Mar 10, 2012

エンジン に 水を直噴するってどういうこと

トヨタのプリウスでは、アトキンソン サイクル
(を達成するために実はミラーサイクルといわれている
これでほぼ同等のこと)で
熱効率が高くなっているが、まだまだ究極ではないだろう。

今後の課題はさらなる効率化と軽量化である。

エンジンのエネルギー効率がモーターに比べて悪い。
原理が違うからだが、、、

効率が昔からずっと悪い理由は、研究不足なのか
製造コストアップなのかわからないが、
ガソリンという安い高密度エネルギーに
かまけていたからということもありそう。

熱力学の理論は、確立している。

熱機関は、熱サイクルの低温熱源と
高温熱源の温度差が大きい程効率が良く、
内燃機関は、同圧力では吸気温度が低いほど
単位容積当たりの吸気質量が増え、
より多くの燃料を燃焼させることが
可能となり出力が向上する。

熱効率を上げるにはエンジンの圧縮比を
上げる必要があるが上げすぎると
圧縮仕切る前に爆発してノッキングを起こす
そこで圧縮後に燃料を直接噴射する
技術が開発された

が、しかし、一つの理論通りには
実際のエンジンは動かない
いろいろな物が複合的に組み合わさると
問題は複雑なのだ。

ひとつ試すにも設計だけでも大変
もちろん試作も大変なのである。
まして、計測、理論化するとなると時間がかかるかかる。

それだけに、メカニックと燃焼ケミカルの統合制御に
まだまだ可能性は追求できそう。

ターボチャージャー 付きエンジンでは、
ガソリン冷却というガソリン高騰の今では
間抜けとしか思えない技術を利用している。

ガソリン冷却とは、
通常より濃いガソリンを吹き、
気化熱で燃焼室温度を下げようというもの。
当然、燃費が悪くなる。

燃え残るガソリンは、汚い汚染ガスとなるし、
排ガス触媒も傷めてしまう。

欧州車はステンレスのエキゾーストパイプや、
排気側にナトリウ ム封入バルブを採用して
エンジンの耐熱性能を上げているらしい。

ガソリン冷却を使う理由は、
製造コストが安いことである。
燃料をちょいと多くすればいいからである。
(後のことは知らないよという態度でもある。

インタークーラーという技術がある
ターボチャージャーで断熱圧縮した
空気を冷却することで
燃費効率と出力を向上させる。
実績があるが重いし高い。

ヨーロッパでは、エンジンのダウンサイジングコンセプト
(小さい排気量で低コストで低燃費排気ガス低減、そしてターボ利用)がある。

実は、航空機用には水メタノール噴射装置が
すでに採用された実績(第二次大戦のドイツ軍と日本軍)がある。
(メタノールを混合した理由は上空での凍結防止が主)

いろいろ調べると、レースカー
スバルインプレッサWRC2005など
ではすでに水噴射装置が利用されているらしい

「新しいウォーター&フューエル・インジェクションシステム」として
後でリンクを紹介してます。

ガソリン・ターボ車では、メタノールとか混ぜないで
水をそのまま噴射するほうがよさそう。

ガソリンを燃やすと水と二酸化炭素ができる。
水はもともと水素の燃えた灰である。
また水の蒸発潜熱は、ガソリンの約7倍ある。

そのため純水噴射でのエンジン腐食の可能性は
とても低いと推測。
でも水道水には、自然に由来するいろいろな微量の混ぜ物がある。
カルシウムとかね。
それでもメタノール混合の欠点を防止できると推測。

水はエンジンオイルの劣化を招いてしまいうという説があるが、
液体で水浸しにならない程度に噴射することで
またレーシングマシンのような常時高回転の酷使でなければ
問題はほぼないと推測できる。

それでも、調査項目は多数ある。
- 実現時の重量(水ダンクをつける意味があるか)
- 噴射ポンプをつける位置
- 噴射ポンプと水の相性
- どんな水を使うか(水道水が安くて理想)
- 腐食・汚れの可能性(エンジンから排ガスまで)
- 排ガスクリーン化に与える影響
- 凍結対策(凍結を避けることはできないから、
混ぜ物は腐食に直結
凍結の局所化と運転時の同時解凍の検討)
- 価格など

やることいっぱいあり、楽しいなあ。

でも、水噴射は、ターボ(ガソリンでもディーゼルでも)のための技術でしかなさそう。
非ターボのトヨタには関係無さそうだか、
トヨタがBMWと提携してディーゼル技術を学ぼうとしているらしいニュースもあったし。


参考リンク

燃焼圧力線図 技術者は必読

6サイクル機関のQ&A
面白いねえ

水噴射6ストロークエンジン
面白いねえ

昨日の続き 燃料冷却と現行プリウス
好感がもてる

水噴射エンジン
たわごと半分


ターボチャージャー
インタークーラー
ダウンサイジングコンセプト
水メタノール噴射装置
燃料噴射装置

現代自動車 エンジンの水噴射装置 公開特許

水噴射エンジン
チョット古い

水利用層状噴射による スモークレスディーゼルエンジンの研究開発
スバルインプレッサWRC2005 ウォーター&フューエル・インジェクションシステム

エンジンの水噴射
理科系の落ちこぼれというか、視野狭窄の者たちが、「俺が一番」とどなりあいをしている、ところどころ有用な知識があり、真偽を見極める力が必要。

ガスタービンエンジン
ガソリンエンジン
ディーゼルエンジン
オットーサイクル
6ストローク機関
ミラーサイクル
アトキンソンサイクル
ディーゼルサイクル
サバテサイクル
熱効率

水噴射装置付きエンジン トヨタ自動車株式会社
さすがにトヨタは何か研究しているらしい。

トヨタとBMWが提携 まずBMWがエンジン供給、電池の共同開発も

次世代ガソリン車エンジンの熱効率検証実験


Wikipediaより「今のガソリンエンジンは、燃焼時のエネルギーの2割から3割程度しか仕事は取り出せない。」

これからがんばってもっとできるはずだよ。

Wikipediaより
「21世紀現在、外航大型船舶では主にC重油を燃料とする、
超ロングストロークで巨大な毎分100回転程度という低回転の
ユニフロー掃気2ストローク低速ディーゼル機関は、
内燃機関の中でも特に熱効率に優れ、
強力な過給器と組み合わせることで熱効率は50%を超える。」

なるほどねえ。とりあえず、50%が目標ですね。