【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ジメチルエーテル（以下ＤＭＥ）を燃料としたジメチルエーテル火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＭＥを軽油の代わりに用いたディーゼル機関が提案されている。
【０００３】
これは、ＤＭＥのセタン価が高いこと、燃焼時に煤の排出がほとんど無いこと、ＤＭＥが石炭、天然ガス、バイオマス、廃棄プラスチック等から安価に製造できる可能性があり、石油代替燃料としてばかりでなく、再生可能な燃料として期待できるためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような、ＤＭＥを燃料としたディーゼルエンジンは、軽油を燃料とした場合と比較してほぼ同等の出力を得ることができるが、軽油と異なり、ＤＭＥは潤滑性がないために、燃料噴射弁の角部等が摩耗してしまうという問題点がある。
【０００５】
又、前述のように、ＤＭＥはセタン価が高いため、燃料供給系を除く機関の大幅な改造をすることなく、従来のディーゼルエンジンに適用可能であり、又Ｃ−Ｃ結合を有しないことから、無煙燃焼、即ち吐煙、粒状物質排出の大幅削減が可能であるが、ＮＯｘの低減ができないという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ＮＯｘが大幅に低減されるジメチルエーテル火花点火機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意研究の結果、圧縮比を低くして火花点火することによって、燃焼温度を低くし、ＮＯｘの排出量を低減できることを見出した。
【０００８】
この発明は、請求項１のように、加圧・液化されたジメチルエーテルを収容する燃料供給源と、前記液化ジメチルエーテルから気化されたガス状ジメチルエーテルを空気と混合して混合気を形成すると共に、その混合比を調整する混合量制御装置と、この混合量制御装置からの混合気を吸入すると共に、吸入した混合気を圧縮し、且つ、点火プラグにより点火するエンジン本体と、を有してなり、このエンジン本体は、圧縮比が１０以下、好ましくは７以下とされたことを特徴とするジメチルエーテル火花点火機関により、上記目的を達成するものである。
【０００９】
前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記燃料供給源は前記加圧・液化されたジメチルエーテルを収容するカートリッジを含んで構成され、このカートリッジは、前記混合量制御装置に至る燃料供給系に対して着脱自在としてもよい。
【００１０】
更に、前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記燃料供給源は、その内部において、液化ジメチルエーテルが気化され、且つ、この気化ジメチルエーテルが前記燃料供給系に供給される構成でしてもよい。
【００１１】
更に又、前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記燃料供給源は、その容器内でジメチルエーテルの蒸気圧により液状のジメチルエーテルを加圧して、外部に供給するようにしてもよい。
【００１２】
又、前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記燃料供給系には、ジメチルエーテルを気化するための気化装置が設けられ、この気化装置は、前記エンジン本体の排熱及び排気熱の少なくとも一方とジメチルエーテルとが熱交換する熱交換器を備えるようにしてもよい。
【００１３】
更に、前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記混合量制御装置の上流側に、前記エンジン本体に設けられたスロットルバルブと連動して供給燃料量を調整する圧力調整装置を設けるようにしてもよい。
【００１４】
更に又、前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記エンジン本体は２サイクルエンジンとしてもよい。
【００１５】
又、前記ジメチルエーテル火花点火機関において、前記エンジン本体は４サイクルエンジンとされ、且つ、４サイクルエンジンの燃焼室から排出される排ガスの一部又は全部を、前記燃焼室への混合気吸入系に循環させる排気ガス再循環装置を設けるようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明に係るジメチルエーテル火花点火機関の実施の形態の例を図面を参照して説明する。
【００１７】
図１に示されるように、本発明の実施の形態の第１例としてのジメチルエーテル火花点火機関１０は、２サイクルエンジンであり、加圧・液化されたジメチルエーテルを収容する燃料供給源１２と、前記ジメチルエーテルから気化されたガス状ジメチルエーテルを空気と混合して混合気を形成すると共に、その混合比を調整する混合量制御装置１４と、この混合量制御装置１４からの混合気を吸入すると共に、吸入した混合気を圧縮し、且つ、点火プラグ１６によって点火するエンジン本体１８と、を有してなり、このエンジン本体１８は、圧縮比が１０以下、好ましくは７以下とされている。
【００１８】
前記燃料供給源１２は、加圧・液化されたジメチルエーテルを収容するカートリッジ２０とされ、このカートリッジ２０は、前記混合量制御装置１４に至る燃料供給系２２に設けられたカートリッジ装着部２３に対して着脱自在とされている。符号２１は停止弁を示す。
【００１９】
前記カートリッジ２０は、吐出口（ノズル）２０Ａが上向きに配置され、これによってカートリッジ２０内部において液化ジメチルエーテルが気化され、且つこの気化ジメチルエーテルが吐出口２０Ａから吐出されるようになっている。
【００２０】
前記燃料供給系２２は、前記エンジン本体１８のエンジンブロックに接触して設けられた熱交換器２４を通って配置され、エンジン本体１８でのシリンダブロックから伝達する排熱と、気化ジメチルエーテルが熱交換して、該気化ジメチルエーテルが加熱されるようになっている。
【００２１】
又、前記燃料供給系２２には、前記熱交換器２４と前記混合量制御装置１４との間に圧力調整装置２６が設けられている。
【００２２】
この圧力調整装置２６は、エンジン本体１８の吸気管２８に設けられたスロットルバルブ２８Ａと連動して、そのスロットル開度に応じた燃料供給量となるように燃料供給系２２を通る供給燃料量を調整できるようにされている。図１の符号２９は排気管を示す。
【００２３】
なお、ＤＭＥ予混合供給内燃焼機関における圧縮比と燃焼室内温度及び圧縮点火時期との関係は、図２に示されるようになっていて、圧縮比１０ではピストンの上死点で自発火し、圧縮比７では上死点から２０ｍｓの遅れで自発火している。このため実際の運転時には、火花点火なしでは圧縮比１０程度では始動に６０秒の時間がかかり、圧縮比７以下であれば始動できない。図２の場合、ＤＭＥの当量比は０．２である。
【００２４】
なお、図３はＤＭＥの圧縮点火の場合の燃焼室内温度と着火遅れとの関係をＤＭＥの当量比毎に示しているが、この図３からは、着火遅れは、当量比とは無関係に温度との関係により決定されることが分る。図３において、Ａは状態方程式から導かれ、Ｂは実測値を、Ｃは計算結果をそれぞれ示す。
【００２５】
従って、ジメチルエーテルを燃料とする内燃機関では、圧縮比を低くすれば、火花点火が可能であることが分る。
【００２６】
この実施の形態の第１例に係るジメチルエーテル火花点火機関１０においては、エンジン本体１８における圧縮比が１０以下、好ましくは７以下であるので、ＤＭＥのセタン価が高くても、圧縮点火される前に、点火プラグ１６による火花点火によって、吸入圧縮された燃料の点火タイミングを確実に制御することができる。
【００２７】
又、圧縮比が低いので、燃焼温度が低く、燃焼ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。
【００２８】
更に又、この実施の形態の第１例に係るジメチルエーテル火花点火機関１０は２サイクルエンジンであるので、エンジン本体１８内で吸入された混合気によって既燃ガスが掃気される際に、既燃ガスと新気との混合がなされ、内部ＥＧＲ（排気ガス再循環）となり、燃焼温度の低減による更なるＮＯｘ濃度の低減を図ることができる。この場合、燃焼速度は、ＤＭＥの特質から、内部ＥＧＲ無しの場合と同等である。
【００２９】
又、このジメチルエーテル火花点火機関１０においては、燃料供給源１２は液状のジメチルエーテルを収納するカートリッジ２０を含んで構成されているので、燃料の補給が容易であり、ＤＭＥスタンド等のインフラストラクチャの整備が不要となる。
【００３０】
次に、図４に示される本発明の実施の形態の第２例に係るジメチルエーテル火花点火機関３０について説明する。
【００３１】
このジメチルエーテル火花点火機関３０は、４サイクルエンジンであるエンジン本体３８を備えたものであり、他の構成は、前記実施の形態の第１例に係るジメチルエーテル火花点火機関１０と同様であるので、同一又は同様部分に、図１におけると同一の符号を付することにより説明を省略するものとする。
【００３２】
このジメチルエーテル火花点火機関３０においては、燃料供給源３２はカートリッジ３４を含んで構成されている。又、このカートリッジ３４は、図３に示されるように、その吐出口３４Ａが下向きとされ、カートリッジ３４内で発生したＤＭＥの蒸気圧によって液状のＤＭＥが吐出口３４Ａから吐出されるようになっている。
【００３３】
又、このジメチルエーテル火花点火機関３０においては、排気管３８Ｂから、排気ガスの一部又は全部を吸気管３８Ａに再循環する排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置３６が設けられている。
【００３４】
又、熱交換器４０は、排気管３８Ｂにおける排気余熱を利用するものであってもよい。この場合、エンジンブロックよりも温度上昇が早いのでコールドスタート時に有利である。
【００３５】
この実施の形態の第２例に係るジメチルエーテル火花点火機関３０においても、前記２サイクルエンジンであるジメチルエーテル火花点火機関１０におけると同様に、圧縮比が１０以下、好ましくは７以下とされている。
【００３６】
従って、圧縮点火が生じることがなく、燃焼温度が低いことにより、ＮＯｘ発生を抑制することができる。更に、ＥＧＲ装置３６を設けることによって、ＮＯｘ排出を更に抑制することができ、この場合の燃焼速度が、ＤＭＥの特質からガソリンエンジンにおけるような燃焼速度の低下がない。
【００３７】
なお、上記実施の形態の第１例におけるジメチルエーテル火花点火機関１０において、カートリッジ２０は上向きにされて、ＤＭＥ蒸気としてのガス状ＤＭＥが供給されるようになっているが、本発明はこれに限定されるものでなく、２サイクルエンジンの場合でも、図４に示される４サイクルエンジンの場合と同様に、カートリッジを下向きとして、ＤＭＥ蒸気圧によって液状のＤＭＥが供給されるようにしてもよい。
【００３８】
又、上記とは逆に、４サイクルエンジンであるジメチルエーテル火花点火機関３０においても、図１に示されると同様に、カートリッジ３４を上向きとして、ＤＭＥ蒸気であるガス化したＤＭＥを供給するようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、圧縮点火が生じることなく、低い圧縮比でジメチルエーテルの混合気を確実に且つ正確なタイミングで点火することができ、出力が低下したりすることなく、排ガス中のＮＯｘ濃度の低減を図ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例に係るジメチルエーテル火花点火機関を示す一部管路図を含むブロック図
【図２】ＤＭＥ予混合供給内燃機関における燃焼室内温度、圧縮点火時期の関係を示す線図
【図３】同ＤＭＥ予混合供給内燃機関における燃焼室内温度と着火遅れとの関係をＤＭＥの当量比毎に示す線図
【図４】本発明の実施の形態の第２例に係るジメチルエーテル火花点火機関を示す図１と同様のブロック図
【符号の説明】
１０、３０…ジメチルエーテル火花点火機関
１２、３２…燃料供給源
１４…混合量制御装置
１６…点火プラグ
１８、３８…エンジン本体
２０、３４…カートリッジ
２０Ａ、３４Ａ…吐出口
２２…燃料供給系
２４、４０…熱交換器
２６…圧力調整装置
２８…吸気管
２８Ａ…スロットルバルブ
３８Ａ…吸気管
３８Ｂ…排気管
３６…排気ガス再循環装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a dimethyl ether spark ignition engine using dimethyl ether (hereinafter DME) as a fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a diesel engine using DME instead of light oil has been proposed.
[0003]
This is because the cetane number of DME is high, soot is hardly emitted during combustion, and DME can be produced at low cost from coal, natural gas, biomass, waste plastics, etc. This is because it can be expected as a renewable fuel.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
A diesel engine using DME as a fuel as described above can obtain almost the same output as compared to a case using light oil as a fuel. However, unlike light oil, DME has no lubricity, so that fuel injection is difficult. There is a problem that the corners of the valve are worn.
[0005]
Also, as described above, DME has a high cetane number, so it can be applied to conventional diesel engines without major remodeling of the engine excluding the fuel supply system, and has no CC bond. , smokeless combustion, i.e.吐煙is susceptible to significant reduction in particulate matter emissions, there is a problem that can not be reduced in nO x.
[0006]
The present invention was made in view of the above problems, and an object thereof is NO x to provide a dimethyl ether spark ignition engine is greatly reduced.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors, as a result of intensive studies by spark ignition with a lower compression ratio, the combustion temperature is lowered, and found to be able to reduce the emissions of NO x.
[0008]
According to the present invention, a fuel supply source containing pressurized and liquefied dimethyl ether and gaseous dimethyl ether vaporized from the liquefied dimethyl ether are mixed with air to form an air-fuel mixture. A mixture amount control device that adjusts the mixture ratio, and an engine body that sucks the air-fuel mixture from the mixture amount control device, compresses the air-fuel mixture, and ignites with a spark plug, This engine body achieves the above object by a dimethyl ether spark ignition engine characterized by having a compression ratio of 10 or less, preferably 7 or less.
[0009]
In the dimethyl ether spark ignition engine, the fuel supply source includes a cartridge containing the pressurized and liquefied dimethyl ether, and the cartridge is detachably attached to a fuel supply system leading to the mixing amount control device. Is also good.
[0010]
Further, in the dimethyl ether spark ignition engine, the fuel supply source may have a configuration in which liquefied dimethyl ether is vaporized inside and the vaporized dimethyl ether is supplied to the fuel supply system.
[0011]
Further, in the dimethyl ether spark ignition engine, the fuel supply source may pressurize liquid dimethyl ether by the vapor pressure of the dimethyl ether in the container and supply the dimethyl ether to the outside.
[0012]
Further, in the dimethyl ether spark ignition engine, the fuel supply system is provided with a vaporizer for vaporizing dimethyl ether, and the vaporizer is configured to heat at least one of exhaust heat and exhaust heat of the engine body and dimethyl ether. An exchange heat exchanger may be provided.
[0013]
Further, in the dimethyl ether spark ignition engine, a pressure adjusting device for adjusting a supplied fuel amount in conjunction with a throttle valve provided in the engine body may be provided upstream of the mixing amount control device.
[0014]
Furthermore, in the dimethyl ether spark ignition engine, the engine body may be a two-stroke engine.
[0015]
In the dimethyl ether spark ignition engine, the engine body is a four-stroke engine, and a part or all of exhaust gas discharged from a combustion chamber of the four-stroke engine is circulated to a mixture intake system to the combustion chamber. An exhaust gas recirculation device may be provided.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a dimethyl ether spark ignition engine according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
As shown in FIG. 1, a dimethyl ether spark ignition engine 10 as a first example of an embodiment of the present invention is a two-cycle engine, and a fuel supply source 12 containing pressurized and liquefied dimethyl ether, A gas mixture is formed by mixing gaseous dimethyl ether vaporized from dimethyl ether with air to form a gas mixture, and a mixture control device 14 for adjusting the mixture ratio. And an engine main body 18 for compressing the air-fuel mixture and igniting the mixture with an ignition plug 16. The engine main body 18 has a compression ratio of 10 or less, preferably 7 or less.
[0018]
The fuel supply source 12 is a cartridge 20 containing pressurized and liquefied dimethyl ether, and the cartridge 20 is mounted on a cartridge mounting portion 23 provided in a fuel supply system 22 leading to the mixing amount control device 14. It is detachable. Reference numeral 21 indicates a stop valve.
[0019]
The cartridge 20 has a discharge port (nozzle) 20A disposed upward, whereby liquefied dimethyl ether is vaporized inside the cartridge 20, and the vaporized dimethyl ether is discharged from the discharge port 20A.
[0020]
The fuel supply system 22 is disposed through a heat exchanger 24 provided in contact with an engine block of the engine body 18, and heat exchange between exhaust heat transmitted from the cylinder block in the engine body 18 and vaporized dimethyl ether is performed. Then, the vaporized dimethyl ether is heated.
[0021]
In the fuel supply system 22, a pressure adjusting device 26 is provided between the heat exchanger 24 and the mixing amount control device 14.
[0022]
The pressure adjusting device 26 adjusts the amount of fuel supplied through the fuel supply system 22 so that the amount of fuel supplied through the fuel supply system 22 is adjusted in accordance with the throttle opening in conjunction with a throttle valve 28A provided in an intake pipe 28 of the engine body 18. It is adjustable. Reference numeral 29 in FIG. 1 indicates an exhaust pipe.
[0023]
The relationship among the compression ratio, the temperature in the combustion chamber, and the compression ignition timing in the combustion engine in the DME premixed supply combustion is as shown in FIG. 2. At a compression ratio of 10, the piston self-ignites at the top dead center, At a compression ratio of 7, self-ignition occurs with a delay of 20 ms from top dead center. For this reason, in actual operation, it takes 60 seconds to start at a compression ratio of about 10 without spark ignition, and cannot be started at a compression ratio of 7 or less. In the case of FIG. 2, the equivalent ratio of DME is 0.2.
[0024]
FIG. 3 shows the relationship between the combustion chamber temperature and the ignition delay in the case of the compression ignition of the DME for each equivalent ratio of the DME. From FIG. 3, the ignition delay is the temperature regardless of the equivalent ratio. Is determined by the relationship with In FIG. 3, A is derived from the equation of state, B indicates an actually measured value, and C indicates a calculation result.
[0025]
Therefore, it can be seen that spark ignition is possible in an internal combustion engine using dimethyl ether as a fuel if the compression ratio is reduced.
[0026]
In the dimethyl ether spark ignition engine 10 according to the first example of this embodiment, the compression ratio in the engine body 18 is 10 or less, preferably 7 or less. In addition, the ignition timing of the fuel that has been sucked and compressed can be reliably controlled by the spark ignition by the ignition plug 16.
[0027]
In addition, since the compression ratio is low, the combustion temperature is low, it is possible to reduce the concentration of NO x in the combustion gas.
[0028]
Furthermore, since the dimethyl ether spark ignition engine 10 according to the first example of this embodiment is a two-cycle engine, when the burned gas is scavenged by the air-fuel mixture sucked in the engine main body 18, the burned gas is scavenged. and mixing of the fresh air is made, it is possible to reduce the internal EGR (exhaust gas recirculation), and the reduction of further concentration of NO x by reduction of the combustion temperature. In this case, the combustion speed is equivalent to that without internal EGR due to the characteristics of DME.
[0029]
Further, in the dimethyl ether spark ignition engine 10, since the fuel supply source 12 includes the cartridge 20 containing liquid dimethyl ether, refueling is easy and infrastructure such as a DME stand can be maintained. It becomes unnecessary.
[0030]
Next, a dimethyl ether spark ignition engine 30 according to a second embodiment of the present invention shown in FIG. 4 will be described.
[0031]
The dimethyl ether spark ignition engine 30 includes an engine body 38 that is a four-cycle engine. The other configuration is the same as the dimethyl ether spark ignition engine 10 according to the first example of the above-described embodiment. Alternatively, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
[0032]
In the dimethyl ether spark ignition engine 30, the fuel supply source 32 includes a cartridge. As shown in FIG. 3, the discharge port 34A of the cartridge 34 is directed downward, and liquid DME is discharged from the discharge port 34A by the vapor pressure of DME generated in the cartridge 34. I have.
[0033]
The dimethyl ether spark ignition engine 30 is provided with an exhaust gas recirculation (EGR) device 36 that recirculates part or all of the exhaust gas from the exhaust pipe 38B to the intake pipe 38A.
[0034]
Further, the heat exchanger 40 may use the residual heat of the exhaust gas in the exhaust pipe 38B. In this case, the temperature rise is faster than that of the engine block, which is advantageous during a cold start.
[0035]
Also in the dimethyl ether spark ignition engine 30 according to the second example of this embodiment, the compression ratio is set to 10 or less, preferably 7 or less, as in the dimethyl ether spark ignition engine 10 which is the two-cycle engine.
[0036]
Therefore, without compression ignition occurs, by low combustion temperature, it is possible to suppress the NO x generation. Further, by providing the EGR device 36, it is possible to further suppress NO x emissions, burn rate in this case, there is no decrease in the burning rate as in gasoline engines from characteristics of DME.
[0037]
In the dimethyl ether spark ignition engine 10 according to the first example of the embodiment, the cartridge 20 is turned upward to supply gaseous DME as DME vapor, but the present invention is not limited to this. However, in the case of a two-cycle engine, as in the case of the four-cycle engine shown in FIG. 4, the cartridge may be directed downward and liquid DME may be supplied by the DME vapor pressure.
[0038]
Conversely, in the dimethyl ether spark ignition engine 30 which is a four-cycle engine, the cartridge 34 is turned upward and gasified DME as DME vapor is supplied in the same manner as shown in FIG. Is also good.
[0039]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the mixture of dimethyl ether can be ignited at a low compression ratio reliably and at an accurate timing without generating compression ignition, and the exhaust gas is reduced without lowering the output. It has an excellent effect that it is possible to reduce the concentration of NO x in.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram including a partial pipe diagram showing a dimethyl ether spark ignition engine according to a first example of an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a temperature of a combustion chamber and a compression ignition timing in a DME premixed internal combustion engine. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the combustion chamber temperature and the ignition delay in the DME premixed supply internal combustion engine for each equivalent ratio of DME. FIG. 4 is a second example of an embodiment of the present invention. 1 is a block diagram showing a dimethyl ether spark ignition engine according to the present invention.
10, 30 dimethyl ether spark ignition engines 12, 32, fuel supply source 14, mixing amount control device 16, ignition plugs 18, 38, engine bodies 20, 34, cartridges 20A, 34A, discharge ports 22, fuel supply systems 24, 40 ... heat exchanger 26 ... pressure regulator 28 ... intake pipe 28A ... throttle valve 38A ... intake pipe 38B ... exhaust pipe 36 ... exhaust gas recirculation device.
