JP2004239138A - Spark ignition type internal combustion engine and combustion control method - Google Patents

Spark ignition type internal combustion engine and combustion control method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain/eliminate knocking without impairing an output characteristic by using hydrogen or hydrogen-rich gas in a spark ignition type internal combustion engine. <P>SOLUTION: A control unit 40 determines a hydrogen heat quantity rate R<SB>H2</SB>according to an engine speed detected by a crank angle position sensor 52 when detecting the knocking by a knocking sensor 50. The control unit 40 determines a hydrogen supply quantity and a gasoline supply quantity by using the determined hydrogen heat quantity rate R<SB>H2</SB>, and injects gasoline of quantity determined from a fuel injection valve IJ into an intake port 16. The control unit 40 directly injects hydrogen of quantity determined from a hydrogen injection valve HIJ into a cylinder 11 at a compression stroke after closing an intake valve 161. The control unit 40 performs spark ignition via a spark plug 31 in the ignition timing of MBT to an air-fuel mixture including gasoline and hydrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式の内燃機関においてノッキングの発生を抑制する内燃機関およびノッキングを抑制する燃焼制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とするガソリン内燃機関を始めとする火花点火式内燃機関では、ノッキングの発生は、全負荷時における最大出力を低下させる最も大きな要因であり、従来より数多くのノッキング防止技術が提案されている。
【0003】
ノッキングは、一般的に、ガソリン燃料(混合気)が、ピストンヘッドと気筒(シリンダ)内壁と伝播火炎とによって囲まれて温度並びに作用する圧力が上昇することによって自着火温度に到達し、火花点火により生成された火炎の伝播による着火よりも先に、自着火により着火してしまうことにより発生する。
【0004】
したがって、圧縮比を下げること、自着火温度(オクタン価)の高いガソリン燃料(いわゆる、ハイオクガソリン)を使用することによりノッキングを抑制・回避することが考えられる。また、ノッキングは、シリンダ内(燃焼室)の圧力が上昇する燃焼の後半において発生するため、燃焼速度を上げることによりノッキングを抑制・回避することも考えられる。一方、水等のアンチノック剤を気筒内へ噴霧することによって筒内温度を低下させる技術も提案されている(特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−271672号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮比を下げれば最大出力が低下してしまうという問題があり、ハイオクガソリンはレギュラーガソリンよりも高くランニングコストがかさむという問題がある。また、単に燃焼速度を向上させた場合には、シリンダ内における燃焼が急激に起こるため、シリンダ内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生しやすくなるという問題がある。さらに、筒内温度を低下させる場合には、熱効率が低下してしまうという問題がある。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、火花点火式内燃機関において、水素または水素リッチガスを主燃料に添加して出力特性を損なうことなくノッキングを抑制・解消することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第1の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、熱量換算にて、前記全熱量の10%から30%に相当する量の水素を前記気筒内に直接、供給する水素供給装置と、熱量換算にて、前記全熱量の90%から70%に相当する量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【0009】
本発明の第1の態様に係る内燃機関によれば、水素供給装置によって気筒内に直接供給された全熱量の10%から30%に相当する量の水素と、主燃料供給装置によって供給された全熱量の90%から70%に相当する量の主燃料との混合気に対して火花点火を実行するので、出力特性を損なうことなく、ノッキングを抑制・防止することができる。水素の供給量が熱量換算にて全熱量の10%未満の領域では、混合気の燃焼速度が向上されないため点火時期を進ませる(早める)ことができず、最も出力が得られる点火時期に点火処理を実行することができない。水素の供給量が熱量換算にて全熱量の30%を超える領域では、混合気の燃焼速度が高くなりすぎて、混合気が急激に燃焼して気筒内の温度が上昇し、却ってノッキングが発生してしまう。
【0010】
本発明の第1の態様に係る内燃機関において、前記水素供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記気筒の内周縁部に対して前記水素を供給しても良い。かかる場合には、火花点火装置近傍に供給された水素は、混合気の着火性を高め、また燃焼速度を高めることによって、最も出力が得られる点火時期での点火を可能にすると共に良好な火炎伝播によってノッキングを抑制・防止する。また、気筒の内周縁部に供給された水素は、気筒の内周縁部における燃焼を最後まで促進させることによって、また自らの耐ノック性によって気筒の内周縁部におけるノッキングを抑制・防止する。
【0011】
本発明の第1の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油燃料であっても良い。かかる場合にも、ガソリン燃料を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。
【0012】
本発明の第1の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第1の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定し、熱量換算にて、前記全熱量の10%から30%に相当する量の水素を前記内燃機関の気筒内に直接、供給し、熱量換算にて、前記全熱量の90%から70%に相当する量の主燃料を供給し、前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火することを特徴とする。
【0013】
本発明の第2の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第2の態様に係る内燃機関は、主燃料を供給する主燃料供給装置と、水素リッチガスを前記気筒内に直接、供給する水素リッチガス供給装置と、前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記水素リッチガス供給装置を制御する制御装置であって、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、前記水素リッチガス供給装置による水素リッチガスの供給を行わない制御装置とを備えることを特徴とする。
【0014】
本発明の第2の態様に係る内燃機関によれば、機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、水素リッチガス供給装置による水素リッチガスの供給を行わないので、ノッキングが発生しない領域における無駄な水素供給を防止することができると共に、水素供給により生じるノッキングを防止することができる。
【0015】
本発明の第2の態様に係る内燃機関において、前記制御装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記水素リッチガス供給装置による水素リッチガスの供給を行っても良い。かかる場合には、水素リッチガスを供給することによって混合気の燃焼速度の向上、耐ノッキング性を向上させることが可能となり、火花点火式内燃機関におけるノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【0016】
本発明の第2の態様に係る内燃機関において、前記火花点火装置は、最も出力を得られる点火時期(MBT)に火花点火を実行しても良い。水素リッチガスを供給することによって耐ノッキング性が向上されるので、MBTにおいて点火してもノッキングは発生せず、内燃機関の出力特性を向上させることができる。
【0017】
本発明の第2の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第2の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の機関回転数を検出し、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に水素リッチガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火することを特徴とする。
【0018】
本発明の第3の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第3の態様に係る内燃機関は、主燃料を供給する主燃料供給装置と、水素リッチガスを前記気筒内に直接、供給する水素リッチガス供給装置と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記検出された機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得する取得手段と、前記取得した差分に基づいて前記水素リッチガス供給装置によって供給する水素リッチガス量を決定する決定手段と、前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に対して、前記最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【0019】
本発明の第3の態様に係る内燃機関によれば、検出された内燃機関の機関回転数において最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を求め、求められた差分に基づいて水素リッチガス供給装置によって供給する水素リッチガス量を決定するので、最も出力を得られる点火時期において火花点火を実行してもノッキングを防止することができる。また、主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行するので、出力を損なうことなく、ノッキングを抑制・防止することができる。
【0020】
本発明の第3の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料であり、前記水素リッチガスは純水素ガスであり、前記水素リッチガス供給装置によって供給される水素リッチガスの量は、熱量換算において、前記内燃機関において要求される全熱量の10〜30%の範囲であっても良い。かかる範囲において、最も効果的に、水素リッチガスを供給することによるノッキング抑制・防止を図ることができる。
【0021】
本発明の第3の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第3の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関の機関回転数を検出し、前記検出した機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得し、前記取得した差分に基づいて前記水素リッチガス供給装置によって供給する水素リッチガス量を決定し、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に前記決定された量の水素リッチガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行することを特徴とする。
【0022】
本発明の第4の態様は、気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関を提供する。本発明の第4の態様に係る内燃機関は、前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出するノッキング検出器と、前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記ノッキング検出器によってノッキングの発生が検出された場合には、前記検出された機関回転数に基づいて供給すべき水素リッチガス量および主燃料量を決定する燃料供給量決定手段と、前記決定された量の水素リッチガスを、前記気筒内に直接、供給する水素リッチガス供給装置と、前記決定された量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備えることを特徴とする。
【0023】
本発明の第4の態様に係る内燃機関によれば、ノッキング検出器によってノッキングが検出された場合には、機関回転数に基づいて供給すべき水素リッチガス量を求め、決定された量の水素リッチガスを、気筒内に直接、供給すると共に、決定された量の主燃料を供給し、主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火するので、ノッキングを抑制・防止することができる。
【0024】
本発明の第4の態様に係る内燃機関において、前記水素ガスリッチガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程において前記気筒内に水素リッチガスを供給しても良い。かかる場合には、気筒内への空気の吸気を妨げることなく水素リッチガスを気筒内に供給することができる。
【0025】
本発明の第4の態様に係る内燃機関において、
前記燃料供給量決定手段は、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、
前記検出された機関回転数に基づいて前記全熱量に対する水素ガスリッチガスの熱量割合を決定する熱量割合決定手段と、
前記決定された水素リッチガスの熱量割合に相当する水素リッチガス量を決定する水素リッチガス量決定手段と、
前記全熱量と前記水素リッチガスの熱量割合とから主燃料の熱量割合を求め、求めた主燃料の熱量割合に相当する主燃料量を決定する主燃料量決定手段とを備えても良い。かかる場合には、内燃機関に要求される全熱量を変化させることなく水素リッチガスの熱量割合を決定し、水素リッチガスの供給量および主燃料の供給量を決定することができる。
【0026】
本発明の第4の態様に係る内燃機関において、前記主燃料はガソリン燃料であり、前記水素リッチガスは純水素ガスであり、前記熱量割合決定手段によって決定される水素リッチガスの熱量割合は、前記全熱量の10〜30%の範囲であっても良い。かかる場合には、最も広く用いられているガソリン内燃機関において、出力を損なうことなく、ノッキングの発生を抑制・防止することができる。また、かかる範囲において、最も効果的に、水素リッチガスを供給することにより、出力を低下させることなくノッキングの抑制・防止を図ることができる。
【0027】
本発明の第4の態様は、火花点火式内燃機関における燃焼制御方法として実現されても良い。かかる場合、本発明の第4の態様に係る火花点火式内燃機関における燃焼制御方法は、前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出し、前記内燃機関の機関回転数を検出し、ノッキングの発生が検出された場合には、前記検出した機関回転数に基づいて供給すべき水素リッチガス量および主燃料量を決定し、前記内燃機関に対して決定された量の主燃料を供給すると共に前記決定した量の水素リッチガスを前記気筒内に直接供給し、前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火しても良い。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係る火花点火式の内燃機関について説明する。
【0029】
・第1の実施例:
図1および図2を参照して第1の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成について説明する。図1は第1の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。図2は第1の実施例に係る火花点火式の内燃機関において燃焼室内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【0030】
第1の実施例に係る火花点火式の内燃機関10は、内部に複数のシリンダ11を有するシリンダブロック12、シリンダ11内を往復動するピストン13、シリンダブロック12の底部に配置されたクランクケース14、シリンダブロック12(シリンダ11)の上部に配置されたシリンダヘッド15を備えている。シリンダブロック12には、シリンダ11内(燃焼室)において発生したノッキングを検出するためのノッキングセンサ50が備えられている。ノッキングセンサ50は、例えば、ノッキング発生時に発生する固有振動数を検出することによってノッキングの発生を検出するセンサである。
【0031】
シリンダヘッド15は、各シリンダ11毎に吸気ポート16および排気ポート17を有している。各吸気ポート16には、吸気側カムICによって駆動されて吸気ポート16を開閉する吸気バルブ161が配置されており、各排気ポート17には、排気側カムECによって駆動されて排気ポート17を開閉する排気バルブ171が配置されている。
【0032】
各吸気ポート16には、吸気管18の分岐端が連結され、各排気ポート17には、排気管(排気マニホールド)19の分岐端が連結されている。吸気管19の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ30、吸気制御バルブ30のスロットル開度を検出するスロットル開度センサ51が配置されている。
【0033】
各吸気ポート16には主燃料であるガソリン燃料を噴射するための燃料噴射弁IJが配置されている。すなわち、第1の実施例に用いられる内燃機関10はポート噴射タイプの内燃機関である。各燃料噴射弁IJには、燃料デリバリパイプFDを介して燃料が供給される。
【0034】
シリンダヘッド15には、吸気ポート16の近傍に水素ガスをシリンダ11内に直接噴射するための水素噴射弁HIJ、各シリンダ11の略中心位置に火花点火のための点火プラグ31が配置されている。第1の実施例では、主燃料であるガソリンに加えて、内燃機関の運転状態に応じて水素が供給される。水素は自着火温度が高く耐ノッキング性に優れているという特性を有している。自着火温度が高いことにより、シリンダ11の内周壁におけるガソリン混合気の自着火を抑制することができる。また、燃焼速度が高いことにより、着火後の火炎伝播時間は短くなり、シリンダ11の内周壁におけるガソリン混合気が自着火する前に火炎伝播によって燃焼させることができる。したがって、供給量、シリンダ11(燃焼室)内における供給位置を適切に調整することによってノッキングを抑制・防止することができる。
【0035】
水素噴射弁HIJには、高圧水素タンクHTに貯蔵されている水素が減圧弁等によって所定の圧力(噴射圧力:例えば4〜5Mpa)まで減圧された後に、水素デリバリパイプHFDを介して供給される。水素噴射弁HIJには3つの噴射孔が備えられており、水素ガスは図2に示すように、点火プラグ31の近傍とシリンダ11の内壁とにそれぞれ供給される。一般的に、ノッキングはシリンダ11の内壁(ピストンヘッド面の外周縁)において発生しやすいので、水素をシリンダ11の内壁に供給すると共に、点火プラグ31の近傍に供給することでガソリン混合気の着火性を向上させる。この結果、点火時期を進角させても燃焼速度が高いことから十分な火炎伝播を得ることができると共に、シリンダ11の内壁に在るガソリンの自着火の抑制および燃焼の向上を図ることができるので、内燃機関10におけるノッキングを抑制することができる。
【0036】
制御ユニット40は、演算処理機能(CPU)、マップ、プログラム等を格納する記憶機能(ROM、RAM)を備えている。制御ユニット40には、ノッキングセンサ50、スロットル開度センサ51、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ52といった各種センサが接続されており、内燃機関10の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。制御ユニット40には、燃料噴射弁IJ、水素噴射弁HJ、吸気制御バルブ30、点火プラグ31が接続されており、ガソリンおよび水素供給量、ガソリンおよび水素の噴射時期、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【0037】
第1の実施例に係る内燃機関10における運転制御処理について図3〜図8を参照して説明する。図3は第1の実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図4は機関回転数Neに基づいて水素熱量割合RH2(%)を求めるためのマップの一例を示す説明図である。図5はノッキング発生時期と添加される水素の割合(熱量割合)との関係を示す説明図である。図6は水素噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図7はガソリン噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図8は第1の実施例において、ガソリンに水素を添加することにより改善される出力トルク特性を示す説明図である。
【0038】
図3を参照して内燃機関の運転制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット40は、クランクポジションセンサ52から機関回転数Neを取得し、スロットル開度センサ51からスロットル開度を取得する(ステップS100)。制御ユニット40は、現在の運転状態に基づいて原ガソリン噴射量Aa(cc/st)、原ガソリン噴射終了時期Bg(°ATDC)を取得する(ステップS110)。制御ユニット40は、検出されたスロットル開度に基づいて空燃比A/Fを取得する(ステップS120)。スロットル開度と空燃比A/Fとは、例えば、パーシャルスロットル開度域ではA/F=14.5とし、スロットル全開域ではA/F=12.5と関係づけられている。なお、この他の空燃比を取り得ることは言うまでもない。
【0039】
制御ユニット40は、ノッキングセンサ50によって内燃機関10におけるノッキングが検出されたか否かを判定し(ステップS130)、ノッキングは発生していない(検出されていない)と判定した場合には(ステップS130:No)、本処理ルーチンを終了する。ノッキングセンサ50によるノッキングの検出は、ノッキングにより発生する固有振動数を検出することにより行われ、例えば、第1の実施例では、ノッキング発生時の固有振動数に共振する振動センサを備えることによってノッキングに伴う固有振動数をより正確に検出する。
【0040】
制御ユニット40は、ノッキングが発生していると判定した場合には(ステップS130:Yes)、図4に示すマップを用いて検出された機関回転数Neに基づいて添加(供給)すべき水素の熱量割合RH2を決定する(ステップS140)。一般的に、火花点火式内燃機関では、機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなるので、図4に示すように機関回転数Neが低くなるにつれて水素の熱量割合RH2が増加する。すなわち、機関回転数の上昇と共にピストンスピードが増加するため、シリンダ11内における混合気の乱れが増大され燃上速度が向上し、また、ノッキングが発生する領域(ピストンヘッド、シリンダ内壁、伝播火炎によって囲まれた領域)の単位時間当たりの容積が大きくなり、圧縮の度合いが軽減されるからである。
【0041】
水素の熱量割合RH2は、内燃機関10に要求される全熱量、すなわち、従来はガソリンが燃焼することにより発生する熱量、の10%〜30%の範囲、より好ましくは15%〜25%の範囲で決定される。図5は、機関回転数1,600rpm、スロットル全開の時、すなわち低回転高負荷時における水素の熱量割合RH2とノッキングが発生する点火時期(°BTDC)との関係を示しており、縦軸の+方向は°BTDCが大きくなる方向、すなわち進角方向を示す。また、図5において中黒丸はノッキングが発生しないポイントであることを意味し白抜き丸はノッキングが発生するポイントであることを意味する。図5から、最も出力を得ることができる点火時期(MBT)付近まで点火時期を進めてもノッキングが発生しない水素の熱量割合RH2は、約10〜30%、より好ましくは約15〜25%であることがわかる。したがって、ガソリンに対する水素の供給量は、熱量換算にて従来のガソリンの供給量(要求される全熱量)に対する10%〜30%の範囲が好ましく、より好ましくは15%〜25%の範囲であると言える。なお、図5および図8を用いた説明において「遅角」とはある点火時期に対して点火時期を遅らせること、「進角」とはある点火時期に対して点火時期を進めることを意味する。
【0042】
水素の熱量割合が少なすぎる場合には、シリンダ11(燃焼室)内に十分な水素が行き渡らないので燃焼速度の向上を図ることができず、図5に示すように、MBTがノッキング発生点火時期よりも進角側に位置するのでMBTでは点火することができず、得られる出力は低下してしまう。
【0043】
一方、水素の熱量割合が多すぎる場合には、点火後初期の燃焼が速くなりすぎるため、圧縮された高温混合気が一時に燃焼し、シリンダ11内の温度が大幅に上昇してノッキングが発生しやすくなる。したがって、ノッキングを防止するためには、点火時期を遅らせて緩慢な燃焼をさせなければならず、点火時期を大幅に進ませることができない。このため、MBTがノッキング発生点火時期よりも進角側に位置するのでMBTでは点火することができず、出力が低下してしまう。したがって、ノッキングを回避しつつ、MBT近傍で点火を実行するための水素の熱量割合RH2には、約10〜30%、より好ましくは約15〜25%といった適正範囲が存在する。
【0044】
制御ユニット40は、水素の熱量割合RH2を決定すると、水素を噴射するための水素噴射制御(ステップS150)およびガソリンを噴射するためのガソリン噴射制御(ステップS160)をそれぞれ実行する。水素噴射制御およびガソリン噴射制御については図6および図7を参照して以下に詳述する。
【0045】
制御ユニット40は、依然としてノッキングが発生しているか否かをノッキングセンサ50からの検出信号に基づいて判定し(ステップS170)、ノッキングが発生していると判定した場合には(ステップS170:Yes)、現在の水素熱量割合RH2に対して係数α(>1)を乗じて水素熱量割合RH2を増加させて(ステップS180)、水素噴射制御およびガソリン噴射制御(ステップS150,S160)を再度実行する。制御ユニット40は、ノッキングが発生していないと判定した場合には(ステップS170:No)、本処理ルーチンを終了する。
【0046】
図6を参照して水素噴射制御処理について詳細に説明する。制御ユニット40は、水素供給熱量Fh(J/st)を算出し(ステップS1500)、算出した水素供給熱量Fhを用いて水素供給量Ah(cc/st)を算出する(ステップS1510)。水素供給熱量Fhは、先に求めた原ガソリン噴射量Aaとガソリン低位発熱量Hg(J/cc)とによって求められた全体供給熱量Fa(J/st)と水素の熱量割合RH2とを用いて以下の式から求められる。
Fa=Aa×Hg 式(1)
Fa=Fh+Fg 式(2)
Fh/Fg=RH2 式(3)
ここで、ガソリン低位発熱量Hgは、ガソリン成分のみによって得られる発熱量を示し、規定の値が用いられる。
【0047】
水素供給熱量Ahは、ステップS1500にて得られた水素供給熱量Fhと水素低位発熱量Hh(J/cc)とを用いて以下の式から求められる。
Ah=Fh/Hh 式(4)
ここで、水素低位発熱量Hhは、水素成分のみによって得られる発熱量を示し、規定の値が用いられる。
【0048】
制御ユニット40は、求められた水素供給量Ahを供給するために必要な水素噴射時間τh(ms)を求め、検出された機関回転数Neと求められた水素噴射時間τhとに基づいて水素を噴射し続けるクランク角である水素噴射クランク角θh(°CA)を算出する(ステップS1520)。水素噴射時間τhは、例えば、水素デリバリパイプHFDの圧力を検出し、検出した圧力下において水素供給量Ahを噴射するために要する時間として求められる。
【0049】
制御ユニット40は、求めた水素噴射クランク角θhと予め定められている水素噴射終了クランク角度Bhとを用いて以下の式から水素の噴射を開始する水素噴射開始クランク角度Sh(°BTDC)を算出する(ステップS1530)。
Sh=Bh+θh 式(5)
ここで、水素噴射終了クランク角度Bhは、ピストン13上、またはピストン13のキャビティにおける混合気の巻き上がりが良い角度で良く、例えば、40°BTDC、すなわち、圧縮行程後半が好ましい。また、気体である水素ガスをシリンダ11内に噴射することからも、吸気バルブ161が閉弁した後であることが望まれる。
【0050】
制御ユニット40は、決定された水素噴射開始クランク角度Shに水素インジェクタHIJを開弁駆動し、水素噴射終了クランク角度Bhに水素インジェクタHIJを閉弁させて(ステップS1540)、本処理ルーチンを終了する。
【0051】
図7を参照してガソリン噴射制御処理について詳細に説明する。制御ユニット40は、ガソリン供給熱量Fg(J/st)を算出し(ステップS1600)、算出したガソリン供給熱量Fgを用いてガソリン供給量Ag(cc/st)を算出する(ステップS1610)。ガソリン供給熱量Fgは、既述の式(1)〜(3)を用いて算出されても良く、あるいは、先に水素供給熱量Fhが求められている場合には、既述の式(2)を用いて求めても良い。
【0052】
ガソリン供給量Agは、ステップS1600にて得られたガソリン供給熱量Fgとガソリン低位発熱量Hh(J/cc)とを用いて以下の式から求められる。
Ag=Fg/Hg 式(6)
【0053】
制御ユニット40は、求められたガソリン供給量Agを供給するために必要なガソリン噴射時間τg(ms)を求め、検出された機関回転数Neと求められたガソリン噴射時間τgとに基づいてガソリンを噴射し続けるクランク角であるガソリン噴射クランク角θg(°CA)を算出する(ステップS1620)。ガソリン噴射時間τgは、例えば、ガソリンデリバリパイプFDの圧力を検出し、検出した圧力下においてガソリン供給量Agを噴射するために要する時間として求められる。
【0054】
制御ユニット40は、求めたガソリン噴射クランク角θgと先に取得した原ガソリン噴射終了クランク角度Bgとを用いて以下の式から、ガソリンの噴射を開始するガソリン噴射開始クランク角度Sg(°BTDC)を算出する(ステップS1630)。
Sg=Bg+θg 式(7)
【0055】
制御ユニット40は、決定されたガソリン噴射開始クランク角度SgにガソリンインジェクタIJを開弁駆動し、ガソリン噴射終了クランク角度BhにガソリンインジェクタIJを閉弁させて(ステップS1640)、本処理ルーチンを終了する。なお、燃料噴射弁IJおよび水素噴射弁HIJから噴射され生成されたガソリン、水素および空気の混合気に対しては、点火プラグ31によって火花点火が実行される。制御ユニット40によって実行される点火時期は、MBTとなり、内燃機関10は効率の良い燃焼を実行することができる。
【0056】
以上説明したように第1の実施例に係る内燃機関によれば、主燃料であるガソリンに加えて、ガソリンのみを供給する場合に要求される全要求熱量に対して、熱量換算にて約10%〜30%、好ましくは約15〜25%の水素を供給するので、一般的なレギュラーガソリンを用いた場合であっても、内燃機関の全運転領域で、最大出力を低下させることなくノッキングを抑制・回避することができる。
【0057】
すなわち、水素を添加することによって、混合気の燃焼速度が向上されるので、図8に示すように、点火時期に対する発生トルクの特性線を左上方(遅角側)へシフトされる。この結果、MBTは、ガソリンのみを燃料とした場合のノッキング発生点火時期よりも遅角側に移動するため、点火時期を従来の点火時期(ノック点)よりも大幅に進ませても出力を低下させるおそれはない。従来のノッキング回避技術においても点火時期を遅らせることは実行されてきたが、ガソリンの燃焼速度は水素の燃焼速度よりも遅いため、行きすぎた遅角化は出力の大幅な低下をもたらすため遅角化にも限界があった。
【0058】
また、点火時期に対する発生トルクの特性線を左上方(遅角側)へシフトされるので、図8に示すように、点火プラグ31による火花点火の時期をMBTとしてもノッキングは発生しない。したがって、ノッキングを発生を抑制・回避すると共に内燃機関10の出力特性を向上させることができる。
【0059】
さらに、図8に示すように、点火時期の進角・遅角に対する発生トルクの特性線が左上方にシフトされるので、内燃機関10の発生トルクを増大させることができる。これは、水素の噴射によるシリンダ11内ガス量の増加および、燃焼が促進されることから爆発時の等容度が増加することによっても出力が増大されることによるものであると考えられる。
【0060】
また、ノッキングの発生の有無によってノッキングを防止するための水素供給を実行するので、例えば、気温等の個別のコンディションに応じてノッキングの発生を抑制・防止することができる。
【0061】
・第2の実施例:
図9および図10を参照して第2の実施例に係る内燃機関について説明する。図9は第2の実施例に係る内燃機関における運転処理制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図10は機関回転数Neからノッキング防止遅角量Cを求めるために用いられるマップを示す説明図である。なお、第2実施例において用いられる内燃機関の構成は第1の実施例に係る内燃機関10の構成と同様であるから同一の構成要素には同一の符号を付すことで説明を省略する。
【0062】
本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット40は、クランクポジションセンサ52から機関回転数Neを取得し、スロットル開度センサ51からスロットル開度を取得する(ステップS200)。 制御ユニット40は、取得された機関回転数Neが判定機関回転数N0以下であるか否かを判定する(ステップS210)。制御ユニット40は、Ne>N0であると判定した場合には(ステップS210:No)、水素の噴射を行わずガソリン噴射量を決定する(ステップS220)。
【0063】
上述のように火花点火式内燃機関では、機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなるので、一般的にノッキングが発生しない機関回転数を判定機関回転数Nとし、水素添加を実行しない。
【0064】
制御ユニット40は、Ne≦N0であると判定した場合には(ステップS210:Yes)、図10に示すマップを参照して機関回転数Neからノッキング防止遅角量Cを求め、判定ノッキング防止遅角量C0より大きいか否かを判定する(ステップS230)。ノッキング防止遅角量Cは、ノッキング発生点火時期とMBTとの差分であり、ノッキングを防止するために遅角させなければならない遅角量を意味する。機関回転数が高くなるにつれてノッキングは発生し難くなる様子は、図10に示すとおり機関回転数Neが高くなるにつれてノッキング防止遅角量Cが小さくなっていくことからも示される。判定ノッキング防止遅角量C0は、水素熱量割合RH2を決定するための判定値であり、判定ノッキング防止遅角量Cが判定ノッキング防止遅角量C0よりも大きい場合には水素熱量割合RH2が高く設定される。ここで、水素熱量割合RH2とは、内燃機関10に要求される全熱量をガソリンによって生成した場合の熱量に対して、水素を供給する際に水素の燃焼により生成されるべき熱量の割合を意味する。
【0065】
制御ユニット40は、ノッキング防止遅角量C>判定ノッキング防止遅角量C0であると判定した場合には(ステップS230:Yes)、水素熱量割合RH2をA%に設定し(ステップS230A)、ガソリン噴射量と水素噴射量とを決定する(ステップS240)。ここで、A%は、たとえば、25%に設定される。かかる場合には、ノッキング防止遅角量Cが大きいため、水素の熱量割合RH2を高めなければ水素を投入することによる燃焼速度の向上、耐ノッキング性の向上といった効果を得ることができないので、水素供給量の最大許容値近傍の値を設定する。
【0066】
制御ユニット40は、ノッキング防止遅角量C>判定ノッキング防止遅角量C0ではないと判定した場合には(ステップS230:No)、水素熱量割合RH2をB%に設定し(ステップS230B)、ガソリン噴射量と水素噴射量とを決定する(ステップS240)。ここで、B%は、たとえば、15%に設定される。かかる場合には、ノッキング防止遅角量Cが比較的小さいため、水素供給量の最小許容値近傍の値を設定する。
【0067】
ガソリン噴射量と水素噴射量は、第1の実施例において説明したのと同様にして求められる。具体的には、内燃機関10に要求されるガソリン熱量を全熱量とし、全熱量に対して決定された水素熱量割合RH2を実現するための水素供給量を求め、残りの熱量を実現するためのガソリン供給量を求める。
【0068】
制御ユニット40は、点火時期をMBTに設定し(ステップS260)、噴射・点火制御を実行する(ステップS270)。ガソリンインジェクタIJからの噴射は内燃機関10の吸気行程に実行され、水素インジェクタHIJからの噴射は、内燃機関10の圧縮行程後半に実行される。また、点火プラグ31による火花点火は、MBTに実行される。
【0069】
制御ユニット40は、再度、ノッキングセンサ50によってノッキングが検出されたか(ノッキングが発生したか)を判定し(ステップS280)、ノッキングは検出されていないと判定した場合には(ステップS280:No)、本処理ルーチンを終了する。
【0070】
制御ユニット40は、ノッキングが検出されたと判定した場合には(ステップS280:Yes)、水素熱量割合RH2が25%未満であるか否かを判定し(ステップS290)、水素熱量割合RH2が25%未満であると判定した場合には(ステップS290:Yes)、水素熱量割合RH2を増大させて(ステップS295)ステップS230Bに移行する。ただし、水素熱量割合RH2の上限は25%である。
【0071】
一方、制御ユニット40は、水素熱量割合RH2が25%であると判定した場合には(ステップS290:No)、本処理ルーチンを終了する。第2の実施例では、水素熱量割合RH2の最大値を25%としているので、水素熱量割合RH2が25%未満の間は水素熱量割合RH2を増大させることでノッキングを抑制し、水素熱量割合RH2が25%となった後のノッキングは点火時期の遅角化等によって対応する。
【0072】
以上説明したように、第2の実施例にかかる内燃機関10によれば、従来ノッキングが発生するため点火時期をMBTに設定できなかった運転領域、たとえば、低回転高負荷領域においても、水素を適切な割合にてガソリンに添加することによって、MBTでの点火を実行することができるので、ノッキングを抑制しつつ出力を向上させることができる。
【0073】
また、一般的にノッキングが発生しがたい高回転域においては、水素の添加を行わないこととして、内燃機関10の運転制御を簡易なものとすることができる。
【0074】
・その他の実施例:
上記実施例では、高圧水素タンクHTに高圧貯蔵された水素ガスを用いたが、液体水素を用いても良い。また、上記実施例では、純水素を用いたが、内燃機関10に改質器を搭載し、改質器によって生成された水素リッチガスを用いても良い。かかる場合には、適切な水素リッチガスの熱量割合は新たに設定される。
【0075】
上記実施例では、主燃料としてガソリンを用いているが天然ガス燃料、液化石油燃料等を用いても良い。燃焼時における生成熱量がガソリンと同様であれば、水素熱量割合RH2は10〜30%が好ましく、15〜25%がより好ましい。また、燃焼時における生成熱量がガソリンと異なる燃料である場合には、燃焼時における生成熱量に応じて、水素熱量割合RH2は適宜決定される。
【0076】
上記実施例では、ポート噴射タイプの燃料噴射弁IJが用いられているが、シリンダ11内に直接燃料が噴射される直噴タイプの燃料噴射弁が用いられても良い。
【0077】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関および内燃機関の燃焼制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例に係る火花点火式の内燃機関の概略構成を示す説明図である。
【図2】第1の実施例に係る火花点火式の内燃機関において燃焼室内に供給された水素の存在範囲を模式的に示す説明図である。
【図3】第1の実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図4】機関回転数Neに基づいて水素熱量割合RH2(%)を求めるためのマップの一例を示す説明図である。
【図5】ノッキング発生時期と添加される水素の割合(熱量割合)との関係を示す説明図である。
【図6】水素噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図7】ガソリン噴射制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】第1の実施例において、ガソリンに水素を添加することにより改善される出力トルク特性を示す説明図である。
【図9】第2の実施例に係る内燃機関における運転処理制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図10】機関回転数Neからノッキング防止遅角量Cを求めるために用いられるマップを示す説明図である。
【符号の説明】
10…内燃機関
11…シリンダ
12…シリンダブロック
13…ピストン
14…クランクケース
15…シリンダヘッド
16…吸気ポート
161…吸気バルブ
17…排気ポート
171…排気バルブ
18…吸気管
19…排気管
30…吸気制御バルブ
31…点火プラグ
40…制御ユニット
50…ノッキングセンサ
51…スロットル開度センサ
52…クランクポジションセンサ
IC…吸気側カム
EC…排気側カム
IJ…燃料噴射弁(インジェクタ)
FD…燃料デリバリパイプ
HIJ…水素噴射弁
HFD…水素デリバリパイプ
HT…高圧水素タンク
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal combustion engine that suppresses knocking in a spark ignition type internal combustion engine and a combustion control method that suppresses knocking.
[0002]
[Prior art]
In a spark ignition type internal combustion engine such as a gasoline internal combustion engine using gasoline as a fuel, the occurrence of knocking is the biggest factor in reducing the maximum output at full load, and many knocking prevention technologies have been proposed. I have.
[0003]
Knocking generally occurs when gasoline fuel (air-fuel mixture) reaches a self-ignition temperature due to an increase in temperature and an acting pressure surrounded by a piston head, an inner wall of a cylinder (cylinder), and a propagating flame. It is caused by ignition by self-ignition prior to ignition by propagation of the flame generated by.
[0004]
Therefore, it is conceivable to reduce or avoid knocking by lowering the compression ratio and using gasoline fuel (so-called high-octane gasoline) having a high auto-ignition temperature (octane number). In addition, since knocking occurs in the latter half of combustion in which the pressure in the cylinder (combustion chamber) rises, it is conceivable to suppress or avoid knocking by increasing the combustion speed. On the other hand, a technique has been proposed in which an in-cylinder temperature is reduced by spraying an anti-knock agent such as water into a cylinder (see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-271672 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the compression ratio is reduced, there is a problem that the maximum output decreases, and high-octane gasoline has a problem that the running cost is higher than regular gasoline. In addition, when the combustion speed is simply increased, combustion in the cylinder occurs rapidly, so that the temperature in the cylinder increases, and knocking is more likely to occur. Further, when the in-cylinder temperature is reduced, there is a problem that the thermal efficiency is reduced.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to suppress or eliminate knocking in a spark ignition type internal combustion engine by adding hydrogen or a hydrogen-rich gas to a main fuel without impairing output characteristics. And
[0008]
[Means for Solving the Problems and Functions / Effects]
In order to solve the above-described problems, a first aspect of the present invention provides an internal combustion engine that obtains an output by burning a mixture supplied to a cylinder. An internal combustion engine according to a first aspect of the present invention includes a required heat amount determining means for determining a total heat amount required according to an operation state of the internal combustion engine, and 10% to 30% of the total heat amount in terms of heat amount. A hydrogen supply device for directly supplying an amount of hydrogen to the cylinder, a main fuel supply device for supplying a main fuel in an amount corresponding to 90% to 70% of the total heat amount in terms of heat amount, A spark ignition device for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and hydrogen.
[0009]
According to the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, hydrogen is supplied by the main fuel supply device in an amount corresponding to 10% to 30% of the total heat directly supplied into the cylinder by the hydrogen supply device. Since spark ignition is performed on a mixture of the main fuel with an amount corresponding to 90% to 70% of the total heat, knocking can be suppressed or prevented without impairing output characteristics. In a region where the supply amount of hydrogen is less than 10% of the total amount of heat in terms of the amount of heat, the ignition timing cannot be advanced (advanced) because the combustion speed of the air-fuel mixture is not improved, and the ignition is performed at the ignition timing at which the most output is obtained. Processing cannot be performed. In a region where the supply amount of hydrogen exceeds 30% of the total calorie in terms of calorific value, the combustion speed of the air-fuel mixture becomes too high, the air-fuel mixture burns rapidly, the temperature in the cylinder rises, and knocking occurs on the contrary. Resulting in.
[0010]
In the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, the hydrogen supply device may supply the hydrogen to a vicinity of the spark ignition device and an inner peripheral portion of the cylinder. In such a case, the hydrogen supplied in the vicinity of the spark ignition device enhances the ignitability of the air-fuel mixture and increases the combustion speed, thereby enabling ignition at the ignition timing at which the most output can be obtained and improving the flame quality. Knocking is suppressed and prevented by propagation. Further, the hydrogen supplied to the inner peripheral edge of the cylinder promotes combustion at the inner peripheral edge of the cylinder to the end and suppresses / prevents knocking at the inner peripheral edge of the cylinder due to its own knocking resistance.
[0011]
In the internal combustion engine according to the first aspect of the present invention, the main fuel may be gasoline fuel, natural gas fuel or liquefied petroleum fuel. In such a case, the same operation and effect as when gasoline fuel is used can be obtained.
[0012]
The first aspect of the present invention may be realized as a combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine. In such a case, the combustion control method in the spark ignition type internal combustion engine according to the first aspect of the present invention determines the total heat quantity required according to the operating state of the internal combustion engine, and calculates the total heat quantity in terms of heat quantity. Supplying an amount of hydrogen corresponding to 10% to 30% directly into the cylinder of the internal combustion engine, and supplying a main fuel in an amount corresponding to 90% to 70% of the total heat amount in terms of heat amount; It is characterized by spark ignition of an air-fuel mixture containing main fuel and hydrogen.
[0013]
A second aspect of the present invention provides an internal combustion engine that obtains an output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder. An internal combustion engine according to a second aspect of the present invention includes a main fuel supply device that supplies a main fuel, a hydrogen-rich gas supply device that supplies a hydrogen-rich gas directly into the cylinder, and the main fuel and a hydrogen-rich gas. A spark ignition device for spark ignition of the air-fuel mixture, an engine speed detection unit for detecting an engine speed of the internal combustion engine, and a control device for controlling the hydrogen-rich gas supply device, wherein the detected engine speed is When the engine speed is equal to or higher than the engine speed at which knocking occurs, a control device that does not supply the hydrogen-rich gas by the hydrogen-rich gas supply device is provided.
[0014]
According to the internal combustion engine of the second aspect of the present invention, when the engine speed is equal to or higher than the engine speed at which knocking occurs, the supply of hydrogen-rich gas by the hydrogen-rich gas supply device is not performed. It is possible to prevent unnecessary supply of hydrogen in a region where no hydrogen is supplied and to prevent knocking caused by the supply of hydrogen.
[0015]
In the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, when the detected engine speed is lower than the engine speed at which knocking occurs, the control device supplies the hydrogen-rich gas by the hydrogen-rich gas supply device. May be performed. In such a case, by supplying the hydrogen-rich gas, it is possible to improve the combustion rate of the air-fuel mixture and improve the knocking resistance, and it is possible to suppress and prevent the occurrence of knocking in the spark ignition type internal combustion engine.
[0016]
In the internal combustion engine according to the second aspect of the present invention, the spark ignition device may execute spark ignition at an ignition timing (MBT) at which the most output can be obtained. Since the knocking resistance is improved by supplying the hydrogen-rich gas, knocking does not occur even when ignited in the MBT, and the output characteristics of the internal combustion engine can be improved.
[0017]
The second aspect of the present invention may be realized as a combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine. In such a case, the combustion control method in the spark ignition type internal combustion engine according to the second aspect of the present invention detects the engine speed of the internal combustion engine, and the detected engine speed is lower than the engine speed at which knocking occurs. In this case, the main fuel is supplied to the internal combustion engine, and the hydrogen-rich gas is directly supplied into the cylinder of the internal combustion engine, and spark-ignition is performed on a mixture containing the main fuel and the hydrogen-rich gas. And
[0018]
A third aspect of the present invention provides an internal combustion engine that obtains an output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder. An internal combustion engine according to a third aspect of the present invention includes a main fuel supply device that supplies main fuel, a hydrogen-rich gas supply device that supplies hydrogen-rich gas directly into the cylinder, and detects an engine speed of the internal combustion engine. Engine speed detecting means for detecting the engine speed, obtaining means for obtaining a difference between the ignition timing at which the most output is obtained and the ignition timing at which knocking occurs at the detected engine speed, and obtaining the hydrogen based on the obtained difference. Determining means for determining the amount of hydrogen-rich gas supplied by the rich gas supply device, and a spark igniter for performing spark ignition at the ignition timing at which the most output is obtained for the mixture containing the main fuel and the hydrogen-rich gas. It is characterized by having.
[0019]
According to the internal combustion engine according to the third aspect of the present invention, the difference between the ignition timing at which the maximum output is obtained at the detected engine speed of the internal combustion engine and the ignition timing at which knocking occurs is determined. Since the amount of hydrogen-rich gas supplied by the hydrogen-rich gas supply device is determined based on this, knocking can be prevented even if spark ignition is performed at the ignition timing at which the most output can be obtained. In addition, since spark ignition is performed at the ignition timing at which the most output can be obtained for the mixture containing the main fuel and the hydrogen-rich gas, knocking can be suppressed or prevented without impairing the output.
[0020]
In the internal combustion engine according to the third aspect of the present invention, the main fuel is gasoline fuel, the hydrogen-rich gas is pure hydrogen gas, and the amount of the hydrogen-rich gas supplied by the hydrogen-rich gas supply device is expressed in terms of calorific value. Alternatively, it may be in the range of 10 to 30% of the total heat required in the internal combustion engine. Within such a range, knocking can be suppressed and prevented by supplying the hydrogen-rich gas most effectively.
[0021]
The third aspect of the present invention may be realized as a combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine. In such a case, the combustion control method in the spark ignition type internal combustion engine according to the third aspect of the present invention detects the engine speed of the internal combustion engine, and determines the ignition timing at which the most output is obtained at the detected engine speed. A difference from the ignition timing at which knocking occurs is obtained, a hydrogen-rich gas amount supplied by the hydrogen-rich gas supply device is determined based on the obtained difference, and the main fuel is supplied to the internal combustion engine. Of hydrogen-rich gas directly into the cylinder of the internal combustion engine, and performs spark ignition at the ignition timing at which the most output can be obtained for the mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas. .
[0022]
A fourth aspect of the present invention provides an internal combustion engine that obtains an output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder. An internal combustion engine according to a fourth aspect of the present invention includes a knocking detector that detects occurrence of knocking in the internal combustion engine, an engine speed detection unit that detects an engine speed of the internal combustion engine, and a knocking detector. When the occurrence of knocking is detected, a fuel supply amount determining means for determining a hydrogen-rich gas amount and a main fuel amount to be supplied based on the detected engine speed, and the determined amount of the hydrogen-rich gas. A hydrogen-rich gas supply device for supplying directly into the cylinder, a main fuel supply device for supplying the determined amount of main fuel, and a spark ignition device for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas And characterized in that:
[0023]
According to the internal combustion engine according to the fourth aspect of the present invention, when knocking is detected by the knocking detector, the amount of hydrogen-rich gas to be supplied is determined based on the engine speed, and the determined amount of hydrogen-rich gas is determined. Is supplied directly into the cylinder, a predetermined amount of main fuel is supplied, and a mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas is spark-ignited, so that knocking can be suppressed and prevented.
[0024]
In the internal combustion engine according to a fourth aspect of the present invention, the hydrogen gas-rich gas supply means may supply a hydrogen-rich gas into the cylinder during a compression stroke of the internal combustion engine. In such a case, the hydrogen-rich gas can be supplied into the cylinder without obstructing the intake of air into the cylinder.
[0025]
In the internal combustion engine according to the fourth aspect of the present invention,
The fuel supply amount determining means,
Requested heat amount determining means for determining the total heat amount required according to the operating state of the internal combustion engine,
A calorific-ratio determining means for determining a calorific ratio of the hydrogen gas-rich gas to the total calorific value based on the detected engine speed,
Hydrogen-rich gas amount determining means for determining a hydrogen-rich gas amount corresponding to the determined heat amount ratio of the hydrogen-rich gas,
Main fuel amount determining means for determining a heat amount ratio of the main fuel from the total heat amount and the heat amount ratio of the hydrogen-rich gas and determining a main fuel amount corresponding to the calculated heat amount ratio of the main fuel may be provided. In such a case, the heat amount ratio of the hydrogen-rich gas can be determined without changing the total heat amount required for the internal combustion engine, and the supply amount of the hydrogen-rich gas and the supply amount of the main fuel can be determined.
[0026]
In the internal combustion engine according to a fourth aspect of the present invention, the main fuel is a gasoline fuel, the hydrogen-rich gas is a pure hydrogen gas, and the calorific ratio of the hydrogen-rich gas determined by the calorific-ratio determining means is equal to the total calorific value. It may be in the range of 10 to 30% of the calorific value. In such a case, in the most widely used gasoline internal combustion engine, occurrence of knocking can be suppressed or prevented without impairing the output. Further, in such a range, knocking can be suppressed and prevented without lowering the output by supplying the hydrogen-rich gas most effectively.
[0027]
The fourth aspect of the present invention may be realized as a combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine. In such a case, the combustion control method in the spark ignition type internal combustion engine according to the fourth aspect of the present invention detects the occurrence of knocking in the internal combustion engine, detects the engine speed of the internal combustion engine, and detects the occurrence of knocking. In this case, the amount of the hydrogen-rich gas and the amount of the main fuel to be supplied are determined based on the detected engine speed, and the determined amount of the main fuel is supplied to the internal combustion engine and the determined amount is determined. May be directly supplied into the cylinder to spark-ignite a mixture containing the main fuel and the hydrogen-rich gas.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a spark ignition type internal combustion engine according to the present invention will be described based on some embodiments with reference to the drawings.
[0029]
-First embodiment:
A schematic configuration of a spark ignition type internal combustion engine according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a spark ignition type internal combustion engine according to a first embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an existing range of hydrogen supplied into the combustion chamber in the spark ignition type internal combustion engine according to the first embodiment.
[0030]
A spark ignition type internal combustion engine 10 according to a first embodiment includes a cylinder block 12 having a plurality of cylinders 11 therein, a piston 13 reciprocating in the cylinder 11, and a crankcase 14 disposed at the bottom of the cylinder block 12. , A cylinder head 15 disposed above the cylinder block 12 (cylinder 11). The cylinder block 12 is provided with a knocking sensor 50 for detecting knocking occurring in the cylinder 11 (combustion chamber). The knocking sensor 50 is, for example, a sensor that detects occurrence of knocking by detecting a natural frequency generated when knocking occurs.
[0031]
The cylinder head 15 has an intake port 16 and an exhaust port 17 for each cylinder 11. Each intake port 16 is provided with an intake valve 161 driven by an intake cam IC to open and close the intake port 16, and each exhaust port 17 is driven by an exhaust cam EC to open and close the exhaust port 17. An exhaust valve 171 is provided.
[0032]
A branch end of an intake pipe 18 is connected to each intake port 16, and a branch end of an exhaust pipe (exhaust manifold) 19 is connected to each exhaust port 17. An intake control valve 30 for controlling the amount of intake air flowing into the combustion chamber and a throttle opening sensor 51 for detecting the throttle opening of the intake control valve 30 are arranged in the intake pipe 19.
[0033]
Each intake port 16 is provided with a fuel injection valve IJ for injecting gasoline fuel as a main fuel. That is, the internal combustion engine 10 used in the first embodiment is a port injection type internal combustion engine. Fuel is supplied to each fuel injection valve IJ via a fuel delivery pipe FD.
[0034]
In the cylinder head 15, a hydrogen injection valve HIJ for directly injecting hydrogen gas into the cylinder 11 is arranged near the intake port 16, and a spark plug 31 for spark ignition is arranged at a substantially central position of each cylinder 11. . In the first embodiment, hydrogen is supplied according to the operating state of the internal combustion engine in addition to gasoline as the main fuel. Hydrogen has a characteristic that it has a high self-ignition temperature and excellent knocking resistance. Since the self-ignition temperature is high, the self-ignition of the gasoline mixture on the inner peripheral wall of the cylinder 11 can be suppressed. Further, since the combustion speed is high, the flame propagation time after ignition becomes short, and the gasoline mixture on the inner peripheral wall of the cylinder 11 can be burned by flame propagation before self-ignition. Therefore, knocking can be suppressed or prevented by appropriately adjusting the supply amount and the supply position in the cylinder 11 (combustion chamber).
[0035]
The hydrogen stored in the high-pressure hydrogen tank HT is supplied to the hydrogen injection valve HIJ via a hydrogen delivery pipe HFD after the pressure of the hydrogen stored in the high-pressure hydrogen tank HT is reduced to a predetermined pressure (injection pressure: 4 to 5 MPa, for example) by a pressure reducing valve or the like. . The hydrogen injection valve HIJ is provided with three injection holes, and hydrogen gas is supplied to the vicinity of the ignition plug 31 and the inner wall of the cylinder 11, respectively, as shown in FIG. Generally, since knocking is likely to occur on the inner wall of the cylinder 11 (the outer peripheral edge of the piston head surface), hydrogen is supplied to the inner wall of the cylinder 11 and is supplied to the vicinity of the ignition plug 31 to ignite the gasoline mixture. Improve the performance. As a result, even if the ignition timing is advanced, sufficient flame propagation can be obtained because the combustion speed is high, and self-ignition of gasoline on the inner wall of the cylinder 11 can be suppressed and combustion can be improved. Therefore, knocking in the internal combustion engine 10 can be suppressed.
[0036]
The control unit 40 has an arithmetic processing function (CPU), and a storage function (ROM, RAM) for storing maps, programs, and the like. Various sensors such as a knocking sensor 50, a throttle opening sensor 51, and a crank position sensor 52 for detecting the engine speed are connected to the control unit 40, and signals from the various sensors for detecting the operating state of the internal combustion engine 10 are transmitted. Is entered. A fuel injection valve IJ, a hydrogen injection valve HJ, an intake control valve 30, and a spark plug 31 are connected to the control unit 40, and supply amounts of gasoline and hydrogen, injection timing of gasoline and hydrogen, ignition timing, intake air amount, and the like. Is appropriately controlled.
[0037]
An operation control process in the internal combustion engine 10 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a flowchart showing a processing routine executed in the operation control processing of the internal combustion engine in the first embodiment. FIG. 4 shows the hydrogen calorie ratio R based on the engine speed Ne. H2 FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of a map for obtaining (%). FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between knocking occurrence timing and the ratio of added hydrogen (heat ratio). FIG. 6 is a flowchart showing a processing routine executed in the hydrogen injection control processing. FIG. 7 is a flowchart showing a processing routine executed in the gasoline injection control processing. FIG. 8 is an explanatory diagram showing output torque characteristics improved by adding hydrogen to gasoline in the first embodiment.
[0038]
The operation control process of the internal combustion engine will be described with reference to FIG. This processing routine is repeatedly executed at predetermined time intervals. The control unit 40 acquires the engine speed Ne from the crank position sensor 52 and acquires the throttle opening from the throttle opening sensor 51 (step S100). The control unit 40 acquires the raw gasoline injection amount Aa (cc / st) and the raw gasoline injection end timing Bg (° ATDC) based on the current operation state (step S110). The control unit 40 acquires the air-fuel ratio A / F based on the detected throttle opening (step S120). The throttle opening and the air-fuel ratio A / F are related to, for example, A / F = 14.5 in a partial throttle opening range and A / F = 12.5 in a full throttle opening range. It goes without saying that other air-fuel ratios can be taken.
[0039]
The control unit 40 determines whether or not knocking in the internal combustion engine 10 is detected by the knocking sensor 50 (step S130), and when it is determined that knocking has not occurred (not detected) (step S130: No), this processing routine ends. The detection of knocking by the knocking sensor 50 is performed by detecting a natural frequency generated by knocking. For example, in the first embodiment, knocking is performed by providing a vibration sensor that resonates at the natural frequency at the time of knocking. The eigenfrequency associated with is detected more accurately.
[0040]
When it is determined that knocking has occurred (step S130: Yes), the control unit 40 determines whether or not hydrogen to be added (supplied) based on the engine speed Ne detected using the map shown in FIG. Calorific value ratio R H2 Is determined (step S140). Generally, in a spark ignition type internal combustion engine, knocking is less likely to occur as the engine speed increases, and as shown in FIG. 4, as the engine speed Ne decreases, the heat quantity ratio R of hydrogen decreases. H2 Increase. That is, since the piston speed increases with an increase in the engine speed, the turbulence of the air-fuel mixture in the cylinder 11 is increased to increase the burning speed, and the knocking occurs in the region (piston head, cylinder inner wall, propagation flame due to the propagation flame) This is because the volume per unit time of the (enclosed area) increases, and the degree of compression is reduced.
[0041]
Hydrogen calorie ratio R H2 Is determined in the range of 10% to 30%, more preferably in the range of 15% to 25% of the total amount of heat required for the internal combustion engine 10, that is, the amount of heat conventionally generated by burning gasoline. FIG. 5 shows the heat quantity ratio R of hydrogen when the engine speed is 1,600 rpm and the throttle is fully opened, that is, when the engine speed is low and the load is low. H2 And the ignition timing (° BTDC) at which knocking occurs. The + direction on the vertical axis indicates the direction in which ° BTDC increases, that is, the advance angle direction. Also, in FIG. 5, a solid circle means a point where knocking does not occur, and an open circle means a point where knocking occurs. From FIG. 5, it can be seen from FIG. 5 that the heat quantity ratio R of hydrogen at which knocking does not occur even if the ignition timing is advanced to the vicinity of the ignition timing (MBT) where the most output can be obtained H2 Is about 10 to 30%, more preferably about 15 to 25%. Therefore, the supply amount of hydrogen to gasoline is preferably in the range of 10% to 30%, more preferably in the range of 15% to 25%, in terms of calorific value, with respect to the conventional gasoline supply amount (required total heat amount). It can be said. In the description with reference to FIGS. 5 and 8, "retarding" means delaying the ignition timing with respect to a certain ignition timing, and "advancement" means leading the ignition timing with respect to a certain ignition timing. .
[0042]
If the calorific value of hydrogen is too small, the combustion speed cannot be improved because sufficient hydrogen does not spread in the cylinder 11 (combustion chamber), and as shown in FIG. Therefore, ignition cannot be performed by MBT, and the obtained output is reduced.
[0043]
On the other hand, if the proportion of the calorific value of hydrogen is too large, the initial combustion after ignition becomes too fast, so that the compressed high-temperature mixture burns at a time and the temperature in the cylinder 11 rises significantly, causing knocking. Easier to do. Therefore, in order to prevent knocking, slow ignition must be performed by delaying the ignition timing, and the ignition timing cannot be advanced significantly. For this reason, since the MBT is located on the advance side of the knocking occurrence ignition timing, the MBT cannot be ignited and the output decreases. Therefore, the heat quantity ratio R of hydrogen for performing ignition near the MBT while avoiding knocking H2 Has an appropriate range of about 10-30%, more preferably about 15-25%.
[0044]
The control unit 40 determines the calorific value of hydrogen R H2 Is determined, hydrogen injection control for injecting hydrogen (step S150) and gasoline injection control for injecting gasoline (step S160) are respectively performed. The hydrogen injection control and the gasoline injection control will be described in detail below with reference to FIGS.
[0045]
The control unit 40 determines whether knocking still occurs based on the detection signal from the knocking sensor 50 (step S170), and when it is determined that knocking has occurred (step S170: Yes). , The current hydrogen calorie ratio R H2 Multiplied by a coefficient α (> 1) H2 Is increased (step S180), and the hydrogen injection control and the gasoline injection control (steps S150 and S160) are executed again. When it is determined that knocking has not occurred (step S170: No), the control unit 40 ends the processing routine.
[0046]
The hydrogen injection control process will be described in detail with reference to FIG. The control unit 40 calculates the hydrogen supply heat amount Fh (J / st) (step S1500), and calculates the hydrogen supply amount Ah (cc / st) using the calculated hydrogen supply heat amount Fh (step S1510). The hydrogen supply heat amount Fh is obtained by calculating the total supply heat amount Fa (J / st) obtained from the raw gasoline injection amount Aa and the gasoline lower calorific value Hg (J / cc) and the heat amount ratio R of hydrogen. H2 And is obtained from the following equation.
Fa = Aa × Hg Formula (1)
Fa = Fh + Fg Equation (2)
Fh / Fg = R H2 Equation (3)
Here, the gasoline lower heating value Hg indicates a heating value obtained only from the gasoline component, and a prescribed value is used.
[0047]
The hydrogen supply heat amount Ah is obtained from the following equation using the hydrogen supply heat amount Fh and the hydrogen lower heat value Hh (J / cc) obtained in step S1500.
Ah = Fh / Hh Equation (4)
Here, the hydrogen lower heating value Hh indicates a heating value obtained only from the hydrogen component, and a prescribed value is used.
[0048]
The control unit 40 determines a hydrogen injection time τh (ms) required to supply the determined hydrogen supply amount Ah, and supplies hydrogen based on the detected engine speed Ne and the determined hydrogen injection time τh. A hydrogen injection crank angle θh (° CA), which is a crank angle for continuing injection, is calculated (step S1520). The hydrogen injection time τh is determined, for example, as the time required for detecting the pressure of the hydrogen delivery pipe HFD and injecting the hydrogen supply amount Ah under the detected pressure.
[0049]
The control unit 40 calculates a hydrogen injection start crank angle Sh (° BTDC) for starting hydrogen injection from the following equation using the obtained hydrogen injection crank angle θh and a predetermined hydrogen injection end crank angle Bh. (Step S1530).
Sh = Bh + θh Equation (5)
Here, the hydrogen injection termination crank angle Bh may be an angle at which the air-fuel mixture is wound up on the piston 13 or in the cavity of the piston 13, for example, 40 ° BTDC, that is, the latter half of the compression stroke is preferable. In addition, since the hydrogen gas as a gas is injected into the cylinder 11, it is desirable that the intake valve 161 be closed.
[0050]
The control unit 40 drives the hydrogen injector HIJ to open at the determined hydrogen injection start crank angle Sh, closes the hydrogen injector HIJ at the hydrogen injection end crank angle Bh (step S1540), and ends the processing routine. .
[0051]
The gasoline injection control process will be described in detail with reference to FIG. The control unit 40 calculates the gasoline supply heat amount Fg (J / st) (step S1600), and calculates the gasoline supply amount Ag (cc / st) using the calculated gasoline supply heat amount Fg (step S1610). The gasoline supply calorie Fg may be calculated using the above-described equations (1) to (3), or if the hydrogen supply calorie Fh has been previously obtained, the above-described equation (2) May be obtained by using.
[0052]
The gasoline supply amount Ag is obtained from the following equation using the gasoline supply heat amount Fg obtained in step S1600 and the gasoline lower heating value Hh (J / cc).
Ag = Fg / Hg Formula (6)
[0053]
The control unit 40 determines a gasoline injection time τg (ms) required to supply the determined gasoline supply amount Ag, and supplies gasoline based on the detected engine speed Ne and the determined gasoline injection time τg. The gasoline injection crank angle θg (° CA), which is the crank angle for continuing injection, is calculated (step S1620). The gasoline injection time τg is obtained, for example, as a time required for detecting the pressure of the gasoline delivery pipe FD and injecting the gasoline supply amount Ag under the detected pressure.
[0054]
The control unit 40 uses the obtained gasoline injection crank angle θg and the previously obtained raw gasoline injection end crank angle Bg to calculate the gasoline injection start crank angle Sg (° BTDC) for starting gasoline injection from the following equation. It is calculated (step S1630).
Sg = Bg + θg Equation (7)
[0055]
The control unit 40 drives the gasoline injector IJ to open at the determined gasoline injection start crank angle Sg, closes the gasoline injector IJ at the gasoline injection end crank angle Bh (step S1640), and ends the processing routine. . It should be noted that spark ignition is performed by the spark plug 31 on the gasoline, hydrogen, and air mixture injected and generated from the fuel injection valve IJ and the hydrogen injection valve HIJ. The ignition timing executed by the control unit 40 is MBT, and the internal combustion engine 10 can execute efficient combustion.
[0056]
As described above, according to the internal combustion engine according to the first embodiment, the total amount of heat required when only gasoline is supplied in addition to gasoline as the main fuel is approximately 10 % To 30%, preferably about 15 to 25% of hydrogen, so that knocking can be achieved without reducing the maximum output in the entire operation range of the internal combustion engine even when using general regular gasoline. It can be suppressed and avoided.
[0057]
That is, by adding hydrogen, the combustion speed of the air-fuel mixture is improved, and as shown in FIG. 8, the characteristic line of the generated torque with respect to the ignition timing is shifted to the upper left (toward the retard side). As a result, the MBT moves to a more retarded side than the knocking ignition timing when only gasoline is used as fuel, so that the output decreases even if the ignition timing is advanced significantly from the conventional ignition timing (knock point). There is no danger. In the conventional knock avoidance technology, the ignition timing has been delayed, but since the combustion speed of gasoline is lower than the combustion speed of hydrogen, excessive retarding causes a large decrease in output, so that retarding is performed. There was a limit to the conversion.
[0058]
In addition, since the characteristic line of the generated torque with respect to the ignition timing is shifted to the upper left (toward the retard side), knocking does not occur even if the spark ignition timing by the spark plug 31 is set to MBT, as shown in FIG. Therefore, the occurrence of knocking can be suppressed or avoided, and the output characteristics of the internal combustion engine 10 can be improved.
[0059]
Further, as shown in FIG. 8, the characteristic line of the generated torque with respect to the advance / retard of the ignition timing is shifted to the upper left, so that the generated torque of the internal combustion engine 10 can be increased. This is considered to be due to an increase in the amount of gas in the cylinder 11 due to the injection of hydrogen and an increase in the isovolume at the time of the explosion due to the promotion of combustion, thereby increasing the output.
[0060]
In addition, since hydrogen supply for preventing knocking is performed depending on whether knocking has occurred or not, for example, occurrence of knocking can be suppressed or prevented in accordance with individual conditions such as temperature.
[0061]
-2nd Example:
An internal combustion engine according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a flowchart showing a processing routine executed in the operation processing control processing in the internal combustion engine according to the second embodiment. FIG. 10 is an explanatory diagram showing a map used for obtaining the knocking prevention retard amount C from the engine speed Ne. Since the configuration of the internal combustion engine used in the second embodiment is the same as the configuration of the internal combustion engine 10 according to the first embodiment, the same components will be denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0062]
This processing routine is repeatedly executed at predetermined time intervals. The control unit 40 acquires the engine speed Ne from the crank position sensor 52 and acquires the throttle opening from the throttle opening sensor 51 (step S200). The control unit 40 determines whether or not the acquired engine speed Ne is equal to or less than the determined engine speed N0 (step S210). When it is determined that Ne> N0 (Step S210: No), the control unit 40 determines the gasoline injection amount without performing the hydrogen injection (Step S220).
[0063]
As described above, in the spark ignition type internal combustion engine, knocking is less likely to occur as the engine speed increases. Therefore, in general, the engine speed at which knocking does not occur is set as the determination engine speed N, and hydrogen addition is not performed.
[0064]
When it is determined that Ne ≦ N0 (Step S210: Yes), the control unit 40 obtains the knocking prevention delay amount C from the engine speed Ne with reference to the map shown in FIG. It is determined whether or not it is larger than the angular amount C0 (step S230). The knocking prevention retard amount C is a difference between the knocking occurrence ignition timing and the MBT, and means a retard amount that must be retarded in order to prevent knocking. The manner in which knocking is less likely to occur as the engine speed increases is also indicated by the fact that the knock prevention retard amount C decreases as the engine speed Ne increases, as shown in FIG. The determination knock prevention retard amount C0 is determined by the hydrogen calorie ratio R H2 When the determination knocking prevention retard amount C is larger than the determination knocking prevention retard amount C0, the hydrogen heat amount ratio R H2 Is set higher. Here, the hydrogen calorie ratio R H2 Means the ratio of the amount of heat to be generated by the combustion of hydrogen when supplying hydrogen to the amount of heat when the total amount of heat required for the internal combustion engine 10 is generated by gasoline.
[0065]
When the control unit 40 determines that the knocking prevention retard amount C> the determination knock prevention retard amount C0 (step S230: Yes), the hydrogen heat amount ratio R H2 Is set to A% (step S230A), and the gasoline injection amount and the hydrogen injection amount are determined (step S240). Here, A% is set to, for example, 25%. In such a case, since the knocking prevention retard amount C is large, the heat amount ratio R of hydrogen is calculated. H2 If the hydrogen supply rate is not increased, the effect of improving the combustion speed and the knocking resistance by adding hydrogen cannot be obtained, so a value near the maximum allowable value of the hydrogen supply amount is set.
[0066]
When the control unit 40 determines that the knocking prevention retard amount C> the determination knocking prevention retard amount C0 is not satisfied (step S230: No), the hydrogen heat amount ratio R H2 Is set to B% (step S230B), and the gasoline injection amount and the hydrogen injection amount are determined (step S240). Here, B% is set to, for example, 15%. In such a case, since the knocking prevention retard amount C is relatively small, a value near the minimum allowable value of the hydrogen supply amount is set.
[0067]
The gasoline injection amount and the hydrogen injection amount are obtained in the same manner as described in the first embodiment. Specifically, the gasoline calorie required for the internal combustion engine 10 is defined as the total calorie, and the hydrogen calorie ratio R determined with respect to the total calorie H2 And a gasoline supply amount for realizing the remaining amount of heat.
[0068]
The control unit 40 sets the ignition timing to MBT (step S260), and executes the injection / ignition control (step S270). The injection from the gasoline injector IJ is executed in the intake stroke of the internal combustion engine 10, and the injection from the hydrogen injector HIJ is executed in the latter half of the compression stroke of the internal combustion engine 10. In addition, spark ignition by the ignition plug 31 is executed for MBT.
[0069]
The control unit 40 determines again whether knocking has been detected by the knocking sensor 50 (whether knocking has occurred) (step S280). If it is determined that knocking has not been detected (step S280: No), This processing routine ends.
[0070]
When the control unit 40 determines that knocking has been detected (step S280: Yes), the hydrogen calorie ratio R H2 Is determined to be less than 25% (step S290), and the hydrogen calorie ratio R H2 Is less than 25% (step S290: Yes), the hydrogen calorie ratio R H2 Is increased (step S295), and the routine goes to step S230B. However, the hydrogen calorie ratio R H2 Is 25%.
[0071]
On the other hand, the control unit 40 calculates the hydrogen calorie ratio R H2 Is determined to be 25% (step S290: No), this processing routine ends. In the second embodiment, the hydrogen calorie ratio R H2 Is set to 25%, the hydrogen calorie ratio R H2 Is less than 25%, the hydrogen calorie ratio R H2 The knocking is suppressed by increasing the hydrogen calorie ratio R H2 Is 25%, the ignition timing is retarded or the like.
[0072]
As described above, according to the internal combustion engine 10 according to the second embodiment, even in an operation region in which the ignition timing could not be set to the MBT due to the occurrence of knocking in the past, for example, even in a low-speed high-load region, hydrogen is supplied. By adding the gasoline to the gasoline at an appropriate ratio, the ignition with the MBT can be executed, so that the output can be improved while suppressing knocking.
[0073]
In addition, in a high rotation region where knocking generally does not easily occur, the operation control of the internal combustion engine 10 can be simplified by not adding hydrogen.
[0074]
-Other examples:
In the above embodiment, the hydrogen gas stored at high pressure in the high-pressure hydrogen tank HT is used, but liquid hydrogen may be used. Although pure hydrogen is used in the above embodiment, a reformer may be mounted on the internal combustion engine 10 and a hydrogen-rich gas generated by the reformer may be used. In such a case, the appropriate heat quantity ratio of the hydrogen-rich gas is newly set.
[0075]
In the above embodiment, gasoline is used as the main fuel, but natural gas fuel, liquefied petroleum fuel, or the like may be used. If the amount of heat generated during combustion is the same as that of gasoline, the hydrogen heat amount ratio R H2 Is preferably 10 to 30%, more preferably 15 to 25%. If the heat generated during combustion is different from that of gasoline, the hydrogen calorie ratio R depends on the heat generated during combustion. H2 Is appropriately determined.
[0076]
In the above embodiment, the port injection type fuel injection valve IJ is used, but a direct injection type fuel injection valve in which fuel is directly injected into the cylinder 11 may be used.
[0077]
As described above, the internal combustion engine and the combustion control method for the internal combustion engine according to the present invention have been described based on some embodiments. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating understanding of the present invention. It is not intended to limit the invention. The present invention can be modified and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a spark ignition type internal combustion engine according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an existing range of hydrogen supplied into a combustion chamber in the spark ignition type internal combustion engine according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing a processing routine executed in an operation control process of the internal combustion engine in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a hydrogen calorie ratio R based on an engine speed Ne H2 FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of a map for obtaining (%).
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between knocking occurrence timing and a ratio of added hydrogen (amount of heat).
FIG. 6 is a flowchart showing a processing routine executed in the hydrogen injection control processing.
FIG. 7 is a flowchart showing a processing routine executed in the gasoline injection control processing.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing output torque characteristics improved by adding hydrogen to gasoline in the first embodiment.
FIG. 9 is a flowchart showing a processing routine executed in an operation processing control processing in the internal combustion engine according to the second embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a map used for obtaining a knocking prevention retard amount C from an engine speed Ne.
[Explanation of symbols]
10. Internal combustion engine
11 ... Cylinder
12 ... Cylinder block
13 ... Piston
14 ... Crankcase
15 ... Cylinder head
16 ... intake port
161: Intake valve
17… Exhaust port
171: Exhaust valve
18 ... intake pipe
19 ... exhaust pipe
30 ... intake control valve
31 ... Spark plug
40 ... Control unit
50: knocking sensor
51 ... Throttle opening sensor
52 ... Crank position sensor
IC: intake side cam
EC: Exhaust side cam
IJ: Fuel injection valve (injector)
FD: Fuel delivery pipe
HIJ: hydrogen injection valve
HFD: hydrogen delivery pipe
HT: High-pressure hydrogen tank

Claims (16)

気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関であって、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定手段と、
熱量換算にて、前記全熱量の10%から30%に相当する量の水素を前記気筒内に直接、供給する水素供給装置と、
熱量換算にて、前記全熱量の90%から70%に相当する量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、
前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備える内燃機関。
An internal combustion engine that obtains output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder,
Requested heat amount determining means for determining the total heat amount required according to the operating state of the internal combustion engine,
A hydrogen supply device for directly supplying hydrogen into the cylinder in an amount corresponding to 10% to 30% of the total heat amount in terms of heat amount;
A main fuel supply device that supplies a main fuel in an amount corresponding to 90% to 70% of the total amount of heat in terms of heat amount;
An internal combustion engine comprising: a spark ignition device for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and hydrogen.
請求項1に記載の内燃機関において、
前記水素供給装置は、前記火花点火装置近傍および前記気筒の内周縁部に対して前記水素を供給する内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1,
An internal combustion engine that supplies the hydrogen to the vicinity of the spark ignition device and to an inner peripheral portion of the cylinder.
請求項1または請求項2に記載の内燃機関において、
前記主燃料はガソリン燃料、天然ガス燃料または液化石油燃料である内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 1 or claim 2,
An internal combustion engine wherein the main fuel is gasoline fuel, natural gas fuel or liquefied petroleum fuel.
気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関であって、
主燃料を供給する主燃料供給装置と、
水素リッチガスを前記気筒内に直接、供給する水素リッチガス供給装置と、
前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置と、
前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記水素リッチガス供給装置を制御する制御装置であって、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数以上である場合には、前記水素リッチガス供給装置による水素リッチガスの供給を行わない制御装置とを備える内燃機関。
An internal combustion engine that obtains output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder,
A main fuel supply device for supplying main fuel,
A hydrogen-rich gas supply device for supplying hydrogen-rich gas directly into the cylinder,
A spark ignition device for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas,
Engine speed detection means for detecting the engine speed of the internal combustion engine,
A control device for controlling the hydrogen-rich gas supply device, wherein when the detected engine speed is equal to or higher than the engine speed at which knocking occurs, control for not supplying the hydrogen-rich gas by the hydrogen-rich gas supply device And an internal combustion engine comprising the device.
請求項4に記載の内燃機関において、
前記制御装置は、前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記水素リッチガス供給装置による水素リッチガスの供給を行う内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 4,
The internal combustion engine, wherein the control device supplies the hydrogen-rich gas by the hydrogen-rich gas supply device when the detected engine speed is lower than the engine speed at which knocking occurs.
請求項4または請求項5に記載の内燃機関において、
前記火花点火装置は、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 4 or claim 5,
The spark ignition device is an internal combustion engine that performs spark ignition at an ignition timing at which the most output can be obtained.
気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関であって、
主燃料を供給する主燃料供給装置と、
水素リッチガスを前記気筒内に直接、供給する水素リッチガス供給装置と、
前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記検出された機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得する取得手段と、
前記取得した差分に基づいて前記水素リッチガス供給装置によって供給する水素リッチガス量を決定する決定手段と、
前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に対して、前記最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する火花点火装置とを備える内燃機関。
An internal combustion engine that obtains output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder,
A main fuel supply device for supplying main fuel,
A hydrogen-rich gas supply device for supplying hydrogen-rich gas directly into the cylinder,
Engine speed detection means for detecting the engine speed of the internal combustion engine,
An acquisition unit that acquires a difference between an ignition timing at which the most output is obtained and an ignition timing at which knocking occurs at the detected engine speed;
Determining means for determining an amount of hydrogen-rich gas supplied by the hydrogen-rich gas supply device based on the obtained difference,
An internal combustion engine comprising: a spark ignition device that performs spark ignition at an ignition timing at which the most output can be obtained with respect to a mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas.
請求項7に記載の内燃機関において、
前記主燃料はガソリン燃料であり、
前記水素リッチガスは純水素ガスであり、
前記水素リッチガス供給装置によって供給される水素リッチガスの量は、熱量換算において、前記内燃機関において要求される全熱量の10〜30%の範囲である内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 7,
The main fuel is gasoline fuel,
The hydrogen-rich gas is pure hydrogen gas,
An internal combustion engine in which an amount of the hydrogen-rich gas supplied by the hydrogen-rich gas supply device is in a range of 10 to 30% of a total amount of heat required in the internal combustion engine in terms of calorific value.
気筒内に供給された混合気の燃焼により出力を得る内燃機関であって、
前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出するノッキング検出器と、
前記内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記ノッキング検出器によってノッキングの発生が検出された場合には、前記検出された機関回転数に基づいて供給すべき水素リッチガス量および主燃料量を決定する燃料供給量決定手段と、
前記決定された量の水素リッチガスを、前記気筒内に直接、供給する水素リッチガス供給装置と、
前記決定された量の主燃料を供給する主燃料供給装置と、
前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火する火花点火装置とを備える内燃機関。
An internal combustion engine that obtains output by burning an air-fuel mixture supplied into a cylinder,
A knocking detector that detects occurrence of knocking in the internal combustion engine;
Engine speed detection means for detecting the engine speed of the internal combustion engine,
A fuel supply amount determining unit that determines a hydrogen-rich gas amount and a main fuel amount to be supplied based on the detected engine speed when knocking is detected by the knocking detector;
A hydrogen-rich gas supply device for directly supplying the determined amount of hydrogen-rich gas into the cylinder;
A main fuel supply device for supplying the determined amount of main fuel;
An internal combustion engine comprising: a spark ignition device for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas.
請求項9に記載の内燃機関において、
前記水素ガスリッチガス供給手段は、前記内燃機関の圧縮行程において前記気筒内に水素リッチガスを供給する内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 9,
The internal combustion engine supplies the hydrogen-rich gas into the cylinder during a compression stroke of the internal combustion engine.
請求項10に記載の内燃機関において、
前記燃料供給量決定手段は、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定する要求熱量決定
手段と、
前記検出された機関回転数に基づいて前記全熱量に対する水素ガスリッチガ
スの熱量割合を決定する熱量割合決定手段と、
前記決定された水素リッチガスの熱量割合に相当する水素リッチガス量を決
定する水素リッチガス量決定手段と、
前記全熱量と前記水素リッチガスの熱量割合とから主燃料の熱量割合を求め、求めた主燃料の熱量割合に相当する主燃料量を決定する主燃料量決定手段とを備える内燃機関。
The internal combustion engine according to claim 10,
The fuel supply amount determining means,
Requested heat amount determining means for determining the total heat amount required according to the operating state of the internal combustion engine,
A calorific-ratio determining means for determining a calorific ratio of the hydrogen gas-rich gas to the total calorific value based on the detected engine speed,
Hydrogen-rich gas amount determining means for determining a hydrogen-rich gas amount corresponding to the determined heat amount ratio of the hydrogen-rich gas,
An internal combustion engine comprising: a main fuel amount determining means for determining a heat amount ratio of the main fuel from the total heat amount and a heat amount ratio of the hydrogen-rich gas, and determining a main fuel amount corresponding to the calculated heat amount ratio of the main fuel.
請求項9ないし請求項11のいずれかに記載の内燃機関において、
前記主燃料はガソリン燃料であり、
前記水素リッチガスは純水素ガスであり、
前記熱量割合決定手段によって決定される水素リッチガスの熱量割合は、前記全熱量の10〜30%の範囲である内燃機関。
The internal combustion engine according to any one of claims 9 to 11,
The main fuel is gasoline fuel,
The hydrogen-rich gas is pure hydrogen gas,
The internal combustion engine, wherein a calorific value ratio of the hydrogen-rich gas determined by the calorific value ratio determining means is in a range of 10 to 30% of the total calorific value.
火花点火式内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記内燃機関の運転状態に応じて要求される全熱量を決定し、
熱量換算にて、前記全熱量の10%から30%に相当する量の水素を前記内燃機関の気筒内に直接、供給し、
熱量換算にて、前記全熱量の90%から70%に相当する量の主燃料を供給し、
前記主燃料と水素とを含む混合気に火花点火する方法。
A combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine,
Determine the total amount of heat required according to the operating state of the internal combustion engine,
Supplying an amount of hydrogen corresponding to 10% to 30% of the total amount of heat directly into the cylinder of the internal combustion engine in terms of the amount of heat,
In terms of calorific value, supply the main fuel in an amount corresponding to 90% to 70% of the total caloric value,
A method for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and hydrogen.
火花点火式内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記内燃機関の機関回転数を検出し、
前記検出された機関回転数がノッキングが発生する機関回転数未満である場合には、前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に水素リッチガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、
前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火する方法。
A combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine,
Detecting the engine speed of the internal combustion engine,
If the detected engine speed is less than the engine speed at which knocking occurs, supply the main fuel to the internal combustion engine and supply hydrogen-rich gas directly into the cylinder of the internal combustion engine,
A method for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and a hydrogen-rich gas.
火花点火式内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記内燃機関の機関回転数を検出し、
前記検出した機関回転数において、最も出力を得られる点火時期とノッキングが発生する点火時期との差分を取得し、
前記取得した差分に基づいて前記水素リッチガス供給装置によって供給する水素リッチガス量を決定し、
前記内燃機関に対して主燃料を供給すると共に前記決定された量の水素リッチガスを前記内燃機関の気筒内に直接供給し、
前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に対して、最も出力を得られる点火時期に火花点火を実行する方法。
A combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine,
Detecting the engine speed of the internal combustion engine,
At the detected engine speed, obtain the difference between the ignition timing at which the most output is obtained and the ignition timing at which knocking occurs,
Determine the amount of hydrogen-rich gas supplied by the hydrogen-rich gas supply device based on the obtained difference,
Supplying the main fuel to the internal combustion engine and supplying the determined amount of hydrogen-rich gas directly into the cylinder of the internal combustion engine,
A method of performing spark ignition at an ignition timing at which the most output can be obtained for a mixture containing the main fuel and hydrogen-rich gas.
火花点火式内燃機関における燃焼制御方法であって、
前記内燃機関におけるノッキングの発生を検出し、
前記内燃機関の機関回転数を検出し、
ノッキングの発生が検出された場合には、前記検出した機関回転数に基づいて供給すべき水素リッチガス量および主燃料量を決定し、
前記内燃機関に対して決定された量の主燃料を供給すると共に前記決定した量の水素リッチガスを前記気筒内に直接供給し、
前記主燃料と水素リッチガスとを含む混合気に火花点火する方法。
A combustion control method in a spark ignition type internal combustion engine,
Detecting the occurrence of knocking in the internal combustion engine,
Detecting the engine speed of the internal combustion engine,
If the occurrence of knocking is detected, determine the amount of hydrogen-rich gas and the amount of main fuel to be supplied based on the detected engine speed,
Supplying a determined amount of main fuel to the internal combustion engine and directly supplying the determined amount of hydrogen-rich gas into the cylinder;
A method for spark-igniting an air-fuel mixture containing the main fuel and a hydrogen-rich gas.
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