JP2006046163A - Hydrogen added internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水素添加内燃機関に関する。 The present invention relates to a hydrogenated internal combustion engine.
ガソリンと空気とによって形成された燃料混合気に水素を添加することにより、着火性を向上させて燃料混合気のリーンリミットを向上させる内燃機関が知られている。このような内燃機関において、特開2004−68615号公報には、水素の噴射を火炎伝播経路の端末となるシリンダ壁面に沿って行い、後期燃焼速度を高めることで、エンドガスの自着火によるノッキングを防ぐようにした技術が開示されている。 There is known an internal combustion engine that improves ignitability and the lean limit of the fuel mixture by adding hydrogen to the fuel mixture formed of gasoline and air. In such an internal combustion engine, Japanese Patent Laid-Open No. 2004-68615 discloses that knocking by self-ignition of end gas is performed by performing hydrogen injection along a cylinder wall surface serving as a terminal of a flame propagation path and increasing a late combustion speed. A technique for preventing this is disclosed.
しかしながら、上記公報に記載された技術では、水素をシリンダ内の周辺に向かって複数箇所から噴射するため、装置の構成が大掛かりとなり、装置の大型化、製造コストの増大の要因となるという問題が生じる。 However, in the technique described in the above publication, since hydrogen is injected from a plurality of locations toward the periphery of the cylinder, the configuration of the apparatus becomes large, which causes a problem of increasing the size of the apparatus and increasing the manufacturing cost. Arise.
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成で筒内の燃焼速度を高めることで、ノッキングの発生を抑止することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to suppress the occurrence of knocking by increasing the combustion speed in the cylinder with a simple configuration.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃焼の燃料として炭化水素燃料と共に水素ガスを用いる水素添加内燃機関であって、吸気ポートに炭化水素燃料を噴射する第1の噴射弁と、筒内に水素ガスを噴射する第2の噴射弁と、筒内に設けられた点火プラグと、を備え、前記第2の噴射弁から噴射される水素ガスの少なくとも一部を前記点火プラグに向けて噴射することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a hydrogenated internal combustion engine that uses hydrogen gas together with a hydrocarbon fuel as a combustion fuel, and a first injection valve that injects the hydrocarbon fuel into an intake port; A second injection valve for injecting hydrogen gas into the cylinder; and an ignition plug provided in the cylinder, wherein at least part of the hydrogen gas injected from the second injection valve is directed toward the ignition plug And jetting.
第2の発明は、第1の発明において、前記第2の噴射弁が筒内の燃焼室の中央に設けられたことを特徴とする。 A second invention is characterized in that, in the first invention, the second injection valve is provided in the center of a combustion chamber in a cylinder.
第3の発明は、第2の発明において、前記第2の噴射弁は、前記燃焼室の中央から放射状に水素ガスを噴射することを特徴とする。 According to a third aspect, in the second aspect, the second injection valve injects hydrogen gas radially from the center of the combustion chamber.
第4の発明は、第3の発明において、前記点火プラグが前記第2の噴射弁の近傍に設けられたことを特徴とする。 According to a fourth aspect, in the third aspect, the spark plug is provided in the vicinity of the second injection valve.
第5の発明は、第1の発明において、前記第2の噴射弁は、筒内の周辺部に設けられ、少なくとも反対側の筒内壁面に達するように水素ガスを噴射することを特徴とする。 According to a fifth invention, in the first invention, the second injection valve is provided at a peripheral portion in the cylinder, and injects hydrogen gas so as to reach at least the opposite cylinder inner wall surface. .
第6の発明は、第5の発明において、前記点火プラグが筒内の燃焼室の中央に設けられたことを特徴とする。 According to a sixth aspect, in the fifth aspect, the spark plug is provided in the center of the combustion chamber in the cylinder.
第1の発明によれば、水素ガスの少なくとも一部を点火プラグに向けて噴射するようにしたため、点火プラグによる着火を行うと、火炎は火炎伝播速度の速い水素噴流を伝わって伝播し、更に筒内の炭化水素燃料へ伝播することになる。従って、非常に短時間の間に燃焼室16の全域で火炎を発生させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。
According to the first invention, since at least a part of the hydrogen gas is injected toward the spark plug, when ignition is performed by the spark plug, the flame propagates through a hydrogen jet having a high flame propagation speed, and further, It will propagate to the hydrocarbon fuel in the cylinder. Therefore, a flame can be generated in the entire region of the
第2の発明によれば、第2の噴射弁を燃焼室の中央に設けたため、燃焼室の中央から周辺に向けて水素噴流を形成することができる。従って、点火プラグによって水素噴流へ着火することで、燃焼室の中央から周辺に向けて瞬時に火炎を伝播させることができる。 According to the second invention, since the second injection valve is provided at the center of the combustion chamber, a hydrogen jet can be formed from the center of the combustion chamber toward the periphery. Therefore, by igniting the hydrogen jet with the spark plug, the flame can be instantaneously propagated from the center of the combustion chamber to the periphery.
第3の発明によれば、燃焼室の中央から放射状に水素ガスを噴射するため、放射状に形成された水素噴流に沿って燃焼室の半径方向に火炎を伝播させることができ、更に水素噴流の火炎は燃焼室の周方向に伝播するため、周方向に隣接する炭化水素燃料の混合気へ火炎を伝播させることができる。従って、筒内の全域に急速に火炎を伝播させることができる。 According to the third aspect of the invention, since hydrogen gas is injected radially from the center of the combustion chamber, the flame can be propagated in the radial direction of the combustion chamber along the radially formed hydrogen jet. Since the flame propagates in the circumferential direction of the combustion chamber, the flame can be propagated to the mixture of hydrocarbon fuels adjacent in the circumferential direction. Therefore, the flame can be rapidly propagated throughout the cylinder.
第4の発明によれば、点火プラグを第2の噴射弁の近傍に設けたため、第2の噴射弁から噴射された水素ガスが筒内の炭化水素燃料の混合気と混合される以前に水素ガスに着火することができる。従って、火炎伝播速度の速い水素噴流に確実に火炎を伝播させることができる。 According to the fourth invention, since the spark plug is provided in the vicinity of the second injection valve, the hydrogen gas injected from the second injection valve is hydrogenated before being mixed with the hydrocarbon fuel mixture in the cylinder. Can ignite gas. Therefore, the flame can be reliably propagated to the hydrogen jet having a high flame propagation speed.
第5の発明によれば、第2の噴射弁を筒内の周辺部に設け、少なくとも反対側の筒内壁面に向けて水素ガスを噴射するようにしたため、筒内を横切るように水素噴流を形成することができる。従って、点火プラグによる着火を行うことで、筒内を横切るように火炎を伝播させることができ、更に隣接する炭化水素燃料の混合気へ火炎を伝播させることができる。これにより、筒内の全域に急速に火炎を伝播させることができる。 According to the fifth aspect of the invention, the second injection valve is provided in the peripheral portion of the cylinder, and the hydrogen gas is injected at least toward the cylinder inner wall surface on the opposite side. Therefore, the hydrogen jet is caused to cross the cylinder. Can be formed. Therefore, by performing ignition with the spark plug, it is possible to propagate the flame so as to cross the inside of the cylinder, and it is possible to propagate the flame to the mixture of adjacent hydrocarbon fuels. Thereby, a flame can be rapidly propagated to the whole region in a cylinder.
第6の発明によれば、点火プラグを燃焼室の中央に設けたため、点火プラグによって水素噴流へ着火することで、水素噴流に沿って燃焼室の中央から周辺に火炎を伝播させることができる。 According to the sixth invention, since the ignition plug is provided in the center of the combustion chamber, the flame can be propagated along the hydrogen jet from the center of the combustion chamber to the periphery by igniting the hydrogen jet.
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る水素添加内燃機関10を備えたシステムの構成を説明するための図である。内燃機関10の筒内には、その内部を往復運動するピストン12が設けられている。また、内燃機関10は、シリンダヘッド14を備えている。ピストン12とシリンダヘッド14との間には、燃焼室16が形成されている。燃焼室16には、吸気ポート18および排気ポート20が連通している。吸気ポート18および排気ポート20には、それぞれ吸気弁22および排気弁24が配置されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a system including a hydrogenated
吸気ポート18には、ポート内にガソリン(炭化水素燃料)を噴射するガソリン噴射弁26が配置されている。また、シリンダヘッド14には、筒内に水素を噴射する水素燃料筒内噴射弁30が配置されている。
The
ガソリン噴射弁26には、ガソリン供給管32を介してガソリンタンク34が連通している。ガソリン供給管32は、ガソリン噴射弁26とガソリンタンク34との間に、ポンプ36を備えている。ポンプ36は、ガソリン噴射弁26に所定の圧力でガソリンを供給することができる。このため、ガソリン噴射弁26は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量のガソリンを吸気ポート18内に噴射することができる。
A
本実施形態のシステムは、気体状態にある水素を高圧で貯留するための水素タンク38を備えている。水素タンク38には、水素供給管40が連通している。水素供給管40は水素燃料筒内噴射弁30に連通している。尚、本実施形態のシステムでは、水素燃料筒内噴射弁30に供給される水素燃料として、外部から水素タンク38内に充填される水素ガスを使用しているが、水素燃料はこれに限定されるものではなく、車両上で生成、あるいは外部より供給される高濃度の水素を含む水素リッチガスを使用するものであってもよい。
The system of this embodiment includes a
水素供給管40には、水素タンク38と水素燃料筒内噴射弁30との間に、レギュレータ44が配置されている。このような構成によれば、水素燃料筒内噴射弁30には、レギュレータ44により減圧された所定の圧力で、水素タンク38内にある水素が供給される。このため、水素燃料筒内噴射弁30は、外部から供給される駆動信号を受けて開弁することにより、その開弁の時間に応じた量の水素を筒内に噴射することができる。
A
また、水素供給管40には、レギュレータ44と水素燃料筒内噴射弁30との間に、燃圧センサ48が配置されている。燃圧センサ48は、水素燃料筒内噴射弁30に供給される水素の圧力に応じた出力を発するセンサである。本実施形態のシステムでは、燃圧センサ48が発する出力に基づいてレギュレータ44を制御することとしている。このため、水素タンク38から供給される水素の圧力が変動する場合であっても、水素燃料筒内噴射弁30に安定した圧力で水素を供給することができる。
In the
本実施形態のシステムは、ECU50を備えている。ECU50には、上述した燃圧センサ48に加え、内燃機関10の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、スロットル開度、機関回転数、排気温度、冷却水温度、潤滑油温度、触媒床温度などを検出するための各種センサ(不図示)が接続されている。また、ECU50には、上述したガソリン噴射弁26、水素燃料筒内噴射弁30、ポンプ36、レギュレータ44などのアクチュエータが接続されている。このような構成によれば、ECU50は、内燃機関10の運転状態に応じて、燃料噴射を実行する噴射弁を任意に選択することができ、各種センサの出力に基づいて各アクチュエータを駆動することができる。
The system of this embodiment includes an
図2は、燃焼室16を下側から見た状態を示す模式図であって、圧縮工程において水素燃料筒内噴射弁30から水素が噴射された直後の様子を示している。燃焼室16の中央に配置された水素燃料筒内噴射弁30からは、燃焼室16の周辺に到達するように半径方向に放射状に水素が噴射される。これにより、図2に示すように、水素が噴射された4つの方向に水素噴流52が形成される。
FIG. 2 is a schematic view showing the
筒内での気流に依存することなく水素噴流52を形成するためには、水素燃料筒内噴射弁30から高圧の水素を噴射することが好適である。放射状に水素を噴射する際の噴射方向は、4方向に限定されるものではなく、燃焼室16の容積、水素の噴射量などに応じて適宜噴射方向を決定することができる。
In order to form the
また、図2に示す状態において、燃焼室16内には吸気行程で吸入されたガソリンと空気の混合気が滞留している。従って、水素噴流52の周縁部はガソリンと空気の混合気と接触している。
In the state shown in FIG. 2, a mixture of gasoline and air sucked in the intake stroke stays in the
図2に示すように、放射状に形成された水素噴流52の1つと接触する位置に点火プラグ54が配置されている。すなわち、本実施形態では、水素ガスが点火プラグ54に向けて噴射されるように、水素燃料筒内噴射弁30からの水素ガスの噴射方向と点火プラグ54の位置が規定されている。
As shown in FIG. 2, a
図2の状態から点火プラグ54による着火を行うと、点火プラグ54が接触している水素噴流52と、水素燃料筒内噴射弁30の近傍で隣接している他の水素噴流52に火炎が発生する。このとき、水素の火炎伝播速度はガソリンの9倍程度と速いため、火炎は先ず水素噴流52に沿って燃焼室16の半径方向に放射状に広がり、水素噴流52の全域に到達する。また、同時に水素噴流52の火炎は燃焼室16の周方向に広がり、周方向に隣接するガソリンの混合気へ伝播する。これにより、筒内の全域で燃焼が行われる。
When ignition is performed by the
このように、燃焼室16内に水素噴流52を形成し、この水素噴流52に点火することで、水素噴流52が形成された領域に火炎を瞬時に伝播させることができる。図2の例では、水素噴流52を燃焼室16の中心から周辺に向けて放射状に形成しているため、燃料室16の中心部から周辺部に火炎を瞬時に到達させることができる。
Thus, by forming the
また、点火プラグ54とガソリンの混合気との間に火炎伝播速度の速い水素噴流52を介在させているため、火炎伝播距離を著しく短縮することができ、点火プラグ54から比較的遠い位置に存在するガソリンの混合気に対しても瞬時に火炎を伝播させることができる。これにより、燃焼速度増大効果を得ることができ、点火プラグ54による着火の後、非常に短時間の間に燃焼室16の全域で火炎を発生させることができる。従って、熱効率を向上させることができ、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。
In addition, since the
図2において、水素噴流52における速い火炎伝播を最大限に発揮させるためには、噴射された水素が筒内のガソリンの混合気中に拡散する以前に水素噴流52に着火することが好適である。このため、水素燃料筒内噴射弁30は点火プラグ54の近傍に配置することが望ましい。ただし、水素噴流52の先端側に点火プラグ54を設けた場合であっても、水素の噴射タイミング、噴射量、点火のタイミング等を適宜調整することで、水素噴流52への着火は可能である。従って、これらのパラメータに基づいて点火プラグ54の位置は適宜設定することができる。
In FIG. 2, in order to maximize the rapid flame propagation in the
なお、水素燃料筒内噴射弁30と点火プラグ54が近接し過ぎていると、水素と筒内の空気が混ざる以前に点火が行われ、水素噴流52への着火性が低下する場合がある。従って、水素燃料筒内噴射弁30と点火プラグ54は一定の距離だけ離間させることが望ましい。または、水素燃料筒内噴射弁30と点火プラグ54を接近させた場合は、水素を噴射した後、水素と空気が混ざる程度の時間が経過した後に着火することが好適である。
Note that if the hydrogen fuel in-
以上説明したように実施の形態1によれば、燃焼室16内に放射状に水素噴流52を形成し、水素噴流52に対して着火を行うようにしたため、火炎伝播速度の速い水素噴流52の全域に瞬時に火炎を生じさせることができる。また、水素噴流52に隣接するガソリンの混合気には、水素噴流52で発生した火炎が伝播するため、点火プラグ54から離れた位置においても、水素噴流52の火炎を介してガソリンの混合気に瞬時に火炎を伝播させることができる。従って、非常に短時間の間に燃焼室16の全域で火炎を発生させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。
As described above, according to the first embodiment, since the
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2について説明する。図3は、実施の形態2に係る水素添加内燃機関10を備えたシステムの構成を説明するための図である。図3に示すように、実施の形態2では水素燃料筒内噴射弁30を筒内の周辺部に設けている。その他の基本構成は実施の形態1で説明した図1の構成と同様である。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration of a system including the hydrogenated
図4は、実施の形態2の水素添加内燃機関10において、燃焼室16を下側から見た状態を示す模式図である。図4は、図2と同様に、圧縮工程において水素燃料筒内噴射弁30から水素が噴射された直後の様子を示している。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which the
図4に示すように、筒内の周辺部に配置した水素燃料筒内噴射弁30から、少なくとも反対側の筒内壁面に向けて水素が噴射される。図4の例では、水素燃料筒内噴射弁30から3方向に向けて水素を噴射するようにしている。これにより、図4に示すように、水素燃料筒内噴射弁30から3方向に向けて水素噴流52が形成される。
As shown in FIG. 4, hydrogen is injected from the hydrogen fuel
図4に示すように、3つの水素噴流52のうち、中心に位置する水素噴流52と接触する位置に点火プラグ54が配置されている。すなわち、実施の形態2においても、水素ガスが点火プラグ54に向けて噴射されるように、水素燃料筒内噴射弁30からの水素ガスの噴射方向と点火プラグ54の位置が規定されている。
As shown in FIG. 4, a
そして、図4の状態から点火プラグ54による着火を行うと、点火プラグ54が接触している水素噴流52と、水素燃料筒内噴射弁30の近傍で隣接している他の水素噴流52に火炎が発生し、火炎伝播速度の速い水素噴流52を伝わって火炎が燃焼室16を横切って伝播する。これにより、実施の形態1と同様に火炎は3つの水素噴流52の全域に到達し、更に隣接するガソリンの混合気へ伝播し、筒内の全域で急速に燃焼が行われる。
When ignition is performed by the
このように、水素燃料筒内噴射弁30を筒内の周辺部に設け、筒内壁面に向けて燃焼室16を横切るように水素噴流52を形成しても良い。この場合においても、水素噴流52に生じさせた火炎をガソリンの混合気へ伝播させることで、燃焼室16内の全域に瞬時に火炎を生じさせることができる。従って、燃焼室16内の全域に急速に火炎を伝播させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することが可能となる。
As described above, the hydrogen fuel in-
実施の形態2では、図4に示すように、点火プラグ54を燃焼室16の中央に設けている。これにより、燃焼室16の周辺にほぼ同時期に火炎を到達させることができ、燃焼室16内で均一な燃焼を行うことができる。ただし、実施の形態1と同様に、水素の噴射タイミング、噴射量、点火のタイミング等に基づいて、点火プラグ54の位置は適宜設定することが可能である。
In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the
以上説明したように実施の形態2によれば、燃焼室16内の周辺部から中心部、周辺部に向けて水素噴流52を形成し、水素噴流52に対して着火を行うようにしたため、火炎伝播速度の速い水素噴流52の全域に瞬時に火炎を生じさせることができる。そして、水素噴流52に隣接するガソリンの混合気には、水素噴流52で発生した火炎が伝播するため、点火プラグ54から離れた位置においても、水素噴流52の火炎を介してガソリンの混合気に瞬時に火炎を伝播させることができる。従って、非常に短時間の間に燃焼室16の全域で火炎を発生させることができ、熱効率を向上させるとともに、ノッキングの発生を確実に抑止することができる。
As described above, according to the second embodiment, the
なお、実施の形態1,2では、燃焼室16内の1箇所に水素燃料筒内噴射弁30を設けているが、複数箇所に水素燃料筒内噴射弁30を設けて、各水素燃料筒内噴射弁30から複数の方向へ水素を噴射しても良い。また、水素燃料筒内噴射弁30から水素を広角状(扇状)に噴射して、1方向に噴射された水素がより広範囲に供給されるようにしても良い。
In the first and second embodiments, the hydrogen fuel in-
10 水素添加内燃機関
16 燃焼室
26 ガソリン噴射弁
30 水素燃料筒内噴射弁
52 水素噴流
54 点火プラグ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
吸気ポートに炭化水素燃料を噴射する第1の噴射弁と、
筒内に水素ガスを噴射する第2の噴射弁と、
筒内に設けられた点火プラグと、を備え、
前記第2の噴射弁から噴射される水素ガスの少なくとも一部を前記点火プラグに向けて噴射することを特徴とする水素添加内燃機関。 A hydrogenated internal combustion engine that uses hydrogen gas as a combustion fuel together with a hydrocarbon fuel,
A first injection valve for injecting hydrocarbon fuel into the intake port;
A second injection valve for injecting hydrogen gas into the cylinder;
A spark plug provided in the cylinder,
A hydrogenated internal combustion engine, wherein at least a part of hydrogen gas injected from the second injection valve is injected toward the spark plug.
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