃焼用酸素とともに不純ガスとして比熱比（κ）の高いアルゴンを供給し、作動ガス内に含有させて循環させることにより、作動ガスの比熱比を高く保持することができる。これにより水素エンジンの熱効率を高く保持することができる。
【００１４】
また、燃焼用酸素の製造時に含有されているアルゴンを該酸素とともに作動ガス循環等に供給するので、格別なアルゴンの製造設備を必要とすることなく、所要のアルゴンを得ることができる。
【００１５】
また第２発明は、前記第１発明に加えて、前記循環路の前記凝縮器の上流側に水蒸気を含む排気ガスによって駆動されるタービン発電機を設け、さらに好ましくは、前記循環路のタービン発電機の上流側部位から該タービン発電機をバイパスして前記凝縮器の上流部位に接続されるバイパス路を設けるとともに、該バイパス路の入口に、該バイパス路あるいはタービン発電機への排気ガスの通流、遮断を切り換える切換弁を設ける。
【００１６】
かかる第２発明によれば、排気ターボ過給機を駆動後の作動ガスでタービン発電機を駆動し膨張仕事をなす。
これによって、タービンで発電機にて作動ガスのエネルギを回収することにより、プラントの出力が増大し、効率が向上するとともに、前記タービン発電機における膨張仕事により作動ガスの圧力及び温度レベルが低下するので凝縮器の伝熱面積を小さくすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１８】
図１は、本発明の第１実施形態に係る水素ディーゼルエンジンの構成図である。
図１において、１はエンジンであり、ピストン２５、クランク軸２７、給気弁２２、排気弁２１等を備えるとともに、シリンダ内の前記ピストン２５の上部には燃焼室２６が形成されている。
【００１９】
２は燃料となる水素の噴射を行なう水素噴射装置、２８は該水素噴射装置２に接続される水素噴射弁で、該水素噴射弁２８は前記燃焼室２６内に臨んで設けられ、該燃焼室２６内に前記燃料水素を噴射するようになっている。
１０は前記燃焼室２６に臨んで設けられた点火装置で、燃焼室２６内に噴射された水素に点火し燃焼させるものである。
２４は前記エンジン１の燃焼室２６へ作動ガスを送給するための給気管、２３は燃焼室２６内の燃焼ガスを排出するための排気管である。
【００２０】
４は排気タービン４ａ及びこれに直結駆動されるコンプレッサ４ｂからなる排気ターボ過給機である。
過給機４の排気タービン４ａ入口には前記排気管２３が接続されている。８は中間冷却器で、前記排気ターボ過給機４のコンプレッサ４ｂとエンジン１の給気弁２２との間の前記給気管２４中に設けられ、コンプレッサ４ｂ出口の作動ガスを冷却するものである。３は発電機で前記エンジン１のクランク軸２７に直結され、該エンジン１の動力によって駆動される。
以上の構成は図３に示す従来技術の水素ディーゼルエンジンと同様である。
【００２１】
本発明の実施形態においては、排気ターボ過給機の排気タービン駆動後の排気ガスを、酸素供給装置を介してエンジンの給気系に循環するように構成している。
即ち図１において、３０は排気タービン４ａのガス出口とコンプレッサ４ｂのガス入口と接続するガス循環路である。５は該ガス循環路３０の排気タービン４ａ出口側に設けられた凝縮器で、排気タービン４ａ出口の排気ガス（作動ガス）を冷却水にて冷却するものである。
【００２２】
前記ガス循環路３０の凝縮器５の下流には余剰ガス排出装置６及び酸素供給装置７が順に配設され、該酸素供給装置７の出口が前記コンプレッサ４ｂの吸入口に接続されている。
前記余剰ガス排出装置６は、前記酸素供給装置７により供給される供給酸素の製造時に微少量含まれているアルゴン等の不純ガスがガス循環系内に混入するが、この混入量に等しい量の余剰ガスを常時外部に排出するものである。
【００２３】
前記酸素供給装置７は、燃焼に必要な酸素、つまり酸素製造装置（不図示）により製造され、アルゴンを不純ガスとして含有する酸素を、ガス循環路３０の排気ターボ過給機４のコンプレッサ４ｂの吸入口側へ供給するものである。
【００２４】
かかる構成からなる水素ディーゼルエンジンの運転時において、排気ターボ過給機４のコンプレッサ４ｂには、後述する循環作動ガスに酸素供給装置７にて酸素が供給され、予混合された酸素富化状態にある作動ガスが吸入される。
前記酸素供給装置７における供給酸素にはこれの製造時の不純ガスとして少量のアルゴンが含まれており、従って上記酸素の供給により該アルゴンが混入された作動ガスが系内を循環することとなる。
【００２５】
前記酸素富化作動ガスは前記コンプレッサ４ｂによって圧縮され昇圧された後、中間冷却器８にて冷却・降温され、給気管２４に入り、給気弁２２の開弁とともに燃焼室２６内に導入される。この作動ガスはピストン２５の上昇（圧縮行程）によって圧縮され高圧化される。
【００２６】
そして、かかる燃焼室２６内の高圧作動ガス中に、水素噴射装置２において高圧化された水素が水素噴射弁２８から噴射され、次いでこの水素は点火装置１０によって点火されて、作動ガス中の酸素との共働によって拡散燃焼せしめられ、ピストン２５に膨張仕事を行なう。
前記ピストン２５の動力はクランク軸２７を経て発電機３に伝達され、発電仕事をなす。
【００２７】
一方、排気弁２１が開弁すると、燃焼による排気ガス即ち作動ガスは排気管２３を通って排気ターボ過給機４の排気タービン４ａに導かれて該排気タービン４ａにて膨張仕事をなした後、ガス循環路３０を通って凝縮器５に入る。
【００２８】
そして該排気ガスは凝縮器５にて冷却される。該凝縮器５においては、上記冷却により排気ガス中に含まれる燃焼生成物である水蒸気を凝縮液化して非凝縮ガスと分離し、液体のみを排出管３１から外部に排出せしめる。
前記凝縮器５における非凝縮の作動ガスは余剰ガス排出装置６にて余剰分が排出される。即ち該余剰ガス排出装置６においては、前記酸素供給装置７における供給酸素中に含まれる不純ガスとしてのアルゴンの混入量に等しい量のガスを常時系外に排出する。
【００２９】
以上のように、本発明の実施形態においては、エンジン１の排気弁２１から排気タービン４ａ、凝縮器５、余剰ガス排出装置６、酸素供給装置７、コンプレッサ４ｂ、空気冷却器８を経てエンジン１の給気弁２２に至るクローズドディーゼルサイクルからなるガス循環路３０を循環する作動ガス中に比熱比（κ）の大きいアルゴンを含有し、該アルゴンの濃度を高く保持できるので、作動ガスの比熱比が大となり、エンジン１の効率が向上する。
【００３０】
図２は、本発明の第２実施形態に係る水素ディーゼルエンジンの構成図である。
この実施形態では、ガス循環路３０の排気ターボ過給機４の排気タービン４ａの出口にタービン発電機９及び切換弁３２を設けている。
【００３１】
即ち、図２において、３２は前記ガス循環路３０の排気タービン４ａの出口に設けられた切換弁である。そして該切換弁３２の下流側の循環路３１にはタービン発電機９が設けられるとともに、該切換弁３２からタービン発電機９をバイパスするバイパス管２９が設けられている。
【００３２】
かかる第２実施形態において、排気タービン４ａを駆動した作動ガス（排気ガス）は切換弁３２の切り換えにより循環路３１を通ってタービン発電機９に導かれてこれを駆動し膨張仕事をなす。
該タービン発電機９を駆動して圧力及び温度が低下した作動ガスは凝縮器５に入って前記第１実施形態と同様な凝縮作用がなされる。
また、前記切換弁３２をバイパス管２９側に切り換えれば、作動ガス（排気ガス）はタービン発電機９をバイパスし膨張仕事をなすことなく凝縮器５に導かれる。
【００３３】
この実施形態においては、排気ターボ過給機４を駆動した後の作動ガス（排気ガス）でタービン発電機９を駆動し膨張仕事をなすので、タービン発電機９によって作動ガスのエネルギを回収することによりプラントの出力が増大し効率が上昇するとともに、タービン発電機９を駆動することにより、作動ガスの圧力及び温度レベルが低下するので、凝縮器５の伝熱面積を小さくすることができる。
【００３４】
【実施例】
次に図１に示す第１実施形態による実施例を説明する。
この実施例においては、図１のＡ点（コンプレッサ４ｂの入口）、Ｂ点（凝縮器５の入口）及びＣ点（凝縮器５の出口）における循環ガス流量バランスを計算している。
【００３５】
まず、酸素供給装置７における供給酸素純度（全体を１とする）を次のように表わす。
酸素        Ｏ２  ：ｘ
窒素        Ｎ２  ：ｚ
アルゴン    Ａｒ：１−ｘ−ｚ
以下、水素（Ｈ２  ）１モルに対する各部の流量をバランスさせる。
【００３６】
【表１】
0003631891.tif 000002
【００３７】
【表２】
0003631891.tif 000003
【００３８】
【表３】
0003631891.tif 000004
【００３９】
【表４】
0003631891.tif 000005
【００４０】
以上「表１」乃至「表４」から、Ａ点における各組成が等しいことより、以下の式「数１」が得られる。
【００４１】
【数１】
0003631891.tif 000006
【００４２】
かかる式を用いて、次々例をとって計算を行なう。
例として、
燃焼前Ｏ2 濃度：φ＝０．２１
空気過剰率    ：λ＝２．３５
とする。
また、供給Ｏ2 純度を既存技術による代表的数値として次のように仮定する。
Ｏ2 ：ｘ＝０．９７
Ｎ2 ：ｚ＝０．００１５
Ａｒ：１−ｘ−ｚ＝０．０２８５
このとき、
作動ガス循環率  ：ａ＝０．９９６５
余剰ガス排出率  ：１−ａ＝０．００３５
Ｈ2 １モルに対する必要供給Ｏ2 量（不純ガスを含む）
：ｍ＝０．５０２４（ｍｏｌ／ｍｏｌ−Ｈ2 ）
Ａ点に於ける作動ガスのモル分率は次のようになる。
Ｏ2 濃度    ：φ＝０．２１
Ｎ2 濃度    ：ｙ＝０．３９５
Ａｒ濃度    ：１−φ−ｙ＝０．７５０５
【００４３】
以上の計算結果のように、系内の作動ガスは、酸素（Ｏ２  ）、アルゴン（Ａｒ）、および、窒素（Ｎ２  ）がある比率でバランスすることになる。上記計算結果より明らかなように、この実施形態に係るシステムは、系を循環する作動ガス中のアルゴン濃度を高く保持することができる。
これによって、特別にアルゴン供給設備を用意する必要が無く、比熱比（κ）の高いアルゴンの濃度を高く保持することができ、これによってエンジンサイクルの熱効率を高くすることができる。
【００４４】
なお、ガス循環系内の作動ガス濃度は比較的短時間でバランスするため、エンジンの始動時のみ系内に空気を満たしておけば、数分で作動ガスが置換され、定常状態のアルゴン濃度となる。
また、水素と酸素の燃焼で生じるのは水蒸気のみであり、排出物としてはこれを凝縮器５で凝縮して液体の水として系外に排出すればよい。また、酸素供給装置７にて供給された酸素中の窒素は低濃度に保たれるため、これの燃焼で生じるＮＯｘの排出量は極めて低く保持でき、クリーンなエンジンシステムとすることが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、エンジンの排気口から凝縮器、余剰ガス排出装置及び酸素供給装置を経て、好ましくはその中間に排気ターボ過給機を介して、エンジンの給気口に至るクローズドディーゼルサイクルからなる作動ガスの循環路を構成し、該循環中に酸素供給装置にて燃焼用酸素とともにこれの製造時における不純ガスとして比熱比の高いアルゴンを供給し、作動ガス内に含有させて循環させることにより、作動ガスの比熱比を高く保持してエンジンを運転することができる。
これにより従来の二酸化炭素を作動ガスとするものに較べ水素エンジンの熱効率を向上することができる。
【００４６】
また、該エンジン作動ガスの系外への排出は凝縮器で凝縮された水のみであり、また酸素供給装置にて供給された酸素中の窒素は低濃度に保たれるので、これの燃焼で生じるＮＯｘの排出量は極めて低くなり、排気の清浄なエンジンが得られる。
【００４７】
また請求項３及び４の発明によれば、排気ターボ過給機で膨張仕事をなした作動ガスをタービン発電機でさらに膨張仕事をさせるので、タービン発電機でのエネルギ回収によりプラントの効率が向上するとともに、前記タービン発電機における膨張仕事により作動ガスの圧力及び濃度レベルが低下するので、凝縮器の伝熱面積を小さくすることができ、凝縮器を小型化することができる。これによりエンジンプラントの設置コストが低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水素ディーゼルエンジンの構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る図１に対応する図である。
【図３】従来の水素ディーゼルエンジンに係る図１に対応する図である。
【符号の説明】
１    エンジン
２    水素噴射装置
３    発電機
４    排気ターボ過給機
４ａ  排気タービン
４ｂ  コンプレッサ
５    凝縮器
６    余剰ガス排出装置
７    酸素供給装置
８    空気冷却器（中間冷却器）
９    タービン発電機
１０  点火装置
２１  排気弁
２２  給気弁
２３  排気管
２４  給気管
２５  ピストン
２６  燃焼室
２７  クランク軸
２８  水素噴射弁
２９  バイパス管
３０  ガス循環路
３１  ガス循環路
３２  切換弁
【図１】
0003631891.tif 000007
【図２】
0003631891.tif 000008
【図３】
0003631891.tif 000009