(57)【要約】【課題】  複合エンジンで、可燃性物質から動力と気体燃料を変換生成し、その動力と気体燃料で主たる動力を得て、動力及び熱効率の大幅な向上、並びに窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減、および低負荷高圧縮比の駆動を実現させたエンジンのエネルギー変換駆動方法の開発に関するものである。【解決手段】  補助エンジンと主たる動力発生エンジンを設け、補助エンジンに可燃性物質を吸気して部分酸化させ気体燃料を生成排気し、この気体燃料を主たる動力発生エンジンに供給して駆動させると共に、前記補助エンジンの動力を連続又は断続的に前記の主たる動力発生エンジンの動力軸に付加することを特徴とするエンジンの駆動方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性物質を燃料にしてエンジンを駆動する方法において、補助エンジンと主たる動力発生エンジンを設け、補助エンジンに可燃性物質を吸気して部分酸化させ気体燃料を生成排気し、この気体燃料を主たる動力発生エンジンに供給して駆動させると共に、前記補助エンジンの動力を連続又は断続的に前記の主たる動力発生エンジンの動力軸に付加することを特徴とするエンジンの駆動方法。
【請求項２】
補助エンジンと主たる動力発生エンジンの動力軸を固定又は切り離し可能に連結したことを特徴とする前記請求項１に記載のエンジン駆動方法。
【請求項３】
補助エンジンの動力を発電機によりエネルギー変換して主たる動力発生エンジンの動力軸に連続又は断続的に付加することを特徴とする前記請求項１に記載のエンジン駆動方法。
【請求項４】
補助エンジンの吸気に可燃性物質と空気の空気過剰率１未満の混合気を用いて駆動させることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載のエンジン駆動方法。
【請求項５】
前記補助エンジンの吸気に蒸気を混入することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載のエンジン駆動方法。
【請求項６】
補助エンジンからの排ガスからＨ２ガスを分離して主たる動力発生エンジンの吸気に用いて駆動させることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１つに記載のエンジン駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の技術分野】
【０００１】  本発明は、補助エンジンで可燃性物質から動力と気体燃料を変換生成し、その動力と気体燃料で主たる動力発生エンジンを駆動して、動力及び熱効率の大幅な向上、並びに窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減、および高圧縮比の火花点火機関の駆動を実現させたエンジンの駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  可燃性物質を燃料原とする内燃機関は、地球環境保全上、大気汚染防止及び省エネルギー化のため、窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減をベースに動力及び熱効率の向上を主目的に、燃料の改善や内燃機関自体の改造など様々な開発がなされている。
燃料については気体燃料があり、高圧縮比の火花点火機関の駆動を可能にすると期待され注目されている。
気体燃料としては、ガソリンを部分燃焼（不完全燃焼）させて生成し、主に窒素・二酸化炭素・水素・一酸化炭素および水蒸気を含む混合ガスでＰＯｘ燃料と呼ばれるものがあり、石炭を１０００℃以上の温度で部分燃焼して生成した石炭ガス化ガスと類似している。【０００３】  このガソリンを部分燃焼させて発生した気体燃料を、レシプロエンジンに供給した場合には、希薄燃焼や高圧縮比での運転を可能にすると考えられる。石炭ガス化ガスを模擬した気体燃料を火花点火機関に供給して運転を行うと空気過剰率の大きい領域でも運転が可能で排ガス中の窒素酸化物や炭化水素は従来のガソリン燃焼や天然ガス燃焼に比べて大幅に少なくなる。ディーゼルエンジンの吸気に気体燃料を混合し着火を軽油噴霧で行うデュアルフュエルエンジンにＰＯｘ燃料に類似した気体燃料を供給して運転もされている。そのためＰＯｘ燃料も希薄燃焼による窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減、および高圧縮比の火花点火機関の駆動を可能にすると期待されている。【０００４】  従来から水素を含んだ気体燃料を発生させる方法として、触媒による改質や放電プラズマを用いる方法がある。これらはいずれも独立して設置するもので気体燃料を受ける動力エンジンと同様に放熱損失や廃熱がそれぞれ発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  このようにＰＯｘ燃料の生成装置と、ＰＯｘ燃料で駆動する主たる動力発生エンジンは、それぞれが放熱損失や廃熱が発生するため、ＰＯｘ燃料の生成装置と主たる動力発生エンジンの、動力及び熱効率向上の可能性が見込めない。
本発明が解決しようとする課題は、補助エンジンで可燃性物質から気体燃料と動力を生成し、その動力と気体燃料で主たる動力発生エンジンを駆動して、動力及び熱効率の大幅な向上、並びに窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減、および高圧縮比のエンジン駆動を可能にしようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を達成する本発明の特徴とする技術は、次の通りである。
可燃性物質を燃料にしてエンジンを駆動する方法において、補助エンジンと主たる動力発生エンジンを設け、補助エンジンに可燃性物質を吸気して部分酸化させ気体燃料を生成排気し、この気体燃料を主たる動力発生エンジンに供給して駆動させると共に、前記補助エンジンの動力を連続又は断続的に前記の主たる動力発生エンジンの動力軸に付加することを特徴とするエンジンの駆動方法。
【発明の効果】
【０００７】  本発明は、上記構成の如く、補助エンジンと主たる動力発生エンジンのユニット運転により、つまり補助エンジンで可燃性物質から気体燃料と動力を生成し、その動力と気体燃料で主たる動力発生エンジンを駆動して、放熱損失と廃熱を大幅低減し、更に主たる動力発生エンジンの動力負荷の低減及び熱効率の大幅な向上、並びに窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減、および高圧縮比の火花点火機関の駆動を可能にしたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】  発明を実施するための最良の形態は、次の通りである。
即ち、可燃性物質を燃料にしてエンジンを駆動する方法において、補助エンジンと主たる動力発生エンジンを設け、補助エンジンに可燃性物質例えばガソリンと空気との混合気又はガソリンと空気と水蒸気との混合気を吸気して部分酸化させ気体燃料を生成排気し、この気体燃料を主たる動力発生エンジンに供給して駆動させると共に、補助エンジンと主たる動力発生エンジンの動力軸を連結固定又は切離し・連結可能に連結して、前記補助エンジンの動力を、連続又は任意時期例えば主たる動力発生エンジンの駆動ステータス等に応じて前記の主たる動力発生エンジンの動力軸に付加するか、又は補助エンジンの動力を発電機によりエネルギー変換してこのエネルギーを、主たる動力発生エンジンの動力軸に連続的に付加するか、又は任意時期例えば主たる動力発生エンジンの駆動ステータス等に応じて付加するエンジンの駆動方法。
本発明の上記形態例において、補助エンジンには火花点火機関が使用可能であり、供給する可燃性物質としてガソリンもしくは部分酸化によって水素や一酸化炭素の発生が可能な炭化水素を主成分の気体燃料を用い、それらの可燃性物質は空気との混合気、又は水蒸気を添加した空気との混合気を用いる。混合気への水蒸気添加の意義は、補助エンジンで可燃性物質を部分酸化する際にすすが発生するのを低減させるもので、水蒸気の添加をしない場合に比べすすの除去機構を縮小軽減する効果が期待できる。
この際、補助エンジンに供給する混合気の好ましい空気過剰率は可燃性物質および使用する補助エンジンや主たる動力発生エンジンの条件によって異なるが、例えば補助エンジンと主たる動力発生エンジンに火花点火機関を用いてガソリンを燃料とした場合、図１に示すように０．６前後の範囲が好ましい。
その理由は、補助エンジンの生成するガスの持つ熱エネルギーのガソリンに対する割合は空気過剰率が高い方が大きく、システム効率が極大値を示す空気過剰率では、この割合とガス化反応の効果が釣り合うことである。
このように過濃混合気で補助エンジンを駆動して生成した気体燃料を主たる動力発生エンジンに供給するに際しての熱収支は、主たる動力発生エンジンの負荷が低い状態で熱効率を向上させる効果があり、空気の予熱はその効果を一段と高めるのである。
つまり補助エンジンで該可燃性物質を部分燃焼させて気体燃料を生成する反応は吸熱反応を伴うため、少なくとも空気を予め加熱して反応場に熱を供給して補助エンジン排気温度を高め目的とする所定の熱収支を満足させるのである。その予熱効果は、空気予熱温度と熱効率との関係を示すグラフ図２に示されている通りであり、補助エンジン排気温度を上げることが気体燃料生成の効率を向上させる。
そこで補助エンジンに供給する空気の予熱は、補助エンジン及び又は主たる動力発生エンジン或いは各種ガス管（ダクトやマニホールド）からの放熱や廃熱を利用して所定温度範囲にするのである。
前記補助エンジンの動力を、連続的に前記の主たる動力発生エンジンの動力軸に付加する意義は、通常であれば廃熱となる排ガスの熱エネルギーを気体燃料の生成に利用することで、可燃性物質を燃料に動力を発生させるエネルギー変換システムの熱効率向上に寄与することである。
前記補助エンジンの動力を、主たる動力発生エンジンの動力軸に、主たる動力発生エンジンの駆動ステータスに応じて付加する意義は、動力軸を接続させることで可燃性物質を燃料に動力を発生させるエネルギー変換システムの熱効率向上に寄与し、主たる動力発生エンジンの動力軸から補助エンジンを切り離すことで主たる動力発生エンジン単体で駆動する際に補助エンジンが動力軸上に存在することで生じる摩擦仕事を低減することに加え、アイドリング時に主たる動力発生エンジンを停止し切り離した補助エンジンのみでアイドリングをすることも可能にすることである。
各駆動ステータスの負荷を発生トルクで表し、発生トルクを同一回転数で主たる動力発生エンジン４を単独運転するときの最大トルクに対する凡そのパーセント割合で示すとき，各駆動ステータスにおける連結状態は以下のようになる。
Ａ．アイドリング期：連結解除
暖気終了後のアイドリング状態からの始動は、停止状態にある主たる動力発生エンジンを補助エンジンによって駆動することで可能である。
Ｂ．極低負荷運転時（１０％未満）：連結
極低負荷運転時に必要な動力は補助エンジン単体で出力可能である。
Ｃ．低負荷運転時（１０〜３０％程度）：連結
補助エンジンで生成した気体燃料だけで主たる動力発生エンジンを駆動する。
Ｄ．中負荷運転時（３０〜６０％）：連結
補助エンジンで生成した気体燃料のみの運転では同一回転数で主たる動力発生エンジンを単独運転するときの最大トルクにたいして最大３０％程度までしかトルクが発生しないため、出力向上に応じて気体燃料とガソリンを入れ替えていき、主たる動力発生エンジンの吸気管からの空気供給量を増加させ、主たる動力発生エンジンを駆動する。
Ｅ．高負荷運転時（６０〜１００％）：連結解除
補助エンジンの生成する気体燃料の使用は熱効率の向上と引き換えに最大トルクを抑制する効果があるため、主たる動力発生エンジン単体で運転する。
Ｆ．極高負荷運転時（１００％以上）：連結
主たる動力発生エンジンと補助エンジンを連結し共に通常のエンジンとして駆動し、補助エンジンの排ガスを排ガス／気体燃料切替弁で排気管１７に放出することで、主たる動力発生エンジン単体より大きな出力を得られる。
前記補助エンジンの動力を、主たる動力発生エンジンの動力軸に直接付加する手段の種類は、１）．レシプロエンジンにおいて複数の燃焼室を持つ機関の一部の燃焼室が補助エンジンの機能をはたし残りの燃焼室が主たる動力発生エンジンとして機能することで、補助エンジンと動力発生エンジンが一つのクランクシャフトを共有し，一つの動力軸から複数のエンジンの動力を出力する、２）．ベルトやチェーンもしくは歯車などの機構又はクラッチ機構、油圧継手機構等を介して主たる動力発生エンジンの出力軸に動力を伝達する、の以上２種類である。
また、補助エンジンと主たる動力発生エンジンの動力軸を固定又は切り離し可能に連結することは、前記動力軸に直接付加する手段２において有効であり、主たる動力発生エンジン単体で駆動する際に補助エンジンが動力軸に付加していることで生じる摩擦仕事を低減するために、動力軸を切り離すようにしている。
補助エンジンの動力をエネルギー変換して主たる動力発生エンジンの動力軸に付加する手段は、補助エンジンで発電機を回して発電し、主たる動力発生エンジンの動力軸上に配置した電気モータを駆動することで補助エンジンの動力を主たる動力発生エンジンの動力に付加する方法である。
【実施例１】
【０００９】  図１には本発明のエンジンのエネルギー変換駆動方法を実施するエネルギー変換駆動エンジン（以下複合エンジンと称する）例を示す。
図１において、本例の複合エンジンは、可燃性物質供給装置１と、空気予熱器２と、補助エンジン３と、主たる動力発生エンジン４とを主構成とする。
可燃性物質供給装置１は、吸気口５から空気予熱器２を経由して吸引した空気（酸素２１％）とガソリンタンク６からのガソリンと水蒸気添加装置７からの水蒸気を導入して混合し吸気管８から補助エンジン３に供給する。また補助エンジン３に供給する空気とガソリンと水蒸気の混合比は任意に調節可能にしてある。
補助エンジン３は、主たる動力発生エンジン４が火花点火機関の場合は出力規模が主たる動力発生エンジン４の３分の１以下とする。吸気管８を可燃性物質供給装置１に接続し、排気ダクト９の出側端を、主たる動力発生エンジン４の吸気管１０に接合連結し、クランク軸１１（動力軸）を主たる動力発生エンジン４のクランク軸１２とクラッチ機構１５により機械的に着脱自在に連結させてある。又熱損失は、動力２５％、冷却損失３０％（供給した空気の量論混合比で燃焼できるガソリンの発熱量を基準）である。
これにより補助エンジン３は、可燃性物質供給装置１からの可燃性物質を吸気してシリンダー内で部分酸化燃焼させて気体燃料を生成しこれを排気ダクト９から主たる動力発生エンジン４に供給する。
主たる動力発生エンジン４は、吸気管１０から、補助エンジン３の排気とダクト１３を介しての空気とを適当に調節吸気して全量酸化燃焼し排気ダクト１４から排気する。また各シリンダーの熱効率は全て２５％とする。
空気予熱器２は、補助エンジン３の排気ダクト９に間接加熱式に隣接してある。【００１０】  本例のクラッチ機構１５による補助エンジン３のクランク軸１１と、主たる動力発生エンジン４のクランク軸１２との機械的な着脱タイミングは、排気ガス温度、走行速度、走行トルク等の変化を電気的、機械的に検出して、主たる動力発生エンジン４の駆動ステータスを把握させながら次の例のように自動設定してある。各ステータスの負荷を発生トルクで表し、同一回転数で主たる動力発生エンジン４を単独運転するときの最大トルクに対する凡そのパーセント割合で示す。
Ａ．アイドリング期：連結解除
暖気終了後のアイドリング状態からの始動は、停止状態にある主たる動力発生エンジン４を補助エンジン３によって駆動することで可能である。補助エンジン３単体でアイドリングすることで、主たる動力発生エンジン４が動くことによる摩擦損失を発生させずに済む。
Ｂ．極低負荷運転時（１０％未満）：連結
極低負荷運転時に必要な動力は補助エンジン３単体で出力可能である。主たる動力発生エンジン４の吸気管１３から流入する空気流量を絞る必要がないため、絞り損失を抑制することが可能になる。
Ｃ．低負荷運転時（１０〜３０％程度）：連結
補助エンジン３で生成した気体燃料だけで主たる動力発生エンジン４を駆動する。補助エンジン３で発生させた気体燃料の利用は熱効率の向上を促し、また燃焼温度を低下させ窒素酸化物の発生を抑制する。気体燃料の利用は主たる動力発生エンジン４における希薄燃焼を可能にし、熱効率をより高いものにする。補助エンジン３に供給するガソリン・空気および水蒸気の割合を調節して表１に示すような気体燃料が発生する。
Ｄ．中負荷運転時（３０〜６０％）：連結
補助エンジン３で生成した気体燃料のみの運転では、同一回転数で主たる動力発生エンジン４を単独運転するときの最大トルクに対して、発生可能なトルクが最大３０％程度であるため、出力向上に応じて気体燃料を減らして、吸気管１３からの空気供給量を増加させ、ガソリンと空気の混合気の供給量を増加して、主たる動力発生エンジン４を駆動する。
Ｅ．高負荷運転時（６０〜１００％）：連結解除
補助エンジン３の生成する気体燃料の使用は熱効率の向上と引き換えに最大トルクを抑制する効果があるため、主たる動力発生エンジン４単体で運転する。主たる動力発生エンジン４を単体で駆動した時と同等以上の性能を維持することが可能である。
Ｆ．極高負荷運転時（１００％以上）：連結
主たる動力発生エンジン４と補助エンジン３を連結し共に通常のエンジンとして駆動し、補助エンジン３の排ガスを排ガス／気体燃料切替弁１６で排気管１７に放出することで、主たる動力発生エンジン４単体より大きな出力を得られる。【００１１】  主たる動力発生エンジン４の上記の駆動ステータスにおいてＡ及びＦは排気ガス／気体燃料切替弁１６によって補助エンジン３の排ガスを排気管１７を通して大気放出することで、実現可能になる。また運転切替時に補助エンジン３が発するすすを除塵フィルタ１８が捕獲する。
次に、この複合エンジンによる本発明方法の具体的駆動例と効果について、既存の火花点火機関との相違点を併記して表２に記載する。表２に記載の駆動ステータスは、上記の工程Ａ〜Ｆの記号を付してある。【００１２】
【表１】
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【００１３】
【表２】
2005163769.tif 000004
【００１４】    以上を整理すると、本発明はエンジンの負荷が比較的低い運転状態で既存のガソリン火花点火機関より高い熱効率を達成し、高負荷運転においても既存のガソリン火花点火機関と同等の性能を発揮する。すなわち一般の自動車用エンジンにおいて多用される運転状態で、既存のガソリン火花点火機関より高い熱効率を達成する。また表２の駆動ステータスＣに相当する運転状態では、気体燃料の特性により窒素酸化物の発生を抑制し、希薄燃焼によりその効果は更に高くなる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】  本発明は、前記例の複合エンジンで、可燃性物質から動力と気体燃料を変換生成し、その動力と気体燃料で主たる動力を得て、低負荷域における熱効率の大幅な向上、並びに窒素酸化物の排出削減と燃料消費率の低減、および低負荷高圧縮比の駆動を実現させたエンジンのエネルギー変換駆動方法であり、地球環境保全上、大気汚染防止及び省エネルギー化に活用され、この種産業上の利用可能性は極めて多大である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】補助エンジンに供給される混合気の空気過剰率が本発明のシステムに与える影響を説明するグラフである
【図２】補助エンジンに供給される空気の予熱温度がシステムの熱効率に与える影響を説明するグラフである
【図３】本発明方法を実施する複合エンジン例の概要説明図である。
【符号の説明】
【００１７】  １：可燃性物質供給装置
２：空気予熱器（補助エンジン発生ガス冷却器）
３：補助エンジン
４：主たる動力発生エンジン
５：吸気口
６：ガソリンタンク
７：水蒸気添加装置
８：吸気管
９：排気ダクト
１０：吸気管
１１：クランク軸
１２：クランク軸
１３：吸気管
１４：排気管
１５：クラッチ機構
１６：排気ガス／気体燃料切替弁
１７：排気管
１８：除塵フィルタ
【図１】
2005163769.tif 000005
【図２】
2005163769.tif 000006
【図３】
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